Kapalné krystaly. (a jejich užití v zobrazovací technice)

Kapalné krystaly (a jejich užití v zobrazovací technice) RNDr. Lubor Lejček, DrSc. Fyzikální ústav Akademie věd ČR [email protected]

Úvod – co jsou kapalné krystaly? V současné době tenké a ploché kapalně krystalické monitory stále více vytlačují klasické objemné katodové obrazovky, pracující při vysokém napětí. V tomto příspěvku se tedy zaměříme na principy a možnosti využití kapalných krystalů pro zobrazování informací v zobrazovačích (displejích) a v plochých televizních obrazovkách. Než přistoupíme k popisu těchto perspektivních aplikací, na kterých se v současné době stále pracuje, připomeňme čtenáři, co to kapalné krystaly vlastně jsou a jaké jsou principy zobrazování informací s jejich pomocí. Je však třeba podotknout, že v tomto úvodu budou zmíněny jen ty nejzákladnější fyzikální vlastnosti kapalných krystalů, potřebné pro sledování dalších částí příspěvku, věnovaných vybraným aplikacím kapalných krystalů. Více a podrobněji se lze o vlastnostech kapalných krystalů dovědět například ve všeobecné populárnější formě [1 - 6], kde jsou i odkazy na odbornou literaturu. Porovnejme nejprve pevný krystal s izotropní kapalinou. V pevném krystalu jsou atomy uspořádány periodicky ve všech třech směrech. Naopak kapalina je zcela neuspořádaná a v každém směru má stejné (izotropní) vlastnosti. Na druhé straně existuje řada organických látek s obecně nesférickými molekulami, například protáhlými, lomeného tvaru (připomínající banán) či diskovitými, které se díky tvaru molekul v určitém rozmezí teplot nad bodem tání orientují do určitého směru. Vzniká tak kapalina, která díky orientaci molekul vykazuje anizotropní vlastnosti. Jde například o anizotropní šíření světla, kdy rychlost šíření světla ve směru orientace molekul je jiná než ve směru kolmém na orientaci molekul. Tuto anizotropní kapalinu, ve které se současně spojují vlastnosti kapaliny (těžiště molekul jsou náhodně

rozložené a látka teče) a krystalu (směrová orientace molekul) proto nazýváme kapalným krystalem. Přesněji řečeno, jde o tzv. termotropní kapalný krystal, neboť fázový přechod z izotropní do kapalně krystalické fáze probíhá při snižování teploty. Základní kapalně krystalickou fází, stále využívanou v zobrazovacích aplikacích, je tzv. nematická fáze. Obvykle se objevuje u látek tvořených nechirálními protáhlými molekulami při ochlazování z izotropní fáze. Při teplotě fázového přechodu začne být energie tepelných fluktuací srovnatelná s van der Walsovými silami, které začínají protáhlé molekuly látky směrově orientovat. Stupeň orientace se zvyšuje s dalším poklesem teploty. Stále však jde o kapalinu, jelikož nedochází k periodickému uspořádání molekul (obr. 1). Tato fáze se nazývá nematický kapalný krystal. Směr orientace molekul se nazývá direktor a součastně se jedná o optickou osu nematického kapalného krystalu.

1

Schematické znázornění struktury nematické fáze, tvořené protáhlými molekulami.

Molekuly jsou orientovány převážně v jednom směru. 2

Schematické znázornění struktury smektické A fáze, ve které jsou protáhlé molekuly,

uspořádané ve vrstvách, rovnoběžné s normálou k vrstvě. 3

Schematické znázornění struktury smektické C fáze, ve které jsou protáhlé molekuly ve

vrstvách odkloněné od normály k vrstvám.

Při studiu kapalně krystalických materiálů byly objeveny i jiné fáze než již zmíněná nematická fáze. Tentýž kapalný krystal s protáhlými molekulami, který při ochlazování z izotropní kapalné fáze tvořil nejprve nematickou fázi, může při dalším poklesu teploty přejít do tzv. smektické fáze. Smektická fáze je tvořena vrstvami molekul, které jsou relativně tuhé, ale mohou po sobě velice snadno klouzat: krystal teče podél těchto rovin (dvojrozměrná kapalina). Molekuly jsou v rovinách uspořádány obvykle rovnoběžně; je-li jejich orientace kolmá na rovinu vrstev, jde o tzv. smektický A (SmA) kapalný krystal (obr. 2), svírají-li molekuly s kolmicí k vrstvám nenulový úhel θ , jedná se o tzv. smektický C (SmC) kapalný krystal (obr. 3). Existují i smektické fáze s jiným molekulárním uspořádáním ve vrstvách, ale

tyto látky ještě použití v zobrazovací technice nenalezly. Pro další popisované aplikace budou důležité tzv. chirální smektické C kapalné krystaly: protáhlé molekuly, které je tvoří, jsou chirální (t.j. existují vždy dvě modifikace molekul: tzv. „pravé“ a „levé“, které jsou svým zrcadlovým obrazem). Při uspořádání chirálních molekul do smektických rovin se jejich dipólový moment zcela nekompenzuje. Nezkompenzované složky dipólového momentu leží právě v rovině smektických vrstev, kde se sčítají. U tenkých vzorků o tloušťce kolem pouhých 2 µm lze pomocí vhodné úpravy povrchu krycích skleněných destiček, mezi kterými je kapalný krystal umístěn, dosáhnout toho, že jsou vrstvy krystalu uspořádány kolmo ke skleněným destičkám a že jsou molekuly ve vrstvách orientovány tak, aby všechny jejich dipólové momenty mířily jedním směrem a to kolmo k destičkám. Vzniká tak tzv. feroelektrická doména (obr. 4). Chirální smektické C kapalné krystaly se tedy též nazývají feroelektrické kapalné krystaly. 4

Mechanizmus

přechodu od feroelektrické domény se spontánní polarizací P p mířící P

P

k pozorovateli (a) k doméně s opačným směrem polarizace (c). Opačným doménám (a) a (c) odpovídá jiný směr molekul (optické osy). Jednu doménu lze převést na druhou otáčením molekul po povrchu myšleného kužele (b), kdy se tloušťka vrstvy

d nemění a nedochází tak k deformaci vrstev.

Zcela nové typy fází lze nalézt u kapalných krystalů s protáhlými zalomenými molekulami, připomínajícími tvarem banán. Pro tento tvar molekul se někdy tyto kapalně krystalické fáze nazývají „banánovité“ kapalné krystaly. Zalomené molekuly bývají obvykle nechirální, ale jsou polární. Proto lze na jednom vzorku současně pozorovat domény s levotočivou či pravotočivou chiralitou. Vzhledem ke tvaru molekul a možnostem jejich zabudování do vrstev však existuje více možných struktur. V současnosti patří výzkum „banánovitých“ kapalných krystalů k nejaktuálnějším problematikám v této oblasti výzkumu. Molekuly kapalných krystalů jak ve feroelektrické fázi tak v chirálních doménách pozo rovaných u tzv. „banánovitých“ kapalných krystalů reagují na působení vnějšího elektrického pole prostřednictvím svých permanentních dipólových momentů. Vlivem elektrického pole

pak dochází k natáčení molekul a tudíž i ke změně optických vlastností kapalných krystalů. To je ostatně základní princip všech aplikací kapalných krystalů v zobrazovací technice. Některé z těchto aplikací probereme v následujících částech této informace. V závěru úvodní části však ještě uvedeme pro lepší představu čtenáře příklady látek, u kterých existují kapalně krystalické fáze. Základem molekuly těchto látek jsou obvykle benzenová jádra, která tvoří tuhé jádro molekuly kapalného krystalu, které je ještě prodloužené po stranách alifatickými řetězci. Typickou látkou s protáhlými molekulami je 4-kyano 4'-heptylbifenyl, označovaný jako 7CB. Nematická fáze existuje v teplotním rozmezí od 28,5°C do 42°C. Nad tímto teplotním intervalem přechází látka do isotropní kapalné fáze, pod ním krystalizuje. Složitější látkou tvořenou molekulami se dvěma chirálními jádry je série látek, označovaná obecně jako KLLm/n. Je tvořena molekulami typu:

Například látka KLL6/4 z této série při ochlazování přechází při teplotě 110°C ze SmA fáze do feroelektrické fáze. Při dalším poklesu teploty na 96°C dochází k fázovému přechodu do antiferoelektrické fáze. Pod 56°C látka krystalizuje. Jedním z mnoha příkladů látky se zalomenými molekulami je látka, jejíž molekula je popsána následujícím strukturním vzorcem:

CH3O

OCH3 O

O O

O O

O

O O

C10H21O

OC10H21

Kapalně krystalická fáze podobná smektické C fázi, ale označovaná jako B2, existuje u této látky v teplotním intervalu od 173°C do 213°C. V současné době počet látek, které mají nějakou kapalně krystalickou fázi, již jde do statisíců. Kapalně krystalické zobrazovače a obrazovky na bázi nematických kapalných krystalů Jak pracuje kapalně krystalický zobrazovač (displej) v náramkových hodinkách? Nematický kapalný krystal je umístěn mezi dvě skleněné destičky, které jsou po stranách

zatavené. Použitý kapalný krystal je směsí několika látek zvolenou tak, aby nematická fáze existovala v širokém rozmezí teplot, např. od -20ºC do 50ºC. Kromě toho jde o směsi na bázi bifenylů, které jsou rezistentní vůči vlivu slunečního ultrafialového záření a nerozkládají se jeho vlivem. Na destičky jsou jednak napařené průhledné elektrody ve tvaru symbolů, které je třeba zobrazit, například segmentů číslic. Segmenty číslic tak vytváří jednotlivé zobrazovací prvky zobrazovače. Dále je na skleněné destičky napařená vrstva SiO 2 , která zajistí orientaci B

B

molekul kapalného krystalu v celém objemu zobrazovače a to tak, že jsou molekuly rovnoběžné se sklíčky a podél tloušťky zobrazovače se otáčí o 90° (tzv. stočená struktura kapalného krystalu). Na vnější stranu sklíček jsou nalepené polymerní fólie sloužící jako polarizátor a analyzátor procházejícího světla. Tloušťka zobrazovače je 10 - 20 µm, což je podstatně více než je vlnová délka viditelného světla. V tom případě rovina polarizovaného světla sleduje stočenou strukturu nematika a na tloušťce zobrazovače se otočí o 90°. K otáčení roviny polarizovaného světla dojde tehdy, když dlouhé osy molekul, zakotvených na skleněné destičce, leží v rovině polarizovaného světla, vytvořeného polarizátorem (horní skleněná destička na obr. 5). Analyzátor se pak nastaví například tak, aby polarizované světlo, prošlé zobrazovačem, propustil. V případě schématu na obr. 6 jde tedy o tzv. zkřížený polarizátor a analyzátor. 5

Schéma jednoho zobrazovacího prvku

zobrazovače s nematickým kapalným krystalem. Kapalný krystal je umístěn mezi dvěma skleněnými destičkami vzdálenými o ∼20 µm. Kotvení pomocí SiO 2 orientuje molekuly na horní B

B

a spodní skleněné destičce tak, aby svíraly úhel 90°. Nepůsobí-li elektrické napětí, jsou molekuly v objemu mezi destičkami ve stočené konfiguraci, která otáčí rovinu polarizovaného světla o 90°. Polarizátor a analyzátor jsou na sebe kolmé, aby světlo s rovinou polarizace otočenou o 90° procházelo. Pod napětím se orientace molekul změní a rovina polarizovaného světla, která již není strukturou kapalného krystalu otáčena, analyzátorem neprojde. Po vypnutí elektrického napětí vliv kotvení molekul ke skleněným destičkám způsobí opětné nastavení stočené konfigurace molekul.

Přiložením elektrického napětí o velikosti několika voltů na kapalný krystal mezi elektrodami zobrazovacího prvku se v něm indukuje makroskopická polarizace (například rovnoběžně s dlouhou osou kapalného krystalu) a otáčí tak dlouhou osu molekul ve směru elektrického pole. Tím se stočená struktura nematika mezi segmenty elektrod změní na uniformní strukturu s rovnoběžně orientovanými molekulami kolmými na skleněné destičky. Mezi segmenty elektrod pod napětím není tedy rovina polarizovaného světla stáčena a světlo v této části zobrazovače není analyzátorem propuštěno (obr. 6). Elektrody pod napětím tak vytváří číslici, která je tmavá (světlo tudy neprojde) na světlém okolí (kde nepůsobí elektrické napětí), kudy světlo prochází. Jelikož náramkové hodinky využívají k zobrazování informací dopadajícího slunečního světla (tzv. pasivní zobrazovač), je pod spodním sklíčkem umístěno zrcátko, které obraz displeje odráží k pozorovateli.

6

Schématický řez TV obrazovkou

s nematickým kapalným krystalem. Vlevo elektrický obvod jednoho elementu obrazovky ( T – tranzistor, K.K. – kapalný krystal, S.E. – společná elektroda). Společná elektroda je na horní skleněné destičce, na spodní je systém X,Y-elektrod.

Zobrazovač v náramkových hodinkách je tedy jednoduchou světelnou uzávěrkou, která světlo buď propustí nebo nikoliv. Je to dáno tím, že přiložené elektrické pole je natolik vysoké, že většina molekul v objemu mezi elektrodami je zcela přetočená do směru pole. V televizních obrazovkách či počítačových monitorech, kde je obraz složen z mozaiky obrazových elementů, je však nutné dosáhnout určité stupnice šedi či určité barevné škály. Stupeň šedi, tj. stupeň propustnosti obrazového elementu je dán velikostí elektrického napětí. S rostoucím napětím se molekuly více a více natáčí do směru elektrického pole a propustnost obrazového elementu tak postupně klesá. Barevnosti obrazovky se dosáhne barevnými filtry. Jeden barevný obrazový element je složen ze tří sousedících obrazových elementů, opatřených červeným, zeleným a modrým barevným filtrem. Danému stupni světelné propustnosti obrazového elementu tak odpovídá daný barevný odstín. Každá obrazovka má

vlastní plochý homogenní zdroj světla, který zezadu obrazovku prosvěcuje. Ploché kapalně krystalické televizní obrazovky a počítačové monitory tedy již nejsou pasivní.

7

Schematické znázornění obrazového elementu s feroelektrickými kapalnými krystaly, jejichž vrstvy (sv)

jsou kolmé na krycí skleněné destičky (sd). A - analyzátor, P - polarizátor, P,A - orientace polarizátoru a analyzátoru vůči kolmici ke smektickým vrstvám (sv); rovina polarizátoru svírá s touto kolmicí úhel Ω .

ρ

ρ

Optická osa je totožná se směrem molekul n ve vrstvách, vektor P označuje orientaci dipólových momentů molekul (spontánní polarizace). Přiložené napětí je označeno jako V . a) Přiložené napětí orientuje dipólové momenty molekul a tudíž i samotné molekuly tak, že po průchodu

ρ

polarizátorem P leží molekuly (t.j. optická osa n ) v rovině polarizovaného světla. Analyzátor, kolmý k polarizátoru však toto světlo nepropustí a tak je obrazový element pro světlo neprůchodný. b) Napětí opačné polarity otáčí směr dipólových momentů molekul a tedy i optické osy kapalného krystalu tak,

ρ

ρ

že směr molekul n je odkloněn od roviny polarizátoru a analyzátoru o úhel Ω ≈ 45°, t.j. vektor n má nenulové složky při projekci do rovin polarizátoru i analyzátoru). Obrazový element světlo propouští.

Pro vytvoření obrazu na obrazovce či monitoru je třeba každý obrazový element vhodným způsobem ovládat či adresovat. K tomuto účelu slouží XY-systém průhledných elektrod, napařených na jednom krycím skle obrazovky. V každém průsečíku elektrod je napařen tenkovrstevný transistor (TFT) pro řízení odpovídajícího obrazového elementu. Schéma systému elektrod s řídícími tranzistory televizní obrazovky s nematickými kapalnými krystaly je znázorněno na obr. 7. Řízení transistoru zabezpečuje X-elektroda. Kolmá Yelektroda vede posloupnost pulsů jedné polarity s velikostí potřebnou ke změně orientace molekul kapalného krystalu. (Změna orientace molekuly u nematického kapalného krystalu záleží na velikosti napětí, nikoliv na jeho polaritě). Transistor pak řídí přívod napětí na elektrodu obrazového elementu a tak dochází ke změně optické osy a tudíž i kontrastu obrazového elementu. Jeden obrazový element má rozměry přibližně 0,25×0,25 mm 2 . P

P

Podobně jako v případě displeje je i vnitřní povrch obrazovky pokryt napařenou vrstvou, zajišťující výchozí orientaci kapalného krystalu v objemu obrazového elementu bez přiloženého napětí. Z tohoto popisu je zřejmé, že výroba takové TV kapalně krystalické

obrazovky je náročnou záležitostí. Pro barevnou obrazovku o 1024×768 bodů (pixelů) je třeba skleněnou krycí desku obrazovky pokrýt 2 359 296 obrazovými elementy se stejným počtem napařených TFT tranzistorů a se systémem XY elektrod. Výrobní normy připouští jen 6 defektních obrazových elementů, což zvyšuje cenu obrazovky. Výhodou kapalně krystalických obrazovek je pochopitelně jejich malá hloubka, kolem 3 cm (a méně) pro obrazovky o úhlopříčce 15“ či 17“, a nízké operační napětí, kolem 3V. Nevýhodami obrazovek a monitorů s nematickými kapalnými krystaly bývala pomalejší reakce nematického kapalného krystalu na přiložené elektrické pole a pomalejší návrat do výchozí konfigurace po vypnutí pole, závisející na elasticitě a viskozitě kapalného krystalu. Typicky býval tento komutační čas jednoho obrazového elementu asi 10 – 100 ms. Dalším problémem byla velikost zorného úhlu. Ještě před 10 lety bylo možné číst údaje z obrazovky pod zorným úhlem 90° v horizontálním směru a 60° vertikálně. Zorný úhel se dařilo postupně zvětšovat jednak tím, že se úhel natočení molekul mezi spodním a horním sklem obrazovky měnil nikoliv o 90°, ale o 270° (tzv. superstočená struktura kapalného krystalu). Dále se pro zvýšení kontrastu kombinovaly právě popsané obrazovky do dvou nebo tří vrstev. Tak lze dosáhnout zorného úhlu až 170° ve všech směrech pohledu na obrazovku. Další možností je tzv. bistabilní nematická struktura se dvěma stabilními stavy - stočená struktura nematika a uniformní struktura nematika, ve které jsou všechny molekuly uspořádány rovnoběžně. Tvarem pulsu elektrického pole se mění síla kotvení nematika ke spodnímu sklíčku. Tím lze dosáhnout toho, že stočená struktura přejde do uniformní rozvinuté struktury s rovnoběžnými molekulami. Foto 1: Barevný počítačový monitor firmy ACER o úhlopříčce 17″s nematickými kapalnými krystaly, řízený TFT tranzistory. Ze záběru je patrné, že plochý a tenký kapalně krystalický monitor má dobrý kontrast i z bočního pohledu (foto R. Louvarová)

Moderní technologickou úpravou je použití dvou elektrod na spodním sklíčku displeje, která je tak tenká, aby se dosáhlo uniformního molekulárního uspořádání v celém objemu obrazového elementu. Přepínáním napětí mezi elektrodami dochází i k přechodu mezi dvěma uniformními stavy se vzájemně pootočenými optickými osami. Úhel natočení optických os záleží na velikosti napětí, čímž se řídí i stupeň šedi obrazového elementu. Užitím dvou elektrod se současně dosáhlo i zmenšení komutačního času obrazového elementu. Všechny tyto úpravy dovolily v posledních letech značnou komercializaci kapalně krystalických monitorů a TV obrazovek na bázi nematik. Příklad komerčního počítačového monitoru AL1731 firmy ACER s úhlopříčkou obrazovky 17“ je zobrazen na fotografii 1 [i1]. Na trhu však lze nalézt kapalně krystalické monitory řady dalších firem, např. i firmy EIZO. Nabídku monitorů této firmy lze nalézt na jejích internetových stránkách [i2], odkud jsou převzaty i informace v Tabulce. Tabulka: Komerční monitor FlexScan L767 firmy EIZO s nematickými kapalnými krystaly ( http://www.eizo.com/products/lcd/l767/index.asp ) HT

THT

T

Diagonála obrazovky

19“

Rozměr aktivní části obrazovky

376 mm × 301 mm

Rozměr obrazovky (bez stojanu)

415 mm × 374 mm × 54 mm

Počet obrazových elementů

1280 × (1024 × 3)

Rozměr obrazového elementu

0,294 mm × 0,294 mm

Kontrastní poměr

500:1

Zorný úhel

170° (horizontálně) 170° (vertikálně)

Rychlost odezvy

~25 ms

Poznámka: barva obrazu se dosahuje tím, že každé tři sousední obrazové elementy jsou opatřeny barevnými filtry základních barev (červené, zelené, modré).

Obrazovky na bázi feroelektrických kapalných krystalů Snížení zejména komutačního času jednoho obrazového elementu, tj. času potřebného ke změně kontrastu obrazového elementu, je možné volbou vhodného materiálu. Jako jedna z možností se tedy nabízelo použití feroelektrických kapalných krystalů. Na obr. 4a) a c) jsou schematicky znázorněné dvě možné feroelektrické domény, lišící se orientací spontánní makroskopické polarizace. Jsou-li na skleněných destičkách, kryjících

zobrazovač, napařeny průhledné elektrody, je možné změnou polarity vnějšího přiloženého napětí měnit i orientaci permanentních dipólů molekul. Molekuly jsou tak změnou polarity reorientovány (obr. 4b). Se změnou orientace molekul se mění i optické vlastnosti chirálního smektického C kapalného krystalu, čehož lze využít ke konstrukci zobrazovače. Ve srovnání s nematickým kapalným krystalem, jehož reorientace vlivem pole proběhne řádově za asi 0,1 - 0,01 s je chirální smektický C kapalný krystal daleko rychlejší: reorientaci, a tudíž i změnu optických vlastností, lze uskutečnit za 20 - 100 µs (v závislosti na konkrétním kapalném krystalu). Tato rychlost reakce kapalného krystalu na přiložené pole již dovoluje uvažovat o jeho použití při konstrukci ploché televizní obrazovky. Na obr. 7 je zobrazeno schéma jednoho obrazového elementu obrazovky s feroelektrickými kapalnými krystaly. Roviny vrstev jsou kolmé ke skleněnému povrchu elementu, na jehož vnější straně jsou nalepeny polarizátor a analyzátor tak, aby nepropouštěly polarizované světlo v orientaci na obr. 7a. To znamená, že směr dlouhých os molekul leží v rovině polarizovaného světla, které se podél takto orientovaných molekul dobře šíří. Světlo tedy projde objemem kapalného krystalu, ale nikoliv analyzátorem, kolmým k polarizátoru a tudíž i k rovině prošlého polarizovaného světla. Při změně polarity elektrického napětí se dipólové momenty molekul natáčí do směru pole a současně jsou molekuly přetáčeny tak, jak je naznačeno na obr. 8b. V okamžiku, kdy jsou dipólové momenty molekul orientovány do směru elektrického pole, směr orientace molekul svírá s rovinou polarizátoru a analyzátoru úhel Ω ≈ 2θ ≈ 45°. V tomto molekulárním uspořádání světlo obrazovým elementem projde (obr. 7b). Úplná přepolarizace feroelektrického kapalného krystalu vede k tomu, že obrazový element světlo buď propouští úplně nebo nikoliv. Pro konstrukci televizní obrazovky je však důležité zajistit určitou škálu šedivých odstínů obrazového elementu, tj. je třeba zajistit, aby element světlo propouštěl jen částečně. Konstruktéři experimentálních plochých televizních obrazovek se snaží řešit tento problém tím, že na obrazový element posílají napěťový puls jen takové velikosti, který přepolarizuje pouze část molekul kapalného krystalu. To znamená, že feroelektrický kapalný krystal v obrazovém elementu není v jednodoménovém stavu, ale jsou v něm zastoupeny obě domény. Objemový poměr těchto dvou domén pak udává stupeň šedi. Technologické řešení tohoto, na první pohled jednoduchého principu, však není snadné a každý konstruktér si jej chrání. Schéma systému elektrod s řídícími tranzistory feroelektrické kapalně krystalické televizní obrazovky je stejné jako při použití nematických kapalných krystalů (obr. 6). Řízení transistoru opět zabezpečuje X-elektroda. Kolmá Y-elektroda vede tentokráte posloupnost pulsů (±)-polarity s velikostí potřebnou k přepolarizaci feroelektrického kapalného krystalu.

Společná elektroda je na horní skleněné destičce, na spodní je systém XY-elektrod. Vzdálenost mezi skleněnými deskami (a tudíž i elektrodami) činí 2 µm. Co se týče funkčního prototypu ploché televizní obrazovky, japonská společnost Canon Inc. vyvinula velkoplošné ploché barevné i monochromatické TV obrazovky s vysokým kontrastem (foto 2).

Foto 2: Fotografie experimentální ploché obrazovky s feroelektrickými kapalnými krystaly firmy Canon s úhlopříčkou 15“.

Výhodou feroelektrických kapalných krystalů je tedy jejich rychlost přepolarizace, tj. rychlost změny optického kontrastu vlivem elektrického pole. Zkušenosti s prototypy těchto obrazovek s větší úhlopříčkou však ukázaly značnou technologickou náročnost jejich výroby. Ta například spočívá v zabezpečení dokonalého uspořádání smektických vrstev s co nejmenší hustotou poruch. Jde ale o vrstevnatý smektický kapalný krystal, který teče podél vrstev. Například při rázové deformaci jakým je třeba úder obrazovky o podložku dojde k rozrušení vrstevnatého uspořádání doprovázeného generací velkého množství poruch v systému vrstev. Uvažovalo se i o přidání polymerních molekul, které by po uspořádání rovin kapalného krystalu a ozáření UV zářením vytvořily polymerní řetězce s cílem stabilizovat rovinné uspořádání feroelektrického kapalného krystalu. To komplikuje technologii obrazovek

s feroelektrickými kapalnými krystaly ve srovnání s obrazovkami na bázi nematických kapalných krystalů, jejichž technologie dosáhla v posledních letech značného pokroku. Proto se v současnosti vyrábějí jen malé obrazovky s feroelektrickými kapalnými krystaly, neboť při menším rozměru obrazovky je uspořádání vrstev stabilnější. Menší obrazovky s úhlopříčkou do 2,5 cm jsou vhodné jako hledáčky digitálních fotoaparátů nebo mohou sloužit v TV projektorech. Tyto aplikace jsou doménou společnosti Displaytech [i3]. Další důležitou oblastí jejich použití jsou optické telekomunikace, kde je lze využít jako rychlé světelné uzávěrky a modulátory v optických kabelech. Některé další trendy ve vývoji monitorů a TV obrazovek Vývoj plochých obrazovek na bázi nematických kapalných krystalů se nezastavil ani v současné době. Firma Philips zkouší technologii nanášení směsi nematického kapalného krystalu s polymerními molekulami na podklad, opatřený systémem elektrod. Pak je směs osvícena UV zářením jedné frekvence, které vede k polymerizaci jednoho typu polymerních molekul. Tím se podaří vytvořit síť buněk, které budou tvořit obrazové elementy budoucí displeje. Poté aplikací UV záření jiné frekvence se vytvoří polymerní povrch, překrývající obrazové elementy. Firma Sharp se nyní snaží vyvinout kapalně krystalickou obrazovku, umožňující prostorový třírozměrný obraz. Obrazovka pro 3D obraz je složena ze dvou vrstev tvořená vrchní a spodní obrazovkou. Ve vrchní obrazovce se vytváří systém paralelních vertikálních proužků šířky 120 µm, které jsou neprůhledné. Tyto proužky jsou od sebe odděleny mezerami šířky 60 µm, kterými je možné sledovat obraz na spodní obrazovce. Na spodní obrazovce se promítají obrazy pro levé a pravé oko. Je-li divák ve vhodné vzdálenosti od obrazovky, systém vertikálních proužků dovoluje pozorovat obraz, určený pro levé oko a současně zabraňuje levému oku vidět obraz určený pro oko pravé. Podobná situace je i pro pravé oko. Výhodou je to, že není nutné používat polarizační brýle, ale zase je třeba, aby pozorovatel byl ve vzdálenosti asi 50 cm od středu obrazovky. Obrazovka tohoto typu je tedy zatím určena jen pro jednoho diváka a proto nachází použití v přístrojích pro jednoho uživatele. Jde zejména o obrazovky telefonních přístrojů, monitory počítačů či obrazovky pro konstruktéry nebo pro lékařské přístroje. Vypnutím vrchní obrazovky se obrazovka změní v klasickou 2D obrazovku. Uvažuje se i o možnosti konstrukce zobrazovače s využitím kapalných krystalů se zalomenými molekulami. Princip tohoto zobrazovače využívá možnosti přechodu mezi

antiferoelektrickou strukturou při nulovém elektrickém poli a vznikem feroelektrických domém při aplikaci elektrického pole nízké frekvence. Antiferoelektrická struktura je opticky transparentní zatímco feroelektrické domény světlo rozptylují. Ukazuje se, že pro dostatečný kontrast stačí vrstva kapalného krystalu o tloušťce 2 µm, kterou lze přepínat napětím 10-15 V. Rychlost změny kontrastu je typicky ~100 µs. Kapalně krystalické zobrazovače nejsou však jedinou možností konstruovat ploché a tenké zobrazovače, které postupně nahrazují klasické monitory a TV obrazovky využívající katodového záření. Pro informaci čtenáři je třeba poznamenat, že jsou již komercializovány ploché TV obrazovky, využívající plazmového výboje. Tyto plazmové obrazovky (např. od firmy Panasonic o úhlopříčce 106 cm) jsou konkurencí televizních kapalně krystalických obrazovek s větší úhlopříčkou (Panasonic s úhlopříčkou 80,2 cm, viz [i4]). Dalším konkurentem jak kapalně krystalických tak plazmových obrazovek mohou být obrazovky na bázi organických světlo emitujících diod (OLED). Oproti nematickým kapalně krystalickým obrazovkám, které potřebují homogenní zdroj světla, který obrazovku prosvěcuje, jsou OLED aktivními prvky, které světlo sami emitují. To je jejich výhoda, takže podaří-li se zvládnout technologii výroby, mohly by být v budoucnosti obrazovky využívající OLED alternativou jak plazmových tak kapalně krystalických televizních obrazovek a monitorů. Záleží tedy na tom, u kterého typu ploché obrazovky se podaří snížit náklady na jejich velkosériovou výrobu. Model tenké a ploché obrazovky, jejíž výroba bude ekonomicky a technologicky výhodnější, pak na trhu definitivně prorazí.

Literatura všeobecně o kapalných krystalech: [1] P. J. Collings, M. Hird: Introduction to Liquid Crystals, Chemistry and Physics (Taylor and Francis, London 1997). [2] M. Mitov: Les Cristaux Liquides (Presses Universitaires de France (série Que sais-je?) Paris 2000). [3] M. Glogarová: Kapalné krystaly ( http://emf-9.fzu.cz/lidi/glogarova/kapkrystaly/Kap-krystHTML2.htm ) . HT

[4] L. Lejček: Vesmír 68(7) (1989) 373. [5] L. Lejček: Elektronika (6/1992) 4; (11/1992) 4. [6] L. Lejček: Jemná mechanika a optika 49(6) (2004) 167.

TH

Internetové odkazy na některé nabídky kapalně krystalických obrazovek a monitorů: [i1] Internetové stránky firmy ACER: http://www.acer.cz/ . HT

TH

[i2] Internetové stránky firmy EIZO: http://www.eizo.com/products/lcd/ . HT

TH

[i3] Internetové stránky firmy DisplayTech: http://www.displaytech.com/ . HT

TH

[i4] Internetové stránky a nabídka produktů firmy Panasonic: http://www.panasonic.cz/ . HT

TH