Жидко-кристаллическая технология и её изделия

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ.

"СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ"

Тема:

Жидко - кристаллическая технология и её изделия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Выполнил: Шашков Никита Анатольевич.

            Группа: МП-38

        Новосибирск

  Год: 2013

 

 

 

Содержание:

1. Начало развития ЖК дисплеев ............................................................ 3стр
2. Устройство ЖК дисплеев ..................................................................... 4стр
3. Преимущества и недостатки ЖК дисплеев ........................................ 6стр
4. Три основные технологии ЖК дисплеев ............................................ 8стр
5. Заключение ........................................................................................... 15стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Начало развития ЖК дисплеев

 

В 70-х годах ХХ столетия компанией Radio Corporation of America был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. Эффект жидкокристаллических дисплеев начал использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Потом стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие черно-белое изображение. В 1987 году компания  разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма.

Гигантский скачок в развитии этой технологии произошел с появлением первых ноутбуков. Сначала матрицы были черно-белыми, потом цветными, но только «пассивного» типа. Они довольно сносно отображали статические изображения и рабочий стол ноутбука, но при малейшем движении «картинка» превращалась в сплошную мазню – на экране невозможно было что-либо разобрать. Естественно, это ограничивало сферы использования нового типа дисплеев. Дальнейшая эволюция жидкокристаллических матриц привела к созданию нового их типа – «активного». Такие дисплеи уже лучше справлялись с отображением на экране движущих объектов, и это способствовало появлению стационарных мониторов. В начале ХХI столетия появились первые ЖК телевизоры. Диагональ их была еще маленькой – около 15 дюймов.

Жидкокристаллические мониторы представляли собой две стеклянных или пластиковых пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. ЖК технология получила широкое распространение в компьютерах и в проекционном оборудовании.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                  

 

2.Устройство ЖК  мониторов

 

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы - стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы, источников света для подсветки, контактного жгута и корпуса, чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых как правило перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном 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 растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Преимущества и недостатки  ЖК дисплеев.

 

К преимуществам жидкокристаллических дисплеев можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти раз — ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки 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.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и множество недостатков, часто принципиально трудно устранимых, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном «штатном» разрешении. Остальные достигаются интерполяцией.

• По сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют малый контраст и глубину чёрного 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 жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки) — на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ртутных ламп.

• Фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.

• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии. В ЭЛТ дисплеях эта проблема полностью отсутствует.

• Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградации.

• Существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России — ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих. ЭЛТ этой проблеме не подвержены.

• Пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, вообще не подверженных ей.

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         

 

 

 

 

 

4.Три основные технологии ЖК дисплеев

 

При создании LCD-дисплеев используют три основные технологии: TN + film, IPS и MVA.

TN + film

TN + film (Twisted Nematic + film) — старейшая и самая простая технология из используемых для производства активных ЖК-мониторов технология, ведущий свое существование еще со времен пассивных матриц.

Слово ''film'' в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора, ориентировочно — от 90 до 150°. В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности — нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к суб-пикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы и поляризованный свет, который они пропускают поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие суб-пиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS (SFT)

В 1995 году компанией Hitachi была разработана технология In-Plane Switching (IPS), предназначавшаяся для избавления от недостатков, присущих панелям, изготовленным по технологии TN + film. Маленькие углы обзора, весьма специфичные цвета и неприемлемое (на тот момент) время отклика подтолкнули компанию Hitachi к разработке новой технологии IPS, давшей хороший результат: приличные углы обзора и хорошую цветопередачу. 
 
В IPS-матрицах кристаллы не образуют спираль, а поворачиваются при приложении электрического поля все вместе. Изменение ориентации кристаллов помогло добиться одного из основных преимуществ IPS-матриц - углы обзора удалось увеличить до 170° по горизонтали и вертикали. Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй поляризационный фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Отображение черного цвета является идеальным. При выходе из строя транзистора "битый" пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным. При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению параллельно основе и пропускают свет.

Параллельное выравнивание жидких кристаллов потребовало размещения электродов гребенкой на нижней подложке, что значительно ухудшило контрастность изображения, потребовало более мощной подсветки для установки нормального уровня резкости и привело к высокому потреблению энергии и значительному времени. Поэтому время отклика IPS-панели, как правило, больше, чем у TN-панелей. Изготовленные по технологии IPS-панели оказываются заметно дороже. Впоследствии на базе IPS были также разработаны технологии Super-IPS (S-IPS) и Dual Domain IPS (DD-IPS), однако из-за высокой стоимости вывести этот тип панелей в лидеры производители так и не смогли. 
 
Компания Samsung некоторое время выпускала панели, выполненные по технологии Advanced Coplanar Electrode (АСЕ) - аналог технологии IPS. Однако сегодня выпуск АСЕ-панелей свернут. На современном рынке технология IPS представлена мониторами с большой диагональю - 19 дюймов и более.  
 
Значительное время отклика при переключении пикселя между двумя состояниями с лихвой компенсируется отличной цветопередачей, особенно у панелей, выполненных по модернизированной технологии под названием Super-IPS. 
 
Super-IPS (S-IPS). LCD-мониторы на S-IPS-панелях - это вполне разумный выбор для профессиональной работы с цветом. Увы, с контрастностью у S-IPS-панелей точно такие же проблемы, как и у IPS и TN+Film, - она сравнительно невелика, так как уровень черного составляет 0,5-1,0 кд/м2.