Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ)

Индикаторные устройства

Жидкий кристалл (ЖК) характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и свойств кристалла (оптическая анизотропия). Данное состояние имеет место в некотором диапазоне температур между точкой кристаллизации Т_ки точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Т_ж. Для устройств индикации применяются нематические (нитевидные) ЖК, которые характеризуются следующими основными свойствами:

а) молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую нитевидную конфигурацию;

б) в равновесном состоянии имеется тенденция к ориентации больших осей молекул вдоль какого-то преимущественного направления;

в) межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер ориентации молекул) может легко меняться под влиянием внешних воздействий;

г) наблюдается оптическая и электрическая анизотропия: показатели преломления и диэлектрическая постоянная в направлении больших осей молекул и перпендикулярных им различны (ЖК с двойным лучепреломлением);

д) в зависимости от знака величины De различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию: при приложении поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа – поперек поля;

е) наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух разновидностях электрооптических эффектов: изменение характера поляризации проходящего (либо отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света.

Жидкими кристаллами являются очень многие (тысячи) органические соединения, лучший эффект дают их смеси. Наиболее распространенными нематическими смесями являются МББА (н-(п-метоксибензилиден), п- (н-бутиланилин) и ЭББА (н-(п-этоксибензилиден),– п-(н-бутиланилин), которые обеспечивают разностьΔТ_жк= Т_ж–Т_к= .

Среди всех структурных разновидностей ЖК нематические отличаются наименьшей вязкостью, что дает высокое быстродействие, характеризующееся временем переориентации молекул и до с в специальных рабочих режимах. Удельное сопротивление нематических ЖК очень велико ~10¹⁷ Ом∙см и для его уменьшения, что в некоторых случаях необходимо, вводятся органические примеси, при диссоциации которых возникают свободные ионы.

Исторически первым электрооптическим эффектом, использующимся в индикаторной технике, был эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникший поток ионов стремится нарушить эту ориентацию. При некоторой величине тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК.

Вольт-контрастная характеристика (ВКХ) ЖКИ имеет вид (рис. 7.1), на которой точка 1 соответствует начальному участку, 2 – участку ламинарного движения, 3 – участку турбулентного движения, 4 – участку насыщения турбулентности.

Рис. 7.1

Контрастность характеризуется соотношением:

K = (L_возб +L_Ф) / L_Ф (7.1)

где L_возб и L_ф – яркость возбужденного и невозбужденного элемента.

Более эффективными являются индикаторы, использующие твист-эффект, суть которого в следующем. Нематическая структура ЖК, помещенного между двумя пластинами, тем или иным способом "скручивается", при этом большие оси молекул оказываются параллельными ограничивающим поверхностям, а направление этих осей вблизи одной и другой пластин взаимно перпендикулярно. В самой толще жидкости ориентация молекул меняется постепенно от верхней граничной ориентации к нижней. Такой эффект может быть достигнут, например, при натирании внутренних поверхностей стеклянных пластин во взаимно перпендикулярных направлениях, что приводит к соответствующей ориентации молекул. Скрученный нематический слой ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол p/2. Если к пластинам приложить электрическое поле, то (в случае использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы будут ориентированы вдоль поля и эффект скручивания пропадает. В этом случае слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.

В отличие от эффекта динамического рассеяния твист-эффект является чисто полевым, для его реализации нет необходимости пропускания тока через кристалл, что дает заметный выигрыш в потреблении энергии.

Устройство ЖКИ очень просто: здесь удобно реализуются плоские панельные конструкции. Для питания низким напряжением (единицы вольт) расстояние между пластинами должно быть очень малым (10^-3 См), а используемый ЖК должен иметь участок с крутонарастающей вольт-контрастной характеристикой. Стоимость ЖКИ очень мало зависит от его площади, поэтому изготавливаются конструкции с высотой от 3 до 500 мм. Индикаторные устройства работают как в отраженном свете, так и в проходящем.

Устройство просветного (а) и отражательного (б) ЖКИ представлено на рис. 7.2, здесь цифрой 1 условно показан падающий световой поток Ф1, 2– стеклянные пластины, 3 – прозрачные электроды, 4 – герметизирующие прокладки, 5 – жидкий кристалл, 6 – зеркальный электрод, Ф2 – выходящий (а) и отраженный (б) световой поток .

Рис. 7.2

Кроме нематических ЖК используются смектические ЖК, где сильно вытянутые молекулы образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. В нематических ЖК оси молекул тоже параллельны, однако не образуют отдельных слоев. В холестерических ЖК молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако направление осей молекул монотонно меняется от слоя к слою.

