Жидкокристаллические дисплеи Sharp для промышленных и специальных применений

Плоскопанельные жидкокристаллические (ЖК) дисплеи на основе активной матрицы управляющих тонкоплёночных транзисторов (ТПТ, или по-английски TFT) находят широкое применение в ноутбуках, планшетных ПК, видеопроекторах, цифровых камерах, различных карманных устройствах (сотовые телефоны, карманные ПК, смартфоны), автомобильной электронике и т.д. Растут объёмы поставок ЖК-панелей для телевизоров.

В мировом рейтинге производителей ЖК-дисплеев для ноутбуков, ЖК-телевизоров, ЖК-мониторов японская корпорация Sharp Electronics занимает одно из ведущих мест. Ввод в эксплуатацию производственных линий шестого поколения на заводе в японском городе Камеяме позволил значительно увеличить (до 1500×1800 мм) размер обрабатываемых стеклянных пластин, используемых при серийном изготовлении ЖК-дисплеев на основе активной матрицы ТПТ, что создало условия для значительного увеличения объёма выпуска готовых изделий и снижения их себестоимости.

Три способа подсветки в дисплеях

Прежде чем перейти к представлению различных моделей ЖК-дисплеев, необходимо остановиться на краткой характеристике реализуемых в них способов подсветки, так как именно способ подсветки во многом определяет технологию и основные свойства дисплея.

ЖК-дисплеи используют три основных способа подсветки: просветный, отражательный и просветно-отражательный.

Просветный способ предполагает подсвечивание пикселов ЖК-дисплея сзади, то есть с противоположной от зрителя стороны. Для этого применяется модуль задней подсветки, выполненный на основе люминесцентных ламп с холодным катодом (cold-cathode fluorescent tube – CCFT) или светодиодов. ЖК-дисплеи c такой системой подсветки обеспечивают широкую цветовую гамму (насыщенность), высокую контрастность и обычно применяются в портативных компьютерах (ноутбуках). Эти дисплеи обладают наилучшими рабочими характеристиками в диапазоне освещённости от полной темноты до значений, соответствующих типовым условиям офисных помещений. Долгое время дисплеи, использующие просветный способ подсветки, считались непригодными для применения в условиях возможного сильного освещения (например, в уличных терминалах), пока не появились системы задней подсветки, обеспечивающие высокую яркость свечения [1].

В ЖК-дисплеях с отражательной системой подсветки пикселы освещаются с передней плоскости, то есть со стороны зрителя. Пикселы такого дисплея отражают свет, возникающий от случайных внешних источников или в результате фронтального освещения. Эти дисплеи характеризуются очень низкой потребляемой мощностью (особенно те, которые не используют фронтальное освещение) и обычно применяются в небольших портативных устройствах, таких как карманные компьютеры, ручные игровые приставки и т.п. Дисплеи с отражательной системой подсветки обладают наилучшими рабочими характеристиками в диапазоне освещённости от значений, соответствующих типовым условиям офисного помещения и выше. При низкой освещённости такие дисплеи требуют фронтального освещения. Технология корпорации Sharp, реализующая отражательный способ подсветки, называется Highly Reflective TFT (HR-TFT).

Просветно-отражательная система подсветки объединяет особенности отражательной и просветной систем подсветки: пикселы частично пропускают свет от системы задней подсветки и частично отражают свет от внешних источников или фронтального освещения. ЖК-дисплеи с просветно-отражательной системой подсветки часто применяются в устройствах, эксплуатируемых в условиях изменяющейся в широком диапазоне освещённости (от полной темноты до яркого солнечного освещения). Оптические характеристики таких дисплеев при низкой освещённости подобны характеристикам просветных ЖК-дисплеев, а при ярком освещении – характеристикам отражательных ЖК-дисплеев. Усовершенствованная просветно-отражательная технология корпорации Sharp получила название Advanced TFT (AD-TFT). Структура элемента изображения (пиксела) в дисплеях AD-TFT подобна его структуре в дисплеях HR-TFT, однако технология AD-TFT предполагает наличие у отражательного пиксела апертуры (апертура – обычно выражаемая в процентах часть площади пиксела, которая в активном состоянии может пропускать свет). Выполненные по технологии AD-TFT дисплеи в отличие от традиционных просветно-отражательных дисплеев не нуждаются в поиске компромиссных решений для обеспечения требуемого контраста или коэффициента пропускания и сохраняют цветовую гамму изображения в широком диапазоне внешней освещённости.

Структуры ЖК-дисплеев, использующих различные способы подсветки в соответствии с описанными технологиями, показаны на рис. 1.

Условные обозначения:
ITO — заднее стекло с адресуемыми элементами и электродами пиксела из окисла металлического индия; MRS — микрорефлективная структура (Micro Reflective Structure); TFT — активная матрица управляющих тонкоплёночных транзисторов.

Области применения и соответствующие модели дисплеев

Дисплеи для мобильных применений и автомобильной аппаратуры

В настоящее время корпорация Sharp производит дисплеи для мобильных применений, которые функционируют быстрее, отличаются большими углами обзора, работают в широком диапазоне внешней освещённости, характеризуются низким энергопотреблением, имеют относительно небольшие габаритные размеры и вес. Всё это достигается применением технологий Advanced TFT и Ultra Low Power Control (ULC), а также технологии сборки Chip on Glass (COG).

ЖК-дисплеи для автомобильной аппаратуры адаптированы к специфическим условиям эксплуатации и диапазону температур, требуемым автомобильной промышленностью. Решения, обеспечивающие такую адаптацию, в настоящее время активно внедряются корпорацией Sharp в изделиях для других применений, где также требуется функционирование в расширенном диапазоне температур.

Такие дисплеи применяются, например, в навигационных системах транспортных средств, значительно расширяя их функциональные возможности.

Автомобильные дисплеи могут выполнять комбинированное обслуживание различных систем и устройств, например навигационной системы и радиоприёмника или спидометра и одометра с отображением рабочих режимов двигателя и общего состояния систем транспортного средства. ЖК-дисплеи используются для вывода в реальном масштабе времени отчётов о текущем состоянии дорожного движения с соответствующими указаниями, комментариями и предупреждениями. Особой областью применения ЖК-панелей являются развлекательные автомобильные системы, устанавливаемые на задних сиденьях; наиболее популярными размерами экрана для таких систем являются 6,4, 7 и 8 дюймов.

Для подобных применений рекомендуются следующие модели дисплеев Sharp:

• LQ038Q5DR01,

• LQ050Q5DR01,

• LQ065T5DR51,

• LQ5AW136,

• LQ64D341 (рис. 2).

Технические характеристики некоторых из перечисленных моделей, а также других малогабаритных дисплеев Sharp из числа наиболее популярных представлены в табл. 1. 

Внешний вид конструкции малогабаритного ЖК-дисплея LQ084S3DG01 показан на рис. 3.

Автомобильные ЖК-дисплеи Sharp весьма универсальны. Они могут представлять информацию в виде сигнальных символов, специальных пиктограмм и крупных, легкосчитываемых алфавитно-цифровых знаков. Кроме того, Sharp предлагает дисплеи с различными интерфейсами и габаритными размерами, что гарантирует гибкость их применения. Покрытия и специальная обработка поверхности экрана обеспечивают высокую яркость и контрастность, широкий угол обзора создаёт условия для удобного считывания данных водителем и пассажирами. Производятся такие дисплеи с использование технологий Self-Heating Backlights и COG.

Дисплеи промышленного назначения 

Многие компании, конкурируя в области производства жидкокристаллических панелей, создают тем самым плодородную почву для дальнейшего совершенствования технологий, которое ведёт к расширению и укреплению позиций ЖК-дисплеев. Вот почему в 2002 году объёмы продаж настольных ЖК-дисплеев превысили аналогичный показатель для настольных ЭЛТ-дисплеев в денежном выражении, а в 2003 году превышение было достигнуто и по количеству проданных изделий.

Современные настольные ЖК-дисплеи Sharp широко известны. Корпорация также производит ЖК-дисплеи для промышленных применений, однако с этими изделиями отечественные специалисты практически не знакомы. Между тем, в течение последних 15 лет усилия корпорации Sharp были сконцентрированы на разработке плоских ЖК-панелей индустриального назначения, в основном для программируемых логических контроллеров. Промышленные условия эксплуатации требуют от дисплеев формирования ярких, чётких цветных изображений, хорошо читаемых из любой точки фронтального пространства, а также высокой надёжности, низкой стоимости, длительного срока службы и открытости для постоянной модификации изделия. Эти требования удовлетворяются корпорацией Sharp на основе постоянно совершенствующихся технических решений, направленных главным образом на усиление конструкции дисплеев и увеличение ресурса системы задней подсветки. Стандартизация электрических и конструктивных характеристик предоставляет заказчикам дисплеев Sharp возможность пользоваться самыми новейшими дисплейными технологиями без затрат на перекомпоновку изделия.

Постоянно совершенствуя ЖК-дисплеи, корпорация Sharp разработала широкий ряд изделий для рынка промышленной автоматизации, отвечающих высоким требованиям по визуализации изображения и надёжности:

Среди основных особенностей данных изделий хотелось бы выделить следующие:

Серия Strong LCDs

В 2003 году была анонсирована новая серия изделий с названием Strong LCDs («усиленные ЖК-дисплеи»). Эта серия разработана подразделением Sharp Microelectronics Europe специально для применения в жёстких условиях. Создание серии Strong LCDs стало возможным благодаря внедрению ряда разработок корпорации, направленных на усовершенствование каждого компонента изделия, от ИМС до конденсаторов и жидкого кристалла, с целью достижения соответствия повышенным требованиям. Свою роль в этом сыграл опыт, приобретённый Sharp в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах для разных отраслей и прежде всего автомобильной.

Дисплеи Strong LCDs отличают расширенные диапазоны рабочих температур и температур хранения, повышенная устойчивость к вибрационным и ударным воздействиям, а также давлению на поверхность экрана. Увеличенная яркость новой системы задней подсветки с повышенным ресурсом создаёт условия для отличного обзора даже при прямом солнечном освещении или с дальнего расстояния.

В настоящее время серия Strong LCDs включает в себя ЖК-дисплеи с размерами диагонали 6,4" (LQ064V3DG01), 8,4" (LQ084S3DG01), 10,4" (LQ104V1DG51, LQ104V1DG61, LQ104S1DG21), 12,1" (LQ121S1DG41, LQ121S1LG41). Технические характеристики этих и аналогичных им дисплеев корпорации Sharp с размерами диагонали 10,4" и 12,1" приведены соответственно в табл. 2 и 3. Внешний вид конструкции ЖК-дисплея LQ104V1DG51 серии Strong LCDs показан на рис. 4.

Новая технология задней подсветки позволила обеспечить в дисплеях Strong LCDs яркость 500 кд/м2. Для сравнения: дисплей ноутбука имеет типовое значение яркости излучения около 100 кд/м2. Количество воспроизводимых цветов доведено до 262 144, а ресурс ламп модуля задней подсветки составляет 80 000 часов непрерывной работы против 25 000…40 000 часов у обычных систем задней подсветки. Такой ресурс (почти 10 лет) создаёт условия для значительного сокращения эксплуатационных расходов, особенно для тех применений, где в принципе все виды ремонтных работ затруднены или требуют много времени. Если всё-таки возникает необходимость замены модуля задней подсветки, то благодаря конструктивным особенностям данных дисплеев это можно сделать быстро и легко даже в полевых условиях. Использование в дисплеях Strong LCDs нового жидкого кристалла позволяет им функционировать в диапазоне температур от –10 до +65°С (диапазон температур хранения составляет от –30 до +80°С), который существенно шире традиционного для ЖК-дисплеев диапазона рабочих температур 0...+40°С. Оригинальная механическая конструкция, минимизация общего количества деталей и их особая компоновка делают дисплеи Strong LCDs по сравнению с обычными ЖК-дисплеями более устойчивыми к ударным и вибрационным воздействиям, а также давлению на поверхность экрана (особенность, обеспечивающая долгосрочную работу изделий в составе мониторов с сенсорными экранами).

Основные сферы применения дисплеев Strong LCDs включают в себя промышленные и транспортные (рис. 5) системы управления, медицинские приборы и оборудование для наружных применений. Например, в промышленных условиях они могут устанавливаться на вибрирующем или подвижном оборудовании, а при наружных применениях использоваться в качестве мониторов с сенсорными экранами на насосных и заправочных станциях, в автоматических справочных устройствах и т.п.

 

Рекомендации для некоторых видов применения

В настоящее время быстро развивается рынок информационных киосков. Эти устройства находят всё новые применения на вокзалах, в аэропортах, супермаркетах, аптеках, розничных магазинах, больницах, административных учреждениях и т.д. Для используемых в составе информационных киосков средств отображения информации главными требованиями являются большой угол обзора (как по горизонтали, так и по вертикали), высокая яркость и чёткость изображения, большое количество воспроизводимых цветов. Все эти требования направлены на обеспечение чёткого и однозначного визуального восприятия изображения на экране с разных точек пространства перед информационным устройством.

Для таких применений рекомендуется применять следующие модели ЖК-дисплеев Sharp:

Технические характеристики дисплеев LQ150X1LW71N и LQ201U1LW01 из этого списка представлены в табл. 4.

Для удобства потенциальных пользователей в табл. 5 представлено дополнительное оборудование (DC/AC-инверторы и комплекты кабелей), необходимое для подключения дисплеев, приведённых в таблицах 1-4.

Игровая индустрия стала крупным потребителем дисплеев. Рынок игровых устройств и автоматов является чрезвычайно требовательным к стоимости используемых технических средств, поэтому традиционно ориентируется на ЭЛТ-дисплеи. Как только уровень цен на плоскопанельные дисплеи стал снижаться, преимущества в габаритах и потребляемой мощности сделали ЖК-технологию более привлекательной для игровой индустрии. Для таких применений корпорация Sharp позиционирует следующие модели:

• LQ10D421,

• LQ121S1DG11,

• LQ64D341,

• LQ150X1LW71N.

Стационарное испытательное и измерительное оборудование в промышленных условиях, как правило, подвергается воздействию большого набора внешних факторов, параметры которых могут изменяться в широком диапазоне. Поэтому дисплеи, используемые таким оборудованием, должны не только иметь необходимые размеры экрана для отображения измерительной информации в требуемом формате, но и быть устойчивыми к изменениям внешней освещённости, температуры окружающей среды и т.д. Ввиду такой специфики требований только очень немногие ЖК-дисплеи принимаются промышленностью. Есть среди них и дисплеи Sharp, большой угол обзора которых делает возможными повороты на углы около 180° в различных установочных вариантах, а уровни яркости и показатели надёжности отвечают самым высоким требованиям, принятым в промышленности:

• LM057QB1T04,

• LM057QBTT05,

• LM057QC1T01,

• LM057QCTT03,

• LM64K104,

• LQ10D421.

Испытательная и измерительная портативная аппаратура для наружного применения требует дисплеев с высокими эксплуатационными параметрами. В составе такой аппаратуры ЖК-дисплеи могут быть использованы в качестве обычных индикаторных и видеоконтрольных устройств или в качестве узла сложной системы. Следующие модели дисплеев Sharp рекомендуются для подобных применений благодаря своим небольшим посадочным размерам, широкому диапазону рабочих температур, большим углам обзора, способности формировать воспринимаемое изображение в условиях прямой солнечной засветки, устойчивости к механическим ударам и вибрации:

• LM64K104,

• LQ104V7DS01,

• LQ64D341,

• LQ035Q7DB02.

Морские навигационные системы требуют применения малопотребляющих, компактных, лёгких дисплеев. Такие дисплеи обязательно должны быть цветными для улучшения условий считывания и восприятия навигационной информации. Ввиду того что условия морского применения могут меняться от полной темноты до яркого солнечного освещения, здесь целесообразно применять ЖК-дисплеи Sharp с повышенной яркостью или выполненные по технологии Advanced TFT для гарантированного восприятия информации вне зависимости от того, каким образом и где установлено навигационное оборудование. Для применения в составе навигационных систем рекомендуются следующие модели дисплеев Sharp:

• LQ035Q7DB02,

• LQ084V1DG21,

• LQ084S3DG01,

• LQ121S1DG11,

• LQ121S1DG31,

• LQ64D341,

• LQ064V3DG01.

Дисплеи для медицинской электронной аппаратуры

Анализ изображений является основой медицинской диагностики при разных видах обследования. Возможности современных ЖК-дисплеев позволяют им заменить традиционные ЭЛТ-дисплеи в данной области. Этому способствует и тот факт, что изображение на ЖК-дисплее не поддаётся влиянию сильных магнитных полей широко используемых в медицине магнитно-резонансных установок. Улучшение динамических параметров, повышение цветовой насыщенности изображения, увеличение углов обзора и разрешения приводят к постоянному расширению доли TFT ЖК-дисплеев в составе медицинской аппаратуры. Для таких применений рекомендуются следующие модели ЖК-дисплеев Sharp:

• LQ10D421,

• LQ121S1DG31,

• LQ201ULW01,

• LQ150X1MW21.

Для портативного диагностического оборудования требуются дисплеи с высокими эксплуатационными характеристиками, способные обеспечить достоверное и надёжное отображение информации в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Корпорация Sharp в таких случаях рекомендует следующие модели:

• LQAW136,

• LQ64D341,

• LQ064V3DG01,

• LQ084V1DG21,

• LQ084S3DG01,

• LQ057Q3DC02,

• LQ104V1DG51,

• LQ104V1DG61.

Дисплеи для ПЭВМ, телевизоров и мониторов большого формата

Описание областей применения TFT ЖК-дисплеев, выпускаемых корпорацией Sharp, было бы неполным, если хотя бы кратко не были бы упомянуты дисплеи для ПЭВМ и телевизоров, благодаря которым корпорация приобрела всемирную известность в самых широких кругах потребителей.

Настольные дисплеи для компьютеров должны в неменьшей мере, чем дисплеи специального назначения, обладать высоким разрешением, хорошей цветностью, широкими мультимедийными возможностями — и всё это при доступной стоимости. ЖК-дисплеи смогут полностью заменить ЭЛТ-дисплеи только тогда, когда продемонстрируют устойчиво высокие цветовые показатели при больших углах обзора. Для достижения этой цели в корпорации Sharp разрабатываются новые технологии. Например, технология ASV обеспечивает достаточно большие углы обзора при высоких динамических характеристиках и поддержании контрастного отношения. Для настольных компьютеров рекомендуются следующие модели ЖК-дисплеев:

• LQ150X1DG16,

• LQ150X1MW21,

• LQ181E1LW31,

• LQ181E1DW21,

• LQ201ULW01.

Дисплеи большого формата являются результатом разработки ЖК-панелей для бытового телевидения. Эти дисплеи производятся с размерами по диагонали от 27 до 42 дюймов и апексом (отношением сторон) 16:9. При их изготовлении применяются технологии ASV и Black TFT.

В 2004 году корпорация Sharp продемонстрировала прототип ЖК-дисплея с диагональю 45 дюймов, способного воспроизводить 1080-строчный видеосигнал с разрешением 1920×1080 пикселов без масштабирования изображения. Это первый 45-дюймовый дисплей Sharp, рассчитанный на серийный выпуск. Он предназначен для использования в качестве информационного или рекламного табло и имеет контрастное отношение 800:1, время отклика 15 мс, угол обзора 170°. Однако рынок требует дисплеев с ещё большими размерами, и в ответ на это корпорация Sharp продемонстрировала на выставке CEATEC в октябре 2004 года ЖК-дисплей с размерами диагонали 65 дюймов и разрешением 1920×1080 пикселов. В корпорации уверены, что в состоянии со временем уменьшить цену таких изделий до величин, сопоставимых с ценой газоразрядных индикаторных панелей больших форматов.

Вместо заключения

В продолжении данной статьи планируется рассказать об используемых корпорацией Sharp технологиях изготовления ЖК-дисплеев с активной матрицей ТПТ. Этими технологиями во многом определяются высокие эксплуатационные характеристики дисплеев, представленных в первой части материала. Кроме того, планируется отдельно рассмотреть проблему выбора DC/AC-инверторов для разных моделей ЖК-дисплеев. ●

Литература

1. Жданкин В.К. Плоскопанельные жидкокристаллические дисплеи повышенной яркости// Современные технологии автоматизации. – 2004. – № 2. 

В.К. Ждан кин — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
119313 Москва, а/я 81
Телефон: (095) 234-0636
Факс: (095) 234-0640
E-mail: victor@prosoft.ru