Принцип работы lcd монитора. Типы жк-матриц. Правила эксплуатации и обслуживания ЖК-панели

LCD или жидкокристаллического дисплея основана на поляризации светового потока. Жидкие кристаллы «просеивают» свет, пропуская лишь определенные волны светового пучка с соответствующей осью поляризации, и оставаясь непрозрачными для всех остальных волн. Изменение вектора поляризации осуществляется жидкими кристаллами в зависимости от приложенного к ним электрического поля. Иными словами при помощи электричества можно изменять ориентацию молекул кристаллов и тем самым обеспечивать создание изображения.

Практически любой LCD-дисплей имеет активную матрицу из транзисторов, с помощью которых формируется изображение, слой жидких кристаллов со светофильтрами, выборочно пропускающих свет, и систему подсветки (как правило, из светодиодов). Последняя необходима для показа цветных изображений. LCD-дисплей имеет несколько слоев, основными из которых являются две стеклянные панели, которые и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им ориентацию. Бороздки расположены параллельно на каждой панели, но перпендикулярно между двумя панелями. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах одинаково ориентируются во всех ячейках.


Непосредственно экран LCD-дисплея представляет собой массив маленьких сегментов — пикселей. На каждый пиксель приходится по три транзистора, каждый из которых отвечает за один из трех цветов, и конденсатор, поддерживающий необходимое напряжение. Комбинируя три основных цвета для каждого пикселя экрана, можно получить любой цвет.

Наиболее распространенными в настоящее время являются жидкокристаллические TFT-дисплеи, в активной матрице которых используются тонкоплёночные прозрачные транзисторы. Количество транзисторов в таких дисплеях может достигать несколько сотен тысяч.


Среди преимуществ LCD-дисплеев сравнительно невысокая стоимость, отличная фокусировка, очень высокая четкость изображения и яркость. А также отсутствие ошибок совмещения цветов и мерцания экрана. Дело в том, что в таких дисплеях не используется электронный луч, рисующий каждую строку на экране. Из недостатков LCD — появление мертвых пикселей из-за сгорания транзисторов, малое количество оттенков цвета, неоднородность яркости картинки (зачастую освещение у края дисплея сильнее) и сравнительно малый угол обзора.

Ещё несколько лет назад выбор монитора для персонального компьютера осуществлялся по ценовой категории, где было ясно, что более дорогое устройство имеет качественную матрицу, а дешёвый монитор характеристиками не блещет. На данный момент на рынке мониторов разделение происходит по размерам экрана, каждый производитель выпускает устройства с разными технологиями матрицы. Из-за этого выбор при покупке усложнился. Данная статья поможет пользователям правильно выбрать тип матрицы монитора. Какой лучше экран приобретать на рынке, для каких целей и чем он отличается от конкурентов, будет изложено в доступном виде.

Чтобы было понятнее

Перед тем как выбрать тип матрицы монитора, нужно понять принцип её действия, а также выявить все достоинства и недостатки. Составив список потребностей (в каких целях приобретается данное устройство), будет очень легко сопоставить действительное с желаемым. Если не затрагивать размер экрана, использование монитора распределяется по потребностям на несколько групп:

1. Офисный монитор. Высокий уровень контрастности - единственное требование.
2. Компьютер дизайнера (фото, предпечатная подготовка). Важна точная цветопередача.
3. Мультимедиа. Просмотр фильмов требует широких углов обзора и реального чёрного цвета на экране.
4. Игровой компьютер. Важный показатель - время отклика матрицы.

Технология производства и движение электронов между матрицами вряд ли кому-то интересны, поэтому в данной статье будут рассмотрены достоинства и недостатки, а также использованы данные из средств массовой информации - отзывы владельцев и рекомендации продавцов. Выяснив, какие существуют технологии, останется лишь их совместить с заявленными требованиями и финансами, выделенными на покупку монитора.

Бюджетник не сдаёт позиций

Тип матрицы монитора TN (Twisted Nematic) считается на рынке долгожителем среди конкурентов. Благодаря низкой цене и доступности мониторы с этой матрицей установлены во всех государственных и учебных заведениях, офисах многих компаний мира и на больших предприятиях. По статистике, 90% всех мониторов в мире имеют TN-матрицу. Наряду с ценой ещё одним достоинством такого монитора является малое время отклика матрицы. Данный параметр очень важен в динамических играх, где скорость прорисовки играет первостепенную роль.

А вот с цветопередачей и углом обзора у таких мониторов не сложилось. Даже модернизация TN-матрицы путём добавления дополнительного слоя для увеличения углов обзора не дала нужных результатов, лишь добавила к названию типа экрана «+film». Нельзя забывать и про энергопотребление, которое значительно превышает в режиме работы всех конкурентов.

И всё же

Помимо офисного применения, TN+film - это лучший тип матрицы монитора для игр. Ведь большинство геймеров предпочитают переплатить за производительные комплектующие, такие как процессор или видеокарта, а на экране можно и сэкономить. Однако не стоит забывать про цветопередачу, в современных играх разработчики стараются сделать сюжет максимально реалистичным, а без реальной передачи всех цветов и оттенков добиться этого будет очень трудно.

В результате, кроме низкой цены и малого времени отклика, TN-матрица ничем не сможет удивить потенциального покупателя. Ведь на недостатки очень тяжело не обращать внимания:

1. Низкая цветопередача с невозможностью отображения идеального чёрного цвета. Дефект виден во время просмотра динамических фильмов, где все действия происходят в темноте - «Ван Хельсинг», «Гарри Поттер и дары смерти», «Дракула» и тому подобные.
2. Дешевизна производства приводит к высокой вероятности приобретения дефектной матрицы, битый пиксель которой сразу виден, ведь он окрашивается в белый цвет.
3. Очень низкие углы обзора не позволяют созерцать картинку на экране в кругу большой семьи.

Шаг в правильном направлении

Тип матрицы монитора VA (Vertical Alignment) использует технологию с вертикальным упорядочиванием молекул, и на постсоветском пространстве больше известен под маркировками MVA или PVA. А совсем недавно к существующим модификациям добавился суффикс «S», имеющий расшифровку «Super», однако особых характеристик по сравнению с конкурентами мониторы не приобрели, разве что немного подорожали в цене.

Технология VA предназначалась для устранения дефектов в матрицах TN+film, и производителям удалось добиться определённых результатов, однако при сравнении этих двух экранов пользователь обнаружит, что они обладают противоположными характеристиками. То есть недостатки VA матриц - это достоинства TN, а достоинства VA - недостатки дешёвых матриц. О чём думали производители, неизвестно, но ситуация на рынке до сих пор для этих матриц не изменилась, даже с введением маркировки «Super».

Достоинства и недостатки технологии VA

Если VA-технологию сравнивать с самой дешёвой матрицей на рынке TN+film, то достоинства налицо: великолепные углы обзора, очень качественная передача оттенков с глубоким чёрным цветом. По сути, этот тип матрицы монитора для фото является лучшим в своей ценовой категории. Единственное, что смущает, - время отклика. По сравнению с дешёвым экраном TN оно в несколько раз выше. Естественно, любителям игр устройство с такой матрицей не подойдёт, так как динамическая картинка будет постоянно размыта.

А вот дизайнерам, верстальщикам, фотолюбителям и всем профессионалам, которым необходимо работать с реальным цветом и его оттенками, мониторы с VA-технологией придутся по душе. Кроме этого, широкий угол обзора даже с сильным наклоном не искажает изображение на экране. Такие мониторы подойдут для мультимедиа - просмотр любых фильмов в кругу семьи будет интересен, ведь экран предоставляет возможность увидеть настоящий чёрный цвет, а не его подобие в виде пятидесяти оттенков серого.

Без недостатков?

Матрицы IPS и их всевозможные модификации существуют на рынке довольно давно. Однако их стоимость не настолько привлекательна для покупателей, как безукоризненные характеристики экранов, в которых используется дорогой тип матрицы монитора. Какой лучше экран для бизнесмена и дизайнера, президента компании или путешественника, знает только компания Apple, ведь все её устройства без исключения имеют технологию матрицы IPS (In-Plane Switching).

Из года в год появляются всевозможные технологии, специалисты стараются улучшить качество и без того дорогой и качественной матрицы, в результате чего на рынке существует целый ряд модификаций: AH-IPS, P-IPS, H-IPS, S-IPS, e-IPS. Отличие между ними незначительное, но есть. Например, e-IPS (Enhanced) имеет технологию увеличения контрастности и яркости экрана, а также уменьшено время отклика. Профессиональная серия P-IPS умеет отображать 30-битный цвет, жаль только, пользователь этого наглядно не заметит.

Дотянуться до мечты

Не вдаваясь в расшифровку модификаций IPS-матрицы, можно заметить, что данная технология представляет собой некий симбиоз VA- и TN+film-производств. Естественно, были отобраны лишь достоинства, которые воплотились в одном устройстве. Например, тип матрицы монитора AH-IPS (Advanced High performance) является прямым конкурентом плазменных панелей, которые по качеству воспроизведения картинки высокой чёткости не имеют аналогов в мире. Такое серьёзное заявление сделано в далёком 2011 году, однако кроме завышенной цены на устройство с матрицей AH-IPS доказать превосходство пока не удалось.

И всё же, если у любителя игр стоит вопрос о том, какой выбрать тип матрицы монитора - IPS или TN, то правильным будет решение приобрести более дорогой и качественный экран. Пусть цена на устройство и превосходит дешёвого конкурента в несколько раз, зато времяпрепровождение за любимой игрушкой будет более интересным. Ведь реалистичное качество картинки всегда будет оставаться на первом месте.

Забавные игры производителей

Речь пойдёт в первую очередь о корейском гиганте Samsung, который постоянно стремится выдумать новую технологию, но не всегда это у него получается, ведь наряду с качеством покупателю интересна и стоимость устройства, которая почему-то стремится непропорционально увеличиться.

Введением технологии разделения одного пикселя компании Samsung удалось добиться лучшей чёткости изображения. В первую очередь это заметно на экране при наборе мелким шрифтом разноцветного текста. Технология была одобрена многими верстальщиками, и мониторы с PVA-маркировкой быстро нашли поклонников.

Тип матрицы монитора WVA был улучшенным вариантом технологии от Samsung, и, судя по низкой стоимости устройств, свободно конкурировал на рынке. Недостаток со скоростью отклика матрицы во всех устройствах, созданных по технологии VA, так и не был устранён.

Радикальное решение

Тип матрицы монитора AH-IPS заинтересовал только покупателей в развитых странах мира. Ведь за лучшее качество приходится платить очень большую сумму, которая не по карману жителям постсоветского пространства. Да и смысла нет приобретать монитор, который немного дороже современного персонального компьютера в сборе. Поэтому заводам-изготовителям дорогого устройства пришлось удешевить технологии за счёт снижения качества в производстве комплектующих. Так на рынке появился новый тип матрицы монитора PLS (plane-to-line switching).

Проведя анализ характеристик и изучив принцип работы новой матрицы, можно подумать, что это всего лишь усовершенствованная модификация PVA-матрицы от Samsung. Это так. Как оказалось, данную технологию производитель разработал давно, но внедрение произошло совсем недавно, когда между устройствами среднего класса и дорогого оказалась огромная разница в цене, и срочно требовалось занять пустующую ценовую нишу.

А кто выиграл?

Видимо, это единственный случай, когда в войне между производителями за рынок сбыта выигрывает покупатель, который получает достойное устройство по своим характеристикам за вполне приемлемую для него цену. К недостатку можно отнести небольшой выбор производителей, ведь Samsung не выпустил технологию за пределы своих концернов, поэтому у корейского бренда конкурентов немного - Philips и AOC.

Зато, находясь перед выбором, какой лучше тип матрицы монитора - IPS или PLS, потенциальный покупатель, решивший сэкономить денежные средства, однозначно отдаст предпочтение последнему. Ведь, по сути, особой разницы между устройствами нет. А если обратить внимание на то, что большинство мобильных устройств, включая планшеты, имеют матрицу PLS, которая очень часто продавцом презентуется как более дорогая IPS, то вывод напрашивается всего один.

В погоне за безукоризненностью

Не так давно компания Sharp представила тип матрицы монитора, изготовленный по технологии IGZO (оксиды индия, галлия и цинка). По заявлениям производителя, материал имеет очень высокую проводимость и меньшее электропотребление, благодаря чему удалось добиться более высокой плотности пикселей на одном квадратном дюйме. По сути, технология IGZO подходит для производства мониторов с разрешением 4К и всех мобильных устройств, производимых в формате Ultra HD.

Технология далеко не дешёвая, и цены на мониторы и телевизоры с матрицей IGZO бьют мировые рекорды. Однако известная компания Apple сориентировалась очень быстро, заключив контракты с производителем матриц. Значит, за данной технологией будущее, осталось только дождаться снижения цены на мировом рынке.

Лучший выбор для геймера

Изучив существующие технологии производства, можно без раздумий определить, какой тип матрицы монитора лучше. Для игр в приоритете время отклика и цветопередача, поэтому выбор тут невелик. Желающим сэкономить вполне подойдёт устройство с PLS-матрицей. Хоть выбор среди производителей и небольшой, зато есть возможность определиться среди модификаций. Помимо стандартного типа матрицы завод-изготовитель предлагает улучшенную модель Super-PLS, в которой выше яркость, контрастность, а также экран позволяет отображать разрешение, превышающее FullHD.

Но если цена вопроса не критична для покупателя, то экран с IPS позволит насладиться максимально реалистичной картинкой. Запутаться в маркировках не удастся, ведь все они сводятся к улучшению угла обзора и динамической контрастности. Отличие лишь в цене - чем лучше, тем дороже. Отдав предпочтение устройству, имеющему тип матрицы монитора IPS, геймер не прогадает.

Обработка фото и графика в приоритете

Понятно, что IPS-устройство подойдёт дизайнерам и верстальщикам. Но есть ли смысл переплачивать? Ведь обработка фотографий и вёрстка предполагают работу с цветами и их оттенками. Время отклика матрицы вообще не рассматривается. Профессионалы рекомендуют не тратить деньги понапрасну и выбрать VA-тип матрицы монитора. Да, это старая технология, да, это прошлый век, но по критерию "цена-качество" у матриц данного типа нет конкурентов. И если есть желание приобрести что-то из новинок, то выбор можно остановить на PLS-матрице.

Если есть необходимость работать за монитором с высоким разрешением, например 4K, то предпочтение профессионалы рекомендуют отдать IGZO-устройствам. Их цена не так далеко ушла от популярных экранов IPS, но по качеству они, бесспорно, лучше.

Любителям мультимедиа можно и сэкономить

Как ни странно, но любителям просматривать фильмы на экране монитора и заниматься сёрфингом в сети Интернет вполне достаточно приобретения устройства с TN+film-матрицей. Недорогой гаджет с улучшенным экраном без проблем заменит небольшой телевизор. Проблема может появиться лишь в тёмных динамических сценах, где вместо чёрного фона зрителю придётся наблюдать серое облако. Если это критично, необходимо посмотреть в сторону VA-матриц. Да, цена выше, но проблема с цветопередачей будет решена. В придачу покупатель получит очень высокую контрастность и большие углы обзора. Не стоит забывать про физическое разрешение матрицы - чем оно выше, тем качественнее картинка.

Офисный вариант

Казалось бы, что универсальный тип матрицы монитора TN+film как нельзя кстати подойдёт для работы с текстом. Но, как показывает практика, работа с мелким шрифтом за таким экраном крайне неудобна. И если монитор приобретается непосредственно для работы с большими объёмами текста, то стоит побеспокоиться о своём зрении. Близлежащая технология к TN по доступной цене - это VA. Вне зависимости от производителя и размера экрана, такое устройство позволит без проблем усидеть за компьютером не один час.

Выбирая монитор для офисной работы, внимание нужно уделить и размеру, и физическому разрешению матрицы. Диагональ экрана для работы с текстом не должна превышать расстояния от глаз пользователя до матрицы. Также офисные мониторы рекомендуется подбирать с соотношением сторон 4:3, ведь в таком соотношении больше удобочитаемой информации размещается на экране.

Новый тренд: для себя любимого

Изучив все существующие технологии жидкокристаллических экранов, перед тем как выбрать тип матрицы монитора, потенциальному покупателю стоит познакомиться с информацией, которая получена путём опросов пользователей в СМИ.

1. Монитор - покупка долговечная. То есть следующее приобретение, с высокой вероятностью, будет не раньше, чем через 10 лет.
2. В 99% случаев заявленные требования, предъявляемые к технике, не совпадают с условиями эксплуатации. То есть на офисном мониторе идут игровые баталии, а на элитных устройствах просматриваются лишь ленты новостей.
3. Мультиподключение. Для удобства работы 25% пользователей в мире к одному компьютеру подключают несколько мониторов (2, 3, 4), и число таких владельцев постоянно растёт. Удобство в том, что для каждого подключённого устройства отведена определённая роль - игры, фильмы, офис и т. п.

Вышеприведенная информация позволяет переосмыслить полученные раннее знания. Совершать покупку рекомендуется, опираясь не на потребности, а на желание и возможности. По сути, ориентироваться стоит на самое дорогое и высококачественное устройство, которое пользователь сможет себе позволить. Экономить здесь нельзя.

В заключение

Выяснив, какой лучше для пользователя тип матрицы монитора, что значит буквенная маркировка на дисплее устройства и как она влияет на цену и качество, можно приступать к выбору диагонали. Однако многие специалисты в области ИТ-технологий рекомендуют уделить внимание разрешительной способности экрана - сколько точек на один квадратный дюйм он способен отобразить. Очень часто правильный выбор необходимого разрешения приводит к приобретению монитора с меньшей диагональю, а соответственно, и к значительной экономии денежных средств. Немаловажную роль играет производитель мониторов - матрица собственного производства, наличие сервисного центра по месту жительства и большой гарантийный срок намекают будущему владельцу, что он приобретает достойное устройство, которое никогда не подведёт.

Принцип действия ЭЛТ-монитора

Принцип действия ЖК-монитора

Принцип действия сенсорного монитора

Существует три вида сенсорных технологий:

Резистивные: резистивные сенсорные панели покрыты металлической пластинкой проводящей электричество и резистивным слоем, вызывающим изменение в электрическом потоке который распознается как прикосновение и посылает его в диспетчер для обработки. Резистивные сенсорные панели обычно наиболее доступные, но выдают только 85% ясности, к тому же их можно повредить любым острым предметом. Попадание пыли или воды, не влияют на работу резистивных сенсорных панелей.

Поверхностно акустически волновые (ПАВ): ПАВ технологии используют ультразвуковые волны, проходящие через поверхность сенсорной панели. Когда к панели прикасаются, часть волн поглощается. Это изменение в ультразвуковых волнах фиксируется как прикосновение и посылает информацию в контроллер для обработки. ПАВ панели наиболее прогрессивны.

Емкостный: емкостные сенсорные панели покрыты материалом, содержащие электрический заряд. Когда к панели прикасаются, точка соприкосновения получает небольшой заряд. Цепь расположена по всем углам панели, измеряет заряд и посылает информацию в диспетчер для обработки. Емкостные сенсорные панели должны быть использованы прикосновением пальцев, в отличие от резистивных и ПАВ панелей, которые могут быть использованы пальцем или пером. Попадание пыли или воды, не влияют на работу емкостных сенсорных панелей.

Более подробную информацию о сенсорных экранах можно получить по адресу: http://digitaldevice.ua/project/tehnologii-sensornih-ekranov

Принцип действия 3D -монитора

Технические характеристики мониторов:

Разрешение LCD-мониторов одно, и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT-мониторов. Именно в native разрешении LCD-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD-монитора фиксирован. Например, если LCD-монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай: пикселей. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется "Centering" (центрирование); суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется "Expansion" (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако, из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому при выборе LCD-монитора важно четко знать, какое именно разрешение вам нужно.

Разрешение экрана монитора:

Яркость и контрастность LCD-мониторов не стандартизованы. При этом в центре яркость LCD-монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Контрастность LCD-монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом, является одним из основных параметров дисплея.

По отношению к свету матрица ЖК-дисплея является не активным, а пассивным элементом, она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать проходящий через нее. Поэтому позади ЖК-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет своей прозрачностью. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации – жидкие кристаллы расположены между двумя сонаправленными поляризаторами: сонаправленность означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он проходит через второй поляризатор без потерь.

Сравнение LCD-мониторов и CRT-мониторов:

Стандарты безопасности:

На всех современных мониторах можно встретить наклейки с аббревиатурой TCO или MPRII. На очень старых моделях встречаются еще и надписи "Low Radiation", которые на самом деле ни о чем не говорят. Просто когда-то, исключительно в маркетинговых целях, производители из Юго-Восточной Азии привлекали этим внимание к своей продукции. Никакой защиты подобная надпись не гарантирует.

Большинство измерений во время тестирований на соответствие стандартам TCO проводятся на расстоянии 30 см спереди от экрана и на расстоянии 50 см вокруг монитора. Для сравнения: во время тестирования мониторов на соответствие другому стандарту MPRII все измерения производятся на расстоянии 50 см спереди экрана и вокруг монитора. Это объясняет то, что стандарты TCO более жесткие, чем MPRII.

TCO’99 предъявляет более жесткие требования, чем все остальные стандарты, в следующих областях: эргономика (физическая, визуальная и удобство использования), энергия, излучение (электрических и магнитных полей), окружающая среда и экология, а также пожарная и электрическая безопасность. Стандарт TCO’99 распространяется на традиционные CRT-мониторы, плоскопанельные мониторы (Flat Panel Displays), портативные компьютеры (Laptop и Notebook), системные блоки и клавиатуры. Спецификации TCO’99 содержат в себе требования, взятые из стандартов TCO’95, ISO, IEC и EN, а также из EC Directive 90/270/EEC и Шведского национального стандарта MPR 1990:8 (MPRII) и из более ранних рекомендаций TCO. В разработке стандарта TCO’99 приняли участие TCO, Naturskyddsforeningen и and Statens Energimyndighet (The Swedish National Energy Administration, Шведское Национальное Агентство по Энергетике).

Экологические требования включают в себя ограничения на присутствие тяжелых металлов, броминатов и хлоринатов, фреонов (CFC) и хлорированных веществ внутри материалов.

Любой продукт должен быть подготовлен к переработке, а производитель обязан иметь разработанную политику по утилизации, которая должна исполняться в каждой стране, в которой действует компания.

Требования по энергосбережению включают в себя необходимость того, чтобы компьютер и/или монитор после определенного времени бездействия снижали уровень потребления энергии на одну или более ступеней. При этом период времени восстановления до рабочего режима потребления энергии, должен устраивать пользователя

Сейчас технология плоскопанельных мониторов, и жидкокристаллических в том числе, является наиболее перспективной. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.
Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора – цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой [см. рис. 2.1]. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели [см. рис. 2.2].
При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы [см. рис. 2.3].
Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем [см. рис 2.4а].

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) [см. рис 2.4б]. Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.
Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 20" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Преимущества и недостатки ЖК-мониторов

Среди преимуществ TFT можно отметить отличную фокусировку, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. Почему? Ответ прост - в этих дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив, пиксели дисплея TFT никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность своего свечения.
В таблице 1.1 показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов дисплеев:

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики ЭЛТ и ЖК-мониторов.

Условные обозначения: (+ ) достоинство, (~ ) допустимо, (- ) недостаток

Из таблицы 1.1 следует, что дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCD-мониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).

STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN - это сокращение, означающее "Super Twisted Nematic".Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.
Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), 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 [см. рис. 2.5], 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 (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (т.е. при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° [см рис. 2.6], и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Функциональные возможности LCD мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые "Thin Film Transistor" (или просто TFT).
Thin Film Transistor (TFT), т.е. 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 микрона.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972г., использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).
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 SVGA режиме и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD дисплее. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов [см. рис. 2.7]. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).

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.

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 [см. рис. 2.8]. 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 мм 2 или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) 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 Hewlett-Packard и DisplayTech объявил о создании полноцветного 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.

По оценкам экспертов корпорации DisplaySearch, занимающейся исследованиями рынка плоских дисплеев, в настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) и особенно на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). В ближайшие 5-7 лет во многих областях применения обычные LCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:

• микродисплеи;
• светоизлучающие дисплеи на базе органических материалов LEP;
• дисплеи на базе автоэлектронной эмиссии FED (Field Emisson Display);
• дисплеи с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature PolySilicon);
• плазменные дисплеи PDP (Plasma Display Panel).

Взято с http://monitors.narod.ru

Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются, прежде всего, с плоскими мониторами, "крутыми" телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.

Плоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальные энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение - вот далеко не полный перечень применений жидкокристаллических дисплеев.

Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства LCD до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.

В этой статье рассматриваются основные параметры различные типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения (метод "побольше и подешевше" практически всегда оказывается слишком дорогим).

Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.

Технология

В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис.1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).

Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения и поэтому не будем на них тратить время.

Рис. 1. Виды технологий жидкокристаллических дисплеев

STN (Super Twisted Nematic)- матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.

TFT (Thin Film Transistor)- активная матрица, в которой каждый пиксел управляется отдельным транзистором.

По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет "хвостов" у движущихся объектов).

Управление яркостью в жидкокристаллическом дисплее основано на поляризации света (курс общей физики): свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.

Принцип действия и "бутербродная" структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет - или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (белый), или поглощение будет частичным (цвета спектра). Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксел матрицы состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и голубого).

Рис. 2. Структура TFT LCD

Пиксел TFT

Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении m x n активная матрица содержит 3m x n транзисторов и субпикселов. Шаг пиксела (с тремя субпикселами) для 15.1" TFT ЖК-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" (1280 x 1024 точки)- 0.28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280 x 1024 при диагонали 15" и шаге точки 0.297 мм.

Рис. 3. Структура цветного фильтра

На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселами 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпиксела различит только человек с орлиным зрением).

Типы ЖК-дисплеев

TN (Twist Nematic) TFT или TN+Film TFT - первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой& - дешевизна. Недостатки: черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения, "мертвые" пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.

IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции - как у TN+Film (время отклика порядка 25мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, "мертвый" пиксель - черный.

Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (производитель - NEC). Достоинства: яркое контрастное изображение, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали) и обеспечена исключительная четкость.

UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).Основное преимущество - наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток - высокая стоимость.

PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.

Конструкция

Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в "бутерброде" (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:

• пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
• отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
• проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.

Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы, как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.

Пропускающий тип дисплея (transmissive) . В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4).По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Рис. 4. Конструкция жидкокристаллического дисплея пропускающего типа

Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете - 1000 кд/м 2 . Яркости в 300 кд/м 2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис.5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Рис. 5. Конструкция жидкокристаллического дисплея полупрозрачного типа

Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.

Рис. 6. Конструкция жидкокристаллического дисплея отражающего типа

Основные параметры жидкокристаллических панелей

Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).

Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.

Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса.

Таблица 1

Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90(видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора даёт технология MVA).

Время отклика (инерционность)- время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране

FPS = 1 с/время отклика.

Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которая в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведёт к значительному усложнению её конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м 2 .

Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки чёрного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения тёмных тонов используется эффект поляризации. Чёрный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.

ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице жидкокристаллического дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается, с одной стороны, к ЖК-дисплею, а с другой - непосредственно к последовательному порту (СОМ1 - СОМ4) (рис.7). Для управления, декодирования сигналов и подавления "дребезга" (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.

Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL6448BC-26-01 дисплея фирмы NEC

Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее - к тому, что имеется сейчас на рынке жидкокристаллических дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен

1. лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
2. доступностью продукции на рынке стран СНГ.

Компания NEC Corporation выпускает жидкокристаллические дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант - компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т.п. Специальное исполнение применяется на транспорте (любом: наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудования, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).

Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01)- на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид дисплея

Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC

Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселов. Краткий перечень продукции - в таблице 3.

Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp

Выпускает жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремниевых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5" и 15" приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.

Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев фирмы Siemens

Примечания:

I - встроенный инвертор l - в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810

Фирма выпускает жидкокристаллические дисплеи под торговой маркой "Wiseview™". Начав с выпуска 2-дюймовой TFT панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8" до 10,4" в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).

Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Samsung малых и средних размеров

Примечания:

LED - светодиодная; CCFL - флуоресцентная лампа с холодным катодом;

В дисплеях используется технология PVA.

Выводы.

В настоящее время выбор модели жидкокристаллического дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени - стоимостью LCD.