STN, DSTN, TFT, s-tft

STN - это сокращение, означающее "Super Twisted Nematic".Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.
Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки -- их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало [см. рис. 2.5], поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (т.е. при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° [см рис. 2.6], и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Функциональные возможности LCD мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые "Thin Film Transistor" (или просто TFT).
Thin Film Transistor (TFT), т.е. тонкопленочный транзистор - это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1 - 0,01 микрона.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972г., использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в SVGA режиме и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD дисплее. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов [см. рис. 2.7]. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).

TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых - пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.

Совсем недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана [см. рис. 2.8]. Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ-экране.

Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения ее LCD дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на мм² или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) позволяет строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии "color filter on TFT" светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

На прошедшей в 1999 году в США конференции "Society for information Display" было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес - всего 10 грамм.

Инженеры из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды - двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.

Группа специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются при высокой температуре, что исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется органическое вещество под названием пентацен (pentacene), представляющее собой соединение фенилэтиламмония с иодидом олова.

Для повышения разрешения LCD-экранов компания Displaytech предложила не создавать изображение на поверхности большого LCD-экрана, а вывести картинку на маленький дисплей высокого разрешения, а затем с помощью оптической проекционной системы увеличить ее до нужных размеров. При этом Displaytech использовала оригинальную технологию Ferroelectric LCD (FLCD). Она основана на так называемых кирально-смектических жидких кристаллах, предложенных для использования еще в 1980 г. Слой материала, обладающего ферроэлектрическими свойствами и способного отражать поляризованный свет с вращением плоскости поляризации, наносится на подающую управляющие сигналы CMOS-подложку. При прохождении отраженного светового потока через второй поляризатор возникает картинка из темных и светлых пикселов. Цветное изображение получается за счет быстрого чередования освещения матрицы красным, зеленым и синим светом.. На базе FLCD-матриц можно производить экраны большого размера с высокой контрастностью и качеством цветопередачи, с широкими углами обзора и малым временем отклика. В 1999 году альянс корпораций Hewlett-Packard и DisplayTech объявил о создании полноцветного микродисплея на базе технологии FLCD. Разрешение матрицы составляет 320х240 точек. Отличительными особенностями устройства являются малое энергопотребление и возможность воспроизведения полноцветного “живого” видео. Новый дисплей предназначен для использования в цифровых камерах, камкодерах, портативных коммуникаторах и мониторах для надеваемых компьютеров.

Развитием низкотемпературной технологии с использованием поликристаллического кремния LTPS занимается Toshiba. По словам представителей этой корпорации, они позиционируют новые устройства пока только как предназначенные для рынка мобильных устройств, не включая сюда ноутбуки, где господствует технология a-Si TFT. Уже выпускаются VGA-дисплеи размером 4 дюйма, а на подходе 5,8-дюймовые матрицы. Специалисты полагают, что 2 млн. пикселов на экране — это далеко не предел. Одной из отличительных черт данной технологии является высокая разрешающая способность.

По оценкам экспертов корпорации DisplaySearch, занимающейся исследованиями рынка плоских дисплеев, в настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) и особенно на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). В ближайшие 5—7 лет во многих областях применения обычные LCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:

• микродисплеи;
• светоизлучающие дисплеи на базе органических материалов LEP;
• дисплеи на базе автоэлектронной эмиссии FED (Field Emisson Display);
• дисплеи с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature PolySilicon);
• плазменные дисплеи PDP (Plasma Display Panel).

LCD

Мониторы на ЖК панелях появились относительно недавно. Первоначально они использовались только в портативных компьютерах (ноутбуках), но в последнее время, с совершенствованием технологии, стали применяться и в настольных компьютерах.

Основной принцип, используемый в ЖК мониторах, — поляризация света. Существует множество материалов, пропускающих свет только с определенной поляризацией. Скажем, пропускается свет с вертикальной поляризацией, а вот с горизонтальной полностью задерживается. При промежуточных значениях поляризации свет задерживается только частично.

Таким образом, хотя человеческий глаз не способен отличать состояние поляризации, но, управляя ею, можно обеспечивать формирование элементов изображения. На данный момент роль управляющих элементов лучше всего выполняют жидкие кристаллы. При приложении к ним электрического поля они способны изменять свою ориентацию в пространстве, заодно изменяя и угол поляризации проходящего через них света.

Основная проблема, с которой столкнулись разработчики, заключается в адресации пикселей: как изменить ориентацию жидких кристаллов только напротив нужных пикселей, не затрагивая соседние. Окончательно эта проблема была решена лишь с появлением тонкопленочных транзисторов (TFT — Thin Film Transistors) и созданных на их основе активных матриц (панелей). Поэтому не удивляйтесь, если вместо привычного обозначения „LCD-монитор” вы встретите „TFT-монитор”: на данном этапе развития технологии это синонимы.

Всего несколько лет назад в ЖК мониторах использовалась технология пассивной матрицы (панели). Таким мониторам свойственны мерцание изображения, невысокие яркость и контрастность, очень большая инерционность изображения, паразитные артефакты вокруг элементов изображения и другие недостатки. Единственная область, где применялись ЖК панели на пассивной матрице, — портативные компьютеры, так как им просто не было достойной альтернативы. В настоящий же момент эта технология (включая и усовершенствованный вариант — пассивную матрицу с двойным сканированием) полностью устарела и больше не используется.

