Лекция № 13 . Жидкокристаллические и плазменные панели

Содержание: Электронно-оптическое переключение жидким кристаллом. Схема преобразовании в светооптических звеньях. Строение TFT и плазменной панелей

Австрийский ботаник Friedrich Reinitzer открыл жидкие кристаллы в 1888 г. В 1963 г. Williams в фирме RCA исследовал поляризационные эффекты в жидких кристаллах. В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах (EL 8025) для переносной ЭВМ. Жидкие кристаллы находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы ЖК являются стрежнеобразными органическими соединениями (см. рисунок 13.1) и находятся в различных ориентациях в этих фазах (см. рисунок 13.2)

Рисунок 13.1- Структурная формула жидкого кристалла

В изоторопической фазе (жидкой) при повышении температуры позиция и ориентация молекул случайны. Если температура понижается, то в ЖК совершаются переходы через различные фазы, одна из которых - нематическая используется в дисплеях. В этой фазе позиции молекул все еще случайны, но ориентированы в одном направлении. Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом, при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность и наступает твердое состояние.

изотропическая фаза

нематическая фаза

смектическая фаза

Рисунок 13.2 - Фазы жидкого кристалла

Вследствие оптической и электрической анизотропии ЖК-молекул коэффициент преломления зависит от направления поляризации света относительно оси молекулы. Это свойство используется для поворота поляризации при прохождении света через закрученную ЖК-структуру. Известно, что свет не проходит через два скрещенных поляризатора (см. рисунок 13.3). Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стеклянными пластинами, которые имеют взаимно перпендикулярную линейчатую гравировку. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а т. к. гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК-молекул (см.рисунок 13.4). Расстояние между пластинами порядка 10 мкм. В зависимости от расстояния между пластинами и типа ЖК-кристалла закрученность составляет (90 – 270)º (twisted nematics и super-twisted nematics, TN и STN). При воздействии электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки раскручиваются и пропадает возможность поворота плоскости поляризации (см. рисунок 13.5). ЖК-дисплеи имеют два таких перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними (см. рисунок 13.6). Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК-цепочками свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимно перпендикулярным прозрачным электродам, нанесенным на внутренние стороны пластин, эффект поворота плоскости поляризации пропадает и соответствующий пиксел становится темным.

Рисунок 13.3 - Прохождение неполяризованного света через поляризаторы

Рисунок 13.4 - Закрученный нематический жидкий кристалл

Рисунок 13.5 - Электронно-оптическое переключение жидким кристаллом

Рисунок 13.6 - Схема жидкокристаллического индикатора

При выключении напряжения кристалл за время порядка от десятков до сотен миллисекунд возвращается в исходное состояние. Важной особенностью жидких кристаллов является то, что при протекании постоянного тока кристалл подвергается электролитической диссоциации и теряет свои свойства, поэтому жидкокристаллические индикаторы питаются переменным напряжением, с постоянной составляющей не более десятков милливольт. В простых индикаторах (с пассивной матрицей) ячейки растра, составляющие изображение, питаются последовательно. Для этого на проводники, пересекающиеся над нужной точкой подают напряжение. В результате точка подсвечивается. Благодаря большому времени релаксации и достаточно высокой частоте сканирования (1 мс на строку) изображение не мерцает. Естественно, что такие индикаторы медленны. Цветные ЖК-индикаторы используют три ячейки растра для формирования пиксела. Яркость свечения для каждой из компонент определяет цветовой оттенок. Для решения проблемы быстродействия были разработаны ЖК-дисплеи с активной матрицей, в которых каждый пиксел снабжается независимо управляемым тонкопленочным транзистором (thin-film transistor - TFT). Такие дисплеи значительно более быстродействующие, но имеют большую стоимость, так как для цветного дисплея 800×600 необходимо 1 440 000 бездефектных транзисторов.

Плазменные панели своим рождением обязаны блокнотным ПК, где они одно время конкурировали с ЖК-мониторами, но потом были вытеснены из этой ниши, не выдержав ценовую и технологическую конкуренцию. Благодаря новейшим технологическим достижениям по качеству изображения (яркость и контраст) плазменные телевизоры практически не уступают ЭЛТ-телевизорам, а по размерам экранов давно их превзошли. Сейчас распространены плазменные телевизоры с диагоналями 32" и 42" (81 см и 107 см) хотя и диагональ 61" (более 1,5 м) уже не редкость.
Вместо потока электронов, засвечивающих люминофор, эту функцию выполняет инертный газ (гелий или ксенон), приведенный в состояние плазмы. Между электродами возникает разряд, ультрафиолетовый свет от которого и подсвечивает люминофор. Каждый пиксель состоит из трех точек разного цвета. По сути, это очень напоминает принцип работы лампы дневного света. Плазменная панель отображает около 16 миллионов оттенков.

Рисунок 13.7 – Строение плазменной панели

На рисунке 13.7 цифрами 1 и 5 обозначены электроды, 2 и 6 - стеклянные пластины (передняя и задняя часть панели), зазор между ними составляет @ 0,1 мм, 3 - область разряда, 4 - люминофор. Ячейки не светятся все одновременно, но алгоритм и время управления ими выбраны так, что глаз мерцания не замечает. Более того, не замечает его и телекамера в студии, где установлен плазменный дисплей - в репортажах из студий мы не видим бегущих по нему полос, как это бывает с компьютерными мониторами. Конструкция плазменного экрана очень сложна. Каждая ячейка, а типовая 42-дюймовая панель содержит их около миллиона, представляет собой отдельный прибор, изолированный от других и наполненный газом.

Сравнение характеристик кинескопа и плазменной панели.

1. Размер экрана. Максимальный размер кинескопа 46 дюймов, PDP - 80 дюймов.

2. Четкость изображения. В кинескопе четкость зависит от точности фокусировки ЭЛП (время эксплуатации, качество радиодеталей. Фокусировка не бывает равномерной по всему экрану (углы). У PDP четкость изображения постоянна и очень высока.

3. Геометрические искажения. Они есть в кинескопе изначально и со временем растут из-за его старения, геометрия нарушается и при просмотре неплоского изображения сбоку. В "плоских" кинескопах из-за большой толщины стекла экрана наблюдается эффект линзы. PDP - дисплеи не имеют геометрических искажений.

4. Не подвержен влиянию внешних магнитных полей.

5. Разрешение изображения. Плазменный экран всегда имеет большее разрешение, чем кинескоп. У ТВЧ - телевизоров разрешение экранов не соответствует разрешению сигнала.

6. Яркость изображения. Максимальна для кинескопа - 400 кд/кв. м. Для "плазмы" выше 600 кд/кв. м.

7. Мерцание. Лишь 100-герцовые телевизоры обеспечивают его отсутствие, точнее, наибольшую незаметность. PDP мерцают незаметно для нашего зрения.

8. Яркость плазменного дисплея падает. Расчетный срок службы для "плазмы" составляет порядка 50 000 часов. Утверждается, что за это время яркость упадет не более чем в два раза (если включать дисплей ежедневно на 8 часов, то его ресурса хватит как минимум на 17 лет).

9. Фосфор на экране "плазмы" выгорает, но не быстрее, чем у обычных телевизоров. Теперь большинство производителей дисплеев предусматривают в них функции, предохраняющие люминофор экрана от выгорания.

10. По контрастности изображения "плазма" непревзойденная технология. Типовое значение этого параметра - 1500:1 против 600:1 у LCD.
11. "Плазма" шумит. Имеется в виду шум системы охлаждения, включающей в себя порой до 5 вентиляторов. Но все производители уже переходят на безвентиляторные системы охлаждения, шум от которых даже ниже, чем у обычных телевизоров.

12. Плазменный дисплей не относится к устройствам эконом-класса. Типовое потребление энергии для «42-дюймовки» составляет порядка 350 Вт.