Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах ( TFT LCD ) — это тип жидкокристаллического дисплея , который использует технологию тонкопленочных транзисторов для улучшения таких качеств изображения, как адресуемость и контрастность. [1] TFT LCD — это ЖК-дисплей с активной матрицей , в отличие от ЖК-дисплеев с пассивной матрицей или простых ЖК-дисплеев с прямым управлением (т. е. с сегментами, напрямую подключенными к электронике вне ЖК-дисплея) с несколькими сегментами.
TFT LCD-дисплеи используются в телевизорах , компьютерных мониторах , мобильных телефонах , игровых видеосистемах , персональных цифровых помощниках , навигационных системах , проекторах [2] и на приборных панелях некоторых автомобилей , а также в мотоциклах среднего и высокого класса .
В феврале 1957 года Джон Уоллмарк из RCA подал патент на тонкопленочный МОП -транзистор . Пол К. Ваймер , также из RCA , реализовал идеи Уоллмарка и разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году, тип МОП-транзистора, отличный от стандартного объемного МОП-транзистора. Он был изготовлен из тонких пленок селенида кадмия и сульфида кадмия .
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была задумана Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. В 1971 году Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали матричный дисплей размером 2 на 18 дюймов, управляемый гибридной схемой с использованием режима динамического рассеяния ЖК-дисплеев. [3] В 1973 году Т. Питер Броди , Дж. А. Асарс и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories разработали TFT на основе CdSe ( селенида кадмия ), который они использовали для демонстрации первого жидкокристаллического дисплея на тонкопленочных транзисторах CdSe (ЖКД на тонкопленочных транзисторах). [4] [5] В 1974 году Броди и Фан-Чен Ло продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) с использованием CdSe TFT, а затем в 1975 году Броди ввел термин «активная матрица». [3]
К 2013 году большинство современных высококачественных электронных визуальных устройств отображения информации использовали дисплеи с активной матрицей на основе TFT. [6] [7] [4] [8] [9] [10]
По состоянию на 2024 год дисплеи TFT LCD по-прежнему будут доминировать, но конкурировать с OLED за высокую яркость и высокое разрешение дисплеев, а также с электронной бумагой за низкое энергопотребление дисплеев.
Жидкокристаллические дисплеи, используемые в калькуляторах и других устройствах с аналогичными простыми дисплеями, имеют элементы изображения с прямым управлением, и поэтому напряжение можно легко подать только на один сегмент этих типов дисплеев, не мешая другим сегментам. Это было бы непрактично для большого дисплея , поскольку он имел бы большое количество (цветных) элементов изображения ( пикселей ), и, таким образом, потребовалось бы миллионы соединений, как сверху, так и снизу для каждого из трех цветов (красный, зеленый и синий) каждого пикселя. Чтобы избежать этой проблемы, пиксели адресуются по строкам и столбцам, что сокращает количество соединений с миллионов до тысяч. Провода столбцов и строк подключаются к транзисторным переключателям, по одному на каждый пиксель. Односторонняя характеристика прохождения тока транзистора предотвращает слив заряда, который прикладывается к каждому пикселю, между обновлениями изображения на дисплее. Каждый пиксель представляет собой небольшой конденсатор со слоем изолирующего жидкого кристалла, зажатого между прозрачными проводящими слоями оксида индия и олова (ITO) .
Процесс компоновки схемы TFT-LCD очень похож на процесс компоновки полупроводниковых продуктов. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния , который формируется в кристаллическую кремниевую пластину, они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния , которая наносится на стеклянную панель. Кремниевый слой для TFT-LCD обычно наносится с использованием процесса PECVD . [11] Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки вытравливается, чтобы свет мог легко проходить через нее.
Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высокой производительности TFT. Примерами служат небольшие дисплеи с высоким разрешением, такие как те, что используются в проекторах или видоискателях. TFT на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за их более низкой стоимости производства, тогда как TFT на основе поликристаллического кремния более дороги и гораздо более сложны в производстве. [12]
Дисплей на основе скрученных нематических (TN) материалов является одним из старейших и часто самых дешевых видов технологий жидкокристаллических дисплеев. Дисплеи TN имеют быстрое время отклика пикселей и меньшее размазывание, чем другие типы ЖК-дисплеев, такие как дисплеи IPS , но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. При просмотре под углом, который не перпендикулярен дисплею, цвета будут смещаться, иногда вплоть до полной инверсии. Современные высококачественные потребительские продукты разработали методы преодоления недостатков технологии, такие как технологии RTC (компенсация времени отклика / перегрузка) . Современные дисплеи TN могут выглядеть значительно лучше, чем старые дисплеи TN, выпущенные десятилетия назад, но в целом у TN худшие углы обзора и плохая цветопередача по сравнению с другими технологиями, такими как IPS.
Большинство панелей TN могут представлять цвета, используя только шесть бит на канал RGB, или 18 бит в общей сложности, и не могут отображать 16,7 миллионов цветовых оттенков (24-битный truecolor ), которые доступны с использованием 24-битного цвета. Вместо этого эти панели отображают интерполированный 24-битный цвет, используя метод сглаживания , который объединяет соседние пиксели для имитации желаемого оттенка. Они также могут использовать форму временного сглаживания, называемую управлением частотой кадров (FRC), которая циклически переключается между различными оттенками с каждым новым кадром для имитации промежуточного оттенка. Такие 18-битные панели с сглаживанием иногда рекламируются как имеющие «16,2 миллиона цветов». Эти методы моделирования цвета заметны многим людям и очень раздражают некоторых. [13] FRC, как правило, наиболее заметен в более темных тонах, в то время как сглаживание, по-видимому, делает отдельные пиксели ЖК-дисплея видимыми. В целом, цветопередача и линейность на панелях TN плохие. Недостатки в цветовом охвате дисплея (часто называемом процентом от цветовой гаммы NTSC 1953 ) также обусловлены технологией подсветки. Обычно старые дисплеи имеют диапазон от 10% до 26% цветовой гаммы NTSC, тогда как другие виды дисплеев, использующие более сложные формулы люминофоров CCFL или LED или светодиодную подсветку RGB, могут выходить за пределы 100% цветовой гаммы NTSC, разница, которая легко заметна человеческому глазу.
Коэффициент пропускания пикселя ЖК-панели обычно не изменяется линейно с приложенным напряжением [14] , а стандарт sRGB для компьютерных мониторов требует определенной нелинейной зависимости количества излучаемого света как функции значения RGB .
Технология In-plane switching (IPS) была разработана компанией Hitachi в 1996 году для улучшения плохого угла обзора и плохой цветопередачи панелей TN того времени. [15] [16] Ее название происходит от главного отличия от панелей TN, заключающегося в том, что молекулы кристалла движутся параллельно плоскости панели, а не перпендикулярно ей. Это изменение уменьшает количество рассеиваемого света в матрице, что дает IPS характерные для нее широкие углы обзора и хорошую цветопередачу. [17]
Первоначальные итерации технологии IPS характеризовались медленным временем отклика и низким коэффициентом контрастности, но более поздние версии внесли заметные улучшения в эти недостатки. Благодаря широкому углу обзора и точной цветопередаче (практически без смещения цвета вне угла) IPS широко используется в высококачественных мониторах, предназначенных для профессиональных графических художников, хотя с недавним падением цен она была замечена и на массовом рынке. Технология IPS была продана Panasonic компанией Hitachi.
Это технология ЖК-дисплеев, полученная из IPS от Boe-Hydis из Кореи. Известная как переключение полей краёв (FFS) до 2003 года, [21] усовершенствованное переключение полей краёв — это технология, похожая на IPS или S-IPS, предлагающая превосходную производительность и цветовую гамму с высокой яркостью. Цветовой сдвиг и отклонение, вызванные утечкой света, корректируются путем оптимизации белой гаммы, что также улучшает воспроизведение белого/серого. AFFS разработана Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (ранее Hyundai Electronics, LCD Task Force). [22]
В 2004 году Hydis Technologies Co., Ltd лицензировала свой патент AFFS японской Hitachi Displays. Hitachi использует AFFS для производства высококачественных панелей в своей линейке продукции. В 2006 году Hydis также лицензировала свой AFFS корпорации Sanyo Epson Imaging Devices.
В 2007 году компания Hydis представила технологию AFFS+, которая улучшила читаемость на открытом воздухе. [ необходима цитата ]
Он достиг быстрого для своего времени отклика пикселей, широких углов обзора и высокой контрастности за счет яркости и цветопередачи. [ необходима цитата ] Современные панели MVA могут предложить широкие углы обзора (уступающие только технологии S-IPS), хорошую глубину черного, хорошую цветопередачу и глубину, а также быстрое время отклика благодаря использованию технологий RTC ( компенсация времени отклика ). [ необходима цитата ] Если смотреть на панели MVA не перпендикулярно, цвета будут смещаться, но гораздо меньше, чем у панелей TN. [ необходима цитата ]
Существует несколько технологий «следующего поколения», основанных на MVA, включая P-MVA и AMVA компании AU Optronics , а также S-MVA компании Chi Mei Optoelectronics .
Менее дорогие панели PVA часто используют сглаживание и FRC , тогда как панели super-PVA (S-PVA) все используют не менее 8 бит на цветовой компонент и не используют методы моделирования цвета. [ необходима цитата ] S-PVA также в значительной степени устранил свечение под углом сплошных черных цветов и уменьшил сдвиг гаммы под углом. Некоторые высококачественные ЖК-телевизоры Sony BRAVIA предлагают 10-битную и xvYCC цветовую поддержку, например, серия Bravia X4500. S-PVA также обеспечивает быстрое время отклика с использованием современных технологий RTC. [ необходима цитата ]
Расширенный супервид, также называемый аксиально-симметричным вертикальным выравниванием, был разработан Sharp . [23] Это режим VA, в котором молекулы жидкого кристалла ориентируются перпендикулярно подложкам в выключенном состоянии. Нижний субпиксель имеет непрерывно покрытые электроды, в то время как верхний имеет электрод меньшей площади в центре субпикселя.
Когда поле включено, молекулы жидкого кристалла начинают наклоняться к центру субпикселей из-за электрического поля; в результате формируется непрерывное выравнивание вертушки (CPA); азимутальный угол непрерывно вращается на 360 градусов, что приводит к отличному углу обзора. Режим ASV также называется режимом CPA. [24]
Технология, разработанная Samsung , называется Super PLS, которая имеет сходство с панелями IPS, имеет более широкие углы обзора, лучшее качество изображения, повышенную яркость и более низкие производственные затраты. Технология PLS дебютировала на рынке дисплеев для ПК с выпуском мониторов Samsung S27A850 и S24A850 в сентябре 2011 года. [25]
Технология двухтранзисторных пикселей или ячеек TFT — это технология отражательного дисплея для использования в приложениях с очень низким энергопотреблением, таких как электронные ценники (ESL), цифровые часы или счетчики. DTP включает добавление вторичного транзисторного затвора в одну ячейку TFT для поддержания отображения пикселя в течение периода в 1 с без потери изображения или без ухудшения характеристик транзисторов TFT с течением времени. Замедляя частоту обновления стандартной частоты с 60 Гц до 1 Гц, DTP утверждает, что увеличивает энергоэффективность на несколько порядков.
Из-за очень высокой стоимости строительства заводов TFT, существует несколько крупных поставщиков OEM- панелей для больших дисплейных панелей. Поставщики стеклянных панелей следующие:
Внешние потребительские устройства отображения, такие как TFT LCD, имеют один или несколько аналоговых интерфейсов VGA , DVI , HDMI или DisplayPort , причем многие из них оснащены выбором из этих интерфейсов. Внутри внешних устройств отображения находится плата контроллера, которая преобразует видеосигнал с использованием сопоставления цветов и масштабирования изображения , обычно с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT) для преобразования любого источника видео, такого как CVBS , VGA , DVI , HDMI и т. д., в цифровой RGB с собственным разрешением панели дисплея. В ноутбуке графический чип будет напрямую выдавать сигнал, подходящий для подключения к встроенному TFT-дисплею. Механизм управления подсветкой обычно включен в ту же плату контроллера.
