LCD-технология
Этапы большого пути
Жидкие кристаллы впервые были обнаружены австрийским ботаником Райнитцером (Reinitzer) в 1888 г., но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба.
Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора - цифровые часы.
Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp (http://www.sharp-world.com). Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы.
Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.
Третий этап в развитии LCD-технологии начался в 80-х годах, когда в устройствах стали применяться STN-элементы с повышенной контрастностью. Затем на смену им пришли многослойные структуры, позволяющие устранить ошибки при воспроизведении цветного изображения. Примерно тогда же появились активные матрицы на базе технологии a-Si TFT. Первый прототип монитора a-Si TFT LCD был создан в 1982 г. корпорациями Sanyo, Toshiba и Cannon. Впоследствии метод объединения 29-дюймовых активных панелей позволил корпорации Sharp создать экран с диагональю 40 дюймов.
Технологии
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.
Рис.1 Устройство LCD-экрана
Время отклика матрицы SXRD-проектора VPL-VW50 Pearl, сконструированных по технологии (англ. SXRD - Silicon X-tal Reflective Display - кремневая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию (англ. PALC - Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.
TN+film (Twisted Nematic + film)
Часть "film" в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку "film" часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на существующий момент одно из лучших, а вот уровень контрастности - нет.
TN + film - самая простая технология.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И т.к. направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.
К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц.
IPS (In-Plane Switching)
Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.
На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал). TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.
Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.
IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 1998 год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика. Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам CRT, контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips и NEC остаются единственными производителем панелей по данной технологии.
AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.
A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с Настоящим Белым), разработано LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой S-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - Настоящий белый) для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового диапазона. Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.
AFFS - Advanced Fringe Field Switching (неофициальное название S-IPS Pro). Технология является дальнейшим улучшением IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК, на матрицах производства Hitachi Displays.
*VA (Vertical Alignment)
MVA — Multi-domain Vertical Alignment.
Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°(на современных моделях мониторов до 176—178 градусов), время отклика примерно в 2 раза меньше, чем для матриц IPS, а цвета отображаются гораздо более точно, чем на старых TN+Film.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.
Достоинствами технологии MVA являются небольшое время реакции, глубокий черный цвет и отсутствие, как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля.
Недостатки MVA в сравнении с IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.
Аналогами MVA являются технологии:
- PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung.
- Super PVA от Samsung
- Super MVA от CMO.
Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.
Что такое TFT LCD
TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) – сокращенное название жидкокристаллического индикатора на тонкопленочных транзисторах. Сечение TFT-панели показано на рис.2.
Рис.2 Сечение TFT-панели
Введение в структуру ЖКИ. Поляризаторы.
Верхний поляризатор может поляризовать рассеянный свет от случайной поляризации в заданном направлении поляризации. До приложения электрического поля к электродам жидкие кристаллы выровнены в скрученную структуру. Свет в этом случае изменяется в соответствии со скрученной структурой жидких кристаллов. Нижний поляризатор сориентирован перпендикулярно верхнему поляризатору. Когда свет достигает нижнего поляризатора, оба поляризатора оказываются выровненными друг с другом. Свет может беспрепятственно проходить через них, как показано на рис.3.
Рис.3 Скрученная структура жидких кристаллов
Стеклянная подложка, подложка TFT и подложка цветового фильтра
С помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ (рис.4). Стекло TFT имеет столько транзисторов, сколько пикселей содержит дисплей, а генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра, имеющего фильтр цвета. Движение жидких кристаллов вызывается разностью потенциалов между электродами, находящихся на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение жидких кристаллов приводит к генерации цвета и оно же определяет яркость ЖКИ.
