IT История

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.

Режим TSTN. STN-ячейки могли использоваться в режиме Triple Super Twisted Nematic (TSTN), когда два тонких слоя полимерной пленки добавлялись для улучшения цветопередачи дисплеев или для повышения качества монохромных мониторов.

Режим Dual Scan DSTN. Для совершенствования свойств динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. Т.е. вся матрица разбивалась на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержала меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимало меньше времени. В результате чего удалось сократить время инерции LCD.

Технология изготовления TFT

Технология Thin Film Transistor (TFT) - тонкопленочный транзистор. С помощью управляющих элементов - транзисторов - контролируется каждый пиксель на панели. Тонкопленочный транзистор имел толщину 0,1 - 0,01 мкм. В появившихся в 1972 году TFT-дисплеях использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока. Со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в дисплеях с высоким разрешением использовался поликристаллический кремний (p-Si).

Пиксель в технологии 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. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 19-дюймового TFT-монитора - около 0,011 дюйма (или 0,27 мм).

Технология создания TFT очень сложна, в результате возникли трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за огромного числа используемых транзисторов. Производители установили нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими. Правда, у каждого производителя на этот счет было свое мнение.

Технология изготовления S-TFT

Инженерами компании Hitachi была разработана новая технология многослойных LCD-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора LCD-панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на задней стеклянной пластине, и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана. Поскольку кристаллы обычной LCD-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие LCD-дисплеи более зависимы от угла зрения, чем LCD-дисплеи Hitachi с технологией Super TFT. В результате, изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора.

Технология изготовления TN+Film

Технология Twisted Neumatic+пленка (TN+Film). Пленка наложена на панель для увеличения углов обзора. TN+Film-дисплеи самые дешевые и самые распространенные. По сравнению с первыми TN-дисплеями производителям удалось добиться весьма серьезных успехов. Во-первых, углы обзора были увеличены до 140-160°, причем характерные для TN цветовые искажения при взгляде на экран сбоку были сведены к минимуму. Впрочем, углы обзора по вертикали по-прежнему недостаточно велики.

Здесь целесообразно коснуться вопросов метрологии. Исходя из существующих стандартов, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1.

Однако считается, что искажения изображения становятся заметны уже при падении контрастности до 100:1. Иначе говоря, используемый производителями показатель слишком мягок, т.к. даже при меньших углах обзора вы увидите, что картинка отличается от идеальной. Более того, некоторые производители указывают углы обзора для предельной контрастности не 10:1, а вдвое меньше - 5:1, в результате чего легким движением руки недорогая TN+Film-матрица с углами обзора 150/140 градусов превращается в матрицу с углами уже 160/160 градусов.

В результате, с точки зрения пользователя ничего не меняется - матрица-то остается та же самая, а вот с точки зрения заявленных характеристик выглядит так, будто производитель монитора установил новые матрицы, с увеличенным углом обзора. При этом в сноске мелкими буквами указывается, что изменился только метод измерения (т.е. изменились исходные метрологические основы).

По этим же причинам сравнивать технические характеристики LCD-панелей, в основу изготовления которых положены различные технологии, бывает не совсем корректно.

Основным преимуществом TN+Film-панелей является их низкая цена. По этому параметру с ними не может сравниться ни одна другая технология. TN-панели легко справляются с минимальным временем отклика. На данный момент оно уже опустилось до 3-4 мс.

Контрастность современных TN+Film панелей обычно находится на среднем уровне - с одной стороны, она превышает показатели большинства S-IPS-матриц, но, с другой стороны, не дотягивает до абсолютных рекордсменов по этому параметру, PVA-матриц. (Более подробно о S-IPS-MVA/PVA-матрицах мы поговорим в отдельной статье).

Самыми существенными проблемами технологии TN+Film являются не слишком аккуратная цветопередача (особенно с учетом того, что в большинстве современных дисплеев, выполненных по этой технологии, используются не 8, а 6 бит для каждого из базовых цветов) и углы обзора. По последнему параметру TN+Film-дисплеи катастрофически проигрывают как S-IPS, так и MVA и PVA-собратьям.

В первую очередь TN-панели предназначены для построения игровых LCD-мониторов. Средняя контрастность, проблемы с цветопередачей, сравнительно небольшие углы обзора - цена, которую приходится платить за минимальное время отклика. Следовательно, для работы с текстом, графикой, фотографиями, т.е. там, где время отклика несущественно, целесообразно обратить внимание на мониторы, построенные на других типах матриц, в то время как для домашнего игрового компьютера мониторы на TN+Film будут вполне разумным выбором.

Технология TN+Film уже вытеснила с рынка 17-дюймовые дисплеи технологических конкурентов. На рынке 19-дюймовых мониторов пока царит вавилонское разнообразие. С приходом на рынок TN+Film-дисплеев можно без проблем выбрать монитор на любой вкус, и даже кошелек. К сожалению, скорее всего существующее разнообразие закончится победой TN+Film и вытеснением прочих типов матриц в область 20 дюймов.

Стоит отметить, что технология TN+Film, несмотря на свой почтенный возраст, в настоящее время сравнительно быстро развивается, поэтому при выборе монитора целесообразно обращать внимание на новые модели, т.к. вероятность того, что в них используется панель с большей контрастностью и лучшими углами обзора, довольно велика.

Сегодня большой популярностью у пользователей пользуется LCD-монитор SyncMaster 913N. За $375 можно приобрести 19-дюймовое чудо с характеристиками, приведенными в табл. 1. Вся вышеизложенная информация позволяет понять, что скрывается под загадочными символами, характеризующими тип LCD-дисплея, а именно: a-si TFT/TN.