1. O autorze ;-)

Wyświetlacze LCD i matryce aktywne TFT
	AGH, Wydział EAIiE	Michał Zalas
Kierunek: Elektronika i Telekomunikacja		Numer indeksu: 120-801
Rok akademicki: 2004/2005		Grupa studencka: 2

2. Spis treści konspektu:

1. Historia, początki technologii

2. Ciekłe kryształy

3. Zjawiska optyczne leżące u podstaw tematu LCD

4. Panele pasywne LCD

5. Matryce aktywne TFT

6. Przykłady wykorzystana technologii LCD

3. Literatura:

• „Słownik naukowo - techniczny Hutchinsona”, Warszawa, 1997

• „Displeje ciekłokrystaliczne”, J.Żmija, J. Zieliński, J.Parka, E. Kruszelnicki

• “Optoelektronika”, K. Booth, S. Hill

• “Ilustrowany słownik techniczny”, wydawnictwo Readers' Digest

• Ogólnodostępne encyklopedie internetowe: PWN oraz Wikipedia

• http://www.floraland.pl/l/studia/informatyka/Ekrany20LCD.doc

• http://www.inmat.pw.edu.pl/wyklad/ciekle_krysztaly/

• http://www.ee.washington.edu/circuit_archive/text/LCD.html

• http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lcd/intro.htm

• http://www.inmat.pw.edu.pl/wyklady/ciekle_krysztaly/str1.html

• http://margo.student.utwente.nl/el/misc/lcd_faq.htm

• http://www.lci.kent.edu

• http://www.webpedia.com/TERM/L/LCD.html

• http://www.floraland.pl/l/studia/informatyka/Ekrany%20LCD.doc

• http://www.enter.pl/ent99.04/plaski.htm

• http://www.kth.se/fakulteter/tfy/kmf/lcd/lcd~1.htm

• http://www.touchscreens.com/intro-displaytech.html

• http://www.pctechguide.com/07panels.htm

• http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lcd/Intro.htm

• http://www.ee.washington.edu/circuit_archive/text/LCD.html

• http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lcd/intro.htm

2.1 Historia

Ciekłe kryształy to pojęcie kojarzące się powszechnie z nowoczesną techniką elektroniczną. Zapewne jednak tylko nieliczni wiedzą, że ciekłe kryształy znane są od ponad stu lat.

W. Heintz stwierdził w 1850r, że stearyna przechodzi ze stanu stałego do mętnej cieczy przy 52 ^oC, następnie w 58 ^oC przechodzi w nieprzezroczystą ciecz, a przy 62,5^oC w przezroczystą. W 1888 roku austriacki botanik, Fryderyk Reinitzer, dokonał zaskakującego odkrycia. Ogrzewając benzoesan cholesterolu stwierdził, że w temperaturze 145°C ulega on stopieniu, przechodząc w ciecz, która do temperatury 179°C pozostaje mlecznobiała. Dokonując tego odkrycia, nie przypuszczał zapewne, jak ogromną karierę zrobią związki chemiczne o podobnej właściwości. W dwa lata później, w Karlsruhe fizyk Otto Lehman wprowadza pojęcie: ciekły kryształ, stwierdzając ich specyficzną strukturę fazową. Wykazał on, że właściwości tej mętnej cieczy nie są jednakowe. Zauważył właściwości anizotropowe np. dwa współczynniki załamania światła.

Właściwości anizotropowe są charakterystyczne dla ciał stałych krystalicznych. Ponieważ badana substancja miała cechy zarówno cieczy jak i kryształu nazwał ją ciekłym kryształem. Nazwa ta przyjęła się i jest powszechnie używana. Zauważył również, że podczas ochładzania w temperaturze przejściowej chwilowo widoczne jest niebieskie zabarwienie. Powyższe odkrycia i ich analizy doprowadziły do rozpoznania nowej fazy materii nazwanej fazą ciekłokrystaliczną.

W liście asortymentowej produktów, znanej i współcześnie firmy odczynnikowej Merck z roku 1904, można spotkać substancje o właściwościach ciekłych kryształów wytwarzane jednak głównie do badań naukowych.

W ten sposób kończy się pierwszy etap historii ciekłych kryształów, które opisane i przebadanie stanowiły jeden z wielu tzw. zamkniętych tematów naukowych.

Ponownie do substancji o właściwościach ciekłych kryształów wrócono w latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy Amerykanin James L. Ferguson stwierdził, iż ciekłe kryształy można zastosować jako wskaźniki temperatury, zaś George Heilmeier z Princeton odkrył zjawisko tzw. zakłóceń dynamicznych światła przechodzącego przez ciekły kryształ w polu elektrycznym. Jego publikacje z roku 1968 można uznać za początek technicznego zastosowania ciekłych kryształów.

Także w Krakowie krótko po uzyskaniu niepodległości w 1918 roku podjęto badania ciekłych kryształów. Na świeżo wówczas utworzonej Akademii Górniczej prof. M. Jeżewski rozpoczął studia nad przenikalnością elektryczną substancji ciekłokrystalicznych. Kilka lat później fizyk Marian Mięsowicz wpadł na rewolucyjny pomysł badania anizotropii lepkości ciekłych kryształów. Rewolucyjność pomysłu polegała z jednej strony na próbie podważenia panującego poglądu, że ciecz (a taką jest niewątpliwie nematyk) ma tylko jedną lepkość, a z drugiej zaś na zaproponowaniu cyklu doświadczeń prowadzonych na orientowanych polem magnetycznym próbkach. Odpowiednio zmieniając wzajemne ułożenie naczynia wypełnionego badaną substancją, pola magnetycznego oraz sondy pomiarowej, udało się zmierzyć trzy różne wartości lepkości. Noszą one obecnie nazwę współczynników Mięsowicza. Dalsze badania ciekłych kryształów podjęto w Krakowie w latach 60-tych XX wieku w grupie badawczej Jerzego i Janiny Janików. Badania eksperymentalne doprowadziły do określenia szeregu procesów szybkiej reorientacji molekuł oraz wykrycia wielu faz metastabilnych tworzących się podczas chłodzenia faz ciekłokrystalicznych.

2.2 Ciekłe kryształy

Nazwą ciekłe kryształy określa się substancje (zazwyczaj organiczne) znajdujące się w tzw. stanie ciekłokrystalicznym. Stan ten występuje w charakterystycznym dla danej substancji zakresie temperatur. Gdy temperatura jest niższa, substancja zestala się, przechodząc w stan krystaliczny, gdy temperatura zaś jest wyższa, przechodzi w stan ciekły (normalny), czyli staje się cieczą (bezpostaciową, izotropową).

Pomiędzy krystalicznym ciałem stałym, a izotropową cieczą istnieje faza pośrednia, którą nazwano mezofazą (od greckiego słowa mezos - pośredni), fazą ciekłokrystaliczną lub substancją mezomorficzną.

Właściwości ciekłych kryształów pozostają w ścisłym związku z ich budową chemiczną. Jednak trudno wyobrazić sobie, aby wszystkie zakładane właściwości mógł wykazywać jeden konkretny związek. W praktyce dokonuje się komputerowej kompozycji mieszaniny ciekłych kryształów by w ten sposób otrzymać pożądane efekty (np. odpowiednia barwę).

Wykorzystywane w wyświetlaczach substancje muszą mieć odpowiedni kształt cząsteczek (pręto- lub dyskopodobny) oraz dla odpowiedniej sztywności posiadać rdzeń, którego role spełnia zazwyczaj pierścień aromatyczny.

Inny rodzaj ciekłych kryształów (lipotropowe) odgrywa ważną rolę w organizmach żywych, gdyż roztwory białek, DNA mogą być takimi ciekłymi kryształami. Ponadto błony komórkowe, które odgrywają istotną rolę w przekazywaniu informacji z komórek do mózgu mają podobną budowę.

Stan ciekłokrystaliczny jest fazą pośrednią pomiędzy stanami stałym i ciekłym. Cechą wyróżniającą jest tendencja cząstek (tzw. mezogenów) do tworzenie pewnych uporządkowanych struktur, pewnego rodzaju obszarów uporządkowania. W zależności od ich ułożenia w fazie ciekłej, wyróżnia się trzy możliwe formy: smektyczną ( z greckiego smegma - mydło), nematyczną ( z greckiego nema - nić) oraz cholesterolową. Najwyższy stopień uporządkowania cechuje fazę smektyczną, składającą się ze ściśle równoległych cząsteczek, ułożonych w przylegające warstwy. W fazie nematycznej, liniowe cząsteczki są ułożone równolegle, wszystkie w tym samym kierunku. Faza cholesterolowa cechuje się równoległym ułożeniem cząsteczek w warstwach przesuniętych względem siebie o pewien kąt, co nadaje jej kształt śrubowy.

Smektyk typu A Smektyk typu C

Ponadto okazało się, że smektyków jest co najmniej kilka (chronologicznie wykrywane nazywano A, B i C), a pochodne cholesterolu tworzą specyficzną fazę, w której cząsteczki są względem siebie skręcone, tworząc oś śrubową.

Ważna właściwością nematyków jest fakt, że warstwa nematyczna skręcona o 90º skręca płaszczyznę polaryzacji światła też o 90º. Fakt ten wykorzystuje się w produkcji wyświetlaczy, gdzie stosuje się ciekłe kryształy w fazie nematycznej skręconej. Innym ważnym parametrem charakteryzującym tą fazę jest skok linii śrubowej P definiowany jako odległość na której oś główna cząstek zatacza pełny okrąg. Skręcone nematyki mają własność selektywnego odbijania światła o długości fali równej skokowi P (pitch).

Na duże zainteresowanie ciekłymi kryształami i sposobami ich wykorzystania wpływa fakt, iż istnieją możliwości zmieniania własności makroskopowych tych substancji za pomocą zewnętrznych oddziaływań pól magnetycznych lub elektrycznych.

2.3 Zjawiska fizyczne

Prawo Malusa

Prawo Malusa jest chyba najważniejszym prawem, w przypadku rozpatrywania ciekłych kryształów. Teraz już wiemy, że światło jest falą poprzeczną, która nie musi mieć żadnego ośrodka, żeby się poruszać, a drgania wykonuje wektor pola elektrycznego. Fala poprzeczna może być spolaryzowana, czyli może posiadać uporządkowane drgania wektora E.

Natężenie światła przechodzącego przez analizator jest proporcjonalne do cos2Θ między przekrojami głównymi analizatora i polaryzatora:

Statyczna przenikalność dielektryczna nematyków

Statyczna przenikalność dielektryczna jest ważnym parametrem, który charakteryzuje odpowiedź układu na przyłożone zewnętrzne pole elektryczne. Jej wartość jest określona przez rozkład ładunków elektrycznych w molekułach (substancje polarne i niepolarne), jak również przez oddziaływania międzycząsteczkowe (anizotropia ośrodka, korelacje międzymolekularne). W nematykach przenikalność dielektryczna jest wielkością tensorową. Wielkość i znak anizotropii dielektrycznej odgrywa istotną rolę w zastosowaniu nematyków do wytwarzania displejów (wyświetlaczy) ciekło-krystalicznych.

Podstawy teoretyczne

Zewnętrzne statyczne pole elektryczne E przyłożone do materiału dielektrycznego indukuje polaryzację P będącą momentem dipolowym jednostki objętości dielektryka. Dla słabych pól P jest proporcjonalne do pola E

P = ε0 (εs - 1) E = ε0 χ E ,

gdzie εs jest względną przenikalnością (stałą) dielektryczną, χ podatnością dielektryczną, zaś ε0 przenikalnością dielektryczną próżni (w układzie cgsE 1/ε0 = 4π). Wszystkie powyższe wielkości odnoszą się do makroskopowych objętości ośrodka dielektrycznego. Stała dielektryczna może być zdefiniowana jako εs = C/C0, gdzie C i C0 są odpowiednio pojemnościami kondensatora wypełnionego di elektrykiem i pustego. Tak więc pomiar εs sprowadza się do pomiaru pojemności.

Jeśli układ składa się z N0 identycznych molekuł (N0 = ρNA/Mcz jest liczbą molekuł w jednostce objętości, NA - stała Avogadro, ρ - gęstość, Mcz - masa cząsteczkowa), to polaryzacja może być wyrażona jako

P = N0 αc Elok,

gdzie αc jest całkowitą polaryzowalnością zawierającą polaryzowalność deformacyjną α∞ i polaryzowalność dipolową αd = µ2/(3kBT) [1-3] (kB - stała Boltzmanna). Elok jest polem lokalnym, które jest większe od zewnętrznego pola E. Kombinując powyższe równania otrzymujemy relację pomiędzy wielkościami makroskopowymi i mikroskopowymi,

ε0(εs - 1)E = N0 αElok

Związek pomiędzy polem lokalnym i polem zewnętrznym jest kluczowym problemem fizyki dielektryków i w ogólności nie został rozwiązany.

W modelu Onsagera dipolowa molekuła zajmuje sferyczną wnękę o promieniu a taką, że molekuły wypełniają przestrzeń: 4πN0a3/3 = 1. Ciągły i nieskończony ośrodek jest polaryzowany przez molekułę wytwarzając pole reakcji F. Ponadto molekuła jest polaryzowana przez pole wnęki charakteryzowane przez parametr h. Parametry te są dane przez

F= (2ε+1)(n2 +2)/3(2ε+n2)

Dla ośrodka anizotropowego, jakim jest faza nematyczna (N), przenikalność dielektryczna jest wielkością tensorową. Dzięki symetrii osiowej fazy N mamy do czynienia z dwiema głównymi składowymi przenikalności, ε|| i ε┴, które definiują anizotropię dielektryczną ∆ε = ε|| - ε┴. Przenikalność ε|| jest mierzona jeśli pole elektryczne E jest równoległe do direktora n, E || n, podczas gdy ε┴ odpowiada geometrii prostopadłej E ┴ n (Rys. 1).

Rys. 1. Geometria eksperymentu dielektrycznego w fazie nematycznej. Orientacje wydłużonych molekuł są statystycznie rozłożone wokół direktora n z średnim kątem θ, definiującym parametr porządku S = (3<cos2θ> - 1)/2. Molekuła posiada moment dipolowy µ tworzący kąt β z osią długą, co prowadzi do pojawienia się składowej podłużnej µl i poprzecznej µt. Pole mierzące E może być albo równoległe (E || n) albo prostopadłe (E ┴ n) do direktora.

TN - Twisted Nematic - skręcony nematyk, jeden z materiałów używanych do produkcji płaskich wyświetlaczy. Nematyki są jednym z trzech typów ciekłych kryształów (oprócz nich są smektyki i kryształy cholesterolowe). Nazwa pochodzi od greckiego słowa nema, co znaczy nić.

Wszystkie ciekłe kryształy mają wydłużone molekuły, które lokalnie układają się równolegle do siebie. W kryształach nematycznych można utworzyć taką strukturę (zwaną skręconym nematykiem), że cząsteczki są względem siebie nieco przekręcone tak, że na dużych odległościach kąt skręcenia może być dowolny. Takie kryształy obracają płaszczyznę polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła. Można tak dobrać parametry, aby płaszczyzna polaryzacji przechodzącego światła obracała się o kąt 900. Jeśli taki nematyk umieścić między dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami, światło łatwo przechodzi przez układ.

Okazuje się, strukturę ciekłego nematyka można czasowo zniszczyć, przykładając doń pole elektrostatyczne Wtedy światło nie przechodzi. Zjawisko to jest wykorzystywane przy konstruowaniu płaskich wyświetlaczy. Skrótem TN określa się zarówno technikę konstruowania wyświetlaczy, jak i same wyświetlacze.

2.4 LCD

Każdy wyświetlacz ciekłokrystaliczny ma symetryczną budowę warstwową. Każda komórka składa się przede wszystkim z dwóch płytek, pomiędzy którymi znajduje się substancja ciekłokrystaliczna. Materiałem, z którego zrobione są te płytki to szkło (najczęściej kwarcowe lub sodowe). Spełnia ono najważniejsze cechy stawiane „obudowie” takiej komórki: jest przezroczyste i mocne pod względem mechanicznym. Współczesne technologie produkcji szkła pozwalają także by było ono niemal idealnie płaskie, co jest niezwykle istotne, gdyż zapewnia stały odstęp między płytkami. Dzięki temu utrzymany jest stały czas przełączania ciekłych kryształów wewnątrz komórki - cecha bardzo ważna w przypadku wyświetlaczy LCD. Grubość pojedynczej płytki szklanej wynosi około 0,7 mm. Górna płytka jest na ogół grubsza, by zapewnić większą wytrzymałość materiałową. Dolna powinna być cieńsza by wyeliminować niekorzystne efekty optyczne.

Następną, bardzo cienką warstwę stanowi materiał przewodzący. Ma on na celu przełączanie komórek ciekłokrystalicznych przez doprowadzenie napięcia (wykorzystanie zjawiska Freederikzsa). Jego niewielka grubość (10 ÷ 50 nm) jest uwarunkowana tym, że musi on być przezroczysty (przezroczystość sięga 90%). Warstwę przewodzącą wykonuje się z takich materiałów jak tlenek indu, tlenek cyny a zwłaszcza tlenek indowo-cynowy (ITO). Może być ona nanoszona na płytkę szklaną np. metodą fotolitografii.

Następnie mamy warstwę orientującą (ustawiającą) o grubości 0,05 ÷ 0,5 μm. Przezroczysta warstwa polimeru naparowywana jest na powierzchnię szklaną i polerowana w jednym kierunku co powoduje odpowiednie ustawienie cząsteczek ciekłokrystalicznych.

Jedną warstwę tworzą ciekłe kryształy razem z przekładką dystansującą, która oddziela poszczególne komórki od siebie. Ponadto określa szerokość warstwy LC i pomaga ustalić jednakową grubość na całej powierzchni wyświetlacza. Może nią być szkło/plastyk albo granulki/substancje włókniste rozproszone w szczeliwie (np. w lepiszczu sklejającym i uszczelniającym). Jej szerokość to około 5 ÷ 50 μm.

Aby komórka LCD mogła spełniać swoje zadanie potrzebne są jeszcze dwa skrzyżowane (obrócone względem siebie o 90°) polaryzatory przymocowane do zewnętrznych powierzchni płytek szklanych (wewnętrzny - polaryzator; zewnętrzny - analizator). Ich grubość wynosi około 0,25 mm.

Środkowa część komórki LCD wypełniona jest ciekłym kryształem nematycznym skręconym. Zatem przez odpowiednie ustawienie (obrócenie o 90° w stosunku do siebie) warstw orientujących kryształy ustawiają się w sposób przedstawiony na poniższym rysunku.

Gdy światło pada na komórkę to najpierw jest polaryzowane przez pierwszy (wewnętrzny) polaryzator. Następnie przechodząc przez warstwę ciekłego kryształu płaszczyzna polaryzacji światła zostaje obrócona zgodnie z rotacją komórek i wychodzi przez drugi polaryzator (analizator). W tym stanie komórka jest przezroczysta.

Natomiast gdy przyłożymy odpowiednie napięcie (tworząc tym samym pole elektryczne) prętopodobne cząsteczki LC, które mają budowę polarną, układają się wzdłuż lini sił pola (prostopadle do powierzchni polaryzatorów). Tym samym ich charakterstyczna, skręcona struktura zostaje zaburzona. Światło przechodząc przez taką „włączoną” komórkę ciekłokrystaliczną nie będzie miał skręcanej płaszczyzny polaryzacji i tym samym zatrzyma się na zewnętrznym polaryzatorze. Komórka sprawia wrażenie czarnej (na tle jaśniejszego tła), tak jakby nie posiadała warstwy ciekłokrystalicznej. Poniższy rysunek dobitnie ilustruje układanie się cząsteczek ciekłokrystalicznego nematyka skręconego podczas obydwu stanów pracy:

Zależnie od natężenia pola elektrycznego wyświetlacze nematyczne skręcone mogą przyjmować stany jasne, ciemne lub pośrodku (odcienie szarości). Ważną dla tego rodzaju wyświetlaczy jest odpowiedź na przyłożone napięcie. Poniższy wykres przedstawia typową charakterystykę kąta wychylenia od przyłożonego napięcia.

W wyświetlaczu TN ilość światła przepuszczanego przez komórkę LCD zależy od kąt wychylenia. Poniższy diagram przedstawia procentową transmisję światła w zależności od przyłożonego napięcia. Należy pamiętać, że maksymalna transmisja wynosi tylko 50% ponieważ używane jest światło spolaryzowane.

Pionowe linie oznaczają napięcia, przy których komórka LCD jest włączana i wyłączana. By wyświetlacz ciekłokrystaliczny działał jak najlepiej, potrzebne jest by napięcia włączenia i wyłączenia były możliwie jak najbliżej siebie. W strukturach bazujących na TN było to trudne do osiągnięcia, dlatego zaczęto stosować nematyki super-skręcone (STN).

W nematykach super-skręconych cząstki ciekłego kryształu są obracane aż o 270° co, jak widać na powyższym wykresie, znacznie poprawia odpowiedź optyczną komórki. Różnica pomiędzy napięciami wyłączenia i włączenia jest niewielka i stany ON oraz OFF są wyraźnie oddzielone.

Warto tutaj wspomnieć o zjawisku odskoku. Jak wiadomo, przy włączaniu i wyłączaniu napięcia na komórce, cząstki ciekłego kryształu dokonują reorientacji. Nie wracają one jednak stopniowo do położenia równowagi, czasami odskakując za daleko. Efekt optyczny jest taki, że komórka przez krótką chwilę migocze. Można to łatwo zaobserwować patrząć pod dużym kątem na cyfry sekundnika w zegarku elektronicznym.

Różne mogą być źródła światła padającego na ekran LCD. W urządzeniach takich jak zegarek elektroniczny czy kalkulator stosuje się wyświetlacz odbiciowy. Polega to na tym, że za polaryzatorem ustawia się warstwę odbijającą (lustro). Gdy nie przyłożymy napięcia światło padające przechodzi przez „przezroczystą” komórkę, odbija się od lustra i wychodzi na zewnątrz. Posiada wtedy charakterystyczną, lekko srebrnawą barwę. Natomiast gdy przyłożymy napięcie do komórki to cząsteczki ciekłokrystaliczne przestają wpływać na polaryzację światła a skrzyżowane ze sobą polaryzator/analizator nie przepuszczają światła.

W przypadku gdy oświetlenie otoczenia jest niewystarczające stosuje się wyświetlacze transmisyjne. Używa się w nich podświetlaczy (znajdujących się za panelem LCD) by zobaczyć obraz. Ponadto takie wyświetlacze pracują w trybie negatywowym, tzn. w takim gdzie tło jest ciemne, a znaki jasne. Takie rozwiązanie stosuje się w ekranach laptopów, w radiach samochodowych i aparaturze medycznej.

Rozwiązaniem pośrednim są wyświetlacze transfleksyjne, które posiadają zarówno lustra odbijające światło z zewnątrz jak i własne źródła światła, które mogą być włączone w każdej chwili. Takie wyświetlacze znajdują zastosowanie w telefonach komórkowych, urządzeniach GPS itp.

Wyświetlacze transmisyjne i transfleksyjne wymagają źródła światła ustawionego za LCD. Technologia ta znana jest jako podświetlenie (ang. backlighting). Istnieje szereg stosowanych technologii podświetlenia:

Elektroluminescencja

W tym rodzaju podświetlenia stosowana jest folia elektroluminescencyjna, bardzo cienka, lekka, zapewniająca bardzo wyrównane oświetlenie. Podświetlenie dostępne jest w wielu kolorach, z białym jako najbardziej popularnym kolorem stosowanym w LCD. Podczas gdy zużycie energii jest niskie, podświetlenie to wymaga prądu zmiennego o napięciu od 80 do 100V. Prąd zapewnia przemiennik - inwerter zmieniający 5, 12 lub 24 V prądu stałego na prąd zmienny o napięciu od 80 do 100V. Podświetlenie EL ma ograniczony czas użytkowania od 2000 do 3000 godzin, kiedy to traci połowę swej jasności.

Dioda świecąca

Podświetlenie przy pomocy LED używane jest przede wszystkim do modułów znakowych. Zapewnia długi okres użytkowania - 50 000 godzin minimum i jest jaśniejsze niż podświetlenie EL. Zasilane jest prądem stałym +5V, jednak zużywa więcej energii elektrycznej niż EL. Zalecane jest stosowanie ograniczającego prąd opornika chroniącego LED. Diody LED montowane są zaraz za ekranem, przez co jest zwiększona grubość wyświetlacza o 4 do 5 mm. Podświetlenie to ma wiele kolorów łącznie z najbardziej popularnym zielono-szarym.

Lampa fluorescencyjna z zimną katodą

CCFL zapewnia niskie zużycie energii i bardzo jasne, białe światło. Stosowane są dwie technologie: tylnego i bocznego oświetlenia. W obu typach źródłem światła jest świetlówka z zimną katoda. Zastosowany dyfuzor rozprasza światło równomiernie w polu widzenia. Podświetlenie boczne zapewnia, że wyświetlacz jest cieńszy i zużywa mniej energii. CCFL wymaga przemiennika - inwertera aby zasilać świetlówkę napięciem 270 do 300V. Podświetlenie to stosowane jest głównie w graficznych wyświetlaczach LCD

i ma dłuższy okres żywotności od 10 000 do 15 000 godzin.

Rodzaje wyświetlaczy LCD

Obecnie wyświetlacze ciekłokrystaliczne są dwojakiego rodzaju - pasywne i aktywne. Pasywne matryce są tańsze w produkcji i mają mniejszy pobór mocy. Za to aktywne matryce posiadają znacznie lepszą jakość obrazu i większe pole widzenia, choć kosztują odpowiednio drożej.

Wyświetlacze siedmio-segmentowe

Wyświetlacze siedmio-segmentowe należą do najprostszych i zarazem najczęściej spotykanych wyświetlaczy LCD. Ich budowa jest następująca: pomiędzy dwoma cienkimi płytkami szklanymi (z naniesionymi elektrodami i warstwami orientującymi) znajduje się szczelina o szerokości kilku mikrometrów, w której znajduje się ciekły kryształ. Jedna płytka zawiera elektrodę o wzorze segmentowym, druga - wspólną dla wszystkich elementów elektrodę bazową. Takie wyświetlacze sterowane są napięciem zmiennym (o częstotliwości od 1 do 20kHz). Ponieważ interesuje nas różnica napięć na elektrodach, zatem gdy chcemy włączyć dany segment wystarczy by przebiegi na górnej i dolnej płytce były przesunięte względem siebie o 180°. Jeśli przebiegi są zgodne w fazie to element jest wyłączony. Takie wyświetlacze znalazły zastosowanie głównie w kalkulatorach i zegarkach ręcznych.

Wyświetlacze z matrycą pasywną

Wyświetlacze z matrycą pasywną to takie, w których płytki ograniczające warstwę ciekłego kryształu stanowią okładki kondensatora (elementu elektronicznie pasywnego). Pasywne matryce mają rzędy elektrod na jednej płytce szkła a kolumny elektrod na drugiej. Gdy przyłożone zostanie napięcie do pary wzajemnie prostopadłych pasków przewodzących komórka/piksel jest włączony. Schematyczny układ elektrod przedstawia poniższy rysunek:

Im większa gęstość pikseli, tym mniejsze muszą być elektrody i tym większe przykładane do nich napięcie. Wysokie napięcie powoduje dodatkowo inny problem: efekty związane z gromadzeniem się ładunku. Gdy jeden piksel jest włączony (czarny), sąsiednie stają się częsciowo aktywne (szare) w związku z wysokim impulsem wytworzonym do aktywowania pierwszego piksel (efekt poświaty). Zmniejsza to kontrast obrazu i obniżają jego ogólną jakość. Ostatnim problem jest czas reakcji materiału ciekłokrystalicznego (w tym przypadku STN -Super Twisted Nematic). Wyświetlacz musi reagować poniżej 40ms być tak samo dobry jak zwykły wyświetlacz kineskopowy. Większość materiałów STN ma czas reakcji od 150 do 200 ms i nie mogą przełączać się dostatecznie szybko. W wyniku tego obraz szybko zmieniający się jest zamglony.

2.5 Matryce TFT

W opisanych wcześniej panelach LCD z matrycami pasywnymi warstwy po obu stronach komórki pełnią rolę okładek kondensatora - stąd określenie element pasywny. Napięcie doprowadzane jest do każdej komórki przez dwa paski przewodzące. Wyświetlacz ten ma długi czas przełączania, gdyż proces ten wymaga zmian zawartości każdej komórki z osobna.

Stosowane obecnie proste multipleksowanie, ponad 200 linii wymaga wyższych napięć sterujących. Ze wzrostem stopnia multipleksowania maleje margines Schemat matrycy TFT, rys. 1

napięć sterujących przyłożonych do

pikseli wysterowanych i nie wysterowanych, maleje także czas, w ciągu którego przyłożone jest do nich napięcie sterujące. Powoduje to zmniejszenie kontrastu, ogranicza kąt dobrego widzenia oraz pogarsza dynamikę procesów przełączania.

TFT to akronim opisujący, obecnie najpopularniejszą, technologię wytwarzania kolorowych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych - Thin Film Transistor służącą do konstruowania wyświetlaczy z matrycą aktywną - ang. Active Matrix.

Schemat matrycy TFT, rys. 2

Matryce aktywne eliminują wspomniane wady. Technika ta umożliwia polepszenie procesu sterowania i „wpisanie informacji” bezpośrednio w piksele - oddzielne sterowanie każdym pikselem - ideę taką zaproponował jako pierwszy człowiek nazwiskiem Lechner.

Przednią warstwę wyświetlacza pokrywa elektroda ciągła.

Sterowanie warstw ciekłokrystalicznych odbywa się za pomocą aktywnych elementów elektronicznych - krzemowych tranzystorów TFT, które w warstwie tylnej pośrednio adresują (odwzorowują) każdy piksel, podają napięcie na okładki kondensatora i utrzymują je tam do chwili kolejnej zmiany Piksel matrycy aktywnej

obrazu.

Matryca aktywna, rys. 3

Jako elementy sterujące można wykorzystać elementy dwójnikowe lub trójnikowe. W przypadku sterownia elementami dwójnikowymi rozpatrujemy połączenie szeregowe pikseli displeja, mających charakter pojemnościowy z elementami nieliniowymi takimi jak: warystory (zaproponowane przez Castelberry'ego), struktury metal-izolator-metal (MIM), struktury przeciwnie skierowanych diod (zaproponowane przez Lechnera) czy też strukturą tzw. pierścień diod ( zaproponowaną przez Togashi'ego). Elementy dwójnikowe pociągają za sobą pewne ograniczenia, które mogą zostać wyeliminowane przez zastosowanie elementów trójnikowych, realizujących funkcję AND (iloczynu logicznego).

W wyświetlaczu korzystającym z matrycy pasywnej elektrody rozmieszczone są na obydwu podłożach każdego elementu ciekłokrystalicznego. Opóźnienie, jakie jest konieczne do zgrania sygnału na obydwu warstwach elektrod, powoduje efekt bezwładności obrazu. W matrycy aktywnej występuje tylko jedna warstwa elektrod co pozwoliło na wyeliminowanie opóźnień - na ekranach TFT efekt bezwładności nie występuje.

Wyeliminowano jest zjawisko poświaty wzdłuż ścieżek przewodzących, bowiem tranzystor TFT całkowicie izoluje dany piksel od pozostałych. Kiedy rząd TFT jest adresowany ich bramki są w stanie włączenia. To pozwala ładunkowi na przepłynięcie z kolumn do pikseli i ustawienie obrazu na dany cykl klatki. Następnie tranzystory są polaryzowane zaporowo i przełącznik jest w stanie wyłączenia (by zapewnić, że żaden ładunek nie przepłynie do piksela). Zatem dany piksel jest całkowicie wyłączony, podczas gdy pozostała część wyświetlacza zostaje adresowana. Materiał ciekłokrystaliczny działa jak kondensator i przechowuje ładunek, który jednak z czasem rozładowuje się (eksponencjalnie). Zatem jeżeli cały wyświetlacz nie może zostać zapisany bardzo szybko (np. 480 rzędów od dołu do góry w jednym cyklu dla VGA) obraz nie będzie jednolity gdyż cząsteczki ciekłokrystaliczne zaczną się odkręcać (od góry ku dołowi ekranu). By zapewnić zachowanie ładunku dla jednej klatki materiału ciekłokrystalicznego podłączony jest równolegle kondensator. Ich łączna pojemność pozwala wyświetlaczom z aktywną matrycą na odpowiednio długi czas włączenia jednego piksela.

Jeśli chodzi o walory użytkowe ekranów z TFT to pozbawione są one zafałszowania kolorów, otrzymujemy kontrast rzędu do 300:1, kąt patrzenia i jasność znacznie większe niż w DSTN. Czas reakcji matrycy na sygnał sterujący wynosi w przybliżeniu 50ms (czas reakcji czas reakcji nematyków skręconych to 40 ms) dzięki czemu wyświetlacze z matrycą aktywną mogą dorównać szybkością odświeżania kineskopom telewizyjnym.

Obecnie materiałem wyjściowym do wykonania matrycy aktywnej jest jedna z płytek podłożowych displeja z przezroczystą elektrodą przewodzącą i naniesioną na nią warstwą np. amorficznego krzemu lub CdSe. Druga z płytek stanowi elektrodę wspólną całego piksela. Element sterujący znajduje się w narożniku każdego piksela. Standardowa kontrola jakości wytworzenia produktu dopuszcza do 12 błędnych pikseli.

Trwają badania nad możliwością zwiększenia rozdzielczości (wytwarzanie tranzystorów o mniejszych rozmiarach) i szybkości przełączania (reakcji na sygnał sterujący) przez zastosowanie krzemu polikrystalicznego.

Główne problemy, jakie występują w technologii wykonywania matryc aktywnych, to:

• uzyskanie masek na odpowiednio duże powierzchnie

• pozycjonowanie masek na dużej powierzchni z bardzo mała tolerancją

• liczba operacji w procesie fotolitografii (im większa liczba procesów, tym większe koszty i możliwość uszkodzeń elementów)

W przypadku wyświetlaczy monochromatycznych każdy z tranzystorów steruje jednym punktem obrazu. W  wyświetlaczach kolorowych każdy piksel jest sterowany przy pomocy trzech - pojedynczy piksel posiada 3 subpiksele (filtrowanie Red-Green-Blue). Przez odpowiednią kontrolę i dzięki różnym wartościom przyłożonego napięcia jesteśmy w stanie osiągnąć 256 odcieni z jakością przewyższającą zwykły kineskop telewizyjny. Przez kombinowanie tymi odcieniami dostajemy 16,8 miliona kolorów! -256r x 256b x 256g. LCD-TFT to technologia, która stanie się standardem. Ceny spadają i monitory ciekłokrystaliczne będą w stanie konkurować z panującą dzisiaj technologią CRT jeśli tylko uda się usunąć parę „niedoskonałości” - jak na przykład rozdzielczość monitorów dedykowaną do ich przekątnej. Dla monitora PC 15'' rozdzielczość robocza wynosi 1024x768 pikseli. Wybór mniejszej powoduje rozmycie obrazu (mimo antyaliasingu). Większa rozdzielczość to bardzo, bardzo duże problemy z odczytywaniem tekstów (gubienie pikseli budujących litery), a co za tym idzie konieczność wykorzystywania software'owych trybów wyświetlania komponentów danego obrazu (np. czcionek) w dużych formatach. Dla typowego użytkownika Windows będą to maleńkie ikonki pulpitu opatrzone duuużymi podpisami.

Oczywiście, w konfrontacji z obecnymi standardami, większość wymienionych tu „niedociągnięć” będzie zauważalna jedynie przez użytkowników z zacięciem do tworzenia w domu własnego kina - rozdzielczość, odświeżanie to kwestie kluczowe w tym przypadku. Podobnie jak wielkość ekranu, a nawet nie każdego kinomaniaka stać będzie na monitor LCD o przekątnej rzędu dwudziestu-kilku cali.

Dla rozwiązań „biurowych” jakość TFT wniesie, a raczej wnosi już na szeroką skalę obraz o ostrości brzytwy i minimalną szkodliwość na skutek praktycznie zerowej emisji szkodliwego promieniowania.

2.6 Przykłady zastosowania technologii LCD

Projektory multimedialne

Podstawowe wymagania stawiane projektorom dotyczą: jakości generowanego obrazu, ceny urządzenia oraz jego gabarytów. Obraz powinien cechować się: odpowiednią jasnością - wystarczającą do pokazania szczegółów bez konieczności zaciemniania pomieszczenia; dużym kontrastem - poprawia czytelność; odpowiednią skalą barw - dla właściwego odbioru przekazywanych treści, zgodnego z intencjami autora. Obraz musi też być homogeniczny, tzn. prawidłowo odwzorowywać duże kolorowe powierzchnie i mieć odpowiednią zbieżność barw. Wymienione powyżej cechy zależne są od zastosowanej technologii. Najważniejszymi parametrami charakteryzującymi projektory są siła światła ( światłość ) i jasność. Mierzy się je odpowiednio: w luksach (lx) i w ANSI lumenach (lm). W uproszczeniu światłość to ilość światła padająca na jednostkę powierzchni, a jasność - ilość światła generowanego przez układ optyczny projektora. Istotny jest też kontrast, czyli stosunek jasności punktów najjaśniejszych do najciemniejszych.

Obraz generowany przez projektor ma gorsze parametry niż na monitorze. Bo na przykład, jak na białej ścianie uzyskać czarny kolor ? Starsze modele projektorów wymagały gaszenia światła podczas prezentacji (gdyż same emitowały słabe światło i w jasnym pomieszczeniu na ekranie po prostu nic nie było widać), zaś najnowsze urządzenia wyświetlają na tyle jasny obraz, że widać go wyraźnie nawet przy świetle dziennym.

Projektory wykorzystują trzy techniki projekcji obrazu: LCD, DLP i CRT.

Projektory LCD

Najpopularniejsza obecnie to technika ciekłych kryształów (LCD), a konkretnie TFT. Światło emitowane przez bardzo silną żarówkę (halogenową, metalowo-halidową lub UHP) przechodzi przez matryce ciekłokrystaliczne, a następnie obraz trafia do soczewek w obiektywie projektora, skąd, powiększony, emitowany jest na zewnątrz projektora, np. na ścianę. W projektorach LCD stosuje się albo jedną matrycę TFT, albo trzy matryce polisilikonowe.

W pierwszym przypadku matryca TFT odpowiedzialna

jest za stworzenie kompletnego obrazu, zaś w drugim

każda z matryc odpowiada za każdy z trzech kolorów

podstawowych (czerwony, niebieski, zielony).

Projektory jednomatrycowe generują obraz

ciemniejszy od projektorów z matrycami

polisilikonowymi, dlatego w najnowszych

urządzeniach stosuje się już tylko to lepsze

rozwiązanie

Technologia trzech aktywnych matryc polisilikonowych oparta jest na trzech niezależnych, pojedynczych wyświetlaczach, po jednym dla każdego z podstawowych kolorów (RGB). Światło emitowane przez silną żarówkę jest rozszczepiane na trzy wiązki o kolorach: czerwonym, niebieskim i zielonym. Wiązki te osobno przechodzą przez odpowiednie

przetworniki ciekłokrystaliczne, wyposażone dodatkowo w odpowiedni filtr barwny, zapobiegający przekłamaniu kolorów. Następnie tak utworzone obrazy łączy się w jedną całość na zespole zwierciadeł i pryzmatów, i kieruje do obiektywu, a stamtąd na ekran.

Projektory z matrycami TFT są co prawda droższe w produkcji, ale oprócz większej jasności pozwalają też uzyskać większą nominalną rozdzielczość obrazu.

Zalety projektorów LCD: łatwa regulacja właściwości obrazu; niewielkie rozmiary; stosunkowo niewielka waga; wysoka jasność; relatywnie niski koszt.

Wady: pojawiająca się na ekranie "siatka"; wrażliwość na wzrost temperatury oraz na wibracje.

Projektory DLP

Chip DMD

Technologia ta została opracowana przez firmę Texas Instruments i jest obecnie szeroko wykorzystywana przez wielu producentów. Sercem układu DLP jest chip DMD, w którym zastosowano kilkaset tysięcy ok. 500 tys. miniaturowych luster wykonanych z aluminium o wymiarach 16x16 mikrona każde, o łącznej powierzchni odpowiadającej wielkości ludzkiego kciuka. Umocowane są na malutkich zawiasach, pod którymi znajdują się komórki pamięci RAM. Każde lusterko może się wychylać ± 10 stopni od położenia 0. Odległości między poszczególnymi lusterkami jest tak mała (1 mikron), że w rezultacie tworzona jest jednolita powierzchnia. Dlatego też projektory DLP wyświetlają obraz o bardzo dużym kontraście - nawet powyżej 2000:1 - pozbawiony jakichkolwiek łączeń widocznych na scenach tworzonych przez urządzenia LCD. Elektroniczne adresowanie komórek pamięci cyfrowym sygnałem 0/1 wyznacza położenie każdego lusterka odpowiednio je wychylając. To decyduje czy lusterko znajduje się w pozycji włączonej, bądź wyłączonej czyli czy wyświetla dany piksel czy nie. Lusterka są zdolne do wychylania się pomiędzy pozycjami wł. / wył. ponad 1000 razy na sekundę. Tak duża prędkość z kolei umożliwia uzyskanie bardzo szerokiego pasma cyfrowo modulowanych odcieni szarości oraz zapewnia wierność odwzorowania kolorów. Białe światło generowane przez lampę przechodzi przez specjalne wirujące koło kolorów (RGB), dzięki czemu pojedynczy chip DLP potrafi wygenerować 16.7 milionów kolorów. Układ wykorzystujący 3 chipy DMD tworzy nie mniej niż 35 trylionów kolorów.

Podstawową zaletą jest uzyskiwanie obrazu o lepszych parametrach w porównaniu z układami LCD, wyświetlany obraz jest ostry i jednolity, a kontrast wyjątkowo duży. Kolory są żywe i prawidłowo wyświetlane.

Coraz większa popularność projektorów DLP świadczy o zaufaniu producentów do tej technologii oraz dużej niezawodności stosowanych rozwiązań.

2

---