напряжениями (от 0,5 до 3 В), что существенно при изготовлении индикаторов с автономным питанием.

Достоинствами твист-эффекта являются относительно высокая крутизна вольт-контрастной характеристики, достаточно высокое быстродействие и

слабая зависимость электрооптических характеристик от длины волны падающего света в видимой области спектра. В настоящее время устройства на твист-эффекте являются самыми распространенными жидкокристаллическими системами. Они применяются в панелях управления автомобилей и самолетов, счетчиках бензоколонок и кассовых аппаратов, индикаторах радиоаппаратуры и измерительных приборов, микрокалькуляторах и электронных играх. Наиболее высокими темпами роста отличается производство ЖК-дисплеев для персональных компьютеров и портативных телевизоров (порядка 50% в год). Особое место занимает твист-эффект в системах оптической обработки и преобразования информации – в управляемых транспарантах, структурах фотопроводник – жидкий кристалл, фильтрах оптических изображений, модуляторах света, четвертьволновых пластинах и т.д.

Фазовый переход. Жидкокристаллическая ячейка с примесью холестерического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией рассеивает свет, образуя жидкокристаллическую непрозрачную ячейку молочного цвета. При увеличении электрического поля молекулы жидкого кристалла ориентируются в направлении поля, и ячейка становится прозрачной.

Оптический эффект "гость – хозяин". Краситель, обладающий

свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, называется плеохроическим. Если такой краситель смешать с жидким кристаллом, то появляется возможность с помощью электрического поля менять как ориентацию жидкого кристалла, так и молекул красителя, то есть изменять цвет жидкокристаллической ячейки. В такой ячейке жидкий кристалл называется "хозяином", а краситель – "гостем".

17.8.4. Жидкокристаллические индикаторные панели

Жидкокристаллическая индикаторная панель представляет собой двухмерную матрицу XY управляющих электродов, точки пересечения которых образуют жидкокристаллические ячейки, каждая из которых может

воспроизводить один элемент изображения при приложении напряжения к соответствующим электродам. На рис. 17.18 приведена электрическая характеристика такой ячейки.

346

При приложении напряжения меньше порогового ячейка закрыта, т.е. не пропускает свет. Если приложенное напряжение превышает пороговое, ячейка переходит в открытое состояние (возбуждается).

Так как в жидкокристаллических индикаторах используется переориентация крупных органических молекул, быстродействие их сравнительно невелико и составляет около 10 мс. При динамическом

возбуждении к столбцам электродов прикладывают стробированное напряжение, а к строкам – импульсное. При этом пороговое напряжение и число строк разложения зависят от частоты внешнего напряжения.

Активным матричным индикатором называется прибор, в котором каждая индикаторная ячейка возбуждается независимо от других. Для

практической реализации активного матричного индикатора с большим экраном применяется интеграция ячеек со схемой управления. В таком индикаторе используется матрица МОП-транзисторов, затворы и стоки которых соединяются с Х и Y шинами возбуждения матрицы адресации. При возбуждении какой-либо затворной шины отпираются МОП-транзисторы этого столбца и через шины, к которым присоединены стоки транзисторов, осуществляется инжекция зарядов в накопительную емкость, напряжение на которой определяет оптические свойства ячейки. Так как интенсивность отраженного света можно изменять в зависимости от потенциала шин, к которым подсоединены стоки транзисторов, то оказывается возможной индикация тоновых изображений. На рис. 17.19 приведен пример активного

матричного индикатора на тонкопленочных транзисторах из аморфного кремния, которые образуют на стеклянной подложке коммутационную матрицу адресации.

347

Рис. 17.19. Схема активного матричного индикатора

Жидкокристаллические ячейки могут быть построены на эффекте "гость-хозяин". Использование транзисторов, изготовленных из аморфного кремния на стеклянной подложке, снимает ограничения на площадь экрана,

которые имеют место при использовании монокристаллических кремниевых пластин.

Воспроизведение цветного изображения

Для воспроизведения цветного изображения на жидкокристаллических экранах могут быть использованы следующие приемы.

1.При двойном лучепреломлении, управляемом электрическим полем,

интенсивность прошедшего через анализатор света зависит от угла между направлением поляризации падающего света и направлением проекции оси ориентации молекул жидкого кристалла поверхность стекла. Поскольку угол поворота направления поляризации зависит от длины волны, появляется возможность цветного воспроизведения. На первом месте по простоте конструкции в этом

случае стоят ЖКИ на эффекте управляемого электрическим полем шага спирали холестерических жидких кристаллов. Изменение шага

спирали приводит к изменению цвета плоскостной холестерической структуры. Для понижения рабочего напряжения добавляют

некоторое количество нематического жидкого кристалла с большой величиной положительной анизотропии. Недостатками таких

348

индикаторов являются узкий температурный интервал работы и сравнительно высокие рабочие напряжения (до 100 В).

2.В индикаторах с эффектом "гость-хозяин" цветное воспроизведение можно осуществлять, используя дихроизм красителя. Краситель в этом случае определяет только цвет изображения. Для обеспечения

приемлемой контрастности концентрация красителя обычно не превышает 1%. Управляющие напряжения составляют 8 – 10 В. В цветных индикаторах, работающих на смесях ЖК с плеохроичными красителями необходимо использовать поляризованный свет,

поэтому в практических конструкциях предусматривается установка поляризатора. Недостатками индикаторов на эффекте "гость-хозяин"

являются малая контрастность изображения и бледные ненасыщенные цвета.

3.Цветное отображение произвольного изображения любого цвета можно осуществить на основе комбинации трех основных цветов, управляя цветом в каждой ячейке. Для этого применяются цветные светофильтры, обеспечивающие цвет излучения, а жидкий кристалл управляет только интенсивностью проходящего света. На рис. 17.20

показана возможность воспроизведения цветного телевизионного изображения на основе "твист-эффекта" в нематическом жидком кристалле.

ЗС К З С К

Освещение

Рис. 17.20. Принцип воспроизведения цветного изображения

Трудности создания больших ЖК панелей связаны с тем, что при

увеличении размеров в возрастающей степени проявляются такие недостатки, как низкий контраст, ограниченный угол обзора, невысокое разрешение. Решение этих проблем возможно двумя путями: созданием

новых жидкокристаллических материалов и использованием более совершенных методов адресации.

Серийные жидкокристаллические панели на стандартных нематических жидких кристаллах с твист-эффектом имеют следующие параметры:

349

∙информационная емкость 640 на 200,

∙диагональ экрана до 30 см,

∙быстродействие 30 – 50 мс,

∙угол обзора менее 30 градусов,

∙контраст 1:3,

∙диапазон рабочих температур 273 – 323 К,

∙потребляемая мощность 0,2 Вт,

∙долговечность 50000 часов,

∙толщина 15 – 20 мм.

Впоследние годы разработаны новые жидкокристаллические материалы, например, усовершенствованные нематические ЖК с твист- эффектом, сегнетоэлектрические ЖК, нематические ЖК с супертвист- эффектом, смектические ЖК. Их использование позволило улучшить ряд параметров жидкокристаллических экранов. Так, угол обзора увеличен до 60

–180 градусов, контраст – до 1:5 – 1:10. Для сегнетоэлектрических ЖК достигнуто быстродействие порядка 0,1 мс, что позволяет использовать их в телевизорах плоской конструкции. Панели на ЖК с супертвист-эффектом

характеризуются исключительно высоким качеством изображения и могут конкурировать с другими системами отображения информации в дисплеях с высоким разрешением. Панели на смектических ЖК отличаются очень высокой информационной емкостью (420 на 780) и широким углом обзора – до 180 градусов, но имеют низкое быстродействие около 0,3 мс, что ограничивает их широкое применение.

Ведутся активные работы по созданию ЖК панелей на активных матрицах. Активные матрицы изготовляются на тонкопленочных

транзисторах или диодных структурах из поликристаллического и аморфного кремния. Использование транзисторных структур позволяет получать высокое качество изображения и высокое разрешение, что важно для дисплеев специального назначения. Диодные матрицы представляются предпочтительными для экранов больших размеров. Согласно прогнозу,

жидкокристаллические панели с активными матрицами будут основными выпускаемыми приборами.

Вцветных дисплеях использование микрофильтров позволяет обеспечить полный набор цветов в панелях с мультиплексной адресацией и с активными матрицами. В последнем случае качество изображения близко к получаемому на ЭЛТ. Основные недостатки цветных ЖК панелей –

необходимость достаточно эффективной подсветки для компенсации потерь света из-за использования фильтров, что заметно увеличивает потребление электроэнергии, и сложность технологии изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость по сравнению с монохромными панелями.

Вкачестве примера современных цветных жидкокристаллических экранов приведем 22-дюймовый ЖК-монитор фирмы DELL модели

E228WFP.

350