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

	ЖК-мониторы	ЭЛТ-мониторы
Яркость	(+ ) от 170 до 250 Кд/м 2	(~ ) от 80 до 120 Кд/м 2
Контрастность	(~ ) от 200:1 до 400:1	(+ ) от 350:1 до 700:1
Угол обзора (по контрасту)	(~ ) от 110 до 170 градусов	(+ ) свыше 150 градусов
Угол обзора (по цвету)	(- ) от 50 до 125 градусов	(~ ) свыше 120 градусов
Разрешение	(- ) Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны.	(+ ) Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации.
Частота вертикальной развертки	(+ ) Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания	(~ ) Только при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мерцание
Ошибки совмещения цветов	(+ ) нет	(~ ) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм)
Фокусировка	(+ ) очень хорошая	(~ ) от удовлетворительной до очень хорошей>
Геометрические/ линейные искажения	(+ ) нет	(~ ) возможны
Неработающие пиксели	(- ) до 8	(+ ) нет
Входной сигнал	(+ ) аналоговый или цифровой	(~ ) только аналоговый
Масштабирование при разных разрешениях	(- ) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов	(+ ) очень хорошее
Точность отображения цвета	(~ ) Поддерживается True Color и имитируется требуемая цветовая температура	(+ ) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом
Гамма-коррекция (подстройка цвета под особенности человеческого зрения)	(~ ) удовлетворительная	(+ ) фотореалистичная
Однородность	(~ ) часто изображение ярче по краям	(~ ) часто изображение ярче в центре
Чистота цвета/качество цвета	(~ ) хорошее	(+ ) высокое
Мерцание	(+ ) нет	(~ ) незаметно на частоте выше 85 Гц
Время инерции	(- ) от 20 до 30 мсек.	(+ ) пренебрежительно мало
Формирование изображения	(+ ) Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким	(~ ) Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или линии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ
Энергопотребление и излучения	(+ ) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт).	(- ) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт.
Размеры/вес	(+ ) плоский дизайн, малый вес	(- ) тяжелая конструкция, занимает много места
Интерфейс монитора	(+ ) Цифровой интерфейс, однако, большинство LCD мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров	(- ) Аналоговый интерфейс

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

Введение

Текущее развитие рынка LCD (TFT) дисплеев напоминает многим продавцам о прошлых временах, когда уровни прибыли и спрос были на очень высоком уровне. Еще недавно покупатель должен был выложить очень большие деньги за LCD монитор, что бы сэкономить пространство на рабочем столе, снизить потребление энергии и позаботиться о собственном здоровье. Однако уже сегодня рынок изменяет свое направление, и цены начинают подчиняться обычным динамическим рыночным силам.

Эта статья является первой из цикла, посвященного рассмотрению всех вопросов связанных с LCD. В этой части, мы расскажем Вам о развитии рыночной ситуации и некоторых тенденциях развития LCD. Мы рассмотрим технологию, архитектуру и принципы работы. В заключении мы дадим несколько советов покупателям LCD мониторов. Статья будет интересна не только новичкам, но и профессионалам.

Во второй и третьей частях мы углубленно рассмотрим некоторые особенности LCD, т.к. увеличение угла обзора, рассмотрим современные цифровые интерфейсы (DFP и DVI) и отношение пиксельного размера и максимального диагонального размера дисплея.

Позже мы сообщим о наиболее важных компаниях на рынке LCD, рассмотрим некоторые модели, и естественно будем следить за уровнем цен.

Рыночная ситуация

Огромный успех портативных компьютеров стал сильным толчком в развитии TFT дисплеев. Несмотря на это, свой путь на современный рынок LCD пробивали с большим трудом. Так, например, в 1998 объем проданных LCD был далек от объема продаж ЭЛТ мониторов. При этом спрос на LCD был и остается достаточно высоким. В связи со сложностью производства и низким процентом годных матриц производители не могут выполнить 100% заказов. Не секрет, что сегодня наибольшее распространение LCD получили в офисной сфере. Для того чтобы LCD могли занять свою нишу в секторе домашних компьютеров, необходимо выполнение следующих требований:

• Цены должны быть на уровне ЭЛТ-мониторов
• Минимальный размер 15" с разрешением 1024 x 768 пикселей
• Доступность
• Стандартизированные интерфейсы для цифрового TFT
• Качество и функциональность для всех приложений

Производство и выход годных матриц

Как мы уже сказали выше, конструкция и производство активной TFT матрицы процесс достаточно сложный. Это приводит к очень высоким требованиям к отклонениям от нормы. Например, для управления элементами матрицы используются очень тонкие транзисторы, которые должны иметь абсолютно идентичные уровни срабатывания. Как Вы можете понять, все это прямым образом влияет не только на цену, но и доступность TFT дисплеев.

