SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Дисплеи на основе жидких кристаллов (ЖКИ)

В статье изложены особенности устройства и разновидности дисплеев на основе жидких кристаллов, TFT-матриц и органических пленок (OLED) производства Bolymin, Winstar, Wisetip. Рассматриваются основные параметры различных типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения.

ООО “РТЭК”, Украина, г. Киев

Rainbow_technologies.png

Для отображения информации в большинстве современных устройств используются дисплеи, содержащие в своей основе ту или иную вариацию жидкокристаллического вещества. Появление дисплеев на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря работам австрийского ботаника Фридриха Рейнитзера (Friedrich Reinitzer). В ходе своих исследований в 1888 г. вещества, известного как cholesteryl benzoate, он обнаружил, что оно имеет две явные точки плавления. В своем эксперименте он увеличивал температуру твердого образца и наблюдал превращение кристалла в мутную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры приводило к появлению чистой прозрачной жидкости, пропускающей свет. Благодаря этой ранней работе считается, что именно Рейнитзер открыл новую жидкокристаллическую фазу материи. Через много лет, в 1968 г., фирмой RCA был создан первый экспериментальный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). 

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, описанный ниже. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка (оксиды индия и олова - ITO), которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК-веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя. Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного “скручивания” слоев молекул ЖК на 90° между стеклами. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая ее на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул. Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект “скручивания” поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов. 

Таблица 1. Основные параметры и характерные особенности различных технологий изготовления ЖКИ
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)

32_37_Tab.1_small.png

Описанная конструкция ЖКИ представляет собой пассивный вариант дисплея. В зависимости от разновидности примененных в дисплее жидких кристаллов различают следующие типы ЖКИ: TN, STN, CTN, FSTN, HTN, DSTN и ECB (VAN). Отличительные особенности этих дисплеев отражены в табл. 1.

Для производства больших цветных дисплеев в настоящее время широко используются ЖКИ на основе TFT (тонкопленочные транзисторы). В основе структуры TFT-панели содержатся жидкие кристаллы, два поляризатора и две стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими стеклянными пластинами. Регулирование светового потока осуществляется путем изменения величины входного напряжения, подаваемого на ЖК. Тем самым изменяется расположение и ориентация ЖК-молекул, что приводит к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через них. При изготовлении такой панели с помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ. Количество транзисторов на стекле TFT равно числу подпикселей дисплея, при этом генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра с нанесенным на него фильтром цвета. Движение жидких кристаллов вызывается появлением разности потенциалов между электродами, находящимися на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение приводит к генерации цвета и изменению яркости ЖКИ.

В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается, и на ЖК подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. После выключения переключателя в емкости Clc (эквивалентная емкость ЖК-вещества) сохраняется некоторый заряд, уменьшающийся с течением времени. Для увеличения продолжительности хранения заряда параллельно Clc добавляется запоминающий конденсатор Cst. Поскольку фактически управление жидкими кристаллами производится переменным напряжением, для активации ЖК напряжение подается только при включенном переключателе, после чего он немедленно отключается. В ряде случаев напряжение на ЖК будет падать из-за утечек. Для предотвращения этого и используется дополнительный конденсатор Сst, компенсирующий утечки. При достаточной его емкости напряжение на нем будет приближаться к идеальной форме меандра.

В TFT-панели тонкопленочный транзистор выполняет функцию рассмотренного переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока соединен с линией данных, а вывод стока с Clc и Сst . Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении записываются в Clc и Cst. Если затвор не выбран, TFT закрыт.


Технология LTPS TFT

Технология LTPS (низкотемпературная поликремневая) - это новейший производственный процесс изготовления TFT-панелей. В этой технологии используется лазерный отжиг, который позволяет производить кристаллизацию кремниевой пленки при температуре менее 400 °С. Поликристаллический кремний - материал на основе кремния, содержащий множество кристаллов кремния размером от 0,1 до нескольких микрон. При производстве полупроводников поликристаллический кремний обычно изготавливается при помощи LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition - химическое осаждение при низком давлении из газообразной фазы), а затем отжигается при температуре более 900 °С. Этот метод известен как SPC (Solid Phase Crystallization - кристаллизация твердой фазы). Очевидно, что такой метод не удастся применить при производстве индикаторных панелей, поскольку температура плавления стекла составляет 650 °С. Поэтому для создания ЖК-панелей идеально подходит новая низкотемпературная технология LTPS.

В отличие от технологии a-Si, LTPS технология характеризуется более чем в 300 раз большей подвижностью электронов. Это объясняет, почему каждый элемент LTPS индикатора имеет большую скорость реакции на воздействие и меньшие размеры, чем элементы, изготовленные по а-Si технологии.

Вот несколько отличий p-Si технологии от a-Si технологии:
- более высокая технологичность изготовления на подложке интегральной схемы драйвера управления;
- более высокое быстродействие TFT, меньший размер, меньше контактов и элементов;
- проще схемотехника;
- увеличение надежности панели;
- высокие апертурный коэффициент и разрешающая способность.


Дисплеи на основе органических пленок (OLED)

Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от ЖКИ типа, т.н. OLED (Organic Light Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным элементам дисплея они излучают яркий свет. Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи. Для получения OLED дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы, в сравнении с ЖКИ. Ведущий лидер в производстве таких дисплеев, корпорация Universal Display (UDC) полагает, что технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед ЖКИ:
- более высокая яркость;
- более высокое быстродействие, улучшающее качество отображения и динамику видеоизображений;
- расширенный угол обзора (до 180°);
- малый вес;
- меньшее энергопотребление; 
- более широкий диапазон рабочих температур;
- меньшая совокупная стоимость.

Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.


Конструкция

Конструкция жидкокристаллического 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.

Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.


Пропускающий тип дисплея (transmissive)

В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка). По этой технологии изготовлено 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 решается (в настоящее время) 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 жидкокристаллических 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.


Полупрозрачный тип дисплея (transflective)

Похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется так называемый частично отражающий слой. Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством 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.

Таблица 2. Алфавитно-цифровые ЖК-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)

32_37_Tab.2_small.png

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), 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.

Таблица 3. TFT-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)

32_37_Tab.3_small.png


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).

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 угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов 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.

Таблица 4. Графические ЖК-модули
(нажмите на таблицу, чтобы увеличить ее)

32_37_Tab.4_small.png

Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которое в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ. С увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приводит к значительному усложнению ее конструкции и повышает 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.


Температурная компенсация LCD-дисплеев

Установки оптимальной контрастности LCD дисплеев сильно зависят от окружающей температуры. Для большинства применений эти изменения контрастности незначительны в диапазоне “нормальных” температур от 0 до +50 °С. Большинство LCD модулей допускают работу в расширенном температурном диапазоне от -20 до +70 °С. Изменения контрастности в столь широком диапазоне температур становятся заметными, что приводит к необходимости коррекции напряжения контрастности LCD в зависимости от температуры.

При уменьшении рабочей температуры LCD дисплеи требуют повышения рабочего напряжения для сохранения оптической контрастности. В сравнительных таблицах (табл. 2-4) приведены основные механические и электрические характеристики алфавитно-цифровых, графических и TFT-модулей ведущих производителей ЖК-индикаторов - Bolymin, Winstar, Wisetip.


Литература

1. WINSTARS' Data Sheets: (http://www.winstar.com.tw/)
2. WISETIPS' Data Sheets: (http://www.wisetip.com.tw)
3. BOLYMINS' Data Sheets: (http://www.bolymin.com.tw/)


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(12)_2006

Я. Белецкий,
ООО “РТЭК”, Украина, г. Киев,
E-mail: byv@rainbow.com.ua