Увеличение углов обзора в дисплеях на основе жидких кристаллов. Обзор
УДК 771.36
УВЕЛИЧЕНИЕ УГЛОВ ОБЗОРА В ДИСПЛЕЯХ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ. ОБЗОР
© 2012 г.
С. М. Пестов*, доктор хим. наук; М. Г. Томилин**, доктор техн. наук
** Московский государственный университет тонких химических технологий ** им. М.В. Ломоносова, Москва
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** E-mail: mgtomilin@mail.ru
Обсуждены современные принципы построения дисплеев на основе жидких кристаллов, обеспечивающие получение изображений высокого контраста при больших углах обзора. Рассмотрены характеристики дисплеев на основе эффектов твист и супертвист, эффекта с поперечным приложением электрического поля, а также оптических компенсирующих пленок и мультидоменных вертикально ориентированных структур. Описаны дисплеи с управляемыми углами поля зрения.
Ключевые слова: угол обзора, контрастное отношение, супертвист, компенсирующие пленки, эффект с поперечным приложением электрического поля, вертикально ориентированная структура.
Коды OCIS: 230.3720.
Поступила в редакцию 13.03.2012.
1. Предисловие
В настоящее время дисплеи на основе жидких кристаллов (ЖК) составляют около 85% от объема выпуска всех плоских информационных дисплеев в мире. Это объясняется их малым размером, небольшим весом, низким энергопотреблением и высокими эксплуатационными параметрами [1–4]. Конкурирующие дисплеи, такие как электронно-лучевые трубки, плазменные панели и светодиоды, имеют преимущества перед жидкокристаллическими дисплеями (ЖКД) по быстродействию и величине углов обзора (до 160°) [5]. Если быстродействие ЖКД ограничено вязкостью жидкокристаллического материала и перспективы его повышения фактически исчерпаны, то углы обзора зависят от оптических и геометрических параметров устройства, которые можно оптимизировать. Особенно актуально обеспечение больших углов обзора для ЖКД с большим размером экрана [6]. Эти вопросы оптики ЖКД
В обзоре использованы некоторые материалы приглашенного доклада, прочитанного на Международной конференции в Калькутте “Trends in Optics and Photonics”, 7–9.12.2011.
недостаточно отражены в научно-технической литературе, а имеющиеся источники малодоступны [5, 7–9].
Цель обзора состоит в анализе дисплейных технологий, обеспечивающих получение изображений высокого контраста при большом угле обзора. С этих позиций последовательно рассмотрены ЖКД на эффектах твист и супертвист, их модификации, в частности с оптическими компенсирующими пленками, и на эффекте с поперечным приложением электрического поля (IPS), а также мультидоменные вертикально ориентированные моды (VA). Описаны ЖКД с новыми характеристиками, позволяющие управлять углом поля зрения.
2. Дисплеи на эффектах твист и супертвист в нематических ЖК
Наиболее широко в дисплеях используется твист-эффект (TN – Twisted-Nematic) в нематических жидких кристаллах (НЖК). На рис. 1 представлена принципиальная схема активно-матричного TN-дисплея с тонкопленочным управлением. Она содержит элементы, кото-
66 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
1 6 7 7 4 8
2 3 4 5
3 2
Рис. 1. Схема активно-матричного TNдисплея. 1 – свет, 2 – поляризатор, 3 – стеклянная подложка, 4 – прозрачные электроды (ITO), 5 – слой НЖК, 6 – тонкопленочные транзисторы (TFT), 7 – ориентирующий слой, 8 – цветной фильтр [5].
f = 90°
180° 60
30 q = 0 CR = 50 CR = 10
30
CR = 5
60 0
270°
Рис. 2. Расчетные изоконтрастные характеристики углов обзора TN ЖКД с углом закрутки 90° и dDn = 480 нм [2]. q – угол наклона длинной оси молекул НЖК к подложке, F – азимутальный угол, Dn – оптическая анизотропия.
