Создание ЖК-дисплея

Создание ЖК-дисплея - это нечто большее, чем просто создание листа жидких кристаллов. Сочетание четырех фактов делает ЖК-дисплеи возможными:

Жидкие кристаллы могут пропускать и изменять поляризованный свет.
Структура жидких кристаллов может быть изменена электрическим током.
Существуют прозрачные вещества, которые могут проводить электричество.
ЖК-дисплей - это устройство, которое удивительным образом использует эти четыре факта.

Для создания ЖК-дисплея вы берете два куска поляризованного стекла. Специальный полимер, который создает микроскопические углубления на поверхности, втирается в ту сторону стекла, на которой нет поляризационной пленки. Канавки должны быть в том же направлении, что и поляризационная пленка. Затем на один из фильтров наносится покрытие из нематических жидких кристаллов. Канавки приведут к выравниванию первого слоя молекул с ориентацией фильтра. Затем добавьте второй кусок стекла с поляризационной пленкой под прямым углом к первому куску. Каждый последующий слой молекул TN будет постепенно закручиваться, пока самый верхний слой не окажется под углом 90 градусов к нижнему, что соответствует поляризованным стеклянным фильтрам.

Когда свет попадает на первый фильтр, он поляризуется. Затем молекулы в каждом слое направляют свет, который они получают, на следующий слой. Когда свет проходит через слои жидких кристаллов, молекулы также изменяют плоскость вибрации света, чтобы соответствовать их собственному углу. Когда свет достигает дальней стороны жидкокристаллического вещества, он вибрирует под тем же углом, что и последний слой молекул. Если последний слой совместить со вторым фильтром из поляризованного стекла, то свет будет проходить сквозь него.

Если мы прикладываем электрический заряд к молекулам жидких кристаллов, они раскручиваются. Когда они выпрямляются, они меняют угол проходящего через них света, так что он больше не совпадает с углом верхнего поляризационного фильтра. Следовательно, свет не может проходить через эту область ЖК-дисплея, что делает эту область темнее, чем окружающие области.

Создать простой ЖК-дисплей проще, чем вы думаете. Начните с сэндвича из стекла и жидких кристаллов, описанного выше, и добавьте к нему два прозрачных электрода. Например, представьте, что вы хотите создать максимально простой ЖК-дисплей с одним прямоугольным электродом на нем.

Слои будут выглядеть следующим образом:

ЖК-дисплей, необходимый для выполнения этой работы, очень прост. Сзади у него есть зеркало (A), которое делает его отражающим. Затем мы добавляем кусок стекла (B) с поляризационной пленкой на нижней стороне и общую плоскость электрода (C) из оксида индия-олова сверху. Общая плоскость электродов покрывает всю площадь ЖК-дисплея. Над этим слой жидкокристаллического вещества (D). Затем идет еще один кусок стекла (E) с электродом в форме прямоугольника внизу, а сверху еще одна поляризационная пленка (F), расположенная под прямым углом к первой.

Электрод подключается к источнику питания, например, к батарее. При отсутствии тока свет, проходящий через переднюю часть ЖК-дисплея, просто ударяется о зеркало и отражается обратно. Но когда батарея подает ток на электроды, жидкие кристаллы между электродом общей плоскости и электродом в форме прямоугольника раскручиваются и блокируют прохождение света в этой области. Это заставляет ЖК-дисплей отображать прямоугольник в виде черной области.

Подсветка против Отражающий
Обратите внимание, что для нашего простого ЖК-дисплея требовался внешний источник света. Жидкокристаллические материалы не излучают собственного света. Небольшие и недорогие ЖК-дисплеи часто являются отражающими, что означает, что для отображения чего-либо они должны отражать свет от внешних источников света. Посмотрите на ЖК-часы: цифры появляются там, где маленькие электроды заряжают жидкие кристаллы и заставляют слои раскручиваться, чтобы свет не проходил через поляризованную пленку.

Большинство компьютерных дисплеев освещаются встроенными люминесцентными лампами над, рядом, а иногда и за ЖК-дисплеем. Белая рассеивающая панель за ЖК-дисплеем перенаправляет и равномерно рассеивает свет, обеспечивая равномерное отображение. Проходя через фильтры, слои жидких кристаллов и электродов, большая часть этого света теряется - часто больше половины!

В нашем примере у нас была общая плоскость электрода и один электродный стержень, который контролировал, какие жидкие кристаллы реагируют на электрический заряд. Если вы возьмете слой, содержащий один электрод, и добавите еще несколько, вы сможете начать создавать более сложные дисплеи.

ЖК-дисплеи с общей плоскостью хороши для простых дисплеев, на которых нужно отображать одну и ту же информацию снова и снова. В эту категорию попадают часы и микроволновые таймеры. Хотя шестиугольная форма стержня, показанная ранее, является наиболее распространенной формой расположения электродов в таких устройствах, возможна практически любая форма. Просто взгляните на некоторые недорогие портативные игры: игральные карты, инопланетяне, рыбы и игровые автоматы - это лишь некоторые из форм электродов, которые вы увидите.

История ЖК-дисплеев

Сегодня ЖК-дисплеи есть везде, куда бы мы ни посмотрели, но они не появились за одну ночь. Потребовалось много времени, чтобы пройти путь от открытия жидких кристаллов до множества приложений для ЖК-дисплеев, которыми мы сейчас пользуемся. Жидкие кристаллы были впервые обнаружены в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Рейнитцером. Рейнитцер заметил, что когда он расплавил любопытное вещество, похожее на холестерин (холестерилбензоат), оно сначала превратилось в мутную жидкость, а затем прояснилось при повышении температуры.

При охлаждении жидкость становилась синей, прежде чем окончательно кристаллизоваться. Прошло восемьдесят лет, прежде чем RCA выпустила первый экспериментальный ЖК-дисплей в 1968 году. С тех пор производители ЖК-дисплеев постоянно разрабатывали оригинальные варианты и усовершенствования технологии, выводя ЖК-дисплеи на поразительный уровень технической сложности. И есть все признаки того, что мы продолжим наслаждаться новыми разработками ЖК-дисплеев в будущем!

Пассивная и активная матрицы

ЖК-дисплеи с пассивной матрицей используют простую сетку для подачи заряда на определенный пиксель на дисплее. Создание сетки - это довольно сложный процесс! Он начинается с двух слоев стекла, называемых подложками. На одной подложке указаны столбцы, а на другой - строки, изготовленные из прозрачного проводящего материала. Обычно это оксид индия-олова. Строки или столбцы подключены к интегральным схемам, которые контролируют, когда заряд отправляется по определенному столбцу или строке.

Жидкокристаллический материал помещается между двумя стеклянными подложками, а на внешнюю сторону каждой подложки наносится поляризационная пленка. Чтобы включить пиксель, интегральная схема посылает заряд в правильный столбец одной подложки и активирует заземление в правильном ряду другой. Строка и столбец пересекаются в указанном пикселе, и это обеспечивает напряжение для раскручивания жидких кристаллов в этом пикселе.

Простота системы с пассивной матрицей прекрасна, но у нее есть существенные недостатки, в частности, медленное время отклика и неточное регулирование напряжения. Время отклика относится к способности ЖК-дисплея обновлять отображаемое изображение. Самый простой способ наблюдать медленное время отклика на ЖК-дисплее с пассивной матрицей - быстро перемещать указатель мыши с одной стороны экрана на другую.

Вы заметите серию "призраков", следующих за указателем. Неточное регулирование напряжения препятствует способности пассивной матрицы воздействовать только на один пиксель одновременно. Когда напряжение подается для раскручивания одного пикселя, пиксели вокруг него также частично раскручиваются, что делает изображения нечеткими и не контрастными.

ЖК-дисплеи с активной матрицей основаны на тонкопленочных транзисторах (TFT). По сути, TFT - это крошечные переключающие транзисторы и конденсаторы. Они расположены в матрице на стеклянной подложке. Для адресации определенного пикселя включается соответствующая строка, а затем по нужному столбцу отправляется заряд. Поскольку все остальные строки, которые пересекает столбец, отключены, заряд получает только конденсатор в указанном пикселе. Конденсатор способен удерживать заряд до следующего цикла обновления. И если мы тщательно контролируем величину напряжения, подаваемого на кристалл, мы можем заставить его раскручиваться ровно настолько, чтобы пропускать немного света.

Делая это с очень точными, очень маленькими шагами, ЖК-дисплеи могут создавать шкалу серого. Большинство современных дисплеев обеспечивают 256 уровней яркости на пиксель.

Цветной ЖК-дисплей

ЖК-дисплей, который может отображать цвета, должен иметь три субпикселя с красными, зелеными и синими цветовыми фильтрами для создания каждого цветного пикселя.

Благодаря тщательному контролю и изменению подаваемого напряжения интенсивность каждого субпикселя может составлять более 256 оттенков. Объединение субпикселей создает возможную палитру из 16,8 миллионов цветов (256 оттенков красного x 256 оттенков зеленого x 256 оттенков синего), как показано ниже. Для этих цветных дисплеев требуется огромное количество транзисторов. Например, обычный портативный компьютер поддерживает разрешение до 1024x768. Если мы умножим 1024 столбца на 768 строк на 3 субпикселя, мы получим 2 359 296 транзисторов, выгравированных на стекле! Если есть проблема с любым из этих транзисторов, это создает "плохой пиксель" на дисплее. На большинстве дисплеев с активной матрицей несколько плохих пикселей разбросаны по экрану.

Технология ЖК-дисплеев постоянно развивается. На сегодняшний день в ЖК-дисплеях используется несколько вариантов технологии жидких кристаллов, в том числе super twisted nematics (STN), twisted nematics с двойным сканированием (DSTN), сегнетоэлектрический жидкий кристалл (FLC) и сегнетоэлектрический жидкий кристалл со стабилизированной поверхностью (SSFLC).

Размер дисплея ограничен проблемами контроля качества, с которыми сталкиваются производители.Проще говоря, чтобы увеличить размер дисплея, производители должны добавить больше пикселей и транзисторов. Поскольку они увеличивают количество пикселей и транзисторов, они также увеличивают вероятность включения неисправного транзистора в дисплей. Производители существующих больших ЖК-дисплеев часто отбраковывают около 40 процентов панелей, которые сходят с конвейера. Уровень брака напрямую влияет на цену ЖК-дисплея, поскольку продажи хороших ЖК-дисплеев должны покрывать затраты на производство как хороших, так и плохих. Только прогресс в производстве может привести к созданию доступных дисплеев больших размеров.