Новая технология для бистабильных ЖК-дисплеев

фирмы Nemoptic

Дисплейные технологии на основе использования бистабильных ЖК-дисплеев уже давно привлекают внимание как пользователей, так и производителей. Бистабильные технологии основаны на использовании природной (физической) памяти ЖК-материала в дисплее без применения активных дополнительных элементов. В бистабильных ЖК-дисплеях изображение, будучи однократно воспроизведенным (записанным), может сохраняться, не требуя регенерации или подачи каких-либо сигналов для поддержки эффекта памяти. Благодаря этому свойству можно значительно уменьшить мощность потребления ЖК-дисплея. Как утверждают специалисты французской фирмы Nemoptic, новая разработанная ими технология, названная BiNem, позволяет получить гораздо лучшие оптические характеристики, чем другие конкурирующие технологии, также использующие эффект бистабильности, но использующие холестерические или ферроэлектрические ЖК-матералы.

Наличие памяти обеспечивает практически неограниченный потенциал для увеличения коэффициента мультиплексирования строк, тем самым обеспечивая возможность реализации дисплеев с очень высокой разрешающей способностью без потери контраста. Обычные технологии с пассивной адресацией, использующие моностабильные ЖК-ячейки (TN, STN, FSTN), требуют регенерации, а контраст их падает с увеличением числа строк. Регенерация производится последовательной разверткой строк дисплея и для всех технологий сопровождается кросс-эффектом. Для STN-технологии требуется использование дополнительных оптических слоев для компенсации цветовых искажений, характерных для данного типа ЖК-ячеек. Контраст даже самых лучших образцов STN-дисплеев недостаточно высок, а угол обзора ограничен.

Как утверждают специалисты фирмы Nemoptic, новая технология позволяет достичь лучших параметров при одинаковых затратах, поскольку для промышленного выпуска ЖК-дисплеев по технологии BiNem можно использовать то же самое оборудование и базовые технологии, что и для производства обычных ЖК-дисплеев с пассивной адресацией.

Впервые дисплейная технология с использованием бистабильности была предложена более 20 лет назад. В качестве материала использовался ферроэлектрический смектический ЖК-материал. Термин «ферроэлектрический» не имеет никакого отношения к использованию магнитных полей или материалов на основе железа. По воле авторов, открывших явление бистабильности в исследуемой ЖК-ячейке, этим прилагательным отмечалось наличие эффекта памяти. Однако в дальнейшем ряд серьезных проблем, возникших при попытках реализации промышленной технологии, охладил внимание к данному материалу. Затем наступила эра повышенного интереса к использованию холестерических материалов в бистабильных ЖК-дисплеях.

Холестерические ЖК-дисплеи обеспечивают хорошо воспроизводимый эффект бистабильности, однако требуют использования в процессе записи изображения довольно высоких напряжений — от 30 до 60 В. Отмечаются и неудовлетворительные оптические качества для воспроизведения цветных изображений, а также ограниченный контраст.

Физические эффекты бистабильности BiNem

На первый взгляд конструкция ЖК-дисплея на основе бистабильности BiNem не имеет особенностей — две стеклянные подложки с ортогональной системой электродов. Технология BiNem использует стандартный нематический материал. В конструкции может использоваться как два поляризатора, так и один. Важным параметром является толщина рабочего зазора — около 2 мкм. Это первая характерная особенность данной технологии.

Следует отметить, что необходимость получения равномерных малых зазоров по всей площади экрана является характерной чертой для всех бистабильных дисплеев. Такой зазор с высокой равномерностью по площади не так просто реализовать. Основной дефект, который часто возникает при реализации малых зазоров — короткое замыкание между электродами верхней и нижней подложек дисплея.

Наличие малого зазора необходимо, чтобы реализовать определенные физические свойства молекул ЖК-материала. Чем меньше зазор, тем меньше становится шаг спирали ЖК-молекул, а размеры зазора становятся сравнимы с размерами спирали ЖК-молекул. При таких малых зазорах поведение молекул нематического ЖК-материала несколько отличается от поведения молекул в стандартной твист-нематической ячейке (зазор 20–25 мкм). Вторая характерная особенность данной технологии — использование ориентирующих покрытий, обеспечивающих слабое сцепление (anchoring) спирали молекул ЖК-материала.

В технологии Neomatic молекулы жидкого кристалла образуют пружиноподобные пространственные структуры. Оптическое состояние каждого элемента изображения определяется свойствами микропружин, образованных молекулами жидкого кристалла.

Ориентирующие слои предназначены для того, чтобы создать разные условия для связи множества микропружинок ЖК-материала с верхней и нижней подложками. Одним из способов задания вектора ориентации является создание микрорельефа, образованного канавками с различной плотностью или глубиной. Микрорельеф может быть задан селективным травлением материала, ориентирующего покрытия, или же просто обеспечен механическим путем — натиркой слоя специальными микрощетками. Плоскости граничных витков пружин имеют малый угол по отношению к поверхности подложки и укладываются в канавки слоя ориентирующего покрытия. Один из концов пружины имеет по отношению ко второму концу более сильное сцепление с подложкой. Ориентация канавок на обеих подложках различная — направление канавок на нижней подложке смещено на 90° относительно верхней.

При воздействии электрического поля молекулы, образующие пружину, разворачиваются вдоль поля (гомеотропное, разориентированное состояние), пружина разрушается и вырождается в диполь. После снятия поля молекулы под действием внутренних сил, определяемых пространственной топологией, опять стремятся возвратиться к состоянию пружины. Этот динамический процесс проходит на фоне другого процесса — взаимодействия концов формируемых пружин с силами, возникающими на границе с ориентирующим покрытием. Различие в величине этих сил для верхней и нижней подложки дает возможность реализовать эффект бистабильности. При определенных условиях концы пружин, образованных ЖК-молекулами, сориентированы на обеих подложках точно в соответствии с векторами, заданными ориентирующими покрытиями.

При этом пружина будет закручена на 90°. В таком состоянии пружина еще будет сохранять пружинящие свойства, которые потенциально могут распрямить пружину, чтобы получить систему с меньшим энергетическим состоянием. Но силы сцепления не дадут развиться данному процессу, зажав в канавках хвост пружины. При определенных условиях можно добиться того, что при переходном процессе можно обеспечить проскальзывание конца пружины со стороны меньшего сцепления с подложкой. Тогда пружина может занять второе устойчивое положение, при котором не будет поворота спирали на 90°! После снятия поля система может занять два устойчивых состояния, которые обладают различными оптическими свойствами. Эта несимметричность обеспечивает особое протекание переходных процессов в процессе записи (выборки).

В качестве материалов ориентирующего покрытия используются пленки двуокиси кремния. Ориентирующие свойства пленки SiO2 получены за счет специальной стехиометрии ее структуры. На рис. 2 показана сравнительная оценка структур обычной TN-технологии и технологии BiNem.

Ячейка BiNem имеет два устойчивых оптических состояния — первое состояние соответствует нескрученной ориентации молекул ЖК-материала (U — untwisted) в ячейке изображения, а второе — скрученной на 180° (T — twisted).

ЖК-ячейка может иметь и промежуточное гомеотропное состояние, достигаемое при подаче электрического импульса амплитудой выше некоторой пороговой Ес. В гомеотропном состоянии диполи молекул ЖК-материала ориентируются вдоль электрического поля между электродами. При снятии электрического поля молекулы взаимодействуют с поверхностно активными силами, заданными специальными ориентирующими слоями на верхней и нижней подложке дисплея. Для данной технологии важно то, что сила взаимодействия молекул на границе с ориентирующими покрытиями верхней и нижней подложки различна. Технологически для верхней (master) подложки сила взаимодействия задается в несколько раз выше, чем для нижней (slave) подложки.

Переход из гомеотропного состояния в одно из устойчивых состояний будет определяться действием нескольких сил.

Мультиплексная схема адресации BiNem

В технологии адресации BiNem используется простая схема — последовательная выборка «строка за строкой». Для записи информации для строчных электродов используются импульсы напряжения амплитудой 16 В и длительностью 2 мс, а для столбцовых электродов — импульсы положительной или отрицательной полярности и амплитудой около 2 В. Амплитуда сигналов управления строками и столбцами не зависит от числа мультиплексируемых строк. Оптический отклик ЖК-ячейки BiNem составляет около 10 мс.

Практически, будучи однажды записанной, структура изображения может оставаться стабильной в отсутствии электрического поля в течение нескольких месяцев. Контраст для BiNem-технологии практически не зависит от числа строк и заметно лучше, чем у любого из ранее известных STN-дисплеев. При скрещенных поляризаторах состоянию U соответствует белый цвет, а состоянию T — черный цвет, оба эти цвета колориметрически очень насыщены. Только очень сильные удары, величина которых находится уже на грани механического разрушения материала подложки, могут привести к потере или нарушению записанного изображения.

Однако это не приведет к необратимым последствиям, и вновь записанное изображение будет иметь точно такое же качество, как и до удара.

На рис. 5 показаны диаграммы адресации дисплея технологии BiNem.

Сила сцепления E1=V1/d, где d — толщина зазора. Первый уровень напряжения соответствует энергии, превышающей уровень энергии разрушения связи молекул ЖК-материала с поверхностью пленки ориентирующего слоя. Второй номинал напряжения E2=V2/d соответствует пограничному уровню примерно равному энергии разрушения связи.

Теперь становится понятно, зачем требуются малые зазоры — чем меньше рабочий зазор в ЖК-ячейке, тем меньшие амплитуды рабочих напряжений можно использовать. Чем меньше уровни напряжений, тем меньше уровень потребления мощности, затрачиваемой на стирание и запись изображения.

При малых зазорах велика вероятность коротких замыканий. Поверхность проводящей пленки должна быть идеальной по толщине и не содержать дендритов, свойственных проводящим пленкам, полученным методами вакуумного напыления. Совсем недавно работа с такими зазорами была практически невозможна.

Разработка новых технологий, позволяющих получать проводящие пленки нужного качества с идеальной структурой, открыли дорогу для новых дисплейных технологий, подобных BiNem. При сборке дисплеев требуется обеспечить решение ряда технологических проблем:

• получение равномерного зазора 1–2 мкм;
• получение бездефектных равномерных по толщине проводящих пленок;
• равномерная заливка ЖК-материала в сверхмалый зазор между пластинами;
• нанесение сверхтонких пленок ориентирующих слоев с заданными свойствами.

Если реально смотреть на вещи, то для реализации BiNem ЖК-дисплеев, конечно же, требуется уровень технологии гораздо выше, чем для STN-дисплеев. Пока в лабораторных условиях получены только опытные образцы дисплеев. Если же удастся довести стоимость технологических операций при сборке BiNem дисплеев до уровня STN, то в ближайшее время дисплеи BiNem могут вытеснить дисплеи TN и STN из многих привычных секторов дисплейного рынка.

Для данной технологии можно использовать оптические схемы как с одним, так и с двумя поляризаторами. При этом, в отличие от STN-дисплеев, нет необходимости использовать цветокомпенсирующие пленки фильтров, поскольку нарушение цветов не свойственно для данного эффекта.

Таблица 1. Основные характеристики прототипа ЖК-дисплея BiNem

Соглашение о совместной разработке и промышленном освоении BiNem дисплейной технологии с тайваньской фирмой Picvue. Picvue, известный тайваньский производитель ЖК-дисплеев, и Nemoptic, французская исследовательская компания, специализирующаяся в области передовых ЖК-дисплейных технологий, подписали недавно соглашение о совместном использовании технологии BiNem® (Bistable Nematic), разработанной фирмой Nemoptic.

Объектом этого соглашения является организация промышленной линейки для производства ЖК-дисплеев, использующих BiNem® технологию на производственных мощностях фирмы Picvue на Тайване и в Китае. Технология BiNem® позволяет получить улучшение качества изображения наряду с уменьшением потребляемой мощности по сравнению с другими известными технологиями ЖК-дисплеев, использующих пассивную адресацию.

«BiNem® технология поможет укрепить наши позиции на рынке PDA и мобильных устройств, а также обеспечит отличное решение для продвижения на рынок устройств типа ebooks», — заявил Jacob Lin, президент компании Picvue. «Партнерство с быстро развивающейся компанией Picvue позволит реализовать преимущества нашей технологии BiNem», — говорит Alain Boissier, президент компании Nemoptic.

Коротко о компании Picvue

PICVUE является одной из лидирующих компаний на рынке STN-дисплеев. Компания имеет современное производство как ЖК-панелей, так и ЖК-модулей на Тайване и в Китае. Более подробная информация на сайте: http://www.picvue.com.tw.

Коротко о компании Nemoptic

Nemoptic — молодая французская компания, специализирующаяся на разработке передовых технологий для ЖК-дисплеев. Nemoptic сумела объединить вместе специалистов высокого класса — членов престижной Orsay Group, а также технологов и инженеров, пришедших из high-tech промышленности. BiNem® является последней разработкой фирмы Nemoptic. Все международные патенты, имеющие отношения к данной технологии, являются собственностью Nemoptic.

Компания Nemoptic расположена в предместье Парижа в местечке, называемом Оптической долиной, поскольку там размещаются и другие известные французские фирмы, занятые в сфере оптики: Alcatel, Thales, CNRS… Nemoptic имеет около 300 м² площадей чистых комнат класса 1000, оснащенных самым современным оборудованием, необходимым для производства ЖК-дисплеев, а также для тестирования и измерения их электрооптических характеристик. Там же размещены и вспомогательные химические, оптические и электрооптические лаборатории этой фирмы. Общая площадь всех занимаемых фирмой помещений составляет около 2000 м². Подробности на сайте http://www.nemoptic.com.

Таблица 2. Области применения ЖК.дисплеев по технологии BiNemTM

Литература

1. Ivan Dozov, Alain Boissier, Therry Laboureau. Nemoptic's Bistable nematic Liquid-Crystal Technology. Information Display 1/2.
2. «Recent Improvement Of The Binem® Technology». SID2001 tecnical.pdf
3. Ivan Dozov, Ph. Martinot-Lagarde. First Order Breaking Transition Of Tilted Nematic Anchoring. Laboratoire de Physique des Solides, Universite Paris-Sud, Bвt.510, 91405 Orsay cedex, France.
4. I. Dozov, Ph. Martinot-Lagarde, E. Polossat, I. Lelidis, M. Giocondo, G. Durand. Fast bistable nematic display from coupled surface anchoring breaking.
5. R. Barberi, I. Dozov, M. Giocondo, M. Iovane, Ph. Martinot-Lagarde, D. Stoenescu, S. Tonchev, L. V. Tsonev. Azimuthal Anchoring of Nematic on Undulated Substrate: Elasticity Versus Memory.
6. M. Giocondo, I. Lelidis, I. Dozov and G. Durand. Write and erase mechanism of surface controlled bistable nematic pixel // The European Physical Journal Applied Physics EDP Sciences. 1999.

Александр Самарин

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы