Как TFT LCD-дисплей покорил мир
Эволюция TFT LCD-дисплеев: от RCA Labs до господства 8K.
Зайдите сегодня в любую кофейню, аэропорт или гостиную, и вы увидите множество плоских экранов. Смартфоны, ноутбуки, настенные телевизоры, медицинские мониторы и даже приборные панели автомобилей — все они используют одну, незаметно доминирующую технологию. Эта технология — это... TFT ЖК-дисплейХотя OLED и micro-LED привлекают к себе всеобщее внимание, TFT LCD-дисплеи остаются основой мировой индустрии визуальных технологий. Как мы к этому пришли? Как на самом деле работает TFT LCD-дисплей? И почему эта технология продолжает процветать после десятилетий инноваций? В этой статье рассматривается полная история, внутреннее устройство и будущее TFT LCD-дисплеев.
Первые годы: от тонкопленочного MOSFET до работоспособного экрана.
- В 1957 году исследователь из RCA по имени Джон Уоллмарк подал патент на тонкопленочный MOSFET. Это был важный первый шаг, хотя никто еще не представлял себе его применение в TFT LCD-дисплее. Изобретение Уоллмарка позволило создать тонкопленочный транзистор (TFT) — переключатель настолько маленький и плоский, что его можно было наносить непосредственно на стекло.
- Пять лет спустя, в 1962 году, Пол К. Веймер, также работавший в RCA, использовал патенты Уолмарка для разработки практичной технологии тонкопленочных транзисторов. Тем не менее, эти ранние TFT-транзисторы еще не были объединены с жидкими кристаллами. Настоящее рождение TFT-ЖК-дисплея произошло в 1968 году, когда Бернард Лехнер из RCA впервые интегрировал технологию TFT в жидкокристаллический экран. Именно тогда пассивный ЖК-дисплей стал активным — родился настоящий TFT-ЖК-дисплей.
- К 1971 году Лехнер вместе с Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестером и Дж. Тултсом продемонстрировали функциональный матричный дисплей 2x18. Этот ранний TFT LCD-дисплей управлялся гибридной схемой, использующей модель динамического рассеивания. Он был примитивным, но доказал жизнеспособность концепции.
- Настоящий прорыв произошёл в 1974 году. Т. Питер Броди и Фан Чен Ло предложили первый планарный жидкокристаллический экран с активной матрицей, использующий тонкопленочный транзистор (TFT) на основе CdSe (селенида кадмия). Эта конструкция непосредственно предвосхитила современные ЖК-дисплеи на основе TFT. Год спустя Броди ввёл термин «активная матрица ЖК-дисплея» — фразу, которая определила развитие экранных технологий на следующие 50 лет.
Как работает TFT LCD-дисплей: «сэндвич», создающий изображения.
Чтобы понять, почему TFT LCD-дисплей завоевал мир, нужно взглянуть на его структуру. Современный TFT LCD-дисплей представляет собой точную многослойную конструкцию из стекла, жидких кристаллов, поляризаторов, цветовых фильтров и транзисторов.
Представьте себе TFT LCD-дисплей как многослойную структуру. В самом конце находится яркая белая подсветка — обычно это светодиодная матрица в более современных панелях. Перед подсветкой расположен первый поляризационный фильтр, который заставляет свет колебаться только в одном направлении. Далее следует стеклянный слой TFT — лист стекла, содержащий миллионы крошечных тонкопленочных транзисторов, расположенных в виде сетки. Каждый транзистор управляет одним субпикселем (красным, зеленым или синим).
Над слоем TFT находится сам жидкокристаллический материал. Жидкие кристаллы удивительны: они скручиваются и раскручиваются при подаче электрического заряда. В TFT ЖК-дисплее каждый субпиксель имеет свой собственный транзистор и крошечный накопительный конденсатор. Почему этот конденсатор важен? Потому что он позволяет каждому субпикселю сохранять свой заряд между циклами обновления. Без конденсатора TFT ЖК-дисплей должен был бы постоянно перезаписывать каждый пиксель, как пассивный матричный экран — мерцание и низкая эффективность.
Когда транзистор в TFT LCD-дисплее включается, он подает напряжение на жидкий кристалл. Кристалл поворачивается, изменяя поляризацию проходящего через него света. Затем свет попадает на цветовой фильтр RGB — красный, зеленый или синий — и, наконец, на второй поляризатор. Изменяя напряжение, TFT LCD-дисплей точно контролирует количество света, проходящего через каждый субпиксель, смешивая миллионы цветов.
Поверх всего этого находится верхний слой стекла и видимый экран. Весь TFT LCD-дисплей постоянно обновляется — каждый пиксель обновляется десятки или сотни раз в секунду в зависимости от входных данных от управляющего устройства. Разрешение TFT LCD-дисплея зависит от плотности расположения транзисторов: больше транзисторов на дюйм означает больше пикселей, а значит, и более высокую детализацию.
Одно из важнейших отличий: TFT LCD-дисплей не может излучать собственный свет. В отличие от OLED, каждому TFT LCD-дисплею необходима подсветка. В современных конструкциях используется светодиодная подсветка, что снижает энергопотребление и позволяет создавать более тонкие корпуса. Полный модуль TFT LCD-дисплея состоит из трех частей: TFT-стекла, светодиодной подсветки и схемы управления.
Преимущества TFT LCD-дисплеев: почему они вытеснили ЭЛТ и плазменные экраны.
TFT LCD-дисплей обладает рядом существенных преимуществ перед более старыми технологиями, такими как ЭЛТ (электронно-лучевые трубки) и плазменные дисплеи.
До появления TFT LCD-дисплеев мир полагался на пассивные матричные ЖК-экраны. Эти старые экраны — используемые в калькуляторах, цифровых часах, термостатах и простых измерительных приборах — могли отображать только монохромные изображения. Они были медленными, имели ужасный контраст и не могли обрабатывать видео. TFT LCD-дисплей изменил всё, добавив цвет, скорость и высокое разрешение. Активный матричный TFT LCD-дисплей может воспроизводить видео 4K, обновляться с частотой 240 Гц и отображать миллионы цветов.
Новая технология TFT: устранение старых недостатков
В течение многих лет TFT LCD-дисплеи имели два основных недостатка: узкие углы обзора и медленное время отклика. Ранние TFT LCD-панели искажали или меняли цвет при просмотре под углом. Размытие изображения было распространенным явлением в сценах с быстрым движением.
Эти проблемы решены. Современные TFT LCD-панели, особенно те, которые используют технологию IPS (in-plane switching), обеспечивают углы обзора 170 градусов и более с минимальным искажением цвета. Время отклика снизилось до 1 мс на игровых TFT LCD-панелях, что устраняет эффект остаточного изображения.
В перспективе технология TFT LCD-дисплеев продолжает развиваться. На выставке CES 2019 компания Samsung продемонстрировала 146-дюймовый TFT LCD-дисплей под названием «The Wall» — доказательство того, что TFT может масштабироваться до огромных размеров. Разрешение быстро растет. Панели TFT LCD с разрешением 8K (7680 × 4320 пикселей) уже находятся в производстве, обеспечивая в четыре раза большую детализацию, чем 4K.
Скорость — ещё один важный аспект. Игровые TFT LCD-панели теперь достигают частоты обновления 240 Гц, 360 Гц и даже 500 Гц. Широкие углы обзора, превышающие 170 градусов, являются стандартом для премиальных TFT LCD-дисплеев. Коэффициент контрастности значительно улучшился благодаря таким технологиям, как локальное затемнение и мини-светодиодная подсветка, приближая уровень черного в TFT LCD-дисплеях к OLED-дисплеям.
Пожалуй, наиболее впечатляющим является то, что TFT LCD-дисплеи теперь отвечают требованиям самых требовательных профессиональных приложений. Компьютерные мониторы в аэрокосмической отрасли полагаются на TFT LCD-панели благодаря их надежности и читаемости при ярком освещении кабины пилота. В медицинских и хирургических дисплеях, где качество изображения может влиять на результаты лечения пациентов, используются специализированные TFT LCD-экраны с высокой яркостью, высокой контрастностью и точной цветопередачей. Многие из этих медицинских TFT LCD-дисплеев объединены с емкостными сенсорными экранами (OCAP), создавая отзывчивые, стерильные интерфейсы для операционных.
Заключение: Непревзойденный TFT LCD-дисплей
Начиная с тонкопленочного MOSFET Джона Уоллмарка в 1957 году и заканчивая 146-дюймовыми гигантами на выставке CES 2019, TFT LCD-дисплеи пережили невероятный период развития. Они превратили лабораторную диковинку — жидкий кристалл — в доминирующий в мире визуальный интерфейс. Сегодня миллиарды TFT LCD-экранов используются в самых разных устройствах: от телефона в вашем кармане до телевизора на стене и монитора на вашем рабочем столе.
TFT LCD-дисплей добился успеха, потому что решил реальные проблемы: он тонкий там, где ЭЛТ-мониторы были толстыми, легкий там, где плазменные дисплеи были тяжелыми, дешевый там, где OLED-дисплеи дороги, и прочный там, где оба конкурента потерпели неудачу. Новые технологии, такие как micro-LED, в конечном итоге могут составить конкуренцию TFT LCD-дисплеям, но этот день еще не настал. На данный момент TFT LCD-дисплей остается тихим двигателем визуальной эпохи — многослойной конструкцией из стекла, жидких кристаллов и транзисторов, которая изменила мир, пиксель за пикселем.