eng
Выпуск #6/2012
А.Андреев, И.Компанец
Жидкокристаллические дисплеи. Перспективы развития. Часть I
Жидкокристаллические дисплеи. Перспективы развития. Часть I
Просмотры: 3308
Рассмотрены требования к ЖК-материалам и дисплеям нового поколения и указаны ограничения современных нематических ЖК (НЖК). Показаны скоростные возможности смектических ЖК (СЖК), обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Рассмотрены возможные уникальные параметры и применения дисплеев на основе новых СЖК.
Теги: 3d display 3d screen 3d-дисплей electrooptical response microdisplay slc микродисплей объемный экран сжк электрооптический отклик
Общие тенденции развития дисплеев
По данным аналитических и маркетинговых компаний DisplayBank, iSuppli, DisplaySearch и Insight Media., ежегодно, за исключением недавнего кризиса, прирост производства ЖКД составлял не менее 15%. Так, если в 2009 году было выпущено 130 млн. телевизионных НЖК-экранов, то, по прогнозам этих компаний, в 2015 году таких экранов будет произведено уже 200 млн. (общий объем производства 240 млн. ТВ-экранов) (рис.1). Наиболее общими тенденциями развития дисплеев независимо от их типа и конкретного назначения считаются [1–3]:
совершенствование трехмерных (3D) технологий отображения информации и расширение их применений;
увеличение объема отображаемой информации при неизменной рабочей апертуре дисплейного экрана, т.е. повышение его разрешающей способности (формата);
повышение качества отображаемого на экране изображения, т.е. уменьшение шумов, увеличение диапазона регулировки яркости, контраста, цветовой насыщенности изображения, а также сохранение этих параметров в течение длительного времени;
обеспечение экологически наиболее чистого производства.
Не будем обсуждать проблему экологии, так как она одинаково учитывается при изготовлении всех основных типов дисплеев. Что касается сохранения параметров дисплея в течение длительного времени, то ЖКД здесь пока вне конкуренции. Срок службы дисплеев на основе матрицы колеблющихся мембранных микрозеркал в силу механического принципа их работы обычно составляет три года непрерывной работы. Правда, для многих дисплейных применений и этого вполне достаточно. Дисплеи на органических светодиодов (OLED), уже многие годы считающиеся весьма перспективными с точки зрения упрощения технологии изготовления и повышения яркости экрана, пока так и не нашли широкого применения из-за ухудшения со временем голубого цвета свечения. Используются лишь OLED-дисплеи небольшого формата (в основном в смарт-приборах), так как в них легче обеспечить стабильность свойств. Но благодаря развитию технологии и поддержке ее инвестициями [3, 4] ситуация с OLED-дисплеями меняется. Так, на последней международной выставке потребительской электроники CES 2012 компания Samsung представила телевизор на основе OLED с диагональю 55 дюймов [5].
Цветовая насыщенность (gamuth) легче обеспечивается в дисплеях со спектрально более узкими RGB-компонентами, т.е. не в светоизлучающих, а в модулирующих излучение экранах на основе ЖК и микрозеркал при использовании в качестве внешних источников света лазеров и светодиодов. Они же могут обеспечить и высокую яркость изображения, особенно в отражающих свет микрозеркальных дисплеях. Поэтому яркость светоизлучающих и светомодулирующих телевизионных ЖК-экранов (пока только со светодиодной подсветкой) сейчас практически одинакова и составляет 500–1000 кд/м2.
Яркость и качество изображения современных дисплеев стараются улучшить за счет перехода от пространственного метода формирования цвета с помощью элемента изображения (пиксела), состоящего из трех подпикселов (триады) с разными RGB-фильтрами, к методу последовательной во времени смены цветов на одном единственном элементе (рис.2). В этом случае получают более яркие и целостные цветные изображения при одновременном упрощении технологии изготовления экрана дисплея (благодаря сокращению в три раза числа его элементов). Однако для обеспечения той же частоты смены кадров, что и при пространственном методе, требуется в три раза более высокая тактовая частота.
Тенденция к увеличению объема отображаемой информации при одной и той же рабочей апертуре дисплейного экрана предусматривает увеличение числа пикселов и их уплотнение. Для формата дисплея существует несколько стандартов. Наиболее распространен, особенно для цифровых кино- и телевизионных экранов, так называемый формат высокой четкости (High Definition, HD), предусматривающий разрешение 1920×1080 пикселов (в последние годы для больших экранов актуальным становится формат 3840×2160 пикселов [6]). При этом размер отдельного элемента микродисплея с диагональю менее 1 дюйма может составлять всего несколько микрометров.
Визуализация трехмерной информации требует дальнейшего увеличения быстродействия дисплейных элементов. Как в стереодисплеях с активными либо пассивными оптическими шторками (стереоочками), так и в автостереоскопических (безочковых) дисплеях воспроизведение 3D-изображения при сохранении частоты кадров предполагает увеличение тактовой частоты как минимум в два раза вследствие необходимости формирования отдельных изображений для левого и правого глаза.
Быстродействие НЖКД
Итак, удовлетворить новым требованиям могут только дисплеи с повышенным быстродействием. Для ориентировки укажем, что частота смены кадров практически ушедших в прошлое дисплеев на основе ЭЛТ достигает 300 Гц, тогда как максимальная частота смены кадров современных НЖКД не превышает 120 Гц. Так какое же быстродействие требуется?
Ранее, чтобы избежать сильного мерцания изображения ТВ-экрана и уменьшить смаз изображения быстро движущегося объекта (например, летящего мяча), требуемую частоту смены кадров увеличили с 25 до 40–50 Гц, хотя по медицинским показаниям она должна быть вдвое выше. Увеличение частоты смены кадров современных дисплеев в три раза до 120 Гц (3×40 Гц) и применение последовательной во времени смены цветов позволили получать яркое цветное изображение, но восприятие его при частоте 40 Гц для каждого цвета не комфортно. То же можно сказать и в отношении визуализации 3D-изображений, при которой частота смены кадров в лучшем случае составляет 60 Гц для каждого глаза.
Полного отсутствия мерцаний трехмерного изображения (т.е. отсутствия медицинских противопоказаний) при последовательной во времени смене цветов можно добиться при частоте смены кадров не менее 90×3×2=540 Гц, а еще лучше (при питании дисплея от 50-Гц электрической сети) – при 600 Гц. Специалисты понимают это [6]. Очевидно, быстродействие современных НЖКД не отвечает требованиям не только завтрашнего, но уже и сегодняшнего дня. С учетом быстродействия встает вопрос: перспективны ли ЖКД для применения в будущем? Особенно, если учесть, что частота смены кадров OLED-дисплея достигает несколько сотен герц, а цифровые видеопроекторы (Digital Light Processing, DLP) компании Texas Instruments обеспечивают скорость до 2,4∙103 кадров/с [7].
Благодаря достижениям современной электроники адресация элементов плоской дисплейной матрицы на частоте смены кадров 540 Гц возможна с помощью полевых транзисторов, а на большей частоте – с помощью кремниевой микрострукуры, используемой в микрозеркальных и ЖК-микродисплеях. Но какие электрооптические эффекты в ЖК способны обеспечить такую частоту смены кадров и дать новую жизнь ЖКД?
Время оптического отклика НЖК-ячейки на приложенное электрическое поле обычно составляет единицы миллисекунд и вследствие квадратичной зависимости от поля не зависит от знака электрического поля [8]. После выключения напряжения дисплейная ячейка под действием упругих сил возвращается (релаксирует) в исходное недеформированное состояние. Время релаксации не зависит от ранее приложенного напряжения и может составлять до десятка и более миллисекунд. Именно это время и ограничивает быстродействие даже тонких (несколько микрометров) ячеек НЖКД до 120 Гц.
Увеличение упругой силы НЖК, например, 270°-ная закрутка слоя в супертвистовых структурах [8], ведет к уменьшению времени отклика, но также и к увеличению управляющего напряжения до 10 В и более. В то же время низкое значение прилагаемого электрического напряжения и мощности – важнейшее требование совместимости дисплея с высокочастотными микросхемами управления адресацией элементов. Проблематичными также оказались подогрев НЖК (для уменьшения вязкости) и применение очень тонких (толщиной 1–2 мкм) ячеек, которые позволяют уменьшить время включения-выключения отклика до 1 мс при управляющем напряжении ∼5 В. Но релаксационная составляющая отклика сохраняется, и выигрыш при этом незначителен [9]. Не оправдались и надежды, возлагавшиеся на использование жидких кристаллов в так называемой голубой фазе, позволяющей довести частоту смены кадров до 240 Гц [10]. Но существование голубой фазы возможно лишь в малом температурном интервале (не более 10°С) и ее использование требует высокого управляющего напряжения (более 10 В).
Смектические жидкие кристаллы и возможности их использования
Известно, что субмиллисекундный электрооптический отклик достигается в некоторых смектических ЖК (СЖК), называемых смектиками С*. Они обладают сегнетоэлектрическими свойствами и высокой чувствительностью к электрическому полю [11–13]. Принцип электрооптической модуляции в СЖК, как и в НЖК, – электрически управляемое двулучепреломление или рассеяние света [11, 14]. Отличительная особенность смектических ЖК – слоистая структура, формируемая в результате упорядоченности центров масс молекул СЖК вдоль направления ориентации их длинной оси (директора) с периодом порядка длины молекул (рис.3а). В отсутствие внешнего воздействия полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга, образуя геликоидальную (спиральную) закрутку директора СЖК. В каждом слое положение директора n определяется полярным углом Θ0 и азимутальным углом ϕ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу геликоида p0 (рис. 3а, б). Под действием параллельного смектическим слоям (вдоль координаты Х) электрического поля вектор спонтанной поляризации РS во всех слоях ориентируется по направлению поля. В результате директор приобретает одно направление во всем объеме СЖК, т.е. геликоид как бы раскручивается. При смене знака поля ориентация вектора РS изменяется на 180°, и длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ0, приводя к изменению угла ϕ на 180°. Переориентация директора, направление которого определяет главную оптическую ось эллипсоида показателей преломления СЖК, приводит к изменению угла между плоскостью поляризации падающего света (I0) и главной оптической осью эллипсоида, т.е. к модуляции фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами или к модуляции интенсивности света, если электрооптическая ячейка находится между скрещенными поляризаторами.
В отличие от НЖК, электрооптический эффект в СЖК линеен по полю [15], и поскольку СЖК реагирует на знак приложенного электрического напряжения, то значения времени включения и выключения τR оптического отклика одинаковы и пропорциональны:
(1)
где γϕ – вращательная вязкость СЖК; Е – напряженность электрического поля. Иначе, СЖК возвращается в исходное состояние импульсом обратной полярности, т.е. принудительно, а не в результате релаксации (за счет упругих сил), как в НЖК. Поэтому оптический оклик при включении-выключении симметричен во времени и очень короток, особенно при малой вязкости и большой спонтанной поляризации СЖК.
При электрооптическом эффекте деформации геликоида электрическим полем (Deformed Helix Ferroelectric, DHF-эффект) [16, 17], реализуемого первоначально в относительно толстых (единицы и десятки микрон) слоях СЖК, возможна модуляция света с частотой в несколько килогерц, но управляющее напряжение составляет десятки вольт. Гистерезисный характер переключения оптических свойств и малый оптический контраст долгое время препятствовали применению этого эффекта в дисплеях.
Для другого известного электрооптического эффекта Кларка-Лагерволла [16], реализуемого в тонких (1–2 мкм) слоях СЖК, взаимодействие молекул с поверхностью приводит к бистабильному режиму переключения. При этом имеет место гистерезисная модуляционная характеристика (полутона отсутствуют), из-за чего применение этого эффекта ограничено, несмотря на возможность модулировать свет с частотой в несколько килогерц при относительно малом управляющем напряжении (3–6 В). Полутона и цвета стали формировать с помощью электронных средств, разменивая частоту широтно-импульсной модуляции на число градаций цвета (в битах). В основе изготовления прибора лежит так называемая технология формирования структуры с ЖК-пленкой на кремниевой подложке (Liquid Crystal on Silicon, LCoS), разработанная для НЖК-микродисплеев, широко используемых в нашлемных дисплеях, в видеопроекторах и смарт-приборах различного типа [18]. LCoS-структуры с сегнетоэлектрическим (Ferroelectric) ЖК получили название FLCoS. Они способны отображать цветные ТВ-изображения высокой четкости с гораздо большей, чем LCoS-структуры, частотой смены кадров, хотя она все же не превышает 360 Гц [18, 19].
В течение длительного времени рассматривать СЖК как перспективный дисплейный материал не позволяли и такие проблемы, как:
узкий температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы;
сильная зависимость оптических свойств и времени отклика от температуры;
"шок"-проблема, а именно, изменение оптических свойств при механическом воздействии;
трудности ориентации слоя СЖК на большой площади;
высокие значения управляющего напряжения и потребляемой электрической мощности.
По этим причинам некоторые исследовательские центры прекратили исследования СЖК. Однако благодаря энтузиастам проблемы постепенно решались, и в последние годы наметился существенный прогресс. Например, работы Института проблем прикладной физики (Белоруссия) и Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) позволили найти условия противодействия шоку [20, 21]. Кроме того, в ФИАНе была показана возможность ухода от гистерезиса оптических свойств при изменении полярности напряжения [22]. Получены составы СЖК с широким температурным интервалом существования сегнетоэлектрической фазы и слабой температурной зависимостью времени оптического отклика, а также с малым шагом геликоида (меньше длины волны видимого света), позволяющим существенно повысить оптический контраст. С таким СЖК в DHF-ячейке была впервые реализована безгистерезисная фазовая (0–2π) модуляция света с частотой до 2 кГц при управляющем напряжении от 0 до ±32 В [23].
Сегодня в ФИАН решена, наверно, самая сложная и важная задача кардинального уменьшения значений управляющего электрического напряжения и мощности при высоком (килогерцового диапазона) быстродействии и безгистерезисной полутоновой модуляционной характеристике [24–30]. Таким образом, открывается возможность создания на основе СЖК низковольтных и быстродействующих дисплеев нового поколения с уникальными параметрами и функциональными свойствами. При этом следует отметить, что по технологии изготовления СЖК-приборы принципиально не отличаются от НЖК-приборов.