К управляющим электродам подводится переменное напряжение синусоидальной формы или формы типа меандр с эффективным значением от 2,7 до 30 В и частотой 30…1000 Гц. Питание индикатора постоянным током приводит к появлению электролитического эффекта, что приводит к сокращению срока службы.

Основным параметром индикатора является контраст знака по отношению к фону "К". Контраст"К"определяется с помощью специальной установки, в состав которой входит микроскоп и фотоэлектронный умножитель:

K = I_З/I_Ф (7.2)

где I_з – ток знака (ФЭУ) при приложенном к сегментам номинальном управляющем напряжении;

I_ф – ток фона – ток ФЭУ при отключенном управляющем напряжении.

Для современных индикаторов К = 83…90 %. Иногда контраст выражают в относительных единицах. Кроме того, параметрами ЖКИ являются:

– ток потребления – среднее значение переменного тока при номинальном напряжении;

– напряжение управления U_упр – номинальное напряжение, приложенное к сегментам индикатора;

– рабочая частота напряжения управления;

– минимальное напряжение управления U_{упр.мин.} – минимальное напряжение при котором обеспечивается заданный контраст;

– U_{упр.макс.} – максимальное напряжение управления, при котором обеспечивается заданная надежность;

– время реакции – интервал времени при включении, в течение которого ток потребления увеличивается до 0,8 от максимального значения;

– время релаксации – интервал времени при выключении, в течение которого ток потребления падает до 0,2 от максимального значения.

Достоинством ЖКИ является низкий ток потребления – единицы или сотни микроампер. При увеличении температуры ток потребления несколько увеличивается. ЖКИ имеют малое быстродействие, которое также существенно зависит от температуры. В области низких температур быстродействие резко падает. Большинство ЖКИ перестает работать при температурах ниже +1°С, так как вещество в этом случае переходит в состояние твердого кристалла. Поэтому хранение индикаторов разрешается при температуре не ниже – 40°С.

По числу разрядов в одном корпусе цифро-знаковые индикаторы делятся на 1-разрядные, 4-разрядные, 6-разрядные, 9-разрядные.

Выпускаются также индикаторы, отображающие символы, знаки и надписи.

Использование в аппаратуре определяется рядом факторов: низкими токами потребления и управляющего напряжения, совместимостью работы с ИС, низкой стоимостью. Они применяются в устройствах измерительной техники, электронных часах и микрокалькуляторах, информационных панелях и указателях.

Система обозначений ЖКИ содержит несколько букв и цифр. Обозначение ИЖК расшифровывается: индикатор жидкокристаллический. Четвертый элемент обозначает: "Ц" – цифровой, "С" – символьный. Пятый элемент – номер разработки. Цифра после дефиса указывает число разрядов индикатора, а число через наклонную дробную черту соответствует высоте в миллиметрах цифры или символа в разряде. Старая система обозначений несколько иная: ЦИЖ-5 – цифровой индикатор жидкокристаллический, номер разряда 5. ИЖК-2 индикатор жидкокристаллический, номер разработки – 2.

Примеры: ИЖКЦ1-1/18; ЦИЖЗ-1, ЦИЖ-6. ИКЖЦЗ-4/5, ИКЖЦ 1-4/16; ИЖКС1...8.

В настоящее время достигнуты успехи в создании полицветных ЖКИ. Одним из способов является установка цветных светофильтров, применение структур типа "сэндвич" из прозрачных и оптически изотропных пленок с использованием более двух поляризаторов.

В последнее время предложены двухслойные ЖКИ типа "гость-хозяин". Такая ячейка включает два слоя ЖК, расположенных по обе стороны общей стеклянной подложки. Применяются также двухслойные ячейки типа "гость-хозяин", которые позволяют вдвое по сравнению с однослойным увеличить оптическую плотность окрашивания, при этом контраст возрастает примерно в 1,5 раза.

Для чтения изображений на жидкокристаллической ячейке используются либо луч лазера, либо специальные проекционные системы с волоконно-оптическими системами. Эксперименты показали эффективность работы телевизионных экранов и изображения цветной графики.

Большинство жидкокристаллических (ЖК) дисплеев, применяемых в настоящее время, по организации отображения относятся к матричным, у которых поле экрана разделено на отдельные точки (ячейки). От других средств визуального отображения информации – кинескопов, светодиодных и плазменных матриц ЖК-дисплеи отличаются тем, что не излучают свет самостоятельно, а служат пре­образователями светового потока от встроенной лампы или солнечного света.

В ЖК-панелях, предназначенных для работы в помещении, свет поступает с их тыльной стороны от лампы подсветки. Такие дисплеи относят к группе пропускающих (transmissive). По этому принципу построено большинство дисплеев, применяющихся в промышленности и компьютерной технике.

В отражающих (transflective) дисплеях свет поступает с лицевой стороны. Дисплеи этой группы хорошо работают в ус­ловиях улицы.

По виду воздействия управляющего напряжения на ячейку различают мат­рицы пассивные и активные.

Пассивные (технология TN–Twisted Nematic) появились первыми. По сути, это был эволюционный шаг от отдельных эле­ментов изображения к набору точек(пикселов), что дает намного больше возмож­ностей для построения различных картинок и текста. Управляющее напряжение подавали напрямую к каждой ячейке (от­сюда и наименование – пассивная), но с целью уменьшения управляющих контактов пикселы объединяли в прямоугольную сетку – матрицу. Электромагнитное поле ячейки формировалось подачей напряжения на соответствующие контакты по вертикали и горизонтали. Изображение буквально прорисовыва­лось точка за точкой, строка за строкой.

Пассивную матрицу в классическом виде на практике никогда не использо­вали. Первыми массовыми ЖК-дисплеями стали монохромные пассивные мат­рицы, изготовленные на основе технологии STN (Super Twisted Nematic), поз­волившей увеличить угол поворота кри­сталлов в ячейке с 90 до 270 град, и обеспечить тем самым лучшую контра­стность изображения.

Последующим улучшением стала технология DSTN (Double STN), в кото­рой каждую ячейку составляли из двух STN-ячеек, кристаллы в которых при по­даче напряжения поворачивались в противоположные стороны. Технология DSTN позволила изготовить цветной дисплей, в котором каждому пикселу соответствовали три ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Для улучшения динамики изображения (времени обновления) матрицу разбивали на не­сколько независимых подматриц, каждая из которых содержала меньшее число пикселов. Поочередное управление ими занимало меньше времени.

Новое слово в развитии дисплеев сказала компания AU Optronics, создав технологию TN+Film (Twisted Nematic + Optical Compensation Film). На матрицу был наложен специальный слой, улучшающий угол обзора по горизонтали до 140 град., а затем тонкая транзисторная пленка (TN+Film TFT), в результате чего время отклика сократилось всего до 16 мс. По остальным параметрам эта технология не превосходила TN, но малое время отклика и простота реализации плюс дешевизна производства сделали такие дисплеи самыми массовыми, коими они и остаются по сей день.

Применение транзисторной пленки (TFT – Thin Film Transistor) создало новое направление – активные матрицы. Светимость каждой ячейки создает и поддерживает собственный транзистор, изменяется она только по команде. Неза­висимость управления позволила резко сократить время отклика всего дисплея в целом по сравнению с пассивными. Сейчас время отклика в большей степе­ни зависит от физических свойств жидких кристаллов и может быть уменьшено, скорее всего, только применением новых ЖК- веществ.

Компания NEC в сотрудничестве с Hitachi создали технологию, позволив­шую улучшить TN TFT-дисплеи. Угол обзора расширен до 170 град. Изображе­ние яркое, контрастное, безупречный черный цвет. NEC не только занимает пя­тую часть рынка ЖК-дисплеев практичес­ки с момента их появления, но и предла­гает широкий выбор размеров от 5,5 до 21,3 дюйма по диагонали и различные варианты исполнения – стандартный (Standard) для домашнего и офисного оборудования, специальный (Special) для транспорта и различных систем управления и особый (Specific) для медицины, авиации, систем жизнеобеспечения и т. п. Кроме того, NEC постоянно развивается в области улучшения каче­ства своих изделий, совершенствуя тех­нологию. Так появились разновидности – -SFT, SA-SFT, UA-SFT.

На основе собственной усовершенст­вованной технологии MVA (Multi-domain Vertical Alignment) производит дисплеи фирма Fujitsu. Для увеличения угла обзо­ра использован метод мультизонности – каждый цветовой элемент разбит на ячей­ки, ориентированные под различными уг­лами к поверхности экрана под свой сек­тор обзора. Угол обзора равен 170 град., а время отклика не превосходит 25 мс. Технология позволяет создавать матри­цы большой контрастности, но сложность изготовления ограничивает линей­ку размеров (от 10,4 до 23,1 дюйма).

Компания Siemens выпускает ЖК-панели на низкотемпературных поликремниевых пленочных транзисторах. Основ­ное достоинство дисплеев от Siemens – стойкость к ударам и вибрациям, работа в минусовом температурном интервале.

Хотя линейка размеров представлена двумя диагоналями – 10,5 и 15 дюймов, панели полностью оправдывают название "индустриальные".

Как же современный ЖК-дисплей выглядит в плане технических характеристик при сравнении с электронно-лучевыми средствами отображения информации?

По цене ЖК-дисплей пока проигрывает электронно-лучевой трубке, но, осно­вываясь на тенденциях развития технологии, в скором времени можно ожидать уравнивания позиций и даже выхода вперед.

По габаритам и массе преимущество ЖК-дисплея можно считать неоспоримым. Если кинескоп, и без того относи­тельно длинный, с увеличением диагона­ли экрана приходится удлинять, то ЖК-панель при любых размерах рабочего поля имеет среднюю толщину 10 мм. Что касается массы, то при размере диагонали 5 дюймов преимущество ЖК-дисплея незначительно, однако уже при 15 дюймах оно достигает пяти и более крат.

Сравнение по потреблению энергии также будет не в пользу кинескопа. По­скольку в TFT дисплеях используют газосветные лампы подсветки, общее энер­гопотребление одного прибора в среднем на 70 % меньше, чем у кинескопа. Важно отметить, что при этом ЖК-мони­тор не дает никаких вредных или опасных излучений.

По сроку службы ЖК-монитор далеко впереди электронно-лучевых. Его жизненный цикл – около 50 000 ч (у кинескопа – 20 000 ч). И хотя лампа подсветки со временем может терять яркость, на основные параметры монитора это не влияет. Замена лампы полностью восстанавливает характеристики прибора, продлевая общий срок службы дисплея, а применение светодиодов позволяет увеличить интервалы замены устройств подсветки.

Время реакции – весьма важный па­раметр монитора. Здесь ЖК-дисплей по­ка серьезно уступает кинескопам (20...45 против 10…12). Однако нет со­мнения, что и это отставание скоро будет ликвидировано. Например, ком­пания ViewSonic выпустила семнадцати­дюймовый ЖК монитор со временем ре­акции 8 мс.

Электронно-лучевые трубки используют только аналоговый интерфейс, что требует применения дополнительных устройств (видеокарт) для перехода от цифрового формата к аналоговому. ЖК-дисплеи используют как цифровой, так и аналоговый интерфейс. Это упрощает взаимосвязь монитора с основным блоком, как правило, цифровым.

В табл. 7.1 показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов дисплеев.

Таблица 7.1

Условные обозначения: (+) достоинство, (~) допустимо, (-) недостаток Параметры ЖК-мониторы ЭЛТ-мониторы Яркость (+) от 170 до 250 Кд/м2 (~) от 80 до 120 Кд/м2 Контрастность (~) от 200:1 до 400:1 (+) от 350:1 до 700:1 Угол обзора (по контрасту) (~) от 110 до 170 град. (+) свыше 150 град. Угол обзора (по цвету) (-) от 50 до 125 град. (~) свыше 120 град. Разрешение (-) Одно разрешение с фиксированным размером пикселов. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны. (+) Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации. Частота вертикальной развертки (+) Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания (~)Явно заметное мерцание отсутствует только при частотах свыше 75 Гц Ошибки совмещения цветов (+) нет (~) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм) Фокусировка (+) очень хорошая (~) от удовлетворительной до очень хорошей> Геометрические/ линейные искажения (+) нет (~) возможны Неработающие пикселы (-) до 8 (+) нет Продолжение табл. 7.1 Входной сигнал (+) аналоговый или цифровой (~) только аналоговый Масштабирование при разных разрешениях (-) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов (+) Очень хорошее Точность отображения цвета (~) Поддерживается True Color и имитируется требуемая цветовая температура (+) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом Гамма-коррекция (подстройка цвета под особенности человеческого зрения) (~)Удовлетворительная (+) Фотореалистичная Однородность (~) Часто изображение ярче по краям (~)Часто изображение ярче в центре Чистота цвета/качество цвета (~) Хорошее (+) Высокое Мерцание (+) Нет (~) Незаметно на частоте выше 85 Гц Время инерции (-) От 20 до 30 мс. (+) Пренебрежимо мало Формирование изображения (+) Изображение формируется пикселами, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселов зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксел формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким (~) Пикселы формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или линии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ     Окончание табл. 7.1 Энергопотребление и излучения (+) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70 % ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт). (-) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт. Размеры/вес (+) Плоский дизайн, малый вес (-) Тяжелая конструкция, занимает много места Интерфейс монитора (+) Цифровой интерфейс, однако большинство LCD-мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров (-) Аналоговый интерфейс

Из табл. 7.1 следует, что дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCD-мониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).