Современный ЖК монитор с активной матрицей представляет собой многослойный „сэндвич” (рис. 5). Световой поток от ламп подсветки проходит через рассеиватель, призванный обеспечить равномерную засветку всего экрана. Далее, проходя через первый поляризационный фильтр, свет приобретает определенную поляризацию.

Минуя стеклянную подложку с нанесенными на нее прозрачными электродами и схемами управления (горизонтальные и вертикальные линии данных, тонкопленочные транзисторы, управляющие напряжением на прозрачном электроде, и конденсаторы, помогающие сохранить установленный тонкопленочным транзистором заряд прозрачного электрода), свет проходит через слой жидких кристаллов. Далее следует общий прозрачный электрод.

В зависимости от того, какое напряжение приложено между двумя прозрачными электродами (общим и управляемым), жидкие кристаллы изменяют поляризацию света на определенный угол (чем больше напряжение, тем меньше угол). Соответственно, второй поляризационный фильтр, следующий за общим прозрачным электродом, пропустит только часть света, формируя изображение пиксела (по размерам совпадающего с прозрачным электродом) той или иной яркости.

Рис. 5

Для того чтобы получить цветное изображение, между общим прозрачным электродом и вторым поляризационным фильтром помещают цветные светофильтры трех основных цветов. В этом случае один пиксел цветного изображения формируется с помощью трех управляемых электродов, расположенных рядом.

Рассмотрим более подробно, как происходит изменение поляризации света. Жидкие кристаллы имеют ярко выраженную продолговатую форму (именно за счет нее они могут изменять поляризацию света) и при отсутствии внешних воздействий „стараются” выстроиться рядами. Если на электрод нанести параллельные бороздки, то, попадая в них, близлежащий слой жидких кристаллов будет вынужден придерживаться заданной ориентации. Вслед за ним ориентацию изменят и все остальные слои жидких кристаллов.

Более интересная ситуация наблюдается, если бороздки на общем и управляемом электродах расположены перпендикулярно. Жидкие кристаллы из близлежащих к электродам слоев примут перпендикулярную друг другу ориентацию, а остальные кристаллы, расположенные в толще, будут постепенно изменять угол своей ориентации, образуя своеобразную спираль.

Таким образом, при отсутствии управляющих напряжений слой жидких кристаллов изменит поляризацию света на 90°. Расположив поляризационные фильтры под углом 90° друг к другу, можно обеспечить прохождение света при отсутствии внешних электрических воздействий на электроды (свечение пиксела). Если же приложить определенное напряжение к электродам, то ориентация кристаллов изменится: они выстроятся рядами.

При этом свет будет проходить через слой жидких кристаллов, сохраняя начальную поляризацию, и, как следствие, будет полностью задержан вторым поляризационным фильтром (пиксел не светится). При меньших значениях напряжения будет устанавливаться промежуточное состояние: поляризация будет изменяться на угол, больший 0, но меньший 90°. Соответственно, чем большее напряжение приложено к электродам, тем меньше изменение угла поляризации и тем больше света задерживается вторым поляризационным фильтром (промежуточные значения яркости пикселов).

Приведенная здесь схема работы активной матрицы носит несколько обобщенный характер. Различные производители, дабы улучшить характеристики мониторов, используют свои ноу-хау. Впрочем, суть от этого не меняется.

Как уже говорилось, у LCD-мониторов полностью отсутствует вредное рентгеновское излучение, а уровень электромагнитного на несколько порядков ниже, чем у CRT-мониторов. Поскольку каждый пиксел изображения светится постоянно, отсутствует какое бы то ни было мерцание изображения. Поэтому для комфортной работы за LCD-монитором требуется гораздо более низкая частота кадровой развертки — всего 65 Гц (а частота 75 Гц более чем достаточна).

Но помимо достоинств у LCD-мониторов есть несколько недостатков:

• Во-первых, это ограниченный угол обзора. При взгляде на ЖК панель под большим углом заметен значительный сдвиг (искажение) цветов. У современных моделей LCD-мониторов угол обзора составляет 120…160°.
• Во-вторых, ЖК панель обеспечивает худшую цветопередачу и меньший контраст изображения. По этим параметрам ЖК панели все еще отстают от обычных CRT-мониторов, хотя уже и не столь значительно.
• В-третьих, ЖК панель, как и все цифровые устройства, имеет собственное разрешение. При выводе изображения с разрешением, соответствующим собственному, оно обладает великолепной четкостью. Но, как только разрешение изменяется, одновременно падает четкость (приходится интерполировать картинку, чтобы она занимала весь экран).
• И самый главный на сегодня недостаток LCD-мониторов — это, как уже указывалось, высокая цена.

Падение четкости при интерполяции картинки заметно только при работе с программами и просмотре графики. Просмотр видеофильмов, статических реалистичных изображений (например, фотографий) с разрешениями, отличными от собственного, не вызывает заметного падения качества изображения.

Телевизоров на основе жидких кристаллов быстро вытесняют основных конкурентов на рынке. Из этой статьи Вы узнает подробнее о том, как работают такие телевизоры.

Впервые продажи LCD телевизоров превысили продажи обычных моделей, основанных на CRT (электронно-лучевой трубке) в 2007 году. Жидкокристаллический дисплей (LCD) основан на свойствах жидких кристаллов, подсветке и технологии использования тонкопленочных транзисторов (TFT). Эти жидкие кристаллы разбиты на мелкие частицы, так называемые пиксели, которые являются наименьшей единицей разрешение экрана. ЖК-технологии развиваются на протяжении уже многих лет и в итоге дошли до того, что мы видим сейчас.

Дата добавления: 2017-01-14