Как работают ЖК (жидкокристаллические дисплеи)?

  1. Как телевизионный экран делает свое изображение?
  2. Что такое жидкие кристаллы?
  3. Узнать больше
  4. Что такое поляризованный свет?
  5. Как ЖК-телевизоры используют жидкие кристаллы и поляризованный свет
  6. Какая разница между ЖК и плазмой?
  7. Краткая история ЖК

от   Крис Вудфорд   ,  Последнее обновление: 29 апреля 2018 г

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 29 апреля 2018 г.

Телевизоры раньше были горячими, тяжелыми, жаждущими энергию зверями, которые сидели в углу вашей гостиной. Уже нет! Теперь они достаточно тонкие, чтобы повесить на стену, и они используют столько же, сколько энергия как они привыкли. Как ноутбук компьютеры большинство новых телевизоров имеют плоские экраны с ЖК-дисплеями (жидкокристаллические дисплеи) - ту же технологию, которую мы использовали в течение многих лет в таких вещах, как калькуляторов , сотовые телефоны , а также цифровые часы , Что они и как они работают? Давайте внимательнее посмотрим!

Фото: маленькие ЖК-дисплеи, подобные этому, широко использовались в калькуляторах и цифровых часах с 1970-х годов, но в те дни они были относительно дорогими и производили только черно-белые (на самом деле, темно-голубоватые и белые) изображения. В течение 1980-х и 1990-х годов производители выяснили, как сделать большие цветные экраны по относительно доступным ценам. Именно тогда рынок жидкокристаллических телевизоров и цветных ноутбуков действительно вышел на рынок.

Как телевизионный экран делает свое изображение?

Как телевизионный экран делает свое изображение

Фото: это IPOD Экран является еще одним примером технологии ЖК-дисплея. Его пиксели окрашены в черный цвет, и они либо включены, либо выключены, поэтому дисплей черно-белый. На ЖК-телевизоре яркие пиксели красного, синего или зеленого цвета создают яркие цветные движущиеся изображения.

Для многих людей самое привлекательное в жидкокристаллических телевизорах - это не способ создания изображения, а их плоский компактный экран. В отличие от телевизора старого стиля, ЖК-экран достаточно плоский, чтобы повесить на стену. Это потому, что он создает свою картину совершенно по-другому.

Вы, наверное, знаете, что в старом стиле электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) телевидение делает снимок с использованием трех электронных пушек. Думайте о них как о трех очень быстрых, очень точных кистях, которые танцуют взад-вперед и рисуют движущееся изображение на задней части экрана, которое вы можете наблюдать, сидя перед ним.

Плоские ЖК-дисплеи и плазменные экраны работают совершенно по-другому. Если вы сядете рядом с телевизором с плоским экраном, вы заметите, что картинка состоит из миллионов крошечных блоков, называемых пикселями (элементами изображения). Каждый из них по сути является отдельным красным, синим или зеленым светом, который можно очень быстро включать или выключать для создания движущегося цветного изображения. Пиксели управляются совершенно разными способами на плазменных и ЖК-экранах. В плазма экран, каждый пиксель крошечная люминесцентная лампа включена или выключена в электронном виде , В ЖК-телевизоре пиксели включаются или выключаются электронным способом с использованием жидких кристаллов для вращения поляризованного света. Это не так сложно, как кажется! Чтобы понять, что происходит, сначала нам нужно понять, что такое жидкие кристаллы; тогда нам нужно более внимательно посмотреть на свет и то, как он движется.

Что такое жидкие кристаллы?

Что такое жидкие кристаллы

Фото: жидкие кристаллы высушены и просматриваются в поляризованном свете. Вы можете видеть, что они имеют гораздо более правильную структуру, чем обычная жидкость. Фото из исследования Дэвида Вейца любезно предоставлено Центр космических полетов им. Маршалла (NASA-MSFC) ,

Мы привыкли к мысли, что данное вещество может находиться в одном из трех состояний: твердое, жидкое или газообразное - мы называем их состояния вещества - и до конца 19-го века ученые думали, что это конец истории. Затем, в 1888 году, австрийский химик по имени Фридрих Рейницер (1857–1927) обнаружил жидкие кристаллы, которые являются совершенно другим состоянием, где-то между жидкостями и твердыми веществами. Жидкие кристаллы могли остаться в безвестности, но они оказались очень полезными.

Твердые вещества представляют собой замороженные комки вещества, которые остаются сами по себе, часто со своими атомы упакованы в аккуратную, правильную структуру, называемую кристаллом (или кристаллической решеткой). Жидкости не имеют порядка твердых частиц и, хотя они остаются на месте, если вы держите их в контейнере, они текут относительно легко, когда вы выливаете их. Теперь представьте вещество с некоторым порядком твердого тела и с некоторой текучестью жидкости. То, что у вас есть, это жидкий кристалл - своего рода промежуточный дом между ними. В любой данный момент жидкие кристаллы могут находиться в одном из нескольких возможных «подсостояний» (фаз) где-то в подвешенном состоянии между твердым телом и жидкостью. Две наиболее важные жидкокристаллические фазы называются нематическими и смектическими:

Две наиболее важные жидкокристаллические фазы называются нематическими и смектическими:

  • Когда они находятся в нематической фазе, жидкие кристаллы немного похожи на жидкость: их молекулы могут перемещаться и перемещаться друг за другом, но все они указывают в одном и том же направлении. Они немного похожи на спички в спичечной коробке: вы можете встряхивать их и перемещать, но они все продолжают указывать одинаково.
  • Если вы охлаждаете жидкие кристаллы, они переходят в смектическую фазу. Теперь молекулы образуют слои, которые могут сравнительно легко скользить мимо друг друга. Молекулы в данном слое могут перемещаться внутри него, но они не могут и не перемещаются в другие слои (немного похоже на людей, работающих в разных компаниях на определенных этажах офисного здания). На самом деле есть несколько разных смектических «подфаз», но мы не будем здесь вдаваться в подробности.

Узнать больше

Хотите узнать больше о жидких кристаллах? Там есть отличная страница под названием История и свойства жидких кристаллов на нобелевском сайте.

Что такое поляризованный свет?

У нематических жидких кристаллов есть действительно аккуратный трюк. Они могут принять скрученную структуру и, когда вы применяете электричество для них они снова выправляются. Это может показаться не слишком хитрым, но это ключ к тому, как ЖК-дисплей включает и выключает пиксели. Чтобы понять, как жидкие кристаллы могут контролировать пиксели, нам нужно знать о поляризованном свете.

Свет это загадочная вещь Иногда он ведет себя как поток частиц - как постоянный поток микроскопических пушечных ядер, несущих энергия мы можем видеть в воздухе с очень высокой скоростью. В других случаях свет ведет себя как волны на море. Вместо того, чтобы вода двигалась вверх и вниз, свет - это волновая картина электрического и магнитные энергия, вибрирующая в пространстве.

Вместо того, чтобы вода двигалась вверх и вниз, свет - это волновая картина электрического и   магнитные   энергия, вибрирующая в пространстве

Фото: уловка поляризованного света: поверните одну пару поляризационных солнечных очков за другой, и вы сможете заблокировать практически весь свет, который обычно проходит через него.

Фото: уловка поляризованного света: поверните одну пару поляризационных солнечных очков за другой, и вы сможете заблокировать практически весь свет, который обычно проходит через него

Фото: менее известный трюк с поляризованным светом: кристаллы сверкают удивительными спектральными цветами из-за явления, называемого плеохроизма , Фотография белков и вирусных кристаллов, многие из которых были выращены в космосе. Предоставлено: доктор Алекс МакФерсон, Университет Калифорнии, Ирвин. Фото любезно предоставлено Центром космических полетов им. Маршалла (NASA-MSFC).

Когда солнечный свет падает с неба, все световые волны смешиваются и вибрируют во всех возможных направлениях. Но если мы поместим фильтр на пути, с сеткой линий, расположенных вертикально, как отверстия в тюремных решетках (только намного ближе друг к другу), мы можем заблокировать все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально (единственные световые волны, которые могут пройти через вертикальные полосы). Поскольку мы блокируем большую часть исходного солнечного света, наш фильтр эффективно уменьшает яркость. Вот как работают поляризационные очки: они исключают все, кроме солнечного света, вибрирующего в одном направлении или плоскости. Фильтрованный таким образом свет называется поляризованным или плоскополяризованным светом (поскольку он может распространяться только в одной плоскости).

Если у вас есть две пары поляризационных солнцезащитных очков (и они не будут работать с обычными солнцезащитными очками), вы можете сделать хитрый трюк. Если вы поставите одну пару прямо перед другой, вы все равно сможете видеть сквозь нее. Но если вы медленно вращаете одну пару и удерживаете другую пару в том же месте, вы увидите, что свет, проходящий через него, постепенно становится темнее. Когда две пары солнцезащитных очков находятся под углом 90 градусов друг к другу, вы вообще не сможете их видеть. Первая пара солнцезащитных очков блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются вертикально. Вторая пара солнцезащитных очков работает точно так же, как и первая пара. Если обе пары очков направлены в одном направлении, это нормально - световые волны, вибрирующие вертикально, все же могут проходить через оба. Но если мы повернем вторую пару очков на 90 градусов, световые волны, прошедшие через первую пару очков, больше не смогут пройти через вторую пару. Никакой свет не может пройти через два поляризационных фильтра, которые расположены под углом 90 градусов друг к другу.

Как ЖК-телевизоры используют жидкие кристаллы и поляризованный свет

Как ЖК-телевизоры используют жидкие кристаллы и поляризованный свет

Фото: Докажите себе, что на ЖК-дисплее используется поляризованный свет. Просто наденьте поляризационные очки и поверните голову (или дисплей). Вы увидите самый яркий дисплей под одним углом и самый темный точно под углом 90 градусов к этому углу.

Вы увидите самый яркий дисплей под одним углом и самый темный точно под углом 90 градусов к этому углу

Фото: как жидкие кристаллы включают и выключают свет. В одной ориентации поляризованный свет не может проходить через кристаллы, поэтому они кажутся темными (фото слева). В другой ориентации поляризованный свет проходит хорошо, поэтому кристаллы выглядят яркими (фото справа). Мы можем заставить кристаллы менять ориентацию - и включать и выключать их пиксели - просто применяя электрическое поле. Фотография из исследования жидких кристаллов Дэвида Вейца любезно предоставлена ​​NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC).

Экран ЖК-телевизора использует фокус солнцезащитных очков для включения или выключения цветных пикселей. В задней части экрана есть большой яркий свет, который направлен на зрителя. Перед этим находятся миллионы пикселей, каждый из которых состоит из небольших областей, называемых подпикселями, которые окрашены в красный, синий или зеленый цвета. Каждый пиксель имеет фильтр поляризационного стекла позади него и еще один перед ним под углом 90 градусов. Это означает, что пиксель обычно выглядит темным. Между двумя поляризационными фильтрами находится крошечный скрученный нематический жидкий кристалл, который можно включать или выключать (скручивать или раскручивать) электронным способом. Когда он выключен, он поворачивает свет, проходящий через него, на 90 градусов, эффективно пропуская свет через два поляризационных фильтра и делая пиксель ярким. Когда он включен, он не поворачивает свет, который блокируется одним из поляризаторов, и пиксель выглядит темным. Каждый пиксель контролируется отдельным транзистор (крошечный электронный компонент), который может включать или выключать его много раз каждую секунду.

Какая разница между ЖК и плазмой?

плазма Экран похож на ЖК-дисплей, но работает совершенно по-другому: каждый пиксель фактически является микроскопическим флюоресцентная лампа светящийся плазмой Плазма - очень горячая форма газа, в которой атомы взорвали друг от друга, чтобы сделать отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы (атомы минус их электроны). Они свободно перемещаются, создавая нечеткое свечение света, когда сталкиваются. Плазменные экраны можно сделать намного больше, чем обычные телевизоры с электронно-лучевой трубкой, но они также намного дороже.

Краткая история ЖК

  • 1888: Фридрих Рейницер, австрийский ученый, обнаруживает жидкие кристаллы, изучая химическое вещество под названием холестерилбензоат. Кажется, что он имеет две различные кристаллические формы, одну твердую и одну жидкую, каждая со своей температурой плавления.
  • 1889: Основываясь на работах Рейницера, немецкий химик и физик Отто Леманн использует термин «жидкие кристаллы» (первоначально «текучие кристаллы» или «летящий кристалл» на немецком языке) и проводит более детальные исследования с использованием поляризованного света. Хотя его работа номинирована на Нобелевскую премию, он никогда не выигрывает.
  • 1962: RCA Ричард Уильямс начинает исследования оптических свойств нематических жидких кристаллов. Он подает свой инновационный ЖК-патент ( Патент США 3332485 ) 9 ноября 1962 года, и, наконец, почти пять лет спустя, 30 мая 1967 года.
  • 1960-е: инженеры RCA любят Джордж Хайльмайер Основываясь на этих теоретических исследованиях, мы создали первые практические электронные дисплеи в надежде создать ЖК-телевизоры.
  • 1968: RCA публично представляет технологию LCD на пресс-конференции, предлагая Нью-Йорк Таймс предвосхищать такие продукты, как «тонкий экран телевизора, который можно повесить на стену гостиной, как картину».
  • 1968: французский ученый Пьер Жиль де Жен проводит инновационные исследования фазовых переходов с участием жидких кристаллов, для которых он выигрывает Нобелевская премия по физике в 1991 году.
  • 1969: Вольфганг Хелфрич из RCA разрабатывает витые нематические ЖК-дисплеи на основе поляризованного света, но компания скептически относится к ним и уклоняется от их разработки. В государственном университете Кента Джеймс Фергасон разрабатывает и запатентовывает альтернативную версию той же идеи. Сегодня Хелфричу, его сотруднику Мартину Шадту и Фергасону совместно приписывают изобретение современного ЖК-дисплея.
  • 1970: имея не удалось коммерциализировать ЖК RCA продает свою технологию Timex, которая популяризирует ЖК-дисплеи в первых цифровых наручных часах.
  • 1973: диез представляет первый в мире карманный ЖК-калькулятор (EL-805).
  • 1980: появляются дисплеи STN (супер витая нематика) с гораздо большим количеством пикселей, предлагающих изображения с более высоким разрешением.
  • 1988 год: спустя 100 лет после открытия жидких кристаллов, Sharp зазвучал смертельно опасно для электронно-лучевых трубок, когда он выпустил первый 14-дюймовый цветной телевизор с ЖК-дисплеем на тонкопленочных транзисторах.

Как телевизионный экран делает свое изображение?
Что такое жидкие кристаллы?
Как телевизионный экран делает свое изображение?
Что такое жидкие кристаллы?
Что такое поляризованный свет?
Какая разница между ЖК и плазмой?