24. Будова рк-монітору.

Рідкокристалі́чний диспле́й (англ. liquid crystal display, LCD) - це електричний пристрій візуального відображення інформації (дисплей), принцип дії якого ґрунтується на явищі електричного переходу Фредерікса в рідких кристалах. Дисплей складається з довільної кількості кольорових або монохроматичних точок (пікселів) і джерела світла або відбивача (рефлектора).

Кожна з кольорових точок рідкокристалічного дисплея складається з кількох комірок (як правило, з трьох), за якими встановлюються світлові фільтри (найчастіше - червоний, синій і зелений). Тобто колір певної точки і її яскравість визначається інтенсивностями світіння комірок, з яких вона складається.

Керування кожною з рідкокристалічних комірок здійснюється застосуванням напруги, яку створює один з транзисторів тонкої підкладки транзисторів (TFT - аббревіатура англійського виразу "Thin Film Transistors").

Піксель складається з кольорового фільтра, горизонтального поляризатора, оточеного двома шарами скла рідкокристалічного шару, який повертає поляризацію, вертикального фільтра

Рідкокристалічні монітори або LCD-монітори- клас моніторів, в основу роботи яких покладена властивість рідких кристалів повертати площину поляризації світла.

Принцип дії

Робота РК-дисплея заснована на явищі поляризації світлового потоку. Відомо, що так звані кристали-поляроїди здатні пропускати тільки ту складову світла, вектор магнітної індукції якої лежить у площині, паралельній оптичній площині поляроїда. Для решти світлового потоку поляроїд буде непрозорим. У такий спосіб поляроїд ніби просіває світло. Цей процес називається поляризацією світла. Із відкриттям класу рідких речовин, довгі молекули яких чутливі до електростатичного й електромагнітного поля і здатні повертати площину поляризації світла, з'явилася можливість керувати поляризацією. Ці аморфні речовини за схожість із кристалічними речовинами за електрооптичними властивостями, а також за здатність приймати форму посудини, назвали рідкими кристалами.

Екран LCD є масивом маленьких сегментів, названих пікселями, якими можна маніпулювати для відображення інформації. LCD має кілька шарів, де ключову роль грають дві панелі, зроблені з вільного від натрію і дуже чистого скляного матеріалу, який називають субстратом або підкладкою. Проміжок між шарами заповнений тонким шаром рідкого кристалу. На панелях є борозенки, що надають їм спеціальної орієнтації. Борозенки розташовані таким чином, що вони є паралельними між собою в межах кожної панелі, але борозенки однієї панелі перпендикулярні до борозенок іншої. Поздовжні борозенки утворюються внаслідок нанесення на скляну поверхню тонких плівок прозорого пластику, що потім спеціальним чином обробляється. Борозенки орієнтують молекули рідкого кристалу однаково у всіх комірках. Молекули одного з типів рідких кристалів (нематиків) при відсутності напруги повертають вектори електричного (і магнітного) полів світлової хвилі на деякий кут у площині, перпендикулярній до напрямку поширення світлового променя. Нанесення борозенок на поверхню скла дозволяє забезпечити однаковий кут повороту площини поляризації для всіх комірок. Проміжок між панелями дуже тонкий.

Рідкокристалічна панель освітлюється джерелом світла (у залежності від того, де воно розташоване, рідкокристалічні панелі працюють на відображення або на проходження світла). Площина поляризації світлового променя повертається на 90° при проходженні однієї панелі. Якщо до комірки прикласти електричне поле, молекули рідких кристалів частково вибудовуються вертикально уздовж поля, кут повороту площини поляризації світла стає відмінним від 90 градусів.

Поворот площини поляризації світлового променя непомітний для ока, тому виникає необхідність додати до склянних панелей ще два інших шари, що виконують роль поляризаційних фільтрів. Ці фільтри пропускають тільки складову світлового променя із заданою поляризацією. Тому при проходженні поляризатора пучок світла буде ослаблений у залежності від кута між його площиною поляризації і віссю поляризатора. При відсутності напруги комірка прозора, тому що перший поляризатор пропускає тільки світло з відповідним вектором поляризації. Завдяки рідким кристалам вектор поляризації світла повертається і до моменту проходження пучком до другого поляризатора він уже повернутий так, що проходить через другий поляризатор без перешкод.

У присутності електричного поля поворот вектора поляризації відбувається на менший кут, тим самим другий поляризатор стає тільки частково прозорим для випромінювання. Якщо різниця потенціалів буде такою, що повороту площини поляризації в рідкому кристалі не відбудеться зовсім, то світловий промінь буде цілком поглинутий другим поляризатором, і освітлений ззаду екран буде здаватися чорним (промені підсвічування цілком поглинаються екраном). Якщо розташувати велике число електродів, що створюють різні електричні поля в окремих місцях екрана (комірках), то з'явиться можливість при правильному керуванні потенціалами цих електродів відображати на екрані елементи зображення. Електроди інкапсулюють в прозорий пластик і надають їм будь-яку форму. Технологічні нововведення дозволили обмежити їхні розміри величиною маленької крапки, відповідно на маленькій ділянці екрана можна розташувати більше число електродів, що збільшує роздільну здатність LСD-монітора і дозволяє відображати навіть складні зображення в кольорі. Для виводу кольорового зображення необхідне підсвічування монітора ззаду, таким чином, щоб світло виходило із задньої частини LCD. Це необхідно для того, щоб можна було спостерігати зображення з гарною якістю, навіть якщо навколишнє середовище не є світлим. Для отримання кольорового зображення використовують три фільтри, що виділяють з випромінювання джерела білого світла три основні компоненти. Завдяки комбінуванню трьох основних кольорів для кожної точки або пікселя екрана з'являється можливість відтворити будь-який колір.

STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN - це скорочення, "Super Twisted Nematic, що означає".Технология STN дозволяє збільшити торсіонний кут (кут кручення) орієнтації кристалів усередині LCD дисплея з 90° до 270°, що забезпечує кращу контрастність зображення при збільшенні розмірів монітора. Часто STN осередку використовуються в парі. Така конструкція називається DSTN (Double Super Twisted Nematic), в якій один двошаровий DSTN-ячейка складається з 2 STN-ячеек, молекули яких при роботі повертаються в протилежні сторони. Світло, проходячи через таку конструкцію в "замкнутому" стані, втрачає велику частину своєї енергії. Контрастність і роздільна здатність DSTN достатньо висока, тому з'явилася можливість виготовити кольоровий дисплей, в якому на кожен піксель доводиться три РК-ячейки і три оптичні фільтри основних квітів. Кольорові дисплеї не здатні працювати від відбитого світла, тому лампа заднього підсвічування -- їх обов'язковий атрибут. Для скорочення габаритів лампа знаходиться з боку, а напроти неї дзеркало [див. мал. 2.5], тому більшість LCD-матриц в центрі мають яскравість вище, ніж по краях (це не відноситься до настільних моніторів РК).

Також STN осередку використовуються в режимі TSTN (Triple Super Twisted Nematic), коли два тонких шару полімерної плівки додаються для поліпшення перенесення кольорів кольорових дисплеїв або для забезпечення хорошої якості монохромних моніторів. Термін пасивна матриця (passive matrix) з'явився в результаті розділення монітора на крапки, кожна з яких, завдяки електродам, може задавати орієнтацію площини поляризації світивши, незалежно від останніх, так що в результаті кожен такий елемент може підсвічуватися індивідуально для створення зображення. Матриця називається пасивною, тому що технологія створення LCD дисплеїв, яка була описана вищим, не може забезпечити швидку зміну інформації на екрані. Зображення формується рядок за рядком шляхом послідовного підведення напруги на окремі осередки, що управляє, робить їх прозорими. Із-за досить великої електричної ємкості осередків напруга на них не може змінюватися достатньо швидко, тому оновлення картинки відбувається поволі. Такий дисплей має багато недоліків з погляду якості, тому що зображення не відображається плавно і тремтить на екрані. Маленька швидкість зміни прозорості кристалів не дозволяє правильно відображати рухомі зображення. Для вирішення частини вищеописаних проблем застосовують спеціальні технології, Для поліпшення якості динамічного зображення було запропоновано збільшити кількість електродів, що управляють. Тобто вся матриця розбивається на декілька незалежних підматриць (Dual Scan DSTN - два незалежні поля розгортки зображення), кожна з яких містить меншу кількість пікселів, тому почергове управління ними займає менше часу. Внаслідок чого можна скоротити час інерції РК. Також кращих результатів з погляду стабільності, якості, дозволу, гладкості і яскравості зображення можна добитися, використовуючи екрани з активною матрицею, які, втім, стоять дорожче. У активній матриці (active matrix) використовуються окремі підсилювальні елементи для кожного осередку екрану, компенсуючі вплив ємкості осередків і що дозволяють значно зменшити час зміни їх прозорості. Активна матриця (active matrix) має масу переваг в порівнянні з пасивною матрицею. Наприклад, краща яскравість і можливість дивитися на екран навіть з відхиленням до 45° і більш (тобто при вугіллі огляду 120°-140°) без збитку якості зображення, що неможливе у випадку з пасивною матрицею, яка дозволяє бачити якісне зображення тільки з фронтальної позиції по відношенню до екрану. Відмітимо, що дорогі моделі LCD моніторів з активною матрицею забезпечують кут огляду в 160° [см мал. 2.6], і є всі підстави припускати, що технологія удосконалюватиметься і надалі. Активна матриця може відображати рухомі зображення без видимого тремтіння, оскільки час реакції дисплея з активною матрицею близько 50 мс проти 300 мс для пасивної матриці, крім того, контрастність моніторів з активною матрицею вища, ніж у ЕЛТ-МОНІТОРОВ. Слід зазначити, що яскравість окремого елементу екрану залишається незмінною на всьому інтервалі часу між оновленнями картинки, а не є коротким імпульсом світла, що випромінюється елементом люмінофором ЕПТ-монітора відразу після пригоди по цьому елементу електронного променя. Саме тому для LCD моніторів достатньою є частота вертикальної розгортки, рівна 60 Гц.

Функціональні можливості LCD моніторів з активною матрицею майже такі ж, як у дисплеїв з пасивною матрицею. Різниця полягає в матриці електродів, яка управляє осередками рідких кристалів дисплея. У випадку з пасивною матрицею різні електроди отримують електричний заряд циклічним методом при відрядковому оновленні дисплея, а в результаті розряду ємкостей елементів зображення зникає, оскільки кристали повертаються до своєї початкової конфігурації. У випадку з активною матрицею до кожного електроду доданий транзистор, що запам'ятовує, який може зберігати цифрову інформацію (двійкові значення 0 або 1) і в результаті зображення зберігається до тих пір, поки не поступить інший сигнал. Частково проблема відстрочення загасання зображення в пасивних матрицях вирішується за рахунок використання більшого числа рідкокристалічних шарів для збільшення пасивності і зменшення переміщень, тепер же, при використанні активних матриць з'явилася можливість скоротити число рідкокристалічних шарів. Транзистори, що запам'ятовують, повинні проводитися з прозорих матеріалів, що дозволить світловому променю проходити крізь них, а значить, транзистори можна розташовувати на тильній частині дисплея, на скляній панелі, яка містить рідкі кристали. Для цих цілей використовуються пластикові плівки, звані "Thin Film Transistor" (або просто TFT).

Thin Film Transistor (TFT), тобто тонкоплівковий транзистор - це ті елементи, що управляють, за допомогою яких контролюється кожен піксель на екрані. Тонкоплівковий транзистор дійсно дуже тонкий, його товщина 0,1 - 0,01 мікрона. У перших TFT-дисплеях, що з'явилися в 1972г., використовувався селенид кадмію, що володіє високою рухливістю електронів і що підтримує високу щільність струму, але з часом був здійснений перехід на аморфний кремній (a-Si), а в матрицях з високим дозволом використовується полікристалічний кремній (p-Si). Технологія створення TFT дуже складна, при цьому є труднощі з досягненням прийнятного відсотка придатних виробів через те, що число використовуваних транзисторів дуже велике. Відмітимо, що монітор, який може відображати зображення з дозволом 800х600 пікселів в SVGA режимі і лише з трьома квітами має 1440000 окремих транзисторів.

Виробники встановлюють норми на граничну кількість транзисторів, які можуть бути неробочими в LCD дисплеї. Правда, у кожного виробника своя думка про те, яка кількість транзисторів можуть не працювати. Піксель на основі TFT влаштований таким чином: у скляній пластині один за одним інтегровано три кольорові фільтри (червоний, зелений і синій). Кожен піксель є комбінацією трьох кольорових осередків або субпіксельних елементів [див. мал. 2.7]. Це означає, наприклад, що у дисплея, що має дозвіл 1280x1024, існує рівно 3840x1024 транзистора і субпіксельних елементу. Розмір крапки (пікселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизно рівний 0.0188 дюйма (або 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - близько 0.011 дюйма (або 0.28 мм).

 

TFT володіють поряд переваг перед ЕЛТ-МОНІТОРАМІ, серед яких, - знижене споживання енергії і тепловіддача, плоский екран і відсутність сліду від рухомих об'єктів. Останні розробки дозволяють отримати зображення вищої якості, ніж звичайні TFT.

Зовсім недавно фахівцями компанії Hitachi була створена нова технологія багатошарових РК-панелей Super TFT, яка значно збільшила кут упевненого огляду РК панелі. Технологія Super TFT використовує прості металеві електроди, встановлені на нижній скляній пластині і примушує молекули обертатися, постійно знаходячись в площині, паралельній площині екрану [див. мал. 2.8]. Оскільки кристали звичайної РК-панели повертаються до поверхні екрану краями, то такі РКД більш залежні від точки зору, чим РК-панели Hitachi з технологією Super TFT, В результаті зображення на дисплеї залишається яскравим і чітким навіть при великих кутах огляду, досягаючи якості, зіставної із зображенням на ЕПТ-екрані.

Японська компанія NEC недавно оголосила, що за якістю зображення її LCD дисплеї незабаром досягнуть рівня лазерних принтерів, переступивши поріг в 200 ppi, що відповідає 31 крапці на мм2 або кроці крапок 0,18 мм. Як повідомили в NEC, вживані сьогодні багатьма виробниками рідкі кристали TN (twisted nematic) дозволяє будувати дисплеї з дозвіл до 400 крапок на дюйм. Проте головним стримуючим чинником в підвищенні дозволу є необхідність створення відповідних світлофільтрів. У новій технології "Color filter on TFT" світлофільтри, що закривають тонкоплівкові транзистори, формуються за допомогою фотолітографії на нижній скляній підкладці. У звичайних дисплеях світлофільтри наносяться на другу, верхню підкладку, що вимагає дуже точного поєднання двох пластин.

На тій, що пройшла в 1999 році в США конференції "Society for information Display" було зроблено декілька доповідей, що свідчать про успіхи в створенні рідкокристалічних дисплеїв на пластиковій підкладці. Компанія Samsung представила прототип монохромного дисплея на полімерному субстраті з діагоналлю 5,9 дюйма і завтовшки 0,5 мм. Товщина самої підкладки складає близько 0,12 мм. Дисплей має дозвіл 480х320 крапок і контрастність 4:1. Вага - всього 10 грам.

Інженери з Лабораторії кінотехніки Університете Штуттгарта використовували не тонкоплівкові транзистори (TFT), а діоди MIM (металл-изолятор-металл). Останнє досягнення цієї команди - дводюймовий кольоровий дисплей з дозволом 96х128 крапок і коефіцієнтом контрастності 10:1.

Група фахівців IBM розробила технологію виробництва тонкоплівкових транзисторів із застосуванням органічних матеріалів, що дозволяє виготовляти гнучкі екрани для електронної книги і інших пристроїв. Елементи розроблених транзисторів IBM напилюються на пластикову підкладку при кімнатній температурі (традиційні LCD-дисплеи виготовляються при високій температурі, що виключає застосування органічних матеріалів). Замість звичайного діоксиду кремнію для виготовлення затвора використовується цирконат титоната барії (BZT). Як напівпровідник застосовується органічна речовина під назвою пентацен (pentacene), що є з'єднанням фенилэтиламмония з иодидом олова.