Жидкокристаллический дисплей (LCD), электронное устройство отображения, которое работает путем приложения переменного электрического напряжения к слою жидкого кристалла, вызывая тем самым изменения его оптических свойств. ЖК-дисплеи обычно используются для портативных электронных игр, в качестве видоискателей для цифровых фотоаппаратов и видеокамер, в системах видеопроекции, для электронных рекламных щитов, в качестве мониторов для компьютеров и в телевизорах с плоским экраном.

Электрооптические эффекты в жидких кристаллах

Жидкие кристаллы - это материалы со структурой, которая является промежуточной между структурой жидкостей и кристаллических твердых тел. Как и в жидкостях, молекулы жидкого кристалла могут обтекать друг друга. Однако, как и в твердых кристаллах, они располагаются в узнаваемом порядке. Как и твердые кристаллы, жидкие кристаллы могут проявлять полиморфизм, то есть они могут принимать различные структурные формы, каждая из которых обладает уникальными свойствами. В ЖК-дисплеях используются либо нематические, либо смектические жидкие кристаллы. Молекулы нематических жидких кристаллов выстраиваются параллельно своим осям, как показано на рисунке. С другой стороны, жидкие кристаллы смектики располагаются в виде слоистых пластин; в пределах различных фаз смектики, как показано на рисунке, молекулы могут располагаться по-разному относительно плоскости пластин.

Оптические свойства жидких кристаллов зависят от направления прохождения света через слой материала. Электрическое поле (индуцируемое небольшим электрическим напряжением) может изменять ориентацию молекул в слое жидкого кристалла и, таким образом, влиять на его оптические свойства. Такой процесс называется электрооптическим эффектом, и он лежит в основе ЖК-дисплеев. Для нематических ЖК-дисплеев изменение оптических свойств является результатом ориентации молекулярных осей либо вдоль, либо перпендикулярно приложенному электрическому полю, причем предпочтительное направление определяется деталями химической структуры молекулы. Жидкокристаллические материалы, которые располагаются параллельно или перпендикулярно прикладываемому полю, могут быть выбраны в соответствии с конкретными областями применения. Небольшие электрические напряжения, необходимые для ориентации молекул жидких кристаллов, были ключевой особенностью коммерческого успеха ЖК-дисплеев; другие технологии отображения редко соответствовали их низкому энергопотреблению.

Витые нематические дисплеи

Первые ЖК-дисплеи появились в продаже в конце 1960-х годов и были основаны на эффекте рассеяния света, известном как режим динамического рассеяния. Эти дисплеи использовались во многих часах и карманных калькуляторах из-за их низкого энергопотребления и портативности. Однако проблемы, связанные с их удобочитаемостью и ограниченным сроком службы жидкокристаллических материалов, привели к разработке в 1970-х годах витых нематических дисплеев (TN), варианты которых теперь доступны в компьютерных мониторах и телевизорах с плоским экраном.

Ячейка TN, как показано на рисунке, состоит из верхней и нижней пластин подложки, разделенных узким зазором (обычно 5-10 микрометров; 1 микрометр = 10-6 метров), заполненных слоем жидкого кристалла. Пластины-подложки обычно представляют собой прозрачное стекло и имеют узорчатые электропроводящие прозрачные покрытия из оксида индия-олова. Электродные слои покрыты тонким выравнивающим слоем полимера, который заставляет молекулы жидких кристаллов, контактирующие с ними, выстраиваться приблизительно параллельно поверхности. В большинстве производимых в настоящее время дисплеев выравнивающие слои состоят из слоя полимера толщиной в несколько десятков нанометров (1 нанометр = 10-9 метров), который протирается тканью только в одном направлении. При сборке ячейки верхняя и нижняя пластины подложки располагаются таким образом, чтобы направления выравнивания были перпендикулярны друг другу. Затем весь узел помещается между парой листовых поляризаторов, оси поглощения света которых также перпендикулярны друг другу. При отсутствии какого-либо напряжения перпендикулярные слои выравнивания приводят к тому, что жидкий кристалл принимает скрученную конфигурацию от одной пластины к другой. При отсутствии жидкого кристалла свет, проходящий через ячейку в любом направлении, поглощался бы из-за скрещенных поляризаторов, и ячейка казалась бы темной. Однако при наличии слоя жидкого кристалла ячейка кажется прозрачной, поскольку оптика скрученного жидкого кристалла соответствует скрещенному расположению поляризаторов. Подача напряжения от трех до пяти вольт на жидкий кристалл разрушает скрученное состояние и заставляет молекулы ориентироваться перпендикулярно пластинам подложки, придавая элементу темный вид, как показано на схеме. Для простых дисплеев жидкокристаллический элемент работает в отражающем режиме с диффузным отражателем, расположенным позади дисплея, и активированные части рисунка электрода отображаются в виде черных изображений на сером фоне, создаваемом диффузным отражателем. Расположив электроды сегментами или в виде массива маленьких квадратиков, можно отображать буквенно-цифровые символы и изображения с очень низким разрешением — например, в цифровых часах или калькуляторах.

Более сложные изображения могут быть отображены с использованием метода, известного как пассивно-матричная адресация (описано ниже). Однако даже при использовании этой технологии дисплеи с углом обзора 90° TN могут создавать изображения, состоящие всего из примерно 20 рядов элементов изображения, известных как пиксели.

Сверхскрученные нематические дисплеи

В начале 1980-х годов было обнаружено, что увеличение угла поворота жидкокристаллической ячейки примерно до 180-270° (при довольно распространенном значении 240°) позволяет использовать гораздо большее количество рядов пикселей с последующим увеличением сложности изображений, которые могут быть отображены. Эти сверхскрученные нематические дисплеи (STN) достигают высокой крутки за счет использования конфигурации пластины-подложки, аналогичной конфигурации дисплеев TN, но с дополнительным оптически активным соединением, известным как хиральная легирующая добавка, растворенная в жидком кристалле. Дисплей активируется с использованием пассивной матричной адресации, для которой пиксели расположены в строках и столбцах; выборочное приложение напряжения к определенной строке и столбцу активирует соответствующий элемент на их пересечении. Сверхповорот приводит к большему относительному изменению оптической передачи при приложенном напряжении по сравнению с ячейками, скрученными под углом 90°. Это уменьшает засветку нежелательных пикселей, так называемый “перекрестный ток”, который управляет количеством строк, которые могут быть активированы при пассивной матричной адресации. Цветные дисплеи STN выпускались для компьютерных мониторов, но на рынке их заменяют более современные дисплеи на тонкопленочных транзисторах TN (описаны ниже), которые имеют лучшие углы обзора, цветопередачу и скорость отклика. Монохромные дисплеи STN по-прежнему широко используются в мобильных телефонах и других устройствах, которым не требуется цвет.

Дисплеи на тонкопленочных транзисторах

Для отображения сложных изображений требуются матричные дисплеи с высоким разрешением, состоящие из многих тысяч пикселей. Например, стандарт видеографической матрицы (VGA) для компьютерных мониторов состоит из матрицы размером 640 на 480 элементов изображения, что для цветного ЖК-дисплея соответствует 921 600 отдельным пикселям. Превосходные изображения могут быть получены из матриц такой сложности с помощью дисплеев на тонкопленочных транзисторах (TFT) TN, в которых с каждым пикселем связан кремниевый транзистор, который действует как отдельный электронный переключатель. (На рисунке показана вырезанная часть TFT-дисплея.) Использование транзистора для каждого пикселя делает TFT дисплеем с активной матрицей, в отличие от дисплея с пассивной матрицей, описанного в предыдущем разделе. Эффект TN создает черно-белые изображения, но, как показано на диаграмме, цветные изображения могут быть сгенерированы путем формирования трехпиксельных групп с использованием красного, синего и зеленого фильтров. Отображаемое изображение получается ярким благодаря плоской подсветке, расположенной за жидкокристаллической панелью.

Другие светопропускающие нематические дисплеи

В последние годы появился ряд альтернатив 90° TN для коммерческого использования на подложках с активной матрицей. Например, дисплеи с переключением в плоскости (IPS) работают путем подачи напряжения переключения на электроды на одной подложке для раскручивания жидкого кристалла. Угол обзора IPS-дисплеев существенно выше, чем у TFT-дисплеев TNS; однако требование к большему количеству электродных схем на их подложке может привести к менее эффективному использованию подсветки. Витые вертикально выровненные нематические дисплеи (TVAN) используют молекулы, которые имеют тенденцию ориентироваться своими длинными осями перпендикулярно направлению приложенного электрического поля. К жидкому кристаллу добавляется небольшое количество оптически активного материала, в результате чего он принимает скрученную конфигурацию при подаче напряжения. Дисплеи TVAN могут демонстрировать очень высокую контрастность и хорошие характеристики угла обзора.

Отражающие дисплеи

На подсветку ЖК-дисплеев обычно приходится более 80 процентов потребляемой дисплеем мощности. Для мобильных сложных дисплеев время автономной работы имеет большое значение, и очевидно, что разработка продуктов, которые можно просматривать при окружающем освещении, не прибегая к подсветке, крайне желательна. Такие дисплеи известны как отражающие дисплеи, и они могут быть реализованы несколькими способами. Некоторые коммерческие отражающие дисплеи работают во многом подобно пропускающим STN. Жидкий кристалл снова действует как электрооптический слой между двумя поляризаторами. Однако вместо подсветки используется алюминиевое зеркало, отражающее окружающий свет обратно к зрителю, когда жидкий кристалл переключается в яркое (или пропускающее) состояние. Поляризаторы поглощают около 50 процентов проходящего через них неполяризованного света, и удаление одного или обоих поляризаторов может увеличить яркость отражающих дисплеев. Действительно, устройства с активной матрицей и одиночными поляризаторами начали доминировать на рынке высококачественных отражающих дисплеев - например, в мобильных телефонах и портативных электронных играх.