Как работают жидкокристаллические дисплеи? Что такое ЖК-дисплей? - Подробное техническое объяснение

1. жидкий кристалл

1.1 Что такое ЖК-дисплей

Мы все знаем, что материя имеет три состояния: твердое, жидкое и газообразное. Эти три состояния также можно назвать твердой фазой, жидкой фазой и газообразной фазой. Большинство веществ в природе находятся в твердом, жидком и газообразном состояниях при изменении температуры. Например, вода, соль и вещества, состоящие из каждого элемента в периодической таблице. Ее составные части, такие как молекулы воды или атомы кремния, в основном похожи на маленькие шарики. По мере понижения или повышения температуры расположение составных частей изменяется от последовательного неупорядоченного расположения до аккуратного и упорядоченного расположения. То есть от жидкой фазы к газовой фазе или твердой фазе. В кристаллах упорядоченное расположение составных частей означает, что каждая составная часть находится в определенном положении, нелегко течь и расположена регулярно. Пока люди знают правила ее расположения, они могут начать с составной части и найти их в соответствии с законом. Другая единица, строгий пространственный порядок. В дополнение к твердому состоянию, жидкому состоянию и твердому состоянию, которые мы знаем, некоторые вещества в процессе перехода из твердого состояния в жидкое состояние не переходят напрямую из твердого состояния в жидкое, а дают промежуточное состояние. Вещество в промежуточном состоянии, внешне напоминающее мутную жидкость. Но его оптические свойства и некоторые электрические свойства подобны кристаллам.

Является анизотропным, например, характеристики двойного лучепреломления. По мере повышения температуры различные мутные вещества станут прозрачными и однородными жидкостями по мере повышения температуры. И наоборот, когда такие вещества переходят из жидкого в твердое состояние, они также проходят через промежуточное состояние. Все виды веществ, которые могут иметь как жидкое, так и кристаллическое состояние в определенном диапазоне температур, называются жидкими кристаллами, также известными как жидкокристаллическая фаза, мезофаза или промежуточная фаза, также известные как четвертое состояние вещества.

1.2 Происхождение жидких кристаллов

Жидкие кристаллы были впервые обнаружены в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. При измерении температуры плавления некоторых веществ было обнаружено, что некоторые вещества (бензоат и эфир липостеролов) будут проходить через непрозрачное белое мутное жидкое состояние после плавления и испускать красочный и красивый блеск. Станут прозрачной жидкостью. В 1889 году немецкий физик О. Леманн наблюдал эти липидные соединения с помощью поляризационного микроскопа с нагревательным устройством, сконструированным им в то время. Он обнаружил, что этот вид белого мутного вещества внешне похож на жидкость. Однако он проявляет двулучепреломление, характерное для анизотропных кристаллов. Поэтому Леманн назвал его «жидким кристаллом». Так возник ЖК-дисплей.

Для получения более подробной информации обратитесь к этой статье: Как был изобретен жидкокристаллический дисплей? История развития технологии экранных дисплеев.

1.3 Типы ЖК-дисплеев:

С развитием науки и улучшением понимания людьми было обнаружено, что жидкокристаллические вещества в основном являются органическими соединениями. Одно из каждых 200 существующих органических соединений демонстрирует жидкокристаллическую фазу. С точки зрения состава и физических условий появления жидкокристаллических фаз жидкие кристаллы можно разделить на две категории: термотропные жидкие кристаллы и лиотропные жидкие кристаллы. Когда некоторые органические вещества нагреваются и растворяются, жидкие кристаллы образуются из-за разрушения кристаллической решетки при нагревании, что называется термотропными жидкими кристаллами, то есть некоторые вещества появляются жидкокристаллические фазы из-за нагревания, как упоминалось в предыдущих нескольких. Аналогично, некоторые органические вещества помещаются в определенный растворитель, и жидкий кристалл, образованный из-за того, что растворитель разрушает кристаллическую решетку, называется растворенным жидким кристаллом. Это жидкокристаллическая фаза, которая появляется из-за изменения концентрации раствора. Наиболее распространенными являются мыльная вода и так далее. В настоящее время большинство материалов для отображения являются термотропными жидкими кристаллами. На сегодняшний день обнаружено более 20,000 XNUMX видов жидких кристаллов.

