Жидкокристаллический дисплей - Liquid-crystal display

Светоотражающий нематический жидкокристаллический дисплей.
  1. Поляризационная фильтрующая пленка с вертикальной осью для поляризации света при его входе.
  2. Стеклянная подложка с электродами ITO . Формы этих электродов будут определять формы, которые появятся при включении ЖК-дисплея. Вытравленные на поверхности вертикальные гребни гладкие.
  3. Скрученный нематический жидкий кристалл.
  4. Стеклянная подложка с общей электродной пленкой (ITO) с горизонтальными выступами для выравнивания с горизонтальным фильтром.
  5. Поляризационная фильтрующая пленка с горизонтальной осью для блокировки / пропускания света.
  6. Светоотражающая поверхность, возвращающая свет зрителю. (В ЖК-дисплее с подсветкой этот слой заменяется или дополняется источником света.)

Жидкокристаллический дисплей ( ЖК - дисплей ) представляет собой плоский дисплей или другой в электронном виде модулированного оптического устройства , которое использует световые модулирующие свойства жидких кристаллов в сочетании с поляризаторов . Жидкие кристаллы не излучают свет напрямую, вместо этого они используют заднюю подсветку или отражатель для создания цветных или монохромных изображений . Доступны ЖК-дисплеи для отображения произвольных изображений (как на компьютерном дисплее общего назначения) или фиксированных изображений с низким содержанием информации, которые можно отображать или скрывать. Например: предварительно заданные слова, цифры и семисегментные дисплеи , как в цифровых часах , - все это хорошие примеры устройств с такими дисплеями. Они используют ту же базовую технологию, за исключением того, что произвольные изображения создаются из матрицы маленьких пикселей , в то время как другие дисплеи имеют более крупные элементы. ЖК-дисплеи могут быть либо нормально включенными (положительными), либо выключенными (отрицательными), в зависимости от расположения поляризатора. Например, символьный положительный ЖК-дисплей с подсветкой будет иметь черные буквы на фоне, который является цветом подсветки, а символьный отрицательный ЖК-дисплей будет иметь черный фон с буквами того же цвета, что и подсветка. К белому на синих ЖК-дисплеях добавляются оптические фильтры, чтобы придать им характерный вид.

ЖК-дисплеи используются в широком спектре приложений, включая ЖК-телевизоры , компьютерные мониторы , приборные панели , дисплеи в кабине самолетов , а также внутренние и внешние вывески. Маленькие ЖК-экраны распространены в ЖК-проекторах и портативных потребительских устройствах, таких как цифровые фотоаппараты , часы , цифровые часы , калькуляторы и мобильные телефоны , включая смартфоны . ЖК-экраны также используются в продуктах бытовой электроники, таких как DVD-плееры, видеоигры и часы . ЖК-экраны заменили тяжелые и громоздкие дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) почти во всех приложениях. ЖК-экраны доступны с более широким диапазоном размеров экранов, чем ЭЛТ и плазменные дисплеи , причем ЖК-экраны доступны в размерах от крошечных цифровых часов до очень больших телевизионных приемников . ЖК-дисплеи постепенно заменяются OLED-светодиодами , которые можно легко преобразовать в различные формы, с меньшим временем отклика, более широкой цветовой гаммой, практически бесконечным цветовым контрастом и углами обзора, меньшим весом для данного размера дисплея и более тонким профилем (потому что OLED-дисплеи использовать одну стеклянную или пластиковую панель, тогда как ЖК-дисплеи используют две стеклянные панели; толщина панелей увеличивается с размером, но это увеличение более заметно на ЖК-дисплеях) и потенциально более низкое энергопотребление (поскольку дисплей включен только там, где это необходимо, и есть нет подсветки). OLED, однако, более дороги для данного размера дисплея из-за очень дорогих электролюминесцентных материалов или люминофоров, которые они используют. Кроме того, из-за использования люминофоров OLED-дисплеи страдают от выгорания экрана, и в настоящее время нет возможности утилизировать OLED-дисплеи, тогда как ЖК-панели можно утилизировать, хотя технология, необходимая для переработки ЖК-дисплеев, еще не получила широкого распространения. Попытки сохранить конкурентоспособность ЖК-дисплеев представляют собой дисплеи с квантовыми точками , продаваемые как SUHD, QLED или Triluminos, которые представляют собой ЖК-дисплеи с синей светодиодной подсветкой и улучшающей пленкой с квантовыми точками (QDEF), которая преобразует часть синего света в красный и зеленый, предлагая производительность, аналогичную OLED-дисплею, по более низкой цене, но слой квантовых точек, который придает этим дисплеям их характеристики, еще не может быть переработан.

Поскольку в ЖК-экранах не используются люминофоры, они редко выгорают при отображении статического изображения на экране в течение длительного времени, например, рамки таблицы для расписания полетов авиакомпании на внутренней вывеске. Однако ЖК-дисплеи чувствительны к постоянному изображению . ЖК-экран более энергоэффективен и может быть утилизирован более безопасно, чем ЭЛТ. Его низкое потребление электроэнергии позволяет использовать его в батарее Приведен электронное более эффективно , чем ЭЛТ может быть оборудование. К 2008 году годовые продажи телевизоров с ЖК-экранами превысили продажи ЭЛТ-устройств во всем мире, и ЭЛТ стали устаревшими для большинства целей.

Общие характеристики

ЖК-экран, используемый в качестве панели уведомлений для путешественников

Каждый пиксель ЖК-дисплея обычно состоит из слоя молекул, выровненных между двумя прозрачными электродами , часто сделанными из оксида индия-олова (ITO), и двух поляризационных фильтров (параллельный и перпендикулярный поляризаторы), оси передачи которых (в большинстве случаев корпуса) перпендикулярно друг другу. Без жидкого кристалла между поляризационными фильтрами свет, проходящий через первый фильтр, блокировался бы вторым (скрещенным) поляризатором. Перед приложением электрического поля ориентация молекул жидкого кристалла определяется выравниванием на поверхностях электродов. В устройстве со скрученным нематиком (TN) направления выравнивания поверхности на двух электродах перпендикулярны друг другу, и поэтому молекулы располагаются в спиральной структуре или скручиваются. Это вызывает вращение поляризации падающего света, и устройство выглядит серым. Если приложенное напряжение достаточно велико, молекулы жидкого кристалла в центре слоя почти полностью раскручиваются, и поляризация падающего света не меняется, когда он проходит через слой жидких кристаллов. Этот свет будет в основном поляризован перпендикулярно второму фильтру и, таким образом, будет заблокирован, и пиксель станет черным. Путем управления напряжением, приложенным к жидкокристаллическому слою в каждом пикселе, можно позволить свету проходить в различных количествах, таким образом составляя разные уровни серого.

Химическая формула жидких кристаллов, используемых в ЖК-дисплеях, может различаться. Формулы могут быть запатентованы. Примером является смесь 2- (4-алкоксифенил) -5-алкилпиримидина с цианобифенилом, запатентованная Merck and Sharp Corporation . Срок действия патента на эту смесь истек.

Большинство цветных ЖК-систем используют ту же технику с цветными фильтрами, используемыми для создания красных, зеленых и синих субпикселей. Цветные ЖК-фильтры изготавливаются с помощью процесса фотолитографии на больших стеклянных листах, которые позже склеиваются с другими стеклянными листами, содержащими матрицу TFT, разделители и жидкие кристаллы, создавая несколько цветных ЖК-дисплеев, которые затем вырезаются друг от друга и ламинируются листами поляризатора. Используются красные, зеленые, синие и черные фоторезисты (резисты). Все резисты содержат тонко измельченный порошковый пигмент с размером частиц всего 40 нанометров. Черный резист наносится первым; это создаст черную сетку (известную в отрасли как черная матрица), которая будет отделять красный, зеленый и синий субпиксели друг от друга, увеличивая контрастность и предотвращая утечку света из одного субпикселя на другие окружающие субпиксели. После того, как черный резист был высушен в духовке и подвергнут воздействию ультрафиолетового излучения через фотошаблон, неэкспонированные участки смываются, образуя черную сетку. Затем тот же процесс повторяется с оставшимися резистами. Это заполняет дыры в черной сетке резистами соответствующего цвета. Другой метод генерации цвета, который использовался в ранних цветных КПК и некоторых калькуляторах, был реализован путем изменения напряжения на нематическом ЖК-дисплее со сверхискривлением , где переменное скручивание между более плотно расположенными пластинами вызывает изменяющееся двойное лучепреломление с двойным лучепреломлением , таким образом изменяя оттенок. Обычно они ограничивались тремя цветами на пиксель: оранжевым, зеленым и синим.

ЖК-дисплей в калькуляторе Texas Instruments с удаленным из устройства верхним поляризатором и размещенным сверху таким образом, чтобы верхний и нижний поляризаторы были перпендикулярны. В результате цвета инвертируются.

Оптический эффект устройства TN в состоянии под напряжением гораздо меньше зависит от изменений толщины устройства, чем в состоянии без напряжения. Из-за этого TN-дисплеи с низким содержанием информации и без подсветки обычно работают между скрещенными поляризаторами, так что они кажутся яркими без напряжения (глаз гораздо более чувствителен к изменениям в темном состоянии, чем в ярком состоянии). Поскольку большинство ЖК-дисплеев 2010 года используется в телевизорах, мониторах и смартфонах, они имеют матричные массивы пикселей с высоким разрешением для отображения произвольных изображений с использованием задней подсветки на темном фоне. Когда изображение не отображается, используются разные компоновки. Для этой цели ЖК-дисплеи TN работают между параллельными поляризаторами, тогда как ЖК-дисплеи IPS имеют скрещенные поляризаторы. Во многих приложениях ЖК-дисплеи IPS заменили ЖК-дисплеи TN, особенно в смартфонах, таких как iPhone . И жидкокристаллический материал, и материал выравнивающего слоя содержат ионные соединения . Если электрическое поле одной конкретной полярности применяется в течение длительного периода времени, этот ионный материал притягивается к поверхностям и ухудшает характеристики устройства. Этого можно избежать либо путем подачи переменного тока, либо путем изменения полярности электрического поля при обращении к устройству (отклик жидкокристаллического слоя идентичен, независимо от полярности приложенного поля).

Цифровые часы Casio Alarm Chrono с ЖК-дисплеем

Отображение небольшого количества отдельных цифр или фиксированных символов (как в цифровых часах и карманных калькуляторах ) может быть реализовано с независимыми электродами для каждого сегмента. Напротив, полностью буквенно-цифровые или изменяемые графические дисплеи обычно реализуются с пикселями, расположенными в виде матрицы, состоящей из электрически связанных строк на одной стороне ЖК-слоя и столбцов на другой стороне, что позволяет адресовать каждый пиксель на пересечениях. Общий метод адресации матрицы состоит из последовательной адресации одной стороны матрицы, например, путем выбора строк по одной и применения информации изображения с другой стороны в столбцах строка за строкой. Для получения подробной информации о различных схемах матричной адресации см. ЖК-дисплеи с пассивной матрицей и активной матрицей .

ЖК-дисплеи, наряду с OLED- дисплеями, производятся в чистых помещениях, заимствуя технологии производства полупроводников и используя большие листы стекла, размер которых со временем увеличивался. Несколько дисплеев производятся одновременно, а затем вырезаются из листа стекла, также известного как материнское стекло или стеклянная подложка ЖК-дисплея. Увеличение размера позволяет изготавливать больше дисплеев или больше дисплеев, как и при увеличении размеров пластин в производстве полупроводников. Размеры стекол следующие:

ЖК-стекло-размеры-поколение
Поколение Длина [мм] Высота [мм] Год введения использованная литература
GEN 1 200–300 200-400 1990 г.
GEN 2 370 470
GEN 3 550 650 1996–1998
GEN 3.5 600 720 1996 г.
GEN 4 680 880 2000-2002 гг.
GEN 4.5 730 920 2000-2004 гг.
GEN 5 1100 1250-1300 2002-2004 гг.
GEN 5.5 1300 1500
GEN 6 1500 1800–1850 2002-2004 гг.
GEN 7 1870 г. 2200 2003 г.
GEN 7.5 1950 2250
GEN 8 2160 2460
GEN 8.5 2200 2500 2007-2016 гг.
GEN 8.6 2250 2600 2016 г.
GEN 10 2880 3130 2009 г.
GEN 10.5 (также известный как GEN 11) 2940 3370 2018 г.

До 8-го поколения производители не соглашались с размером стекла-одиночки, и в результате разные производители использовали стекла одного и того же поколения несколько разного размера. Некоторые производители используют листы материнского стекла Gen 8.6, которые лишь немного больше, чем Gen 8.5, что позволяет изготавливать более 50 и 58 дюймовых ЖК-дисплеев на одно материнское стекло, особенно 58-дюймовые ЖК-дисплеи, и в этом случае 6 могут быть произведены на материнском стекле Gen 8.6. стекла против всего 3 на материнском стекле Gen 8.5, что значительно снижает количество отходов. Толщина материнского стекла также увеличивается с каждым поколением, поэтому материнское стекло большего размера лучше подходит для больших дисплеев. ЖК-модуль (LCM) - это готовый к использованию ЖК-дисплей с подсветкой. Таким образом, фабрика, производящая ЖК-модули, не обязательно производит ЖК-дисплеи, она может только собирать их в модули. Стеклянные подложки для ЖК-дисплеев производятся такими компаниями, как AGC Inc. , Corning Inc. и Nippon Electric Glass .

История

Происхождение и сложная история жидкокристаллических дисплеев с точки зрения инсайдера в первые дни были описаны Джозефом А. Кастеллано в книге «Жидкое золото: история жидкокристаллических дисплеев и создание индустрии» . Другой отчет о происхождении и истории ЖК-дисплея с другой точки зрения до 1991 года был опубликован Хироши Кавамото и доступен в Историческом центре IEEE . Описание вклада Швейцарии в разработку ЖК-дисплеев, написанное Питером Дж. Вильдом, можно найти на сайте Engineering and Technology History Wiki .

Фон

В 1888 году Фридрих Рейнитцер (1858–1927) обнаружил жидкокристаллическую природу холестерина, экстрагированного из моркови (то есть две точки плавления и образование цветов), и опубликовал свои выводы на заседании Венского химического общества 3 мая 1888 года ( F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien) 9, 421–441 (1888) ). В 1904 году Отто Леманн опубликовал свою работу «Flüssige Kristalle» (Жидкие кристаллы). В 1911 году Шарль Моген впервые экспериментировал с жидкими кристаллами, заключенными между пластинами в тонких слоях.

В 1922 году Жорж Фридель описал структуру и свойства жидких кристаллов и разделил их на 3 типа (нематики, смектики и холестерики). В 1927 году Всеволод Фредерикс изобрел электрически переключаемый световой клапан, названный « переходом Фредерикса» , - существенный эффект всей ЖК-технологии. В 1936 году компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала первое практическое применение этой технологии - «Жидкокристаллический световой клапан» . В 1962 году доктор Джордж У. Грей опубликовал первую крупную публикацию на английском языке « Молекулярная структура и свойства жидких кристаллов» . В 1962 году Ричард Уильямс из RCA обнаружил, что жидкие кристаллы обладают некоторыми интересными электрооптическими характеристиками, и он реализовал электрооптический эффект, создавая полосы в тонком слое жидкокристаллического материала путем приложения напряжения. Этот эффект основан на электрогидродинамической нестабильности, формирующей то, что сейчас называется «доменами Вильямса» внутри жидкого кристалла.

МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году, и представлены в 1960 г. Основываясь на своей работе с МОП - транзисторов, Пол К. Веймер на RCA разработала тонкие -пленочный транзистор (TFT) в 1962 году. Это был тип полевого МОП-транзистора, отличный от стандартного полевого МОП-транзистора.

1960-е

В 1964 году Джордж Х. Хейлмайер , тогда работавший в лабораториях RCA над эффектом, обнаруженным Уильямсом, добился переключения цветов с помощью индуцированного полем перестройки дихроичных красителей в гомеотропно ориентированном жидком кристалле. Практические проблемы с этим новым электрооптическим эффектом заставили Хейльмайера продолжить работу над эффектами рассеяния в жидких кристаллах и, наконец, создать первый рабочий жидкокристаллический дисплей, основанный на том, что он назвал режимом динамического рассеяния (DSM). Подача напряжения на дисплей DSM переводит изначально чистый прозрачный жидкокристаллический слой в молочно-мутное состояние. Дисплеи DSM могут работать в пропускающем и отражающем режимах, но для их работы требуется значительный ток. Джордж Х. Хейлмайер был занесен в Национальный зал славы изобретателей и ему приписывают изобретение ЖК-дисплеев. Работа Хейльмайера является важной вехой IEEE .

В конце 1960-х годов новаторские работы с жидкими кристаллами были предприняты британским Королевским радиолокационным учреждением в Малверне , Англия. Команда RRE поддержала текущую работу Джорджа Уильяма Грея и его команды из Университета Халла, которые в конечном итоге открыли жидкие кристаллы цианобифенила, которые обладали правильной стабильностью и температурными свойствами для применения в ЖК-дисплеях.

Идея жидкокристаллического дисплея (LCD) на основе TFT была задумана Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Талтс продемонстрировали концепцию в 1968 году с режимом динамического рассеяния матрицы 18x2 (DSM ) ЖК-дисплей, в котором использовались стандартные дискретные полевые МОП-транзисторы .

1970-е

4 декабря 1970 г. эффект закрученного нематического поля (TN) в жидких кристаллах был подан на патент Hoffmann-LaRoche в Швейцарии ( швейцарский патент № 532 261 ) с Вольфгангом Хельфрихом и Мартином Шадтом (тогда работавшими в Центральных исследовательских лабораториях). ) внесены в список изобретателей. Hoffmann-La Roche передала лицензию на изобретение швейцарскому производителю Brown, Boveri & Cie , своему партнеру по совместному предприятию в то время, который в 1970-х годах производил дисплеи TN для наручных часов и других приложений для международных рынков, включая японскую электронную промышленность, которая вскоре произвела первые цифровые кварцевые наручные часы с ЖК-дисплеями TN и многие другие изделия. Джеймс Фергасон , работая с Сардари Арора и Альфредом Саупе в Институте жидких кристаллов Кентского государственного университета, 22 апреля 1971 года подал идентичный патент в США. В 1971 году компания Фергасона , ILIXCO (ныне LXD Incorporated ), произвела ЖК-дисплеи. основан на TN-эффекте, который вскоре вытеснил некачественные типы DSM из-за улучшения более низких рабочих напряжений и меньшего энергопотребления. Тетсуро Хама и Изухико Нисимура из Seiko получили в США патент от февраля 1971 года на электронные наручные часы с TN-LCD. В 1972 году на рынок были выпущены первые наручные часы с TN-LCD: Gruen Teletime, часы с четырехзначным дисплеем.

В 1972 году прототип жидкокристаллической панели дисплея на тонкопленочных транзисторах с активной матрицей (TFT) был прототипирован в Соединенных Штатах командой Т. Питера Броуди в Westinghouse , в Питтсбурге, штат Пенсильвания . В 1973 году Броуди, Дж. А. Асар и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories продемонстрировали первый жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT LCD). По состоянию на 2013 год все современные электронные устройства визуального отображения высокого разрешения и высокого качества используют дисплеи с активной матрицей TFT . Броуди и Фанг-Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) в 1974 году, а затем Броуди ввел термин «активная матрица» в 1975 году.

В 1972 году североамериканская корпорация Rockwell Microelectronics Corp представила использование ЖК-дисплеев DSM для калькуляторов для маркетинга компании Lloyds Electronics Inc., хотя для этого требовался внутренний источник света. За ней последовала корпорация Sharp, выпустившая ЖК-дисплеи DSM для карманных калькуляторов в 1973 году, а затем массовое производство ЖК-дисплеев TN для часов в 1975 году. Вскоре лидирующие позиции на рынке наручных часов заняли другие японские компании, такие как Seiko и ее первые 6-значные TN-дисплеи. ЖК-кварцевые наручные часы. Цветные ЖК-дисплеи, основанные на взаимодействии гостя и хозяина, были изобретены командой RCA в 1968 году. Особый тип такого цветного ЖК-дисплея был разработан японской корпорацией Sharp в 1970-х годах, получив патенты на свои изобретения, такие как патент Синдзи Като и Такааки Миядзаки в мае 1975 года, а затем улучшенные Фумиаки Фунада и Масатака Мацуура в декабре 1975 года. ЖК-дисплеи TFT, аналогичные прототипам, разработанным командой Westinghouse в 1972 году, были запатентованы в 1976 году командой Sharp, состоящей из Фумиаки Фунада, Масатаки Мацуура и Томио Вада, затем улучшенный в 1977 году командой Sharp, состоящей из Кохеи Киси, Хиросаку Нономура, Кейитиро Симидзу и Томио Вада. Однако эти TFT-LCD еще не были готовы к использованию в продуктах, так как проблемы с материалами для TFT еще не были решены.

1980-е

В 1983 году исследователи из Исследовательского центра Brown, Boveri & Cie (BBC), Швейцария , изобрели структуру суперскрученного нематика (STN) для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей . H. Amstutz et al. были указаны в качестве изобретателей в соответствующих патентных заявках, поданных в Швейцарии 7 июля 1983 г. и 28 октября 1983 г. Патенты были выданы в Швейцарии CH 665491, Европе EP 0131216, Патенте США 4 634 229 и многих других странах. В 1980 году Браун Бовери основал совместное предприятие 50/50 с голландской компанией Philips под названием Videlec. Компания Philips обладала необходимыми ноу-хау для разработки и создания интегральных схем для управления большими ЖК-панелями. Кроме того, у Philips был лучший доступ к рынкам электронных компонентов и он намеревался использовать ЖК-дисплеи в новых поколениях продуктов Hi-Fi, видеооборудования и телефонов. В 1984 году исследователи Philips Теодорус Велцен и Адрианус де Ваан изобрели схему ускорения видео, которая решила проблему медленного времени отклика STN-LCD и позволила получать высококачественные плавные видеоизображения с высоким разрешением на STN-LCD. В 1985 году изобретатели Philips Теодорус Велцен и Адрианус де Ваан решили проблему управления STN-ЖК-дисплеями с высоким разрешением с помощью низковольтной (на основе CMOS) приводной электроники, что позволило применять высококачественные (высокое разрешение и скорость видео) ЖК-панели. в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как ноутбуки и мобильные телефоны. В 1985 году Philips приобрела 100% швейцарской компании Videlec AG. Впоследствии Philips перенесла производственные линии Videlec в Нидерланды. Спустя годы Philips успешно произвела и продала полные модули (состоящие из ЖК-экрана, микрофона, динамиков и т. Д.) В массовом производстве для быстро развивающейся индустрии мобильных телефонов.

Первые цветные ЖК-телевизоры были разработаны как портативные телевизоры в Японии. В 1980 году научно-исследовательская группа Hattori Seiko начала разработку карманных цветных ЖК-телевизоров. В 1982 году Seiko Epson выпустила первый ЖК-телевизор, Epson TV Watch, наручные часы, оснащенные небольшим ЖК-телевизором с активной матрицей. Корпорация Sharp представила TN-LCD с точечной матрицей в 1983 году. В 1984 году Epson выпустила ET-10, первый полноцветный карманный ЖК-телевизор. В том же году Citizen Watch представила Citizen Pocket TV, 2,7-дюймовый цветной ЖК-телевизор с первым коммерческим ЖК- дисплеем TFT . В 1988 году Sharp продемонстрировала 14-дюймовый полноцветный полноцветный TFT-ЖК-дисплей с активной матрицей. Это привело к тому, что Япония запустила индустрию ЖК-дисплеев, которая разработала ЖК-дисплеи большого размера, в том числе компьютерные мониторы TFT и ЖК-телевизоры. Epson разработала проекционную технологию 3LCD в 1980-х годах и лицензировала ее для использования в проекторах в 1988 году. Epson VPJ-700, выпущенный в январе 1989 года, был первым в мире компактным полноцветным ЖК-проектором .

1990-е годы

В 1990 году под разными названиями изобретатели задумали электрооптические эффекты как альтернативу ЖК-дисплеям с эффектом скрученного нематического поля (TN- и STN-LCD). Один из подходов заключался в использовании встречно-штыревых электродов на одной стеклянной подложке только для создания электрического поля, по существу параллельного стеклянным подложкам. Чтобы в полной мере использовать свойства этой технологии In Plane Switching (IPS), потребовалась дополнительная работа. После тщательного анализа подробности предпочтительных вариантов осуществления поданы в Германию Guenter Baur et al. и запатентованы в разных странах. Институт Фраунгофера ISE во Фрайбурге, где работали изобретатели, передает эти патенты компании Merck KGaA, Дармштадт, поставщику ЖК-веществ. В 1992 году, вскоре после этого, инженеры Hitachi разработали различные практические детали технологии IPS, чтобы соединить матрицу тонкопленочных транзисторов в виде матрицы и избежать нежелательных полей рассеяния между пикселями. Hitachi также улучшила зависимость от угла обзора за счет оптимизации формы электродов ( Super IPS ). NEC и Hitachi стали первыми производителями ЖК-дисплеев с активной матрицей, основанных на технологии IPS. Это важная веха для внедрения ЖК-дисплеев с большим экраном с приемлемыми визуальными характеристиками для компьютерных мониторов с плоским экраном и телевизионных экранов. В 1996 году компания Samsung разработала технику формирования оптического рисунка, позволяющую создавать многодоменные ЖК-дисплеи. Многодоменная и плоскостная коммутация впоследствии остаются доминирующими конструкциями ЖК-дисплеев до 2006 года. В конце 1990-х годов промышленность ЖК-дисплеев начала сдвигаться из Японии в сторону Южной Кореи и Тайваня , которые позже переместились в Китай.

2000–2010 годы

В 2007 году качество изображения ЖК-телевизоров превзошло качество изображения телевизоров на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). В четвертом квартале 2007 года ЖК-телевизоры впервые превзошли по мировым продажам телевизоры с ЭЛТ. По данным Displaybank, на долю ЖК-телевизоров приходилось 50% из 200 миллионов телевизоров, которые будут поставлены в мире в 2006 году . В октябре 2011 года Toshiba объявила о выпуске 2560 × 1600 пикселей на 6,1-дюймовой (155 мм) ЖК-панели, подходящей для использования в планшетном компьютере , особенно для отображения китайских иероглифов. В 2010-х годах также широко применялась технология TGP (Tracking Gate-line in Pixel), которая перемещает схему управления от границ дисплея к промежутку между пикселями, что позволяет использовать узкие рамки. ЖК-дисплеи можно сделать прозрачными и гибкими , но они не могут излучать свет без подсветки, такой как OLED и microLED, которые представляют собой другие технологии, которые также можно сделать гибкими и прозрачными. Для увеличения углов обзора ЖК-дисплеев можно использовать специальные пленки.

В 2016 году Panasonic разработала ЖК-дисплеи IPS с контрастностью 1000000: 1, конкурирующие с OLED. Позже эта технология была запущена в массовое производство в виде двухслойных, двухпанельных или LMCL (светомодулирующих слоев ячеек) ЖК-дисплеев. Технология использует 2 жидкокристаллических слоя вместо одного и может использоваться вместе с мини-светодиодной подсветкой и листами с квантовыми точками.

Освещение

Поскольку ЖК-дисплеи сами по себе не производят света, для создания видимого изображения им требуется внешний свет. В жидкокристаллических дисплеях пропускающего типа источник света расположен на задней стороне стеклопакета и называется задней подсветкой . ЖК-дисплеи с активной матрицей почти всегда имеют подсветку. Пассивные ЖК-дисплеи могут иметь подсветку, но многие используют отражатель на задней стороне стеклопакета для использования окружающего света. Трансфлективные ЖК-дисплеи сочетают в себе функции пропускающего дисплея с подсветкой и отражающего дисплея.

Распространенные реализации технологии подсветки ЖК-дисплеев:

18 параллельных CCFL для подсветки 42-дюймового (106 см) ЖК-телевизора
  • CCFL: ЖК-панель освещается либо двумя люминесцентными лампами с холодным катодом, расположенными на противоположных краях дисплея, либо массивом параллельных CCFL за дисплеями большего размера. Рассеиватель (сделанный из акрилового пластика PMMA, также известный как волновод или световод / направляющая пластина) затем равномерно распределяет свет по всему дисплею. В течение многих лет эта технология использовалась почти исключительно. В отличие от белых светодиодов, большинство CCFL имеют ровный белый спектральный выход, что обеспечивает лучшую цветовую гамму дисплея. Однако CCFL менее энергоэффективны, чем светодиоды, и требуют несколько дорогостоящего инвертора для преобразования любого постоянного напряжения, которое использует устройство (обычно 5 или 12 В), в ≈1000 В, необходимое для зажигания CCFL. Толщина инверторных трансформаторов также ограничивает толщину дисплея.
  • EL-WLED: ЖК-панель освещается рядом белых светодиодов, размещенных на одном или нескольких краях экрана. Затем используется рассеиватель света (световодная пластина, LGP) для равномерного распределения света по всему дисплею, аналогично подсветке ЖК-дисплея CCFL с боковой подсветкой. Рассеиватель изготовлен из ПММА-пластика или специального стекла, ПММА используется в большинстве случаев, потому что он прочный, в то время как специальное стекло используется, когда толщина ЖК-дисплея имеет первостепенное значение, поскольку оно не так сильно расширяется при нагревании. или подвержены воздействию влаги, что позволяет ЖК-дисплеям иметь толщину всего 5 мм. Квантовые точки могут быть размещены сверху диффузора в качестве пленки для улучшения квантовых точек (QDEF, в этом случае им нужен слой для защиты от тепла и влажности) или на цветном фильтре ЖК-дисплея, заменяя обычно используемые резисты. . По состоянию на 2012 год этот дизайн является самым популярным среди мониторов настольных компьютеров. Это позволяет использовать самые тонкие дисплеи. Некоторые ЖК-мониторы, использующие эту технологию, имеют функцию, называемую динамической контрастностью, изобретенную исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Струмером и Адрианусом де Вааном. Использование ШИМ (широтно-импульсной модуляции, технологии, при которой интенсивность светодиодов остается постоянной, но регулируется яркость). достигается за счет изменения временного интервала мигания этих источников света с постоянной интенсивностью света), подсветка затемняется до самого яркого цвета, который появляется на экране, при одновременном повышении контрастности ЖК-дисплея до максимально достижимых уровней, обеспечивая коэффициент контрастности 1000: 1 ЖК-панель необходимо масштабировать до различной интенсивности света, в результате чего получается коэффициент контрастности «30000: 1», наблюдаемый в рекламе на некоторых из этих мониторов. Поскольку изображения на экране компьютера обычно имеют полностью белый цвет где-то на изображении, подсветка обычно будет максимальной, что делает эту «особенность» главным образом маркетинговым трюком для компьютерных мониторов, однако для экранов телевизоров она резко увеличивает воспринимаемый коэффициент контрастности и динамический диапазон. улучшает зависимость от угла обзора и значительно снижает энергопотребление обычных ЖК-телевизоров.
  • Массив WLED: ЖК-панель освещается полным набором белых светодиодов, размещенных за диффузором за панелью. ЖК-дисплеи, которые используют эту реализацию, обычно имеют возможность затемнять или полностью выключать светодиоды в темных областях отображаемого изображения, эффективно увеличивая коэффициент контрастности дисплея. Точность, с которой это может быть сделано, будет зависеть от количества зон затемнения дисплея. Чем больше зон затемнения, тем точнее затемнение, с менее очевидными артефактами цветения, которые видны в виде темно-серых пятен, окруженных темными областями ЖК-дисплея. По состоянию на 2012 год этот дизайн в основном используется в высококлассных ЖК-телевизорах с большим экраном.
  • Массив RGB-светодиодов: аналогичен массиву WLED, за исключением того, что панель освещается полным массивом светодиодов RGB . В то время как дисплеи, освещенные белыми светодиодами, обычно имеют более бедную цветовую гамму, чем дисплеи с подсветкой CCFL, панели, освещенные светодиодами RGB, имеют очень широкую цветовую гамму. Эта реализация наиболее популярна на ЖК-экранах для профессионального редактирования графики. По состоянию на 2012 год ЖК-дисплеи этой категории обычно стоили более 1000 долларов. По состоянию на 2016 год стоимость этой категории резко снизилась, и такие ЖК-телевизоры получили тот же уровень цен, что и предыдущие категории на основе ЭЛТ с диагональю 28 дюймов (71 см).
  • Монохромные светодиоды: такие как красные, зеленые, желтые или синие светодиоды используются в небольших пассивных монохромных ЖК-дисплеях, обычно используемых в часах и небольших приборах.

Сегодня большинство ЖК-экранов проектируются со светодиодной подсветкой вместо традиционной CCFL-подсветки, в то время как эта подсветка динамически управляется с помощью видеоинформации (динамическое управление подсветкой). Комбинация с динамическим управлением подсветкой, изобретенная исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Струмером и Адрианусом де Вааном, одновременно увеличивает динамический диапазон системы отображения (также продаваемой как HDR, телевидение с широким динамическим диапазоном или называемое Full-Area Local Area Dimming ( FLAD)

  • Мини-светодиод: Подсветка с мини-светодиодами может поддерживать более тысячи зон полного локального затемнения (FLAD). Это позволяет получить более глубокий черный цвет и более высокий коэффициент контракта. (Не путать с MicroLED .)

