Особенности технологий LCD-дисплеев
Первые ЖК-материалы были открыты более века назад известным австрийским ученым Ф. Ренитцером. Было обнаружено большое колличество материалов, используемых в качестве ЖК-модуляторов. При этом, практическое использование данных технологий началось совсем недавно. LCD-экраны производятся из вещества цианофенил, находящегося в жидком состоянии, обладающего некоторыми свойствами, которые присущи кристаллическим телам. Фактически, данное вещество представляет собой жидкость, обладающую анизотропией оптических свойств, которые связанны с упорядоченностью в ориентации составляющих молекул. Парадоксально, однако, ЖК-мониторы старше ЭЛТ почти на десять лет, т.к. первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. В связи со сложностью технологии, долгое время никто не мог применить их на практике. Только в конце 1966 года, известная в то время, компания RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора, представляющий собой цифровые часы. Технология таких дисплеев основана на уникальных свойствах ЖК, которые обладают определенными свойствами как жидкости, так и твердого кристалла, например, анизотропией. В LCD-панелях используют нематические кристаллы, молекулы которых по форме представляют собой продолговатые пластины, объединенные в скрученные спирали. LCD-элемент, также, включает в себя прозрачные поляризаторы и электроды. В случае приложения напряжения к электродам спирали выпрямляются. Использование на входе и выходе поляризаторов позволяет получить такой эффект раскручивания спирали, как электрически управляемый вентиль (рис.5), который динамически способен пропускать или не пропускать световые волны.
Рисунок 5 - Схема работы LCD-элемента (в левой части отображено состояние, при котором LCD-элемент пропускает свет, в правой — когда свет не проходит)
Экран такого дисплея состоит из матрицы LCD-элементов. Для получения изображения необходимо адресовать отдельные элементы. Как уже было упомянуто, различают два метода адресации и два вида матриц: пассивную и активную. В пассивной матрице активация точки изображения производится путем подачи напряжения на проводники-электроды столбца и строки. Следует заметить, что электрическое поле возникает и в точке пересечения адресных проводников, и на всем пути распространения электрического тока, что приводит к невозможности достижения высокого уровня контраста. В активной матрице каждой точкой изображения управляет отдельный электронный переключатель, что позволяет получить высокий уровень контрастности. Как правило, активные матрицы реализуются на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). TFT-экраны обладают одним из наиболее высоких разрешением, среди плоских устройств отображения и широко используются в ноутбуках, цифровых приставках и автомобильных навигационных устройствах. Структура монитора TFT LCD приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Структура TFT LCD-монитора
Состав структуры TFT LCD-монитора (рис.6) представляет собой: 1 - поляризационный фильтр, который производит регуляцию световых волн; 2 - стеклянная прослойка, содержащая электроды; 3 - прозрачные электроды; 4 - выравнивающий слой, регулирующий расположение жидкого кристалла; 5 - ЖК; 6 - распорка, благодаря которой поддерживается постоянный промежуток между стеклянными пластинами; 7 - цветовой фильтр, формирующий все цвета на базе RGB-фильтров; 8 - внутреннее освещение.
В активной матрице LCD-монитора переключающий тонкопленочный транзистор и диод позволяют обеспечить включение и отключение связанного с ними цветового элемента. Электроды Х и Y связаны с панелью, на которой расположены транзисторы TFT. Электрод X генерирует сигнал включения, а Y — сигнал цвета (рис.7).
Рисунок 7 – Состав активной матрицы LCD-дисплея
LCD-дисплей не излучает световых волн, его предназначение заключается в использовании в качестве оптического затвора. Для воспроизведения необходимого изображения ему требуется источник света, расположенный сзади LCD-панели. Время функционирования внутреннего источника света TFT LCD-монитора напрямую зависит от его типа. Чаще всего, источники света для, например, 15-дюймовых мониторов теряют около половины первоначальной яркости за 20 тысяч часов. В начале выхода LCD-мониторов на мировой рынок, их стоимость была примерно в 10 раз дороже, чем CRT-дисплеев. Однако, с течением времени, технология совершенствовалась и их цена постепенно падала, поэтому вскоре появилась ниша для широкого внедрения и эксплуатации таких мониторов. Как всегда, первые закупки LCD-дисплеев были произведены военными, финансовыми и правительственными структурами. Т.е. это были организации, в которых задачи экономии рабочего пространства были наиболее актуальными, а финансовые средства позволяли полноценно внедрить более дорогостоящую технологию. На сегодняшний день LCD-дисплеи заняли существенную долю рынка, во многом потеснив своих непосредственных конкурентов - CRT-мониторы. Эксперты ожидают заметного увеличения спроса на плоские ЖК-экраны, которые явно вытесняют традиционные мониторы с электронно-лучевыми трубками. Ведующие производители продолжают инвестировать в производство TFT-панелей. Например, недавно компания Sharp сообщила о своих планах по налаживанию выпуска ЖК-панелей совместно с тайваньскими производителями ноутбуков. В связи с этим в Тайване было начато строительство завода по производству LCD-мониторов. Сегодня существует множество аналоговых и цифровых LCD-дисплеев, при этом оба типа устройств имеют множество достоинств и недостатков. Цифровые устройства, как правило, дешевле аналоговых, т.к. они не используют преобразователи сигнала. При этом, чтобы подключить цифровые дисплеи, требуется установка специальных видеоплат и драйверов. В то же время, аналоговые LCD-дисплеи подключаются к VGA-порту ПК с помощью обычного кабеля. Вследствие наличия АЦП в LCD-мониторе, оцифровывающего аналоговый сигнал, на изображении дисплея может появиться дрожание картинки или небольшие артефакты. Следует заметить, что наличие встроенного преобразователя значительно увеличивает стоимость монитора и понижает качество изображения. Предположительно, в ближайшем будущем удастся решить эту проблему, что приведет к снижению стоимости LCD-мониторов Несмотря на то, что в последнее время стало появиляться довольно большое колличество новых технологий, способных быстро заменить LCD-мониторы, LCD-технология не стоит на месте. При этом, данная технология не только совершенствуется и масштабируется в качественном отношении, но и переходит на совершенно новую материальную базу. В частности, одной из новых перспективных разновидностей LCD-экранов являются мониторы, принцип действия которых основан на использовании ферроэлектрических жидких кристаллов (Ferroelectric Liquid Cristal, FLC). Каждый отдельный пиксел такого дисплея способен увеличиваться до нескольких квадратных сантиметров, что упрощает производство панелей более крупных размеров.
2.3. Принцип работы TFT-LCD дисплеев
Экран LCD-дисплея представляет собой массив маленьких сегментов-пикселей, манипуляция которыми позволяет отображать информацию. LCD-монитор имеет в своем составе несколько слоев, ключевую роль в которых играют две панели, сделанные из свободного от натрия, чистого стеклянного материала, называемого субстрат, которые содержат тонкий слой ЖК. На панелях расположены бороздки, направляющие кристаллы и сообщающие им заданную ориентацию. Бороздки расположены так, что они размещены параллельно на каждой из панелей, при этом они перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки формируются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пластиковых пленок, который обрабатывается специальным образом. При создании электрического поля, ЖК-молекулы выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света изменяется и световые волны беспрепятственно проходят через жидкие кристаллы. Ввиду того, что поворот плоскости поляризации светового луча является незаметным для человеческого глаза, возникла необходимость в добавлении к стеклянным панелям еще двух слоев, представляющих собой поляризационные фильтры. Данные фильтры пропускают только тот компонент светового луча, ось полярицаии которого соответствует заданному. В виду этого, при прохождении через поляризатор, пучок света ослабляется в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка становиться прозрачной, т.к. первый фильтр пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Технологические спецификации позволяют ограничить их размеры величиной точки, поэтому, на одной площади экрана можно расположить большее число электродов, что позволяет увеличить разрешение LCD- монитора, отображая даже самые сложные цветные изображения. Для вывода изображения в цвете необходима подсветка монитора сзади, чтобы свет формировался из задней части LCD-дисплея. Это является необходимым для того, чтобы можно было формировать изображение с хорошим качеством в условиях, когда окружающая среда не является светлой. Цвет формируется в результате использования трех фильтров, выделяющих из излучения источника белого света три главные компоненты. Комбинируя три основные цвета (RGB) для каждого пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Общий принцип формирования изображения на экране приведен на рис. 8. Управление яркостью отдельных субпикселей обеспечивается путем приложения напряжения к жидкокристаллической заслонке (рис.8).
Рисунок 8 – Принцип формирования изображения на экране TFT-LCD дисплея
Свет от лампы подсветки вначале проходит сквозь нижний поляризующий фильтр (имеет вид белой заштрихованной пластины) (рис.9), становясь поляризованным. Далее, свет проходит сквозь полупрозрачные управляющие электроды (имеют вид жёлтых пластин), встречая на своём пути ЖК-слой. Изменение напряжения позволяет изменять поляризацию светового потока до 90 градусов (слева), или оставлять неизменной (справа). После слоя жидких кристаллов располагаются светофильтры, каждый субпиксель окрашивается в необходимый цвет –зелёный, красный или синий. Вгляную на экран и убрав верхний поляризующий фильтр можно заметить, что отображаются миллионы светящихся с максимальной яркостью субпикселей. Без верхнего поляризатора мы смогли бы увидеть лишь равномерное белое свечение по всей поверхности экрана.
Если поставить верхний фильтр поляризации на место, то он инициирует все изменения, произведенные с поляризацией света ЖК. Некоторые субпиксели останутся ярко светящимися, а некоторые погаснут, т.к. верхний поляризатор стоит в противофазе нижнему, т.е. не пропускает света с начальной поляризацией. Существуют субпиксели с промежуточной яркостью, в таком случае поляризация потока света, который прошел через них, была развёрнута менее чем на 90 градусов. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) Яркость каждого субпикселя можно изменять плавно, с помощью аналоговых методав. Есть возможность разворода поляризации потока света на любой угол в интервале от 0 до 90 градусов, т.к. это определяется управляющим напряжением, которое приложено к ячейке. 2) Аналоговая природа регулировки является существенным преимуществом. Если смотреть на ЖК-дисплей под острым углом к поверхности, то и слой поляризатора, и Black Matrix искажают и заглушают свет от конкретного субпикселя. Угол поляризации светового потока у конкретного субпикселя не получается таким, как при строго перпендикулярном взгляде на матрицу. 3) Каждый отдельный субпиксель матрицы обслуживается своим регулятором, в качестве которого выступает тонкоплёночный транзистор. Преимуществом является отсутствие строчной развёртки, как это реализовано в ЭЛТ. Все субпиксили экрана светятся с заданной яркостью, пока от видеокарты не поступает команда смены цвета точки. Поэтому, мерцание на экране отсутствует при любой частоте. 4) При этом, из-за того, что у каждого субпикселя есть персональный регулятор, существует недостаток, а именно, если управляющий транзистор сгорит, это приводит в позникновению «мертвой» точки. 5) Т.к. в роли «заслонок» выступают отдельные ЖК с присущей им вязкостью, не обладающие мгновенной реакцией на управляющий импульс, смена яркости субпикселей происходит с определенной задержкой. Следует отметить, что именно в фундаментальных свойствах материи, а именно в их характеристиках скрыта одна из основных проблем LCD-технологии. Она заключается в ограниченной скорости реакции, следствие чего возникают проблемы с качественным отображением быстро меняющихся динамических сюжетов.
|
