АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2002 ГОД

Жидкокристаллические тайны

• Все журналы \ Номер 33/204 `2002 от 26.08.2002 \ Жидкокристаллические тайны

Tat’yana LACARATERA&Tueur MAKSIM

Введение в кристалловедение

ЭЛТ-мониторы бывают разные. Они могут отличаться цветом корпуса, его размером и дизайном. Могут иметь разную диагональ. У них может быть плоский или выпуклый экран. Однако всех их объединяет одно — их толщина, громоздкость, которую не в силах скрыть даже самая изысканная конструкция. Монитор, несомненно, является неотъемлемым атрибутом ПК, однако никто не станет отрицать, что до недавнего времени этот девайс был едва ли не самым габаритным элементом персоналки.

И вот недавно (вернее, сравнительно недавно) образ дисплея радикально изменился. Причем настолько сильно, что новинка сразу привлекла к себе внимание. И не только своим стройным, не отнимающим много рабочего пространства дизайном, но и новыми характеристиками качества изображения. Я говорю о LCD или, по-нашему, о ЖКД, то есть жидкокристаллическом дисплее.

ЖКД ведет свою историю аж с 1888 года. Ведь именно тогда было сделано описание веществ, именуемых жидкими кристаллами (ЖК). Но в то время уровень развития науки и техники не достиг должного уровня, поэтому потенциал этого замечательного вещества использовался очень плохо. Лишь в 1930 году дальновидная британская компания Marconi получила патент на промышленное применение ЖК, однако так и не смогла далеко продвинуться на этом поприще из-за слабой на то время технологической базы. Затем отличились Фергесон и Вильямс из компании RCA. Именно эта фирма в 1966 году продемонстрировала прототип современного LCD в цифровых часах. Но еще ранее, а именно в 1964 году, хорошо нам известная Sharp выпустила калькулятор CS10A, где применялся ЖК-дисплей. Эта же компания в 1976 г. произвела черно-белый телевизор, выполненный на базе ЖК-матрицы…

Ладно, не стану более утомлять вас длинным списком фактов из истории создания LCD-мониторов, а обращу ваше внимание на то, какие преимущества и недостатки таят в себе новомодные технологии ЖК-устройств. Ведь старое на новое никто не меняет без оглядки...

Преимущества LCD-мониторов

К достоинствам ЖК-дисплеев можно отнести нижеследующее.

1. Это «здоровый» монитор (речь идет не о размере, а о вашем здоровье :-)), т. е. данное устройство не создает пресловутых сильных электромагнитных полей и не имеет радиационного излучения.

2. Очевидным, но не главным преимуществом ЖК-мониторов является их размер и масса — они компактные и легкие.

3. Субъективно размер экрана ЖК-монитора кажется большим, нежели на самом деле. Ибо у этих устройств нет «пустой» области по краям экрана, которая фактически уменьшает место для изображения.

4. Отсутствие у LCD «фликеров» и «глэеров» (крутые названия), а попросту мерцания и бликов.

5. Солнечный свет не будет помехой изображению.

6. Оптимальная частота вертикальной развертки 60 Гц при полном отсутствии мерцания (тогда как в ЭЛТ-мониторах оптимальная частота свыше 75 Гц). Обусловлено это тем, что для пикселей ЖК-матрицы время перехода в выключенное состояние больше, нежели рефреш-время люминофора ЭЛТ, соответственно, свечение ЖК-экрана более устойчивое, нежели у электронно-лучевой трубки.

(Тут вообще интересная вещь получается: на старых дисплеях, с до жути инерционным люминофором (большое время до обновления, рефреш), на частоте 60 Гц мерцания картинки практически не заметно. А на современных девайсах, с малоинерционным покрытием экрана (которое способствует отличному воспроизведению динамических быстро меняющихся сцен без инерционных явлений остаточного свечения люминофора), низкая частота кадровой развертки столь бросается в глаза, что работать при частотах порядка 60 Гц практически невозможно. Человеческое зрение успевает улавливать перепады яркости малоинерционных точек люминофора, вспыхивающих от воздействия электронного луча и непрерывно гаснущих до следующего его подхода. Вот почему чем выше частота кадровой развертки у современных ЭЛТ-дисплеев, тем лучше — малоинерционное покрытие экрана не успевает сильно потускнеть, если эл. луч вернется к нему достаточно быстро, и человеческий глаз уже не зафиксирует перепадов яркости экрана. Что же касается ЖК-дисплеев, то даже в новых моделях не стоит гнаться за высокой частотой развертки кадров (60 Гц вполне достаточно). Ибо, в случае LCD, чем выше частота смены кадров, тем сильнее могут визуально проявляться эффекты инерционности пикселей ЖК-матрицы. —Прим. ред.).

7. Выигрывает ЖК-монитор и по яркости изображения — обычно от 170 до 250 кд/м2 (в ЭЛТ от 80 до 120 кд/м2).

8. Нет ошибок в совмещении цветов (тогда как в ЭЛТ возможно их несведение от 0.2 до 0.3 мм, а то и более).

9. Отсутствуют геометрические, линейные искажения. А значит, изображение имеет высокую четкость (если не используется один из режимов «растяжки» картинки с низким разрешением во весь экран).

10. Входной сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым (у ЭЛТ-мониторов для ПК — исключительно аналоговый).

11. Экономичность (не в смысле цены, а в смысле потребления энергии). Уровень потребляемой энергии где-то на 65–70 % ниже, чем у ЭЛТ-мониторов, обычно от 25 до 60 Вт.

Но, как говорят, и в банке сгущенки есть ложка касторки. Есть недостатки и у ЖК-мониторов. О чем не могу вас не предупредить. Итак.

1. ЭЛТ-монитор дает фору ЖК по величине угла обзора. Угол обзора у первых свыше 120 градусов (а по-моему, и недалек от 180-ти —прим. ред.), тогда как у ЖКД он составляет от 50 до 125 градусов (современные модели — до 160°, следует учитывать и то, что по вертикали и горизонтали эти углы разные —прим. ред.).

2. У LCD могут быть неработающие пиксели (касается только новомодных TFT-матриц, так как «выпадение» пикселя означает, что перегорел его тонкопленочный транзистор —прим. ред.), тогда как у ЭЛТ таких просто нет.

3. Особо надо отметить разрешение. У ЖК — один оптимальный видеорежим с определенным количеством точек. Можно использовать более высокое и более низкое разрешение, в зависимости от поддерживаемых дисплеем функций расширения и сглаживания. Но они не оптимальны для работы с устройством (спорно, так как многие современные ЖК-дисплеи весьма успешно опровергают сложившееся мнение о плохой поддержке «неродных» разрешений —прим. ред.). А ЭЛТ же мониторы прекрасно работают в различных видеорежимах.

То «единственное» оптимальное разрешение у ЖКД называется native. Есть два способа сделать видеорежим отличным от «родного». Первый заключается в том, что матрицей используется столько точек, сколько необходимо для формирования картинки с более низким разрешением. Изображение располагается только в центре (либо углу) экрана, а все не задействованные пиксели образуют черную рамку вокруг него. Второй метод, в отличие от первого, использует все пиксели для формирования изображения, однако вследствие растяжения во весь экран картинка может существенно искажаться, особенно на старых моделях LCD-мониторов.

4. Палитра цветов лучше поддерживается ЭЛТ-экранами (кроме того, есть много устройств, допускающих калибровку цвета). У ЖКД в этом отношении нет преимущества, хотя они в большинстве своем и допускают регулировку цветности и даже имеют режимы разной цветовой температуры. (А все дело в том, что лучшие из имеющихся сейчас ЖК-матриц способны воспроизводить «всего» 16 млн. оттенков (24-битный цвет), в то время как у ЭЛТ-устройств цветовой диапазон практически не ограничен —прим. ред).

5. Самым большим преимуществом ЭЛТ-мониторов является их цена. ЖКД с аналогичным размером экрана стоят в несколько раз дороже.

Магические свойства кристаллов

Теперь немного о жидких кристаллах как таковых. На вопрос, а что такое жидкие кристаллы, в магазине получили ответ в духе «…а сам дурак!». «А зачем вам это надо?» — спросили нас сейлесмены. И я поняла, что слово «кристалл» у них ассоциируется исключительно с фильмом «Четыре комнаты». Не корысти ради, а дабы предостеречь от подобных ответов, расскажем все, что узнали о кристаллах. Само название LCD —Liquid Crystal Display — подразумевает наличие оных в этом самом типе дисплея. Вещество, именуемое жидким кристаллом, обладает двумя свойствами: текучестью, подобно жидкости, и упорядоченным расположением молекул, как кристалл. ЖК-вещества можно разделить на лио- и термотропные. Первые проявляют жидкокристаллические свойства в растворах, вторые — в определенном диапазоне температур.

По различиям в молекулярной структуре жидкие кристаллы подразделяются на 3 вида: нематическое расположение молекул ЖК, смектическое и холестерическое. В нематическойструктуре все молекулы вытянуты вдоль одной оси и распределение центров масс молекул произвольно. В смектической — все молекулы также вытянуты вдоль одной оси, но центры масс частиц принадлежат определенным плоскостям, причем расположены в этих плоскостях произвольно. В холестерической структуре все еще круче — молекулы находятся в параллельных плоскостях так, что в каждой плоскости все они вытянуты вдоль одной оси, а оси повернуты на одинаковый угол от плоскости к плоскости. Размер этих самых молекул 1.3–1.4 нм.

Жидкие кристаллы имеют свои особенности, первая из которых —анизотропия (различные свойства в разных направлениях) оптических, магнитных, электрических свойств, обусловленная упорядоченностью структуры. А вторая — это способность легко изменять структуру при внешних воздействиях. Так вот, именно благодаря этим замечательным особенностям можно менять физические свойства ЖК низким электрическим напряжением при малом расходе энергии, что делает возможным их использование в оптических преобразователях.

Всем известно явление поляризации света. После изучения жидких веществ, молекулы которых чувствительны к электромагнитному и электростатическому полю, появилась возможность с их помощью управлять поляризацией света. Работа ЖКД основана именно на явлении поляризации светового потока.

Под воздействием электричества молекулы ЖК могут изменять свою ориентацию (не половую, речь идет о положении в пространстве :-)), результатом чего является трансформация светового луча, проходящего сквозь них. После долгих, изнурительных, но успешных исследований ученые обнаружили взаимосвязь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул жидких кристаллов, что подвело их к идее применения последних для создания изображения. Подобное открытие было прорывом в развитии техники. Поначалу столь замечательное открытие нашло применение в маленьких вещицах, я имею в виду дисплеи часов и калькуляторов. Однако немного позже и мониторы портативных компьютеров стали делать по этой технологии. Ну и венцом творения стали дисплеи для настольных ПК.

И дисплеи имеют принципы

Теперь слегка углублюсь в вопрос о принципе работы этого самого «венца творения». Экран ЖКД можно представить в виде массива пикселей, которыми манипулируют для отображения информации. Такой дисплей в своей структуре имеет несколько слоев. Базовой составляющей является субстрат (попросту — подложка) — это две панели из очень чистого стеклянного материала, свободного от натрия. Данные панели расположены очень близко друг от друга, собственно между ними и находится тонкий-тонкий слой жидких кристаллов (рис. 1). На панелях есть бороздки, которые ориентируют кристаллы определенным образом. Эти бороздки являются результатом размещения на стеклянной поверхности тончайших пленок из прозрачного полимера, обработанного специальным образом. Кроме того, именно они обеспечивают одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек ЖК-матрицы. Соприкасаясь с бороздками, ЖК-молекулы ориентируются однообразно во всех ячейках. Бороздки же, в свою очередь, параллельны на каждой панели, но перпендикулярны на одной и другой стеклянной подложке.

Но это еще далеко не все о структуре LCD-матрицы. ЖК-панель освещается источником света. И в зависимости от того, где он расположен, панели работают на отражение или прохождение света. При нормальном прохождении матрицы плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° (рис. 2). Однако как только жидкие кристаллы будут подвергнуты воздействию электрического поля, молекулы ЖК частично выстроятся вертикально вдоль этого поля, в зависимости от его напряженности (в общем, строит электрическое поле молекулы по полной программе), и угол поворота светового луча становится отличным от 90°. В результате чего прохождение света через ЖК-матрицу изменяется, и взору пользователя может уже предстать некая иная картинка…

Помимо стеклянных панелей, в ЖКД есть еще два слоя. Они являются поляризационными фильтрами. Фильтры пропускают исключительно ту составляющую светового пучка, ось поляризации которой соответствует заданному направлению, и отсекают остальную часть. Поэтому пучок света, проходящий через поляризаторы, будет ослаблен тем сильнее, чем более он отклоняется от направления поляризации, заданного фильтрами и ориентацией ЖК-молекул. Если, например, напряжения на ЖК-ячейке нет — она прозрачна (повернутый на 90° поляризованный свет беспрепятственно проходит матрицу —рис. 3). Если же при наличии электрического поля поворот вектора поляризации луча происходит на меньший угол, то второй поляризатор становится только частично прозрачным для исходящего излучения. Световой луч может быть и полностью поглощен вторым поляризатором в том случае, если разность потенциалов окажется такой, что плоскость поляризации света в ЖК не повернется совсем (рис. 4).

Изобразительное искусство

Теперь о возможности получения картинки на экране. Эта возможность появляется при правильном управлении потенциалами электродов, расположенных в отдельных ячейках ЖК-матрицы и формирующих разные электрические поля. Их размеры очень малы, поэтому на площади экрана размещается ну уж очень много электродов, благодаря чему увеличивается разрешение ЖК-дисплея, обеспечивается возможность отображения сложных и многоцветных изображений. Но с цветом не все так просто. Чтобы вывести красочную картинку, обязательна подсветка матрицы сзади. Характерный атрибут цветных дисплеев — лампа задней подсветки, которая расположена сбоку, а напротив нее находится зеркало (рис. 5). В более продвинутых моделях могут быть и две противоположно «дислоцированные» лампы.

На сегодня существует два механизма получения цвета. Первый базируется на использовании свойств ЖК-ячейки. При изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения трансформируется по-разному для компонент света с различной длиной волны. И второй механизм — на пути светового пучка располагается несколько цветовых фильтров. Оба метода пользуются популярностью у производителей. Первый, конечно, эффективнее, зато второй проще. При его использовании цвет на экране — это результат прохождения поляризованного света через 3 типа светофильтров (красный, зеленый, синий, RGB), выделяющих из источника белого цвета (лампы задней подсветки) три компоненты. Комбинируя эти три цвета для каждой точки экрана, можно воспроизводить любой цвет. Сейчас в основном производят дисплеи, в которых на каждый пиксель приходится 3 ЖК-ячейки с тремя оптическими фильтрами для трех основных RGB-цветов (рис. 6).

Матрицы бывают разные

Теперь поговорим о разных типах ЖК-матриц. На сегодняшний день их классифицируют на «пассивные» и «активные» (рис. 7).

Итак, обычная «пассивная» матрица управляет единственной системой обработки изображения для всего экрана. Данная система подразумевает разделение монитора на точки, каждая из которых может ориентировать плоскость поляризации луча независимо от остальных. В результате для создания изображения любой такой элемент подсвечивается индивидуально. Формирование изображения тут построчное. Реализуется путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки. А так как электрическая емкость ячеек довольно-таки большая, то напряжение на электродах не может изменяться достаточно быстро. И картинка, в свою очередь, обновляется медленно (пример тому — невидимость курсора во время его движения на «пассивной» матрице).

В отличие от «пассивной», в «активной» матрице для каждой точки экрана предусмотрены отдельные управляющие элементы (транзисторы, сохраняющие информацию об изображении, которое воспроизводится, пока не поступит новый сигнал). Преимуществом «активных» матриц является более значительный угол их обзора, недостижимый в «пассивных». Кроме того, дисплеи с «активной» матрицей лучше справляются с динамическими изображениями, тогда как пассивноматричные хороши по большей части для демонстрации статических картинок.

STN, DSTN, TSTN, DSS — это технологии ЖК-дисплеев на основе «пассивной» матрицы, а вот TFT и STFT — на основании «активной».

Если помните, выше упоминалось, что первые ЖК-дисплеи были очень малы по размеру. Когда же габариты начали увеличиваться, стало расти и разрешение. Однако с увеличением размеров ЖК-матриц при использовании старых технологий сильно страдало качество получаемого на них изображения. Проблему качества картинки при высоких разрешениях решили изобретением Super Twisted Nematic (STN)-технологии. Она заключается в увеличении торсионного угла (twist с английского «кручение») ориентации кристаллов с 90° до 270° внутри дисплея. В дальнейшем STN-технология была усовершенствована, в результате чего появились DSTN- и TSTN-технологии. Double Super Twisted Nematic — это конструкция из двух STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Кроме DSTN, существуют еще и TSTN-технология (Triple Super Twisted Nematic). Последнюю отличает наличие двух тонких слоев полимерных пленок, интегрированных в матрицу с целью улучшения цветопередачи дисплея. Перечисленные технологии разработаны на основе так называемой «пассивной» матрицы. Кроме того, на сегодняшний день существует так называемая «пассивная» матрица двойного сканирования Dual Scan Screens (DSS). Фактически это даже не новая версия старой технологии, а просто ее модификация: вместо одной применяются две формирующие изображение системы, которым отводится по половине экрана. В результате такого подхода конечное изображение на дисплее создается вдвое быстрее, а значит, ему присуща большая плавность при динамическом изменении картинки.

Пожалуй, единственным реальным преимуществом мониторов с «пассивной» матрицей является их цена, которая значительно ниже стоимости «активных» дисплеев.

Как уже говорилось, в «пассивных» матрицах проблемы формирования изображения решаются за счет большого количества жидкокристаллических слоев. Однако при использовании «активной» матрицы появилась возможность сократить их количество. Тут в качестве управляющих формированием цвета пикселя транзисторов применяются тонкие токопроводящие пленки, называемые TFT (Thin Film Transistor). Они прозрачны и расположены на тыльной части дисплея, на панели, содержащей ЖК.

TFT-мониторы — самые популярные из ЖКД. Название «TFT» происходит от тех самых тонкопленочных транзисторов, которые являются составной частью дисплея. Толщина транзисторных пленок 0.1–0.01 мкм. Появились эти дисплеи в 1972 году. В первых из них применялся селенид кадмия, характеризующийся высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока. Однако впоследствии начали использовать аморфный кремний (a-Si) и поликристаллический кремний (p-Si).

Почему же TFT-мониторы столь дороги? Просто технология их изготовления достаточно сложна. Представьте, дисплей с разрешением 800х600 с тремя цветами имеет 1 440 000 отдельных транзисторов (по транзистору на ЖК-ячейку, по три ячейки (три базовых цвета) на одну точку разрешения). Естественно, среди них некоторые транзисторы могут оказаться нерабочими. И каждый из производителей определяет норму количества нефункционирующих транзисторов (обычно от 6 до 8) в своей матрице.

Однако TFT — не последнее слово техники. Уже разработана новая технология многослойных LC-панелей, так называемая STFT (Super Thin Film Transistor). В этих супер-ЖК-панелях на нижней стеклянной пластине установлены металлические электроды, которые заставляют молекулы вращаться. И если собственно TFT-дисплеи более зависимы от угла зрения, то в мониторах STFT (кстати, разработанных компанией Hitachi) изображение остается четким и ярким даже при больших углах обзора.

Вот такие они, ЖК-технологии!

Заключение

Напоследок возьму на себя смелость дать несколько рекомендаций тем, у кого хватило средств и отваги купить такую стильную вещицу, как ЖК-дисплей. Все мы не раз слышали, внешность обманчива. В общем, то же можно сказать и о ЖКД. Ведь, выбирая этот девайс, мы, прежде всего, очарованы его дизайном. Однако при покупке ЖК-монитора необходимо учитывать следующие моменты.

1. Наличие «мертвых» или попросту нерабочих пикселей матрицы. Они не подлежат восстановлению, так как возникают в процессе производства (и эксплуатации —прим. ред.). Их легко увидеть, особенно на темном фоне, — они горят яркими звездами (говорят, есть и «темные», но я их не встречал —прим. ред.).

2. Коэффициент контрастности, то есть насколько пиксели могут отличаться по уровню яркости. У ЖК нормой считается 250:1. (Хотя уже встречаются модели с соотношением 500–600:1 —прим. ред.). Но в целом здесь не определено каких-либо четких стандартов. Поэтому основным определяющим фактором при выборе являются ваши глаза. Можете также почерпнуть интересующие сведения из технической документации к устройству.

3. Угол обзора. У ЖК-дисплеев критичны оба — по вертикали и горизонтали, которые, между прочим, очень разнятся (по вертикали углы обзора, как правило, значительно меньше, нежели по горизонтали). Вообще же, этот параметр является камнем преткновения. Одни специалисты сошлись на том, что достаточен угол обзора в 120°, другие же настаивают на 140°.

4. Яркость. Учитывая, что яркость ЖКД обычно не превышает 250 кандел на квадратный метр, то яркость монитора в 200 кд/м2 — норма (но не ниже).

5. Обязательно посмотрите на изображение при разрешении, с которым вы будете работать. Ведь изменение данного параметра ЖК-монитора приведет к изменению визуальных характеристик картинки.

6. Изучите изображение на абсолютно белом, а затем на черном экране — для обнаружения нерабочих пикселей.

7. Обратите внимание на равномерность яркости по всей плоскости экрана (лично я не видел ни одного с равномерной яркостью, но наиболее близки к идеалу оказались мониторы Sony —прим. того же ред.) Учтите также, что «пассивные» ЖКД подходят для работы с Инетом, электронными таблицами и текстовыми документами (статические изображения) (Если вы сейчас и встретите ЖКД с «пассивной» матрицей, то, вероятно, лишь в давно б/у ноутбуке — прим. ред.) В то время как «активный» ЖК-дисплей комфортен не только при работе со статическим изображением, но и при просмотре фильмов и в компьютерных играх с быстрой динамикой.

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить