Жидкокристаллические индикаторы

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 20:19, 7 января 2015.

__NUMBEREDHEADINGS__

Рисунок 1

В отличие от рассмотренных ранее индикаторов, ЖК-индикаторы являются пассивными. Различают два режима работы:

  • На отражение;
  • На пропускание.

Характерные отличия: текучесть, аморфная упорядоченная структура. Открыты в 1888 г., первые индикаторы - 1960 г.

Схематично ЖК-индикатор изображен на Рис.1:

Классификация:

  • Нематики (электрические св-ва);
  • Холестерики (температурные св-ва).

Режимы работы

Работающие на отражение

Рисунок 2

Верхний электрод выпаян в форме изображаемого предмета. Свет проходит через вертикальную полость, далее - через стекло - плоскость полости меняется, отражается о нижнюю поверхность (также смена плоскостей поляризации) и свет далее выходит, следовательно, пластина прозрачна для света. При повороте молекулы на 90 градусов сохраняется вертикальная плоскость поляризации, "отсекается" луч нижней поляризации, следовательно видно черную точку. При возбуждении молекулы регулируется поляризация поворота, от чего изменяется градация серого света (отражаться будет только часть светового луча).

Возбуждение

  • Волной (частотный метод) - постоянное поддержание нужной структуры.
  • Постоянная нагрузка - постепенное разрушение структуры, следовательно нужна релаксация, иначе состояние вырождается.

Работающие на пропускание

Для индикаторов, работающих на просвет, убирается отражатель, из-за чего поляризаторы параллельно ориентированы. Также добавляется лампочка внизу. Тогда свет проходит свободно, если кристалл не возбужден; поляризаторы не скрещены. Если поляризаторы скрещены, то на темном фоне светятся белые линии.

Плотность поляризаторов зависит от того, как вырезается поляризатор. Т.о. цена изготовления не изменяется.

Рисунок 3

Классификация

Холестерики

Набор молекул, закрученных по спирали (множество молекул). Под действием температуры меняется ориентированность молекул спирали, следовательно, действует как дифракционная решетка, под действием температуры меняются цвета, реакция вплоть до 0.1 градуса. ЖК индикаторы пассивны, следовательно необходим внешний источник излучения

Нематики

Под действием переменного электрического поля перестраиваются молекулы. Электрооптические эффекты:

  • динамическое рассеивание
  • твист-эффект
  • эффект гость-хозяин

Динамическое рассеивание

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура. При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием.

Твист-эффект

В отсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А. Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор; если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поляризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

Эффект гость-хозяин

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК. В начальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 5.4, а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее.

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Примеры

TFT технология

Скорость обновления - скорость занесения информации в ячейку (а не изменения состояния вещества). Тонкоплёночный транзистор (TFT, англ. thin-film transistor) — разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона). Изобретение датируется 1959 годом.

Применяются, например, в ЖК-мониторах как элементы управления активной матрицей на жидких кристаллах. Однако сами тонкоплёночные транзисторы, как правило, не являются достаточно прозрачными.

Недостаток - углы обзора

TN+film (Twisted Nematic + film)

TN + film — самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно — от 90° до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности — нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS технология

Молекула - в виде спирали. Можно получить структуру, имеющую определенную ориентацию и очень высокую плотность. Технология используется с двумя скрещенными поляризаторами, следовательно экран черный. Однако, яркость, по сравнению с TFT, ниже. Углы обзора - 174-176 градусов.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам. MVA (Multi-domain Vertical Alignment). Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176—178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля.

Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.

Аналогами MVA являются технологии:

  • PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung.
  • Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
  • Super MVA от CMO.

Схемы управления

Схема частотного управления (Рис.4) для каждого сегмента:

Рисунок 4

Схема фазового управления (Рис.5) для каждого сегмента:

Рисунок 5

Замечание: схему управления обычно выпускают под конкретный тип индикатора или монтируют с индикатором.

Для формирования контактных выводов используют проводящую резину:

Рисунок 6

Однако в этом случае возникает проблема точного совмещения.