スマートテレビの液晶ディスプレイ（LCD）
LCDピクセル内部

初代iPhoneの液晶ディスプレイ（LCD）
カラーTFT LCDの層。1：ガラス板。2+3：水平および垂直偏光板。4：RGBカラーマスク。5+6：水平および垂直コマンドライン。7：ポリマー層。8：スペーサー。9：薄膜トランジスタ。10：前面電極。11：背面電極。

液晶ディスプレイ（LCD ）は、液晶の光変調特性と偏光板を組み合わせて情報を表示するフラットパネルディスプレイまたはその他の電子変調光学装置です。液晶は直接光を放射するのではなく[1] 、バックライトまたは反射板を用いてカラーまたはモノクロの画像を生成します[2]。

LCDは、任意の画像（汎用コンピュータディスプレイなど）を表示したり、情報量の少ない固定画像を表示したりするために使用できます。固定画像は表示または非表示にすることができます。プリセットされた文字、数字、7セグメントディスプレイ（デジタル時計など）はすべて、これらのディスプレイを備えたデバイスの例です。これらのディスプレイは、任意の画像が小さなピクセルのマトリックスから構成されるのに対し、他のディスプレイはより大きな要素を持つという 点を除けば、基本的な技術は同じです。

LCDは、液晶テレビ、コンピューターモニター、計器盤、航空機のコックピットディスプレイ、屋内外の看板など、幅広い用途に使用されています。小型のLCD画面は、 LCDプロジェクターや、デジタルカメラ、時計、電卓、スマートフォンを含む携帯電話などの携帯型消費者機器で広く使用されています。2000年代後半から2010年代初頭にかけて、ほぼすべての用途において、重くてかさばり、エネルギー効率の低いブラウン管（CRT）ディスプレイに代わり、LCD画面が採用されました。

LCDは、偏光板の配置によって、常時オン（ポジティブ）またはオフ（ネガティブ）の状態になります。例えば、バックライト付きのポジティブLCDでは、バックライトと同じ色の背景に黒い文字が表示され、ネガティブLCDでは、黒い背景にバックライトと同じ色の文字が表示されます。

LCDはCRTのような画面の焼き付きは発生しません。しかし、LCDでも画像の残像現象は依然として発生します。[3]

一般的な特徴

旅行者向けの通知パネルとして使用されるLCDスクリーン

LCD の各ピクセルは通常、 2 つの透明電極（多くの場合、インジウムスズ酸化物(ITO)製）と 2 つの偏光フィルタ（平行偏光子と垂直偏光子）の間に整列した分子層で構成されます。これらの偏光フィルタの透過軸は、ほとんどの場合、互いに垂直です。偏光フィルタ間に液晶がない場合、最初のフィルタを通過する光は、2 番目の（交差）偏光子によってブロックされます。電界が適用される前は、液晶分子の向きは電極表面の配向によって決まります。ねじれネマティック(TN) デバイスでは、 2 つの電極の表面配向方向が互いに垂直であるため、分子はらせん構造、つまりねじれ状に配列します。これにより入射光の偏光が回転し、デバイスは灰色に表示されます。印加電圧が十分に大きい場合、層中央の液晶分子のねじれはほぼ完全に元に戻り、入射光は液晶層を通過しても偏光は回転しません。この光は主に第2のフィルタに対して垂直に偏光するため、遮断され、ピクセルは黒く表示されます。各ピクセルの液晶層に印加される電圧を制御することで、透過する光の量を変化させ、異なるグレーレベルを表現することができます。[要出典]

LCDに使用される液晶の化学式は様々であり、その配合は特許取得されている場合があります。[4]一例として、2-(4-アルコキシフェニル)-5-アルキルピリミジンとシアノビフェニルの混合物が挙げられます。これはメルク社とシャープ社が特許を取得しています。この特定の混合物に関する特許は失効しています。[5]

ほとんどのカラーLCDシステムは、カラーフィルターを用いて赤、緑、青のサブピクセルを生成するという同じ技術を採用しています。LCDのカラーフィルターは、フォトリソグラフィー工程で大型ガラス板上に作製されます。このガラス板は、薄膜トランジスタ（TFT）アレイ、スペーサー、液晶を内蔵した他のガラス板と貼り合わせ、複数のカラーLCDを形成します。これらのLCDは、それぞれ切り離され、偏光板と積層されます。カラーフィルターの製造には、赤、緑、青、黒のフォトレジスト（レジスト）が使用されます。すべてのレジストには、粒子径がわずか40ナノメートルの微細粉末顔料が含まれています。最初に塗布されるのは黒レジストです。これにより、赤、緑、青のサブピクセルを互いに分離する黒グリッド（業界ではブラックマトリクスと呼ばれます）が形成され、コントラスト比が向上し、あるサブピクセルから周囲のサブピクセルへの光漏れを防ぎます。[6]黒レジストをオーブンで乾燥させ、フォトマスクを通して紫外線を照射した後、未露光部分を洗い流し、黒グリッドを形成します。次に、残りのレジストで同じプロセスを繰り返します。これにより、黒のグリッドの穴が対応する色のレジストで埋められます。[7] [8] [9] 1980年代と1990年代、ほとんどのカラーLCD生産がラップトップコンピューター向けであったときに作られたブラックマトリクスは、その高い不透明度のためにクロムで作られていましたが、環境への懸念から、メーカーはブラックマトリクス材料として炭素顔料を使用した黒色のフォトレジストに切り替えました。[10] [11] [12]初期のカラーPDAや一部の電卓で使用されていた別の色生成方法は、スーパーツイストネマティックLCDの電圧を変化させることによって行われ、より狭い間隔のプレート間の可変ツイストにより変化する複屈折が発生し、色相が変化しました。[13]通常、ピクセルあたりオレンジ、緑、青の3色に制限されていました。[14]

テキサス・インスツルメンツ 製電卓のLCD。上部の偏光板を取り外し、上部と下部の偏光板が垂直になるように配置した状態。その結果、色が反転している。

電圧オン状態の TN デバイスの光学効果は、電圧オフ状態の場合よりもデバイスの厚さの変化にほとんど依存しません。このため、情報量が少なくバックライトのない TN ディスプレイは通常、交差偏光子の間で操作され、電圧なしで明るく表示されます (目は明るい状態の変化よりも暗い状態の変化にはるかに敏感です)。 2010 年頃の LCD のほとんどがテレビ、モニター、スマートフォンに使用されているため、暗い背景のバックライトを使用して任意の画像を表示するために、高解像度のピクセル マトリックス アレイがあります。画像が表示されていないときは、異なる配置が使用されます。この目的のために、TN LCD は平行偏光子の間で操作されるのに対し、IPS LCD は交差偏光子を備えています。多くのアプリケーション、特にスマートフォンでは、IPS LCD が TN LCD に取って代わりました。液晶材料と配向層材料の両方にイオン性化合物が含まれています。特定の極性の電界を長時間印加すると、このイオン性物質が表面に引き寄せられ、デバイスの性能を低下させます。これを回避するには、交流電流を印加するか、デバイスへのアドレス指定時に電界の極性を反転させます（液晶層の応答は、印加電界の極性に関わらず同一です）。

カシオアラームクロノLCD デジタル腕時計

少数の数字や固定記号を表示するディスプレイ（デジタル時計や電卓など）は、各セグメントに独立した電極を使用して実装できます。[15]一方、完全な英数字や可変グラフィックのディスプレイは、通常、液晶（LC）層の片側に電気的に接続された行と反対側の列で構成されるマトリックスとして配置されたピクセルで実装され、これにより交差点で各ピクセルをアドレス指定できます。マトリックスアドレス指定の一般的な方法は、マトリックスの片側を順番にアドレス指定することから成ります。たとえば、行を1つずつ選択し、反対側の列に行ごとに画像情報を適用します。

製造業

歴史

液晶ディスプレイの起源と初期の複雑な歴史は、Joseph A. Castellano氏の著書「Liquid Gold: The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry」で、内部関係者の視点から説明されています。[7] 1991年までのLCDの起源と歴史に関する別の報告書は、Hiroshi Kawamoto氏によって出版されており、IEEE History Centerで閲覧可能です。[16] Peter J. Wild氏 によるスイスのLCD開発への貢献に関する説明は、Engineering and Technology History Wikiでご覧いただけます。[17]

背景

1888年、[18] フリードリヒ・ライニツァー(1858–1927) は、ニンジンから抽出したコレステロールが液晶性を持つこと（すなわち、二つの融点と発色）を発見し、その研究結果を発表しました。[19] 1904年、オットー・レーマンは著書「液晶」を発表しました。1911年、シャルル・モーガンは薄板の間に閉じ込められた液晶を初めて実験しました。

1922年、ジョルジュ・フリーデルは液晶の構造と特性を説明し、ネマティック、スメクティック、コレステリックの3種類に分類しました。1927年、フセヴォロド・フレデリクスは、フレデリクス転移と呼ばれる電気的にスイッチングするライトバルブを発明しました。これはすべてのLCD技術の重要な効果です。1936年、マルコーニ無線電信社はこの技術の最初の実用化である「液晶ライトバルブ」の特許を取得しました。1962年には、ジョージ・W・グレイ博士によって英語で書かれた最初の主要な出版物「液晶の分子構造と特性」が出版されました。[20] 1962年、 RCAのリチャード・ウィリアムズは、液晶が興味深い電気光学特性を持つことを発見し、電圧をかけて液晶材料の薄い層に縞模様を生成することで電気光学効果を実現しました。この効果は、液晶内部に「ウィリアムズドメイン」と呼ばれる電気流体力学的不安定性を形成することに基づいています。[21]

RCAのポール・K・ワイマーは、初期のMOSFETを基にして、 1962年に薄膜トランジスタ（TFT）を開発しました。[22]これは、標準的なバルクMOSFETとは異なるタイプのMOSFETでした。[23]

1960年代

1964年、RCA研究所でリチャード・ウィリアムズが発見した効果の研究をしていたジョージ・H・ハイルマイヤーは、ホメオトロピック配向した液晶で二色性染料の電場誘起再配列による色の切り替えを実現した。この新しい電気光学効果に伴う実際的な問題から、ハイルマイヤーは液晶の散乱効果の研究を続け、最終的に彼が動的散乱モード（DSM）と呼んだものに基づく最初の実用的な液晶ディスプレイを実現した。DSMディスプレイに電圧を加えると、最初は透明だった液晶層が乳白色の濁った状態に切り替わる。DSMディスプレイは透過型と反射型の2種類で動作させることができるが、動作にかなりの電流が必要だった。[24] [25] [26] [27]ジョージ・H・ハイルマイヤーは全米発明家の殿堂入りを果たし[28]、LCDの発明者として認められた。ハイルマイヤーの研究はIEEEマイルストーンに認定されている。[29]

1973年に当時開発されたばかりのシアノビフェニル液晶を使用して作られたデモ用デジタル時計

1960年代後半、英国マルバーンにある英国王立レーダー研究所（RRE）は、液晶に関する先駆的な研究を行いました。RREのチームは、ハル大学のジョージ・ウィリアム・グレイとそのチームによる継続的な研究を支援し、最終的に液晶ディスプレイへの応用に適した安定性と温度特性を持つシアノビフェニル液晶を発見しました。[30]

TFTベースの液晶ディスプレイ（LCD）のアイデアは、1968年にRCA研究所のバーナード・レヒナーによって考案されました。[31]レヒナー、FJマーロウ、EOネスター、J.タルツは、1968年に標準的なディスクリートMOSFETを使用した18x2マトリックスダイナミックスキャタリングモード（DSM）LCDでこの概念を実証しました。[32]

1970年代

1970年12月4日、スイスのホフマン・ラ・ロシュ社は液晶のねじれネマティック電界効果（TN）の特許を出願し（スイス特許番号532 261、2021年3月9日アーカイブ、 Wayback Machineに掲載） 、発明者としてヴォルフガング・ヘルフリッヒ氏とマーティン・シャット氏（当時は中央研究所に勤務）が記載された。[24]ホフマン・ラ・ロシュは、当時の合弁パートナーであったスイスのメーカー、ブラウン・ボベリ社にこの発明のライセンスを供与した。ブラウン・ボベリ社は1970年代、日本の電子産業を含む国際市場向けに腕時計などのTNディスプレイを製造し、日本ではすぐにTN-LCDを搭載した最初のデジタルクオーツ腕時計やその他の多数の製品を製造した。ジェームズ・ファーガソンは、ケント州立大学液晶研究所でサルダリ・アローラおよびアルフレッド・ソープとともに研究していたとき、1971年4月22日に米国で同一の特許を出願した。[33] 1971年に、ファーガソンの会社であるILIXCO（現在のLXD Incorporated）は、TN効果に基づくLCDを製造し、それは低い動作電圧と低い消費電力の改良によりすぐに質の悪いDSMタイプに取って代わった。セイコーの浜哲郎と西村泉彦は、TN -LCDを組み込んだ電子腕時計で1971年2月付けの米国特許を取得した。[34] 1972年に、TN-LCDを備えた最初の腕時計、4桁表示のGruen Teletimeが市場に発売された。

1972年、アクティブマトリックス型 薄膜トランジスタ（TFT）液晶ディスプレイパネルの概念は、米国ペンシルベニア州ピッツバーグのウェスティングハウス社のT.ピーター・ブロディのチームによって試作されました。[35] 1973年、ウェスティングハウス研究所のブロディ、JAアサーズ、GDディクソンは、世界初の薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（TFT LCD）を実演しました。[36] [37] 2013年現在、現代の高解像度・高品質電子画像表示装置はすべて、TFTベースのアクティブマトリックスディスプレイを使用しています。[38]ブロディとファン・チェン・ルオは1974年に世界初のフラット型アクティブマトリックス型薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（AM TFT LCD）を実演し、ブロディは1975年に「アクティブマトリックス」という用語を新たに提唱しました。[31]

1972年、ノースアメリカン・ロックウェル・マイクロエレクトロニクス社は、ロイズ・エレクトロニクス社のマーケティング用電卓にDSM LCDを採用しましたが、照明には内部光源が必要でした。[39] シャープ社は1973年にポケットサイズの電卓にDSM LCDを採用し、 [40]続いて1975年に腕時計用にTN LCDを量産しました。[41]セイコー初の6桁TN-LCDクォーツ腕時計やカシオの「カシオトロン」など、他の日本企業もすぐに腕時計市場で主導的な地位を獲得しました。ゲスト-ホスト相互作用に基づくカラーLCDは、1968年にRCAのチームによって発明されました。[42]こうしたカラーLCDの特定のタイプは、1970年代に日本のシャープによって開発され、1975年5月に加藤真治と宮崎孝明によって特許が取得されるなど、発明に対する特許を取得しました。[43]その後、1975年12月に船田文明と松浦正孝によって改良されました。[44]ウェスティングハウスチームが1972年に開発したプロトタイプに類似した TFT LCDは、1976年に船田文明、松浦正孝、和田富雄からなるシャープのチームによって特許が取得され、[45]その後、1977年に岸公平、野々村宏作、清水圭一郎、和田富雄からなるシャープチームによって改良されました。[46]しかし、TFTの材料の問題がまだ解決されていなかったため、これらのTFT-LCDはまだ製品に使用できる状態ではありませんでした。

1980年代

1983年、スイスのBrown, Boveri & Cie (BBC) Research Centerの研究者らが、パッシブマトリックス方式のLCD用のスーパーツイストネマティック(STN)構造を発明した。H. Amstutzらは、1983年7月7日と10月28日にスイスで出願された対応する特許に発明者として記載されていた。特許は、スイスCH 665491、ヨーロッパEP 0131216、[47] US patent 4,634,229、その他多くの国で取得された。1980年、Brown BoveriはオランダのPhilips社と50/50の合弁会社Videlecを設立した。[48] Philipsは、大型LCDパネルの制御用集積回路の設計と製造に必要なノウハウを持っていた。さらに、フィリップスは電子部品の市場へのアクセスが良く、ハイファイ、ビデオ機器、電話の新製品世代にLCDを使用するつもりでした。 1984年に、フィリップスの研究者テオドラス・ウェルゼンとアドリアヌス・デ・ヴァンは、STN-LCDの応答時間の遅さを解決するビデオスピードドライブ方式を発明し、STN-LCDで高解像度、高品質で滑らかな動画を実現しました。[要出典] 1985年に、フィリップスの発明家テオドラス・ウェルゼンとアドリアヌス・デ・ヴァンは、低電圧（CMOSベース）の駆動エレクトロニクスを使用して高解像度STN-LCDを駆動する問題を解決し、ノートパソコンや携帯電話などのバッテリ駆動のポータブル製品に高品質（高解像度と高解像度）のLCDパネルを適用できるようにしました。[49] 1985年に、フィリップスはスイスに拠点を置くVidelec AG社の100％を買収しました。数年後、フィリップスは急成長を遂げる携帯電話業界向けに、完全なモジュール（LCD スクリーン、マイク、スピーカーなどから構成）を大量生産し、販売することに成功しました。

最初のカラー液晶テレビは、日本で携帯用テレビとして開発された。1980年に服部精工の研究開発グループがカラー液晶ポケットテレビの開発を開始した。[50] 1982年にセイコーエプソンが初の液晶テレビ、エプソンテレビウォッチを発売した。これは小型アクティブマトリックス液晶テレビを搭載した腕時計である。[51] [52]シャープ株式会社は1983年にドットマトリックスTN-LCDを発表した。[41] 1984年にエプソンは初のフルカラーポケット液晶テレビであるET-10を発売した。[53 ]同年、シチズン時計[ 54]が、初の商用TFT液晶を搭載した2.7インチカラー液晶テレビであるシチズンポケットTV[50]を発表した。[ 54 ] 1988年にシャープは14インチ、アクティブマトリックス、フルカラー、フルモーションTFT-LCDを実演した。これをきっかけに日本では液晶産業が立ち上がり、TFTコンピュータモニターや液晶テレビなどの大型液晶ディスプレイが開発されました。 [55]エプソンは1980年代に3LCD投影技術を開発し、1988年にプロジェクターへの使用ライセンスを取得しました。[56]エプソンが1989年1月に発売したVPJ-700は、世界初のコンパクトなフルカラー液晶プロジェクターでした。[52]

1990年代

1990 年に、さまざまな名称で、発明者らは、ねじれネマティック電界効果 LCD (TN-LCD および STN-LCD) の代替として電気光学効果を考案しました。1 つのアプローチは、ガラス基板の 1 枚のみにインターデジタル電極を使用して、ガラス基板と基本的に平行な電界を生成することでした。[57] [58]このIn Plane Switching (IPS) 技術の特性を十分活用するためには、さらなる作業が必要でした。徹底的な分析の後、有利な実施形態の詳細がGuenter Baurらによってドイツで出願され、さまざまな国で特許を取得しました。[59] [60]発明者が働いていたフライブルクの Fraunhofer Institute ISE は、これらの特許をLC 物質の供給業者であるMerck KGaA、ダルムシュタットに譲渡しました。その後まもなく、1992 年に、日立の技術者が IPS 技術のさまざまな実用的な詳細を考案し、薄膜トランジスタ アレイをマトリックスとして相互接続し、ピクセル間の望ましくない漂遊電界を回避しました。[61] [62]最初の壁掛け式液晶テレビは1992年にシャープ株式会社によって発売されました。 [63]

日立は電極の形状を最適化することで視野角依存性をさらに改善しました（スーパーIPS）。NECと日立は、IPS技術をベースにしたアクティブマトリクス方式のLCDをいち早く製造しました。これは、フラットパネルコンピュータモニターやテレビ画面に許容できる視覚性能を持つ大画面LCDを実現するためのマイルストーンです。1996年には、サムスンがマルチドメインLCDを可能にする光学パターニング技術を開発しました。その後、マルチドメインとIn Plane Switchingは2006年までLCDの主流設計となっています。 [64] 1990年代後半、LCD業界は日本から韓国や台湾へと移行し始め、[55]その後中国へと移行しました。

2000年代

この時期、LCD製造では台湾、日本、韓国のメーカーが主要企業であった。[65] : 126  2001年から2006年にかけて、サムスンと他の大手企業5社は、LCD業界の価格を固定するために台湾と韓国で53回の会議を開催した。 [65] : 127 これら6社は、米国から13億ドル、欧州連合から6億5000万ユーロ、中国国家発展改革委員会から3億5000万人民元の罰金を科された。[65] : 127 

2007年には、液晶テレビの画質がブラウン管式（CRT）テレビの画質を上回りました。[66] 2007年第4四半期には、液晶テレビが初めて世界販売台数でCRTテレビを上回りました。[67]ディスプレイバンクによると、2006年に世界で出荷される2億台のテレビのうち、50%を 液晶テレビが占めると予測されていました。[68] [69]

2010年代

2011年10月、東芝は6.1インチ（155mm）の液晶パネルに2560×1600ピクセルを搭載する製品を発表しました。これはタブレット端末、特に漢字表示に適した製品です。 [70] 2010年代には、駆動回路をディスプレイの境界からピクセル間へ移動させることで狭額縁化を実現するTGP（Tracking Gate-line in Pixel）方式も広く採用されました。[71]

パナソニックは2016年、OLEDに匹敵する100万:1のコントラスト比を持つIPS液晶ディスプレイを開発しました。この技術は後に、デュアルレイヤー、デュアルパネル、またはLMCL（光変調セル層）液晶ディスプレイとして量産化されました。この技術は1層ではなく2層の液晶層を使用し、ミニLEDバックライトと量子ドットシートと組み合わせて使用​​されることもあります。[72] [73]

量子ドット増強フィルムまたは量子ドットカラーフィルターを備えたLCDは、2015年から2018年にかけて導入されました。量子ドットはバックライトからの青色光を受け取り、それをLCDパネルがより優れた色再現を提供できる光に変換します。[74] [75] [76] [77] [78] [79]量子ドットカラーフィルターは、着色顔料の代わりに量子ドットを含むフォトレジストを使用して製造され、[80]量子ドットは、カラーフィルターへの適用を改善するために特殊な構造を持つことができます。量子ドットカラーフィルターは、量子ドット増強フィルムよりも優れた光透過率を提供します。[81]

2020年代

2020年代には、中国は最大のLCD製造国となり、中国企業は世界市場の40％のシェアを占めた。[65] : 126 生産量を急増させた中国企業には、BOEテクノロジー、TCL-CSOT、TIANMA、Visionoxなどがある。[65] : 126  地方政府は、国有投資会社を通じたLCDメーカーへの投資を含め、この成長に重要な役割を果たした。[65] : 126 中国は以前にも大量のLCDを輸入しており、LCD産業の成長は、LCDを使用する他の消費者製品の価格を下げ、携帯電話など他の分野の成長につながった。[65] : 126 

照明

ハンドヘルドLCDデバイス用のLEDバックライト

LCDは自ら光を発しないため、可視画像を生成するには外部からの光が必要です。[82] [83]透過型LCDでは、光源はガラススタックの背面に配置されており、バックライトと呼ばれます。アクティブマトリックスLCDはほとんどの場合バックライト付きです。[84] [85]パッシブLCDはバックライト付きになる場合もありますが、多くは反射型で、ガラススタックの背面に反射面またはフィルムを配置して周囲光を利用します。半透過型LCDは、バックライト付きの透過型ディスプレイと反射型ディスプレイの特徴を兼ね備えています。

LCD バックライト技術の一般的な実装は次のとおりです。

42インチ（106 cm）の液晶テレビのバックライトとして18個の並列CCFLを使用
  • WLEDアレイ：LCDパネルは、パネル背面の拡散板の背後に配置された白色LEDのフルアレイによって照らされます。この方式を採用したLCDは通常、表示画像の暗い部分のLEDを減光または完全に消灯する機能を備えており、ディスプレイのコントラスト比を効果的に高めます。この精度は、ディスプレイの調光ゾーンの数によって異なります。調光ゾーンの数が多いほど、調光の精度が向上し、LCDの消灯領域に囲まれた暗い灰色の斑点として見えるブルーミングアーティファクトが少なくなります。2012年現在、この設計は主に高級で大画面のLCDテレビで採用されています。
  • CCFL: LCDパネルは、ディスプレイの反対側の端に配置された2つの冷陰極蛍光灯、または大型ディスプレイの背後にある並列CCFLアレイによって照らされます。次に、拡散板（PMMAアクリル樹脂製、導光板または導光板[86] [87]とも呼ばれる）が、ディスプレイ全体に光を均等に広げます。長年、この技術はほぼ独占的に使用されてきました。白色LEDとは異なり、ほとんどのCCFLは均一な白色スペクトル出力を持ち、ディスプレイの色域が向上します。ただし、CCFLはLEDよりもエネルギー効率が低く、デバイスが使用するDC電圧（通常5または12V）をCCFLを点灯するために必要な約1000Vに変換するために、やや高価なインバータが必要です。 [88]インバータトランスの厚さも、ディスプレイの薄型化を制限します。
  • EL-WLED：LCDパネルは、画面の一端または複数の端に配置された白色LEDの列によって照らされます。その後、光拡散板（導光板、LGP）を使用して、エッジライト型CCFL LCDバックライトと同様に、ディスプレイ全体に光を均一に拡散します。拡散板はPMMAプラスチックまたは特殊ガラスで作られています。PMMAは耐久性が高いため、ほとんどの場合に使用されますが、特殊ガラスはLCDの厚さが特に重要となる場合に使用されます。特殊ガラスは、加熱や湿気にさらされても膨張しにくいため、LCDの厚さをわずか5mmに抑えることができます。量子ドットは、量子ドット強化フィルム（QDEF）として拡散板上に配置できますが、この場合は熱や湿気から保護するための層が必要です。また、LCDのカラーフィルター上に配置して、通常使用されるレジストの代わりに使用できます。[86] 2012年現在、この設計はデスクトップコンピューターのモニターで最も人気のある設計です。これにより、最も薄いディスプレイが可能になります。この技術を採用した一部のLCDモニターには、フィリップスの研究者であるダグラス・スタントン、マルティヌス・ストロマー、アドリアヌス・デ・ヴァンによって発明されたダイナミックコントラストと呼ばれる機能があります[89] PWM（パルス幅変調、LEDの強度は一定に保たれますが、明るさの調整はこれらの一定の光強度の光源を点滅させる時間間隔を変えることによって達成される技術[90]）を使用して、バックライトは画面に表示される最も明るい色に調光され、同時にLCDコントラストが達成可能な最大レベルにまで高められ、LCDパネルの1000：1のコントラスト比がさまざまな光強度に合わせて調整されるようになり、これらのモニターの一部の広告に見られる「30000：1」のコントラスト比が得られます。コンピュータ画面の画像には通常、画像のどこかに完全な白があるため、バックライトは通常最大の強度で点灯します。そのため、この「機能」はコンピュータ モニターのマーケティング上の仕掛けとしての意味しかありませんが、テレビ画面の場合、これによりコントラスト比とダイナミック レンジが大幅に向上し、視野角依存性が改善され、従来の LCD テレビの消費電力が大幅に削減されます。
  • RGB-LEDアレイ: WLEDアレイに似ていますが、パネルがRGB LEDアレイで照らされる点が異なります。[91] [92] [93] [94]白色LEDで照らされたディスプレイは通常、CCFLで照らされたディスプレイよりも色域が劣りますが、RGB LEDで照らされたパネルは非常に広い色域を持っています。この実装は、プロのグラフィック編集LCDで最も人気があります。2012年の時点で、このカテゴリのLCDは通常1000ドル以上でした。2016年の時点で、このカテゴリのコストは大幅に低下し、このようなLCDテレビは以前の28インチ（71cm）CRTベースのカテゴリと同じ価格レベルになりました。
  • モノクロLED：赤、緑、黄、青などのLEDは、時計や小型家電製品などに一般的に使用される小型パッシブモノクロLCDに使用されます。青色LEDは、量子ドット増強フィルムまたは量子ドットカラーフィルターを備えたLCDに使用されます。[95] [96]
  • ミニLED：ミニLEDバックライトは、1000以上のフルエリアローカルエリアディミング（FLAD）ゾーンをサポートできます。これにより、より深い黒と高いコントラスト比が得られます。[97]

今日、ほとんどの液晶画面は、従来のCCFLバックライトの代わりにLEDバックライトを採用しており、このバックライトは映像情報に基づいて動的に制御されます（ダイナミックバックライト制御）。フィリップスの研究者であるダグラス・スタントン、マルティヌス・ストロマー、アドリアヌス・デ・ヴァンによって発明されたダイナミックバックライト制御との組み合わせは、ディスプレイシステムのダイナミックレンジを同時に拡大します（HDR（ハイダイナミックレンジテレビ）またはFLAD（フルエリアローカルエリアディミング）とも呼ばれます）。[98] [99] [89]

LCDバックライトシステムは、プリズムシートなどの光学フィルムを適用することで高効率化を実現しています。プリズムシートは光を所望の方向に集める役割を果たし、反射偏光フィルムはLCDの最初の偏光板（フィリップスの研究者であるアドリアヌス・デ・ヴァンとパウルス・シャーレマンが発明）によって吸収されていた偏光を再利用します。 [100]これらは通常、3Mが製造・供給するDBEFフィルムと呼ばれるフィルムを用いて実現されています。[101]改良版のプリズムシートは、プリズムシートではなく波型構造を採用しており、シート構造に横方向の波を導入するとともに波の高さを変化させることで、より多くの光をスクリーンに照射し、プリズムシート構造とLCDのサブピクセル間のエイリアシングやモアレを低減します。波型構造は、従来のダイヤモンド工作機械を用いてプリズム型構造よりも量産が容易です。これらの工作機械は、波型構造をプラスチックシートに刻印するためのローラーを製作するのに用いられ、プリズムシートの製造に用いられます。[102]プリズムシートの両側に拡散シートを配置することでバックライトの光を均一に分散させ、導光板の背後にミラーを配置することで全ての光を前方に導く。プリズムシートと拡散シートは導光板の上に配置される。[103] [86] DBEF偏光板は、吸収された光の偏光モードを反射する単軸配向複屈折フィルムの大きな積層体で構成される。[104]

一軸配向重合液晶（複屈折ポリマーまたは複屈折接着剤）を使用したDBEF偏光板は、1989年にフィリップスの研究者であるディルク・ブロアー、アドリアヌス・デ・ヴァン、ヨルグ・ブラムブリングによって発明されました。[105]このような反射偏光板とLEDダイナミックバックライト制御[89]の組み合わせにより、今日のLCDテレビはCRTベースのテレビよりもはるかに効率的になり、世界中で600 TWh（2017年）のエネルギー節約につながっています。これは、世界中の全世帯の電力消費量の10％に相当し、世界中のすべての太陽電池のエネルギー生産量の2倍に相当します。[106] [107]

他の回路への接続

LCDパネルを回路基板の配線に接続するピンク色のエラストマーコネクタ。センチメートルスケールの定規の横に示されています。黒い帯状の導電層と絶縁層は非常に小さいです。

標準的なテレビ受像機の画面、つまり最新の LCD パネルには 600 万を超えるピクセルがあり、それらはすべて、画面に埋め込まれた配線ネットワークによって個別に電力を供給されています。細い配線、つまり経路がグリッドを形成し、画面の片側では画面全体を横切る垂直の配線が、画面のもう片側では画面全体を横切る水平の配線が存在します。このグリッドに対して、各ピクセルは、片側ではプラスの接続、もう片側ではマイナスの接続を持ちます。したがって、1080p のディスプレイに必要な配線の総数は、垂直方向に 3 x 1920、水平方向に 1080 で、水平方向と垂直方向合わせて 6840 本の配線になります。これは、赤、緑、青に 3 本、各色に 1920 列のピクセルがあり、垂直方向に 576​​0 本の配線、水平方向に 1080 行の配線があることを意味します。幅が 28.8 インチ (73 センチメートル) のパネルの場合、水平方向の配線密度は 1 インチあたり 200 本になります。

