LCD (Liquid Crystal Display) — Жидкокристалический дисплей

Опубликовано:23.03.2008
Версия текста:1.0

Как устроены жидкокристаллические мониторы

Распространенный вид дисплея для мобильных компьютеров. Они подпадают под многие категории дисплеев.

Отражательные (reflective) дисплеи отражают общее освещение. Это затрудняет чтение в условиях низкой освещенности, поэтому нередко используется дисплей проницаемого (transmissive) типа с задней подсветкой. В качестве задней подсветки зачастую служат электролюминесцентный (electroluminescent) модуль, который обычно вырабатывает белый свет и немного тепла при питании 100-160 В частотой 400 Гц. К другим технологиям задней подсветки относятся светодиодные и флуоресцентные источники света на лампах с холодным катодом, называемые CCFL либо CFL или даже CCFT.

В конструкции модуля ЖКД применяются два плоских, параллельных листа стекла, отделенных друг от друга расстоянием 10 мкм. Внутри стеклянных поверхностей вытравлены очень тонкие параллельные линии, причём два листа стекла повернуты таким образом, чтобы находились друг относительно друга под углом 90°. К листам стекла прикладывается поляризующая плёнка, как и в солнцезащитных очках, в направлении, параллельном соответствующим вытравленным линиям. Поскольку поляризованные пленки не выровнены, то свет не будет проходить через листы стекла, которые, таким образом, остаются темными. Однако пространство между листами стекла заполняет химическое вещество типа жидкого кристалла (liquid crystal), называемое так потому, что оно сохраняет некоторые свойства упорядочности кристаллов даже в точке, которая несколько выше их температуры плавления, т.е. при комнатной температуре.

В зависимости от вида жидкого кристалла и его температуры некоторые жидкие кристаллы находятся в нематической фазе (nematic phase), в которой молекулы выравниваются вдоль вытравленных линий. Поскольку линии повернуты друг относительно друга, то и молекулы также повернуты подобно стопке бумаги. При этом молекулы поворачивают плоскость поляризации света, благодаря чему свет будет проходить через стекло и, таким образом, дисплей окажется светящимся. Внутри листов стекла имеется прозрачный рисунок из нанесенных параллельных проводящих линий, которые также расположены друг относительно друга под углом 90°. Когда к двум пластинам прикладывается напряжение постоянного тока около 4-15 В, то выравнивание жидкого кристалла относительно вытравленных линий изменяется, а поскольку молекулы оказываются полярными (polar), то они, наоборот, выравниваются по прикладываемому к ним электрическому полю. При этом свет уже не проходит через данную точку, поскольку плоскость поляризации света уже не поворачивается до совпадения с поляризаторами, так что данная точка (точка растра—pixel) дисплея оказывается темной.

Для дисплея VGA обычно требуется 640 вертикальных и 480 горизонтальных линий. Как правило, изображение обновляется за счёт быстрой развёртки, для чего требуется меньше соединений и электроники. Следовательно, вместо того чтобы быть включенным постоянно, дисплей включается лишь частично, возможно, в течении одно из 128 промежутков времени, после чего он медленно переходит обратно в выключенное состояние в течение оставшегося времени развёртки. При этом получается малый коэффициент контрастности (contrast ratio) между включенной и выключенной точкой растра, что затрудняет чтение такого дисплея.

Для улучшения контрастности был предпринят наименее дорогой по затратам шаг, состоящий в разделении экрана на два отдельных участка развёртки. Такие дисплеи называются дисплеями на твистированных нематических жидких кристаллах с двойной развёрткой (dual-scan twisted nematic—DSTN).

Для дальнейшего улучшения коэффициента контрастности в некоторых дисплеях две параллельные линии повернуты более чем на 90°, причём они называются дисплеями на супертвистированных нематических жидких кристаллах (super twisted nematic—STN). Цветные дисплеи STN иногда еще называются CSTN и обладают фильтром между источником света и каждой точкой растра, чему каждая из них освещается только одним из трех основных цветов (красным, зелёным и синим). Следовательно, каждая «окрашенная точка растра» цветного дисплея состоит из трех точек растра и поэтому для такого дисплея на самом деле требуется в три раза больше точек растра, чем для монохромного дисплея.

Чтобы еще больше повысить коэффициент контрастности и сократить время реакции, которое имеет важное значение для отображения полномасштабного видео либо для того, чтобы не были видны следы, тянущиеся после указателя мыши, в некоторых дисплеях используется один или более транзисторов на каждой точки растра, т.е. на месте пересечения каждой горизонтальной и вертикальной линии. Это позволяет сохранить точку растра включенной до тех пор, пока развёртка ее не изменит, благодаря чему она не начинает медленно переходить обратно в выключенное состояние в период времени до следующей развёртки. Следовательно, такой тип ЖКИ дисплея иногда еще называется активно-матричным (active-matrix), поскольку транзистор считается активным устройством, а вот резисторы, например, считаются пассивными устройствами, поскольку они всегда выполняют одну и ту же функцию и поэтому не подлежат управлению. Технология, применяемая для производства такого транзистора, называется тонкопленочной (thin-film), поскольку основывается на применении тонкой пленки химических веществ. Таким образом, этот тип дисплея называется также ЖКИ дисплеем на тонкопленочных транзисторах (thin-film transistor—TFT). Опять же, поскольку эти дисплеи обычно являются цветными, они могут еще называться CTFT. Угол обзора для этого типа дисплея, как правило, составляет ±15° по вертикали и ±40° по горизонтали.

Более старый аморфно-кремниевый (amorphous-silicon) тип транзистора оказывается относительно крупным и поэтому немного заслоняет свет от каждой точки растра, снижая тем самым контрастность, при этом наблюдается чёрный контур от точек растра. Более современный поликремневый (polysilicon) тип транзистора оказывается мельче, что позволяет сделать дисплей более ярким, причём такие дисплеи нередко используются в ЖКИ проекторах, где они, кроме того, допускают создание более мелких панелей ЖКИ.

Жидкокристаллические экраны с активной матрицей

В большинстве жидкокристаллических мониторов используются тонкопленочные транзисторы (TFT). В каждом пикселе есть один монохромный или три цветных (RGB) транзистора, упакованные в гибком материале, имеющем точно такой же размер и форму, что и сам дисплей. Поэтому транзисторы каждого пикселя расположены непосредственно за жидкокристаллическими ячейками, которыми они управляют.

В настоящее время для производства дисплеев с активной матрицей используется два материала: гидрогенизированный аморфный кремний (aSi) и низкотемпературный поликристаллический кремний (pSi). В принципе основная разница между ними заключается в производственной цене. Изначально TFT-мониторы выпускались с помощью процесса aSi, так как для него требуется более низкий температурный режим (менее 400 °С), чем для pSi. Сейчас низкотемпературный процесс pSi является полноценной альтернативой aSi с достаточно приемлемой ценой.

Для увеличения видимого горизонтального угла обзора жидкокристаллических дисплеев некоторые производители модифицировали классическую технологию TFT. Например, технология плоскостного переключения (inplane switching — IPS), также известная как STFT, подразумевает параллельное выравнивание жидкокристаллических ячеек относительно стекла экрана, подачу электрического напряжения на плоскостные стороны ячеек и поворот пикселей для чёткого и равномерного вывода изображения на всю жидкокристаллическую панель. Суть еще одного новшества компании Hitachi — технологии SuperIPS — заключается в перестраивании жидкокристаллических молекул в соответствии с зигзагообразной схемой, а не по строкам и столбцам, что позволяет уменьшить нежелательное цветовое смешение и улучшить равномерное распределение цветовой гаммы на экране. В аналогичной технологии мультидоменного вертикального выравнивания (multidomain vertical alignment — MVA) компании Fujitsu экран монитора подразделяется на отдельные области, для каждой из которых изменяется угол ориентации.

Как SuperIPS, так и MVA предназначены для улучшения видимого угла обзора традиционного TFT-экрана. В различных компаниях эта технология носит разные названия, например в компании Sharp она называется ультравысокой апертурой (Ultra High Aperture — UHA). Производители часто придумывают собственные специальные термины, пытаясь таким образом выделить свою продукцию среди конкурентов. Поскольку в больших жидкокристаллических экранах (17“ и больше) угол обзора играет немаловажную роль, эти технологии используются в больших и дорогих панелях, а также лицензированы другими производителями жидкокристаллических дисплеев.

Преимущества жидкокристаллических мониторов

Жидкокристаллические панели обладают целым рядом достоинств, которые отличают их от мониторов с электроннолучевыми трубками. Например, для отображения информации используется вся поверхность экрана монитора; видимая область жидкокристаллического 15 дюймового монитора аналогична видимой области 17дюймового ЭЛТмонитора. В жидкокристаллических мониторах применяется непосредственная адресация экрана (каждому пикселю соответствует отдельный транзистор), качество изображения весьма высокое, поскольку они лишены таких проблем традиционных мониторов, как бочкообразное искажение, дисторсия или неправильное сведение лучей, а также муар вокруг экранных объектов.

Жидкокристаллические мониторы имеют более низкое энергопотребление и, как следствие, выделяют меньше тепла. Поскольку в таких мониторах нет ЭЛТ, по умолчанию снимается проблема электромагнитного излучения. Хотя жидкокристаллические мониторы характеризуются сравнимым с ЭЛТмониторами значением параметра MTBF (meantime between failures — среднее время безотказной работы), основная причина отказа жидкокристаллического монитора — лампа подстветки, замена которой может оказаться крайне дорогой. В ЭЛТ-мониторах отказы связаны преимущественно с электроннолучевой трубкой — самым дорогостоящим компонентом, замена которого в мониторе с размером экрана до 17 дюймов не имеет никакого смысла.

Кроме того, жидкокристаллические мониторы могут похвастаться меньшей глубиной, что позволяет экономить рабочее пространство. Некоторые модели имеют съемное опорное основание, поэтому их можно устанавливать на стене или любой подставке. Возможность поворота монитора на 90° особенно обрадует дизайнеров. Жидкокристаллические панели весят гораздо меньше, чем ЭЛТмониторы тех же размеров. Например, масса 17дюймового жидкокристаллического дисплея ViewSonic VE175 всего лишь 6 кг, в то время как обычный 19-дюймовый ЭЛТ-монитор имеет массу около 22 кг.

Источники

Автоматизация магазинов, складов, переучетов