Технологии плоских дисплеев

Введение

Электронная дисплейная технология

Дисплей с плоской панелью (FPD) – это электронный дисплей, используемый для отображения визуального контента, такого как текст или изображения. Он применяется в потребительском, медицинском, транспортном и промышленном оборудовании. Дисплеи с плоской панелью тонкие, легкие, обеспечивают лучшую линейность и способны к более высокому разрешению, чем типичные телевизоры потребительского класса прошлых поколений. Их толщина обычно составляет менее [укажите единицу измерения, если она есть в оригинале]. В то время как максимальное разрешение для телевизоров CRT потребительского класса составляло 1080i, многие дисплеи с плоской панелью в 2020-х годах поддерживают разрешение 1080p и 4K. В 2010-х годах портативная потребительская электроника, такая как ноутбуки, мобильные телефоны и портативные камеры, стала использовать дисплеи с плоской панелью, поскольку они потребляют меньше энергии и имеют небольшой вес. По состоянию на 2016 год дисплеи с плоской панелью практически полностью заменили дисплеи CRT. Большинство дисплеев с плоской панелью, выпущенных в 2010-х годах, используют технологии ЖК-дисплея (LCD) или светодиодов (LED), иногда в комбинации. Большинство ЖК-экранов подсвечиваются с помощью цветовых фильтров, используемых для отображения цветов. Во многих случаях дисплеи с плоской панелью комбинируются с сенсорной технологией, позволяющей пользователю взаимодействовать с дисплеем естественным образом. Например, в современных дисплеях смартфонов часто используются OLED-панели с емкостными сенсорными экранами. Дисплеи с плоской панелью можно разделить на две категории: с переменным состоянием и статические. Первые требуют периодического электронного обновления пикселей для сохранения их состояния (например, жидкокристаллические дисплеи (LCD)) и могут отображать изображение только при наличии питания. В то время как статические дисплеи с плоской панелью используют материалы, цветовое состояние которых бистабильно, например, дисплеи, использующие технологию электронных чернил, и поэтому сохраняют контент даже при отключении питания.

История

Первое инженерное предложение по созданию телевизора с плоской панелью было сделано компанией General Electric в 1954 году в результате работы над радарными мониторами. Публикация их результатов заложила основы для будущих телевизоров и мониторов с плоской панелью. Однако GE не продолжила необходимые исследования и разработки и не создала работообразец плоской панели в то время. Первым серийно выпускаемым плоским дисплеем стала трубка Айкена, разработанная в начале 1950-х годов и произведенная ограниченным тиражом в 1958 году. Она применялась в военных системах в качестве индикатора на лобовом стекле и в качестве монитора осциллографа, но более традиционные технологии опередили её развитие. Попытки коммерциализации системы для домашнего телевидения постоянно сталкивались с проблемами, и система так и не была выпущена на рынок. Деннис Габор, более известный как изобретатель голографии, запатентовал плоский экранный ЭЛТ в 1958 году. Эта разработка была во многом схожа с концепцией Айкена и привела к многолетней патентной тяжбе. К моменту завершения судебных разбирательств, с патентом Айкена, действующим в США, а патентом Габора – в Великобритании, коммерческий потенциал обоих изобретений был упущен, и они стали друзьями. Примерно в это же время Клайв Синклер ознакомился с работой Габора и начал десятилетнюю, в конечном итоге безуспешную, попытку коммерциализировать её. Philco Predicta оснащалась относительно плоской (для своего времени) кинескопом и стала первым коммерчески выпущенным "телевизором с плоской панелью" при запуске в 1958 году; однако Predicta оказалась коммерческим провалом. Плазменная панель была изобретена в 1964 году в Университете Иллинойса, согласно книге "История плазменных панелей".

Дисплеи с жидкими кристаллами (LC-дисплеи или LCD)

MOSFET (транзистор полевого эффекта металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в лабораториях Bell в 1959 году и представлен в 1960 году. Развивая их работу, Пол К. Ваймер в RCA разработал тонкопленочный транзистор (TFT) в 1962 году. Это был тип MOSFET, отличный от стандартного объемного MOSFET. Идея ЖК-дисплея на основе TFT была предложена Бернардом Дж. Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. Б. Дж. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Тултс продемонстрировали эту концепцию в 1968 году, используя динамический дисплей рассеяния, в котором применялись стандартные дискретные MOSFET. Первый электролюминесцентный дисплей с активной матрицей (ELD) был создан с использованием TFT отделом тонкопленочных устройств Т. Питера Броди в Westinghouse Electric Corporation в 1968 году. В 1973 году Броди, Дж. А. Асарс и Г. Д. Диксон из Westinghouse Research Laboratories продемонстрировали первый жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT LCD). Броди и Фанг Чен Луо продемонстрировали первый плоский жидкокристаллический дисплей с активной матрицей (AM LCD) с использованием TFT в 1974 году. 2,1-дюймовый Epson ET 10 Epson Elf стал первым цветным карманным ЖК-телевизором, выпущенным в 1984 году. В 1988 году исследовательская группа Sharp под руководством инженера Т. Нагаясу продемонстрировала 14-дюймовый полноцветный ЖК-дисплей, который убедил электронную промышленность в том, что ЖК-дисплеи в конечном итоге заменят ЭЛТ в качестве стандартной технологии телевизионных дисплеев.

Светодиодные дисплеи

Первый пригодный для использования светодиодный дисплей был разработан компанией Hewlett Packard (HP) и представлен в 1968 году. Он стал результатом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (R&D) в области практической светодиодной технологии, проводившихся с 1962 по 1968 год исследовательской группой под руководством Говарда С. Бордена, Джеральда П. Пигини и Мохамеда М. Аталлы в HP Associates и HP Labs. В феврале 1969 года они представили HP Model 5082 7000 Numeric Indicator. Это был первый алфавитно-цифровой светодиодный дисплей, совершивший революцию в технологии цифрового отображения, заменивший индикаторную трубку Nixie для цифровых дисплеев и ставший основой для последующих светодиодных дисплеев. В 1977 году Джеймс П. Митчелл создал прототип, а затем продемонстрировал, возможно, самый ранний монохромный плоскопанельный светодиодный телевизионный дисплей. Чинг В. Тан и Стивен Ван Слайк из Eastman Kodak создали первое практическое органическое светодиодное устройство (OLED) в 1987 году. В 2003 году Hynix разработал драйвер органического EL, способный отображать 4096 цветов. В 2004 году Sony Qualia 005 стал первым ЖК-дисплеем с светодиодной подсветкой. Sony XEL 1, выпущенный в 2007 году, был первым OLED-телевизором.

Жидкокристаллический дисплей (LCD)

ЖК-дисплеи с полевым управлением легкие, компактные, портативные, недорогие, более надежные и меньше утомляют глаза, чем экраны ЭЛТ. ЖК-экраны используют тонкий слой жидких кристаллов – вещества, обладающего кристаллическими свойствами. Этот слой помещен между двумя стеклянными пластинами с прозрачными электродами. С обеих сторон ЖК-дисплея расположены две поляризационные пленки. Создавая управляемое электрическое поле между электродами, можно активировать отдельные сегменты или пиксели жидких кристаллов, изменяя их поляризационные свойства. Эти свойства зависят от ориентации слоя жидких кристаллов и используемого типа полевого эффекта: Twisted Nematic (TN), In Plane Switching (IPS) или Vertical Alignment (VA). Цвет формируется путем применения соответствующих цветовых фильтров (красного, зеленого и синего) к отдельным субпикселям. ЖК-дисплеи применяются в различных электронных устройствах, таких как часы, калькуляторы, мобильные телефоны, телевизоры, компьютерные мониторы и экраны ноутбуков и т.д.

Светодиодные светодиоды

Большинство ранних больших ЖК-экранов использовали подсветку на основе нескольких CCFL (холодных катодных флуоресцентных ламп). Однако в небольших карманных устройствах почти всегда использовались светодиоды в качестве источника подсветки. С совершенствованием светодиодов, практически все новые дисплеи теперь оснащаются светодиодной подсветкой. Изображение по-прежнему формируется ЖК-слоем.

Плазменная панель

Плазменный дисплей состоит из двух стеклянных пластин, разделенных тонким зазором, заполненным газом, например, неоном. Каждая из этих пластин имеет несколько параллельных электродов, расположенных на ней. Электроды на двух пластинах расположены под прямым углом друг к другу. Приложение напряжения между двумя электродами – по одному на каждой пластине – вызывает свечение небольшого участка газа в месте их пересечения. Свечение газовых участков поддерживается более низким напряжением, которое непрерывно подается на все электроды. К 2010 году многие производители прекратили производство плазменных дисплеев для потребительского рынка.

Электролюминесцентная панель

В электролюминесцентном дисплее (ELD) изображение формируется путем подачи электрических сигналов на пластины, заставляющие люминофор светиться.

Диод органического излучения света

OLED (органический светоизлучающий диод) — это светоизлучающий диод (LED), в котором излучающим электролюминесцентным слоем является пленка органического соединения, испускающего свет при прохождении электрического тока. Этот слой органического полупроводника находится между двумя электродами, при этом, как правило, по крайней мере один из этих электродов является прозрачным. OLED используются для создания цифровых дисплеев в устройствах, таких как телевизоры, компьютерные мониторы, портативные системы, например, мобильные телефоны, портативные игровые консоли и персональные цифровые помощники.

Квантово-точечный светоизлучающий диод

QLED или светодиод с квантовыми точками – это технология плоских панельных дисплеев, представленная компанией Samsung под этой торговой маркой. Другие производители телевизоров, такие как Sony, использовали ту же технологию для улучшения подсветки ЖК-телевизоров уже в 2013 году. Квантовые точки излучают собственный уникальный свет при освещении источником света с более короткой длиной волны, например, синими светодиодами. Этот тип светодиодного телевизора расширяет цветовую гамму ЖК-панелей, при этом изображение по-прежнему формируется ЖК-дисплеем. По мнению Samsung, дисплеи с квантовыми точками для телевизоров с большими экранами в ближайшие годы, вероятно, станут более популярными, чем OLED-дисплеи; такие компании, как Nanoco и Nanosys, конкурируют за поставку материалов QD. В то же время, устройства Samsung Galaxy, такие как смартфоны, по-прежнему оснащаются OLED-дисплеями, производимыми компанией Samsung. На своем веб-сайте Samsung объясняет, что QLED-телевизоры, которые они производят, способны определять, каким областям дисплея требуется больше или меньше контрастности. Samsung также объявила о партнерстве с Microsoft для продвижения новых QLED-телевизоров Samsung.

Летучие

Летучие дисплеи требуют периодического обновления пикселей для сохранения их состояния, даже при отображении статического изображения. Следовательно, для поддержания изображения на дисплее или его изменения, летучему экрану необходимо электропитание – либо от сети (подключения к розетке), либо от батареи. Обычно это обновление происходит несколько раз в секунду. Если обновление не производится, например, при отключении электроэнергии, пиксели постепенно теряют свою упорядоченность, и изображение "исчезает" с экрана.

Статика

Статические дисплеи с плоской панелью используют материалы, цветовые состояния которых бистабильны. Это означает, что для поддержания отображаемого изображения не требуется энергия, а энергия нужна только для его изменения. Это обеспечивает значительно более высокую энергоэффективность дисплея, но приводит к тенденции к медленной частоте обновления, что нежелательно для интерактивных дисплеев. Бистабильные дисплеи с плоской панелью начинают внедряться в ограниченных областях применения (холестерические жидкокристаллические дисплеи производства Magink для наружной рекламы; электрофоретические дисплеи в устройствах для чтения электронных книг Sony и iRex; электронные ценники; дисплеи на основе интерферометрических модуляторов в умных часах).