Что значит lcd дисплей. Технологии создания дисплеев: виды матриц и их особенности

TFT (Thin film transistor) переводится с английского как тонкопленочный транзистор. Так что TFT - это такая разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая этими самими транзисторами. Такие элементы изготавливаются из тонкой пленки, толщина которых примерно 0,1 микрона.

Помимо небольших размеров, TFT-дисплеи обладают быстродействием. У них высокая контрастность и четкость изображения, а также хороший угол обзора. У таких дисплеев отсутствует мерцание экрана, поэтому глаза устают не так сильно. У TFT-дисплеев также отсутствуют дефекты фокусировки лучей, помехи от магнитных полей, проблемы с качеством и четкостью изображения. Энергопотребление таких дисплеев на 90% определяется мощностью светодиодной матрицы подсветки или ламп подсветки. В сравнении с теми же ЭЛТ, энергопотребление TFT-дисплеев примерно в пять раз ниже.

Все эти преимущества существуют благодаря тому, что данная технология обновляет изображение на более высокой частоте. Это объясняется тем, что точки дисплея управляются отдельными тонкопленочными транзисторами. Количество таких элементов в TFT-дисплеях в три раза больше, чем число пикселей. То есть, на одну точку приходится три цветных транзистора, которые соответствуют основным цветам RGB – красный, зеленый и синий. К примеру, в дисплее с разрешением 1280 на 1024 пикселей количество транзисторов будет в три раза больше, а именно – 3840х1024. Именно в этом и заключается основной принцип работы TFT-технологии.

Недостатки матриц TFT

TFT-дисплеи, в отличии от ЭЛТ, могут показывать четкое изображение лишь в одном «родном» разрешении. Остальные разрешения достигаются интерполяцией. Также существенным минусом является сильная зависимость контраста от угла обзора. По сути, если смотреть на такие дисплеи сбоку, сверху или снизу - изображение будет сильно искажаться. В ЭЛТ дисплеях этой проблемы никогда и не существовало.

Кроме того, транзисторы любого пикселя могут выйти из строя, что приведет к появлению битых пикселей. Такие точки, как правило, ремонту не подлежат. И получится так, что где-то посредине экрана (или в углу) может быть маленькая, но заметная точка, которая сильно раздражает во время работы за компьютером. Также у TFT-дисплеев матрица не защищена стеклом, и возможна необратимая деградация при сильном нажатии на дисплей.

Экран — один из самых важных компонентов смартфона, он занимает почти всю его лицевую поверхность и должен нравиться пользователю. Вкусы у всех разные: кто-то любит естественные цвета жидкокристаллических экранов, кто-то ядовитые и яркие экранов AMOLED. Давайте разберемся, в чем разница между ними и откуда она взялась.

В LCD-экранах пиксели сделаны из жидких кристаллов, в каждом пикселе три субпикселя: красный, зеленый и синий. Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, поэтому им нужна излучающая свет подложка. В AMOLED-экранах применяются светодиоды, и, как понятно из их названия, они умеют светиться сами, дополнительная подсветка им не нужна. Черный цвет у AMOLED почти идеальный: пиксели не светятся, подсветки нет. У LCD-экранов черный может оказаться серым или фиолетовым, а небольшой брак при производстве скажется на неравномерности подсветки: у дешевых аппаратов по краям могут быть белые светящиеся полосы.

Самое главное отличие между LCD и AMOLED - в отображаемых цветах, они разные. Экраны AMOLED охватывают весь цветовой спектр sRGB и выходят за его рамки, что приводит к неестественной перенасыщенности некоторых цветов.

На спектрограмме это выглядит так:

Треугольник с черными ребрами - гамма цветности sRGB, с белыми - охват AMOLED-экрана Samsung Galaxy S4. Можно заметить, что в гамме Galaxy S4 неестественно много синего и зеленого. Точками показано, насколько равномерно происходит изменение оттенков цвета. В идеале расстояние между точками должно быть одинаковым.

Качественный жидкокристаллический экран почти идеально вписывается в гамму sRGB. Правда, в последнее время некоторые производители LCD-экранов стараются приблизить их насыщенность к стандартам AMOLED, и в результате получают не только неестественный цвет, но и неравномерный переход оттенков. Так выглядит спектрограмма LG G2 с перенасыщенным и неравномерным зеленым:

А так - HTC One с чуть более естественными цветами:

В последнее время производители смартфонов с AMOLED-экранами борются за естественность: у недавних флагманов Nokia и Samsung появились настройки, где можно указать желаемую цветовую температуру экрана и выправить насыщенность цветов.

Углы обзора качественных экранов близки к идеальным 180 градусам, но под большим наклоном цвета все равно искажаются: у LCD становятся еще более бледными, а у AMOLED переливаются то красным, то зеленым, то синим. В некоторых экранах AMOLED используется структура PenTile с уменьшенным числом субпикселей (например, у Galaxy S4 пять субпикселей на два пикселя). Чаще всего пиксели на таких экранах видны невооруженным взглядом, хотя на экранах LCD с тем же разрешением они незаметны.

Поскольку AMOLED-экран не требует подсветки, потребление энергии зависит от того, с какой яркостью светятся его пиксели: на темной картинке энергопотребление снижается, на светлой увеличивается. LCD-экран расходует энергию почти линейно, независимо от кого, какие цвета показывает. Пиксели разных цветов в AMOLED потребляют разное количество энергии. Больше всего электричества требуют синие пиксели, поэтому они быстрее выгорают, после чего изображение становится блеклым и неестественным.

Какой экран лучше, зависит прежде всего от производителя. Качественный FullHD-экран LCD, безусловно, выиграет у AMOLED-матрицы с низким разрешением и структурой PenTile. Если говорить об экранах современных флагманов, то выбор зависит только от вкусов пользователя, что он предпочитает: бледные, но естественные цвета, яркие, перенасыщенные, но с настоящим черным или вообще без разницы.

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

Тип 1 - постоянно светящиеся пиксели (белый); Тип 2 - "мертвые" пиксели (черный); Тип 3 - дефектные красные, синие и зеленые субпиксели.

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

лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
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

Модель	Размер по диагонали, дюйм	Количество пикселей	Число цветов	Описание
NL8060BC31-17	12,1	800x600	262144	Высокая яркость (350кд/м 2)
NL8060BC31-20	12,1	800x600	262144	Широкий угол обзора
NL10276BC20-04	10,4	1024x768	262144	-
NL8060BC26-17	10,4	800x600	262144	-
NL6448AC33-18A	10,4	640x480	262144	Встроенный инвертор
NL6448AC33-29	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора, встроенный инвертор
NL6448BC33-46	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора
NL6448CC33-30W	10,4	640x480	262144	Без подсветки
NL6448BC26-01	8,4	640x480	262144	Высокая яркость (450 кд/м 2)
NL6448BC20-08	6,5	640x480	262144	-
NL10276BC12-02	6,3	1024x768	16, 19M	-
NL3224AC35-01	5,5	320x240	Full color
NL3224AC35-06	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор, тонкий
NL3224AC35-10	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-13	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-20	5,5	320x240	262, 144	Высокая яркость (400 кд/м 2)

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.

Рассказывающая об отличиях IPS и TN матриц в рамках советов при покупке монитора или ноутбука. Пришло время поговорить о всех современных технологиях производства дисплеев , с которыми мы можем столкнуться и иметь представление о видах матриц в устройствах нашего поколения. Не путайте с LED, EDGE LED, Direct LED — это типы подсветки экранов и к технологии создания дисплеев имеют косвенное отношение.

Наверное, каждый может вспомнить свой монитор с электронно-лучевой трубкой, которым пользовался ранее. Правда и до сих пор встречаются пользователи и поклонники ЭЛТ технологии. В настоящее время экраны увеличились в диагонали, поменялись технологии изготовления дисплеев, стало все больше разновидностей в характеристиках матриц, обозначающихся аббревиатурами TN, TN-Film, IPS, Amoled и т.д.

Информация в данной статье поможет выбрать себе монитор, смартфон, планшет и другую различного рода технику. Помимо этого, позволит осветить технологии создания дисплеев, а также типы и особенности их матриц.

Пару слов о жидкокристаллических дисплеях

LCD (Liquid Crystal Display — жидкокристаллический дисплей) — это дисплей, изготовленный на основе жидких кристаллов, которые меняют свое расположение при подаче на них напряжения. Если вы близко подойдете к такому дисплею и внимательно присмотритесь к нему, то заметите, что он состоит из маленьких точек – пикселей (жидких кристаллов). В свою очередь каждый пиксель состоит из красного, синего и зеленого субпикселей. При подаче напряжения субпиксели выстраиваются в определенном порядке и пропускают через себя свет, таким образом формируя пиксель определенного цвета. Множество таких пикселей формируют изображение на экране монитора или другого устройства.

Первые мониторы массового производства оснащались матрицами TN — обладающими самой простой конструкцией, но которые нельзя назвать самым качественным типом матрицы. Хотя и среди данного типа матриц имеются весьма качественные экземпляры. Данная технология основана на том, что при отсутствии напряжения субпиксели пропускают через себя свет, формируя на экране белую точку. При подаче напряжения на субпиксели, они выстраиваются в определенном порядке, образуя собой пиксель заданного цвета.

Недостатки TN матрицы

По той причине, что стандартный цвет пикселя, при отсутствии напряжения, белый, данный тип матриц обладает не самой лучшей цветопередачей. Цвета отображаются более тускло и блекло, а черный цвет выглядит скорее темно-серым.
Еще одним главным недостатком TN матрицы являются малые углы обзора. Частично с данной проблемой попытались справиться улучшением технологии TN до TN+Film, с помощью дополнительного слоя, нанесенного на экран. Углы обзора стали больше, но все равно оставались далеки от идеала.

В настоящий момент TN+Film матрицы полностью заменили TN.

Достоинства TN матрицы

малое время отклика
относительно недорогая себестоимость.

Делая выводы, можно утверждать, что при необходимости в недорогом мониторе для офисной работы или серфинга в интернете, мониторы с TN+Film матрицами подойдут наилучшим образом.

Главное отличие технологии IPS матриц от TN — перпендикулярное расположение субпикселей при отсутствии напряжения, которые образуют черную точку. То есть, в состоянии спокойствия экран остается черным.

Преимущества IPS матриц

лучшая цветопередача относительно экранов с TN матрицами: вы имеете яркие и сочные цвета на экране, а черный цвет остается действительно черным. Соответственно, при подаче напряжения пиксели меняют свой цвет. Учитывая эту особенность, владельцам смартфонов и планшетов с IPS-экранами можно посоветовать использовать темные цветовые схемы и обои на рабочем столе, тогда смартфон от аккумулятора будет работать немного дольше.
большие углы обзора. В большинстве экранов они составляют 178°. Для мониторов, а особенно для мобильных устройств (смартфонов и планшетов) эта особенность является важной при выборе пользователем гаджета.

Недостатки IPS матриц

большое время отклика экрана. Это влияет на отображение в динамических картинках, таких как игры и фильмы. В современных IPS панелях с временем отклика дела обстоят получше.
большая стоимость по сравнению с TN.

Подводя итоги, телефоны и планшеты лучше выбирать с IPS-матрицами, и тогда от использования устройства пользователь будет получать огромное эстетическое удовольствие. Матрица для монитора не является столь критичной, современные .

AMOLED-экраны

Последние модели смартфонов оснащают AMOLED-дисплеями. Данная технология создания матриц основана на активных светодиодах, которые начинают светиться и отображать цвет при подаче на них напряжения.

Давайте рассмотрим особенности Amoled матрицы :

Цветопередача . Насыщенность и контрастность таких экранов выше требуемого. Цвета отображаются настолько ярко, что у некоторых пользователей могут уставать глаза при продолжительной работе со своим смартфоном. Зато черный цвет отображается еще более черным, чем даже в IPS-матрицах.
Энергопотребление дисплея . Так же как и в IPS, отображение черного цвета требует меньше энергии, чем отображение определенного цвета, и тем более белого. Но разница в энергопотреблении между отображением черного и белого цвета в AMOLED-экранах намного больше. Для отображения белого цвета необходимо в несколько раз больше энергии, чем для отображения черного.
«Память картинки» . При продолжительном выводе статического изображения могут оставаться следы на экране, а это в свою очередь сказывается на качестве отображения информации.

Также из-за своей довольно высокой стоимости AMOLED-экраны пока используются только в смартфонах. Мониторы, построенные на такой технологии, стоят неоправданно дорого.

VA (Vertical Alignment) — данную технологию, разработанную Fujitsu, можно рассматривать как компромисс между TN и IPS матрицами. В матрицах VA кристаллы в выключенном состоянии расположены перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий, но при повороте матрицы относительно направления взгляда, кристаллы будут видны не одинаково. Для решения проблемы применяется мультидоменная структура. Технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачивается в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются. В матрицах PVA, разработанных Samsung нет выступов, и в выключенном состоянии кристаллы строго вертикальны. Для того, чтобы кристаллы соседних субдоменов поворачивались в противоположных направлениях, нижние электроды сдвинуты относительно верхних.

Для уменьшения времени отклика в матрицах Premium MVA и S-PVA применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, которую обычно называют Overdrive. Цветопередача матриц PMVA и SPVA почти так же хороша как и у IPS, время отклика немного уступает TN, углы обзора максимально широкие, черный цвет наилучший, яркость и контраст максимально возможные среди всех существующих технологий. Однако даже при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на 5–10 градусов можно заметить искажения в полутонах. Для большинства это останется незамеченным, но профессиональные фотографы продолжают за это недолюбливать технологии VA.

MVA и PVA матрицы обладают отличной контрастностью и углами обзора, но вот с временем отклика дела обстоят похуже – оно растет при уменьшении разницы между конечным и начальным состояниями пиксела. Ранние модели таких мониторов были почти непригодны для динамичных игр, а сейчас они показывают результаты близкие к TN матрицам. Цветопередача *VA матриц, конечно, уступает IPS-матрицам, но остается на высоком уровне. Тем не менее, благодаря высокой контрастности, эти мониторы будут отличным выбором для работы с текстом и фотографией, с чертежной графикой, а также в качестве домашних мониторов.

В заключении могу сказать, что выбор всегда за вами…

А также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Вначале маленькие ЖК-дисплеи (с малым временем службы) нашли применение в наручных часах , калькуляторах, индикаторах и тп.

Большие экраны стали широко применяться с распространением набирающих спрос лэптопов и ноутбуков .

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

Тип матрицы - технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
Класс матрицы - по ISO 13406-2 подразделяются на четыре класса.
Разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией . (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости).
Размер точки (размер пикселя) - расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) - отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.)
Видимая диагональ - размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
Контрастность - отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
Яркость - количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
Время отклика - минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
- Время буферизации (input lag ). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20-50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.
- Время переключения - именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2-6 мс.
Угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° - не ниже чем до значения 5:1.

Устройство

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки , контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового , с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

Технологии

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.

TN+film

TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90 до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS (SFT)

AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True Wide Polarizer ) - разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества.

AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.

Развитие технологии Super Fine TFT от NEC

Название	Краткое обозначение	Год	Преимущество	Примечания
Super Fine TFT	SFT	1996	Широкие углы обзора, глубокий чёрный цвет	. При улучшении цветопередачи яркость стала немного ниже.
Advanced SFT	A-SFT	1998	Лучшее время отклика	Технология эволюционировала до A-SFT (Advanced SFT, Nec Technologies Ltd. в 1998), значительно уменьшив время отклика.
Super-Advanced SFT	SA-SFT	2002	Высокая прозрачность	SA-SFT, разработанная Nec Technologies Ltd. в 2002, позволила улучшить прозрачность в 1,4 раза по сравнению с A-SFT.
Ultra-Advanced SFT	UA-SFT	2004	Высокая прозрачность Цветопередача Высокая контрастность	Позволила достичь в 1,2 раза большей прозрачности по сравнению с SA-SFT, 70 % охвата цветового диапазона NTSC и увеличения контрастности.

Развитие технологии IPS фирмой Hitachi

Название	Краткое обозначение	Год	Преимущество	Прозрачность/ Контрастность	Примечания
Super TFT	IPS	1996	Широкие углы обзора	100/100 Базовый уровень	Большинство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8-бит на канал) . Эти улучшения появились ценой более медленного времени отклика, изначально около 50 мс. IPS панели также были очень дороги.
Super-IPS	S-IPS	1998	Отсутствует цветовой сдвиг	100/137	IPS был вытеснен S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. в 1998), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика
Advanced Super-IPS	AS-IPS	2002	Высокая прозрачность	130/250	AS-IPS, также разработанный Hitachi Ltd. в 2002, улучшая, главным образом, контрастность традиционных S-IPS панелей до уровня, при котором они стали вторыми после некоторых S-PVA.
IPS-Provectus	IPS-Pro	2004	Высокая контрастность	137/313	Технология панелей IPS Alpha с более широкой цветовой гаммой и контрастностью, сравнимой с контрастностью PVA и ASV дисплеев без углового свечения.
IPS alpha	IPS-Pro	2008	Высокая контрастность		Следующее поколение IPS-Pro
IPS alpha next gen	IPS-Pro	2010	Высокая контрастность		Hitachi передает технологию Panasonic

Развитие технологии IPS фирмой LG

Название	Краткое обозначение	Год	Примечания
Super-IPS	S-IPS	2001	LG Display остается одним из главных производителей панелей, основанных на технологии Hitachi Super-IPS.
Advanced Super-IPS	AS-IPS	2005	Улучшена контрастность с расширенной цветовой гаммой.
Horizontal IPS	H-IPS	2007	Достигнута ещё большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана. Также дополнительно появилась технология Advanced True Wide Polarizer на основе поляризационной плёнки NEC, для достижения более широких углов обзора, исключения засветки при взгляде под углом. Используется в профессиональной работе с графикой.
Enhanced IPS	e-IPS	2009	Имеет более широкую апертуру для увеличения светопроницаемости при полностью открытых пикселях, что позволяет использовать более дешевые в производстве лампы подсветки, с более низким энергопотреблением. Улучшен диагональный угол обзора, время отклика уменьшено до 5 мс.
Professional IPS	P-IPS	2010	Обеспечивает 1,07 млрд цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true color-цветопередачи.
Advanced High Performance IPS	AH-IPS	2011	Улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI , повышена яркость и понижено энергопотребление.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA (VA - сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.

Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment ) разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля . Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.

Аналогами MVA являются технологии:

PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
Super MVA от CMO.

PLS

PLS-матрица (Plane-to-Line Switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS.

Достоинства:

плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN);
высокая яркость и хорошая цветопередача;
большие углы обзора;
полное покрытие диапазона sRGB;
низкое энергопотребление, сравнимое с TN.

Недостатки:

время отклика (5-10 мс) сравнимо с S-IPS, лучше чем у *VA, но хуже чем у TN;
более низкая контрастность (600:1), чем у всех остальных типов матриц;
неравномерная подсветка.

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее были видимым, нужен . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).

Внешнее освещение

Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени использует внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и т. д.). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.

Подсветка лампами накаливания

В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.

Электролюминесцентная панель

Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.

Подсветка газоразрядными («плазменными») лампами

В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких газоразрядных ламп (чаще всего с холодным катодом - CCFL, хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрной газоразрядной лампой.

Светодиодная (LED) подсветка

В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Производители

Chi Mei Innolux Corporation (Chimei Innolux)
Chunghwa Picture Tubes (CPT)

Envision
HyDis

Toshiba Matsushita Display Technology (TMD)

См. также

Промышленный ЖК-дисплей

Примечания

Литература

С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1
Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? Компьютер-бизнес-маркет № 4(292), январь 2005. С. 284-291.
Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть - № 2(46) март 2005. С. 55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005. С. 71-73.
Мухин И. А.