Впервые жидкие кристаллы были выявлены в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Райнитцером в ходе исследования холестеринов в растениях. Он выделил вещество, имеющее кристаллическую структуру, хотя при этом странно основное себя при нагреве. При достижении 145.5°C вещество мутнело и становилось текучим, хотя при данном сохраняло кристаллическую структуру вплоть до 178.5°C, когда, наконец, преображалось в жидкость. Райнитцер рассказал о необыкновенном явлении своему сослуживцу – немецкому физику Отто Леманну, коий обнаружил ещё одно необыкновенное качество вещества: эта псевдожидкость в электромагнитных и оптических свойствах показывала себя как кристалл. Непосредственно Леманн и выдал название одной из основных технологий отображения информации на сегодняшний день – «жидкий кристалл».

Технический словарь разъясняет термин «жидкий кристалл» как мезофазу, переходное состояние препараты меж твёрдым и изотропным жидким. В данной фазе вещество сберегает кристаллический порядок расположения молекул, хотя при данном владеет солидной текучестью и стабильностью в широком диапазоне температур.

Почти столетие это открытие относилось к рангу удивительных особенностей природы, пока же в 70-х годах ХХ века фирма Radio Corporation of America не предположила 1 работающий монохромный экран на жидких кристаллах. В скором времени в последствии сего технология начала проникать на рынок потребительской электроники, в частности, наручных часов и калькуляторов. Впрочем до выхода в свет цветных экранов было ещё очень далеко.

Принцип работы жк экранов

Работа жк матриц базируется на этом свойстве света, как поляризация. Простой свет считается неполяризованным, то есть амплитуды его волн лежат в очень большом большом колличестве плоскостей. Впрочем существуют вещества, способные пропускать свет исключительно с одной плоскости. Эти вещества именуют поляризаторами, потому что прошедший через них свет становится поляризованным исключительно в одной плоскости.

Если взять 2 поляризатора, плоскости поляризации которых расположены под углом 90° приятель к другу, свет через них пройти не сможет. В случае если ведь разместить меж ними что-то, что сумеет повернуть вектор поляризации света на необходимый угол, мы получим возможность управлять яркостью свечения, тушить и зажигать свет стоит отметить как нам хочется. Таков, в случае если описывать вкратце, принцип работы ЖК-матрицы. Конкретную реализацию сего принципа в различных матрицах мы рассмотрим ниже.

В упрощенном облике матрица жк дисплея состоит из следующих частей:

• CCFL (ртутная) лампа подсветки;
• система отражателей и полимерных световодов, обеспечивающая равномерную подсветку;
• фильтр-поляризатор;
• стеклянная пластина-подложка, на коию нанесены контакты;
• жидкие кристаллы;
• ещё 1 поляризатор;
• снова стеклянная подложка с контактами.

В цветных матрицах любой пиксель складывается из трёх цветных точек (красной, зелёной и синей), в следствии этого прибавляется ещё и цветной фильтр. В каждый эпизод времени любая из трёх ячеек матрицы, основополагающих один пиксель, располагаться или во включённом, или в выключенном положении. Комбинируя их состояния, получаем оттенки цвета, а включая все одновременно – белый цвет.

Глобально матрицы разделяются на пассивные (простые) и активные. В пассивных матрицах управление изготавливается попиксельно, то есть по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК-экранов по данной технологии, стало то, что при повышении диагонали увеличиваются и длины проводников, по коим передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока же станет изменён последний пиксель, 1 успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, немалая длина настятельно просит большего напряжения, что приводит к подъему помех и наводок. Это быстро ухудшает качество иллюстрации и отточенность цветопередачи. В следствии сего пассивные матрицы используются исключительно там, где не потребуются немалая диагональ и высокая плотность отображения.

Для преодоления данной трудности были разработаны энергичные матрицы. Основой стало открытие технологии, знакомой всем по аббревиатуре TFT, что значит Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор. Благодаря TFT, была замечена вероятность рулить любым пикселем на экране отдельно. Это быстро сокращает время реакции матрицы и делает возможными немалые диагонали матриц. Транзисторы отделены приятель от друга и подведены к любой ячейке матрицы. Они делают поле, как скоро им приказывает управляющая логика – драйвер матрицы. Для того, чтобы ячейка не утратила заряд преждевременно, к ней прибавляется небольшой конденсатор, коий играет роль буферной ёмкости. С поддержкой этой технологии получилось радикально сбавить время реакции отдельных ячеек матрицы.

Виды матриц

Различия меж разными типами матриц обусловлены расположением жидких кристаллов и, как следствие, отличительными чертами прохождения через них света.

TN+film

Первой и более незатейливый технологией производства матриц была технология TN (Twisted Nematic, скрученные нематические), представленная в далёком 1973 году. Спецификой нематических кристаллов считается то, что они выстраиваются приятель за другом, как солдаты в колонне. Организация их в матрице смотрится как спираль. Для этого на стеклянных подложках делаются особые бороздки, благодаря которым 1 кристалл в спирали практически постоянно находится в одной и той же плоскости. Последующие за ним кристаллы находятся приятель за ином по спирали, пока же последний не укладывается в аналогичную бороздку на второй подложке, расположенную под углом 90° к первой. К любому концу спирали подведены электроды, коие и оказывают большое влияние на расположение кристаллов созданием электрического поля. При недоступности напряжения и поля кристаллы поворачивают ось поляризации света, прошедшего через первый поляризатор, на 90°, дабы он оказался в одной плоскости со вторым поляризатором и свободно прошёл через него. Так получается белый пиксель. В случае если подать напряжение на электроды, спираль начинает сжиматься. Предельное величина напряжения соответствует такому положению, при котором кристаллы не поворачивают поляризованный свет, и он поглощается вторым поляризатором (чёрный пиксель). Для получения градаций (оттенков серого) напряжение варьируется, тогда кристаллы занимают это положение, при котором свет проходит через фильтры неполностью.

Из-за отличительных черт TN чёткое составление оттенков сильно затруднено, и по сей день цветопередача считается их ахиллесовой пятой.

Проблемой первых TN-матриц были слишком не очень большие углы обзора, при которых ячейка была заметна с необходимым цветом. В следствии этого была разработана специальная плёнка, коия накладывается поверх на матрицу и расширяет углы обзора. Технология стала именоваться TN+film. В данном исполнении она существует и по сей день. Разъясним её. Угол меж нормалью фронта световой волны и углом директора молекул ЖК (так научно именуются те самые бороздки) равен j. Интенсивность пропущенного через 2 поляризатора света равна sin2 j. С фактической точки зрения эти возведения означают, что при всецело включённом пикселе угол j составляет не наиболее 30°, а интенсивность света меняется в пределах 10%. А вот в среднем положении при уровне серого 50% угол j составит 45°, а перемена интенсивности – приблизительно 90%. Естественно, вряд ли кого сделает то, что, пошевелившись на стуле, он заметит взамен красного цвета зелёный. В следствии этого поверх на матрицу клеится плёнка, имеющая другое значение j, в следствии чего перемена интенсивности при смене угла обзора уже не так заметно. Сегодняшние матрицы гарантируют нормальное изображение при отклонении от центра приблизительно на 50-60° по горизонтали (угол обзора 100-120°), а вот с вертикальными углами дело обстоит хуже. При отклонении от центра по вертикали хотя бы на 30 градусов нижняя часть матрицы начинает светлеть, порой бывают замечены тёмные полосы и т.д.

Ещё 1 специфика TN состоит в том, что положением пикселя по умолчанию (т.е. при отключённом токе на электродах) считается белый цвет. При этом, в случае если транзистор сгорает, мы получаем практически постоянно ярко горящую точку на мониторе. А в случае если учесть, что достичь абсолютно точного положения кристаллов невозможно, на TN-матрицах невозможно добиться и неплохого отображения чёрного цвета.

В связи с урезанной скоростью пассивных матриц для уменьшения скорости реакции была разработана технология STN (Super Twisted Nematic). Значение её заключается в том, что бороздки на стеклянных подложках, ориентирующие 1 и последний кристалл, находятся под углом наиболее 200° приятель к другу, а не 90°, как в обыкновенной TN. В таком случае переход меж крайними состояниями быстро ускоряется, однако становится в высшей степени трудно рулить кристаллами в средних положениях. Более-менее стабильными они были при углах меж бороздками в пределах 210°. Однако в отсутствии изъянов не получилось и тут: при отклонении от центра ячейки белый свет становился или грязно-жёлтым, или голубоватым. Чтоб хоть как-то сгладить данную проблему, инженеры Sharp придумали DSTN – Dual-Scan Twisted Nematic. Сущность технологии состоит в том, что экран делится на 2 части, любая из коих управляется отдельно. Помимо увеличения скорости, превосходством технологии было смягчение искажений цветов, а дефектом – немаленький авторитет и высокая стоимость.

Итак, выделим достоинства и дефекты матриц TN+film (во всех исполнениях) на сегодняшний день:

К сожалению, подавляющее основная масса выполняемых сегодня ЖК-мониторов лично ходовой диагонали 17” изготавливается на базе TN+film из-за дешевизны технологии. В принципе, для нетребовательного к качеству изображения юзера ничего ужастного в данном нет, однако для работы с графикой придётся обратить взгляд на иные матрицы.

S-IPS

Компания Hitachi приняла решение не сражаться с дефектами TN, а просто применить иную технологию. За основу было взято открытие Гюнтера Баура, датируемое 1971 годом. Созданная технология получила название Super-TFT, а при коммерциализации – IPS (In-Plane Switching). Кардинальное различие этой технологии от TN состоит в расположении кристаллов: они не скручены в спираль, а находятся вдоль друг другу вдоль плоскости экрана. Два электрода присутствуют на нижней стеклянной подложке. При недоступности напряжения на электродах свет не пропускается через 2 поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого находится под углом 90° к первому. Этим образом, у IPS чёрный цвет остается чёрным, а не тёмно-серым. Помимо того, углы обзора составляют 170° как по горизонтали, так и по вертикали.

Недостатки технологии обусловлены её достоинствами.

Во-первых, дабы повернуть весь массив расположенных параллельно кристаллов, потребуется время. В следствии этого время реакции у мониторов на базе IPS, а помимо прочего эволюционных продолжений данной технологии S-IPS (Super-IPS) и DD-IPS (DualDomain-IPS) выше, какими средствами у TN+film. Среднее величина для сего на подобии матриц – 35-25 мс.

Во-вторых, месторасположение электродов на одной подложке требует наибольшего напряжения для создания необходимого поля, чтобы повернуть кристаллы в необходимое положение. В следствии этого мониторы на основе IPS-матриц употребляют более электроэнергии.

В-третьих, потребуются наиболее сильные лампы, дабы просветить панель и при данном обеспечить необходимую яркость.

В-четвёртых, эти панели банально дороги, и до не так давно произошедшего времени устанавливались исключительно в мониторы с немаленькими диагоналями.

Одним словом, мониторы на основе матриц сего на подобии остаются идеальным выбором для художников и прочих специалистов, работа которых критична к качеству цветопередачи и некритична к скорости переключения ячеек.

MVA/PVA

Расположение кристаллов в матрицах MVA/PVA

Поскольку с дефектами TN+film сражаться стало практически невозможно, а увеличить быстродействие S-IPS – так и просто нереально, компания Fujitsu придумала и предположила в 1996 году технологию VA (Vertical Alignment). Для платного использования, впрочем, эта технология не подходила и была развита до MVA (Multi-Domain Vertical Alignment). Технология обязана была работать компромиссом между быстродействием TN и качеством изображения S-IPS. Потому и реализация во многом схожа с IPS.

В данных матрицах кристаллы находятся вдоль приятель к приятелю и под углом 90° ко второму фильтру. Этим образом, свет попадает во второй фильтр с осью поляризации, направленной под углом 90° к плоскости поляризации фильтра, и поглощается. В итоге мы получаем незасвеченный чёрный цвет на экране. Подавая напряжение на ячейку, мы поворачиваем кристаллы и получаем светящийся пиксель.

Недостатком первых матриц VA было то, что цвет быстро изменялся при смене угла обзора по горизонтали. Для того, дабы взять в толк это явление, представьте себе, что кристаллы повернуты на 45 градусов и показывают светло-красный цвет. Сейчас смещаемся в 1 сторону. Угол обзора растёт, и мы получаем уже гораздо наиболее интенсивный красный цвет. Смещаясь в иную сторону, мы видим, как цвет уходит в противоположную часть спектра и делается светло-красным. В следствии этого и была разработана MVA. Сущность её состоит в том, что поляризационные фильтры были значительно усложнены, а на стеклянную подложку стали наноситься не плоские электроды, а cвоеобразные треугольники.

Строение MVA

При отключённом токе кристаллы практически постоянно выстраиваются перпендикулярно подложке, так что, с какой бы стороны мы ни смотрели, практически постоянно будет чёрный. При включённом ведь токе, как всегда, кристаллы поворачиваются на нужный угол и поворачивают вектор поляризации света. Вот исключительно угол этот – меж плоскостью электрода и кристалла. В случае если мы смотрим под углом, мы практически постоянно увидим исключительно 1 зону, кристаллы в которой находятся как раз в этом положении, дабы не искажать цвет. Вторая зона заметна не будет.

Нужный цвет под любым углом

Подобное решение гораздо усложняет как фильтры-поляризаторы, так и сами панели, потому что любую точку на экране надо дублировать для двух зон.

Как и в S-IPS, у MVA дефекты обусловлены достоинствами. Налицо всё та ведь инерционность – время резонанса выше, какими средствами у TN. Впрочем, на данный эпизод различие уже совершенно некритично: величина достигло 8 мс. Контрастность и яркость гораздо гораздо лучше S-IPS, до 1000:1. Цветопередача матриц MVA говорят компромиссной меж TN и S-IPS: она не настолько хороша, дабы использовать её для серьёзной работы с полиграфией и дизайном, хотя гораздо выше жутковатые признаки TN+film.

Компания Samsung не пожелала выплачивать лицензионные отчисления Fujitsu и придумала PVA. Впрочем, технологии эти слишком похожи, а отличия незначительны. Единственное значительное – немалая контрастность, что только плюс. В следствии этого достаточно нередко в данных монитора в графе «тип матрицы» сообщают MVA/PVA.

Сравнение типов ЖК-матриц

Параметры ЖК-мониторов

Несмотря на то, что время резонанса ячейки – далеко не самый важный показатель, больше всего при выборе монитора клиент обращает внимание только на данный фактор. Собственно, непосредственно в следствии этого TN+film и доминирует. Однако при выборе определенной модели стоит обдуманно взвешивать все характеристики монитора.

Время отклика

Этот признак значит наименьшее время, за коие ячейка жидкокристаллической панели изменяет цвет. Присутствуют 2 способа измерения скорости матрицы: black to black, чёрный-белый-чёрный, и gray to gray, меж градациями серого. Эти ценности слишком крепко различаются.

При изменении состояния ячейки меж крайними положениями (чёрный-белый) на кристалл подаётся предельное напряжение, в следствии этого он поворачивается с предельной скоростью. Непосредственно так получены ценности в 8, 6, а порой и 4 мс в данных прогрессивных мониторов.

При смещении кристаллов меж градациями серого на ячейку подаётся намного меньшее напряжение, потому что позиционировать их надо точно для получения необходимого оттенка. В следствии этого и времени для этого затрачивается гораздо более (для матриц 16 мс – до 27-28 мс).

Лишь не так давно в конечных продуктах сумели осуществлять достаточно логичный метод решения данной проблемы. На ячейку подаётся максимальное напряжение (или сбрасывается до нуля), а в необходимый эпизод моментально выводится на необходимое для удержания положения кристалла. Сложностью является чёткое управление напряжением с частотой, превышающей частоту развёртки. Помимо того, импульс надо высчитывать с учётом начального положения кристаллов. Впрочем Samsung уже предположила модели с технологией Digital Capacitance Compensation, дающей признаки 8-6 мс для матриц PVA.

Контрастность

Значение контрастности ориентируется по соответствию яркости матрицы в состоянии «чёрный» и «белый». То есть какими средствами менее засвечен чёрный цвет и чем повыше яркость белого, тем повыше контрастность. Данный показатель критичен для просмотра видео, изображений и, в принципе, для хорошего отображения всякого изображения. Смотрится как, например, 250:1, т.е. яркость матрицы в «белом» состоянии – 250 кд/м 2, а в «чёрном» – 1 кд/м 2. Впрочем, эти ценности вероятны исключительно в случае TN+film, для S-IPS среднее величина – 400:1, а для PVA – до 1000:1.

Впрочем, объявленным в данных монитора значениям стоит верить исключительно с натяжкой, потому что это величина замеряется для матрицы, а не для монитора. И замеряется оно на особом стенде, как скоро на матрицу подаётся жестко шаблонное напряжение, подсветка питается строго шаблонным током и т.д.

Яркость

Измеряется в кд/м 2. Важна для работы с изображениями, для красочных игр и видео. Находится в зависимости от мощности лампы подсветки и, косвенно, от типа матрицы (помните дефекты S-IPS?).

Углы обзора

Обычно указываются ценности 170°/170°, впрочем, для TN+film это значение – не более какими средствами декларация. Притязанием при определении углов обзора считается сбережение контрастности не ниже 10:1. При этом абсолютно безразлична цветопередача в этом положении, в том числе и в случае если цвета будут инвертированы. Помимо прочего учитываем, что углы ориентируются в центре матрицы, а на углы мы, естественно, изначально наблюдаем под углом.

Цветопередача

До пересечения психологического барьера в 25 мс при переключении ячейки в порядке чёрный-белый-чёрный все матрицы TN отражали честный 24-битный цвет. Однако в гонке скоростей AU Optronics приняла решение честную цветопередачу отбросить. Начиная с матриц со скоростью 16 мс, все TN+film обеспечивают исключительно 262 тыс. оттенков (18 бит). Наибольшее ведь количество оттенков поддерживается 2 путями: или перемешиванием точек с разными цветами (дизеринг), или сменой цвета ячейки при каждом обновлении иллюстрации (Frame Rate Control, FRC). 2 метод «честней», потому как человеческий глаз всё точно также не успевает обнаружить смены цвета на любом кадре. Подчеркиваем, все матрицы TN+film скорее 16 мс - 18-битные, основная масса матриц, произведённых по иным технологиям, поддерживают 24-битную цветопередачу. Исключением являются встречающиеся в неких мониторах PVA от Samsung, в следствии этого стоит быть осторожными при выборе. К сожалению, практически никакой системы в установке 18- или 24-битных PVA фирмой Samsung не прослеживается.

Перспективы

Эволюция жк матриц не остановилась. При увеличении диагонали встают собственные сложности, например, размещение огромного количества транзисторов на стеклянной панели. Подсчитаем: стандартное разрешение для 15” дисплея – 1024х768 пикселей. То есть на экране размещены 786 432 точки. Любая точка образовывается 3 пикселями разных цветов. Этим образом, на панели надо расположить в пределах 2,35 млн транзисторов.

Получение такой плотности на стекле – достаточно серьёзная проблема. Поэтому до не так давно произошедшего времени тонкоплёночные транзисторы формировались на аморфном кремнии. Впрочем эти транзисторы урезаны по полезной площади и настоятельно просят довольно высоких значений напряжения. Побороть эту проблему можно, используя кристаллический кремний для создания транзисторов.

Для осаждения кристаллического кремния выжны высокие температуры (около 900°C). Впрочем при такой температуре расплавится стекло, на коие и надо осадить кремний. В следствии этого сделали несколько технологий, с поддержкой коих возможно осадить молекулы кремния при сравнительно невысокой температуре. Самый распространённый способ – лазерный отжиг. Нанесённый на стеклянную подложку аморфный кремний расплавляется эксимерным лазером, а после этого кристаллизируется при температуре в пределах 300°C. Единое название технологии – Low-Temperature PolySilicon ( LTPS), низкотемпературный поликристаллический кремний.

На стеклянной подложке создаётся слой из LTPS, в котором формируются прозрачные транзисторы из окисла индия. Спасибо тому, что подвижность электронов в кристаллическом кремнии равна 200 см 2/В∙с, а в аморфном – всего 0.5 см 2/В∙с, возможно сбавить объем самого транзистора. Более того, раз кремний кристаллический, отчего бы и логику драйвера панели не расположить в нём же? Так получаются панели System on Panel, значительно наиболее лёгкие, какими средствами традиционные, и наиболее обычные для интеграции в монитор (количество контактов уменьшено с 4000 до 200). Все эти плюсы гораздо сокращают употребление панелью электричества.

Впрочем, до повсеместного введения LTPS обязано пройти ещё довольно много времени. Первопричина - всё та ведь дороговизна технологии и сложность производства. К тому ведь для производства матриц для настольных дисплеев LTPS не нужен. Впрочем популяризации LTPS  косвенно поработает постепенное ужесточение притязаний к энергопотреблению матриц со стороны организаций Standard Panels Working Group и Mobile PC Extended Battery Life Working Group.

Автор: Евгений Пугач
Оригинал статьи: " Виды жк матриц, их различия и отличительные черты " на www.ferra.ru