Принцип работы, типы и характеристики жидкокристаллических матриц

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Понятие ЖК-мониторов и матрицы

Основным компонентом ЖК-матрицы являются жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, при котором оно обладает структурными свойствами, промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Они состоят из подвижных молекул анизотропной формы, сохраняющих определенный порядок в своем расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии. Жидкие кристаллы имеют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решетку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

В смектическом жидком кристалле молекулы образуют слои, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично по отношению друг к другу. Внутри слоев в боковых направлениях строгая периодичность в размещении молекул отсутствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла.

Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы в них беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. В расположении молекул наблюдается лишь ориентационный порядок: все молекулы ориентированны вдоль одного преимущественного направления.

Структура холестерических жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул. Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с другими жидкими кристаллами, благодаря их специфической спиральной структуре, наблюдается вращение плоскости поляризации света.

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы: к первой относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, а ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией. Разница заключается в том, как эти молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль силовых линий поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией, наоборот, ориентируются перпендикулярно силовым линиям электрического поля. Нематические жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические кристаллы - отрицательной диэлектрической анизотропией.

Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической анизотропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением распространения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают никакого воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляризации поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ориентации молекул.

Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность использовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих формировать требуемое изображение на экране. Сегодня существует несколько типов ЖК-матриц, различающихся принципом управления ЖК-молекулами и используемыми типами жидких кристаллов. Наибольшее распространение получили TN-, IPS- и MVA-матрицы. Рассмотрим каждую из них более подробно.

Работа жидкокристаллических матриц основана на таком свойстве света, как поляризация. Обычный свет является неполяризованным, т.е. амплитуды его волн лежат в огромном множестве плоскостей. Однако существуют вещества, способные пропускать свет только с одной плоскости. Эти вещества называют поляризаторами, поскольку прошедший сквозь них свет становится поляризованным только в одной плоскости.

Если взять два поляризатора, плоскости поляризации которых расположены под углом 90° друг к другу, свет через них пройти не сможет. Если же расположить между ними что-то, что сможет повернуть вектор поляризации света на нужный угол, мы получим возможность управлять яркостью свечения, гасить и зажигать свет так, как нам хочется. Таков, если описывать вкратце, принцип работы ЖК-матрицы. Конкретную реализацию этого принципа в разных матрицах мы рассмотрим ниже.

В упрощенном виде матрица жидкокристаллического дисплея состоит из следующих частей (рис. 1):

- CCFL (ртутная) лампа подсветки;

- система отражателей и полимерных световодов, обеспечивающая равномерную подсветку;

- фильтр-поляризатор;

- стеклянная пластина-подложка, на которую нанесены контакты;

- жидкие кристаллы;

- ещё один поляризатор;

- снова стеклянная подложка с контактами.

Рисунок 1 - Строение ЖК-матрицы

В цветных матрицах каждый пиксель формируется из трёх цветных точек (красной, зелёной и синей), поэтому добавляется ещё и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трёх ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включённом, либо в выключенном положении. Комбинируя их состояния, получаем оттенки цвета, а включая все одновременно - белый цвет.

Глобально матрицы делятся на пассивные (простые) и активные. В пассивных матрицах управление производится попиксельно, т.е. по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК-экранов по этой технологии, стало то, что при увеличении диагонали увеличиваются и длины проводников, по которым передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменён последний пиксель, первый успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, большая длина требует большего напряжения, что приводит к росту помех и наводок. Это резко ухудшает качество картинки и точность цветопередачи. Из-за этого пассивные матрицы применяются только там, где не нужны большая диагональ и высокая плотность отображения.

Для преодоления этой проблемы были разработаны активные матрицы. Основой стало изобретение технологии, известной всем по аббревиатуре TFT, что означает Thin Film Transistor - тонкоплёночный транзистор. Благодаря TFT, появилась возможность управлять каждым пикселем на экране отдельно. Это резко сокращает время реакции матрицы и делает возможными большие диагонали матриц. Транзисторы изолированы друг от друга и подведены к каждой ячейке матрицы. Они создают поле, когда им приказывает управляющая логика - драйвер матрицы. Для того, чтобы ячейка не потеряла заряд преждевременно, к ней добавляется небольшой конденсатор, который играет роль буферной ёмкости. С помощью этой технологии удалось радикально уменьшить время реакции отдельных ячеек матрицы.

2. TN-матрица

жидкий кристалл монитор матрица

Матрицы данного типа распространены наиболее широко. Подавляющее большинство 15- и 17-дюймовых мониторов имеют именно TN-матрицу.

Жидкокристаллическая матрица в данном случае представляет собой многослойную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрачных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается собственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией.

На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что позволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендикулярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученную по спирали структуры (рис. 2). Именно поэтому такие матрицы и получили название Twisted Nematic (TN), что означает скрученное состояние жидких нематических кристаллов.

Рисунок 2 - Структура TN-ячейки

Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двух поляризационных фильтров, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направлением бороздок на пластине. Таким образом, оси поляризации, так же как и бороздки на пластинах, взаимно перпендикулярны друг другу.

Если бы стеклянные пластины со слоем жидкокристаллического вещества отсутствовали, то свет не смог бы пройти через систему двух поляризующих фильтров с взаимно перпендикулярными осями поляризации. Действительно, свет, проходя через первый поляризующий фильтр, «вырезает» из него только одну плоскость поляризации, отфильтровывая все остальное. Ну а дальше все очевидно: на второй поляризующий фильтр уже попадает плоскополяризованное излучение, плоскость поляризации которого перпендикулярна оси поляризации второго поляризующего фильтра, однако такой свет будет полностью поглощен вторым поляризующим фильтром.

Использование слоя жидкокристаллического вещества может кардинально изменить ситуацию, поскольку жидкие кристаллы способны менять плоскость поляризации проходящего через них света, если они ориентированы перпендикулярно направлению распространения светового луча. Так, если изначально плоскость поляризации падающего света совпадает с ориентацией жидкокристаллических молекул, то по мере изменения ориентации молекул будет поворачиваться и плоскость поляризации света. В результате, если такой слой жидкокристаллического вещества помещается между упомянутыми поляризующими фильтрами, данная система становится оптически прозрачной.

Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориентацию, выстраиваясь вдоль по полю. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света, и тогда система становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выходным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения между управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль силовых линий поля не полностью, а лишь частично, то есть управлять степенью скрученности ЖК-молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, проходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матрицы и изменяя напряжение между электродами, можно менять степень прозрачности одной ЖК-ячейки, или субпиксела, матрицы. Это позволяет модулировать свет, получая градации черно-белого цвета. При помощи данной схемы можно сконструировать черно-белый монитор.

Для создания же цветного изображения необходимо применение трех цветных фильтров. Напомним, что любой цветовой оттенок можно получить, смешивая друг с другом в различных пропорциях три базовых цвета: красный (R), зеленый (G) и голубой (B). Соответственно, используя три цветных фильтра, установленных на пути распространения белого цвета, можно получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Поэтому каждый пиксел ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: красного, зеленого и голубого, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и различающихся только используемыми фильтрами, которые устанавливаются между верхней стеклянной пластиной и выходным поляризующим фильтром.

TN-матрицы являются наиболее распространенными и дешевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы обзора, невысокая контрастность и, что немаловажно, невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы, сориентировав их вдоль силовых линий поля. Поэтому эти матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными. Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его устранения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая пленка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки.

Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется „битый” пиксел, что является следствием выхода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он всегда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-матрицы открытый пиксел соответствует отсутствию напряжения на ячейке.

3. IPS-матрицы

4. MVA-матрицы

Еще один тип матриц, разработанных компанией Fujitsu в 1996 году, - это Multi-Domain Vertical Alignment (MVA). Технология MVA является развитием технологии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно направлению линий электрического поля.

При отсутствии напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристаллические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, то он полностью поглощается вторым поляризатором, а ячейка оказывается в закрытом состоянии, причем, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета.

При приложении напряжения к электродам, которые расположены сверху и снизу, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90°, поэтому свет свободно проходит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии.

Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пиксела.

С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию типа матриц MVA (рис.4). Смысл технологии заключается в том, что каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов. Эти выступы несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений позволяет расширить угол обзора монитора.

Рисунок 4 - Доменная структура MVA-матрицы

К достоинствам MVA-матриц следует отнести и высокую контрастность (за счет возможности получения идеального черного цвета), и большие углы обзора (вплоть до 170°). Однако у данной технологии есть и свои минусы, о которых будет идти речь далее при рассмотрении времени реакции пиксела.

В настоящее время существует несколько разновидностей технологии, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., которые в еще большей степени повышают характеристики MVA-матриц.

Размещено на Allbest.ru