В наше время технологии не стоят на месте, они стремительно развиваются, благодаря чему в мир выходят все новые, удивительные и высокотехнологичные устройства. Это касается и технологий изготовления LCD мониторов, которые на сегодняшний день пользуются наибольшим распространением и имеют самые большие перспективы. Но каково же устройство ЖК монитора и в чем его преимущества? Именно об этом и пойдет речь в данной публикации.

1. Что такое ЖК монитор

Для начала стоит разобраться, что же такое ЖК монитор. Для этого нужно понять, что такое LCD-дисплей. Как вы, наверное, уже догадались LCD это некое сокращение, полностью название имеет следующий вид – Liquid Crystal Display. В переводе на русский язык это означает жидкокристаллический дисплей. Таким образом, становится понятно, что ЖК и LCD – это одно и то же.

Данная технология построена на использовании специальных молекул жидких кристаллов, которые имеют уникальные свойства. Такие мониторы отличаются рядом неоспоримых преимуществ. Для того чтобы их понять стоит более детально разобрать принцип работы ЖК мониторов.

2. Устройство LCD монитора и принцип его работы

Как уже говорилось выше, для изготовления ЖК-дисплея используются специальные вещества, которые называются цианофенилами. Они находятся в жидком состоянии, однако при этом они имеют уникальные свойства, которые присущи кристаллическим телам. По сути – это такая жидкость, которая имеет анизотропию свойств, в частности оптических. Эти свойства связаны с упорядоченностью в ориентации молекул.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов основывается на поляризационных свойствах молекул кристаллов. Эти молекулы способны пропускать исключительно ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой располагается в параллельной оптической плоскости поляроида (молекулы кристалла). Другие световые спектры кристаллы не пропускают. Другими словами, цианофенилы являются световыми фильтрами, пропускающими только определенный световой спектр – один из основных цветов. Такой эффект и называется поляризацией света.

Благодаря тому, что длинные молекулы жидких кристаллов меняют свое расположение в зависимости от электромагнитного поля, появилась возможность управления поляризацией. То есть в зависимости от силы воздействующего электромагнитного поля на циенофенилы они меняют свое расположение и форму, тем самым меняя углы преломления света и меняя свою поляризацию. Именно благодаря сочетанию электрооптических свойств кристаллов и способности принимать форму сосуда такие молекулы получили название – жидкие кристаллы.

Именно на таких свойствах и основывается принцип работы LCD монитора. Благодаря изменению силы электромагнитного поля молекулы жидких кристаллов меняют свое положение. Таким образом, формируется изображение.

2.1. Матрица ЖК-дисплея

Матрица ЖК мониторы – это массив, состоящий из множества мельчайших сегментов, которые имеют название – пиксели. Каждым из этих пикселей можно управлять в отдельности, благодаря чему и возникает определенная картинка. Матрица LCD монитора состоит из нескольких слоев. Ключевая роль принадлежит двум панелям, которые изготовлены из свободного от натрия, а также абсолютно чистого стеклянного материала. Этот материал имеет название субстрат (или в народе – подложка). Именно между этими двумя слоями и располагается тончайший слой жидких кристаллов.

Помимо этого на панелях имеются специальные бороздки, которые контролируют кристаллы, задавая им нужную ориентацию (положение). Эти бороздки расположены параллельно друг другу на панели и перпендикулярны расположению бороздок на другой панели. То есть, на одной панели они горизонтальны, а на другой вертикальны. Если посмотреть на экран через увеличительное стекло, то можно будет увидеть тончайшие полоски (вертикально и горизонтально). Они образуют маленькие квадратики – это и есть пиксели. Они бывают и круглой формы, но в подавляющем большинстве – квадратные.

Освещение жидкокристаллических панелей может реализовываться двумя способами:

• Отражение света;
• Прохождение света.

При этом плоскость поляризации световых потоков может поворачиваться на 90˚ в момент прохождения через одну панель.

В случае возникновения электрического поля, молекулы кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль этого поля. При этом угол поворота плоскости поляризации световых потоков меняется, и становится отличным от 90˚. Благодаря этому свет беспрепятственно проходит сквозь молекулы.

Такой поворот плоскости абсолютно невозможно заметить невооруженным глазом. Из-за этого появилась потребность в добавлении к стеклянным панелям еще двух других слоев, которые играют роль поляризационных фильтров. Они пропускают исключительно такие спектры световых лучей, ось поляризации которых соответствует установленному значению. Другими словами, благодаря дополнительным панелям в момент прохождения света через поляризатор он будет ослаблен. Интенсивность света зависит от угла между плоскостью поляризации (дополнительных панелей) и осью поляризатора (основные стеклянные панели).

Если напряжение отсутствует, то ячейка будет абсолютно прозрачной, так как первый поляризатор исключительно тот свет, который имеет соответствующее направление поляризации. Направление поляризации задается молекулами жидких кристаллов, и к тому времени, как свет поступит ко второму поляризатору, он уже будет повернут, чтобы пройти через него без затруднений.

В случае воздействия электрического поля поворот вектора поляризации осуществляется на меньший угол. Это в свою очередь делает второй поляризатор частично прозрачным для потоков света. Если сделать так, что поворот плоскости поляризации в молекулах жидких кристаллов вовсе будет отсутствовать, то свет будет полностью поглощаться вторым поляризатором. Другими словами при освещении задней части дисплея передняя часть будет качаться абсолютно черной.

2.2. Управление поляризацией в ЖК мониторах при помощи электродов

Учитывая это, разработчики оснастили дисплеи достаточным количеством электродов, которые создают разные электромагнитные поля в отдельных частях экрана (в каждом пикселе). Благодаря такому решению они достигли возможности, в условиях правильного управления потенциалами этих электродов, воспроизводить на экране дисплея буквы, и даже сложные разноцветные картинки. Эти электроды могут обладать любой формой и располагаются в прозрачном пластике.

Благодаря современным новшествам в технологии, электроды имеют весьма небольшие размеры – их практически не видно не вооруженным глазом. Благодаря этому на относительно небольшой площади дисплея можно разместить достаточно большое количество электродов, что позволяет увеличить разрешение ЖК-дисплея. Это в свою очередь позволяет улучшить качество отображаемой картинки и воспроизводить даже самые сложные картинки.

2.3. Получение цветного изображения

Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в довольно сложных процессах. Однако благодаря этому пользователь получает высокое качество изображения на своем мониторе. Для того чтобы отображать цветную картинку, дисплею LCD необходима задняя подсветка, благодаря которой свет будет исходить из задней части экрана. Это позволяет пользователям наблюдать максимально высокое качество изображения, даже в условиях затемненной окружающей среды.

Принцип работы ЖК мониторов для вывода цветной картинки основывается на применении все тех же трех основных цветов:

• Синий;
• Зеленый;
• Красный.

Для получения этих спектров используется три фильтра, отсеивающие остальные спектры видимого излучения. При помощи комбинирования этих цветов для каждого пикселя (ячейки) достигается возможность вывода полноценной цветной картинки.

На сегодняшний день существует два способа для получения цветной картинки:

• Использование нескольких фильтров, расположенных друг за другом. Это приводит к малой доле пропускаемого света.
• Использование свойств молекул жидких кристаллов. Для отражения (или поглощения) излучения нужной длины можно изменять силу напряжения электромагнитного поля, которое влияет на расположение молекул жидких кристаллов, тем самым фильтруя излучение.

Каждый производитель выбирает свой вариант получения цветного изображения. Стоит отметить, что первый способ более простой, однако второй – более эффективный. Также стоит отметить, что для повышения качества изображения в современных ЖК-дисплеях, которые обладают высоким разрешением экрана, используется технология STN, позволяющая поворачивать плоскости поляризации света в кристаллах на 270˚. Также были разработаны такие типы матриц как TFT и IPS.

Именно TFT и IPS матрицы пользуются наибольшим распространением в наше время.

TFT – это Thin Film Transistor. Другими словами – это тонкопленочный транзистор, который управляет пикселем. Толщина такого транзистора составляет 0,1-0,01 микрон. Благодаря этой технологии появилась возможность достичь еще более высокого качества изображения путем управления каждым пикселем.

Технология IPS – это самая новая разработка, позволяющая достичь наивысшего качества изображения. Она предоставляет максимальные углы обзора, однако имеет большее время отклика. То есть медленнее реагирует на изменения напряжения. Однако разница во времени между 5 мс и 14 мс абсолютно не видна.

Теперь вы знаете, как работает ЖК монитор. Однако это еще не все. Существует такое понятие как частота обновления экрана.

3. Частота обновления экрана ЖК монитора

Частота обновления экрана – это характеристика, которая обозначает количество возможных изменений изображения в секунду – количество кадров в секунду. Измеряется этот показатель в Гц. Частота обновления экрана влияет на качество изображение, в частности на плавность движений. Максимальный видимый предел частоты составляет 120 Гц. Частоту выше этого предела мы увидеть не сможем, поэтому увеличивать ее нет смысла. Однако для того, чтобы монитор смог работать на такой частоте необходима мощная видеокарта, которая сможет выдавать те же 120 Гц с запасом.

Помимо этого, частота обновления экрана влияет на органы зрения и даже на психику. Выражается такое воздействие в первую очередь на усталости глаз. При низкой частоте мерцания глаза быстро устают и начинают болеть. Кроме этого, у людей со склонностью к эпилепсии могут вызываться припадки. Однако в современных LCD мониторах используются специальные лампы для подсветки матрицы, которые имеют частоту свыше 150 Гц, а указываемая частота обновления больше влияет на скорость смены картинки, но не на мерцание дисплея. Поэтому LCD мониторы меньше всего влияют на органы зрения и организм человека.

4. Как работает LCD-дисплей: Видео

4.1. Требуемая частота монитора для просмотра 3D

Для использования активных и поляризационных 3D очков используются LCD матрицы, имеющие частоту обновления экрана 120 Гц. Это необходимо для того, чтобы разделить изображения для каждого глаза, при этом частота для каждого глаза должна составлять не менее 60 Гц. Мониторы с частотой 120 Гц можно использовать и для обычных 2D фильмов или для игр. При этом плавность движений заметно лучше, нежели в мониторах с частотой 60 Гц.

Помимо этого, в таких мониторах используются специальные лампы или LED (светодиоды) подсветка, имеющая еще более высокую частоту мерцания, которая составляет около 480 Гц. Это в свою очередь существенно уменьшает нагрузку на органы зрения.

В современных мониторах можно встретить два метода реализации подсветки матрицы:

• LED – светодиодная подсветка;
• Люминесцентные лампы.

Все крупные производители переходят на использование LED подсветки, так как она имеет значительные преимущества перед люминесцентными лампами. Они ярче, компактнее, экономичнее и позволяют достичь более равномерного распределения света.

Благодаря использованию новейших технологий ЖК-мониторы абсолютно не уступают своим прямым конкурентам – плазменным панелям, а в некоторых случаях даже превосходят их.

Жидкокристаллический дисплей (ЖК -дисплей, ЖКД ; жидкокристаллический индикатор, ЖКИ ; англ. liquid crystal display, LCD ) - дисплей на основе жидких кристаллов, а также устройство (монитор, телевизор) на основе такого дисплея.

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) изготовлены 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.

Основной их особенностью является возможность изменять ориентацию в пространстве под воздействием электрического поля. А если сзади матрицы поставить источник света, то, проходя через кристалл, поток будет окрашиваться в определенный цвет. Изменяя напряжённость электрического поля, можно изменять положение кристаллов, а значит и видимое количество одного из основных цветов. Кристаллы работают, как клапан или фильтр. Управление всей матрицей даёт возможность вывода на экран определённого изображения.

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.

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.

Одним из самых качественных типов LCD-матриц является IPS. Именно IPS технология доминирует в мобильных устройствах, так как она обладает хорошей цветопередачей и, что особенно важно для смартфонов - хорошими углами обзора.

Ресурс работы ЖК телевизора (дисплея) около 60000 часов.

Светодиодный экран (LED screen, LED display) - устройство отображения и передачи визуальной информации (дисплей, монитор, телевизор), в котором каждой точкой - пикселем - является один или несколько полупроводниковых светодиодов (LED).

LED - именно так сейчас принято сокращенно называть жидкокристаллическую (ЖК) панель со светодиодной (LED) подсветкой. Не так давно для подсветки ЖК-матрицы использовались люминисцентные лампы (CCFL), но сегодня их окончательно и бесповоротно вытеснили светодиоды. Матрица работает на просвет. По сути, каждый RGB-пиксель представляет собой «заслонку» (а фактически фильтр) для света, излучаемого светодиодами. Кстати, очень интересный вариант, когда в телевизоре используется «локальная» подсветка, то есть множество светодиодов установлены позади матрицы и могут освещать только определенную зону. Тогда достигается высокий показатель контрастности в одном кадре, однако первые такие модели буквально «шли пятнами». Впрочем, сегодня большинство LED-телевизоров имеют торцевую подсветку, когда диоды расположены по бокам (в торце). Такая конструкция и позволяет сделать предельно плоские, энергоэффективные и легкие видеопанели.

Чаще всего срок службы LED телевизоров принадлежит диапазону от 50 до 100 тысяч часов.

Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED ) - полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, эффективно излучающих свет при прохождении через них электрического тока.

Основная технология создания дисплеев основана на том, что органическая пленка на углеродной основе помещается между двумя проводниками, пропускающими электрический ток, из-за которого пленка излучает свет.

Главное отличие этой технологии от LED в том, что свет испускается каждым пикселем в отдельности, так что яркий белый или красочный цветной пиксель может находиться рядом с пикселем черного или совершенно другого цвета, и они не будут влиять друг на друга.

Это отличает их от традиционных ЖК-панелей, которые оснащаются специальной подсветкой, свет от которой проходит через слой пикселей.

К сожалению, между собой OLED пиксели отличаются не только цветом, но и рядом других характеристик - уровнем яркости, сроком службы, скоростью включения/выключения и прочими. Чтобы обеспечить относительно равномерные характеристики экрана в целом, производителям приходится идти на самые разные ухищрения: варьировать форму и размер светодиодов, размещать их в особом порядке, использовать программные трюки, регулировать яркость свечения с помощью ШИМ (то есть, грубо говоря, пульсацией), и так далее.

Причем технологии реализации самих матриц немного различаются. Так, в LG используется «сэндвич», а у Samsung - классическая RGB-схема. OLED можно гнуть вроде как без особых последствий. Поэтому вогнутые телевизоры также были построены на базе этой технологии.

, электронных книгах , навигаторах , планшетах , электронных переводчиках, калькуляторах , часах и т. п., а также во многих других электронных устройствах.

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• тип матрицы - определяется технологией, по которой изготовлен ЖК-дисплей;
• класс матрицы; стандарт ISO 13406-2 выделяет четыре класса матриц по допустимому количеству «битых пикселей »;
• разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ -мониторов, ЖК-дисплеи имеют одно фиксированное разрешение, а поддержка остальных реализуется путём интерполяции (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зелёных 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: при одинаковой диагонали, монитор формата 4:3 имеет бо́льшую площадь, чем монитор формата 16:9;
• 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. По состоянию на 2011-й год в пределах 20-50 ; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс ;
  • время переключения. Указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. По состоянию на 2016-й год практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 1-6 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 технических параметрах своих мониторов углы обзора, такие, к примеру, как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (англ. contrast ratio ) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно контрастности при взгляде перпендикулярно экрану. В приведённом примере, 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

Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов:

• ЖК-матрицы (первоначально - плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основе полимеров);
• источников света для подсветки ;
• контактного жгута (проводов);
• корпуса, чаще пластикового , с металлической рамкой для придания жёсткости.

Состав пикселя ЖК-матрицы:

• два прозрачных электрода ;
• слой молекул, расположенный между электродами;
• два поляризационных фильтра , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.

Если бы жидких кристаллов между фильтрами 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.

Малогабаритные ЖК-дисплеи без активной подсветки, применяемые в электронных часах, калькуляторах и т. п., обладают чрезвычайно низким энергопотреблением , что обеспечивает длительную (до нескольких лет) автономную работу таких устройств без замены гальванических элементов.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и множество недостатков, часто принципиально трудноустранимых, например:

• в отличие от ЭЛТ , могут отображать чёткое изображение лишь при одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией ;
• по сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют малый контраст и глубину чёрного цвета . Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения;
• из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки) - на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ;
• фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев . Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично;
• зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии. В ЭЛТ-дисплеях эта проблема полностью отсутствует;
• массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация;
• существует проблема дефектных пикселей . Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих. Мониторы с ЭЛТ этой проблеме не подвержены;
• пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев , вообще не подверженных ей.
• не очень большой диапазон рабочих температур: происходит ухудшение динамических характеристик (и далее неработоспособность) при даже небольших отрицательных температурах окружающей среды.
• матрицы довольно хрупкие, а их замена весьма дорогостоящая

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей 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 малое время отклика среди современных матриц [когда? ] , 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 Display.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True White Polarizer ) - разработана LG Display 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. Увеличенная напряжённость 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, повышает, 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 передаёт технологию Panasonic

Развитие технологии IPS фирмой LG

Название	Краткое обозначение	Год	Примечания
Super-IPS	S-IPS	2001	LG Display остаётся 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 дешёвые 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 .

VA/MVA/PVA

Технология VA (сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) была представлена 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.

Наследницей технологии VA стала технология MVA (multi-domain vertical alignment ), разработанная 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.

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:

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.

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.

PLS и IPS

Компания Samsung не давала описания технологии PLS . Сделанные независимыми наблюдателями сравнительные исследования матриц IPS и PLS под микроскопом не выявили отличий . То, что PLS является разновидностью IPS, косвенно признала сама корпорация Samsung своим иском против корпорации LG: в иске утверждалось, что используемая LG технология AH-IPS является модификацией технологии PLS .

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее было 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 используют внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и так далее). 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 -

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

Жидкие кристаллы были открыты еще в 1888 году. Но практическое применение они нашли только тридцать лет назад. «Жидкокристаллическим» называют переходное состояние вещества, при котором оно приобретает текучесть, но при этом не теряет свою кристаллическую структуру. Наибольший практический интерес, как оказалось, представляют оптические свойства жидких кристаллов. Благодаря сочетанию полужидкого состояния и кристаллической структуры можно легко менять способность пропускать свет.

Типы ЖК-матриц

Первым массовым продуктом с использованием жидких кристаллов стали электронные часы. Монохромный дисплей состоял, как известно, из отдельных полей, заполненных жидкими кристаллами. При подаче напряжения, с помощью которого кристаллы упорядочиваются, нужные поля препятствуют прохождению света и выглядят черными на светлом фоне. Цветные дисплеи появились, когда размеры ячейки удалось значительно уменьшить и снабдить каждую цветным фильтром. Кроме того, в современных ЖК мониторах используется задняя подсветка.

Для подсветки используется обычно 4 или 6 ламп и зеркала для более обеспечения равномерности. В основе работы ЖК-панели - поляризация света. На пути светового потока две поляризационные пленки с перпендикулярными направлениями поляризации. То есть в сумме эти две пленки задерживают весь свет. Расположенные между пленками жидкие кристаллы разворачивают часть потока, поляризованного первой пленкой, и таким образом регулируют свечение экрана.

Схема субпикселя ЖК-матрицы.
Каждый пиксель составляют синий, красный и зеленый субпиксели

Слой жидкокристаллического вещества «зажат» между двумя направляющими пленками с мельчайшими засечками, по направлению которых и выстраиваются кристаллы. Изменить направление ориентации кристаллов можно, например, с помощью электрического импульса, как это и делается в матрицах ЖК-мониторов. В современных матрицах каждая ячейка имеет собственный транзистор, резистор и конденсатор. Собственно в цветных матрицах каждый пиксель представляет собой три ячейки: красную, зеленую и синюю.

Матрица TN. Самая старая и самая распространенная

Самый старый тип матриц, из тех, которые сейчас применяются - TN. Название технологии расшифровывается как Twisted Nematic. Нематические жидкокристаллические субстанции состоят из продолговатых кристаллов с пространственной ориентацией, но без жесткой структуры. Такое вещество легко поддается внешним воздействиям.

В матрицах TN кристаллы выстроены параллельно плоскости экрана, а верхний и нижний слой кристаллов повернуты перпендикулярно относительно друг друга. Все остальные «скручены» по спирали. Таким образом, весь пропущенный свет так же скручивается и беспрепятственно проходит через внешнюю поляризующую пленку. Так что в выключенном состоянии ячейка TN матрицы светится, а при подаче напряжения кристаллы постепенно проворачиваются. Чем выше напряжение, тем больше кристаллов разворачивается, и тем меньше проходит света. Как только все кристаллы развернутся параллельно световому потоку, ячейка «закрывается». Но для TN матриц добиться идеально черного цвета очень трудно.

Кристаллы в матрице TN "скручены" по спирали (1).
При подаче напряжения они начинают поворачиваться (2).
Когда все кристаллы перпендикулярны поверхности (3), свет не проходит.

Главная проблема TN матриц в несогласованности поворота кристаллов: одни уже развернуты полностью, другие только начали поворачиваться. Из-за этого происходит рассеивание светового потока и, в конечном счете, картинка под разными углами выглядит не одинаково. Горизонтальные углы обзора современных матриц можно считать приемлемыми, но при повороте по вертикали даже в небольших пределах, искажения существенные. Цветопередача матриц TN далека от идеальной - они в принципе не могут выводить полную палитру цветов, компенсирую недостаток оттенков с помощью хитрых алгоритмов. Такие алгоритмы с частотой не заметной глазу воспроизводят в ячейке попеременно оттенки, ближайшие к тому, который воспроизвести не удается. Зато технология TN обеспечивает максимальную скорость срабатывания ячейки, минимальное энергопотребление и максимально дешева. Эти два обстоятельства и делают самую старую технологию самой популярной и самой распространенной.

IPS. Идеально для фото и графики. Но дорого

Второй по времени разработки стала технология IPS (In Plane Switch). Такие матрицы производят заводы Hitachi, LG.Philips. NEC производит матрицы сделанные по сходной технологии, но с собственной аббревиатурой SFT (Super Fine TFT).

Как следует из названия технологии, все кристаллы расположены постоянно параллельно плоскости панели и поворачиваются одновременно. Для этого пришлось расположить на нижней стороне каждой ячейки по два электрода. В выключенном состоянии ячейка черная, так что если она «умерла», на экране будет черная точка. А не постоянно светящаяся, как у TN.

В матрице IPS кристаллы всегда параллельны поверхности экрана

IPS технология обеспечивает наилучшую цветопередачу и максимальные углы обзора. Из существенных недостатков - болшее, чем у TN , время отклика, более заметная межпиксельная сетка и высокая цена. Улучшенные матрицы получили название S -IPS и SA -SFT (соответственно у LG .Philips и NEC ). Они обеспечивают уже приемлемое время отклика на уровне 25 мс, а новейшие и того меньше - 16 мс. Благодаря хорошей цветопередаче и углам обзора IPS матрицы стали стандартом для графических профессиональных мониторов.

MVA/PVA. Разумный компромисс?

Как компромисс между TN и IPS можно рассматривать разработанную Fujitsu технологию VA (Vertical Alignment). 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. Разработанная Fujitsu 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.

В матрицах VA типа в выключенном состоянии кристаллы перпендикулярны поверхности экрана

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 .

Что выбрать?

Для домашнего использования и для работы в офисе часто цена является решающим аргументом, и из-за этого мониторы с матрицей TN пользуются максимальной популярностью. Они обеспечивают приемлемое качество изображения при минимальном времени отклика, что является критически важным параметром для любителей динамичных игр. PVA и MVA матрицы не столь широко распространены из-за более высокой цены. Они обеспечивают очень высокий контраст (особенно PVA ), большой запас по яркости и хорошую цветопередачу. В качестве основы для домашнего мультимедийного центра (замена телевизора), это лучший выбор. Матрицы IPS все реже устанавливаются в мониторы с диагональю до 20 дюймов. По качеству лучшие модели S -IPS и SA -SFT не уступают CRT мониторам и все чаще применяются профессионалами в области фото, полиграфии и дизайна. Практические рекомендации по выбору монитора можно прочитать в статье «Выбираем ЖК-монитор. Что предпочесть фотографу, геймеру и домохозяйке?»

Немного помечтаем

Совсем недавно, т.е. лет 15 назад, вряд ли многие предполагали, что ЖК-мониторы смогут вытеснить кинескопные. Качество LCD было низким, а цена крайне высокой. Но и сейчас нельзя назвать технологию производства панелей на жидких кристаллах идеальной. Для улучшения цветопередачи, увеличения контрастности и обеспечения равномерности подсветки в профессиональном NEC Reference 21 применена диодная подсветка. Стоит этот монитор около $6000 и пока его можно считать скорее полиграфическим оборудованием, чем компьютерной перефирией. Но мы знаем множество примеров, когда профессиональные технологии "спускаются" к любителям.

Многие крупные компании (Sanyo, Samsung, Epson) разрабатывают экраны на основе OLED - органических кристаллов. Сами кристаллы испускают свет при подаче напряжения, эти экраны чрезвычайно экономичные, яркие и контрастные. Но пока применяются только в мелкой портативной технике из-за дороговизны и технических проблем, связанных с долговечностью, воспроизведением некоторых цветов. В совсем отдаленной перспективе могут появиться и абсолютно новые технологии, о которых сейчас слышали только специалисты, а экран можно будет свернуть в трубочку или наклеить на стену. А может быть и не будет мониторов в нашем привычном понимании? А может быть, все перейдут на проекторы? И в качестве экрана можно будет использовать практически любую поверхность. Заманчивая перспектива.