Как производятся плоские мониторы?

Обновлено: 21.11.2024

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 12 декабря 2021 г.

Когда-то давно, когда я рос, телевизоры были горячими, тяжелыми и прожорливыми зверями, которые занимали довольно много места в углу гостиной. В наши дни они такие же тонкие, как картины, и достаточно легкие, чтобы их можно было повесить на стену, и потребляют в несколько раз меньше энергии. Как и портативные компьютеры, большинство телевизоров 21-го века имеют плоские экраны с ЖК-дисплеями (жидкокристаллическими дисплеями) — та же технология, которую мы используем уже почти полвека в таких вещах, как калькуляторы, мобильные телефоны и цифровые часы. Что они собой представляют и как они работают? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Маленькие ЖК-дисплеи, подобные этому, широко использовались в калькуляторах и цифровых часах с 1970-х годов, но в то время они были относительно дорогими и отображали только черно-белые (на самом деле, темно-голубовато-белые) изображения ( как тот, что ниже). В 1980-х и 1990-х производители придумали, как делать большие цветные экраны по относительно доступным ценам. Именно тогда рынок ЖК-телевизоров и цветных ноутбуков по-настоящему взлетел.

Содержание

<ПР>
  • Чем отличаются ЖК-дисплеи?
  • Что такое жидкие кристаллы?
  • Что такое поляризованный свет?
  • Как в ЖК-дисплеях используются жидкие кристаллы и поляризованный свет
  • Как работают цветные пиксели на ЖК-дисплеях
  • В чем разница между LCD и плазмой?
  • Краткая история ЖК-дисплеев
  • Подробнее

    • Чем отличаются ЖК-дисплеи?

    Возможно, вы знаете, что старый телевизор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) создает изображение с помощью трех электронных пушек. Думайте о них как о трех очень быстрых и очень точных кистях, которые движутся вперед и назад, рисуя движущееся изображение на обратной стороне экрана, которое вы можете наблюдать, сидя перед ним.

    ЖК-экраны с плоским экраном и плазменные экраны работают совершенно по-разному. Если вы сядете рядом с телевизором с плоским экраном, вы заметите, что изображение состоит из миллионов крошечных блоков, называемых пикселями (элементами изображения). Каждый из них фактически представляет собой отдельный красный, синий или зеленый свет, который можно очень быстро включать или выключать, чтобы создать движущееся цветное изображение. В плазменных и жидкокристаллических экранах пиксели управляются совершенно по-разному. В плазменном экране каждый пиксель представляет собой крошечную люминесцентную лампу, которая включается и выключается электронным способом. В ЖК-телевизоре пиксели включаются и выключаются электронным способом с использованием жидких кристаллов для поворота поляризованного света. Это не так сложно, как кажется! Чтобы понять, что происходит, сначала нам нужно понять, что такое жидкие кристаллы; затем нам нужно более внимательно изучить свет и то, как он распространяется.

    Фото: этот грубый старый экран iPod Classic — еще один пример ЖК-технологии. Его пиксели окрашены в черный цвет, и они либо включены, либо выключены, поэтому дисплей черно-белый. На экране ЖК-телевизора пиксели гораздо меньшего размера, окрашенные в красный, синий или зеленый цвет, образуют яркое движущееся изображение.

    Что такое жидкие кристаллы?

    Фото: жидкие кристаллы, высушенные и просмотренные в поляризованном свете. Вы можете видеть, что они имеют гораздо более правильную структуру, чем обычная жидкость. Фото из исследования Дэвида Вайца предоставлено Центром космических полетов имени Маршалла НАСА (NASA-MSFC).

    Мы привыкли к мысли, что данное вещество может находиться в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном (мы называем их состояниями материи). До конца XIX века ученые считали, что это конец. истории. Затем, в 1888 году, австрийский химик Фридрих Райнитцер (1857–1927) открыл жидкие кристаллы, которые представляют собой совершенно другое состояние, нечто среднее между жидкостями и твердыми телами. Жидкие кристаллы могли бы остаться в безвестности, если бы не тот факт, что они, как оказалось, обладают некоторыми очень полезными свойствами.

    Твердые тела представляют собой замороженные куски вещества, которые остаются на месте сами по себе, часто с атомами, упакованными в аккуратное, правильное расположение, называемое кристаллом (или кристаллической решеткой). Жидкости не имеют порядка твердых тел, и хотя они остаются на месте, если вы держите их в контейнере, они относительно легко текут, когда вы их выливаете. Теперь представьте себе вещество, обладающее некоторым порядком твердого тела и некоторой текучестью жидкости. У вас есть жидкий кристалл — своего рода дом на полпути между ними. В любой данный момент жидкие кристаллы могут находиться в одном из нескольких возможных «подсостояний» (фаз) где-то в подвешенном состоянии между твердым телом и жидкостью. Две наиболее важные жидкокристаллические фазы называются нематической и смектической:

    <УЛ>

  • Находясь в нематической фазе, жидкие кристаллы чем-то напоминают жидкость: их молекулы могут перемещаться и сталкиваться друг с другом, но все они направлены в основном в одном направлении. Они немного похожи на спички в спичечном коробке: их можно встряхивать и двигать, но все равно они смотрят в одну сторону.
  • Если вы охлаждаете жидкие кристаллы, они переходят в смектику. Теперь молекулы формируются в слои, которые могут относительно легко скользить друг относительно друга. Молекулы данного слоя могут перемещаться внутри него, но не могут и не перемещаются в другие слои (что-то вроде людей, работающих в разных компаниях на определенных этажах офисного здания). На самом деле существует несколько разных смектических «подфаз», но мы не будем вдаваться в них более подробно здесь.

    • Подробнее

    Хотите узнать больше о жидких кристаллах? На сайте Нобелевской премии есть замечательная страница под названием «История и свойства жидких кристаллов».

    Что такое поляризованный свет?

    У нематических жидких кристаллов есть отличный трюк для вечеринок. Они могут принимать скрученную структуру, и когда вы подаете на них электричество, они снова выпрямляются. Это может показаться не таким уж хитрым трюком, но это ключ к тому, как ЖК-дисплеи включают и выключают пиксели. Чтобы понять, как жидкие кристаллы могут управлять пикселями, нам нужно знать о поляризованном свете.

    Свет — загадочная вещь. Иногда он ведет себя как поток частиц — как постоянный шквал микроскопических пушечных ядер, переносящих энергию, которую мы можем видеть, по воздуху с чрезвычайно высокой скоростью. В других случаях свет ведет себя скорее как морские волны. Вместо воды, движущейся вверх и вниз, свет представляет собой волновую структуру электрической и магнитной энергии, вибрирующей в пространстве.

    Фото: трюк с поляризованным светом: наденьте одну пару поляризующих солнцезащитных очков на другую, и вы сможете блокировать практически весь свет, который обычно проходит через них.

    Когда солнечный свет падает с неба, световые волны смешиваются и вибрируют во всех возможных направлениях. Но если мы поместим на пути фильтр с сеткой линий, расположенных вертикально, как отверстия в тюремной решетке (только гораздо ближе друг к другу), мы сможем заблокировать все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально (единственные световые волны, которые могут пройти через вертикальные решетки). Поскольку мы блокируем большую часть первоначального солнечного света, наш фильтр эффективно приглушает свет. Вот как работают поляризационные солнцезащитные очки: они отсекают все, кроме солнечного света, вибрирующего в одном направлении или плоскости. Свет, отфильтрованный таким образом, называется поляризованным или плоскополяризованным светом (поскольку он может распространяться только в одной плоскости).

    Фото: Менее известный трюк с поляризованным светом: он заставляет кристаллы мерцать удивительными спектральными цветами из-за явления, называемого плеохроизмом. Фотография белковых и вирусных кристаллов, многие из которых выращены в космосе. Предоставлено: д-р Алекс Макферсон, Калифорнийский университет, Ирвин. Фото предоставлено Центром космических полетов имени Маршалла НАСА (NASA-MSFC).

    Если у вас есть две пары солнцезащитных очков с поляризацией (а с обычными солнцезащитными очками они не работают), вы можете сделать хитрый трюк. Если вы поместите одну пару прямо перед другой, вы все равно сможете видеть сквозь них. Но если вы медленно повернете одну пару, а другую оставите на том же месте, вы увидите, что проходящий свет постепенно становится темнее. Когда две пары солнцезащитных очков расположены под углом 90 градусов друг к другу, вы вообще не сможете видеть сквозь них. Первая пара солнцезащитных очков блокирует все световые волны, кроме вертикально вибрирующих. Вторая пара солнцезащитных очков работает точно так же, как и первая пара. Если обе пары очков смотрят в одном направлении, это нормально — световые волны, вибрирующие вертикально, все равно могут проходить через оба. Но если мы повернем вторую пару очков на 90 градусов, световые волны, прошедшие через первую пару очков, уже не смогут пройти через вторую пару. Никакой свет не может пройти через два поляризационных фильтра, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.

    Как в ЖК-дисплеях используются жидкие кристаллы и поляризованный свет

    Фото: Докажите себе, что ЖК-дисплей использует поляризованный свет. Просто наденьте поляризационные солнцезащитные очки и поверните голову (или дисплей). Вы увидите, что дисплей будет максимально ярким под одним углом, а самым темным — точно под углом 90 градусов к этому углу.

    ЖК-телевизоры используют трюк с солнцезащитными очками, чтобы включать и выключать цветные пиксели.

    В задней части экрана находится большой яркий свет, направленный на зрителя. Перед ним находятся миллионы пикселей, каждый из которых состоит из меньших областей, называемых субпикселями, которые окрашены в красный, синий или зеленый цвет. Каждый пиксель имеет поляризационный стеклянный фильтр позади него и еще один перед ним под углом 90 градусов. Это означает, что пиксель обычно выглядит темным. Между двумя поляризационными фильтрами находится крошечный скрученный нематический жидкий кристалл, который можно включать и выключать (скручивать или раскручивать) электронным способом. Когда он выключен, он поворачивает свет, проходящий через него, на 90 градусов, эффективно позволяя свету проходить через два поляризационных фильтра и делая пиксель ярким. Когда он включен, он не вращает свет, который блокируется одним из поляризаторов, и пиксель выглядит темным. Каждый пиксель управляется отдельным транзистором (крошечный электронный компонент), который может включать и выключать его множество раз в секунду.

    Фото: Как жидкие кристаллы включают и выключают свет. В одной ориентации поляризованный свет не может проходить через кристаллы, поэтому они кажутся темными (фото слева). В другой ориентации поляризованный свет проходит нормально, поэтому кристаллы кажутся яркими (фото справа). Мы можем заставить кристаллы менять ориентацию — и включать и выключать их пиксели — просто применяя электрическое поле. Фотография исследования жидких кристаллов, проведенного Дэвидом Вайцем, предоставлена ​​Центром космических полетов имени Маршалла НАСА (NASA-MSFC).

    Как работают цветные пиксели на ЖК-дисплеях

    На задней панели вашего телевизора есть яркий свет; есть много цветных квадратов, мерцающих на фронте. Что происходит между ними? Вот как включается и выключается каждый цветной пиксель:

    Как отключаются пиксели

    1. Свет распространяется от задней части телевизора к передней части от большого яркого источника.
    2. Горизонтальный поляризационный фильтр перед источником света блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются горизонтально.
    3. Пройти могут только световые волны, вибрирующие горизонтально.
    4. Транзистор выключает этот пиксель, включая электричество, протекающее через его жидкие кристаллы. Это заставляет кристаллы выпрямляться (так что они полностью раскручиваются), и свет проходит сквозь них без изменений.
    5. Световые волны исходят от жидких кристаллов, все еще вибрирующих горизонтально.
    6. Вертикальный поляризационный фильтр перед жидкими кристаллами блокирует все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально. Горизонтально вибрирующий свет, прошедший через жидкие кристаллы, не может пройти через вертикальный фильтр.
    7. В этот момент свет не достигает экрана. Другими словами, этот пиксель темный.

    Как включаются пиксели

    1. Яркий свет в задней части экрана сияет, как и раньше.
    2. Горизонтальный поляризационный фильтр перед источником света блокирует все световые волны, кроме тех, которые вибрируют горизонтально.
    3. Пройти могут только световые волны, вибрирующие горизонтально.
    4. Транзистор включает этот пиксель, отключая электричество, протекающее через его жидкие кристаллы. Это заставляет кристаллы скручиваться. Скрученные кристаллы поворачивают световые волны на 90 градусов по мере их прохождения.
    5. Световые волны, вошедшие в жидкие кристаллы, колеблются горизонтально, выходят из них, колеблясь вертикально.
    6. Вертикальный поляризационный фильтр перед жидкими кристаллами блокирует все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально. Вертикально вибрирующий свет, исходящий от жидких кристаллов, теперь может пройти через вертикальный фильтр.
    7. Пиксель светится. Красный, синий или зеленый фильтр придает пикселю его цвет.

    В чем разница между LCD и плазмой?

    Плазменный экран похож на ЖК-дисплей, но работает совершенно по-другому: каждый пиксель фактически представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, светящуюся плазмой.Плазма — это очень горячая форма газа, в котором атомы разлетаются на части, образуя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы (атомы минус их электроны). Они свободно перемещаются, производя нечеткое свечение света при каждом столкновении. Плазменные экраны можно сделать намного больше, чем обычные телевизоры с электронно-лучевой трубкой, но они и намного дороже.

    Краткая история ЖК-дисплеев

    <УЛ>
  • 1888: Фридрих Райнитцер, австрийский ученый-растениевод, открывает жидкие кристаллы при изучении химического вещества под названием холестерилбензоат. Кажется, что у него есть две различные кристаллические формы, одна твердая и одна жидкая, каждая со своей температурой плавления.
  • 1889: Опираясь на работу Рейнитцера, немецкий химик и физик Отто Леманн вводит термин «жидкие кристаллы» (первоначально «текучие кристаллы» или «fliessende Krystalle» на немецком языке) и проводит более подробные исследования с использованием поляризованного света. Хотя его работа номинирована на Нобелевскую премию, он никогда ее не получает.
  • 1962: Ричард Уильямс из RCA начинает исследование оптических свойств нематических жидких кристаллов. Он подал заявку на свой новаторский патент на ЖК-экран (патент США 3 322 485) 9 ноября 1962 года, и, наконец, почти пять лет спустя, 30 мая 1967 года, он был выдан.

    • Иллюстрация: Ричард Уильямс изложил принцип ЖК-дисплеев в патенте США 3 322 485. Слой жидких кристаллов (желтый) между двумя прозрачными пластинами (красный) включает и выключает дисплей при подаче напряжения (синий). Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

    Подробнее

    На этом сайте

    Книги

    <УЛ> Джозеф А. Кастеллано. World Scientific, 2005. Научный хронологический отчет о разработке ЖК-дисплеев, который ведет нас от первых дней RCA к революции ПК и HDTV. Тимоти Дж. Слукин, Дэвид А. Данмур, Хорст Стегемейер. Taylor & Francis, 2004. Сборник важных статей по исследованиям жидких кристаллов с 1888 по 1970-е годы с краткими комментариями к каждой. Питер Дж. Коллингс и Майкл Херд. КПР Пресс, 1997/2017. Междисциплинарная книга, посвященная истории, науке и технологиям жидких кристаллов и ЖК-дисплеев. Шиварамакришна Чандрашекхар. Cambridge University Press, 1992. Классический учебник о трех типах жидких кристаллов, их свойствах и различных применениях.

    Статьи

    Обзор

    <УЛ> Джозеф Кастеллано, американский ученый, Vol. 94, № 5, сентябрь – октябрь 2006 г., стр. 438–445. Отличное введение в ЖК-технологию и то, как она развивалась. Джеймс Л. Фергасон, Scientific American, Vol. 211, № 2, август 1964 г., стр. 76–85. Это четкое, иллюстрированное объяснение (представленное одним из пионеров ЖК-дисплеев) стоит того, чтобы его изучить.

    Новости и события

    <УЛ> Лоуренс Ульрих. IEEE Spectrum, 29 января 2020 г. Старомодные солнцезащитные козырьки могут устареть благодаря электронной версии, которая автоматически подстраивается под силу и положение солнца. Тим Мойнихэн. Wired, 19 января 2015 г. Как квантовые точки могут сделать ЖК-дисплеи ярче и лучше, но затмят ли они OLED-дисплеи? Декстер Джонсон. IEEE Spectrum, 24 ноября 2014 г. Новый поляризационный фильтр, поглощающий меньше света, может сделать ЖК-дисплеи ярче и снизить энергопотребление. Альфред Пур. IEEE Spectrum, 29 сентября 2011 г. Взгляд на последние тенденции в дизайне ЖК-дисплеев.

    История

    <УЛ> Бенджамин Гросс. IEEE Spectrum, ноябрь 2012 г. Хотя компания RCA владела первоначальными патентами на ЖК-дисплеи, ей не удалось превратить их в выигрышную коммерческую технологию. Герберт Шульдинер, Popular Science, сентябрь 1984 г. Так журнал Popular Science объявил о появлении компактных ЖК-экранов более четверти века назад. Включает довольно красивую трехмерную диаграмму того, как жидкие кристаллы искажают поляризованный свет. Х. Стегемейер, Жидкие кристаллы, том 5, номер 1, 2006 г., стр. 5–6.

    Технические документы

    <УЛ>
  • [PDF] Основы жидких кристаллов: как они работают и что они делают, Fujitsu. Этот полезный справочный материал начинается с того места, где заканчивается моя статья, объясняя подробное описание работы ЖК-дисплеев и их различных типов просто и ясно. Ричард Уильямс, RCA Corporation, 30 мая 1967 г. Оригинальный патент RCA на нематические ЖК-дисплеи. Джеймс Л. Фергасон, RCA Corporation, 8 мая 1973 г. Первый дисплей с использованием скрученных нематических ЖК-дисплеев.

    • НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

    Авторские права на текст © Chris Woodford, 2007, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

    Подпишитесь на нас

    Оцените эту страницу

    Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

    Сохранить или поделиться этой страницей

    Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям с помощью:

    Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) состоят из жидких кристаллов, активируемых электрическим током. Чаще всего они используются для отображения одной или нескольких строк буквенно-цифровой информации на различных устройствах: факсимильные аппараты, экраны портативных компьютеров, счетчики вызовов автоответчиков, научные приборы, портативные проигрыватели компакт-дисков, часы и т. д. Самый дорогой и продвинутый тип — дисплеи с активной матрицей — даже используются в качестве экранов для портативных цветных телевизоров. Со временем их можно будет широко использовать для больших экранов телевизоров высокой четкости.

    Основой ЖК-технологии являются жидкие кристаллы, вещества, состоящие из сложных молекул. Как и вода, жидкие кристаллы затвердевают при низких температурах. Также как вода, они тают, когда вы их нагреваете. Но когда лед тает, он превращается в прозрачную, легко текущую жидкость. Однако жидкие кристаллы превращаются в мутную жидкость, сильно отличающуюся от таких жидкостей, как вода, спирт или растительное масло. При несколько более высоких температурах мутность исчезает, и они выглядят почти как любые другие жидкости.

    Когда жидкий кристалл представляет собой твердое тело, его молекулы выстраиваются параллельно друг другу. В промежуточной мутной фазе (жидкой) молекулы еще сохраняют эту более или менее параллельную ориентацию. Как и в любой жидкости, молекулы могут свободно перемещаться, но они имеют тенденцию «выстраиваться» в одном направлении, отражая свет и вызывая мутный вид. Более высокие температуры, как правило, взбалтывают молекулы и делают жидкость прозрачной.

    В ЖК-дисплее электрический ток используется для переключения сегментов жидких кристаллов из прозрачного состояния в мутное, при этом каждый сегмент является частью числа или буквы. Сегменты также могут быть в форме крошечных точек или пикселей и могут быть расположены в строках и столбцах. Они включаются и выключаются индивидуально, чтобы блокировать или пропускать поляризованный свет. Когда свет блокируется, на отражающем экране создается темное пятно.

    Существует два основных типа ЖК-дисплеев: пассивная матрица и более новая активная матрица (AMLCD). Более яркие и легко читаемые дисплеи с активной матрицей используют транзисторы за каждым пикселем для повышения качества изображения. Однако производственный процесс для AMLCD намного сложнее, чем для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей. Целых 50 процентов сделанных теперь должны быть выброшены из-за несовершенства. Одного недостатка достаточно, чтобы испортить AMLCD. Это делает их очень дорогими в производстве.

    Сырье

    Рабочий ЖК-дисплей состоит из нескольких компонентов: стекла дисплея, приводной электроники, управляющей электроники, механического блока и блока питания. стекло дисплея, между которым лежат жидкие кристаллы, покрыто электродами строки и столбца и имеет контактные площадки для подключения приводной электроники (электрического тока) к каждому электроду строки и столбца. Электроника привода – это интегральные схемы, которые подают ток для "приведения в действие" электродов строки и столбца. Управляющая электроника также представляет собой интегральные схемы. Они декодируют и интерпретируют входящие сигналы — например, от портативного компьютера — и отправляют их в электронику привода. Механический блок представляет собой раму, на которой печатные платы привода и управляющей электроники крепятся к стеклу дисплея. Этот пакет

    Во всех ЖК-дисплеях жидкий кристалл зажат между двумя кусками стекла или прозрачного пластика, называемыми подложками. Если используется стекло, его часто покрывают диоксидом кремния для улучшения выравнивания жидких кристаллов. Затем изготавливаются прозрачные узоры электродов путем нанесения на стекло слоя оксида индия и олова и использования процесса фотолитографии или шелкографии для получения рисунка.

    также укрепляет и защищает стекло дисплея и прикрепляет весь дисплей к устройству с ЖК-дисплеем, будь то ноутбук, факс или другое устройство. Наконец, источник питания представляет собой электронную схему, которая подает ток на ЖК-дисплей. Производители оборудования, которые используют ЖК-дисплеи, часто покупают блоки питания отдельно.

    Во всех ЖК-дисплеях жидкий кристалл зажат между двумя кусками стекла или прозрачного пластика, называемыми подложками. Просто любое стекло не подойдет.Если в стекле много ионов натрия или других щелочных ионов, они могут перемещаться на поверхность стекла, смешиваться с любой имеющейся там влагой и изменять структуру электрического поля и выравнивание жидких кристаллов. Чтобы этого избежать, производители ЖК-дисплеев либо используют боросиликатное стекло, в котором мало ионов, либо наносят на стекло слой диоксида кремния. Диоксид кремния предотвращает контакт ионов с любой влагой. Еще более простое решение — использовать пластик вместо стекла. Использование пластика также делает дисплей легче. Однако недорогие пластмассы рассеивают свет сильнее, чем стекло, и могут вступать в химическую реакцию с жидкокристаллическими веществами.

    Сегодня в большинстве ЖК-дисплеев также используется источник света, поступающего с задней стороны дисплея (подсветка), например флуоресцентная лампа, чтобы жидкие кристаллы казались темнее на экране в мутной фазе. Производители ЖК-дисплеев также используют листы поляризатора для усиления этого эффекта.

    Производственный
    процесс

    Изготовление ЖК-дисплеев с пассивной матрицей — это многоэтапный процесс. Поверхность и заднее стекло дисплея сначала полируются, моются и покрываются диоксидом кремния (SiO 2 ). Затем на стекло напыляется слой оксида индия и олова и вытравливается желаемый рисунок. Затем наносится слой полимера с длинной цепью, чтобы позволить жидким кристаллам правильно выровняться, после чего наносится герметизирующая смола. Затем устанавливаются распорки, и стеклянный сэндвич заполняется жидкокристаллическим материалом.

    Подготовка стеклянных подложек

    • 1 Во-первых, две стеклянные подложки должны быть обрезаны до нужного размера, отполированы и вымыты. Резка может быть выполнена с помощью алмазной пилы или скребка, а полировка включает в себя процесс, называемый притиркой, при котором стекло прижимается к вращающемуся колесу с внедренными в него абразивными частицами. После промывки и сушки подложки покрывают слоем диоксида кремния.

    Создание рисунка электрода

    • 2 Затем на подложках необходимо нанести рисунок прозрачного электрода. Это делается путем полного покрытия передней и задней стеклянных поверхностей очень тонким слоем оксида индия-олова. Затем производители изготавливают маску с желаемым рисунком, используя процесс шелкографии или фотолитографии. Они наносят готовую маску на стекло с полным покрытием, а ненужные участки оксида индия-олова удаляются химическим путем.
    • 3 Кроме того, более тонкое разрешение можно получить, используя стекло со слоем устойчивого к травлению светочувствительного материала (так называемого фоторезиста) поверх пленки оксида индия и олова. На стекло накладывается маска с нужным рисунком, и стекло бомбардируется ультрафиолетовым светом. Этот свет приводит к тому, что резистивный слой, на который он светит, теряет устойчивость к травлению, позволяя химическим веществам разъедать как экспонированный фоторезист, так и оксид индия-олова под ним, таким образом формируя рисунок. Затем оставшийся ненужный фоторезист можно удалить с помощью других химикатов. Вторая разновидность резистивной пленки устойчива к травлению только после воздействия ультрафиолетового света; в этом случае необходимо использовать негативную маску шаблона. Независимо от того, какой метод используется, узоры на двух подложках спроектированы так, чтобы перекрываться только в определенных местах, конструкция, которая гарантирует, что тонкие полоски оксида индия-олова, передающие напряжение на каждый элемент, не имеют электрода, расположенного прямо напротив, который мог бы появиться во время работы. ячейка работает.

    Нанесение полимера

    • 4 После того, как рисунок электрода установлен, подложки должны быть покрыты полимером. Полимер позволяет жидким кристаллам правильно выравниваться по поверхности стекла. Можно использовать поливиниловый спирт, полиамиды и некоторые силаны. Полиамиды являются наиболее популярными агентами, поскольку поливиниловый спирт подвержен проблемам с влажностью, а силаны образуют тонкое и ненадежное покрытие.
    • 5 После нанесения покрытия на стекло производители наносят мягкий материал на полимерное покрытие в одном направлении. Это может привести к вытравливанию в полимере небольших параллельных канавок или просто к растяжению полимерного покрытия. В любом случае этот процесс заставляет жидкие кристаллы располагаться параллельно направлению штриха. Кристаллы можно выровнять другим способом, напылив оксид кремния на поверхность стекла под косым углом. Эта процедура используется для изготовления большинства дисплеев цифровых часов, но неудобна для изготовления крупномасштабных дисплеев. Он также не обеспечивает низкий угол наклона, возможный при использовании предыдущего метода.
    • 6 Если производители ЖК-дисплеев хотят выровнять жидкие кристаллы перпендикулярно поверхности стекла, используется другой метод: покрытие стекла амфофильным материалом. Это материал, молекулы которого проявляют сродство к воде на одном конце молекулы и отталкиваются от воды на другом конце.Один конец — конец сродства — прилипает к поверхности стекла, а другой конец — конец отталкивания — указывает в область жидких кристаллов, отталкивая жидкие кристаллы и формируя их в выравнивание, перпендикулярное поверхности стекла.

    Нанесение герметика и введение
    жидкого кристалла

    • 7 Затем на подложку наносится герметизирующая смола, а затем пластиковые прокладки, которые придают жидкокристаллической ячейке необходимую толщину. Затем жидкокристаллический материал вводят в соответствующую область между двумя стеклянными подложками. Толщина ячейки ЖК-дисплея обычно ограничена 5-25 микрометрами. Поскольку правильная толщина имеет решающее значение для работы ячейки, а прокладки не всегда достигают одинаковой толщины, производители ЖК-дисплеев иногда помещают в жидкокристаллический материал стеклянные волокна или шарики соответствующего размера. Бусины или волокна не видны невооруженным глазом. Они помогают удерживать ячейку нужной толщины во время схватывания герметика.
    • 8 Чтобы сделать ЖК-дисплеи более заметными, добавляются поляризаторы. Обычно они изготавливаются из растянутых пленок поливинилового спирта, содержащих йод, которые зажаты между слоями ацетата целлюлозы. Также доступны цветные поляризаторы, изготовленные с использованием красителя вместо йода. Производители приклеивают поляризатор к стеклу с помощью акрилового клея и покрывают пластиковой защитной пленкой. Они могут создавать отражающие поляризаторы, которые также используются в ЖК-дисплеях, используя простой отражатель из металлической фольги.

    В типичном ЖК-часе в сборе заштрихованные области вытравливаются химическим способом, чтобы сформировать рисунок электрода. Сегменты включаются и выключаются по отдельности, чтобы блокировать или пропускать поляризованный свет. Когда на сегмент подается электрический ток, свет блокируется, и на отражающем экране создается темное пятно.

    Окончательная сборка

    • 9 После прикрепления поляризаторной пленки устройство подвергается старению. Наконец, готовый стеклянный дисплей в сборе монтируется на печатные платы, содержащие управляющую и управляющую электронику. После этого весь пакет готов к подключению к устройству с помощью ЖК-дисплея — ноутбуку, факсу, часам и т. д.

    Производство ЖК-дисплеев с активной матрицей

    Процесс, используемый для изготовления ЖК-дисплеев с активной матрицей (AMLCD), очень похож на процесс, используемый для ЖК-дисплеев с пассивной матрицей, хотя он более сложен и труден. Как правило, этапы нанесения покрытия SiO 2, нанесения оксида индия-олова и травления фоторезиста заменяются множеством других этапов.

    В случае AMLCD каждый компонент ЖК-дисплея должен быть изменен для правильной работы с тонкопленочным транзистором и электроникой, используемой для усиления и четкости изображения ЖК-дисплея. Как и их собратья с пассивной матрицей, дисплеи с активной матрицей представляют собой бутерброды, состоящие из нескольких слоев: поляризационная пленка; натриевую барьерную пленку (SiO2), стеклянную подложку, содержащую черную матрицу, и вторую натриевую барьерную пленку; цветной фильтр и верхний слой цветного фильтра из акрила/уретана; прозрачный электрод; ориентационная пленка из полиамида; и фактический жидкокристаллический материал, включающий пластиковые/стеклянные прокладки для поддержания надлежащей толщины ячейки ЖК-дисплея.

    Контроль качества

    ЖК-дисплеи, особенно для дисплеев ноутбуков, изготавливаются в строго контролируемых условиях в чистом помещении, чтобы максимально увеличить производительность. «Чистые помещения» имеют специальные устройства для фильтрации воздуха, предназначенные для предотвращения попадания в помещение всех частиц пыли, а работающие в помещении должны носить специальную одежду. Тем не менее, многие ЖК-дисплеи приходится выбрасывать из-за недостатков. Это особенно верно в отношении AMLCD, процент отказов которых в настоящее время составляет примерно 50 процентов. Чтобы свести к минимуму количество отказов, каждое активное устройство проверяется, и как можно больше ремонтируется. Кроме того, сборки активной матрицы проверяются сразу после этапа травления фоторезиста и снова после ввода жидкокристаллического материала.

    Будущее

    Очевидно, что будущее за ЖК-дисплеями с активной матрицей, несмотря на то, что в настоящее время уровень брака очень высок, а производственный процесс очень дорог. Ожидается постепенное совершенствование процесса производства AMLCD, и фактически компании уже начинают предлагать оборудование для проверки и ремонта, которое может снизить текущий уровень брака с 50 % до примерно 35 %.

    Но реальный толчок развитию технологии производства ЖК-дисплеев могут дать все деньги, которые компании вкладывают в процесс исследований и разработок в области широкоформатных дисплеев AMLCD для долгожданного телевидения высокой четкости.

    Где узнать больше

    Книги

    Чандрасекар, С. Жидкие кристаллы, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, 1993 г.

    Коллинз, Питер Дж. Жидкие кристаллы: нежная фаза материи в природе. Princeton University Press, 1991.

    Доан, Дж. В., изд. Жидкокристаллические дисплеи и приложения. SPIE-International Society for Optical Engineering, 1990.

    Drzaic, P.S., изд. Жидкокристаллические материалы, устройства и приложения. SPIE-International Society for Optical Engineering, 1992.

    Канеко, Д. Жидкокристаллические телевизионные дисплеи. Kluwer Academic Publishers, 1987.

    О'Мара, Уильям К. Жидкокристаллический плоский дисплей: наука и технология производства. Ван Ностранд Рейнхольд, 1993 г.

    Периодические издания

    Керран, Лоуренс. «Копин, команда Sarnoff в Advanced LCD Effort». Электроника. 10 августа 1992 г., с. 11.

    Фицджеральд, Майкл. «Стандарты отображения неуловимы». Computerworld. 21 декабря 1992 г., с. 27.

    Флейшманн, Марк. «Настенный телевизор из крошечных ЖК-дисплеев». Популярная наука, июнь 1991 г., с. 94.

    Киннаман, Дэниел Э. "ЖК-панели: новое поколение". Технологии и обучение, март 1993 г., стр. 44.

    Робинсон, Гейл М. «Системы отображения делают скачок вперед: новые технологии предлагают дизайнерам больше возможностей, чем когда-либо, в области ЭЛТ, ЖК-дисплеев, электролюминесценции и многого другого». Новости дизайна. 13 февраля 1989 г., с. 52.

    Вудард, Олли С. старший и Том Лонг. «Технологии отображения». Байт. Июль 1992 г., с. 158.

    Время ЭЛТ-дисплеев (электронно-лучевых трубок) прошло. Хотя некоторые люди заново открывают для себя, какими замечательными могут быть ЭЛТ, подавляющее большинство современных дисплеев представляют собой плоские панели. Однако то, что современные экраны имеют более или менее одинаковый внешний вид, не означает, что внутри они такие же.

    Существует множество технологий плоскопанельных дисплеев, которые можно найти повсюду. Конкретный тип технологии вашего плоскоэкранного дисплея влияет на все: от того, как воспроизводится изображение, до стоимости дисплея.

    Мы рассмотрим наиболее важные текущие и будущие технологии панелей, а также плюсы и минусы каждой из них. Вооружившись этой информацией, вы сможете принять обоснованное решение в следующий раз, когда вам нужно будет купить телевизор или монитор.

    ЖК-экраны с витой нематикой (TN)

    Панели TN представляют собой самую простую форму ЖК-дисплея (жидкокристаллического дисплея). Название относится к основному принципу работы всех ЖК-дисплеев. Специальный жидкокристаллический материал выравнивается или смещается под действием электрического тока. Таким образом, эти дисплеи могут воспроизводить полноцветные изображения, изменяя количество красного, зеленого или синего света, проходящего через каждый пиксель.

    Современные панели TN намного лучше, чем те ранние модели, которые действительно заставили вас сожалеть о переходе с ЭЛТ, но в наши дни широкая аудитория была бы довольна типичным экраном TN для массового рынка.

    Есть два основных преимущества выбора экрана TN. Во-первых, это быстрое время отклика. Это измерение того, сколько времени требуется для перехода дисплея из одного состояния в другое. Медленное время отклика может привести к размытым изображениям и ореолу. Вот почему конкурентоспособные геймеры предпочитают панели TN, поскольку нередко можно найти панели со временем отклика менее миллисекунды.

    Быстрый игровой монитор TN с временем отклика 2 мс

    Второе важное преимущество панелей TN — цена. При прочих равных условиях экраны TN почти всегда дешевле, чем другие технологии.

    К сожалению, есть проблемы. У них относительно плохие углы обзора, они могут выглядеть размытыми и не воспроизводят яркие и точные цвета. Что еще хуже, дисплеи IPS (о которых мы поговорим далее) теперь могут достигать аналогичного времени отклика без ущерба для качества изображения.

    ЖК-экраны с плоскостной коммутацией (IPS)

    Технология IPS была одним из новых подходов к ЖК-дисплеям, разработанных специально для устранения основных недостатков технологии TN. Дисплеи IPS обеспечивают точную цветопередачу, яркие цвета и фантастические углы обзора.

    Технология IPS также значительно снизила преимущество экранов TN во времени отклика, но это зависит от конкретной модели. Обязательно проверьте характеристики времени отклика на любом интересующем вас IPS-экране.

    Одна из областей, в которой экраны IPS немного уступают панелям TN, — это воспроизведение черного цвета. Тем не менее, плохое воспроизведение черного — общая проблема всех ЖК-технологий.Эта проблема решается повсеместно.

    Сверхширокий монитор с точной цветопередачей и технологией IPS

    Мониторы IPS, как правило, являются лучшим вариантом для тех, кто занимается редактированием видео, фото, дизайном и другими профессиями, где важна точность цветопередачи. Хотя вам все равно придется откалибровать дисплей IPS, чтобы действительно установить правильные настройки.

    Экраны IPS также подходят для геймеров, особенно для тех, кому не нужна частота обновления выше 60 Гц. Несмотря на то, что экраны IPS с высокой частотой обновления существуют, они имеют более высокую цену по сравнению с такими же быстрыми панелями TN. В целом, когда речь идет о компьютерных мониторах, дисплеи IPS являются лучшим выбором для большинства пользователей.

    ЖК-экраны с вертикальным выравниванием (VA)

    В панелях VA жидкие кристаллы, которые используются во всех ЖК-дисплеях, имеют другую ориентацию. То есть они выравниваются вертикально относительно стекла дисплея при подаче тока. Это меняет то, что происходит со светом, когда он проходит через дисплей, по сравнению с подходами TN и IPS.

    Одним из наиболее важных преимуществ панелей VA является тот факт, что они обеспечивают лучший уровень черного среди ЖК-дисплеев. Эта конструкция плоскопанельного дисплея также предлагает гораздо более широкие углы обзора, чем у TN или IPS.

    Большой монитор HP EliteDisplay с технологией VA

    Вот почему панели VA часто используются в телевизорах, а не в компьютерных мониторах. Пользователи компьютеров обычно работают в одиночку и смотрят на экран с оптимальной центральной точки зрения. Телевизоры смотрят группы людей, причем некоторые смотрят на экран вне оси. Панели VA минимизируют цветовой сдвиг и другие искажения для тех зрителей, которые сидят далеко слева или справа от экрана.

    Существует два подтипа плоских панелей VA: MVA (многодоменное вертикальное выравнивание) и PVA (шаблонное вертикальное выравнивание)

    Технология плоскопанельных дисплеев MVA была разработана как нечто среднее между дисплеями TN и IPS. Благодаря усовершенствованиям как TN, так и IPS потребность в этом компромиссе уменьшилась, но современная технология MVA имеет свое место в виде технологий «Advanced» и «Super» MVA.

    Технология PVA является собственностью Samsung, и вы обнаружите, что они внесли в нее различные собственные настройки, улучшающие такие параметры, как точность цветопередачи или яркость.

    Плоские OLED-панели

    Дисплеи OLED или органических светоизлучающих диодов используют совершенно другой принцип, чем ЖК-дисплеи. Они состоят из пикселей, содержащих органические химические вещества, излучающие свет. ЖК-дисплеи используют подсветку через панель, чтобы сделать дисплей видимым. Из-за этого ЖК-дисплеям трудно воспроизвести настоящий черный цвет, поскольку через панель всегда проходит свет. OLED-дисплеи обеспечивают идеальный уровень черного, просто отключая эти пиксели.

    Смартфоны премиум-класса и высококачественные телевизоры используют технологию плоскопанельных OLED-дисплеев. Она превосходит ЖК-технологию почти во всех отношениях, за исключением более высокой склонности к «выгоранию», когда изображение остается на экране. Oled также можно сделать невероятно тонким, что позволяет использовать его для стильных настенных телевизоров или телевизоров, которые легко спрятать, когда они не используются.

    Настенный LG OLED

    OLED-дисплеи по-прежнему довольно дороги, но с годами цены падают. LG, в частности, продает OLED-телевизоры по ценам, которые можно считать почти разумными.

    При этом производители ЖК-дисплеев совершенствуют свои технологии, чтобы приблизить их к возможностям OLED по гораздо более низкой цене. Один из примеров — телевизоры Samsung с дерзким названием QLED.

    Мини-светодиодные плоские панели

    Мини-светодиодные плоские панели — это обычные ЖК-панели любого типа. Разница заключается в технологии подсветки. Сначала ЖК-дисплеи подсвечивались люминесцентными лампами, что создавало неравномерную яркость и различные другие проблемы. Затем светодиодная подсветка, расставленная по краям экрана, кардинально улучшила ситуацию. Сегодня в более дорогих телевизорах используется «локальное затемнение», при котором многочисленные светодиоды размещаются за панелью по всей ее поверхности.

    Телевизор Samsung 8K 2021 года с технологией mini-LED

    Например, телевизор может иметь 12 зон затемнения, что позволяет лучше передать настоящий черный цвет благодаря точному контролю яркости в каждой зоне.

    Мини-светодиоды во много раз меньше существующих массивов светодиодов, что позволяет разместить в телевизоре сотни, а возможно, и тысячи зон локального затемнения.Они обещают приблизиться к визуальному совершенству OLED-дисплеев, но по гораздо более доступной цене. Особенно для больших дисплеев.

    Плоские панели microLED

    Наконец, у нас появилась технология плоскопанельных дисплеев microLED. Купить дисплей с использованием этой технологии пока нельзя, но, вероятно, это ненадолго. Если вы думали, что мини-светодиоды маленькие, держитесь за шляпу. Микросветодиоды настолько малы, что их можно использовать как пиксели. Правильно, дисплей microLED не имеет ЖК-панели. Вы видите миллионы микроскопических огоньков.

    Эта технология обещает превосходное качество изображения для OLED-дисплеев без разрушения органических соединений со временем. Если вы хотите узнать больше, посмотрите OLED против MicroLED: стоит ли ждать? для подробного анализа.

    Какая технология плоскопанельного дисплея, по вашему мнению, предлагает наилучшие впечатления? Вас больше волнует стоимость или производительность? Есть ли другие технологии отображения, которые, по вашему мнению, следует включить в этот список? Мы будем рады услышать от вас в комментариях.

    Сидни Батлер — социолог и фанатик технологий, пытающийся понять, как сосуществуют люди и технологии. Он имеет двадцатилетний опыт работы внештатным специалистом по компьютерам и более десяти лет в качестве исследователя технологий и преподавателя. Сидни уже более пяти лет является профессиональным писателем по технологиям и освещает такие темы, как виртуальная реальность, игры, кибербезопасность и трансгуманизм. Прочитать полную биографию Сидни

    Понравился ли вам этот совет? Если это так, загляните на наш собственный канал на YouTube, где мы рассказываем о Windows, Mac, программном обеспечении и приложениях, а также предлагаем множество советов по устранению неполадок и видео с практическими рекомендациями. Нажмите кнопку ниже, чтобы подписаться!

    Технология ЖК-экранов довольно проста: ЖК-мониторы изготавливаются из вещества, которое постоянно находится в жидком состоянии, но обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам.

    Жидкокристаллический дисплей — это пассивное устройство, то есть он не излучает свет для отображения символов, изображений, видео и анимации. Но он просто изменяет свет, проходящий через него. Внутренняя конструкция ЖК-дисплея описывает, как меняется свет, когда он проходит через него, чтобы создавать какие-либо символы, изображения и т. д.

    Немного об истории.

    Американский изобретатель Дж. Фергасон создал первый работающий жидкокристаллический дисплей в 1970 году. До этого такие устройства потребляли слишком много энергии, срок их эксплуатации был ограничен, а контрастность изображения была на низком уровне. Новый ЖК-монитор был представлен в 1971 году. Несмотря на то, что жидкие кристаллы были открыты давно, поначалу они применялись для разных целей. Молекулы жидких кристаллов под действием электричества могут менять свою ориентацию и, как следствие, изменять свойства проходящего через них светового луча. На основе этого открытия и благодаря дальнейшим исследованиям стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристалла для обеспечения создания изображения. Сначала жидкие кристаллы нашли свое применение в дисплеях калькуляторов и кварцевых часов, а затем их использовали в мониторах. Сегодня, благодаря прогрессу в этой области, такие экраны стали очень популярны в настольных компьютерах и многих других устройствах.

    Технология ЖК-дисплея.

    ЖК-экраны представляют собой массив небольших сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. Такие дисплеи имеют несколько слоев, где решающую роль играют две панели, изготовленные из стеклянного материала, не содержащего натрия и называемые подложкой. Подложка содержит тонкий слой жидких кристаллов между ними. Панели имеют желобки, которые направляют кристаллы, придавая им характерную ориентацию. Канавки параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между ними. Продольные канавки получаются в результате нанесения на поверхность стекла тонких пленок прозрачного пластика, которые затем обрабатываются определенным образом. При соприкосновении с желобками молекулы ориентируются одинаково во всех клетках. Жидкокристаллическая панель освещается источником света в зависимости от того, где она расположена, так как ЖК-панели работают на отражение или на пропускание света.Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля молекулы частично выстраиваются вдоль него, и угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°. При производстве экранов с использованием технологии ЖК-мониторов задняя подсветка монитора используется для вывода цветного изображения, так что свет генерируется сзади ЖК-мониторов. Нужно иметь возможность иметь картинку хорошего качества, даже если темно. Цвет получается с помощью трех фильтров, которые выделяют три основных компонента излучения источника белого света. Комбинируя три основных цвета для каждого пикселя экрана, можно воспроизвести любой цвет.

    Сравнение ЖК-технологий: тогда и сейчас.

    Современные ЖК-экраны также называют плоскими панелями, активной матрицей с двойным сканированием и тонкопленочными транзисторами. Сейчас они чрезвычайно популярны — всем нравится их элегантный вид, тонкость, компактность и экономичность. ЖК-мониторы обеспечивают качественную контрастность и яркое четкое изображение. В прошлом технология жидких кристаллов была медленной, не такой эффективной, как сейчас, а уровень их контрастности был низким. Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы, неплохо работали с текстовой информацией, но при резком изменении картинки на экране появлялись так называемые «призраки». Поскольку ЖК-технология ориентирует каждый пиксель отдельно, четкость принимаемого текста выше по сравнению с ЭЛТ-мониторами, которые в прошлом могли конкурировать с ЖК-мониторами. Сейчас, конечно, с развитием техники и с учетом общего технологического процесса жидкокристаллические мониторы уже давно ушли вперед и занимают лидирующие позиции среди дисплеев, используемых для различных приложений. Мониторы на основе жидких кристаллов нашли широкое применение не только в настольных компьютерах, но и в ряде электронных устройств: телевизорах, фото- и видеокамерах, ноутбуках, планшетах, смартфонах, автомобильных навигаторах, электронных книгах, MP3 и других плеерах, часах и т.д. .

    Читайте также: