ЖК дисплеи, виды, принцип работы, характеристики

Что такое ЖК дисплей?

"ЖК-дисплей — это экран, который использует жидкие кристаллы для отображения изображений. Он работает на основе изменения ориентации молекул жидких кристаллов под воздействием электрического поля..."

Введение

Жидкокристаллические дисплеи (LD-дисплеи или LCD) - это дисплеи на основе жидкокристаллических модуляторов. Они часто производятся в огромных объемах и технологически оптимизированы в высокой степени.

Ранее использовавшиеся дисплеи на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) были почти полностью заменены ЖК-дисплеями, которые обладают широким спектром преимуществ:

• гораздо более низкое энергопотребление;
• нет требований к высоким напряжениям;
• гораздо более компактная и легкая установка;
• без мерцания (с подходящей подсветкой);
• нет выгорания фиксированных изображений;
• отсутствие генерации рентгеновского излучения и почти полное отсутствие потенциально вредных других типов электромагнитного излучения;
• реализуемые в широком диапазоне размеров, от миллиметров до нескольких метров < > более низкая стоимость производства.

Поэтому большая часть всех используемых в настоящее время дисплеев, от крошечных дисплеев для часов до экранов компьютеров и телевизоров, являются ЖК-дисплеями. Однако ЖК-дисплеи конкурируют с другими технологиями, такими как OLED. 

Также обратите внимание, что, хотя жидкокристаллические дисплеи относительно безвредны для окружающей среды в отношении энергопотребления, их производство может быть довольно вредным для климата, поскольку оно может включать газы с высоким парниковым потенциалом, которые часто выбрасываются в атмосферу.

Устройство ЖК дисплея

Как правило, жидкокристаллический дисплей состоит из следующих компонентов:

• Основной элемент представляет собой двумерный массив жидкокристаллических ячеек.  Они действуют как индивидуально адресуемые  фазовые модуляторы С каждой стороны имеется оптический  поляризатор.
• Задняя сторона может содержать либо какой-либо отражатель (зеркало) для пассивного дисплея, либо подсветку для активного (с подсветкой) дисплея.
• Сверху также обычно имеется защитный слой, например, стеклянная пластина. Можно также интегрировать сенсорные компоненты для реализации сенсорного экрана.

Входной поляризатор (на стороне подсветки) может быть отражающего типа, что позволяет своего рода “утилизировать” свет в неправильном направлении поляризации. Он направляется обратно к источнику света и частично возвращается, с используемым направлением поляризации.

Дисплеи с сегментами

Простые типы монохромных дисплеев используются для таких устройств, как наручные часы, будильники, термометры, карманные калькуляторы и различные индикаторы состояния. Здесь часто используется умеренное количество отдельных модуляторов, каждый для одного сегмента дисплея. 

Например, цифра обычно состоит из семи сегментов, в то время как буквенно-цифровым дисплеям требуется больше для отображения более широкого диапазона символов. 

Сегменты других форм могут быть легко изготовлены, например, для отображения последовательности фиксированных букв, шкал, стрелок или других символов.  Такие дисплеи не только просты в изготовлении, но и упрощают использование; можно легко активировать отображение определенного символа, подав один электрический сигнал.

Матричные дисплеи

Большая гибкость управления изображением достигается при использовании регулярной сетки пикселей дисплея. Пиксели расположены в строках и столбцах и адресуются через их номера строк и столбцов. Для адресации пикселей были разработаны различные типы пассивных и активных матриц. 

В настоящее время в основном используются активные матричные дисплеи, которые могут содержать несколько тонкопленочных транзисторов на пиксель, изготовленные на стеклянной подложке.  

Такие дисплеи подходят для цифровых фотокамер и видеокамер, смартфонов, планшетов, компьютерных экранов и телевизионных устройств. Они могут быть изготовлены с очень разными диагоналями экрана от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Пассивные и активные дисплеи с подсветкой

Многие ЖК-дисплеи содержат подсветку. В большинстве на основе светодиодов.

Некоторые ЖК-дисплеи используют рассеянный свет, обычно зеркало на задней стороне. Очень низкое энергопотребление, т.к. для управления ЖК-элементами требуется мало энергии. 

Очевидным недостатком является то, что такие дисплеи можно использовать только при достаточно интенсивном окружающем освещении.

Поэтому многие дисплеи оснащены подсветкой, которая может быть реализована с помощью различных источников света:

• В прошлом на дисплеях больших размеров, например компьютерных мониторах, использовались люминесцентные лампы с холодным катодом.
• В настоящее время стало довольно распространенным использование белых светоизлучающих диодов (светодиодов), которые являются более компактным и энергоэффективным решением. Они часто располагаются по краям дисплея.
• В качестве альтернативы, можно покрыть всю область дисплея белыми светодиодами, то есть большой светодиодной матрицей.  Этот подход в основном используется для больших экранов и имеет то преимущество, что можно приглушить части подсветки, которые отображают более темные области; это не только экономит электроэнергию, но и повышает контрастность изображения.
• Также возможно использовать матрицу светодиодов RGB для достижения лучшей цветопередачи за счет более широкой цветовой гаммы.

Некоторый уровень динамического управления подсветкой также возможен с помощью светодиодов по краям, но требуемая мощность освещения определяется самой яркой точкой на изображении. Следовательно, энергоэффективность и контрастность явно лучше для локального затемнения, когда небольшие области изображения обрабатываются отдельно.

Проекторы изображений

Жидкокристаллические устройства также используются в некоторых проекторах изображений. Здесь обычно используется довольно интенсивный источник света – например, галогенная лампа

 или лампа с металлическими парами, иногда светодиодный источник света, а дополнительная проекционная оптика создает большое изображение на каком–то экране.  Чтобы уменьшить тепловую нагрузку на матрицу ЖК-модулятора, обычно используется либо  холодное зеркало, либо горячее зеркало между источником света и ЖК-панелью.

Цветные дисплеи

Цветные дисплеи обычно реализуются с использованием трех разных модуляторов для каждого пикселя. Отвечают за содержание красного, зеленого и синего цветов соответственно. 

Для них требуются дополнительные оптические фильтры, которые, к сожалению, приводят к существенному снижению светопропускания.  Как правило, только несколько процентов генерируемого света может быть передано через такой дисплей даже для полностью белого изображения. 

Улучшение светопропускания имеет большое значение, особенно для мобильных устройств, где энергопотребление освещения является критическим параметром.

Работа без подсветки обычно невозможна для цветных дисплеев.

Типы дисплея ЖК

Жидкокристаллические дисплеи могут быть реализованы с использованием различных технологий панелей. Наиболее важные из них объясняются ниже.

Панели TN

TN означает «скрученный нематик» (Twisted Nematic), старое название «LCD».

Здесь используется жидкокристаллический материал нематического типа, который скручивается в состоянии нулевого напряжения. Поскольку он помещен между двумя стеклянными пластинами, которые покрыты полиимидным покрытием, что приводит к предпочтительной ориентации молекул жидкого кристалла. Ориентации двух стеклянных пластин взаимно перпендикулярны. 

Поляризация падающего света изначально выравнивается с молекулами и “перетаскивается” в соответствии с ориентацией непрерывно вращающихся молекул. Поэтому свет может в основном проходить через скрещенные поляризаторы, и дисплей может выглядеть светло-серым (или, возможно, иметь какой-то другой цвет, в зависимости от подсветки). 

Потенциальным недостатком является то, что оптимальная контрастность дисплея и цветопередача достигаются только для довольно ограниченного диапазона направлений просмотра.

Панели TN очень распространены для широкого спектра дисплеев, включая многие компьютерные экраны и телевизоры. 

Затем вращение поляризации можно подавить, подав напряжение на прозрачные электроды, выполненные на двух стеклянных пластинах, которые притягивают молекулы к состоянию, в котором они в основном ориентированы перпендикулярно стеклянным поверхностям. 

IPS-панели: переключение в плоскости

Модифицированный тип панели основан на коммутации в плоскости (IPS). Здесь электроды не просто прикладываются к противоположным стеклянным пластинам. Вместо этого используются структурированные электроды только на одной стеклянной пластине, так что могут создаваться электрические поля, которые более или менее вдоль поверхности стекла, а не перпендикулярны ей. 

Как правило, жидкокристаллическая ячейка по-прежнему имеет скрученный нематический тип. Отличается только способ, которым приложенное электрическое поле разрушает скрученную конфигурацию. 

Кроме того, можно использовать поляризаторы, ориентированные в одном направлении, а не скрещенные поляризаторы. 

В этом случае пропускание изначально очень низкое и уменьшается с приложением электрического поля.

Существуют различные модифицированные типы IPS-панелей для оптимизации различных свойств, таких как степень пропускания света и диапазон углов обзора. Наиболее важным преимуществом IPS-модуляторов перед TN-модуляторами является то, что высокая контрастность изображения может быть достигнута в существенно более широком диапазоне направлений просмотра.

Панели VA

Существуют панели с жидкокристаллическими материалами, где молекулы естественным образом выстраиваются в направлении, перпендикулярном стеклянной подложке (VA = вертикальное выравнивание). 

В состоянии нулевого напряжения нет преломления, а скрещенные поляризаторы приводят к темному экрану. 

Затем можно также применить переключение в плоскости, чтобы перевести молекулы в наклонное положение, где создается двойное лучепреломление и увеличивается пропускание через выходной поляризатор.

Такие панели могут обеспечить улучшенную контрастность изображения в сочетании с широкими углами обзора и снизить температурную чувствительность.

Модифицированные конструкции

Различные производители разработали модифицированные конструкции панелей, которые могут быть вариантами панелей TN или IPS или других конструкций. Обычно они обеспечивают улучшенные характеристики в некоторых отношениях – например, контрастность изображения, скорость отклика или угол обзора, – но имеют недостатки в других аспектах. 

Поэтому выбор панели обычно зависит от компромисса между различными аспектами, который зависит от конкретного применения. 

Стоимость панелей и сопутствующего оборудования также может отличаться в зависимости от этих технологий.

Существует также технология жидких кристаллов на кремнии (LCO). Здесь, как правило, довольно небольшая двумерная матрица жидкокристаллических модуляторов изготавливается на кремниевой объединительной плате, которая в дополнение к модуляторам содержит КМОП-электронику для управления пикселями. 

Между электроникой и жидкокристаллическими модуляторами имеется отражающий слой. Такие устройства необходимо использовать для отражения. 

Они подходят для проекционных дисплеев, где площадь проецируемого изображения обычно намного больше активной площади чипа. 

Технические характеристики ЖК дисплеев

Разрешение изображения

Для данного формата изображения это определяется количеством пикселей – например, 1024 × 768 пикселей, 1920 × 1080 (разрешение Full HD), 3840 × 2160 (монитор 4K) или 4096 × 2160 (кинотеатр 4K). 

Расстояние между точками обычно определяется в точках на дюйм (dpi) – например, для компьютерных экранов это обычно порядка 100 точек на дюйм, но в некоторых случаях намного выше. 

100 точек на дюйм подразумевает расстояние между точками 25,4 мм / 100 = 0,254 мм.  Размер фактически светоизлучающих точек может быть меньше, особенно для цветных дисплеев, содержащих красные, зеленые и синие излучающие элементы.

В то время как дисплеи с большим количеством пикселей (более 1000 в одном направлении) были очень дорогими в ранние времена, они стали намного более доступными. Даже такие маленькие дисплеи, как для смартфонов, теперь могут быть сделаны с очень высоким разрешением, то есть с очень маленькими пикселями.

Максимальная пропускная способность и яркость изображения

Максимальная пропускная способность модуляторов важна для достижения высокой яркости изображения при ограниченной мощности освещения. Зависит от общей оптической мощности подсветки и от эффективности сбора света. 

Светодиоды значительно более эффективны, чем люминесцентные лампы, в основном не из-за эффективности генерации света, а из-за более направленного излучения, что способствует эффективному сбору света.  

Тем не менее, типичная максимальная пропускная способность цветного дисплея, даже при использовании светодиодной подсветки, составляет всего несколько процентов даже для белого изображения.

Контрастность изображения

Модуляторы имеют ограниченный контраст, поэтому невозможно получить абсолютно черные части изображения. Различные технологии панелей могут существенно отличаться по контрастности. Некоторые из них используют локально приглушенную подсветку для существенного улучшения контрастности, что может в то же время снизить энергопотребление.

Однородность подсветки

В идеале подсветка реализована таким образом, чтобы экран освещался очень равномерно. Однако на практике могут наблюдаться значительные колебания яркости по площади экрана, особенно в дешевых больших дисплеях.

Угол обзора

Оптимальное качество изображения обычно достигается для направления просмотра, которое примерно перпендикулярно поверхности экрана. При просмотре со стороны качество изображения обычно рано или поздно ухудшается – с потерей контраста и / или отклонениями в цвете. 

Типичные экраны с TN-панелью имеют довольно ограниченный угол обзора, что особенно проблематично, когда перед экраном сидит несколько человек. 

Панели IPS и VA могут предлагать гораздо более широкие углы обзора.

Скорость обновления (частота кадров)

Скорость переключения ограничена временем, необходимым молекулам жидкого кристалла для изменения их ориентации. Такие процессы относительно медленные, обычно требующие нескольких миллисекунд. Для большинства целей, например, для компьютерных экранов, они достаточно быстры. 

Типичная частота кадров (= скорость обновления изображения) на экране компьютера, например, составляет 50 Гц или 60 Гц. 

Для некоторых приложений предпочтительнее более высокая частота кадров, например 100 Гц, но это окажет сильное влияние, только если доступен видеосигнал с такой частотой. 

Также обратите внимание, что сочетание высокого разрешения изображения и высокой частоты кадров может привести к очень высоким скоростям передачи данных, которые могут передаваться только с помощью самых современных цифровых интерфейсов.

Для некоторых конкретных применений, например игровых мониторов, необходимо оптимизировать скорость. Достигается путем реализации довольно тонких жидкокристаллических ячеек, использования материалов с низкой вязкостью или подачи сигналов перегрузки.

Цветопередача

Для цветопередачи важны спектральные свойства подсветки и используемые фильтры. В частности, при использовании широкополосного источника света часто существует компромисс между цветопередачей и эффективностью дисплея, что влияет на максимальную яркость изображения и энергопотребление. 

Поэтому ЖК-дисплеи обычно уступают OLED-дисплеям, например, с точки зрения цветопередачи. 

Однако доступны панели с довольно хорошей цветопередачей и более низкой энергоэффективностью.

Обратите внимание, что широкая цветовая гамма сама по себе вовсе не гарантирует реалистичную цветопередачу. Для этого экран также должен быть правильно настроен. 

Для приложений, критичных к цветопередаче, необходимо откалибровать экраны с помощью специальных измерительных устройств; затем значения интенсивности RGB корректируются для получения оптимально реалистичных цветовых впечатлений. 

Базовая технология, включающая такие концепции, как цветовые профили, к сожалению, нелегка для понимания и правильного применения.

Потребляемая мощность

Специфическим преимуществом жидкокристаллических модуляторов является их довольно низкое энергопотребление. 

Однако в активных дисплеях энергопотребление зависит от подсветки, и это зависит от максимальной передачи модуляторов. 

Несмотря на обычно довольно низкую эффективность передачи света, энергопотребление обычного ЖК-дисплея в несколько раз ниже, чем у аналогичного большого ЭЛТ-дисплея.

Для компьютерных экранов, используемых в офисах, большие дисплеи могут даже повысить энергоэффективность, если они могут существенно повысить производительность, например, за счет одновременного отображения нескольких важных документов. 

Это сокращает количество рабочего времени для выполнения заданной задачи и, следовательно, время работы не только монитора, но и компьютера, освещения помещения, отопления и т. д.

Дополнительные аспекты

В зависимости от применения могут иметь значение различные дополнительные аспекты. 

Например, некоторые ЖК-дисплеи демонстрируют значительные искажения изображения при прикосновении. Этого следует избегать, особенно для дисплеев с сенсорным экраном. 

Задержка ввода, то есть определенная задержка между видеосигналом и фактически отображаемыми изображениями, может повлиять на синхронизацию изображений и звука. 

Кроме того, температурный диапазон, в котором дисплей может нормально работать, например, без потери контрастности и яркости, более или менее ограничен, в зависимости от технологии панели. 

Ограниченный срок службы также может представлять интерес.

Другим важным аспектом для дисплеев является количество дефектных пикселей (битых пикселей); часто допускается некоторое ограниченное количество дефектных пикселей, по крайней мере, в более дешевых дисплеях. 

Технологии отображения, включающие сложные и деликатные этапы обработки для достижения высокой производительности, могут приводить к более высокому проценту дефектных пикселей. 

Обратите внимание, что существует стандарт ISO, касающийся количества разрешенных битых пикселей в определенных категориях дисплеев, который, однако, не полностью соблюдается всеми производителями ЖК-дисплеев. 

Некоторые производители дают гарантию на пиксель с нулевым дефектом.

Сравнение с другими технологиями

Светодиоды, включая OLED

Существуют дисплеи, в которых светоизлучающие диоды

 (светодиоды) используются не только в качестве подсветки для ЖК-дисплея, но и для непосредственного генерирования информации об изображении. 

Здесь на каждый цвет (например, красный, зеленый синий) и пиксель приходится по одному светодиоду. 

Эта технология может быть реализована, например, с обычными светодиодами для довольно больших наружных дисплеев или с микро-светодиодами, часто выполненными в виде органических светодиодов (OLED).

OLED-дисплеи могут работать с меньшим энергопотреблением, поскольку можно использовать больше генерируемого света. Это особенно актуально для портативных устройств, которые должны питаться от батарей.

Кроме того, OLED-дисплеи обычно обеспечивают лучшую цветопередачу, хотя существенные улучшения в этом отношении были достигнуты и с ЖК-дисплеями. 

Кроме того, они могут работать с гораздо более высокой скоростью, предлагать более широкий диапазон углов обзора и могут быть сделаны тоньше и менее тяжелыми.

Недостатками OLED-дисплеев являются их значительно более высокая стоимость изготовления (особенно для больших размеров) и ограниченный срок службы. 

Яркость отдельных пикселей относительно быстро ухудшается во время работы из-за старения люминофоров, и это в разной степени для разных цветов. Связанной с этим проблемой является тенденция к выгоранию изображения, если фиксированное изображение отображается в течение более длительного времени.

Цифровые микро зеркальные устройства

Проекционные дисплеи также могут быть изготовлены с помощью цифровых микро зеркальных устройств (DMD). 

Такое устройство может содержать сотни тысяч микро зеркал, которые можно приводить в действие по отдельности, то есть поворачивать на некоторый угол порядка 10 °. 

Три таких микро зеркальных устройства могут быть использованы для реализации цветных дисплеев. DMD-дисплеи имеют гораздо более ограниченное разрешение по сравнению с ЖК-дисплеями.  Кроме того, обычно предпочтительнее реализовать цветной дисплей с одним чипом.  С другой стороны, более высокая эффективность использования света может быть существенным преимуществом.