Среди многочисленных жидких кристаллов наиболее изученным жидким кристаллом является единичный жидкий кристалл, состоящий из простых стержнеобразных органических молекул, которые наиболее широко используются в технологии отображения. Все виды молекул обычно имеют структуру, показанную на рисунке (1): молекула Жесткое ядро ​​состоит из двух бензольных колец и функциональной группы в середине, а на обоих концах ядра находятся более мягкие алкильные группы или другие более мягкие органические молекулярные цепи. Как показано на рисунке (1), в плавящейся цепи находится эпоксидная смола Структура смолы делает молекулу хиральной молекулой.

В зависимости от различного расположения молекул жидких кристаллов их можно разделить на три категории: нематические жидкие кристаллы, холестерические жидкие кристаллы и смектические жидкие кристаллы.

Фигура 1)

1.3.1 Нематический жидкий кристалл:

Центр тяжести молекулярной разновидности нематического жидкого кристалла хаотичен и неупорядочен, так что он может течь как обычная жидкость, но директора молекулярных стержней примерно одинаковы, как показано на рисунке (2).

1.3.2 Холестерический жидкий кристалл:

В холестерических жидких кристаллах расположение центров тяжести молекул неупорядочено, но ориентация молекул

Вектор указывает примерно в одном направлении в плоскости. в направлении, перпендикулярном этой плоскости. Директор молекулы будет вращаться, образуя спиральную структуру, как показано на рисунке (3):

1.3.3 Смектический жидкий кристалл:

В смектических жидких кристаллах молекулы образуют слоистую структуру. Толщина молекулярного слоя составляет около длины одной молекулы. Молекулы расположены перпендикулярно плоскости молекулярного слоя, а центр тяжести молекул разупорядочен в молекулярном слое, образуя слоистую двумерную жидкость. Как показано на рисунке (4)

Рисунок(2)(3)(4)

Подводя итог, жидкие кристаллы можно грубо разделить на три вышеуказанные категории. Различные типы жидких кристаллов обладают различными физическими свойствами из-за их различных структур. Из-за особого стабильного температурного диапазона жидкокристаллического материала с термотропной анизотропией выше комнатной температуры. Только этот тип жидких кристаллов может быть использован в качестве материала дисплея. Кристаллическая структура настолько прочна, что на нее легко влияют внешние воздействия, такие как электрические поля, магнитные поля, температурное напряжение и адсорбированные примеси. Поэтому ее оптические свойства легко изменить. Это слабое молекулярное расположение жидких кристаллов является ключевым условием для того, чтобы жидкие кристаллы имели широкий рынок сегодня.

2. ЖК-монитор

Жидкий кристалл имеет фиксированный дипольный момент, поэтому приложение электрического поля может перемещать ось молекул жидкого кристалла, и тогда расположение молекул жидкого кристалла изменится. Тем самым изменяя его оптические свойства для достижения эффекта отображения. Это основной принцип жидкого кристалла как дисплея.

2.1 Что такое ЖК-дисплей:

Используя различные электрооптические эффекты жидких кристаллов, изменения граничных условий, таких как электрическое поле, магнитное поле, свет и температура, могут быть преобразованы в визуальные сигналы при определенных условиях. Это называется жидкокристаллическим дисплеем, который обычно представлен ЖК-дисплеем. Жидкий кристалл был впервые использован при производстве дисплеев корпорацией RCA в США в мае 1968 года и широко использовался в бытовых, промышленных и военных дисплеях, таких как часы, калькуляторы, приборы, ноутбуки, мобильные телефоны, пейджеры, электронные домашние животные, карманные цветные телевизоры, большие плоские панели и проекционные телевизоры.

2.2 Преимущества и недостатки жидкокристаллического дисплея:

Технология отображения информации становится все более важной с развитием информационной социализации, и жидкокристаллические дисплеи имеют много преимуществ по сравнению с другими дисплеями; Плоский дисплей, небольшой размер, легкий вес, удобство переноски; Низкое энергопотребление и низкое напряжение управления; Длительный срок службы, как правило, более 50,000 XNUMX часов; Не содержит вредных излучений и безвреден для человеческого организма; Пассивный дисплей, его трудно мыть ярким светом; Простота управления, может напрямую управляться большими интегральными схемами; Простая структура, нет сложных механических деталей; Низкая стоимость строительства.

