Принцип работы жидкокристаллических экранов

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, что некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

Все жидкие кристаллы подразделяются на две большие группы: нематическая  (от греческого слова нема – нить) и смектическая, объединенные общим термином для жидких кристаллов — «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезо (промежуточный). Это означает, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Ещё в первые годы изучения жидких кристаллов было обнаружено, что некоторые их виды обладают необычайно высокой оптической активностью. Оптической активностью называют способность некоторых веществ вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Это означает, что линейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах, изменяет ориентацию плоскости поляризации. Величина вращательной способности для жидких кристаллов в сотни и тысячи раз превосходит эту величину для наиболее оптически активных кристаллов, таких, как, например, кварц, и зависит от длины волны света, проходящего через  кристалл. Это свойство жидких кристаллов и было положено в работу жидкокристаллических матриц.

Вторым важным свойством жидких кристаллов является то, что любое отклонение жидкого кристалла от состояния определенной конфигурации связано с наличием в нем дополнительной упругой энергии, т.е. отклонение может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, связанных с поверхностями образца, с внешними электрическими и магнитными полями и т.д. В отсутствие этих воздействий или при снятии их нематик стремится возвратиться в состояние предшествующей ориентации. Таким образом, упругие свойства жидких кристаллов связывают их в определенной мере с твердыми телами.

Большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним электрических воздействий. Податливость и «мягкость» жидких кристаллов по отношению их к внешним воздействиям делает их перспективными материалами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические напряжения, малые потребляемые мощности и малые габариты. Поэтому для обеспечения оптимального функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстве важно знать электрические характеристики жидких кристаллов.

 Электропроводность – величина, характеризующая количественно способность вещества проводить ток, т.е. величина, обратная удельному сопротивлению. Но говоря о проводимости жидких кристаллов, необходимо выделить то, что проводимость вдоль продольного  направления (директора) молекул жидкого кристалла отличается от проводимости поперечного направления. Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, а гораздо более массивные частицы. Это положительные и отрицательно заряженные молекулы, отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой причине электропроводность ЖК сильно зависит от количества и химической природы, содержащихся в них примесей. В частности, электропроводность нематика (у нематика форма молекул в виде длинных нитей-палочек) можно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемое количество добавок, в качестве которых могут быть некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в ЖК представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек – молекул. При этом вдоль ориентированного направления палочек – молекул ионы испытывают меньше помех, чем при движении поперек палочек – молекул. В результате чего, продольная проводимость будет превосходить поперечную проводимость. Более того, перемещаясь под действием электрического тока поперек направления директора (когда электрическое поле приложено перпендикулярно директору), ионы, сталкиваясь с молекулами, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т.е. вдоль направления движения электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора (ориентация продольных осей молекул).

Ещё одно важное свойство жидких кристаллов заключается в том, что при деформации (механическом воздействии на ЖК) в них индуцируется электрическое поле, а прикладывая к ЖК внешнее электрическое поле, можно вызвать деформацию ориентации директора в жидком кристалле. Это явление называется флексоэлектрическим эффектом.

С учетом вышеизложенного можно приступить к изучению принципа работы LCD – дисплеев.

Принцип действия LCD – дисплеев (ЖК – мониторов) основан на эффекте поляризации света, пропущенного через жидкокристаллическую матрицу в электромагнитном поле. Сам кристалл не испускает света и не меняет цвета. Однако, при воздействии на него внешнего электрического поля молекулы жидкого кристалла выстраиваются в упорядоченную структуру, изменяя поляризацию пропущенного через них света.

В упрощенном виде матрица жидкокристаллического дисплея представлена на рис.2.52. Она представляет собой стеклянные подложки с нанесенными на них прозрачными прозрачными электродами, между которыми находятся жидкие кристаллы.

 С обеих сторон этот «бутерброд» закрыт двумя фильтрами – поляризаторами

(поляризующими пленками). В цветных матрицах каждый пиксель формируется, как

известно, из трех цветных точек (красной, зеленой и синей), поэтому добавляется ещё и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трех ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включенном, либо выключенном состоянии.

Комбинируя эти состояния, можно получить оттенки цвета, а включая все одновременно – белый цвет. Допустим, что оба фильтра – поляризатора имеют горизонтальную поляризацию, а жидкие кристаллы, расположены так, что в

 

Рис. 2.52. Строение ЖК – матрицы.

 отсутствие электрического поля направление поляризации света не меняют. Тогда пучок света, направленный на одну сторону матрицы, будет горизонтально поляризован первым поляризатором, без изменений пройдет слой жидких кристаллов и, так как у второго поляризатора направление поляризации такое же, как у пучка, выйдет наружу с другой стороны матрицы. С точки зрения наблюдателя матрица будет просто прозрачной, ведь к направлению поляризации света человеческий глаз нечувствителен.

 

Если же, подав на электроды напряжение, изменив положение жидких кристаллов таким образом, что они будут поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света на 90°, то матрица станет непрозрачной: свет будет полностью поглощаться вторым поляризатором, поскольку его направление поляризации окажется перпендикулярным к направлению поляризации света. Соответственно, поворачивая кристаллы на промежуточные углы, путем изменения напряжения на электродах, можно плавно регулировать прозрачность матрицы. Если снять с электродов напряжение, то под действием силы упругости молекулы возвращаются в исходное состояние, возвращая первоначальную поляризацию света.

 

Так как сама по себе ЖК- матрица ничего не излучает, а  лишь меняет интенсивность проходящего через нее света, то в этом ее принципиальное отличие от других указанных выше дисплеев на ЭЛТ, в которых каждый пиксель - это самостоятельный светоизлучающий элемент. Поэтому для работы ЖК- матрицы  требуется внешняя подсветка. В калькуляторах, где впервые нашли применение жидкие кристаллы, использовалось естественное внешнее освещение, для этого задняя поверхность экрана делалась зеркальной, однако в компьютерных дисплеях, характеристики которых не должны зависеть от внешнего освещения, эта схема неприменима, поэтому в них позади панели располагается блок ламп подсветки.

 

Как правило, в ЖК-дисплеях применяются ртутные флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL – Cold Cathode Fluorescent Lamp), питающиеся от высоковольтного преобразователя, но, в отличие от привычных ламп дневного света, не требующие нити накаливания и достаточно быстро включающиеся. Впрочем, их частично вытесняют ксеноновые лампы низкого давления. Этот процесс уже начался в сканерах, где до последнего времени также использовались только ртутные CCFL.

 

Принцип действия ЖК- дисплеев - модуляция внешнего света - определяет и один из наиболее заметных их недостатков: низкую контрастность. Проблема в том, что ЖК - поляризаторы не способны полностью блокировать проходящий через них свет, они всегда пропускают какую-то, пусть даже небольшую его часть, т. е. черный цвет всегда будет иметь малую, но не нулевую интенсивность свечения. В то же время, например, в кинескопах, в которых пиксель - излучающий элемент, в принципе достижим идеальный черный цвет: если на пиксель не подается сигнал, то он просто не светится. Сегодня даже лучшие ЖК-панели все же уступают по контрастности обычным ЭЛТ-мониторам (уровень яркости черного пикселя в зависимости от технологии изготовления ЖК-матрицы составляет 0,1-1 кд/м², и даже при меньшем значении этого диапазона экран в полутьме воспринимается глазом не как черный, а как темно-серый, при большем же имеет сравнительно яркое свечение).

 

Однако, вопросы контрастности ЖК- матриц будут рассмотрены ниже, а пока вернемся к принципу их работы. Жидкие кристаллы никак не влияют на длину волны света, и матрица изначально может воспроизводить лишь цвет лампы подсветки. Как указано выше, для решения этой проблемы каждый пиксель матрицы разбивается на три независимых субпикселя, и на него накладывается так называемая цветоделительная маска: цветной  фильтр, окрашивающий проходящий через каждый из субпикселей свет в один из основных цветов –красный , зеленый или синий. Таким образом, освещая матрицу белым светом , получаем привычные для любого монитора RGB - триады.

 

Матрицы делятся на пассивные (простые) и активные. В пассивных матрицах управление производится попиксельно, т.е. по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК- мониторов по этой технологии, стало то, что при увеличении диагонали увеличиваются и длины проводников, по которым передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменён последний пиксель, первый успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, большая длина требует большего напряжения, что приводит к росту помех и наводок. Это резко ухудшает качество картинки и точность цветопередачи. Из-за этого пассивные матрицы применяются только там, где не нужны большая диагональ и высокая плотность отображения.

