16.4.7.4 Жидкокристаллические дисплеи

Дисплеи являются основной областью применения ЖК материалов. Они широко используются в повседневной жизни в качестве мониторов персональных компьютеров, телевизионных экранов, систем отображения информации в мобильных телефонах, цифровых камерах, электронных записных книжках, системах навигации и т.д. Развитие дисплейных технологий существенно влияет на теорию и экспериментальные исследования в ЖК, определяет разработку новых материалов и технологий. Конкуренция с дисплеями, основанными на других принципах, способствовала совершенствованию эксплуатационных характеристик ЖК-дисплеев (ЖКД). Развитие шло по пути формирования изображений, все более приближающихся к отображению реальных объектов: от черно-белых и монохромных, далее к многоцветным, полно цветным и, наконец, объемным дисплеям.

Различают просветные, отражательные и полупрозрачные (прозрачно-отражательные) жидкокристаллические дисплеи.

Просветные дисплеи используют заднюю подсветку для освещения ЖК экрана, обеспечивающую высокую яркость и высокое контрастное отношение. Они имеют ограниченный угол обзора и более пригодны для индивидуального пользования, например, в ноутбуках и игровых приставках. Использование фазовых компенсаторов в просветных ЖКД прямого видения увеличивает угол обзора, что позволяет применять их в качестве экранов для настольных компьютеров и телевизоров.

Отражательные дисплеи также разделяют на дисплеи прямого видения и проекционные. Дисплеи прямого видения не нуждаются в задней подсветке, и потому являются более легкими и потребляющими меньше энергии. Их основной недостаток – трудность считывания информации при низкой освещенности.

Полупрозрачные дисплеи объединили в себе характеристики тех и других. Так, при низкой освещенности включается задняя подсветка и дисплей работает на просвет; при высокой освещенности подсветка выключается и дисплей работает на отражение.

При разработке ЖК- дисплеев широкое использование нашли описанные выше следующие электрооптические эффекты: твист-эффект, супертвист, селективное отражение в холестерико-нематических смесях, эффекты в сегнетоэлектрических ЖК и бистабильные эффекты.

Рассмотрим устройство простейшего дисплея типа TN – Twist Nematic, работающего на твист-эффекте с нематическими жидкими кристаллами (рис.16.38). Этот тип дисплея является просветным и требует задней подсветки. Матрица ЖК-дисплея представляет собой множество пикселей, каждый из которых состоит из трех субпикселей, отличающихся только цветом выходного фильтра (красный, зеленый, синий). Субпиксели сами по себе не являются источниками света, они лишь изменяют интенсивность проходящего через них света. С тыльной стороны матрицы располагается источник неполяризованного света (обычно это галогенные или электролюминесцентные лампы с холодным катодом). Естественный свет от этих ламп проходит через входной поляризатор и становится плоскополяризованным. Далее на него воздействуют молекулы жидкого кристалла, которые находятся в электрическом поле, и изменяют плоскость поляризации на определенный угол, определяемый напряженностью приложенного электрического поля. После этого «закрученный» свет проходит через анализатор – выходной поляризатор и попадает в глаз наблюдателя. Изменяя напряженность электрического поля можно изменять условия прохождения света через жидкий кристалл от полного пропускания света до полного его гашения. Напряженность поля изменяется с помощью специальных активных приборов – тонкопленочных транзисторов (Thin Film Tranzistor). Каждый субпиксель имеет индивидуальный электрод, конденсатор памяти и тонкопленочный МДП- транзистор.

МДП-транзистор подключен стоком к вертикальной линии данных, затвором − к горизонтальной линии данных, а истоком − к индивидуальному управляющему электроду. Формирование изображения в ЖК-дисплее упрощенно можно представить таким образом. Входной видеосигнала первой строки поступает на вертикальную линию данных. Напряжение на каждой из линий соответствует яркостям субпикселям первой строки. После этого на горизонтальную линию данных первой строки поступает импульс, который открывает все транзисторы этой строки. Через открытые транзисторы заряжаются конденсаторы всех субпикселей первой строки до значений на вертикальной линии данных. После этого импульс с горизонтальной линии данных первой строки исчезает и все транзисторы закрываются. Но конденсаторы продолжают хранить заряд, поэтому напряженность поля и, соответственно, угол разворота ЖК в ячейках первой строки остаются неизменными. Далее все повторяется для второй, третьей и последующих строк. Прозрачность, а значит и яркость каждого субпикселя остается без изменений в течении всего периода обновления экрана. Для качественной передачи движущихся объектов смена кадра должна быть не менее 20…25 кадров в секунду. Реально для современных ЖК-дисплеев смена кадра составляет 60, 75 или 85 Гц.

Серьезной проблемой ЖК-дисплеев является малый угол обзора, что связано с пассивным характером жидкокристаллических кристаллов, т.е. они не излучают свет сами, а лишь его преобразовывают. Это приводит к тому, что при увеличении угла зрения изображение становится все менее контрастным и блеклым, резко нарушается цветопередача.

Рассмотрим причину этого на примере простейшего дисплея типа TN (рис.16.39). Когда электрическое поле отсутствует, то все ЖК находятся в закрученном состоянии. Такого спиралевидного расположения нематического кристалла добиваются созданием специальных бороздок на стеклянных подложках. На одной подложке бороздки расположены горизонтально, а на второй – вертикально. Жидкие кристаллы, постепенно перестраиваясь от горизонтального состояния в вертикальное образуют винтовую (твист) структуру. Естественный свет, пройдя через входной поляризатор, становится плоскополяризованным. Далее он подвергается скручиванию на 90⁰ жидкими кристаллами беспрепятственно проходит через анализатор (выходной поляризатор), так как плоскость поляризации закрученного света и плоскость поляризации анализатора совпадают. Диаграмма излучения ячейки получается узкой, но симметричной, т.к. все жидкие кристаллы, хоть и закручены в спирали, но расположены параллельно экрану.

При появлении в ячейке электрического поля, молекулы жидких кристаллов, не меняя своего положения в плоскости экрана, разворачиваются в плоскостях перпендикулярных экрану, т.е. спиралеобразная структура жидкого кристалла не раскручивается, а разрушается, т.к. каждый из составляющих ее кристаллов стремится развернуться в направлении силовых линий электрического поля. Чем выше напряженность поля, тем меньше угол между направлением жидких кристаллов и перпендикуляром к экрану, т.е. тем сильнее разрушается твист-структура и тем меньшая часть света подвергается скручиванию и проходит через ячейку. Ячейка темнеет.

Допустим, что под действием электрического поля кристаллы наклонились на 45⁰ по отношению к экрану. Диаграмма направленности излучения ячейки будет шире, но не симметрична. Если на ячейку посмотреть так, чтобы направление взгляда совпадало с направлением наклоненных жидких кристаллов, то мы увидим темную ячейку, так как в этом направлении свет скручиванию не подвергается, значить не проходит через выходной поляризатор. Однако, если посмотреть на эту же ячейку с других направлений, то она покажется более яркой.

Когда на ячейку действует максимальное электрическое поле, все жидкие кристаллы разворачиваются перпендикулярно плоскости экрана, диаграмма направленности получается более широкой и симметричной. Тогда с любого направления эта ячейка будет казаться нам черной. Таким образом, воспринимаемая яркость субпикселя зависит от угла наблюдения. Это также приводит и к нарушению цветопередачи. Например, на экран выводится пиксель оранжевого цвета. Это означает, что красный субпиксель имеет максимальную яркость (узкую, но симметричную диаграмму направленности), зеленый субпиксель – среднее значение яркости (несимметричную диаграмму направленности), а синий субпиксель – нулевую яркость (широкую и симметричную диаграмму направленности). Если в этом случае смотреть на экран под прямым углом, то направленность ячеек излучения нам не важна, поскольку цвета всех трех субпикселей сливаются и мы видим оранжевый пиксель. Теперь посмотрим на эту точку под углом. Синий субпиксель так и останется темным. Яркость зеленого субпикселя либо увеличится, либо уменьшится, что зависит от угла наблюдения. А красный субпиксель будет немного темнее, но с одинаковой яркость под любым углом наблюдения. В итоге цвет точки на экране изменится, она будет иметь либо красный, либо зеленый оттенок.

Для решения этой проблемы были разработаны различные технологии. Рассмотрим основные из них.

ЖК-матрицы типа TNF ( Twist Nematic Film).

В этих матрицах на поверхность ЖК-матрицы наносится тонкий слой рассеивающих пленок. В этом случае свет, выходящий из панели перпендикулярно ей, окажется переориентированным и будет распространяться под разными углами, что увеличивает угол обзора. В настоящее время практически все ЖК-матрицы типа TN, покрываются такими рассеивающими пленками.

ЖК-матрицы типа IPS (In-plane-Switch – технология планарной коммутации).

По этой технологии оба электрода, создающие управляющее электрическое поле, размещаются не сверху и снизу матрицы, а только сзади – на тыльной стороне подложки, справа и слева от подложки (рис.16.40). Направляющие слои сформированы таким образом, чтобы все жидкие кристаллы имели одну и ту же ориентацию в пространстве, т.е. в отличие от ЖК-матриц типаTN, жидкие кристаллы не имеют винтовой ориентации. При изменении напряжения на электродах все кристаллы одновременно поворачиваются, соответственно меняется и угол между плоскостью поляризации анализатора и плоскости поляризации света, что приводит к изменению интенсивности проходящего излучения. Горизонтальное выстраивание кристаллов приводит к расширению угла обзора, так как при этом боковое рассеивание света больше, чем в случае, когда кристаллы расположены в виде скрученной структуры. Кроме того, диаграмма направленности излучения ячеек не зависит от их яркости, так как кристаллы при любом значении напряженности электрического поля параллельны экрану. При увеличении угла точка темнеет, но не меняет цветовой оттенок. Матрицы типа IPS имеют более высокий контраст, так как в закрытом состоянии ячейки пропускают меньше света.

ЖК-матрицы типа MVA (Multi-Doman Vertical Alignment – многодоменное вертикальное выстраивание).

В этих матрицах используются не положительные, а отрицательные жидкие кристаллы, которые вытягиваются по направлению электрического поля не длинной, а короткой стороной (поперек поля) (рис.16.41).

Жидкие кристаллы каждого субпикселя ограничены специальными направляющими поверхностями. Поверхность каждого из слоев похожа на стиральную доску – она образована длинными треугольными выступами (хребтами). Направляющие слои расположены так, что их выступы параллельны, но расположены не на против друг друга, а чередуются в шахматном порядке. Таким образом в субпикселе образуются домены – области в которых стенки направляющих слоев параллельны.

При отсутствии электрического поля жидкие кристаллы вытягиваются перпендикулярно стенкам домена, но из-за разных треугольных выступов стенки доменов не параллельны плоскости экрана. Поэтому получается, что жидкие кристаллы не перпендикулярны поверхности экрана – одни из них они повернуты немного по часовой стрелке, а в других – против часовой стрелки. Именно это заставляет кристаллы каждого из доменов поворачиваться в нужную сторону под действием электрического поля. Таким образом получается, что каждый из субпикселей состоит из двух доменов, в одних из них кристаллы разворачиваются по часовой стрелке, а в других – против. Если смотреть на экран под прямым углом, то яркости обоих доменов одинаковы. Если же смотреть на экран сбоку, то получается, что жидкие кристаллы в одном домене становятся параллельны плоскости экрана, а в другом домене практически перпендикулярно. В первом случае изменение яркости практически не происходит, поскольку свет задерживается анализатором, и ячейка домена остается темной. Во втором случае, наоборот, свет поляризуется и ячейка домена становится более яркой. Таким образом происходит компенсация яркости субпикселя – понижение яркости субпикселя в одном домене компенсируется повышением яркости другого домена. Наличие только двух доменов приводит к увеличению угла обзора только в одной плоскости, поэтому субпиксель разбивается на две половинки, в каждой из которых направляющие треугольные выступы перпендикулярны друг другу (рис.16.42). В результате получается субпиксель состоящий из четырех доменов, причем каждая пара увеличивает угол обзора во взаимно перпендикулярных плоскостях.

ЖК-матрицы типа РVA (Patterned Vertical Alignment – вертикальное выстраивание в определенном порядке).

Вэтих матрицах, как и в предыдущем варианте, используется принцип вертикального выстраивания жидких кристаллов. Однако в этом случае для разворота кристаллов в разные стороны используются специальные электроды, расположенные на внутренних поверхностях подложки, в шахматном порядке (рис. 16.43). Благодаря такому расположению линии электрического поля пронизывают объем ячейки не перпендикулярно поверхности жидкого кристалла, а под углом, причем в двух разных направлениях. Поэтому одни жидкие кристаллы закручиваются под действием электрического поля по часовой стрелке, а другие против часовой стрелке, что приводит в аналогичному эффекту как и в случае ЖК-матрицы типа МVA.

Сравнительные характеристики ЖК-матриц, полученных по различным технологиям, приведены в табл.16.1. Анализ различных типов ЖК-матриц показывает, что наиболее совершенными являются ЖК-матрицы типа МVA и РVA, однако стоимость первых гораздо выше.

Таблица 16.1 Сравнительные характеристики ЖК-матриц, полученных по различным технологиям

Тип ЖК-матрицы	Угол обзора по горизонтали и вертикали	Искажения цветопередачи при изменении угла обзора	Время отклика	Контрастность
TN	700, 1200	есть	16…22 мс	250:1…300:1
IPS	1400, 1400	нет	16…25 мс	300:1…400:1
МVAи РVA	1600, 1600	нет	12…16 мс	400:1…500:1

Преимущества жидкокристаллических дисплеев следующие:

• Малая глубина (толщина) экрана;

• Плоский экран, что снижает пространственные искажения;

• Высокая четкость изображения;

• Отсутствие вредных излучений;

• Отсутствие мельканий, поскольку пиксель изменяет свое состояние только при смене кадра;

• Возможность получать монолитные экраны больших размеров;

• Относительно малая потребляемая мощность, что дает преимущества при разработке переносных электронных устройств.

К недостаткам жидкокристаллических дисплеев следует отнести:

• Появление тянущихся «хвостов» за быстро движущимися объектами, что связано с большой инерционностью молекул жидких кристаллов (большое время отклика);

• Невысокий контраст формируемого изображения, обычно от 250:1 до 600:1, что связано с повышенной яркостью темных участков изображения;

• Неравномерное распределение яркости по площади экрана, что связано с использованием подсветки из-за пассивного характера жидких кристаллов;

• Относительно невысокая градация цветопередачи (до 18·10⁶ градаций), что связано со спектральными характеристиками используемых фильтров;

• Наличие неработающих (мертвых) пикселей, что связано с производственными дефектами тонкопленочных транзисторов;

• Относительно небольшие углы обзора, обычно от 70⁰ до 160⁰.