Особенности конструкции жки и технология её изготовления
Основой любого ЖКИ является электрооптическая ячейка. Две плоские стеклянные пластинки с нанесённым на них прозрачным проводящим слоем, таким как оксид олова, индия или цинка, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводящего материала (полиэтилен, тефлон), как показано на рис.4.
Рис.4 . Структура циферблата на ЖК
Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм, заполняется ЖК, и вся конструкция по периметру запаивается герметиком. Полученная ячейка помещается между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Под нижний поляризатор помещается зеркало. Нижний поляризатор обычно делают сплошным, а верхний – фигурным, состоящим из семи небольших сегментов – электродов, с помощью которых можно изобразить любую цифру. Каждый такой сегмент включается согласно заданной программе от генератора.
Основные этапы изготовления ЖКИ показаны на рис.5.
Рис.5. Основные этапы изготовления ЖКИ: а – очистка стеклянных подложек; б – формирование проводящих электродов; в – формирование ориентирующего покрытия; г – нанесение ограничивающих элементов; д – формирование клеевой дорожки; е – совмещение модулей; ж – заливка ЖК – материала; з – герметизация заливочного отверстия.
Некоторые этапы стоит рассмотреть подробнее.
Очистка стеклянных подложек. Параметры электропроводящих прозрачных плёнок и их воспроизводимость существенно зависят от чистоты поверхности пластин. Пластины должны иметь гладкую поверхность (не ниже 13 – 14 класса обработки), высокие значения механической прочности, теплопроводности и плоскопараллельности, максимальные значения прозрачности и чистоты поверхности. Очистку осуществляют посредством обезжиривания в растворе изопропилового спирта, трихлорэтилена и ацетона в пропорции 1:1:1. Последующая обработка осуществляется в растворе H2SO4 (97%), H2O2 (47%) и в метаноле. Одним из эффективных способов является промывка в ацетоне, очистка при температуре 353К, промывка деионизованной водой с последующей ультразвуковой и паровой очисткой в изопропиловом спирте.
Формирование проводящих электродов. Тонкие электропроводящие прозрачные пленки получают термическим (пленки олова) и катодным (пленки In, Sn, In2O3, SnO2) распылением металлов и окислов. Главное достоинство химических методов – получение пленок с высокими значениями электропроводности и прозрачности путем подбора смесей и легирующих добавок.
Конфигурацию прозрачных электродов ЖКИ создают масочными методами (рис.6), фотолитографией, электронно-лучевой и лазерной фрезеровкой.
Рис.6. Схема изготовления электродов с помощью контактной маски.
Формирование ориентирующего покрытия. Для реализации “твист-эффекта” в слое ЖК необходимо задать начальную ориентацию молекул верхнего и нижнего слоёв. Для этого используют такие методы, как химическая очистка или травление, механическая полировка, шлифовка с внутренней стороны (рис.7) или другой вид деформации.
Рис.7. Ориентация приграничных слоёв молекул ЖК: 1 – стеклянная пластинка; 2 – продольные канавки в стекле; 3 – молекулы ЖК.
Ориентация молекул бывает гомогенная и гомеотропная , как показано на рис. 8.
Рис.8. Ориентация ЖК молекул: а – гомогенная; б – гомеотропная. 1 – стеклянные пластины; 2 – электроды; 3 – молекулы ЖК
При гомеотропной ориентации длинные оси молекул и, соответственно, директор перпендикулярны внутренней поверхности стеклянной пластины ЖКИ. При гомогенной – параллельны.
Нанесение ограничивающих элементов. Зазор между пластинами в ЖКИ составляет от нескольких единиц до сотен микрометров и создаётся посредством прокладок из плёнок фторопласта, металлической фольги, диэлектрических или металлических частиц, термопластичных смол и других, инертных по отношению к ЖК материалов. Основные этапы нанесения ограничивающих элементов показаны на рис.9.
Рис.9. Последовательность основных этапов технологического процесса создания зазора с помощью высокомолекулярной пленки из полиметилметакрилата: а – стеклянная пластина; б – нанесение прозрачной проводящей пленки (SnO2, Jn2O3); в – нанесение высокомолекулярной пленки; г – нанесение маски на участки, предназначенные для образования прокладок; д – удаление высокомолекулярной пленки из участков, не закрытых маской; е – удаление маски метакрилата.
Заливка ЖК – материала. Известно несколько способов заполнения ЖКИ: растекание капли ЖК, под давлением, с помощью вакуумных капилляров и др.
При использовании метода растекания, капля ЖК наносится пипеткой на одну из пластин, после чего накладывают вторую, их склеивают и герметизируют. Недостатком этого метода является сложность герметизации ЖКИ после заполнения. Наиболее распространённым является заполнение ЖКИ в вакууме, которое исключает недостатки метода растекания. После заполнения, излишки ЖК удаляют со стенок, и отверстие герметизируют эпоксидной смолой или низкоплавким металлом. Такой способ отличается экономным расходом ЖК и отсутствием загрязнений при его введении в зазор между стеклянными пластинами ЖКИ.
Герметизация заливочного отверстия. Конструкция ЖКИ может иметь одно или два отверстия, через которые осуществляется процесс заполнения. Процесс герметизации может осуществляться посредством пайки, заклеивания и др.
После герметизации осуществляется приклеивание поляроидов и формирование внешних выводов, как показано на рис.10.
а) б) в)
Рис.10. Присоединение внешних выводов ЖКИ: а – DIL (Dual-In-Line) выводы; б – резиновый соединитель; в – гибкое соединение.
ЖК-дисплеи и особенности технологий их изготовления
Существует два вида ЖК-дисплеев (ЖКД или LCD- Liquid Crystal Display): 1) DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием); 2) TFT (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах). Их называют также пассивными и активными матрицами, соответственно.
Пассивная матрица подразумевает, что жидкокристаллическая панель сама по себе не является источником света - она лишь пропускает свет, излучаемый неоновой лампой: свет поляризуется, проходя через первый специальный фильтр, характеризуемый определенным углом поляризации. Для человеческого глаза ничего не меняется, только вдвое уменьшается яркость света. Но если за первым фильтром поставить еще один такой же, то свет будет либо полностью им поглощаться (в случае если угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого), либо беспрепятственно проходить, если углы совпадают. Изменение угла второго фильтра позволяет плавно регулировать интенсивность света. При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии, свободно пропуская свет. Количество света, проходящее через жидкие кристаллы, регулируется с помощью электрических зарядов, при этом изменяется ориентация кристаллов. Как и в традиционных электронно-лучевых трубках, пиксель формируется из трех участков: красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда, что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока. Здесь следует упомянуть еще об одной особенности LCD-экрана: он состоит из целой сетки пикселей, где работой каждого цветового участка (каждого пикселя) управляет отдельный транзистор. А потому для нормального обеспечения экранного разрешения - скажем, режима SVGA (1024 x 768) - дисплей должен иметь количество транзисторов, равное указанным показателям, умноженным друг на друга (1024 x 768 = 786432). И это - не единственный минус технологии поляризации, которая составляет основу LCD-технологии. Подробнее о недостатках мы расскажем ниже, а пока упомянем лишь об одном из них, а именно: о сокращении угла обзора жидкокристаллического дисплея. В настоящее время существует три основных технологии, направленных на борьбу с этим недостатком.
В матрице TFT на стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния, на котором в свою очередь формируются транзисторы - по одному на каждую точку максимального разрешения дисплея. Транзисторы выполняют роль подсветки для ячеек жидких кристаллов. Матрицы, изготовленные по подобной технологии, называются активными, и именно они сейчас занимают практически весь рынок LCD панелей. Для активной матрицы исключается влияние процесса включения одной ячейки на соседние. Это позволяет сократить задержки при их переключении до уровня инерционности, сравнимого с дисплеями на электронно-лучевых трубках. Получив заряд, ячейка, подобно конденсатору, сохраняет его, но недостаточно долго – в то время, когда адресация ЖК – матрицы завершается, первые адресованные ячейки уже теряют заряд. Для того чтобы избежать вызываемой этим процессом неоднородности изображения, к каждой ячейке дополнительно подключают конденсатор, который питает ее на протяжении цикла регенерации всей матрицы. У цветных дисплеев на основе TFT-технологии пиксель формируется из трех независимых ячеек синего, зеленого или красного цвета. Градации яркости триад используются для формирования результирующего цвета пикселя изображения. Поэтому понятно, что раз каждый пиксель формируется своей группой транзисторов, ЖКД не может хорошо поддерживать любые разрешения экрана. По этой причине в технических характеристиках любого дисплея указывается то разрешение, при котором на каждый пиксель будет приходится одна триада транзисторов.