Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Жидкокристаллический дисплей
Материал из https://ru.wikipedia.org

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-экран, ЖКД; жидкокристаллический индикатор, ЖКИ; англ. liquid-crystal display, LCD) — экран на основе жидких кристаллов.

Простые приборы с ЖКИ (электронные часы, термометры, плееры, телефоны и пр.) могут иметь монохромный или 2—5-цветный дисплей. С появлением быстрой светодиодной подсветки появились дешёвые сегментные и матричные многоцветные ЖКИ с последовательной подсветкой цветов[англ.][1] или TMOS[англ.][2]. В настоящий момент многоцветное изображение обычно формируется с помощью RGB-триад, используя ограниченное угловое разрешение человеческого глаза.

Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической или текстовой информации в компьютерных мониторах (также и в ноутбуках), телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных книгах, навигаторах, планшетах, электронных переводчиках, калькуляторах, часах и т. п., а также во многих других электронных устройствах.

Жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (TFT LCD, англ. thin-film transistor — тонкоплёночный транзистор) — разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночными транзисторами[источник не указан 770 дней].

Содержание

История

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ботаником Ф. Райницером[англ.], в 1927 году русским физиком В. К. Фредериксом был открыт переход Фредерикса, ныне широко используемый в жидкокристаллических дисплеях.

В 1960-х годах в компании RCA изучались электрооптические эффекты в жидких кристаллах и использование жидкокристаллических материалов для устройств отображения. В 1964 году Джордж Хейлмейер создал первый жидкокристаллический дисплей, основанный на эффекте динамического рассеяния (DSM). В 1968 году RCA был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. В 1973 году Sharp выпустила первый ЖК-калькулятор c дисплеем на основе DSM-LCD. Жидкокристаллические дисплеи начали использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Потом стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие чёрно-белое изображение

В декабре 1970 года был запатентован скрученный нематический эффект (TN-effect) швейцарской компанией Hoffmann-LaRoche[3]. В 1971 году Джеймс Фергасон в США получил аналогичный патент[4], и компания ILIXCO (теперь LXD Incorporated[англ.]) произвела первые LCD на основе TN-эффекта. Технология TN применялась при производстве калькуляторов и первых электронных часов, но была непригодной в производстве больших экранов.

В 1983 году в Швейцарии изобрели новый нематический материал для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей — STN (Super-TwistedNematic)[5]. Но такие матрицы придавали пропускаемому белому свету желтый или голубой оттенок. Чтобы исправить этот недостаток, специалисты корпорации Sharp изобрели конструкцию под названием Double STN. В 90-х годах DSTN дисплеи активно применялись в ноутбуках нижнего ценового диапазона, в качестве более дешёвой альтернативы дорогим дисплеям на активной матрице,а в конце 90-х годов были представлены дисплеи на пассивной матрице основанные на технологии HPA[6][7].

В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма, в 1988 — первый в мире 14-дюймовый цветной TFT LCD[англ.].

В 1983 году Casio выпустила первый портативный чёрно-белый телевизор с жк-экраном TV-10, в 1984 — первый цветной портативный телевизор с жидкокристаллическим экраном TV-1000, в 1992 — первую видеокамеру с ЖК дисплеем QV-10[8].

В 1990-е годы разные компании приступили к разработке альтернатив TN- и STN[англ.]-дисплеям. В 1990 году в Германии была запатентована технология IPS (In-Plane Switching)[9] на основе методики Гюнтера Баура.

В 1992 году японская компания EIZO (NANAO) представила первую коммерческую модель настольного жидкокристаллического монитора - FA-1020 с диагональю 10,4 дюйма[10], не слишком успешную на рынке из-за высокой стоимости. Массовое же производство настольных цветных жидкокристаллических мониторов для персональных компьютеров началось со второй половины 1990-х годов. Одним из пионеров рынка стала компания Taxan, в августе 1996 года представившая модель Crystalvision 650 — диагональю 14,5 дюймов с разрешением 1024x768 точек и отображавшую 256 цветов[11].

В 2007 году качество изображения ЖК-телевизоров превзошло качество изображения телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).[12] В четвертом квартале 2007 года ЖК-телевизоры впервые превзошли ЭЛТ-телевизоры по мировым продажам.[13]

В 2016 году Panasonic разработала ЖК-панели 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 (Light Modulatory Cell Layer). Технология использует 2 жидкокристаллических слоя вместо одного и может использоваться вместе с мини-светодиодной подсветкой и листами с квантовыми точками.[14][15][16]

С 2019 года крупнейшим в мире поставщиком жидкокристаллических панелей для изготовления телевизоров становится китайская компания BOE Technology[17]. Другие поставщики, по состоянию на 2021 год — LG Display (до 2022 года[18]), тайваньская компания Innolux Corporation[англ.], Samsung[19].

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:
  • тип матрицы — определяется технологией, по которой изготовлен ЖК-дисплей;
  • класс матрицы; стандарт ISO 13406-2 выделяет четыре класса матриц по допустимому количеству «битых пикселей»;
  • разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК-дисплеи имеют одно фиксированное разрешение, а поддержка остальных реализуется путём интерполяции (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зелёных и синих точек, однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости);
  • размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;
  • соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (1510), 8:5 (1610), 5:3 (159), 16:9 и др.);
  • видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: при одинаковой диагонали, монитор формата 4:3 имеет большую площадь, чем монитор формата 16:9;
  • контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;
  • яркость — количество света, излучаемое дисплеем (обычно измеряется в канделах на квадратный метр);
  • время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
    • время буферизации (input lag). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. По состоянию на 2011-й год в пределах 20—50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс;
    • время переключения. Указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. По состоянию на 2016-й год практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 1—6 мс;
  • угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в технических параметрах своих мониторов углы обзора, такие, к примеру, как: CR 5:1 — 176/176°, CR 10:1 — 170/160°. Аббревиатура CR (англ. contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно контрастности при взгляде перпендикулярно экрану. В приведённом примере, при углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже, чем 10:1, при углах обзора 176°/176° — не ниже, чем до значения 5:1.


Устройство

Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов:
  • ЖК-матрицы (первоначально — плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основе полимеров);
  • источников света для подсветки;
  • контактного жгута (проводов);
  • корпуса, чаще пластикового, с металлической рамкой для придания жёсткости.


Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения, это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Состав пикселя ЖК-матрицы:

Если бы жидких кристаллов между фильтрами не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Типы ЖК-матриц

Технология TN (Twisted Nematic — скрученный нематик). На поверхность электродов, контактирующую с жидкими кристаллами, нанесены микроскопические параллельные бороздки, и молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, принимают заданную ориентацию. Вследствие межмолекулярного взаимодействия последующие слои молекул выстраиваются друг за другом. В TN-матрице направления бороздок двух пластин (плёнок) взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения образуют спираль из промежуточных ориентаций, которая и дала название технологии. Эта винтовая структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Питающее напряжение должно быть переменным синусоидальной или прямоугольной формы, частотой 30—1000Гц. Постоянная составляющая в рабочем напряжении недопустима из-за появления в слое жидких кристаллов электролитического процесса, резко сокращающего срок службы дисплея. Может применяться изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока вне зависимости от его полярности).

Основными недостатками являются низкое качество цветопередачи, малые углы обзора и низкая контрастность, а достоинством — высокая скорость обновления.

Технология STN (Super Twisted Nematic — нематик с суперскручиванием). Бороздки на подложках, ориентирующие первый и последний кристалл, расположены под углом более 200° друг к другу, а не 90°, как в обычной TN.

Технология Double STN. Одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из двух STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. В активной ячейке (на которую подается напряжение) жидкий кристалл вращается на 240° против часовой стрелки, в пассивной ячейке — на 240° по часовой стрелке.

Технология DSTN — Dual-ScanTwisted Nematic. Экран делится на две части, каждая из которых управляется отдельно.

Технология IPS (In-Plane Switching).

Гюнтер Баур предложил новую схему ЖК-ячейки, в которой молекулы в нормальном состоянии не закручены в спираль, а ориентированы параллельно друг другу вдоль плоскости экрана. Бороздки на нижней и верхней полимерных плёнках параллельны. Управляющие электроды расположены на нижней подложке. Плоскости поляризации фильтров Р и А расположены под углом 90°. В выключенном состоянии (OFF) свет не проходит через поляризационный фильтр А.

Технология VA (Vertical Alignment). В матрицах VA-кристаллы при выключенном напряжении расположены перпендикулярно плоскости экрана и пропускают поляризованный свет, но второй поляризатор его блокирует, что делает чёрный цвет глубоким и качественным. Под напряжением молекулы отклоняются на 90°.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Преимущества и недостатки

К преимуществам жидкокристаллических дисплеев можно отнести малые размер и массу в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и чёткостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти[20] раз — ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы.

Малогабаритные ЖК-дисплеи без активной подсветки, применяемые в электронных часах, калькуляторах и т. п., обладают чрезвычайно низким энергопотреблением (ток - от сотен наноампер до единиц микроампер) что обеспечивает длительную, до нескольких лет, автономную работу таких устройств без замены гальванических элементов.

Технологии
Downgrade Counter