рідкокристалічні монітори

рідкокристалічних моніторів

Зараз технологія плоскопанельних моніторів, і рідкокристалічних втому числі, є найбільш перспективною. Хоча в даний час на частку
РК-моніторів припадає лише близько 10% продажів у всьому світі, цей секторринку є найбільш швидкозростаючим (65% на рік).

Принцип роботи

Екрани LCD-моніторів (Liquid Crystal Display, рідкокристалічнімонітори) зроблені з речовини (ціанофеніл), яке знаходиться в рідкомустані, але при цьому володіє деякими властивостями, притаманнимикристалічним тіл. Фактично це рідини, що володіють анізотропієювластивостей (зокрема оптичних), пов'язаних з упорядкованістю в орієнтаціїмолекул.

Як не дивно, але рідкі кристали старше ЕЛТ майже на десять років,перший опис цих речовин було зроблено ще в 1888 р. Проте довгий часніхто не знав, як їх застосувати на практиці: є такі речовини і все, інікому, крім фізиків і хіміків, вони не були цікаві. Отже,рідкокристалічні матеріали були відкриті ще в 1888 році австрійськимвченим Ф. Ренітцером, але тільки в 1930-му дослідники з британськоїкорпорації Marconi отримали патент на їх промислове застосування. Втім,далі цього справа не пішла, оскільки технологічна база в той час булаще дуже слабка. Перший справжній прорив зробили вчені Фергесон
(Fergason) і Вільямс (Williams) з корпорації RCA (Radio Corporation of
America). Один з них створив на базі рідких кристалів термодатчик,використовуючи їх виборчий відображальний ефект, інший вивчав впливелектричного поля на нематичних кристали. І ось наприкінці 1966корпорація RCA продемонструвала прототип LCD-монітора - цифровий годинник.
Значну роль у розвитку LCD-технології зіграла корпорація Sharp. Вона йдо цих пір знаходиться в числі технологічних лідерів. Перший в світікалькулятор CS10A був проведений в 1964 р. саме цією корпорацією. Ужовтні 1975 р. вже за технологією TN LCD були виготовлені перші компактніцифровий годинник. У другій половині 70-х розпочався перехід від восьмісегментнихрідкокристалічних індикаторів до виробництва матриць з адресацією кожнійточки. Так, в 1976 р. Sharp випустила чорно-білий телевізор з діагоналлюекрану 5,5 дюйми, виконаного на базі LCD-матриці роздільною здатністю 160х120пікселів.

Робота ЖКД заснована на явищі поляризації світлового потоку. Відомо,що так звані кристали поляроїд здатні пропускати тільки тускладову світла, вектор електромагнітної індукції якої лежить уплощині, паралельній оптичній площині поляроїда. Для рештичастини світлового потоку поляроїд буде непрозорим. Таким чином поляроїдяк би "просіває" світло, даний ефект називається поляризацією світла.
Коли були вивчені рідкі речовини, довгі молекули яких чутливідо електростатичного та електромагнітного поля і здатні поляризуватисвітло, з'явилася можливість керувати поляризацією. Ці аморфні речовиниза їх схожість із кристалічними речовинами за електрооптичнихвластивостям, а також за здатність приймати форму посудини, назвали рідкимикристалами.

Грунтуючись на цьому відкритті і в результаті подальших досліджень,стало можливим виявити зв'язок між підвищенням електричної напругиі зміною орієнтації молекул кристалів для забезпечення створеннязображення. Перше своє застосування рідкі кристали знайшли в дисплеях длякалькуляторів і в електронному годиннику, а потім їх почали використовувати вмоніторах для портативних комп'ютерів. Сьогодні, в результаті прогресу вцій області, починають отримувати все більше поширення LCD-дисплеї длянастільних комп'ютерів.

Екран LCD монітора являє собою масив маленьких сегментів
(званих пікселями), якими можна маніпулювати для відображенняінформації. LCD монітор має кілька шарів, де ключову роль відіграють двапанелі, зроблені з вільного від натрію і дуже чистого скляногоматеріалу, званого субстрат або підкладка, які власне і містятьтонкий шар рідких кристалів між собою [см. рис. 2.1]. На панеляхє борозни, які направляють кристали, повідомляючи їм спеціальнуорієнтацію. Борозенки розташовані таким чином, що вони паралельні накожної панелі, але перпендикулярні між двома панелями. Поздовжні борозенкиутворюються в результаті розміщення на скляній поверхні тонких плівокз прозорого пластику, що потім спеціальним чином обробляється.
Стикаючись з борозенками, молекули в рідких кристалах орієнтуютьсяоднаково у всіх комірках. Молекули одного з різновидів рідкихкристалів (нематіков) при відсутності напруги повертають векторелектричного (і магнітного) поля в світлової хвилі на деякий кут уплощині, перпендикулярній осі розповсюдження пучка. Нанесення борозенокна поверхню скла дозволяє забезпечити однаковий кут поворотуплощини поляризації для всіх осередків. Дві панелі розташовані дуже близькоодин до одного. Рідкокристалічна панель висвітлюється джерелом світла (узалежно від того, де він розташований, рідкокристалічні панеліпрацюють на відбиття або на проходження світла).

Площина поляризації світлового променя повертається на 90 ° припроходженні однієї панелі [см. рис. 2.2].

З появою електричного поля, молекули рідких кристалів часткововибудовуються вертикально уздовж поля, кут повороту площини поляризаціїсвітла стає відмінним від 90 градусів і світло безперешкодно проходитьчерез рідкі кристали [см. рис. 2.3].

Поворот площини поляризації світлового променя непомітний для ока,тому виникла необхідність додати до скляних панелей ще два іншихшару, що представляють собою поляризаційні фільтри. Ці фільтри пропускаютьтільки ту компоненту світлового пучка, у якої вісь поляризаціївідповідає заданій. Тому при проходженні поляризатора пучок світлабуде ослаблений у залежності від кута між його площиною поляризації тавіссю поляризатора. При відсутності напруги комірка прозора, тому щоперший поляризатор пропускає тільки світло з відповідним векторомполяризації. Завдяки рідким кристалам вектор поляризації світлаповертається, і до моменту проходження пучка до другого поляризатора вінвже повернутий так, що проходить через другий поляризатор без проблем [диврис 2.4А].

У присутності електричного поля повороту вектора поляризаціївідбувається на менший кут, тим самим другі поляризатор стає тількичастково прозорим для випромінювання. Якщо різниця потенціалів буде такою,що повороту площини поляризації в рідких кристалах не відбудетьсязовсім, то світловий промінь буде повністю поглинений другу поляризатором, іекран при освітленні ззаду буде спереду здаватися чорним (промені підсвічуванняпоглинаються в екрані повністю) [см. рис 2.4б]. Якщо розташувати великечисло електродів, що створюють різні електричні поля в окремихмісцях екрану (комірки), то з'явиться можливість при правильному управлінніпотенціалами цих електродів відображати на екрані літери та інші елементизображення. Електроди поміщаються в прозорий пластик і можуть мати будь-якуформу. Технологічні нововведення дозволили обмежити їхні розміри величиноюмаленької точки, відповідно на одній і тій же площі екрану можнарозташувати більше число електродів, що збільшує роздільну здатність LCDмонітора і дозволяє нам відображати навіть складні зображення в кольорі. Длявиводу кольорового зображення необхідна підсвічування монітора ззаду, такимчином, щоб світло виходив із задньої частини LCD дисплея. Це необхідно длятого, щоб можна було спостерігати зображення з гарною якістю, навіть якщонавколишнє середовище не є світлою. Колір виходить в результатівикористання трьох фільтрів, які виділяють із випромінювання джерела білогосвітла три основні компоненти. Комбінуючи три основні кольори для кожноїточки або пікселя екрана, з'являється можливість відтворити будь-який колір.

Взагалі-то у випадку з кольором кілька можливостей: можна зробитикілька фільтрів один за одним (призводить до малої частки проходитьвипромінювання), можна скористатися властивістю рідкокристалічною осередку --при зміні напруженості електричного поля кут повороту площиниполяризації випромінювання змінюється по-різному для компонент світла з різноюдовжиною хвилі. Цю особливість можна використовувати для того, щоб відображати
(або поглинати) випромінювання заданої довжини хвилі (проблема полягає внеобхідності точно і швидко змінювати напругу). Який саме механізмвикористовується, залежить від конкретного виробника. Перший метод простіший,другий ефективніше.

Перші LCD дисплеї були дуже маленькими, близько 8 дюймів, у той часяк сьогодні вони досягли 15 "розмірів для використання в ноутбуках, а длянастільних комп'ютерів виробляються 20 "і більше LCD монітори. Слідом зазбільшенням розмірів слід збільшення дозволу, наслідком чогоє поява нових проблем, які були вирішені за допомогою з'явилисяспеціальних технологій, все це ми опишемо далі. Однією з перших проблембула необхідність стандарту у визначенні якості відображення при високихроздільній здатності. Першим кроком на шляху до мети було збільшення кута поворотуплощини поляризації світла в кристалах з 90 ° до 270 ° за допомогою STNтехнології.

STN - це скорочення, що означає "Super Twisted Nematic". Технологія STNдозволяє збільшити торсійний кут (кут кручення) орієнтації кристалівусередині LCD дисплея з 90 ° до 270 °, що забезпечує кращу контрастністьзображення при збільшенні розмірів монітора.

Часто STN осередку використовуються в парі. Така конструкція називається DSTN
(Double Super Twisted Nematic), в якій один двошарова DSTN-осередокскладається з 2 STN-осередків, молекули яких при роботі повертаються впротилежні сторони. Світло, проходячи через таку конструкцію в "закритому"стані, втрачає більшу частину своєї енергії. Контрастність та роздільназдатність DSTN досить висока, тому з'явилася можливістьвиготовити кольоровий дисплей, в якому на кожен піксель припадає три РК -комірки і три оптичних фільтра основних кольорів. Кольорові дисплеї нездатні працювати від відбитого світла, тому лампа задній підсвічування --їх обов'язковий атрибут. Для скорочення габаритів лампа знаходиться з боку, анавпроти неї дзеркало [см. рис. 2.5], тому більшість LCD-матриць вцентрі мають яскравість вище, ніж по краях (це не відноситься до настільних РКмоніторів).

Також STN осередку використовуються в режимі TSTN (Triple Super Twisted
Nematic), коли два тонкі шари полімерної плівки додаються для поліпшенняпередачі кольору кольорових дисплеїв або для забезпечення гарної якостімонохромних моніторів.

Термін пасивна матриця (passive matrix) з'явився в результатіподілу монітора на точки, кожна з яких, завдяки електродів,може задавати орієнтацію площини поляризації променя, незалежно відінших, так що в результаті кожен такий елемент може бути підсвіченийіндивідуально для створення зображення. Матриця називається пасивною,тому що технологія створення LCD дисплеїв, яка була описана вище, неможе забезпечити швидку зміну інформації на екрані. Зображенняформується рядок за рядком шляхом послідовного підвода керуючогонапруги на окремі осередки, що робить їх прозорими. Через доситьвеликої електричної ємності осередків напруга на них не може змінюватисядосить швидко, тому оновлення картинки відбувається повільно. Такийдисплей має багато недоліків з точки зору якості, тому щозображення не відображається плавно і тремтить на екрані. Маленька швидкістьзміни прозорості кристалів не дозволяє правильно відображатирухомі зображення.

Для вирішення частини вищеописаних проблем застосовують спеціальнітехнології, Для поліпшення якості динамічного зображення булозапропоновано збільшити кількість керуючих електродів. Тобто вся матрицярозбивається на кілька незалежних подматріц (Dual Scan DSTN - дванезалежних поля розгорнення зображення), кожна з яких містить меншукількість пікселів, тому почергове управління ними займає меншечасу. В результаті чого можна скоротити час інерції ЖК.

Також кращих результатів з точки зору стабільності, якості,дозволу, гладкості і яскравості зображення можна домогтися, використовуючиекрани з активною матрицею, які, втім, коштують дорожче.

В активній матриці (active matrix) використовуються окремі підсилювальніелементи для кожного осередку екрану, що компенсують вплив ємкості осередків тащо дозволяють значно зменшити час зміни їх прозорості. Активнаматриця (active matrix) має масу переваг в порівнянні з пасивноюматрицею. Наприклад, краща яскравість і можливість дивитися на екран навіть звідхиленням до 45 ° і більше (тобто при куті огляду 120 ° -140 °) без шкодиякості зображення, що неможливо у випадку з пасивною матрицею, якадозволяє бачити якісне зображення тільки з фронтальної позиції повідношенню до екрану. Зауважимо, що дорогі моделі LCD моніторів з активноюматрицею забезпечують кут огляду в 160 ° [див рис. 2.6], і є всіпідстави припускати, що технологія буде вдосконалюватися і внадалі. Активна матриця може відображати рухомі зображення безвидимого тремтіння, тому що час реакції дисплея з активною матрицею близько
50 мс проти 300 мс для пасивної матриці, крім того, контрастністьмоніторів з активною матрицею вище, ніж у ЕЛТ-моніторів. Слід зазначити,що яскравість окремого елемента екрана залишається незмінною на всьомуінтервалі часу між оновленнями картинки, а не являє собоюкороткий імпульс світла, що випромінюється елементом люмінофором ЕПТ-монітора відразупісля пригоди з цього елементу електронного променя. Саме тому для
LCD моніторів достатньою є частота вертикальної розгортки, рівна
60 Гц.

Функціональні можливості LCD моніторів з активною матрицею майжетакі ж, як у дисплеїв з пасивною матрицею. Різниця полягає вматриці електродів, яка управляє осередками рідких кристалів дисплея. Увипадку з пасивною матрицею різні електроди отримують електричний зарядциклічним методом при порядковому оновленні дисплея, а в результатірозряду ємностей елементів зображення зникає, тому що кристалиповертаються до своєї початкової конфігурації. У випадку з активною матрицеюдо кожного електроду доданий запам'ятовує транзистор, який може зберігатицифрову інформацію (двійкові значення 0 або 1) і в результаті зображеннязберігається до тих пір, поки не надійде інший сигнал. Частково проблемавідстрочки загасання зображення в пасивних матрицях вирішується за рахуноквикористання більшої кількості рідкокристалічних шарів для збільшенняпасивності і зменшення переміщень, тепер же, при використанні активнихматриць з'явилася можливість скоротити число рідкокристалічних шарів.
Запам'ятовувальні транзистори повинні вироблятися з прозорих матеріалів, щодозволить світлового променя проходить крізь них, а значить, транзистори можнарозташовувати на тильній частині дисплея, на скляній панелі, якамістить рідкі кристали. Для цих цілей використовуються пластикові плівки,звані "Thin Film Transistor" (або просто TFT).

Thin Film Transistor (TFT), тобто тонкоплівковий транзистор - це тікеруючі елементи, за допомогою яких контролюється кожен піксель наекрані. Тонкоплівковий транзистор дійсно дуже тонкий, його товщина
0,1 - 0,01 мікрона.

У першому TFT-дисплеї, що з'явилися в 1972р., Використовувався селенідомкадмію, що володіє високою рухливістю електронів і підтримує високущільність струму, але з часом було здійснено перехід на аморфний кремній
(a-Si), а в матрицях з високою роздільною здатністю використовується полікристалічнийкремній (p-Si).

Технологія створення TFT дуже складна, при цьому є труднощі здосягненням прийнятного відсотка придатних виробів з-за того, що числовикористовуваних транзисторів дуже велике. Зауважимо, що монітор, який можевідображати зображення з роздільною здатністю 800х600 пікселів в SVGA режимі ітільки з трьома кольорами має 1440000 окремих транзисторів. Виробникивстановлюють норми на граничну кількість транзисторів, які можутьбути неробочими в LCD дисплеї. Щоправда, у кожного виробника своя думкапро те, яка кількість транзисторів можуть не працювати.

Піксель на основі TFT влаштований таким чином: у скляній пластиніодин за одним інтегровано три кольорових фільтра (червоний, зелений тасиній). Кожен піксель є комбінацією трьох кольорових клітинок абосубпіксельних елементів [див. рис. 2.7]. Це означає, наприклад, що вдисплея, який має дозвіл 1280x1024, існує рівно 3840x1024транзистора і субпіксельних елементу. Розмір точки (пікселя) для 15.1 "дисплея TFT (1024x768) приблизно дорівнює 0.0188 дюйма (або 0.30 мм), адля 18.1 "дисплея TFT - близько 0.011 дюйма (або 0.28 мм).

TFT мають ряд переваг перед ЕЛТ-моніторами, серед яких --знижене споживання енергії та тепловіддача, плоский екран і відсутністьсліду від рухомих об'єктів. Останні розробки дозволяють отриматизображення більш високої якості, ніж звичайні TFT.

Зовсім недавно фахівцями компанії Hitachi була створена новатехнологія багатошарових РК-панелей Super TFT, яка значно збільшилакут впевненого огляду РК панелі. Технологія Super TFT використовує простіметалеві електроди, встановлені на нижній скляній пластині ізмушує молекули обертатися, постійно перебуваючи в площині, паралельнійплощині екрану [см. рис. 2.8]. Так як кристали звичайної РК-панеліповертаються до поверхні екрана краю, то такі ЖКД більшезалежні від кута зору, ніж РК-панелі Hitachi з технологією Super TFT, Врезультаті зображення на дисплеї залишається яскравим і чітким навіть при великихкутах огляду, досягаючи якості, зіставного з зображенням на Кінескопніекрані.

Японська компанія NEC нещодавно оголосила, що за якістю зображення її
LCD дисплеї незабаром досягнуть рівня лазерних принтерів, переступивши поріг в
200 ppi, що відповідає 31 точці на мм2 або кроку точок 0,18 мм. Якповідомили в NEC, що застосовуються сьогодні багатьма виробниками рідкікристали TN (twisted nematic) дозволяє будувати дисплеї з роздільною здатністю до
400 точок на дюйм. Однак головним стримуючим фактором в підвищеннідозволу є необхідність створення відповідних світлофільтрів. Унової технології "color filter on TFT" світлофільтри, що закриваютьтонкоплівкові транзистори, формуються за допомогою фотолітографії на нижнійскляній підкладці. У звичайних дисплеях світлофільтри наносяться на другий,верхню підкладку, що вимагає дуже точного поєднання двох пластин.

На минулому в 1999 році в США конференції "Society for information
Display "було зроблено декілька доповідей, що свідчать про успіхи встворення рідкокристалічних дисплеїв на пластиковій підкладці. Компанія
Samsung представила прототип монохромного дисплея на полімерному субстраті здіагоналлю 5,9 дюйма і товщиною 0,5 мм. Товщина самої підкладки становитьблизько 0,12 мм. Дисплей має роздільну здатність 480х320 пікселів і контрастність 4:1.
Вага - всього 10 грам.

Інженери з Лабораторії кінотехніки Університеті Штуттгартавикористовували не тонкоплівкові транзистори (TFT), а діоди MIM (метал -ізолятор-метал). Останнє досягнення цієї команди - дводюймовий кольоровийдисплей з роздільною здатністю 96х128 пікселів і коефіцієнтом контрастності 10:1.

Група фахівців IBM розробила технологію виробництватонкоплівкових транзисторів із застосуванням органічних матеріалів,дозволяє виготовляти гнучкі екрани для електронної книги та іншихпристроїв. Елементи розроблених IBM транзисторів напилюється напластикову підкладку при кімнатній температурі (традиційні LCD-дисплеївиготовляються при високій температурі, що виключає застосуванняорганічних матеріалів). Замість звичайного діоксиду кремнію для виготовленнязатвора використовується цирконату тітоната барію (BZT). В якостінапівпровідника застосовується органічна речовина під назвою пентацену
(pentacene), що представляє собою з'єднання фенілетіламмонія з іодідаолова.

Для підвищення роздільної здатності LCD-екранів компанія Displaytech запропонувала нестворювати зображення на поверхні великого LCD-екрана, а вивестикартинку на маленький дисплей високої роздільної здатності, а потім за допомогоюоптичної проекційної системи збільшити її до потрібних розмірів. При цьому
Displaytech використовувала оригінальну технологію Ferroelectric LCD (FLCD).
Вона заснована на так званих кірально-смектіческіх рідких кристалах,запропонованих для використання ще у 1980 р. Шар матеріалу, що маєферроелектріческімі властивостями і здатного відображати поляризований світло зобертанням площини поляризації, наноситься на подає сигнали, що управляють
CMOS-підкладку. При проходженні відбитого світлового потоку через другуполяризатор виникає картинка з темних і світлих пікселів. Кольоровийзображення виходить за рахунок швидкого чергування освітлення матрицічервоним, зеленим та синім світлом .. На базі FLCD-матриць можна вироблятиекрани великого розміру з високою контрастністю та якістю передачі кольору,з широкими кутами огляду і малим часом відгуку. У 1999 році альянскорпорацій Hewlett-Packard і DisplayTech оголосив про створення повнокольоровогомікродісплея на базі технології FLCD. Дозвіл матриці становить 320х240точок. Відмітними особливостями пристрою є малеенергоспоживання і можливість відтворення повнокольорового "живого"відео. Новий дисплей призначений для використання в цифрових камерах,камкодера, портативних комунікаторах і моніторах для надягаютькомп'ютерів.

Розвитком низькотемпературної технології з використаннямполікристалічного кремнію LTPS займається Toshiba. За словамипредставників цієї корпорації, вони позиціонують нові пристрої покитільки як призначені для ринку мобільних пристроїв, не включаючи сюдиноутбуки, де панує технологія a-Si TFT. Вже випускаються VGA-дисплеїрозміром 4 дюйми, а на підході 5,8-дюймові матриці. Фахівці вважають,що 2 млн. пікселів на екрані - це далеко не межа. Однією звідмінних рис даної технології є висока роздільназдатність.

За оцінками експертів корпорації DisplaySearch, що займаєтьсядослідженнями ринку плоских дисплеїв, в даний час при виготовленніпрактично будь-яких рідкокристалічних матриць відбувається заміна технологій:
TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) іособливо на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). Унайближчі 5-7 років в багатьох областях застосування звичайні LCD-екрани будутьзамінені або доповнені наступними пристроями:

мікродісплеі;

світловипромінюючі дисплеї на базі органічних матеріалів LEP;

дисплеї на базі автоелектронной емісії FED (Field Emisson Display);

дисплеї з використанням низькотемпературного полікристалічного кремнію LTPS (Low Temperature PolySilicon);

плазмові дисплеї PDP (Plasma Display Panel).

Серед переваг TFT можна відзначити відмінну фокусування, відсутністьгеометричних викривлень і помилок поєднання кольорів. Крім того, у нихніколи не мерехтить екран. Чому? Відповідь проста - в цих дисплея невикористовується електронний промінь, який малює зліва направо кожен рядок наекрані. Коли в ЕЛТ цей промінь перекладається з правого нижнього в лівий верхнійкут, зображення на мить гасне (зворотний хід променя). Навпаки,пікселі дисплея TFT ніколи не гаснуть, вони просто безперервно змінюютьінтенсивність свого світіння.

У таблиці 1.1 показані всі головні відмінності робочих характеристик длярізних типів дисплеїв:

З таблиця 1.1 випливає, що подальший розвиток РК-моніторів буде пов'язано з підвищенням чіткості і яскравості зображення, збільшенням кута огляду і зменшенням товщини екрану. Так, наприклад, вже існують перспективні розробки LCD-моніторів, виконаних за технологією з використанням полікристалічного кремнію. Це дозволяє, зокрема, створювати дуже тонкі пристрої, оскільки мікросхеми управління розміщуються в цьому випадку безпосередньо на скляній підкладці дисплея.
Крім того, нова технологія забезпечує високу роздільну здатність на порівняно невеликій за розміром екрані (1024x768 точок на 10,4 -- дюймовому екрані).