Жидкокристаллический дисплей ( ЖК-дисплей ) — это плоский дисплей или другое оптическое устройство с электронной модуляцией , которое использует светомодулирующие свойства жидких кристаллов в сочетании с поляризаторами . Жидкие кристаллы не излучают свет напрямую [1] , а вместо этого используют подсветку или отражатель для создания цветных или монохромных изображений . [2] Доступны ЖК-дисплеи для отображения произвольных изображений (как на дисплее компьютера общего назначения) или фиксированных изображений с низкой информативностью, которые можно отображать или скрывать: заранее заданные слова, цифры и семисегментные дисплеи (как на цифровом дисплее). часы) — все это примеры устройств с такими дисплеями. Они используют ту же базовую технологию, за исключением того, что произвольные изображения создаются из матрицы мелких пикселей , тогда как другие дисплеи имеют более крупные элементы. ЖК-дисплеи могут быть либо включенными (положительными), либо выключенными (отрицательными), в зависимости от расположения поляризатора. Например, символьный положительный ЖК-дисплей с подсветкой будет иметь черные буквы на фоне цвета подсветки, а символьный отрицательный ЖК-дисплей будет иметь черный фон с буквами того же цвета, что и подсветка.
ЖК-дисплеи используются в широком спектре применений, включая ЖК-телевизоры , компьютерные мониторы , приборные панели , дисплеи в кабине самолетов , а также внутренние и наружные вывески. Небольшие ЖК-экраны широко распространены в ЖК-проекторах и портативных потребительских устройствах, таких как цифровые камеры , часы , калькуляторы и мобильные телефоны , включая смартфоны . ЖК-экраны заменили тяжелые, громоздкие и менее энергоэффективные дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) практически во всех приложениях. Люминофоры , используемые в ЭЛТ, делают их уязвимыми к выгоранию изображения , когда статическое изображение отображается на экране в течение длительного времени, например, рамка таблицы с расписанием рейсов авиакомпании на вывеске в помещении. ЖК-дисплеи не имеют этого недостатка, но все же подвержены стойкости изображения . [3]
Каждый пиксель ЖК-дисплея обычно состоит из слоя молекул , выровненных между двумя прозрачными электродами , часто изготовленными из оксида индия и олова (ITO), и двумя поляризационными фильтрами (параллельный и перпендикулярный поляризаторы), оси пропускания которых (в большинстве случаев) случаях) 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 поверхностей электродов. В скрученном нематическом устройстве (TN) направления выравнивания поверхностей на двух электродах перпендикулярны друг другу, поэтому молекулы располагаются в спиральной структуре или скручиваются. Это вызывает вращение поляризации падающего света, и устройство кажется серым. Если приложенное напряжение достаточно велико, молекулы жидкого кристалла в центре слоя практически полностью раскручиваются и поляризация падающего света не меняется при прохождении через слой жидкого кристалла. Тогда этот свет будет в основном поляризован перпендикулярно второму фильтру и, таким образом, будет заблокирован, и пиксель будет казаться черным. Управляя напряжением, приложенным к слою жидкого кристалла в каждом пикселе, можно позволить свету проходить через него в разных количествах, создавая, таким образом, разные уровни серого.
Химическая формула жидких кристаллов, используемых в ЖК-дисплеях, может различаться. Формулы могут быть запатентованы. [4] Примером является смесь 2-(4-алкоксифенил)-5-алкилпиримидина с цианобифенилом, запатентованная Merck and Sharp Corporation . Срок действия патента, распространявшегося на эту конкретную смесь, истек. [5]
Большинство цветных ЖК-систем используют один и тот же метод: цветные фильтры используются для генерации красных, зеленых и синих субпикселей. Цветные фильтры ЖК-дисплея изготавливаются методом фотолитографии на больших листах стекла, которые позже склеиваются с другими листами стекла, содержащими матрицу тонкопленочных транзисторов (TFT), прокладки и жидкие кристаллы, создавая несколько цветных ЖК-дисплеев, которые затем вырезаются друг из друга и ламинированные поляризационными листами. Используются красные, зеленые, синие и черные фоторезисты (резисты). Все резисты содержат мелкоизмельченный порошкообразный пигмент, размер частиц которого составляет всего 40 нанометров. Черный резист применяется первым; это создаст черную сетку (известную в отрасли как черная матрица), которая будет отделять красные, зеленые и синие субпиксели друг от друга, увеличивая коэффициент контрастности и предотвращая утечку света из одного субпикселя на другие окружающие субпиксели. [6] После того, как черный резист высушивается в печи и подвергается воздействию УФ-излучения через фотомаску, неэкспонированные участки смываются, образуя черную сетку. Затем тот же процесс повторяется с оставшимися резистами. Это заполнит дыры в черной сетке соответствующими цветными резистами. [7] [8] [9] Другой метод генерации цвета, использовавшийся в ранних цветных КПК и некоторых калькуляторах, осуществлялся путем изменения напряжения в сверхскрученном нематическом ЖК-дисплее, где переменное скручивание между близко расположенными пластинами вызывает различное двойное лучепреломление. двойное лучепреломление , таким образом изменяя оттенок. [10] Обычно они ограничивались тремя цветами на пиксель: оранжевым, зеленым и синим. [11]
Оптический эффект устройства TN во включенном состоянии гораздо меньше зависит от изменений толщины устройства, чем в состоянии выключенного напряжения. По этой причине дисплеи TN с низким содержанием информации и без подсветки обычно работают со скрещенными поляризаторами, так что они кажутся яркими без напряжения (глаз гораздо более чувствителен к изменениям в темном состоянии, чем в ярком). Поскольку большинство ЖК-дисплеев 2010 года используются в телевизорах, мониторах и смартфонах, они имеют матричные массивы пикселей высокого разрешения для отображения произвольных изображений с использованием подсветки на темном фоне. Когда изображение не отображается, используются другие варианты расположения. Для этой цели ЖК-дисплеи TN работают с параллельными поляризаторами, тогда как ЖК-дисплеи IPS оснащены скрещенными поляризаторами. Во многих приложениях ЖК-дисплеи IPS заменили ЖК-дисплеи TN, особенно в смартфонах . И жидкокристаллический материал, и материал выравнивающего слоя содержат ионные соединения . Если электрическое поле одной определенной полярности прикладывается 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 одинаков, независимо от полярности приложенного поля).
Дисплеи для небольшого количества отдельных цифр или фиксированных символов (как в цифровых часах и карманных калькуляторах ) могут быть реализованы с независимыми электродами для каждого сегмента. [12] Напротив, полнобуквенно -цифровые или изменяемые графические дисплеи обычно реализуются с пикселями, расположенными в виде матрицы, состоящей из электрически связанных строк на одной стороне слоя ЖК и столбцов на другой стороне, что позволяет адресовать каждый пиксель на другой стороне. перекрестки. Общий метод матричной адресации состоит в последовательной адресации одной стороны матрицы, например, путем выбора строк одну за другой и применения информации изображения на другой стороне к столбцам построчно. Подробную информацию о различных схемах адресации матриц см. в разделе « ЖК-дисплеи с пассивной и активной матрицей».
ЖК-дисплеи производятся в чистых помещениях , заимствуя технологии производства полупроводников и используя большие листы стекла, размер которых со временем увеличивается. Несколько дисплеев изготавливаются одновременно, а затем вырезаются из листа стекла, также известного как исходное стекло или стеклянная подложка ЖК-дисплея. Увеличение размера позволяет создавать больше дисплеев или дисплеи большего размера, как и при увеличении размеров пластин в производстве полупроводников. Размеры стаканов следующие:
До поколения 8 производители не соглашались на единый размер основного стекла, и в результате разные производители использовали немного разные размеры стекла для одного и того же поколения. Некоторые производители используют листы основного стекла Gen 8.6, которые лишь немного больше, чем Gen 8.5, что позволяет изготавливать больше 50- и 58-дюймовых ЖК-дисплеев на одно основное стекло, особенно 58-дюймовые ЖК-дисплеи, и в этом случае 6 ЖК-дисплеев могут быть изготовлены на одном матовом стекле. Материнское стекло Gen 8.6 по сравнению с материнским стеклом Gen 8.5 всего лишь 3, что значительно снижает количество отходов. [19] Толщина основного стекла также увеличивается с каждым поколением, поэтому больший размер основного стекла лучше подходит для больших дисплеев. ЖК-модуль (ЖКМ) — это готовый к использованию ЖК-дисплей с подсветкой. Таким образом, завод, производящий ЖК-модули, не обязательно производит ЖК-дисплеи, он может только собирать их в модули. Стеклянные подложки для ЖК-дисплеев производятся такими компаниями, как AGC Inc. , Corning Inc. и Nippon Electric Glass .
Истоки 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» . [23] Еще один отчет о происхождении и истории ЖК-дисплея с другой точки зрения до 1991 года был опубликован Хироши Кавамото и доступен в Историческом центре IEEE . [24] Описание вклада Швейцарии в разработку ЖК-дисплеев, написанное Питером Дж. Уайлдом , можно найти на Wiki по истории техники и технологий . [25]
В 1888 году [26] Фридрих Райницер (1858–1927) обнаружил жидкокристаллическую природу холестерина, выделенного из моркови (т.е. две температуры плавления и образование цвета), и опубликовал свои открытия. [27] 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 виде тонких слоев.
В 1922 году Жорж Фридель описал структуру и свойства жидких кристаллов и разделил их на три типа (нематики, смектики и холестерики). В 1927 году Всеволод Фредерикс изобрел электрически переключаемый световой клапан, названный переходом Фредерикса , который является основным эффектом всей ЖК-технологии. В 1936 году компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала первое практическое применение технологии — «Жидкокристаллический световой клапан» . В 1962 году доктор Джордж У. Грей опубликовал первую крупную публикацию на английском языке « Молекулярная структура и свойства жидких кристаллов» . [28] В 1962 году Ричард Уильямс из RCA обнаружил, что жидкие кристаллы обладают некоторыми интересными электрооптическими характеристиками, и реализовал электрооптический эффект, создавая полосовые узоры в тонком слое жидкокристаллического материала путем приложения напряжения. Этот эффект основан на электрогидродинамической нестабильности, образующей внутри жидкого кристалла то, что сейчас называют «доменами Вильямса». [29]
Опираясь на ранние МОП-транзисторы , Пол К. Веймер из RCA разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году. [30] Это был тип МОП-транзистора, отличный от стандартных объемных МОП-транзисторов. [31]
В 1964 году Джордж Х. Хейлмайер , тогда работавший в лабораториях RCA над эффектом, открытым Уильямсом, добился переключения цветов за счет индуцированной полем перестройки дихроичных красителей в гомеотропно ориентированном жидком кристалле. Практические проблемы, связанные с этим новым электрооптическим эффектом, заставили Хейльмайера продолжить работу над эффектами рассеяния в жидких кристаллах и, наконец, создать первый работающий жидкокристаллический дисплей, основанный на том, что он назвал режимом динамического рассеяния (DSM). Приложение напряжения к дисплею DSM переводит изначально прозрачный слой жидкого кристалла в молочно-мутное состояние. Дисплеи DSM могут работать как в пропускающем, так и в отражающем режиме, но для их работы требуется протекание значительного тока. [32] [33] [34] [35] Джордж Х. Хейлмайер был занесен в Национальный зал славы изобретателей [36] и ему приписывают изобретение ЖК-дисплеев. Работа Хейлмайера является важной вехой IEEE . [37]
В конце 1960-х годов новаторская работа по жидким кристаллам была предпринята 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 имели правильную стабильность и температурные свойства для применения в ЖК-дисплеях.
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была выдвинута Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. [38] Лехнер, Ф.Дж. Марлоу, Э.О. Нестер и Дж. Талтс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году с матрицей динамического рассеяния 18x2. ЖК-дисплей режима (DSM), в котором использовались стандартные дискретные МОП-транзисторы . [39]
4 декабря 1970 года эффект закрученного нематического поля (TN) в жидких кристаллах был подан на патент компанией Hoffmann-LaRoche в Швейцарии (патент Швейцарии № 532 261) совместно с Вольфгангом Хелфрихом и Мартином Шадтом (тогда работавшими в Центральных исследовательских лабораториях). ) числятся изобретателями. [32] Hoffmann-La Roche передала лицензию на изобретение швейцарскому производителю Brown, Boveri & Cie , партнеру своего совместного предприятия в то время, который в 1970-х годах производил TN-дисплеи для наручных часов и других приложений для международных рынков, включая японскую электронную промышленность, которая вскоре выпустила первые цифровые кварцевые наручные часы с TN-ЖК-дисплеями и множество других продуктов. Джеймс Фергасон , работая с Сардари Аророй и Альфредом Саупе в Институте жидких кристаллов Кентского государственного университета , подал идентичный патент в США 22 апреля 1971 года. [40] В 1971 году компания Фергасона ILIXCO (ныне LXD Incorporated ) , производила ЖК-дисплеи на основе TN-эффекта, которые вскоре вытеснили некачественные типы DSM благодаря усовершенствованиям, более низким рабочим напряжениям и меньшему энергопотреблению. Тетсуро Хама и Идзухико Нишимура из Seiko получили в феврале 1971 года патент США на электронные наручные часы с TN-LCD. [41] В 1972 году на рынке были выпущены первые наручные часы с TN-LCD: Gruen Teletime, которые представляли собой часы с четырехзначным дисплеем.
В 1972 году концепция жидкокристаллической панели с тонкопленочным транзистором (TFT) с активной матрицей была прототипирована в Соединенных Штатах командой Т. Питера Броуди в Вестингаузе , в Питтсбурге, штат Пенсильвания . [42] В 1973 году Броуди, Дж. А. Асарс и Дж. Д. Диксон из исследовательских лабораторий Westinghouse продемонстрировали первый жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT LCD). [43] [44] По состоянию на 2013 год все современные электронные визуальные устройства высокого разрешения и высокого качества используют дисплеи с активной матрицей на основе TFT . [45] Броуди и Фан-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. [38][обновлять]
В 1972 году компания North American Rockwell Microelectronics Corp представила использование ЖК-дисплеев DSM для калькуляторов для маркетинга Lloyds Electronics Inc, хотя для их освещения требовался внутренний источник света. [46] В 1973 году корпорация Sharp выпустила ЖК-дисплеи DSM для карманных калькуляторов, [47] а затем в 1975 году начала массовое производство ЖК-дисплеев TN для часов . [48] Другие японские компании вскоре заняли лидирующие позиции на рынке наручных часов, такие как Seiko и свои первые кварцевые наручные часы с 6-значным TN-LCD и Casiotron Casio . Цветные ЖК-дисплеи, основанные на взаимодействии «гость-хост», были изобретены командой RCA в 1968 году. [49] 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, [50] а затем усовершенствованные Фумиаки Фунадой и Масатакой Мацуурой в декабре 1975 года. [51] TFT-дисплеи, аналогичные прототипам, разработанным командой Westinghouse в 1972 году, были запатентованы в 1976 году командой Sharp. состоящая из Фумиаки Фунада, Масатака Мацуура и Томио Вада, [52] затем улучшенная в 1977 году командой Sharp, состоящей из Кохей Киши, Хиросаку Нономура, Кейитиро Симидзу и Томио Вада. [53] Однако эти TFT-ЖК-дисплеи еще не были готовы к использованию в продуктах, поскольку проблемы с материалами для TFT еще не были решены.
В 1983 году исследователи из исследовательского центра Brown, Boveri & Cie (BBC) в Швейцарии изобрели сверхскрученную нематическую (STN) структуру для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей . Х. Амштуц и др. 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, [54] патенте США 4 634 229 и во многих других странах. В 1980 году Браун Бовери основал совместное предприятие Videlec с долей 50/50 с голландской компанией Philips. [55] Philips обладала необходимыми ноу-хау для проектирования и изготовления интегральных схем для управления большими ЖК-панелями. Кроме того, Philips имела лучший доступ к рынкам электронных компонентов и намеревалась использовать ЖК-дисплеи в новых поколениях Hi-Fi, видеоаппаратуры и телефонов. В 1984 году исследователи Philips Теодорус Вельцен и Адрианус де Ваан изобрели схему управления скоростью видео, которая решила проблему медленного времени отклика STN-LCD, обеспечивая высокое разрешение, высокое качество и плавное движение видеоизображений на STN-LCD. [ нужна цитация ] В 1985 году изобретатели Philips Теодор Вельцен и Адрианус де Ваан решили проблему управления STN-ЖК-дисплеями высокого разрешения с использованием низковольтной (на основе КМОП) приводной электроники, что позволило применять высококачественные (высокое разрешение и видео) скорость) ЖК-панели в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как ноутбуки и мобильные телефоны. [56] В 1985 году Philips приобрела 100% компании Videlec AG, базирующейся в Швейцарии. После этого Philips перенесла производственные линии Videlec в Нидерланды. Спустя годы Philips успешно производила и продавала полные модули (состоящие из ЖК-экрана, микрофона, динамиков и т. д.) в крупносерийном производстве для быстро развивающейся индустрии мобильных телефонов.
Первые цветные ЖК-телевизоры были разработаны как портативные телевизоры в Японии. В 1980 году группа исследований и разработок Hattori Seiko начала разработку карманных цветных ЖК-телевизоров. [57] В 1982 году Seiko Epson выпустила первый ЖК-телевизор — Epson TV Watch — наручные часы, оснащенные небольшим ЖК-телевизором с активной матрицей. [58] [59] Корпорация Sharp представила матричный TN-LCD в 1983 году. [48] В 1984 году Epson выпустила ET-10, первый полноцветный карманный ЖК-телевизор. [60] В том же году компания Citizen Watch , [61] представила Citizen Pocket TV, [57] 2,7-дюймовый цветной ЖК-телевизор, [61] с первым коммерческим TFT ЖК-дисплеем . [57] В 1988 году компания Sharp продемонстрировала 14-дюймовый полноцветный полноэкранный TFT-ЖК-дисплей с активной матрицей. Это привело к тому, что в Японии возникла индустрия ЖК-дисплеев, которая разработала ЖК-дисплеи большого размера, включая компьютерные мониторы TFT и ЖК-телевизоры. [62] Epson разработала проекционную технологию 3LCD в 1980-х годах и лицензировала ее для использования в проекторах в 1988 году. [63] Epson VPJ-700, выпущенный в январе 1989 года, был первым в мире компактным полноцветным ЖК-проектором . [59]
В 1990 году под разными названиями изобретатели разработали электрооптические эффекты в качестве альтернативы ЖК-дисплеям с эффектом витого нематического поля (TN- и STN-ЖКД). Один из подходов заключался в использовании встречно-штыревых электродов только на одной стеклянной подложке для создания электрического поля, по существу параллельного стеклянным подложкам. [64] [65] Чтобы в полной мере воспользоваться свойствами этой технологии In Plane Switching (IPS), необходима дальнейшая работа. После тщательного анализа подробности преимущественных вариантов осуществления представлены в Германии Guenter Baur et al. и запатентованы в различных странах. [66] [67] Институт Фраунгофера ISE во Фрайбурге, где работали изобретатели, передает эти патенты компании Merck KGaA, Дармштадт, поставщику ЖК-веществ. Вскоре после этого в 1992 году инженеры Hitachi проработали различные практические детали технологии IPS, позволяющие соединить матрицу тонкопленочных транзисторов в виде матрицы и избежать нежелательных паразитных полей между пикселями. [68] [69] Первый настенный ЖК-телевизор был представлен корпорацией Sharp в 1992 году . [70]
Hitachi также дополнительно улучшила зависимость угла обзора за счет оптимизации формы электродов ( Super IPS ). NEC и Hitachi стали первыми производителями ЖК-дисплеев с активной матрицей на основе технологии IPS. Это важная веха на пути внедрения широкоэкранных ЖК-дисплеев, имеющих приемлемые визуальные характеристики для плоских компьютерных мониторов и телевизионных экранов. В 1996 году компания Samsung разработала метод оптического формирования рисунка, позволяющий создавать многодоменные ЖК-дисплеи. Многодоменная технология и плоскостное переключение впоследствии оставались доминирующими конструкциями ЖК-дисплеев до 2006 года. [71] В конце 1990-х годов индустрия ЖК-дисплеев начала перемещаться из Японии в Южную Корею и Тайвань , [62] а затем в Китай.
В 2007 году качество изображения ЖК-телевизоров превзошло качество изображения телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). [72] В четвертом квартале 2007 года ЖК-телевизоры впервые превзошли ЭЛТ-телевизоры по мировым продажам. [73] По данным Displaybank, ЖК-телевизоры будут составлять 50% из 200 миллионов телевизоров, которые будут поставлены по всему миру в 2006 году. [74] [75]
В октябре 2011 года Toshiba объявила о разрешении 2560 × 1600 пикселей на 6,1-дюймовой (155 мм) ЖК-панели, подходящей для использования в планшетном компьютере [76] , особенно для отображения китайских символов. В 2010-е годы также широкое распространение получила технология TGP (Tracking Gate-line in Pixel), которая перемещает схему управления от границ дисплея к промежуткам между пикселями, что позволяет использовать узкие рамки. [77]
В 2016 году Panasonic разработала ЖК-дисплеи IPS с коэффициентом контрастности 1 000 000: 1, конкурирующие с OLED. Позже эта технология была запущена в массовое производство в виде двухслойных, двухпанельных ЖК-дисплеев или ЖК-дисплеев LMCL (светомодулирующий слой ячеек). В технологии используются два жидкокристаллических слоя вместо одного и могут использоваться вместе с мини-светодиодной подсветкой и листами квантовых точек. [78] [79]
Поскольку ЖК-дисплеи не производят собственного света, для создания видимого изображения им требуется внешний свет. [80] [81] В ЖК-дисплеях пропускающего типа источник света расположен в задней части стеклянной панели и называется подсветкой . ЖК-дисплеи с активной матрицей почти всегда имеют подсветку. [82] [83] Пассивные ЖК-дисплеи могут иметь заднюю подсветку, но многие из них являются отражающими, поскольку в них используется отражающая поверхность или пленка на задней стороне стеклянной стопки для использования окружающего света. Трансфлективные ЖК-дисплеи сочетают в себе функции пропускающего дисплея с подсветкой и отражающего дисплея.
