МАГИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
В конце XIX века германский физик О. Леман (Otto Lehmann) и австрийский ботаник Ф. Рейнитцер (Friedrich Reinitzer) обратили внимание на то, что некоторые аморфные и жидкие вещества отличаются весьма упорядоченной параллельной укладкой удлиненных по форме молекул. Позже по степени структурной упорядоченности им присвоили наименования жидких кристаллов (ЖК). Различают смектические кристаллы — они характеризуются послойной укладкой молекул (А) — и нематические, с хаотически смещенными параллельными осями, вдоль которых расположены удлиненные молекулы (В).
Есть еще и холестерические ЖК. Они по структуре близки к нематическим, но отличаются большей подвижностью молекул. Было подмечено, что при внешнем воздействии, например, малого по величине электрического напряжения, при изменении температуры, магнитного поля меняется оптическая прозрачность молекулы ЖК. Выяснилось, что происходит это за счет переориентации осей молекул в направлении, перпендикулярном исходному состоянию.
Очередная волна научного интереса к жидким кристаллам проявилась в годы после Второй мировой войны. В числе исследователей-кристаллографов веское слово сказал и наш соотечественник И. Г. Чистяков. В конце 60-х годов прошлого века американская корпорация RСA (Radio Corporation of America) начала проводить первые серьезные исследования по использованию особенностей нематических ЖК в целях визуального отображения информации.
Однако опередила всех японская компания SHARP. Она в 1973 году предложила жидкокристаллическую буквенно-цифровую мозаичную панель — появился жидкокристаллический дисплей (LCD-Liquid Crystal Display). Это были скромные по размерам монохроматические индикаторы. В них полисегментные электроды использовались в основном для нумерации чисел. Начавшаяся «индикаторная революция» привела практически к полной замене стрелочных механизмов (в электроизмерительных приборах, наручных и стационарных часах, бытовой и промышленной радиоаппаратуре) на средства визуального отображения информации в цифре — более точные, с безошибочным отсчетом.
Благодаря успехам микроэлектроники появились новые средства пользования, например карманные и настольные калькуляторы, заменившие арифмометры, счеты, счетные логарифмические линейки. Лавинообразное снижение себестоимости автоматизированно производимых интегральных микросхем в отдельных случаях привело к возникновению явлений, явно противоречащих техническим тенденциям и организации производства; ныне, например, отвечающие требованиям современности цифровые наручные часы продаются по ценам заметно более низким, чем пружинно-стрелочные: по инерции мышления они сохраняют популярность как атрибут достатка, перейдя в категорию «престижно».
В 1987 году компания SHARP предъявила широкой публике цветной дисплей с малым LCD-экраном размером в несколько дюймов. В следующем 1988 году был выпущен уже полноразмерный телевизор с диагональю экрана 14” (36 см). Ныне размеры по диагонали серийно выпускаемых промышленностью LCD-панелей колеблются в широких пределах: от 0,5” (1,2 см) до 57” (145 см). В начале октября 2004 года в Чиба (Япония) на ежегодной выставке домашней электроники «SHARP» анонсировала TFT LCD-телевизор с диагональю экрана 65” (165 см) (TFT — Thin Film Transistor — тонкопленочный транзистор).
В ЖК экранах слой (1) нематических жидких кристаллов малой толщины (см. схему на стр. 128 вверху) располагается между двумя стеклянными пластинами (2, 3). С наружных сторон на пластины нанесена электрическая сетка в виде множества горизонтальных рядов (4) — электродов спереди со стороны экрана и вертикальных рядов (5) — позади. Вместе они образуют матричный электросветовой преобразователь. При адресном воздействии управляющего напряжения у молекул микроячеек ЖК изменяются положения оптических осей и соответственно прозрачность ЖК слоя. Оцифрованные последовательности управляющих импульсных сигналов вырабатываются микропроцессором. LCD-матрицы экранов телевизоров и мониторов ПК не являются самосветящимися, а потому используют неполяризованную тыловую рассеянную подсветку (в новейших моделях она осуществляется светодиодами). На пути к экрану сформировавшиеся микропучки светового излучения проходят через множество фильтров (6), разделяющих пиксели изображения на цветные субпиксели (красные, зеленые, синие), обеспечивающие достаточно качественную передачу всего спектра зрительных образов. Проходя через слой жидких кристаллов, световые микропотоки испытывают двойное лучепреломление. Его последствия устраняют фронтальный (7) и тыловой (8) поляризаторы.
Большинство современных LCD-дисплеев производится с использованием TFT — активной матрицы (см. схему «б»), в которой молекулы ЖК управляются электродами матричной энергосистемы, нанесенными на заднюю стеклянную пластину. В точках пересечения линий сетки (горизонтальных и вертикальных рядов) установлены тонкопленочные полевые транзисторы (9), усиливающие приходящие импульсные сигналы, а по числу соответствующие всему множеству субпикселей матрицы. Общий прозрачный электрод (10) нанесен на другую (переднюю) стеклянную пластину. Функционирование матричной энергетической сети в каждой ячейке поддерживается зарядовым конденсатором (11).
Благодаря внедрению TFT-технологии удалось увеличить размеры плоскостей LCD-матриц, повысить четкость, яркость, расширить динамический диапазон воспроизводимых изображений и одновременно уменьшить постоянную времени, иначе говоря, повысить скорость срабатывания пикселей в ответ на подачу и выключение воздействующего кодово-импульсного напряжения.
LCD-экраны получают распространение не только благодаря их малой толщине, отличной геометрии и ровности поверхности, но еще и потому, что обеспечивают высокое разрешение, качественную, немерцающую «картинку» как по центру, так и в углах; они не нуждаются в сведении лучей и фокусировке, присущих электронно-лучевым трубкам.
Кроме того, они экономичны в части потребления мощности электросети, не перегреваются при длительной работе, и потому в них не устанавливают вентиляторы; крепить их можно вплотную к стене и даже в углублении. Срок службы электрооптических дисплеев достигает 50—60 тысяч часов.
К недостаткам их относят чрезмерную пиксельную технологичность демонстрируемых изображений — иначе говоря, точечную структуру, которую легко разглядеть с помощью увеличительного стекла. Длительное чтение таких страниц с близкого расстояния утомляет глаза. Для офисной работы предпочтительнее выбирать менее «рябящие» мониторы с объемом матрицы 1 млн пикселей и более. Однако избыточная техногенность LCD-панелей практически незаметна при просмотре не текста, а постоянных и движущихся «картинок» изобразительного жанра.
По материалам иностранной печати.
Иллюстрация «Новейший мультимедиа-центр SHARP «Mebius»
TFT LCD-дисплеем 26” (66 см) высокого разрешения (1366ґ768 пикселей), DVD-рекордером и HDD-винчестером объемом 250 Гб; процессор INTEL Celeron, память 512 Мб RAM; сетевая карта позволяет подключаться к Интернету, а TV-тюнер — к телевизионному вещанию.
