Schemat struktury wyświetlacza ciekłokrystalicznego

Każdy piksel wyświetlacza ciekłokrystalicznego składa się z następujących części: warstwy cząsteczek ciekłokrystalicznych zawieszonych między dwiema przezroczystymi elektrodami (tlenek indowo-cynowy) oraz dwóch filtrów polaryzacyjnych, których kierunki polaryzacji są prostopadłe do siebie po zewnętrznych stronach obu stron .Bez ciekłego kryształu pomiędzy elektrodami światło przechodzące przez jeden z filtrów polaryzacyjnych byłoby spolaryzowane dokładnie prostopadle do drugiego polaryzatora, a zatem byłoby całkowicie zablokowane.Ale jeśli kierunek polaryzacji światła przechodzącego przez jeden filtr polaryzacyjny zostanie obrócony przez ciekły kryształ, wówczas może przejść przez drugi filtr polaryzacyjny.Obrót ciekłego kryształu w kierunku polaryzacji światła może być kontrolowany przez pole elektrostatyczne, realizując w ten sposób kontrolę światła.

Zewnętrzne pole elektryczne łatwo oddziałuje na cząsteczki ciekłokrystaliczne, generując ładunki indukowane.Niewielka ilość ładunku jest dodawana do przezroczystej elektrody każdego piksela lub subpiksela w celu wygenerowania pola elektrostatycznego, a cząsteczki ciekłego kryształu zostaną wywołane przez pole elektrostatyczne, aby wywołać ładunek elektryczny i wygenerować skręcanie elektrostatyczne, które będzie zmienić pierwotny układ rotacyjny cząsteczek ciekłokrystalicznych.Wielkość obrotu przez światło.Zmień kąt, aby mógł przejść przez filtr polaryzacyjny.

Zanim ładunek zostanie przyłożony do przezroczystej elektrody, wyrównanie cząsteczek ciekłokrystalicznych jest określone przez wyrównanie powierzchni elektrody, a chemiczna powierzchnia elektrody działa jak zarodek dla kryształu.W najpowszechniejszym ciekłym krysztale TN, górna i dolna elektroda ciekłego kryształu są ułożone pionowo.Cząsteczki ciekłokrystaliczne są ułożone spiralnie, a światło przechodzące przez jeden filtr polaryzacyjny po przejściu przez chip ciekłokrystaliczny obraca się w kierunku polaryzacji, tak aby mogło przejść przez drugą płytkę polaryzacyjną.Niewielka część światła jest blokowana przez polaryzator podczas tego procesu i wydaje się szara z zewnątrz.Po przyłożeniu ładunku do przezroczystej elektrody cząsteczki ciekłokrystaliczne zostaną prawie całkowicie ustawione równolegle do kierunku pola elektrycznego, więc kierunek polaryzacji światła przechodzącego przez filtr polaryzacyjny nie jest obrócony, więc światło jest całkowicie zablokowany.W tym momencie piksel wygląda na czarny.Kontrolując napięcie, można kontrolować stopień zniekształcenia układu cząsteczek ciekłokrystalicznych, aby uzyskać różne odcienie szarości.

Niektóre wyświetlacze ciekłokrystaliczne stają się czarne pod wpływem prądu przemiennego.Prąd przemienny niszczy spiralny efekt ciekłego kryształu.Po wyłączeniu prądu wyświetlacz ciekłokrystaliczny stanie się jaśniejszy lub przezroczysty.Ten typ wyświetlacza ciekłokrystalicznego jest powszechnie stosowany w komputerach przenośnych i tanich wyświetlaczach ciekłokrystalicznych.Innym rodzajem wyświetlacza ciekłokrystalicznego, który jest często używany w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych o wysokiej rozdzielczości lub telewizorach ciekłokrystalicznych na dużą skalę, jest to, że po wyłączeniu zasilania wyświetlacz ciekłokrystaliczny jest nieprzezroczysty.

W celu oszczędzania energii wyświetlacz ciekłokrystaliczny przyjmuje metodę multipleksowania.W trybie multipleksowania elektrody na jednym końcu są połączone ze sobą w grupach, a każda grupa elektrod jest podłączona do zasilacza, a elektrody na drugim końcu są również połączone w grupy, a każda grupa jest podłączona do zasilacza .Z jednej strony konstrukcja grupowania zapewnia, że ​​każdy piksel jest kontrolowany przez niezależny zasilacz, a urządzenie elektroniczne lub oprogramowanie sterujące urządzeniem elektronicznym steruje wyświetlaniem piksela poprzez sterowanie sekwencją włączania/wyłączania zasilania.

Metryki weryfikacji monitorów LCD obejmują następujące ważne aspekty: rozmiar wyświetlacza, czas reakcji (szybkość synchronizacji), typ tablicy (aktywny i pasywny), kąt widzenia, obsługiwane kolory, jasność i kontrast, rozdzielczość i proporcje oraz interfejsy wejściowe (takie jak interfejsy wizyjne i macierze wideo).

Krótka historia

W 1888 roku austriacki chemik Friedrich Leinitzer odkrył ciekłe kryształy i ich szczególne właściwości fizyczne.

Pierwszy działający wyświetlacz ciekłokrystaliczny oparty był na trybie dynamicznego rozpraszania (DSM), który został opracowany przez grupę kierowaną przez George'a Hellmana z Radio Corporation of America.Hellmann założył Optech, firmę, która opracowała serię wyświetlaczy ciekłokrystalicznych opartych na tej technologii.

W grudniu 1970 roku spin-nematyczny efekt pola ciekłych kryształów został zarejestrowany jako patent w Szwajcarii przez Zandera i Helfricha w Centralnym Laboratorium Hoffmann-Leroc.Ale w 1969 roku wcześniej James Ferguson odkrył efekt pola spin-nematycznego ciekłych kryształów na Kent State University w Ohio, USA i zarejestrował ten sam patent w Stanach Zjednoczonych w lutym 1971. W 1971 ILIXCO wyprodukował pierwszy ciekły kryształ wyświetlacz oparty na tej charakterystyce, który zastąpił uboższy wyświetlacz ciekłokrystaliczny typu DSM.Dopiero po 1985 roku odkrycie miało wartość handlową.W 1973 r. japońska korporacja Sharp wykorzystała go po raz pierwszy do produkcji cyfrowych wyświetlaczy kalkulatorów elektronicznych.W 2010 roku monitory LCD stały się podstawowym urządzeniem wyświetlającym dla wszystkich komputerów.

Zasada wyświetlania

System informacji w pojeździe dla samochodów

Ekran informacji o działaniu linii JR East Yamanote

W przypadku braku napięcia światło będzie podróżować wzdłuż szczeliny cząsteczek ciekłokrystalicznych i obrócić się o 90 stopni, aby światło mogło przejść.Ale po dodaniu napięcia światło idzie prosto wzdłuż szczeliny cząsteczek ciekłokrystalicznych, więc światło jest blokowane przez płytkę filtrującą.

Ciekły kryształ jest substancją o właściwościach płynięcia, więc tylko bardzo mała siła może być przyłożona do poruszania cząsteczek ciekłokrystalicznych.Biorąc za przykład najpowszechniejszy nematyczny ciekły kryształ, molekuły ciekłokrystaliczne mogą łatwo obracać molekuły ciekłokrystaliczne pod wpływem pola elektrycznego.Oś optyczna ciekłego kryształu jest dość zgodna z jego osią molekularną, dzięki czemu może dawać efekty optyczne.Kiedy pole elektryczne przyłożone do ciekłego kryształu zostanie usunięte i zniknie, ciekły kryształ użyje swojej własnej elastyczności i lepkości, aby bardzo szybko przywrócić cząsteczki ciekłokrystaliczne.Stan przed przyłożeniem pola elektrycznego.

Wyświetlacze transmisyjne i odblaskowe

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne mogą być przepuszczalne lub odbijające, w zależności od miejsca umieszczenia źródła światła.

Transmisyjne wyświetlacze LCD są oświetlane przez źródło światła znajdujące się za jednym ekranem, podczas gdy oglądanie odbywa się po drugiej stronie (przód) ekranu.Ten typ wyświetlacza LCD jest najczęściej używany w aplikacjach wymagających wyświetlaczy o wysokiej jasności, takich jak monitory komputerowe, urządzenia PDA i telefony komórkowe.Pobór mocy urządzeń oświetleniowych używanych do oświetlania wyświetlacza ciekłokrystalicznego jest zwykle wyższy niż samego wyświetlacza ciekłokrystalicznego.

Odblaskowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne, powszechnie spotykane w zegarach elektronicznych i kalkulatorach, (czasami) odbijają światło zewnętrzne, aby oświetlić ekran przez rozproszoną powierzchnię odbijającą z tyłu.Ten typ LCD ma wyższy współczynnik kontrastu, ponieważ światło dwukrotnie przechodzi przez ciekły kryształ, więc jest dwukrotnie cięte.Nieużywanie urządzeń oświetleniowych znacznie zmniejsza zużycie energii, dzięki czemu urządzenia korzystające z baterii będą dłużej działać na bateriach.Ponieważ małe odblaskowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne zużywają tak mało energii, że do ich zasilania wystarczy ogniwo fotowoltaiczne, często stosuje się je w kalkulatorach kieszonkowych.

Transfleksyjne wyświetlacze ciekłokrystaliczne mogą być używane zarówno jako typy transmisyjne, jak i odblaskowe.Gdy światło zewnętrzne jest wystarczające, wyświetlacz ciekłokrystaliczny działa jako typ odblaskowy, a gdy światło zewnętrzne jest niewystarczające, może być również używany jako typ przepuszczalny.

kolorowy wyświetlacz

Subpikselowa struktura kolorowego wyświetlacza ciekłokrystalicznego

Zoom pikseli na wyświetlaczu LCD

Technologia LCD zmienia również jasność w zależności od wielkości napięcia, a kolor wyświetlany przez każdy element obrazu częściowego wyświetlacza LCD zależy od procesu rastrowania kolorów.Ponieważ sam ciekły kryształ nie ma koloru, filtry kolorów są używane do generowania różnych kolorów zamiast elementów podobrazu.Elementy obrazu podrzędnego mogą jedynie dostosowywać skalę szarości, kontrolując intensywność przechodzącego światła.Tylko kilka aktywnych wyświetlaczy matrycowych wykorzystuje sterowanie sygnałem analogowym, a większość technologii sterowania sygnałem cyfrowym jest używana.Większość sterowanych cyfrowo wyświetlaczy LCD korzysta z ośmiobitowego kontrolera, który może generować 256 odcieni szarości.Każdy element podrzędny może reprezentować 256 poziomów, więc możesz uzyskać 2563 kolory, a każdy element może reprezentować 16 777 216 kolorów.Ponieważ percepcja jasności przez ludzkie oko nie zmienia się liniowo, a ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na zmiany niskiej jasności, ta 24-bitowa chromatyczność nie może w pełni spełnić idealnych wymagań.Inżynierowie stosują metodę regulacji napięcia impulsu, aby zmiany koloru wyglądały bardziej jednolicie.

Na kolorowym wyświetlaczu LCD każdy piksel jest podzielony na trzy komórki lub subpiksele z dodatkowymi filtrami oznaczającymi kolor czerwony, zielony i niebieski.Trzy subpiksele mogą być kontrolowane niezależnie, a odpowiadające im piksele mogą generować tysiące, a nawet miliony kolorów.Starsze monitory CRT wyświetlają kolory w ten sam sposób.W razie potrzeby składniki koloru są ułożone według różnych geometrii pikseli.

Tablice aktywne i pasywne

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne, które są powszechnie stosowane w zegarkach elektronicznych i komputerach kieszonkowych, składają się z niewielkiej liczby segmentów, a każdy segment ma pojedynczy styk elektrodowy.Zewnętrzny dedykowany obwód dostarcza ładunek elektryczny do każdej jednostki sterującej, a ta struktura wyświetlacza może być nieporęczna, gdy jest wiele jednostek wyświetlających (np. wyświetlacze płynne).Małe wyświetlacze monochromatyczne, takie jak pasywne wyświetlacze ciekłokrystaliczne w urządzeniach PDA lub starsze wyświetlacze komputerów przenośnych, które wykorzystują technologię Super Twisted Nematic (STN) lub Dual Layer Super Twisted Nematic (DSTN) (DSTN koryguje odchylenie kolorów STN).

Każdy wiersz lub kolumna na wyświetlaczu ma niezależny obwód, a położenie każdego piksela jest również określone jednocześnie przez wiersz i kolumnę.Ten typ wyświetlacza nazywany jest „tablicą pasywną”, ponieważ każdy piksel należy również zapamiętać przed aktualizacją.W ich odpowiednich stanach nie ma obecnie stabilnego dostarczania ładunku na piksel.Wraz ze wzrostem liczby pikseli rośnie względna liczba wierszy i kolumn.Ta metoda wyświetlania staje się trudniejsza w użyciu.Wyświetlacze ciekłokrystaliczne wykonane z matryc pasywnych charakteryzują się bardzo długimi czasami reakcji i niskimi współczynnikami kontrastu.

Obecne kolorowe wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości, takie jak monitory komputerowe lub telewizory, są aktywnymi macierzami.Do polaryzatorów i kolorowych filtrów dodawane są cienkowarstwowe tranzystorowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne.Każdy piksel ma swój własny tranzystor, co pozwala na manipulację pojedynczym pikselem.Gdy linia kolumny jest włączona, wszystkie linie wierszy zostaną połączone z całą kolumną (Rząd) pikseli, a każda linia wiersza będzie zasilana odpowiednim napięciem, ta linia kolumny zostanie wyłączona, a druga kolumna (Row) zostanie włączony.W operacji pełnej aktualizacji ekranu wszystkie wiersze kolumn zostaną otwarte w seriach czasowych.Wyświetlacz z tablicą aktywną o tym samym rozmiarze będzie jaśniejszy i ostrzejszy niż wyświetlacz z tablicą pasywną i ma krótszy czas reakcji.

kontrola jakości

Niektóre panele LCD zawierają uszkodzone tranzystory, które powodują trwałe jasne i ciemne plamy.W przeciwieństwie do IC, panel LCD może nadal wyświetlać normalnie, nawet jeśli są martwe piksele, co pozwala uniknąć strat związanych z wyrzucaniem panelu LCD, który jest znacznie większy niż obszar IC z powodu tylko kilku martwych pikseli.Producenci paneli stosują różne kryteria określania martwych pikseli.

Ze względu na większy rozmiar panele LCD są bardziej podatne na defekty niż płytki z obwodami scalonymi.Na przykład 12-calowy monitor LCD SVGA ma 8 martwych pikseli, podczas gdy 6-calowy wafel ma tylko 3 wady.Jednak 3 skrawki na wafelku, który można podzielić na 137 układów scalonych, nie są złe, a wyrzucenie tego panelu LCD oznacza 0% mocy wyjściowej.Ze względu na ostrą konkurencję wśród producentów podniesiono dotychczasowy standard kontroli jakości.Jeśli ekran LCD ma cztery lub więcej martwych pikseli, łatwiej jest go wykryć, więc klienci mogą poprosić o nowy.Położenie martwych pikseli ekranu LCD również nie jest bez znaczenia.Producenci często obniżają standardy, niszcząc piksele w środkowej części wyświetlacza.Niektórzy producenci oferują gwarancję zerowego martwego piksela.

pobór energii

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne z matrycą aktywną mają mniejszą moc elektryczną niż monitory CRT.W rzeczywistości stał się standardowym wyświetlaczem dla urządzeń przenośnych, od palmtopów po notebooki.Ale wydajność technologii LCD jest nadal zbyt niska: nawet jeśli wyświetlasz wyświetlacz na biało, mniej niż 10% światła emitowanego ze źródła światła tła przechodzi przez wyświetlacz, a reszta jest pochłaniana.Dlatego obecny pobór mocy nowego wyświetlacza plazmowego jest niższy niż wyświetlacza ciekłokrystalicznego o tym samym obszarze.

Urządzenia PDA, takie jak Palm i CompaqiPAQ, często wykorzystują wyświetlacze odblaskowe.Oznacza to, że światło otoczenia dostaje się do wyświetlacza, przechodzi przez spolaryzowaną warstwę ciekłokrystaliczną, uderza w warstwę odblaskową i jest odbijane z powrotem w celu wyświetlenia obrazu.Szacuje się, że w tym procesie pochłaniane jest 84% światła, więc tylko jedna szósta światła jest aktywna, co, choć wciąż wymaga poprawy, wystarcza do zapewnienia kontrastu potrzebnego do wizualnego wideo.Jednokierunkowe odblaskowe i odblaskowe wyświetlacze umożliwiają stosowanie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych przy minimalnym zużyciu energii w różnych warunkach oświetleniowych.

Wyświetlacz o zerowej mocy

1. Polaryzator polaryzuje padające światło w kierunku pionowym;

2. Elektrody przezroczyste z tlenkiem indowo-cynowym (ITO) na podłożach szklanych.Kształt przezroczystej elektrody określi adres ciemnego koloru bez przechodzenia światła po włączeniu zasilania wyświetlacza ciekłokrystalicznego.Pionowe paski są wytrawione na podłożu tak, że kierunek wyrównania podciekłych kryształów będzie w tym samym kierunku, co spolaryzowane padające światło;

3. Ciekły kryształ skręcony nematyczny (TN);

4. Podłoże szklane ze wspólną przezroczystą folią elektrodową (ITO), poziome paski są wytrawione na podłożu, dzięki czemu kierunek wyrównania ciekłego kryształu staje się poziomy;

5. Polaryzator odchylany w poziomie, który może blokować lub przepuszczać światło;

6. Powierzchnie odbijające odbijają światło z powrotem do obserwatora.

W 2000 roku opracowano wyświetlacz o zerowej mocy, który nie wymaga prądu w trybie czuwania, ale ta technologia nie jest obecnie produkowana masowo.Kolejna technologia cienkiego ekranu LCD o zerowym poborze mocy została opracowana przez francuską firmę Nemoptic, która była masowo produkowana na Tajwanie w lipcu 2003 roku. Ta technologia jest przeznaczona dla urządzeń przenośnych o niskim poborze mocy, takich jak e-booki i laptopy.Wyświetlacze LCD o zerowej mocy konkurują również z e-papierem.

TFT-LCD

Główne artykuły: cienkowarstwowe tranzystorowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne i wyświetlacze TFT

TFT-LCD to skrót od wyświetlacza ciekłokrystalicznego z tranzystorami cienkowarstwowymi (ciekłokrystaliczny wyświetlacz cienkowarstwowy).