Жидкокристаллические устройства воспроизведения изображений

Основные электрооптические эффекты в жидких кристаллах. Жидкие кристаллы (ЖК) - это органическое вещество, которое, обладая основным свойством жидкости - текучестью, сохраняет упорядоченность во взаимном расположении молекул и анизотропию некоторых свойств, характерных для кристаллов. Главным признаком жидкокристаллического состояния вещества является выраженная направленность молекул относительно общей оси. Благодаря анизотропному строению ЖК обладают оптическими свойствами. Температурный интервал существования жидкокристаллической фазы может составлять десятки градусов. В ЖК молекулы имеют вытянутую, в большинстве случаев сигарообразную форму, чем определяется их некоторая преимущественная ориентация. От ориентации молекул зависят некоторые физические свойства ЖК, в частности, диэлектрическая проницаемость и показатель преломления.

В зависимости от степени упорядоченности молекул различают три типа (мезофазы) ЖК [30]:

- смектические; молекулы расположены слоями, а их продольные оси параллельны друг другу;

- нематические; молекулы параллельны друг другу, но смещены вдоль своих продольных осей на произвольные расстояния. Послойная структура отсутствует;

- холестерические; повторяют структуру нематических кристаллов, но направление директора изменяется по спирали. Образуется винтовая структура ЖК.

Главным свойством ЖК, благодаря которому возможно создание на их основе устройств отображения информации, является способность переориентироваться во внешнем электрическом поле и менять поляризацию и фазу проходящего света.

В устройствах воспроизведения изображений наибольшее применение получили ЖК нематического типа, у которых нитеобразно вытянутые органические молекулы стремятся ориентироваться таким образом, чтобы их главные оси были параллельны друг другу. Основными электрическими эффектами в подобных ЖК являются: динамическое рассеяние света и управляемое вращение плоскости поляризации в закрученной структуре или «твист-эффект».

Для наблюдения электростатических эффектов используются специальные ячейки типа сэндвич, которые в наиболее простом виде состоят из двух параллельных стеклянных пластин толщиной 1 мм, называемых подложками, между которыми помещен тонкий слой ЖК нематического типа толщиной до нескольких десятков микрометров. Чаще всего толщина пленки ЖК устанавливается в пределах 6...25 мкм. Прозрачные для света, тонкие проводящие покрытия или штриховые линии, изготовленные из оксида индия и олова и нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных пластин, на которые подается постоянное напряжение, создают внутри ячейки однородное электрическое поле. С внутренней стороны стеклянные пластинки и прозрачные электроды дополнительно покрыты отполированной полимерной пленкой с нанесенными продольными микроканавками на поверхностях, соприкасающихся с ЖК. Микроканавки расположены таким образом, что они параллельны на каждой подложке, но перпендикулярны между двумя подложками. В результате чего молекулы ЖК вблизи подложек выстраиваются вдоль микроканавок. Таким образом, проявляется ориентирующее действие подложек.

Рис. 7.23. Зависимость угла вращения плоскости поляризации от напряжения на электродах жидкокристаллической ячейки

В воспроизводящих устройствах, использующих динамическое рассеяние света в ЖК, в отсутствие электрического поля ЖК прозрачен, т.е. полностью пропускает падающий на него свет, почти не рассеивая его. В том случае, когда к обкладкам приложено постоянное или низкочастотное (несколько десятков герц) напряжение, в ЖК появляется оптоэлектрический эффект динамического рассеяния, при котором молекулы стремятся ориентироваться своим ди-польным моментом по полю. В таком состоянии ЖК становится турбулентным и непрозрачным (диффузно-рассеивающим), приобретая молочно-белую окраску. Для осуществления оптоэлектрического эффекта динамического рассеяния напряженность электрического поля в ЖК должна составлять около 5000 В/см. Например, для ячейки с толщиной пленки ЖК 12 мкм необходимо прикладывать напряжение величиной 6...50 В. Быстродействие жидкокристаллических ячеек зависит от химического состава ЖК, например, от наличия добавок, понижающих вязкость (холестерическая добавка в ЖК нематического типа уменьшает время срабатывания), температуры, амплитуды и частоты управляющего напряжения.

Другая особенность нематических ЖК заключается в ориентации их молекул параллельно микроканавкам на поверхности проводящего покрытия, нанесенного на стеклянную пластинку. Если стеклянные пластины жидкокристаллической ячейки повернуть относительно друг друга на 90°, то в толще ЖК ориентация его молекул постепенно меняется от одной пластины к другой. Направление поляризации света при прохождении его через такое устройство также изменяется винтообразной структурой молекул ЖК на 90°. При наложении электрического поля молекулы ЖК раскручиваются («твист-эффект») и ориентируются в направлении его вектора напряженности (рис. 7.23). Конструкция воспроизводящей ячейки при использовании «твист-эффекта» в нематическом ЖК отличается от ранее рассмотренной наличием двух дополнительных пленок-поляризаторов, расположенных с наружной стороны стеклянных пластин (рис. 7.24).

Рис. 7.24. Иллюстрация, поясняющая механизм твист-эффекта в нематическом ЖК:

а - режим отсутствия электрического поля; б - режим наличия электрического поля

Молекулы ЖК обладают дипольным моментом. В результате взаимодействия электрических полей диполей образуется спиралевидная структура из молекул жидкокристаллического вещества. Слои ориентирующих покрытий на верхней и нижней подложках совместно с дипольной структурой ЖК в отсутствие электрического поля обеспечивают поворот плоскости поляризации светового потока на 90°. Как видно из рис. 7.24, а, световой поток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр (поляризатор). При этом половина светового потока, не имеющая азимутальной поляризации, теряется. У остальной части уже поляризованного света, проходящего через слой жидкокристаллического материала, плоскость поляризации поворачивается на 90°. В результате ориентация плоскости поляризации светового потока будет совпадать с плоскостью поляризации нижнего фильтра (анализатора) и поток будет проходить через него практически без потерь. Если ЖК поместить в электрическое поле, подав на электроды адресации напряжение так, как показано на рис. 7.24, б, спиралевидная молекулярная структура в нем разрушается. Проходящий через жидкокристаллический материал световой поток уже не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается нижним поляризационным фильтром. Пороговое напряжение, при котором начинает уменьшаться светопропускание, составляет примерно 1,8 В. Следовательно, ЖК имеет два оптических состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэффициентов пропускания в обоих состояниях определяет контрастность изображения. При параллельных осях поляризации пленок-поляризаторов наблюдается обратный эффект. Таким образом, жидкокристаллическая ячейка фактически является светофильтром с электрическим управлением (электронно-оптическим модулятором) и нуждается во внешней подсветке.

В целом воспроизводящие устройства на ЖК, использующие «твист-эффект», обеспечивают более высокое качество получаемых изображений по сравнению с ячейками, работающими на основе эффекта динамического рассеяния света. Поэтому жидкокристаллические воспроизводящие устройства, использующие «твист-эффект», получили наибольшее применение в различных телевизионных устройствах, в компьютерной технике.

Дальнейшее повышение качества воспроизводимых изображений, например, увеличение их контраста, удалось реализовать с синтезированием в 1983 г. супертвист-нематических ЖК (STN - Super Twisted Nematic), молекулы которых способны поворачиваться на 270°, что обусловливает более резкий изгиб на графике электро-оптической характеристики по сравнению с рис. 7.23.

Конструкция просветного жидкокристаллического экрана. Жидкокристаллические ячейки, использующие TN (Twisted Nematic) или STN материалы относятся к пассивному типу устройств, которые лишь модулируют внешний световой поток под действием электрического поля.

Возможная конструкция жидкокристаллического (ЖКЭ), работающего на просвет, показана на рис. 7.25 [31]. Он состоит из отражателя 1; одной или нескольких люминесцентных ламп повышенной яркости и долговечности 2; светофильтра 3, выполненного в виде мозаики R, G и В цветных фильтров; параллельных поляризатора 4 и анализатора 11; стеклянных подложек 5 и 10, на которые соответственно напылены прозрачный электропроводящий слой 6 и тонкопленочная матрица управляемых элементов 9; изолирующей прокладки 7, одновременно выполняющей функции спейсера (зазорозадающего распорного элемента); слоя ЖК 8, который в отсутствие управляющего напряжения обеспечивает поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света на 90°. Поляризатор 4 предназначен для выделения из неполяризованного белого света колебаний с линейной поляризацией.

Рис. 7.25. Конструкция просветного жидкокристаллического экрана

Отражатель, входящий в состав просветного ЖКЭ, представляет собой акриловую пластинку с микропризматическими бороздками, обеспечивающими отражение света непосредственно на жидкокристаллическую панель (матрицу) без дополнительного рассеяния. Иногда для обеспечения более равномерного освещения жидкокристаллической панели выходным излучением ламп подсветки непосредственно перед панелью (см. рис. 7.25) устанавливается рассеиватель 12, выполненный из специальной пластмассовой пленки.

В исходном состоянии (без подачи управляющих напряжений) ЖКЭ не пропускает свет от люминесцентных ламп, так как слой ЖК 8 поворачивает плоскость поляризации линейно-поляризованного света на 90°, он задерживается анализатором 11.

При подаче управляющего напряжения на элементарный участок слоя ЖК устраняется вращение плоскости поляризации света и он не задерживается анализатором. Это приводит к появлению на выходной плоскости ЖКЭ локально окрашенной элементарной точки, цвет которой определяется неуправляемым оптическим фильтром, находящимся напротив данного элементарного участка ЖК.

Структура модуля жидкокристаллического экрана. Модуль жидкокристаллического экрана состоит непосредственно из ЖКЭ ср схемой управления. На рис. 7.26 показана типовая структурная схема модуля ЖКЭ. Для матричных ЖКЭ на плате модуля могут находиться только драйверы строк и столбцов, а также схема формирователей напряжений для драйверов.

Рис. 7.26. Структура модуля жидкокристаллического экрана

Контроллер и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), как правило, устанавливаются вне платы модуля.

Формирование изображения (регенерация отдельных кадров на основе данных ОЗУ) и управление разверткой для ЖКЭ матричного типа производится внешним контроллером.

ЖКЭ имеет на подложках (на одной или на обеих) выводы управления строками и столбцами, представленные пленочными контактами из ln₂O₃. Контакты соединяют выводы ЖКЭ со схемой управления. Они могут быть выполнена в виде металлических гребенок - клипс, которые, с одной стороны, одеваются на стекло подложки ЖКЭ и с помощью проводящей, пасты (клея) контактируют с пленочными выводами, а с другой, могут распаиваться на печатную плату. Таким образом, ЖКЭ устанавливается на печатной плате как обычный компонент. В большеформатных ЖКЭ контакты изготавливаются на основе гибких шлейфов.

Схема преобразователя напряжений обеспечивает для драйверов строк и столбцов формирование специальных уровней напряжений. Уровни напряжений определяются числом мультиплексированных строк и типом жидкокристаллического материала.

Методы адресации телевизионных жидкокристаллических экранов. В телевизионных ЖКЭ требуемое изображение формируется из огромного числа (около 400 ООО) элементов отображения (пикселей), равномерно распределенных по площади экрана и адресуемых индивидуально.

1 - элементарная ячейка

Рис. 7.27. Схема, поясняющая матричный принцип управления жидкокристаллическим экраном

Каждый пиксель представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Для обеспечения управления оптическим состоянием ячеек - пикселей, образующих экран, требуется сформировать такие напряжения на электродах адресации, чтобы состояние каждого пикселя изменялось без нарушения состояния других. Поскольку для подачи управляющего напряжения формирование отдельного контакта к каждому пикселю исключено, используется матричный принцип организации ЖКЭ (рис. 7.27), позволяющий осуществлять адресацию матрицы mxn пикселей с помощью m+n контактных шин. Практически это реализуется следующим образом. На внутренние поверхности двух высокоплоскостных стеклянных пластин, между которыми находится слой ЖК толщиной менее 10 мкм, наносят полосковые взаимоперпендикулярные прозрачные электроды; в местах их пересечения образуются элементарные жидкокристаллические ячейки, оптические свойства которых определяются напряжением, приложенным к электродам соответствующих строк и столбцов. Если пиксель характеризуется пороговой реакцией на управляющее напряжение, то при определенных амплитуде и полярности импульсных напряжений, подаваемых на соответствующие электроды строк и столбцов, возможно независимое управление («включение-выключение») каждым пикселем матрицы без существенного изменения состояния остальных элементов. Такой режим с использованием импульсных управляющих напряжений с временным разделением называется мультиплексированием [32]. Причем коэффициент мультиплексирования строк определяется соотношением 1/z, где z- число адресуемых строк.

В процессе адресации (развертки) ЖКЭ должно быть выполнено следующее функциональное преобразование - матрица закодированных двоичным кодом элементов изображения (битовая карта) преобразуется в матрицу потенциалов, приложенных к узлам пересечения строк и столбцов. Каждый узел пересечения (жидкокристаллическая ячейка) представляет один элемент изображения -пиксель. Потенциал для каждого пикселя должен быть в идеале прямо пропорционален своему образу в оперативной памяти (битовой карте).

Различают два способа адресации матричных ЖКЭ. При пассивной адресации применяется временное мультиплексирование строк без использования каких-либо ключевых элементов. Обычно при пассивной матричной адресации осуществляется последовательная развертка по строкам, т.е. последовательно по времени выбирается строка за строкой. Поэтому каждому моменту времени соответствует только одна выбранная строка. Основными недостатками режима пассивной адресации являются трудность сохранения высокого контраста воспроизводимого изображения при большом числе сканируемых строк, сильное проявление кросс-эффекта и сложная система формирования управляющих напряжений, подаваемых на шины адресации.

Это объясняется тем, что жидкокристаллические ячейки имеют достаточно высокую инерционность и реагируют на действующее, а не на мгновенное значение приложенного напряжения. Напряжение на включенную ячейку U_вкл подается только при адресации данной строки, а напряжение на выключенной ячейке U_выкл в наиболее неблагоприятном случае может оказаться приложенным почти все время. Поскольку скважность импульсов возбуждения включенной ячейки по мере роста числа строк развертки z увеличивается, то действующие значения напряжения U_вкл и U_выкл сближаются. Так, при z= 1000 даже для оптимального соотношения возбуждающих напряжений на строках и столбцах будут соблюдаться следующие соотношения U_вкл =1,048U_пор и U_выкл = 0,949U_пор. Отсюда вытекает, что для получения высокого контраста мультиплексируемый ЖКЭ с достаточно большой информационной емкостью должен иметь чрезвычайно крутую вольтконтрастную характеристику и одинаковые значения U_пор для всех ячеек матрицы, что эквивалентно требованию строгого соблюдения расстояния между электродами и однородности их обработки. Кроме того, управляющие напряжения должны поддерживаться с высокой точностью.

Особенно недостатки мультиплексирования сказываются при воспроизведении полутоновых изображений. Это обусловлено тем, что с ростом числа строк разложения уменьшается время выборки отдельных элементов, что затрудняет использование временных методов модуляции (широтно-импульсного, т.е. ШИМ, кодово-импульсного или их комбинации). Таким образом, мультиплексируемые твист-нематические ЖКЭ пригодны для портативных персональных компьютеров и в значительно меньшей степени - для телевизоров.

Для устранения вышеназванных недостатков в ЖКЭ используется построчное управление с индивидуальной адресацией каждого элемента отображения с помощью «своего» ключа (рис. 7.28), формируемого в непосредственной близости от него и исключающего возможность приложения напряжения к неадресуемым элементам. Для изготовления высокоинформативных ЖКЭ с активной адресацией на специальной подложке необходимо сформировать активную матрицу, содержащую огромное число таких ключей. Таким образом, при активной матричной адресации последовательно с каждой жидкокристаллической ячейкой включен коммутирующий элемент, заряжающий эквивалентную емкость ячейки [32].

В качестве коммутирующих элементов используются либо монокристаллические транзисторы, либо тонкопленочные транзисторы и структуры металл - диэлектрик - металл.

В активной транзисторной матрице выводы транзисторов присоединены к полосковым взаимно перпендикулярным прозрачным электродам (столбцам и строкам) и к точечным электродам элементарных жидкокристаллических ячеек, расположенным на одной из подложек. В свою очередь, столбцы соединены с источником видеосигнала, а строки - со схемой развертки. Если экран содержит N столбцов, то выборка и хранение видеосигнала осуществляются для N точек строки. При включении строки эквивалентные емкости элементарных ячеек ЖКЭ заряжаются до соответствующих значений напряжения видеосигнала.

В конце развертки любой из строк напряжение с транзисторов снимается, что приводит к их выключению. В результате электрические заряды на эквивалентных емкостях элементарных ячеек ЖКЭ сохраняются в течение кадра до следующего периода развертки.

Рис. 7.28. Схема, поясняющая принцип активной матричной адресации

При этом на элементарные ячейки могут подаваться видеосигналы с меняющимися в широком диапазоне действующими значениями напряжений, чем обеспечивается передача большого числа полутонов. К ключевым свойствам транзисторов предъявляются следующие два требования: сопротивление в проводящем состоянии должно быть достаточно мало, чтобы обеспечить зарядку эквивалентной емкости элементарной ячейки ЖКЭ до напряжения на столбце (видеосигнала) в течение периода развертки строки, а сопротивление в непроводящем состоянии - достаточно велико, чтобы напряжения на ячейках заметно не менялись в течение интервала кадра.

В принципе матрицы транзисторов могут быть сформированы на кремниевой подложке. Недостатком такой структуры является то, что из-за непрозрачности подложки нельзя реализовать твист-нематический просветный экран. Применение же здесь отражательного режима ухудшает качество черно-белого изображения и делает невозможным получение цветного. Наилучшим образом удовлетворяют требованиям воспроизведения телевизионных изображений активные матрицы с тонкопленочными полевыми транзисторами типа TFT (Thin Film Transistor), изготовленными по тонкопленочной технологии на прозрачных подложках. Для примера на рис. 7.29 показан вариант топологии, а на рис. 7.30 - принципиальная схема ключевого элемента активной адресации на TFT транзисторе, использующем аморфный кремний. Электронные ключи активной матрицы позволяют сигналом низкого уровня (около 0,7 В) коммутировать высокое (десятки вольт) напряжение.

Технология TFT была разработана специалистами японской фирмы Toshiba. Она позволила не только улучшить показатели ЖКЭ (яркость, контрастность, угол зрения и др.), сделать их дешевле при значительно больших размерах. На ее основе можно изготовить ЖКЭ, работающие «на просвет» и воспроизводящие высококачественные цветные изображения. Каждый элемент такого ЖКЭ образован тремя тонкопленочными полевыми транзисторами и триадой управляемых ими жидкокристаллических ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) или синего (В).

В целом ЖКЭ с активной матричной адресацией, использующие матрицу тонкопленочных транзисторов, обеспечивают в четыре раза более высокое быстродействие (50 мс и менее) по сравнению с устройствами, работающими в режиме обычного мультиплексирования.

Рис. 7.29. Топология тонкопленочного полевого транзистора TFT типа

Рис. 7.30. Принципиальная схема ключевого элемента на тонкопленочном полевом транзисторе TFT типа