Dünnschichttransistor-Flüssigkristallanzeige - Thin-film-transistor liquid-crystal display

Ein Dünnfilmtransistor-Flüssigkristalldisplay ( TFT-LCD ) ist eine Variante eines Flüssigkristalldisplays (LCD), das die Dünnfilmtransistor- (TFT)-Technologie verwendet, um Bildqualitäten wie Adressierbarkeit und Kontrast zu verbessern. Ein TFT-LCD ist ein Aktiv-Matrix- LCD, im Gegensatz zu Passiv-Matrix- LCDs oder einfachen, direkt angesteuerten LCDs mit wenigen Segmenten.

TFT-LCDs werden in Geräten wie Fernsehgeräten , Computermonitoren , Mobiltelefonen , Handheld-Geräten, Videospielsystemen , persönlichen digitalen Assistenten , Navigationssystemen , Projektoren und Armaturenbrettern von Autos verwendet .

Geschichte

Im Februar 1957 meldete John Wallmark von RCA ein Patent für einen Dünnschicht-MOSFET an. Paul K. Weimer , auch von RCA implementiert Wallmark Ideen und entwickelt , um den Dünnschichttransistor (TFT) im Jahr 1962, eine Art von MOSFET unterscheidet mich von dem Standard - Bulk - MOSFET. Es wurde mit dünnen Schichten von Cadmiumselenid und Cadmiumsulfid hergestellt . Die Idee eines TFT-basierten Flüssigkristalldisplays (LCD) wurde 1968 von Bernard Lechner von RCA Laboratories entwickelt . 1971 demonstrierten Lechner, FJ Marlowe, EO Nester und J. Tults ein 2-x-18-Matrix-Display, das von eine Hybridschaltung, die den dynamischen Streumodus von LCDs verwendet. 1973 entwickelten T. Peter Brody , JA Asars und GD Dixon von den Westinghouse Research Laboratories einen CdSe ( Cadmiumselenid ) TFT, mit dem sie das erste CdSe-Dünnschichttransistor-Flüssigkristalldisplay (TFT-LCD) demonstrierten. Brody und Fang-Chen Luo demonstrierten 1974 das erste flache Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay (AM LCD) mit CdSe-TFTs, und dann prägte Brody 1975 den Begriff "Aktivmatrix". Ab 2013 sind alle modernen hochauflösenden und hochwertige elektronische Bildschirmgeräte verwenden TFT-basierte Aktivmatrix-Displays.

Konstruktion

Ein Diagramm des Pixellayouts

Die in Rechnern und anderen Geräten mit ähnlich einfachen Anzeigen verwendeten Flüssigkristallanzeigen haben direkt angesteuerte Bildelemente, und daher kann eine Spannung leicht an nur ein Segment dieser Anzeigentypen angelegt werden, ohne die anderen Segmente zu stören. Dies wäre für ein großes Display unpraktisch , da es eine große Anzahl von (Farb-)Bildelementen ( Pixeln ) hätte und somit Millionen von Anschlüssen benötigt würden, sowohl oben als auch unten für jede der drei Farben (Rot, Grün .). und Blau) jedes Pixels. Um dieses Problem zu vermeiden, werden die Pixel in Zeilen und Spalten adressiert, wodurch die Anzahl der Verbindungen von Millionen auf Tausende reduziert wird. Die Spalten- und Zeilendrähte sind mit Transistorschaltern verbunden , einer für jedes Pixel. Die unidirektionale Stromdurchgangscharakteristik des Transistors verhindert, dass die Ladung, die an jedes Pixel angelegt wird, zwischen Auffrischungen zum Bild einer Anzeige abgeleitet wird. Jedes Pixel ist ein kleiner Kondensator mit einer Schicht aus isolierendem Flüssigkristall, die zwischen transparenten leitfähigen ITO- Schichten eingebettet ist.

Der Schaltungsaufbauprozess eines TFT-LCD ist dem von Halbleiterprodukten sehr ähnlich. Anstatt die Transistoren jedoch aus Silizium herzustellen , das zu einem kristallinen Siliziumwafer geformt wird , werden sie aus einem dünnen Film aus amorphem Silizium hergestellt , der auf einer Glasplatte abgeschieden wird . Die Siliziumschicht für TFT-LCDs wird typischerweise mit dem PECVD- Prozess abgeschieden . Transistoren nehmen nur einen kleinen Bruchteil der Fläche jedes Pixels ein und der Rest des Siliziumfilms wird weggeätzt, damit Licht leicht durch sie hindurchgehen kann.

Polykristallines Silizium wird manchmal in Displays verwendet, die eine höhere TFT-Leistung erfordern. Beispiele sind kleine hochauflösende Displays, wie sie in Projektoren oder Suchern zu finden sind. TFTs auf der Basis von amorphem Silizium sind aufgrund ihrer geringeren Herstellungskosten bei weitem am weitesten verbreitet, während TFTs aus polykristallinem Silizium teurer und viel schwieriger herzustellen sind.

Typen

Verdrillt nematisch (TN)

TN-Display unter dem Mikroskop, unten sichtbare Transistoren

Das Twisted-Nematic- Display ist eine der ältesten und häufig kostengünstigsten LCD-Display-Technologien. TN-Displays profitieren von schnellen Pixel-Reaktionszeiten und weniger Verschmieren als andere LCD-Display-Technologien, leiden jedoch unter schlechter Farbwiedergabe und eingeschränkten Blickwinkeln, insbesondere in vertikaler Richtung. Farben verschieben sich möglicherweise bis zur vollständigen Umkehrung, wenn sie in einem Winkel betrachtet werden, der nicht senkrecht zum Display steht. Moderne High-End-Verbraucherprodukte haben Methoden entwickelt, um die Mängel der Technologie zu überwinden, wie beispielsweise RTC- Technologien (Response Time Compensation / Overdrive) . Moderne TN-Displays können deutlich besser aussehen als ältere TN-Displays aus Jahrzehnten zuvor, aber insgesamt hat TN im Vergleich zu anderen Technologien schlechtere Blickwinkel und schlechte Farben.

TN-Panels können Farben mit nur sechs Bit pro RGB-Kanal oder insgesamt 18 Bit darstellen und sind nicht in der Lage, die 16,7 Millionen Farbtöne (24-Bit- Truecolor ) darzustellen , die mit 24-Bit-Farbe verfügbar sind. Stattdessen zeigen diese Panels interpolierte 24-Bit-Farben unter Verwendung einer Dithering- Methode an, die benachbarte Pixel kombiniert, um den gewünschten Farbton zu simulieren. Sie können auch eine Form des zeitlichen Ditherings namens Frame Rate Control (FRC) verwenden, die mit jedem neuen Frame zwischen verschiedenen Schattierungen wechselt , um eine Zwischenfarbe zu simulieren. Solche 18-Bit-Panels mit Dithering werden manchmal mit "16,2 Millionen Farben" beworben. Diese Farbsimulationsmethoden sind für viele Menschen auffällig und für einige sehr störend. FRC ist bei dunkleren Tönen am auffälligsten, während Dithering die einzelnen Pixel des LCDs sichtbar macht. Insgesamt sind Farbwiedergabe und Linearität auf TN-Panels schlecht. Mangel in der Anzeigefarbskala (oft als Prozentsatz der NTSC - Farbskala 1953 ) sind ebenfalls aufgrund von Gegenlicht - Technologie. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ältere Displays zwischen 10 % und 26 % des NTSC-Farbraums liegen, während andere Arten von Displays, die kompliziertere CCFL- oder LED- Phosphor- Formulierungen oder RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungen verwenden, über 100 % des NTSC-Farbraums hinausgehen können , ein für das menschliche Auge durchaus wahrnehmbarer Unterschied.

Die Transmission eines Pixels eines LCD-Panels ändert sich typischerweise nicht linear mit der angelegten Spannung, und der sRGB- Standard für Computermonitore erfordert eine spezifische nichtlineare Abhängigkeit der emittierten Lichtmenge als Funktion des RGB- Werts.

In-Plane-Switching (IPS)

In-Plane-Switching wurde 1996 von Hitachi Ltd. entwickelt , um den schlechten Betrachtungswinkel und die schlechte Farbwiedergabe von TN-Panels zu dieser Zeit zu verbessern. Sein Name kommt vom Hauptunterschied zu TN-Panels, dass sich die Kristallmoleküle parallel zur Panelebene bewegen und nicht senkrecht dazu. Diese Änderung reduziert die Lichtstreuung in der Matrix, was IPS seine charakteristischen weiten Betrachtungswinkel und eine gute Farbwiedergabe verleiht.

Anfängliche Iterationen der IPS-Technologie waren durch eine langsame Reaktionszeit und ein niedriges Kontrastverhältnis gekennzeichnet, aber spätere Überarbeitungen haben diese Mängel deutlich verbessert. Aufgrund seines weiten Betrachtungswinkels und der genauen Farbwiedergabe (mit fast keiner Farbverschiebung außerhalb des Winkels) wird IPS häufig in High-End-Monitoren für professionelle Grafiker eingesetzt, obwohl es mit dem jüngsten Preisverfall im Mainstream zu sehen war auch Markt. Die IPS-Technologie wurde von Hitachi an Panasonic verkauft.

Entwicklung der Hitachi IPS-Technologie
Name Spitzname Jahr Vorteil Transmission/
Kontrastverhältnis
Bemerkungen
Super-TFT IPS 1996 Großer Betrachtungswinkel 100/100
Grundstufe
Die meisten Panels unterstützen auch echte 8-Bit-Farben pro Kanal . Diese Verbesserungen wurden mit einer höheren Reaktionszeit von anfänglich etwa 50 ms erkauft. IPS-Panels waren auch extrem teuer.
Super-IPS S-IPS 1998 Farbverschiebung frei 100/137 IPS wurde seitdem von S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. im Jahr 1998) abgelöst, das alle Vorteile der IPS-Technologie mit einem verbesserten Pixel-Refresh-Timing bietet.
Fortschrittliches Super-IPS AS-IPS 2002 Hohe Transmission 130/250 AS-IPS, ebenfalls von Hitachi Ltd. im Jahr 2002 entwickelt, verbessert das Kontrastverhältnis herkömmlicher S-IPS-Panels erheblich, sodass sie nur noch von einigen S-PVAs übertroffen werden.
IPS-Provectus IPS-Pro 2004 Hohes Kontrastverhältnis 137/313 Das neueste Panel von IPS Alpha Technology mit einem breiteren Farbraum und Kontrastverhältnis passend zu PVA- und ASV-Displays ohne Off-Angle-Glowing.
IPS-Alpha IPS-Pro 2008 Hohes Kontrastverhältnis IPS-Pro der nächsten Generation
IPS alpha nächste Generation IPS-Pro 2010 Hohes Kontrastverhältnis
Entwicklung der LG IPS-Technologie
Name Spitzname Jahr Bemerkungen
Horizontales IPS H-IPS 2007 Verbessert das Kontrastverhältnis durch Verdrehen des Elektrodenebenen-Layouts. Außerdem wird ein optionaler Advanced True White Polarisationsfilm von NEC eingeführt, um Weiß natürlicher aussehen zu lassen. Dies wird in professionellen/Fotografie-LCDs verwendet.
Verbessertes IPS E-IPS 2009 Breitere Öffnung für die Lichtdurchlässigkeit, die die Verwendung von leistungsschwächeren, billigeren Hintergrundbeleuchtungen ermöglicht. Verbessert den diagonalen Betrachtungswinkel und reduziert die Reaktionszeit weiter auf 5 ms.
Professionelles IPS P-IPS 2010 Bietet 1,07 Milliarden Farben (10 Bit Farbtiefe). Mehr mögliche Ausrichtungen pro Subpixel (1024 im Gegensatz zu 256) und erzeugt eine bessere wahre Farbtiefe.
Fortschrittliches Hochleistungs-IPS AH-IPS 2011 Verbesserte Farbgenauigkeit, höhere Auflösung und PPI sowie höhere Lichtdurchlässigkeit für geringeren Stromverbrauch.

Advanced Fringe Field Switching (AFFS)

Dies ist eine LCD-Technologie, die vom IPS von Boe-Hydis aus Korea abgeleitet ist. Bis 2003 als Fringe Field Switching (FFS) bekannt, ist Advanced Fringe Field Switching eine Technologie, die IPS oder S-IPS ähnelt und überragende Leistung und Farbskala mit hoher Leuchtkraft bietet. Durch Lichtverlust verursachte Farbverschiebungen und -abweichungen werden durch die Optimierung des Weißfarbraums korrigiert, wodurch auch die Weiß-/Grauwiedergabe verbessert wird. AFFS wird von Hydis Technologies Co., Ltd, Korea (ehemals Hyundai Electronics, LCD Task Force) entwickelt.

Im Jahr 2004 lizenzierte Hydis Technologies Co., Ltd sein AFFS-Patent an Japans Hitachi Displays. Hitachi verwendet AFFS zur Herstellung von High-End-Panels in seiner Produktlinie. Im Jahr 2006 lizenzierte Hydis auch sein AFFS an die Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.

Hydis führte 2007 AFFS+ ein, das die Lesbarkeit im Freien verbesserte.

Vertikale Ausrichtung mit mehreren Domänen (MVA)

Es erreichte eine für seine Zeit schnelle Pixelreaktion, weite Betrachtungswinkel und einen hohen Kontrast auf Kosten von Helligkeit und Farbwiedergabe. Moderne MVA-Panels bieten weite Betrachtungswinkel (nach der S-IPS-Technologie an zweiter Stelle), gute Schwarztiefe, gute Farbwiedergabe und -tiefe sowie schnelle Reaktionszeiten durch den Einsatz von RTC- Technologien ( Response Time Compensation ). Wenn MVA-Panels nicht senkrecht betrachtet werden, verschieben sich die Farben, aber viel weniger als bei TN-Panels.

Es gibt mehrere Technologien der "nächsten Generation", die auf MVA basieren, darunter P-MVA und AMVA von AU Optronics sowie S-MVA von Chi Mei Optoelectronics .

Gemusterte vertikale Ausrichtung (PVA)

Billigere PVA-Panels verwenden oft Dithering und FRC , während Super-PVA (S-PVA)-Panels alle mindestens 8 Bit pro Farbkomponente verwenden und keine Farbsimulationsmethoden verwenden. S-PVA eliminierte auch weitgehend das Off-Winkel-Glühen von Vollschwarz und reduzierte die Gammaverschiebung außerhalb des Winkels. Einige High-End BRAVIA LCD-Fernseher von Sony bieten 10-Bit- und xvYCC-Farbunterstützung, zum Beispiel die Bravia X4500-Serie. S-PVA bietet zudem schnelle Reaktionszeiten durch moderne RTC-Technologien.

Erweiterte Superansicht (ASV)

Advanced Super View, auch axialsymmetrische vertikale Ausrichtung genannt, wurde von Sharp entwickelt . Es ist ein VA-Modus, bei dem sich Flüssigkristallmoleküle im ausgeschalteten Zustand senkrecht zu den Substraten orientieren. Das untere Subpixel hat durchgehend bedeckte Elektroden, während das obere eine kleinflächigere Elektrode in der Mitte des Subpixels hat.

Wenn das Feld eingeschaltet ist, beginnen sich die Flüssigkristallmoleküle aufgrund des elektrischen Felds in Richtung der Mitte der Subpixel zu neigen; als Ergebnis wird eine kontinuierliche Windradausrichtung (CPA) gebildet; Der azimutale Winkel dreht sich kontinuierlich um 360 Grad, was zu einem hervorragenden Betrachtungswinkel führt. Der ASV-Modus wird auch CPA-Modus genannt.

Ebenenlinienumschaltung (PLS)

Eine von Samsung entwickelte Technologie ist Super PLS, die Ähnlichkeiten mit IPS-Panels aufweist und für verbesserte Blickwinkel und Bildqualität, höhere Helligkeit und niedrigere Produktionskosten wirbt. Mit der Veröffentlichung der Samsung S27A850 und S24A850 Monitore im September 2011 debütierte die PLS-Technologie auf dem PC-Display-Markt.

TFT Dual-Transistor Pixel (DTP) oder Zelltechnologie

Patentierte elektronische TFT-Speichersysteme

Die TFT-Dual-Transistor-Pixel- oder -Zelltechnologie ist eine reflektierende Displaytechnologie für den Einsatz in Anwendungen mit sehr geringem Stromverbrauch, wie z. B. elektronische Regaletiketten (ESL), Digitaluhren oder Zähler. DTP beinhaltet das Hinzufügen eines sekundären Transistorgates in der einzelnen TFT-Zelle, um die Anzeige eines Pixels über einen Zeitraum von 1 s ohne Bildverlust oder ohne Verschlechterung der TFT-Transistoren im Laufe der Zeit aufrechtzuerhalten. Durch die Verlangsamung der Bildwiederholfrequenz der Standardfrequenz von 60 Hz auf 1 Hz behauptet DTP, die Energieeffizienz um mehrere Größenordnungen zu steigern.

Display-Industrie

Aufgrund der sehr hohen Kosten für den Bau von TFT-Fabriken gibt es nur wenige große OEM- Panel-Anbieter für große Display-Panels. Die Lieferanten von Glaspaneelen sind wie folgt:

Lieferanten von LCD-Glasplatten
Plattentyp Gesellschaft Bemerkungen große TV-Hersteller
IPS-Pro Panasonic Ausschließlich für LCD-TV-Märkte und bekannt als IPS Alpha Technology Ltd. Panasonic, Hitachi, Toshiba
H-IPS und P-IPS LG-Display Sie produzieren auch andere Arten von TFT-Panels wie TN für OEM-Märkte wie Mobil-, Monitor-, Automobil-, tragbare AV- und Industrie-Panels. LG, Philips, BenQ
S-IPS Hannstar
Chunghwa Bildröhren, Ltd.
A-MVA AU Optronics
S-MVA Chi Mei Optoelektronik
S-PVA S-LCD ( Samsung / Sony- Joint-Venture) Samsung, Sony
AFFS Samsung Für kleine und mittlere Sonderprojekte.
ASV Sharp Corporation LCD-TV und mobile Märkte Scharf, Sony
MVA Sharp Corporation Ausschließlich für LED-LCD-TV-Märkte Scharf
HVA CSOT HVA und AMOLED TCL

Elektrische Schnittstelle

Externe Consumer-Anzeigegeräte wie ein TFT-LCD verfügen über eine oder mehrere analoge VGA- , DVI- , HDMI- oder DisplayPort- Schnittstellen, von denen viele über eine Auswahl dieser Schnittstellen verfügen . Im Inneren externer Anzeigegeräte befindet sich eine Controllerplatine, die das Videosignal mithilfe von Farbzuordnung und Bildskalierung umwandelt, wobei normalerweise die diskrete Kosinustransformation (DCT) verwendet wird, um jede Videoquelle wie CVBS , VGA , DVI , HDMI usw. in digitale umzuwandeln RGB bei der nativen Auflösung des Anzeigefelds. In einem Laptop erzeugt der Grafikchip direkt ein Signal, das zum Anschluss an das eingebaute TFT-Display geeignet ist. Ein Steuerungsmechanismus für die Hintergrundbeleuchtung ist normalerweise auf derselben Controllerplatine enthalten.

Die Low-Level-Schnittstelle von STN- , DSTN- oder TFT-Displays verwendet entweder ein Single-Ended- TTL- 5-V-Signal für ältere Displays oder TTL 3,3 V für etwas neuere Displays, das den Pixeltakt überträgt, horizontale Synchronisierung , vertikale Synchronisierung , digitales Rot, digitales Grün, digital blau parallel. Einige Modelle (z. B. AT070TN92) verfügen auch über Input/Display Enable , horizontale Scanrichtungs- und vertikale Scanrichtungssignale .

Neue und große (>15") TFT-Displays verwenden oft LVDS- Signalisierung, die die gleichen Inhalte wie die parallele Schnittstelle (Hsync, Vsync, RGB) überträgt, aber Steuer- und RGB- Bits in eine Reihe von seriellen Übertragungsleitungen synchron mit einer Taktfrequenz legt ist gleich der Pixelrate. LVDS überträgt sieben Bits pro Takt pro Datenleitung, wobei sechs Bits Daten sind und ein Bit verwendet wird, um zu signalisieren, wenn die anderen sechs Bits invertiert werden müssen, um die DC-Balance aufrechtzuerhalten. Preisgünstige TFT-Displays oft haben drei Datenleitungen und unterstützen daher nur direkt 18 Bit pro Pixel . Upscale-Displays haben vier oder fünf Datenleitungen, um 24 Bit pro Pixel ( Truecolor ) bzw. 30 Bit pro Pixel ( HDR ) zu unterstützen. Panelhersteller ersetzen LVDS langsam durch Internal DisplayPort und Embedded DisplayPort, die eine sechsfache Reduzierung der Anzahl von Differenzpaaren ermöglichen.

Die Intensität der Hintergrundbeleuchtung wird normalerweise durch Variieren von einigen Volt DC oder durch Generieren eines PWM- Signals oder durch Einstellen eines Potentiometers gesteuert oder einfach festgelegt. Dieser wiederum steuert einen Hochspannungs-( 1.3 kV ) DC-AC-Wechselrichter oder eine LED- Matrix . Die Methode zur Steuerung der LED-Intensität besteht darin, sie mit PWM zu pulsieren, was eine Quelle für harmonisches Flackern sein kann.

Der bloße Anzeigebildschirm akzeptiert nur ein digitales Videosignal mit der Auflösung, die durch die bei der Herstellung entworfene Bildschirmpixelmatrix bestimmt wird. Einige Bildschirmbereiche ignorieren die LSB- Bits der Farbinformationen, um eine konsistente Schnittstelle (8 Bit -> 6 Bit/Farbe x3) darzustellen.

Bei analogen Signalen wie VGA muss der Display-Controller auch eine Hochgeschwindigkeits- Analog-Digital- Wandlung durchführen. Bei digitalen Eingangssignalen wie DVI oder HDMI ist eine einfache Neuordnung der Bits erforderlich, bevor sie dem Rescaler zugeführt werden, wenn die Eingangsauflösung nicht der Bildschirmauflösung entspricht.

Sicherheit

Flüssigkristalle werden ständig Toxizitäts- und Ökotoxizitätstests auf jegliches Gefahrenpotential unterzogen. Das Ergebnis ist, dass:

  • Abwässer aus der Herstellung sind akut giftig für Wasserorganismen,
  • kann aber in seltenen Fällen reizend, ätzend oder sensibilisierend wirken. Jegliche Auswirkungen können vermieden werden, indem eine begrenzte Konzentration in Mischungen verwendet wird,
  • nicht mutagen sind – weder in Bakterien (Ames-Test) noch in Säugerzellen (Maus-Lymphom-Test oder Chromosomenaberrationstest),
  • nicht im Verdacht stehen, krebserregend zu sein,
  • sind gefährlich für Wasserorganismen (Bakterien, Algen, Daphnien, Fische),
  • kein nennenswertes Bioakkumulationspotential besitzen,
  • sind nicht leicht biologisch abbaubar.

Die Aussagen gelten sowohl für die Merck KGaA als auch für ihre Wettbewerber JNC Corporation (ehemals Chisso Corporation) und DIC (ehemals Dainippon Ink & Chemicals). Alle drei Hersteller haben vereinbart, keine akut toxischen oder mutagenen Flüssigkristalle auf den Markt zu bringen. Sie decken mehr als 90 Prozent des weltweiten Flüssigkristallmarktes ab. Der verbleibende Marktanteil der hauptsächlich in China hergestellten Flüssigkristalle besteht aus älteren, patentfreien Substanzen der drei führenden Welthersteller und wurde von diesen bereits auf Toxizität getestet. Daher können sie auch als ungiftig angesehen werden.

Der vollständige Bericht ist bei der Merck KGaA online verfügbar.

Die in vielen LCD-Monitoren verwendeten CCFL- Hintergrundbeleuchtungen enthalten giftiges Quecksilber .

Siehe auch

Verweise

Externe Links