Тема 3.4. Активные и пассивные жидкокристаллические матрицы

Жидкие кристаллы – вещества с изменяемой кристаллической решеткой (агрегатное состояние: не совсем твердые, но и не жидкие), которые были открыты австрийским ботаником Райницером в 1888 году.

Практическое применение жидкие кристаллы нашли только спустя три четверти века, после того как в 1963 году ученый по фамилии Вильямс, работавший в RCA, открыл, что жидкие кристаллы в нормальном состоянии способны пропускать через себя свет. Но если к кристаллам приложить электрический заряд, они начинают отражать или поглощать свет. Именно это свойство жидких кристаллов используется в современных LCD- мониторах. Очевидными преимуществами с самого начала разработки новых мониторов были существенно меньший за счет толщины объем LCD- монитора по сравнению CRT-монитором и меньшее потребление электроэнергии. Еще одним преимуществом стало отсутствие высокочастотного излучения вблизи экрана.

В 1968 году в RCA создали прототип ЖК-дисплея (LCD). Используемые кристаллы были слишком нестабильными для начала промышленного производства. Однако вскоре профессор английского университета в Гуле (Hull University) открыл бифенил (Biphenyl) – очень стойкое жидкокристаллическое вещество. С тех пор технология намного продвинулась, но именно бифенил позволил начать широкомасштабное производство ЖК-дисплеев.

Цветные жидкокристаллические панели, являющиеся основой LCD- мониторов, делятся на два вида: активные и пассивные. Также используется название активные и пассивные матрицы.

Активные матрицы основаны на тонкопленочном транзисторе (Thin Film Transistor – TFT). Они обладают более четким, чистым изображением и большим углом видимости, чем пассивные. Достигается это за счет более высокой частоты обновления. В активных матрицах управление каждой точкой экрана осуществляется отдельным транзистором. В пассивных матрицах используется сетка вертикальных и горизонтальных связей.

Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы, вполне неплохо работали с текстовой информацией, но при резкой смене картинки на экране оставался след перемещения объекта, поэтому такого рода устройства не подходили для просмотра видеофильмов и игр. Сегодня на пассивных матрицах работает большинство портативных компьютеров, пейджеры и мобильные телефоны.

Одной из первых технологий пассивных матриц была технология Twisted Nematic (TN, кристаллические экраны). Мониторы с такими матрицами обладали малыми углами обзора – порядка 90° по горизонтали и вертикали и большим временем включения и выключения ячейки матрицы – порядка 50 мс, что эквивалентно частоте смены кадров 20 Гц. Естественно, что при просмотре видео или в играх из-за низкой частоты прорисовки изображение искажалось.

Существенно улучшить характеристики TN-матриц без значительного изменения и удорожания конструкции удалось путем использования технологии Super Twisted Nematic (STN) и применения полимерных пленок с двойным лучепреломлением.

Рисунок 3.4.1.

Оригинальная технология TN предполагает закручивание спирали жидких кристаллов на 90° (как показано на рис. 3.4.1). Достигается это размещением слоя кристаллов между выравнивающими пластинами с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу.

Когда к электродам, находящимся за выравнивающими пластинами, не приложено напряжение, спираль расправляется и не меняет направление поляризации проходящего вдоль нее света. В этом случае свет задерживается наружным поляризационным фильтром и мы видим черный пиксель. При включении напряжения спираль закручивается так, чтобы находящиеся на ее концах кристаллы легли в бороздки. Свет, прошедший через внутренний поляризационный фильтр, следуя вдоль спирали, меняет свою поляризацию на 90° и потому пропускается внешним фильтром, в итоге формируется белый пиксель. Изменяя напряжение, можно получить серые оттенки.

Технология STN предусматривает закручивание спирали при снятом напряжении на угол около 210°. При этом удается сократить время на раскручивание спирали до положения, обеспечивающего непрохождение светового потока. Инерционность, или, как говорят, время отклика панелей STN удалось снизить в среднем до 30 мс. Это соответствует частоте смены кадров 33 Гц. Как известно, в современных CRT-мониторах частота кадров, в зависимости от режима, составляет 100 Гц и выше, что дает время отклика 10 мс. Чтобы расширить углы обзора, в STN-матрицах стали использовать еще один слой, который представляет собой полимерную пленку с коэффициентом преломления, большим, чем у самих жидких кристаллов. Благодаря этому удалось, не внося серьезных изменений в технологию производства, увеличить углы обзора в среднем до 120° по горизонтали и 110° по вертикали. LCD-панели, имеющие такую конструкцию, получили названия TN+Film или Film Compensated STN (FSTN). Наряду с увеличенными углами обзора матрицы FSTN отличаются более высокой контрастностью и яркостью, чем у обычных STN-панелей. Создание матриц FSTN, хотя и позволило улучшить характеристики LCD-панелей, все же не решило проблему углов обзора и инерционности. Не требуя радикального изменения конструкции матриц и процесса их производства, т. е. не вызывая значительного роста себестоимости, технология FSTN послужила переходным решением, позволившим разработать более совершенные технологий.