Как достать жидкие кристаллы с дисплея

Обновлено: 06.07.2024

Солнцезащитные очки с поляризованными линзами уменьшают количество бликов, что очень удобно при вождении автомобиля. Но у таких очков есть небольшая проблема: в них под некоторыми углами не видно изображения на . Так что не удивляйтесь, если в таких очках вы ничего не увидите на айпаде, расположенном горизонтально.

Пластинки из такого вещества называются поляризационными фильтрами. Если поставить два поляризационных фильтра так, чтобы направления поляризации у них были перпендикулярны, то свет через них проходить не будет. Сначала световая волна поляризуется первой пластинкой, и становится плоской. После этого свет уже не проходит через вторую пластинку, которая поляризует его перпендикулярно плоскости волны.

Жидкие кристаллы

Некоторые вещества могут находиться в наполовину твердом, наполовину жидком состоянии. Их называют жидкими кристаллами. Молекулы в жидких кристаллах не закреплены в кристаллической решетке и могут свободно «плавать». При этом они организованы в четкую структуру. Молекулы в этой полужидкости выглядят как маленькие палочки, которые направлены не хаотически, а параллельно друг другу.

В ЖК-дисплеях они располагаются слоями, в каждом из которых палочки расположены параллельно, но при этом от слоя к слою меняют направление: каждый слой закручивается по отношению к предыдущему.

Соединим все вместе

Берем два поляризующих фильтра и располагаем их так, чтобы направления поляризации у них были перпендикулярны. Свет через такую конструкцию не проходит. Между ними мы располагаем жидкие кристаллы, закрученные на 90 градусов.

Получается, что через такой сандвич свет уже проходит. Он поляризуется в одном направлении, проходит через слой жидких кристаллов, меняет на 90 градусов направление поляризации, и свободно проходит через следующий поляризационный фильтр.

Теперь расположим два прозрачных электрода с двух сторон и подадим на них напряжение. Под действием электрического поля молекулы жидких кристаллов поворачиваются вдоль этого поля и перестают менять поляризацию света. Пластинки снова становятся непрозрачными.

В 2007 году появилось движение, требующее от Гугла сделать стандартный фон поиска черным. Таким образом человечество должно было бы сэкономить кучу энергии. На самом деле, в мире, где большинство мониторов на жидких кристаллах, это не совсем так, потому что в ЖК мониторах черный цвет потребляет больше энергии. Но если вы все-таки хотите экономить энергию, сделайте яркость монитора поменьше.

ЖК-дисплей состоит из огромного количества ячеек, каждая выступает как отдельный пиксель. В каждой ячейке по три цвета: синий, красный и зеленый. К каждому цвету подходят свои электроды так, что их можно включать и выключать независимо. Сзади они подсвечиваются. В зависимости от напряжения, каждый цвет в отдельности может менять свою прозрачность. И в зависимости от сочетания яркости синего, красного и зеленого цвета, получаются разные цвета.

Этим летом Красноярский институт физики СО РАН получил грант на три года от Российского научного фонда. В год ученым выделяют 5 миллионов рублей на изучение жидких кристаллов. Мы проникли в закрытую лабораторию и узнали, что представляет из себя вещество с красивым названием и зачем оно нужно.

Старший научный сотрудник Института физики Михаил Крахалев показывает нам запаянную ампулу с МББА — это жидкие кристаллы. Мы ожидали увидеть что-то блестящее и сверкающее, но оказывается, что жидкие кристаллы — обычная мутная жидкость желтоватого цвета. При заморозке она превращается в кристаллы, а при повышении температуры — становится прозрачной и вязкой, как растительное масло.

Жидкие кристаллы могут одновременно проявлять свойства и жидкостей, и кристаллов

Фото: Артём Ленц

Зачем нужны жидкие кристаллы?

Сегодня жидкие кристаллы используют в жидкокристаллических дисплеях и мониторах. В основе лежит их способность двигаться под действием магнитного или электрического поля.

— Если хочешь получить движущуюся картинку, ты можешь взять для каждой точечки два поляризатора и очень быстро начать их вращать. Интенсивность света будет меняться и «человечек побежит». Так работает видео. Но постоянно вращать поляризаторы неудобно. Поэтому эту часть работы совершают в ЖК-мониторах жидкие кристаллы, помещенные между поляризаторами. Молекулы подвижны и могут легко поворачиваться под воздействием электрического поля. Интенсивность прошедшего света меняется, но ничего вращать механически уже не нужно, — объясняет Михаил Крахалев.

Первые ЖК-дисплеи появились в 70-х года в Швейцарии, в 80-х в России тоже начинали разработку, но потом пришли девяностые. А уже в 2000-х рынок захватили японские и корейские корпорации.

По словам ученого, первые ЖК-мониторы уступали по качеству изображения электронно-лучевым трубкам, но уже через 10 лет их преимущество было очевидно.

Телевизоры – техника, прошедшая достаточно длительный период технологичного развития, начиная от конструкций на громоздких ЭЛТ и завершая (на данный момент времени) гибкими плёночными конструкциями. Технология экранов LCD (жидкостно-кристаллических дисплеев), используемых в составе телевизионной и другой техники, уже успела, однако, устареть. Тем не менее, эта модель системы остаётся широко востребованной.

Что такое жидкие кристаллы?

Концепцию жидкие кристаллы разработчики стремятся совершенствовать. Нужно отметить – модернизация сопровождается положительными результатами. К тому же следует отдать должное такому качеству LCD экранов, как долговечность. Рассмотрим подробнее эту технологию.

Жидкокристаллические экраны состоят из жидких кристаллов, которые активируются электрическим током. Жидкие кристаллы используются для отображения одной или нескольких строк буквенно-цифровой информации на экранах различных устройств:

факсимильных аппаратов,
портативных компьютеров,
автоответчиков,
научных приборов,
портативных проигрывателей компакт-дисков, часов и т. д.

Большой по размеру диагонали экран, плюс высокое качество изображения, а также достаточно длительный срок службы сделали жидкокристаллические модели телевизоров и мониторов популярными

Пиксели управляются разными способами на жидкостно-кристаллических и плазменных экранах. Если каждый отдельный пиксель плазменного экрана представлен миниатюрной люминесцентной лампой, на экране LCD телевизора используются пиксели жидких кристаллов. На первый взгляд особой разницы нет. Однако для лучшего понимания следует определиться, что такое жидкие кристаллы.

Первый работающий жидкокристаллический дисплей LCD разработали в 1968 году. Ещё год потребовался для того, чтобы обнаружить эффект так называемого скрученного нематического поля, позволяющего получать качественное изображение. Первыми из продуктов появились жидкокристаллические наручные часы и жидкокристаллические дисплеи калькуляторов (конец 1970-х).

Сегодня LCD технология широко используется для производства компьютерных дисплеев и телевизионных приёмников. В таких конструкциях плотность киральной фазы такова, что проходящий через фазу поляризованный свет поворачивается на 90°, что соответствует ориентации правого поляризационного фильтра. Будучи в подобном состоянии, свет проходит и освещает поверхность пикселя.

Когда на жидкокристаллическую фазу накладывается электрическое поле, молекулы компонента выстраиваются в пространстве, киральность утрачивается. Свет, поступающий в ячейку, не проходит поворота плоскости поляризации, блокируется правым поляризационным фильтром. Соответственно, пиксель экрана выключается. Вот такой функционал в общем представлении демонстрирует жидкий кристалл.

Существует два основных типа ЖК-дисплеев:

Пассивная матрица (PMLCD).
Активная матрица (AMLCD).

Второй вариант более продвинутый. Яркие и удобные для чтения дисплеи с активной матрицей используют транзисторы за каждым пикселем для усиления изображения. Однако процесс производства AMLCD гораздо сложнее, чем для LCD-дисплеев с пассивной матрицей. Практически 50% произведенных изделий отсеиваются по причине производственного брака. Всего одного небольшого дефекта конструкции достаточно, чтобы забраковать AMLCD. Это одна из причин дороговизны таких продуктов.

Конструкция жидкокристаллического экрана

. Структура экрана LCD: 1 – электроды; 2 – поляризационный фильтр; 3 – флуоресцентная подсветка; 4 – жидкие кристаллы; 5 – электроды; 6 – цветовой фильтр; 7 – поляризационный фильтр; 8 – защитное стекло

Рабочий жидкокристаллический экран состоит из нескольких компонентов:

дисплейного стекла,
приводной электроники,
управляющей электроники,
механического блока,
блока питания.

Стекло жидкокристаллического экрана, за которым расположены жидкие кристаллы, покрыто рядами и колонками электродов с контактными площадками для подключения управляющей электроники (электрического тока). Электроника привода представлена интегральной схемой, через которую подаётся ток «возбуждения» электродов ряда и колонок.

Таким выглядит диоксид кремния – вещество, применяемое для обработки защитной поверхности жидкокристаллического экрана современного телевизионного приёмника

Диоксид кремния предотвращает попадание ионов на поверхность стекла, а также попадание влаги. Ещё более простым решением является использование пластика вместо стекла. Использование пластика также делает дисплей светлее. Однако недорогие пластмассы рассеивают лучи света больше чем стекло и способны химически реагировать с жидкокристаллическими веществами.

Значительная доля современных конструкций жидкокристаллических экранов дополняются источником света в задней части дисплея (подсветкой). Используется подсветка флуоресцентного света, имитирующая на экране более тёмный цвет жидкого кристалла в облачной фазе. Некоторые производители дополнительно используют листы материала поляризатора для усиления этого эффекта.

Как изготавливают жидкокристаллические экраны с пассивной матрицей?

Затем на стекло напыляют паровой фазой слой оксида индия-олова и вытравливают желаемый рисунок. На следующем этапе наносится длинная цепочка слоя полимера с целью корректного выравнивания жидких кристаллов, с последующим закреплением герметизирующей смолой. Получившийся стеклянный «сэндвич» заполняют жидкокристаллическим материалом.

Чтобы сделать жидкокристаллический экран визуально эффективным, добавляются поляризаторы. Эти элементы обычно изготавливаются из растянутых поливиниловых спиртовых пленок, содержащих йод. Такие плёнки располагаются между слоями ацетата целлюлозы. Цветные поляризаторы, сделанные с использованием красителя вместо йода, также допустимы к производству.

Большинство производителей закрепляют поляризатор к стеклу при помощи акрилового клея, после чего покрывают элемент пластиковой защитной плёнкой. Нередко практикуется создание отражающих поляризаторов, которые также используются в конструкциях жидкокристаллических экранов. Делается такой элемент в виде простого отражателя на основе металлической фольги.

Как изготавливают жидкокристаллические экраны с активной матрицей?

С электрооптической точки зрения ЖК-дисплеи AMLCD превосходят устройства с пассивной матрицей, поскольку отклик материала ЖК может быть сделан независимо от электронного управления дисплеем

Процесс изготовления жидкокристаллических экранов на активной матрице (AMLCD), в принципе, напоминает процесс производства изделий с пассивной матрицей. Однако отличается большими производственными сложностями. Обычно этапы нанесения покрытия SiO₂, оксида индия-олова и травление фоторезистом, заменяются множеством других различных этапов.

Для производственного варианта активной матрицы (AMLCD) каждый компонент жидкокристаллического экрана изменяется для более точной правильной работы с тонкопленочным транзистором и электроникой. Эти электронные компоненты используются для усиления и коррекции изображения ЖК экрана. Как и пассивные матрицы, дисплеи на активной матрице представляют те же самые «сэндвичи», содержащие ряд компонентов:

поляризационную пленку;
две натриевых барьерных плёнки (SiO₂);
цветной фильтр;
верхнее покрытие цветного фильтра из акрила / уретана;
прозрачный электрод;
ориентационную пленку из полиамида;

Заключительный штрих для LCD телевизоров

Будущее жидкокристаллических экранов напрямую связано с активной матрицей. Несмотря на высокий процент брака на текущем уровне производства, ожидается постепенное совершенствование процесса изготовления активных матриц (AMLCD).

Фактически уже появились компании, предлагающие оборудование для ревизии и восстановления отбракованных изделий. Благодаря такому оборудованию, явным видится снижение коэффициента брака от величины 50%, до величины более низкой, примерно, 30- 35%.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Современный графический дизайн немыслим без полноценной цветопередачи мониторов, используемых сегодня в качестве творческих поверхностей. Полезная информация о выборе монитора уже приводилась на страницах блога, а здесь речь пойдёт о жидких кристаллах – химических веществах, обладающих способностью кардинально менять свои свойства под воздействием едва заметных сил.

Недавно я перелистывал одну свою старенькую книжку «детства» под названием «Школьникам о современной физике» 1990 года издания. И наткнулся на интересный абзац о перспективах использования жидких кристаллов в технике. Я даже сфотографировал этот фрагмент:

Сегодня, когда ЖК-мониторы (точнее говорить о жидкокристаллических дисплеях, LCD-дисплеях, от англ. LCD – Liquid Crystal Display) полностью вытеснили своих электронно-лучевых предков, интересно взять и разломать монитор, посмотреть, что у него внутри, достать на свет божий эти загадочные жидкие кристаллы и получить ответы на некоторые вопросы. Итак.

Жидкие кристаллы. Почему они так называются?

Если нагревать твёрдое вещество, то оно превратится в жидкость, т.е. перейдёт из одного агрегатного состояния в другое. Этот переход для каждого вещества чётко зафиксирован и называется его температурой плавления. Например, свинец плавится при 327,5°С. Но вот в конце XIX века австрийский учёный Фридрих Рейнитцер, изучая вещества моркови, столкнулся с непонятным поведением холестерилбензоата (аналога морковного каротина). В 1888 году учёный пишет:

«Вещество имеет, если можно так выразиться, две точки плавления. При 145,5° оно вначале плавится в мутную, но совершенно подвижную жидкость. Она при 178,5° внезапно становится совершенно прозрачной».

Наблюдая жидкость мутной фазы в микроскоп, Рейнитцер установил наличие свойств, характерных для типичного кристалла (например, двойное лучепреломление света).

Рейнитцер изучал свойства морковного каротина, для этого он синтезировал холестерилбензоат в качестве модели и… открыл новое состояние вещества.

Точно интерпретировать все эти факты у Рейнитцера не получалось. Могло возникнуть впечатление, что мутная фаза холестерилбензоата – это неоднородная смесь жидкости и твёрдых кристаллов. Именно такое впечатление и создалось у большей части научного сообщества. Но появились и те, кто развивал идею реальности жидких кристаллов, как нового (четвёртого) состояния вещества.

В этой связи, интересно отметить одно заблуждение, которое (а это частенько в науке бывает) немало поспособствовало признанию жидкокристаллического состояния. Немецкий физик Отто Леман разрабатывал (ещё до и независимо от открытия Рейнитцера) теорию кристаллов вообще. Сегодня она покажется нам смешной. Леман полагал, будто кристаллы существуют без кристаллической решётки, и атомы ведут себя в зависимости от своего веса: большинство кристаллов упруги и выдерживают свой вес, существуют и мягкие кристаллы, следовательно, должны быть и кристаллы, «мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими». Отто Леман решил, что холестерилбензоат, открытый Рейнитцером, — тому явное доказательство! Вот так и привязался термин «жидкий кристалл» к холестерилбензоату и ко всем последующим подобным соединениям.

Но смысл нынешнего употребления понятия «жидкий кристалл» тоже вполне оправдан, ибо он заключает в себе двоякость природы таких веществ:

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
сходство с жидкостями	сходство с кристаллами
Текучесть: вещество принимают форму сосуда, в который он помещён	Упорядоченность структуры: молекулы вещества располагаются в определённом порядке

Как устроены жидкие кристаллы?

Разберёмся с правой колонкой таблицы поподробнее. На рисунке с морковкой мы видим, что молекула холестерилбензоата имеет вытянутую палочкообразную форму. Эта форма молекул оказалась типичной для большинства жидких кристаллов. Именно удлинённая геометрия молекул предопределяет их взаимное расположение внутри вещества – они располагаются бок о бок друг к другу и в определённом порядке:

Кстати, наш холестерилбензоат, когда пребывает в жидкокристаллической фазе, является холестериком; собственно это вещество и дало название всей группе ему подобных молекул. Видно, что структура холестерика периодична, имеет место повторение порядка через определённый шаг

Существуют и другие типы жидких кристаллов, но эти являются классическими. Молекулы обычной жидкости ведут себя достаточно вольно, они могут двигаться во всех направлениях. Рисунок показывает, что молекулы нематиков, смектиков и холестериков более закрепощены: могут двигаться вдоль своей оси, могут поворачиваться на определённый угол, но при этих движениях не выходить за рамки заданного порядка. Такое внутреннее устройство жидкокристаллического состояния определяет его свойства и применение.

На каких свойствах жидких кристаллов основано их применение?

Из многокомпонентного списка применений жидких кристаллов остановимся на цветопередаче, которая больше всего интересует всех работающих с компьютерной графикой. Для художников и дизайнеров весьма полезно ознакомиться с тем, как настроить монитор с помощью программы Adobe Gamma, ну а здесь я поведу речь о физических основах появления света и цвета на компьютерных экранах.

Цвет на экране ЭЛТ-монитора появляется понятно как: стекло экрана изнутри покрыто люминофорами – специальными веществами, которые под действием луча электронов светятся разными цветами. Постоянно бомбардируемая электронами смесь красного, синего и зелёного люминофоров позволяет видеть нашему глазу полноцветное изображение. Разберёмся, откуда берётся цвет на экране ЖК-монитора.

Дисплеи ЖК-мониторов (LCD-дисплеи) состоят из пикселей. Каждый пиксель состоит из субпикселей – красного, синего и зелёного. Физически каждый субпиксель – это ячейка, состоящая из двух поляризационных фильтров, между которыми расположен слой смеси жидкокристаллических веществ. Смесь веществ берётся для того, чтобы монитор работал при широком диапазоне температур. Ведь для каждого в отдельности вещества существует, как говорилось, только определённый интервал, в котором оно существует в жидкокристаллическом состоянии. Можно сказать, что пиксель является структурно-функциональной единицей матрицы монитора. Нет смысла здесь разбираться с матрицами, поскольку, во-первых, существуют полноценные описания их устройства и принципов работы, а во-вторых, через 50 лет об этих матрицах никто не вспомнит, но при этом оптические свойства жидких кристаллов никуда не денутся.

В частности, работа ЖК-дисплеев основана на оптическом эффекте Фредерикса.

Эффект в том, что под воздействием электрического поля (а там, где электрическое, там и магнитное) молекулы жидких кристаллов поворачиваются. Направление их поворота совпадает с линиями электрического поля. В реальности линий все мы убеждались на школьном опыте с железными стружками.

Железные стружки при включении магнита выстраиваются вдоль линий электромагнитного поля. Опыт демонстрирует физическую реальность поля.

Поместим слой жидких кристаллов между двумя пластинками и будем подсвечивать с одной стороны этот слой. Если молекулы ЖК расположены вертикально, то свет будет свободно проходить через слой. Если подать напряжение на пластинки (то есть создать электрическое поле), то молекулы начнут своё движение: выстроятся под определённым углом. Тогда часть света уже будет рассеиваться, и на выходе мы его не увидим, или увидим его другую интенсивность. Варьируя напряжением поля, можно получать на выходе разный свет. А теперь представьте себе тройку субпикселей: в красном, например, одна напряжённость поля, в зелёном – поменьше, а в синем поля вообще нет в данный момент времени. Получается, что в данный момент времени мы видим от одного пикселя – мало красного, чуть больше зелёного и много синего (цвет субпикселя – это всего-навсего цветная пластинка, через которую проходит свет). А ведь пикселей на дисплее монитора – два, три миллиона! Световые потоки от каждого из них смешиваются в определённых пропорциях и в определённой геометрии, и мы получаем некое цветное изображение.

Такой информации может быть достаточно для общего понимания того откуда берётся цвет на экране ЖК-монитора. Но внимательный читатель не может не спросить о поляризационных фильтрах, упомянутых при описании субпикселя. Для чего они нужны? Дело в том, что через слой жидких кристаллов проходит не обычный свет, а поляризованный. Не будет ошибкой сказать, что поляризованный – это свет, прошедший сквозь поляризационный фильтр (поляризатор, поляроид). Не будет ошибкой и утверждать, что мы и не видели-то никогда чистого света. Он поляризуется от облаков, от воды в воздухе, от пыли. Проходя через любое материальное тело, свет неминуемо поляризуется.

Чистый свет. Колебания в нём происходят во всех направлениях пространства

Если пропустить такой свет через фильтр, то получим поляризованный свет, колебания которого происходят в одной определённой плоскости, например, так

Если пропускать свет через два фильтра подряд, один из которых вертикально ориентирует свет, а другой горизонтально, то на выходе мы ничего не увидим. Замечательную анимацию этого явления предоставляет нам свободная энциклопедия:

Так вот, возвращаемся к жидким кристаллам и субпикселям. Ячейка субпикселя содержит жидкокристаллический слой, зажатый между двумя поляризационными фильтрами: один из них вертикальный, другой горизонтальный. При наложении поля, как уже говорилось, молекулы ЖК начинают двигаться и вращают плоскость поляризации света, прошедшего через первый фильтр. Вращают его так, что теперь он уже может пройти и через второй фильтр и попасть нам в глаза. То есть вращающиеся жидкие кристаллы играют роль пальцев руки на приведённой анимации. Только пальцы крутят фильтры, а в пикселях фильтры фиксированы. Меняя напряжённость поля, можно менять интенсивность проходящего света, а, следовательно, и цвета тысячами вариантов. Что мы и видим на экранах современных компьютеров.

Заодно становится понятно, почему мониторы на жидких кристаллах имеют низкий уровень электромагнитного излучения. ЖК-мониторы испускают свет от ламп, они не используют для производства цвета поток электронов, как в устаревших ЭЛТ-мониторах.

P.S. Всякое популярное изложение сложного материала сопровождается упрощением и некоторым обобщением. Прошу учитывать это обстоятельство, однако ни в коей мере это не относится к возможным ошибкам принципиального характера, поэтому с благодарностью и интересом приму все критические замечания по сути статьи.

Вам понравилась статья? Поделитесь ею со своими друзьями, нажав кнопку соц. сервиса или "retweet".

Читайте также: