Основные электрооптические эффекты в жидких кристаллах. Жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние наблюдается как особая термодинамическая фаза у многих органических соединений, обладающих одновременно свойствами жидкости и твердого тела. Температурный интервал существования жидкокристаллической фазы может составлять десятки градусов. В пределах такого интервала температур наблюдается одна или несколько различных мезофаз, отличающихся по виду и степени упорядоченности. Эти фазы принято подразделять на нематическую, холестерическую и ряд смектических фаз. Практически во всех жидкокристаллических фазах наблюдаются электрооптические эффекты, многие из которых находят техническое применение.
В устройствах воспроизведения изображений наибольшее применение получили жидкие кристаллы (ЖК) нематического типа, у которых нитеобразно вытянутые органические молекулы стремятся ориентироваться таким образом, чтобы их главные оси были параллельны друг другу. Основными электрооптическими эффектами в подобных ЖК являются: динамическое рассеивание света и управляемое вращение плоскости поляризации в закрученной структуре или "твист-эффект".
Для наблюдения электрооптических эффектов используются специальные ячейки типа сэндвич, которые в наиболее простом виде состоят из двух параллельных стеклянных пластин, между которыми помещена капля ЖК нематического типа. Тонкие проводящие покрытия, прозрачные для света, или штриховые проводящие линии на внутренней поверхности пластин, на которое подается постоянное напряжение, создают внутри ячейки однородное электрическое поле. Толщина пленки ЖК устанавливается в пределах в 6 - 25 мкм с помощью распорок из полимеров.
В воспроизводящих устройствах, использующих динамическое рассеяние света в ЖК, в отсутствие электрического поля ЖК прозрачен, т.е. полностью пропускает падающий на него свет, почти не рассеивая его. В том случае, когда к обкладкам приложено постоянное или низкочастотное (несколько десятков Герц) напряжение в ЖК появляется оптоэлектрический эффект динамического рассеяния, при котором молекулы стремятся ориентироваться своим дипольным моментом по полю. В таком состоянии
Рисунок 6.4. Зависимость угла вращения плоскости поляризации от напряжения на электродах жидкокристаллической ячейки
ЖК становится турбулентным и непрозрачным (диффузно-рассеивающим), приобретая молочно-белую окраску. Для осуществления оптоэлектрического эффекта динамического рассеяния напряженность электрического поля в ЖК должна составлять около 5000 В/см. Например, для ячейки с толщиной пленки ЖК 12 мкм необходимо прикладывать напряжение величиной 6 - 50 В. Воспроизводящие устройства с динамическим рассеянием света обеспечивают контраст получаемых изображений, равный 15
40, время включения 1300 мс, время выключения 2020·103 мс при управляющем напряжении от 15 В и выше. Быстродействие жидкокристаллических ячеек зависит от химического состава ЖК, например, от наличия добавок понижающих вязкость (холестерическая добавка в ЖК нематического типа уменьшает время срабатывания), температуры, амплитуды и частоты управляющего напряжения. При увеличении управляющего напряжения от 9 до 100150В время включения уменьшается в 103раз.
Другая особенность нематических ЖК заключается в ориентации их молекул параллельно поверхности проводящего покрытия, нанесенного на стеклянную пластинку. Если стеклянные пластины ЖК ячейки повернуть относительно друг друга на 90°, то в толще ЖК ориентация его молекул постепенно меняется от одной пластины к другой. Направление поляризации света при прохождении его через такое устройство также изменяется винтообразной структурой молекул ЖК на 90°. При наложении электрического поля молекулы ЖК раскручиваются ("твист-эффект") и ориентируются в направлении его вектора напряженности (рисунок 6.4). Конструкция воспроизводящей ячейки при использовании "твист-эффекта" в тематическом ЖК отличается от ранее рассмотренной наличием двух дополнительных пленок-поляризаторов, расположенных с наружной стороны стеклянных пластин. При ортогональных осях поляризации пленок-поляризаторов в случае отсутствия электрического поля световое излучение проходит через воспроизводящую ячейку, а при наличии электрического поля - не проходит. При параллельных осях поляризации пленок-поляризаторов наблюдается обратный эффект. Основное достоинство подобных устройств по сравнению с ячейками, использующими ЖК в режиме эффекта динамического рассеяния, - значительно меньшие значения управляющего напряжения (110 В), а следовательно, и более высокая их экономичность. К недостаткам следует отнести необходимость дополнительного применения двух пленок-поляризаторов, приводящую к снижению интенсивности проходящего светового потока.
В целом воспроизводящие устройства на ЖК, использующие "твист-эффект", обеспечивают более высокое качество получаемых изображений по сравнению с ячейками, работающими на основе эффекта динамического рассеяния света. Поэтому жидкокристаллические воспроизводящие устройства, использующие "твист-эффект", получили наибольшее применение в различных ТВ устройствах.
Методы адресации телевизионных жидкокристаллических экранов. В ТВ ЖКЭ требуемое изображение формируется из огромного числа (около 400000) элементов отображения (пикселей), равномерно распределенных по площади экрана и адресуемых индивидуально. Каждый пиксель представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Поскольку для подачи управляющего напряжения формирование отдельного контакта к каждому пикселю исключено, используется матричный принцип организации ЖКЭ (рисунок 6.5), позволяющий осуществлять адресацию матрицы т х п пикселей с помощью т + n контактных шин. Практически это реализуется следующим образом. На внутренние поверхности двух высокоплоскостных стеклянных пластин, между которыми находится слой ЖК толщиной менее 10 мкм, наносят полосковые взаимоперпендикулярные прозрачные электроды; в местах их пересечения образуются элементарные жидкокристаллические ячейки, оптические свойства которых определяются напряжением, приложенным к электродам соответствующих строк и столбцов. Если пиксель характеризуется пороговой реакцией на управляющее напряжение, то при определенных амплитуде и полярности импульсных напряжений, подаваемых на соответствующие электроды строк и столбцов, возможно независимое управление ("включение-выключение") каждым пикселем матрицы без существенного изменения состояния остальных элементов. Такой режим с использованием импульсных управляющих напряжений с временным разделением называется мультиплексированием. Основным его недостатком является трудность сохранения высокого контраста изображения при большом числе сканируемых строк.
1 - элементарная ячейка
Рисунок 6.5. Схема, поясняющая матричный принцип управления жидкокристаллическим экраном
Это объясняется тем, что жидкокристаллические ячейки имеют достаточно высокую инерционность и реагируют на действующее, а не на мгновенное значение приложенного напряжения. Напряжение на включенную ячейку UВКЛ подается только при адресации данной строки, а напряжение на выключенной ячейке UВЫКЛв наиболее неблагоприятном случае может оказаться приложенным почти все время. Поскольку скважность импульсов возбуждения включенной ячейки по мере роста числа строк развертки z увеличивается, то действующие значения напряжения UВКЛи UВЫКЛсближаются. Так, при z = 1000 даже для оптимального соотношения возбуждающих напряжений на строках и столбцах будут соблюдаться следующие соотношения UВКЛ = 1,048 UПОР и UВЫКЛ=0,949 UПОР. Отсюда вытекает, что для получения высокого контраста мультиплексируемый ЖКЭ с достаточно большой информационной емкостью должен иметь чрезвычайно крутую вольт-контрастную характеристику и одинаковые значения UПОР для всех ячеек матрицы, что эквивалентно требованию строгого соблюдения расстояния между электродами и однородности их обработки. Кроме того, управляющие напряжения должны поддерживаться с высокой точностью.
Особенно недостатки мультиплексирования сказываются при воспроизведении полутоновых изображений. Это обусловлено тем, что с ростом числа строк разложения уменьшается время выборки отдельных элементов, что затрудняет использование временных методов модуляции (широтно-импульсного, т.е. ШИМ, кодово-импульсного или их комбинации). Таким образом, мультиплексируемые твист-нематические ЖКЭ пригодны для портативных персональных компьютеров и в значительно меньшей степени - для телевизоров.
Для устранения вышеназванных недостатков в ЖКЭ используется построчное управление с индивидуальной адресацией каждого элемента отображения с помощью "своего" ключа (рисунок 6.6), формируемого в непосредственной близости от него и исключающего возможность приложения напряжения к неадресуемым элементам. Для изготовления высокоинформативных ЖКЭ с активной адресацией на специальной подложке необходимо сформировать активную матрицу, содержащую огромное число таких ключей. Таким образом, при активной матричной адресации последовательно с каждой жидкокристаллической ячейкой включен коммутирующий элемент, заряжающий эквивалентную емкость ячейки
Рисунок 6.6. Схема, поясняющая принцип активной матричной адресации
В качестве коммутирующих элементов используются либо монокристаллические транзисторы, либо тонкопленочные транзисторы и структуры металл - диэлектрик - металл.
В активной транзисторной матрице выводы транзисторов присоединены к полосковым взаимноперпендикулярным прозрачным электродам (столбцам и строкам) и к точечным электродам элементарных жидкокристаллических ячеек, расположенным на одной из подложек. В свою очередь, столбцы соединены с источником видеосигнала, а строки - со схемой развертки. Если экран содержит N столбцов, то выборка и хранение видеосигнала осуществляются для N точек строки. При включении строки эквивалентные емкости элементарных ячеек ЖКЭ заряжаются до соответствующих значений напряжения видеосигнала.
В конце развертки любой из строк, напряжение с транзисторов снимается, что приводит к их выключению. В результате электрические заряды на эквивалентных емкостях элементарных ячеек ЖКЭ сохраняются в течение кадра до следующего периода развертки, При этом на элементарные ячейки могут подаваться видеосигналы с меняющимися в широком диапазоне действующими значениями напряжений, чем обеспечивается передача большого числа полутонов. К ключевым свойствам транзисторов предъявляются следующие два требования: сопротивление в проводящем состоянии должно быть достаточно мало, чтобы обеспечить заряд эквивалентной емкости элементарной ячейки ЖКЭ до напряжения на столбце (видеосигнала) в течение периода развертки строки, а сопротивление в непроводящем состоянии - достаточно велико, чтобы напряжения на ячейках заметно не менялись в течение интервала кадра.
В принципе матрицы транзисторов могут быть сформированы на кремниевой подложке. Недостатком транзисторной структуры на кремниевой подложке является то, что из-за непрозрачности подложки нельзя реализовать твист-нематический просветный экран. Применение же здесь отражательного режима ухудшает качество черно-белого изображения и делает невозможным получение цветного. Наилучшим образом удовлетворяют требованиям телевидения активные матрицы с транзисторами, изготовленными по тонкопленочной технологии на прозрачных подложках. Во-первых, они дешевле и могут быть, в принципе, значительно больших размеров. Во-вторых, на их основе можно изготовить ЖКЭ, работающие "на просвет" и воспроизводящие высококачественные цветные изображения.
В целом ЖКЭ с активной матричной адресацией, использующие матрицу тонкопленочных транзисторов, обеспечивают в четыре раза более высокое быстродействие (50 мс и менее) по сравнению с устройствами, работающими в режиме обычного мультиплексирования.
Для практической реализации отмеченных преимуществ необходимо решить ряд сложных технологических проблем, связанных с изготовлением активной матрицы с необходимым высоким выходом годных транзисторов, так как с увеличением числа элементов изображения значительно снижается вероятность получения бездефектной активной матрицы. Если вероятность дефектности одного транзистора в активной матрице обозначить как P, а число пикселей как Q, то выход активных матриц с совершенно бездефектными транзисторами будет равным (4-Р)Q *100%. В случае если вероятность дефекта одного транзистора составляет одну часть на миллион, то при количестве элементов отображения в пределах 100000 выход активных матриц составляет около 90%. С учетом того, что для высококачественного изображения требуется более 1 млн. пикселей, то в этом случае бездефектный выход матриц в процентном отношении быстро снижается. Снижение дефектности можно добиться путем сокращения количества фотолитографических операций при изготовлении активных матриц.
Рисунок 6.7. Конструкция просветного жидкокристаллического экрана
Конструкция просветного жидкокристаллического экрана. Конструкция ЖКЭ, работающего на просвет, показана на рисунке 6.7. Он состоит из отражателя 1, нескольких люминесцентных ламп повышенной яркости и долговечности 2; светофильтра3, выполненного в виде мозаики R, G и B интерференционных фильтров, имеющих вид прямоугольных полосок, расположенных по вертикали и отделенных друг от друга черным растром; параллельных поляризатора 4 и анализатора 11, стеклянных подложек 5 и 10, на которые соответственно напылены прозрачный электропроводящий слой 6 и тонкопленочная матрица управляемых элементов 9; изолирующей прокладки 7, слоя ЖК 8, который в отсутствие управляющего напряжения обеспечивает поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света на 90°. Поляризатор 3 предназначен для выделения из неполяризованного белого света колебаний с линейной поляризацией.
Отражатель, входящий в состав просветного ЖКЭ представляет собой акриловую пластинку с микропризматическими бороздками, обеспечивающими отражение света непосредственно на жидкокристаллическую панель (матрицу) без дополнительного рассеяния. Иногда для обеспечения более равномерного освещения жидкокристаллической панели выходным излучением ламп подсветки непосредственно перед панелью (см. рисунок 6.7) устанавливается рассеиватель 12, выполненный из специальной пластмассовой пленки. Мозаичный цветной светофильтр представляет собой окрашенные органическими красителями полимерные рельефы, полученные фотолитографическим способом на стеклянной подложке.
В исходном состоянии (без подачи управляющих напряжений) ЖКЭ не пропускает свет от люминесцентных ламп, так как слой ЖК 8 поворачивает плоскость поляризации линейно-поляризованного света на 90°, он задерживается анализатором 11.
При подаче управляющего напряжения на элементарный участок слоя ЖК устраняется вращение плоскости поляризации света, и он не задерживается анализатором. Это приводит к появлению на выходной плоскости ЖКЭ локально окрашенной элементарной точки, цвет которой определяется неуправляемым оптическим фильтром, находящимся напротив данного элементарного участка ЖК.
Для применения в ТВ устройствах проекционного типа, воспроизводящих изображения большого размера, непосредственно используются жидкокристаллические матрицы с размерами в пределах 10x10 см, включающие в себя элементы 411 (см. рисунок 6.7).