Жидкокристаллические экраны
Как известно, обычные кристаллы обладают симметрией атомной структуры и анизотропией физических свойств, то есть неодинаковостью этих свойств в зависимости от направления. Анизотропия характерна, например, для упругих, тепловых и оптических свойств различных кристаллов. Поскольку жидкости, газы и аморфные тела в отличие от кристаллов не имеют симметричной структуры молекул, то обладают поэтому изотропией свойств.
Современная наука определяет жидкий кристалл как некоторое мезоморфное состояние, в котором вещество обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твердых кристаллов (например, анизотропией).
В конце 1966 года американской фирмой RCA (Radio Corporation of America) был продемонстрирован первый LC-дисплей. Английское название Liquid Crystal (сокращенно LC) соответствует русскому "жидкий кристалл" — ЖК. В 1971 году учеными США были предложены так называемые Twisted-Nematic-ячейки (TN-элементы).
Заметим, что для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Допустим, между двумя стеклами с прозрачными электродами находятся молекулы жидких кристаллов (слой вещества составляет приблизительно 5—10 мкм). В отсутствие электрического поля молекулы этого вещества образуют спирали, скрученные на 90 градусов (кстати, отсюда и их название Twisted). В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации проходящего через ЖК-элемент света поворачивается примерно на этот же угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные относительно друг друга также на угол 90 градусов, то свет беспрепятственно может проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они просто ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит, и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. Кстати, если несколько изменить конструкцию элемента (используя зеркало на выходе второго поляризатора), то темный или светлый сегмент можно увидеть и в отраженном свете.
Примером в данном случае может служить ЖК- индикатор наручных электронных часов.
Молекулы элемента Super-Twisted-Nematic (STN) закручены на угол от 180 до 270 градусов, за счет чего несколько улучшается контраст изображения. Если при использовании TN-элементов контраст определяется как 3:1, то есть освещенная точка в три раза светлей темной, то для STN-элементов это соотношение может составлять уже 10:1 и даже выше. Однако в STN-элементах из-за эффекта эллиптической поляризации проявляется некоторый сдвиг цветов. В этом случае чисто белый цвет может становиться, например, бледно-оранжевым, а черный — зелено-голубым (цвет циан). Зачастую дисплеи, использующие STN-элементы, называют поэтому также Blue-Mode-STN-LCD.
В настоящее время в ЖК- технике нашли широкое применение TSTN-элементы (Triple STN), называемые также FSTN-элементами (Film STN). Для устранения цветовых ошибок они используют специальную полимерную пленку между стеклом и поляризатором. Поскольку всего имеется три слоя, то в названии и фигурирует слово "Triple". Дисплеев, использующих эти элементы, становится все больше и больше. Они достаточно легкие и могут реализовать практически белый цвет изображения, поэтому их иногда и называют Paper-White-дисплеями.
Экран ЖК-дисплея имеет, как правило, либо заднюю подсветку (backlight, или просто backlit), либо боковую (sidelight, или просто sidelit). Для экономии заряда гальванических элементов могут использоваться ЖК- экраны без подсветки, которые работают только в отраженном свете (reflective LCD).
Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-дисплее представляет из себя Соответствующий TSTN-элемент, а весь экран ЖК-дисплея — по сути, матрица этих элементов. В настоящее время существуют два основных метода, используемых для адресации ЖК-элемейтов: прямой (или пассивный) и косвенный (или активный).
При прямой адресации элементов матрицы каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий адресный (прозрачный) проводник-электрод для строки и соответственно для столбца.
При таком способе управления точкой изображения говорят также, что используется пассивная матрица (passive matrix) ЖК- элементов. Очевидно, что такому методу управления присущи определенные недостатки. В частности, практически невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы (active matrix) ЖК- элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель. Информация об изображении (видеосигнал) выдается построчно на все соответствующие столбцы матрицы экрана, а выбор необходимой точки изображения в Строке происходит через соответствующий электронный переключатель.
Каждую ячейку такого экрана можно представить в виде простой схемы замещения, представляющей собой RC-цепочку. Благодаря видеосигналу конденсатор заряжается, а через очень большое параллельно включенное сопротивление достаточно долго разряжается. Поскольку время разряда в несколько раз превышает время, через которое видеосигнал повторяется, то изображение получается устойчивым и контрастным. Возможность изменения амплитуды напряжения видеосигнала позволяет использовать в воспроизводимом изображении оттенки цвета. Следует, конечно, помнить о том, что стоимость реализации активной матрицы экрана существенно выше, нежели пассивной. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (TFT, Thin Film Transistor), хотя это и не единственно возможное решение.
При применении активных матриц дисплеев большое значение имеют такие параметры, как малое время отклика (Response Time) и большой угол зрения (Viewing Angle). При использовании пассивных матриц ЖК- элементов значение первого параметра лежит в пределах 250—300 мкс, тогда как у активных матриц его значение составляет около 25 мкс. Изображение на экране с TFT-матрицей можно различить даже под углом 75 градусов, а, например, на дисплее с пассивной матрицей этот угол не превышает 45 градусов.
В цветных ЖК-дисплеях с активной матрицей, как обычно, каждый элемент изображения (или пиксел) состоит из трех точек — синей, зеленой и красной. Соответственно для каждой точки, составляющей элемент изображения, используются свой TFT-транзистор и фильтр (Red, Green или Blue). Общее количество транзисторов в случае VGA-дисплея (640 на 480 на 3) составляет 921 600. Кстати, надо заметить, что поскольку цветные фильтры поглощают свет от лампы подсветки довольно существенно, то ее (или их) мощность должна быть раз в пять выше, чем для обычных монохромных дисплеев.