Для преодоления этой проблемы были разработаны активные матрицы, в которых каждый субпиксель имел свой собственный управляющий транзистор, благодаря чему появилась возможность управлять каждым пикселем на экране отдельно. Поэтому проблема длинных электродов не возникала в принципе, так как размер электродов ограничивался размером одного субпикселя. Более того, каждый пиксель теперь был снабжен параллельно включенным конденсатором, позволившим поддерживать напряжение на пикселе, а следовательно, и его состояние постоянным; таким образом, удалось полностью избавиться от мерцания ЖК - матриц. Из-за требования к прозрачности матрицы в целом транзисторы имеют толщину менее 0,1 мкм - так называемые тонкопленочные транзисторы (TFT –Thin Film Transistor). Со временем аббревиатура TFT стала применяться наравне с понятием "активная матрица", так как одно автоматически означало наличие другого, а сейчас она не просто наиболее распространена, а иногда даже применяется вместо аббревиатуры LCD, поскольку матрицы без TFT для  компьютерных дисплеев уже не выпускаются. По сути, современный ЖК - монитор представляет собой массив большого количества ЖК – пикселей, сформированных в горизонтальные параллельные линии и управляемых отдельно друг от друга. Например, в панели LCD – телевизора SHARP LC – 45GD1E экран состоит из 6,22 миллионов пикселей

 

Следует отметить, что качество параметров, характеризующих работу ЖК- мониторов, определяется в первую очередь применением той или иной технологии их изготовления. Так с переходом на активные матрицы (TFT – технологию) контрастность ЖК – мониторов приблизилась по качеству к контрастности ЭЛТ – мониторов. Поскольку TFT – технология ( и её модификация S –TFT) имеет в настоящее время наиболее широкое применение, то целесообразно охарактеризовать её несколько подробнее.

Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом встроены три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет встроены три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет

(TFT)

 

Рис.2.53. Конструкция TFT.

собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов (см. рис.2.53). Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280х1024, существует ровно 3х1280х1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки пикселя при обычной TFT – технологии составляет 0,25…0,3 мм.

 

Активная матрица  имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей (технология STN – Super Twisted Nematic).  Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Дорогие модели ЖК -  мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160°  и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы.

Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофора  ЭЛТ-монитора  сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для ЖК - мониторов достаточной является частота вертикальной (кадровой) развертки, равная 60 Гц.

 

ЖК –мониторы, изготовленные по TFT – технологии обладают и рядом других преимуществ перед ЭЛТ – мониторами, среди которых- пониженное потребление электроэнергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволили получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT. Новая технология Super TFT изготовления многослойных ЖК – матриц, разработанная компанией Hitachi, значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК- монитора. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине (см. рис.2.54) и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана. Так как кристаллы обычной ЖК – панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖК- мониторы более зависимы от угла зрения, чем ЖК – панели Hitachi с технологией Super TFT. В результате изображение на мониторе остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с

 

Рис. 2.54. Конструкция S –TFT.С изображением на ЭЛТ – мониторе.

 

Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения её LCD - дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ррi, что соответствует 31 точке на квадратный мм, или шагу точек 0,18 мм. Применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (Twisted nematic) позволяют строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии «color filter on TFT» светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

 

 Выше приведенная информация позволяет сделать заключение, что в скором времени ЖК – мониторы полностью заменят мониторы на базе ЭЛТ ( кинескопов), также как кинескопы, в свое время, заменили ЭЛТ с магнитным отклонением луча и длительным послесвечением.

 

Среди преимуществ ЖК – мониторов, выполненных по TFT – технологии, перед кинескопами можно отметить следующие:

1. Отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Даже в самой плоской электронно-лучевой трубке ЭЛТ – монитора необходима коррекция возникающих геометрических искажений из-за построения изображения. ЖК – мониторы  лишены этого недостатка и в них не нужны регулировки по коррекции растра.

2. Отсутствие мерцания экрана, поскольку в ЖК- дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Пиксели ЖК экрана никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность своего свечения.

3. Высокая четкость изображения, недостижимая в ЭЛТ – мониторах.

4. Отсутствие бликов и отражений.

5. Отсутствие излучения. Электронно-лучевая трубка ЭЛТ – монитора излучает из-за высокого напряжения на анода излучает электромагнитные волны. В принципе, у LR – мониторов это излучение находится на достаточно безопасном уровне, но ЖК – монитор совсем не излучает. В нем нет высоких напряжений.

6. ЖК – монитор не создает статического потенциала, поэтому пыль к нему не прилипает.

7. ЖК – дисплей значительно меньше и легче ЭЛТ – дисплея, поэтому допускает многовариантную установку.

8. Низкое энергопотребление и использование технологий, не приносящих вреда окружающей среде. Современные ЖК – мониторы потребляют на 60…80% меньше электроэнергии, чем ЭЛТ – мониторы.

 

 

Ниже показаны все основные  отличия рабочих характеристик ЖК и ЭЛТ мониторов:

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: