Жидкокристаллические дисплеи: принцип работы и применение

ЖК-дисплеи: принцип работы, устройство и применение жидкокристаллических экранов. Технология LCD для создания цветных и монохромных изображений.

38 мин чтения

100%

Источник: Liquid-crystal display — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Дисплей, использующий светомодулирующие свойства жидких кристаллов.

Жидкокристаллический дисплей (LCD) – это плоскопанельный дисплей или другое электронно-модулируемое оптическое устройство, использующее светомодулирующие свойства жидких кристаллов в сочетании с поляризаторами. Жидкие кристаллы не излучают свет напрямую, а используют подсветку или отражатель для создания цветных или монохромных изображений. ЖК-дисплеи могут отображать как произвольные изображения (например, на дисплеях компьютеров общего назначения), так и фиксированные изображения с низкой информативностью, которые могут быть отображены или скрыты: примеры таких устройств – дисплеи с предустановленными словами, цифрами и семисегментные индикаторы (как в цифровых часах). Они используют одну и ту же базовую технологию, но произвольные изображения формируются матрицей из мелких пикселей, а другие дисплеи состоят из более крупных элементов. ЖК-дисплеи могут быть нормально-белыми (позитивными) или нормально-черными (негативными) в зависимости от расположения поляризаторов. Например, позитивный LCD с подсветкой отображает черные символы на фоне цвета подсветки, а негативный LCD – черный фон с символами цвета подсветки. ЖК-дисплеи применяются в широком спектре устройств, включая ЖК-телевизоры, компьютерные мониторы, приборные панели, дисплеи в кабинах самолетов, а также для наружной и внутренней рекламы. Небольшие ЖК-экраны широко используются в ЖК-проекторах и портативных устройствах, таких как цифровые камеры, часы, калькуляторы и мобильные телефоны, включая смартфоны. ЖК-экраны практически полностью заменили громоздкие, тяжелые и менее энергоэффективные дисплеи на электронно-лучевых трубках (CRT) во многих областях применения. Фосфоры, используемые в ЭЛТ, делают их уязвимыми к выгоранию изображения при длительном отображении статичного изображения, например, сетки расписания авиарейсов на информационном табло. ЖК-дисплеи не имеют этого недостатка, но все еще подвержены эффекту остаточного изображения.

Общие характеристики

Каждый пиксель ЖК-дисплея обычно состоит из слоя молекул, выровненных между двумя прозрачными электродами, часто изготовленными из оксида индия-олова (ITO) и двух поляризующих фильтров (параллельных и перпендикулярных поляризаторов), оси пропускания которых (в большинстве случаев) перпендикулярны друг другу. Без жидких кристаллов между поляризующими фильтрами свет, проходящий через первый фильтр, блокируется вторым (перекрестным) поляризатором. До подачи электрического поля ориентация молекул жидких кристаллов определяется выравниванием на поверхностях электродов. В устройстве с перекрученным нематиком (TN) направления выравнивания поверхности на двух электродах перпендикулярны друг другу, поэтому молекулы располагаются в спиральную структуру, или перекручиваются. Это вызывает вращение плоскости поляризации падающего света, и устройство выглядит серым. Если приложенное напряжение достаточно велико, молекулы жидких кристаллов в центре слоя почти полностью раскручиваются, и плоскость поляризации падающего света не вращается при прохождении через слой жидких кристаллов. Этот свет затем преимущественно поляризуется перпендикулярно второму фильтру и, следовательно, блокируется, и пиксель выглядит черным. Контролируя напряжение, приложенное к слою жидких кристаллов в каждом пикселе, можно пропускать свет в различном количестве, создавая различные уровни серого. Химическая формула жидких кристаллов, используемых в ЖК-дисплеях, может варьироваться. Формулы могут быть запатентованы. Примером является смесь 2-(4-алкоксифенил)-5-алкилпиримидина с цианобифенилом, запатентованная компанией Merck and Sharp. Патент, покрывавший эту конкретную смесь, истек. Большинство цветных ЖК-систем используют ту же технику, с использованием цветных фильтров для генерации красных, зеленых и синих субпикселей. Цветные фильтры ЖК-дисплеев изготавливаются с помощью фотолитографии на больших стеклянных листах, которые затем склеиваются с другими стеклянными листами, содержащими тонкопленочный транзисторный массив (TFT), прокладки и жидкие кристаллы, создавая несколько цветных ЖК-дисплеев, которые затем вырезаются друг из друга и ламинируются поляризационными листами. Используются красные, зеленые, синие и черные фоторезисты (резисты). Все резисты содержат мелкодисперсный порошкообразный пигмент, частицы которого имеют размер всего 40 нанометров. Черный резист наносится первым; он создает черную матрицу (известную в отрасли как черная матрица), которая разделяет красные, зеленые и синие субпиксели друг от друга, увеличивая коэффициент контрастности и предотвращая утечку света из одного субпикселя на соседние. После высушивания черного резиста в печи и его экспонирования ультрафиолетовым светом через фотомаску неэкспонированные участки смываются, создавая черную матрицу. Затем тот же процесс повторяется с оставшимися резистами. Это заполняет отверстия в черной матрице соответствующими цветными резистами. Другой метод генерации цвета, использовавшийся в ранних цветных КПК и некоторых калькуляторах, заключался в изменении напряжения в ЖК-дисплее с суперперекручиванием, где переменное перекручивание между близко расположенными пластинами вызывает изменение двойного лучепреломления, тем самым изменяя оттенок. Обычно они ограничивались 3 цветами на пиксель: оранжевым, зеленым и синим. Оптический эффект TN-устройства в состоянии включенного напряжения гораздо меньше зависит от изменений толщины устройства, чем в состоянии выключенного напряжения. Поэтому TN-дисплеи с низкой информативностью и без подсветки обычно работают между скрещенными поляризаторами таким образом, что они выглядят яркими при отсутствии напряжения (глаз гораздо более чувствителен к изменениям в темном состоянии, чем в ярком). Поскольку большинство ЖК-дисплеев 2010-х годов используются в телевизорах, мониторах и смартфонах, они имеют матричные массивы пикселей высокого разрешения для отображения произвольных изображений с использованием подсветки на темном фоне. Когда изображение не отображается, используются другие схемы. Для этого TN ЖК-дисплеи работают между параллельными поляризаторами, в то время как IPS ЖК-дисплеи имеют скрещенные поляризаторы. Во многих приложениях IPS ЖК-дисплеи заменили TN ЖК-дисплеи, особенно в смартфонах. Как жидкокристаллический материал, так и материал выравнивающего слоя содержат ионные соединения. Если электрическое поле определенной полярности прикладывается в течение длительного периода времени, этот ионный материал притягивается к поверхностям и ухудшает характеристики устройства. Это предотвращается либо путем подачи переменного тока, либо путем изменения полярности электрического поля при обращении к устройству (реакция слоя жидких кристаллов одинакова независимо от полярности приложенного поля). Дисплеи для небольшого количества отдельных цифр или фиксированных символов (например, в цифровых часах и карманных калькуляторах) могут быть реализованы с независимыми электродами для каждого сегмента. Напротив, полнографические или дисплеи с переменной графикой обычно реализуются с пикселями, расположенными в виде матрицы, состоящей из электрически соединенных строк на одной стороне слоя ЖК и столбцов на другой стороне, что позволяет обращаться к каждому пикселю на пересечениях. Общий метод матричного обращения состоит в последовательном обращении к одной стороне матрицы, например, путем последовательного выбора строк и подачи информации об изображении на другую сторону в столбцах построчно. Подробную информацию о различных схемах матричного обращения см. в разделах ЖК-дисплеи с пассивной и активной матрицей. ЖК-дисплеи производятся в чистых помещениях с использованием технологий, заимствованных из производства полупроводников, и с использованием больших листов стекла, размер которых со временем увеличивался. Несколько дисплеев производятся одновременно, а затем вырезаются из листа стекла, также известного как материнское стекло или подложка ЖК-дисплея. Увеличение размера позволяет изготавливать больше дисплеев или дисплеев большего размера, как и в случае увеличения размеров пластин в производстве полупроводников. Размеры стекла следующие:
Поколение Длина (мм) Высота (мм) Год выпуска Ссылки GEN 1 200–300 200–400 1990 GEN 2 370 470 GEN 3 550 650 1996–1998 GEN 3.5 600 720 1996 GEN 5 1100 1250–1300 2002–2004 GEN 7.5 1950 2250 GEN 8.6 2250 2600 2016 GEN 10.5 (также известное как GEN 11) 2940 3370 2018

Each pixel of an LCD typically consists of a layer of molecules aligned between two transparent electrodes, often made of indium tin oxide (ITO) and two polarizing filters (parallel and perpendicular polarizers), the axes of transmission of which are (in most of the cases) perpendicular to each other. Without the liquid crystal between the polarizing filters, light passing through the first filter would be blocked by the second (crossed) polarizer. Before an electric field is applied, the orientation of the liquid crystal molecules is determined by the alignment at the surfaces of electrodes. In a twisted nematic (TN) device, the surface alignment directions at the two electrodes are perpendicular to each other, and so the molecules arrange themselves in a helical structure, or twist. This induces the rotation of the polarization of the incident light, and the device appears gray. If the applied voltage is large enough, the liquid crystal molecules in the center of the layer are almost completely untwisted and the polarization of the incident light is not rotated as it passes through the liquid crystal layer. This light will then be mainly polarized perpendicular to the second filter, and thus be blocked and the pixel will appear black. By controlling the voltage applied across the liquid crystal layer in each pixel, light can be allowed to pass through in varying amounts thus constituting different levels of gray. The chemical formula of the liquid crystals used in LCDs may vary. Formulas may be patented. An example is a mixture of 2 (4 alkoxyphenyl) 5 alkylpyrimidine with cyanobiphenyl, patented by Merck and Sharp Corporation. The patent that covered that specific mixture expired. Most color LCD systems use the same technique, with color filters used to generate red, green, and blue subpixels. The LCD color filters are made with a photolithography process on large glass sheets that are later glued with other glass sheets containing a thin film transistor (TFT) array, spacers and liquid crystal, creating several color LCDs that are then cut from one another and laminated with polarizer sheets. Red, green, blue and black photoresists (resists) are used. All resists contain a finely ground powdered pigment, with particles being just 40 nanometers across. The black resist is the first to be applied; this will create a black grid (known in the industry as a black matrix) that will separate red, green and blue subpixels from one another, increasing contrast ratios and preventing light from leaking from one subpixel onto other surrounding subpixels. After the black resist has been dried in an oven and exposed to UV light through a photomask, the unexposed areas are washed away, creating a black grid. Then the same process is repeated with the remaining resists. This fills the holes in the black grid with their corresponding colored resists. Another color generation method used in early color PDAs and some calculators was done by varying the voltage in a Super twisted nematic LCD, where the variable twist between tighter spaced plates causes a varying double refraction birefringence, thus changing the hue. They were typically restricted to 3 colors per pixel: orange, green, and blue. The optical effect of a TN device in the voltage on state is far less dependent on variations in the device thickness than that in the voltage off state. Because of this, TN displays with low information content and no backlighting are usually operated between crossed polarizers such that they appear bright with no voltage (the eye is much more sensitive to variations in the dark state than the bright state). As most of 2010 era LCDs are used in television sets, monitors and smartphones, they have high resolution matrix arrays of pixels to display arbitrary images using backlighting with a dark background. When no image is displayed, different arrangements are used. For this purpose, TN LCDs are operated between parallel polarizers, whereas IPS LCDs feature crossed polarizers. In many applications IPS LCDs have replaced TN LCDs, particularly in smartphones. Both the liquid crystal material and the alignment layer material contain ionic compounds. If an electric field of one particular polarity is applied for a long period of time, this ionic material is attracted to the surfaces and degrades the device performance. This is avoided either by applying an alternating current or by reversing the polarity of the electric field as the device is addressed (the response of the liquid crystal layer is identical, regardless of the polarity of the applied field). Displays for a small number of individual digits or fixed symbols (as in digital watches and pocket calculators) can be implemented with independent electrodes for each segment. In contrast, full alphanumeric or variable graphics displays are usually implemented with pixels arranged as a matrix consisting of electrically connected rows on one side of the LC layer and columns on the other side, which makes it possible to address each pixel at the intersections. The general method of matrix addressing consists of sequentially addressing one side of the matrix, for example by selecting the rows one by one and applying the picture information on the other side at the columns row by row. For details on the various matrix addressing schemes see passive matrix and active matrix addressed LCDs. LCDs are manufactured in cleanrooms borrowing techniques from semiconductor manufacturing and using large sheets of glass whose size has increased over time. Several displays are manufactured at the same time, and then cut from the sheet of glass, also known as the mother glass or LCD glass substrate. The increase in size allows more displays or larger displays to be made, just like with increasing wafer sizes in semiconductor manufacturing. The glass sizes are as follows:
Generation Length(mm) Height(mm) Year ofintroduction References GEN 1200–300200–4001990 GEN 2370470 GEN 35506501996–1998 GEN 3.56007201996 GEN 511001250–13002002–2004 GEN 7.5 1950 2250 GEN 8.6 2250 2600 2016 GEN 10.5(also known as GEN 11) 2940 3370 2018

До поколения 8 производители не могли договориться об одном размере материнского стекла, и в результате разные производители использовали немного разные размеры стекла для одного и того же поколения. Некоторые производители приняли листы материнского стекла Gen 8.6, которые лишь немного больше, чем Gen 8.5, что позволяет производить больше ЖК-дисплеев размером 50 и 58 дюймов на одно материнское стекло, особенно 58-дюймовых ЖК-дисплеев, в случае которых 6 можно произвести на материнском стекле Gen 8.6 против только 3 на материнском стекле Gen 8.5, что значительно снижает отходы. Другой отчет об истоках и истории ЖК-дисплеев с другой точки зрения до 1991 года был опубликован Хироси Кавамото и доступен в Историческом центре IEEE. Описание вклада Швейцарии в разработку ЖК-дисплеев, написанное Питером Дж. Уайлдом, можно найти в Вики-истории инженерии и технологий.

Предыстория

В 1888 году Фридрих Райнитцер (1858–1927) обнаружил жидкую кристаллическую природу холестерина, извлеченного из моркови (то есть две точки плавления и возникновение цветовых эффектов), и опубликовал свои результаты. В 1904 году Отто Леманн опубликовал свою работу "Flüssige Kristalle" (Жидкие кристаллы). В 1911 году Шарль Моген впервые экспериментировал с жидкими кристаллами, заключенными между пластинами в тонких слоях. В 1922 году Жорж Фридель описал структуру и свойства жидких кристаллов и классифицировал их на три типа (нематики, смектики и холестерики). В 1927 году Всеволод Фредерикс разработал электрически управляемый световой клапан, известный как переход Фредерикса, – основной эффект, лежащий в основе всей ЖК-технологии. В 1936 году компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала первое практическое применение технологии под названием "Кристаллический световой клапан". В 1962 году была опубликована первая крупная монография на английском языке "Молекулярная структура и свойства жидких кристаллов" под авторством доктора Джорджа У. Грея. В 1962 году Ричард Уильямс из RCA обнаружил интересные электрооптические характеристики жидких кристаллов и реализовал электрооптический эффект, генерируя полосатые узоры в тонком слое жидкого кристаллического материала при приложении напряжения. Этот эффект основан на электрогидродинамической нестабильности, формирующей так называемые "домены Уильямса" внутри жидкого кристалла. На основе ранних MOSFET, Пол К. Ваймер в RCA разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году. Это был тип MOSFET, отличный от стандартного объемного MOSFET.

1960-е годы

В 1964 году Джордж Х. Хейльмайер, работавший в лабораториях RCA над эффектом, открытым Ричардом Уильямсом, достиг переключения цветов путем переориентации дихроических красителей в жидкокристаллическом слое с гомеотропной ориентацией. Практические трудности, связанные с этим новым электрооптическим эффектом, побудили Хейльмайера продолжить работу над эффектами рассеяния в жидких кристаллах и, в конечном итоге, создать первый рабочий жидкокристаллический дисплей, основанный на так называемом динамическом рассеянии (DSM). При подаче напряжения на дисплей DSM, изначально прозрачный слой жидкого кристалла переходит в мутное, молочно-белое состояние. Дисплеи DSM могли работать в пропускающем и отражающем режимах, но для их функционирования требовался значительный ток. Джордж Х. Хейльмайер был удостоен чести быть занесенным в Национальный зал славы изобретателей и признан изобретателем ЖК-дисплеев. Работа Хейльмайера является вехой IEEE. В конце 1960-х годов пионерские исследования в области жидких кристаллов были начаты Королевским радиолокационным заведением Великобритании в Малверне, Англия. Команда RRE поддерживала продолжающиеся исследования Джорджа Уильяма Грэя и его группы в Университете Халла, которые в конечном итоге открыли цианобифенильные жидкие кристаллы, обладающие необходимой стабильностью и температурными свойствами для применения в ЖК-дисплеях. Идея жидкокристаллического дисплея (LCD) на основе TFT была предложена Бернардом Лехнером из лабораторий RCA в 1968 году. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году, создав ЖК-дисплей с динамическим рассеянием (DSM) матрицей 18x2, использующий стандартные дискретные MOSFET.

1970-е годы

4 декабря 1970 года компания Hoffmann LaRoche в Швейцарии подала заявку на патент на эффект скрученного нематического поля (TN) в жидких кристаллах (швейцарский патент № 532 261), указав Вольфганга Хелфриха и Мартина Шадта (в то время работавших в Центральных исследовательских лабораториях) в качестве изобретателей. В 1971 году компания Фергасона, ILIXCO (ныне LXD Incorporated), начала производство ЖК-дисплеев на основе TN-эффекта, которые вскоре вытеснили некачественные типы DSM благодаря улучшенным характеристикам – более низкому рабочему напряжению и меньшему энергопотреблению. Тетсуро Хама и Изухико Нисимура из Seiko получили патент США, датированный февралем 1971 года, на электронные наручные часы с TN LCD. В 1972 году на рынок поступили первые наручные часы с TN LCD: Gruen Teletime, представлявшие собой часы с четырехзначным дисплеем. В 1972 году в Соединенных Штатах командой Т. Питера Броуди в Westinghouse (Питтсбург, штат Пенсильвания) был создан прототип жидкокристаллического дисплея с активной матрицей на тонкопленочных транзисторах (TFT). В 1973 году Броуди, Дж. А. Асарс и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories продемонстрировали первый жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT LCD). По состоянию на 2013 год все современные высококачественные электронные визуальные дисплеи высокого разрешения используют TFT-дисплеи с активной матрицей. Броуди и Фанг Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) в 1974 году, а затем Броуди ввел термин «активная матрица» в 1975 году. Sharp Corporation последовала за ними, выпустив DSM LCD для карманных калькуляторов в 1973 году, а затем начав массовое производство TN LCD для часов в 1975 году. Вскоре другие японские компании заняли лидирующие позиции на рынке наручных часов, такие как Seiko с ее первыми 6-значными TN LCD кварцевыми наручными часами, и Casio с моделью 'Casiotron'. Цветные ЖК-дисплеи, основанные на взаимодействии «гость-хозяин», были изобретены командой в RCA в 1968 году. Особый тип такого цветного ЖК-дисплея был разработан японской корпорацией Sharp в 1970-х годах, которая получила патенты на свои изобретения, например, патент Синдзи Като и Такааки Миядзаки в мае 1975 года, а затем усовершенствован Фумиаки Фунадой и Масатакой Мацуура в декабре 1975 года. TFT LCD, аналогичные прототипам, разработанным командой Westinghouse в 1972 году, были запатентованы в 1976 году командой Sharp, состоящей из Фумиаки Фунады, Масатака Мацуура и Томио Вада, а затем усовершенствованы в 1977 году командой Sharp, состоящей из Кохей Киши, Хиросаку Нономура, Кеиичиро Шимидзу и Томио Вада. Однако эти TFT LCD еще не были готовы к использованию в коммерческих продуктах, поскольку проблемы с материалами для TFT еще не были решены.

On December 4, 1970, the twisted nematic field effect (TN) in liquid crystals was filed for patent by Hoffmann LaRoche in Switzerland, (Swiss patent No. 532 261) with Wolfgang Helfrich and Martin Schadt (then working for the Central Research Laboratories) listed as inventors. In 1971, the company of Fergason, ILIXCO (now LXD Incorporated), produced LCDs based on the TN effect, which soon superseded the poor quality DSM types due to improvements of lower operating voltages and lower power consumption. Tetsuro Hama and Izuhiko Nishimura of Seiko received a US patent dated February 1971, for an electronic wristwatch incorporating a TN LCD. In 1972, the first wristwatch with TN LCD was launched on the market: The Gruen Teletime which was a four digit display watch. In 1972, the concept of the active matrix thin film transistor (TFT) liquid crystal display panel was prototyped in the United States by T. Peter Brody's team at Westinghouse, in Pittsburgh, Pennsylvania. In 1973, Brody, J. A. Asars and G. D. Dixon at Westinghouse Research Laboratories demonstrated the first thin film transistor liquid crystal display (TFT LCD). as of 2013, all modern high resolution and high quality electronic visual display devices use TFT based active matrix displays. Brody and Fang Chen Luo demonstrated the first flat active matrix liquid crystal display (AM LCD) in 1974, and then Brody coined the term "active matrix" in 1975. Sharp Corporation followed with DSM LCDs for pocket sized calculators in 1973 and then mass produced TN LCDs for watches in 1975. Other Japanese companies soon took a leading position in the wristwatch market, like Seiko and its first 6 digit TN LCD quartz wristwatch, and Casio's 'Casiotron'. Color LCDs based on Guest Host interaction were invented by a team at RCA in 1968. A particular type of such a color LCD was developed by Japan's Sharp Corporation in the 1970s, receiving patents for their inventions, such as a patent by Shinji Kato and Takaaki Miyazaki in May 1975, and then improved by Fumiaki Funada and Masataka Matsuura in December 1975. TFT LCDs similar to the prototypes developed by a Westinghouse team in 1972 were patented in 1976 by a team at Sharp consisting of Fumiaki Funada, Masataka Matsuura, and Tomio Wada, then improved in 1977 by a Sharp team consisting of Kohei Kishi, Hirosaku Nonomura, Keiichiro Shimizu, and Tomio Wada. However, these TFT LCDs were not yet ready for use in products, as problems with the materials for the TFTs were not yet solved.

1980-е годы

В 1983 году исследователи из Исследовательского центра Brown, Boveri & Cie (BBC) в Швейцарии изобрели структуру суперкрученой нематики (STN) для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей. H. Amstutz и др. были указаны в качестве изобретателей в соответствующих заявках на патент, поданных в Швейцарии 7 июля 1983 года и 28 октября 1983 года. Патенты были выданы в Швейцарии CH 665491, Европе EP 0131216 и во многих других странах. В 1980 году Brown Boveri основала совместное предприятие 50/50 с голландской компанией Philips под названием Videlec. Philips обладала необходимыми знаниями для проектирования и производства интегральных схем для управления крупными ЖК-панелями. Кроме того, Philips имела лучший доступ к рынкам электронных компонентов и планировала использовать ЖК-дисплеи в новых поколениях продуктов Hi-Fi, видеооборудования и телефонов. В 1984 году исследователи Philips, Теодорус Велзен и Адриан де Ваан, изобрели схему быстрого видеопривода, которая решила проблему медленного времени отклика ЖК-дисплеев STN, обеспечив высокое разрешение, высокое качество и плавное воспроизведение видеоизображений на ЖК-дисплеях STN. В 1985 году изобретатели Philips, Теодорус Велзен и Адриан де Ваан, решили проблему управления ЖК-дисплеями STN с высоким разрешением, используя электронные схемы привода на основе низкого напряжения (CMOS), что позволило применять высококачественные (высокое разрешение и скорость видео) ЖК-панели в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как ноутбуки и мобильные телефоны. В 1985 году Philips приобрела 100% компании Videlec AG, базирующейся в Швейцарии. Впоследствии Philips перенесла производственные линии Videlec в Нидерланды. Спустя годы Philips успешно производила и продавала полные модули (состоящие из ЖК-экрана, микрофона, динамиков и т. д.) крупными сериями для быстрорастущей индустрии мобильных телефонов. Первые цветные ЖК-телевизоры были разработаны как портативные телевизоры в Японии. В 1980 году группа исследований и разработок Hattori Seiko начала разработку цветного карманного ЖК-телевизора. В 1982 году Seiko Epson выпустила первый ЖК-телевизор Epson TV Watch – наручные часы, оснащенные небольшим активным матричным ЖК-телевизором. Корпорация Sharp представила ЖК-дисплей TN с точечной матрицей в 1983 году. В том же году Citizen Watch представила Citizen Pocket TV, а Epson разработала технологию 3LCD-проекции в 1980-х годах и лицензировала ее для использования в проекторах в 1988 году. Epson VPJ 700, выпущенный в январе 1989 года, стал первым в мире компактным полноцветным ЖК-проектором. Для полного использования свойств технологии In Plane Switching (IPS) требовались дальнейшие исследования. После тщательного анализа детали перспективных конструкций были представлены в Германии Гюнтером Бауром и др. и запатентованы в различных странах. Институт Фраунгофера ISE во Фрайбурге, где работали изобретатели, передал эти патенты компании Merck KGaA в Дармштадте, поставщику жидкокристаллических материалов. В 1992 году, вскоре после этого, инженеры Hitachi разработали различные практические детали технологии IPS для соединения тонкопленочного транзисторного массива в матрицу и предотвращения нежелательных паразитных полей между пикселями. Sharp Corporation представила первый ЖК-телевизор, предназначенный для настенного монтажа, в 1992 году. Hitachi также улучшила зависимость угла обзора, оптимизировав форму электродов (Super IPS). NEC и Hitachi стали первыми производителями ЖК-дисплеев с активной матрицей на основе технологии IPS. Это стало важной вехой для реализации крупноформатных ЖК-дисплеев с приемлемыми визуальными характеристиками для плоских компьютерных мониторов и телевизионных экранов. В 1996 году Samsung разработала технологию оптического моделирования, которая позволила создать многодоменные ЖК-дисплеи. Многодоменные и In Plane Switching впоследствии оставались доминирующими конструкциями ЖК-дисплеев вплоть до 2006 года. В конце 1990-х годов индустрия ЖК-дисплеев начала переносить производство из Японии в Южную Корею и Тайвань. В четвертом квартале 2007 года продажи ЖК-телевизоров впервые превысили продажи ЭЛТ-телевизоров во всем мире. По прогнозам Displaybank, на долю ЖК-телевизоров в 2006 году придется 50% от 200 миллионов телевизоров, которые будут поставлены по всему миру.

In 1983, researchers at Brown, Boveri & Cie (BBC) Research Center, Switzerland, invented the super twisted nematic (STN) structure for passive matrix addressed LCDs. H. Amstutz et al. were listed as inventors in the corresponding patent applications filed in Switzerland on July 7, 1983, and October 28, 1983. Patents were granted in Switzerland CH 665491, Europe EP 0131216, and many more countries. In 1980, Brown Boveri started a 50/50 joint venture with the Dutch Philips company, called Videlec. Philips had the required know how to design and build integrated circuits for the control of large LCD panels. In addition, Philips had better access to markets for electronic components and intended to use LCDs in new product generations of hi fi, video equipment and telephones. In 1984, Philips researchers Theodorus Welzen and Adrianus de Vaan invented a video speed drive scheme that solved the slow response time of STN LCDs, enabling high resolution, high quality, and smooth moving video images on STN LCDs. In 1985, Philips inventors Theodorus Welzen and Adrianus de Vaan solved the problem of driving high resolution STN LCDs using low voltage (CMOS based) drive electronics, allowing the application of high quality (high resolution and video speed) LCD panels in battery operated portable products like notebook computers and mobile phones. In 1985, Philips acquired 100% of the Videlec AG company based in Switzerland. Afterwards, Philips moved the Videlec production lines to the Netherlands. Years later, Philips successfully produced and marketed complete modules (consisting of the LCD screen, microphone, speakers etc.) in high volume production for the booming mobile phone industry. The first color LCD televisions were developed as handheld televisions in Japan. In 1980, Hattori Seiko's R&D group began development on color LCD pocket televisions. In 1982, Seiko Epson released the first LCD television, the Epson TV Watch, a wristwatch equipped with a small active matrix LCD television. Sharp Corporation introduced dot matrix TN LCD in 1983. The same year, Citizen Watch, introduced the Citizen Pocket TV, Epson developed the 3LCD projection technology in the 1980s, and licensed it for use in projectors in 1988. Epson's VPJ 700, released in January 1989, was the world's first compact, full color LCD projector. To take full advantage of the properties of this In Plane Switching (IPS) technology further work was needed. After thorough analysis, details of advantageous embodiments are filed in Germany by Guenter Baur et al. and patented in various countries. The Fraunhofer Institute ISE in Freiburg, where the inventors worked, assigns these patents to Merck KGaA, Darmstadt, a supplier of LC substances. In 1992, shortly thereafter, engineers at Hitachi work out various practical details of the IPS technology to interconnect the thin film transistor array as a matrix and to avoid undesirable stray fields in between pixels. The first wall mountable LCD TV was introduced by Sharp Corporation in 1992. Hitachi also improved the viewing angle dependence further by optimizing the shape of the electrodes (Super IPS). NEC and Hitachi become early manufacturers of active matrix addressed LCDs based on the IPS technology. This is a milestone for implementing large screen LCDs having acceptable visual performance for flat panel computer monitors and television screens. In 1996, Samsung developed the optical patterning technique that enables multi domain LCD. Multi domain and In Plane Switching subsequently remain the dominant LCD designs through 2006. In the late 1990s, the LCD industry began shifting away from Japan, towards South Korea and Taiwan, In the fourth quarter of 2007, LCD televisions surpassed CRT TVs in worldwide sales for the first time. LCD TVs were projected to account 50% of the 200 million TVs to be shipped globally in 2006, according to Displaybank.

2010-е годы

В октябре 2011 года Toshiba представила ЖК-панель размером 6,1 дюйма (155 мм) с разрешением 2560 × 1600 пикселей, подходящую для использования в планшетных компьютерах, особенно для отображения китайских иероглифов. 2010-е годы ознаменовались широким распространением технологии TGP (Tracking Gate line in Pixel), которая переносит управляющую схему с границ дисплея между пикселями, что позволяет уменьшить ширину рамок. В 2016 году Panasonic разработала IPS LCD с коэффициентом контрастности 1 000 000:1, сопоставимым с OLED. Позднее эта технология была запущена в массовое производство в виде двухслойных, двухпанельных или LMCL (Light Modulating Cell Layer) ЖК-дисплеев. Технология использует два слоя жидких кристаллов вместо одного и может применяться совместно с мини-светодиодной подсветкой и квантовыми точками.

Подключение к другим схемам

Стандартный экран телевизора, современная ЖК-панель, содержит более шести миллионов пикселей, и каждый из них индивидуально питается через сеть проводов, встроенную в экран. Тонкие провода, или дорожки, образуют сетку с вертикальными проводами, идущими по всей ширине экрана с одной стороны, и горизонтальными проводами – с другой. К этой сетке каждый пиксель подключен положительным контактом с одной стороны и отрицательным – с другой. Таким образом, общее количество проводов, необходимых для дисплея 1080p, составляет 3 x 1920 по вертикали и 1080 по горизонтали, что в сумме дает 6840 проводов. Это три провода на каждый из цветов – красный, зеленый и синий – и 1920 столбцов пикселей для каждого цвета, в общей сложности 5760 вертикальных проводов и 1080 горизонтальных рядов проводов. Для панели шириной 28,8 дюймов (73 сантиметра) это означает плотность проводов в 200 проводов на дюйм вдоль горизонтального края. ЖК-панель питается от ЖК-драйверов, которые на заводе точно подбираются к краю панели. Драйверы могут быть установлены несколькими способами, наиболее распространенными из которых являются COG (Chip On Glass) и TAB (Tape automated bonding). Те же принципы применяются и к экранам смартфонов, которые значительно меньше телевизионных. ЖК-панели обычно используют тонкие металлические проводящие дорожки на стеклянной подложке для формирования схемы управления ячейками панели. Непосредственное соединение панели с отдельной печатной платой, изготовленной методом травления меди, как правило, невозможно. Вместо этого интерфейс осуществляется с помощью анизотропной проводящей пленки или, для меньшей плотности контактов, эластомерных соединителей.

Пассивная матрица

Монохромные и последующие цветные жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) с пассивной матрицей были стандартными в большинстве ранних ноутбуков (хотя некоторые использовали плазменные дисплеи) и оригинальный Nintendo Game Boy до середины 1990-х годов, когда цветная активная матрица стала стандартной для всех ноутбуков. Коммерчески неудачный Macintosh Portable (выпущенный в 1989 году) был одним из первых, использовавших дисплей с активной матрицей (хотя и монохромный). ЖКД с пассивной матрицей до сих пор используются в 2010-х годах для приложений, менее требовательных, чем ноутбуки и телевизоры, например, в недорогих калькуляторах. В частности, они применяются в портативных устройствах, где требуется отображение меньшего объема информации, желательно минимальное энергопотребление (без подсветки) и низкая стоимость, либо требуется читаемость при прямом солнечном свете. Дисплеи с пассивной матричной структурой используют суперкрученый нематический (STN) ЖКД (изобретенный Исследовательским центром Брауна Бовери, Баден, Швейцария, в 1983 году; научные детали были опубликованы) или технологию STN с двойным слоем (DSTN) (последняя из которых решает проблему цветового сдвига, свойственную первой), а также цветной STN (CSTN), в котором цвет добавляется с помощью внутреннего цветового фильтра. ЖКД STN оптимизированы для управления с пассивной матрицей. Они демонстрируют более резкий порог зависимости контрастности от напряжения, чем оригинальные TN ЖКД. Это важно, поскольку пиксели подвергаются частичному напряжению даже в невыбранном состоянии. Перекрестные помехи между активированными и неактивированными пикселями необходимо правильно учитывать, поддерживая среднеквадратичное (RMS) напряжение неактивированных пикселей ниже порогового напряжения, как было обнаружено Питером Дж. Уайлдом в 1972 году, в то время как активированные пиксели подвергаются напряжениям выше порогового (в соответствии со схемой управления "Alt & Pleshko"). Управление такими STN дисплеями по схеме Alt & Pleshko требует очень высокого напряжения на линиях развертки. Велзен и де Ваан изобрели альтернативную схему управления (не "Alt & Pleshko"), требующую гораздо более низких напряжений, что позволяло управлять STN дисплеем с использованием низковольтной CMOS-технологии. ЖКД STN должны постоянно обновляться путем чередования импульсных напряжений одной полярности в течение одного кадра и импульсов противоположной полярности в течение следующего кадра. Отдельные пиксели адресуются соответствующими схемами строк и столбцов. Этот тип дисплея называется дисплеем с адресным доступом по пассивной матрице, поскольку пиксель должен сохранять свое состояние между обновлениями без постоянного электрического заряда. По мере увеличения количества пикселей (и, соответственно, столбцов и строк) этот тип дисплея становится менее целесообразным. Медленное время отклика и плохая контрастность характерны для ЖКД с пассивной матрицей с избыточным количеством пикселей и управляемых по схеме "Alt & Pleshko". Велзен и де Ваан также изобрели схему управления без RMS, позволяющую управлять STN дисплеями с видеоскоростями и отображать плавно движущиеся видеоизображения на STN дисплее. Citizen и другие лицензировали эти патенты и успешно представили на рынке несколько карманных LCD-телевизоров на основе STN. Бистабильные ЖКД не требуют непрерывного обновления. Перезапись требуется только при изменении информации об изображении. В 1984 году Х.А. ван Спранг и А.Й.С.М. де Ваан изобрели STN дисплей, который мог работать в бистабильном режиме, обеспечивая чрезвычайно высокое разрешение изображений до 4000 линий и более, используя только низкое напряжение. Поскольку пиксель может находиться либо во включенном, либо в выключенном состоянии в момент записи новой информации в этот пиксель, метод адресации этих бистабильных дисплеев довольно сложен, что стало причиной того, что эти дисплеи не поступили в продажу. Ситуация изменилась в 2010 году, когда стали доступны ЖКД с "нулевым энергопотреблением" (бистабильные). Потенциально, адресный доступ по пассивной матрице может быть использован с устройствами, если их характеристики записи/стирания подходят, что было характерно для электронных книг, которым необходимо отображать только статичные изображения. После записи страницы на дисплей, дисплей можно отключить от питания, сохраняя читаемое изображение. Это дает преимущество в том, что такие электронные книги могут работать в течение длительного времени от небольшой батареи. Высокоразрешающие цветные дисплеи, такие как современные ЖК-мониторы и телевизоры, используют активную матричную структуру. К электродам, контактирующим со слоем жидких кристаллов, добавляется матрица тонкопленочных транзисторов (TFT). Каждый пиксель имеет свой выделенный транзистор, позволяющий каждой линии столбцов получать доступ к одному пикселю. При выборе линии строки все линии столбцов подключаются к строке пикселей, и напряжения, соответствующие информации об изображении, подаются на все линии столбцов. Затем линия строки деактивируется и выбирается следующая линия строки. Все линии строк выбираются последовательно во время операции обновления. Дисплеи с адресным доступом по активной матрице выглядят ярче и четче, чем дисплеи с адресным доступом по пассивной матрице того же размера, и обычно имеют более быстрое время отклика, обеспечивая гораздо лучшее качество изображения. Sharp производит бистабильные отражающие ЖКД с 1-битной ячейкой SRAM на пиксель, для поддержания изображения требуется небольшое количество энергии. Цвет в сегментных ЖКД также может быть достигнут с помощью последовательного цветового поля (FSC LCD). Этот тип дисплеев имеет высокоскоростную сегментную ЖК-панель с RGB-подсветкой. Подсветка быстро меняет цвет, создавая впечатление белого для невооруженного глаза. ЖК-панель синхронизирована с подсветкой. Например, чтобы сегмент казался красным, сегмент включается только тогда, когда подсветка красная, а чтобы сегмент казался пурпурным, сегмент включается, когда подсветка синяя, и остается включенным, пока подсветка не станет красной, и выключается, когда подсветка становится зеленой. Чтобы сегмент казался черным, сегмент всегда включен. FSC LCD разделяет цветное изображение на 3 изображения (одно красное, одно зеленое и одно синее) и отображает их по порядку. Благодаря остаточному зрению три монохромных изображения воспринимаются как одно цветное изображение. FSC LCD требует ЖК-панели с частотой обновления 180 Гц, а время отклика снижается до 5 миллисекунд по сравнению с обычными STN ЖК-панелями, время отклика которых составляет 16 миллисекунд. FSC LCD содержат драйвер IC Chip On Glass, который также может использоваться с емкостным сенсорным экраном. Samsung представила дисплеи UFB (Ultra Fine & Bright) в 2002 году, использующие эффект супер-двулучепреломления. Они обладают яркостью, цветовым охватом и большей частью контрастности TFT LCD, но потребляют столько же энергии, сколько STN дисплей, по словам Samsung. Они использовались в различных моделях сотовых телефонов Samsung, производившихся до конца 2006 года, когда Samsung прекратила производство дисплеев UFB. Дисплеи UFB также использовались в некоторых моделях мобильных телефонов LG.

Monochrome and later color passive matrix LCDs were standard in most early laptops (although a few used plasma displays) and the original Nintendo Game Boy until the mid 1990s, when color active matrix became standard on all laptops. The commercially unsuccessful Macintosh Portable (released in 1989) was one of the first to use an active matrix display (though still monochrome). Passive matrix LCDs are still used in the 2010s for applications less demanding than laptop computers and TVs, such as inexpensive calculators. In particular, these are used on portable devices where less information content needs to be displayed, lowest power consumption (no backlight) and low cost are desired or readability in direct sunlight is needed. Displays having a passive matrix structure are employing super twisted nematic STN (invented by Brown Boveri Research Center, Baden, Switzerland, in 1983; scientific details were published) or double layer STN (DSTN) technology (the latter of which addresses a color shifting problem with the former), and color STN (CSTN) in which color is added by using an internal color filter. STN LCDs have been optimized for passive matrix addressing. They exhibit a sharper threshold of the contrast vs voltage characteristic than the original TN LCDs. This is important, because pixels are subjected to partial voltages even while not selected. Crosstalk between activated and non activated pixels has to be handled properly by keeping the RMS voltage of non activated pixels below the threshold voltage as discovered by Peter J. Wild in 1972, while activated pixels are subjected to voltages above threshold (the voltages according to the "Alt & Pleshko" drive scheme). Driving such STN displays according to the Alt & Pleshko drive scheme require very high line addressing voltages. Welzen and de Vaan invented an alternative drive scheme (a non "Alt & Pleshko" drive scheme) requiring much lower voltages, such that the STN display could be driven using low voltage CMOS technologies. STN LCDs have to be continuously refreshed by alternating pulsed voltages of one polarity during one frame and pulses of opposite polarity during the next frame. Individual pixels are addressed by the corresponding row and column circuits. This type of display is called passive matrix addressed, because the pixel must retain its state between refreshes without the benefit of a steady electrical charge. As the number of pixels (and, correspondingly, columns and rows) increases, this type of display becomes less feasible. Slow response times and poor contrast are typical of passive matrix addressed LCDs with too many pixels and driven according to the "Alt & Pleshko" drive scheme. Welzen and de Vaan also invented a non RMS drive scheme enabling to drive STN displays with video rates and enabling to show smooth moving video images on an STN display. Citizen, among others, licensed these patents and successfully introduced several STN based LCD pocket televisions on the market. Bistable LCDs do not require continuous refreshing. Rewriting is only required for picture information changes. In 1984 HA van Sprang and AJSM de Vaan invented an STN type display that could be operated in a bistable mode, enabling extremely high resolution images up to 4000 lines or more using only low voltages. Since a pixel may be either in an on state or in an off state at the moment new information needs to be written to that particular pixel, the addressing method of these bistable displays is rather complex, a reason why these displays did not made it to the market. That changed when in the 2010 "zero power" (bistable) LCDs became available. Potentially, passive matrix addressing can be used with devices if their write/erase characteristics are suitable, which was the case for ebooks which need to show still pictures only. After a page is written to the display, the display may be cut from the power while retaining readable images. This has the advantage that such ebooks may be operated for long periods of time powered by only a small battery. High resolution color displays, such as modern LCD computer monitors and televisions, use an active matrix structure. A matrix of thin film transistors (TFTs) is added to the electrodes in contact with the LC layer. Each pixel has its own dedicated transistor, allowing each column line to access one pixel. When a row line is selected, all of the column lines are connected to a row of pixels and voltages corresponding to the picture information are driven onto all of the column lines. The row line is then deactivated and the next row line is selected. All of the row lines are selected in sequence during a refresh operation. Active matrix addressed displays look brighter and sharper than passive matrix addressed displays of the same size, and generally have quicker response times, producing much better images. Sharp produces bistable reflective LCDs with a 1 bit SRAM cell per pixel that only requires small amounts of power to maintain an image. Segment LCDs can also have color by using Field Sequential Color (FSC LCD). This kind of displays have a high speed passive segment LCD panel with an RGB backlight. The backlight quickly changes color, making it appear white to the naked eye. The LCD panel is synchronized with the backlight. For example, to make a segment appear red, the segment is only turned ON when the backlight is red, and to make a segment appear magenta, the segment is turned ON when the backlight is blue, and it continues to be ON while the backlight becomes red, and it turns OFF when the backlight becomes green. To make a segment appear black, the segment is always turned ON. An FSC LCD divides a color image into 3 images (one Red, one Green and one Blue) and it displays them in order. Due to persistence of vision, the 3 monochromatic images appear as one color image. An FSC LCD needs an LCD panel with a refresh rate of 180 Hz, and the response time is reduced to just 5 milliseconds when compared with normal STN LCD panels which have a response time of 16 milliseconds. FSC LCDs contain a Chip On Glass driver IC can also be used with a capacitive touchscreen. Samsung introduced UFB (Ultra Fine & Bright) displays back in 2002, utilized the super birefringent effect. It has the luminance, color gamut, and most of the contrast of a TFT LCD, but only consumes as much power as an STN display, according to Samsung. It was being used in a variety of Samsung cellular telephone models produced until late 2006, when Samsung stopped producing UFB displays. UFB displays were also used in certain models of LG mobile phones.

Скрученный нематик (TN)

Скрученные нематические дисплеи содержат жидкие кристаллы, которые изгибаются и выпрямляются в различной степени, чтобы пропускать свет. Когда к ячейке TN не приложено напряжение, поляризованный свет проходит через слой жидких кристаллов, скрученный на 90 градусов. По мере увеличения приложенного напряжения жидкие кристаллы выпрямляются, изменяя поляризацию и блокируя прохождение света. Точно регулируя уровень напряжения, можно добиться практически любого оттенка серого или уровня пропускания.

Переключение в плоскости (IPS)

В плоскости переключения (In-plane switching) – это технология ЖК-дисплеев, которая выравнивает жидкие кристаллы в плоскости, параллельной стеклянным подложкам. В этом методе электрическое поле прикладывается через противоположные электроды, расположенные на одной и той же стеклянной подложке, что позволяет переориентировать (переключить) жидкие кристаллы практически в той же плоскости, хотя краевые поля препятствуют однородной переориентации. Для этого требуется два транзистора на пиксель вместо одного транзистора, необходимого для стандартного дисплея на тонкоплёночных транзисторах (TFT). Технология IPS используется в широком спектре устройств, от телевизоров и компьютерных мониторов до носимой электроники, особенно почти все ЖК-панели смартфонов работают в режимах IPS/FFS. IPS-дисплеи относятся к семейству LCD-панелей. Другими типами являются VA и TN. До появления LG Enhanced IPS, представленного Hitachi в 2001 году в виде 17-дюймового монитора, дополнительные транзисторы занимали большую часть площади, необходимой для прохождения света, что требовало более яркой подсветки и повышенного энергопотребления, делая этот тип дисплеев менее предпочтительным для ноутбуков. Panasonic Himeji G8.5 использовал усовершенствованную версию IPS, а также LGD в Корее. В настоящее время крупнейший в мире производитель ЖК-панелей BOE в Китае также использует IPS/FFS-матрицы для телевизионных панелей.

Сверхплановое переключение (S-IPS)

Позже была представлена технология Super IPS, основанная на переключении в плоскости, с еще более быстрым временем отклика и улучшенной цветопередачей.

Спор о M+ или RGBW

В 2015 году LG Display объявила о внедрении новой технологии под названием M+, которая заключается в добавлении белого субпикселя к стандартным RGB-элементам в их IPS-панелях. Большая часть технологии M+ применялась в 4K-телевизорах, что вызвало споры после тестов, показавших, что добавление белого субпикселя вместо традиционной RGB-структуры снижает разрешение примерно на 25%. Это означает, что 4K-телевизор не способен отображать полное разрешение UHD. СМИ и интернет-пользователи впоследствии стали называть такие телевизоры "RGBW" из-за наличия белого субпикселя. Хотя LG Display разработала эту технологию для использования в дисплеях ноутбуков, наружных экранах и смартфонах, она получила большее распространение на рынке телевизоров, несмотря на заявленное разрешение 4K UHD и неспособность достичь истинного разрешения UHD, определяемого CTA как 3840x2160 активных пикселей с 8-битной цветопередачей. Это негативно сказывается на отображении текста, делая его менее четким, что особенно заметно при использовании телевизора в качестве монитора для ПК.

IPS по сравнению с AMOLED

В 2011 году LG заявила, что яркость смартфона LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) достигает 700 нит, в то время как у конкурента был только IPS LCD с яркостью 518 нит и двойной AMOLED-дисплей с активной матрицей, яркостью 305 нит. LG также утверждала, что дисплей NOVA на 50% эффективнее обычных ЖК-дисплеев и потребляет лишь 50% энергии AMOLED-дисплеев при отображении белого цвета. Что касается коэффициента контрастности, AMOLED-дисплеи по-прежнему демонстрируют лучшие результаты благодаря своей технологии, обеспечивающей отображение абсолютно черного цвета, а не темно-серого. 24 августа 2011 года Nokia представила Nokia 701 и заявила о самом ярком в мире дисплее с яркостью 1000 нит. Экран также был оснащен слоем Clearblack от Nokia, который улучшал коэффициент контрастности, приближая его к показателям AMOLED-экранов.

Усовершенствованное переключение пограничного поля (AFFS)

До 2003 года технология была известна как переключение периферийным полем (FFS). Усовершенствованное переключение периферийным полем аналогично IPS или S-IPS, обеспечивая превосходную производительность, широкую цветовую гамму и высокую яркость. AFFS была разработана компанией Hydis Technologies Co., Ltd, Корея (ранее Hyundai Electronics, LCD Task Force). Применение AFFS в ноутбуках минимизирует искажение цветов, сохраняя широкий угол обзора, необходимый для профессиональных дисплеев. Смещение и отклонение цвета, вызванные утечкой света, корректируются за счет оптимизации белой цветовой гаммы, что также улучшает воспроизведение белых и серых оттенков. В 2004 году Hydis Technologies Co., Ltd лицензировала технологию AFFS компании Hitachi Displays в Японии. Hitachi использует AFFS для производства высококлассных панелей. В 2006 году HYDIS лицензировала AFFS корпорации Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Вскоре после этого Hydis представила высокопроницаемую версию дисплея AFFS под названием HFFS (FFS+). В 2007 году компания Hydis представила AFFS+ с улучшенной читаемостью при ярком освещении. Панели AFFS в основном используются в кабинах пилотов современных коммерческих самолетов. Однако производство было прекращено в феврале 2015 года.

Вертикальное выравнивание (VA)

Вертикальные дисплеи – это разновидность ЖК-дисплеев, в которых жидкие кристаллы естественным образом выстраиваются вертикально относительно стеклянных подложек. В отсутствие напряжения жидкие кристаллы остаются перпендикулярными подложке, создавая черное изображение между скрещенными поляризаторами. При подаче напряжения жидкие кристаллы отклоняются, позволяя свету проходить и формируя изображение в оттенках серого в зависимости от угла отклонения, создаваемого электрическим полем. Они обеспечивают более глубокий черный цвет, более высокую контрастность, более широкий угол обзора и лучшее качество изображения при экстремальных температурах по сравнению с традиционными дисплеями скрученного нематика. По сравнению с IPS, уровни черного остаются более глубокими, что обеспечивает более высокую контрастность, но угол обзора уже, а изменение цвета и, особенно, контрастности более заметны.

Синий фазовый режим

Синие фазовые ЖК-дисплеи были продемонстрированы в виде инженерных образцов в начале 2008 года, но не поступили в массовое производство. Физика синефазных ЖК-дисплеев позволяет предположить, что можно достичь очень короткого времени переключения (≈1 мс), что открывает возможность реализации цветового управления по времени и отказа от дорогостоящих цветовых фильтров.

Контроль качества

Некоторые ЖК-панели содержат дефектные транзисторы, вызывающие постоянно горящие или неработающие пиксели, которые обычно называют застрявшими или мертвыми пикселями соответственно. В отличие от интегральных схем (ИС), ЖК-панели с небольшим количеством дефектных транзисторов обычно остаются пригодными к использованию. Политика производителей в отношении допустимого количества дефектных пикселей значительно различается. В определенный момент Samsung придерживалась политики нулевой терпимости к ЖК-мониторам, продаваемым в Корее. По состоянию на 2005 год Samsung перешла на менее строгий стандарт ISO 13406-2. Другие компании допускают до 11 мертвых пикселей в соответствии со своей политикой. Политика в отношении мертвых пикселей часто является предметом ожесточенных споров между производителями и покупателями. Для регулирования допустимости дефектов и защиты конечных пользователей ISO выпустила стандарт ISO 13406-2, который устарел в 2008 году с выпуском ISO 9241, в частности ISO 9241-302, 303, 305, 307:2008 – дефекты пикселей. Однако не все производители ЖК-дисплеев соответствуют стандарту ISO, и этот стандарт часто интерпретируется по-разному. ЖК-панели более подвержены дефектам, чем большинство ИС, из-за их больших размеров. Некоторые производители, особенно в Южной Корее, где расположены крупные производители ЖК-панелей, такие как LG, теперь предлагают гарантию отсутствия дефектных пикселей, что предполагает дополнительный процесс отбора, позволяющий определить панели класса "А" и "Б". Многие производители заменяют продукт даже при наличии одного дефектного пикселя. Даже при отсутствии такой гарантии важно расположение дефектных пикселей. Дисплей с небольшим количеством дефектных пикселей может быть неприемлемым, если они расположены близко друг к другу. ЖК-панели также часто страдают от дефекта, известного как облачность, эффект "грязного экрана" или, реже, "муара", который проявляется в виде неравномерных участков яркости на панели. Он наиболее заметен в темных или черных областях изображения. По состоянию на 2010 год большинство производителей премиальных компьютерных ЖК-панелей заявляют об отсутствии дефектов в своей продукции.

Дисплеи "нулевой мощности" (бистабельные)

Зенитальное бистабильное устройство (ZBD), разработанное компанией Qinetiq (ранее DERA), способно сохранять изображение без электропитания. Кристаллы могут находиться в одной из двух стабильных ориентаций ("черная" и "белая"), и электропитание требуется только для изменения изображения. ZBD Displays – это компания, выделенная из QinetiQ, которая производила бистабильные устройства ZBD как в оттенках серого, так и цветные. Kent Displays также разработала дисплей, не требующий электропитания, использующий полимерстабилизированный холестерический жидкий кристалл (ChLCD). В 2009 году компания Kent продемонстрировала использование ChLCD для покрытия всей поверхности мобильного телефона, позволяя ему изменять цвет и сохранять его даже при отключении питания. В 2004 году исследователи из Оксфордского университета продемонстрировали два новых типа бистабильных ЖК-дисплеев с нулевым энергопотреблением, основанных на зенитальных бистабильных технологиях. Ряд бистабильных технологий, таких как 360° BTN и бистабильный холестерический, в основном зависят от объемных свойств жидкого кристалла (ЖК) и используют стандартное сильное закрепление, с выравнивающими пленками и смесями ЖК, аналогичными традиционным моностабильным материалам. Другие бистабильные технологии, например, технология BiNem, основаны главным образом на поверхностных свойствах и требуют специальных материалов со слабым закреплением.

Технические характеристики

Разрешение ЖК-дисплея выражается количеством столбцов и строк пикселей (например, 1024×768). Каждый пиксель обычно состоит из 3 субпикселей: красного, зеленого и синего. Это долгое время оставалось одной из немногих характеристик производительности ЖК-дисплеев, остававшихся неизменными в различных конструкциях. Однако появились новые разработки, которые используют общие субпиксели для пикселей и добавляют технологию Quattron, стремясь эффективно увеличить воспринимаемое разрешение дисплея без увеличения фактического разрешения, с переменным успехом. Пространственная производительность: для компьютерного монитора или другого дисплея, просматриваемого с близкого расстояния, разрешение часто выражается в точках или пикселях на дюйм, что соответствует стандартам полиграфической промышленности. Плотность дисплея варьируется в зависимости от области применения: телевизоры обычно имеют низкую плотность для просмотра с большого расстояния, а портативные устройства – высокую плотность для отображения деталей на близком расстоянии. Угол обзора ЖК-дисплея может иметь значение в зависимости от дисплея и его использования. Ограничения определенных технологий отображения приводят к тому, что изображение отображается корректно только под определенными углами. Временная производительность: временное разрешение ЖК-дисплея определяет, насколько хорошо он отображает изменяющиеся изображения, а также точность и частоту, с которой дисплей обрабатывает получаемые данные. Пиксели ЖК-дисплея не мерцают между кадрами, поэтому ЖК-мониторы не демонстрируют мерцание, вызванное обновлением, независимо от частоты обновления. Однако более низкая частота обновления может приводить к визуальным артефактам, таким как ореолы или размытие, особенно при отображении быстро движущихся изображений. Важно также время отклика отдельных пикселей, поскольку все дисплеи имеют определенную задержку при отображении изображения, которая может быть достаточно большой, чтобы создавать визуальные артефакты при быстром изменении изображения. Цветовая производительность: существует несколько терминов для описания различных аспектов цветовой производительности дисплея. Цветовой охват – это диапазон отображаемых цветов, а глубина цвета – степень детализации этого диапазона. Цветовой охват – относительно понятная характеристика, но редко упоминается в маркетинговых материалах, за исключением профессионального сегмента. Расширенный цветовой охват, превышающий возможности отображаемого контента, не дает никаких преимуществ, поэтому дисплеи разрабатываются для работы в пределах или ниже определенной спецификации. Существуют дополнительные аспекты, связанные с цветом и управлением цветом в ЖК-дисплеях, такие как белая точка и гамма-коррекция, которые определяют цвет белого и способ отображения остальных цветов относительно него. Яркость и контрастность: Коэффициент контрастности – это отношение яркости полностью включенного пикселя к полностью выключенному пикселю. Сам ЖК-дисплей является лишь световым клапаном и не генерирует свет; свет исходит от подсветки, которая может быть флуоресцентной или состоять из светодиодов. Яркость обычно указывается как максимальная световая отдача ЖК-дисплея, которая может значительно варьироваться в зависимости от прозрачности ЖК-дисплея и яркости подсветки. Более яркая подсветка обеспечивает более высокий контраст и расширенный динамический диапазон (HDR-дисплеи оцениваются по пиковой яркости), но всегда существует компромисс между яркостью и энергопотреблением.

Resolution The resolution of an LCD is expressed by the number of columns and rows of pixels (e. g., 1024×768). Each pixel is usually composed 3 sub pixels, a red, a green, and a blue one. This had been one of the few features of LCD performance that remained uniform among different designs. However, there are newer designs that share sub pixels among pixels and add Quattron which attempt to efficiently increase the perceived resolution of a display without increasing the actual resolution, to mixed results. Spatial performance: For a computer monitor or some other display that is being viewed from a very close distance, resolution is often expressed in terms of dot pitch or pixels per inch, which is consistent with the printing industry. Display density varies per application, with televisions generally having a low density for long distance viewing and portable devices having a high density for close range detail. The Viewing Angle of an LCD may be important depending on the display and its usage, the limitations of certain display technologies mean the display only displays accurately at certain angles. Temporal performance: the temporal resolution of an LCD is how well it can display changing images, or the accuracy and the number of times per second the display draws the data it is being given. LCD pixels do not flash on/off between frames, so LCD monitors exhibit no refresh induced flicker no matter how low the refresh rate. But a lower refresh rate can mean visual artefacts like ghosting or smearing, especially with fast moving images. Individual pixel response time is also important, as all displays have some inherent latency in displaying an image which can be large enough to create visual artifacts if the displayed image changes rapidly. Color performance: There are multiple terms to describe different aspects of color performance of a display. Color gamut is the range of colors that can be displayed, and color depth, which is the fineness with which the color range is divided. Color gamut is a relatively straight forward feature, but it is rarely discussed in marketing materials except at the professional level. Having a color range that exceeds the content being shown on the screen has no benefits, so displays are only made to perform within or below the range of a certain specification. There are additional aspects to LCD color and color management, such as white point and gamma correction, which describe what color white is and how the other colors are displayed relative to white. Brightness and contrast ratio: Contrast ratio is the ratio of the brightness of a full on pixel to a full off pixel. The LCD itself is only a light valve and does not generate light; the light comes from a backlight that is either fluorescent or a set of LEDs. Brightness is usually stated as the maximum light output of the LCD, which can vary greatly based on the transparency of the LCD and the brightness of the backlight. Brighter backlight allows stronger contrast and higher dynamic range (HDR displays are graded in peak luminance), but there is always a trade off between brightness and power consumption.

Преимущества и недостатки

Некоторые из этих проблем относятся к полноэкранным дисплеям, другие – к маленьким дисплеям, например, на часах. Многие сравнения проводятся с использованием CRT-дисплеев.

Преимущества

Очень компактные, тонкие и легкие, особенно по сравнению с громоздкими и тяжелыми ЭЛТ-дисплеями. Низкое энергопотребление. В зависимости от установленной яркости и отображаемого контента, более старые модели с CCFT-подсветкой обычно потребляют менее половины мощности, которую потреблял бы ЭЛТ-монитор той же площади экрана, а современные модели с LED-подсветкой – обычно 10–25% от потребления ЭЛТ-монитора. Незначительное тепловыделение во время работы благодаря низкому энергопотреблению. Отсутствие геометрических искажений. Возможность минимального или полного отсутствия мерцания в зависимости от технологии подсветки. Обычно отсутствует мерцание, связанное с частотой обновления, поскольку ЖК-пиксели сохраняют свое состояние между обновлениями (которые обычно происходят с частотой 200 Гц или выше, независимо от частоты обновления входного сигнала). Четкое изображение без размытия и растекания при работе в родном разрешении. Практически не излучают нежелательное электромагнитное излучение (в диапазоне сверхнизких частот), в отличие от ЭЛТ-мониторов. Могут быть изготовлены практически любого размера и формы. Отсутствует теоретический предел разрешения. При использовании нескольких ЖК-панелей для создания единого изображения каждая дополнительная панель увеличивает общее разрешение дисплея, что обычно называют суммарным разрешением. Могут быть изготовлены в больших размерах, с диагональю более 80 дюймов (2 м). ЖК-дисплеи могут быть прозрачными и гибкими, но не способны излучать свет без подсветки, в отличие от OLED и microLED – других технологий, которые также могут быть гибкими и прозрачными. Эффект маскировки: ЖК-сетка может скрывать артефакты пространственной и градации серого квантования, создавая иллюзию более высокого качества изображения. Нечувствительны к магнитным полям, включая земное, в отличие от большинства цветных ЭЛТ. Как по своей природе цифровое устройство, ЖК-дисплей может напрямую отображать цифровые данные с подключений DVI или HDMI без необходимости преобразования в аналоговый сигнал. Некоторые ЖК-панели имеют встроенные оптоволоконные входы в дополнение к DVI и HDMI. Многие ЖК-мониторы питаются от блока питания на 12 В, а при встроенной установке могут питаться от 12 В блока питания компьютера. Могут быть изготовлены с очень узкими рамками, что позволяет размещать несколько ЖК-экранов рядом друг с другом, создавая впечатление одного большого экрана.

Very compact, thin and light, especially in comparison with bulky, heavy CRT displays. Low power consumption. Depending on the set display brightness and content being displayed, the older CCFT backlit models typically use less than half of the power a CRT monitor of the same size viewing area would use, and the modern LED backlit models typically use 10–25% of the power a CRT monitor would use. Little heat emitted during operation, due to low power consumption. No geometric distortion. The possible ability to have little or no flicker depending on backlight technology. Usually no refresh rate flicker, because the LCD pixels hold their state between refreshes (which are usually done at 200 Hz or faster, regardless of the input refresh rate). Sharp image with no bleeding or smearing when operated at native resolution. Emits almost no undesirable electromagnetic radiation (in the extremely low frequency range), unlike a CRT monitor. Can be made in almost any size or shape. No theoretical resolution limit. When multiple LCD panels are used together to create a single canvas, each additional panel increases the total resolution of the display, which is commonly called stacked resolution. Can be made in large sizes of over 80 inch (2 m) diagonal. LCDs can be made transparent and flexible, but they cannot emit light without a backlight like OLED and microLED, which are other technologies that can also be made flexible and transparent. Masking effect: the LCD grid can mask the effects of spatial and grayscale quantization, creating the illusion of higher image quality. Unaffected by magnetic fields, including the Earth's, unlike most color CRTs. As an inherently digital device, the LCD can natively display digital data from a DVI or HDMI connection without requiring conversion to analog. Some LCD panels have native fiber optic inputs in addition to DVI and HDMI. Many LCD monitors are powered by a 12 V power supply, and if built into a computer can be powered by its 12 V power supply. Can be made with very narrow frame borders, allowing multiple LCD screens to be arrayed side by side to make up what looks like one big screen.

Недостатки

Ограниченный угол обзора на некоторых старых или более дешевых мониторах, приводящий к изменению цвета, насыщенности, контрастности и яркости в зависимости от положения пользователя, даже в пределах предполагаемого угла обзора. Для увеличения угла обзора ЖК-дисплеев можно использовать специальные пленки. Неравномерная подсветка в некоторых мониторах (более распространенная в типах IPS и старых TN), вызывающая искажение яркости, особенно по краям ("просвечивание подсветки"). Уровень черного может быть не таким глубоким, как требуется, поскольку отдельные жидкие кристаллы не могут полностью блокировать прохождение всего света от подсветки. Размытие изображения в движении на движущихся объектах, вызванное медленным временем отклика (> 8 мс) и отслеживанием взгляда на дисплее с сохранением изображения, если только не используется стробоскопическая подсветка. Однако эта стробоскопия может вызывать напряжение глаз, как указано далее: по состоянию на 2012 год большинство реализаций подсветки ЖК-дисплеев используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для регулировки яркости, что заставляет экран мерцать сильнее (хотя и не обязательно заметно), чем монитор ЭЛТ с частотой обновления 85 Гц (это связано с тем, что весь экран включается и выключается, а не фосфор ЭЛТ, который постоянно сканирует дисплей, оставляя какую-то часть экрана всегда освещенной), вызывая сильное напряжение глаз у некоторых людей. К сожалению, многие из этих людей не знают, что их напряжение глаз вызвано невидимым стробоскопическим эффектом ШИМ. Эта проблема усугубляется на многих мониторах с LED-подсветкой, поскольку светодиоды включаются и выключаются быстрее, чем лампы CCFL. Только одно родное разрешение. Отображение любого другого разрешения требует масштабирования видео, вызывающего размытость и неровные края, или работы дисплея в родном разрешении с использованием 1:1 сопоставления пикселей, в результате чего изображение либо не заполняет весь экран (отображение с черными полосами), либо выходит за пределы нижней или правой границы экрана. Фиксированная глубина цвета (также называемая цветовой глубиной). Многие более дешевые ЖК-дисплеи могут отображать только 262144 (218) цветов. 8-битные S-IPS панели могут отображать 16 миллионов (224) цветов и имеют значительно лучший уровень черного, но они дорогие и имеют более медленное время отклика. Задержка ввода, поскольку АЦП ЖК-дисплея ждет, пока каждый кадр будет полностью сформирован, прежде чем отобразить его на ЖК-панели. Многие ЖК-мониторы выполняют постобработку перед отображением изображения в попытке компенсировать плохую цветопередачу, что добавляет дополнительную задержку. Кроме того, при отображении неродных разрешений необходимо использовать масштабирование видео, что добавляет еще больше времени задержки. Масштабирование и постобработка обычно выполняются в одном чипе на современных мониторах, но каждая функция, выполняемая этим чипом, добавляет некоторую задержку. Некоторые дисплеи имеют игровой режим, который отключает всю или большую часть обработки для уменьшения воспринимаемой задержки ввода. Мертвые или застрявшие пиксели могут возникать во время производства или после определенного периода использования. Застрявший пиксель будет светиться цветом даже на черном экране, в то время как мертвый пиксель всегда будет оставаться черным. Подвержен выгоранию, хотя причина отличается от ЭЛТ, и эффект может быть не постоянным; статичное изображение может вызвать выгорание за несколько часов на плохо спроектированных дисплеях. В режиме постоянной работы может произойти термическая деградация при плохом тепловом управлении, в результате чего часть экрана перегревается и выглядит обесцвеченной по сравнению с остальной частью экрана. Потеря яркости и значительно более медленное время отклика в условиях низкой температуры. В условиях ниже нуля ЖК-экраны могут перестать функционировать без использования дополнительного обогрева. Потеря контрастности в условиях высоких температур.

Limited viewing angle in some older or cheaper monitors, causing color, saturation, contrast and brightness to vary with user position, even within the intended viewing angle. Special films can be used to increase the viewing angles of LCDs. Uneven backlighting in some monitors (more common in IPS types and older TNs), causing brightness distortion, especially toward the edges ("backlight bleed"). Black levels may not be as dark as required because individual liquid crystals cannot completely block all of the backlight from passing through. Display motion blur on moving objects caused by slow response times (>8 ms) and eye tracking on a sample and hold display, unless a strobing backlight is used. However, this strobing can cause eye strain, as is noted next:
as of 2012, most implementations of LCD backlighting use pulse width modulation (PWM) to dim the display, which makes the screen flicker more acutely (this does not mean visibly) than a CRT monitor at 85 Hz refresh rate would (this is because the entire screen is strobing on and off rather than a CRT's phosphor sustained dot which continually scans across the display, leaving some part of the display always lit), causing severe eye strain for some people. Unfortunately, many of these people don't know that their eye strain is being caused by the invisible strobe effect of PWM. This problem is worse on many LED backlit monitors, because the LEDs switch on and off faster than a CCFL lamp. Only one native resolution. Displaying any other resolution either requires a video scaler, causing blurriness and jagged edges, or running the display at native resolution using 1:1 pixel mapping, causing the image either not to fill the screen (letterboxed display), or to run off the lower or right edges of the screen. Fixed bit depth (also called color depth). Many cheaper LCDs are only able to display 262144 (218) colors. 8 bit S IPS panels can display 16 million (224) colors and have significantly better black level, but are expensive and have slower response time. Input lag, because the LCD's A/D converter waits for each frame to be completely been output before drawing it to the LCD panel. Many LCD monitors do post processing before displaying the image in an attempt to compensate for poor color fidelity, which adds an additional lag. Further, a video scaler must be used when displaying non native resolutions, which adds yet more time lag. Scaling and post processing are usually done in a single chip on modern monitors, but each function that chip performs adds some delay. Some displays have a video gaming mode which disables all or most processing to reduce perceivable input lag. Dead or stuck pixels may occur during manufacturing or after a period of use. A stuck pixel will glow with color even on an all black screen, while a dead one will always remain black. Subject to burn in effect, although the cause differs from CRT and the effect may not be permanent, a static image can cause burn in in a matter of hours in badly designed displays. In a constant on situation, thermalization may occur in case of bad thermal management, in which part of the screen has overheated and looks discolored compared to the rest of the screen. Loss of brightness and much slower response times in low temperature environments. In sub zero environments, LCD screens may cease to function without the use of supplemental heating. Loss of contrast in high temperature environments.

Используемые химические вещества

В жидкокристаллических дисплеях используется несколько различных семейств жидких кристаллов. Используемые молекулы должны быть анизотропными и проявлять взаимное притяжение. Распространены поляризуемые молекулы в форме стержней (бифенилы, терфенилы и т.д.). Типичная форма – пара ароматических бензольных колец с неполярным заместителем (пентильным, гептильным, октильным или алкилоксигруппой) на одном конце и полярным (нитрильным, галогеном) на другом. Иногда бензольные кольца разделены ацетиленовой группой, этиленом, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO или сложноэфирной группой. На практике для достижения более широкого диапазона рабочих температур используются эвтектические смеси нескольких химических веществ (от -10 до +60 °C для дисплеев начального уровня и от -20 до +100 °C для высокопроизводительных дисплеев). Например, смесь E7 состоит из трех бифенилов и одного терфенила: 39 мас.% 4'-пентил[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон от 24 до 35 °C), 36 мас.% 4'-гептил[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон от 30 до 43 °C), 16 мас.% 4'-октокси[1,1'-бифенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон от 54 до 80 °C) и 9 мас.% 4-пентил[1,1':4',1-терфенил]-4-карбонитрила (нематический диапазон от 131 до 240 °C).

Влияние на окружающую среду

В производстве ЖК-экранов трифторид азота (NF3) используется в качестве травителя при изготовлении тонкопленочных компонентов. NF3 является мощным парниковым газом, и его относительно длительный срок полураспада может сделать его потенциально опасным фактором, способствующим глобальному потеплению. В отчете, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters, утверждалось, что его воздействие теоретически значительно превышает влияние более известных источников парниковых газов, таких как углекислый газ. Поскольку в то время NF3 не получил широкого распространения, он не был включен в Киотский протокол и получил название "упущенного парникового газа". NF3 был добавлен в Киотский протокол для второго периода действия в рамках Дохинского раунда. Критики отчета указывают на то, что в нем исходят из предположения, будто весь произведенный NF3 будет высвобождаться в атмосферу. На самом деле, подавляющее большинство NF3 разрушается в процессе очистки; два предыдущих исследования показали, что только 2–3% газа не подвергается разложению после использования. Более того, в отчете не было проведено сравнения воздействия NF3 с воздействием вещества, которое он заменил – перфторуглерода, еще одного мощного парникового газа, от 30 до 70% которого выбрасывается в атмосферу при типичном использовании.