TFT-дисплеи: информативно, функционально, просто Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Компоненты и технологии, № 2'2004 Компоненты

TFT-дисплеи:

информативно, функционально, просто

Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются прежде всего с плоскими мониторами, «крутыми» телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.

Николай Ракович

[email protected]

е-

лоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальное энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение — далеко не полный перечень применений ЖК-дисплеев. Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства ЖКИ до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.

В этой статье рассматриваются основные параметры различных типов ЖК-дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор для каждого конкретного применения (метод «побольше и подешевше» практически всегда оказывается слишком дорогим).

Технология

В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис. 1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).

Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения, поэтому не будем на них останавливаться.

STN (Super Twisted Nematic) — пассивная матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.

TFT (Thin Film Transistor) — активная матрица, в которой каждый пиксель управляется отдельным транзистором.

По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет «шлейфов» у движущихся объектов).

Управление яркостью в ЖК-дисплее основано на поляризации света: свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.

Принцип действия и «бутербродная» структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (бе-

Компоненты и технологии, № 2'2004

Stripe

Mosaic

□ВВП

□□ООО

□□□□

ОП0ОП

Delta Triad

Рис. З. Структура цветного фильтра

лый), или поглощение будет частичным. Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксель матрицы состоит из трех субпикселей — красного, зеленого и голубого).

Пиксел TFT

Цветные фильтры для красного, зеленого и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксель (точка) состоит из трех ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении mxn активная матрица содержит 3mxn транзисторов и субпикселей. Шаг пикселя (с тремя субпикселями) для 15,1" TFT ЖК-дисплея (1024x768 точек) составляет примерно 0,3 мм, а для 18,1" (1280x1024 точки) — 0,28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280x1024 при диагонали 15" и шаге точки 0,297 мм.

На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселями 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпикселя различит только человек с орлиным зрением).

Типы ЖК-дисплеев

TN TFT или TN+Film TFT — первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой — дешевизна. Недостатки:

• черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения;

• «мертвые» пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.

IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super

Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции, как у TN+Film (время отклика порядка 25 мс); практически идеальный черный цвет.

Преимущества:

• хорошая контрастность;

• «мертвый» пиксель — черный.

Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (NEC). Достоинства:

• яркое контрастное изображение;

• искажения цвета почти незаметны;

• увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали);

• исключительная четкость.

UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).

Основные преимущества:

• наименьшее время реакции;

• высокая контрастность.

Главный недостаток — высокая стоимость. PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.

Конструкция

Конструкция ЖК-дисплея определяется расположением слоев в «бутерброде» (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях — от темного помещения до работы при солнечном свете).

В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:

• пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;

• отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;

• проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.

Кроме того, существует еще полупрозрачный (transflective) — компромиссная разновидность пропускающего типа дисплея для работы как в помещении, так и при внешнем освещении.

Пропускающий тип дисплея (transmissive). В этом типе конструкции свет поступает сквозь ЖК-панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4). По этой технологии сделано

световод

путь света LCD

Рис. 4

большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т. к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема в настоящее время решается двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете — 1000 кд/м2. Яркости в 300 кд/м2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели ЖК-дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис. 5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством

зеркальный слой

лампа передней подсветки о- h !\ LCD 1 \ 1 \

— ' \ световод

путь света ^ путь света (в помещении) (солнечное Рис. 5. Конструкция жидкокристалличес дисплея отражающего типа 1 освещение) ого

Компоненты и технологии, № 2'2004

1 )- ^зеркальныйслой^ световод]

лампа задней подсветки л I /\ LCD

путь света ^ (в помещении) путь света / \ (солнечное \ освещение)' 1

Рис. 6

маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6) проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения ниже.

Основные параметры жидкокристаллических панелей

Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования — изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие — второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).

Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.

Таблица 1

Класс Тип I Тип 2 Тип 3

I G G G

II 2 2 5

III 5 15 5G

IV 5G 15G 5GG

Тип 1 — постоянно светящиеся пиксели (белый); Тип 2 — «мертвые» пиксели (черный);

Тип 3 — дефектные красные, синие и зеленые субпиксели.

RO to R5 GO to G5 ВО to В5 CLK Hsync Vsync DE« DPSR*

•H

! і

•H

11

GND*1

Notel

VCC*-^\>*

100П

100П

toon

toon

100П

toon

toon

4,7kn

о

и

Fuse

H-driver

Power SU for grada jply tion

і ' L

- DC/DC converter

"O

■

>

о

аэ

1,920 lines

LCD panel

H: 640x3 (R, G, B) V: 480

LCD panel signal processing board iVBLH

Backlight unit (Edge light type)

GNDBt

Notel

'f

Backlight inverter J VBLC (Option) iVBLH

rVBLC

Lamp

■ Metallic frame of lamp holder Note2

Lamp

— Metallic frame of lamp holder Note2

Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL 6448BC-26-G1 дисплея фирмы NEC

Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселей на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса (таблица 1).

Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90° видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный углы обзора, рекомендуемые минимальные значения — 140° и 120° соответственно (наилучшие углы обзора дает технология MVA).

Время отклика (инерционность) — время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране

FPS = 1 с/время отклика

S4

Яркость — в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведет к значительному усложнению ее конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости не менее 200 кд/м2.

Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки черного цвета, т. к. лампа подсветки включена постоянно и для получения темных тонов используется эффект поляризации. Черный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.

ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице ЖК-дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается с одной стороны к ЖК-дисплею, а с другой — непосредственно к последовательному порту (СОМ1 — СОМ4) (рис. 7). Для управления, декодирования сиг- www.finestreet.ru-------------------------

Компоненты и технологии, № 2'2004

Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC

Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp

Модель Размер по диагонали, дюйм Количество пикселей Число цветов Описание

NL8060BC31-17 12,1 800x600 262 144 Высокая яркость (350 кд/м2)

NL8060BC31-20 12,1 800x600 262 144 Широкий угол обзора

NL10276BC20-04 10,4 1024x768 262 144 -

NL8060BC26-17 10,4 800x600 262 144 -

NL6448AC33-18A 10,4 640x480 262 144 Встроенный инвертор

NL6448AC33-29 10,4 640x480 262 144 Высокая яркость, широкий угол обзора, встроенный инвертор

NL6448BC33-46 10,4 640x480 262 144 Высокая яркость, широкий угол обзора

NL6448CC33-30W 10,4 640x480 262 144 Без подсветки

NL6448BC26-01 8,4 640x480 262 144 Высокая яркость (450 кд/м2)

NL6448BC20-08 6,5 640x480 262 144 -

NL10276BC12-02 6,3 1024x768 16,19 M -

NL3224AC35-01 5,5 320x240 Full color Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор

NL3224AC35-06 5,5 320x240 Full color Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор, тонкий

NL3224AC35-10 5,5 320x240 Full color Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор

NL3224AC35-13 5,5 320x240 Full color Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор

NL3224BC35-20 5,5 320x240 262,144 Высокая яркость (400 кд/м2)

налов и подавления «дребезга» (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.

Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее, к тому, что имеется сейчас на рынке ЖК-дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен:

1) лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;

2) доступностью их продукции на рынке

стран СНГ.

NEC Corporation

Компания NEC Corporation выпускает ЖК-дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант: компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т. п. Специальное исполнение применяется на транспорте (наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудова-

ния, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).

Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01) — на рис. 8.

Sharp

Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 году именно этой корпорацией. В октябре 1975 году уже по технологии TN (Twisted Nematic) LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от 8-сег-ментных ЖК-индикаторов к производству

Модель Диагональ, дюйм Количество пикселей Выход

LQ039Q2DS54 3,9 320x240 digital

LQ049B5DG01 5 960x96 digital

LQ050Q5DR01 5 320x240 digital

LQ057Q3DC02 5,7 320x240 digital

LQ058T5DRQ1 5,8 640x350 digital

LQ064ACG01 6,4 1440x234 NTSC/PAL

LQ064V1DS11 6,4 640x480 digital

LQ065T9DR51 6,5 1200x241 NTSC/PAL

LQ070T5CRQ1 7,0 372x107 NTSC/PAL

LQ070T5DG01 7 2562x480 digital

LQ07BW516 7,0 1440x234 NTSC/PAL

LQ084S1DH01 8 800x600 Digital

LQ084V1DG21 8,4 640x480 Digital

LQ104S1DG21 8,4 800x600 Digital

LQ104S1LH11 10,4 800x600 PanelLink

LQ104V1DC31 10,4 640x480 Digital

LQ10P 21 10 1024x768 Digital

LQ11DW01 11 800x600 LVDS

LQ121S1DG31 12,1 800x600 Digital

LQ13 32/33 13,3 1024x768 LVDS

LQ141 1DG21 14,1 1024x768 Digital

LQ14D412 13,8 640x480 Digital

LQ14 03E 13,8 1024x768 Digital

матриц с адресацией каждой точки. В 1976 Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненный на базе LCD-матрицы с разрешением 160x120 пикселей. Краткий перечень продукции приведен в таблице 3.

Siemens

Выпускает ЖК-дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремние-вых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5 и 15 дюймов приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.

Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев Siemens

Модель 50i.2 50i.M 75i 50і.15х 100і.10х

Размер по диагонали, дюйм 10,5 10,5 10,5 15 10,4

Стандарт VGA VGA VGA хGA хGA

МТТН (среднее время до понижения яркости в 2 раза), ч 50 000 50 000 50 000 50 000 50 000

Диапазон рабочих температур, °С 5 8 + 5 2 - -31... +851 5 8 + 5 2 - 0 7 + 0. -1 0 6 + 0. -1

Диапазон температур хранения, °С 5 8 + 5 3 - -46... +851 5 8 + 5 3 - 0 7 + 5 2 - 0 7 + 5 2 -

Удар/вибрация ++ ++ ++ + ++

Число цветов 262x144 262x144 262x144 262x144 262x144

Количество пикселей 640x480 640x480 640x480 1024x768 1024x256

Площадь изображения, мм 211,7x158,9 211,7x158,9 211,7x158,9 304x228

Габаритные размеры, мм 194x271x28 194x271x28 194x271x28 258x332x22 252x178x24

Вес, г 1220 1220 1220 1220 990

Яркость, кд/м2 500 500 720 500 1000

Диапазон регулирования яркости 1:250 1:250 1:250 1:1000 1:1000

Контрастность 250:1 250:1 400:1 400:1 400:1

Инерционность, мс 15 15 15 15 50

5/3,3; 12 - 5/3,3; 12 - 5/3,3; 12 - 3,3; 12 - 3,3; 12 -

Напряжение питания, В для встроенного для встроенного для встроенного для встроенного для встроенного

инвертора инвертора инвертора инвертора инвертора

Примечания:

i — встроенный инвертор;

1 — в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810.

Компоненты и технологии, № 2'2004

Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Батэипд малых и средних размеров

Размер по диагонали, дюйм 1,8 2,03 2,2 3,5 5,0 10,4

Количество пикселей 128x160 176x192 176x220 240x320 240x320 800x480 800x480 800x480

Площадь изображения, мм 28x35 34,9x38,0 34,9x43,6 53,64x71,52 53,64x71,52 109,2x65,2 109,2x65,2 211,2x158,4

Число цветов 4096 65 К/260 К 65К/260К 260 К 260 К 260 К 260 К 260 К

Габаритные размеры, мм 36,3x46,7 x3,71 41,1x50,1 x3,4 41,1x55,8 x3,6 70x90,7 x4,9 63,2x85,6 x4,0 120x78,15 x1,725 122,4x79 x3,9 238,6x173,4 x5,6

Яркость, кд/м2 150 150 50 30 30 - 50 140

Интерфейс CPU I/F CPU& Video I/F CPU&Video I/F Video I/F Video I/F Video I/F Video I/F LVDS

Контрастность 150:1 150:1 25:1(подсветка выкл.) 70:1 (подсветка вкл.) 15:1(подсветка выкл.) 5:1 (подсветка вкл.) 15:1(подсветка выкл.) 70:1 (подсветка вкл.) 10:1 10:1(подсветка выкл.) 50:1 (подсветка вкл.) 200:1

Инерционность, мс 30 30 30 30 30 30 35 30

Подсветка LED, задняя LED, задняя LED, задняя CCFL, передняя LED, задняя - LED, задняя CCFL, задняя

Напряжение питания, В 2,5+3,3 2,5+3,3 2,5+3,3 3,3 3,3 3,3 3,0 3,3

Примечания: LED — светодиодная; CCFL (cold cathode fluorescent lamp) — флуоресцентная лампа с холодным катодом; в дисплеях используется технология PVA.

Samsung

Фирма выпускает ЖК-дисплеи под торговой маркой Wiseview. Начав с выпуска 2дюймовой TFT-панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8 до 10,4 дюйма в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели

предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).

Выводы

В настоящее время выбор модели ЖК-дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени — стоимостью LCD.

е