Дворівневі способи запису інформації для бістабільних холестеричних рідкокристалічних дисплеїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 532.783; 537.311

ДВОРІВНЕВІ СПОСОБИ ЗАПИСУ ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ БІСТАБІЛЬНИХ ХОЛЕСТЕРИЧНИХ РІДКОКРИСТАЛІЧНИХ ДИСПЛЕЇВ

05.12.20 - оптоелектронні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РИБАЛОЧКА АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сорокін Віктор Михайлович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу рідких кристалів

Офіційні опоненти: член-кореспондент Національної академії наук України, доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу фізики і технології низьковимірних систем

доктор фізико-математичних наук, професор Микитюк Зіновій Матвійович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри електронних приладів

Захист відбудеться 27 лютого 2009 р. о 16¹⁵ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, Київ, 03028

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45 Київ, 03028

Автореферат розісланий 21 січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук, професор Іщенко С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан інтенсивного розвитку рідкокристалічних дисплейних технологій обумовлений стійким зростанням кількості засобів відображення інформації в цілому, постійним збільшенням вимог до ергономічних параметрів зображення та розширенням сфер застосування дисплейних пристроїв. В інформаційних дисплеях загального користування та персональних мобільних пристроях все частіше використовують бістабільні рідкокристалічні дисплеї, в яких статична інформація зберігається практично без енергетичних витрат. Це дозволяє суттєво збільшити час їх автономної роботи та застосувати для електронного керування високоінформативними дисплеями (з кількістю елементів зображення понад 75000) технологічно прості методи пасивно-матричної адресації.

Характерною ознакою бістабільних холестеричних рідкокристалічних дисплеїв (ХРКД) є наявність двох стабільних структурних станів рідкого кристалу в елементах зображення, один з яких характеризується селективним відбиванням світла від планарно-орієнтованої холестеричної структури, а другий - суттєвим розсіюванням світла конфокальною структурою. Використання цих станів дозволяє відмовитися від поляризаторів та світлофільтрів, що традиційно використовують в рідкокристалічних дисплеях інших типів. Це зменшує оптичні втрати та позитивно впливає на такі ергономічні характеристики дисплеїв, як яскравість зображення, контраст та кути огляду.

Традиційні способи запису інформації дозволяють адресувати бістабільні ХРКД зі швидкістю порядку 10-20 мс на рядок. Розробка, так званих, динамічних способів запису інформації (ДСЗІ), в яких використовується швидкий релаксаційний перехід з гометропної до перехідної планарної холестеричної структури, дозволила досягти швидкості запису порядку 1 мс на рядок. Для реалізації ДСЗІ широко застосовувались електронні схеми керування з використанням драйверів, здатних комутувати біполярні сигнали з багатьма рівнями напруги. Найбільш прогресивні методи керування ХРКД сьогодні базуються на дворівневих динамічних способах запису інформації, в яких електричні сигнали керування, що подають на рядки та стовпці дисплею під час адресації, складаються лише з двох рівнів напруги: U та нуль. Це дозволяє використовувати в дисплеях інтегральні елементи з найпростішою архітектурою.

Застосування пасивно-матричної адресації у сукупності з дворівневими динамічними способами запису інформації забезпечує максимальні швидкість адресації та технологічну простоту виготовлення схем керування для бістабільних ХРКД. Тому дослідження електрооптичних властивостей холестеричних рідких кристалів (ХРК) для визначення можливостей їх застосування в високоінформативних бістабільних ХРКД при адресації за допомогою дворівневих динамічних способів запису інформації, а також розробка нових способів запису з метою підвищення швидкості адресації та покращення ергономічних параметрів зображення, є вкрай актуальними завданнями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати, висвітлені у дисертації, були одержані при виконанні планових завдань Відділення оптоелектроніки Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, проектів УНТЦ та проектів Міністерства освіти і науки України:

- “Дослідження властивостей впорядкованих нематичних та холестеричних рідкокристалічних структур, створених методом орієнтації на основі обробки підкладок в плазмі тліючого розряду”, № державної реєстрації 0100U000116, 2001-2005 роки;

- “Дослідження поверхневих явищ в термотропних нематичних рідких кристалах в контакті з нанорозмірними твердотільними структурами”, № державної реєстрації 0106U000657, 2006-2008 роки;

- програма “Розробка принципово нових рідкокристалічних засобів відображення інформації” (Постанова КМ України від 19.02.1996р. №216), № державної реєстрації 0198U002015, 1997-2000 роки;

- науково-дослідна робота “Розробка автоматизованих вимірювально-обчислювальних комплексів діагностики параметрів плоских засобів відображення інформації”, № державної реєстрації 0102U001738, 2002-2005 роки.

- проект УНТЦ № 637 “Високоінформативні рідкокристалічні дисплеї з пам'яттю на холестерико-нематичних сумішах”, 1999-2001роки;

- проект УНТЦ № 2025 “Діагностика рідких кристалів та дисплеїв на їх основі”, 2001-2004 роки.

Мета і завдання дослідження.

Метою даного дослідження є розробка нових дворівневих динамічних способів запису інформації для пасивно-матричних високоінформативних бістабільних ХРКД на основі досліджень трансформаційних переходів холестерико-нематичних рідкокристалічних композицій під дією зовнішнього електричного поля.

Для досягнення цієї мети в роботі необхідно було розв'язати наступні завдання:

1) дослідити індуковані зовнішнім електричним полем трансформаційно-релаксаційні переходи в ХРК;

2) оптимізувати методи дослідження електрооптичних властивостей ХРК для визначення можливостей їх використання у засобах відображення інформації з різними фізико-технологічними параметрами;

3) розробити нові дворівневі динамічні способи запису інформації для підвищення швидкості запису інформації та усунення залежностей контрасту зображення від змісту інформації та від положення елементу зображення на дисплейній матриці;

4) дослідити можливості розширення температурного діапазону роботи ХРКД при застосуванні дворівневих динамічних способів запису інформації;

5) проаналізувати особливості дворівневої динамічної адресації ХРКД та розробити критерій вибору оптимального дворівневого способу запису інформації для дисплеїв з різною інформаційною ємністю та специфічними вимогами до швидкості запису інформації, ергономічних параметрів зображення та параметрів інтегральних елементів, що використовуються у схемах керування дисплеями.

Об'єкт дослідження - енергозберігаючі бістабільні засоби відображення інформації на основі рідких кристалів.

Предмет дослідження - електрооптичні властивості холестерико-нематичних рідкокристалічних композицій та їх застосування в пасивно-матричних бістабільних дисплеях.

Методи дослідження. Для дослідження бістабільних властивостей холестерико-нематичних рідкокристалічних композицій та електрооптичних характеристик зразків ХРКД були використані спектральні, фотометричні та поляризаційні методи вимірювань, а також автоматизовані методики дослідження коефіцієнтів відбивання та пропускання, часів реакції та релаксації оптичного відгуку та їх залежності від температури РК-середовища. енергозберігаючий холестеричний кристал бістабільний

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Запропоновано модель представлення стабільних станів ХРК у вигляді суперпозиції планарних та конфокальних доменів та метод апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД.

2. Розроблено нові способи запису інформації для пасивно-матричних високоінформативних бістабільних ХРКД, які дозволили збільшити швидкість динамічної адресації та зменшити вимоги до технології виробництва ХРКД.

3. Вирішено проблему залежності контрасту зображення від координат елементів індикації на дисплейній матриці та від змісту інформації, що записується.

4. Розроблено методи визначення величини допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї: метод “клину” (метод безпосереднього вимірювання величини допустимої нерівномірності) та метод “динамічного гістерезису”, головною перевагою якого є можливість визначення цього параметру в автоматичному режимі на тестовій комірці з фіксованим значенням товщини рідкокристалічного шару.

5. Встановлено критерій вибору оптимального дворівневого динамічного способу запису для бістабільних ХРКД, що забезпечить максимальні швидкість адресації, контраст зображення та допуск товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї: з усіх можливих необхідно використовувати спосіб запису з максимальним значенням характеристичного відношення, що визначається відношенням між ефективними значеннями напруг на елементах зображення під час підготовчої та утримуючої стадій адресації.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Застосування запропонованого методу апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД дозволяє визначати контрастне відношення, швидкість адресації, величини керуючих напруг при заданій інформаційній ємності дисплею на порядок швидше, ніж при використанні стандартної процедури дослідження.

2. Використання розробленого адитивного принципу синтезу форми керуючого сигналу з нульовим ефективним значенням напруги для невибраних елементів зображення протягом стадії вибору дозволяє збільшити швидкість запису інформації при дворівневій динамічній адресації на 30-35% (теоретично до 50%).

3. Застосування розроблених нових алгоритмів розгортки та методів побудови керуючих сигналів для дворівневої динамічної адресації дозволяє ліквідувати залежність контрасту елементів відображення від їх координат на рідкокристалічній матриці та від змісту інформації, що записується.

4. Використання розробленого методу “динамічного гістерезису” дозволяє технологічно просто та в повністю автоматичному режимі визначати технологічні допуски по товщині шару рідкого кристалу для високоінформативних ХРКД.

5. Використання встановленого критерію вибору оптимального дворівневого динамічного способу запису інформації для ХРКД дозволяє визначити той спосіб запису, що забезпечить для дисплею з заданою інформаційною ємністю максимальні значення контрасту зображення, швидкості адресації та технологічного допуску по товщині шару рідкого кристалу в дисплеї.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні представлених в дисертації наукових результатів, участі в обговоренні проблемних завдань та постановці задач, підготовці та проведенні експериментів, інтерпретації отриманих результатів, написанні наукових статей та підготовці наукових доповідей. Дисертанту належить провідна роль в розробці методу моделювання електрооптичних характеристик та в узагальненні можливостей дворівневої динамічної адресації для бістабільних ХРКД.

У наукових працях, що містять основні результати дисертаційної роботи, дисертанту, як співавтору, безпосередньо належать: [1,2] - участь у розробці ідеології дворівневої динамічної адресації для ХРКД та алгоритмів вимірювання їх електрооптичних характеристик для обчислювально-вимірювального комплексу SV-100; [3] - розробка дворівневого способу запису з одночасною адресацією елементів зображення з двох рядків дисплею; [4,5,13] - розробка методу апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД, що описують трансформаційні переходи ХРК з початкових планарного, гомеотропного та перехідного планарного станів; [6,21] - розробка методів “клину” та “динамічного гістерезису” для визначення допустимого розкиду товщини шару ХРК у дисплеї при його адресації за допомогою дворівневих способів запису інформації та порівняння цього параметру для різних дворівневих способів запису; [7] - адаптація термо-компенсаційного принципу динамічної адресації бістабільних ХРКД для дворівневих способів запису; [8,9] - участь у розробці і патентуванні оригінальних технічних рішень; [10] - розробка нового методу побудови керуючих сигналів та алгоритму розгортки для дворівневих способів запису інформації для збільшення швидкості адресації; [11] - розробка нового алгоритму розгортки для дворівневих способів запису інформації для усунення залежності контрасту зображення від рядка розташування елементу зображення; [12] - розробка адитивного принципу побудови керуючих сигналів для дворівневих способів запису з метою підвищення швидкості адресації та усунення залежності контрасту зображення від змісту інформації, що записується; [14] - експериментальне дослідження гістерезисних характеристик ХРКД та аналіз залежності їх параметрів від тривалості дії зовнішньої напруги; [15] - узагальнення результатів розробки і патентування оригінальних технічних рішень по матеріалам двох деклараційних патентів України на винахід у вигляді роботи для участі в конкурсі винаходів на міжнародному симпозіумі FLOWERS'2003 (Москва, Корольов); [16,18] - розробка та експериментальне порівняння нових дворівневих способів запису інформації шляхом адресації зразків бістабільних ХРКД; [17] - розробка принципу розрахунку кількості можливих варіантів реалізації дворівневих способів запису інформації; [19] - розробка нового багаторівневого способу запису, в якому, при збереженні швидкості адресації на рівні інших багаторівневих аналогів, спрощена форма керуючих сигналів; [20] - розробка дворівневого способу запису інформації у градаціях “сірої шкали” для бістабільних ХРКД; [22] - розробка принципу визначення оптимальних параметрів керуючих сигналів для дворівневих способів запису інформації.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та містяться в матеріалах наступних міжнародних конференцій: 7^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-1998 (Minsk, Belarus, 1998); 8^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-1999 (Noviy Svet, Crimea, Ukraine, 1999); 31^th International Symposium, Seminar & Exhibition SID-2000 (Long Beach, California, USA, 2000); 9^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2000 (Moscow, Russia, 2000); 32^th International Symposium, Seminar & Exhibition SID-2001 (San Jose, California, USA, 2001); 10^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2001 (Minsk, Belarus, 2001); 11^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2002 (Yalta, Crimea, Ukraine, 2002); 12^th International symposium “Advanced Display Technologies: Basic Studies of Problems in Information Display (FLOWERS'2003)” (Korolev, Moscow Region, Russia, 2003); 13^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2004 (Raubichi, Belarus, 2004); 14^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2005 (Alushta, Crimea, Ukraine, 2005); 15^th International Symposium “Advanced Display Technologies” ADT-2006 (Moscow, Russia, 2006); 38^th International Symposium, Seminar & Exhibition SID-2007 (Long Beach, California, USA, 2007); International symposium Eurodisplay-2007 (Moscow, Russia, 2007), 39^th International Symposium, Seminar & Exhibition SID-2008 (Los Angeles, California, USA, 2008).

На всіх вищезазначених конференціях, окрім ADT-1998 та SID-2001, результати роботи доповідались автором особисто; роботу, представлену до участі в конкурсі винаходів на міжнародному симпозіумі FLOWERS'2003 (Москва, Корольов) було відзначено третьою премією конкурсу винаходів.

Публікації. Результати дисертації відображені у 22 публікаціях: 7 статей у провідних фахових журналах, 2 патенти та 13 статей у матеріалах конференцій.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів основного змісту, висновків, списку використаних джерел та додатку. Вона містить 128 сторінок, з них 114 сторінок основного тексту, включаючи 75 рисунків та 6 таблиць, список використаних джерел з 124 найменувань на 11 сторінках та 1 додаток на 3 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи та публікації автора, а також коротко викладено зміст дисертації по розділах.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому розглянуто основні фізичні та електрооптичні властивості ХРК-матеріалів, а також характерні для них трансформаційні переходи, які схематично наведено на рис.1.

На цьому рисунку суцільними стрілками зображені індуковані полем холестерико-нематичні переходи, пунктирними - релаксаційні переходи при дії електричного поля, крапковою - релаксаційні переходи за умови відсутності електричного поля, а фігурною - швидкий релаксаційний перехід з гомеотропного до перехідного планарного стану (Г-П^*-перехід). Поряд зі стрілками вказані приблизні значення напруженості електричного поля відносно критичного значення для холестерико-нематичного переходу E_C, при яких відбуваються відповідні переходи, та їх тривалість. Визначено спосіб вимірювання електрооптичних вольт-яскравісних характеристик для зразків бістабільних ХРКД та продемонстровано вплив на їх поведінку гістерезисного характеру трансформаційних переходів.

Далі продемонстровано як утворюються елементи зображення в дисплеях при сегментній, активно- та пасивно-матричній адресаціях, а також продемонстровано можливості застосування пасивно-матричної адресації в високоінформативних бістабільних ХРКД. Потім для відомих традиційних способів запису інформації (швидкість адресації порядку 10-20 мс на рядок) та динамічних способів запису інформації (швидкість адресації порядку 1 мс на рядок) проаналізовані та порівняні послідовності трансформаційних переходів ХРК-матеріалів у елементах зображення впродовж адресації дисплею, алгоритми розгортки та особливості візуального сприйняття безпосередньо процесу зміни зображення на дисплеї спостерігачем. Особливу увагу приділено аналізу та порівнянню існуючих динамічних способів запису інформації (ДСЗІ) для ХРКД, як таких, що забезпечують максимальну швидкість адресації. Продемонстровано можливість використання значно простішої елементної бази для адресації ХРКД за допомогою дворівневого ДСЗІ “U/” при збереженні швидкості адресації на рівні багаторівневих аналогів. На рис.2 наведено епюри напруг та алгоритм розгортки для цього дворівневого ДСЗІ. Він пояснює, чому цей спосіб запису називають “дворівневим”: сигнали, що подають на рядки та стовпці дисплею складуються з імпульсів напруг лише двох рівнів: U та нуль.

Також визначено поняття “характеристичне відношення” для дворівневих ДСЗІ, як відношення ефективних значень напруги на елементах зображення впродовж утримуючої та підготовчої стадій. Для дворівневого ДСЗІ, що наведений на рис.2, воно складає величину 1/. Саме тому цей спосіб запису і називається дворівневий ДСЗІ “U/”.

У другому розділі продемонстровано метод апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД на основі запропонованої моделі представлення стабільних станів ХРК-матеріалів у вигляді суперпозиції доменів двох типів: планарних та конфокальних. Показано, як за його допомогою можна визначити основні експлуатаційні параметри ХРКД (контрастне відношення, швидкість адресації, значення напруг для схем керування) без попередніх тривалих вимірювань електрооптичних характеристик, а лише при використанні обмеженої кількості параметрів гістерезисних характеристик рідкокристалічного матеріалу.

Продемонстровано реалізацію методу для апроксимації електрооптичних характеристик, що описують поведінку ХРК-матеріалів при переходах з початкових гомеотропного, планарного та перехідного планарного станів. На рис.3а наведено приклад експериментальних вольт-яскравісних характеристик, що отримані з початкового гомеотропного стану ХРК-матеріалу. Ці характеристики представляють собою залежності інтенсивності відбивання світла (R) від стабільних структур ХРК в дисплеї, в які він переходить з початкового гомеотропного стану після дії на нього впродовж визначеного проміжку часу (0.1с, 0.5с, 1с, 3с та 10с) зовнішнього електричного поля від величини напруги U_Д, що його утворює.

На рис. 3б представлені ці характеристики в рамках розробленого методу апроксимації. Параметр відображає частину планарних доменів у кінцевій структурі рідкого кристалу, тобто відповідає стабільному планарному стану (R=R_max), а - стабільному конфокальному стану (R=R_min). В тих діапазонах напруг, де відбувається зростання чи зменшення величини R, в нашій моделі значення параметру лінійно збільшується чи зменшується від нуля до одиниці, відповідно. При цьому залежність яскравості кінцевого стабільного стану ХРК-матеріалу в елементі зображення від значення параметра визначається наступним чином:

, (1)

де - деяка апроксимаційна функція, яка обирається окремо для кожного початкового стану, спираючись на характерні особливості поведінки відповідних експериментальних залежностей.

Нами було запропоновано використовувати функцію для характеристик, отриманих з початкового гометропного стану, та функцію для характеристик, отриманих з початкового планарного та перехідного планарного станів. На рис.4 наведено вольт-контрастні характеристики (залежність контрастного відношення від величини напруги U_Д), отриманих з експериментальних та апроксимаційних вольт-яскравісних характеристик для початкових гометропного та планарного станів. Зауважимо, що тривалість безпосереднього дослідження всіх експериментальних характеристик більш, ніж на порядок перевищує тривалість процесу визначення параметрів, що необхідні для побудови апроксимаційних.

Порівняння ширини цих характеристик () для різних значень контрастного відношення показало, що різниця складає величину порядку 15-20%, що в багатьох випадках є достатньою точністю для оцінки значень контрастного відношення зображення, швидкості адресації, величини керуючих напруг при заданому рівні мультиплексування дисплею.

У третьому розділі запропоновано два нові дворівневі способи запису інформації для бістабільних ХРКД: ДСЗІ “U/” та ДСЗІ “U/” зі значеннями характеристичного відношення 1/ та 1/, відповідно. Показано, яким чином, застосовуючи зміну дворівневого способу запису при певних значеннях температури РК-середовища, можна додатково розширити температурний діапазон використання ХРКД на 5-10⁰С.

Розглянуто два методи визначення допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї при дворівневій динамічній адресації: метод “клину” та метод “динамічного гістерезису”. Метод “клину” (рис.5) є методом безпосереднього її вимірювання та полягає в тому, що на клиноподібну комірку діють електричними сигналами відповідними до реальних, що подають для адресації вибраних (“ON”) та невибраних (“OFF”) елементів зображення дисплею з різних його рядків. Аналізуючи значення товщин, до яких вони прописують планарний стан ХРК-матеріалу в цій комірці, можна визначити й допустиме значення неоднорідності товщини. Але виготовлення та калібрування клиноподібної комірки само по собі є достатньо складними завданням. Тому був розроблений метод визначення відносного значення допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї (D_p) на тестовій комірці з фіксованим значенням товщини рідкокристалічного шару: метод “динамічного гістерезису” (рис.6).

Спочатку вимірюють чотири електрооптичні характеристики, що демонструють залежності інтенсивності відбивання світла (R) від кінцевого стабільного стану ХРК у тестовій комірці від амплітудного значення напруги U в керуючих сигналах для запису ON- та OFF- станів елементів зображення з першого (“1”) та останнього (“N”) рядків дисплею. Такий набір характеристик називають “динамічним гістерезисом” (рис.6а). Він може бути представлений у вигляді двох відповідних вольт-контрастних характеристик, що демонструють залежність контрастного відношення від величини напруги U (див рис.6б): криві C₁(U) та C_N(U) - це вольт-контрастні характеристики для елементів зображення з першого та останнього рядків, відповідно. Криву C_min(U)=MIN(C₁(U),C_N(U)) можна інтерпретувати як характеристику, по якій можна визначити діапазон напруг , в якому буде відбуватися адресація ХРКД з контрастним відношенням не меншим за певне обране значення.

Було показано, що через граничні значення цього діапазону напруг відносне значення допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї (D_p) можна визначити за допомогою наступної формули

. (2)

Метод “динамічного гістерезису” є зручнішим для практичного застосування, оскільки дозволяє проводити всі необхідні дослідження в автоматичному режимі на зразках з фіксованою товщиною.

Вивчення особливостей дворівневої динамічної адресації безпосередньо шляхом запису інформації на зразки ХРКД за допомогою дворівневих способів запису інформації з різними значеннями характеристичного відношення дозволило сформулювати критерій вибору оптимального дворівневого ДСЗІ для певного ХРКД. Він полягає у тому, що для кожного конкретного дисплею треба обирати спосіб запису з максимально можливим для реалізації значенням характеристичного відношення. Таким чином, будуть забезпечені максимальні значення швидкості запису інформації, контрастного відношення та допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї.

У четвертому розділі розглянуті можливості підвищення швидкості дворівневої динамічної адресації, яка до цього часу для всіх дворівневих ДСЗІ складала величину порядку часу швидкого релаксаційного переходу з гомеотропного до перехідного планарного стану ХРК-матеріалу (T_Г-П*) на рядок (1мс на рядок). Спершу було запропоновано спрощений варіант багаторівневого способу запису (в ньому на рядки подають сигнали, що складаються лише з 3-х рівнів напруги, на відміну від 7-ми в відомих раніше способах запису), в якому швидкість адресації була збільшена в 4-5 разів, але керуючі сигнали залишилися біполярними та багаторівневими. Потім було проведено адаптування принципу одночасної адресації елементів зображення з декількох рядків дисплею до ідеології дворівневої динамічної адресації ХРКД. Встановлено, що при цьому, можливо реалізувати одночасну адресацію елементів зображення з двох рядків дисплею та отримати збільшення швидкості запису інформації на 33%.

Також, в цьому розділі представлено розроблений, так званий, адитивний принцип отримання необхідної тривалості часу відсутності напруги для невибраних елементів зображення в стадії вибору за рахунок використання частини стадії вибору для елементів зображення з попереднього рядка. Він дозволив досягти підвищення швидкості адресації на 30-35% (теоретично - до 50%) без зменшення, на відміну від відомих раніше способів підвищення швидкості динамічної адресації ХРКД, проміжку часу, протягом якого визнається кінцевий стан рідкого кристалу в елементах зображення. Таким чином, вперше досягнуто збільшення швидкості динамічної адресації ХРКД без накладання додаткових умов на точність встановлення параметрів керуючих сигналів, погіршення якості зображення та підвищення технологічних вимог до виготовлення склопакетів для дисплеїв. На рис.7 показано, як зростає характеристичне відношення (U/U_ут) та зменшується час запису одного рядка дисплею відносно тривалості Г-П*-переходу (T_вб/T_Г-П*) при додаванні k імпульсів до сигналів стадії вибору, що реалізуються в способі запису з мінімально можливою їх кількістю.

Динамічна адресація ХРКД за допомогою перших дворівневих способів запису інформації супроводжувалась появою, так званих, “інформаційно-залежних” та “рядково-залежних” дефектів зображення, які умовно позначаються, як ІЗ-дефекти та РЗ-дефекти, відповідно. Причиною появи ІЗ-дефектів є залежність ефективної тривалості стадії вибору для невибраних елементів зображення від інформації, що записується, при використанні “стандартного” методу побудови керуючих сигналів. Поява РЗ-дефектів є наслідком залежності сумарної тривалості стадій адресації, що слідують до та після стадії вибору від номера рядка, в якому знаходиться елемент зображення при застосуванні “початкового” алгоритму розгортки. Наявність цих дефектів може бути не дуже суттєвою при адресації “чорно-білого” (однобітного) зображення, однак, при запису інформації у градаціях “сірої шкали” вони унеможливлюють використання відомих раніше дворівневих динамічних способів запису інформації. Вирішити ці проблеми вдалося за рахунок розробки двох нових методів побудови керуючих сигналів (“вдосконаленого” та “2-з-5”) та двох нових алгоритмів розгортки (“компенсаційного” та “швидкого”). Сім можливих комбінацій між методами побудови сигналів та алгоритмами розгортки з характеристиками цих поєднань для дворівневих динамічних способів запису інформації наведено в таб.1. В цій таблиці наведено порівняння двох числових параметрів: T_вб/ - часу запису одного рядка дисплею відносно тривалості Г-П*-переходу та T_К/(N) - часу запису кадру відносно його значення для комбінації “стандартного” методу з “початковим” алгоритмом (як для першого відомого дворівневого ДСЗІ “U/”), а також дані відносно наявності чи відсутності РЗ- та ІЗ-дефектів. Зауважимо, що значення параметрів T_вб/ та T_К/(N) для “вдосконаленого” методу побудови керуючих сигналів залежить від значення характеристичного відношення U/U_ут (див. рис.7). Тому для коректного порівняння числових параметрів в таб.1 всі вони наведені для способів запису зі значенням характеристичного відношення .

З аналізу даних, що наведено в таб.1, випливає, що максимальну швидкість адресації забезпечує комбінація “вдосконаленого” методу з “початковим” алгоритмом, але при цьому адресація відбувається з РЗ-дефектами. Існує три комбінації, при яких РЗ- та ІЗ-дефекти повністю елімінуються: “вдосконалений” метод з “компенсаційним” алгоритмом, “2-з-5” метод з “компенсаційним” алгоритмом та “2-з-5” метод з “швидким” алгоритмом. При цьому, максимальну швидкість адресації забезпечує комбінація “2-з-5” методу з “швидким” алгоритмом. Але для реалізація цієї комбінації потрібне амплітудне значення напруги на 12% більше, ніж для комбінації “вдосконаленого” методу з “компенсаційним” алгоритмом. Таким чином, максимальну швидкість адресації без РЗ- та ІЗ-дефектів з мінімально можливими значеннями амплітуди імпульсів напруги керуючих сигналів забезпечує комбінація “вдосконаленого” методу з “компенсаційним” алгоритмом. Тобто, при виборі однієї з цих двох комбінацій діє правило: збільшення напруги на 12% забезпечить збільшення швидкості адресації на 33%.

Візуально процес перезапису при використанні “початкового” алгоритму розгортки виглядає наступним чином: на початку адресації весь дисплей стає чорним, а потім приблизно через проміжок часу NT_вб зображення з'являється на всій робочій площі дисплею. При використанні “компенсаційного” та “швидкого” алгоритмів розгортки процес перезапису виглядає дещо інакше: на початку адресації також весь дисплей на деякий час стає чорним, а ось потім зображення з'являється з першого до останнього рядка дисплею за час NT_вб. Це зручніше ось у якому сенсі: користувач “перегортає” сторінки в електронній книзі та бачить по перших її рядках, що сторінка, яка записується в даний момент, йому непотрібна - він може, не чекаючи закінчення процесу її запису, переходити до наступної. При цьому будуть зберігатися як власний час користувача, так і енергія акумуляторної батареї у мобільному пристрої.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішувалось наукове завдання, пов'язане з розробкою нових дворівневих динамічних способів запису інформації для пасивно-матричних високоінформативних бістабільних ХРКД на основі досліджень трансформаційних переходів холестерико-нематичних рідкокристалічних композицій під дією зовнішнього електричного поля. Основні результати полягають у наступному.

1. Розроблено метод апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД, який дозволяє на порядок швидше, ніж при застосуванні стандартного експериментального дослідження, визначити такі характеристики майбутнього дисплею, як швидкість адресації, яскравість та контраст зображення, величини керуючих напруг, максимальний рівень мультиплексування та допуск по неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї.

2. Запропоновано алгоритм побудови керуючих сигналів та визначені можливі значення характеристичного відношення (відношення ефективних рівнів напруг протягом утримуючої та підготовчої стадій адресації) для дворівневих динамічних способів запису інформації.

3. Розроблено динамічний дворівневий спосіб запису інформації з одночасною адресацією елементів зображення з двох рядків дисплею, що дозволив збільшити швидкість адресації на 33%.

4. Розроблено адитивний принцип отримання нульового ефективного значення напруги для невибраних елементів зображення протягом стадії вибору, за рахунок чого досягнуто збільшення швидкості дворівневої динамічної адресації на 30-35% (теоретично до 50%) та вирішено проблему залежності ефективної тривалості стадії вибору для невибраних елементів зображення від інформації, що записується.

5. Запропоновано два методи для визначення допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї при дворівневій динамічній матричній адресації: метод “клину” та метод “динамічного гістерезису”. Продемонстровано, що для практичного застосування зручнішим є метод “динамічного гістерезису”, оскільки він не вимагає створення та калібрування клиноподібних тестових зразків, а дозволяє проводити всі необхідні дослідження в автоматичному режимі на зразках з фіксованою товщиною.

6. Визначено критерій вибору оптимального дворівневого динамічного способу запису інформації для забезпечення максимальних значень швидкості адресації, контрастного відношення та допустимої неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу для бістабільних ХРКД: серед усіх можливих для реалізації необхідно обрати спосіб запису з максимальним значенням характеристичного відношення.

7. Розроблено два нових алгоритми розгортки для дворівневих способів запису інформації (“компенсаційний” та “швидкий”), в яких вирішено проблему залежності контрасту елементів індикації від їх координат на дисплейній матриці за рахунок забезпечення для кожного з них однакових тривалостей всіх стадій адресації.

8. Виявлено, що максимальну швидкість адресації при мінімальному значенні амплітуди імпульсів напруги в електричних сигналах керування, відсутність залежності контрасту елементів індикації від інформації, що записується та їх координат на дисплейній матриці, максимальну величину неоднорідності товщини шару ХРК-матеріалу в дисплеї, економічний та комфортний для споживача алгоритм розгортки забезпечує комбінація “вдосконаленого” методу побудови керуючих сигналів з “компенсаційним” алгоритмом розгортки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Сорокин В. М. Малогабаритные высокоинформативные холестерические дисплеи с памятью / В. М. Сорокин, Р. Я. Зелинский, А. В. Рыбалочка // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. №2(74). С. 3-9.

2. Сорокин В.М. Измерительно-вычислительный комплекс СМ-100 для характеризации жидкокристаллических дисплеев / В. М. Сорокин, Р. Я. Зелинский, А. В. Рыбалочка, А. С. Олийник // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. №1(73). С. 48-53.

3. Rybalochka A. Bistable cholesteric reflective displays: two-level dynamic drive schemes / A. Rybalochka, V. Sorokin, S. Valyukh // Journal of the SID - 2004. Vol.12, №2. P. 165-171.

4. Rybalochka A. Approximation of electro-optical hysteresis characteristics of ChLC / A.Rybalochka, M. Chumachkova, V. Sorokin // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2004. Vol.7, №3. P. 313-317.

5. Rybalochka A. Approximation of electro-optical characteristics of ChLC at transitions from the homeotropic texture / A. Rybalochka, M. Chumachkova, V. Sorokin // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2003. Vol.6, №3. P. 411-416.

6. Rybalochka A. Allowable deviation of LC layer thickness in cholesteric LCDs / A.Rybalochka, V. Sorokin, A. Sorokin // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2002. Vol.5, №1. P. 115-118.

7. Sorokin V. Electronic addressing of the reflective cholesteric LCD / V. Sorokin, A.Sorokin, A. Rybalochka, S. Valyukh // Proc. of SPIE. 2001. Vol.4511. P. 169-173.

8. Пат. 47997А Україна, G02F1/00,1/01,1/13. Спосіб запису інформації на матричний холестеричний рідкокристалічний дисплей / Рибалочка А. В., Сорокін В. М., Сорокін А. В.; заявник та власник Рибалочка А. В., Сорокін В. М., Сорокін А. В. № 2002032357; заявл. 26.03.02 ; опубл. 15.07.02, Бюл. №7, 2002р.

9. Пат. 40701А Україна, G02F1/00,1/01,1/13. Спосіб запису інформації на матричний холестеричний рідкокристалічний дисплей / Рибалочка А. В., Сорокін В. М., Назаренко В. Г.; заявник та власник Рибалочка А. В., Сорокін В. М., Назаренко В. Г. № 2001053098; заявл. 06.05.01 ; опубл. 15.08.01, Бюл. №7, 2001р.

10. Rybalochka A. New high-performance algorithm for 2+2 dynamic drive scheme for cholesteric LCDs / A. Rybalochka, V. Sorokin // SID'08 Digest. 2008. P. 1869-1872.

11. Rybalochka A. Elimination of row-dependent image defects in cholesteric LCDs for 2+2 dynamic drive schemes / A. Rybalochka, P. Tytarenko, M. Minyaylo, V. Sorokin // Proc. of the 27^th IDRC. 2007. P. 432-434.

12. Rybalochka A. Improvement of 2+2 dynamic drive schemes for cholesteric Displays / A. Rybalochka, V. Sorokin // SID'07 Digest. 2007. P. 596-598.

13. Rybalochka A. A simulation method for electro-optical characteristics of ChLCs / A.Rybalochka, M. Chumachkova, M. Minyaylo, V. Sorokin // Proc. of the 15^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 2006. P. 144-149.

14. Rybalochka A. Control of width of hysteresis characteristics for ChLC / A.Rybalochka, V. Sorokin, M. Minyaylo // Proc. of the 13^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 2004. P. 61-65.

15. Rybalochka A. Drive schemes for matrix cholesteric liquid crystal display / A.Rybalochka, V. Sorokin, A. Sorokin, V. Nazarenko // Invention competition on the 12^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 2003. P. 1-3.

16. Rybalochka A. Addressing of cholesteric LCD by two-level dynamic drive scheme / A.Rybalochka, V. Sorokin, S. Valyukh, A. Sorokin // Proc. of the 11^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 2002. P. 70-76.

17. Rybalochka A. Analysis of drive schemes for bistable cholesteric LCDs / A.Rybalochka, V. Sorokin, S. Valyukh, A. Sorokin // Proc. of the 10^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 2001. P. 67-71.

18. Rybalochka A. Simple drive scheme for bistable cholesteric LCDs / A. Rybalochka, V.Sorokin, S. Valyukh, A. Sorokin // SID'01 Digest. 2001. P. 882-885.

19. Rybalochka A. Dynamic drive scheme for fast addressing of cholesteric displays / A.Rybalochka, V. Sorokin, S. Valyukh, A. Sorokin // SID'00 Digest- 2000. P. 818-821.

20. Rybalochka A. Electronic principle of gray scale realization for cholesteric LCD / A.Rybalochka, V. Sorokin, A. Kozachenko, A. Sorokin // Proc. of the 8^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 1999. P. 59-64.

21. Rybalochka A. Determination of maximum permissible relative deviation of LC layer thickness in dynamically addressed ChLCD with high information content / A.Rybalochka, V. Sorokin, S. Valiukh // Proc. of the 7^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 1998. P. 125-128.

22. Rybalochka A. Optimization of driving signal parameters for cholesteric LCD that addressed by U/ driving ideology / A. Rybalochka, V. Sorokin, S. Valiukh // Proc. of the 7^th Int. Symp. “Advanced display technologies”. 1998. P. 122-124.

АНОТАЦІЯ

Рибалочка А.В. Дворівневі способи запису інформації для бістабільних холестеричних рідкокристалічних дисплеїв.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена розвитку ідеології дворівневої динамічної адресації для бістабільних холестеричних рідкокристалічних дисплеїв (ХРКД). Запропоновано метод апроксимації електрооптичних характеристик ХРКД, який дозволяє на порядок швидше ніж при застосування стандартного експериментального дослідження визначити такі характеристики майбутнього дисплею, як швидкість адресації, яскравість та контраст зображення, величини напруг в електричних сигналах керування, максимальний рівень мультиплексування та допуск по неоднорідності товщини шару холестеричного рідкокристалічного матеріалу (ХРК-матеріалу) в дисплеї. Розроблено два методи для визначення цього допуску: метод прямого вимірювання на клиноподібній комірці - метод “клину”, та метод непрямого вимірювання - метод “динамічного гістерезису”, який дозволяє проводити всі необхідні дослідження в автоматичному режимі на тестових зразках з фіксованою товщиною шару ХРК-матеріалу. Запропоновано два методи побудови керуючих сигналів (“вдосконалений” та “2-з-5”) та два алгоритми розгортки (“компенсаційний” та “швидкий”), які дозволили збільшити швидкість дворівневої динамічної адресації та вирішити проблеми залежності значення контрасту зображення від змісту інформації, що записується, та від координат елементів індикації на дисплейній матриці.

Ключові слова: бістабільні засоби відображення інформації, рідкокристалічні дисплеї, холестеричні рідкі кристали, способи запису інформації.

АННОТАЦИЯ

Рыбалочка А.В. Двухуровневые способы записи информации для бистабильных холестерических жидкокристаллических дисплеев.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена развитию идеологии двухуровневой динамической адресации для бистабильных холестерических жидкокристаллических дисплеев (ХЖКД). Предложен метод аппроксимации электрооптических характеристик ХЖКД, который позволяет на порядок быстрее, чем при применении стандартного экспериментального исследования, определять такие характеристики будущего дисплея, как скорость адресации, яркость и контраст изображения, значения уровней напряжения в электрических сигналах управления, максимальный уровень мультиплексирования и допуск по неоднородности толщины слоя холестерического жидкокристаллического материала (ХЖК-материала) в дисплее. Разработаны два метода для определения этого допуска: метод прямого измерения на клинообразной ячейке - метод “клина”, и метод косвенного измерения - метод “динамического гистерезиса”, который позволяет проводить все необходимые исследования в автоматическом режиме на тестовых образцах с фиксированной толщиной слоя ХЖК-материала. Предложены два метода построения сигналов управления (“усовершенствованный” и “2-з-5”) и два алгоритма развертки (“компенсационный” и “быстрый”), которые позволили увеличить скорость двухуровневой динамической адресации и решить проблемы зависимости значения контраста изображения от содержания информации, которая записывается, и от координат элементов индикации на дисплейной матрице.

Ключевые слова: бистабильные средства отображения информации, жидкокристаллические дисплеи, холестерические жидкие кристаллы, способы записи информации.

ABSTRACT

Rybalochka A.V. Two-levels drive schemes for bistable cholesteric liquid crystal displays.

Thesis for the PhD degree Techniques, speciality 05.12.20 - optoelectronics systems. - V. Lashkaryov Institute of semiconductor physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

The PhD thesis is devoted to development of two-levels dynamic driving ideology for cholesteric liquid crystal displays (ChLCD's). Cholesteric liquid crystals (ChLCs) are widely used in display technologies due to their long term bistability, bright reflectivity and specific electro-optical properties. Investigation of hysteresis properties of the field induced phase transitions of ChLCs and study of the fast transition from the homeotropic state to the transient planar state (the H-P^*-transition) allow to achieve addressing speed for passive-matrix addressing of bistable ChLCDs of about 1ms/row and even less than that. From different dynamic drive schemes (DDSs) for ChLCDs the simplest driving voltage waveforms are realized in so called “2+2” DDSs. In these DDSs only two voltage levels (U_Peak and zero) are used in driving voltage waveforms that applied to rows and columns of a display. The composite pixel-voltage waveforms are direct current free and have three voltage levels: U_Peak, -U_Peak and zero.

In this thesis the method for an approximation of electro-optical characteristics of ChLCD is demonstrated. It was implemented for electro-optical characteristics that describe electro-optical response of a ChLC on voltage pulses from the field induced homeotropic state, stable planar state and the transient planar state. This method allows to obtain sufficient quantity of approximated characteristics only due to the measuring of some special electro-optical characteristics. Thus the duration of experimental study is necessary for determination of such parameters of ChLCD, as addressing speed, brightness and contrast ratio, driving voltage levels, maximal multiplexing level and allowable deviation of LC layer thickness in a display is decreased more than on an order.

Two methods for determination of allowable deviation of LC-layer thickness for ChLCD are developed. First, “wedge” method - is a method of the direct measuring of this parameter on wedge-shaped cell. However this method is quite complicated because of necessity of production and calibration of the wedge-shaped cells. Second, “dynamic hysteresis” method - is a method of the indirect measuring. It allows to do all experimental measuring of dynamic hysteresis characteristics in the automatic mode on the standard cells with the fixed LC-layer thickness.