Направления развитии ЖК – мониторов

 

Введение.

Сейчас технология плоскопанельных мониторов, и жидкокристаллических в том числе, является наиболее перспективной.

Хотя в настоящее время на долю ЖК - мониторов приходится лишь около 90% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится

только частично прозрачным для излучения.

Главной целью моей работы является изучить направления развитии ЖК – мониторов.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

1. Выделить принципы работы ЖК – мониторов.

2.    Рассмотреть современные тенденции развития ЖК – мониторов.

Если разность потенциалов  будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч

будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при  освещении

сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются  в экране полностью).

Если расположить большое  число электродов, которые создают  разные электрические поля в отдельных местах экрана, то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов

отображать на экране буквы  и другие элементы изображения. Электроды

помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму.

Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади

экрана можно расположить  большее число электродов, что  увеличивает

разрешение LСD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные

изображения в цвете.

 

1.  Принцип работы  ЖК – мониторов.

Экраны LСD - мониторов (Liquid Crystal Dsplay, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛГ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба.

Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LСD - монитора цифровые часы".

Значительную роль в развитии LСD - технологии сыграла корпорация

Shаrр. Она и до cих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой

корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TNLCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Shаrр выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LСD - матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Работа ЖДК основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны  пропyскать

только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называетсяполяризацией света.

Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы кoтopых

чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожестъ с кристаллическими

веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, cталo возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов

для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие

кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а

затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров.

Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LСD - дисплеи для настольных компьютеров.¹

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для

отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (рис. 2.1). 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. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пyчка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другy. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при

прохождении одной панели (рис. 2.2)

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (рис. 2.3).

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза,

поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два

других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось

поляризации соответствует  заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его

плоскостью поляризации  и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (рис. 2.4 а).

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не

произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (рис. 2.4 б).

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 могyт иметь любую форму.

Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. 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.

Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать

несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего

излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны.

Этy особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или

поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.²

 

 

 

 

 

 

2. Современные  тенденции развития ЖК - мониторов.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 20" и более LCD

мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее.

Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью SТN технологии.

STN - это сокращение, означающее "Super Twisted Nematic". Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшyю контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN - ячейка состоит из 2 SТN - ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, теряет большyю часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК - ячейки и три оптических фильтра основных цветов.

Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - иx обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало (рис. 2.5), поэтому большинство LСD - матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

 

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Тriрlе Suреr Twisted

Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улyчшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.

Термин пассивная матрица  появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется

пассивной, потомучто технология создания LCD дисплеев, которая была

описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране.