Жидкокристаллический дисплей (ЖКД)

<час />

Фон

Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) состоят из жидких кристаллов, которые активируются электрическим током. Чаще всего они используются для отображения одной или нескольких строк буквенно-цифровой информации на различных устройствах:факсимильных аппаратах, экранах портативных компьютеров, счетчиках вызовов автоответчика, научных приборах, портативных проигрывателях компакт-дисков, часы и так далее. Самый дорогой и современный тип - дисплеи с активной матрицей - даже используются в качестве экранов для портативных цветных телевизоров. Со временем их можно будет широко использовать для телевизоров с большим экраном и высокой четкостью изображения.

В основе ЖК-технологии лежит жидкий кристалл, вещество, состоящее из сложных молекул. Как и вода, жидкие кристаллы твердые при низких температурах. Также как вода, они тают, когда вы их нагреваете. Но когда лед тает, он превращается в прозрачную, легко текучую жидкость. Жидкие кристаллы, однако, превращаются в мутную жидкость, сильно отличающуюся от таких жидкостей, как вода, спирт или кулинарное масло. При немного более высоких температурах облачность исчезает, и они становятся похожими на любую другую жидкость.

Когда жидкий кристалл является твердым телом, его молекулы выстраиваются параллельно друг другу. В промежуточной непрозрачной фазе (жидкости) молекулы все еще сохраняют эту более или менее параллельную ориентацию. Как и в любой жидкости, молекулы могут свободно перемещаться, но они имеют тенденцию «выстраиваться» в одном направлении, отражая свет и вызывая мутный вид. Более высокие температуры приводят к перемешиванию молекул и, таким образом, к прозрачности жидкости.

В ЖК-дисплее электрический ток используется для переключения сегментов жидких кристаллов из прозрачной фазы в непрозрачную, причем каждый сегмент является частью числа или буквы. Сегменты также могут иметь форму крошечных точек или пикселей, а также могут быть расположены в ряды и столбцы. Они включаются и выключаются индивидуально, чтобы блокировать или пропускать поляризованный свет. Когда свет блокируется, на отражающем экране создается темное пятно.

Есть два основных типа ЖК-дисплеев:пассивная матрица и более новая активная матрица (AMLCD). Более яркие и удобные для чтения дисплеи с активной матрицей используют транзисторы за каждым пикселем для усиления изображения. Однако процесс производства AMLCD намного сложнее, чем у LCD с пассивной матрицей. До 50 процентов произведенного сейчас приходится выбрасывать из-за недостатков. Достаточно одного недостатка, чтобы разрушить AMLCD. Это делает их очень дорогими в производстве.

Сырье

Рабочий ЖК-дисплей состоит из нескольких компонентов:стекла дисплея, электроники привода, управляющей электроники, механического блока и источника питания. стекло дисплея - между которыми лежат жидкие кристаллы - покрыт электродами ряда и столбца и имеет контактные площадки для подключения управляющей электроники (электрического тока) к электродам каждой строки и столбца. приводная электроника представляют собой интегральные схемы, которые подают ток для «возбуждения» электродов строки и столбца. управляющая электроника также являются интегральными схемами. Они декодируют и интерпретируют входящие сигналы - например, от портативного компьютера - и отправляют их в электронику привода. механический пакет это рама, на которой печатные платы приводной и управляющей электроники крепятся к стеклу дисплея. Этот пакет Во всех ЖК-дисплеях жидкий кристалл зажат между двумя кусками стекла или прозрачного пластика, называемыми подложками. Если используется стекло, его часто покрывают диоксидом кремния для улучшения выравнивания жидких кристаллов. Затем изготавливают образцы прозрачных электродов путем нанесения слоя оксида индия и олова на стекло и использования процесса фотолитографии или шелкографии для получения рисунка. также укрепляет и защищает стекло дисплея и прикрепляет весь дисплей к устройству с помощью ЖК-дисплея, будь то портативный компьютер, факсимильный аппарат или другое устройство. Наконец, блок питания представляет собой электронную схему, которая подает ток на ЖК-дисплей. Производители оборудования, использующие ЖК-дисплеи, часто покупают блоки питания отдельно.

Во всех ЖК-дисплеях жидкий кристалл зажат между двумя кусками стекла или прозрачного пластика, называемыми подложками. Ни одно стекло не годится. Если в стекле много ионов натрия или других щелочных металлов, они могут перемещаться к поверхности стекла, соединяться с любой влагой, которая там есть, и изменять структуру электрического поля и выравнивание жидких кристаллов. Чтобы этого избежать, производители ЖК-дисплеев либо используют боросиликатное стекло, в котором мало ионов, либо наносят на стекло слой диоксида кремния. Диоксид кремния предотвращает соприкосновение ионов с влагой. Еще более простое решение - использовать пластик вместо стекла. Использование пластика также делает дисплей светлее. Однако недорогие пластмассы рассеивают свет больше, чем стекло, и они могут вступать в химическую реакцию с жидкокристаллическими веществами.

В большинстве ЖК-дисплеев сегодня также используется источник света, исходящий от задней части дисплея (подсветка), например флуоресцентный свет, чтобы жидкий кристалл казался темнее по сравнению с экраном в его облачной фазе. Производители ЖК-дисплеев также используют листы поляризующего материала для усиления этого эффекта.

Производственный
процесс

Создание ЖК-дисплеев с пассивной матрицей - это многоступенчатый процесс. Поверхность и заднее стекло дисплея сначала полируются, промываются и покрываются диоксидом кремния (SiO ₂ ). Затем на стекло напыляется слой оксида индия и олова, который вытравливает желаемый узор. Затем наносится слой длинноцепочечного полимера, чтобы жидкие кристаллы выровнялись должным образом, после чего наносится герметизирующая смола. Затем вставляются прокладки, и стеклянный сэндвич заполняется жидкокристаллическим материалом.

Подготовка стеклянной подложки

• 1 Во-первых, две стеклянные подложки необходимо обрезать до нужного размера, отполировать и промыть. Резку можно производить алмазной пилой или резцом, а полировка включает процесс, называемый притиркой в котором стекло прижимается к вращающемуся колесу, в которое внедрены абразивные частицы. После промывки и сушки подложки покрываются слоем диоксида кремния.

Создание рисунка электродов

• 2 Затем на подложках должен быть нанесен узор прозрачных электродов. Это достигается путем полного покрытия передней и задней стеклянных поверхностей очень тонким слоем оксида индия и олова. Затем производители создают маску с желаемым узором, используя процесс шелкографии или фотолитографии. Готовую маску наносят на полностью покрытое стекло, а ненужные участки оксида индия и олова вытравливают химическим способом.
• 3 В качестве альтернативы, более четкое изображение может быть достигнуто за счет использования стекла со слоем стойкого к травлению, светочувствительного материала (так называемого фоторезиста) над пленкой оксида индия и олова. Поверх стекла накладывается маска с желаемым рисунком, и стекло облучается ультрафиолетом. Этот свет заставляет резистивный слой, на который он светит, терять сопротивление травлению, позволяя химическим веществам разъедать как экспонированный фоторезист, так и оксид индия и олова под ним, тем самым формируя узор. Затем оставшийся ненужный фоторезист можно удалить с помощью других химикатов. Вторая разновидность резистивной пленки сопротивляется травлению только после подвергается воздействию ультрафиолета; в этом случае необходимо использовать отрицательную маску узора. Независимо от того, какой метод используется, узоры на двух подложках предназначены для перекрытия только в определенных местах, конструкция, которая гарантирует, что тонкие полоски оксида индия и олова, передающие напряжение к каждому элементу, не имеют электродов, расположенных прямо напротив, которые могут появиться во время ячейка рабочая.

Нанесение полимера

• 4 После нанесения рисунка электродов на подложки необходимо нанести полимерный слой. Полимер позволяет жидким кристаллам правильно совмещаться с поверхностью стекла. Можно использовать поливиниловый спирт, полиамиды и некоторые силаны. Полиамиды - самые популярные агенты, потому что поливиниловый спирт подвержен проблемам с влажностью, а силаны образуют тонкое ненадежное покрытие.
• 5 После нанесения покрытия на стекло производители наносят полимерный слой мягким материалом в одном направлении. Это может привести к протравливанию небольших параллельных бороздок в полимере или может просто растянуть полимерное покрытие. В любом случае этот процесс заставляет жидкие кристаллы располагаться параллельно направлению хода. Кристаллы можно выровнять другим способом, испаряя оксид кремния на поверхность стекла под косым углом. Эта процедура используется для большинства цифровых часов . дисплеи, но не удобны для создания крупномасштабных дисплеев. Это также не дает возможности получить низкий угол наклона при использовании предыдущего метода.
• 6 Если производители ЖК-дисплеев хотят выровнять жидкие кристаллы перпендикулярно поверхности стекла, используется другой метод:покрытие стекла амфофильным материалом. Это материал, молекулы которого проявляют сродство к воде на одном конце молекулы и отталкивание от воды на другом конце. Один конец - аффинный конец - прилегает к поверхности стекла, а другой конец - отталкивающий конец - направлен в область жидких кристаллов, отталкивая жидкие кристаллы и формируя их ориентацию, перпендикулярную поверхности стекла.

Нанесение герметика и впрыск
жидких кристаллов

• 7 Затем на подложки наносится герметизирующая смола, а затем пластиковые прокладки, которые придают жидкокристаллической ячейке нужную толщину. Затем жидкокристаллический материал вводится в соответствующую область между двумя стеклянными подложками. Толщина ЖК-ячейки обычно ограничивается 5-25 микрометрами. Поскольку правильная толщина имеет решающее значение для работы ячейки и поскольку прокладки не всегда достигают однородной толщины, производители ЖК-дисплеев иногда помещают в жидкокристаллический материал стеклянные волокна или шарики подходящего размера. Бусинки или волокна не видны невооруженным глазом. Они помогают удерживать ячейку необходимой толщины во время схватывания герметизирующего материала.
• 8 Для большей наглядности ЖК-дисплеев добавлены поляризаторы. Обычно их изготавливают из растянутых пленок из поливинилового спирта, содержащих йод и зажатых между слоями ацетата целлюлозы. Также доступны цветные поляризаторы, изготовленные с использованием красителя вместо йода. Производители приклеивают поляризатор к стеклу с помощью акрилового клея и покрывают пластиковой защитной пленкой. Они могут делать отражающие поляризаторы, которые также используются в ЖК-дисплеях, путем включения простого отражателя из металлической фольги.

В типичных сборках часов с ЖК-дисплеем заштрихованные области вытравливаются химическим способом для формирования рисунка электродов. Сегменты включаются и выключаются по отдельности, чтобы блокировать или пропускать поляризованный свет. Когда электрический ток подается на сегмент, свет блокируется, и на отражающем экране создается темное пятно.

Окончательная сборка

• 9 После прикрепления поляризующей пленки устройству дают возможность состариться. Наконец, готовый стеклянный дисплей в сборе монтируется на печатные платы, содержащие управляющую и приводную электронику. Затем весь пакет готов к установке на устройство с помощью ЖК-дисплея - портативный компьютер, факс, часы и т. Д.

Производство ЖК-дисплеев с активной матрицей

Процесс изготовления ЖК-дисплея с активной матрицей (AMLCD) очень похож на тот, который используется для ЖК-дисплея с пассивной матрицей, хотя он более сложен и труден. Как правило, шаги SiO ₂ Покрытие, нанесение оксида индия и олова и травление фоторезиста заменяются множеством других шагов.

В случае AMLCD каждый ЖК-компонент должен быть заменен для правильной работы с тонкопленочным транзистором и электроникой, используемой для усиления и четкости ЖК-изображения. Подобно своим собратьям с пассивной матрицей, дисплеи с активной матрицей представляют собой сэндвичи, состоящие из нескольких слоев:поляризационной пленки; натриевая барьерная пленка (SiO ₂ ), стеклянная подложка, включающая черную матрицу и вторую барьерную пленку для натрия; цветной фильтр и верхнее покрытие светофильтра из акрила / уретана; прозрачный электрод; ориентационная пленка из полиамида; и фактический жидкокристаллический материал, включающий в себя пластиковые / стеклянные прокладки для поддержания надлежащей толщины ЖК-ячейки.

Контроль качества

ЖК-дисплеи - особенно для дисплеев портативных компьютеров - производятся в строго контролируемых условиях в чистой комнате для максимального увеличения урожайности. «Чистые помещения» имеют специальные устройства для фильтрации воздуха, предназначенные для того, чтобы все частицы пыли не попадали в помещение, а работники внутри помещения должны носить специальную одежду. Тем не менее, многие ЖК-дисплеи необходимо выбросить из-за недостатков. Это особенно верно в отношении AMLCD, процент отказа от которых в настоящее время составляет около 50 процентов. Чтобы свести к минимуму процент брака, каждое активное устройство проверяется и ремонтируется как можно больше. Кроме того, сборки активной матрицы проверяются сразу после стадии травления фоторезиста и снова после впрыска жидкокристаллического материала.

Будущее

Ясно, что будущее за ЖК-дисплеями с активной матрицей, даже несмотря на то, что в настоящее время процент брака очень высок, а производственный процесс настолько дорог. Ожидаются постепенные улучшения в производственном процессе AMLCD, и фактически компании уже начинают предлагать оборудование для проверки и ремонта, которое может снизить текущий уровень брака с 50 процентов до примерно 35 процентов.

Но настоящий толчок технологии производства ЖК-дисплеев могут дать все деньги, которые компании вкладывают в процесс исследований и разработок на больших экранах AMLCD для долгожданной телевизионной технологии высокой четкости.