Moduły wyświetlaczy TFT LCD – teoria ekranów TN TFT, cechy charakterystyczne wyświetlaczy IPS TFT, porównanie wyświetlaczy TFT
Witaj na Riverdi University. W tym artykule omówimy najważniejsze rodzaje wyświetlaczy – pełnokolorowe wyświetlacze LCD typu TFT (Thin Film Transistor)
Zacznijmy najpierw od podstaw; odświeżmy sobie wiedzę o wyświetlaczach TN i LCD w ogóle, a później porozmawiamy o TFT (tranzystorach cienkowarstwowych) i o tym, czym różnią się od zwykłych wyświetlaczy monochromatycznych LCD. Potem przejdziemy do efektu ghostingu, więc omówimy nie tylko technologię stojącą za budową wyświetlaczy TFT, ale też pewne zjawiska, takie jak efekt ghostingu czy odwrócenie skali szarości, które warto zrozumieć, korzystając z wyświetlaczy LCD TFT.
Następnie przyjrzymy się różnym technologiom wyświetlaczy TFT LCD, takim jak TN, IPS, VA, a także – oczywiście – wyświetlaczom transmisyjnym i transfleksyjnym, bo wyświetlacze TFT mogą być zarówno transmisyjne, jak i transfleksyjne. W ostatniej części porozmawiamy o podświetleniu.
Czym jest technologia wyświetlaczy TFT TN?
Zacznijmy od krótkiego omówienia najbardziej podstawowej komórki ciekłego kryształu, czyli wyświetlacza typu TN (twisted nematic). Na powyższym zdjęciu widać, że światło może przechodzić przez komórkę lub być blokowane za pomocą napięcia. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o wyświetlaczach monochromatycznych LCD i podstawach technologii wyświetlaczy LCD, kliknij ten link.
Czym jest wyświetlacz TFT LCD i czym różni się od wyświetlacza monochromatycznego LCD? TFT to tak zwany wyświetlacz aktywny. „Aktywny” oznacza, że w każdej komórce, w każdym pikselu i w każdym subpikselu znajduje się co najmniej jeden tranzystor. Skrót TFT oznacza Thin Film Transistor, czyli tranzystory cienkowarstwowe – są one bardzo małe i cienkie, wbudowane bezpośrednio w piksel, więc nie znajdują się gdzieś na zewnątrz w kontrolerze, tylko w samym pikselu. Na przykład w 55-calowym telewizorze wyświetlacz TFT zawiera miliony tranzystorów w pikselach. Nie widać ich, bo są bardzo małe i ukryte, ale jeśli powiększymy obraz, zobaczymy je w każdym rogu każdego piksela, tak jak na zdjęciu poniżej.
Na powyższym zdjęciu widać subpiksele, czyli podstawowe kolory RGB (czerwony, zielony, niebieski), oraz czarną część z tranzystorami i obwodami elektronicznymi. Wystarczy, że wiesz, że mamy piksele i subpiksele, a każdy subpiksel ma tranzystory. To sprawia, że wyświetlacz jest aktywny, dlatego nazywa się go Wyświetlaczem TFT. Wyświetlacze TFT to zazwyczaj wyświetlacze kolorowe, ale są też monochromatyczne wyświetlacze TFT, które są aktywne i mają tranzystory, ale nie wyświetlają kolorów. Kolory w wyświetlaczu TFT LCD są zazwyczaj uzyskiwane dzięki filtrom koloru na każdym subpikselu. Zazwyczaj są to filtry RGB, ale mamy też wyświetlacze LCD typu RGBW (czerwony, zielony, niebieski, biały) z dodatkowymi subpikselami bez filtra (białe), które zwiększają jasność wyświetlacza.
Co ciekawe, biała część ekranu RGB i RGBW będzie wyglądać dokładnie tak samo z daleka, bo światła się mieszają i tworzą białe światło, ale jak podejdziesz bliżej do ekranu, to w ogóle nie zobaczysz białego światła.
Jeśli zajrzymy trochę głębiej do wnętrza komórki TFT, znajdziemy tam element, który dobrze znamy z wykładu o wyświetlaczach monochromatycznych LCD na Riverdi University. Mamy tu komórkę, ciekły kryształ, polaryzatory, warstwę ITO (tlenku indu i cyny) pełniącą rolę elektrod oraz dodatkowo obwód elektroniczny. Zazwyczaj obwód elektroniczny składa się z jednego tranzystora i kilku kondensatorów, które utrzymują stan piksela podczas wyłączania i włączania piksela. W modułach TFT piksele są znacznie bardziej skomplikowane, bo oprócz części krystalicznej musimy też zbudować część elektroniczną.
Właśnie dlatego technologia produkcji wyświetlaczy TFT LCD jest bardzo kosztowna. Jeśli znasz się na elektronice, to wiesz, że tranzystor to rodzaj przełącznika, który pozwala nam włączać i wyłączać piksele. Ponieważ jest wbudowany w sam piksel, proces ten przebiega bardzo szybko i można go świetnie kontrolować. Możemy kontrolować dokładny stan każdego piksela – nie tylko stany włączony i wyłączony, ale też wszystkie stany pośrednie. Możemy włączać i wyłączać podświetlenie komórek w kilku stopniach. Zazwyczaj w przypadku wyświetlaczy TFT LCD są to 8-bitowe stopnie dla każdego koloru, więc mamy 256 stopni jasności dla każdego koloru i każdego subpiksela. Ponieważ mamy trzy subpiksele, dysponujemy 24-bitowym zakresem barw, co oznacza ponad 16 milionów kombinacji – przynajmniej teoretycznie możemy wyświetlić na naszym panelu TFT LCD ponad 16 milionów różnych kolorów przy użyciu pikseli RGB.
Skoro już wiemy, jak działa wyświetlacz ciekłokrystaliczny z tranzystorami cienkowarstwowymi (TFT), możemy teraz zapoznać się z kilkoma praktycznymi zagadnieniami, a jednym z nich jest zjawisko „duchów” na ekranach LCD TFT. Wiemy, jak powstaje obraz, ale co się dzieje, gdy obraz pozostaje na ekranie przez dłuższy czas, i jak temu zapobiegać. W ekranach LCD występuje coś, co nazywamy efektem „ghostingu”. Nie zdarza się to zbyt często, ale w niektórych wyświetlaczach to zjawisko wciąż występuje.
Jeśli niektóre elementy obrazu, np. logo Twojej firmy, pozostają w tym samym miejscu na ekranie przez dłuższy czas – przez kilka tygodni, miesięcy czy nawet rok – kryształy zapamiętują ten stan, a później, gdy zmienimy obraz, możemy zauważyć pewne ślady tych elementów. To naprawdę zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, a nawet sam obraz wyświetlany na ekranie przez dłuższy czas. Tworząc aplikację, możesz zastosować pewne techniki, żeby tego uniknąć, na przykład bardzo szybkie zmiany kontrastu i oczywiście unikanie umieszczania tego samego obrazu w tym samym miejscu przez dłuższy czas.
Być może już spotkałeś się z tym zjawiskiem, bo jest ono powszechne we wszystkich technologiach wyświetlania, a nawet firmy takie jak Apple zamieszczają na swoich stronach informacje o tym, że użytkownicy mogą się z nim spotkać, oraz o tym, jak sobie z tym poradzić. Nazywa się to ghostingiem lub wypaleniem obrazu i nawet wyświetlacze Retina nie są od tego wolne.
Czym jest odwrócenie skali szarości w technologii TFT LCD?
Kolejną wadą wyświetlaczy TFT, zwłaszcza tych typu TN LCD, jest odwrócenie skali szarości. To zjawisko, które powoduje, że kolory na ekranie zmieniają się w zależności od kąta widzenia, i występuje tylko z jednej strony. Kupując kolorowy wyświetlacz TFT, najpierw sprawdź, jaką technologię wykorzystuje. Jeśli to wyświetlacz IPS, jak na przykład seria Riverdi IPS, nie musisz się martwić o odwrócenie skali szarości, bo wszystkie kąty widzenia będą takie same i bardzo szerokie – na przykład 80, 85 czy 89 stopni. Jeśli jednak kupisz wyświetlacz oparty na bardziej powszechnej lub starszej technologii, takiej jak TN (twisted nematic), musisz zastanowić się, gdzie będzie on używany, bo jeden kąt widzenia będzie nieodpowiedni. Czasami może to być mylące i musisz uważać, bo większość producentów określa kierunek patrzenia na ekran i myli go ze stroną, na której występuje odwrócenie skali szarości.
Na powyższym zdjęciu widać dokładniejsze wyjaśnienie zjawiska odwrócenia skali szarości z Wikipedii. Jest tam napisane, że niektóre starsze panele, a także współczesne wyświetlacze TN, mają odwrócenie skali szarości, które niekoniecznie występuje w pionie, ale może występować pod dowolnym kątem – trzeba to sprawdzić w karcie katalogowej. Technologie takie jak IPS (In-Plane Switching), stosowane w najnowszych wyświetlaczach Riverdi, czy też VA, zostały opracowane właśnie po to, by uniknąć tego zjawiska. Nie chcemy się chwalić, ale definicja w Wikipedii odwołuje się do naszej strony internetowej.
Wiemy już, że wyświetlacze TN (twisted nematic) mają problem z odwróceniem skali szarości, co oznacza, że mają jedną stronę widzenia, na której kolor obrazu nagle się zmienia. To dość skomplikowane, więc trzeba uważać. Na powyższym zdjęciu widać fragment specyfikacji wyświetlacza LCD TFT typu TN (twisted nematic), który ma odwrócenie skali szarości, a jeśli przejdziemy do tej tabeli, zobaczymy kąty widzenia. Są one określone jako 70, 70, 60 i 70 stopni – to maksymalne kąty widzenia, pod któremi użytkownik może oglądać obraz. Zwykle mogłoby się wydawać, że 70 stopni to lepszy wybór, więc ustawimy po lewej i prawej stronie po 70 stopni, a potem w górę i w dół. Jeśli jednak nie znasz zjawiska odwrócenia skali szarości, możesz umieścić użytkownika na dolnej stronie, która również ma 70 stopni. Kierunek patrzenia będzie wtedy przypominał kierunek na godzinie 6, więc nazywamy to wyświetlaczem typu „6 o’clock”. Ale trzeba uważać! Patrząc na specyfikację, widzimy, że ten wyświetlacz został zdefiniowany jako wyświetlacz „na godzinie 12”, więc najlepiej oglądać go z kierunku „na godzinie 12”. Zauważymy jednak, że kierunek „na godzinie 12” ma mniejszy kąt widzenia – 60 stopni. Co to znaczy? Oznacza to, że po tej stronie nie będzie odwrócenia skali szarości. Jeśli przejdziemy do 40, 50, 60 stopni, a nawet nieco więcej, prawdopodobnie nadal będziemy widzieć obraz prawidłowo. Może kontrast będzie mniejszy, ale kolory się nie zmienią. Jeśli spojrzymy od dołu, z kierunku godziny 6, gdzie występuje odwrócenie skali szarości, to po przekroczeniu 70 stopni lub mniej zauważymy nagłą zmianę koloru, a tego oczywiście chcemy uniknąć.
Podsumowując, kiedy kupujesz starsze technologie, takie jak matryce TN i wyświetlacze, które wciąż są bardzo popularne – a Riverdi też je sprzedaje – musisz uważać, gdzie umieścisz swój wyświetlacz. Jeśli to urządzenie przenośne, będziesz patrzeć na wyświetlacz od dołu, ale jeśli powiesisz je na ścianie, będziesz patrzeć na wyświetlacz od góry, więc musisz to ustalić już na etapie projektowania, bo później zmiana orientacji jest zazwyczaj niemożliwa lub kosztowna.
Technologie wyświetlaczy VA, pełnokolorowych TFT oraz IPS TFT
Porozmawiamy teraz o innych technologiach TFT, które pozwalają uzyskać szersze kąty widzenia i bardziej żywe kolory. Najbardziej podstawową technologią stosowaną w wyświetlaczach monochromatycznych i TFT jest technologia skręconego nematyku (TN). Jak już wiemy, tego typu wyświetlacze mają problem z odwróceniem skali szarości. Z jednej strony mamy większe opóźnienie, przez co obraz nie jest ostry. Dlatego mamy inne technologie, takie jak VA (Vertical Alignment), gdzie ciekłe kryształy są ułożone inaczej, oraz kolejną odmianę technologii TFT – IPS, czyli In-Plane Switching. Wyświetlacze TFT LCD typu VA i IPS nie mają problemów z kątami widzenia – obraz jest wyraźny ze wszystkich stron.
W dzisiejszych czasach wszystkie telewizory, tablety i oczywiście telefony komórkowe mają wyświetlacze IPS lub VA. Możesz je obrócić, a obraz będzie wyraźny ze wszystkich stron. Jednak w przypadku wyświetlaczy nadal powszechnie stosuje się technologię TN, bo wyświetlacz zazwyczaj stoi przed tobą i przez większość czasu patrzysz na niego prosto, z góry, z lewej lub prawej strony, ale bardzo rzadko od dołu – więc kąt widzenia, w którym dochodzi do odwrócenia skali szarości, może znajdować się właśnie tam. Ta technologia wciąż jest bardzo praktyczna, bo jest niedroga i ma kilka zalet dla graczy, bo działa naprawdę szybko.
Oprócz innego sposobu ułożenia ciekłych kryształów, w wyświetlaczach komputerowych typu VA i IPS subpiksele są też ułożone trochę inaczej. Jak przyjrzymy się bliżej wyświetlaczowi TN, zobaczymy tylko subpiksele z filtrami koloru. Natomiast w wyświetlaczach VA lub IPS subpiksele są podzielone na jeszcze mniejsze części. Subpiksele są podzielone na mniejsze części. Dzięki temu możemy zapewnić użytkownikowi jeszcze szersze kąty widzenia i lepsze odwzorowanie kolorów, ale oczywiście jest to bardziej skomplikowane i droższe w realizacji.
Krótkie podsumowanie technologii wyświetlaczy LCD: IPS, VA i TN
Zdjęcie powyżej przedstawia wyświetlacz TFT typu TN oraz odwrócenie skali szarości. W przypadku technologii IPS lub VA taki efekt nie występuje. Obraz będzie wyglądał tak samo pod każdym kątem, dlatego technologie te są popularne tam, gdzie potrzebujemy szerokich kątów widzenia, a wyświetlacze TN są popularne tam, gdzie nie jest to konieczne, np. w wyświetlaczach. Inne zalety technologii wyświetlaczy IPS to dokładne odwzorowanie kolorów i szerokie kąty widzenia. W praktyce, w naszych projektach, ważne jest też to, że monitory komputerowe IPS są mniej wrażliwe na siły mechaniczne. Kiedy wywieramy siłę mechaniczną na ekran i mamy ekran dotykowy z bondingiem optycznym, naciskamy na wyświetlacz, a jednocześnie ściskamy komórki. W przypadku wyświetlaczy TN każde naciśnięcie komórki powoduje nagłą zmianę obrazu, natomiast w technologii IPS (TFT z przełączaniem w płaszczyźnie) dzięki innemu ułożeniu kryształów efekt ten jest mniejszy. Nie jest on całkowicie wyeliminowany, ale jest znacznie mniej zauważalny. To kolejny powód, dla którego wyświetlacze IPS są bardzo popularne w smartfonach i tabletach, gdzie ekrany dotykowe są zazwyczaj poddawane bondingowi optycznemu.
Jeśli mielibyśmy mówić o wadach, to jest to kwestia dyskusyjna, bo niektóre z nich mogą być prawdziwe, a inne nie opierają się na konkretnych przypadkach – zależy to od rodzaju wyświetlacza i technologii. Czasami wyświetlacz IPS TFT może zużywać więcej energii niż inne, ale w wielu przypadkach tak nie jest. Mogą być droższe, ale niekoniecznie. Nowe panele IPS mogą kosztować tyle samo, co moduły TN, ale technologia IPS zdecydowanie ma dłuższy czas reakcji matrycy. Znowu nie jest to regułą – można produkować panele IPS, które są bardzo szybkie, szybsze nawet od paneli TN, ale jeśli chcesz mieć najszybszy możliwy wyświetlacz, to prawdopodobnie ekran TN TFT będzie najszybszy. Właśnie dlatego technologia TN wciąż cieszy się popularnością na rynku gier. Oczywiście w sieci można znaleźć mnóstwo dyskusji na temat tego, która technologia jest lepsza, ale tak naprawdę wszystko zależy od tego, co chcesz osiągnąć.
Typy podświetlenia wyświetlaczy TFT LCD
Przyjrzyjmy się teraz typom podświetlenia LED. Jak widać na powyższym zdjęciu, mamy tu cztery różne typy. Najpopularniejsze – stanowiące 95 lub 99 procent paneli TFT dostępnych na rynku – to wyświetlacze LCD typu transmisyjnego, w których potrzebujemy światła z tyłu. Jeśli pamiętasz z naszego wykładu o wyświetlaczach monochromatycznych LCD, w przypadku wyświetlaczy LCD typu transmisyjnego diody LED muszą być zawsze włączone. Jeśli je wyłączysz, nic nie zobaczysz. Podobnie jak w przypadku wyświetlaczy monochromatycznych LCD, ale mniej popularne w przypadku wyświetlaczy TFT, mamy wyświetlacze LCD typu transfleksyjnego. Nie są one popularne, ponieważ zazwyczaj w przypadku transfleksyjnych wyświetlaczy TFT kolory mają małą jasność, a same wyświetlacze nie są zbyt praktyczne w użyciu. Ekran jest widoczny, ale jego zastosowanie jest ograniczone. Niektóre transfleksyjne wyświetlacze ciekłokrystaliczne są używane przez wojsko, w zastosowaniach, gdzie najważniejsze jest zużycie energii; można wtedy wyłączyć podświetlenie i pogodzić się z gorszą jakością obrazu, ale nadal go widać.
Zużycie energii i oszczędzanie energii to najważniejsze kwestie w niektórych zastosowaniach – właśnie tam możesz wykorzystać wyświetlacze transfleksyjne. Technologia LCD typu refleksyjnego prawie nigdy nie jest stosowana w wyświetlaczach TFT. Istnieje jedna technologia o nazwie Low Power Reflective Displays (LPRD), która jest używana w wyświetlaczach TFT, ale nie cieszy się popularnością. Na koniec mamy odmianę wyświetlaczy refleksyjnych z frontlightem – dodajemy do nich frontlight, dzięki czemu obraz jest widoczny nawet bez światła z zewnątrz.
Kilka słów o wyświetlaczach odblaskowych o niskim poborze mocy (LPRD). Tego typu wyświetlacze wykorzystują światło otoczenia do odbicia i wygenerowania pewnych kolorów. Kolory nie są idealne ani idealnie wyraźne, ale ta technologia zyskuje coraz większą popularność, bo pozwala na stosowanie kolorowych wyświetlaczy w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Przykładem zastosowania tej technologii może być smartwatch, rower elektryczny albo hulajnoga – tam, gdzie możemy mieć nie tylko standardowy wyświetlacz monochromatyczny LCD, ale też kolorowy wyświetlacz TFT LCD bez podświetlenia; obraz widać nawet w
w silnym słońcu i w ogóle nie potrzebują podświetlenia. Dlatego ta technologia wyświetlaczy LCD z matrycą aktywną staje się coraz bardziej popularna, gdy mamy do czynienia z zewnętrznymi wyświetlaczami LCD i zależy nam na niskim poborze mocy.
Na powyższym zdjęciu widać kilka przykładów tego, jak działają wyświetlacze LCD przepuszczające i refleksyjne w słońcu. Jeśli mamy prosty obraz, na przykład czarno-biały wzór, to na wyświetlaczu LCD typu transmisyjnego, nawet przy jasności 1000 kandeli, obraz prawdopodobnie będzie gorszej jakości niż na wyświetlaczu refleksyjnym; w świetle słonecznym na powierzchni ekranu pojawiają się bardzo silne odbicia światła. Bardziej szczegółowo o kontraście mówiliśmy na wykładzie „Wyświetlacze czytelne w słońcu”. Tak więc wyświetlacze LCD typu refleksyjnego są lepszym rozwiązaniem do zastosowań na zewnątrz niż wyświetlacze typu transmisyjnego, gdzie potrzebujesz naprawdę mocnego podświetlenia – 1000 kandeli lub więcej – żeby obraz był dobrze widoczny na zewnątrz.
Żeby pokazać ci, jak zbudowane jest podświetlenie wyświetlaczy LCD, zrobiliśmy powyższe zdjęcie. Widać na nim podświetlenie krawędziowe – diody LED umieszczone są na małej płytce drukowanej przy krawędzi, a dyfuzor rozprowadza światło na całą powierzchnię ekranu LCD.
Oprócz podświetlenia mamy coś, co nazywa się frontlight. Działa podobnie jak podświetlenie – też wykorzystuje diody LED do oświetlania, ale musi być przezroczyste, bo za nim znajduje się wyświetlacz. Na przykładzie na zdjęciu powyżej widać wyświetlacz e-paper. Wyświetlacz e-paper to również odmiana wyświetlacza TFT, ale nie jest to LCD (oparty na kryształach) – to inna technologia, choć tył wyświetlacza jest taki sam i ma charakter odblaskowy. Przykładem, który widzisz, jest czytnik e-booków Kindle 4. Wykorzystuje on wyświetlacz e-paper oraz frontlight, dzięki czemu możesz czytać e-booki nawet w nocy.
ODKRYJ NASZĄ
Whitepaper
Osiągnij idealną interakcję użytkownika z wyświetlaczem dzięki odpowiedniemu czujnikowi Touch Sensor IC. Czy kiedykolwiek zmagałeś się z problemami związanymi z fantomowymi dotknięciami lub certyfikacją? Rozwiń swoje prace B+R jak profesjonalista dzięki naszemu Whitepaperowi!
Przejdź do naszego katalogu produktów i zobacz, jak możesz oszczędzać dzięki jakości, nie na jakości.
