Технология жидкокристаллических дисплеев (Часть 1)

Технология жидкокристаллических дисплеев (ЖКД), благодаря относительно низким требованиям к производству устройств и высокой экономичности, продолжает доминировать на основном рынке продаж дисплейных панелей. ЖКД — это пассивный дисплей, состоящий из двух основных модулей: жидкокристаллической панели и модуля подсветки. Модуль подсветки излучает белый свет, который затем модулируется по цвету и яркости в каждом пикселе жидкокристаллической панелью, в конечном итоге отображая движущееся цветное изображение.

Модуль подсветки состоит из светодиодов и оптических пленок. Точечный источник света от светодиодов рассеивается и гомогенизируется оптическими пленками, образуя равномерный поверхностный источник света, освещающий жидкокристаллическую панель. Белый свет представляет собой смесь трех основных цветов: красного, зеленого и синего. После прохождения через жидкокристаллическую панель определенные цвета и яркость формируются за счет комбинированного действия жидкокристаллических переключателей, соответствующих каждой субпиксельной ячейке. Вся 4K-панель, состоящая примерно из 24,88 миллионов субпиксельных ячеек, составляет один кадр.

Структура жидкокристаллической панели показана на рисунке ниже. Помимо стеклянных подложек с различными функциональными пленками, слои снизу вверх расположены следующим образом: нижний поляризатор, схема управления тонкопленочным транзистором (TFT), слой жидкого кристалла, цветовой фильтр (CF) и верхний поляризатор.

Как следует из названия, жидкие кристаллы — это кристаллические вещества со свойствами, подобными жидкостям, обладающие как текучестью жидкостей, так и векторными свойствами кристаллов, что наделяет их уникальными механическими, оптическими и электрическими характеристиками. Как показано на следующем фото, панель из жидких кристаллов, благодаря взаимодействию между жидкими кристаллами и верхним и нижним поляризаторами, осуществляет переключение и затемнение падающего света от подсветки, создавая различные уровни яркости (шкалу серого). В сочетании с функцией цветового фильтра формируются различные цвета и уровни яркости.

Итак, какие изменения происходят, когда подсветка попадает на жидкокристаллическую панель?

Сначала нижний и верхний слои жидкокристаллической панели оснащаются поляризаторами, ориентированными перпендикулярно друг другу. Затем область делится на бесчисленное множество ячеек в соответствии с разрешением пикселя. Каждый пиксель подразделяется на красные, зеленые и синие субпиксельные ячейки. Каждая ячейка, снизу вверх, оснащена независимым электродом, слоем жидкого кристалла и слоем цветового фильтра. Верхний и нижний поляризаторы вместе с жидким кристаллом образуют «затвор», который управляет состоянием включения/выключения пропускания света для этой ячейки, а также интенсивностью пропускаемого света. Различные интенсивности света, проходящие через три субпиксельные ячейки, после прохождения через красный, зеленый и синий цветовые фильтры, смешиваются в различных пропорциях, формируя цвет и яркость отображаемого пикселя.

Итак, как же работает этот комбинированный логический элемент?

Подсветка, подобно естественному свету, представляет собой поперечную электромагнитную волну. Направление колебаний частиц перпендикулярно направлению распространения волны, то есть направление колебаний света всегда находится в плоскости xy, перпендикулярно направлению распространения (ось z). Когда лучи подсветки попадают на нижний поляризатор жидкокристаллической панели, через него может пройти только свет, колебающийся в том же направлении, что и решетка поляризатора (направление оси y), становясь линейно поляризованным светом, распространяющимся с определенным направлением колебаний. Как показано на рисунке 3, когда пиксельный электрод на подложке TFT не запитан, поляризованный свет проходит через слой жидкого кристалла и слой CF без изменения направления колебаний и достигает верхнего поляризатора. Однако направление решетки верхнего поляризатора перпендикулярно оси y (направление оси x). Следовательно, поляризованный свет, колебающийся в направлении оси y, не может пройти через верхний поляризатор, что приводит к темному состоянию, наблюдаемому с лицевой стороны экрана.

При подаче напряжения на электрод TFT-транзистора молекулы жидкого кристалла вращаются. Поляризованный свет, выходящий из нижнего поляризатора, под действием молекул жидкого кристалла меняет направление поляризации. При заданных параметрах толщины жидкого кристалла и угла поворота направление колебаний поляризованного света может быть точно повернуто на 90°. В этот момент направление колебаний поляризованного света становится параллельным оси x, совпадая с направлением решетки верхнего поляризатора, что позволяет ему проходить через него. Если направление колебаний образует угол с направлением решетки, то компонента энергии световой волны вдоль направления решетки может проходить через поляризатор, и исходная интенсивность света ослабевает. Изменяя напряжение на электроде TFT, можно регулировать угол поворота жидких кристаллов, тем самым управляя интенсивностью света, проходящего через верхний поляризатор.

Электрооптические характеристики жидких кристаллов

Почему электрическое поле может вызывать вращение жидких кристаллов? И почему вращение жидких кристаллов изменяет направление колебаний поляризованного света?

Как показано на рисунке ниже, молекулы жидких кристаллов имеют стержнеобразную структуру и обладают анизотропией кристаллов. Они демонстрируют различные электрооптические эффекты, диэлектрические постоянные и показатели преломления вдоль своей длинной и короткой осей. Мы можем использовать эти свойства для изменения интенсивности падающего света для каждой ячейки пикселя, тем самым формируя цвет и оттенки серого.

Диэлектрическая анизотропия жидких кристаллов

--- Диэлектрическая постоянная (ε) молекул жидких кристаллов различается вдоль их длинной и короткой осей. Когда диэлектрическая постоянная, параллельная длинной оси, больше, чем перпендикулярная ей (ε// > ε⊥), это называется жидким кристаллом положительного типа с положительной диэлектрической анизотропией, подходящим для параллельного расположения. Когда ε// < ε⊥, это называется жидким кристаллом отрицательного типа с отрицательной диэлектрической анизотропией, который может использоваться только для вертикального расположения с целью достижения желаемого электрооптического эффекта. При приложении внешнего электрического поля направление поворота молекул жидкого кристалла — параллельно или перпендикулярно электрическому полю — определяется положительной или отрицательной диэлектрической анизотропией, что, в свою очередь, определяет, будет ли пропускаться свет. В настоящее время жидкие кристаллы VA-типа, обычно используемые в TFT-LCD, в основном относятся к типу с отрицательной диэлектрической анизотропией. При воздействии внешнего электрического поля молекулы жидких кристаллов поляризуются, в результате чего их длинные оси наклоняются в направлении, перпендикулярном полю. В системах IPS обычно используются жидкие кристаллы положительного типа, в то время как в некоторых панелях ADS Pro используются жидкие кристаллы отрицательного типа.

Двойное лучепреломление жидких кристаллов

Молекулы жидких кристаллов обладают двулучепреломлением и оптическим вращением; показатель преломления (n) различается вдоль длинной и короткой осей. Показатель преломления вдоль длинной оси равен nO, а вдоль короткой оси — nE.

Поскольку показатели преломления различны, скорости света также различны. При вращении жидких кристаллов скорости света вдоль длинной и короткой осей различаются, вызывая разность фаз между исходящими обыкновенными (O) и необыкновенными (E) лучами по сравнению с падающими, что приводит к явлению фазовой задержки. Когда световой луч выходит из жидкого кристалла, векторы света O и E рекомбинируют, создавая новое направление колебаний, которое поворачивается. Благодаря специальной конструкции оптической длины пути и угла поворота разность фаз между исходящими лучами O и E может быть установлена ​​равной половине длины волны. Это приводит к повороту фазы исходящего света на 90° относительно падающего света, позволяя ему проходить через верхний поляризатор. Различные углы поворота жидких кристаллов определяют различные разности фаз между лучами O и E, тем самым контролируя интенсивность проходящего света.

Типы жидкокристаллических панелей

В зависимости от способа вращения жидких кристаллов, они подразделяются на три типа: TN (скрученный нематик), IPS (переключение в плоскости) и VA (вертикальное выравнивание). Среди них ЖК-панели типа TN были первыми, поскольку имели самую низкую стоимость. Однако из-за собственного 6-битного цвета (низкий цветовой охват) и очень малых углов обзора они практически исчезли с основного рынка ЖК-дисплеев. В настоящее время в основных ЖК-дисплеях используются преимущественно панели IPS и VA.

Как показано на рисунке, в IPS-дисплеях молекулы жидкого кристалла расположены горизонтально. Положительный и отрицательный пиксельные электроды находятся в одной горизонтальной плоскости на подложке TFT. В неактивированном состоянии поляризованный свет, проходящий через нижний поляризатор, проходит через жидкий кристалл без изменения направления поляризации. В это время направление колебаний поляризованного света перпендикулярно направлению решетки верхнего поляризатора, и свет не может пройти. При активации, из-за наличия электрического поля, молекулы жидкого кристалла вращаются в горизонтальной плоскости (переключение в плоскости). Из-за двулучепреломления поляризованный свет распадается на два световых луча с разной скоростью. Выходя из жидкого кристалла, эти два поляризованных луча имеют разность фаз и рекомбинируют в новый тип поляризованного света. Затем этот поляризованный свет проходит через цветовой фильтр, при этом свет от каждой субпиксельной ячейки имеет красный, зеленый и синий цвета. Поляризованный свет, прошедший через цветовой фильтр, достигает верхнего поляризатора. Свет от каждого субпикселя, искривленный жидким кристаллом под новым углом, имеет разный угол поворота. Компоненты поляризованного света, имеющие разные углы относительно решетки верхнего поляризатора, проходят сквозь него, в результате чего каждый субпиксельный элемент излучает красный, зеленый и синий цвета различной интенсивности. Эти три цвета разной интенсивности смешиваются, образуя желаемый цветной пиксель. Цвета от 24 883 200 субпиксельных элементов (3840 * 2160 * 3) объединяются, образуя цвета 8 294 400 пикселей (3840 * 2160), создавая один кадр изображения с разрешением 4K. Жидкие кристаллы, изменяясь в соответствии с электрическим полем на определенной частоте, непрерывно изменяют угол колебания поляризованного света, формируя кадр за кадром, в конечном итоге обеспечивая отображение видео.

Принцип работы VA-дисплеев аналогичен принципу работы IPS-панелей. Как показано на рисунке 6, расположение молекул жидких кристаллов отличается от IPS-панелей. В VA-дисплеях молекулы жидких кристаллов выровнены вертикально, а положительные и отрицательные пиксельные электроды распределены в верхней и нижней плоскостях, создавая электрическое поле в вертикальном направлении.

Когда к электродам не подается напряжение, молекулы жидкого кристалла выравниваются перпендикулярно верхней и нижней подложкам. Линейно поляризованный свет, проходящий через нижний поляризатор, распространяется параллельно длинной оси молекул жидкого кристалла, поэтому его поляризационное состояние не изменяется, и он не может пройти через верхний поляризатор. Панель, наблюдаемая человеческим глазом, находится в темном состоянии. Когда напряжение не подается или подается слабое напряжение, поляризованный свет проходит вдоль длинной оси молекул жидкого кристалла. Благодаря двулучепреломлению жидких кристаллов поляризованный свет вдоль длинной оси практически не отклоняется, поэтому он не может пройти через верхний поляризатор, что приводит к очень темному темному состоянию, высокому коэффициенту контрастности и превосходной резкости изображения. Когда к электродам подается напряжение, молекулы жидкого кристалла вращаются под действием вертикального электрического поля, при этом их длинные оси наклоняются в направлении, перпендикулярном электрическому полю. Компоненты падающего линейно поляризованного света, входящего в жидкий кристалл, будут испытывать фазовую задержку внутри слоя жидкого кристалла. После выхода из жидкокристаллического слоя компоненты поляризованного света рекомбинируют, и состояние поляризации света изменяется. Направление колебаний поляризованного света от каждой ячейки субпикселя в конечном итоге преобразуется в различные углы в соответствии с заданным напряжением. После прохождения через цветовой фильтр и верхний поляризатор получаются цвета субпикселей различной интенсивности. Красные, зеленые и синие цвета субпикселей с различными соотношениями интенсивности смешиваются, образуя заданный цвет пикселя, в конечном итоге создавая полный кадр для отображения.