Системы задней подсветки ЖК-дисплея являются высокоэффективными за счет применения оптических пленок, таких как призматическая структура (призматический лист), для получения света в желаемых направлениях зрителя и отражающих поляризационных пленок, которые рециркулируют поляризованный свет, который ранее поглощался первым поляризатором ЖК-дисплея ( изобретен исследователями Philips Адрианусом де Вааном и Паулюсом Шаарманом), обычно достигается с помощью так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых 3M. Усовершенствованные версии призматической пластины имеют скорее волнистую, чем призматическую структуру, и вводят волны в структуру листа, изменяя при этом высоту волн, направляя еще больше света на экран и уменьшая наложение или муар между структурой листа. призматический лист и субпиксели ЖК-дисплея. Волнистую структуру легче производить массово, чем призматическую, используя обычные алмазные станки, которые используются для изготовления роликов, используемых для запечатывания волнистой структуры в пластиковые листы, таким образом производя призматические листы. Лист рассеивателя помещается с обеих сторон листа призмы, чтобы сделать свет задней подсветки равномерным, а зеркало помещается за пластиной световода, чтобы направлять весь свет вперед. Лист призмы с его листами рассеивателя помещается поверх световодной пластины. Поляризаторы DBEF состоят из большого пакета одноосно ориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают поглощенную ранее моду поляризации света. Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосно ориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (двупреломляющие полимеры или двулучепреломляющий клей), были изобретены в 1989 году исследователями Philips Дирком Броером, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. Комбинация таких отражающих поляризаторов и управления динамической светодиодной подсветкой делает современные ЖК-телевизоры намного более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к экономии энергии во всем мире в размере 600 ТВтч (2017 г.), что составляет 10% от потребления электроэнергии всеми домохозяйствами. во всем мире или в 2 раза больше, чем производство энергии всеми солнечными батареями в мире.

Благодаря ЖК-слою, который генерирует желаемое изображение с высоким разрешением при скорости мигающего видео с использованием электроники с очень низким энергопотреблением в сочетании с технологиями подсветки на основе светодиодов, ЖК-технология стала доминирующей технологией отображения для таких продуктов, как телевизоры, настольные мониторы, ноутбуки, планшеты, смартфоны и мобильные телефоны. Несмотря на то, что конкурирующая технология OLED вытесняется на рынок, такие OLED-дисплеи не обладают возможностями HDR, как ЖК-дисплеи в сочетании с технологиями светодиодной подсветки 2D, причина, по которой ежегодный рынок таких продуктов на основе ЖК-дисплеев все еще растет быстрее (по объему), чем Продукты на основе OLED, тогда как эффективность ЖК-дисплеев (и таких продуктов, как портативные компьютеры, мобильные телефоны и телевизоры) может быть даже дополнительно улучшена за счет предотвращения поглощения света цветными фильтрами ЖК-дисплея. Такие решения с светоотражающими цветными фильтрами еще не внедрены в индустрии ЖК-дисплеев и не продвинулись дальше лабораторных прототипов. Скорее всего, они будут реализованы в индустрии ЖК-дисплеев для повышения эффективности по сравнению с технологиями OLED.

Подключение к другим цепям

Розовый эластомерный соединитель, соединяющий ЖК-панель с дорожками на печатной плате, показан рядом с линейкой с сантиметровой шкалой. Проводящий и изолирующий слои на черной полосе очень маленькие. Щелкните изображение, чтобы узнать подробности.

Стандартный экран телевизионного приемника, современная ЖК-панель, имеет более шести миллионов пикселей, и все они индивидуально питаются от проводной сети, встроенной в экран. Тонкие провода или дорожки образуют сетку с вертикальными проводами по всему экрану с одной стороны экрана и горизонтальными проводами по всему экрану с другой стороны экрана. К этой сетке каждый пиксель имеет положительное соединение с одной стороны и отрицательное соединение с другой стороны. Таким образом, общее количество проводов, необходимых для дисплея 1080p, составляет 3 x 1920 по вертикали и 1080 по горизонтали, всего 6840 проводов по горизонтали и вертикали. Это три для красного, зеленого и синего и 1920 столбцов пикселей для каждого цвета, всего 5760 проводов, идущих по вертикали, и 1080 рядов проводов, идущих по горизонтали. Для панели шириной 28,8 дюйма (73 сантиметра) это означает, что плотность проводов по горизонтальному краю составляет 200 проводов на дюйм. ЖК-панель приводится в действие драйверами ЖК-дисплея, которые на заводе тщательно подогнаны под край ЖК-панели. Драйверы могут быть установлены с использованием нескольких методов, наиболее распространенными из которых являются COG (Chip-On-Glass) и TAB ( автоматическое склеивание с лентой ). Эти же принципы применимы также к экранам смартфонов, которые намного меньше, чем экраны телевизоров. В ЖК-панелях обычно используются металлические токопроводящие дорожки с тонким покрытием на стеклянной подложке для формирования схемы ячеек для управления панелью. Обычно невозможно использовать методы пайки для прямого подключения панели к отдельной печатной плате с медным травлением. Вместо этого соединение выполняется с использованием анизотропной проводящей пленки или, для более низкой плотности, эластомерных соединителей .

Пассив-матрица

Прототип STN-LCD с пассивной матрицей с разрешением 540 × 270 пикселей, Brown Boveri Research, Швейцария, 1984 г.

Монохромные и более поздние цветные ЖК - дисплеи с пассивной матрицей были стандартными для большинства ранних ноутбуков (хотя некоторые использовали плазменные дисплеи) и оригинального Nintendo Game Boy до середины 1990-х годов, когда цветная активная матрица стала стандартом для всех ноутбуков. Коммерчески неудачный Macintosh Portable (выпущенный в 1989 году) был одним из первых, в котором использовался дисплей с активной матрицей (хотя и все еще монохромный). ЖК-дисплеи с пассивной матрицей все еще используются в 2010-х годах для приложений, менее требовательных, чем портативные компьютеры и телевизоры, таких как недорогие калькуляторы. В частности, они используются на портативных устройствах, где требуется отображать меньше информации, требуется минимальное энергопотребление (без подсветки ) и низкая стоимость или требуется удобочитаемость при прямом солнечном свете.

Сравнение пустого дисплея с пассивной матрицей (вверху) и пустого дисплея с активной матрицей (внизу). Дисплей с пассивной матрицей можно определить, когда пустой фон выглядит более серым, чем более четкий дисплей с активной матрицей, по всем краям экрана появляется туман, а изображения на экране тускнеют.

В дисплеях, имеющих структуру пассивной матрицы, используется технология сверхискривленного нематика STN (изобретена Исследовательским центром Брауна Бовери, Баден, Швейцария в 1983 году; научные данные были опубликованы) или технологию двухслойного STN (DSTN) (последняя из которых предназначена для проблема смещения цвета в первом случае) и цветовой STN (CSTN), в котором цвет добавляется с помощью внутреннего фильтра. ЖК-дисплеи STN оптимизированы для адресации с пассивной матрицей. У них более резкий порог зависимости контраста от напряжения, чем у оригинальных ЖК-дисплеев TN. Это важно, потому что на пиксели действуют частичные напряжения, даже если они не выбраны. Перекрестные помехи между активированными и неактивированными пикселями должны обрабатываться должным образом, поддерживая среднеквадратичное напряжение неактивированных пикселей ниже порогового напряжения, обнаруженного Питером Дж. Уайлдом в 1972 году, в то время как активированные пиксели подвергаются напряжениям, превышающим пороговое значение (напряжения в соответствии с к схеме привода "Альт & Плешко"). Для управления такими дисплеями STN по схеме привода Alt & Pleshko требуется очень высокое напряжение адресации линии. Велзен и де Ваан изобрели альтернативную схему привода (схема привода не "Alt & Pleshko"), требующая гораздо более низких напряжений, так что дисплей STN мог управляться с использованием низковольтных КМОП-технологий. ЖК-дисплеи STN должны постоянно обновляться путем чередования импульсных напряжений одной полярности в течение одного кадра и импульсов противоположной полярности в течение следующего кадра. Отдельные пиксели адресуются соответствующими цепями строк и столбцов. Этот тип дисплея называется пассивно-матричным адресом , потому что пиксель должен сохранять свое состояние между обновлениями без постоянного электрического заряда. По мере увеличения количества пикселей (и, соответственно, столбцов и строк) этот тип отображения становится менее осуществимым. Медленное время отклика и плохая контрастность типичны для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей и слишком большим количеством пикселей, управляемых по схеме привода «Alt & Pleshko». Велцен и де Ваан также изобрели схему привода без RMS, позволяющую управлять дисплеями STN со скоростью видео и позволяющую отображать плавно движущиеся видеоизображения на дисплее STN. Citizen, среди прочего, лицензировал эти патенты и успешно представил на рынке несколько карманных ЖК-телевизоров на базе STN.

Как работает ЖК-дисплей с использованием структуры с активной матрицей

Бистабильные ЖК-дисплеи не требуют постоянного обновления. Перезапись требуется только для изменения информации об изображении. В 1984 году Х.А. ван Спранг и AJSM de Vaan изобрели дисплей типа STN, который мог работать в бистабильном режиме, позволяя получать изображения с очень высоким разрешением до 4000 строк и более при использовании только низкого напряжения. Поскольку в момент, когда новая информация должна быть записана в этот конкретный пиксель, пиксель может находиться либо во включенном, либо в выключенном состоянии, метод адресации этих бистабильных дисплеев довольно сложен, поэтому эти дисплеи этого не сделали. На рынок. Ситуация изменилась, когда в 2010 году стали доступны ЖК-дисплеи с нулевым энергопотреблением (бистабильные). Потенциально, адресация с пассивной матрицей может использоваться с устройствами, если их характеристики записи / стирания подходят, как это было в случае электронных книг, которые должны отображать только неподвижные изображения. После того, как страница записана на дисплей, дисплей может быть отключен от питания при сохранении читаемых изображений. Это имеет то преимущество, что такие электронные книги могут работать в течение длительных периодов времени с питанием только от небольшой батареи. Высоковольтные разрешение цветные дисплеи, такие как современные ЖК - мониторы компьютеров и телевизоры, используют активно-матричную структуру. Матрица из тонкопленочных транзисторов (TFT) добавлена ​​к электродам, контактирующим со слоем ЖК. Каждый пиксель имеет свой собственный выделенный транзистор , позволяющий каждой строке столбца обращаться к одному пикселю. Когда выбрана строка строки, все строки столбцов подключаются к строке пикселей, и напряжение, соответствующее информации изображения, подается на все строки столбцов. Затем строка строки деактивируется и выбирается следующая строка строки. Все строки строк выбираются последовательно во время операции обновления . Дисплеи с активной матрицей выглядят ярче и резче, чем дисплеи с пассивной матрицей того же размера, и, как правило, имеют более быстрое время отклика, обеспечивая гораздо лучшее изображение. Sharp производит бистабильные отражающие ЖК-дисплеи с 1-битной ячейкой SRAM на пиксель, что требует лишь небольшого количества энергии для поддержания изображения.

Сегментные ЖК-дисплеи также могут иметь цвет, используя последовательный цвет полей (ЖКД FSC). Этот тип дисплеев имеет высокоскоростную пассивную сегментную ЖК-панель с подсветкой RGB. Подсветка быстро меняет цвет, делая его белым невооруженным глазом. ЖК-панель синхронизирована с подсветкой. Например, чтобы сегмент выглядел красным, сегмент включается только при красной подсветке, а чтобы сегмент выглядел пурпурным, сегмент включается, когда подсветка синего цвета, и продолжает включаться, пока подсветка становится красным и выключается, когда подсветка становится зеленой. Чтобы сегмент казался черным, он всегда включен. ЖК-дисплей FSC делит цветное изображение на 3 изображения (одно красное, одно зеленое и одно синее) и отображает их по порядку. Из-за постоянного зрения 3 монохроматических изображения отображаются как одно цветное изображение. Для ЖК-дисплея FSC требуется ЖК-панель с частотой обновления 180 Гц, а время отклика сокращается до 5 миллисекунд по сравнению с обычными ЖК-панелями STN, время отклика которых составляет 16 миллисекунд. ЖК-дисплеи FSC содержат микросхему драйвера Chip-On-Glass, которая также может использоваться с емкостным сенсорным экраном.

Samsung представила дисплеи UFB (Ultra Fine & Bright) еще в 2002 году, в которых использовался эффект сверхдвойного лучепреломления. По словам Samsung, он имеет яркость, цветовую гамму и большую часть контрастности TFT-LCD, но потребляет столько же энергии, как и STN-дисплей. Он использовался во множестве моделей сотовых телефонов Samsung, выпущенных до конца 2006 года, когда Samsung прекратил производство дисплеев UFB. Дисплеи UFB также использовались в некоторых моделях мобильных телефонов LG.

Активно-матричные технологии

Casio 1.8 в цветной TFT LCD , используемом в Sony Cyber-Shot DSC-P93A цифровых компактных камер
Структура цветного ЖК-дисплея с боковой подсветкой CCFL

Скрученный нематик (TN)

Скрученные нематические дисплеи содержат жидкие кристаллы, которые скручиваются и раскручиваются с разной степенью, позволяя свету проходить через них. Когда к жидкокристаллической ячейке TN не подается напряжение, поляризованный свет проходит через скрученный на 90 градусов ЖК-слой. Пропорционально приложенному напряжению жидкие кристаллы раскручиваются, изменяя поляризацию и преграждая путь свету. Правильно отрегулировав уровень напряжения, можно получить почти любой уровень серого или передачу.

Планетарная коммутация (IPS)

Переключение в плоскости - это технология ЖК-дисплея, которая выравнивает жидкие кристаллы в плоскости, параллельной стеклянным подложкам. В этом методе электрическое поле прикладывается через противоположные электроды к одной и той же стеклянной подложке, так что жидкие кристаллы могут быть переориентированы (переключены) по существу в одной плоскости, хотя краевые поля препятствуют однородной переориентации. Для этого требуется два транзистора для каждого пикселя вместо одного транзистора, необходимого для стандартного дисплея на тонкопленочных транзисторах (TFT). До того, как LG Enhanced IPS была представлена ​​в 2009 году, дополнительные транзисторы приводили к блокированию большей области передачи, что требовало более яркой подсветки и потребляло больше энергии, что делало этот тип дисплея менее желательным для портативных компьютеров. В настоящее время Panasonic использует расширенную версию eIPS для своих ЖК-телевизоров большого размера, а также Hewlett-Packard в своих планшетах TouchPad на базе WebOS и Chromebook 11.

Суперплоскостная коммутация (S-IPS)

Позднее после переключения в плоскости был представлен Super-IPS с еще лучшим временем отклика и цветопередачей.

Противоречие M + или RGBW

В 2015 году LG Display объявила о внедрении новой технологии под названием M +, которая представляет собой добавление белого субпикселя вместе с обычными точками RGB в их технологию панелей IPS.

Большая часть новой технологии M + использовалась в телевизорах 4K, что вызвало споры после того, как тесты показали, что добавление белого субпикселя, заменяющего традиционную структуру RGB, снизит разрешение примерно на 25%. Это означает, что телевизор 4K не может отображать полный стандарт UHD TV. Позднее СМИ и пользователи Интернета назвали эти телевизоры «RGBW» из-за белого субпикселя. Хотя LG Display разработал эту технологию для использования в дисплеях ноутбуков, на открытом воздухе и в смартфонах, она стала более популярной на рынке телевизоров из-за заявленного разрешения 4K UHD, но по-прежнему неспособна достичь истинного разрешения UHD, определенного CTA как 3840x2160 активных пикселей с 8 -битовый цвет. Это негативно влияет на рендеринг текста, делая его немного нечетким, что особенно заметно, когда телевизор используется в качестве монитора ПК.

IPS по сравнению с AMOLED

В 2011 году LG заявила, что смартфон LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) имеет яркость до 700 нит , в то время как у конкурента есть только IPS LCD с 518 нит и двойной OLED- дисплей с активной матрицей (AMOLED) с 305 нит. . LG также заявила, что дисплей NOVA на 50 процентов эффективнее обычных ЖК-дисплеев и потребляет только 50 процентов мощности дисплеев AMOLED при отображении белого цвета на экране. Когда дело доходит до коэффициента контрастности, дисплей AMOLED по-прежнему работает лучше всего из-за своей базовой технологии, в которой уровни черного отображаются как угольно-черный, а не как темно-серый. 24 августа 2011 года Nokia анонсировала Nokia 701, а также заявила о самом ярком в мире дисплее с яркостью 1000 нит. Экран также имеет слой Clearblack от Nokia, улучшающий контрастность и приближающий его к экранам AMOLED.

Такое расположение пикселей можно найти в ЖК-дисплеях S-IPS. Шеврон шейповый используются для расширения просмотра конуса ( в пределах от направления просмотра с хорошим контрастом и низким уровнем цветового сдвигом).

Расширенное переключение периферийного поля (AFFS)

До 2003 года известное как переключение периферийного поля (FFS), усовершенствованное переключение периферийного поля аналогично IPS или S-IPS, предлагая превосходные характеристики и цветовую гамму с высокой яркостью. AFFS был разработан Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (официально Hyundai Electronics, LCD Task Force). Приложения для ноутбуков с AFFS минимизируют искажения цвета, сохраняя при этом более широкий угол обзора для профессионального дисплея. Сдвиг и отклонение цвета, вызванные утечкой света, корректируются путем оптимизации гаммы белого, что также улучшает воспроизведение белого / серого. В 2004 году Hydis Technologies Co., Ltd предоставила лицензию AFFS японской Hitachi Displays. Hitachi использует AFFS для производства высококачественных панелей. В 2006 году HYDIS передала лицензию AFFS компании Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Вскоре после этого компания Hydis представила новый дисплей AFFS с высоким коэффициентом пропускания, получивший название HFFS (FFS +). Hydis представила AFFS + с улучшенной читаемостью на открытом воздухе в 2007 году. Панели AFFS в основном используются в кабинах новейших дисплеев коммерческих самолетов. Однако с февраля 2015 года он больше не производится.

Вертикальное выравнивание (ВА)

Дисплеи с вертикальным выравниванием представляют собой разновидность ЖК-дисплеев, в которых жидкие кристаллы естественным образом выравниваются вертикально по отношению к стеклянной подложке. Когда напряжение не подается, жидкие кристаллы остаются перпендикулярными подложке, создавая черный экран между скрещенными поляризаторами. При подаче напряжения жидкие кристаллы сдвигаются в наклонное положение, позволяя свету проходить сквозь них и создавая отображение в градациях серого в зависимости от величины наклона, создаваемого электрическим полем. У него более глубокий черный фон, более высокий коэффициент контрастности, более широкий угол обзора и лучшее качество изображения при экстремальных температурах, чем у традиционных дисплеев с витым нематиком. По сравнению с IPS, уровни черного по-прежнему глубже, что обеспечивает более высокий коэффициент контрастности, но угол обзора уже, а смещение цвета и особенно контрастности становится более заметным.

Синий фазовый режим

ЖК-дисплеи с синей фазой были показаны в качестве инженерных образцов в начале 2008 года, но в массовом производстве они не производятся. Физика ЖК-дисплеев с синим фазовым режимом предполагает, что может быть достигнуто очень короткое время переключения (≈1 мс), поэтому может быть реализовано последовательное управление цветом по времени и дорогие цветные фильтры будут устаревшими.

Контроль качества

Некоторые ЖК-панели имеют дефектные транзисторы , вызывающие постоянно горящие или неосвещенные пиксели, которые обычно называются застрявшими пикселями или битыми пикселями соответственно. В отличие от интегральных схем (ИС), ЖК-панели с несколькими неисправными транзисторами обычно все еще годны для использования. Политика производителей в отношении допустимого количества дефектных пикселей сильно различается. В какой-то момент Samsung проводил политику абсолютной нетерпимости к ЖК-мониторам, продаваемым в Корее. Однако с 2005 года Samsung придерживается менее строгого стандарта ISO 13406-2 . Известно, что другие компании допускают в своей политике до 11 битых пикселей.

Политика в отношении битых пикселей часто вызывает горячие споры между производителями и потребителями. Чтобы регулировать приемлемость дефектов и защитить конечного пользователя, ISO выпустила стандарт ISO 13406-2 , который устарел в 2008 году с выпуском ISO 9241 , в частности ISO-9241-302, 303, 305, 307: 2008 пиксель. дефекты. Однако не все производители ЖК-дисплеев соответствуют стандарту ISO, и стандарт ISO довольно часто интерпретируется по-разному. ЖК-панели чаще имеют дефекты, чем большинство микросхем, из-за их большего размера. Например, 300-миллиметровый ЖК-дисплей SVGA имеет 8 дефектов, а 150-миллиметровая пластина имеет только 3 дефекта. Однако 134 из 137 кристаллов на пластине будут приемлемыми, тогда как отказ от всей ЖК-панели приведет к выходу 0%. В последние годы улучшился контроль качества. ЖК-панель SVGA с 4 дефектными пикселями обычно считается дефектной, и клиенты могут запросить обмен на новую. Некоторые производители, особенно в Южной Корее, где расположены некоторые из крупнейших производителей ЖК-панелей, такие как LG, теперь имеют гарантию отсутствия дефектных пикселей, которая представляет собой дополнительный процесс проверки, который затем может определять "A" - и "B". "-сорт панелей. Многие производители заменяют товар даже с одним дефектным пикселем. Даже там, где таких гарантий нет, важно расположение дефектных пикселей. Отображение только с несколькими дефектными пикселями может быть неприемлемым, если дефектные пиксели находятся рядом друг с другом. ЖК-панели также имеют дефекты, известные как помутнение (или, реже, мура ), которые описывают неравномерные участки изменения яркости . Это наиболее заметно в темных или черных областях отображаемых сцен. По состоянию на 2010 год большинство производителей компьютерных ЖК-панелей премиум-класса указали, что в их продукции отсутствуют дефекты.

Дисплеи с нулевым энергопотреблением (бистабильные)

Зенитное бистабильное устройство (ZBD), разработанное Qinetiq (ранее DERA ), может сохранять изображение без питания. Кристаллы могут существовать в одной из двух стабильных ориентаций («черный» и «белый»), и энергия требуется только для изменения изображения. ZBD Displays - дочерняя компания QinetiQ, которая производила как полутоновые, так и цветные устройства ZBD. Kent Displays также разработала дисплей без питания, в котором используется холестерический жидкий кристалл, стабилизированный полимером (ChLCD). В 2009 году Кент продемонстрировал использование ChLCD для покрытия всей поверхности мобильного телефона, позволяя ему изменять цвета и сохранять этот цвет даже при отключении питания. В 2004 году исследователи из Оксфордского университета продемонстрировали два новых типа бистабильных ЖК-дисплеев с нулевой мощностью, основанные на бистабильных методах Zenithal. Некоторые бистабильные технологии, такие как 360 ° BTN и бистабильный холестерик, зависят в основном от объемных свойств жидкого кристалла (ЖК) и используют стандартное прочное закрепление с выравнивающими пленками и смесями ЖК, аналогичными традиционным моностабильным материалам. Другие бистабильные технологии, например , технология BiNem, основаны в основном на свойствах поверхности и требуют особых слабых анкерных материалов.

Характеристики

  • Разрешение Разрешение ЖК-дисплея выражается количеством столбцов и строк пикселей (например, 1024 × 768). Каждый пиксель обычно состоит из 3 субпикселей: красного, зеленого и синего. Это была одна из немногих характеристик ЖК-дисплеев, которые оставались одинаковыми для разных дизайнов. Однако есть более новые конструкции, которые разделяют субпиксели между пикселями и добавляют Quattron, который пытается эффективно увеличить воспринимаемое разрешение дисплея без увеличения фактического разрешения, что приводит к смешанным результатам.
  • Пространственные характеристики: для монитора компьютера или другого дисплея, который просматривается с очень близкого расстояния, разрешение часто выражается в единицах шага точки или пикселей на дюйм, что согласуется с полиграфической промышленностью. Плотность отображения варьируется в зависимости от приложения: телевизоры обычно имеют низкую плотность для просмотра на большом расстоянии, а портативные устройства имеют высокую плотность для деталей на близком расстоянии. Угол обзора ЖК - дисплея может быть важным в зависимости от дисплея и его использования, ограничения некоторых дисплейных технологий означает , что дисплей отображает только точно под определенным углом.
  • Временные характеристики: временное разрешение ЖК-дисплея - это то, насколько хорошо он может отображать изменяющиеся изображения, или точность и количество раз в секунду, которое дисплей отображает данные, которые он дает. Пиксели ЖК-дисплея не мигают между кадрами, поэтому ЖК-мониторы не демонстрируют мерцания, вызванного обновлением, независимо от того, насколько низка частота обновления. Но более низкая частота обновления может означать визуальные артефакты, такие как ореолы или смазывание, особенно для быстро движущихся изображений. Время отклика отдельного пикселя также важно, поскольку всем дисплеям присуща некоторая задержка при отображении изображения, которая может быть достаточно большой, чтобы создавать визуальные артефакты, если отображаемое изображение быстро изменяется.
  • Цветовые характеристики : существует несколько терминов, описывающих различные аспекты цветопередачи дисплея. Цветовая гамма - это диапазон цветов, которые могут отображаться, и глубина цвета, которая представляет собой тонкость, с которой делится диапазон цветов. Цветовая гамма - это относительно простая функция, но она редко обсуждается в маркетинговых материалах, кроме как на профессиональном уровне. Наличие цветового диапазона, который превышает содержимое, отображаемое на экране, не имеет преимуществ, поэтому дисплеи предназначены только для работы в пределах или ниже диапазона определенных характеристик. Существуют дополнительные аспекты управления цветом и цветом ЖК-дисплея, такие как точка белого и гамма-коррекция , которые описывают, что такое белый цвет и как другие цвета отображаются относительно белого.
  • Коэффициент яркости и контрастности: коэффициент контрастности - это отношение яркости полного пикселя к полностью заполненному пикселю. Сам ЖК-дисплей представляет собой всего лишь световой клапан и не излучает свет; свет исходит от лампы дневного света или от набора светодиодов . Яркость обычно указывается как максимальная светоотдача ЖК-дисплея, которая может сильно варьироваться в зависимости от прозрачности ЖК-дисплея и яркости подсветки. В целом, чем ярче, тем лучше, но всегда есть компромисс между яркостью и энергопотреблением.

Преимущества и недостатки

Некоторые из этих проблем связаны с полноэкранными дисплеями, другие - с небольшими дисплеями, такими как часы, и т. Д. Многие сравнения относятся к ЭЛТ-дисплеям.

Преимущества

  • Очень компактный, тонкий и легкий, особенно по сравнению с громоздкими и тяжелыми ЭЛТ-дисплеями.
  • Низкое энергопотребление. В зависимости от установленной яркости дисплея и отображаемого содержимого более старые модели CCFT с подсветкой обычно используют менее половины мощности, которую использовал бы ЭЛТ-монитор с такой же площадью обзора, а современные модели со светодиодной подсветкой обычно используют 10–25% мощности. мощность, которую использовал бы ЭЛТ-монитор.
  • Во время работы выделяется мало тепла из-за низкого энергопотребления.
  • Никаких геометрических искажений.
  • Возможная способность иметь небольшое или полное отсутствие мерцания в зависимости от технологии подсветки.
  • Обычно нет мерцания с частотой обновления, потому что пиксели ЖК-дисплея сохраняют свое состояние между обновлениями (которые обычно выполняются с частотой 200 Гц или быстрее, независимо от частоты обновления входных данных).
  • Четкое изображение без расплывания и смазывания при работе с исходным разрешением .
  • Практически не излучает нежелательное электромагнитное излучениечрезвычайно низком диапазоне частот), в отличие от ЭЛТ-монитора.
  • Может быть изготовлен практически любого размера и формы.
  • Нет теоретического предела разрешения. Когда несколько ЖК-панелей используются вместе для создания единого холста, каждая дополнительная панель увеличивает общее разрешение дисплея, которое обычно называют разрешением наложения.
  • Могут изготавливаться больших форматов с диагональю более 80 дюймов (2 м).
  • Эффект маскирования: сетка ЖК-дисплея может маскировать эффекты пространственного квантования и квантования в градациях серого, создавая иллюзию более высокого качества изображения.
  • Не подвержен влиянию магнитных полей, в том числе земных, в отличие от большинства цветных ЭЛТ.
  • Как по своей сути цифровое устройство, ЖК-дисплей может отображать цифровые данные из DVI или HDMI без преобразования в аналоговый. Некоторые ЖК-панели имеют встроенные оптоволоконные входы в дополнение к DVI и HDMI.
  • Многие ЖК-мониторы питаются от источника питания 12 В, а если они встроены в компьютер, могут питаться от источника питания 12 В.
  • Может быть изготовлен с очень узкими рамками, что позволяет размещать несколько ЖК-экранов рядом друг с другом, образуя то, что выглядит как один большой экран.

Недостатки

  • Ограниченный угол обзора в некоторых старых или более дешевых мониторах, из-за чего цвет, насыщенность, контраст и яркость меняются в зависимости от положения пользователя, даже в пределах предполагаемого угла обзора.
  • Неравномерная подсветка на некоторых мониторах (чаще встречается в IPS-типах и более старых TN), вызывающая искажение яркости, особенно по краям («просачивание подсветки»).
  • Уровни черного могут быть не такими темными, как требуется, потому что отдельные жидкие кристаллы не могут полностью блокировать прохождение всей задней подсветки.
  • Отображение размытия движения на движущихся объектах, вызванного медленным временем отклика (> 8 мс) и отслеживанием взгляда на дисплее с выборкой и удержанием , если не используется стробирующая подсветка . Однако этот стробинг может вызвать утомление глаз, как указано ниже:
  • По состоянию на 2012 год в большинстве реализаций подсветки ЖК-дисплея используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для уменьшения яркости дисплея, из-за чего экран мерцает более резко (это не означает, что это заметно), чем на ЭЛТ-мониторе с частотой обновления 85 Гц (это потому, что мигает весь экран, а не непрерывная точка люминофора ЭЛТ, которая непрерывно сканирует экран, оставляя постоянно гореть некоторую часть дисплея), что вызывает у некоторых людей серьезную нагрузку на глаза . К сожалению, многие из этих людей не знают, что их напряжение глаз вызвано невидимым стробоскопическим эффектом ШИМ. Эта проблема усугубляется на многих мониторах со светодиодной подсветкой , потому что светодиоды включаются и выключаются быстрее, чем лампа CCFL .
  • Только одно родное разрешение . Для отображения любого другого разрешения либо требуется масштабатор видео , вызывающий размытость и неровные края, либо дисплей работает с исходным разрешением с использованием сопоставления пикселей 1: 1 , в результате чего изображение либо не заполняет экран ( отображение в виде почтового ящика ), либо выходит за пределы нижнего или правый край экрана.
  • Фиксированная битовая глубина (также называемая глубиной цвета). Многие дешевые ЖК - мониторы только способен отображать 262144 (2 18 ) цветов. 8-битные панели S-IPS могут отображать 16 миллионов (2 24 ) цветов и имеют значительно лучший уровень черного, но они дороги и имеют меньшее время отклика.
  • Задержка ввода , потому что аналого- цифровой преобразователь ЖК-дисплея ожидает полного вывода каждого кадра перед его выводом на ЖК-панель. Многие ЖК-мониторы выполняют постобработку перед отображением изображения, пытаясь компенсировать плохую цветопередачу, которая добавляет дополнительную задержку. Кроме того, при отображении неродных разрешений необходимо использовать средство масштабирования видео , что увеличивает временную задержку. На современных мониторах масштабирование и постобработка обычно выполняются в одном чипе, но каждая функция, которую выполняет чип, добавляет некоторую задержку. Некоторые дисплеи имеют режим видеоигр, который отключает всю или большую часть обработки, чтобы уменьшить заметную задержку ввода.
  • Мертвые или застрявшие пиксели могут возникать во время производства или после определенного периода использования. Застрявший пиксель будет светиться цветом даже на полностью черном экране, а мертвый всегда останется черным.
  • При наличии эффекта выгорания, хотя причина отличается от CRT и эффект может быть непостоянным, статическое изображение может вызвать выгорание в течение нескольких часов на плохо спроектированных дисплеях.
  • При постоянном включении термализация может произойти в случае плохого управления температурой, когда часть экрана перегрелась и выглядит обесцвеченной по сравнению с остальной частью экрана.
  • Потеря яркости и более медленное время отклика в условиях низких температур. В условиях ниже нуля ЖК-экраны могут перестать работать без использования дополнительного обогрева.
  • Потеря контраста в условиях высоких температур.

Используемые химикаты

В жидких кристаллах используется несколько различных семейств жидких кристаллов. Используемые молекулы должны быть анизотропными и проявлять взаимное притяжение. Поляризуемые палочковидные молекулы ( бифенилы , терфенилы и т. Д.) Являются обычным явлением. Распространенной формой является пара ароматических бензольных колец с неполярным фрагментом (пентил, гептил, октил или алкилоксигруппа) на одном конце и полярным (нитрил, галоген) на другом. Иногда бензольные кольца разделяются ацетиленовой группой, этиленовой, CH = N, CH = NO, N = N, N = NO или сложноэфирной группой. На практике используются эвтектические смеси нескольких химикатов для достижения более широкого рабочего диапазона температур (-10 .. + 60 ° C для низкопроизводительных дисплеев и -20 .. + 100 ° C для высокопроизводительных дисплеев). Например, смесь E7 состоит из трех бифенилов и одного терфенила: 39 мас.% 4'-пентил [1,1'-бифенил] -4-карбонитрила (нематический интервал 24..35 ° C), 36 мас. % 4'-гептил [1,1'-бифенил] -4-карбонитрила (нематический диапазон 30..43 ° C), 16 мас.% 4'-октокси [1,1'-бифенил] -4-карбонитрила (нематический диапазон 54..80 ° C) и 9 мас.% 4- пентил [1,1 ': 4', 1- терфенил] -4-карбонитрила (нематический диапазон 131..240 ° C).

Воздействие на окружающую среду

При производстве ЖК-экранов трифторид азота (NF 3 ) используется в качестве травильной жидкости при производстве тонкопленочных компонентов. NF 3 является мощным парниковым газом , и его относительно длительный период полураспада может сделать его потенциально опасным фактором глобального потепления . В отчете, опубликованном в Geophysical Research Letters, говорится, что его влияние теоретически намного больше, чем у более известных источников парниковых газов, таких как углекислый газ . Поскольку в то время NF 3 не использовался широко, он не был включен в Киотские протоколы и считался «пропавшим парниковым газом».

Критики отчета указывают, что в нем предполагается, что весь произведенный NF 3 будет выброшен в атмосферу. В действительности подавляющее большинство NF 3 разрушается в процессе очистки; два более ранних исследования показали, что только 2-3% газа не разрушается после его использования. Более того, в отчете не удалось сравнить эффекты NF 3 с тем, что он заменил, перфторуглеродом , другим мощным парниковым газом, от 30 до 70% которого улетучивается в атмосферу при типичном использовании.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Общая информация