РАЗДЕЛ 1: Общие сведения о жидких кристаллах РАЗДЕЛ 1: Общие сведения о жидких кристаллах РАЗДЕЛ 2: Технологии ЖК панелей РАЗДЕЛ 3: Конструкции ЖК панелей

1. Общие сведения о жидких кристаллах Введение. Принято выделять три агрегатных состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное. Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям. Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам. Такое состояние вещества назвали жидкокристаллическим. Первые жидкие кристаллы были обнаружены австрийским ученым Фридрихом Райницером в конце XIX века, когда он изучал свойства холестерина в растениях. Позже немецкий физик Отто Леман изучил электрооптические свойства ЖК и выяснил, что их молекулы чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет. Таким образом появилась возможность управлять поляризацией светового потока с помощью целого класса веществ, которые относятся к ЖК.

Различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (рис.2). Порядок – это пространственная ориентация молекул ЖК в положении отдыха. Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости. Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости. В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям. Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора (вектор единичной длинны, которым обозначается направление преимущественной ориентации длинных осей молекул) смещены на различные расстояния. Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол и директор плавно закручивается по спирали. Порядок жидких кристаллов. Рис.2. Виды порядка жидких кристаллов

Влияние электрического поля на ориентацию ЖК. Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин с расстоянием между пластинами в несколько микрон, заполненный нематическим материалом и запечатанный. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек, для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой поверхности придается рельеф тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа, межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию. Если создать в образце электрическое поле, энергия жидких кристаллов в этом поле будет зависеть от положения молекул относительно направления поля. В случае, если положение молекул не соответствует минимальной энергии, произойдет их поворот на соответствующий угол. В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля, в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией поперек направления поля. Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.

Пусть материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию, направление электрического поля перпендикулярно исходной ориентации молекул (рис.3). При подаче напряжения молекулы будут стремиться повернуться вдоль поля. Но они изначально сориентированы по рельефу внутренних поверхностей образца, созданных протиркой и связаны с ними довольно значительным сцеплением. Как следствие, при изменении ориентации директора будут возникать крутящие моменты обратного направления. Пока поле достаточно слабое, силы упругости удерживают молекулы в неизменном положении. При увеличении напряжения, начиная с некоторого значения Ec, ориентационные силы электрического поля превышают силы упругости, и начинает происходить поворот молекул. Эта переориентация под воздействием поля носит название перехода Фредерикса. Переход Фредерикса является фундаментальным для организации управления жидкими кристаллами, на нем основан принцип работы всех ЖК-панелей. Рис.3. Переход Фредерикса для молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией диэлектрической анизотропией

Тест 1. Вопрос1: Когда были обнаружены первые жидкие кристаллы ? В конце 18-го века В начале 19-го века В конце 19-го века В начале 20-го века

Вопрос2: Какого порядка жидких кристаллов не существует ? СмектическийНеотическийХолестерическийНематический

Вопрос3: Вопрос3: ЖК с каким порядком наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам ? ЖК с каким порядком наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам ? С холестерическим С холестерическим С нематическим С нематическим Со смектическим Со смектическим

Вопрос4: Вопрос4: Куда стремятся повернутся молекулы ЖК при подаче напряжения, если материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию ? поперёк поля поперёк поля вдоль поля вдоль поля перпендикулярно полю перпендикулярно полю остаются на месте остаются на месте

2. Технологии ЖК панелей TN TFT или TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film). Термин Film обозначает дополнительное наружное плёночное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со стандартных 90 градусов (по 45 с каждой стороны) до приблизительно 140 градусов. Когда транзистор находится в выключенном состоянии, то есть не создаёт электрическое поле, молекулы жидких кристаллов находятся в своём нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них светового потока на 90 градусов (жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задаётся световым фильтром. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым никоим образом не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая чёрную точку на месте одной из трёх цветовых компонент.

НЕДОСТАТКИ TN-TFT технологии: 1. Чёрный цвет у старых моделей таких дисплеев больше смахивает на тёмно-серый (поскольку очень трудно было развернуть все жидкие кристаллы строго перпендикулярно к фильтру), что приводит к низкой контрастности картинки. 2. В случае отказа транзистора (а такое бывает) на экране образуется посторонняя «мёртвая» яркая точка, которая для глаза намного заметнее «мёртвой» чёрной.

Super-TFT или IPS (In-Plane Switching) При отсутствии электрического поля молекулы жидких кристаллов выстроены вертикально и не влияют на угол поляризации проходящего через них света. Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет идущий через выключенный транзистор полностью поглощается вторым фильтром. Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы жидких кристаллов на 90 градусов относительно позиции покоя, меняя тем самым поляризацию светового потока, который пройдёт второй поляризующий фильтр без помех.

ПРЕИМУЩЕСТВА IPS технологии: 1. Расширился угол обзора примерно до 170 градусов за счёт более точного механизма управления ориентацией жидких кристаллов. 1. Расширился угол обзора примерно до 170 градусов за счёт более точного механизма управления ориентацией жидких кристаллов. 2. «Мёртвые» пиксели будут гаснуть, а не светиться, как в обычном TN TFT, что менее заметно для глаза. 2. «Мёртвые» пиксели будут гаснуть, а не светиться, как в обычном TN TFT, что менее заметно для глаза. НЕДОСТАТКИ IPS технологии: 1. Создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растёт время отклика. 1. Создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растёт время отклика. 2. Электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света, в результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. 2. Электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света, в результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) Суть в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки или зоны, образуемые выступами на внутренней поверхности фильтров. Цель такой конструкции – дать возможность жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю независимо от угла обзора видеть один и тот же оттенок цвета. В выключенном положении молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу), что на выходе даёт точку чёрного цвета. При слабом электрическом поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку серого цвета (половинной интенсивности). Обратите внимание, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку попавшие в поле зрения более яркие ячейки будут компенсироваться находящимися рядом более тёмными. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.

ПРЕИМУЩЕСТВА MVA технологии: 1. Максимальный угол обзора. 2. Сокращённое время отклика. НЕДОСТАТКИ MVA технологии: 1. Сложностей технического характера. 2. Высокая стоимость.

Тест 2. Вопрос1: Укажите верное название технологии ? TN+TFTTNT+FT TN TFT TN-TFT

Вопрос2: Как выстроены ЖК в TN TFT технологии при отсутствии электрического поля? Образуют спираль Образуют спираль Параллельно к электродам Параллельно к электродам Перпендикулрно к электродам Перпендикулрно к электродам

Вопрос3: Как выстроены молекулы ЖК в IPS технологии при отсутствии поля? Вертикально Вертикально Горизонтально Горизонтально По спирали По спирали

Вопрос4: Основной недостаток IPS технологии? Низкая контрастность Большое время отклика Большие затраты энергии

Вопрос5: Какая из технологий является наиболее совершенной? TN TFT IPSMVAIPC

3. Конструкции ЖК панелей Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD: 1. пропускающий (transmissive), 1. пропускающий (transmissive), 2. отражающий (reflective) 2. отражающий (reflective) 3. полупрозрачный (transflective) 3. полупрозрачный (transflective)

Пропускающий тип дисплея (transmissive). Пропускающий тип дисплея (transmissive). В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка). По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) Похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой. Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз. Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) Имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.

Конструкция пропускающего типа дисплея (transmissive), сделанного по технологии TN-TFT.

С обеих сторон от ЖК-ячейки на пути распрастранения излучения устанавливаются скрещенные поляризаторы (1 и 2). Первый из них выделяет определенную компоненту поляризации падающего излучения. Далее это излучение попадает на жидкий кристалл (5), который поворачивает плоскость поляризации на определенный угол. Второй поляризатор служит для управления интенсивностью излучения: если его выделенное направление совпадает с направлением плоскости поляризации излучения, то для света он окажется абсолютно прозрачным, а если между ними будет угол в 90 0, то свет поглотится. Таким образом можно изменять интенсивность излучения внешним электрическим полем. ИЗЛУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАТОР Компонента Излучения АНАЛИЗАТО Р Свет пройдет (белый) Свет поглотится (чнрный) ЖК матрица α = 0 0 (180 0 ) α = 90 0

ТЕСТ 3. Вопрос1: Откуда поступает свет в пропускающем типе дисплея? СбокуСпередиСзади

Вопрос2: Недостаток пропускающего типа дисплея? Низкое качество в помещении Низкое качество при солнечном свете Недостатков нет

Вопрос3: Где распологается частично отражающий слой у полупрозрачного типа дисплея? Между слоем ЖК и подсветкой Между слоем ЖК и подсветкой За слоем ЖК За слоем ЖК Перед подсветкой Перед подсветкой

Вопрос4: Где распологается подсветка у отражающего типа дисплея? Спереди Спереди Сзади Сзади Сбоку Сбоку

Вопрос5: Где в конструкции ЖК-панелей распологается слой ЖК? Между электродами Между стеклянными подложками Между поляризаторами

ВЫ прошли обучение !!!