1 Курс «Оптико-электронные приборы и системы» Тема 6.2 Виды дисплеев

2 Дисплей электронное устройство вывода информации, предназначенное для визуального отображения обрабатывающей системой информационных сообщений конечному пользователю. Используются в составе электронных устройств во всех случаях, когда требуется отображение произвольной информации : компьютерные мониторы, телевизоры, информационное табло, телефоны, игровые консоли и тд. и тп.

3 Следует различать понятия «дисплей» - собственно устройство отображения- как часть устройства, и «монитор», который может иметь собственный дисплей разных типов. Также следует отличать «дисплей» (скажем ЖК- дисплей), отображающий произвольную информацию из набора пикселов своей матрицы, и «индикатор» (скажем ЖКИ), отображающий фиксированный набор информации из наличествующих сегментов, хотя сейчас современные многофункциональные индикаторы также именуют дисплеями.

4

5 Электролюминесцентные дисплеи - OLED

6 OLED Organic Light Emitting Diodes электролюминесцентные дисплеи на органических светоизлучающих полупроводниках. Главное отличие не нужны лампы подсветки, в дисплеях светятся непосредственно элементы поверхности. И светятся существенно ярче, чем экраны на ЖК ( кд/кв. м).

7 OLED Organic Light Emitting Diodes При этом энергопотребление ниже, цветопередача лучше, контрастность выше (300:1), угол обзора больше (до 180 градусов), цветовой охват шире. В отличие от обычного ЖК-дисплея органика способна реагировать в 100–1000 раз быстрее. Толщина дисплея не превышает 1 мм (с учетом защитного стекла 2 мм), масса исчисляется граммами. Немаловажным параметром считается и диапазон рабочих температур: от -30 до +60 градусов.

8 Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкоплёночные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду.полимерованодкатодаэлектронов

9 Таким образом, катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют.электроны

10 Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой называется эмиссионным.органических полупроводниках

11 В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой

12 Преимущества В сравнении c плазменными дисплеями меньшие габариты и вес более низкое энергопотребление при той же яркости возможность создания гибких экранов возможность создания экранов с большим разрешением В сравнении c жидкокристаллическими дисплеями меньшие габариты и вес отсутствие необходимости в подсветке большие углы обзора изображение видно без потери качества с любого угла мгновенный отклик по сути полное отсутствие инерционности высокая контрастность возможность создания гибких экранов большой диапазон рабочих температур (от 40 до +70 °C)

13

14

15

16 Жидкокристаллические дисплеи

17 Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические дисплеи) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией оптических свойств связанных с упорядоченностью в ориентации молекул. Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике. Только в 1930-м исследователи из корпорации Marconi получили патент на применение.

18 Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света.

19 Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

20 Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров.

21 LCD- дисплей изготовлен на основе жидких кристаллов (пикселей), которые меняют свое расположение при подаче на них напряжения. В свою очередь каждый пиксель состоит из красного, синего и зеленого субпикселей. При подаче напряжения субпиксели выстраиваются в определенном порядке и пропускают через себя свет, таким образом формируя пиксель определенного цвета.

22 LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию.

23 Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков - "нема" -по-гречески нить) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка.

24 Когда на уровень выравнивания не подано напряжение, молекулярная структура находится в своем естественном состоянии и искривлена под углом 90 градусов. Свет, испускаемый задней подсветкой, может спокойно проходить через структуру.

25 Если подать напряжение, создается электрическое поле, и жидкие кристаллы искривляются так, что бы они были вертикально выровнены. Поляризованный свет поглощается вторым поляризатором, что приводит к отсутствию света в конкретной точке.

26 Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному.

27 Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения.

28 Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждого пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: - можно сделать несколько фильтров друг за другом (проще), - можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (эффективнее)

29 Пассивная матрица - STN

30

31 Пассивные матрицы обозначают аббревиатурой STN (Super Twisted Nematic) В STN - дисплеях в качестве кристаллов используется специальный материал - сверхскрученный полимер, который и дал название технологии. STN - экраны отличаются низким энергопотреблением и невысокой стоимостью. К недостаткам можно отнести относительно низкое качество картинки, небольшой угол обзора (в идеале 90 градусов по горизонтали и 50 градусов по вертикали) и основное - это долгое время отклика на изменение напряжения на матрице, что отрицательно сказывается на воспроизведение динамических сцен и видео.

32 Тип матриц называется пассивным, поскольку он не способен достаточно быстро отображать информацию: из- за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому картинка обновляется медленно.

33 Пассивные матрицы имеют строки и столбцы, на пересечении которых находится требуемый пиксель. Развертка изображения осуществляется с помощью контроллера, причем за один такт активируется один пиксель. Для того, чтобы светился весь экран, необходимо подавать сигналы на все диоды. Чем больший ток протекает через каждый пиксель, тем больше яркость наблюдаемого свечения

34 этот тип дисплеев практически перестал использоваться в качестве основных дисплеев в телефонах бизнес класса, его удел – внешние дисплеи раскладушек и телефоны эконом класса Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

35 Модификации STN технологий

36 CSTN Color Super Twist Nematic Цветные жидко-кристаллические дисплеи с пассивной матрицей. Каждый пиксель такого дисплея состоит из трех объединенных пикселей, которым соответствуют три цвета (RGB). Основной минус таких дисплеев – это их медлительность. Несомненным плюсом таких дисплеев является их себестоимость Именно дисплеи CSTN стали первым видом цветных дисплеев в мобильных телефонах (а также в ноутбуках и компьютерных мониторах)

37 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.

38 FSTN Film Super Twisted Nematic суперскрученный нематик с пленочной компенсацией. ЖКИ с дополнительной пленкой, добавленной к внешней стороне ячейки для компенсации цветовых сдвигов от синего на зеленый до черного на белый. Пленка сделана из полимера с двойной рефракцией для исключения возможности интерференции цветов. В результате происходит замедление компенсации

39 Пленка (верхний слой на рисунке) размещена на дисплее под или над верхним поляризатором. Пленочная компенсация улучшает угол обзора, но не улучшает быстродействие. Для этой технологии характерно более простое и более эффективное по стоимости получение преобладания черного над белым в изображении

40 Технология IPS

41 Технология IPS (англ. in-plane switching), или SFT (super fine TFT) была разработана компаниями Hitachi и NEC в 1996 году. Эти компании пользуются разными названиями этой технологии NEC использует «SFT», а Hitachi «IPS». Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение чёрного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, а чёрным. В состоянии спокойствия экран остается черным.

42

43 VA (Vertical Alignment) данную технологию, разработанную Fujitsu, можно рассматривать как компромисс между STN и IPS матрицами. В матрицах VA кристаллы в выключенном состоянии расположены перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий, но при повороте матрицы относительно направления взгляда, кристаллы будут видны не одинаково. Для решения проблемы применяется мультидоменная структура.

44 Технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачивается в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются.

45

46 VA матрицы (PVA и MVA)

47 Активная матрица - TFT

48

49 Активные матрицы обозначают аббревиатурой TFT (Thin Film Transistors) или AM (Active Matrix). В таких матрицах под поверхностью экрана располагается слой тонкопленочных транзисторов, полупроводников, каждый из которых управляет одной точкой экрана. Таким образом, в цветном дисплее телефона их количество может достигать нескольких десятков, а то и сотен тысяч.

50 Thin Film Transistor (TFT), то есть 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 мкм.

51 В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, 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.

52 Основной принцип работы матрицы заключается в управлении интенсивностью светового потока с помощью его поляризации. На один пиксель приходится по три транзистора, каждый из которых соответствует одному из трех основных цветов красному, зеленому или синему, и конденсатор, поддерживающий необходимое напряжение.

53 Цветные фильтры интегрированы на стеклянную подложку и расположены рядом друг с другом. Матрица с разрешением 1280 x 1024 пикселя, имеет 3840 x 1024 транзистора и пиксельных элементов. Точка или пиксельный шаг для 15.1" TFT (1024 x 768 пикселя) составляет около 0.30mm, а для 18.1" TFT (1280 x 1024 пикселя) около или 0.28mm.

54 Устройство TFT-панели: жидкокристалическая матрица с разделителями (8); управляющая пластина (5,6 горизонтальные и вертикальные управляющие шины; 9 тонкоплёночные транзисторы; 11 задние электроды); 10 фронтальный электрод; 1 стеклянные пластины; 2,3 горизонтальный и вертикальный поляризаторы; 4 RGB-светофильтр; 7 слои прочного полимера; желтая стрелка свет внешнeго источника.

55 Аналоги TFТ технологий

56 TFD (Thin Film Diode) - активноматричные дисплеи технология производства жидкокристаллических дисплеев с использованием тонкопленочных диодов. Она аналогична технологии TFT, но здесь транзисторы заменены тонкопленочными управляющими диодами. Основной особенностью таких дисплеев является пониженное энергопотребление.

57 LTPS (Low Temperature Poly Silicon) технология производства TFT-дисплеев с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния. Данная технология обеспечивает повышенную яркость индикатора изображения и пониженное энергопотребление.

58 Спасибо за внимание! : )