Структура та характеристики LCD панелей бортової інформаційно - розважальної системи пасажирського літака

Технологічні нововведення дозволили обмежити їх розміри величиною  маленької крапки, відповідно на одній  і тій же площі екрану можна  розташувати більше число електродів, що збільшує дозвіл LCD монітора, і дозволяє нам відображати навіть складні зображення в кольорі. Для виведення кольорового зображення необхідне підсвічування монітора ззаду, так, щоб світло виходило із задньої частини LCD дисплея. Це необхідно для того, щоб можна було спостерігати зображення з хорошою якістю, навіть якщо навколишнє середовище не є світлим.

Колір виходить в  результаті використання трьох фільтрів, які виділяють з випромінювання джерела білого світу три основні  компоненти. Комбінуючи три основні  кольори для кожної крапки або  пікселя екрану, з'являється можливість відтворити будь-який колір.

Взагалі-то у випадку  з кольором декілька можливостей: можна  зробити декілька фільтрів один за одним (приводить до малої частки випромінювання, що проходить), можна  скористатися властивістю рідкокристалічного осередку - при зміні напруженості електричного поля кут повороту площини  поляризації випромінювання змінюється по-різному для компонент світла з різною довжиною хвилі.

Цю особливість  можна використовувати для того, щоб відображати (або поглинати) випромінювання заданої довжини  хвилі (проблема полягає в необхідності точно і швидко змінювати напругу). Який саме механізм використовується, залежить від конкретного виробника. Перший метод простіший, другий ефективніше. Перші дисплеї LCD були дуже маленькими, близько 8 дюймів, тоді як сьогодні вони досягли 15" розмірів для використання в ноутбуках, а для настільних комп'ютерів проводяться 20" і більш LCD монітори.

Услід за збільшенням  розмірів слідує збільшення дозволу, слідством  чого є поява нових проблем, які  були вирішені за допомогою спеціальних  технологій, що з'явилися, все це ми опишемо далі. Однією з перших проблем  була необхідність стандарту у визначенні якості відображення при високих  дозволах. Першим кроком на шляху до мети було збільшення кута повороту площини  поляризації світла в кристалах  з 90° до 270° за допомогою STN технології.

STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN - це скорочення, "Super Twisted Nematic, що означає". Технология STN дозволяє збільшити торсіонний кут (кут кручення) орієнтації кристалів усередині LCD дисплея з 90° до 270°, що забезпечує кращу контрастність зображення при збільшенні розмірів монітора.  
Часто STN осередку використовуються в парі.

Така конструкція  називається DSTN (Double Super Twisted Nematic), в якій один двошаровий DSTN-ячейка складається з 2 STN-ячеек, молекули яких при роботі повертаються в протилежні сторони. Світло, проходячи через таку конструкцію в "замкнутому" стані, втрачає велику частину своєї енергії. Контрастність і роздільна здатність DSTN достатньо висока, тому з'явилася можливість виготовити кольоровий дисплей, в якому на кожен піксель доводиться три РК-ячейки і три оптичні фільтри основних квітів. Кольорові дисплеї не здатні працювати від відбитого світла, тому лампа заднього підсвічування -- їх обов'язковий атрибут. Для скорочення габаритів лампа знаходиться з боку, а напроти неї дзеркало [див. мал. 1.8], тому більшість LCD-матриц в центрі мають яскравість вище, ніж по краях (це не відноситься до настільних моніторів РК).

                    Рис. 1.8

Також STN осередку використовуються в режимі TSTN (Triple Super Twisted Nematic), коли два тонких шару полімерної плівки додаються для поліпшення перенесення кольорів кольорових дисплеїв або для забезпечення хорошої якості монохромних моніторів. Термін пасивна матриця (passive matrix) з'явився в результаті розділення монітора на крапки, кожна з яких, завдяки електродам, може задавати орієнтацію площини поляризації світивши, незалежно від останніх, так що в результаті кожен такий елемент може підсвічуватися індивідуально для створення зображення.

Матриця називається  пасивною, тому що технологія створення  LCD дисплеїв, яка була описана вищим, не може забезпечити швидку зміну інформації на екрані. Зображення формується рядок за рядком шляхом послідовного підведення напруги на окремі осередки, що управляє, робить їх прозорими. Із-за досить великої електричної ємкості осередків напруга на них не може змінюватися достатньо швидко, тому оновлення картинки відбувається поволі.

Такий дисплей має  багато недоліків з погляду якості, тому що зображення не відображається плавно і тремтить на екрані. Маленька швидкість зміни прозорості кристалів  не дозволяє правильно відображати  рухомі зображення. Для вирішення частини вищеописаних проблем застосовують спеціальні технології. Для поліпшення якості динамічного зображення було запропоновано збільшити кількість електродів, що управляють.

Тобто вся матриця  розбивається на декілька незалежних підматриць (Dual Scan DSTN - два незалежні поля розгортки зображення), кожна з яких містить меншу кількість пікселів, тому почергове управління ними займає менше часу. Внаслідок чого можна скоротити час інерції РК. 

Також кращих результатів  з погляду стабільності, якості, дозволу, гладкості і яскравості зображення можна добитися, використовуючи екрани з активною матрицею, які, втім, стоять дорожче.

У активній матриці (active matrix) використовуються окремі підсилювальні елементи для кожного осередку екрану, компенсуючі вплив ємкості осередків і що дозволяють значно зменшити час зміни їх прозорості. Активна матриця (active matrix) має масу переваг в порівнянні з пасивною матрицею. Наприклад, краща яскравість і можливість дивитися на екран навіть з відхиленням до 45° і більш (тобто при вугіллі огляду 120°-140°) без збитку якості зображення, що неможливе у випадку з пасивною матрицею, яка дозволяє бачити якісне зображення тільки з фронтальної позиції по відношенню до екрану.

Відмітимо, що дорогі моделі LCD моніторів з активною матрицею забезпечують кут огляду в 160° [см мал. 2.6], і є всі підстави припускати, що технологія удосконалюватиметься і надалі. Активна матриця може відображати рухомі зображення без видимого тремтіння, оскільки час реакції дисплея з активною матрицею близько 50 мс проти 300 мс для пасивної матриці, крім того, контрастність моніторів з активною матрицею вища, ніж у ЕЛТ-МОНІТОРОВ.

Слід зазначити, що яскравість окремого елементу екрану залишається незмінною на всьому інтервалі часу між оновленнями  картинки, а не є коротким імпульсом  світла, що випромінюється елементом  люмінофором ЕПТ-монітора відразу  після пригоди по цьому елементу електронного променя. Саме тому для  LCD моніторів достатньою є частота вертикальної розгортки, рівна 60 Гц.

Функціональні можливості LCD моніторів з активною матрицею майже такі ж, як у дисплеїв з пасивною матрицею. Різниця полягає в матриці електродів, яка управляє осередками рідких кристалів дисплея. У випадку з пасивною матрицею різні електроди отримують електричний заряд циклічним методом при відрядковому оновленні дисплея, а в результаті розряду ємкостей елементів зображення зникає, оскільки кристали повертаються до своєї початкової конфігурації.

У випадку з активною матрицею до кожного електроду доданий транзистор, що запам'ятовує, який може зберігати                           Рис. 1.9

цифрову інформацію (двійкові значення 0 або 1) і в результаті зображення зберігається до тих пір, поки не поступить інший сигнал. Частково проблема відстрочення загасання зображення в пасивних матрицях вирішується за рахунок використання більшого числа рідкокристалічних шарів для збільшення пасивності і зменшення переміщень, тепер же, при використанні активних матриць з'явилася можливість скоротити число рідкокристалічних шарів.

Транзистори, що запам'ятовують, повинні проводитися з прозорих матеріалів, що дозволить світловому променю проходити крізь них, а значить, транзистори можна  розташовувати на тильній частині  дисплея, на скляній панелі, яка містить  рідкі кристали.

Для цих цілей  використовуються пластикові плівки, звані "Thin Film Transistor" (або просто TFT).

Thin Film Transistor (TFT), тобто тонкоплівковий транзистор - це ті елементи, що управляють, за допомогою яких контролюється кожен піксель на екрані. Тонкоплівковий транзистор дійсно дуже тонкий, його товщина 0,1 - 0,01 мікрона. У перших TFT-дисплеях, що з'явилися в 1972г., використовувався селенид кадмію, що володіє високою рухливістю електронів і що підтримує високу щільність струму, але з часом був здійснений перехід на аморфний кремній (a-Si), а в матрицях з високим дозволом використовується полікристалічний кремній (p-Si).

Технологія створення  TFT дуже складна, при цьому є труднощі з досягненням прийнятного відсотка придатних виробів через те, що число використовуваних транзисторів дуже велике. Відмітимо, що монітор, який може відображати зображення з дозволом 800х600 пікселів в SVGA режимі і лише з трьома квітами має 1440000 окремих транзисторів. Виробники встановлюють норми на граничну кількість транзисторів, які можуть бути неробочими в LCD дисплеї.

Правда, у кожного  виробника своя думка про те, яка  кількість транзисторів можуть не працювати.

Піксель на основі TFT влаштований таким чином: у скляній пластині один за одним інтегровано три кольорові фільтри (червоний, зелений і синій). Кожен піксель є комбінацією трьох кольорових осередків або субпіксельних елементів Це означає, наприклад, що у дисплея, що має дозвіл 1280x1024, існує рівно 3840x1024 транзистора і субпіксельних елементу. Розмір крапки (пікселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизно рівний 0.0188 дюйма (або 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - близько 0.011 дюйма (або 0.28 мм).

                                          Рис. 1.9 

TFT володіють поряд переваг перед ЕЛТ-МОНІТОРАМІ, серед яких, - знижене споживання енергії і тепловіддача, плоский екран і відсутність сліду від рухомих об'єктів. Останні розробки дозволяють отримати зображення вищої якості, ніж звичайні TFT.

                                                     Рис. 1.10

Зовсім недавно  фахівцями компанії Hitachi була створена нова технологія багатошарових РК-панелей Super TFT, яка значно збільшила кут упевненого огляду РК панелі. Технологія Super TFT використовує прості металеві електроди, встановлені на нижній скляній пластині і примушує молекули обертатися, постійно знаходячись в площині, паралельній площині екрану.

Оскільки кристали звичайної РК-панели повертаються до поверхні екрану краями, то такі РКД більш залежні від точки зору, чим РК-панели Hitachi з технологією Super TFT, В результаті зображення на дисплеї залишається яскравим і чітким навіть при великих кутах огляду, досягаючи якості, зіставної із зображенням на ЕПТ-екрані.

Японська компанія NEC недавно оголосила, що за якістю зображення її LCD дисплеї незабаром досягнуть рівня лазерних принтерів, переступивши поріг в 200 ppi, що відповідає 31 крапці на мм2 або кроці крапок 0,18 мм. Як повідомили в NEC, вживані сьогодні багатьма виробниками рідкі кристали TN (twisted nematic) дозволяє будувати дисплеї з дозвіл до 400 крапок на дюйм. Проте головним стримуючим чинником в підвищенні дозволу є необхідність створення відповідних світлофільтрів. У новій технології "Color filter on TFT" світлофільтри, що закривають тонкоплівкові транзистори, формуються за допомогою фотолітографії на нижній скляній підкладці. У звичайних дисплеях світлофільтри наносяться на другу, верхню підкладку, що вимагає дуже точного поєднання двох пластин.

На тій, що пройшла  в 1999 році в США конференції "Society for information Display" було зроблено декілька доповідей, що свідчать про успіхи в створенні рідкокристалічних дисплеїв на пластиковій підкладці. Компанія Samsung представила прототип монохромного дисплея на полімерному субстраті з діагоналлю 5,9 дюйма і завтовшки 0,5 мм. Товщина самої підкладки складає близько 0,12 мм. Дисплей має дозвіл 480х320 крапок і контрастність 4:1. Вага - всього 10 грам.

Інженери з Лабораторії  кінотехніки Університете Штуттгарта використовували не тонкоплівкові  транзистори (TFT), а діоди MIM (металл-изолятор-металл). Останнє досягнення цієї команди - дводюймовий кольоровий дисплей з дозволом 96х128 крапок і коефіцієнтом контрастності 10:1.

Група фахівців IBM розробила технологію виробництва тонкоплівкових транзисторів із застосуванням органічних матеріалів, що дозволяє виготовляти гнучкі екрани для електронної книги і інших пристроїв. Елементи розроблених транзисторів IBM напилюються на пластикову підкладку при кімнатній температурі (традиційні LCD-дисплеи виготовляються при високій температурі, що виключає застосування органічних матеріалів). Замість звичайного діоксиду кремнію для виготовлення затвора використовується цирконат титоната барії (BZT). Як напівпровідник застосовується органічна речовина під назвою пентацен (pentacene), що є з'єднанням фенилэтиламмония з иодидом олова.

Для підвищення дозволу  LCD-экранов компанія Displaytech запропонувала не створювати зображення на поверхні великого LCD-экрана, а вивести картинку на маленький дисплей високого дозволу, а потім за допомогою оптичної проекційної системи збільшити її до потрібних розмірів. При цьому Displaytech використовувала оригінальну технологію Ferroelectric LCD (FLCD). Вона заснована на так званих кірально-смектичних рідких кристалах, запропонованих для використання ще в 1980 р. Шар матеріалу, що володіє ферроэлектрическими властивостями і здатного відображати поляризоване світло з обертанням площини поляризації, наноситься на ту, що подає сигнали, що управляють, CMOS-подлоРКу.

При проходженні  відбитого світлового потоку через  другий поляризатор виникає картинка з темних і світлих пікселів. Кольорове  зображення виходить за рахунок швидкого чергування освітлення матриці червоним, зеленим і синім світлом.. На базі FLCD-матриц можна проводити екрани великого розміру з високою контрастністю і якістю перенесення кольорів, з широкими кутами огляду і малим часом відгуку. У 1999 році альянс корпорацій Hewlett-Packard і DisplayTech оголосив про створення повнокольорового мікродисплея на базі технології FLCD. Дозвіл матриці складає 320х240 крапок. Відмітними особливостями пристрою є мале енергоспоживання і можливість відтворення повнокольорового “живого” відео. Новий дисплей призначений для використання в цифрових камерах, камкодерах, портативних коммуникаторах і моніторах для комп'ютерів, що надягають.

Розвитком низькотемпературної  технології з використанням полікристалічного  кремнію LTPS займається Toshiba. За словами представників цієї корпорації, вони позиціонують нові пристрої поки тільки як призначені для ринку мобільних пристроїв, не включаючи сюди ноутбуки, де панує технологія a-Si TFT. Вже випускаються VGA-дисплеи розміром 4 дюйми, а на підході 5,8-дюймові матриці. Фахівці вважають, що 2 млн. пікселів на екрані — це далеко не межа. Однією з відмінних рис даної технології є висока роздільна здатність.