LCD パネルは、工場段階で LCD パネルの端に注意深く合わせられた LCD ドライバによって電力を供給されます。ドライバはいくつかの方法でインストールできますが、最も一般的なのは COG (Chip-On-Glass) と TAB ( Tape-automated bonding ) です。同じ原理は、テレビ画面よりはるかに小さいスマートフォン画面にも適用されます。[108] [109] [110] LCD パネルでは通常、ガラス基板上に薄くコーティングされた金属導電経路を使用して、パネルを操作するためのセル回路を形成します。通常、はんだ付け技術を使用してパネルを別の銅エッチング回路基板に直接接続することはできません。代わりに、異方性導電フィルム、または低密度の場合はエラストマー コネクタを使用してインターフェイスが実現されます。

パッシブマトリックス

540×270ピクセルのパッシブマトリックスSTN-LCDのプロトタイプ、ブラウン・ボベリ・リサーチ社（スイス）、1984年

モノクロ、後にカラーのパッシブマトリックスLCDは、初期のラップトップのほとんど（少数ではプラズマディスプレイ[111] [112]）と初代任天堂ゲームボーイ[113]の標準でしたが、1990年代半ばにカラーアクティブマトリックスがすべてのラップトップで標準になりました。商業的に成功しなかったMacintosh Portable（1989年発売）は、アクティブマトリックスディスプレイ（ただし、依然としてモノクロ）を使用した最初の1つでした。パッシブマトリックスLCDは、安価な電卓など、ラップトップコンピューターやテレビほど要求の厳しくない用途で2010年代でもまだ使用されています。特に、表示する必要のある情報量が少なく、消費電力が最も低く（バックライトなし）、コストが低いことが望まれるか、直射日光下でも読みやすいことが必要なポータブルデバイスで使用されます。

何も表示されていないパッシブマトリックスディスプレイ（上）と何も表示されていないアクティブマトリックスディスプレイ（下）の比較。パッシブマトリックスディスプレイは、何も表示されていない背景がアクティブマトリックスディスプレイの鮮明な背景よりも灰色がかっており、画面の端全体に霧が発生し、画面上の画像がぼやけて見える場合に識別できます。

パッシブマトリックス構造のディスプレイには、スーパーツイステッドネマティックSTN（1983年にスイス、バーデンのブラウン・ボベリ研究所で発明され、科学的な詳細は公表されている[114]）、二層STN（DSTN）技術（後者は前者の色ずれの問題を解決）、そして内部カラーフィルターを用いて色を付加するカラーSTN（CSTN）が用いられる。STN LCDはパッシブマトリックス方式に最適化されており、コントラスト対電圧特性の閾値が従来のTN LCDよりも急峻である。これは、ピクセルが選択されていない状態でも部分的に電圧が印加されるため重要である。アクティブピクセルと非アクティブピクセル間のクロストークは、非アクティブピクセルのRMS電圧を閾値電圧以下に抑えることで適切に処理する必要がある。これは1972年にピーター・J・ワイルドによって発見された[115]。一方、アクティブピクセルには閾値電圧を超える電圧（「Alt & Pleshko」駆動方式による電圧）が印加される。[116]このようなSTNディスプレイをAlt & Pleshko駆動方式で駆動するには、非常に高いラインアドレス電圧が必要です。Welzenとde Vaanは、はるかに低い電圧で駆動できる代替駆動方式（「Alt & Pleshko」ではない駆動方式）を発明し、これによりSTNディスプレイを低電圧CMOS技術で駆動できるようになりました。[49]白地に青のLCDはSTNであり、青色偏光板、つまり複屈折を利用することで独特の外観を実現しています。[117] [118] [119]

STN LCDは、1フレーム中に一方の極性のパルス電圧を、次のフレーム中に反対極性のパルス電圧を交互に印加することで、連続的にリフレッシュする必要があります。個々のピクセルは、対応する行と列の回路によってアドレス指定されます。このタイプのディスプレイは、安定した電荷の恩恵を受けずにリフレッシュ間でピクセルの状態を保持する必要があるため、パッシブマトリックスアドレス方式と呼ばれます。ピクセル数（およびそれに応じて列と行）が増加すると、このタイプのディスプレイは実現不可能になります。応答時間が遅く、コントラストが低いのは、ピクセル数が多すぎるパッシブマトリックスアドレス方式のLCDで、「Alt & Pleshko」駆動方式で駆動される場合の典型的な症状です。Welzenとde Vaanは、STNディスプレイをビデオレートで駆動し、STNディスプレイ上で滑らかな動画を表示できる非RMS駆動方式も発明しました。[要出典]シチズンをはじめとする企業がこれらの特許をライセンス供与し、STNベースのLCDポケットテレビを複数市場に投入しました。[要出典]

アクティブマトリックス構造を用いたLCDの仕組み

双安定LCDは継続的なリフレッシュを必要としません。書き換えは画像情報の変更時にのみ必要です。1984年、HA van SprangとAJSM de Vaanは、双安定モードで動作可能なSTN型ディスプレイを発明し、低電圧で最大4000線以上の非常に高解像度の画像を表示できるようになりました。[120]特定のピクセルに新しい情報を書き込む必要がある瞬間に、ピクセルはオン状態またはオフ状態のいずれかになるため、これらの双安定ディスプレイのアドレス指定方法はかなり複雑であり、これがこれらのディスプレイが市場に投入されなかった理由です。しかし、2010年に「ゼロパワー」（双安定）LCDが利用可能になったことで状況は変わりました。書き込み/消去特性が適切であれば、パッシブマトリックスアドレス指定をデバイスに使用できる可能性があり、静止画像のみを表示する電子書籍がその例です。1ページがディスプレイに書き込まれた後、読み取り可能な画像を保持したままディスプレイの電源を切断することができます。これには、このような電子書籍は小さなバッテリーだけで長時間動作できるという利点があります。

現代の液晶コンピュータモニターやテレビなどの高解像度カラーディスプレイは、アクティブマトリックス構造を採用しています。薄膜トランジスタ（TFT）のマトリックスが、液晶層に接する電極に追加されています。各ピクセルには専用のトランジスタが搭載されており、各列ラインから1つのピクセルにアクセスできます。1つの行ラインが選択されると、すべての列ラインが1つのピクセル行に接続され、画像情報に対応する電圧がすべての列ラインに供給されます。その後、行ラインは非アクティブになり、次の行ラインが選択されます。リフレッシュ動作中は、すべての行ラインが順番に選択されます。アクティブマトリックス方式のディスプレイは、同じサイズのパッシブマトリックス方式のディスプレイよりも明るく鮮明で、一般的に応答時間が速く、はるかに優れた画像を生成します。シャープは、1ピクセルあたり1ビットのSRAMセルを備えた双安定反射型LCDを製造しており、画像を維持するためにわずかな電力しか必要としません。[121]

セグメントLCDは、フィールドシーケンシャルカラー（FSC LCD）を使用することでカラーを表示することもできます。この種類のディスプレイには、RGBバックライト付きの高速パッシブセグメントLCDパネルがあります。バックライトは色がすばやく変わるため、肉眼では白く見えます。LCDパネルはバックライトと同期しています。たとえば、セグメントを赤く表示する場合、バックライトが赤いときだけセグメントがオンになり、セグメントをマゼンタに表示する場合、バックライトが青のときにセグメントがオンになり、バックライトが赤になる間はオンのままになり、バックライトが緑になるとオフになります。セグメントを黒く表示する場合、セグメントは常にオンです。FSC LCDは、カラー画像を3つの画像（赤、緑、青）に分割し、それらを順番に表示します。視覚の残像により、3つの単色画像は1つのカラー画像として表示されます。 FSC LCDは、リフレッシュレート180HzのLCDパネルを必要とし、応答時間は16ミリ秒の通常のSTN LCDパネルと比較してわずか5ミリ秒に短縮されます。[122] [123] FSC LCDにはチップオングラス（Chip-On-Glass）ドライバICが搭載されており、静電容量式タッチスクリーンにも使用できます。この技術は、画像表示用のディスプレイにも適用できます。光透過率が高く、LCDのカラーフィルターが不要になるため、バックライトの消費電力を削減できる可能性があるからです。[124]

サムスンは2002年に超複屈折効果を利用したUFB（Ultra Fine & Bright）ディスプレイを発表しました。サムスンによると、このディスプレイはTFT液晶とほぼ同等の輝度、色域、コントラストを有しながら、消費電力はSTNディスプレイと同程度です。2006年後半にサムスンがUFBディスプレイの生産を中止するまで、サムスンが製造した様々な携帯電話機種に搭載されていました。また、LGの携帯電話の一部機種にもUFBディスプレイが採用されていました。

アクティブマトリックス技術

ソニーのサイバーショットDSC-P93Aデジタルコンパクトカメラに使用されているカシオの1.8インチカラーTFT液晶ディスプレイ
エッジライトCCFLバックライトを備えたカラーLCDの構造

ツイストネマティック（TN）

TNディスプレイは、光を透過させるために様々な角度でねじれたりほどけたりする液晶を使用しています。TN液晶セルに電圧が印加されていない状態では、偏光した光は90度ねじれた液晶層を通過します。印加電圧に比例して液晶のねじれが戻り、偏光が変化して光の進路が遮断されます。電圧レベルを適切に調整することで、ほぼあらゆる階調や透過率を実現できます。

インプレーンスイッチング（IPS）

インプレーンスイッチング（IPS）は、液晶をガラス基板と平行な平面に配向させるLCD技術です。この方式では、同一のガラス基板上の対向する電極を介して電界を印加することで、液晶を基本的に同一平面内で再配向（スイッチング）させることができます。ただし、フリンジ電界によって均一な再配向は阻害されます。この方式では、標準的な薄膜トランジスタ（TFT）ディスプレイに必要な1つのトランジスタではなく、各ピクセルに2つのトランジスタが必要です。IPS技術は、テレビ、コンピューターモニター、ウェアラブルデバイスなど、あらゆるものに使用されており、ほぼすべてのLCDスマートフォンパネルはIPS/FFSモードです。IPSディスプレイは、LCDパネルファミリーの画面タイプに属します。他の2つのタイプは、VAとTNです。LG Enhanced IPSが2001年に日立によって17インチモニターとして市場に導入される前は、追加のトランジスタによって透過領域が広くブロックされ、より明るいバックライトが必要になり、消費電力も増加したため、このタイプのディスプレイはノートパソコンには不向きでした。パナソニック姫路G8.5はIPSの強化バージョンを使用していましたが、韓国のLGディスプレイも、そして現在世界最大のLCDパネル製造業者である中国のBOEも、IPS/FFSモードのテレビパネルを使用しています。

IPS液晶パネルの角のクローズアップ

スーパーインプレーンスイッチング（S-IPS）

スーパーIPSは、インプレーンスイッチング方式の後に導入され、応答時間と色再現性がさらに向上しました。[125]

M+かRGBWかの論争

2015年にLGディスプレイは、 IPSパネル技術に通常のRGBドットに加えて白のサブピクセルを追加したM+と呼ばれる新技術の実装を発表しました。[126]

新しいM+技術の大部分は4Kテレビに採用されましたが、従来のRGB構造に代わる白色サブピクセルの追加によって解像度が約25%低下するというテスト結果が出たため、論争を巻き起こしました。つまり、「4K」M+テレビはUHDテレビ規格の完全な表示ができないということです。メディアやインターネットユーザーは、白色サブピクセルの存在から「RGBW」テレビと呼んでいました。LGディスプレイはこの技術をノートパソコン用ディスプレイ、屋外ディスプレイ、スマートフォン向けに開発しましたが、「4K UHD」解像度が発表されたことでテレビ市場で人気が高まりましたが、CTAが定義する真のUHD解像度（8ビットカラーで3840×2160のアクティブピクセル）には達していませんでした。これはテキストのレンダリングに悪影響を与え、ややぼやけた表示になり、特にテレビをPCモニターとして使用した場合に顕著でした。[127] [128] [129] [130]

IPSとAMOLEDの比較

2011年、LGはスマートフォンLG Optimus Black（IPS LCD（LCD NOVA））の明るさが最大700ニットであると主張したが、競合他社のディスプレイは518ニットのIPS LCDと、その2倍の305ニットのアクティブマトリックスOLED（AMOLED）ディスプレイのみである。また、LGはNOVAディスプレイは普通のLCDよりも50パーセント効率が高く、画面上に白を生成するときにAMOLEDディスプレイの50パーセントの電力しか消費しないと主張した。[131]コントラスト比に関しては、黒レベルがダークグレーではなく真っ黒として表示される基礎技術により、AMOLEDディスプレイは依然として最高のパフォーマンスを発揮する。2011年8月24日、ノキアはNokia 701を発表し、1000ニットの世界一明るいディスプレイであると主張した。この画面にはノキアのClearBlackレイヤーも搭載されており、コントラスト比が向上し、AMOLED画面のコントラスト比に近づいている。

このピクセルレイアウトはS-IPS液晶ディスプレイに採用されています。V字型の形状は、視野角（コントラストが高く色ずれが少ない視野範囲）を広げるために使用されます。

高度なフリンジフィールドスイッチング（AFFS）

2003 年までフリンジ フィールド スイッチング (FFS) として知られていた[132]高度なフリンジ フィールド スイッチングは、IPS や S-IPS に似ており、優れたパフォーマンスと高輝度の色域を提供します。AFFS は、韓国の Hydis Technologies Co., Ltd (以前は Hyundai Electronics、LCD Task Force) によって開発されました。[133] AFFS を適用したノートブック アプリケーションは、プロ仕様のディスプレイの広い視野角を維持しながら色の歪みを最小限に抑えます。光漏れによって引き起こされる色のシフトと偏差は、白の色域を最適化することによって修正され、白/グレーの再現も強化されます。2004 年に、Hydis Technologies Co., Ltd は、AFFS のライセンスを日本の Hitachi Displays に供与しました。日立は、高級パネルの製造に AFFS を使用しています。2006 年に、HYDIS は AFFS のライセンスを Sanyo Epson Imaging Devices Corporation に供与しましたハイディスは2007年に屋外での視認性を向上させたAFFS+を導入しました。AFFSパネルは主に最新の民間航空機ディスプレイのコックピットに搭載されていますが、2015年2月現在、生産は終了しています。[134] [135] [136]

垂直方向の配置（VA）

垂直配向ディスプレイは、液晶がガラス基板に対して自然に垂直に配向するLCDの一種です。電圧が印加されていない状態では、液晶は基板に対して垂直のままで、交差偏光板の間に黒表示を形成します。電圧が印加されると、液晶は傾斜した位置に移動し、光が透過して、電界によって生じる傾斜量に応じてグレースケール表示を生成します。従来のツイストネマティックディスプレイと比較して、黒の背景がより深く、コントラスト比が高く、視野角が広く、極端な温度下でも優れた画質を実現します。[137] IPSと比較すると、黒レベルはより深く、コントラスト比は高くなりますが、視野角は狭く、色、特にコントラストの変化がより顕著になります。また、VAのコストはIPSよりも低い（TNよりも高い）です。[138]

ブルーフェーズモード

ブルーフェーズモードLCDは2008年初頭にエンジニアリングサンプルとして公開されましたが、量産には至っていません。ブルーフェーズモードLCDの物理的特性から、非常に短いスイッチング時間（≈1ms）を実現できることが示唆されており、時間順次的な色制御が実現可能となり、高価なカラーフィルターは不要になるでしょう。[139]

品質管理

一部のLCDパネルには欠陥のあるトランジスタがあり、常時点灯または常時消灯するピクセルが発生します。これらは通常、それぞれスタックピクセルまたはデッドピクセルと呼ばれます。集積回路（IC）とは異なり、LCDパネルは少数の欠陥トランジスタがあっても通常は使用可能です。欠陥ピクセルの許容数に関するメーカーの方針は大きく異なります。かつてサムスンは、韓国で販売されるLCDモニターに対してゼロトレランスポリシーを採用していました。[140] 2005年現在、サムスンはより制限の少ないISO 13406-2規格に準拠しています。[141]他の企業では、11個までのデッドピクセルを許容するポリシーが採用されていることが知られています。[142]

ドット抜けポリシーは、メーカーと顧客の間でしばしば激しい議論の的となっています。欠陥の許容範囲を規定し、エンドユーザーを保護するために、ISOはISO 13406-2規格を発表しましたが、これは2008年にISO 9241 （具体的にはISO-9241-302、303、305、307:2008のピクセル欠陥に関する規格）の発表により廃止されました。しかし、すべてのLCDメーカーがISO規格に準拠しているわけではなく、ISO規格の解釈も多岐にわたります。LCDパネルはサイズが大きいため、ほとんどのICよりも欠陥が発生する可能性が高くなります。[143]

多くのメーカーは、1つの欠陥ピクセルでも製品を交換するだろう。そのような保証がない場合でも、欠陥ピクセルの位置は重要である。欠陥ピクセルが互いに近い場合は、欠陥ピクセルが少数のディスプレイでも受け入れられない可能性がある。LCDパネルには、曇り、汚れた画面効果、またはあまり一般的ではないがムラと呼ばれる欠陥があり、パネル上の輝度が不均一になる。これは、表示されたシーンの暗い部分や黒い部分で最も目立ちます。 [144] 2010年現在、ほとんどの高級ブランドのコンピューターLCDパネルメーカーは、自社製品に欠陥がないことを指定している。

「ゼロ電力」（双安定）ディスプレイ

Qinetiq（旧DERA ）が開発した天頂双安定デバイス（ZBD）は、電力供給なしで画像を保持できます。結晶は2つの安定した方向（「黒」と「白」）のいずれかで存在し、電力は画像を変更する場合にのみ必要です。ZBD DisplaysはQinetiQからスピンオフした企業で、グレースケールとカラーの両方のZBDデバイスを製造しています。Kent Displaysは、ポリマー安定化コレステリック液晶（ChLCD）を使用した「無電力」ディスプレイも開発しました。2009年、Kent Displaysは携帯電話の表面全体をChLCDで覆い、色を変更し、電源を切ってもその色を維持することを実証しました。[145]

2004年、オックスフォード大学の研究者たちは、ゼニサル双安定技術に基づく2種類の新しいゼロ電力双安定LCDを実証した。[146] 360°BTNや双安定コレステリック液晶などのいくつかの双安定技術は、主に液晶（LC）のバルク特性に依存しており、従来の単安定材料と同様の配向膜と液晶混合物を用いた標準的な強アンカーリングを用いている。一方、BiNem技術などの他の双安定技術は、主に表面特性に依存しており、特定の弱アンカーリング材料を必要とする。

仕様

  • 解像度LCD の解像度は、ピクセルの列数と行数で表されます（例：1024×768）。各ピクセルは通常、赤、緑、青の3つのサブピクセルで構成されています。これは、異なる設計間でも一貫していた LCD の性能特性のごく一部でした。しかし、最近では、ピクセル間でサブピクセルを共有し、クアトロン技術を追加する新しい設計が登場しています。クアトロン技術は、実際の解像度を上げずにディスプレイの解像度を効果的に高める試みですが、その効果はまちまちです。
  • 空間パフォーマンス：コンピューターモニターやその他のディスプレイを非常に近い距離から見る場合、解像度はドットピッチ、つまり1インチあたりのピクセル数で表されることが多く、これは印刷業界でも同様です。表示密度は用途によって異なりますが、テレビは一般的に遠距離から見るために低い密度で、ポータブルデバイスは近距離の細部を見るために高い密度で表示されます。LCDの視野角は、ディスプレイとその用途によっては重要になる場合があります。特定のディスプレイ技術の制限により、ディスプレイは特定の角度でしか正確に表示されません。
  • 時間的パフォーマンス： LCDの時間解像度とは、変化する画像をどれだけ正確に表示できるか、つまり、ディスプレイが与えられたデータを1秒間に描画する精度と回数を指します。LCDピクセルはフレーム間で点滅しないため、リフレッシュレートが低くても、LCDモニターはリフレッシュによるちらつきは発生しません。[147]しかし、リフレッシュレートが低いと、特に動きの速い画像では、ゴーストやスミアなどの視覚的なアーティファクトが発生する可能性があります。個々のピクセルの応答時間も重要です。すべてのディスプレイは画像を表示する際に一定の遅延時間を持ち、表示される画像が急速に変化すると、視覚的なアーティファクトが発生するほど大きくなる可能性があります。
  • 色性能: ディスプレイの色性能のさまざまな側面を説明する用語が複数あります。色域は表示できる色の範囲であり、色深度は色の範囲を細分化する細かさです。色域は比較的わかりやすい機能ですが、専門家レベルを除いてマーケティング資料で説明されることはほとんどありません。画面に表示されるコンテンツを超える色範囲を持つことに利点はないため、ディスプレイは特定の仕様の範囲内または範囲内でのみ機能するように作られています。[148] LCDの色と色管理には、白色点やガンマ補正など、白色がどのような色で、他の色が白色に対してどのように表示されるかを説明する追加の側面があります。
  • 明るさとコントラスト比： コントラスト比とは、フルオンのピクセルとフルオフのピクセルの明るさの比です。LCD自体は単なる光バルブであり、光を発しません。光は蛍光灯またはLEDバックライトから供給されます。明るさは通常、LCDの最大光出力として表されますが、LCDの透過率とバックライトの明るさによって大きく異なります。バックライトが明るいほど、コントラストが強くなり、ダイナミックレンジが広くなります（HDRディスプレイはピーク輝度で段階的に調整されます）。ただし、明るさと消費電力の間には常にトレードオフの関係があります。

メリットとデメリット

これらの問題の一部は全画面ディスプレイに関連し、その他は時計などの小型ディスプレイに関連します。比較の多くは CRT ディスプレイと行われます。

利点

  • 特に CRT ディスプレイと比較すると、非常にコンパクトで薄く、軽量です。
  • 低消費電力。設定されたディスプレイの明るさと表示内容にもよりますが、旧式のCCFTバックライトモデルは、通常、同じ表示面積のCRTモニターの半分以下の電力しか消費しません。また、最新のLEDバックライトモデルは、通常、CRTモニターの10～25%の電力しか消費しません。[149]
  • 消費電力が低いため、動作中に発生する熱はほとんどありません。
  • 幾何学的な歪みはありません。
  • バックライト技術によっては、ちらつきをほとんどまたはまったく発生させない可能性があります。
  • 通常、LCD ピクセルはリフレッシュ間で状態を保持するため、リフレッシュ レートのちらつきは発生しません (リフレッシュは通常、入力リフレッシュ レートに関係なく 200 Hz 以上で実行されます)。
  • ネイティブ解像度で操作すると、にじみや汚れのない鮮明な画像が得られます。
  • CRTモニターとは異なり、不要な電磁放射（極低周波範囲）をほとんど放射しません。 [150]
  • ほぼあらゆるサイズや形状で製作できます。
  • 理論的な解像度制限はありません。複数のLCDパネルを組み合わせて1つのキャンバスを作成する場合、パネルを追加するごとにディスプレイ全体の解像度が増加します。これは一般にスタック解像度と呼ばれます。[151]
  • 対角80インチ（2m）を超える大型サイズも製作可能です。
  • LCDは透明でフレキシブルにすることができますが、フレキシブルで透明にすることができる他のディスプレイ技術であるOLEDやマイクロLEDとは異なり、バックライトなしでは発光できません。[152] [153] [154] [155]
  • マスキング効果：LCDグリッドは空間およびグレースケールの量子化の効果をマスクし、高画質の錯覚を作り出すことができます。[156]
  • ほとんどのカラー CRT とは異なり、地球の磁場を含む磁場の影響を受けません。
  • LCDは本質的にデジタルデバイスであるため、アナログへの変換を必要とせず、DVIまたはHDMI接続からのデジタルデータをネイティブに表示できます。一部のLCDパネルは、DVIとHDMIに加えて、ネイティブ光ファイバー入力を備えています。[157]
  • 多くの LCD モニターは 12 V 電源で動作し、コンピューターに内蔵されている場合は、その 12 V 電源で動作させることができます。
  • 非常に狭いフレーム境界で作成できるため、複数の LCD 画面を並べて 1 つの大きな画面のように配置できます。

デメリット

  • 一部の旧式または安価なモニターでは視野角が限られており、意図した視野角内であっても、ユーザーの位置によって色、彩度、コントラスト、明るさが変化することがあります。特殊なフィルムを使用することで、LCDの視野角を広げることができます。[158] [159]
  • 一部のモニターでバックライトが不均一になり（IPS タイプや古い TN でより一般的）、特に端に向かって明るさが歪む（「バックライト ブリード」）ことがあります。
  • 個々の液晶ではバックライトの通過を完全に遮断することはできないため、黒レベルが必要なほど暗くならない場合があります。
  • ストロボバックライトを使用しない限り、サンプル＆ホールドディスプレイでは、応答速度が遅い（8ミリ秒以上）ことと視線追跡によって、動く物体にモーションブラーが発生します。しかし、このストロボは、次に示すように、目の疲れを引き起こす可能性があります。
  • 2012年現在、LCDバックライトの実装のほとんどは、ディスプレイを暗くするためにパルス幅変調（PWM）を使用しています。 [160]これにより、85HzのリフレッシュレートのCRTモニターよりも画面のちらつきが激しくなります（これは目に見えるという意味ではありません）。これは、画面全体を継続的にスキャンしてディスプレイの一部が常に点灯しているCRTの蛍光体持続ドットではなく、画面全体が点滅するためです）。一部の人々は、深刻な眼精疲労を引き起こします。 [161] [162]残念ながら、これらの人々の多くは、眼精疲労がPWMの目に見えないストロボ効果によって引き起こされていることに気づいていません。[163]この問題は、多くのLEDバックライトモニターで悪化します。なぜなら、LEDはCCFLランプよりも速くオンとオフを切り替えるからです。
  • ネイティブ解像度は 1 つのみ。その他の解像度で表示するには、ビデオ スケーラーが必要となり、ぼやけやギザギザのエッジが発生します。または、1:1 ピクセル マッピングを使用してネイティブ解像度で表示を実行すると、画像が画面いっぱいに表示されない (レターボックス表示) か、画面の端からはみ出します。
  • 固定ビット深度（色深度とも呼ばれます）。多くの安価なLCDは、262144色（2の18乗）しか表示できません。8ビットS-IPSパネルは1600万色（2の24乗）を表示でき、黒レベルが大幅に向上しますが、高価で応答時間が遅くなります。
  • 入力遅延は、LCDのA/Dコンバータが各フレームの出力が完了するまで待ってからLCDパネルに描画するため発生します。多くのLCDモニターは、低い色忠実度を補正するために画像を表示する前に後処理を行っており、これも遅延を増加させます。さらに、ネイティブ解像度以外の解像度を表示する場合はビデオスケーラーを使用する必要があり、これもさらに遅延を増加させます。現代のモニターでは、スケーリングと後処理は通常1つのチップで行われますが、チップが実行する各機能によって遅延が発生します。一部のディスプレイには、知覚できる入力遅延を低減するために、すべてまたはほとんどの処理を無効にするビデオゲームモードが搭載されています。
  • 製造時または一定期間の使用後に、ドット抜けや固着が発生することがあります。固着したピクセルは、真っ黒な画面でも色が光りますが、ドット抜けは常に黒のままです。
  • 焼き付き現象は、原因が CRT とは異なり、その影響が永続的ではない場合でも発生しますが、設計が不適切なディスプレイでは静止画像が数時間で焼き付きを引き起こす可能性があります。
  • 常時オンの状況では、熱管理が不十分な場合に熱化が発生する可能性があり、画面の一部が過熱し、画面の他の部分に比べて変色して見えることがあります。
  • 低温環境では、輝度が低下し、応答時間が大幅に遅くなります。氷点下の環境では、補助的な加熱装置を使用しないとLCD画面が機能しなくなる場合があります。
  • 高温環境でのコントラストの低下。

使用される化学物質

液晶ディスプレイには、数種類の異なる液晶ファミリーが使用されています。使用される分子は異方性で、相互に引力を発揮する必要があります。分極性棒状分子（ビフェニル、ターフェニルなど）が一般的です。一般的な形態は、片方の端に非極性部分（ペンチル、ヘプチル、オクチル、またはアルキルオキシ基）、もう片方に極性部分（ニトリル、ハロゲン）を持つ一対の芳香族ベンゼン環です。ベンゼン環は、アセチレン基、エチレン、CH=N、CH=NO、N=N、N=NO、またはエステル基で分離されている場合もあります。実際には、より広い動作温度範囲（低性能ディスプレイでは-10～+60 °C、高性能ディスプレイでは-20～+100 °C）を実現するために、複数の化学物質の共晶混合物が使用されています。例えば、E7混合物は3つのビフェニルと1つのテルフェニルから構成され、4'-ペンチル[1,1'-ビフェニル]-4-カルボニトリル（ネマチック範囲24..35℃）39重量％、4'-ヘプチル[1,1'-ビフェニル]-4-カルボニトリル（ネマチック範囲30..43℃）36重量％、4'-オクトキシ[1,1'-ビフェニル]-4-カルボニトリル（ネマチック範囲54..80℃）16重量％、4-ペンチル[1,1':4',1-テルフェニル]-4-カルボニトリル（ネマチック範囲131..240℃）9重量％である。[164]

環境への影響

LCDスクリーンの製造では、薄膜部品の製造工程において、エッチング液として三フッ化窒素（NF3 ）が使用されています。NF3は強力な温室効果ガスであり、その半減期が比較的長いため、地球温暖化に潜在的に有害な影響を与える可能性があります。 『Geophysical Research Letters』誌の報告書によると、NF3の影響は、二酸化炭素などのよく知られた温室効果ガス源よりも理論的にははるかに大きいと示唆されています。当時、NF3は広く使用されていなかったため、京都議定書の対象とならず、「失われた温室効果ガス」とみなされました。[165] NF3は、ドーハ・ラウンドの第2回遵守期間において京都議定書に追加されました。[166]

この報告書を批判する人々は、生成されるNF 3のすべてが大気中に放出されると想定されている点を指摘している。実際には、NF 3の大部分は洗浄プロセス中に分解される。先行する2つの研究では、使用後に分解を免れるのはわずか2～3%であることが分かっている。[167]さらに、この報告書は、NF 3の影響を、NF 3 が代替した別の強力な温室効果ガスであるパー​​フルオロカーボンと比較していない。パーフルオロカーボンは通常の使用時に30～70%が大気中に放出される。[167]

参照

参考文献

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さらに読む

  • 液晶ディスプレイの開発: ハル大学のジョージ・グレイ氏へのインタビュー、2004 年 - Vega Science Trust によるビデオ。
  • Timothy J. Sluckin 液晶の歴史、書籍「Crystals that Flow: Classic papers from the history of liquid crystals」からのプレゼンテーションと抜粋。
  • デイヴィッド・ダンマー＆ティム・スラッキン（2011）『石鹸、科学、そして薄型テレビ：液晶の歴史』オックスフォード大学出版局 ISBN 978-0-19-954940-5。
  • Artamonov, Oleg (2007年1月23日). 「現代のLCDモニターのパラメータ：客観的および主観的分析」. X-bit labs. 2008年5月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年5月17日閲覧。
  • 3LCD技術の概要、プレゼンテーション技術
  • LCDパネルの操作を説明するアニメーション 2009年9月1日アーカイブ、Wayback Machine
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