Д.Гаврилюк

Дисплеи на основе жидких кристаллов

В статье изложены особенности устройства и разновидности дисплеев на основе жидких кристаллов, TFT-матриц, LTPS TFT и органических пленок (OLED)

Для отображения информации в большинстве современных устройств используются дисплеи, содержащие в своей основе ту или иную вариацию жидкокристаллического вещества. Появление дисплеев на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря работам австрийского ботаника Фридриха Рейнитзера (Friedrich Reinitzer). В ходе своих исследований в 1888 г. вещества, известного как cholesteryl benzoate, он обнаружил, что оно имеет две явные точки плавления. В своем эксперименте он увеличивал температуру твердого образца и наблюдал превращение кристалла в мутную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры приводило к появлению чистой прозрачной жидкости, про-пускающей свет. Благодаря этой ранней работе считается, что именно Рейнитзер открыл новую жидкокристаллическую фазу материи. Через много лет, в 1968 г. фирмой RCA был создан первый экспериментальный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Для ясного понимания технологических особенностей создания современных ЖК-дисплеев следует коротко оста-новиться на основных свойствах жидких кристаллов. Жидкие кристаллы (ЖК) уникальны по своим свойствам и воз-можностям использования. Они представляют собой почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Есть две главные особенности ЖК, благодаря которым возможно создание на их основе устройств отображения информации: способность молекул ЖК переориентироваться во внешнем электрическом поле и изменять поляризацию светового потока, проходящего через их слои.

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, проиллюстрированный на рис.1. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка (оксиды индия и олова - ITO), которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя. Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного "скручивания" слоев молекул ЖК на 90° между стеклами, как показано в левой части рис.1. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК (правая часть на рис.1). Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект "скручивания" поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.

Рис. 1. Прохождение света через ЖКИ

Описанная конструкция ЖКИ представляет собой пассивный вариант дисплея. В зависимости от разновидности примененных в дисплее жидких кристаллов различают следующие типы ЖКИ: TN, STN, CTN, FSTN, HTN, DSTN и ECB (VAN). Отличительные особенности этих дисплеев отражены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры и характерные особенности различных технологий изготовления ЖКИ

Технология	Угол обзора, град	Мультиплексное отношение	Время срабатывания	Особенности	Область применения
TN (скрученный нематик)	45 (типич.)	64:1	150 мС при 4,7 В	Самая низкая стоимость	Повсеместно в недорогих изделиях с низкими требованиями к читабельности изображения
STN (нематики с суперскручиванием)	75 (типич.), 90 максимум	до 480:1	250 мС при 4,5 В	Подходит для отображения графики	Повсеместно в изделиях с повышенными требованиями к читабельности изображения
CTN (многоцветные скрученные нематики)	-	1/8	-	Широкий диапазон рабочих температур (-30…+80 °С)	Автомобильные дисплеи (с максимальным количеством различных цветов равным трем)
FSTN (суперскрученный нематик с пленочной компенсацией)	80 (типич.)	до 480:1	250 мС при 4,5 В	Улучшенный в сравнении с STN угол обзора	Повсеместно в изделиях с повышенными требованиями к читабельности изображения
HTN (сильноскрученный нематик)	65 (типич.)	-	50 мС	Низкое рабочее напряжение (2,5 В) и низкая стоимость	Идеальны для использования в переносных устройствах с батарейным питанием
DSTN (сдвоенные ячейки, заполненные суперскрученным нематиком)	Превышает показатели дисплеев с STN	до 480:1	Превышает показатели дисплеев с STN	Диапазон рабочих температур от -30 до +80 °С	Идеальны для автомобильной электроники
ECB, VAN (электронно-управляемое двойное лучепреломление или вертикально выровненный нематик)	-	-	Около250 мС	Очень узкий диапазон рабочих температур	Малое быстродействие и узкий температурный диапазон не позволяют использовать эти устройства в автомобильной технике и видеосистемах

Для производства больших цветных дисплеев в настоящее время широко используются ЖКИ на основе TFT (тон-копленочные транзисторы). Сечение TFT-панели показано на рис.2. В основе структуры TFT-панели содержатся жидкие кристаллы, два поляризатора и две стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими стеклянными пластинами. Регулирование светового потока осуществляется путем изменения величины входного напряжения, подаваемого на ЖК. Тем самым изменяется расположение и ориентация ЖК-молекул, что приводит к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через них.

Рис. 2. Сечение TFT панели

При изготовлении такой панели с помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ (рис.3). Количество транзисторов на стекле TFT равно числу подпикселей дисплея, при этом генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра с нанесенным на него фильтром цвета. Движение жидких кристаллов вызывается появлени-ем разности потенциалов между электродами, находящимися на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение приводит к генерации цвета и изменению яркости ЖКИ.

Рис. 3. Стеклянные подложки TFT и цветового фильтра

На рис.4 показан принцип управления ячейкой ЖК-матрицы. В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается и на ЖК подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. После выключения переключателя в емкости Clc (эквивалентная емкость ЖК-вещества) сохраняется некоторый заряд, уменьшающийся с течением времени. Для увеличения продолжительности хранения заряда параллельно Clc добавляется запоминающий конденсатор Cst. Поскольку фактически управление жидкими кристаллами производится переменным напряжением, для активации ЖК напряжение подается только при включенном переключателе, после чего он немедленно отключается. В ряде случаев напряжение на ЖК будет падать из-за утечек. Для предотвращения этого и используется дополнительный конденсатор Сst, компенсирующий утечки. При достаточной его емкости напряжение на нем будет приближаться к идеальной форме меандра (рис. 5).

Рис. 4. Схема управления ячейкой ЖК - матрицы

Рис. 5. Компенсирующее действие запоминающего конденсатора

В TFT-панели тонкопленочный транзистор выполняет функцию рассмотренного переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока соединен с линией данных, а вывод стока с Clc и Сst (рис. 6). Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении записываются в Clc и Cst. Если затвор не выбран, TFT закрыт.

Рис. 6. Схема ячейки TFT-панели

Формирование цвета в TFT-панели происходит при прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный в верхнее цветное стекло. Каждый отдельный пиксель изображения формируется при смешивании базовых цветовых элементов RGB. Если красный, зеленый и голубой элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый свет. Путем регулировки соотношения светопропускания этих трех элементов получают необходимое количество разнообразных цветов (рис. 7).

Рис. 7. Формирование цвета

Технология LTPS TFT

LTPS (низкотемпературная поликремневая) технология - это новейший производственный процесс изготовления TFT-панелей. В этой технологии используется лазерный отжиг, который позволяет производить кристаллизацию кремниевой пленки при температуре менее 400 °С. Поликристаллический кремний - материал на основе кремния, содержащий множество кристаллов кремния размером от 0,1 до нескольких микрон. При производстве полупроводников поликристаллический кремний обычно изготавливается при помощи LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition - химическое осаждение при низком давлении из газообразной фазы), а затем отжигается при температуре более 900 °С. Этот метод известен как SPC (Solid Phase Crystallization - кристаллизация твердой фазы). Очевидно, что такой метод не удастся применить при производстве индикаторных панелей, поскольку температура плавления стекла составляет 650 °С. Поэтому для создания ЖК-панелей идеально подходит новая низкотемпературная технология LTPS.

В настоящее время для формирования LTPS пленки используется несколько методов, среди которых наибольшую популярность приобрел метод лазерного отжига. В качестве источника энергии в этом случае используется эксимерный лазер. Он нагревает и расплавляет a-Si (аморфный кремний) с низким содержанием водорода, после чего кремний повторно кристаллизуется в виде p-Si (поликристаллической пленки). Подготовка LTPS пленки более сложна, чем a-Si пленки, однако LTPS TFT имеют в 100 раз большую текучесть, чем a-Si TFT, что позволяет перенести КМОП - процесс непосредственно на стеклянную подложку. В результате технология p-Si приобретает следующие основные преимущества по сравнению с a-Si технологией.

1. Подвижность электронов в тонкопленочных транзисторах, изготовленных по технологии LTPS достигает ~200 см²/В·с, что намного выше, чем у транзисторов a-Si технологии (всего около 0,5 см²/В·с). Повышенная подвижность электронов позволяет увеличить степень интеграции формируемой на подложке ЖКИ интегральной схемы и уменьшить размеры самого тонкопленочного транзистора.
2. Достигается более высокий апертурный коэффициент (отношение полезной площади ячейки к её полной площади). Так как TFT-транзистор LTPS ЖКИ имеет меньший размер, чем транзистор a-Si, полезная площадь ячейки, а, следовательно, и апертурный коэффициент такого ЖКИ будут выше (рис. 8). В результате при прочих равных условиях яркость свечения ячейки LTPS-ЖКИ пропорционально возрастет.
3. LTPS технология позволяет формировать в едином цикле непосредственно на подложке ЖКИ интегральные схемы драйверов. Это позволяет существенно снизить количество необходимых внешних контактов и уменьшить размеры самой подложки, что ведет к повышению надежности устройства и снижению стоимости конечного изделия.

Рис. 8. Различия величины апертурного коэффициента у a-Si и p-Si технологий

Дисплеи на основе органических пленок (OLED)

Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от ЖКИ типа, т.н. OLED (Organic Light Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным элементам дисплея они излучают яркий свет (рис. 9). Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи. Для получения OLED дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы, в сравнении с ЖКИ. Ведущий лидер в производстве таких дисплеев, корпорация Universal Display (UDC) полагает, что технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед ЖКИ:

• Более высокая яркость;
• Более высокое быстродействие, улучшающее качество отображения и динамику видеоизображений;
• Расширенный угол обзора (до 180°);
• Малый вес;
• Меньшее энергопотребление;
• Более широкий диапазон рабочих температур;
• Меньшая совокупная стоимость.

Рис. 9. Структура OLED

Столь впечатляющие характеристики своих OLED дисплеев компания UDC достигла благодаря разработке особого семейства высокоэффективных OLED-материалов. Их ключевой особенностью является использование для излучения света процесса электрофосфоресценции. В традиционных OLED-дисплеях излучение света основано на флуоресценции - переходе от одного возбужденного состояния материала. В соответствии с теоретическими и экспериментальными оценками максимальная эффективность OLED с добавлением флуоресцентных материалов может со-ставить около 25%. Это ограничение практически снимается при использовании в качестве добавок электрофосфоресцентных материалов компании UDC, которым присуще как одиночное, так и тройное возбужденное состояние. Учитывая, что эффективность таких материалов приближается к 100%, компания UDC работает над созданием и продвижением на рынок электрофосфоресцентных устройств, оптимизируя такие их характеристики как чистоту цвета, надежность функционирования и механическую прочность.

OLED-дисплеи могут быть выполнены на основе пассивной или активной матрицы.

Пассивная матрица дисплея состоит из массива отображающих элементов и пикселей, расположенных на поверхности по строкам и столбцам (рис. 10). В OLED-дисплее каждый пиксель является органическим светодиодом, образованным на пересечении каждой линии строки и столбца. Первые OLED, так же как и первые ЖКИ адресовались как пассивная матрица. Это означает, что для активизации пикселя необходимо приложить напряжение к линиям строки и столбца, на пересечении которых находится нужный пиксель. Чем больший ток протекает через каждый пиксель, тем больше яркость наблюдаемого свечения.

Рис. 10. Пассивная матрица OLED

В дисплее с активной матрицей массив также разделяется на строки и столбцы с пикселями, образуемыми на пересечении линий строк и столбцов. Однако здесь каждый пиксель состоит из органического светодиода (OLED), включенного последовательно с тонкопленочным транзистором (TFT), выполняющим функцию коммутатора, регулирующего уровень тока через OLED (рис. 11).

Рис. 11. Активная матрица OLED

В активной матрице OLED-дисплея (AMOLED) информация посылается микротранзистору каждого пикселя, задавая яркость его свечения. TFT-транзистор запоминает эту информацию и плавно регулирует ток через OLED. На рис.12 показан образец таких дисплеев.

Рис. 12. OLED-дисплей Universal Display Corp.

Компания UDC предлагает несколько разновидностей OLED-дисплеев:

• TOLED - прозрачные органические светоизлучающие устройства;
• FOLED - гибкие органические светоизлучающие устройства;
• SOLED - сложенные органические светоизлучающие устройства.

В дисплеях TOLED используется прозрачная основа, что позволяет создавать дисплеи с излучением только вверх, только вниз или в оба направления. Технология TOLED позволяет получать высококонтрастные изображения, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете. Поскольку TOLED имеет 70% прозрачность в выключенном состоянии, он может быть интегрирован в автостекла в качестве табличек или указателей. Прозрачность дисплеев TOLED дает возможность использовать их с непрозрачными подложками из металла, фольги или кремниевого кристалла, что позволяет создавать дисплеи с отображением только вперед. Простой TOLED дисплей может быть потенциально встроен в будущие динамические кредитные карты. За счет использования поглотителя с низким коэффициентом отражения (черный фон) позади верхней или нижней поверхности TOLED, контрастное отношение может быть значительно улучшено по сравнению с отражающими ЖКИ и OLED. Это особенно важно в приложениях, работающих при дневном свете, например в мобильных телефонах и кабинах авиационной техники.

Встраивая органическую пленку в гибкую поверхность, производители получают исключительные по своим качествам гибкие дисплеи - FOLED (рис. 13). Плоские отображающие панели традиционно выпускаются на стеклянной основе вследствие структурных ограничений и/или ограничений технологического процесса. Гибкие материалы обладают существенными преимуществами в сравнении со стеклянной основой. Впервые дисплеи могут быть выполнены на разнообразных типах подложек: от прозрачных тонких пленок до отражающей металлической фольги. Эти материалы позволяют изгибать и скручивать дисплеи, приспосабливая их к любой поверхности. Это означает, что FOLED-дисплей можно встроить в шлем, в рукав рубашки солдата, в приборную панель самолета или на стекло окна автомобиля. Использование тонких пластиковых подложек также существенно уменьшает вес тонких отображающих панелей в сотовых телефонах, портативных компьютерах и, особенно, в массовой сфере настенного телевидения. Дисплеи FOLED обладают повышенной стойкостью к изломам, устойчивостью к внешним воздействиям и более длительным сроком службы по сравнению с аналогами на стеклянной основе. По заявлениям компании UDC, её партнеры по исследованиям в области технологии производства FOLED разработали эффективный процесс фазового смещения органического пара (OVPD), позволяющий создавать FOLED в технологическом цикле "рулон к рулону". Этот процесс отвечает потребностям массового производства и позволяет выпускать дисплеи на основе OLED наименьшей стоимости по сравнению с большинством плоских отображающих панелей, изготовленных по другим технологиям.

Рис. 13. Гибкие дисплеи FOLED

Дальнейшее развитие OLED-дисплеев привело к появлению т.н. "сложенных OLED" (SOLED). В них использует-ся принципиально новая архитектура организации пикселя, разработанная компанией Universal Display. В дисплеях SOLED пиксель представляет собой вертикальную структуру расположенных друг над другом красного, зеленого и синего подпикселей, что отличается от расположения подпикселей в одной плоскости один возле другого, как в обычных дисплеях на основе ЭЛТ или ЖКИ. Это улучшает разрешающую способность дисплея в три раза и повышает качество цветопередачи. Для раздельной регулировки цвета и яркости каждый красный, зеленый и синий (R-G-B) подпиксельные элементы управляются индивидуально. Задание цвета выполняется за счет регулировки уровня тока в этих трех элементах. Регулировка яркости осуществляется путем изменения общего тока через сток ячейки. Получение градаций серого выполняется за счет широтно-импульсной модуляции сигналов, подаваемых на подпиксели. Технология SOLED компании UDC является первой демонстрацией вертикально-интегрированной структуры, в которой цвет, яркость и шкала серого могут настраиваться независимо, обеспечивая полноцветное изображение с высоким разрешением. Важной особенностью SOLED является очень высокий коэффициент заполнения, достигающий 100%. Напри-мер, когда у классического полноцветного дисплея устанавливается зеленый цвет, красный и синий подпиксели отключаются. Напротив, при тех же условиях у структуры SOLED все пиксели станут зелеными. Это означает, что архитектура SOLED обеспечивает лучшую цветопередачу и качество отображения. Еще одной особенностью SOLED является равномерность цветопередачи при увеличении размера пикселя. Это важно для больших дисплеев, в которых пиксели имеют достаточные размеры, чтобы их можно было увидеть с малого расстояния. В традиционных ЭЛТ и ЖКИ дисплеях глаз с близкого расстояния может увидеть раздельные красный, зеленый и синий цвета вместо эквивалентной смеси. У SOLED-дисплеев каждый пиксель излучает желаемый цвет, и поэтому цвет пикселя правильно воспринимается независимо от его размера и расстояния, с которого он наблюдается.

Рис. 14. Самый большой OLED- дисплей от Samsung

Впечатляющие достижения в области создания новейших дисплейных технологий демонстрирует южнокорейская компания Samsung Electronics. В январе 2005 года она объявила о создании самого большого в мире дисплея OLED с диагональю 21 дюйм (рис. 14). Представленная модель имеет малое время отклика, яркость 400 кд/м2, контрастность 5000:1 и поддерживает разрешение WUXGA (1920 x 1200 пикселей). Дисплей с такими характеристиками прекрасно подходит для использования в телевизорах высокой четкости, а поскольку при его изготовлении применялась хорошо отработанная инженерами компании технология аморфного кремния, следует ожидать быстрого выхода этого изделия на массовый рынок по конкурентоспособной цене.