Жидкокристаллические индикаторы

Второй по массовости тип современных индикаторов - жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Основное их достоинство - это исключительно малое потребление энергии от источников питания, поэтому особенно широко они применяются в переносных электронных устройствах с автономным питанием. ЖКИ - пассивные индикаторы: они не излучают свет, а только модулируют внешнее освещение.

Физические основы работы ЖКИ

Жидкие кристаллы (ЖК) - это химические вещества, которым присущи свойства как жидкости, так и твердого кристаллического тела. При нормальных условиях - это жидкость, обладающая текучестью, одновременно ей характерна упорядоченность молекул в определенном направлении. В результате такие макроскопические параметры, как диэлектрическая проницаемость ε и показатель преломления п, зависят от ориентации молекул Ж.К.

В настоящее время известны десятки веществ, обладающих свойствами жидких кристаллов. Типичный, их представитель - молекула вещества, структура которой показана на рис. 30. Мо­лекула состоит из двух бензольных колец и имеет вытянутую форму с соотношением длины к ширине больше пяти. Это определило назва­ние жидких кристаллов – нематические (от греческого слова " нема" означающего нить). Такая молекула имеет электрическую, геометрическую и оптическую анизотропию. В электрическом поле она ведет себя подобно диполю и ориентируется вдоль линий поля. 3 отсутствие поля молекулы выстраиваются почти параллельно друг другу. Такое поведение молекул показано на рис. 31.

Рис.30. Молекула жидкокристаллического вещества: а - формула; б - структура.

Рис. З1. Ориентация молекул ЖК в тонком слое: а - в отсутствие электрического напряжения; б - при приложении, напряжения к пленочным электродам.

На практике сейчас наибольшее применение находят определенная разновидность (фаза) жидких кристаллов - холестерическая. Особенность этой фазы иллюстрируется рис. 32.

Рис.32 Поворот вектора поляризации при прохождении света через слои холестерическокго ЖК.

Здесь изображен фрагмент слоя холестерического ЖК, который разбивается на подслои толщиной в одну молекулу. В пре­делах каждого подслоя все молекулы ориентированны одинаково. Если в падающем световом потоке S вектор поляризации ориентирован вдоль осей молекул, то свет проходит через этот подслой без потерь. В следующем подслое молекулы также ориентированы одинаково, но направление ориентации на доли градуса повернуто относительно верхнего подслоя, что заставляет вектор поляризации L, также немного повернуться, и так на толщине всего слоя. В результате молекулы нижнего слоя будут ориен­тированы, например, перпендикулярно молекулам верхнего и вектор поляризации L окажется повернутым на 90°. То есть слой холестерического ЖК обладает свойством поворачивать вектор поляризации светового потока, что получило название " твист-эффекта".

Принцип действия ЖИ на отражение

Рассмотрим, как " твист-эффект" используется в ЖКИ на отра­жение, где изображение рассматривается в отраженном свете. Дня этого обратимся к рис. 33. На этом рисунке показаны упрощенная

Рис.33. Принцип работы холестерического ЖКИ на отражение: I - горизонтальный поляризатор; 2 - слой ЖК; 3 - вертикальный поляризатор; 4 - зеркало; 5 - управляющее напряжение; 6 - прозрачные электрода.

структура индикатора и путь прохождения светового луча S_пад и в двух случаях: управляющее напряжение отсутствует (левая часть рисунка), управляющее напряжение приложено к слою ЖК меж­ду двумя электродами круговой формы (правая часть рисунка).

Структура индикатора состоит из слоя ЖК 2 толщиной несколько десятков микрон, заключенного между двумя прозрачными стеклянными пластинами. На эти пластины нанесены тонкие прозрачные пленочные электроды 6 из окиси олова S пО. В выключенном состоянии в слое ЖК молекулы ориентированы так, как это показано на рис. 32. При включении напряжения 5 молекулы ориентируются перпендикулярно поверхности пластин вдоль линий поля. Сверху и снизу от слоя ЖК расположены пластины скрещенных поляризаторов, причем верхний I поляризует свет горизонтально, а нижний 3 -вертикально, как показано широкими стрелками. За нижним поляризатором установлено зеркало 4, отражающее свет к наблюдателю.

Проследим последовательно, что происходит с лучом S_пад левой части рисунка 33. Проходя через верхний поляризатор I, он приобретает горизонтальную поляризацию Lи далее падает на слой ЖК 2. Проходя через слой ЖК, благодаря " твист-эффекту" вектор, 1, закручивается по часовой стрелке на угол 90° к луч выходит из слоя ЖК вертикально поляризованным. Поэтому он проходит без потерь нижний поляризатор 3 и отражаемся от зеркала 4. При отражении поляризация Lне изменяется и нижний поляризатор луч снова проходит без потерь. В слое ЖК происходит обратная раскрутка Lпротив часовой стрелки на 90° и не выходе луч имеет горизонтальную поляризацию L. Верхний поляризатор проходится без потерь, и отраженный луч S_отр направляется к наблюдателю. Таким образом эта часть индикатора в отраженном свете кажется наблю­дателю светлой.

Обратимся теперь к правой части рисунка 33. Здесь луч также поляризуется и попадает в слой ЖК, Но при включении напряжения 5 молекулы ЖК ориентируются вдоль линий электрического поля, " твист-эффект" пропадает и луч падает на нижний по­ляризатор 3 по-прежнему горизонтально поляризованным. Естествен­но, что поляризатор 3 полностью задерживает этот луч. Отраженного луча нет и наблюдателю эта часть индикатора кажется темной или черной. Таким образом, включая напряжение, можно формировать черные символы на светлом фоне. Символам-электродам можно придать любую форму: сегментов индикатора, мнемонических знаков, графических символов, причем эти символы легко читаемы.

Аналогично можно построить индикатор на просвет, для которого потребуется дополнительный источник света за плоскостью индикатора вместо зеркала. Такой индикатор способен работать в полной темноте, но требует значительных затрат мощности на питание источника света.

Элементы конструкции ЖКИ

Конструкция жидкокристаллического индикатора содержит много оригинальных идей, некоторые из них рассмотрим.

Для реализации " твист-эффекта" в слое ЖК нужно задать на­чальную ориентацию молекул верхнего и нижнего слоев. Оказалось, что этого легко достичь, если подвергнуть стеклянные пластины, между которыми находится слой ЖК, грубой шлифовке с внутренней стороны. При этом на поверхности стекла образуются глубокие, параллельные царапины, в которые укладываются удлиненные молекулы ЖК, как показано на рис.34. Шлифовка верхней пластины должна быть произведена в горизонтальном направлении, а нижней в вертикальном.

Рис.34. Ориентация приграничных слоев молекул ЖК: 1 - стеклянная пластинка; 2 -продольные канавки в стекле; 3 - молекулы Ж.К.

Поляризаторы изготавливают в виде липкой пленки, наклеиваемой на стеклянную поверхность индикатора, зеркальный отра­жающий слой из алюминия напыляют на нижний поляризатор. Большую проблему представляет фиксация толщины слоя ЖК, особенно при больших площадях индикаторов. При нажатии на поверхность индикатора толщина слоя ЖК изменяется, " твист-эффект" нарушается и на поверхности индикатора появляются черные пятна.

Было найдено оригинальное решение этой проблемы. Между стеклянными пластинами засыпают калиброванные стеклянные шарики диаметром, равным требуемому зазору, вся структура спекается при повышенной температуре, а потом заливается ЖК-веществом. Шарики надежно фиксируют положение пластин и практически не ухудшают качество изображения.

Сложную конструктивную проблему представляет контактирование в ЖКИ. Прозрачнее пленочные электроды из S пО имеют толщину в десятые доли микрон, припаивание внешних выводов к таким слоям невозможно, а приклеивание ненадежно.

Рас.35. Контактирование в ЖКИ: I - стеклянная пластинка; 2 - прозрачные пленочные проводники; 3 - полоска слоеной проводящей резины; 4 - печатная плата; 5 - контактные площадки печатной платы.

Сейчас почти повсеместно контактирование в ЖКИ осуществляется посредством проводящей резины, как показано на рис.35. Полоска слоеной проводящей резины 3 (" зебра") укладывается междустеклянной пластиной I, на которую выведены контактные площадки индикатора 2, и печатной платой 4 с проводящими дорожками 5. При сжатии такой структуры площадки индикатора и печатной платы контактируют через проводящую резину, причем благодаря слоистой структуре резины (чередование проводящих и непроводящих слоев) замыкание между соседними площадками исключено. Нужно учитывать недостаток этой конструкции: с течением времени из резины выделяется сера, которая дает прочные изолирующие сульфидные соединения, нарушающие контакты как в самом индикаторе, так и в находящихся поблизости выключателях и переключателях.

Описанная конструкция ЖК индикатора является самой распространенной, но не единственно возможной. Известны индикаторы на эффекте динамического рассеяния и эффекте " гость-хозяин" с до­бавлением светопоглощающих молекул, в которых изображение формируется без поляризаторов. Поразительные успехи достигнуты в создании многоцветных плоских экранов на ЖКИ. Ряд японских фирм большими сериями выпускает черно-белые и цветные телевизоры раз­мером с записную книжку и даже наручные часы.

Интересен принцип создания многоцветного изображения в ЖКИ, Основу их составляет индикатор на " твист-эффекте", работающий на просвет. На поверхности такого индикатора располагают три слоя цветнях светофильтров, управляемых напряжением. С обратной стороны индикатор равномерно подсвечивается белым светом. В каждый момент времени открыт только один светофильтр и к наблюдателю идет монохроматический цвет - красный, синий или зеленый. На экране формируется изображение соответствующего цвета. В следующий момент включается другой фильтр и появляется новое изображение. При достаточно высокой частоте смены отдельных цветовые картинок (более 200 Гц) глаз воспринимает его как многоцветное изображение. Яркость и насыщенность цветов могут быть очень высокими, так как определяются источником подсветки и светофильтрами,

Подытожим основные характеристики ЖИ:

- с помощью ЖКИ можно отображать любую информацию: цифровую, буквенную, графическую, причем возможны как черно-белый, так и цветной индикаторы;

- потребление энергии чрезвычайно мало. Жидкокристаллическое вещество является хорошим диэлектриком, в статическом состоянии индикатор почти не потребляет энергии. Она тратится только в моменты переключения засчет емкостной проводимости. Энергия, получаемой от маленькой батарейки, хватает на многие месяцы, не­прерывной работы индикатора;

- ЖКИ является пассивным индикатором по своей сути, то есть он не генерирует излучения, а только модулирует внешнее излуче­ние. Однако найдены способы использования этих индикаторов в полной темноте, для чего достаточно установить источник излуче­ния за индикатором. Этот источник может быть основан на естест­венной люминесценции, то есть обходиться без внешнего источника питания,

Одним из недостатков ЖКК является ограниченный температур­ный диапазон. При понижении температуры ЖК вещество становится более похожим на твердый кристалл, подвижность его молекул рез­ко уменьшается. При повышении температуры ЖК вещество превра­щается в обычную жидкость и исчезает всякая упорядоченность мо­лекул. В настоящее время для ЖКИ типичен температурный диапазон -10 - +55 °С.

Другой недостаток ЖКИ - ограниченный угол наблюдения (30 - 50°), связанный с конечной толщиной слоя ЖК, сравнитель­но низкая контрастность (от 6: 1 до 10: 1) и не очень качественное изображение.

Индикаторы на ЖК имеют и другие неожиданные применения. Например, их используют для визуализации тепловых полей. При на­гревании отражательная способность пленки ЖК изменяется из-за перестройки сложной молекулярной структуры. В отраженном свете в зависимости от температуры пленка ЖК может быть более светлой или темной, окрашенной в различные цвета. Достаточно покрыть краской на основе ЖК исследуемое тело - и при нагревании можно видеть причудливую и изменяющуюся картину изотермических кривых. На основе ЖК изготавливают также краски, необратимо меняющие свой цвет при достижении определенной температуры, если нанести каплю такой краски на корпус микросхемы, то можно зарегистрировать факт даже кратковременного перегрева.

Особенности схем электрического управления матричными ЖКИ

Схемы электрического управления ЖКИ значительно сложнее, чей СИД, их целесообразно реализовывать в БИС совместно с другими функциональными устройствами. Это обусловлено физическими особенностями Ж.К. Установлено, что ЖКИ должны работать при переменном управляющем напряжении без постоянной составляющей.

Рис.36. Принцип возбуждения ячейки ЖК противофазными импульсами.

Иначе молекулы ЖК " сшиваются" в длинные цепи и теряют подвижность. Это переменное напряжение должно сыть определенной частоты (как правило, 100 Гц), амплитуда его от 3 до 10 В, форма колебаний - любая, но в цифровой технике часто используют противофазные меандровые колебания, формируемые с помощью инвертора I, как показано на рис.36.

Изображение в ЖКИ инерционно из-за больших размеров молекул ЖК-вещества, На рис. 37 показано, что требуется приблизительно

Рис.37. Временные диаграммы процесса заикой и стирания изображения в ЖКИ: а - напряжение, приложенное к ячейке ЖКИ; б - изменение контрастности изображения во времени; 1- импульсы записи;. 2 - импульсы стирания; 3 - стирание изображения в обычных условиях; 4 - стирание при наличии высокочастотных импульсов.

10 мс, чтобы изображение появилось на экране ЖКИ, и значительно большее время, достигающее 0, 1 - I с, - для стирания изображе­ния. Это объясняется медленным процессом релаксации молекул ЖК к исходной холестерической структуре. Время стирания довольно значительно, что ограничивает отображение на ЖКИ быстро меняю­щихся процессов. В электронных часах, например, нельзя создать секундомер, поскольку, казалось бы, что все сегменты одновремен­но находятся во включенном состоянии. К счастью, найден способ ускорить процесс стирания изображения. Для этого достаточно в момент выключения изображения подать между электродами перемен­ное меандровое напряжение значительно большей частоты (обычно 10 кГц). Такая частота разрушает ориентацию молекул, и они быстрее возвращаются к исходному состоянию практически незамет­но для глаза (за t = 10 мс).

Схема управления ЖКИ, реализующая режим быстрого стирания изображения, показана на рис. 38. Она состоит из ряда ключей.

Рис.38. Схема управления сегментными ЖКИ: 1 - импульсы записи изображения;

2 - импульсы стирания.

К первому из них приложено управляющее напряжение U_упр. При U_упр = «0» верхний ключ схемы, пропускающий на индикатор напряжение частой 100 Гц, формирующее изображение. При U_упр= «1» открыт нижний ключ, и на индикатор подаются отирающие импульсы частотой 10 кГц. Инвертор создает противофазное напряжение на общем электроде по отношению к сегментным электродам индикатора. Каждому сегменту требуется свой формирователь. Схема рис.38 - упрощенная, поскольку реальная схема должна обеспечить еще подачу синфазного напряжения на не активированные сегменты.

Иногда общий электрод разбивают на 3 участка, а сегменты объединяют в группы по 2 и 3 сегмента. Это еще больше усложняет схему управления. Нецелесообразно схему управления ЖКИ строить из большого числа простых логических элементов; для этих целей лучше использовать специализированные БИС, предназначенные для индикатора конкретного типа.

Конструкция и схемы управления матричных ЖКИ

Матричные ЖКИ подобно светодиодным матрицам состоят из большого количества точек, организованных в прямоугольную матрицу [7]. Каждая точка формируется на пересечении горизонтальной и вертикальной прозрачных проводящих шин, нанесенных на поверхности стеклянных пластин, между которыми заключен тонкий слой ЖК. Несмотря на простоту, идея матричных ЖК экранов долгое время не могла быть реализована. Дело в том, что контрастность изображения в ЖКИ в лучшем случае достигает 10: 1, а при построч­ном сканировании она должна уменьшится в число рез, равное числу строк в матрице. Изображение даже на небольших экранах оказывалось малоконтрастным, едва различимым. Положение существенно улучшилось, когда удалось создать тонкопленочные МДП- транзисторы непосредственно на стеклянной пластине ЖК - по одному транзистору на каждый элемент матрицы. Число таких транзисторов мо­жет достигать десятков тысяч и все они должны быть одинаково работоспособны.

При современной технологии подобные транзисторы удалось создать на основе поликристаллического Si, а также Se. Рис. 39 иллюстрирует схему включения транзисторов в матрицы. Вертикальные проводящие шины матрицы соединяют с истоками и транзисторов, Горизонтальные шины присоединяют к затворам з, а стоки с - к прозрачным пленочным площадкам, под которыми формируется изобра­жение.

Рис.39. Фрагмент матричного ЖКИ: С- сток, И - исток, 3 - затвор МДП-транзисторов.

На рис.40. показан процесс записи напряжения на элемент изображения под прозрачной площадкой. В начальный момент (рис.40, а) на затвор подано открывающее транзистор напряжение. Потенциал истока величиной +3 В, как показано на рисунке, передается на сток и заряжает элементарный конденсатор, образуемый проводящей площадкой и общим электродом. В последующий момент затвор закрывается и напряжение на стоке остается равным +3 В, даже если напряжение на стоке упадет до О В. Транзистор и конденсатор образуют элемент памяти, растягивающий включенное состояние ячейки до следующего цикла сканирования этого элемента. В новом цикле напряжение на элементе может смениться на нулевое и ячейка перейдет в выключенное состояние. Частота сканирования должна быть выбрана достаточно высокой, чтобы глаз не замечал мерцания экрана.

Рис.40. Принцип запоминания заряда в ячейке ЖКИ: а - затвор открыт; 6 - затвор закрыт.

По данным зарубежной печати[8], разработан серийный образец дисплея на ЖКИ форматом 200x120 элементов, с контрастностью 8: 1, углом наблюдения до 120° и временем скани­рования 1/60 с.

Прогресс в области матричных ЖКИ в последние годы позволил создать электронные приборы, казавшиеся нереальными несколько лет назад: плоский осциллограф размером с книгу, цветной телевизор с габаритами записной книжки, персональную ЭВМ с плоским экраном, помещающуюся в кармане.

Отечественные индикаторы имеют обозначения: ИЖКЦ - индика­тор жидкокристаллический цифровой; цифры указывают число и раз­мер знаков (табл. 3.).

Т а б л и ц а 3. Параметры промышленных образцов ЖКИ