Рис.4 Стеклянные подложки TFT и цветового фильтра
Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы – почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Две стеклянные пластины, герметизированные эпоксидной смолой и имеющие щель в левом углу, позволяют ввести жидкие кристаллы (в вакууме) до окончательной герметизации стеклянных пластин. Разность потенциалов определяет ориентацию жидких кристаллов. Различия в ориентации жидких кристаллов приводят к различиям в коэффициенте пропускания (или отражения) и получаемым цветам в случае, когда используются поляризаторы и цветовой фильтр. Жидкие кристаллы – это субстанции, демонстрирующие различные фазы (твердое тело, жидкий кристалл или жидкость) при разных температурах (рис.5)
Рис.5 Различные фазы жидкокристаллического вещества
Выравнивающая пленка
Пленка наносится на две стеклянные пластинки (верхнюю и нижнюю) и имеет ряд параллельных канавок, обеспечивающих выравнивание молекул жидких кристаллов в соответствующем направлении (риc.6 имеет ряд параллельных канавок, обеспечивающих выравнивание молекул жидких кристаллов в соответствующем направлении).
Рис.6 Выравнивание молекул жидких кристаллов
Введение в управление жидкими кристаллами
Как работают жидкие кристаллы
При подаче напряжения к двум электродам ЖКИ молекулы жидких кристаллов «раскручиваются» тем сильнее, чем выше приложенный потенциал (рис.7). Чувствительность к электрическому напряжению - одна из основных особенностей жидких кристаллов. На рис.8 показан нормальный «белый» режим работы ЖКИ. Свет может проходить через слои жидких кристаллов, пока к ним не приложено никакой разности потенциалов, и молекулы жидких кристаллов будут изменять ориентацию световой плоскости в соответствии с их собственными углами. Однако при приложении напряжения жидкокристаллические молекулы будут «раскручивать» и «выпрямлять» свет, направляющийся к верхнему поляризационному фильтру. Поэтому свет не сможет пройти сквозь активную область ЖКИ, и эта область будет темнее окружающих зон.
Рис.7 Реакция ЖК- вещества на приложение внешнего поля
Рис.8 Прохождение света через ЖКИ
Метод управления жидкими кристаллами
На рис.9 показана схема управления жидкими кристаллами. В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается и на жидкие кристаллы подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. Когда переключатель выключатся, определенный заряд сохраняется в Clc, при этом величина напряжения на Clc будет со временем понижаться. Для расширения возможностей хранения заряда можно рассмотреть добавление параллельно Clс запоминающего конденсатора Cst.
Рис.9 Схема управления жидкими кристаллами
Запоминающий конденсатор
Фактически управление жидкими кристаллами должно производиться переменным напряжением. Для активации ЖКИ напряжение подается только при включенном переключателе, после чего переключатель немедленно отключается. В некоторых случаях напряжение на жидких кристаллах будет падать из-за наличия утечек. Для предотвращения такой ситуации мы можем использовать один параллельный конденсатор для компенсации напряжения утечки. При увеличении емкости Cst форма напряжения на нем приближается к меандру (рис.10).
Рис.10 Компенсирующее действие запоминающего конденсатора
Как работает жидкокристаллический индикатор на TFT
TFT выполняет роль переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока подключен к линии данных, а вывод стока соединен с Clc и Cst. Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении будут записаны в Clc и Cst. Когда затвор не выбран, канал TFT закрыт (рис.11).
Рис.11 Схема работы ячейки TFT-ЖКИ
Основа структуры TFT-ЖКИ
Основа структуры TFT-ЖКИ содержит жидкие кристаллы, два поляризатора и стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими двумя стеклянными пластинами (рис.12).
Рис.12 Структура TFT-ЖКИ
Регулирование потока света
Управляя величиной входного напряжения, подаваемого на жидкие кристаллы, можно изменять расположение молекул, их ориентацию и направление, что приведет к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через жидкие кристаллы (рис.13).
Рис.13 Регулирование светового потока
Формирование цвета
При прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный в верхнее цветное стекло, формируется каждый отдельный пиксель изображения путем смешивания базовых цветовых элементов RGB (R-красный, G-зеленый и B-голубой). Если красный, зеленый и голубой элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый свет. Путем регулировки соотношения этих трех элементов получают необходимое количество разнообразных цветов.
Рис.14 Формирование цвета
