Жидкокристаллический дисплей ( ЖКД ) — это плоский дисплей или другое электронно-модулированное оптическое устройство , которое использует светомодулирующие свойства жидких кристаллов в сочетании с поляризаторами для отображения информации. Жидкие кристаллы не излучают свет напрямую [1] , а вместо этого используют подсветку или отражатель для создания цветных или монохромных изображений . [2]
ЖК-дисплеи могут отображать произвольные изображения (как на дисплее компьютера общего назначения) или фиксированные изображения с низким содержанием информации, которые могут быть отображены или скрыты: предустановленные слова, цифры и семисегментные дисплеи (как в цифровых часах) — все это 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 позитивный ЖК-дисплей с подсветкой имеет черные буквы на фоне, который является цветом подсветки, а символьный негативный ЖК-дисплей имеет черный фон с буквами того же цвета, что и подсветка.
ЖК-дисплеи используются в широком спектре приложений, включая ЖК-телевизоры , компьютерные мониторы , приборные панели , дисплеи кабины самолета , а также внутренние и наружные вывески. Небольшие ЖК-экраны 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) почти во всех приложениях.
ЖК-дисплеи не подвержены выгоранию экрана, как ЭЛТ. Однако ЖК-дисплеи все еще подвержены остаточному изображению . [3]
Каждый пиксель ЖК-дисплея обычно состоит из слоя молекул, выровненных между двумя прозрачными электродами , часто изготовленными из оксида индия и олова (ITO) и двух поляризационных фильтров (параллельных и перпендикулярных поляризаторов), оси пропускания которых (в большинстве случаев) перпендикулярны друг другу. Без жидкого кристалла между поляризационными фильтрами свет, проходящий через первый фильтр, блокировался бы вторым (скрещенным) поляризатором. До приложения электрического поля ориентация молекул жидкого кристалла определяется выравниванием на поверхностях электродов. В скрученном нематическом (TN) устройстве 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 вращается при прохождении через слой жидкого кристалла. Этот свет затем будет в основном поляризован перпендикулярно второму фильтру и, таким образом, будет заблокирован, а пиксель будет казаться черным. Управляя напряжением, приложенным к жидкокристаллическому слою в каждом пикселе, можно позволить свету проходить в разных количествах, таким образом составляя различные уровни серого.
Химическая формула жидких кристаллов, используемых в ЖК-дисплеях, может различаться. Формулы могут быть запатентованы. [4] Примером может служить смесь 2-(4-алкоксифенил)-5-алкилпиримидина с цианобифенилом, запатентованная Merck and Sharp Corporation . Патент, который покрывал эту конкретную смесь, истек. [5]
Большинство цветных ЖК-систем используют одну и 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 затем склеиваются с другими стеклянными листами, содержащими матрицу тонкопленочных транзисторов (TFT), прокладки и жидкий кристалл, создавая несколько цветных ЖК-дисплеев, которые затем разрезаются друг от друга и ламинируются листами поляризатора. Для создания цветных фильтров используются фоторезисты красного, зеленого, синего и черного цветов. Все резисты содержат тонко измельченный порошкообразный пигмент с частицами размером всего 40 нанометров в поперечнике. Первым наносится черный резист; это создаст черную сетку (известную в отрасли как черная матрица), которая отделит 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 высушен в печи и подвергнут воздействию УФ-излучения через фотошаблон, неэкспонированные области смываются, создавая черную сетку. Затем тот же процесс повторяется с оставшимися резистами. Это заполняет отверстия в черной сетке соответствующими цветными резистами. [7] [8] [9] Черные матрицы, изготовленные в 1980-х и 1990-х годах, когда большая часть цветного производства ЖК-дисплеев предназначалась для ноутбуков, изготавливались из хрома из-за его высокой непрозрачности, но из-за экологических проблем производители перешли на черный фоторезист с углеродным пигментом в качестве материала черной матрицы. [10] [11] [12] Другой метод генерации цвета, используемый в ранних цветных КПК и некоторых калькуляторах, был реализован путем изменения напряжения в сверхскрученном нематическом ЖК-дисплее, где переменное скручивание между плотно расположенными пластинами вызывает переменное двойное преломление , тем самым изменяя оттенок. [13] Обычно они были ограничены 3 цветами на пиксель: оранжевый, зеленый и синий. [14]
Оптический эффект устройства TN в состоянии включенного напряжения гораздо меньше зависит от изменений толщины устройства, чем в состоянии выключенного напряжения. Из-за этого дисплеи TN с низким информационным содержанием 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 эпохи 2010 года используются в телевизорах, мониторах и смартфонах, они имеют матрицы пикселей высокого разрешения для отображения произвольных изображений с использованием подсветки с темным фоном. Когда изображение не отображается, используются другие расположения. 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 . Как жидкокристаллический материал, так и материал выравнивающего слоя содержат ионные соединения . Если электрическое поле одной определенной полярности применяется в течение длительного периода времени, этот ионный материал притягивается к поверхностям и ухудшает работу устройства. Этого можно избежать либо применением переменного тока , либо изменением полярности электрического поля при обращении к устройству (реакция слоя жидких кристаллов одинакова, 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. [15] Напротив, полные алфавитно-цифровые или переменные графические дисплеи обычно реализуются с пикселями, расположенными в виде матрицы, состоящей из электрически соединенных строк на одной стороне слоя LC и столбцов на другой стороне, что позволяет адресовать каждый пиксель на пересечениях. Общий метод матричной адресации состоит в последовательной адресации одной стороны матрицы, например, путем выбора строк по одной и применения информации об изображении на другой стороне в столбцах строка за строкой. Подробности о различных схемах матричной адресации см. в пассивно-матричной и активно-матричной адресуемой ЖК-дисплеях.
ЖК-дисплеи производятся в чистых помещениях, заимствуя технологии из полупроводникового производства и используя большие листы стекла, размер которых увеличился с течением времени. 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 более крупные дисплеи, как и при увеличении размеров пластин в полупроводниковом производстве. Размеры стекла следующие:
До Gen 8 производители не договаривались о едином размере стекла, и в результате разные производители использовали немного разные размеры стекла для одного и того же поколения. Некоторые производители приняли листы стекла Gen 8.6, которые лишь немного больше, чем Gen 8.5, что позволяет производить больше 50- и 58-дюймовых ЖК-дисплеев на одно стекло, особенно 58-дюймовых ЖК-дисплеев, в этом случае на стекле Gen 8.6 можно производить 6 штук против всего 3 на стекле Gen 8.5, что значительно сокращает отходы. [22] Толщина стекла также увеличивается с каждым поколением, поэтому большие размеры стекла лучше подходят для больших дисплеев. Модуль ЖК-дисплея (LCM) — это готовый к использованию ЖК-дисплей с подсветкой. Таким образом, завод, который производит модули ЖК-дисплеев, не обязательно производит ЖК-дисплеи, он может только собирать их в модули. Стеклянные подложки ЖК-дисплеев производятся такими компаниями, как AGC Inc. , Corning Inc. и Nippon Electric Glass .
Происхождение и сложная история жидкокристаллических дисплеев с точки зрения инсайдера в ранние дни были описаны Джозефом А. Кастеллано в книге « Жидкое золото: история жидкокристаллических дисплеев и создание отрасли» . [7] Другой отчет о происхождении и истории ЖК-дисплеев с другой точки зрения до 1991 года был опубликован Хироши Кавамото, он доступен в IEEE History Center. [27] Описание швейцарского вклада в развитие ЖК-дисплеев, написанное Питером Дж. Уайлдом , можно найти в Engineering and Technology History Wiki . [28]
В 1888 году [29] Фридрих Райнитцер (1858–1927) открыл жидкокристаллическую природу холестерина, извлеченного из моркови (то есть две точки плавления и образование цветов) и опубликовал свои выводы. [30] В 1904 году Отто Леманн опубликовал свою работу «Flüssige Kristalle» (Жидкие кристаллы). В 1911 году Шарль Моген впервые провел эксперименты с жидкими кристаллами, заключенными между пластинами в тонких слоях.
В 1922 году Жорж Фридель описал структуру и свойства жидких кристаллов и классифицировал их на три типа (нематики, смектики и холестерики). В 1927 году Всеволод Фредерикс изобрел электрически переключаемый световой клапан, названный переходом Фредерикса , существенный эффект всей технологии ЖК-дисплеев. В 1936 году компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала первое практическое применение технологии, «Жидкокристаллический световой клапан» . В 1962 году первая крупная публикация на английском языке «Молекулярная структура и свойства жидких кристаллов » была опубликована доктором Джорджем У. Греем . [31] В 1962 году Ричард Уильямс из RCA обнаружил, что жидкие кристаллы обладают некоторыми интересными электрооптическими характеристиками, и он реализовал электрооптический эффект, генерируя полосатые узоры в тонком слое жидкокристаллического материала путем приложения напряжения. Этот эффект основан на электрогидродинамической нестабильности, образующей то, что сейчас называется «доменами Уильямса» внутри жидкого кристалла. [32]
Основываясь на ранних МОП-транзисторах , Пол К. Ваймер из RCA в 1962 году разработал тонкопленочный транзистор (TFT). [33] Это был тип МОП-транзистора, отличный от стандартного объемного МОП-транзистора. [34]
В 1964 году Джордж Х. Хейлмейер , работавший в лабораториях RCA над эффектом, открытым Ричардом Уильямсом, добился переключения цветов путем индуцированной полем перестройки дихроичных красителей в гомеотропно ориентированном жидком кристалле. Практические проблемы с этим новым электрооптическим эффектом заставили Хейлмейера продолжить работу над эффектами рассеяния в жидких кристаллах и, наконец, создать первый рабочий жидкокристаллический дисплей, основанный на том, что он назвал динамическим режимом рассеяния (DSM). Приложение напряжения к дисплею DSM переключает изначально чистый прозрачный слой жидкого кристалла в молочно-мутное состояние. Дисплеи DSM могли работать в пропускающем и отражающем режиме, но для их работы требовался значительный ток. [35] [36] [37] [38] Джордж Х. Хейлмейер был включен в Национальный зал славы изобретателей [39] и ему приписывают изобретение ЖК-дисплеев. Работа Хейлмейера является важной вехой IEEE . [40]
В конце 1960-х годов новаторская работа по жидким кристаллам была предпринята Королевским радиолокационным учреждением Великобритании в Малверне , Англия. Команда RRE поддержала продолжающуюся работу Джорджа Уильяма Грея и его команды в Университете Халла , которые в конечном итоге открыли цианобифениловые жидкие кристаллы, которые имели правильную стабильность и температурные свойства для применения в ЖК-дисплеях. [41]
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была задумана Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. [42] Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году с помощью ЖК-дисплея с матрицей 18x2 и динамическим режимом рассеяния (DSM), в котором использовались стандартные дискретные МОП-транзисторы . [43]
4 декабря 1970 года патент на эффект скрученного нематического поля (TN) в жидких кристаллах был подан компанией Hoffmann-LaRoche в Швейцарии (швейцарский патент № 532 261, архивировано 9 марта 2021 года в Wayback Machine ), а изобретателями были указаны Вольфганг Хельфрих и Мартин Шадт (тогда работавший в Центральных исследовательских лабораториях). [35] Компания 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 выпустила первые цифровые кварцевые наручные часы с TN-LCD и множество других продуктов. Джеймс Фергасон , работая с Сардари Аророй и Альфредом Саупе в Институте жидких кристаллов Кентского государственного университета , подал идентичный патент в Соединенных Штатах 22 апреля 1971 года. [44] В 1971 году компания Фергасона, ILIXCO (теперь LXD Incorporated ), выпустила ЖК-дисплеи на основе TN-эффекта, которые вскоре вытеснили некачественные типы DSM благодаря улучшениям в виде более низких рабочих напряжений и более низкого энергопотребления. Тетсуро Хама и Изухико Нисимура из Seiko получили патент США от февраля 1971 года на электронные наручные часы, включающие TN-LCD. [45] 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 дисплея с активной матрицей тонкопленочных транзисторов (TFT) была прототипирована в Соединенных Штатах командой Т. Питера Броди в Westinghouse , в Питтсбурге, штат Пенсильвания . [46] В 1973 году Броди, JA Asars и GD Dixon в Westinghouse Research Laboratories продемонстрировали первый жидкокристаллический дисплей с тонкой пленкой транзисторов (TFT LCD). [47] [48] По состоянию на 2013 год [update]все современные высококачественные электронные визуальные устройства отображения с высоким разрешением используют дисплеи с активной матрицей на основе TFT . [49] Броди и Фан-Чен Ло продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) в 1974 году, а затем Броди ввел термин «активная матрица» в 1975 году. [42]
В 1972 году компания North American Rockwell Microelectronics Corp. представила использование ЖК-дисплеев DSM для калькуляторов для маркетинга Lloyds Electronics Inc., хотя для них требовался внутренний источник света для освещения. [50] В 1973 году компания Sharp Corporation выпустила ЖК-дисплеи DSM для карманных калькуляторов [51] , а затем в 1975 году начала массовое производство ЖК-дисплеев TN для часов. [52] Вскоре другие японские компании заняли лидирующие позиции на рынке наручных часов, например, Seiko с ее первыми 6-разрядными кварцевыми наручными часами TN-LCD и Casiotron от Casio . Цветные ЖК-дисплеи, основанные на взаимодействии «гость-хост», были изобретены командой RCA в 1968 году. [53] Конкретный 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, [54] а затем усовершенствованный Фумиаки Фунадой и Масатакой Мацуурой в декабре 1975 года. [55] ЖК-дисплеи TFT, похожие на прототипы, разработанные командой Westinghouse в 1972 году, были запатентованы в 1976 году командой Sharp, состоящей из Фумиаки Фунады, Масатаки Мацууры и Томио Вады, [56] а затем усовершенствованные в 1977 году командой Sharp, состоящей из Кохеи Киши, Хиросаку Нономуры, Кэйитиро Симидзу и Томио Вады. [57] Однако эти TFT-LCD 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), Швейцария , изобрели структуру суперскрученного нематика (STN) для ЖК-дисплеев с пассивной матричной адресацией. Х. Амштуц и др. были указаны в качестве изобретателей в соответствующих патентных заявках, поданных в Швейцарии 7 июля 1983 года и 28 октября 1983 года. Патенты были выданы в Швейцарии CH 665491, Европе EP 0131216, [58] патент США 4 634 229 и во многих других странах. В 1980 году Brown Boveri основала совместное предприятие Videlec с голландской компанией Philips с долевым участием 50/50. [59] Philips обладала необходимыми знаниями и опытом для проектирования и создания 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 продуктов hi-fi, видеооборудования 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, обеспечив высокое разрешение, высокое качество и плавное движение видеоизображений на STN-LCD. [ необходима цитата ] В 1985 году изобретатели Philips Теодорус Вельцен и Адрианус де Ваан решили проблему управления STN-LCD высокого разрешения с помощью низковольтной (на основе КМОП) электроники привода, что позволило применять высококачественные (высокое разрешение и скорость видео) ЖК-панели в портативных продуктах с батарейным питанием, таких как ноутбуки и мобильные телефоны. [60] В 1985 году Philips приобрела 100% компании Videlec AG, базирующейся в Швейцарии. После этого Philips перенесла производственные линии Videlec в Нидерланды. Спустя годы компания Philips успешно производила и продавала готовые модули (состоящие из ЖК-экрана, микрофона, динамиков и т. д.) в больших объемах для бурно 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 цветных карманных ЖК-телевизоров. [61] В 1982 году Seiko Epson выпустила первый ЖК-телевизор, Epson TV Watch, наручные часы, оснащенные небольшим ЖК-телевизором с активной матрицей. [62] [63] Sharp Corporation представила точечно-матричный TN-LCD в 1983 году. [52] В 1984 году Epson выпустила ET-10, первый полноцветный карманный ЖК-телевизор. [64] В том же году Citizen Watch , [65] представила Citizen Pocket TV, [61] 2,7-дюймовый цветной ЖК-телевизор, [65] с первым коммерческим TFT LCD . [61] В 1988 году Sharp продемонстрировала 14-дюймовый, активно-матричный, полноцветный, полнодвижущийся TFT-LCD. Это привело к тому, что Япония запустила индустрию ЖК-дисплеев, которая разработала ЖК-дисплеи большого размера, включая компьютерные мониторы TFT и ЖК-телевизоры. [66] Epson разработала проекционную технологию 3LCD в 1980-х годах и лицензировала ее для использования в проекторах в 1988 году. [67] VPJ-700 от Epson, выпущенный в январе 1989 года, был первым в мире компактным полноцветным ЖК-проектором . [63]
В 1990 году под разными названиями изобретатели задумали электрооптические эффекты как альтернативу ЖК-дисплеям с эффектом скрученного нематического поля (ЖК-дисплеи TN и STN). Один из подходов заключался в использовании встречно-штыревых электродов только на одной стеклянной подложке для создания электрического поля, по существу параллельного стеклянным подложкам. [68] [69] Чтобы в полной мере воспользоваться свойствами этой технологии коммутации в плоскости (IPS), потребовалась дальнейшая работа. После тщательного анализа подробности выгодных вариантов реализации были поданы в Германии Гюнтером Бауром и др. и запатентованы в разных странах. [70] [71] 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 разработали различные практические детали технологии IPS для соединения массива тонкопленочных транзисторов в матрицу и избежания нежелательных полей рассеяния между пикселями. [72] [73] Первый настенный ЖК-телевизор был представлен корпорацией Sharp в 1992 году. [74]
Hitachi также улучшила зависимость угла обзора, оптимизировав форму электродов ( Super IPS ). NEC и Hitachi стали первыми производителями ЖК-дисплеев с активной матрицей, основанных на технологии IPS. Это важный этап для внедрения ЖК-дисплеев с большим экраном, имеющих приемлемые визуальные характеристики для плоских компьютерных мониторов и телевизионных экранов. В 1996 году Samsung разработала технологию оптического шаблонирования, которая позволяет использовать многодоменные ЖК-дисплеи. Многодоменные и плоскостные коммутации впоследствии остаются доминирующими конструкциями ЖК-дисплеев вплоть до 2006 года. [75] В конце 1990-х годов индустрия ЖК-дисплеев начала смещаться от Японии в сторону Южной Кореи и Тайваня , [66] а затем в сторону Китая.
В 2007 году качество изображения ЖК-телевизоров превзошло качество изображения телевизоров на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). [76] В четвертом квартале 2007 года ЖК-телевизоры впервые превзошли ЭЛТ-телевизоры по мировым продажам. [77] По прогнозам Displaybank, ЖК-телевизоры составят 50% из 200 миллионов телевизоров, которые будут поставлены по всему миру в 2006 году. [78] [79]
В октябре 2011 года Toshiba анонсировала 2560 × 1600 пикселей на 6,1-дюймовой (155 мм) ЖК-панели, подходящей для использования в планшетном компьютере , [80] особенно для отображения китайских иероглифов. В 2010-х годах также широкое распространение получила технология TGP (Tracking Gate-line in Pixel), которая перемещает схему управления с границ дисплея в пространство между пикселями, что позволяет использовать узкие рамки. [81]
В 2016 году Panasonic разработала IPS LCD с контрастностью 1 000 000:1, конкурируя с OLED. Эта технология была позже запущена в массовое производство как двухслойные, двухпанельные или LMCL (Light Modulating Cell Layer) LCD. Технология использует 2 слоя жидких кристаллов вместо одного и может использоваться вместе с подсветкой mini-LED и квантовыми точками. [82] [83]
ЖК-дисплеи с пленкой для улучшения квантовых точек или цветными фильтрами на основе квантовых точек были представлены с 2015 по 2018 год. Квантовые точки получают синий свет от подсветки и преобразуют его в свет, который позволяет ЖК-панелям обеспечивать лучшую цветопередачу. [84] [85] [86] [87] [88] [89] Цветные фильтры на основе квантовых точек изготавливаются с использованием фоторезистов, содержащих квантовые точки вместо цветных пигментов, [90] и квантовые точки могут иметь специальную структуру для улучшения их нанесения на цветовой фильтр. Цветные фильтры на основе квантовых точек обеспечивают превосходную светопропускаемость по сравнению с пленками для улучшения квантовых точек. [91]
ЖК-дисплеи не производят свет сами по себе, поэтому для создания видимого изображения им требуется внешний свет. [92] [93] В пропускающем типе ЖК-дисплеев источник света находится на задней стороне стеклянного пакета и называется подсветкой . ЖК-дисплеи с активной матрицей почти всегда имеют подсветку. [94] [95] Пассивные ЖК-дисплеи могут иметь подсветку, но многие из них являются отражающими, поскольку они используют отражающую поверхность или пленку на задней стороне стеклянного пакета для использования окружающего света. Трансфлективные ЖК-дисплеи сочетают в себе особенности пропускающего дисплея с подсветкой и отражающего дисплея.
Распространенные реализации технологии подсветки ЖК-дисплеев:
Сегодня большинство ЖК-экранов проектируются со светодиодной подсветкой вместо традиционной CCFL-подсветки, при этом эта подсветка динамически управляется видеоинформацией (динамическое управление подсветкой). Сочетание с динамическим управлением подсветкой, изобретенным исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Стромером и Адрианусом де Вааном, одновременно увеличивает динамический диапазон системы отображения (также продается как HDR , телевидение с высоким динамическим диапазоном или FLAD , затемнение локальной области по всей площади ). [108] [109] [99]
Системы подсветки ЖК-дисплеев стали высокоэффективными за счет применения оптических пленок, таких как призматическая структура (призматический лист), для получения света в желаемых направлениях зрителя, и отражающих поляризационных пленок, которые повторно используют поляризованный свет, который ранее поглощался первым поляризатором ЖК-дисплея (изобретен исследователями Philips Адрианусом де Вааном и Паулюсом Шаареманом), [110] обычно достигаемый с помощью так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых 3M. [111] Улучшенные версии призматического листа имеют волнистую, а не призматическую структуру и вводят волны в структуру листа сбоку, а также изменяют высоту волн, направляя еще больше света к экрану и уменьшая наложение или муар между структурой призматического листа и субпикселями ЖК-дисплея. Волнистую структуру легче производить массово, чем призматическую, с использованием обычных алмазных станков, которые используются для изготовления валиков, используемых для отпечатывания волнистой структуры на пластиковых листах, таким образом производя призматические листы. [112] Рассеивающий лист размещается по обе стороны призматического листа для равномерного распределения света подсветки, в то время как зеркало размещается позади световодной пластины для направления всего света вперед. Призматический лист с его рассеивающими листами размещается поверх световодной пластины. [113] [96] Поляризаторы DBEF состоят из большого пакета одноосных ориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают бывшую поглощенную поляризационную моду света. [114]
Поляризаторы DBEF, использующие одноосно ориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (двулучепреломляющие полимеры или двулучепреломляющий клей), были изобретены в 1989 году исследователями компании Philips Дирком Броэром, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. [115] Сочетание таких отражающих поляризаторов и динамического управления подсветкой светодиодов [99] делает современные ЖК-телевизоры гораздо более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к мировой экономии энергии в размере 600 ТВт·ч (2017 г.), что равно 10% потребления электроэнергии всеми домохозяйствами по всему миру или в 2 раза больше выработки энергии всеми солнечными элементами в мире. [116] [117]
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 пути, образуют сетку с вертикальными проводами по всему экрану с одной стороны экрана и горизонтальными проводами по всему экрану 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 и 1920 столбцов пикселей для каждого цвета, всего 5760 проводов по вертикали и 1080 рядов проводов по горизонтали. Для панели шириной 28,8 дюйма (73 сантиметра) это означает плотность проводов 200 проводов на дюйм вдоль горизонтального края.
ЖК-панель питается от ЖК-драйверов, которые тщательно подгоняются к краю ЖК-панели на заводе. Драйверы могут быть установлены несколькими способами, наиболее распространенными из которых являются COG (Chip-On-Glass) и TAB ( Tape-automated bonding ). Эти же принципы применимы и к экранам смартфонов, которые намного меньше экранов телевизоров. [118] [119] [120] ЖК-панели обычно используют тонкопокрытые металлические проводящие дорожки на стеклянной подложке для формирования схемы ячейки для работы панели. Обычно невозможно использовать методы пайки для прямого подключения панели к отдельной медной протравленной печатной плате. Вместо этого интерфейс выполняется с помощью анизотропной проводящей пленки или, для более низкой плотности, эластомерных разъемов .
Монохромные и более поздние цветные пассивно-матричные ЖК-дисплеи были стандартными в большинстве ранних ноутбуков (хотя некоторые использовали плазменные дисплеи [121] [122] ) и оригинальном Nintendo Game Boy [123] 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, кто использовал активно-матричный дисплей (хотя все еще монохромный). Пассивно-матричные ЖК-дисплеи все еще используются в 2010-х годах для приложений, менее требовательных, чем ноутбуки и телевизоры, таких как недорогие калькуляторы. В частности, они используются на портативных устройствах, где необходимо отображать меньше информационного контента, требуется наименьшее энергопотребление (без подсветки ) и низкая стоимость или требуется читаемость при прямом солнечном свете.