рые имеются в различных ЖКД. Слой НЖК толщиной 2–10 мкм находится между подложкой с тонкопленочными транзисторами (TFT) и цветными фильтрами. Два скрещенных поляроида расположены на внешних сторонах дисплейной панели. На токопроводящие слои (Indium-Tin Oxide – ITO) нанесен ориентирующий слой, создающий ориентацию молекул НЖК в двух ортогональных направлениях. Этим в отсутствие электрического поля создается закрученная на 90° структура, вращающая плоскость поляризации проходящего света на тот же угол. В скрещенных поляроидах свет проходит через такую структуру (светлое поле). При приложении электрического поля ориентация молекул НЖК становится гоме отропной и структура не пропускает свет (темное поле) из-за скрещенного положения анализатора и поляризатора. При повороте анализатора на 90° характер светопропускания меняется на противоположный. Время отклика зависит от толщины ЖК-слоя (d) и отношения динамической вязкости к коэффициенту упругости используемой ЖК-смеси. Для ячейки толщиной 4 мкм время отклика при комнатной температуре составляет 20–30 мс. Расчетные изоконтрастные кривые для TN-ячейки при различных значениях контрастного отношения (CR) при условии dDn = 480 нм приведены на рис. 2. В горизонтальном направлении
углы обзора почти симметричны и составляют ±50°–60°. Этого достаточно для ноутбуков. По вертикали углы обзора несимметричны и ограничены значениями 15° и 40° соответственно в верхнем и нижнем полях [2]. Поскольку двулучепреломление слоя НЖК зависит от угла наблюдения, то за пределами этих углов контраст изображения уменьшается, что является недостатком TNдисплеев.
Для обеспечения бо′льших углов обзора увеличивают угол закрутки директора нематика (более 90°), а эффект называют супертвистом (STN). Оптимальные углы закрутки лежат в диапазоне от 210° до 270° [10]. Для этого в НЖК вводят хиральную добавку. Сравнение зависимостей контраста от угла поля зрения для твистового и супертвистового дисплеев показано на рис. 3. Видно, что STN-дисплей обладает бо′льшим углом обзора и более симметричной контрастной характеристикой [5]. STN-структуру можно рассматривать как фазовую компенсирующую пленку (КП) [2]. К недостаткам STN-дисплеев относят необходимость обеспечения высокой точности зазора и углов наклона директора к подложке по всей поверхности; зависимость светопропускания в видимом диапазоне от длины волны, большие времена отклика, достигающие 300–400 мс.
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
67
(а) 90 ∅
120 60
150 30
(б)
∅
180 60
30 q = 0 30
60 0
60
30 q = 0 30
60 0
210 330
240 300 270
Рис. 3. Зависимость контраста от угла наблюдения для твистового (а) и супертвистового дисплеев (б) [5].
3. Применение компенсирующих пленок
Для увеличения угла обзора TN-дисплеев примерно до 140° используют КП [2, 5], достоинством которых является простота – не требуется изменений в технологии изготовления ЖКД, так как пленку располагают на последней технологической стадии. Эффективность применения КП иллюстрируется сравнительными изоконтрастными кривыми дисплеев без КП и с ней (рис. 4) [11].
Общая фазовая задержка (d) ЖК-ячейки с КП определяется выражением
d = 2p(d1Dn1 – d2Dn2),
(1)
где d1Dn1 и d2Dn2 – фазовые задержки ЖКячейки и пленки, d – толщина слоя.
Поскольку двулучепреломление ЖК (Dn) зависит от угла, длины волны света и температуры, то желательно, чтобы КП имела аналогичные угловую, спектральную и температурную зависимости. Разработано несколько типов т аких пленок [2].
Одним из вариантов является полимерная пленка толщиной z, вытянутая в одном направлении, например в направлении x. Можно получить пленку с положительным (nx > ny = nz) и отрицательным (nx nz > ny, или в х и у н аправлениях так, что nx > ny > nz, то создается двуосная пленка. Она используется и для увеличения угла обзора, и для уменьшения управляющего напряжения.
(а)
135 180
225
90 45
0 10 20 30 40 50 60 70 0
315 270
150,0 150,0 145,0 140,0 135,0 130,0 125,0 120,0 115,0 110,0 105,0 100,0 95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,000 0,000
(б)
135 180
225
90 45
0 10 20 30 40 50 60 70 0
315 270
100,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
Рис. 4. Изоконтрастные кривые для TN-дисплеев в отсутствие (а) и при наличии (б) компенсирующих пленок [7].
68 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
Можно создать изотропную пленку в направлениях х–у, но имеющую отрицательное (nx = ny > nz) или положительное (nx = ny > Vп (Vп – пороговое значение напряжения) и длинные оси молекул ЖК ориентированы примерно перпендикулярно подложке. При подаче напряжения на ЖК-ячейку с гомогенной
qj
f q
Рис. 5. Схема прохождения наклонного луча света через структуру гомеотропно ориентированного слоя НЖК при V >> Vп [2].
ориентацией возникает гомеотропная ориентация молекул ЖК (за исключением приповерхностного слоя). На рис. 5 упрощенно показана структура гомеотропно ориентированного слоя НЖК при V >> Vп [2]. Угол наклона F одинаков для всей ячейки. Для гомеотропно ориентированной ячейки при V = 0 угол наклона директора F ≈ 0. Луч света с длиной волны l падает на границу “воздух–ЖК” под углом qi. Для простоты будем считать, что стекло, прозрачный электрод ITO и слой ЖК имеют одинаковый коэффициент преломления n и свет распространяется в среде под углом q, отвечающим закону Снеллиуса, –
nвозд sinqi = nsinq.
(2)
Здесь средний коэффициент преломления n = (ne + 2nо)/3 (ne и nо – анизотропные коэффициенты преломления ЖК).
Как следует из (2), явление преломления всегда увеличивает углы обзора ЖКД. Если принять n = 1,5 для стекла и ЖК, то свет, падающий под углом 45°, будет отклоняться только на q = 28° в ЖК-среде. При угле падения q поляризованный свет после прохождения ЖКслоя обретает фазовую задержку. Зависимость фазовой задержки от двулучепреломления описывается соотношением
d(q, l) = 2p(dDn)eff/l,
(3)
где
(dDn)eff =
=
d cos θ
éêëêêê
ëêéne2cos2(θ ±
neno
j)+ no2sin2 (θ ± j)]úûù1/2
- no
ùúúúúû.
(4)
Величина (1/cosq) характеризует увеличение длины оптического пути; d – толщина ЖК-слоя при q = 0. Знаки ± означают свет, приходящий с левой и правой сторон соответственно. Фазовая задержка асимметрична. Это значит, что необходимо использовать и компенсирующую пленку с асимметричной по углу фазовой задержкой. Рассмотрим малое значение угла θ. Возьмем для примера гомеотропную ячейку с F = 0. При малых значениях θ можно считать, что соsq ≈ 1 – q2/2, sinq ≈ q. Тогда уравнение (4) упрощается и может быть записано как
(dDn)eff
= dDn éêêë1-
3 2
Dn ne
ùúúû
θ2.
(5)
Уравнение (5) дает зависимость угла θ от фазовой задержки (dDn)eff для гомеотропной ячей-
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
69
ки при V = 0 или для TN-ячейки при подан-
ном напряжении. При малом угле фазовая
задержка Толщина
пропорциональна q2 и dDn éêêë1ЖК-слоя, величина и знак
3 Dn 2Dnn,e
úùúûn2.e
играют важную роль в обеспечении фазовой за-
держки в случае наклонных пучков. Большин-
ство ЖК-материалов, разработанных для дис-
плеев, обладают положительным двулучепре-
ломлением (Dn > 0). Поэтому для компенсации
остаточной фазовой задержки в ЖК-ячейке
при наклонном падении лучей требуется плен-
ка с отрицательной величиной Dn.
Слой дискотического ЖК обладает уникаль-
ной наклонной структурой, асимметричной
угловой зависимостью фазовой задержки и от-
рицательным двулучепреломлением, что дела-
ет его пригодным для расширения углов обзора
TN-ячеек [19]. Структура типичного дискоти-
ка, используемого для этой цели, имеет вид
OR
OR
RO O O
RO
RC
O СH2 9СH СH2.
OR
OR Дискотик на основе производных трифенилена, образующий дискоидную нематическую фазу, был изучен авторами работы [23], а его использование в качестве КП было предложено для увеличения углов обзора ЖКД [25]. Однородная по фазе пленка не позволяет внести корректировку в верхнюю и нижнюю части одновременно. Поэтому используют две пленки (для верхней и нижней частей): угол ориентации одноосного материала с отрицательной оптической анизотропией плавно меняется в направлении ортогональной плоскости пленки (рис. 6). В качестве такого материала использ уется оптически анизотропный слой дискотика с гибридной ориентацией. При этом необходимо согласовывать его спектральные и температурные характеристики со свойствами ЖК-материала, что в основном удается осуществить [2].
4. Дисплеи на основе твист-эффекта с поперечным приложением электрического
поля (In-Plane Switching) IPS
Схема управления ЖКД за счет поперечного приложения электрического поля была предложена в работе [27]. Встречно-штыре-
Оптическая КП
ЖК-ячейка
Оптическая КП
Рис. 6. Схема использования оптических компенсирующих пленок на основе дискотических ЖК [7].
вые электроды размещены на одной подложке и создают поперечное азимутальное краевое поле, вызывая поворот директора в плоскости подложки. Дисплеи на основе твист-эффекта с поперечным направлением приложения электрического поля по технологии IPS были разработаны компаниями Hitachi и NEC для обеспечения бо′льших и симметричных углов обзора по сравнению с TN-структурой [28–30].
Были разработаны схемы с использованием НЖК с De 0 и вертикальной ориентацией для использования в TFT-ЖКД [32, 33]. Структуры с вертикальной ориентацией обладают меньшими временами переключения.
Рассмотрим случай, когда в исходном со стоянии молекулы ЖК ориентированы планарно вдоль направления натирания под углом 10° к штыревым электродам (рис. 8). На верхней подложке имеется полиимидный ориентирующий слой, а электроды отсутствуют. Плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор, параллельна или перпендику-
70 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
(а) P nв
(б) P
nв
Электроды
Электроды
E nн
E DR, мм
nн
AA
Рис. 7. ЖКД на основе твист-эффекта с поперечным направлением приложения электрического поля (IPS). а – исходное состояние (угол закрутки – 90°), De
УВЕЛИЧЕНИЕ УГЛОВ ОБЗОРА В ДИСПЛЕЯХ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ. ОБЗОР
© 2012 г.
С. М. Пестов*, доктор хим. наук; М. Г. Томилин**, доктор техн. наук
** Московский государственный университет тонких химических технологий ** им. М.В. Ломоносова, Москва
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** E-mail: mgtomilin@mail.ru
Обсуждены современные принципы построения дисплеев на основе жидких кристаллов, обеспечивающие получение изображений высокого контраста при больших углах обзора. Рассмотрены характеристики дисплеев на основе эффектов твист и супертвист, эффекта с поперечным приложением электрического поля, а также оптических компенсирующих пленок и мультидоменных вертикально ориентированных структур. Описаны дисплеи с управляемыми углами поля зрения.
Ключевые слова: угол обзора, контрастное отношение, супертвист, компенсирующие пленки, эффект с поперечным приложением электрического поля, вертикально ориентированная структура.
Коды OCIS: 230.3720.
Поступила в редакцию 13.03.2012.
1. Предисловие
В настоящее время дисплеи на основе жидких кристаллов (ЖК) составляют около 85% от объема выпуска всех плоских информационных дисплеев в мире. Это объясняется их малым размером, небольшим весом, низким энергопотреблением и высокими эксплуатационными параметрами [1–4]. Конкурирующие дисплеи, такие как электронно-лучевые трубки, плазменные панели и светодиоды, имеют преимущества перед жидкокристаллическими дисплеями (ЖКД) по быстродействию и величине углов обзора (до 160°) [5]. Если быстродействие ЖКД ограничено вязкостью жидкокристаллического материала и перспективы его повышения фактически исчерпаны, то углы обзора зависят от оптических и геометрических параметров устройства, которые можно оптимизировать. Особенно актуально обеспечение больших углов обзора для ЖКД с большим размером экрана [6]. Эти вопросы оптики ЖКД
В обзоре использованы некоторые материалы приглашенного доклада, прочитанного на Международной конференции в Калькутте “Trends in Optics and Photonics”, 7–9.12.2011.
недостаточно отражены в научно-технической литературе, а имеющиеся источники малодоступны [5, 7–9].
Цель обзора состоит в анализе дисплейных технологий, обеспечивающих получение изображений высокого контраста при большом угле обзора. С этих позиций последовательно рассмотрены ЖКД на эффектах твист и супертвист, их модификации, в частности с оптическими компенсирующими пленками, и на эффекте с поперечным приложением электрического поля (IPS), а также мультидоменные вертикально ориентированные моды (VA). Описаны ЖКД с новыми характеристиками, позволяющие управлять углом поля зрения.
2. Дисплеи на эффектах твист и супертвист в нематических ЖК
Наиболее широко в дисплеях используется твист-эффект (TN – Twisted-Nematic) в нематических жидких кристаллах (НЖК). На рис. 1 представлена принципиальная схема активно-матричного TN-дисплея с тонкопленочным управлением. Она содержит элементы, кото-
66 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
1 6 7 7 4 8
2 3 4 5
3 2
Рис. 1. Схема активно-матричного TNдисплея. 1 – свет, 2 – поляризатор, 3 – стеклянная подложка, 4 – прозрачные электроды (ITO), 5 – слой НЖК, 6 – тонкопленочные транзисторы (TFT), 7 – ориентирующий слой, 8 – цветной фильтр [5].
f = 90°
180° 60
30 q = 0 CR = 50 CR = 10
30
CR = 5
60 0
270°
Рис. 2. Расчетные изоконтрастные характеристики углов обзора TN ЖКД с углом закрутки 90° и dDn = 480 нм [2]. q – угол наклона длинной оси молекул НЖК к подложке, F – азимутальный угол, Dn – оптическая анизотропия.
рые имеются в различных ЖКД. Слой НЖК толщиной 2–10 мкм находится между подложкой с тонкопленочными транзисторами (TFT) и цветными фильтрами. Два скрещенных поляроида расположены на внешних сторонах дисплейной панели. На токопроводящие слои (Indium-Tin Oxide – ITO) нанесен ориентирующий слой, создающий ориентацию молекул НЖК в двух ортогональных направлениях. Этим в отсутствие электрического поля создается закрученная на 90° структура, вращающая плоскость поляризации проходящего света на тот же угол. В скрещенных поляроидах свет проходит через такую структуру (светлое поле). При приложении электрического поля ориентация молекул НЖК становится гоме отропной и структура не пропускает свет (темное поле) из-за скрещенного положения анализатора и поляризатора. При повороте анализатора на 90° характер светопропускания меняется на противоположный. Время отклика зависит от толщины ЖК-слоя (d) и отношения динамической вязкости к коэффициенту упругости используемой ЖК-смеси. Для ячейки толщиной 4 мкм время отклика при комнатной температуре составляет 20–30 мс. Расчетные изоконтрастные кривые для TN-ячейки при различных значениях контрастного отношения (CR) при условии dDn = 480 нм приведены на рис. 2. В горизонтальном направлении
углы обзора почти симметричны и составляют ±50°–60°. Этого достаточно для ноутбуков. По вертикали углы обзора несимметричны и ограничены значениями 15° и 40° соответственно в верхнем и нижнем полях [2]. Поскольку двулучепреломление слоя НЖК зависит от угла наблюдения, то за пределами этих углов контраст изображения уменьшается, что является недостатком TNдисплеев.
Для обеспечения бо′льших углов обзора увеличивают угол закрутки директора нематика (более 90°), а эффект называют супертвистом (STN). Оптимальные углы закрутки лежат в диапазоне от 210° до 270° [10]. Для этого в НЖК вводят хиральную добавку. Сравнение зависимостей контраста от угла поля зрения для твистового и супертвистового дисплеев показано на рис. 3. Видно, что STN-дисплей обладает бо′льшим углом обзора и более симметричной контрастной характеристикой [5]. STN-структуру можно рассматривать как фазовую компенсирующую пленку (КП) [2]. К недостаткам STN-дисплеев относят необходимость обеспечения высокой точности зазора и углов наклона директора к подложке по всей поверхности; зависимость светопропускания в видимом диапазоне от длины волны, большие времена отклика, достигающие 300–400 мс.
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
67
(а) 90 ∅
120 60
150 30
(б)
∅
180 60
30 q = 0 30
60 0
60
30 q = 0 30
60 0
210 330
240 300 270
Рис. 3. Зависимость контраста от угла наблюдения для твистового (а) и супертвистового дисплеев (б) [5].
3. Применение компенсирующих пленок
Для увеличения угла обзора TN-дисплеев примерно до 140° используют КП [2, 5], достоинством которых является простота – не требуется изменений в технологии изготовления ЖКД, так как пленку располагают на последней технологической стадии. Эффективность применения КП иллюстрируется сравнительными изоконтрастными кривыми дисплеев без КП и с ней (рис. 4) [11].
Общая фазовая задержка (d) ЖК-ячейки с КП определяется выражением
d = 2p(d1Dn1 – d2Dn2),
(1)
где d1Dn1 и d2Dn2 – фазовые задержки ЖКячейки и пленки, d – толщина слоя.
Поскольку двулучепреломление ЖК (Dn) зависит от угла, длины волны света и температуры, то желательно, чтобы КП имела аналогичные угловую, спектральную и температурную зависимости. Разработано несколько типов т аких пленок [2].
Одним из вариантов является полимерная пленка толщиной z, вытянутая в одном направлении, например в направлении x. Можно получить пленку с положительным (nx > ny = nz) и отрицательным (nx nz > ny, или в х и у н аправлениях так, что nx > ny > nz, то создается двуосная пленка. Она используется и для увеличения угла обзора, и для уменьшения управляющего напряжения.
(а)
135 180
225
90 45
0 10 20 30 40 50 60 70 0
315 270
150,0 150,0 145,0 140,0 135,0 130,0 125,0 120,0 115,0 110,0 105,0 100,0 95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,000 0,000
(б)
135 180
225
90 45
0 10 20 30 40 50 60 70 0
315 270
100,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
Рис. 4. Изоконтрастные кривые для TN-дисплеев в отсутствие (а) и при наличии (б) компенсирующих пленок [7].
68 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
Можно создать изотропную пленку в направлениях х–у, но имеющую отрицательное (nx = ny > nz) или положительное (nx = ny > Vп (Vп – пороговое значение напряжения) и длинные оси молекул ЖК ориентированы примерно перпендикулярно подложке. При подаче напряжения на ЖК-ячейку с гомогенной
qj
f q
Рис. 5. Схема прохождения наклонного луча света через структуру гомеотропно ориентированного слоя НЖК при V >> Vп [2].
ориентацией возникает гомеотропная ориентация молекул ЖК (за исключением приповерхностного слоя). На рис. 5 упрощенно показана структура гомеотропно ориентированного слоя НЖК при V >> Vп [2]. Угол наклона F одинаков для всей ячейки. Для гомеотропно ориентированной ячейки при V = 0 угол наклона директора F ≈ 0. Луч света с длиной волны l падает на границу “воздух–ЖК” под углом qi. Для простоты будем считать, что стекло, прозрачный электрод ITO и слой ЖК имеют одинаковый коэффициент преломления n и свет распространяется в среде под углом q, отвечающим закону Снеллиуса, –
nвозд sinqi = nsinq.
(2)
Здесь средний коэффициент преломления n = (ne + 2nо)/3 (ne и nо – анизотропные коэффициенты преломления ЖК).
Как следует из (2), явление преломления всегда увеличивает углы обзора ЖКД. Если принять n = 1,5 для стекла и ЖК, то свет, падающий под углом 45°, будет отклоняться только на q = 28° в ЖК-среде. При угле падения q поляризованный свет после прохождения ЖКслоя обретает фазовую задержку. Зависимость фазовой задержки от двулучепреломления описывается соотношением
d(q, l) = 2p(dDn)eff/l,
(3)
где
(dDn)eff =
=
d cos θ
éêëêêê
ëêéne2cos2(θ ±
neno
j)+ no2sin2 (θ ± j)]úûù1/2
- no
ùúúúúû.
(4)
Величина (1/cosq) характеризует увеличение длины оптического пути; d – толщина ЖК-слоя при q = 0. Знаки ± означают свет, приходящий с левой и правой сторон соответственно. Фазовая задержка асимметрична. Это значит, что необходимо использовать и компенсирующую пленку с асимметричной по углу фазовой задержкой. Рассмотрим малое значение угла θ. Возьмем для примера гомеотропную ячейку с F = 0. При малых значениях θ можно считать, что соsq ≈ 1 – q2/2, sinq ≈ q. Тогда уравнение (4) упрощается и может быть записано как
(dDn)eff
= dDn éêêë1-
3 2
Dn ne
ùúúû
θ2.
(5)
Уравнение (5) дает зависимость угла θ от фазовой задержки (dDn)eff для гомеотропной ячей-
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
69
ки при V = 0 или для TN-ячейки при подан-
ном напряжении. При малом угле фазовая
задержка Толщина
пропорциональна q2 и dDn éêêë1ЖК-слоя, величина и знак
3 Dn 2Dnn,e
úùúûn2.e
играют важную роль в обеспечении фазовой за-
держки в случае наклонных пучков. Большин-
ство ЖК-материалов, разработанных для дис-
плеев, обладают положительным двулучепре-
ломлением (Dn > 0). Поэтому для компенсации
остаточной фазовой задержки в ЖК-ячейке
при наклонном падении лучей требуется плен-
ка с отрицательной величиной Dn.
Слой дискотического ЖК обладает уникаль-
ной наклонной структурой, асимметричной
угловой зависимостью фазовой задержки и от-
рицательным двулучепреломлением, что дела-
ет его пригодным для расширения углов обзора
TN-ячеек [19]. Структура типичного дискоти-
ка, используемого для этой цели, имеет вид
OR
OR
RO O O
RO
RC
O СH2 9СH СH2.
OR
OR Дискотик на основе производных трифенилена, образующий дискоидную нематическую фазу, был изучен авторами работы [23], а его использование в качестве КП было предложено для увеличения углов обзора ЖКД [25]. Однородная по фазе пленка не позволяет внести корректировку в верхнюю и нижнюю части одновременно. Поэтому используют две пленки (для верхней и нижней частей): угол ориентации одноосного материала с отрицательной оптической анизотропией плавно меняется в направлении ортогональной плоскости пленки (рис. 6). В качестве такого материала использ уется оптически анизотропный слой дискотика с гибридной ориентацией. При этом необходимо согласовывать его спектральные и температурные характеристики со свойствами ЖК-материала, что в основном удается осуществить [2].
4. Дисплеи на основе твист-эффекта с поперечным приложением электрического
поля (In-Plane Switching) IPS
Схема управления ЖКД за счет поперечного приложения электрического поля была предложена в работе [27]. Встречно-штыре-
Оптическая КП
ЖК-ячейка
Оптическая КП
Рис. 6. Схема использования оптических компенсирующих пленок на основе дискотических ЖК [7].
вые электроды размещены на одной подложке и создают поперечное азимутальное краевое поле, вызывая поворот директора в плоскости подложки. Дисплеи на основе твист-эффекта с поперечным направлением приложения электрического поля по технологии IPS были разработаны компаниями Hitachi и NEC для обеспечения бо′льших и симметричных углов обзора по сравнению с TN-структурой [28–30].
Были разработаны схемы с использованием НЖК с De 0 и вертикальной ориентацией для использования в TFT-ЖКД [32, 33]. Структуры с вертикальной ориентацией обладают меньшими временами переключения.
Рассмотрим случай, когда в исходном со стоянии молекулы ЖК ориентированы планарно вдоль направления натирания под углом 10° к штыревым электродам (рис. 8). На верхней подложке имеется полиимидный ориентирующий слой, а электроды отсутствуют. Плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор, параллельна или перпендику-
70 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
(а) P nв
(б) P
nв
Электроды
Электроды
E nн
E DR, мм
nн
AA
Рис. 7. ЖКД на основе твист-эффекта с поперечным направлением приложения электрического поля (IPS). а – исходное состояние (угол закрутки – 90°), De