Как устроен lcd дисплей. Жидкокристаллические дисплеи: типы, устройство, характеристики. Плюсы и минусы

Обладают различными разрешениями и размерами, могут иметь матовую или глянцевую поверхность и такие функциональные возможности, как частота обновления 120 Гц и поддержка 3D. Диапазон мониторов и вариации в спецификациях могут быть довольно сложными и, более того, не всегда стоит доверять цифрам. Одним из принципиально наиболее важных аспектов жидкокристаллических дисплеев, определяющих их работу и то, какие задачи они будут лучше всего выполнять, является тип панели. Хотя существует множество их разновидностей, все современные экраны обычно попадают в одну из трех категорий, каждая из которых отличается от другой своими характеристиками.

Принцип работы жидкокристаллического дисплея

Экран состоит из двух слоев поляризованного материала с ЖК-прослойкой между ними. Когда в жидкокристаллическом дисплее питание поступает в этот слой, электрический ток заставляет кристаллы выравниваться так, чтобы свет мог (или не мог) проходить сквозь них. Преодолев фронтальную поляризованную панель, свет встречает на своем пути фильтр, который пропускает только его красную, зеленую или синюю составляющую. Кластер из этих трех цветов образует на экране пиксель. Благодаря выборочному освещению можно создавать широкий диапазон оттенков.

Устройство жидкокристаллических и плазменных дисплеев кардинально различается. В последнем случае вместо подсветки и набора фильтров изображение создается (плазмой), который загорается при прохождении через него электрического тока.

TN-дисплеи

В течение нескольких лет мониторы с TN-панелями были самыми распространенными на рынке. Производители всегда стараются в своих спецификациях сообщить об использовании «альтернативного» типа жидкокристаллического дисплея. Если он не указан, то это, скорее всего, TN. К общим характеристикам данной технологии относится относительно низкая стоимость производства и относительно высокий уровень отзывчивости. Пиксели быстро меняют свое состояние, что позволяет обеспечить большую плавность движущихся изображений. Некоторые дисплеи Twisted Nematic («скрученной нематики») имеют удвоенную частоту обновления (120 Гц вместо 60 Гц), что позволяет им использовать технологии «активного 3D-затвора» и отображать в 2 раза больше информации, обеспечивая более плавный игровой процесс. В последних моделях частота регенерации изображения повысилась до 144 Гц, но рассчитана она исключительно на 2D, а не на 3D.

Проблемы TN-панелей

Несмотря на то что с годами ситуация улучшилась, качество картинки часто считается относительной слабостью технологии TN. Хороший монитор данного типа способен обеспечить четкое и яркое изображение с респектабельным контрастом, как правило, равным 1000: 1 при отключенном режиме «динамического контраста».

Основным недостатком технологии жидкокристаллических дисплеев данного типа являются относительно ограниченные углы обзора. Наиболее часто встречаются такие значения, как 170° по горизонтали и 160° по вертикали, что лишь незначительно ниже, чем у других панельных технологий. Действительно, наблюдается заметное изменение цвета и даже «инверсия» при взгляде на экран сбоку, сверху или снизу.

Поскольку эти панели, как правило, сравнительно велики (до 28”), относительно ограниченные углы обзора фактически влияют на производительность, даже если сидеть строго прямо перед дисплеем. При этом углы просмотра от центра экрана до периферийных участков будут увеличиваться. Можно заметить, что один и тот же оттенок представлен немного по-разному в зависимости от его положения на панели - он заметно темнее в верхней части и светлее снизу. Из-за этого страдают точность цвета и насыщенность, что делает дисплеи данного типа плохим выбором для выполнения работ, требующих высокой точности цвета, таких как дизайн и фотография. Примером может служить монитор ASUS PG278Q, который является достаточно типичным в том, что можно увидеть на экране с обычной позиции за столом.

Панели VA

Когда жидкокристаллический дисплей пытается отобразить черный цвет, светофильтры затеняются так, чтобы от задней подсветки поступало как можно меньше света. Большинство ЖК-мониторов при этом работают достаточно хорошо, но фильтр не идеален, поэтому глубина черного может оказаться не настолько глубокой, насколько это необходимо. Определенно сильной стороной панелей VA является их эффективность при блокировке света задней подсветки, когда она не нужна. Это дает более глубокие оттенки черного и более высокие коэффициенты контрастности, от 2000: 1 до 5000: 1 при отключенном режиме «динамического контраста». Это в несколько раз выше, чем у других жидкокристаллических технологий. VA-панели также менее подвержены утечкам света или «помутнению» по краям, поэтому они отлично подходят для любителей кино, и ими приятно пользоваться при выполнении работ общего назначения.

Качество изображения

Другим ключевым преимуществом жидкокристаллических дисплеев VA-типа являются улучшенные углы обзора и цветопередача по сравнению с TN. Сдвиг цвета по экрану менее выражен, в то время как оттенки могут быть получены с большей точностью. В этом отношении они являются лучшими кандидатами для выполнения работ, критичных к качеству цвета, но они не так сильны в этой области, как технологии IPS или PLS. При сравнении оттенка в центре экрана с тем же тоном с краю или внизу при нормальном угле обзора обычно наблюдается ослабление насыщения. Кроме того, заметно смещение гаммы, которое больше всего проявляется в серых тонах, но также может иметь место и для других цветов. При этом оттенок кажется светлее или темнее даже при небольшом движении головы.

Недостатки VA-дисплеев

Традиционно смещение гаммы не является основным недостатком VA-панелей, поскольку они, как правило, довольно доступны и предлагаются в хорошем ассортименте такими компаниями, как Philips, BenQ, Iiyama и Samsung. Настоящий недостаток устройства жидкокристаллического дисплея данного типа заключается в относительно невысокой скорость реакции. Пиксели переходят из одного состояния в другое относительно медленно, что приводит к более выраженному размытию во время быстрого движения. В некоторых серьезных случаях вещи могут казаться настолько смазанными, что оставляют дымоподобный след (как, например, BenQ EW2430).

Разновидности VA-технологии

К современным типам панелей VA, используемым на ПК-мониторах, относятся матрицы MVA (с многодоменным вертикальным выравниванием), AMVA (улучшенным MVA) или AMVA+ (AMVA со слегка расширенными углами обзора). В моделях панелей AMVA (+) обычно используется эффективный пиксельный овердрайв, поэтому они не страдают от обширных «дымоподобных» следов. Они находятся на одном уровне с современными моделями IPS по скорости некоторых пиксельных переходов. Другие переходы, как правило, от светлых к темным цветам, по-прежнему относительно медленные. Примером может служить Samsung S34E790C, который, когда речь идет об отзывчивости, как правило, работает лучше, чем его IPS-аналог Dell U3415W.

Производитель ЖК-дисплеев AU Optronics (AUO) создал 35-дюймовую панель UltraWide VA с частотой обновления 144 Гц. Она используется в таких устройствах, как BenQ XR3501 и Несмотря на такое высокое значение скорости регенерации изображения, некоторые пиксельные переходы все еще остаются заметно вялыми. И AUO, и Samsung производят и другие VA-панели с частотой обновления жидкокристаллического дисплея, превышающей 100 Гц. У Sharp есть несколько специализированных MVA-матриц, используемых на нескольких моделях (включая FG2421), которые поддерживают 120 Гц. Однако удвоение частоты регенерации будет сопровождаться улучшением качества изображения, если пиксели обеспечивают такую возможность. Чтобы помочь преодолеть эти ограничения, мониторы, в которых установлена матрица Sharp, используют подсветку строба в сочетании с вдвое большей скоростью смены кадров, называемую Turbo240, которая в значительной степени скрывает поведение пикселя во время перехода и уменьшает притягивающее внимание размывание движения.

Панели IPS, PLS и AHVA

Когда дело доходит до конечного результата, эти технологии по существу очень похожи. Их ключевое отличие заключается в том то, что IPS разрабатывалась главным образом компанией LG Display, PLS - Samsung и AHVA - AUO. Иногда их просто называют панелями IPS-типа. Реальным маркетинговым преимуществом является их превосходная точность цветопередачи, стабильность и широкие углы обзора по сравнению с другими жидкокристаллическими технологиями. Каждый оттенок отображается точно независимо от его положения на экране.

IPS-дисплеи отличаются от TN и VA тем, что молекулы кристаллов у них движутся параллельно, а не перпендикулярно к панели. Это сокращает количество света, просачивающегося сквозь матрицу, обеспечивая лучшие характеристики монитора.

Расширенные возможности IPS-технологии

Некоторые из более дорогих моделей IPS и PLS идут еще дальше, предлагая поддержку расширенных цветовых гамм, тем самым увеличивая потенциальный диапазон воспроизводимых оттенков и глубину цвета, повышая точность изображения. Это делает панели IPS и PLS хорошими кандидатами для выполнения критичных к качеству графики задач. Кроме того, крупные IPS-мониторы отличаются большим разрешением, чем большинство их TN- и VA-аналогов, несмотря на то, что сегодня доступен широкий диапазон разрешений для всех типов панелей. Выбор количества пикселей, постоянно снижающаяся цена и отличная цветопередача действительно расширяют привлекательность дисплеев данного типа далеко за пределами графических приложений, включая игры и просто работу на рабочем столе.

Отзывчивость

Такие производители, как Dell, LG, AOC и ASUS, предлагают хороший диапазон доступных IPS-мониторов. Это означает, что фотографы, дизайнеры или обычные пользователи с ограниченным бюджетом могут воспользоваться этой технологией. Многие современные мониторы IPS и PLS также гораздо более отзывчивы, чем их VA-аналоги и даже конкурируют с TN-экранами, хотя обычно это наибольший недостаток IPS-панелей. Из-за этих впечатляющих улучшений некоторые современные модели находят спрос среди геймеров, которые могут наслаждаться более красочными цветами, не испорченными эффектом неприглядных трейлингов.

Частота обновления IPS-панелей

У некоторых современных моделей данного типа время реакции пикселя фактически достигло уровня, при котором движения размываются не больше, чем на любом мониторе с частотой обновления 60 Гц. Отзывчивость дисплея для 120 Гц не совсем оптимальна, хотя оптимальная производительность никак не связана со скоростью регенерации изображения. Тем не менее изготовители добились в этой области достаточного прогресса, что позволило компаниям AUO и LG выпустить панели IPS-типа с частотами обновления более 144 Гц.

Контрастность IPS-дисплеев

Другой традиционно слабой стороной данного типа панелей является контрастность. Здесь тоже заметны существенные подвижки, и дисплеи IPS-типа по этому показателю сравнялись со своими конкурентами, сделанными по TN-технологии. Коэффициент контрастности у них достигает значения 1000: 1 (без динамического контраста). Однако некоторые пользователи замечают одну неприятную проблему устройства жидкокристаллических дисплеев данного типа - блеск или «свечение» темного контента, вызванного поведением света в этих панелях. Это обычно становится наиболее очевидным при просмотре под большим углом (например, у Samsung S27A850D). Также свечение, как правило, присутствует в углах моделей с диагональю более 21,5", если сидеть прямо перед экраном на небольшом расстоянии.

Таким образом, IPS-мониторы являются лучшими цветными жидкокристаллическими дисплеями, радующими яркими оттенками, но всегда стоит смотреть не только на цифры.

Заключение

В современных ЖК-мониторах используются 3 основные категории панелей: TN, VA и IPS. В настоящее время технология TN является наиболее популярной, предлагая достойное качество изображения и высокую отзывчивость по приемлемой цене. VA приносит в жертву отзывчивость и, как правило, представляет собой самый медленный тип панели, но обеспечивает отличный контраст и улучшенную цветопередачу по сравнению с TN-технологиями. IPS, PLS и AHVA лидируют по качеству изображения, предлагая самые последовательные и точные цвета, одновременно обеспечивая отличные углы обзора, респектабельную отзывчивость и разумный контраст. Пользователь может взвесить преимущества и недостатки мониторов, сравнивая их, и понимание общих характеристик жидкокристаллических дисплеев является отличной отправной точкой.

LCD дисплей – это самый распространенный вид экранов телевизоров и мониторов, а также дисплеев телефонов и других устройств. Такое распространение данный вид экрана получил благодаря целому ряду неоспоримых преимуществ.

Для того чтобы понять все положительные качества ЖК дисплеев следует понять, что это такое, а также знать принцип работы и устройства таких экранов. Именно об этом и пойдет речь в данной статье.

1. Расшифровка LCD

ЖК-дисплей означает – жидкокристаллический экран, если перевести на английский язык - Liquid crystal display. Из этого следует, что ЖК и LCD – это одно и тоже. Данная технология получила такое название благодаря применению уникального вещества, которое всегда находится в жидком состоянии и обладает оптическими свойствами, присущими кристаллам.

Современный ЖК экран отличается рядом преимуществ, которые обеспечиваются именно жидкими кристаллами. Постоянное жидкое состояние молекул жидких кристаллов позволяет управлять их оптическими свойствами, воздействуя на них электричеством. При этом молекулы меняют свое расположение, преломляя проходящий свет под нужным углом, отсеивая определенный спектр излучения.

2. Устройство ЖК дисплея

Практически все существующие сегодня ЖК дисплеи имеют идентичное устройство. Если говорить о конструкции, то любой LCD монитор или телевизор состоит из следующих компонентов:

• ЖК матрицы;
• Источник света;
• Контактного жгута;
• Обрамление (корпус).

ЖК матрица представляет собой две стеклянные пластины, между которыми располагается тонкий слой жидких кристаллов. По сути – это массив, состоящий из огромного множества ячеек, называемых пикселями. Каждый пиксель матрицы состоит из нескольких молекул жидких кристаллов и двух поляризационных фильтров. Причем плоскости этих фильтров расположены перпендикулярно относительно друг друга.

Каждый пиксель матрицы расположен между двумя специальными прозрачными электродами, что дает возможность управлять расположением молекул в каждом пикселе отдельно. LCD технология может основываться на прохождении либо отражении света, в зависимости от устройства монитора, через молекулы жидких кристаллов. Разницы между этими типами матриц практически нет. Однако стоит отметить, что большинство ЖК дисплеев работают на прохождение света через слой жидких кристаллов.

3. Принцип работы ЖК дисплея

Принцип работы LCD дисплея заключается в том, что при условии отсутствия молекул жидких кристаллов свет пропускается первым поляризационным фильтром и полностью блокируется – вторым.

Сами жидкие кристаллы расположены между этими фильтрами таким образом, чтобы преломлять свет, проходящий через первый фильтр так, чтобы он беспрепятственно проходил через второй. Так устроены TN матрицы. Жидкокристаллические дисплеи с другими типами матриц могут действовать наоборот, однако принцип работы при этом не меняется. То есть в спокойном состоянии излучение блокируется и не проходит через матрицу, а при возбуждении электромагнитного поля плоскость излучения меняется так, чтобы свет проходил без препятствий

Для того чтобы молекулы жидких кристаллов располагались в нужном порядке без воздействия электричеством, на контактирующую поверхность электродов нанесены специальные микроскопические бороздки, выстраивающие молекулы в нужном порядке. Таким образом, если воздействовать на определенные области матрицы получается изображение.

Каждый современный жидкокристаллический экран имеет высокое разрешение. Это означает, что матрица состоит из огромного количества пикселей, при этом управлять ими можно каждым в отдельности. Другими словами, если увеличить какую-либо область экрана можно заметить мелкие ячейки, меняя напряжение каждой из этих ячеек можно изменить угол преломления света именно в данной точке. Путем создания необходимого напряжения в каждой из ячеек и создается определенное изображение.

4. Тип подсветки ЖК матрицы

Современные LCD дисплеи могут использовать два варианта подсветки:

• Люминесцентные лампы;
• Светодиодная подсветка.

Конечно же, тип подсветки существенно влияет на качество изображения. Люминесцентные лампы считаются устаревшим методом подсветки. Главной проблемой данного типа подсветки является невозможность равномерного распределения света по всей плоскости экрана, что не позволяет достичь высокого качества изображения. Он использовался в первых ЖК матрицах и сегодня встречается все реже.

Светодиодная подсветка, более известная под название LED, является последней разработкой, которая позволила достичь более высокого качества изображения. Такой тип подсветки отличается рядом преимуществ.

Во-первых – это низкое потребление электроэнергии. Во-вторых, LED подсветка излучает более интенсивный свет, который позволяет более равномерно распределить излучение. Благодаря компактным размерам такая подсветка не занимает много места, что позволяет делать экраны еще более тонкими.

5. Типы ЖК матриц

В мире существует несколько типов LCD матриц, однако на отечественном рынке встречается только два вида:

• TN+Film;

Оба варианта имеют достаточно высокие характеристики. Если говорить о том, какой вариант лучше выбрать, то следует отметить, что все больше производителей отдают предпочтение IPS матрицам, так как они позволяют передать более естественные цвета.

Конечно, как и в любой другой технологии, здесь также есть свои плюсы и минусы. IPS матрицы отличаются отличным качеством изображения, высокой четкостью и прекрасной цветопередачей. Однако при этом имеют медленный отклик. Современные технологии позволили улучшить этот показатель до высокого уровня.

TN+Film матрицы уступают по качеству и четкости изображения. Однако при этом они имеют быстрый отклик, который позволяет таким мониторам отображать самые яркие спецэффекты и быстрые видео записи. Однако стоит понимать, что все эти измерения проводятся при помощи специальной техники. В домашних условиях вы вряд ли сможете заметить существенную разницу между этими матрицами. Поэтому выбор остается за вами.

6. Устройство TFT дисплея: Видео

Конечно, зная все эти нюансы, люди, которые занимаются обработкой фотографий, предпочитают IPS матрицы, так как им не требуется быстрый отклик, но при этом необходима максимально естественная цветопередача. В других случаях, тип матрицы не играет роли.

Ну и, конечно же, все характеристики зависят и от производителя, а также от используемой технологии и материалов. Не стоит думать, что все IPS матрицы одинаковы, они также могут отличаться между собой. Стоит понимать, что чем дороже монитор (или телевизор) тем более высокое качество изображения вы сможете получить. То же самое можно сказать и о TN+Film матрицах.

Какой бы жидкокристаллический дисплей вы не выбрали, стоит обязательно ознакомиться с его возможностями и техническими характеристиками. На сегодняшний день ЖК-дисплеи являются самыми распространенными по ряду причин. Их преимущества вы уже знаете. Благодаря этому они являются прямыми конкурентами плазменным панелям, но при этом они имеют более низкую стоимость, что делает их более доступными для пользователей. Кроме того, они имеют больший ресурс. Другими словами, ЖК-дисплей служит существенно дольше плазменной панели.

Введение

Тема «Жидкокристаллические дисплей и плазменные панели» имеет большое значение, потому что в современном мире очень много приборов используют графический или текстовый вывод для отображения информации на экране. В последние годы данное направление развивается стремительно появляются всё новые технологии, улучшаются старые.

Цель курсовой работы.

Изучить принцип работы жидкокристаллических дисплеев.

Изучить принцип работы плазменных панелей.

Сравнить принцип работы ЖК дисплеев и плазменных панелей.

Отметить плюсы и минусы ЖК дисплеев и плазменных панелей.

Теоретическая часть

Жидкокристаллический дисплей

жидкокристаллический электронный транзистор диод

Экраны LCD (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.

Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической или текстовой информации в компьютерных мониторах, телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных книгах, навигаторах, планшетах, электронных переводчиках, калькуляторах, часах и т. п., а также во многих других электронных устройствах.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. 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 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD - 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-го 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 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Жидкие кристаллы - это вещества, молекулы которых обладают высокой подвижностью, и склонны к упорядоченной ориентации в электрическом поле. Удельное сопротивление жидких кристаллов велико и достигает от до Ом. При комнатной температуре в отсутствие электрического поля ориентация молекул жидких кристаллов хаотична, ввиду чего вещество не прозрачно. При возникновении электрического поля происходит упорядочивание молекул, и в результате вещество становится оптически прозрачно. Упрощённую конструкцию жидкокристаллического индикатора можно увидеть на рисунке 1

На рисунке цифрами обозначено:

1 - стекло или подобный прозрачный материал;

2 - пл?нки прозрачных электродов, образующих матрицу;

3 - жидкие кристаллы;

4 - металлическая поверхность.

Прозрачный электрод изготавливают в форме цифр или символов, в соответствии с тем, какое изображение желают получить. Между токопроводящими пленками нужных в данный момент прозрачных электродов и металлическим основанием подсоединяют генератор, вырабатывающий переменное напряжение амплитудой от 2 до 15 В и частотой от десятков до тысяч герц.

Достоинства жидкокристаллических индикаторов заключено в чрезвычайно низком энергопотреблении и невысоком питающем напряжении.

Недостатки состоят в малом времени наработки на отказ, в обязательном наличии источника внешнего освещения.

Жидкие кристаллы можно отнести к одному из тр?х видов: смектическим, нематическим или холестерическим.

В смектическом (рисунок 2) жидком кристалле молекулы расположены слоями, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоёв, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует.

Нематические (рисунок 3) жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. Наблюдается лишь ориентационный порядок в расположении молекул: все молекулы ориентированы вдоль одного преимущественного направления. Если посмотреть на препарат в микроскоп, можно увидеть тёмные тонкие нити. Это места, где молекулы резко меняют свою ориентацию. Эти нити называют - дисинклинациями. При определённых температурах смектики могут превращаться в нематики.

Холестерические жидкие кристаллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул.

Интересной особенностью обладают холестерических (рисунок 4) жидких кристаллов является то, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение, т.е. закон отражения для белого света в этом случае не выполняется. Лучи различной длины волны будут отражаться под разными углами. Вследствие этого холестерическая плёнка будет выглядеть в отражённом свете ярко окрашенной.

Простые приборы с дисплеем (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2--5-цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад.

RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue -- красный, зелёный, синий) -- аддитивная цветовая модель, как правило, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения (рисунок 5)

Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов (рисунок 6):

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 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.

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее было видимым, нужен источник света. 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 -- CCFL, хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями, в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрной газоразрядной лампой.

Светодиодная (LED) подсветка

В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями, в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

1. тип матрицы определяется технологией, по которой изготовлен ЖК-дисплей;

2. класс матрицы; стандарт ISO 13406-2 выделяет четыре класса матриц;

ISO 13406-2 -- Стандарт ISO на визуальную эргономику ЖК-дисплеев. Полное название «Ergonomic requirements for work with visual displays based on flat panels -- Part 2: Ergonomic requirements for flat panel displays». Известен потребителям как стандарт на «Битые пиксели»

Дефектные пиксели

Стандарт различает 4 класса качества ЖК-дисплеев, для каждого из которых допускается определенное количество неработающих пикселей из миллиона:

Класс 1: 0 дефектных пикселей на миллион.

Класс 2: до 2 дефектов типа 1 и 2 или до 5 дефектов типа 3 на миллион.

Класс 3: до 5 дефектных пикселей типа 1; до 15 - типа 2; до 50 дефектных субпикселей на миллион.

Класс 4: до 150 битых пикселей на миллион.

Среди массово выпускаемых ЖК-панелей практически нет продукции 4-го класса.

В стандарте определено 4 типа дефектных пикселов:

Тип 1: постоянно горящие пиксели.

Тип 2: постоянно негорящие пиксели.

Тип 3: пиксели с другими дефектами, включая дефекты сабпикселов (ячеек RGB, составляющих пиксель), т.е. постоянно горящие красные, зелёные или голубые сабпиксели.

Тип 4 (группа дефектных пикселов): несколько дефектных пикселов в квадрате 5 x 5 пикселов.

3. разрешение -- горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости);

4. размер точки (размер пикселя) -- расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;

5. соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) -- отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15ч10), 8:5 (16ч10), 5:3 (15ч9), 16:9 и др.);

6. видимая диагональ -- размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали;

7. 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;

8. яркость -- количество света, излучаемое дисплеем (обычно измеряется в канделах на квадратный метр);

9. 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. Сейчас (2011) в пределах 20--50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс;

· время переключения. Указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2--6 мс;

10. 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 тех. 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 перпендикуляра к экрану. 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.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

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.

Компании Sony , Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. plasma addressed liquid crystal -- плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества ЖК (яркость и насыщенность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы обзора по горизонтали и вертикали, высокая скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает наилучшую управляемость и качество изображения.

TN + film (Twisted Nematic + film) (рисунок 7)-- 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 маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

Технология IPS (англ. in-plane switching), или SFT (super fine TFT) (рисунок 8), была разработана компаниями Hitachi и NEC в 1996 году.

Эти компании пользуются разными названиями этой технологии -- NEC использует «SFT», а Hitachi -- «IPS».

Технология предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Хотя с помощью IPS и удалось добиться увеличения угла обзора до 178°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.

По состоянию на 2008 год, матрицы, изготовленные по технологии IPS (SFT), -- единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB -- 24 бита, по 8 бит на канал. По состоянию на 2012 год выпущено уже много мониторов на IPS матрицах (e-IPS производства LG.Displays), имеющих 6 бит на канал. Старые TN-матрицы имеют 6-бит на канал, как и часть MVA.

Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение чёрного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а чёрным.

При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.

IPS в настоящее время вытеснено технологией Н-IPS, которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика и увеличением контрастности. Цветность лучших Н-IPS панелей не уступает обычным мониторам ЭЛТ. Н-IPS и более дешевая e-IPS активно используется в панелях размером от 20". LG Display, Dell, NEC, Samsung, Chimei остаются единственными производителями панелей по данной технологии.

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.

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:

· PVA (patterned vertical alignment) от Samsung;

· Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD);

· Super MVA от CMO;

· ASV (advanced super view), так же называется ASVA (axially symmetric vertical alignment) от Sharp.

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

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.

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.