Как был изобретен жидкокристаллический дисплей? История развития технологии экранных дисплеев

Каждый день мы смотрим потоковый контент на экранах таких устройств, как телевизоры, компьютеры и мобильные телефоны. С непрерывным развитием и обновлением аппаратных устройств и технологий потокового мультимедиа, технология отображения на экране также постоянно развивается. Сегодня давайте пройдем по следам истории и рассмотрим важные вехи в развитии технологии отображения на экране.

1. Появление ЭЛТ

Катодные лучи впервые наблюдали в 1869 году немецкие физики Юлиус Плюккер и Иоганн Вильгельм Гитторф. В 1897 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун (Браун также получил Нобелевскую премию по физике в 1909 году) изобрёл ЭЛТ (электронно-лучевая трубка, cathode ray tube), которая изначально называлась трубкой Брауна), один из первых в мире электронных дисплеев.

ЭЛТ — это специальная вакуумная трубка, которая содержит одну или несколько электронных пушек, которые испускают пучки электронов, которые ударяют по флуоресцентному экрану, создавая изображение. Ранние телевизоры, компьютеры, банкоматы, камеры, мониторы и дисплеи радаров имели встроенные ЭЛТ.

В 1907 году русский учёный Борис Розинг (работавший с изобретателем телевидения Владимиром Зворыкиным) использовал ЭЛТ для передачи простого геометрического изображения на экран телевизора. Новаторская работа Розинга также сделала его важным изобретателем в области телевидения. С тех пор технология ЭЛТ продолжала развиваться и впервые была коммерциализирована в 1922 году. До появления таких технологий, как светодиоды, плазма и OLED , ЭЛТ использовались в качестве дисплеев для большинства устройств.

В середине и конце 20 века электронно-лучевые трубки широко использовались в телевизорах и компьютерных мониторах. В это время производители продолжали улучшать производительность и разрешение. Большинство компьютерных мониторов в 1970-х годах могли отображать только зеленый текст на черном экране. К 1990 году мониторы XGA (Extended Graphics Array) от IBM могли отображать 16.8 миллионов цветов при разрешении 800 x 600 пикселей.

14-дюймовый цветной ЭЛТ-монитор

2. Плазменный дисплей

В 1936 году венгерский инженер Кальман Тихани описал эту систему плоских плазменных дисплеев в своей статье. В 1964 году Дональд Битцер, Х. Джин Слоттоу и тогдашний аспирант Роберт Уилсон из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн разработали первый монохромный плазменный дисплей для использования в компьютерной системе PLATO.

Принцип излучения света плазмой заключается в инжекции инертного газа или паров ртути в вакуумную стеклянную трубку. После подачи напряжения газ создает плазменный эффект, испускает ультрафиолетовые лучи и возбуждает фосфор для генерации видимого света. Длительность времени возбуждения используется для получения различной яркости. В плазменном дисплее каждый пиксель создается тремя разноцветными (первичными) плазменными излучателями. Он особенно ясен и отчетлив, поскольку каждый отдельный осветитель загорается одновременно. 

До начала 2000-х годов плазменные дисплеи были самым популярным выбором для больших плоских HDTV. Однако следует отметить, что поскольку плазменный дисплей склонен к остаточному изображению, и в то же время из-за ограничений материала и структуры, его нельзя уменьшить в размере, поэтому он не подходит для компьютеров, планшетов и мобильных телефонов. Это также является основной причиной, по которой плазменный дисплей проигрывает в рыночной конкуренции.

К 2013 году его превзошли недорогие ЖК-дисплеи, которые конкурировали по качеству отображения с дорогими, но более контрастными плоскими OLED-дисплеями. Плазменные дисплеи потеряли почти всю долю рынка. Производство плазменных дисплеев для розничного рынка США закончилось в 2014 году, а производство для китайского рынка — в 2016 году.

Плазменный дисплей

3. Эра жидкокристаллических дисплеев (ЖКД)

В 1888 году австрийский ботаник Ф. Райнетцер случайно открыл жидкие кристаллы, изучая бензоат холестерина в моркови, но долгое время это не приносило особой пользы людям. Только в 1960-х годах несколько молодых ученых-электронщиков нарушили молчание.

В 1961 году молодой ученый-электронщик Джордж Хайлмейер готовился к защите докторской диссертации в Принстонской лаборатории корпорации RCA в США. Его специальностью были микроволновые твердотельные компоненты. Он достиг больших успехов в этой области.

Однажды его друг рассказал ему о его текущих исследованиях органических полупроводников, и междисциплинарные темы вызвали у него большой интерес. Он обратился за советом к своему наставнику, и с его поддержкой и поощрением он решительно отказался от профессиональной области, в которой он многому научился, и вступил в новую область, о которой он все еще мало что знал. Он применил свои знания электроники к органической химии и быстро добился результатов.

Вскоре он заинтересовался еще одной новой темой — лазером, и таким образом снова познакомился с кристаллами. Чтобы изучить влияние внешнего электрического поля на внутреннее электрическое поле кристалла, он подумал о жидких кристаллах. Он поместил легированный красителем нематический жидкий кристалл между двумя прозрачными проводящими стеклами. Когда напряжение в несколько вольт прикладывается к обеим сторонам слоя жидкого кристалла, слой жидкого кристалла меняет цвет с красного на прозрачный. Рожденный в электронике, он сразу понял, что это цветной телевизор с плоским экраном! Взволнованные члены команды и он немедленно начали исследования днем ​​и ночью, и они последовательно открыли ряд электрооптических эффектов жидких кристаллов, таких как динамическое рассеяние и фазовый переход жидких кристаллов. И успешно разработали ряд цифровых и символьных устройств отображения, а также часы с жидкокристаллическим дисплеем, мостовые дисплеи и другие практические продукты.

Структура ЖК-дисплея заключается в размещении жидкокристаллической ячейки на двух параллельных стеклянных подложках, на нижней стеклянной подложке расположен тонкопленочный транзистор (TFT) , а на верхней — цветовой фильтр. Вращение фильтра позволяет контролировать, излучает ли каждый пиксель поляризованный свет, для достижения желаемого результата отображения.

Корпорация RCA придает большое значение своим исследованиям и всегда классифицировала их как крупный конфиденциальный проект компании. Только в 1968 году она сообщила миру в широковещательном отчете о последних научных и технологических достижениях. Этот отчет сразу же привлек внимание японских научно-технических кругов и промышленных кругов. Япония объединила крупномасштабные интегральные схемы и жидкие кристаллы, которые появлялись в то время, и взяла рынок «персональной электроники» в качестве ориентира, быстро разработала серию коммерческих продуктов, открыла практическую ситуацию жидкокристаллических дисплеев и взяла на себя инициативу, в результате чего этот импульс способствовал поразительному росту японской микроэлектронной промышленности.

В США руководители некоторых производственных подразделений компании RCA Company, с одной стороны, ограничиваются традиционной полупроводниковой продукцией, с другой стороны, они преувеличивают недостатки только что появившихся жидкокристаллических дисплеев и всячески стараются уничтожить жидкокристаллические дисплейные устройства под предлогом того, что рынок еще не развит. индустриализации. По этой причине члены команды «жидких кристаллов» начали уходить, а патент на «жидкокристаллический дисплей» также был продан. Говорят, что в середине 1970-х годов, когда жидкокристаллические дисплеи сформировали отрасль, компания RCA Company с грустью пришла к выводу на заседании правления, что потеря технологии жидкокристаллических дисплеев в истории векового развития RCA была большой ошибкой.

Хотя жидкокристаллические дисплеи появились еще в 1970-х годах (обычно их можно встретить в калькуляторах, наручных часах, настенных часах и различных бытовых приборах), они не получили широкого распространения до 1990-х годов. Благодаря низкому энергопотреблению, небольшому размеру и легкому весу они широко используются в ноутбуках. Поскольку технология ЖК-дисплеев продолжает совершенствоваться, использование ЖК-экранов в компьютерах и телевизорах становится все более популярным. В 2007 году продажи ЖК-телевизоров впервые превысили продажи ЭЛТ-телевизоров по всему миру.

4. От LED к OLED

В 1962 году инженер General Electric Ник Холоньяк изобрел первый в мире светодиод видимого света. С 1962 по 1968 год Говард К. Борден и Джеральд П. Пигини из Hewlett-Packard Company руководили исследованиями и разработками светодиодов. В феврале 1969 года они представили калькулятор HP Model 5082-7000, первое светодиодное устройство, использующее технологию интегральных схем, и первый в мире интеллектуальный светодиодный дисплей. Коммерциализация светодиодов HP вызвала революцию в технологии цифровых дисплеев и заложила основу для дальнейшего развития технологии светодиодных дисплеев.

LED — это аббревиатура от Light Emitting Diodes, то есть «светоизлучающий диод», строго говоря, это также тип LCD (Liquid Crystal Display). Традиционная CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp, флуоресцентная лампа с холодным катодом и т. д.) в качестве источника подсветки ЖК-устройства может только равномерно освещать весь экран и не может изменять интенсивность подсветки. По сравнению с CCFL, ЖК-устройства со светодиодной подсветкой могут использовать локальное затемнение, что обеспечивает лучшую контрастность и более яркие изображения при меньшем потреблении энергии.

В большинстве ЖК-дисплеев смартфонов и планшетов используются светодиоды из-за их универсальности и небольшого веса.

В 1987 году на основе предыдущих исследований два химика из Eastman Kodak, Дэн Цинъюнь и Стивен Ван Слайк, совместно разработали первое практическое OLED-устройство.

OLED (органический светодиод) , также известный как «органический электролюминесцентный дисплей» . OLED — это устройство, использующее многослойную органическую тонкопленочную структуру для генерации электролюминесценции, которая излучает яркий свет при подаче на него электрического тока. В отличие от ЖК-дисплеев, OLED не требуют подсветки, могут использовать более легкую излучающую подложку (вместо стеклянных подложек, используемых в ЖК-дисплеях и светодиодах), а также имеют более широкие углы обзора и более быструю реакцию.

Появление OLED-технологий — это огромный шаг вперед для электролюминесцентных технологий. По сравнению со светодиодами, OLED-дисплеи тоньше, легче и гибче, и широко используются в телевизионных экранах, компьютерных мониторах и таких устройствах, как смартфоны, умные часы и портативные игровые приставки.

С тех пор как в iPhone X начали использовать OLED-дисплеи , эти технологии быстро завоевали мировой рынок терминалов, и одно за другим появились полноэкранные, складные и гибкие экраны, что в значительной степени способствовало развитию технологий отображения.

5. Изобретение электронной бумаги

В 1970-х годах Ник Шеридон из Xerox Parc разработал первую в мире электронную бумагу — Gyricon.

Электронная бумага представляет собой тонкую пленку, покрытую электронными чернилами — жидким материалом, в котором взвешены сотни микрокапсул диаметром с человеческий волос, каждая из которых состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц. Когда положительное или отрицательное электрическое поле прикладывается к одному электроду, цветные частицы с соответствующим зарядом будут перемещаться к верхней или нижней части капсулы, придавая поверхности дисплея электронной бумаги определенный цвет.

Как и OLED, электронная бумага сама по себе излучает видимый свет, сохраняя при этом глянец «бумаги».

Хотя электронная бумага была разработана в 1970-х годах, она не была популярной до начала 2000-х годов. Наиболее широко она используется в электронных книгах, таких как наши обычные Kindle, BOOX и т. д. Помимо прочего, она используется в электронных ценниках, цифровых вывесках и некоторых дисплеях смартфонов.

E-бумага

6. Технология DLP

DLP (Digital Light Processing) — это аббревиатура цифровой обработки света. Принцип ее работы заключается в цифровой обработке сигнала изображения и его последующей проекции с помощью света. Эта технология имеет чрезвычайно высокую точность изображения и может проецировать четкое, яркое и живое цветное изображение, которое в основном используется в проекционных системах.

В основе технологии DLP лежит оптический полупроводник, называемый цифровым микрозеркальным устройством (DMD), которое использует микрозеркала из алюминия для отражения света для создания изображений. Часто называемые DLP-чипами, DMD могут содержать более 2 миллионов микрозеркал каждый и имеют ширину менее одной пятой толщины человеческого волоса. Микрозеркала организованы в матрицу (подобно фотомозаике), где каждое микрозеркало представляет собой пиксель.

Количество этих микрозеркал соответствует разрешению экрана. Технология DLP 1080p обеспечивает более 2 миллионов пикселей для настоящего разрешения 1920x1080p. На рынке уже есть проекторы DLP 8K (использующие 3xDLP).

DLP изначально был разработан в 1987 году физиком компании Texas Instruments Ларри Хорнбеком. В 1997 году компания Digital Projection представила первый DLP-проектор. В 1998 году и Texas Instruments, и Digital Projection выиграли премию «Эмми» за технологию DLP.

По сравнению с плазменными и ЖК-устройствами, устройства DLP менее дороги, имеют большие экраны, они тоньше и легче. Возможно, вы не осознаете, что технология DLP на самом деле есть в вашей жизни. Она распространена во всех видах проекторов (для обучения, преподавания), домашних кинотеатрах, видеостенах, крупномасштабных проекционных системах, таких как концерты и конференции.

DLP-дисплей и DLP-проектор

Вышеизложенное является важной вехой в развитии технологии отображения экрана. Развитие технологии отображения включает в себя слияние микроструктурированных оптических материалов, передового производства, обработки изображений и других технологий, которые не только улучшают разрешение экрана устройств, но и наглядно представляют человеческое воображение. Внедрение нового поколения новых технологий и продуктов, особенно внедрение современных высокотехнологичных продуктов, всегда открывается и завершается теми молодыми людьми, которые являются междисциплинарными, кросс-отраслевыми и имеют инновационный и пионерский дух. Открытие новой технологии и ее реальное развитие основаны на практическом применении технологии и рыночном спросе. Прикладная технология является гарантией развития высокотехнологичных отраслей, а рыночный спрос является движущей силой развития высокотехнологичных отраслей. Мы считаем, что с развитием аппаратных устройств и непрерывным развитием технологий технология отображения снова достигнет инновационных прорывов.