При широком применении жидкокристаллических дисплеев люди также могут обнаружить некоторые недостатки: поскольку это пассивный компонент и он не излучает свет, ему необходимы другие источники света, чтобы быть видимым в темноте; ограниченные углы обзора; скорость отклика (30–120 мс) не такая хорошая, как у других компонентов; жизнь не смогла стать полупостоянным компонентом.

3. Классификация ЖК-дисплеев

3.1 Существует много типов жидкокристаллических дисплеев, которые в зависимости от метода отображения можно разделить на пропускающие и отражательные, дисплеи прямого видения и проекционные дисплеи.

3.1.1 Северная сторона пропускающего ЖК-дисплея оснащена люминесцентными лампами, электролюминесцентными электродами и другими источниками света. Поэтому его можно использовать и при слабом внешнем освещении.

3.1.2 Отражающий тип представляет собой светоотражающий лист из алюминиевой фольги, прикрепленный к внешней стороне стеклянной подложки на задней стороне ЖК-дисплея для отражения падающего света ЖК-дисплея для отображения. В режимах TN и STN поляризатор и морщинистый отражатель прикреплены к задней стеклянной подложке. Этот отражающий тип в полной мере использует низкое энергопотребление нелюминесцентных ЖК-дисплеев.

3.2 ЖК-дисплеи, изготавливаемые с использованием фотоэлектрического эффекта, условно делятся на следующие типы: TN-LCD, STN-LCD, HTN-LCD, FSTN-LCD и TFT-LCD.

 3.2.1 TN-LCD — это скрученный нематический жидкокристаллический дисплей. Мы все знаем, что молекулы жидких кристаллов в основном параллельны расположению базовой пластины, но ориентация верхних и нижних молекул жидких кристаллов скручена, и общий скручивание составляет 900, TN-LCD — это самый ранний, наиболее широко используемый, самый большой и дешевый дисплей. Процесс производства TN-LCD в основном отработан, и в настоящее время он в основном производится в Сингапуре, Тайване, материковом Китае и других регионах. Сейчас Китай является основной производственной базой TN-LCD. ЖК-дисплеи, которые мы обычно видим в электронных часах, калькуляторах, игровых консолях и т. д., в основном являются TN-LCD.

3.2.2 STN-LCD — это аббревиатура Super Twist Liquid Crystal Display. То есть, суперскрученный нематический ЖК-дисплей. По структуре он похож на TN-LCD, разница в том, что его угол скручивания составляет не 90°, а от 180 до 270, хотя это всего лишь угол скручивания, его принцип работы полностью отличается от принципа работы TN-LCD. STN-LCD — это продукт среднего класса в современном производстве ЖК-дисплеев. Он обладает характеристиками отображения большего количества информации, чем TN-LCD, и в основном используется в различных приборах, китайских дисплейных машинах, блокнотах, ноутбуках и т. д. Процесс производства STN-LCD в основном отработан, но основная технология находится в руках нескольких стран, таких как Япония и Южная Корея. В Китае насчитывается более десяти компаний по производству STN-LCD.

3.2.3 HTN-LCD — это аббревиатура Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display. То есть, сильно скрученный нематический жидкокристаллический дисплей. HTN-LCD по структуре похож на TN-LCD и STN-LCD. Просто угол скручивания HTN-LCD составляет 100°~120°, между TN-LCD и STN-LCD. В настоящее время существует не так много HTN-LCD, и их производительность находится между TN-LCD и STN-LCD.

3.2.4 FSTN-LCD — это аббревиатура Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display. Это Film относится к компенсационной пленке или замедляющей пленке, поэтому FSTN-LCD называется компенсационной пленкой super twisted nematic liquid crystal display. Недостатки STN-LCD можно преодолеть с помощью специально обработанной компенсационной пленки.

3.2.5 TFT-LCD — это активная матрица LCD с тонкопленочными транзисторами, которая является продуктом высочайшего класса на современном рынке LCD. В основном она используется в ноутбуках, ЖК-телевизорах и т. д. Процесс производства TFT-LCD относительно сложен, а цена относительно высока. В настоящее время Япония и Южная Корея являются относительно зрелыми странами в мире для производства TFT-LCD. В моей стране только провинция Цзилинь планирует инвестировать в линии по производству TFT-LCD.

4. Устройство, принцип работы и основные технические показатели ЖК-дисплеев (на примере TN-LCD).

4.1 Структура ЖК-дисплея  

① Поляризатор; ② Стеклянная подложка; ③ Барьерный слой SIO2; ④ Электрод; ⑤ Ориентационная пленка; ⑥ Уплотнительная рамка; ⑦ Переходный электрод; ⑧ Жидкий кристалл;

4.2 Принцип работы ЖК-дисплея:

Чтобы понять, как работают ЖК-дисплеи, нам сначала нужно понять, что такое свет. Это электромагнитная волна. То есть электромагнитное поле распространяется в виде волн. Диапазон длин волн света, видимого человеческим глазом, составляет примерно от 380 до 780 нанометров.

Обычно свет распространяется по прямой линии, а направление колебаний световых волн перпендикулярно направлению распространения света. Для естественного света (например, солнечного света) в каждой плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, направления колебаний световых волн распределены случайным и равномерным образом.

Если направление колебания световой волны совпадает с одним направлением, такой свет называется поляризованным, а это направление колебания называется направлением поляризации. Плоскость, образованная направлением поляризации и направлением распространения световой волны, называется плоскостью колебания.

Поляризаторы имеют фиксированную ось поляризации. Функция поляризатора заключается в том, чтобы пропускать только тот свет, направление вибрации которого соответствует направлению его оси поляризации. Свет, направление вибрации которого перпендикулярно оси поляризации, будет им поглощен. Таким образом, когда естественный свет проходит через падающий поляризатор жидкокристаллической ячейки (называемый ее поляризатором), остается только свет с тем же направлением вибрации, что и ось поляризации поляризатора.

То есть линейно поляризованный свет. Поляризованный свет проходит через жидкокристаллическую ячейку и затем выходит через поляризатор (называемый анализатором). Таким образом, прохождение света через анализатор зависит от состояния поляризации линейно поляризованного света после прохождения через жидкокристаллическую ячейку. Тем самым управляя состоянием света, проходящего через анализатор, для реализации отображения.

В частности, молекулы жидкого кристалла в ячейке жидкого кристалла типа TN образуют скрученную структуру. При определенных условиях поляризация падающего света будет вращаться вдоль направления скручивания молекул жидкого кристалла. Длинная ось молекул жидкого кристалла скручивается на 90°, что приводит к оптическому вращению на 90°. Когда определенное напряжение подается на электроды на двух стеклянных листах, молекулы жидкого кристалла преобразуются в расположение, перпендикулярное верхнему и нижнему стеклянным листам, и скрученная структура исчезает, в результате чего Оптическое вращение исчезает, и этот электрооптический эффект называется эффектом скрученного электрического поля.

Для черно-белого жидкокристаллического дисплея верхний и нижний поляризаторы размещаются ортогонально. То есть оси поляризации перпендикулярны друг другу, и падающий естественный свет становится плоскополяризованным светом после прохождения через поляризатор. Когда электрическое поле не приложено к жидкокристаллической ячейке, поляризованный свет будет скручен вдоль скрученной структуры молекулы на 90°, направление вибрации станет согласованным с осью поляризации анализатора, поэтому он может плавно проходить через анализатор, и дисплей в это время находится в прозрачном состоянии, и находится в состоянии отсутствия отображения, и управляющая схема добавляет напряжение управляющего сигнала к соответствующим электродам, которые должны быть отображены, скрученная структура этой части молекул жидкого кристалла исчезает. Потерянная оптическая мощность. Поляризованный свет от поляризатора идет напрямую в анализатор без изменения. Поскольку его направление поляризации перпендикулярно оси анализатора. Поляризованный свет не сможет пройти через анализатор, поэтому та часть электрода, которая проходит через сигнальное напряжение, будет выглядеть черной в состоянии отображения.

4.3 Основные технические показатели ЖК:

4.3.1 Характеристики электрооптического отклика:

Относительная светопропускаемость жидкокристаллического дисплея изменяется с изменением напряжения внешнего сигнала, что является характеристикой электрооптического отклика, которая является одной из важнейших характеристик.

4.3.2 Контраст:

Контрастность жидкокристаллического дисплея — это отношение относительной светопропускаемости состояния отображения и состояния отсутствия отображения. Когда контрастность ≥5, изображение четкое.

4.3.3 Перспектива:

Коэффициент контрастности ЖК-дисплея связан с углом обзора (то есть углом обзора человеческих глаз). Характеристика, согласно которой контрастность меняется в зависимости от угла обзора, называется характеристикой угла обзора. Индикатор характеристики угла обзора. Как правило, минимально допустимое значение контрастности определяется для изучения диапазона углов обзора, где контрастность больше этого значения, и этот диапазон называется конусом угла обзора. Например, когда коэффициент контрастности ЖК-дисплея = 3, значение угла обзора. Его верхний угол обзора составляет 10°, его нижний угол обзора составляет 40°, а его левый и правый углы обзора составляют 30°.

Угол обзора — это угол между направлением обзора и нормалью устройства отображения. Направление обзора (квадрант наилучшего угла обзора): Дисплеи на основе скрученных нематических жидких кристаллов имеют оптимальное направление обзора, а общий передний угол обзора (положительный угол обзора) определяется из угла θ этого направления.

Одним из недостатков ЖК-дисплеев по сравнению с другими дисплеями является их узкий диапазон углов обзора. Если произведение толщины ячейки и анизотропии показателя преломления жидкого кристалла △n*d=0.5 мкм или около того, характеристики угла обзора устройства будут значительно улучшены. Но его производственная среда более требовательна.

4.3.4 Время отклика:

ЖК-дисплеи часто отображают меняющиеся изображения. Время реакции человеческого глаза составляет порядка нескольких миллисекунд. Поэтому реакция на смену отображаемого изображения и изменение напряжения сигнала не должна быть ниже этой скорости. Время отклика для описания динамических характеристик жидкокристаллического дисплея обычно выражается тремя константами, такими как время задержки, время нарастания и время спада.

4.3.5 Потребляемая мощность:

Потребляемая мощность — это энергия, потребляемая работой ЖК-дисплея, обычно порядка микроватт/квадратный сантиметр, и низкое энергопотребление — одно из самых больших преимуществ ЖК-дисплея. Потребляемая мощность ЖК-дисплея зависит от площади отображения, напряжения и частоты возбуждения, удельного сопротивления жидкого кристалла, диэлектрической проницаемости и толщины ячейки и т. д. Среди них положительное удельное сопротивление жидкого кристалла легко резко падает, когда жидкий кристалл загрязняется. Поэтому правильная консервация жидких кристаллов очень важна.

4.3.6 Температурные характеристики:

Мы знаем, что жидкокристаллические материалы проявляют жидкокристаллическое состояние только в определенном диапазоне температур, и даже в пределах температурного диапазона жидкокристаллического состояния изменения температуры будут влиять на физические параметры жидкокристаллического материала. Такие как вязкость, диэлектрическая проницаемость и упругая постоянная и т. д.

5. Сырье, используемое для производства ЖК-дисплеев, и процессы производства ЖК-дисплеев.

5.1 Сырье, используемое в производстве ЖК-дисплеев, относится к сырью, которое остается в продукте после производства ЖК-дисплея. В основном это: жидкий кристалл ITO-стекла, поляризатор, жидкость PI, клей для трафаретной печати (клей для печатной рамки, проводящий клей), герметизирующий клей, порошок Ni, пластиковая прокладка и т. д. В общем, три основных сырья для ЖК-дисплеев: жидкий кристалл, стекло ITO и поляризатор. Вспомогательные материалы для производства ЖК-дисплеев относятся к сырью, которое используется в процессе производства и не присутствует в конечном продукте, например: фоторезист и разбавитель, NMP, разбавитель PI, жидкость BC, разбавитель SiO2, абразивная ткань, изопропанол, этанол, ацетон, чистящее средство, кислота, щелочь и т. д.

5.2 Вышеперечисленное является сырьем, которое мы знаем об использовании ЖК-дисплеев. Фактически, процесс производства ЖК-дисплеев и процесс производства ЖК-дисплеев являются процессом обработки и комбинирования этого сырья. Конкретная технологическая схема выглядит следующим образом: Подготовка материала; Очистка и сушка; Склеивание; Фронтальная выпечка; Экспонирование; Проявление; Склеродермия; Травление; Удаление пленки; Покрытие выравнивающей пленки; Предварительная сушка и отверждение; Ориентация; Шелкография; Нанесение; Подгонка (комбинирование); Отверждение; Резка; Заполнение LC; Герметизация (дозирование и цементирование); Очистка; Небольшие трещины, очистка; Перенаправление (выпечка); Визуальный осмотр; Электрический осмотр; Резка и склеивание; Окончательный осмотр; Упаковка; Складирование