Дисплеи с пассивно-матричной структурой используют сверхскрученный нематический STN (изобретенный исследовательским центром Brown Boveri, Баден, Швейцария, в 1983 году; научные подробности были опубликованы [124] ) или двухслойную технологию STN (DSTN) (последняя из которых решает проблему смещения цвета с первой), и цветную STN (CSTN), в которой цвет добавляется с помощью внутреннего цветового фильтра. STN LCD были оптимизированы для адресации пассивной матрицы. Они демонстрируют более острый порог характеристики контрастности по сравнению с оригинальными TN LCD. Это важно, поскольку пиксели подвергаются воздействию частичных напряжений, даже если они не выбраны. Перекрестные помехи между активированными и неактивированными пикселями должны обрабатываться должным образом, поддерживая среднеквадратичное напряжение неактивированных пикселей ниже порогового напряжения, как обнаружил Питер Дж. Уайлд в 1972 году, [125], в то время как активированные пиксели подвергаются воздействию напряжений выше порогового (напряжения согласно схеме управления «Alt & Pleshko»). [126] Управление такими STN-дисплеями по схеме Alt & Pleshko требует очень высоких напряжений адресации линий. Вельзен и де Ваан изобрели альтернативную схему управления (не схему управления "Alt & Pleshko"), требующую гораздо более низких напряжений, так что STN-дисплей может управляться с использованием низковольтных технологий CMOS. [60] Бело-голубые ЖК-дисплеи являются STN и могут использовать синий поляризатор или двулучепреломление, что придает им их отличительный вид. [127] [128] [129]
STN LCDs have to be continuously refreshed by alternating pulsed voltages of one polarity during one frame and pulses of opposite polarity during the next frame. Individual pixels are addressed by the corresponding row and column circuits. This type of display is called passive-matrix addressed, because the pixel must retain its state between refreshes without the benefit of a steady electrical charge. As the number of pixels (and, correspondingly, columns and rows) increases, this type of display becomes less feasible. Slow response times and poor contrast are typical of passive-matrix addressed LCDs with too many pixels and driven according to the "Alt & Pleshko" drive scheme. Welzen and de Vaan also invented a non RMS drive scheme enabling to drive STN displays with video rates and enabling to show smooth moving video images on an STN display.[citation needed] Citizen, among others, licensed these patents and successfully introduced several STN based LCD pocket televisions on the market.[citation needed]
Bistable LCDs do not require continuous refreshing. Rewriting is only required for picture information changes. In 1984 HA van Sprang and AJSM de Vaan invented an STN type display that could be operated in a bistable mode, enabling extremely high resolution images up to 4000 lines or more using only low voltages.[130] Since a pixel may be either in an on-state or in an off state at the moment new information needs to be written to that particular pixel, the addressing method of these bistable displays is rather complex, a reason why these displays did not make it to the market. That changed when in the 2010 "zero-power" (bistable) LCDs became available. Potentially, passive-matrix addressing can be used with devices if their write/erase characteristics are suitable, which was the case for ebooks which need to show still pictures only. After a page is written to the display, the display may be cut from the power while retaining readable images. This has the advantage that such ebooks may be operated for long periods of time powered by only a small battery.
High-resolution color displays, such as modern LCD computer monitors and televisions, use an active-matrix structure. A matrix of thin-film transistors (TFTs) is added to the electrodes in contact with the LC layer. Each pixel has its own dedicated transistor, allowing each column line to access one pixel. When a row line is selected, all of the column lines are connected to a row of pixels and voltages corresponding to the picture information are driven onto all of the column lines. The row line is then deactivated and the next row line is selected. All of the row lines are selected in sequence during a refresh operation. Active-matrix addressed displays look brighter and sharper than passive-matrix addressed displays of the same size, and generally have quicker response times, producing much better images. Sharp produces bistable reflective LCDs with a 1-bit SRAM cell per pixel that only requires small amounts of power to maintain an image.[131]
Segment LCDs can also have color by using Field Sequential Color (FSC LCD). This kind of displays have a high speed passive segment LCD panel with an RGB backlight. The backlight quickly changes color, making it appear white to the naked eye. The LCD panel is synchronized with the backlight. For example, to make a segment appear red, the segment is only turned ON when the backlight is red, and to make a segment appear magenta, the segment is turned ON when the backlight is blue, and it continues to be ON while the backlight becomes red, and it turns OFF when the backlight becomes green. To make a segment appear black, the segment is always turned ON. An FSC LCD divides a color image into 3 images (one Red, one Green and one Blue) and it displays them in order. Due to persistence of vision, the 3 monochromatic images appear as one color image. An FSC LCD needs an LCD panel with a refresh rate of 180 Hz, and the response time is reduced to just 5 milliseconds when compared with normal STN LCD panels which have a response time of 16 milliseconds.[132][133] FSC LCDs contain a Chip-On-Glass driver IC can also be used with a capacitive touchscreen. This technique can also be applied in displays meant to show images, as it can offer higher light transmission and thus potential for reduced power consumption in the backlight due to omission of color filters in LCDs.[134]
Samsung introduced UFB (Ultra Fine & Bright) displays back in 2002, utilized the super-birefringent effect. It has the luminance, color gamut, and most of the contrast of a TFT-LCD, but only consumes as much power as an STN display, according to Samsung. It was being used in a variety of Samsung cellular-telephone models produced until late 2006, when Samsung stopped producing UFB displays. UFB displays were also used in certain models of LG mobile phones.
Twisted nematic displays contain liquid crystals that twist and untwist at varying degrees to allow light to pass through. When no voltage is applied to a TN liquid crystal cell, polarized light passes through the 90-degrees twisted LC layer. In proportion to the voltage applied, the liquid crystals untwist changing the polarization and blocking the light's path. By properly adjusting the level of the voltage almost any gray level or transmission can be achieved.
In-plane switching is an LCD technology that aligns the liquid crystals in a plane parallel to the glass substrates. In this method, the electrical field is applied through opposite electrodes on the same glass substrate, so that the liquid crystals can be reoriented (switched) essentially in the same plane, although fringe fields inhibit a homogeneous reorientation. This requires two transistors for each pixel instead of the single transistor needed for a standard thin-film transistor (TFT) display. The IPS technology is used in everything from televisions, computer monitors, and even wearable devices, especially almost all LCD smartphone panels are IPS/FFS mode. IPS displays belong to the LCD panel family screen types. The other two types are VA and TN. Before LG Enhanced IPS was introduced in 2001 by Hitachi as 17" monitor in Market, the additional transistors resulted in blocking more transmission area, thus requiring a brighter backlight and consuming more power, making this type of display less desirable for notebook computers. Panasonic Himeji G8.5 was using an enhanced version of IPS, also LGD in Korea, then currently the world biggest LCD panel manufacture BOE in China is also IPS/FFS mode TV panel.
Super-IPS was later introduced after in-plane switching with even better response times and color reproduction.[135]
In 2015 LG Display announced the implementation of a new technology called M+ which is the addition of white subpixel along with the regular RGB dots in their IPS panel technology.[136]
Most of the new M+ technology was employed on 4K TV sets which led to a controversy after tests showed that the addition of a white sub pixel replacing the traditional RGB structure had also been accompanied by a reduction in resolution by around 25%. This meant that a "4K" M+ TV would not display the full UHD TV standard. The media and internet users called them "RGBW" TVs because of the white sub pixel. Although LG Display has developed this technology for use in notebook display, outdoor and smartphones, it became more popular in the TV market because of the announced "4K UHD" resolution but still being incapable of achieving true UHD resolution defined by the CTA as 3840x2160 active pixels with 8-bit color. This negatively impacted the rendering of text, making it a bit fuzzier, which was especially noticeable when a TV is used as a PC monitor.[137][138][139][140]
In 2011, LG claimed the smartphone LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) has the brightness up to 700 nits, while the competitor has only IPS LCD with 518 nits and double an active-matrix OLED (AMOLED) display with 305 nits. LG also claimed the NOVA display to be 50 percent more efficient than regular LCDs and to consume only 50 percent of the power of AMOLED displays when producing white on screen.[141] When it comes to contrast ratio, AMOLED display still performs best due to its underlying technology, where the black levels are displayed as pitch black and not as dark gray. On August 24, 2011, Nokia announced the Nokia 701 and also made the claim of the world's brightest display at 1000 nits. The screen also had Nokia's Clearblack layer, improving the contrast ratio and bringing it closer to that of the AMOLED screens.
Known as fringe field switching (FFS) until 2003,[142] advanced fringe field switching is similar to IPS or S-IPS offering superior performance and color gamut with high luminosity. AFFS was developed by Hydis Technologies Co., Ltd, Korea (formally Hyundai Electronics, LCD Task Force).[143] AFFS-applied notebook applications minimize color distortion while maintaining a wider viewing angle for a professional display. Color shift and deviation caused by light leakage is corrected by optimizing the white gamut which also enhances white/gray reproduction. In 2004, Hydis Technologies Co., Ltd licensed AFFS to Japan's Hitachi Displays. Hitachi is using AFFS to manufacture high-end panels. In 2006, HYDIS licensed AFFS to Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Shortly thereafter, Hydis introduced a high-transmittance evolution of the AFFS display, called HFFS (FFS+). Hydis introduced AFFS+ with improved outdoor readability in 2007. AFFS panels are mostly utilized in the cockpits of latest commercial aircraft displays. However, it is no longer produced as of February 2015.[144][145][146]
Vertical-alignment displays are a form of LCDs in which the liquid crystals naturally align vertically to the glass substrates. When no voltage is applied, the liquid crystals remain perpendicular to the substrate, creating a black display between crossed polarizers. When voltage is applied, the liquid crystals shift to a tilted position, allowing light to pass through and create a gray-scale display depending on the amount of tilt generated by the electric field. It has a deeper-black background, a higher contrast ratio, a wider viewing angle, and better image quality at extreme temperatures than traditional twisted-nematic displays.[147] Compared to IPS, the black levels are still deeper, allowing for a higher contrast ratio, but the viewing angle is narrower, with color and especially contrast shift being more apparent, and the cost of VA is lower than IPS (but higher than TN).[148]
Blue phase mode LCDs have been shown as engineering samples early in 2008, but they are not in mass-production. The physics of blue phase mode LCDs suggest that very short switching times (≈1 ms) can be achieved, so time sequential color control can possibly be realized and expensive color filters would be obsolete.[citation needed]
Some LCD panels have defective transistors, causing permanently lit or unlit pixels which are commonly referred to as stuck pixels or dead pixels respectively. Unlike integrated circuits (ICs), LCD panels with a few defective transistors are usually still usable. Manufacturers' policies for the acceptable number of defective pixels vary greatly. At one point, Samsung held a zero-tolerance policy for LCD monitors sold in Korea.[149] As of 2005,[update] Samsung adheres to the less restrictive ISO 13406-2 standard.[150] Other companies have been known to tolerate as many as 11 dead pixels in their policies.[151]
Dead pixel policies are often hotly debated between manufacturers and customers. To regulate the acceptability of defects and to protect the end user, ISO released the ISO 13406-2 standard, which was made obsolete in 2008 with the release of ISO 9241, specifically ISO-9241-302, 303, 305, 307:2008 pixel defects. However, not every LCD manufacturer conforms to the ISO standard and the ISO standard is quite often interpreted in different ways. LCD panels are more likely to have defects than most ICs due to their larger size.[152]
Some manufacturers, notably in South Korea where some of the largest LCD panel manufacturers, such as LG, are located, now have a zero-defective-pixel guarantee, which is an extra screening process which can then determine "A"- and "B"-grade panels.[original research?] Many manufacturers would replace a product even with one defective pixel. Even where such guarantees do not exist, the location of defective pixels is important. A display with only a few defective pixels may be unacceptable if the defective pixels are near each other. LCD panels also commonly have a defect known as clouding, dirty screen effect, or, less commonly, mura, which involves uneven patches of luminance on the panel. It is most visible in dark or black areas of displayed scenes.[153] As of 2010,[update] most premium branded computer LCD panel manufacturers specify their products as having zero defects.
The zenithal bistable device (ZBD), developed by Qinetiq (formerly DERA), can retain an image without power. The crystals may exist in one of two stable orientations ("black" and "white") and power is only required to change the image. ZBD Displays is a spin-off company from QinetiQ who manufactured both grayscale and color ZBD devices. Kent Displays has also developed a "no-power" display that uses polymer stabilized cholesteric liquid crystal (ChLCD). In 2009 Kent demonstrated the use of a ChLCD to cover the entire surface of a mobile phone, allowing it to change colors, and keep that color even when power is removed.[154]
In 2004, researchers at the University of Oxford demonstrated two new types of zero-power bistable LCDs based on Zenithal bistable techniques.[155] Several bistable technologies, like the 360° BTN and the bistable cholesteric, depend mainly on the bulk properties of the liquid crystal (LC) and use standard strong anchoring, with alignment films and LC mixtures similar to the traditional monostable materials. Other bistable technologies, e.g., BiNem technology, are based mainly on the surface properties and need specific weak anchoring materials.
Some of these issues relate to full-screen displays, others to small displays as on watches, etc. Many of the comparisons are with CRT displays.
Several different families of liquid crystals are used in liquid crystal displays. The molecules used have to be anisotropic, and to exhibit mutual attraction. Polarizable rod-shaped molecules (biphenyls, terphenyls, etc.) are common. A common form is a pair of aromatic benzene rings, with a nonpolar moiety (pentyl, heptyl, octyl, or alkyl oxy group) on one end and polar (nitrile, halogen) on the other. Sometimes the benzene rings are separated with an acetylene group, ethylene, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO, or ester group. In practice, eutectic mixtures of several chemicals are used, to achieve wider temperature operating range (−10..+60 °C for low-end and −20..+100 °C for high-performance displays). For example, the E7 mixture is composed of three biphenyls and one terphenyl: 39 wt.% of 4'-pentyl[1,1'-biphenyl]-4-carbonitrile (nematic range 24..35 °C), 36 wt.% of 4'-heptyl[1,1'-biphenyl]-4-carbonitrile (nematic range 30..43 °C), 16 wt.% of 4'-octoxy[1,1'-biphenyl]-4-carbonitrile (nematic range 54..80 °C), and 9 wt.% of 4-pentyl[1,1':4',1-terphenyl]-4-carbonitrile (nematic range 131..240 °C).[172]
The production of LCD screens uses nitrogen trifluoride (NF3) as an etching fluid during the production of the thin-film components. NF3 is a potent greenhouse gas, and its relatively long half-life may make it a potentially harmful contributor to global warming. A report in Geophysical Research Letters suggested that its effects were theoretically much greater than better-known sources of greenhouse gasses like carbon dioxide. As NF3 was not in widespread use at the time, it was not made part of the Kyoto Protocol and was deemed "the missing greenhouse gas".[173] NF3 was added to the Kyoto Protocol for the second compliance period during the Doha Round.[174]
Critics of the report point out that it assumes that all of the NF3 produced would be released to the atmosphere. In reality, the vast majority of NF3 is broken down during the cleaning processes; two earlier studies found that only 2 to 3% of the gas escapes destruction after its use.[175] Furthermore, the report failed to compare NF3's effects with what it replaced, perfluorocarbon, another powerful greenhouse gas, of which anywhere from 30 to 70% escapes to the atmosphere in typical use.[175]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)