 |
| фиг.
1-2 Структура на течен кристал |
LCD е най-добре разработената и
разпространена технология за плоски екрани.
LCD
намират приложение в широк обхват
крайни продукти, предлагани на пазара – от
мобилни телефони до широкоекранни видео
системи. По същество те са неемитиращи-трансмитиращи
дисплеи, т.е. пропускат светлината, излъчена
от външен източник, чиято интензивност може
да се контролира чрез електрично поле. Това
е възможно благодарение на свойствата на
течните кристали да поляризират преминаващата
през тях светлина според подреждането на
молекулите им в кристалната решетка –
свойство познато при твърдите
кристали. През 60-те години на миналия
век е установено, че под действието на
електрическо поле, молекулите на течните
кристали се преориентират и така оказват
влияние върху преминаващата светлина –
свойство характерно за течностите.
Фундаменталната структура на LCD е
показана на (фиг.
1-2).
 |
фиг. 1-3 Фундаментална
структура на LCD
|
Съществуват
течни кристали с различна форма на
молекулите. В случая те са с пръчковидна
форма, а кристала
е от тип ‘nematic’.
Теченият кристал
се разполага между две стъклени плочи,
които предварително са финно набраздени с
успоредни улейчета (Alignment Layers).
Пръчковидните молекули се разполагат по
дължината си в тези улейчета и също стават
успоредни по между си. Двете стъклени плочи
са разположени така в пространството, че
направленията на улеите им да бъдат взаимно
перпенидкулярни. На фигурата се вижда как в
пространството между плочите
молекулите се усукват на 90°. Получената
структура се нарича ‘twisted
nematic’ (TN)
и основната и характеристика е, че
преминаващата през нея светлина също се
завърта на 90°. Практическото приложение на
този ефект е показан на фиг.
1-3.
Към
стъклените плочи са добавени поляризиращи
филтри (Light Polarising Filters).
Те пропускат само светлината, която е
ориентирана успоредно на улеите. Така, ако
се освети дисплея от едната страна, първият
филтър ще пропусне само тази част от
светлината, която е успоредна на улеите в
горния край, след което преминавайки през
течния кристал, тази светлина се завърта на
90° и свободно преминава през долния
поляризиращ филтър, тъй като вече е
ориентирана успоредно на неговите улеи.
Когато се подаде напрежение между двете
стъклени плочи, достатъчно да преориентира
молекулите по посока на електическото поле,
то преминалата през кристала светлина вече
не се завърта и се филтрира от другия филтър.
Разгледаният
по-горе принцип на действие се прилага в
дисплеите на калкулаторите и електронните
часовници, както и на други по-малки екрани.
Характерно за тях е, че за източник на
светлина се използва околната светлина, а
от едната страна на дисплея има огледална
повърхност. Тези дисплеи са неемитиращи-рефлектиращи.
Освен това при тях се използва принципа на
директно адресиране, т.е. всеки сегмент от
екрна се управлява с отделни електроди. За
сравнение устройството на LCD
екран
на лаптоп включва собствен източник на
светлина (Backlight),
разположен в задната част на екрана.
Неговата светлина се излъчва през течния
кристал към наблюдаващия потребител. На фиг.
1-4
се вижда как изглежда една такава
реализация.
 |
| фиг.
1-4 Модулиране на светлината от допълнителен
източник | |
При
по-големите екрани директната адресация би
довела до усложняване на управляващите
схеми и загуби на енергия. Затова при тях се
въвежда т.н. матрично адресиране, което може
де е пасивно или активно в зависимост от
реализацията. Схемата
на пасивна матрица е показана на фиг.1-5.
 |
| фиг.
1-5 Структура на пасивна матрица от електроди |
Тя
се състои от сканиращи електроди по редове
и информационни елктроди по колони.
Образува се мрежа от пресечните точки на
електродите чрез, която се управляват
отделните елементи на дисплея т. н. суб-пиксели.
Електродите са направени от прозрачен,
проводящ материал, като най-често се
използва тънък индиев оксид – Indium
Thin Oxide (ITO).
При цветните дисплеи един пиксел се състои
от три суб-пиксела, по един за всеки от трите
основни цвята – R,G,B.
Вътрешният източник излъчва бяла светлина.
За да се получи цветно излъчване трябва към
всеки суб-пиксел да се прибави филтър за
съответния цвят. Структурата на цветен
дисплей е показана на фиг. 1-6.
 |
фиг. 1-6 Структура
на цветен LCD дисплей
|
Основното
предимство на пасивната матрица е ниския
призводствен разход и постигане на добро
качество при сравнително малки графични
дисплеи. С увеличаване на броя на редовете и
колоните, намалява контраста на дисплея,
тъй като времето за което се
прилага управляващото напрежение на даден
пиксел, значително намалява. В резултат на това управляващото
напрежение бързо спада и течният кристал
започва да се връща в нормалното си
състояние. Параметърът, който описва този
недостатък на LCD се
нарича ‘response time’ или
време за отговор. Основният проблем,
произтичащ от голямото време на отговор, е
възпроизвеждането на бързи движения на
мишката или на графиката, които водят до
размазване на изображението. Причината за
това е, че LCD екрана
не може да отговори с достатъчна бързина на
измененията в картината. До голяма степен
този проблем е преодолян с въвеждането на
активната матрица. Разликата при нея е, че
във всеки суб-пиксел се вграждат
усилвателен елемент – транзистор и
кондензатор, който да запомня стойността на
управляващото напрежение за целия цикъл на
управление. На фиг. 1-7 са показани схемите по,
които се осъществява
активната матрица.
 |
| фиг.
1-7 Опростена
схема на активна матрица |
Използването
на TFT (Thin Film
Transistor) значително
подобрява контраста и яркостта на дисплея.
Недостатък на тази технология е високата
производствена цена, дължаща се на
използваните
методи фотолитография, високотемпературен
процес и необходимостта от т.н. чисто
производство, характерно за
полупроводниковите продукти. Освен
това транзисторите, управляващи отделните
суб-пиксели са направени по традиция от
аморфен силиций, отложен върху стъклена
основа. Той се използва в повечето лаптоп
компютри, десктоп монитори и други.
Характерна за аморфния силиций е слабата
подвижност на електроните, която е причина
за по-големи транзистори, пиксели и
сравнително по-мощни управлващи
интегрални схеми. Направени са разработки в,
които аморфния силиций е заместен от
полисилиций и споменатите недостатъци са
избегнати.
Основен проблем при LCD
е
малкият зрителен ъгъл. Той се дължи на това,
че като цяло LCD
е
неемитиращ екран, който модулира
светлината излъчена от допълнителен
източник. Усилията за подобряване на
зрителния ъгъл са довели до няколко
разработки в тази
насока –
Super Twisted Nematic (STN) за
пасивна матрица и In-Plane
Switching (IPS), Vertical Alignment (VA) и Multi-domain Vertical Alignment
(MVA)
за активна матрица,
които
тук само ще бъдат споменати.