Электрооптический отклик низковольтных СЖК
В результате 20-летних работ по решению ряда физических задач в области СЖК-материалов и дисплейных ячеек в ФИАН удалось создать экспериментальные дисплейные ячейки с уникальными характеристиками. Конкретно: отклик низковольтной СЖК-дисплейной ячейки с апертурой 1 см2 при напряжении ±(1,0–3,0) В составляет 30–50 мкс. Она имеет полутоновую, как НЖК-ячейки, безгистерезисную модуляционную характеристику, причем частота модуляции света (от максимума светопропускания до минимума или наоборот) с контрастом более 200:1 при напряжении ±1,5 В составляет 3,5 кГц, при ±2,0 В – 6 кГц и при ±3,0 В – 8 кГц.
В ходе работ было показано, что характер переориентации директора СЖК в электрическом поле зависит от того, какой коэффициент отвечает за диссипацию энергии в слое – вращательная γϕ или сдвиговая вязкость [26]. Если СЖК подвергается воздействию электрического поля с частотой f, период изменения которого велик () по сравнению с временем максвелловской релаксации τm [31], то СЖК ведет себя как жидкость с вязкостью γϕ. Напротив, при достаточно больших частотах () СЖК ведет себя как аморфное твердое тело, и диссипативным коэффициентом является сдвиговая вязкость. Преобладание сдвиговой вязкости приводит к изменению характера движения директора геликоидальных СЖК в слабых электрических полях – переориентация происходит за счет движения доменных границ – 180°-ных доменных стенок [25–28].
Показано также, что механизмы оптического отклика геликоидальных и негеликоидальных СЖК существенно отличаются [26–28, 30, 32]. В последних геликоидальная закрутка директора в объеме СЖК подавляется (компенсируется) за счет взаимодействия хиральных (оптически активных) добавок с противоположными знаками оптической активности. Совпадение знаков спонтанной поляризации у хиральных добавок позволяет получить спонтанную поляризацию в СЖК с компенсированным геликоидом на уровне 100 нКл/cм2 и выше.
Оптический отклик геликоидальных СЖК
Если шаг p0 геликоида СЖК и толщина d электрооптической ячейки подобраны так, что выполняется соотношение
(2)
то взаимодействие молекул с поверхностью приводит к частичной раскрутке геликоида. Здесь Кϕ – модуль упругости, определяющий деформацию по азимутальному углу ϕ; q0 – волновой вектор деформации; WQ – квадратичный коэффициент энергии сцепления. Частичная раскрутка геликоида означает, что шаг геликоида в электрооптической ячейке не изменяется, но азимутальный угол ϕ во всех смектических слоях становится близким 0 или π.
При достижении электрическим полем, направленным перпендикулярно оси геликоида (вдоль координаты Х, см. рис.3а), критического значения доменные стенки начинают двигаться так, что число доменов с "положительной" энергией (вектор спонтанной поляризации РS ориентирован по направлению поля) возрастает за счет доменов с "отрицательной" энергией. В результате азимутальный угол ϕ (см. рис.3) во всех смектических слоях становится равным 0 или π (в зависимости от направления электрического поля) и СЖК разбивается на домены с периодом порядка p0/2, которые представляют собой связанное состояние двух 180°-ных доменных стенок разных знаков. Инверсия знака поля вновь индуцирует возникновение доменной структуры, и процесс переориентации начинается снова.
Процесс движения 180°-ных стенок может быть описан как движение солитона вдоль координаты Z со скоростью ν:
(3)
где Wp – разность полярных коэффициентов энергии сцепления на подложках СЖК-ячейки и γ – вязкость, вращательная или сдвиговая, в зависимости от того, какой тип диссипации энергии превалирует.
Преобладание сдвиговой вязкости приводит к резкому уменьшению времени оптического отклика τ0,1–0,9 при некоторой напряженности электрического поля (рис.4, кривые 2 и 3), причем при увеличении частоты изменения поля (управляющего напряжения) минимум зависимости τ0,1–0,9(Е) смещается в область более высоких значений напряженности поля.
Для прозрачного токопроводящего покрытия ITO на границах СЖК коэффициент WQ = 0,05 Эрг/см2 и соотношение (2) для СЖК с шагом геликоида р0 ≈ 0,45 мкм выполняется при толщине электрооптической ячейки d = 1–1,4 мкм. В реальной ситуации частичная раскрутка геликоида СЖК с р0 ≈ 0,45 мкм происходит при d = 0,9–1,7 мкм. В ячейке с пропусканием света толщина слоя СЖК обычно выбирается равной 1,3–1,5 мкм, с тем, чтобы ячейка оставалась ахроматичной во всем видимом спектре излучения. С той же целью в отражательной моде, обычно реализуемой в структуре LCoS с двойным похождением света через слой СЖК, толщина его составляет ∼1 мкм.
При экранировании прозрачного токопроводящего покрытия на одной из подложек электрооптической ячейки слоем диэлектрика, например, Al2O3 толщиной ∼70 нм, что соответствует полярным граничным условиям, коэффициент WР увеличивается практически в три раза. Соответственно возрастает скорость движения доменных границ (соотношение 3) и уменьшается время оптического отклика (рис.5). В результате переориентации директора за счет движения доменных границ частота модуляции светового излучения составляет ∼3 кГц при амплитуде управляющего напряжения ±1,5 В. При этом время оптического отклика не превышает 50 мкс.
Минимальное время оптического отклика при экранировании ячейки в отражательной моде достигается при напряженности электрического поля E = 1,7 В/мкм (амплитуда управляющего напряжения ±1,7 В) на частоте 2 кГц (рис.6). Положение минимума зависимости τ0,1–0,9(Е) и значение оптического отклика, соответствующее этому минимуму, могут меняться в зависимости от шага геликоида р0 и толщины электрооптической ячейки d.
Зависимость светопропускания СЖК-ячейки от амплитуды управляющего напряжения демонстрирует практически полное отсутствие гистерезиса при увеличении и уменьшении амплитуды напряжения как на низких, так и на высоких частотах модуляции светового излучения (рис.7). Кроме того, безгистерезисная полутоновая модуляционная характеристика наблюдается как для положительных, так и для отрицательных значений управляющего напряжения.
Оптический отклик в негеликоидальных СЖК
Для негеликоидальных СЖК при пространственно неоднородном распределении директора в смектических слоях, когда положение директора и, соответственно, эллипсоида показателей преломления, изменяется при движении вдоль каждого смектического слоя, преобладание сдвиговой вязкости приводит к изменению характера движения директора в переменном электрическом поле. Переориентация происходит за счет движения структурно устойчивых локализованных волн стационарного профиля (солитонов).
Для некоторых негеликоидальных СЖК при определенном соотношении между значениями вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, показатель двулучепреломления зависит от частоты изменения электрического поля [30] (рис.8). Характер зависимости указывает на то, что в отличие от геликоидальных СЖК изменение показателя двулучепреломления которых связано с деформацией (без изменения шага) геликоида в электрическом поле, в негеликоидальных СЖК причина изменения показателя преломления – только периодические деформации смектических слоев (рис.9). Они приводят к периодическим изменениям положения директора вдоль каждого смектического слоя. В случае гомеотропной ориентации директора СЖК (смектические слои параллельны подложкам электрооптической ячейки) периодические деформации наблюдаются за скрещенными поляризаторами в виде чередующихся светлых и темных полос с периодом от 1,5 до 5 мкм, который зависит от молекулярного строения СЖК.
Наличие деформаций такого типа означает, что в смектических слоях молекулы СЖК, исходный угол наклона которых относительно нормали к слою в данной точке равен Θ0, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси Z. Вследствие этого изменяется проекция директора на плоскость XY. Переменное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты Х, взаимодействуя со спонтанной поляризацией, изменяет распределение угла Ψ, характеризующего деформацию смектических слоев. Развитие этого процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Скорость движения центра солитона определяется как [33]:
(4)
где K – коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ; γψ – сдвиговая вязкость СЖК; М – энергия изгиба смектических слоев; ϕ0 – начальный азимутальный угол ориентации директора.
Движение солитонов вызывает переориентацию директора СЖК во всем объеме слоя. Преобладание сдвиговой вязкости приводит к сильной частотной зависимости времени оптического отклика τ0,1–0,9 (рис.10). Переход к солитонной моде происходит при частоте управляющего напряжения ∼170 Гц. В этой моде время τ0,1–0,9 определяется скоростью движения солитонных волн (соотношение 4) и достаточно слабо зависит от частоты управляющего напряжения (рис.10 и 11а, б). Максимальная частота модуляции светового излучения при амплитуде управляющего напряжения (меандр) ±1,5 В составляет 3,5 кГц (рис.10 и 11г).
Кроме того, преобладание сдвиговой вязкости в солитонной моде ослабляет температурную зависимость времени оптического отклика в широком интервале температур (рис.12). Диапазон температур, в котором время τ0,1–0,9 практически постоянно, тем шире, чем больше напряженность и частота изменения электрического поля. Так, при амплитуде управляющего напряжения ±1,5 В и частоте 3 кГц время τ0,1–0,9 слабо зависит от температуры в интервале 15–45°C.
Периодическое изменение положения директора вдоль смектических слоев (см. рис.9) позволяет получать практически безгистерезисную зависимость светопропускания электрооптической ячейки от амплитуды управляющего напряжения при увеличении и уменьшении его амплитуды (рис.13). При этом зависимость является безгистерезисной как для положительных, так и для отрицательных значений управляющего напряжения.
Литература
SID-10 Symposium Digest, 2010.
SID-11 Symposium Digest, 2011.
Беляев В.В., Компанец И.Н. Дисплейная неделя в Сиэтле. – Компоненты и Технологии, 2010, №8, с.128–139.
Sechrist S. It’s Official: Samsung to Spin Off LCD Biz. – displaydaily.com/2012/02/21
Sechrist S. OLED TV One-Two Punch LG/Samsung Deliver 55-inch at CES. –displaydaily.com/2012/01/10
Brennesholtz M. Digital Cinema Summit: To 4K and Beyond. – displaydaily.com/2011/04/11 .
www.ti.com/analog/docs/memsmidlevel.tsp?sectionId=622&tabId=2447
Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. – Artech House Publishers, 1999.
Anderson J., Chen C., Bos P. Liquid Crystal Designs for High Contrast Field Sequential Color Liquid Crystal on Silicon (LCoS) Microdisplays. – Proceedings of SPIE, 2005, v.5741 ("Emerging Liquid Crystal Technologies"), p.23–30.
Беляков В.А., Дмитриенко В.Е. Голубая фаза жидких кристаллов. – Успехи физических наук, 1985, т.146, c.369–415.
Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. – WILEY-VCH Verlag GmbH, Germany 1999, p.241–257.
Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. – J.Appl.Phys., 1980, v.36, p.899–903.
Лосева М.В., Пожидаев Е.П., Рабинович А.З., Чернова Н.И., Иващенко А.В. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. Сер. "Физическая химия", т.3 – Москва, ВИНИТИ, итоги науки и техники, , 1990.
Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. – М.: Наука, 1978.
Островский Б.И., Чигринов В.Г. Линейный электрооптический эффект в хиральных смектических С* жидких кристаллах. – Кристаллография, 1980, т.25, c.322–331.
Береснев Л.А., Блинов Л.М., Дергачёв Д.И., Кондратьев С.Б. Электрооптический эффект в сегнетоэлектрическом жидком кристалле с малым шагом геликоида и высокой величиной спонтанной поляризации. – Письма в ЖЭТФ, 46,1987, вып.8, c.28–330.
Beresnev L.A., Chigrinov V.G., Dergachev D.I. et al. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display – a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C* liquid crystals. – Liquid Crystals, 1989, v.5, №4, p.1171–1177.
Самарин А. LCoS-микродисплеи и их применение. – Компоненты и Технологии, 2008, №8, c.24–32.
O’Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. – Proc. SPIE, 2001, v.4457, p.31–42.
Lapanik V., Bezborodov V., Lapanik A., Haase W. Ferroelectrics, 2006, v.343, p.127.
Pozhidaev E., Chigrinov V., Vashenko V. et al. High frequency low voltage shock-free ferroelectric liquid crystal: a new electro-optical mode with electrically suppressed helix. – Proc. of the 31st IDRC (EuroDisplay-11, Bordeaux-Arcachon), 2011, p.1–4.
Pozhidaev E.P., Minchenko M.V., Shadura O.A. et al. Stability of hysteresis-free passively addressed FLC display with inherent gray scale. – SID-07 Symposium Digest, 2007, v.38, Book 2, p.1078–1081.
Pozhidaev E., Chigrinov V., Du T. et al. Fast and Hysteretic Free 0-2π Phase Modulation of the Light in Electrically Controlled Weakly Deformed Short Helix Pitch Ferroelectric Liquid Crystal. – Proc. of the 29th IDRC (Eurodisplay-09, Rome), Publishing House "Dalaad Edizioni", 2009, p.398–401.
Andreev A., Pozhidaev E., Fedosenkova T., Kompanets I., Shumkina Yu. Dynamics of the Domain Wall Motion in FLC Display Cell. – Proc. SPIE, v. 6637 (Advanced Display Technologies), 2007, p.74-78.
Andreev А., Andreeva T., Kompanets I. Fast Low Voltage FLC Materials for Active Matrix Displays. – Proc. of the 29th IDRC (Eurodisplay-09, Rome), Publishing House Dalaad Edizioni, 2009. p.366–369.
Андреев А.Л., Компанец И.Н., Андреева Т.Б., Шумкина Ю.П. Динамика движения доменных границ в сегнетоэлектрических жидких кристаллах в электрическом поле. – Физика твердого тела, 2009, т.51, вып.11, c.2275–2280.
Andreev A., Andreeva T., Kompanets I. Low Voltage FLC for Fast Active Matrix Displays. – SID-10 Symposium Digest, 2010, p.1716–1719.
Andreev A.L., Ezhov V.A., Kompanets I.N., Sobolev A.G. Fast LC Devices with Lowest Control Voltage. – Proc. of the 17th IDW (Fukuoka), 2010, p.1811–1812.
Andreev A.L., Kompanets I.N., Ezhov V.A., Sobolev A.G. – Stereo Glasses with Fast Low Voltage FLC Shutters. – SID-11 Symposium Digest, 2011, p.90–92.
Andreev A.L., Andreeva T.B., Kompanets I.N. Electro-Optical Response of Compensated Helix Ferroelectric: Continuous Gray Scale, Fastest Response and Lowest Control Voltage demonstrated to date. – SID-12 Symposium Digest), 2012, to be published.
Landau L.D., Lifshits Е.M. Theory of Elasticity. – Nauka, Мoscow, 1987, p.188–189.
Береснев Л.А., Байкалов В.А., Блинов Л.М. и др. Первый негеликоидальный сегнетоэлектрический жидкий кристалл. – Письма в ЖЭТФ, 1981, т.33, вып.10, с.553–557.
Федосенкова Т.Б., Андреев А.Л., Пожидаев Е.П., Компанец И.Н. Управляемое внешним электрическим полем двулучепреломление в негеликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах.– Краткие сообщения по физике, 2002, №3, с.45–52.
Патентная заявка US2010/0177172 A1, Jul.15, 2010.
По данным аналитических и маркетинговых компаний DisplayBank, iSuppli, DisplaySearch и Insight Media., ежегодно, за исключением недавнего кризиса, прирост производства ЖКД составлял не менее 15%. Так, если в 2009 году было выпущено 130 млн. телевизионных НЖК-экранов, то, по прогнозам этих компаний, в 2015 году таких экранов будет произведено уже 200 млн. (общий объем производства 240 млн. ТВ-экранов) (рис.1). Наиболее общими тенденциями развития дисплеев независимо от их типа и конкретного назначения считаются [1–3]:
совершенствование трехмерных (3D) технологий отображения информации и расширение их применений;
увеличение объема отображаемой информации при неизменной рабочей апертуре дисплейного экрана, т.е. повышение его разрешающей способности (формата);
повышение качества отображаемого на экране изображения, т.е. уменьшение шумов, увеличение диапазона регулировки яркости, контраста, цветовой насыщенности изображения, а также сохранение этих параметров в течение длительного времени;
обеспечение экологически наиболее чистого производства.
Не будем обсуждать проблему экологии, так как она одинаково учитывается при изготовлении всех основных типов дисплеев. Что касается сохранения параметров дисплея в течение длительного времени, то ЖКД здесь пока вне конкуренции. Срок службы дисплеев на основе матрицы колеблющихся мембранных микрозеркал в силу механического принципа их работы обычно составляет три года непрерывной работы. Правда, для многих дисплейных применений и этого вполне достаточно. Дисплеи на органических светодиодов (OLED), уже многие годы считающиеся весьма перспективными с точки зрения упрощения технологии изготовления и повышения яркости экрана, пока так и не нашли широкого применения из-за ухудшения со временем голубого цвета свечения. Используются лишь OLED-дисплеи небольшого формата (в основном в смарт-приборах), так как в них легче обеспечить стабильность свойств. Но благодаря развитию технологии и поддержке ее инвестициями [3, 4] ситуация с OLED-дисплеями меняется. Так, на последней международной выставке потребительской электроники CES 2012 компания Samsung представила телевизор на основе OLED с диагональю 55 дюймов [5].
Цветовая насыщенность (gamuth) легче обеспечивается в дисплеях со спектрально более узкими RGB-компонентами, т.е. не в светоизлучающих, а в модулирующих излучение экранах на основе ЖК и микрозеркал при использовании в качестве внешних источников света лазеров и светодиодов. Они же могут обеспечить и высокую яркость изображения, особенно в отражающих свет микрозеркальных дисплеях. Поэтому яркость светоизлучающих и светомодулирующих телевизионных ЖК-экранов (пока только со светодиодной подсветкой) сейчас практически одинакова и составляет 500–1000 кд/м2.
Яркость и качество изображения современных дисплеев стараются улучшить за счет перехода от пространственного метода формирования цвета с помощью элемента изображения (пиксела), состоящего из трех подпикселов (триады) с разными RGB-фильтрами, к методу последовательной во времени смены цветов на одном единственном элементе (рис.2). В этом случае получают более яркие и целостные цветные изображения при одновременном упрощении технологии изготовления экрана дисплея (благодаря сокращению в три раза числа его элементов). Однако для обеспечения той же частоты смены кадров, что и при пространственном методе, требуется в три раза более высокая тактовая частота.
Тенденция к увеличению объема отображаемой информации при одной и той же рабочей апертуре дисплейного экрана предусматривает увеличение числа пикселов и их уплотнение. Для формата дисплея существует несколько стандартов. Наиболее распространен, особенно для цифровых кино- и телевизионных экранов, так называемый формат высокой четкости (High Definition, HD), предусматривающий разрешение 1920×1080 пикселов (в последние годы для больших экранов актуальным становится формат 3840×2160 пикселов [6]). При этом размер отдельного элемента микродисплея с диагональю менее 1 дюйма может составлять всего несколько микрометров.
Визуализация трехмерной информации требует дальнейшего увеличения быстродействия дисплейных элементов. Как в стереодисплеях с активными либо пассивными оптическими шторками (стереоочками), так и в автостереоскопических (безочковых) дисплеях воспроизведение 3D-изображения при сохранении частоты кадров предполагает увеличение тактовой частоты как минимум в два раза вследствие необходимости формирования отдельных изображений для левого и правого глаза.
Быстродействие НЖКД
Итак, удовлетворить новым требованиям могут только дисплеи с повышенным быстродействием. Для ориентировки укажем, что частота смены кадров практически ушедших в прошлое дисплеев на основе ЭЛТ достигает 300 Гц, тогда как максимальная частота смены кадров современных НЖКД не превышает 120 Гц. Так какое же быстродействие требуется?
Ранее, чтобы избежать сильного мерцания изображения ТВ-экрана и уменьшить смаз изображения быстро движущегося объекта (например, летящего мяча), требуемую частоту смены кадров увеличили с 25 до 40–50 Гц, хотя по медицинским показаниям она должна быть вдвое выше. Увеличение частоты смены кадров современных дисплеев в три раза до 120 Гц (3×40 Гц) и применение последовательной во времени смены цветов позволили получать яркое цветное изображение, но восприятие его при частоте 40 Гц для каждого цвета не комфортно. То же можно сказать и в отношении визуализации 3D-изображений, при которой частота смены кадров в лучшем случае составляет 60 Гц для каждого глаза.
Полного отсутствия мерцаний трехмерного изображения (т.е. отсутствия медицинских противопоказаний) при последовательной во времени смене цветов можно добиться при частоте смены кадров не менее 90×3×2=540 Гц, а еще лучше (при питании дисплея от 50-Гц электрической сети) – при 600 Гц. Специалисты понимают это [6]. Очевидно, быстродействие современных НЖКД не отвечает требованиям не только завтрашнего, но уже и сегодняшнего дня. С учетом быстродействия встает вопрос: перспективны ли ЖКД для применения в будущем? Особенно, если учесть, что частота смены кадров OLED-дисплея достигает несколько сотен герц, а цифровые видеопроекторы (Digital Light Processing, DLP) компании Texas Instruments обеспечивают скорость до 2,4∙103 кадров/с [7].
Благодаря достижениям современной электроники адресация элементов плоской дисплейной матрицы на частоте смены кадров 540 Гц возможна с помощью полевых транзисторов, а на большей частоте – с помощью кремниевой микрострукуры, используемой в микрозеркальных и ЖК-микродисплеях. Но какие электрооптические эффекты в ЖК способны обеспечить такую частоту смены кадров и дать новую жизнь ЖКД?
Время оптического отклика НЖК-ячейки на приложенное электрическое поле обычно составляет единицы миллисекунд и вследствие квадратичной зависимости от поля не зависит от знака электрического поля [8]. После выключения напряжения дисплейная ячейка под действием упругих сил возвращается (релаксирует) в исходное недеформированное состояние. Время релаксации не зависит от ранее приложенного напряжения и может составлять до десятка и более миллисекунд. Именно это время и ограничивает быстродействие даже тонких (несколько микрометров) ячеек НЖКД до 120 Гц.
Увеличение упругой силы НЖК, например, 270°-ная закрутка слоя в супертвистовых структурах [8], ведет к уменьшению времени отклика, но также и к увеличению управляющего напряжения до 10 В и более. В то же время низкое значение прилагаемого электрического напряжения и мощности – важнейшее требование совместимости дисплея с высокочастотными микросхемами управления адресацией элементов. Проблематичными также оказались подогрев НЖК (для уменьшения вязкости) и применение очень тонких (толщиной 1–2 мкм) ячеек, которые позволяют уменьшить время включения-выключения отклика до 1 мс при управляющем напряжении ∼5 В. Но релаксационная составляющая отклика сохраняется, и выигрыш при этом незначителен [9]. Не оправдались и надежды, возлагавшиеся на использование жидких кристаллов в так называемой голубой фазе, позволяющей довести частоту смены кадров до 240 Гц [10]. Но существование голубой фазы возможно лишь в малом температурном интервале (не более 10°С) и ее использование требует высокого управляющего напряжения (более 10 В).
Смектические жидкие кристаллы и возможности их использования
Известно, что субмиллисекундный электрооптический отклик достигается в некоторых смектических ЖК (СЖК), называемых смектиками С*. Они обладают сегнетоэлектрическими свойствами и высокой чувствительностью к электрическому полю [11–13]. Принцип электрооптической модуляции в СЖК, как и в НЖК, – электрически управляемое двулучепреломление или рассеяние света [11, 14]. Отличительная особенность смектических ЖК – слоистая структура, формируемая в результате упорядоченности центров масс молекул СЖК вдоль направления ориентации их длинной оси (директора) с периодом порядка длины молекул (рис.3а). В отсутствие внешнего воздействия полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга, образуя геликоидальную (спиральную) закрутку директора СЖК. В каждом слое положение директора n определяется полярным углом Θ0 и азимутальным углом ϕ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу геликоида p0 (рис. 3а, б). Под действием параллельного смектическим слоям (вдоль координаты Х) электрического поля вектор спонтанной поляризации РS во всех слоях ориентируется по направлению поля. В результате директор приобретает одно направление во всем объеме СЖК, т.е. геликоид как бы раскручивается. При смене знака поля ориентация вектора РS изменяется на 180°, и длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ0, приводя к изменению угла ϕ на 180°. Переориентация директора, направление которого определяет главную оптическую ось эллипсоида показателей преломления СЖК, приводит к изменению угла между плоскостью поляризации падающего света (I0) и главной оптической осью эллипсоида, т.е. к модуляции фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами или к модуляции интенсивности света, если электрооптическая ячейка находится между скрещенными поляризаторами.
В отличие от НЖК, электрооптический эффект в СЖК линеен по полю [15], и поскольку СЖК реагирует на знак приложенного электрического напряжения, то значения времени включения и выключения τR оптического отклика одинаковы и пропорциональны:
(1)
где γϕ – вращательная вязкость СЖК; Е – напряженность электрического поля. Иначе, СЖК возвращается в исходное состояние импульсом обратной полярности, т.е. принудительно, а не в результате релаксации (за счет упругих сил), как в НЖК. Поэтому оптический оклик при включении-выключении симметричен во времени и очень короток, особенно при малой вязкости и большой спонтанной поляризации СЖК.
При электрооптическом эффекте деформации геликоида электрическим полем (Deformed Helix Ferroelectric, DHF-эффект) [16, 17], реализуемого первоначально в относительно толстых (единицы и десятки микрон) слоях СЖК, возможна модуляция света с частотой в несколько килогерц, но управляющее напряжение составляет десятки вольт. Гистерезисный характер переключения оптических свойств и малый оптический контраст долгое время препятствовали применению этого эффекта в дисплеях.
Для другого известного электрооптического эффекта Кларка-Лагерволла [16], реализуемого в тонких (1–2 мкм) слоях СЖК, взаимодействие молекул с поверхностью приводит к бистабильному режиму переключения. При этом имеет место гистерезисная модуляционная характеристика (полутона отсутствуют), из-за чего применение этого эффекта ограничено, несмотря на возможность модулировать свет с частотой в несколько килогерц при относительно малом управляющем напряжении (3–6 В). Полутона и цвета стали формировать с помощью электронных средств, разменивая частоту широтно-импульсной модуляции на число градаций цвета (в битах). В основе изготовления прибора лежит так называемая технология формирования структуры с ЖК-пленкой на кремниевой подложке (Liquid Crystal on Silicon, LCoS), разработанная для НЖК-микродисплеев, широко используемых в нашлемных дисплеях, в видеопроекторах и смарт-приборах различного типа [18]. LCoS-структуры с сегнетоэлектрическим (Ferroelectric) ЖК получили название FLCoS. Они способны отображать цветные ТВ-изображения высокой четкости с гораздо большей, чем LCoS-структуры, частотой смены кадров, хотя она все же не превышает 360 Гц [18, 19].
В течение длительного времени рассматривать СЖК как перспективный дисплейный материал не позволяли и такие проблемы, как:
узкий температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы;
сильная зависимость оптических свойств и времени отклика от температуры;
"шок"-проблема, а именно, изменение оптических свойств при механическом воздействии;
трудности ориентации слоя СЖК на большой площади;
высокие значения управляющего напряжения и потребляемой электрической мощности.
По этим причинам некоторые исследовательские центры прекратили исследования СЖК. Однако благодаря энтузиастам проблемы постепенно решались, и в последние годы наметился существенный прогресс. Например, работы Института проблем прикладной физики (Белоруссия) и Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) позволили найти условия противодействия шоку [20, 21]. Кроме того, в ФИАНе была показана возможность ухода от гистерезиса оптических свойств при изменении полярности напряжения [22]. Получены составы СЖК с широким температурным интервалом существования сегнетоэлектрической фазы и слабой температурной зависимостью времени оптического отклика, а также с малым шагом геликоида (меньше длины волны видимого света), позволяющим существенно повысить оптический контраст. С таким СЖК в DHF-ячейке была впервые реализована безгистерезисная фазовая (0–2π) модуляция света с частотой до 2 кГц при управляющем напряжении от 0 до ±32 В [23].
Сегодня в ФИАН решена, наверно, самая сложная и важная задача кардинального уменьшения значений управляющего электрического напряжения и мощности при высоком (килогерцового диапазона) быстродействии и безгистерезисной полутоновой модуляционной характеристике [24–30]. Таким образом, открывается возможность создания на основе СЖК низковольтных и быстродействующих дисплеев нового поколения с уникальными параметрами и функциональными свойствами. При этом следует отметить, что по технологии изготовления СЖК-приборы принципиально не отличаются от НЖК-приборов.
Электрооптический отклик низковольтных СЖК
В результате 20-летних работ по решению ряда физических задач в области СЖК-материалов и дисплейных ячеек в ФИАН удалось создать экспериментальные дисплейные ячейки с уникальными характеристиками. Конкретно: отклик низковольтной СЖК-дисплейной ячейки с апертурой 1 см2 при напряжении ±(1,0–3,0) В составляет 30–50 мкс. Она имеет полутоновую, как НЖК-ячейки, безгистерезисную модуляционную характеристику, причем частота модуляции света (от максимума светопропускания до минимума или наоборот) с контрастом более 200:1 при напряжении ±1,5 В составляет 3,5 кГц, при ±2,0 В – 6 кГц и при ±3,0 В – 8 кГц.
В ходе работ было показано, что характер переориентации директора СЖК в электрическом поле зависит от того, какой коэффициент отвечает за диссипацию энергии в слое – вращательная γϕ или сдвиговая вязкость [26]. Если СЖК подвергается воздействию электрического поля с частотой f, период изменения которого велик () по сравнению с временем максвелловской релаксации τm [31], то СЖК ведет себя как жидкость с вязкостью γϕ. Напротив, при достаточно больших частотах () СЖК ведет себя как аморфное твердое тело, и диссипативным коэффициентом является сдвиговая вязкость. Преобладание сдвиговой вязкости приводит к изменению характера движения директора геликоидальных СЖК в слабых электрических полях – переориентация происходит за счет движения доменных границ – 180°-ных доменных стенок [25–28].
Показано также, что механизмы оптического отклика геликоидальных и негеликоидальных СЖК существенно отличаются [26–28, 30, 32]. В последних геликоидальная закрутка директора в объеме СЖК подавляется (компенсируется) за счет взаимодействия хиральных (оптически активных) добавок с противоположными знаками оптической активности. Совпадение знаков спонтанной поляризации у хиральных добавок позволяет получить спонтанную поляризацию в СЖК с компенсированным геликоидом на уровне 100 нКл/cм2 и выше.
Оптический отклик геликоидальных СЖК
Если шаг p0 геликоида СЖК и толщина d электрооптической ячейки подобраны так, что выполняется соотношение
(2)
то взаимодействие молекул с поверхностью приводит к частичной раскрутке геликоида. Здесь Кϕ – модуль упругости, определяющий деформацию по азимутальному углу ϕ; q0 – волновой вектор деформации; WQ – квадратичный коэффициент энергии сцепления. Частичная раскрутка геликоида означает, что шаг геликоида в электрооптической ячейке не изменяется, но азимутальный угол ϕ во всех смектических слоях становится близким 0 или π.
При достижении электрическим полем, направленным перпендикулярно оси геликоида (вдоль координаты Х, см. рис.3а), критического значения доменные стенки начинают двигаться так, что число доменов с "положительной" энергией (вектор спонтанной поляризации РS ориентирован по направлению поля) возрастает за счет доменов с "отрицательной" энергией. В результате азимутальный угол ϕ (см. рис.3) во всех смектических слоях становится равным 0 или π (в зависимости от направления электрического поля) и СЖК разбивается на домены с периодом порядка p0/2, которые представляют собой связанное состояние двух 180°-ных доменных стенок разных знаков. Инверсия знака поля вновь индуцирует возникновение доменной структуры, и процесс переориентации начинается снова.
Процесс движения 180°-ных стенок может быть описан как движение солитона вдоль координаты Z со скоростью ν:
(3)
где Wp – разность полярных коэффициентов энергии сцепления на подложках СЖК-ячейки и γ – вязкость, вращательная или сдвиговая, в зависимости от того, какой тип диссипации энергии превалирует.
Преобладание сдвиговой вязкости приводит к резкому уменьшению времени оптического отклика τ0,1–0,9 при некоторой напряженности электрического поля (рис.4, кривые 2 и 3), причем при увеличении частоты изменения поля (управляющего напряжения) минимум зависимости τ0,1–0,9(Е) смещается в область более высоких значений напряженности поля.
Для прозрачного токопроводящего покрытия ITO на границах СЖК коэффициент WQ = 0,05 Эрг/см2 и соотношение (2) для СЖК с шагом геликоида р0 ≈ 0,45 мкм выполняется при толщине электрооптической ячейки d = 1–1,4 мкм. В реальной ситуации частичная раскрутка геликоида СЖК с р0 ≈ 0,45 мкм происходит при d = 0,9–1,7 мкм. В ячейке с пропусканием света толщина слоя СЖК обычно выбирается равной 1,3–1,5 мкм, с тем, чтобы ячейка оставалась ахроматичной во всем видимом спектре излучения. С той же целью в отражательной моде, обычно реализуемой в структуре LCoS с двойным похождением света через слой СЖК, толщина его составляет ∼1 мкм.
При экранировании прозрачного токопроводящего покрытия на одной из подложек электрооптической ячейки слоем диэлектрика, например, Al2O3 толщиной ∼70 нм, что соответствует полярным граничным условиям, коэффициент WР увеличивается практически в три раза. Соответственно возрастает скорость движения доменных границ (соотношение 3) и уменьшается время оптического отклика (рис.5). В результате переориентации директора за счет движения доменных границ частота модуляции светового излучения составляет ∼3 кГц при амплитуде управляющего напряжения ±1,5 В. При этом время оптического отклика не превышает 50 мкс.
Минимальное время оптического отклика при экранировании ячейки в отражательной моде достигается при напряженности электрического поля E = 1,7 В/мкм (амплитуда управляющего напряжения ±1,7 В) на частоте 2 кГц (рис.6). Положение минимума зависимости τ0,1–0,9(Е) и значение оптического отклика, соответствующее этому минимуму, могут меняться в зависимости от шага геликоида р0 и толщины электрооптической ячейки d.
Зависимость светопропускания СЖК-ячейки от амплитуды управляющего напряжения демонстрирует практически полное отсутствие гистерезиса при увеличении и уменьшении амплитуды напряжения как на низких, так и на высоких частотах модуляции светового излучения (рис.7). Кроме того, безгистерезисная полутоновая модуляционная характеристика наблюдается как для положительных, так и для отрицательных значений управляющего напряжения.
Оптический отклик в негеликоидальных СЖК
Для негеликоидальных СЖК при пространственно неоднородном распределении директора в смектических слоях, когда положение директора и, соответственно, эллипсоида показателей преломления, изменяется при движении вдоль каждого смектического слоя, преобладание сдвиговой вязкости приводит к изменению характера движения директора в переменном электрическом поле. Переориентация происходит за счет движения структурно устойчивых локализованных волн стационарного профиля (солитонов).
Для некоторых негеликоидальных СЖК при определенном соотношении между значениями вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, показатель двулучепреломления зависит от частоты изменения электрического поля [30] (рис.8). Характер зависимости указывает на то, что в отличие от геликоидальных СЖК изменение показателя двулучепреломления которых связано с деформацией (без изменения шага) геликоида в электрическом поле, в негеликоидальных СЖК причина изменения показателя преломления – только периодические деформации смектических слоев (рис.9). Они приводят к периодическим изменениям положения директора вдоль каждого смектического слоя. В случае гомеотропной ориентации директора СЖК (смектические слои параллельны подложкам электрооптической ячейки) периодические деформации наблюдаются за скрещенными поляризаторами в виде чередующихся светлых и темных полос с периодом от 1,5 до 5 мкм, который зависит от молекулярного строения СЖК.
Наличие деформаций такого типа означает, что в смектических слоях молекулы СЖК, исходный угол наклона которых относительно нормали к слою в данной точке равен Θ0, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси Z. Вследствие этого изменяется проекция директора на плоскость XY. Переменное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты Х, взаимодействуя со спонтанной поляризацией, изменяет распределение угла Ψ, характеризующего деформацию смектических слоев. Развитие этого процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Скорость движения центра солитона определяется как [33]:
(4)
где K – коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ; γψ – сдвиговая вязкость СЖК; М – энергия изгиба смектических слоев; ϕ0 – начальный азимутальный угол ориентации директора.
Движение солитонов вызывает переориентацию директора СЖК во всем объеме слоя. Преобладание сдвиговой вязкости приводит к сильной частотной зависимости времени оптического отклика τ0,1–0,9 (рис.10). Переход к солитонной моде происходит при частоте управляющего напряжения ∼170 Гц. В этой моде время τ0,1–0,9 определяется скоростью движения солитонных волн (соотношение 4) и достаточно слабо зависит от частоты управляющего напряжения (рис.10 и 11а, б). Максимальная частота модуляции светового излучения при амплитуде управляющего напряжения (меандр) ±1,5 В составляет 3,5 кГц (рис.10 и 11г).
Кроме того, преобладание сдвиговой вязкости в солитонной моде ослабляет температурную зависимость времени оптического отклика в широком интервале температур (рис.12). Диапазон температур, в котором время τ0,1–0,9 практически постоянно, тем шире, чем больше напряженность и частота изменения электрического поля. Так, при амплитуде управляющего напряжения ±1,5 В и частоте 3 кГц время τ0,1–0,9 слабо зависит от температуры в интервале 15–45°C.
Периодическое изменение положения директора вдоль смектических слоев (см. рис.9) позволяет получать практически безгистерезисную зависимость светопропускания электрооптической ячейки от амплитуды управляющего напряжения при увеличении и уменьшении его амплитуды (рис.13). При этом зависимость является безгистерезисной как для положительных, так и для отрицательных значений управляющего напряжения.
Литература
SID-10 Symposium Digest, 2010.
SID-11 Symposium Digest, 2011.
Беляев В.В., Компанец И.Н. Дисплейная неделя в Сиэтле. – Компоненты и Технологии, 2010, №8, с.128–139.
Sechrist S. It’s Official: Samsung to Spin Off LCD Biz. – displaydaily.com/2012/02/21
Sechrist S. OLED TV One-Two Punch LG/Samsung Deliver 55-inch at CES. –displaydaily.com/2012/01/10
Brennesholtz M. Digital Cinema Summit: To 4K and Beyond. – displaydaily.com/2011/04/11 .
www.ti.com/analog/docs/memsmidlevel.tsp?sectionId=622&tabId=2447
Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. – Artech House Publishers, 1999.
Anderson J., Chen C., Bos P. Liquid Crystal Designs for High Contrast Field Sequential Color Liquid Crystal on Silicon (LCoS) Microdisplays. – Proceedings of SPIE, 2005, v.5741 ("Emerging Liquid Crystal Technologies"), p.23–30.
Беляков В.А., Дмитриенко В.Е. Голубая фаза жидких кристаллов. – Успехи физических наук, 1985, т.146, c.369–415.
Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. – WILEY-VCH Verlag GmbH, Germany 1999, p.241–257.
Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. – J.Appl.Phys., 1980, v.36, p.899–903.
Лосева М.В., Пожидаев Е.П., Рабинович А.З., Чернова Н.И., Иващенко А.В. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. Сер. "Физическая химия", т.3 – Москва, ВИНИТИ, итоги науки и техники, , 1990.
Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. – М.: Наука, 1978.
Островский Б.И., Чигринов В.Г. Линейный электрооптический эффект в хиральных смектических С* жидких кристаллах. – Кристаллография, 1980, т.25, c.322–331.
Береснев Л.А., Блинов Л.М., Дергачёв Д.И., Кондратьев С.Б. Электрооптический эффект в сегнетоэлектрическом жидком кристалле с малым шагом геликоида и высокой величиной спонтанной поляризации. – Письма в ЖЭТФ, 46,1987, вып.8, c.28–330.
Beresnev L.A., Chigrinov V.G., Dergachev D.I. et al. Deformed helix ferroelectric liquid crystal display – a new electrooptic mode in ferroelectric smectic C* liquid crystals. – Liquid Crystals, 1989, v.5, №4, p.1171–1177.
Самарин А. LCoS-микродисплеи и их применение. – Компоненты и Технологии, 2008, №8, c.24–32.
O’Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. – Proc. SPIE, 2001, v.4457, p.31–42.
Lapanik V., Bezborodov V., Lapanik A., Haase W. Ferroelectrics, 2006, v.343, p.127.
Pozhidaev E., Chigrinov V., Vashenko V. et al. High frequency low voltage shock-free ferroelectric liquid crystal: a new electro-optical mode with electrically suppressed helix. – Proc. of the 31st IDRC (EuroDisplay-11, Bordeaux-Arcachon), 2011, p.1–4.
Pozhidaev E.P., Minchenko M.V., Shadura O.A. et al. Stability of hysteresis-free passively addressed FLC display with inherent gray scale. – SID-07 Symposium Digest, 2007, v.38, Book 2, p.1078–1081.
Pozhidaev E., Chigrinov V., Du T. et al. Fast and Hysteretic Free 0-2π Phase Modulation of the Light in Electrically Controlled Weakly Deformed Short Helix Pitch Ferroelectric Liquid Crystal. – Proc. of the 29th IDRC (Eurodisplay-09, Rome), Publishing House "Dalaad Edizioni", 2009, p.398–401.
Andreev A., Pozhidaev E., Fedosenkova T., Kompanets I., Shumkina Yu. Dynamics of the Domain Wall Motion in FLC Display Cell. – Proc. SPIE, v. 6637 (Advanced Display Technologies), 2007, p.74-78.
Andreev А., Andreeva T., Kompanets I. Fast Low Voltage FLC Materials for Active Matrix Displays. – Proc. of the 29th IDRC (Eurodisplay-09, Rome), Publishing House Dalaad Edizioni, 2009. p.366–369.
Андреев А.Л., Компанец И.Н., Андреева Т.Б., Шумкина Ю.П. Динамика движения доменных границ в сегнетоэлектрических жидких кристаллах в электрическом поле. – Физика твердого тела, 2009, т.51, вып.11, c.2275–2280.
Andreev A., Andreeva T., Kompanets I. Low Voltage FLC for Fast Active Matrix Displays. – SID-10 Symposium Digest, 2010, p.1716–1719.
Andreev A.L., Ezhov V.A., Kompanets I.N., Sobolev A.G. Fast LC Devices with Lowest Control Voltage. – Proc. of the 17th IDW (Fukuoka), 2010, p.1811–1812.
Andreev A.L., Kompanets I.N., Ezhov V.A., Sobolev A.G. – Stereo Glasses with Fast Low Voltage FLC Shutters. – SID-11 Symposium Digest, 2011, p.90–92.
Andreev A.L., Andreeva T.B., Kompanets I.N. Electro-Optical Response of Compensated Helix Ferroelectric: Continuous Gray Scale, Fastest Response and Lowest Control Voltage demonstrated to date. – SID-12 Symposium Digest), 2012, to be published.
Landau L.D., Lifshits Е.M. Theory of Elasticity. – Nauka, Мoscow, 1987, p.188–189.
Береснев Л.А., Байкалов В.А., Блинов Л.М. и др. Первый негеликоидальный сегнетоэлектрический жидкий кристалл. – Письма в ЖЭТФ, 1981, т.33, вып.10, с.553–557.
Федосенкова Т.Б., Андреев А.Л., Пожидаев Е.П., Компанец И.Н. Управляемое внешним электрическим полем двулучепреломление в негеликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах.– Краткие сообщения по физике, 2002, №3, с.45–52.
Патентная заявка US2010/0177172 A1, Jul.15, 2010.
Отзывы читателей