Интерфейс низкого уровня панелей STN , DSTN или TFT-дисплеев использует либо односторонний сигнал TTL 5 В для старых дисплеев, либо TTL 3,3 В для немного новых дисплеев, который передает тактовую частоту пикселей, горизонтальную синхронизацию , вертикальную синхронизацию , цифровой красный, цифровой зеленый, цифровой синий параллельно. Некоторые модели (например, AT070TN92) также имеют сигналы включения входа/дисплея , направления горизонтальной развертки и направления вертикальной развертки.
Новые и большие (>15") TFT-дисплеи часто используют сигнализацию LVDS , которая передает то же содержимое, что и параллельный интерфейс (Hsync, Vsync, RGB), но помещает биты управления и RGB в ряд последовательных линий передачи, синхронизированных с тактовой частотой, скорость которой равна скорости пикселей. LVDS передает семь бит за такт на линию данных, причем шесть бит являются данными, а один бит используется для сигнала, если другие шесть бит должны быть инвертированы для поддержания баланса постоянного тока. Недорогие TFT-дисплеи часто имеют три линии данных и, следовательно, напрямую поддерживают только 18 бит на пиксель . Высококлассные дисплеи имеют четыре или пять линий данных для поддержки 24 бит на пиксель ( truecolor ) или 30 бит на пиксель соответственно. Производители панелей постепенно заменяют LVDS на Internal DisplayPort и Embedded DisplayPort, которые позволяют в шесть раз сократить количество дифференциальных пар. [ необходима цитата ]
Интенсивность подсветки обычно регулируется изменением нескольких вольт постоянного тока, или генерацией сигнала ШИМ , или регулировкой потенциометра , или просто фиксируется. Это, в свою очередь, управляет высоковольтным ( 1,3 кВ ) инвертором постоянного тока в переменный ток или матрицей светодиодов . Метод управления интенсивностью светодиодов заключается в подаче на них импульсов с помощью ШИМ, что может быть источником гармонического мерцания. [ требуется цитата ]
Панель дисплея без дисплея будет принимать только цифровой видеосигнал с разрешением, определяемым матрицей пикселей панели, разработанной на заводе. Некоторые панели экрана будут игнорировать биты LSB цветовой информации для представления согласованного интерфейса (8 бит -> 6 бит/цвет x3). [ необходима цитата ]
С аналоговыми сигналами, такими как VGA, контроллер дисплея также должен выполнять высокоскоростное аналого-цифровое преобразование. С цифровыми входными сигналами, такими как DVI или HDMI, требуется некоторая простая переупорядоченность битов перед подачей их на перемасштабатор, если входное разрешение не соответствует разрешению панели дисплея.
Жидкие кристаллы постоянно подвергаются испытаниям на токсичность и экотоксичность на предмет потенциальной опасности. Результатом является то, что:
Заявления применимы к Merck KGaA, а также к ее конкурентам JNC Corporation (ранее Chisso Corporation) и DIC (ранее Dainippon Ink & Chemicals). Все три производителя согласились не выводить на рынок какие-либо остротоксичные или мутагенные жидкие кристаллы. Они охватывают более 90 процентов мирового рынка жидких кристаллов. Оставшаяся доля рынка жидких кристаллов, производимых в основном в Китае, состоит из старых, не имеющих патентов веществ от трех ведущих мировых производителей и уже проверенных ими на токсичность. В результате их также можно считать нетоксичными.
Полный отчет доступен в сети Интернет на сайте Merck KGaA. [29]
Подсветка CCFL , используемая во многих ЖК-мониторах, содержит ртуть , которая токсична.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )