В лаборатории оптоэлектронных процессоров ФИАН ведется работа по созданию новых материалов, которые могут найти широкое применение в производстве жидкокристаллических дисплеев с рекордно высокой частотой смены кадров. Это позволит не только улучшить качество изображения, но и создать новые, более совершенные 3D-дисплеи.

    Жидкие кристаллы (ЖК) – особое состояние вещества, обладающее свойствами как жидкости, так и твердого тела. Важнейшим свойством ЖК является их способность менять ориентацию молекул при приложении электрического поля, что и позволяет использовать их для изготовления пикселей в экранах мониторов. С помощью поляризаторов можно пропускать или задерживать прошедший через ЖК свет, и, таким образом, формировать изображение.

    Более 70% современных дисплеев созданы с использованием нематических ЖК. Главная проблема подобных материалов – они долго восстанавливают свое начальное состояние после выключения электрического импульса, поэтому не могут менять свое положение быстрее, чем 140-160 раз в секунду. Такой частоты кадров достаточно для отображения 2D- видео, которое будет комфортно восприниматься человеческим глазом, однако современные технологии цветопередачи и создания 3D-изображений требуют более высокой скорости работы. Не могут обеспечить достаточную частоту кадров и современные OLED-дисплеи.

    Группа ученых ФИАН под руководством Игоря Николаевича Компанца создала и исследовала материалы, принадлежащие к классу смектических ЖК с сегнетоэлектрическими свойствами. Такие кристаллы устроены более сложным, «слоистым» образом. В ходе исследований были найдены несколько интересных режимов их работы, каждый из которых сможет найти свое применение в реальных устройствах.

    «В режиме пропускания данные ЖК ведут себя подобно нематическим кристаллам, однако время реакции молекул на электрическое поле уменьшается в 20 раз: c 1 миллисекунды до 50 микросекунд! Кроме того, возвращать молекулы в исходное состояние можно электрическим импульсом обратного знака. Это позволяет отображать на экране несколько тысяч кадров в секунду, что делает доступной технологию последовательной во времени смены цветов. В современных мониторах цвет каждого пикселя на экране формируют три субпикселя с фильтрами различных цветов: красного, зеленого и синего. Увеличив частоту отображения кадров в 3 раза, можно подавать каждый из цветов на один и тот же пиксель последовательно. Человеческий глаз не различает изображения, сменяющиеся быстрее, чем 25 в секунду, поэтому наблюдатель увидит цветное изображение без разделения на субпиксели, т.е. потребуется втрое меньше отображающих элементов. Более того, цвета будут более яркими, так как отпадает потребность в светофильтрах» – рассказывает Игорь Николаевич.

    Еще более многообещающим представляется применение новых материалов для формирования 3D-изображений. Самым популярным способом отобразить объемную картинку является стереоскопия: изображения для правого и левого глаза подаются на экран попеременно. Существуют различные варианты реализации этой технологии - как с применением специальных очков, так и без них. Использование смектических ЖК увеличит число ракурсов, с которых можно будет просматривать 3D-фильмы (то есть число мест для зрителей), а также сделает возможным одновременный просмотр разных телеканалов на одном экране несколькими пользователями. Другой возможный подход к 3D-отображению – вольюметрические дисплеи, визуализирующие в объёмном экране типа «аквариума» наиболее реалистичный световой макет трехмерного объекта или сцены. Учеными ФИАНа был создан и успешно протестирован экспериментальный макет такого устройства. (см. здесь)

Схема 3D-дисплея с объемным ЖК-экраном

    Исследованные жидкие кристаллы могут не только пропускать свет, но также и интенсивно рассеивать его. Режим рассеяния может быть включен и выключен столь же быстро, как и режим пропускания – за десятки микросекунд, однако любое из двух состояний кристалла может сохраняться десятки секунд или до прихода следующего электрического импульса. Такие ЖК позволят существенно снизить энергопотребление приборов, в которых не требуется частая смена кадров (например, электронных книг).

    Создание дисплейных экранов на основе исследуемых материалов может быть легко освоено производителями, так как технологии создания приборов на основе нематических и смектических ЖК близки. Существует также возможность получения пока дорогих смектических жидких кристаллов из достаточно дешёвых нематических путем добавления специальных примесей. Новый принцип создания ЖК был предложен и экспериментально проверен совместными усилиями сотрудников ФИАН, ИКРАН, Курчатовского центра, а также Политехнического университета Турина (Италия).

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

___________________

От редакции. Изображение представлено И.Н. Компанцом