Wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD)

Transkrypt

1 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD) Michał Janowicz i Piotr Wojtowicz Wydział EAIiE Katedra Elektroniki Kraków,

2 Wyświetlacz LCD - definicja Wyświetlacz LCD urządzenie, którego zasada działania oparta jest na zmianie polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego

3 Plan prezentacji: 1. Historia ciekłego kryształu 2. Co to jest ciekły kryształ? 3. Powstawanie ciekłych kryształów 4. Systematyka ciekłych kryształów 5. Zastosowania ciekłych kryształów 6. Co to jest wyświetlacz LCD? 7. Wyświetlacze monochromatyczne i kolorowe 8. Rodzaje wyświetlaczy LCD 9. Porównanie LCD z innymi technologiami 10. Nowe technologie wyświetlaczy LCD

4 Historia ciekłego kryształu Friedrich Reinitzer odkrywa naturę ciekłokrystaliczną cholesterolu otrzymanego z marchewek Otto Lehmann publikuje pracę Ciekłe kryształy Charles Mauguin dokonał pierwszego eksperymentu z ciekłym kryształem znajdującym się między dwoma cienkimi warstwami Georges Friedel opisał cienkie kryształy i sklasyfikował je w 3 podstawowe grupy 1936 firma Marconi Wireless Telegraph opatentowało pierwszą aplikację wykorzystującą ciekłe kryształy ("The Liquid Crystal Light Valve") Dr. George W. Gray opublikował pierwszą angielskojęzyczną pracę na temat ciekłych kryształów ("Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals")

5 Historia ciekłego kryształu Richard Williams w laboratoriach RCA odkrył, że ciekły kryształ ma ciekawe właściwości optycznoelektryczne George H. Heilmeier pracując nad odkryciami Williams-a stworzył pierwszy wyświetlacz LCD Lata 60-te XX wieku odkryto nowe typy kryształów mające dobrą stabilność i właściwości temperaturowe przy zastosowaniu w wyświetlaczach LCD 4 grudzień 1970 Hoffmann-LaRoche, Wolfgang Helfrich i Martin Schadt opatentowali w Szwajcarii efekt skręconego nematyka (twisted nematic field effect) w ciekłym krysztale (identyczny patent wniesiono w USA 44 kwietnia 1971) T. Peter Brody stworzył pierwszy wyświetlacz LCD z matrycą aktywną 2007 sprzedaż monitorów LCD przewyższyła sprzedaż monitorów CRT

6 Co to jest ciekły kryształ? W fazie ciekłej cząsteczki mają wielką swobodę ruchu i nie są w żaden sposób uporządkowane, w fazie krystalicznej zaś są bardzo dobrze uporządkowane i nie mają swobody ruchu. Ciekły kryształ jest formą pośrednią cząsteczki mają już swobodę ruchu, jak w fazie ciekłej ale dalej wykazują duże uporządkowanie jak w fazie stałej.

7 Jak to się dzieje, że występuje stan pośredni? Cząsteczki kryształów o kształcie podłużnym przechodząc od stanu krystalicznego do ciekłego uzyskują swobodę ruchu ale przez swój kształt nie mogą się jeszcze tak przemieszczać, by stracić swe uporządkowanie

8 Sposoby otrzymywania ciekłych kryształów Ciekłe kryształy można otrzymać na 2 sposoby: Poprzez ogrzanie stałych kryształów. Nazywa się je wtedy mezofazą termotropową. Jest to możliwe ponieważ kryształy nie topią się od razu, lecz przechodzą do fazy ciekłokrystalicznej. Przejście w ciecz następuje dopiero w wyższej temperaturze. Poprzez rozpuszczenie cząsteczek mających tendencję do tworzenia ciekłych kryształów w odpowiednim rozpuszczalniku. Nazywa się je wtedy mezofazą liotropową.

9 Systematyka ciekłych kryształów Nematyki ciekłe kryształy zbudowane z cząstek o kształcie prętopodobnym lub dyskopodobnym. Ułożone są wzdłuż jednej wyróżnionej osi ale środki ciężkości rozmieszczone są dowolnie

10 Systematyka ciekłych kryształów Smektyki różnią się tym od nematyków, że oprócz ustawienia cząsteczek wzdłuż jednej osi występuje dodatkowo uporządkowanie środków ciężkości molekuł, co powoduje, że układają się one w warstwy.

11 Systematyka ciekłych kryształów Kolumnowe cząsteczki ułożone są w kolumny

12 Systematyka ciekłych kryształów Nematyki skręcone są to nematyki, których kierunek ułożenia cząstek może się zmieniać w różnych warstwach i przyjmować kształt helisy

13 Zastosowania ciekłych kryształów Wyświetlacze LCD Termometry wykorzystują zmianę koloru odbijanego światła w zależności od temperatury Detektory temperatury, zmieniające kolor przy określonej temperaturze Dodatki do farb i emulsji zmiana koloru w zależności od temperatury Elektrycznie przyciemniane szyby w oknie w domu, samochodzie itp.

14 Wyświetlacz LCD - definicja Wyświetlacz LCD urządzenie, którego zasada działania oparta jest na zmianie polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego

15 Czym jest wyświetlacz LCD? Budowa LCD: Cienka warstwa ciekłego kryształu Szklane podłoża Elektrody zmieniające orientację kryształu Warstwy polaryzacyjne prostopadłe względem siebie Źródło światła

16 Czym jest wyświetlacz LCD? Zasada działania LCD: Dwie prostopadłe do siebie elektrody tworzą piksel Różnica potencjałów: kryształy prostopadłe do powierzchni elektrod Brak różnicy potencjałów: obrót polaryzacji światła o 90 Piksel ze zmienioną polaryzacją światła świeci Piksel bez zmienionej polaryzacji światła nie świeci

17 Wyświetlacze monochromatyczne i kolorowe Wyświetlacze kolorowe: Piksel składa się z trzech subpikseli Każdy subpiksel ma filtr koloru Kolory filtrów: czerwony, zielony, niebieski Model kolorów: RGB Człowiek widzi całą gamę barw z powodu trójchromatycznej natury ludzkiego wzroku

18 Rodzaje wyświetlaczy LCD Z matrycą pasywną (passive-matrix) każdy rząd i kolumna ma pojedynczy obwód elektryczny piksele muszą być w tym samym stanie pomiędzy odświeżeniami Z matrycą aktywną (active-matrix) każdy piksel ma dedykowany tranzystor odświeżanie następuje rząd po rzędzie

19 Rodzaje wyświetlaczy LCD Rodzaje technologii z aktywną matrycą: Twissted nematic (TN) najbardziej popularne ograniczony kąt widzenia, zwłaszcza pionowo 18-bitowa reprezentacja kolorów In-plane switching (IPS) stworzone przez Hitachi w celu poprawienia kąta widzenia (1996) porządkowanie cząsteczek tylko w w płaszczyźnie poziomej każdy piksel sterowany dwoma tranzystorami nowe wersje np. poprawiające czas odświeżania (S-IPS) technologia rozwijana także przez LG

20 Rodzaje wyświetlaczy LCD Rodzaje technologii z aktywną matrycą (cd.): Advanced fringle field switching (AFFS) technologia podobna do S-IPS minimalizacja zniekształceń kolorów przy zachowaniu kąta widzenia Vertical alignment (VA) kompromis pomiędzy TN i IPS w warunkach normalnych cząsteczki są ustawione pionowo duży kontrast i szeroki kąt widzenia kosztem jasności i odwzorowania kolorów

21 Parametry wyświetlaczy LCD Własności wyświetlaczy LCD: Rozdzielczość fizyczne wymiary ekranu wyrażone w pikselach Dot pitch odległość między środkami sąsiednich pikseli Wielkość użyteczna parametr wyświatlacza wyrażony przez długość przekątnej ekranu Czas odświeżania czas potrzebny do zmiany koloru lub jasności piksela

22 Parametry wyświetlaczy LCD Własności wyświetlaczy LCD: Aspect ratio Kąt widzenia Jasność wyświetlacza Gama kolorów Kontrast Rodzaj matrycy

23 Inne technologie CRT Budowa: 1. Trzy działa elektronowe 2. Wiązki elektronów 3. Anoda 4. Luminofor 5. Fragment luminoforu Zasada działania: Emitowanie wiązki elektronów przez działo elektronowe Wiązki elektronów odchylane są przez cewki odchylające Przyspieszenie wiązek przez anodę Uderzenie wiązki w ekran pokryty luminoforem powodując jego świecenie

24 Inne technologie CRT Zalety: Znacznie mniejsza cena niż LCD i wyświetlaczy plazmowych Szeroka gama kolorów i duża gradacja odcieni Szeroki kąt widzenia bez straty jakości Duża żywotność i łatwiejsza naprawa Wady: Duże gabaryty Zniekształcenia w narożnikach ekranu Kineskop emituje szkodliwe dla zdrowia promieniowanie

25 Inne technologie wyświetlacz plazmowy Budowa: Dwie szklane płyty Komory z mieszaniną gazów wyłożone luminoforem Elektrody sterujące Warstwa izolatora Zasada działania: Doprowadzenie mieszaniny gazów w zamkniętych komorach do stanu plazmy Zjonizowane gazy emitują fotony światła ultrafioletowego Pobudzenie luminofora do emisji światła widzialnego

26 Inne technologie wyświetlacz plazmowy Zalety: Płytki, łatwy do zamontowania na ścianie Szerszy kąt widzenia niż w LCD Lepszy współczynnik kontrastu niż LCD Większa głębia czerni niż w LCD Duży deklarowany czas działania (do godzin) Wady: Większe zużycie prądu niż LCD Większa masa niż panele LCD Trudności techniczne przy budowie małych ekranów Tendencja do nierównego wypalania luminoforu

27 Nowe technologie w wyświetlaczach LCD Wyświetlacze nie wymagające zasilania do podtrzymywania informacji: ZBD LCD (ang. zenithal bistable device) kryształ może znajdować się w jednym z 2 stanów stabilnych białym i czarnym, zasilanie potrzebne jest jedynie do zmiany wyświetlanej informacji Projekt Francuskiej firmy Nemoptic - zeropower paper-like LCD; zastosowanie jako e- papier Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Crystals (ChLCD) wyświetlacz firmy Kent Displays który również nie potrzebuje zasilania do podtrzymania wyświetlanej informacji

28 Podsumowanie Ciekły kryształ to faza pośrednia pomiędzy krystalicznym i ciekłym stanem skupienia materii Najpopularniejszym zastosowaniem ciekłego kryształu są wyświetlacze LCD Wyświetlacz LCD to urządzenie działające w oparciu o zmianę polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu Obecnie najpopularniejsze są wyświetlacze z aktywną matrycą w technologii Twissted Nematic (TN) Nie da się jednomyślnie określić, który rodzaj wyświetlaczy jest najlepszy

29 Dziękujemy za uwagę!

30 Bibliografia