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.