Displej z tekutých krystalů s tenkým filmem- Thin-film-transistor liquid-crystal display

Displeje s tekutými krystaly tenkovrstvý-tranzistor ( TFT LCD ) je varianta displeje z tekutých krystalů (LCD), který používá tenký film-tranzistor technologie (TFT), ke zlepšení kvality obrazu, jako je adresovatelností a kontrastu. TFT LCD je aktivní maticový LCD, na rozdíl od pasivních maticových LCD nebo jednoduchých, přímo poháněných LCD s několika segmenty.

TFT LCD se používají v zařízeních včetně televizorů , počítačových monitorů , mobilních telefonů , kapesních zařízení, systémů videoher , osobních digitálních asistentů , navigačních systémů , projektorů a palubních desek automobilů .

Dějiny

V únoru 1957 podal John Wallmark z RCA patent na tenký film MOSFET. Paul K.Weimer , rovněž z RCA, implementoval nápady společnosti Wallmark a v roce 1962 vyvinul tenkovrstvý tranzistor (TFT), typ MOSFET odlišný od standardního hromadného MOSFETu. Byl vyroben z tenkých filmů selenidu kademnatého a sulfidu kademnatého . Myšlenku displeje z tekutých krystalů (LCD) na bázi TFT vytvořil Bernard Lechner z RCA Laboratories v roce 1968. V roce 1971 Lechner, FJ Marlowe, EO Nester a J. Tults předvedli maticový displej 2 x 18 poháněný hybridní obvod využívající režim dynamického rozptylu LCD. V roce 1973 T. Peter Brody , JA Asars a GD Dixon z Westinghouse Research Laboratories vyvinuli CdSe ( selenid kademnatý ) TFT, který použili k demonstraci prvního CdSe tenkovrstvého tranzistoru s tekutými krystaly (TFT LCD). Brody a Fang-Chen Luo demonstroval první plochý aktivní maticový displej s tekutými krystaly (LCD AM) pomocí CdSe TFTs v roce 1974, a pak Brody razil termín „aktivní matrice“ v roce 1975. Od roku 2013, všech moderních vysokým rozlišením a vysoce kvalitní elektronická vizuální zobrazovací zařízení využívají aktivní maticové displeje na bázi TFT.

Konstrukce

Schéma rozložení pixelů

Displeje z tekutých krystalů používané v kalkulačkách a dalších zařízeních s podobně jednoduchými displeji mají přímo poháněné obrazové prvky, a proto lze napětí snadno aplikovat pouze na jeden segment těchto typů displejů, aniž by došlo k rušení ostatních segmentů. To by bylo nepraktické pro velký displej , protože by to mělo velký počet (barevných) obrazových prvků ( pixelů ), a proto by to vyžadovalo miliony připojení, horní i dolní pro každou ze tří barev (červená, zelená a modrá) každého pixelu. Aby se tomuto problému vyhnuly, pixely jsou řešeny v řádcích a sloupcích, což snižuje počet připojení z milionů na tisíce. Sloupcové a řadové vodiče se připojují k tranzistorovým spínačům, jeden pro každý pixel. Jednosměrná charakteristika procházejícího proudu tranzistoru brání vybití náboje, který je aplikován na každý pixel, mezi obnovením obrazu na displeji. Každý pixel je malý kondenzátor s vrstvou izolačních tekutých krystalů vložených mezi transparentní vodivé vrstvy ITO .

Proces rozvržení obvodu TFT-LCD je velmi podobný tomu u polovodičových produktů. Avšak spíše než výroby tranzistorů z křemíku , který je vytvarován do krystalické křemíkové oplatky, které jsou vyrobeny z tenkého filmu z amorfního křemíku , která je uložena na skleněném panelu. Křemíková vrstva pro TFT-LCD se obvykle nanáší procesem PECVD . Tranzistory zabírají pouze malou část plochy každého pixelu a zbytek silikonové fólie je odleptán, aby jím světlo snadno prošlo.

Polykrystalický křemík se někdy používá v displejích vyžadujících vyšší výkon TFT. Mezi příklady patří malé displeje s vysokým rozlišením, jako jsou ty, které se nacházejí v projektorech nebo hledáčcích. TFT na bázi amorfního křemíku jsou zdaleka nejběžnější kvůli jejich nižším výrobním nákladům, zatímco polykrystalické křemíkové TFT jsou nákladnější a jejich výroba je mnohem obtížnější.

Typy

Twisted nematic (TN)

TN displej pod mikroskopem, s tranzistory viditelnými dole

Zkroucené nematické displeje je jedním z nejstarších a často nízké druhu LCD displejů dostupných technologií. Displeje TN těží z krátké doby odezvy pixelů a menšího rozmazání než jiná technologie zobrazení LCD, trpí však špatnou reprodukcí barev a omezenými pozorovacími úhly, zejména ve vertikálním směru. Při pohledu pod úhlem, který není kolmý na displej, se barvy posunou, potenciálně až do bodu úplného převrácení. Moderní, špičkové spotřební výrobky vyvinuly metody k překonání nedostatků této technologie, jako jsou technologie RTC (Compensation Time Compensation / Overdrive) . Moderní TN displeje mohou vypadat výrazně lépe než starší TN displeje z desítek let dříve, ale celkově má ​​TN ve srovnání s jinými technologiemi horší pozorovací úhly a špatné barvy.

Panely TN mohou reprezentovat barvy pomocí pouze šesti bitů na kanál RGB nebo 18 bitů celkem a nejsou schopny zobrazit 16,7 milionu barevných odstínů (24bitový truecolor ), které jsou k dispozici pomocí 24bitových barev. Místo toho tyto panely zobrazují interpolovanou 24bitovou barvu pomocí metody rozkládání, která kombinuje sousední pixely a simuluje požadovaný odstín. Mohou také použít formu dočasného ditheringu zvanou Frame Rate Control (FRC), která cykluje mezi různými odstíny s každým novým rámečkem, aby simulovala mezilehlý odstín. Takové 18bitové panely s ditheringem jsou někdy inzerovány jako „16,2 milionu barev“. Tyto metody simulace barev jsou patrné pro mnoho lidí a pro některé jsou velmi obtěžující. FRC bývá nejnápadnější v tmavších tónech, zatímco se zdá, že dithering zviditelňuje jednotlivé pixely LCD. Celkově je reprodukce barev a linearita na panelech TN špatná. Nedostatky v barevném gamutu displeje (často označované jako procento barevného gamutu NTSC 1953 ) jsou také způsobeny technologií podsvícení. Není neobvyklé, že se starší displeje pohybují od 10% do 26% barevného gamutu NTSC, zatímco jiné druhy displejů využívající komplikovanější CCFL nebo LED fosforové formulace nebo RGB LED podsvícení mohou přesahovat 100% barevného gamutu NTSC „Rozdíl zcela vnímatelný lidským okem.

Propustnost pixelu z LCD panelu obvykle není lineárně se mění s přiloženým napětím a sRGB standard pro počítačové monitory vyžaduje konkrétní nelineární závislost množství emitovaného světla, jako v závislosti na RGB hodnoty.

Přepínání v rovině (IPS)

Přepínání v rovině bylo vyvinuto společností Hitachi Ltd. v roce 1996, aby se zlepšil špatný pozorovací úhel a špatná reprodukce barev TN panelů v té době. Jeho název pochází z hlavního rozdílu od panelů TN, že molekuly krystalů se pohybují rovnoběžně s rovinou panelu místo kolmo na něj. Tato změna snižuje množství rozptylu světla v matici, což dává IPS charakteristické široké pozorovací úhly a dobrou reprodukci barev.

Počáteční iterace technologie IPS se vyznačovaly pomalou dobou odezvy a nízkým kontrastním poměrem, ale pozdější revize tyto nedostatky výrazně zlepšily. Díky svému širokému pozorovacímu úhlu a přesné reprodukci barev (téměř bez posunutí barev mimo úhly) je IPS široce používán v špičkových monitorech zaměřených na profesionální grafiky, i když s nedávným poklesem ceny byl pozorován v hlavním proudu trh také. Technologii IPS prodala společnosti Panasonic společnost Hitachi.

Vývoj technologie Hitachi IPS
název Přezdívka Rok Výhoda
Poměr propustnosti/ kontrastu
Poznámky
Super TFT IPS 1996 Široký pozorovací úhel
Základní úroveň 100/100
Většina panelů také podporuje skutečnou 8bitovou barvu na kanál . Tato vylepšení přišla za cenu vyšší doby odezvy, zpočátku asi 50 ms. Panely IPS byly také extrémně drahé.
Super IPS S-IPS 1998 Barevný posun zdarma 100/137 IPS byl od té doby nahrazen S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. v roce 1998), který má všechny výhody technologie IPS s přidáním vylepšeného časování obnovení pixelu.
Pokročilý Super-IPS AS-IPS 2002 Vysoká propustnost 130/250 AS-IPS, vyvinutý také společností Hitachi Ltd. v roce 2002, podstatně zlepšuje kontrastní poměr tradičních panelů S-IPS do té míry, že jsou na druhém místě za některými S-PVA.
IPS-Provectus IPS-Pro 2004 Vysoký kontrastní poměr 137/313 Nejnovější panel od IPS Alpha Technology se širším barevným gamutem a kontrastním poměrem odpovídá displejům PVA a ASV bez zářícího úhlu.
IPS alfa IPS-Pro 2008 Vysoký kontrastní poměr Nová generace IPS-Pro
IPS alpha next gen IPS-Pro 2010 Vysoký kontrastní poměr
Vývoj technologie LG IPS
název Přezdívka Rok Poznámky
Horizontální IPS H-IPS 2007 Zlepšuje kontrastní poměr zkroucením rozvržení roviny elektrody. Představuje také volitelný polarizační film Advanced True White od NEC, aby bílý vypadal přirozeněji. To se používá v profesionálních/fotografických LCD.
Vylepšené IPS E-IPS 2009 Širší clona pro přenos světla, umožňující použití levnějších podsvícení s nižším výkonem. Zlepšuje úhlopříčný pozorovací úhel a dále zkracuje dobu odezvy na 5 ms.
Profesionální IPS P-IPS 2010 Nabídka 1,07 miliardy barev (10bitová barevná hloubka). Více možných orientací na subpixel (1024 oproti 256) a vytváří lepší skutečnou barevnou hloubku.
Pokročilé vysoce výkonné IPS AH-IPS 2011 Vylepšená přesnost barev, zvýšené rozlišení a PPI a lepší přenos světla pro nižší spotřebu energie.

Pokročilé přepínání okrajových polí (AFFS)

Jedná se o technologii LCD odvozenou z IPS korejskou společností Boe-Hydis. Do roku 2003 známé jako přepínání okrajových polí (FFS), pokročilé okrajové přepínání polí je technologie podobná IPS nebo S-IPS, která nabízí vynikající výkon a barevný gamut s vysokou svítivostí. Posun barev a odchylky způsobené únikem světla jsou korigovány optimalizací gamutu bílé, což také zlepšuje reprodukci bílé/šedé. AFFS je vyvinut společností Hydis Technologies Co., Ltd, Korea (formálně Hyundai Electronics, LCD Task Force).

V roce 2004 společnost Hydis Technologies Co., Ltd licencovala svůj patent AFFS japonským společnostem Hitachi Displays. Hitachi používá AFFS k výrobě špičkových panelů ve své produktové řadě. V roce 2006 společnost Hydis také licencovala svůj AFFS společnosti Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.

Hydis představil AFFS+, který zlepšil venkovní čitelnost v roce 2007.

Svislé zarovnání více domén (MVA)

Dosáhl odezvy pixelů, která byla na svou dobu rychlá, širokých pozorovacích úhlů a vysokého kontrastu za cenu jasu a reprodukce barev. Moderní panely MVA mohou nabídnout široké pozorovací úhly (hned za technologií S-IPS), dobrou hloubku černé, dobrou reprodukci barev a hloubku a rychlé doby odezvy díky použití technologií RTC ( Response Time Compensation ). Při pohledu na panely MVA mimo kolmo se barvy posunou, ale mnohem méně než u panelů TN.

Existuje několik technologií „nové generace“ založených na MVA, včetně P-MVA a AMVA společnosti AU Optronics , stejně jako S-MVA společnosti Chi Mei Optoelectronics .

Vzorované svislé zarovnání (PVA)

Méně nákladné panely PVA často používají dithering a FRC , zatímco panely super-PVA (S-PVA) využívají alespoň 8 bitů na barevnou komponentu a nepoužívají metody simulace barev. S-PVA také do značné míry eliminoval mimoúrovňové zářící plné černé a omezil posun gama mimo úhel. Některé špičkové LCD televizory Sony BRAVIA nabízejí 10bitovou a xvYCC barevnou podporu, například řada Bravia X4500. S-PVA také nabízí rychlé doby odezvy pomocí moderních technologií RTC.

Pokročilé super zobrazení (ASV)

Sharp vyvinul pokročilé super zobrazení, nazývané také osově symetrické vertikální zarovnání . Jedná se o režim VA, kde se molekuly tekutých krystalů ve vypnutém stavu orientují kolmo na substráty. Spodní subpixel má kontinuálně zakryté elektrody, zatímco horní má elektrodu s menší plochou ve středu subpixelu.

Když je pole zapnuté, molekuly tekutých krystalů se začnou naklánět směrem ke středu subpixelů kvůli elektrickému poli; v důsledku toho se vytvoří souvislé vyrovnání větrníku (CPA); azimutální úhel se nepřetržitě otáčí o 360 stupňů, což má za následek vynikající pozorovací úhel. Režim ASV se také nazývá režim CPA.

Přepínání roviny (PLS)

Technologie vyvinutá společností Samsung je Super PLS, která se podobá panelům IPS a nabízí vylepšené pozorovací úhly a kvalitu obrazu, vyšší jas a nižší výrobní náklady. Technologie PLS debutovala na trhu počítačových displejů uvedením monitorů Samsung S27A850 a S24A850 v září 2011.

Technologie TFT dual-transistor pixel (DTP) nebo buňka

Patentované elektronické systémy obchodu TFT

Technologie pixelů nebo buněk TFT se dvěma tranzistory je technologie s reflexním displejem pro použití v aplikacích s velmi nízkou spotřebou energie, jako jsou elektronické štítky na poličky (ESL), digitální hodinky nebo měření. DTP zahrnuje přidání sekundárního tranzistorového hradla do jediné buňky TFT, aby se udrželo zobrazení pixelu po dobu 1 s bez ztráty obrazu nebo bez degradace TFT tranzistorů v průběhu času. Zpomalením obnovovací frekvence standardní frekvence z 60 Hz na 1 Hz DTP tvrdí, že zvyšuje energetickou účinnost o několik řádů.

Zobrazovací průmysl

Vzhledem k velmi vysokým nákladům na výstavbu továren TFT existuje jen několik velkých výrobců panelů OEM pro velké zobrazovací panely. Dodavatelé skleněných panelů jsou následující:

Dodavatelé skleněných panelů LCD
Typ panelu Společnost Poznámky hlavní televizní tvůrci
IPS-Pro Panasonic Pouze pro trhy s LCD televizory a známé jako IPS Alpha Technology Ltd. Panasonic, Hitachi, Toshiba
H-IPS a P-IPS Displej LG Vyrábějí také jiné typy panelů TFT, jako je TN, pro trhy OEM, jako jsou mobilní, monitorové, automobilové, přenosné AV a průmyslové panely. LG, Philips, BenQ
S-IPS Hannstar
Chunghwa Picture Tubes, Ltd.
A-MVA AU Optronics
S-MVA Chi Mei Optoelektronika
S-PVA S-LCD ( společný podnik Samsung / Sony ) Samsung, Sony
AFFS Samsung Pro malé a střední speciální speciální projekty.
ASV Sharp Corporation LCD TV a mobilní trhy Sharp, Sony
MVA Sharp Corporation Pouze pro trhy s LED LCD televizory Ostrý
HVA CSOT HVA a AMOLED TCL

Elektrické rozhraní

Externí spotřebitelská zobrazovací zařízení, jako je TFT LCD, mají jedno nebo více analogových rozhraní VGA , DVI , HDMI nebo DisplayPort , přičemž mnoho z nich nabízí výběr z těchto rozhraní. Uvnitř externích zobrazovacích zařízení je řídicí deska, která převádí video signál pomocí barevného mapování a škálování obrazu obvykle využívajícího diskrétní kosinovou transformaci (DCT) za účelem převodu jakéhokoli zdroje videa jako CVBS , VGA , DVI , HDMI atd. Na digitální RGB při nativním rozlišení zobrazovacího panelu. V notebooku bude grafický čip přímo produkovat signál vhodný pro připojení k vestavěnému TFT displeji. Ovládací mechanismus podsvícení je obvykle součástí stejné řídicí desky.

Nízkoúrovňové rozhraní zobrazovacích panelů STN , DSTN nebo TFT používá buď jednostranný signál TTL 5 V pro starší displeje, nebo TTL 3,3 V pro mírně novější displeje, které přenášejí hodiny pixelů, horizontální synchronizaci , vertikální synchronizaci , digitální červenou, digitální zelenou, digitální modrá paralelně. Některé modely (například AT070TN92) také disponují signálem pro povolení vstupu/zobrazení , horizontálním směrem a vertikálním směrem skenování.

Nové a velké (> 15 ") displeje TFT často používají signalizaci LVDS, která přenáší stejný obsah jako paralelní rozhraní (Hsync, Vsync, RGB), ale vloží řídicí a RGB bity do řady sériových přenosových linek synchronizovaných s hodinami, jejichž rychlost se rovná rychlosti obrazových bodů. LVDS přenáší sedm bitů za hodiny na datovou linku, přičemž šest bitů jsou data a jeden bit slouží k signalizaci, zda je třeba pro zachování rovnováhy DC invertovat zbývajících šest bitů. Levný TFT displej často zobrazuje mají tři datové řádky, a proto přímo podporují pouze 18 bitů na pixel . Upscale displeje mají čtyři nebo pět datových řádků pro podporu 24 bitů na pixel ( truecolor ) nebo 30 bitů na pixel ( HDR ). Výrobci panelů pomalu nahrazují LVDS interním DisplayPortem a Embedded DisplayPort, které umožňují šestinásobné snížení počtu diferenciálních párů.

Intenzita podsvícení se obvykle řídí změnou několika voltů DC nebo generováním signálu PWM nebo nastavením potenciometru nebo jednoduše pevně. To zase ovládá vysokonapěťový ( 1,3 kV ) měnič DC-AC nebo matici LED . Metoda pro ovládání intenzity LED je pulzovat pomocí PWM, který může být zdrojem harmonického blikání.

Panel s holým displejem bude přijímat pouze digitální video signál v rozlišení určeném ve výrobě vyrobenou pixelovou maticí panelu. Některé panely obrazovky budou ignorovat LSB bity barevných informací, aby představovaly konzistentní rozhraní (8 bitů -> 6 bitů/barva x3).

U analogových signálů, jako je VGA, musí řadič displeje také provádět vysokorychlostní převod analogového signálu na digitální . U digitálních vstupních signálů, jako je DVI nebo HDMI, je třeba před jejich vložením do převzorkovače provést jednoduché přeuspořádání bitů, pokud se vstupní rozlišení neshoduje s rozlišením panelu displeje.

Bezpečnost

Tekuté krystaly jsou neustále podrobovány testům toxicity a ekotoxicity pro jakýkoli nebezpečný potenciál. Výsledkem je, že:

  • odpadní voda z výroby je akutně toxická pro vodní organismy,
  • ale ve vzácných případech může mít dráždivý, žíravý nebo senzibilizující účinek. Všem účinkům se lze vyhnout použitím omezené koncentrace ve směsích,
  • nejsou mutagenní - ani v bakteriích (Amesův test) ani v savčích buňkách (test myšího lymfomu nebo test chromozomové aberace),
  • nejsou podezřelí z toho, že jsou karcinogenní,
  • jsou nebezpečné pro vodní organismy (bakterie, řasy, dafnie, ryby),
  • nemají žádný významný bioakumulační potenciál,
  • nejsou snadno biologicky rozložitelné.

Prohlášení platí pro společnost Merck KGaA i pro její konkurenty JNC Corporation (dříve Chisso Corporation) a DIC (dříve Dainippon Ink & Chemicals). Všichni tři výrobci se dohodli, že nebudou uvádět na trh žádné akutně toxické nebo mutagenní tekuté krystaly. Pokrývají více než 90 procent globálního trhu s tekutými krystaly. Zbývající tržní podíl tekutých krystalů, vyráběných především v Číně, sestává ze starších látek bez patentů od tří předních světových výrobců a již u nich byla testována toxicita. Díky tomu je lze také považovat za netoxické.

Kompletní zpráva je k dispozici online u společnosti Merck KGaA.

Tyto CCFL podsvícení používané v mnoha LCD monitory obsahují rtuť , která je toxická.

Viz také

Reference

externí odkazy