Обзор актуальных на 2009-2010 гг технологий производства электронных дисплеев (стр. 1 из 5)

ОБЗОР АКТУАЛЬНЫХ НА 2009-2010 ГОД

ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ДИСПЛЕЕВ

Мир не стоит на месте.

Каждый день должен быть лучше,

Чем предыдущий

Коносукэ Мацусита,

ОсновательMatsushita Electric и Panasonic

Введение

В данном обзоре рассмотрены основные (массовые) технологии производства электронных дисплеев, актуальные по состоянию на начало 2010 года. Цель данного обзора – сформировать у читателя представление о современных методах изготовления дисплеев, принципах их работы, преимуществах и недостатках, сфере применения, объемах использования в современных устройствах, перспективах и тенденциях развития отрасли. В заключении приводится вывод автора обзора.

Дисплей в общем случае — любая поверхность, отображающая буквенно-цифровую или

графическую информацию, например, экран компьютерного монитора или информационное табло, использующееся в аэропортах.

Следует различать понятия «дисплей» и «компьютерный монитор» (эти два понятия часто путают). Например — электронные часы имеют дисплей для отображения информации (но никак не «монитор»).

LCD-дисплей

Жидкокристаллический дисплей ( ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также Жидкокристаллический монитор ( ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.

LCD TFT ( англ. Thin film transistor — тонкоплѐночный транзистор ) — разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплѐночными транзисторами. Усилитель TFT для каждого субпиксела применяется для повышения быстродействия, контрастности и чѐткости изображения дисплея .

Сверху: Субпиксел цветного LCD-дисплея.

Жидкокристаллический монитор предназначен для отображения графической информации с компьютера , телевизора, цифрового фотоаппарата, электронного переводчика, калькулятора и пр.

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развѐртки. Простые приборы ( электронные часы, телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB - триад (трех субпикселей).

На 2008 год в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом ( англ. dither от староанглийского didderen — дрожать — при обработке цифровых сигналов представляет собой подмешивание в первичный сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром).

Устройство ЖК-монитора

Слева: Макрофотография TN+film матрицы монитора NEC LCD1770NX. На белом фоне стандартный курсор Windows

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через

него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растѐт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражѐнным от подложки (в ЖКдисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Технологии

Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA; последняя наиболее распространена в настоящее время. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применѐнный в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD ( англ. Silicon X-tal

Reflective Display — кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.

Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC ( англ. Plasma Addressed Liquid Crystal — плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества ЖК- (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту и вертикали, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойдѐнную управляемость и качество изображения.

Преимущества и недостатки

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным направлением среди технологий производства мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ (мониторы на основе электронно-лучевых трубок). У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого для глаза мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в среднем в 24 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки ( англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно - импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц .

Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности еѐ реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чѐткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чѐткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.

• Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).

• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чѐрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.

• Из-за жѐстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).

• Фактическая скорость смены изображения также остаѐтся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive ( увеличение скорости смены состояния пиксела за счет амплитудного перехода к промежуточному значению: к примеру, перейти от чѐрного (0) к серому (128), мы должны пройти через среднее значение: ярко-белый (255)) решает проблему скорости лишь частично.

• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаѐтся существенным минусом технологии.

• Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищѐнная стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей . o Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2. Стандарт определяет 4 класса качества LCD-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.