Текущая ценовая ситуация и тенденции

Еще недавно цены на LCD в два - три раза превышали цену аналогичного ЭЛТ-монитора. Так, 15.1" LCD монитор (эквивалент 17" ЭЛТ-монитора) стоил от 500 до 1,300$. А 18.1" TFT (эквивалент 21" ЭЛТ дисплея) от $2,800 - $3,500.

В начале 1999 года на рынке LCD наблюдалась кратковременная тенденция повышения цен. Многие производители подняли цена примерно на 100$. В общем эта тенденция отличается от традиционного развития IT рынка, однако сложившаяся ситуация позволила держать цены на высоком уровне.

Недавно на рынке наметилось существенное снижение цен. Так сегодня 15" модель можно купить уже за 399$. Однако, это не предел. Некоторые аналитики утверждают, что при благоприятных условиях 15" LCD могут достичь цены $80. Не верится? Да, действительно, LCD могут стоить значительно дешевле ЭЛТ. Однако когда это произойдет, никто не знает.

Современные технологии

Современные дисплейные технологии подразделяются на традиционные с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плоско панельные дисплеи. Несмотря на развитие ЭЛТ технологии, мониторы, основанные на ней, занимают достаточно много пространства рабочего стола, имеют высокое энергопотребление и негативно влияют на наше здоровье. Плоско панельные дисплеи - т.е. устройства без ЭЛТ - как следует из названия, плоские и занимают минимум площади рабочего стола. Плоско панельные технологии в свою очередь подразделяются на множество различных технологий типа LCD (Жидкокристаллические дисплеи), плазменные дисплеи, LED (светоизлучающие диоды) и различные другие. Среди этих технологий можно выделить те, которые излучают свет и те, которые управляют проходящим через них светом.

На сегодняшний день наиболее интересной и перспективной технологией считаются т.н. TFT-LCD или как их еще называют в народе активные. Эти устройства для формирования изображения используют проходящий через них свет. Кроме активных LCD, существуют пассивные дисплеи STN и DSTN, однако сегодня они применяются только в дешевых ноутбуках.

Рисунок 1: Краткий обзор современных плоско панельных технологий.

Как работает TFT?

TFT расшифровывается как ’Тонкопленочный транзистор (Thin Film Transistor) и описывает элементы, которые активно управляют индивидуальными пикселями.

Как же формируется изображение? Сам принцип формирования достаточно прост: панель состоит из множества мельчайших пикселей, каждый из которых может формировать любой цвет. Для этого используется задняя подсветка, состоящая из одной или множества флуоресцентных ламп. Для управления проходящим через пиксель светом используется т.н. дверка или затвор. На самом деле технология, которая делает это возможным, значительно сложнее.

LCD (Жидкокристаллический дисплей) означает дисплей основанный на жидких кристаллах, которые могут изменять свою молекулярную структуру, что приводит к изменению уровня света, проходящему через них (они могут полностью блокировать проходящий через них свет). В процессе формирования точки используются два поляризационных фильтра, цветные фильтры и два уровня выравнивания. Все это позволяет точно установить уровень проходящего света и его цвет. Уровень выравнивания расположен между двумя стеклянными панелями. Применив определенное напряжение к уровню выравнивания, создается электрическое поле, которое "выравнивает" жидкие кристаллы. Для формирования цвета каждая точка состоит из трех компонентов, один для красного, зеленого и синего - также как на традиционных ЭЛТ дисплеях.

Наиболее часто, сегодня встречаются т.н. скручивающиеся нематические TFT. Ниже на рисунках 2а и 2b показано как работает стандартный TFT (скручивающийся нематический) дисплей.

Рисунок 2a

Когда на уровень выравнивания не подано напряжение, молекулярная структура находится в своем естественном состоянии и искривлена под углом 90 градусов. Свет, испускаемый задней подсветкой, может спокойно проходить через структуру.

Рисунок 2b

Если подать напряжение, создается электрическое поле, и жидкие кристаллы искривляются так, что бы они были вертикально выровнены. Поляризованный свет поглощается вторым поляризатором, что приводит к отсутствию света в конкретной точке.

Архитектура TFT пикселя

Цветные фильтры интегрированы на стеклянную подложку и расположены рядом друг с другом. Как уже мы говорили выше, каждый пиксель состоит из трех цветных ячеек или под-пиксельных элемента. Это означает, что матрица с разрешением 1280 x 1024 пикселя, имеет 3840 x 1024 транзистора и пиксельных элементов. Точка или пиксельный шаг для 15.1" TFT (1024 x 768 пикселя) составляет около 0.0188" (или 0.30mm), а для 18.1" TFT (1280 x 1024 пикселя) около 0.011" (или 0.28mm).

Рисунок 3: TFT пиксели. В левом верхнем углу каждой ячейки расположен тонкопленочный транзистор. Цветные фильтры позволяют формировать любой RGB цвет.

Говоря о архитектуре пикселя необходимо обратить внимание на физические ограничения TFT. Теоретически, чем меньше интервал между пикселями, тем выше разрешение, однако на 15" (около 38 cm) дисплее с точкой 0.0117" (0.297mm), будет невозможно получить разрешение 1280 x 1024. Об отношении между точечным шагом и диагональным размером мы поговорим в одной из будущих статей.

Проблемы масштабирования

Как Вы смогли понять, каждый пиксель находится в фиксированном положении и поэтому определяет разрешающую способность TFT без каких-либо геометрических проблем. Другими словами: максимальное число пикселей соответствует максимальной разрешающей способности. Но, что происходит при уменьшении разрешения, например, при запуске игр или видео? В этом случае контроллер, отвечающий за масштабирование, уменьшает изображение до размера максимального размера дисплея. Если контроллер не может обрабатывать эту задачу эффективно, результат будет искажен. С технической точки зрения эта задача значительно сложнее изменения масштаба на обычном ЭЛТ-мониторе.

Почему? В случае ЭЛТ, электронный луч может приспосабливаться к новому разрешению простым изменением напряжения отклонения. Кроме того, здесь не имеет значения, если луч сформирует точку между двумя соседними пикселями. В случае TFT все значительно сложнее. Из-за активного управления каждым пикселем, масштабирующий контроллер должен повторно вычислить данные для меньших разрешений. Если используется целый коэффициент масштабирования (например, 2 при переходе на 800 x 600 с 1600 x 1200) все очень просто: высота и ширина каждого пикселя удваивается. В случае не целого коэффициента, например, при переходе к 800 x 600 с 1024 x 768 - 1.28, ситуация значительно усложняется. Контроллер должен сам выбрать где отображать один пиксель, а где два. При математическом округлении, возникают ошибки, которые приводят к неприятным эффектам при отображении текста (см. рисунок ниже). Благодаря новым алгоритмам, современные контроллеры могут уменьшать этот эффект, использую уловку (см. продвинутое масштабирование) уменьшая оптическое впечатление: Если данные не могут быть уникально назначены пикселю, то интенсивность пикселя уменьшается.

Рисунок 5: Примеры масштабирования

Какие характеристики являются важными при оценке LCD?

Реальный диагональный размер экрана

Видимый диагональный размер ЭЛТ-монитора всегда меньше фактического диагонального размера трубки. TFT панели не имеют этой краевой области, поэтому указанный диагональный размер тот же, что и видимый диагональный размер. Это означает, что панель размером 15.1" эквивалентна размеру 17" ЭЛТ-монитора.

Угол видимости

Эта характеристика является критической практически для всех плоско панельных дисплеев. Не каждый LCD может похвастаться углом видимости, эквивалентным стандартному ЭЛТ-монитору. Меньший угол связан в первую очередь с конструктивными особенностями LCD. Напомним, что свет от задней подсветки должен пройти через поляризационные фильтры, жидкие кристаллы и т.н. уровни выравнивания, что придает ему некий направленный характер. Если посмотреть на дисплей сбоку под большим углом, изображение будет казаться очень темным или будет наблюдаться искажение цвета. Несмотря на отрицательность этого эффекта, производители смогли найти ему достойное применение. Мы имеем ввиду безопасность. Наибольшее применение этот эффект получил в банках и других учреждениях, где очень важно, что бы отображаемый документ был виден только оператору.

Сегодня разработчики работают над технологией, позволяющими увеличить значение угла видимости, однако уже сегодня известны методы, т.к. IPS (in-plane switching), MVA (multi-domain vertical alignment) и TN+film (twisted nematic and retardation film) которые позволяют увеличить угол до 160 градусов и более, что соответствует стандарту для ЭЛТ-мониторов.

Кстати, если Вы не знаете, напоминаем, что максимальный угол обзора равен крайнему значению, при котором коэффициент контрастности снижается до 10:1 от оригинального значения при перпендикулярном положении к плоскости экрана.

Коэффициент контрастности

Коэффициент контрастности получается из значений максимального и минимального значения яркости. На ЭЛТ-мониторах это коэффициент равен 500:1 и позволяет получить фото реалистическое качество. Для LCD этот коэффициент имеет значительно меньшее значение. Особенно это заметно при отображении черного цвета. На ЭЛТ-мониторе черный цвет формируется достаточно просто, изменением уровня всех цветовых составляющих. На LCD свет подсветки обычно не регулируется, и находится постоянно во включенном состоянии. Для отображения черного цвета, жидкие кристаллы должны полностью блокировать прохождение света. Однако, физически это не возможно. Несмотря на полную блокировку, свет частично будет проходить через кристаллы. Разработчики работают на этой проблемой и сегодня приемлемыми значениями для LCD являются 250:1.

Яркость

Здесь TFT дисплеи лидируют. Максимальная яркость определяется возможностями лампы подсветки. Поэтому получить значения в 200 - 250 кандела не проблема. Хотя технически возможно получить еще большее значение яркости, на практике этого не требуется.

Максимальная яркости ЭЛТ-мониторов находится на уровне 100 - 120 cd/m 2 . Большее значение яркости получить возможно, однако это требует поднятия напряжения ускорения, что негативно влияет на срок службы фосфорного покрытия.

Пиксельные ошибки

На некоторых LCD мониторах (даже новых) имеются т.н. "заклинившие" или "мертвые" точки. Это происходит из-за дефектных транзисторов. Т.е. конкретный транзистор не может управлять световым потоком. Он либо всегда блокирует свет, либо всегда пропускает. Этот факт очень раздражает, однако, стандарты учитывают наличие до пяти "мертвых" точек на новом LCD. При этом успокаивает только, то, что в будущем они не появятся. Для тех, кого эта проблема особенно волнует, мы рекомендуем тщательно проверять монитор при покупке.

Время отклика

Одной из критических характеристик многих TFT дисплеев является время отклика жидких кристаллов. Это приводит к видимой задержке при отображении анимированных сюжетов. Для современных систем типичным значением отклика является 20 - 30 миллисекунд.

Для сравнения: Для нормального просмотра видео необходимо отображать 25 кадров в секунду, т.е. каждый кадр может отображаться не более 40 миллисекунд. Это говорит о том, что TFT в принципе подходит для просмотра видео.

Цветовое качество - подготовка аналоговых входных сигналов

П сравнению с цифровыми плоско панельными дисплеями, LCD, оборудованные стандартным VGA разъемом, должны конвертировать аналоговый сигнал обратно в цифровой, что приводит к потере цветового качества. Некоторые производители рекомендуют использовать A/D конвертеры, которые могут передавать только 18 bit (3 x 6 bit на каждый цвет (красный, зеленый и синий)). Это приводит к снижению числа отображаемых цветов до 262,144 (псевдо RGB). Режим "True Color" требует отображения 16.7 миллионов цветов.

Преимущества и недостатки TFT дисплеев

После знакомства с оcновными характеристиками TFT дисплеев, мы хотели бы провести сравнение обычного ЭЛТ монитора и TFT. TFT дисплеи предлагают очень хорошие характеристики фокусировки из-за активного управления пикселями. Кроме того, TFT дисплеи лишены различных геометрических искажений и ошибок сходимости. Также мы хотим отметить отсутствие нежелательного мерцания. Все эти преимущества TFT перед ЭЛТ связаны с технической природой. Так, например, для формирования изображения на экране ЭЛТ, электронный луч должен пройти весь экран с лева на право с верху в низ, после чего экран гаснет, и луч переходит в исходную позицию. В большинстве случаев возникшее мерцание не заметно, однако оно имеет негативное влияние на наши глаза. В случае TFT дисплеев каждый пиксель горит постоянно, меняется только интенсивность свечения.

В таблице ниже мы привели сравнение основных характеристик ЭЛТ и TFT дисплеев.

	Плоско панельные дисплеи (TFT)	ЭЛТ-мониторы
	(+) 170 - 250 cd/m 2	(~) 80 - 120 cd/m 2
Коэффициент контрастности	(~) 200:1 - 400:1	(+) 350:1 - 700:1
Угол видимости (контрастность)	(~) 110 - 170 градусов	(+) более 150 градусов
Угол видимости (цвет)	(-) 50 до 125 градусов	(~) более 120 градусов
Ошибки сходимости		(~) 0.0079" - 0.0118" (0,20 - 0,30 mm)
	(+) очень хороший	(~) удовлетворительный - очень хороший
Геометрические и линейные ошибки		(~) возможны
Пиксельные ошибки
Входной сигнал	(+) аналоговый или цифровой	(~) только аналоговый
Масштабирование для различных разрешений	(-) нет или используются методы интерполяции	(+) очень хорошее
Гамма (настройка цвета)	(~) удовлетворительно	(+) фото реалистично
Однородность	(~) более яркое изображение на гранях	(~) более яркое в центре
Чистота цвета/качество	(~) хорошее	(+) высокое
Мерцание		(~) не видимо на частоте более 85 Hz
Время отклика	(-) 20 - 30 msec	(+) не значимо
Потребление энергии	(+) 25 - 40 Вт	(-) 60 - 150 Вт
Габаритные размеры/вес	(+) плоский дизайн, маленький вес	(-) требует много пространства + большой вес

(+) положительно (~) приемлемо (-) отрицательно

Идеальный TFT: Что выбрать?

Итак, если Вы решили купить LCD, мы настоятельно рекомендуем проконсультироваться с продавцом и ознакомиться с описанием конкретной модели. Вам необходимо удостовериться, что выбранный Вами монитор отвечает следующим требованиям:

Заключение

Итак, какие выводы можно сделать из нашей первой статьи.

Во-первых, LCD мониторы стали дешевле, и уже практически достигли уровня традиционных ЭЛТ-мониторов. Во-вторых, мы выяснили, что характеристики современных LCD не только не отстают, но и в некоторых случаях превосходят ЭЛТ-мониторы. LCD мониторы лишены таких недостатков ЭЛТ мониторов, как сходимость и геометрические искажения, не имеют неприятного мерцания и излучения, они занимают минимум площади рабочего места, и потребляют в три раза меньше энергии.

Все это говорит о том, что современные LCD могут свободно применяться не только для работы с офисными приложениями, но и дома при просмотре видео, 3D играх и в других современных приложениях, экономя потребление энергии, сохраняя Ваше здоровье, и не портят дизайн Вашей рабочей комнаты.

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.

Модуль поиска не установлен.

Жидкокристаллические дисплеи(технологии TN, TN+Film и TFT)

Сергей Ярошенко

Непрерывно возрастающее количество пользователей меняют свои ЭЛТ-мониторы на LCD. Если для 19-дюймовых ЭЛТ-мониторов значительный размер корпуса, комфортно не помещавшийся на офисный стол, привел к фатальным последствиям, то снижение цены и минимальные размеры 19-дюймовых LCD-собратьев сегодня повышают их привлекательность.

Принцип работы LCD-мониторов (Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей) основан на использовании вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда назвали "жидкими кристаллами".

Происхождение LCD-мониторов

Жидкокристаллические материалы были открыты в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Дальше патента дело не пошло, поскольку в то время технологическая база была еще слишком слаба для создания надежных и функциональных устройств. Первый прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс 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. В результате, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала цифровые часы с LCD-прототипом.

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Именно этой корпорацией:

В 1964 году был произведен первый в мире калькулятор CS10A;
- в 1975 году по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы;
- в 1976 году был выпущен черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселей.

Принцип работы LCD-дисплеев

Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию, и вследствие этого, изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.

Экран LCD-монитора представляет собой массив сегментов (пикселей), которыми можно манипулировать для отображения информации. Дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Между панелями находится тонкий слой жидких кристаллов. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, придавая им нужную ориентацию. На каждой панели бороздки параллельны, а между панелями перпендикулярны. Продольные бороздки образуются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы жидких кристаллов принимают одинаковую ориентацию. Стеклянные панели расположены очень близко друг к другу. Они освещаются источником света (в зависимости от того, где он расположен, LCD-дисплеи работают на отражение или на прохождение света). При прохождении панели плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90°. Появление электрического тока заставляет молекулы жидких кристаллов выстраиваться вдоль электрического поля, а угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникает необходимость добавить к стеклянным панелям еще два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному направлению поляризации. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, т.к. 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.

В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для света. Если разность потенциалов будет такова, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, а дисплей будет казаться черным.

Расположив большое число электродов, создающих электрические поля в локальных местах дисплея (ячейки), получим возможность (при правильном управлении потенциалами этих электродов) отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Технологические новшества позволили ограничить размеры электродов до точки, соответственно, на одной и той же площади панели стало возможным расположить большее число электродов, что увеличивало разрешение LCD-монитора и позволяло отображать сложные изображения в цвете.

Для формирования цветного изображения LCD-дисплей подсвечивали сзади. Цвет получался в результате использования трех фильтров, которые выделяли из белого света три основные компоненты. Комбинируя эти компоненты для каждой точки (пикселя) дисплея, появилась возможность воспроизвести любой цвет.

Пассивная (passive matrix) и активная матрицы (active matrix)

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 электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея. В результате разряда емкостей ячеек изображение исчезает, т. к. кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. Из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не способно изменяться быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно.

В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (0 или 1), и в результате изображение сохраняется только до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Тусклые и "тормозные" жидкокристаллические мониторы с пассивной матрицей давно ушли в прошлое, в магазинах можно встретить лишь модели на основе активной матрицы, обеспечивающей яркое, четкое изображение.

При использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы производят из прозрачных материалов, что позволяет 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 - Thin Film Transistor (TFT).

Технология изготовления TN

Исторически первой технологией изготовления LCD-дисплеев была т.н. технология Twisted Nematic (TN). Название произошло из-за того, что в выключенном состоянии кристаллы в ячейках образовывали спираль. Эффект возникал в результате размещения кристаллов между выравнивающими панелями с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу. При приложении электрического поля все кристаллы выстраивались одинаково, т.е. спираль распрямлялась, а при снятии кристаллы вновь стремились ориентироваться вдоль бороздок.

У TN-дисплеев было несколько существенных недостатков:

Во-первых, естественным состоянием дисплея, когда кристаллы образуют спираль, было прозрачное, т.е. она пропускала свет. Благодаря этому, при выходе из строя одного из тонкопленочных транзисторов свет беспрепятственно выходил наружу, образуя весьма заметную постоянно горящую точку;
- во-вторых, развернуть все жидкие кристаллы перпендикулярно фильтру оказалось практически невозможно, поэтому контрастность таких дисплеев оставляла желать лучшего, а уровень черного мог превышать 2 кд/м2 . Такой цвет выглядел как темно-серый, но отнюдь не как черный;
- в-третьих, низкая скорость реакции, первые дисплеи имели время отклика около 50 мс. Впрочем, второй и третий недостатки удалось преодолеть с внедрением технологии Super Twisted Nematic (STN), которая позволила уменьшить время отклика до 30 мс.
- в-четвертых, маленькие углы обзора, всего около 90°. Однако нанесение на поверхность экрана полимерной пленки с большим показателем преломления позволило расширить углы обзора до 120-160° без существенного изменения технологии. Такие дисплеи получили название TN+Film.

Технология изготовления STN

Технология STN позволяла увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивало лучшую контрастность изображения при увеличении размеров панели.

Режим DSTN. Часто STN-ячейки использовались в паре. Такая конструкция называлась Double Super Twisted Nematic (DSTN). В ней одна двухслойная DSTN-ячейка состояла из 2 STN-ячеек, молекулы, которых при работе поворачивались в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, терял большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN-дисплеев повысилась, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходилось три LCD-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не были способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - их обязательный атрибут.

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…