Жидкокристаллический дисплей с тонкопленочным транзистором ( TFT LCD ) — это тип жидкокристаллического дисплея , в котором используется технология тонкопленочного транзистора для улучшения качества изображения, такого как адресность и контрастность. [1] ЖК-дисплей TFT — это ЖК- дисплей с активной матрицей , в отличие от ЖК-дисплеев с пассивной матрицей или простых ЖК-дисплеев с прямым управлением (т. е. с сегментами, напрямую подключенными к электронике вне ЖК-дисплея) с несколькими сегментами.
TFT-ЖК-дисплеи используются в телевизорах , компьютерных мониторах , мобильных телефонах , игровых системах, персональных цифровых помощниках , навигационных системах , проекторах [2] и на приборных панелях в некоторых автомобилях , а также в мотоциклах среднего и высокого класса .
В феврале 1957 года Джон Уоллмарк из RCA подал патент на тонкопленочный МОП-транзистор . Пол К. Веймер , также из RCA , реализовал идеи Уолмарка и разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году, тип MOSFET, отличный от стандартных объемных MOSFET. Он был изготовлен из тонких пленок селенида и сульфида кадмия .
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была предложена Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. В 1971 году Лехнер, Ф.Дж. Марлоу, Э.О. Нестер и Дж. Талтс продемонстрировали матричный дисплей 2х18, управляемый гибридная схема, использующая режим динамического рассеяния ЖК-дисплеев. [3] В 1973 году Т. Питер Броуди , Дж. Асарс и Дж. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories разработали CdSe ( селенид кадмия ) TFT, который они использовали для демонстрации первого жидкокристаллического дисплея с тонкопленочным транзистором CdSe (TFT LCD). . [4] [5] Броуди и Фан-Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) с использованием CdSe TFT в 1974 году, а затем Броуди ввел термин «активная матрица» в 1975 году. [3]
К 2013 году в большинстве современных электронных устройств визуального отображения высокого разрешения и высокого качества использовались дисплеи с активной матрицей на основе TFT. [6] [7] [4] [8] [9] [10]
По состоянию на 2024 год ЖК-дисплеи TFT по-прежнему будут доминировать, но будут конкурировать с OLED за дисплеи с высокой яркостью и высоким разрешением, а также конкурировать с электронной бумагой за дисплеи с низким энергопотреблением.
Жидкокристаллические дисплеи, используемые в калькуляторах и других устройствах с такими же простыми дисплеями, имеют элементы изображения с прямым управлением, и поэтому напряжение можно легко подать только на один сегмент этих типов дисплеев, не мешая другим сегментам. Это было бы непрактично для большого дисплея , поскольку он будет иметь большое количество (цветных) элементов изображения ( пикселей ), и, следовательно, потребуются миллионы соединений, как сверху, так и снизу для каждого из трех цветов (красный, зеленый). и синий) каждого пикселя. Чтобы избежать этой проблемы, пиксели распределяются по строкам и столбцам, что сокращает количество подключений с миллионов до тысяч. Провода столбца и строки подключаются к транзисторным переключателям, по одному на каждый пиксель. Характеристика одностороннего прохождения тока транзистора предотвращает истощение заряда, приложенного к каждому пикселю, между обновлениями изображения на дисплее. Каждый пиксель представляет собой небольшой конденсатор со слоем изолирующего жидкого кристалла, расположенного между прозрачными проводящими слоями оксида индия и олова (ITO) .
Процесс компоновки TFT-LCD очень похож на процесс компоновки полупроводниковых продуктов. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния , который формируется в виде кристаллической кремниевой пластины, они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния , которая наносится на стеклянную панель. Кремниевый слой для TFT-ЖК-дисплеев обычно наносится с использованием процесса PECVD . [11] Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки вытравливается, чтобы свет мог легко проходить через нее.
Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высоких характеристик TFT. Примеры включают небольшие дисплеи с высоким разрешением, например, в проекторах или видоискателях. TFT на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за более низкой себестоимости производства, тогда как TFT из поликристаллического кремния более дороги и их гораздо труднее производить. [12]
Скрученный нематический (TN) дисплей — одна из старейших и часто самых дешевых технологий жидкокристаллических дисплеев. Дисплеи TN имеют более быстрое время отклика пикселей и меньшее размытие изображения, чем другие типы ЖК-дисплеев, такие как дисплеи IPS , но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. При просмотре под углом, не перпендикулярным дисплею, цвета смещаются, иногда вплоть до полной инверсии. В современных потребительских продуктах высокого класса разработаны методы преодоления недостатков технологии, такие как технологии RTC (компенсация времени отклика / Overdrive) . Современные TN-дисплеи могут выглядеть значительно лучше, чем старые TN-дисплеи, выпущенные десятилетия назад, но в целом TN имеет худшие углы обзора и плохую цветопередачу по сравнению с другими технологиями, такими как IPS.
Большинство панелей TN могут отображать цвета, используя только шесть бит на канал RGB или всего 18 бит, и не могут отображать 16,7 миллионов цветовых оттенков (24-битный истинный цвет ), которые доступны при использовании 24-битного цвета. Вместо этого эти панели отображают интерполированный 24-битный цвет с использованием метода сглаживания , который объединяет соседние пиксели для имитации желаемого оттенка. Они также могут использовать форму временного сглаживания, называемую «Управление частотой кадров» (FRC), которая циклически переключается между разными оттенками в каждом новом кадре для имитации промежуточного оттенка. Такие 18-битные панели с дизерингом иногда рекламируются как имеющие «16,2 миллиона цветов». Эти методы цветового моделирования заметны многим людям, а некоторых очень раздражают. [13] FRC обычно наиболее заметен в темных тонах, тогда как размытие делает видимыми отдельные пиксели ЖК-дисплея. В целом цветопередача и линейность на панелях TN оставляет желать лучшего. Недостатки цветового охвата дисплея (часто называемого процентным соотношением цветового охвата NTSC 1953 года ) также связаны с технологией подсветки. Для старых дисплеев обычно диапазон цветовой гаммы NTSC составляет от 10% до 26%, тогда как дисплеи других типов, использующие более сложные формулы люминофора CCFL или светодиодов или светодиодную подсветку RGB, могут превышать 100% цветовой гаммы NTSC. разница, которую легко увидеть человеческим глазом.
Коэффициент пропускания пикселя ЖК-панели обычно не изменяется линейно в зависимости от приложенного напряжения [14] , а стандарт sRGB для компьютерных мониторов требует определенной нелинейной зависимости количества излучаемого света как функции значения RGB .
Плоскостное переключение (IPS) было разработано компанией Hitachi Ltd. в 1996 году для улучшения плохого угла обзора и плохой цветопередачи панелей TN того времени. [15] [16] Его название происходит от основного отличия от панелей TN, заключающегося в том, что молекулы кристалла движутся параллельно плоскости панели, а не перпендикулярно ей. Такое изменение уменьшает количество светорассеивания в матрице, что придает IPS характерные широкие углы обзора и хорошую цветопередачу. [17]
Первоначальные версии технологии IPS характеризовались медленным временем отклика и низким коэффициентом контрастности, но в более поздних версиях эти недостатки были заметно улучшены. Благодаря широкому углу обзора и точной цветопередаче (почти без смещения цвета под углом) IPS широко используется в мониторах высокого класса, предназначенных для профессиональных художников-графиков, хотя с недавним падением цен он стал наблюдаться и в массовом сегменте. рынок тоже. Технология IPS была продана Panasonic компанией Hitachi.
Это ЖК-технология, созданная на основе IPS корейской компании Boe-Hydis. Усовершенствованная коммутация краевого поля, известная до 2003 года как FFS (FFS), представляет собой технологию, аналогичную IPS или S-IPS, обеспечивающую превосходную производительность и цветовую гамму с высокой яркостью. Цветовой сдвиг и отклонение, вызванные утечкой света, корректируются путем оптимизации белой гаммы, что также улучшает воспроизведение белого/серого. AFFS разработан компанией Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (формально Hyundai Electronics, LCD Task Force). [22]
В 2004 году компания Hydis Technologies Co., Ltd передала лицензию на использование патента AFFS японской компании Hitachi Displays. Hitachi использует AFFS для производства высококачественных панелей в своей линейке продукции. В 2006 году Hydis также передала лицензию на свои AFFS компании Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.
В 2007 году компания Hydis представила AFFS+, которая улучшила читаемость на открытом воздухе .
Он достиг быстрого для своего времени отклика пикселей, широких углов обзора и высокой контрастности за счет яркости и цветопередачи. [ нужна цитация ] Современные панели MVA могут предложить широкие углы обзора (уступающие только технологии S-IPS), хорошую глубину черного цвета, хорошую цветопередачу и глубину, а также быстрое время отклика благодаря использованию технологий RTC ( компенсация времени отклика ). [ нужна цитация ] Когда панели MVA смотрят не перпендикулярно, цвета будут смещаться, но гораздо меньше, чем для панелей TN. [ нужна цитата ]
Существует несколько технологий «следующего поколения», основанных на MVA, в том числе P-MVA и AMVA от AU Optronics , а также S-MVA от Chi Mei Optoelectronics .
Менее дорогие панели PVA часто используют сглаживание и FRC , тогда как все панели Super-PVA (S-PVA) используют не менее 8 бит на цветовой компонент и не используют методы имитации цвета. [ нужна цитация ] S-PVA также в значительной степени устранил свечение сплошного черного цвета под углом и уменьшил гамма-сдвиг под углом. Некоторые высококачественные ЖК-телевизоры Sony BRAVIA поддерживают 10-битный цвет и поддержку цвета xvYCC, например серия Bravia X4500. S-PVA также обеспечивает быстрое время отклика благодаря использованию современных технологий RTC. [ нужна цитата ]
Усовершенствованный супервид, также называемый осесимметричным вертикальным выравниванием, был разработан компанией Sharp . [23] Это режим VA, в котором молекулы жидкого кристалла ориентируются перпендикулярно подложке в выключенном состоянии. Нижний субпиксель имеет непрерывно покрытые электроды, а верхний имеет электрод меньшей площади в центре субпикселя.
Когда поле включено, молекулы жидкого кристалла начинают наклоняться к центру субпикселей из-за электрического поля; в результате образуется непрерывная вертушка (ЦПА); азимутальный угол непрерывно вращается на 360 градусов, что обеспечивает превосходный угол обзора. Режим ASV также называется режимом CPA. [24]
Технология Super PLS, разработанная Samsung , имеет сходство с панелями IPS, имеет более широкие углы обзора, лучшее качество изображения, повышенную яркость и более низкие производственные затраты. Технология PLS дебютировала на рынке дисплеев для ПК с выпуском мониторов Samsung S27A850 и S24A850 в сентябре 2011 года. [25]
Технология пикселей или ячеек с двумя транзисторами TFT — это технология отражательного дисплея, предназначенная для использования в приложениях с очень низким энергопотреблением, таких как электронные этикетки на полках (ESL), цифровые часы или счетчики. DTP предполагает добавление затвора вторичного транзистора в одну ячейку TFT для поддержания отображения пикселя в течение 1 секунды без потери изображения или без ухудшения качества транзисторов TFT с течением времени. Замедляя частоту обновления стандартной частоты с 60 Гц до 1 Гц, DTP утверждает, что повышает энергоэффективность на несколько порядков.
Из-за очень высокой стоимости строительства заводов по производству TFT, крупных поставщиков OEM- панелей для больших дисплеев немного . Поставщиками стеклянных панелей являются:
Внешние потребительские устройства отображения, такие как TFT LCD, оснащены одним или несколькими аналоговыми интерфейсами VGA , DVI , HDMI или DisplayPort , причем многие из них имеют выбор из этих интерфейсов. Внутри внешних устройств отображения имеется плата контроллера, которая преобразует видеосигнал с использованием цветового сопоставления и масштабирования изображения , обычно с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT) для преобразования любого источника видео, такого как CVBS , VGA , DVI , HDMI и т. д., в цифровой формат. RGB с собственным разрешением панели дисплея. В ноутбуке графический чип напрямую выдает сигнал, подходящий для подключения к встроенному TFT-дисплею. Механизм управления подсветкой обычно находится на той же плате контроллера.
Низкоуровневый интерфейс панелей дисплеев STN , DSTN или TFT использует либо несимметричный сигнал TTL 5 В для старых дисплеев, либо TTL 3,3 В для более новых дисплеев, который передает тактовую частоту пикселей, горизонтальную синхронизацию , вертикальную синхронизацию , цифровой красный, цифровой зеленый, цифровой синий параллельно. Некоторые модели (например, AT070TN92) также имеют сигналы включения/отображения , направления горизонтальной и вертикальной развертки.
Новые и большие (>15 дюймов) TFT-дисплеи часто используют сигнализацию LVDS , которая передает то же содержимое, что и параллельный интерфейс (Hsync, Vsync, RGB), но помещает биты управления и RGB в ряд последовательных линий передачи, синхронизированных с тактовым сигналом, частота которого равна скорости пикселей.LVDS передает семь бит за такт на линию данных, при этом шесть битов являются данными, а один бит используется для сигнализации, необходимо ли инвертировать остальные шесть битов для поддержания баланса постоянного тока.Недорогие TFT-дисплеи часто имеют три линии данных и, следовательно, напрямую поддерживают только 18 бит на пиксель . Высококлассные дисплеи имеют четыре или пять линий данных для поддержки 24 бит на пиксель ( truecolor ) или 30 бит на пиксель соответственно. Производители панелей постепенно заменяют LVDS внутренним DisplayPort и встроенным DisplayPort. , которые позволяют сократить число дифференциальных пар в шесть раз .
Интенсивность подсветки обычно регулируется путем изменения постоянного тока на несколько вольт, генерации ШИМ- сигнала, регулировки потенциометра или просто фиксирования. Он, в свою очередь, управляет высоковольтным ( 1,3 кВ ) инвертором постоянного/переменного тока или матрицей светодиодов . Метод управления интенсивностью светодиодов заключается в их импульсной передаче с помощью ШИМ, что может стать источником гармонического мерцания. [ нужна цитата ]
Панель дисплея без покрытия принимает только цифровой видеосигнал с разрешением, определяемым пиксельной матрицей панели, разработанной при производстве. Некоторые экранные панели игнорируют младшие биты информации о цвете, чтобы обеспечить согласованный интерфейс (8 бит -> 6 бит/цвет x3). [ нужна цитата ]
При использовании аналоговых сигналов, таких как VGA, контроллер дисплея также должен выполнять высокоскоростное аналого-цифровое преобразование. При использовании цифровых входных сигналов, таких как DVI или HDMI, перед подачей их на преобразователь необходимо выполнить некоторое простое изменение порядка битов, если входное разрешение не соответствует разрешению панели дисплея.
Жидкие кристаллы постоянно подвергаются испытаниям на токсичность и экотоксичность на предмет потенциальной опасности. В результате:
Заявления применимы к компании Merck KGaA, а также к ее конкурентам JNC Corporation (ранее Chisso Corporation) и DIC (ранее Dainippon Ink & Chemicals). Все три производителя согласились не выводить на рынок особо токсичные или мутагенные жидкие кристаллы. Они охватывают более 90 процентов мирового рынка жидких кристаллов. Оставшаяся доля рынка жидких кристаллов, производимых преимущественно в Китае, состоит из старых, незапатентованных веществ от трех ведущих мировых производителей, уже прошедших ими испытания на токсичность. В результате их также можно считать нетоксичными.
Полный отчет доступен на сайте Merck KGaA онлайн. [29]
Подсветка CCFL , используемая во многих ЖК-мониторах , содержит токсичную ртуть .
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)