МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЯМАЛЬСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ 

     Дисциплина: «Информатика»

     Устройство  жидкокристаллического монитора 
 
 
 
 
 

Выполнил: 
студент 1 курса специальности «Менеджмент организации» группа МО-10

Гамрецкая А.И. 

Проверил:

к.п.н., доцент Спирин И.С. 
 
 
 
 
 
 

     Новый Уренгой – 2010

     Оглавление

     Введение 3

     Глава I. Назначение жидкокристаллических мониторов 4

     Глава II. Устройство ЖК монитора 5

     2.1. Принцип работы 8

     2.2. Важнейшие характеристики 9

     2.3. Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT 10

     Глава III. Преимущества и недостатки ЖК мониторов 15

     Глава IV. Выбор ЖК монитора 17

     Заключение 19

     Список литературы 20 

     Введение

     Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также Жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.

     Первый  рабочий жидкокристаллический дисплей  был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд  общественности новый ЖК-дисплей  был представлен в 1971 году и тогда  он получил горячее одобрение. Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением  изменять величину пропускаемого света. Жидкокристаллический монитор представляет собой две стеклянных или пластиковых  пластины, между которыми находится  суспензия. Кристаллы в этой суспензии  расположены параллельно по отношению  друг к другу, тем самым они  позволяют свету проникать через  панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению  света. ЖК технология получила широкое  распространение в компьютерах  и в проекционном оборудовании.

     Отметим, что первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало пригодными, к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила. Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и в часах.

     Глава I. Назначение жидкокристаллических мониторов

     Жидкокристаллический  монитор предназначен для отображения  графической информации с компьютера, TV-приёмника, цифрового фотоаппарата и пр. Изображение формируется  с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад. На сегодняшний день (2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, и во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом(6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом.

     Рис. 1. ЖК - монитор

     Глава II. Устройство ЖК монитора

     Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и  распологаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного  жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

     Рис. 2. Схема работы ЖК монитора 

     Каждый  пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными  электродами, и двух поляризационных  фильтров, плоскости поляризации  которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически  полностью блокируется вторым.

     Поверхность электродов, контактирующая с жидкими  кристаллами, специально обработана для  изначальной ориентации молекул  в одном направлении. В TN-матрице  эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

     Если  же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться  в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При  этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически  все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять  степенью прозрачности.

     Если  постоянное напряжение приложено в  течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать  из-за миграции ионов. Для решения  этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне  зависимости от его полярности).

     Во  всей матрице можно управлять  каждой из ячеек индивидуально, но при  увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому  практически везде применяется  адресация по строкам и столбцам.

     Проходящий  через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют  искусственный источник света, кроме  независимости от внешнего освещения  это также стабилизирует свойства полученного изображения.

     Таким образом, полноценный монитор с  ЖК-дисплеем состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока  питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

     Существует  два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным  сканированием) и TFT (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих  слоев: поляризующего фильтра, стеклянного  слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего  фильтра.

     Рис. 3. Устройство ЖК мониторов 

     В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные  черно-белые матрицы. С переходом  на технологию активных матриц, размер экрана вырос. Практически все современные  ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.

1. Принцип работы

     Поперечное  сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойный бутерброд. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и  слой жидких кристаллов. Вдобавок ко всему  существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

     При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся  в аморфном состоянии. В этом состоянии  жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего  через жидкие кристаллы, можно управлять  с помощью электрических зарядов - при этом изменяется ориентация кристаллов.

     Как и в традиционных электроннолучевых  трубках, пиксель формируется из трех участков - красного, зеленого и  синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла  и изменению яркости проходящего  светового потока).

     TFT экран состоит из целой сетки  таких пикселей, где работой каждого  цветового участка каждого пикселя  управляет отдельный транзистор. Именно здесь стоит поговорить  о разрешении. Для нормального  обеспечения экранного разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен  располагать именно таким количеством  пикселей.

     Рис. 4. Структура ЖК мониторов

2. Важнейшие характеристики

     Таблица  1. Характеристики ЖК мониторов

3. Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT

     Таблица  2. Расшифровка видов технологий ЖК мониторов

     Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения  при увеличении размеров монитора.

     Часто STN ячейки используются в паре. Такая  конструкция называется DSTN, в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало, поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам). Также STN ячейки используются в режиме TSTN, когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.

     TFT, то есть тонкопленочный транзистор, это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм.

     Технология  создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением  приемлемого процента годных изделий  из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с  тремя цветами имеет 1440000 отдельных  транзисторов. Производители устанавливают  нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD-панели. Правда, у каждого производителя  свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.

      TFT обладают рядом преимуществ  перед ЭЛТ-мониторами, среди которых  — пониженное потребление энергии  и теплоотдача, плоский экран  и отсутствие следа от движущихся  объектов. Последние разработки  позволяют получить изображение  более высокого качества, чем  обычные TFT.

     Рис. 5. Технология TFT 

     Совсем  недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая  значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине, и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана. Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ - экране.

     Японская  компания NEC недавно объявила, что  по качеству изображения ее LCD дисплеи  вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на квадратный мм, или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые  сегодня многими производителями  жидкие кристаллы TN позволяет строить  дисплеи с разрешение до 400 точек  на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих  светофильтров. В новой технологии «color filter on TFT» светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

     На  прошедшей в 1999 году в США конференции  «Society for information Display» было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес — всего 10 грамм.

     Инженеры  из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды  — двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.

     Группа  специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги  и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую  подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются  при высокой температуре, что  исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора  используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется  органическое вещество под названием  пентацен (pentacene), представляющее собой  соединение фенилэтиламмония с иодидом  олова.

     Для повышения разрешения LCD-экранов  компания Displaytech предложила не создавать  изображение на поверхности большого LCD-экрана, а вывести картинку на маленький дисплей высокого разрешения, а затем с помощью оптической проекционной системы увеличить  ее до нужных размеров. При этом Displaytech использовала оригинальную технологию Ferroelectric LCD (FLCD). Она основана на так  называемых кирально-смектических жидких кристаллах, предложенных для использования  еще в 1980 г. Слой материала, обладающего  ферроэлектрическими свойствами и  способного отражать поляризованный свет с вращением плоскости поляризации, наносится на подающую управляющие  сигналы CMOS-подложку. При прохождении  отраженного светового потока через  второй поляризатор возникает картинка из темных и светлых пикселов. Цветное  изображение получается за счет быстрого чередования освещения матрицы  красным, зеленым и синим светом.. На базе FLCD-матриц можно производить  экраны большого размера с высокой  контрастностью и качеством цветопередачи, с широкими углами обзора и малым  временем отклика. В 1999 году альянс корпораций ckard и DisplayTech объявил о создании микродисплея на базе технологии FLCD. Разрешение матрицы составляет 320х240 точек. Отличительными особенностями устройства являются малое энергопотребление и возможность воспроизведения полноцветного «живого» видео. Новый дисплей предназначен для использования в цифровых камерах, камкодерах, портативных коммуникаторах и мониторах для надеваемых компьютеров.

     Развитием низкотемпературной технологии с использованием поликристаллического кремния LTPS занимается Toshiba. По словам представителей этой корпорации, они позиционируют новые устройства пока только как предназначенные  для рынка мобильных устройств, не включая сюда ноутбуки, где господствует технология a-Si TFT. Уже выпускаются VGA-дисплеи  размером 4 дюйма, а на подходе 5,8-дюймовые матрицы. Специалисты полагают, что 2 млн. пикселов на экране — это далеко не предел. Одной из отличительных  черт данной технологии является высокая  разрешающая способность. 

     Глава III. Преимущества и недостатки ЖК мониторов

     В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам  можно отнести: малый размер и  вес в сравнении с ЭЛТ. У  ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет  видимого мерцания, дефектов фокусировки  и сведения лучей, помех от магнитных  полей, проблем с геометрией изображения  и четкостью.

     Таблица 3. Плюсы и минусы ЖК мониторов

     Массово производимые ЖК - мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей.

     Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК - мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4 класс (допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих).

     Вопреки расхожему мнению пиксели ЖК - мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, не подверженных деградации пикселей.

     .Перспективной технологией, которая может заменить ЖК - мониторы, часто считают OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами). С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

     Рис. 6. Макрофотография ЖК-матрицы.

     Глава IV. Выбор ЖК монитора

           «Внешность обманчива» — это высказывание применимо  ко всему, включая и жидкокристаллические мониторы. Большинство неопытных  покупателей делают свой выбор под  влиянием внешности монитора. При  покупке монитора в первую очередь  стоит учитывать некоторые критерии.

     Таблица 4. Критерии выбора ЖК монитора