ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ

При работе индикатора на просвет  изображение цифры более темное, чем фон. Если при этом мощность установленного источника света составляет 0,5 Вт, то яркость жидкокристаллического индикатора становится сравнимой с яркостью газоразрядного или светодиодного индикатора, используемого в условиях обычной освещенности.

Выводы от сегментов выполнены  в виде износостойких токопроводящих дорожек на стекле. Соединение выводов  индикатора с элементами схемы управления осуществляется с помощью разъема.

Другим принципом, используемым для создания жидкокристаллических индикаторов, является эффект вращения плоскости поляризации поляризованного света слоем жидких кристаллов, исчезающий под действием электрического поля (твист-эффект). Индикаторы, работающие на этом принципе, получают, помещая капельку жидких кристаллов между двумя скрещенными поляроидными пластинами, которая растекается между ними в виде тонкой пленки. Сами скрещенные поляроиды имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации света и поэтому являются совершенно непрозрачными. Но если между этими пластинами имеется слой неметаллических жидких кристаллов, которые в результате технологической

обработки приобрели свойство вращения плоскости поляризации  проходящего света на 90°, то вся  эта оптическая система получается прозрачной (рис. 2).

                                            

Рисунок 2. Вращение поляризации света жидким кристаллом.

При приложении электрического поля все молекулы жидких кристаллов ориентируются вдоль поля и эффект вращения плоскости поляризации исчезает. В результате через систему, показанную на рис. 2, пропускание света прекращается. Если возбуждается не весь слой жидких кристаллов, а определенные участки в виде символа или цифры, то изображение данного символа (цифры) будет темным в проходящем свете по сравнению с невозбужденной областью (фоном). Этот принцип получения индикации является более прогрессивным, так как даст значительный выигрыш в мощности потребления и позволяет получать более высокий контраст. В большинстве серийно выпускаемых типов жидкокристаллических индикаторов использован данный принцип. [2]

Жидкокристаллические индикаторы управляют отражением и пропусканием света для создания изображений  цифр, букв, символов и т.д. В отличии  от светодиодов (Light-Emitting Diodes, LEDs), жидкокристаллические индикаторы не излучают свет.

Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы, молекулы которых упорядоченны послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. В каждом слое сигарообразные молекулы ЖК выстраиваются в одном направлении, их оси становятся параллельны (рис.3).

 
Рисунок 3. Один слой молекул ЖК. Все молекулы параллельны друг другу.

 

Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются  параллельно полю. Этот процесс называется твист-нематическим полевым эффектом (twisted nematic field effect, TNFE). При такой ориентации поляризация света не скручивается при прохождении через слой ЖК (рис. 4а и 4б). Если передний поляризатор ориентирован перпендикулярно заднему, свет пройдет через включенный дисплей, но заблокируется задним поляризатором. В этом случае ЖКИ действует как заслонка свету. 
Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Не вытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея.

 
Рисунок 4а. "Выключенное" состояние ЖКИ. 
ЖК молекулы формируют спираль, скручивая поляризацию света.

 

 
Рисунок 4б. "Включенное" состояние. 
Электрическое поле переориентирует ЖК молекулы так 
что они не изменяют поляризацию света.

 
       Символы создаются из одного или нескольких сегментов. Каждый сегмент может быть адресован (запитан) идивидуально, чтобы создать отдельное электрическое поле. Таким образом прохождение света управляется электрически, включая и отключая необходимые сегменты. В неактивной части дисплея направленность молекул остается спиральной, формируя фон. Запитанные сегменты составляют символы, контрастирующие с фоном.

        В зависимости от ориентации поляризатора, ЖКИ может отображать позитивное или негативное изображение. В дисплее с позитивным изображением передний и задний поляризатор перпендикулярны друг другу, так что незапитанные сегменты и фон пропускают свет с измененной поляризацией, а запитанные препятствуют прохождению света. В результате - темные символы на светлом фоне. 
В дисплее с негативным изображением поляризаторы параллельны, "в фазе", препятствуют прохождению света с повернутой поляризацией, так что незапитанные символы и фон темные, а запитанные - светлые.[4]

Молекулы ЖК представляют собой индивидуальные диполи. Ориентация молекул может меняться в результате различных электрогидродинамических эффектов, обусловленных протеканием  даже небольшого тока или под действием  электрического поля.

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две  стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина  ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При  отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает  волнистая доменная структура. При  превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием. В настоящее время распространены индикаторы на основе эффекта динамического  рассеивания, а также индикаторы, использующие полевой твист-эффект (закручивание) и эффект типа «гость-хозяин».

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, использующие полевой твист-эффект (от англ. twist - закручивание). Работа ячейки со скрещенными  поляризатором П и анализатором А показана на рис. 5

В отсутствие напряжения питания  на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А.

Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий  свет, поляризованный в противоположном  направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны  осям первого, то свет проходит через  второй поляризатор; если же оси анализатора  перпендикулярны, излучение гасится.

Рисунок 5 - Работа ЖК-индикатора на твист-эффекте при напряжениях:

а - нулевом; б - превышающем пороговое

 

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При  прохождении через ЖК плоскость  поляризации света вращается (как  директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании  ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает  вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

ЖК-индикаторы имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте  динамического рассеяния (меньше рабочие  токи 1-3 мкА/ см² вместо 10 мкА/ см², и поэтому большую долговечность). Быстродействие ЖК на твист-эффекте гораздо выше, чем при использовании динамического рассеяния.

К недостаткам ЖК-индикаторов  на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте  динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте  и влиянием поляризаторов. Применение поляризаторов приводит к потерям  до 50 % света, а также повышает стоимость  индикаторов.

Индикаторы без поляризаторов  могут быть созданы на основе эффекта  «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться  параллельно осям молекул ЖК (рис. 6).

Рисунок 6- Работа ЖК-ячейки на эффекте «гость-хозяин» при напряжениях:

а - нулевом; б - превышающем пороговое; 1 - молекулы красителя; 2 - молекулы ЖК

 

В начальном состоянии, при  нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 6 а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее (рис. 6 б).

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти  черное позитивное изображение на белом  фоне при высокой яркости и  достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин»  несколько хуже вследствие поглощения света красителем[1].

Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую  помещен жидкий кристалл. Направление  молекул жидкого кристалла может  быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении – параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней. Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении.

Используя различные ориентации направления молекул жидкого  кристалла первоначально с помощью  поверхностного упорядочения, а затем  с помощью электрического поля, можно  сконструировать простейший дисплей. Жидкокристаллический дисплей состоит  из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл[5].

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. 7).

Рисунок 7. Экран LCD монитора

 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 пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

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.8).  
                    Рисунок 8. Поляризация света через жидкие кристаллы

 

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 9а).

а) напряжения нет

б) напряжение есть

Рисунок 9. Вращение поляризации света жидким кристаллом.

 

Напряжение, необходимое  для поворота директора составляет обычно 2В-5В. Важно, что действие электрического поля не связано с дипольным моментом молекулы и поэтому не зависит  от направления поля. Это позволяет  использовать для управления индикатором  переменное поле. Постоянное поле может  приводить к электролизу жидкого  кристалла и, в конечном итоге, выходу прибора из строя[6].

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. 9 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 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 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. 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. Эту 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.  
       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 STN технологии.