1.3 Применение жидких кристаллов

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказы­вается чрез­вы­чай­но эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления ин­тег­ральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем яв­ля­ется фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полу­про­вод­никового материала специ­альных масок, а затем в вытравливании с по­мощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса про­изводства преобразуются в эле­менты и соединения ми­кроэлектронной схемы. От того, насколько малы раз­ме­ры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые мо­гут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и ка­чества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже гово­ри­лось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жид­ких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением.

Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уже нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литогра­фическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикла­ды­ва­ется электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете кар­ти­на вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод поз­во­ляет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты лито­гра­фи­ческих работ, протяженность которых всего 0,01 мкм.

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавлива­емые в комнате аттракционов в местах об­ществен­но­го отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидко­крис­тал­лических дисплеев сделали возможным создание и массовое произ­водст­во подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении.

Первой такой игрой в России стала игра «Ну, погоди!», ос­воена оте­чест­венной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментом является жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го, нажимая кнопки управления, заставить вол­ка, пере­мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яйца в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отме­тим, что, помимо раз­влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высве­чи­ва­ется» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемый момент времени.

Появление в нашей современной жизни органайзеров, способных на­кап­ливать, обрабатывать и анализировать информацию позволяет пользо­ва­те­лю вести индивидуальное планирование своего времени, учитывая воз­мож­ность выполнения ряда действий, связанных с контактами, встречами и т.д. Органайзер заблаговременно напомнит о наступлении времени и даты особо важных мероприятий.

Миниатюризация происходит в данном случае в основном из-за уменьшения дисплея. Как видно, жидкокристаллический дисплей решает эту задачу очень просто.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана теле­визора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-пере­водчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображе­ние на экране формируется из 625 строк (и приблизи­тельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация теле­ви­зо­ра с жидкокристалли­ческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее, ученые и конструкторы добились налицо грандиозных успехов в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила про­изводство миниатюрного, умещающегося практически на ладони теле­ви­зо­ра с цветным изображением и размером экрана 3,6 см.

Создание телевизоров с жидкокристаллическими экранами стало новой исто­рической вехой применения жидких кристаллов (LCD). Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей, потому что происходит регулярно снижении цен, из-за совершенствования технологий производства.

Экран LCD – это экран просветного типа, то есть экран, который подсве­чивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цве­тов (RGB – красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соот­ветствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зави­симости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит оп­ре­деленное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при прос­мотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных мо­де­лях разнится от 15 мс (миллисекунды, 1 мс – одна тысячная секунды) до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быст­рее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на на­чаль­ной яркости – 60000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре те­ле­визора по 10 часов в день). Для сравнения: у плазменных телевизоров яр­кость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных те­ле­ви­зоров (выгорает люминофор) порог – 15000-20000 часов (приб­лизи­тель­но 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Примером совершенства может служить экран LCD телевизора LG RZ-23LZ20, который передает около 17 миллионов цветов, с высоким разре­ше­ни­ем 1280х768 пикселей, с контрастностью 400:1 и яркостью в 450 кд/м. Это – прекрасный образец жидкокристаллической технологии.

Угол обзора у жидкокристаллических телевизоров последних моделей дости­гает 160-170 градусов по вертикали и горизонтали, а это делает проб­ле­му гораздо менее острой, чем она была несколько лет назад.

Недостатком жидкокристаллических экранов является наличие нера­бо­та­ющих пикселей. Неработающие пиксели – пиксели, которые постоянно вклю­чены в каком-то одном состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. Разные производители допускают различное количество нерабо­та­ющих пикселей на экране, о чем пишут в инструкциях по использованию то­вара. Например, в инструкции может быть написано "если на панели вы об­на­ружили не более четырех неработающих пикселей, то панель считается пол­ностью работоспособной". В жидкокристаллических мониторах вообще не допускается наличие неработающих пикселей, так как на монитор мы смот­рим с гораздо более близкого расстояния, чем на телевизор, и сразу мо­жем разглядеть этот "мусор".

Анализ фазового состояния системы Bi – Pb – Sn.

2.1. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех компонентной системы определите фигуративные точки сплавов следую­щей концентрации:

а) Bi – 90%, Pb – 0%, Sn – 10%;

б) Bi – 20%, Pb – 20%, Sn – 60%.

2.2. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех­компонентной системы изобразите: а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию того или иного компонента, б)совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотношением компонентов:

а) Bi – 75%;

б) Sn : Bi = 1 : 1.

2.3. Дадим определение поверхности солидуса, поверхности ликвидуса и поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик.

Поверхность солидуса – поверхность на фазовых диаграммах, на кото­рой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой пла­вит­ся самый легкоплавкий компонент. Иными словами поверхность, которая по­казывает для каждой температуры состав твердой фазы, которая может на­хо­диться в равновесии с жидкой.

Поверхность ликвидуса является геометрическим местом точек в коор­ди­натах температура – состав, отвечающим максимальному насыщению твер­дой фазой расплавленной фазы, максимальная поверхность полного плав­ления твердых фаз.

Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик являются линей­чатыми (конодными). В пространственной диаграмме состояния линей­ча­тые поверхности можно получить, если перемещать части эвтектической го­ри­зонтали в сторону более низких температур, таким образом, чтобы один ко­нец скользил по линии двойной эвтектики, а другой по ординатам, а сама она при этом оставалась параллельна плоскости концентрационного треу­голь­ника. Линейчатая поверхность образована семейством конод (равновесие между компонентами при каждой температуре).

В системе Bi-Pb-Sn имеются три поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик.

На концентрационном треугольнике проекции этих поверхностей изображаются в виде треугольников АЕВ, ВЕС, АЕС.

2.4. Сплав состава Bi – 10 %, Pb – 70 %, Sn – 20 % при охлаждении из жид­кого состояния начнет кристаллизоваться при температуре 235^оС (508 K).

2.5. Первые кристаллики, выпадающие при кристаллизации данного сплава, будут представлять собой чистый Pb, так как сплав находится в области, где первым начинает кристаллизоваться компонента Pb. При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы будет изменятся по кривой XVW, и в точке W жидкая фаза полностью исчезнет.

2.6. Количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматри­ва­е­мо­го сплава при охлаждении до температуры 475 К (202 ^оС) можно опреде­лить по правилу рычага:

2.7. Второй компонент из сплава данного состава начнет выделяться при температуре  160 ^оС (точка V). Это будет компонент Sn. Состав жид­кой фазы будет изменяться по линии кристаллизации двойной эвтектики, как указано стрелками.

2.8. Кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава закончится при температуре эвтектики (96 ^оС). При этом будет протекать такое фазовое превращение:

L  Bi + Pb + Sn.

Состав последней капли расплава будет также соответствовать составу эвтектики (точка W на диаграмме): Bi – 50 %, Pb – 30 %, Sn – 20 %.

2.9. Для определения числа условных термодинамических степеней сво­бо­ды рассматриваемой системы при различных температурах воспользуемся пра­вилом фаз Гиббса:

С = K – Ф + 1,

где:

С – искомое число условных термодинамических степеней свободы;

К – число компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии при данных условиях.

При 400 К (127 ^оС): К = 3, Ф = 2, С = 2.

При 370 К (97 ^оС): К = 3, Ф = 3, С = 1.

При 96 ^оС (температура точки Е): К = 3, Ф = 4, С = 0.

2.10. Политермический разрез системы с постоянным содержанием компонента Pb – 75 % представлен на рисунке ниже.

2.11. Кривые охлаждения приведены для двух сплавов (I и II), и показаны в одной системе рисунков вместе с политермическим разрезом.

2.12. В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точке эвтектики, на фоне почти однородной структуры, состоящей из зерен эвтектического сплава (при рассматривании в светлом поле микроскопа они будут выглядеть серым фоном), видны кристаллики первого выделившегося вещества (как правило более светлые). В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точкам чистых компонентов, будут наблюдаться крупные светлые кристаллики чистого компонента, а по их границам образовывается сетка из сплава состава эвтектики.

2.13. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы изобразили проекцию эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики.

Проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами

При температуре эвтектики в равновесии находятся фазы:

,

Где , ,  – твёрдые растворы на основе компонентов Bi, Pb, Sn.