Рассматриваемые темы: Типы жидких кристаллов Применение жидких кристаллов в дисплеях Дисплеи с активной матрицей Сегнетоэлектрические дисплеи

Жидкий кристалл (ЖК) – фазовое состояние между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием (мезофаза). Мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. ЖК, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул (как кристалл). Введение На рис.1 проиллюстрированы первое ЖК-соединение холестерилбензоат (сложный эфир холестерина) и диаграмма, температурной области существования мезофазы. Рис.1.

Типы жидких кристаллов Существует три основных типа жидких кристаллов: сметчики, нематики и холестерики. Эти типы ЖК образуют в основном стержневые молекулы, а сферические молекулы образуют другой тип ЖК – дискотеки. Рис. 2. Типы жидких кристаллов: А - нематик, B - сметчик, С – дискотек. Рис. 3. Спиральная структура холестерика.

Применение жидких кристаллов в дисплеях Несмотря на большое число возможных применений жидких кристаллов, основное их применение связано с электро-оптическими (ЭО) приборами. Для таких применений ЖК (нематик) должен обладать четырьмя необходимыми свойствами, а именно: поверхностным упорядочением; переориентацией директора электрическим полем или диэлектрической анизотропией; вращением плоскости поляризации света или оптической анизотропией; ориентационной эластичностью (способностью молекул к различным поворотам).

Рис.4. Вращение плоскости поляризации в ЖК кювете.

ЖК дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Две панели расположены очень близко друг к другу. Сверху и снизу помещены две поляризационные пленки. Рис. 5

Для подсветки обычно используется лампа, иногда дисплеи, например, дисплеи часов работают в отраженном свете. Для подачи информации на стеклянные панели наносится слой полупрозрачного ITO, в качестве электрода. Электроды наносятся в виде точек или сегментов, на которые подается отдельная информация. Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки (0.3 мкм), соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Рис.6. Электроды к ЖК дисплею.

Дисплеи с активной матрицей В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Рис.7. Активная матрица с тонкоплёночными транзисторами.

В слое молекул имеется две возможные ориентации диполей и самих молекул (без электрического поля и с ним). В сегнетоэлектрическом дисплее исходно поляризаторы света устанавливаются таким образом, чтобы свет не проходил После приложения электрического поля, диполи молекул поворачиваются параллельно полю, а директор молекул разворачивается на некоторый угол θ по отношению к поляризатору, при этом свет начинает частично проходить через структуру. Время поворота молекул в этом случае достаточно мало 1 мкс, что на 2-3 порядка меньше времени возврата молекул в нематической фазе. Сегнетоэлектрические дисплеи Рис. 8. Слой молекул в сметчике в сегнето- электрической фазе.