Жидкокристаллический дисплей

Общие сведения

Аморфные поляроиды

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости самого поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет, данный эффект называется поляризацией света.

В конце XIX века австрийский ботаник Фридрих Райницер (Friedrich Reinitzer) изучал свойства холестерина в растениях. Он обнаружил, что молекулы метоксибензилидин бутиланалина (methoxybenzilidene butylanaline) при нагреве мутнеют и проявляют текучесть, а при дальнйшем нагреве и вовсе превращаются в жидкость. Когда он сообщил о своих результатах немецкому физику Отто Леману (Otto Lehmann), выяснилось, что разогретые до жидкого состояния молекулы приобретают электрооптические свойства, схожие с кристаллическими веществами. В связи с этим их назвали «жидкими кристаллами» (ЖК).

Более того, оказалось, что молекулы ЖК (имеющие вытянутую форму), 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.

Ячейка

Так называемая фаза ЖК «нематик» (nematic) позволяет изменять оптическую плоскость ЖК посредством приложения переменного потенциала. В ЖКД для формирования изображения как раз и применяют нематики. Для этого на пути прохождения света до и после ЖК помещают два поляроида таким образом, что их оптические плоскости были ортогональны друг другу. В качестве обкладок используют специальным образом обработанные полиамидные пленки. Грубо говоря, нанесенные на их поверхностях мелкие насечки задают главное направление (директор) для продолговатых молекул ЖК. Длинные молекулы стараются «улечься» вдоль главного направления. Но направления насечек на обкладках ортогональны друг другу и лежат в оптической плоскости соответствующего поляроида. Поэтому сигарообразные молекулы плавно поворачиваются на 90^о по мере удаления от одного поляроида к другому, формируя в объеме спиральную структуру. Образно говоря, создаются спиралевидные «винтовые лестницы» для светового потока (Twisted Nematic — завинченный нематик).

Теперь, если через такую конструкцию пропустить свет, то сначала он, пройдя через первый поляроид, поляризуется в плоскости первого поляроида. Далее направление поляризации светового потока, проходящего через завинченные нематики, будет поворачиваться, пока не совпадет с оптической плоскостью второго поляроида. После чего второй поляроид пропустит большую долю оставшейся части светового потока. Но стоит только приложить к электродам переменный потенциал, как молекулы вытянутся вдоль силовых линий электромагнитного поля. Проходящий поляризованный свет не изменит ориентации векторов электромагнитной и электростатической индукции. Поэтому второй поляроид не пропустит такой поток света. Таким образом получаем, что при отсутствии потенциала ЖК-ячейка «прозрачна» для проходящего света. А при установленном управляющем напряжении ЖК-ячейка — «непрозрачна». Изменяя уровень управляющего напряжения в пределах допустимого диапазона, мы можем модулировать яркость светового потока, проходящего через ячейку. А если направление оптической плоскости второго поляроида будет совпадать с первым, то ячейка будет работать наоборот: при отсутствии потенциала — непрозрачная (тёмная), при наличии — прозрачная. В связи с этим мы можем говорить о позитивной или негативной модуляции света.

Эволюция

STN, DSTN

Из ЖК-ячеек малого размера можно создавать элементы изображения, например, сегменты ЖК-индикатора калькулятора. Когда были разработаны портативные компьютеры, то встал вопрос о создании для них маломощного точечно-матричного дисплея. Легко догадаться, что если для изображения одного символа требуется 7 × 5 = 35 точек, то для работы с компьютером потребуется как минимум 320 × 200 = 64 000 ЖК-ячеек. А к каждой ячейке нужно подвести как общий, так и управляющий электрод — а это расточительно. Выход состоит в применении поочередного управления ячейками с помощью прямоугольной сетки (матрицы) управляющих электродов. В каждый момент времени на одном из вертикальных и одном из горизонтальных управляющих электродов выставляется напряжение, адресованное ячейке, которая расположена в точке пересечения этих электродов. Для предотвращения мерцания применяют ЖК с большим временем послереакции. Поэтому качество динамичного изображения получается неудовлетворительное, да и контрастность очень плохая. Поэтому матрицы на обычных TN-ячейках практически не использовались (TN матрица может содержать не более 64 столбцов или строк). Только доработанные ячейки типа STN (Super Twisted Nematic) с большим углом поляризаии нашли применение в портативных компьютерах.

Дальнейшим усовершенствованием стала технология DSTN (Double STN), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет значительно большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксел приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки — их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало, поэтому большинство LCD-матриц в центре имееют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам). Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых (Dual Scan DSTN — два независимых поля развертки изображения), каждая из подматриц содержит меньшее количество пикселов, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время послереакции ЖК.

TFT, OCF, CD, FRC

Но поистине качественный скачок технология ЖК-дисплеев сделала после разработки активноматричных ЖК-панелей. Благодаря применению тонкопленочного прозрачного транзистора TFT (Thin Film Transistor) каждая ЖК-ячейка приобрела персональный «запирающий ключ». Таким образом при поочередном опросе, каждая активная ячейка запоминает свое состояние. Именно поэтому не имеет смысла подавать на TFT-дисплеи высокочастотный видеосигнал. Достаточно частоты кадровой развертки в 60 Гц, так как каждый кадр будет отображаться четким, немерцающим и не раздражающим глаза.

Но проблемы всё-равно остаются, например, цветопередача, углы обзора и время реакции. Для исправления эффекта инверсии цветов при большом угле обзора на TFT мониторах применяют оптический корректор (OCF — Optical Compensation Film), который выравнивает передаточную характеристику ЖК-панели при обзоре по вертикали. Кроме того, многие контроллеры дисплеев раньше использовали 18-битное представление цвета, и чтобы сэмулировать 24-битный цвет (16,7 млн цветов), стали использовать метод цветовой диффузии (Color Diffusion). Невоспроизводимые напрямую полутона получались путём смешения близких основных цветов соседними пикселами. Такой подход даёт удовлетворительные результаты, но сказывается на чистоте изображения — плавные полутоновые переходы становятся зернистыми.

Другой метод (FRC — Frame Rate Control) основан на инертности как самого ЖК, так и глаза наблюдателя. Вместо того, чтобы образовывать полутон соседними пикселами, можно попеременно от кадра к кадру, в соответствии с кадровой развёрткой, изменять цвет пиксела на соседние основные цвета. То есть, для вывода полутона, находящегося между двумя цветами с и c + 1, в каждом нечётном кадре выводится цвет c, а в каждом чётном — c + 1. В результате наблюдатель воспримет в качестве цвета пиксела полутон c + 1 / 2. Таким образом, на примере парного FRC получается эмуляция в два раза более широкого цветового пространства (с увеличенной на один бит разрядностью).

MVA, IPS

Для борьбы с искажением цветов при изменении обзора по вертикали Hitachi и Fujitsu предложили различные методы. Fujitsu решила разбить рабочую ячейку на две зоны (MVA — Multi Domain Alignment). Обе зоны управляются одновременно, но ЖК в кажой из них ориентированы по разному (у каждой зоны свой директор), к тому же, при подаче напряжения они разворачиваются в разные стороны. Но полностью проблема не была решена (см. «Качество воспроизведения изображения ЖК-панелями»). В дальнейшем различные клоны данного подхода (например, PVA от Samsung — Patterned Vertical Alignment) немного улучшили показатели цветопередачи.

Метод поворота ЖК в одной плоскости (IPS — In-Plane Switching) оказался более удачным в плане общей цветопередачи и, в особенности, в отображении тёмных тонов. Hitachi разместила управляющие электроды на одной поверхности таким образом, что силовые линии возникающего электрического поля принимают горизонтальную форму (параллельно подложке). При подаче управляющего напряжения ЖК разворачиваются в одной плоскости. Запертая ячейка IPS-панели пропускает значительно меньше света, чем ячейка MVA (более глубокий чёрный), а общая передаточная характеристика выглядит более плавно и без провалов. Дальнейшее совершенствование этой технологий породило семейство S-IPS (Super IPS), SFT (Super Fine TFT), A-SFT (Advanced SFT), SA-SFT (Super A-SFT).

Другая модификация технологии IPS переняла от MVA мультидоменность, и таким образом появились панели DD IPS (Dual Domain IPS), в которых ячейка состоит из двух зон с разными направлениями поляризации для увеличения угла обзора.