Введение

Вариант жидкокристаллического дисплея.
Тонкопленочный транзисторный жидкокристаллический дисплей (TFT LCD) – это тип жидкокристаллического дисплея, использующий технологию тонкопленочных транзисторов для улучшения качества изображения, такого как адресность и контрастность. TFT LCD является активным матричным ЖК-дисплеем, в отличие от пассивных матричных ЖК-дисплеев или простых ЖК-дисплеев с прямым управлением (то есть с сегментами, непосредственно подключенными к электронике вне дисплея) с небольшим количеством сегментов. TFT LCD применяются в телевизорах, компьютерных мониторах, мобильных телефонах, игровых системах, персональных цифровых помощниках, навигационных системах, проекторах, а также в приборных панелях некоторых автомобилей и мотоциклах среднего и высокого класса.

История

В феврале 1957 года Джон Уоллмарк из RCA подал патент на тонкопленочный MOSFET. Пол К. Ваймер, также из RCA, воплотил идеи Уоллмарка в жизнь и разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году – тип MOSFET, отличающийся от стандартного объемного MOSFET. Он был изготовлен из тонких пленок селенида кадмия и сульфида кадмия. Идея жидкокристаллического дисплея (LCD) на основе TFT была выдвинута Бернардом Лехнером из лабораторий RCA в 1968 году. В 1971 году Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали дисплей с матрицей 2x18, управляемый гибридной схемой, использующей динамический режим рассеяния в ЖК-дисплеях. В 1973 году Т. Питер Броди, Дж. А. Асарс и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories разработали TFT на основе CdSe (селенида кадмия), который они использовали для демонстрации первого жидкокристаллического дисплея на тонкопленочных транзисторах CdSe (TFT LCD). Броди и Фанг Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) с использованием CdSe TFT в 1974 году, а затем Броди ввел термин "активная матрица" в 1975 году. По состоянию на 2024 год TFT LCD дисплеи остаются доминирующими, но конкурируют с OLED в отношении высокой яркости и высокого разрешения, а также с электронной бумагой – в отношении дисплеев с низким энергопотреблением.

Строительство

Жидкокристаллические дисплеи, используемые в калькуляторах и других устройствах с аналогично простыми дисплеями, имеют элементы изображения с прямым управлением, поэтому напряжение можно легко приложить к отдельному сегменту таких дисплеев, не влияя на другие сегменты. Это было бы непрактично для большого дисплея, поскольку он содержал бы большое количество (цветных) элементов изображения (пикселей), что потребовало бы миллионы соединений – верхних и нижних – для каждого из трех цветов (красного, зеленого и синего) каждого пикселя. Чтобы избежать этой проблемы, пиксели адресуются по строкам и столбцам, что снижает количество соединений с миллионов до тысяч. Провода строк и столбцов подключаются к транзисторным переключателям, по одному на каждый пиксель. Односторонняя проводимость транзистора предотвращает разрядку заряда, подаваемого на каждый пиксель, между обновлениями изображения на дисплее. Каждый пиксель представляет собой небольшой конденсатор с слоем изолирующего жидкого кристалла, расположенным между прозрачными проводящими слоями оксида индия-олова (ITO). Технологический процесс изготовления ТФТ-LCD очень похож на процесс изготовления полупроводниковых приборов. Однако вместо изготовления транзисторов из кремния, формируемого в кристаллическую кремниевую пластину, они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния, которая осаждается на стеклянную панель. Кремниевый слой для TFT LCD обычно осаждается с использованием процесса PECVD. Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки удаляется, чтобы обеспечить легкий проход света. Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высокой производительности ТФТ. Примеры включают небольшие дисплеи с высоким разрешением, такие как те, что используются в проекторах или видоискателях. Аморфные кремниевые ТФТ наиболее распространены из-за их более низкой стоимости производства, в то время как поликристаллические кремниевые ТФТ дороже и гораздо сложнее в производстве.

Скрученный нематик (TN)

Скрученный нематический (TN) дисплей – один из старейших и часто самых дешевых типов технологий жидкокристаллических дисплеев. TN-дисплеи обладают быстрым временем отклика пикселей и меньшим размытием, чем другие типы ЖК-дисплеев, такие как IPS-дисплеи, но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. При просмотре под углом, не перпендикулярным дисплею, цвета смещаются, иногда до полной инверсии. Современные высококлассные потребительские продукты разработали методы для преодоления недостатков этой технологии, такие как технологии RTC (компенсация времени отклика / overdrive). Современные TN-дисплеи могут выглядеть значительно лучше, чем старые TN-дисплеи десятилетней давности, но в целом TN имеет худшие углы обзора и плохую цветопередачу по сравнению с другими технологиями, такими как IPS. Большинство TN-панелей могут отображать цвета, используя всего шесть бит на канал RGB, или 18 бит в сумме, и не способны отображать 16,7 миллиона цветовых оттенков (24-битный truecolor), доступных при использовании 24-битной глубины цвета. Вместо этого эти панели отображают интерполированный 24-битный цвет, используя метод дитеринга, который объединяет соседние пиксели для имитации желаемого оттенка. Они также могут использовать форму временного дитеринга, называемую контролем частоты кадров (FRC), которая переключается между различными оттенками с каждым новым кадром для имитации промежуточного оттенка. Такие 18-битные панели с дитерингом иногда рекламируются как поддерживающие "16,2 миллиона цветов". Эти методы имитации цвета заметны многим и раздражают некоторых. FRC обычно наиболее заметен в темных тонах, в то время как дитеринг делает отдельные пиксели ЖК-дисплея видимыми. В целом, цветопередача и линейность на TN-панелях плохие. Недостатки в цветовом охвате дисплея (часто называемого процентом цветовой гаммы NTSC 1953) также связаны с технологией подсветки. Для старых дисплеев типичный диапазон составляет от 10% до 26% цветовой гаммы NTSC, в то время как другие типы дисплеев, использующие более сложные формулы CCFL или LED-фосфоров или RGB LED-подсветку, могут превышать 100% цветовой гаммы NTSC – разница, легко заметная человеческому глазу. Пропускание света пикселем ЖК-панели обычно не изменяется линейно с приложенным напряжением, а стандарт sRGB для компьютерных мониторов требует специфической нелинейной зависимости количества излучаемого света от значения RGB.

Переключение в плоскости (IPS)

В плоскости переключения (IPS) была разработана компанией Hitachi Ltd. в 1996 году для улучшения плохих углов обзора и неточной цветопередачи TN-панелей того времени. Название технологии происходит от ключевого отличия от TN-панелей: кристаллы в ней ориентированы параллельно плоскости панели, а не перпендикулярно ей. Это уменьшает рассеивание света в матрице, обеспечивая IPS характерные широкие углы обзора и хорошую цветопередачу. Первые версии технологии IPS отличались медленным временем отклика и низким коэффициентом контрастности, но последующие модификации значительно улучшили эти характеристики. Благодаря широким углам обзора и точной цветопередаче (практически без изменения цвета при отклонении взгляда), IPS широко используется в высококлассных мониторах, предназначенных для профессиональных графических дизайнеров, хотя в последнее время, с падением цен, она стала появляться и на массовом рынке. Технология IPS была продана компании Panasonic компанией Hitachi. + Развитие технологии IPS компании Hitachi NameNicknameYearAdvantageСотношение пропускной способности/контрастностиRemarks Super TFT IPS 1996 Широкий угол обзора 100/100Базовый уровень Большинство панелей также поддерживают 8-битную глубину цвета на канал. Эти улучшения были достигнуты за счет увеличения времени отклика, которое изначально составляло около 50 мс. IPS-панели также были очень дорогими. Super IPS S IPS 1998 Отсутствие цветовых сдвигов 100/137 IPS впоследствии была заменена S IPS (Super IPS, Hitachi Ltd. в 1998 году), которая сочетает в себе все преимущества технологии IPS с улучшенным временем обновления пикселей. Advanced Super IPS AS IPS 2002 Высокая пропускная способность 130/250 AS IPS, также разработанная Hitachi Ltd. в 2002 году, значительно улучшает контрастность традиционных S IPS-панелей, приближая ее к показателям некоторых S PVA. IPS Provectus IPS Pro 2004 Высокая контрастность 137/313 Последняя панель от IPS Alpha Technology с расширенной цветовой гаммой и контрастностью, сопоставимой с PVA и ASV дисплеями, без эффекта свечения под углом. IPS alpha IPS Pro 2008 Высокая контрастность Следующее поколение IPS Pro IPS alpha next gen IPS Pro 2010 Высокая контрастность + Развитие технологии IPS компании LG NameNicknameYearRemarksHorizontal IPSH IPS2007 Улучшает контрастность за счет скручивания расположения электродов. Также представлена опциональная поляризационная пленка Advanced True White от NEC, делающая белый цвет более естественным. Используется в профессиональных/фотографических ЖК-дисплеях. Enhanced IPSE IPS2009Увеличенная апертура для пропускания света, позволяющая использовать менее мощные и более дешевые подсветки. Улучшает диагональный угол обзора и дополнительно снижает время отклика до 5 мс. Professional IPSP IPS2010 Предлагает 1,07 миллиарда цветов (10-битная глубина цвета). Большее количество возможных ориентаций на субпиксель (1024 против 256) и обеспечивает лучшую глубину цвета. Advanced High Performance IPSAH IPS2011 Улучшенная точность цветопередачи, повышенное разрешение и PPI, а также большая светопроницаемость для снижения энергопотребления.

Усовершенствованное переключение пограничного поля (AFFS)

Это ЖК-технология, разработанная компанией Boe Hydis из Кореи на основе IPS. До 2003 года известная как технология переключения периферийного поля (FFS), усовершенствованная технология переключения периферийного поля (AFFS) аналогична IPS или S-IPS, обеспечивая превосходную производительность, широкую цветовую гамму и высокую яркость. Смещение и искажение цвета, вызванные утечкой света, корректируются за счет оптимизации цветового охвата белого, что также улучшает воспроизведение белых и серых оттенков. AFFS разработана компанией Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (ранее Hyundai Electronics, подразделение LCD Task Force). В 2004 году Hydis Technologies Co., Ltd лицензировала патент AFFS японской компании Hitachi Displays. Hitachi использует AFFS для производства высококлассных панелей в своей продуктовой линейке. В 2006 году Hydis также лицензировала AFFS корпорации Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. В 2007 году Hydis представила AFFS+, улучшающую читаемость на улице.

Вертикальное выравнивание с использованием множественных доменов (MVA)

Он обеспечивал быстрое время отклика пикселя для своего времени, широкие углы обзора и высокую контрастность, жертвуя при этом яркостью и цветопередачей. Современные MVA-панели могут предложить широкие углы обзора (уступающие только технологии S-IPS), хорошую глубину черного, точную и насыщенную цветопередачу, а также быстрое время отклика благодаря использованию технологий RTC (компенсации времени отклика). При взгляде на MVA-панель под углом цвета будут смещаться, но в меньшей степени, чем на TN-панелях. Существует несколько технологий MVA нового поколения, включая P-MVA и AMVA от AU Optronics, а также S-MVA от Chi Mei Optoelectronics.

Вертикальная выровняемость с рисунком (PVA)

Менее дорогие панели PVA часто используют дитеринг и FRC, в то время как панели Super PVA (S PVA) всегда используют как минимум 8 бит на цветовой компонент и не применяют методы цветовой симуляции. S PVA также значительно уменьшила свечение черного при взгляде под углом и снизила изменение гаммы при отклонении от прямого угла. Некоторые высококлассные ЖК-телевизоры Sony BRAVIA, например, серия Bravia X4500, поддерживают 10-битную глубину цвета и xvYCC. S PVA также обеспечивает быстрое время отклика благодаря современным технологиям RTC.

Усовершенствованный супервизор (ASV)

Развитая технология супервизуал, также известная как осево-симметричное вертикальное выравнивание, была разработана компанией Sharp. Это режим VA, в котором молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно подложкам в выключенном состоянии. Нижний субпиксель имеет электроды сплошного покрытия, а верхний – электрод меньшей площади в центре субпикселя. При включении поля молекулы жидких кристаллов начинают наклоняться к центру субпикселей под действием электрического поля, в результате чего формируется непрерывное спиральное выравнивание (CPA). Азимутальный угол вращается на 360 градусов непрерывно, обеспечивая превосходные углы обзора. Режим ASV также называют режимом CPA.

Переключение плоской линии (PLS)

Технология Super PLS, разработанная компанией Samsung, имеет сходство с IPS-панелями, но отличается более широкими углами обзора, улучшенным качеством изображения, повышенной яркостью и сниженными затратами на производство. Технология PLS впервые появилась на рынке компьютерных мониторов с выпуском моделей Samsung S27A850 и S24A850 в сентябре 2011 года.

Технология TFT с двумя транзисторами (DTP) или клеточной технологией

Технология TFT с двойным транзистором или пиксельной ячейкой — это технология отражающего дисплея, предназначенная для применения в устройствах с очень низким энергопотреблением, таких как электронные ценники (ESL), цифровые часы или приборы учета. DTP предполагает добавление второго затвора транзистора в отдельную ячейку TFT для поддержания отображения пикселя в течение 1 секунды без потери изображения и без ухудшения характеристик TFT-транзисторов со временем. Снижая частоту обновления с обычной частоты 60 Гц до 1 Гц, технология DTP позволяет увеличить энергоэффективность на несколько порядков.

Экранная промышленность

В связи с очень высокой стоимостью строительства заводов по производству TFT-дисплеев, существует небольшое количество крупных OEM-поставщиков панелей для больших дисплеев. Поставщики стеклянных панелей следующие:

Поставщики стеклянных панелей для ЖК-дисплеевТип панелиКомпанияПримечанияКрупные производители телевизоровIPS ProPanasonicПредназначены исключительно для рынка ЖК-телевизоров и известны как IPS Alpha Technology Ltd. Panasonic, Hitachi, ToshibaH IPS & P IPSLG DisplayТакже производят другие типы TFT-панелей, такие как TN, для OEM-рынков, включая мобильные устройства, мониторы, автомобильную технику, портативные AV-устройства и промышленные панели. LG, Philips, BenQS IPSHannstarChunghwa Picture Tubes, Ltd. A MVAAU OptronicsA HVAAU OptronicsS MVAChi Mei OptoelectronicsAASInnoLux CorporationS PVASamsung, SonyAFFSДля небольших и средних специализированных проектов. ASVSharp CorporationРынки ЖК-телевизоров и мобильных устройствSharp, SonyMVASharp CorporationИсключительно для рынка LED-ЖК-телевизоровSharpHVAChina Star Optoelectionics TechnologyHVA и AMOLEDTCL

Электрический интерфейс

Внешние потребительские дисплейные устройства, такие как TFT LCD, оснащены одним или несколькими аналоговыми интерфейсами VGA, DVI, HDMI или DisplayPort, при этом многие из них предлагают выбор этих интерфейсов. Внутри внешних дисплеев находится контроллерная плата, которая преобразует видеосигнал с использованием цветовой коррекции и масштабирования изображения, обычно применяя дискретное косинусное преобразование (DCT) для преобразования любого видеоисточника, такого как CVBS, VGA, DVI, HDMI и т. д., в цифровой RGB с разрешением, соответствующим родным характеристикам панели дисплея. В ноутбуке графический чип напрямую генерирует сигнал, подходящий для подключения к встроенному TFT-дисплею. Механизм управления подсветкой обычно интегрирован в ту же контроллерную плату. Низкоуровневый интерфейс панелей STN, DSTN или TFT использует либо однополярный сигнал TTL 5 В для устаревших дисплеев, либо TTL 3.3 В для несколько более новых дисплеев, передавая тактовую частоту пикселя, горизонтальную синхронизацию, вертикальную синхронизацию, цифровые компоненты красного, зеленого и синего цветов параллельно. Некоторые модели (например, AT070TN92) также поддерживают сигналы включения/выключения дисплея, направления сканирования по горизонтали и вертикали. Новые и большие (>15") TFT-дисплеи часто используют сигнализацию LVDS, которая передает тот же контент, что и параллельный интерфейс (Hsync, Vsync, RGB), но помещает управляющие биты и RGB в несколько последовательных линий передачи, синхронизированных с тактовым сигналом, частота которого равна частоте пикселей. LVDS передает семь бит на такт на линию данных, при этом шесть бит представляют данные, а один бит используется для сигнализации о необходимости инвертировать остальные шесть бит для поддержания постоянного тока. Бюджетные TFT-дисплеи часто имеют три линии данных и, следовательно, напрямую поддерживают только 18 бит на пиксель. Дисплеи более высокого класса имеют четыре или пять линий данных для поддержки 24 бит на пиксель (truecolor) или 30 бит на пиксель соответственно. Производители панелей постепенно заменяют LVDS на Internal DisplayPort и Embedded DisplayPort, что позволяет шестикратно уменьшить количество дифференциальных пар. Интенсивность подсветки обычно регулируется путем изменения нескольких вольт постоянного тока, генерации ШИМ-сигнала (PWM), регулировки потенциометра или путем ее фиксации. Это, в свою очередь, управляет высоковольтным (1,3 кВ) инвертором постоянного тока/переменного тока или матрицей светодиодов. Управление интенсивностью светодиодов осуществляется путем импульсной модуляции (PWM), которая может быть источником гармонического мерцания. Сама панель дисплея принимает только цифровой видеосигнал с разрешением, определяемым пиксельной матрицей панели, разработанной производителем. Некоторые панели экрана игнорируют младшие значащие биты (LSB) цветовой информации для обеспечения согласованного интерфейса (8 бит > 6 бит/цвет x3). 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, требуется простая перестановка битов перед передачей их на рескалер, если разрешение входного сигнала не соответствует разрешению панели дисплея.