Распространенными реализациями технологии подсветки ЖК-дисплея являются:
Сегодня большинство ЖК-экранов проектируются со светодиодной подсветкой вместо традиционной подсветки CCFL, при этом 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 расширенным динамическим диапазоном или FLAD , затемнение всей области локальной области). ). [90] [91] [87]
Системы подсветки ЖК-дисплея становятся высокоэффективными за счет применения оптических пленок, таких как призматическая структура (призменный лист), для направления света в желаемых направлениях зрителя, и отражающих поляризационных пленок, которые повторно используют поляризованный свет, который ранее был поглощен первым поляризатором ЖК-дисплея ( изобретенные исследователями Philips Адрианусом де Вааном и Паулюсом Шаареманом), [92] обычно достигаемые с использованием так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых 3M. [93] Улучшенные версии призменного листа имеют волнистую, а не призматическую структуру, и вводят волны в структуру листа по бокам, одновременно изменяя высоту волн, направляя еще больше света на экран и уменьшая наложение или муар между структура призматического листа и субпикселей ЖК-дисплея. Волнистую структуру легче производить серийно, чем призматическую, с использованием обычных алмазных станков, которые используются для изготовления роликов, используемых для впечатывания волнистой структуры в пластиковые листы, таким образом производя листы призм. [94] Лист рассеивателя размещается по обеим сторонам призматического листа, чтобы сделать свет задней подсветки равномерным, а за светопроводящей пластиной размещается зеркало, чтобы направлять весь свет вперед. Лист призмы с листами рассеивателя размещается поверх световодной пластины. [95] [84] Поляризаторы DBEF состоят из большого пакета одноосноориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают прежнюю поглощенную моду поляризации света. [96] Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосно-ориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (двулучепреломляющие полимеры или двулучепреломляющий клей), изобретены в 1989 году исследователями Philips Дирком Броером, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. [97] Сочетание таких отражающих поляризаторов и светодиодного динамического управления подсветкой [87] делает современные ЖК-телевизоры гораздо более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к мировой экономии энергии в размере 600 ТВтч (2017 г.), что соответствует 10% потребление электроэнергии всеми домохозяйствами во всем мире или в 2 раза превышает производство энергии всеми солнечными батареями в мире. [98] [99]
Экран стандартного 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, пересекающими весь экран с одной стороны экрана, и горизонтальными проводами, пересекающими весь экран с другой стороны экрана. С этой сеткой 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 цвета и 1920 столбцов пикселей для каждого цвета, всего 5760 проводов, идущих вертикально, и 1080 рядов проводов, идущих горизонтально. Для панели шириной 28,8 дюйма (73 сантиметра) это означает плотность проводов 200 проводов на дюйм вдоль горизонтального края.
ЖК-панель питается от драйверов ЖК-дисплея, которые на заводе тщательно согласованы с краем ЖК-панели. Драйверы можно установить несколькими способами, наиболее распространенными из которых являются COG (чип-на-стекле) и TAB ( автоматическое склеивание на ленте ). Эти же принципы применимы и к экранам смартфонов, которые намного меньше экранов телевизоров. [100] [101] [102] В ЖК-панелях обычно используются металлические проводящие дорожки с тонким покрытием на стеклянной подложке для формирования схемы элемента, обеспечивающей работу панели. Обычно невозможно использовать методы пайки для прямого подключения панели к отдельной плате с травлением меди. Вместо этого соединение осуществляется с использованием анизотропной проводящей пленки или, при более низкой плотности, эластомерных соединителей .
Монохромные и более поздние цветные ЖК -дисплеи с пассивной матрицей были стандартными для большинства ранних ноутбуков (хотя некоторые использовали плазменные дисплеи [103] [104] ) и оригинального Nintendo Game Boy [105] до середины 1990-х годов, когда цветная активная матрица стала стандартом. на всех ноутбуках. Коммерчески неудачный Macintosh Portable (выпущенный в 1989 году) был одним из первых, в котором использовался дисплей с активной матрицей (хотя он 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 необходимо отображать меньше информации, желательно наименьшее энергопотребление (без подсветки ) и низкую стоимость или необходима читаемость под прямыми солнечными лучами.
В дисплеях со структурой пассивной матрицы используется технология сверхскрученного нематического STN (изобретена Исследовательским центром Брауна Бовери, Баден, Швейцария, в 1983 году; научные подробности были опубликованы [106] ) или технология двухслойного STN (DSTN) (последняя из который решает проблему смещения цвета в первом) и color-STN (CSTN), в котором цвет добавляется с помощью внутреннего цветового фильтра. ЖК-дисплеи STN оптимизированы для адресации с пассивной матрицей. Они имеют более резкий порог зависимости контрастности от напряжения, чем оригинальные ЖК-дисплеи TN. Это важно, поскольку пиксели подвергаются частичному напряжению, даже если они не выбраны. Перекрестные помехи между активированными и неактивированными пикселями необходимо корректировать, поддерживая среднеквадратичное напряжение неактивированных пикселей ниже порогового напряжения, как это обнаружил Питер Дж. Уайлд в 1972 году [107] , в то время как активированные пиксели подвергаются воздействию напряжений выше порогового ( напряжения по схеме привода «Альт и Плешко»). [108] Управление такими STN-дисплеями по схеме привода Альта и Плешко требует очень высоких напряжений адресации линии. Вельцен и де Ваан изобрели альтернативную схему привода (схема привода, отличная от «Альт и Плешко»), требующую гораздо более низкого напряжения, так что дисплей STN мог управляться с использованием низковольтных КМОП-технологий. [56] ЖК-дисплеи «белое на синем» относятся к STN и могут использовать синий поляризатор или двойное лучепреломление, что придает им особый внешний вид. [109] [110] [111]
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 , поскольку 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, работающих по схеме привода «Альт и Плешко». Велцен и де Ваан также изобрели схему привода без среднеквадратического значения, позволяющую управлять дисплеями STN со скоростью видео и показывать плавное движущееся видеоизображение на дисплее STN. [ нужна цитация ] Компания Citizen, среди прочих, лицензировала эти патенты и успешно представила на рынке несколько карманных ЖК-телевизоров на базе STN. [ нужна цитата ]
Бистабильные ЖК-дисплеи не требуют постоянного обновления. Перезапись требуется только для изменения информации об изображении. В 1984 году Х.А. ван Спранг и AJSM де Ваан изобрели дисплей типа STN, который мог работать в бистабильном режиме, позволяя получать изображения чрезвычайно высокого разрешения (до 4000 строк и более) при использовании только низкого напряжения. [112] Поскольку пиксель может находиться либо во включенном, либо в выключенном состоянии в тот момент, когда в этот конкретный пиксель необходимо записать новую информацию, метод адресации этих бистабильных дисплеев довольно сложен, и это причина, по которой эти дисплеи были не попал на рынок. Ситуация изменилась, когда в 2010 году стали доступны ЖК-дисплеи с «нулевым энергопотреблением» (бистабильные). Потенциально пассивно-матричную адресацию можно использовать с устройствами, если их характеристики записи/стирания подходят, как это было в случае с электронными книгами, которым необходимо отображать только неподвижные изображения. После того, как страница записана на дисплей, дисплей может быть отключен от питания, сохраняя при этом читаемые изображения. Преимущество этого заключается в том, что такие электронные книги могут работать в течение длительных периодов времени с питанием только от небольшой батареи.
Цветные дисплеи высокого разрешения , такие как современные компьютерные ЖК-мониторы и телевизоры, используют структуру активной матрицы . К электродам, контактирующим с слоем LC, добавляется матрица тонкопленочных транзисторов (TFT). Каждый пиксель имеет свой собственный выделенный транзистор , позволяющий каждой строке столбца получать доступ к одному пикселю. Когда выбрана линия строки, все строки столбца соединяются с строкой пикселей, и на все строки столбца подаются напряжения, соответствующие информации изображения. Затем строка строки деактивируется и выбирается следующая строка строки. Все строки строк выбираются последовательно во время операции обновления . Дисплеи с адресной активной матрицей выглядят ярче и четче, 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, которым для поддержания изображения требуется лишь небольшое количество энергии. [113]
Сегментные ЖК-дисплеи также могут иметь цвет с помощью последовательного цвета полей (FSC LCD). Этот вид дисплеев имеет высокоскоростную пассивную сегментную ЖК-панель с RGB-подсветкой. Подсветка быстро меняет цвет, делая ее невооруженным глазом белой. ЖК-панель синхронизирована с подсветкой. Например, чтобы сегмент выглядел красным, он включается только тогда, когда подсветка красная, а чтобы сегмент выглядел пурпурным, сегмент включается, когда подсветка синяя, и продолжает оставаться включенным, пока подсветка включена. становится красным и выключается, когда подсветка становится зеленой. Чтобы сегмент выглядел 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. Благодаря постоянству зрения три монохроматических изображения кажутся одним цветным. 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. [114] [115] ЖК-дисплеи FSC содержат микросхему драйвера «чип на стекле», которую также можно использовать с емкостным сенсорным экраном.
Samsung представила дисплеи UFB (Ultra Fine & Bright) еще в 2002 году, в которых использовался эффект супердвойного лучепреломления. По словам Samsung, он имеет яркость, цветовую гамму и большую часть контрастности TFT-LCD, но потребляет столько же энергии, сколько STN-дисплей. Он использовался во многих моделях сотовых телефонов Samsung, выпускавшихся до конца 2006 года, когда Samsung прекратила производство дисплеев UFB. UFB-дисплеи также использовались в некоторых моделях мобильных телефонов LG.
Скрученные нематические дисплеи содержат жидкие кристаллы, которые скручиваются и раскручиваются в разной степени, пропуская свет. Когда к жидкокристаллической ячейке TN не приложено напряжение, поляризованный свет проходит через скрученный на 90 градусов ЖК-слой. Пропорционально приложенному напряжению жидкие кристаллы раскручиваются, меняя поляризацию и блокируя путь света. Путем правильной регулировки уровня напряжения можно достичь практически любого уровня серого или передачи.
Плоскостное переключение — это технология ЖК-дисплеев, которая выравнивает жидкие кристаллы в плоскости, параллельной стеклянным подложкам. В этом методе электрическое поле прикладывается через противоположные электроды на одной и той же стеклянной подложке, так что жидкие кристаллы можно переориентировать (переключить) практически в одной плоскости, хотя краевые поля препятствуют однородной переориентации. Для этого требуется два транзистора на каждый пиксель вместо одного транзистора, необходимого для стандартного дисплея на тонкопленочных транзисторах (TFT). Технология IPS используется во всем: от телевизоров, компьютерных мониторов и даже носимых устройств, особенно почти все ЖК-панели смартфонов имеют режим IPS/FFS. Дисплеи IPS относятся к типам экранов семейства ЖК-панелей. Два других типа — VA и TN. До того, как LG Enhanced IPS был представлен компанией Hitachi в 2001 году в качестве 17-дюймового монитора на рынке, дополнительные транзисторы приводили к блокированию большей зоны передачи, что требовало более яркой подсветки и потребления большего количества энергии, что делало этот тип дисплея менее желательным для ноутбуков. Panasonic Himeji В G8.5 использовалась расширенная версия IPS, также LGD в Корее, тогда как в настоящее время крупнейший в мире производитель ЖК-панелей BOE в Китае также использует телевизионные панели с режимом IPS/FFS.
Позже, после плоскостного переключения, был представлен Super-IPS с еще лучшим временем отклика и цветопередачей. [116]
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 технологию панели IPS. [117]
Большая часть новой технологии M+ была использована в телевизорах 4K, что вызвало разногласия 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. Позже СМИ и интернет-пользователи прозвали эти телевизоры «RGBW» из-за белого субпикселя. Хотя LG Display разработала эту технологию для использования в дисплеях ноутбуков, на открытом воздухе и в смартфонах, она стала более популярной на рынке телевизоров, поскольку заявленное разрешение 4K UHD, но все еще неспособно достичь истинного разрешения UHD, определенного CTA как 3840x2160 активных пикселей с 8 -битный цвет. Это негативно влияет на рендеринг текста, делая его немного более размытым, что особенно заметно при использовании телевизора в качестве монитора ПК. [118] [119] [120] [121]
В 2011 году компания LG заявила, что смартфон LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) имеет яркость до 700 нит , тогда как у конкурента есть только IPS LCD с яркостью 518 нит и двойной OLED-дисплей с активной матрицей (AMOLED) с яркостью 305 нит. . LG также заявила, что дисплей NOVA на 50 процентов более эффективен, чем обычные ЖК-дисплеи, и потребляет только 50 процентов энергии дисплеев AMOLED при воспроизведении белого цвета на экране. [122] Что касается контрастности, дисплей AMOLED по-прежнему работает лучше всего благодаря своей базовой технологии, где 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 имел слой Clearblack от Nokia, улучшающий коэффициент контрастности и приближающий его к экранам AMOLED.
Известный до 2003 года как переключение краевого поля (FFS), [123] усовершенствованное переключение краевого поля похоже на IPS или S-IPS, предлагая превосходную производительность и цветовую гамму с высокой яркостью. AFFS был разработан компанией Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (ранее Hyundai Electronics, LCD Task Force). [124] Приложения для ноутбуков, применяющие AFFS, минимизируют искажения цвета, сохраняя при этом более широкий угол обзора для профессионального дисплея. Цветовой сдвиг и отклонение, вызванные утечкой света, корректируются путем оптимизации белой гаммы, что также улучшает воспроизведение белого/серого. В 2004 году компания Hydis Technologies Co., Ltd передала лицензию на AFFS японской компании Hitachi Displays. Hitachi использует AFFS для производства высококачественных панелей. В 2006 году компания HYDIS передала лицензию на AFFS компании Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Вскоре после этого компания Hydis представила усовершенствованную версию дисплея AFFS с высоким коэффициентом пропускания, получившую название HFFS (FFS+). В 2007 году компания Hydis представила AFFS+ с улучшенной читаемостью на открытом воздухе. Панели AFFS в основном используются в кабинах новейших дисплеев коммерческих самолетов. Однако по состоянию на февраль 2015 года он больше не производится. [125] [126] [127]
Дисплеи с вертикальным выравниванием — это разновидность ЖК-дисплеев, в которых жидкие кристаллы естественным образом располагаются вертикально относительно стеклянной подложки. Когда напряжение не прикладывается, жидкие кристаллы остаются перпендикулярно подложке, создавая черный экран между скрещенными поляризаторами. При подаче напряжения жидкие кристаллы смещаются в наклонное положение, позволяя свету проходить сквозь них, и создают отображение в оттенках серого в зависимости от величины наклона, создаваемого электрическим полем. Он имеет более глубокий черный фон, более высокий коэффициент контрастности, более широкий угол обзора и лучшее качество изображения при экстремальных температурах, чем традиционные дисплеи с витым нематиком. [128] По сравнению с IPS уровни черного все еще глубже, что обеспечивает более высокий коэффициент контрастности, но угол обзора уже, при этом смещение цвета и особенно контрастности становится более заметным. [129]
ЖК-дисплеи с режимом синей фазы были показаны как инженерные образцы в начале 2008 года, но в массовое производство они не поступили. Физика ЖК-дисплеев с режимом синей фазы предполагает, что может быть достигнуто очень короткое время переключения (≈1 мс), поэтому возможно реализовать последовательное управление цветом по времени, а дорогие цветные фильтры станут устаревшими. [ нужна цитата ]
Некоторые ЖК-панели имеют дефектные транзисторы , в результате чего пиксели постоянно светятся или не горят, что обычно называется застрявшими пикселями или битыми пикселями соответственно. В отличие от интегральных схем (ИС), ЖК-панели с несколькими неисправными транзисторами обычно все еще можно использовать. Политика производителей в отношении допустимого количества дефектных пикселей сильно различается. В какой-то момент Samsung проводила политику абсолютной нетерпимости к ЖК-мониторам, продаваемым в Корее. [130] С 2005 года [обновлять]компания Samsung придерживается менее строгого стандарта ISO 13406-2 . [131] Известно, что другие компании терпят до 11 битых пикселей в своих политиках. [132]
Политика использования битых пикселей часто является предметом горячих споров 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 пикселей. дефекты. Однако не каждый производитель ЖК-дисплеев соответствует стандарту ISO, и стандарт ISO довольно часто интерпретируется по-разному. ЖК-панели имеют больше дефектов, чем большинство микросхем, из-за их большего размера. [133]
Некоторые производители, особенно в Южной Корее, где расположены крупнейшие производители ЖК-панелей, такие как LG, теперь имеют гарантию отсутствия дефектных пикселей, что представляет собой дополнительный процесс проверки, который затем может определить категории «A» и «B». «Панели класса «-». [ оригинальное исследование? ] Многие производители готовы заменить товар даже с одним дефектным пикселем. Даже там, где таких гарантий нет, важно расположение дефектных пикселей. Дисплей всего с несколькими дефектными пикселями может оказаться неприемлемым, если дефектные пиксели расположены рядом друг с другом. ЖК-панели также часто имеют дефект, известный как помутнение , эффект грязного экрана или, реже, мура , который включает в себя неравномерные участки яркости на панели. Это наиболее заметно в темных или черных областях отображаемых сцен. [134] По состоянию на 2010 год [обновлять]большинство производителей компьютерных ЖК-панелей премиум-класса указывают, что их продукция не имеет дефектов.
Зенитное бистабильное устройство (ZBD), разработанное Qinetiq (ранее DERA ), может сохранять изображение без питания. Кристаллы могут существовать в одной из двух стабильных ориентаций («черная» и «белая»), и энергия требуется только для изменения изображения. ZBD Displays — это дочерняя компания QinetiQ, которая производит как полутоновые, так и цветные устройства ZBD. Компания Kent Displays также разработала энергонезависимый дисплей, в котором используются стабилизированные полимером холестерические жидкие кристаллы (ChLCD). В 2009 году Кент продемонстрировал использование ChLCD для покрытия всей поверхности мобильного телефона, что позволяет ему менять цвета и сохранять этот цвет даже при отключении питания. [135]
В 2004 году исследователи из Оксфордского университета продемонстрировали два новых типа бистабильных ЖК-дисплеев с нулевой мощностью, основанных на бистабильных методах Zenithal. [136] Некоторые бистабильные технологии, такие как 360° BTN и бистабильный холестерик, зависят главным образом от объемных свойств жидкого кристалла (ЖК) и используют стандартное сильное закрепление с выравнивающими пленками и смесями ЖК, аналогичными традиционным моностабильным материалам. Другие бистабильные технологии, например , технология BiNem, основаны главным образом на свойствах поверхности и требуют использования специальных материалов со слабым сцеплением.
Некоторые из этих проблем связаны с полноэкранными дисплеями, другие — с небольшими дисплеями, например на часах, и т. д. Многие сравнения проводятся с ЭЛТ-дисплеями.
В жидкокристаллических дисплеях используются несколько различных семейств жидких кристаллов. Используемые молекулы должны быть анизотропными и проявлять взаимное притяжение. Распространены поляризующиеся молекулы стержнеобразной формы ( бифенилы , терфенилы и др.). Распространенной формой является пара ароматических бензольных колец с неполярной группой (пентил, гептил, октил или алкилоксигруппа) на одном конце и полярной (нитрил, галоген) на другом. Иногда бензольные кольца разделены ацетиленовой группой, этиленовой, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO или сложноэфирной группой. На практике для достижения более широкого диапазона рабочих температур используются эвтектические смеси нескольких химикатов (-10..+60 °C для дисплеев низкого класса и -20..+100 °C для высокопроизводительных дисплеев). Например, смесь Е7 состоит из трех бифенилов и одного терфенила: 39 мас.% 4'-пентил[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон 24..35 °С), 36 мас.% % 4'-гептил[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон 30..43 °С), 16 мас.% 4'-октокси[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон 54..80°С) и 9 мас.% 4 -пентил[1,1':4',1 -терфенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон 131..240°С). [153]
В производстве ЖК-экранов используется трифторид азота (NF 3 ) в качестве травильной жидкости при производстве тонкопленочных компонентов. NF 3 является мощным парниковым газом , и его относительно длительный период полураспада может сделать его потенциально вредным фактором глобального потепления . В отчете Geophysical Research Letters говорится, что его последствия теоретически намного сильнее, чем у более известных источников парниковых газов, таких как углекислый газ . Поскольку в то время NF 3 не получил широкого распространения, он не был включен в Киотские протоколы и считался «недостающим парниковым газом». [154]
Критики отчета отмечают, что он предполагает, что весь произведенный NF 3 будет выброшен в атмосферу. На самом деле подавляющее большинство NF 3 расщепляется в процессе очистки; два более ранних исследования показали, что только от 2 до 3% газа не разрушается после его использования. [155] Более того, в отчете не удалось сравнить эффекты NF 3 с тем, что он заменил, перфторуглеродом , еще одним мощным парниковым газом, от 30 до 70% которого при обычном использовании выбрасывается в атмосферу. [155]
