64.Устройства и элементы индикации. Жидкокристаллические индикаторы и дисплеи.

С расширением функций и областей использования цифровых систем возрастает число приложений, которые требуют компактных устройств отображения оперативной информации. Одним из направлений создания плоских графических дисплеев является использование оптических явлений в жидких кристаллах (ЖК).

Для жидкостей в отличие от твердых тел с кристаллической структурой характерно хаотичное расположение молекул (рис.14.18,а), которое приводит к идентичности их свойств вне зависимости от направления воздействия.

Рис.14.18. Строение жидких (а) и жидкокристаллических веществ (б,в)

Существуют органические соединения, называемыми жидкими кристаллами, которые одновременно обладают свойствами жидкости (текучестью) и твердых кристаллических веществ (анизотропией). Молекулы жидкокристаллических веществ имеет удлиненную форму и обладают определенной однонаправленной ориентацией во всем объеме (рис. 14.18,б) или в отдельных слоях (рис.14.18,в). Существуют различные вещества, обладающие жидкокристаллическим состоянием. К ним относятся некоторые производные бензола, дифенила и других веществ. По электрическим свойствам ЖК относятся к диэлектрикам с удельной электрической проводимостью в пределах  = 10 ^{– 6}…10 ^{– 10} См / м.

Жидкокристаллические материалы способны изменять поляризацию света при воздействии электрического поля. Если жидкокристаллическую среду дополнить кристаллом – поляроидом, пропускающим свет только с определенной поляризацией, то образуется элемент, прозрачностью которого можно управлять с помощью внешнего напряжения.

Жидкокристаллические материалы были открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером еще в 1888 году, т. е. за десятилетия до изобретения ЭЛТ. Однако долгое время не имели практического применения вследствие недостаточности технологической базы для создания приборов на их основе. Только в семидесятые годы прошлого века были созданы цифровые ЖК индикаторы для часов. Во второй половине 70-х начался переход от сегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки, т.е. дисплеев с двумерной картинкой. Первое применение ЖК дисплеи или (LCD) кристаллы нашли в портативных приборах с автономным электропитанием (часах, калькуляторах), а затем их стали широко использовать в портативных и настольных компьютерах.

Из большого числа электрооптических явлений в жидкокристаллических веществах в индикаторах используются эффекты динамического рассеивания, вращения плоскости поляризации (твист-эффект), изменение цвета за счет добавления красителя (гость) в основное вещество (хозяин).

Явление динамического рассеивания света выражается в помутнении прозрачного слоя ЖК вещества, помещенного между электродами при прохождении постоянного или переменного тока низкой частоты, нарушающего ранее упорядоченную структуру. Эффект проявляется при приложении напряжения U  5 В и сохраняется при его отключении. Для возвращения в исходное упорядоченное состояние необходимо подать высокочастотное электрическое поле. Время включения элемента составляет (50…500) мс и для выключения требуется 150 мс.

«Твист-эффект» используют в системе, основанной на изменении условий распространения для поляризованного света. Электромагнитное колебание (свет) источника в поляризаторе приобретает фиксированное по оси z направление вектора напряженности электрического поля и попадает в слой жидкокристаллического материала с упорядоченной послойной ориентацией, причем направленность молекул в крайних слоях перпендикулярна. Если напряжение между прозрачными электродами отсутствует, поляризованный свет при распространении приобретает смещение на /2 (рис.14.19,а).

Рис.14.19. Жидкокристаллический индикатор при U_у = 0 (а) и U_у ≠ 0 (б)

Анализатор расположен таким образом, что обеспечивает прохождение составляющей световых колебаний с поляризацией, ориентированной по оси x. Ячейка является прозрачной для поляризованного света и на приемник (экран) поступает световой поток Ф_s. При подаче на электроды напряжения молекулы частично переориентируются, угол поворота плоскости поляризации становится отличным от /2, и световой поток на выходе анализатора будет ослаблен (рис.14.19,б). При разности потенциалов, приводящей к отсутствию поворота плоскости поляризации в ЖК ячейке, световой луч полностью поглощается анализатором Ф_s= 0 и экран будет темным. Для проявления эффекта требуется напряжение порядка одного вольта. Длительность процесса включения-выключения занимает (20…200) мс.

Если на экране расположить несколько ячеек (сегментов), имеющих различную форму и индивидуальную систему управления, то можно отображать на экране цифры, буквы и другие элементы изображения. Добавление в жидкокристаллическое вещество красителя, имеющего идентичную конфигурацию молекул, позволяет управлять цветом ячейки. Конструктивно все типы ЖК ячеек состоят из тонкого (5…20 мкм) слоя ЖК вещества между двумя стеклянными пластинками, на которые помещены прозрачные электроды (из окиси олова).

Жидкокристаллические дисплеи содержат экран, представляющий собой матрицу ячеек малого размера (пикселей), и схему управления. Ячейка работает в одном из двух типичных режимов формирования управляемого потока от внешнего источника света на экран: использование проходящего или отраженного света. Экран представляет собой две панели (подложки), изготовленные, как правило, из чистого кварцевого стекла, между которыми помещен тонкий слой ЖК материала. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.

Эквивалентная электрическая схема ячейки может быть представлена ее межэлектродной емкостью с небольшой проводимостью утечки, которая обычно на общих схемах не показывается. ЖК экран имеет двумерную матрицу ху проводящих шин, к которым подключены электроды ячеек (рис. 14.20,а).

Рис.14.20. Пассивная (а) и активная (б) структуры управления ЖК дисплеем

В приведенной структуре, называемой пассивной матрицей, каждая ячейка может быть подсвечена индивидуально путем подачи напряжений по шинам на соответствующие электроды. На горизонтальные и вертикальные шины подаются напряжения, составляющие примерно половину напряжения переключения ячейки. Выбранная ячейка С_kl, на которую приходят напряжения по шинам x_к и y_l будет прозрачной. Изображение формируется строка за строкой путем последовательной подачи управляющего напряжения на отдельные ячейки.

Экраны с активной управляющей матрицей. При активном способе управления каждую ячейку включает свой электронный ключ на МОП транзисторе (рис 14.20,б), что существенно ускоряет перезаряд емкостей и устраняет паразитное взаимовлияние полувыбранных ячеек. Управляющие транзисторы запоминают данные на интервале времени между обновлениями картинки, что устраняет мелькание при частоте смены кадров 60 Гц. Активная матрица отображает без видимых искажений движущиеся изображения, т. к. время реакции дисплея составляет примерно 50 мс (для пассивной матрицы этот параметр имеет значение 300 мс). Управляющие транзисторы формируют на стеклянной подложке вместе с ячейками по тонкопленочной технологии на основе прозрачных пластиковых пленок толщиной 0,01… 0,1 мкм.

Цветные ЖК дисплеи. Цветные дисплеи работают в режиме проходящего света. При этом три основных цвета (красный, зеленый и синий) получаются методом разложения белого цвета источника при пропускании через три оптических фильтра. Каждый пиксель с линейным размером примерно 0,3 мм представляет собой комбинацию трех цветных ячеек. Основные цвета, прошедшие три ячейки, позволяют воспроизвести любой цвет для каждого пикселя экрана. Вместе с числом ячеек для цветного экрана увеличивается втрое количество транзисторов и повышается сложность схемы управления.