Принцип работы и типы жк-матриц

Основным компонентом ЖК-матрицы являются жидкокристаллические кристаллы. Жидкокристаллическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, при котором оно обладает структурными свойствами, промежу­точными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Как и жидкости, они состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определенный по­рядок в своем расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии. Жидкие кристаллы имеют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решетку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

В смектическом жидком кристалле молекулы образуют слои, которые могут лег­ко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоев в боковых на­правлениях строгая периодичность в размещении молекул отсутствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла.

Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смек­тические. Молекулы в них беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. В расположении молекул наблюдается лишь ориентационный порядок: все молекулы ориентированны вдоль одного преимущественного направления.

Структура холестерических жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул. Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с другими жид­кими кристаллами благодаря их специфической спиральной структуре наблюда­ется вращение плоскости поляризации света.

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы: к первой относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектриче­ской анизотропией, а ко второй — с отрицательной диэлектрической анизотро­пией. Не вникая в подробности этих терминов, отметим, что эти молекулы по-разному реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль по силовым линиям поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией, наоборот, ориенти­руются перпендикулярно силовым линиям электрического поля. Нематические жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические кристаллы, наоборот, — отрицательной диэлектрической анизо­тропией.

Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической ани­зотропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением рас­пространения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают никако­го воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляриза­ции поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ори­ентации молекул.

Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность ис­пользовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих фор­мировать требуемое изображение на экране. Сегодня существует несколько ти­пов ЖК-матриц, отличающихся принципом управления ЖК-молекулами и используемыми типами жидких кристаллов. Наибольшее распространение получили TN-, IPS- и MVA-матрицы. Рассмотрим каждую из них более подробно.

ТN-МАТРИЦА

Матрицы данного типа распространены наиболее широко. Подавляющее боль­шинство 15- и 17-дюймовых мониторов имеют именно TN-матрицу.

Жидкокристаллическая матрица в данном случае представляет собой много­слойную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрач­ных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается собственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положитель­ной диэлектрической анизотропией.

На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что по­зволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендикулярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученную по спирали структуру (рис. 4.5). Именно поэтому такие матрицы и получили название TN (Twisted Nematic), то есть скрученное состояние жидких нематических кристаллов.

Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двух поляризацион­ных фильтров, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направле­нием бороздок на пластине. Таким образом, оси поляризации, так же как и бо­роздки на пластинах, взаимно перпендикулярны друг другу.

Если бы стеклянные пластины со слоем жидкокристаллического вещества отсут­ствовали, то свет не смог бы пройти через систему двух поляризующих фильтров со взаимноперпедикулярными осями поляризации. Действительно, свет, прохо­дя через первый поляризующий фильтр, «вырезает» из него только одну плос­кость поляризации, отфильтровывая все остальное. Ну а дальше все очевидно: на второй поляризующий фильтр уже попадает плоскополяризованное излучение, плоскость поляризации которого перпендикулярна оси поляризации второ­го поляризующего фильтра. Однако такой свет будет полностью поглощен вто­рым поляризующим фильтром.

Рис. 4.5 - Структура TN-ячейки

Использование слоя жидкокристаллического вещества может кардинально из­менить ситуацию, поскольку жидкие кристаллы способны изменять плоскость поляризации проходящего через них света, если они ориентированы перпендикулярно к направлению распространения светового луча. Так, если изначально плоскость поляризации падающего света совпадает с ориентацией жидкокри­сталлических молекул, то по мере изменения ориентации молекул будет повора­чиваться и плоскость поляризации света. В результате если такой слой жидко­кристаллического вещества помещается между упомянутыми поляризующими фильтрами, то данная система становится оптически прозрачной.

Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориен­тацию, выстраиваясь вдоль по полю. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света, и сис­тема становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выход­ным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения ме­жду управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль по полю не полностью, а лишь частично, то есть управлять степенью скрученности ЖК-молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, про­ходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матрицы и меняя напряжение между электродами, можно менять степень прозрачность одной ЖК-ячейки, или субпиксела матрицы. Это позволяет моду­лировать свет, получая градации черно-белого цвета. При помощи данной схемы можно сконструировать черно-белый монитор. Для создания цветного изобра­жения необходимо применение трех цветных фильтров. Напомним, что любой цветовой оттенок можно получить, смешивая друг с другом в различных пропор­циях три базовых цвета: красный (R), зеленый (G) и голубой (В). Соответствен­но, используя три цветных фильтра, установленных на пути распространения белого цвета, можно получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Поэто­му каждый пискел ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: крас­ного, зеленого и голубого, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и отличающихся только используемыми фильтрами, которые устанавливаются между верхней стеклянной пластиной и выходным поляризующим фильтром.

Как мы уже отмечали, TN-матрицы являются наиболее распространенными и де­шевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы об­зора, невысокая контрастность и, что немаловажно, невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы, сориен­тировав их вдоль силовых линий поля. Поэтому эти матрицы даже при полно­стью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными.

Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его уст­ранения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая плен­ка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки.

Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется «битый» пиксел, что является следствием вы­хода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он все­гда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-матрицы открытый пиксел соответствует отсутствию напряжения на ячейке.

IPS-МАТРИЦЫ

IPS (In-Plane Switcing) — это технология, разработанная в 1995 году компания­ми Hitachi и NEC. Мониторы с IPS-матрицей называют также Super TFT-мониторами. Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляю­щие электроды расположены в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки.

При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поля­ризующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации про­ходящего света, и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильт­ром, поскольку направления поляризации фильтров перпендикулярны друг другу.

При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° так, что они ориентируются вдоль сило­вых линий поля. Если через такую ячейку пропустить свет, то за счет поворота плоскости поляризации верхний поляризующий фильтр пропустит свет без по­мех, то есть ячейка окажется в открытом состоянии (рис. 4.6). Меняя напряже­ние между электродами, можно заставлять ЖК-молекулы поворачиваться на произвольный угол, меняя тем самым прозрачность ячейки.

Во всем остальном IPS подобны TN-матрицам: цветное изображение также формируется за счет использования трех цветовых фильтров.

Рис. 4.6 - Структура IPS-ячейки

IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матрицами. Преимуществом является тот факт, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другим неоспоримым преимуществом данной технологии являются большие углы обзора, достигаю­щие 140°. Связано это с тем, что в TN-матрицах, в зависимости от формируемого цветового оттенка пиксела, ЖК-молекулы ориентированы под неким углом относительно перпендикуляра к поверхности монитора, а в IPS-матрицах молекулы при любом цветовом оттенке расположены всегда в одной и той же плоскости экрана монитора.

К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем у TN-матриц, время реак­ции пиксела. В заключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.

MVA-МАТРИЦЫ

В 1996 году компания Fujitsu разработала еще один тип матриц — это MVA (Multi-Domain Vertical Alignment). Технология MVA является развитием техно­логии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В от­личие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля.

При отсутствии напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристал­лические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влия­ния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, то он полностью поглощается вторым по­ляризатором и ячейка оказывается в закрытом состоянии, причем, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета.

При приложении напряжения к электродам, которые расположены сверху и сни­зу, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через та­кую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90°, и свет свободно проходит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии.

Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывает­ся на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пиксела.

С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию типа матриц MVA (рис. 4.7). Каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов. Такие выступы несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности вы­ступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направле­нии (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений позволяет расширить угол обзора монитора.

Рис. 4.7 - Доменная структура MVA-ячейки

К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (за счет возможности получения идеального черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 170°).

В настоящее время существует несколько разновидностей технологии, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., ко­торые улучшают характеристики MVA-матриц.