Что такое TFT LCD?

TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) – сокращенное название жидкокристаллического индикатора на тонкопленочных транзисторах. Сечение TFT-панели показано на рис.1.

Рис.1 Сечение TFT-панели

Введение в структуру ЖКИ. Поляризаторы.

Верхний поляризатор может поляризовать рассеянный свет от случайной поляризации в заданном направлении поляризации. До приложения электрического поля к электродам жидкие кристаллы выровнены в скрученную структуру. Свет в этом случае изменяется в соответствии со скрученной структурой жидких кристаллов. Нижний поляризатор сориентирован перпендикулярно верхнему поляризатору. Когда свет достигает нижнего поляризатора, оба поляризатора оказываются выровненными друг с другом. Свет может беспрепятственно проходить через них, как показано на рис.2.

Рис.2 Скрученная структура жидких кристаллов

Стеклянная подложка, подложка TFT и подложка цветового фильтра

С помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ (рис.3). Стекло TFT имеет столько транзисторов, сколько пикселей содержит дисплей, а генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра, имеющего фильтр цвета. Движение жидких кристаллов вызывается разностью потенциалов между электродами, находящихся на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение жидких кристаллов приводит к генерации цвета и оно же определяет яркость ЖКИ.

Рис.3 Стеклянные подложки TFT и цветового фильтра

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы – почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Две стеклянные пластины, герметизированные эпоксидной смолой и имеющие щель в левом углу, позволяют ввести жидкие кристаллы (в вакууме) до окончательной герметизации стеклянных пластин. Разность потенциалов определяет ориентацию жидких кристаллов. Различия в ориентации жидких кристаллов приводят к различиям в коэффициенте пропускания (или отражения) и получаемым цветам в случае, когда используются поляризаторы и цветовой фильтр. Жидкие кристаллы – это субстанции, демонстрирующие различные фазы (твердое тело, жидкий кристалл или жидкость) при разных температурах (рис.4).

Рис.4 Различные фазы жидкокристаллического вещества

Выравнивающая пленка

Пленка наносится на две стеклянные пластинки (верхнюю и нижнюю) и имеет ряд параллельных канавок, обеспечивающих выравнивание молекул жидких кристаллов в соответствующем направлении (риc.5 имеет ряд параллельных канавок, обеспечивающих выравнивание молекул жидких кристаллов в соответствующем направлении ).

Рис.5 Выравнивание молекул жидких кристаллов

Введение в управление жидкими кристаллами

Развитие жидких кристаллов

Жидкие кристаллы были открыты более 100 лет назад. Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и даже полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры. За прошедшие годы были предприняты большие усилия для совершенствования жидких кристаллов, и результатом явилось их широкое использование в электронных калькуляторах и цифровых часах. В настоящее время цветные ЖКИ имеют еще больший диапазон применений: сотовые телефоны, персональные компьютеры и телевизоры, обладающие малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью. Кроме того, в обозримом будущем прогнозируется впечатляющий рост востребованности панелей ЖКИ, связанный с быстро развивающейся популярностью плоских дисплеев.

Рис.6 Реакция ЖК- вещества на приложение внешнего поля

Как работают жидкие кристаллы

При подаче напряжения к двум электродам ЖКИ молекулы жидких кристаллов «раскручиваются» тем сильнее, чем выше приложенный потенциал (рис.6). Чувствительность к электрическому напряжению - одна из основных особенностей жидких кристаллов. На рис.7 показан нормальный «белый» режим работы ЖКИ. Свет может проходить через слои жидких кристаллов, пока к ним не приложено никакой разности потенциалов, и молекулы жидких кристаллов будут изменять ориентацию световой плоскости в соответствии с их собственными углами. Однако при приложении напряжения жидкокристаллические молекулы будут «раскручивать» и «выпрямлять» свет, направляющийся к верхнему поляризационному фильтру. Поэтому свет не сможет пройти сквозь активную область ЖКИ, и эта область будет темнее окружающих зон.

Рис.7 Прохождение света через ЖКИ

Метод управления жидкими кристаллами

На рис.8 показана схема управления жидкими кристаллами. В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается и на жидкие кристаллы подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. Когда переключатель выключатся, определенный заряд сохраняется в Clc, при этом величина напряжения на Clc будет со временем понижаться. Для расширения возможностей хранения заряда можно рассмотреть добавление параллельно Clс запоминающего конденсатора Cst.

Рис.8 Схема управления жидкими кристаллами

Запоминающий конденсатор

Фактически управление жидкими кристаллами должно производиться переменным напряжением. Для активации ЖКИ напряжение подается только при включенном переключателе, после чего переключатель немедленно отключается. В некоторых случаях напряжение на жидких кристаллах будет падать из-за наличия утечек. Для предотвращения такой ситуации мы можем использовать один параллельный конденсатор для компенсации напряжения утечки. При увеличении емкости Cst форма напряжения на нем приближается к меандру (рис.9).

Рис.9 Компенсирующее действие запоминающего конденсатора

Как работает жидкокристаллический индикатор на TFT

TFT выполняет роль переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока подключен к линии данных, а вывод стока соединен с Clc и Cst. Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении будут записаны в Clc и Cst. Когда затвор не выбран, канал TFT закрыт (рис.10).

Рис.10 Схема работы ячейки TFT-ЖКИ

Основа структуры TFT-ЖКИ

Основа структуры TFT-ЖКИ содержит жидкие кристаллы, два поляризатора и стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими двумя стеклянными пластинами (рис.11).

Рис.11 Структура TFT-ЖКИ

Регулирование потока света

Управляя величиной входного напряжения, подаваемого на жидкие кристаллы, можно изменять расположение молекул, их ориентацию и направление, что приведет к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через жидкие кристаллы (рис.12).

Рис.12 Регулирование светового потока

Формирование цвета

При прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный в верхнее цветное стекло, формируется каждый отдельный пиксель изображения путем смешивания базовых цветовых элементов RGB (R-красный, G-зеленый и B-голубой). Если красный, зеленый и голубой элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый свет. Путем регулировки соотношения этих трех элементов получают необходимое количество разнообразных цветов.

Рис.13 Формирование цвета