Оглавление

Оглавление 1

Технологии современных ЖК-дисплеев 2

Происхождение LCD-мониторов 3

Принцип работы LCD-дисплеев 4

Пассивная (passive matrix) и активная матрицы (active matrix) 4

Технология изготовления TN 5

Технология изготовления STN 5

Технология изготовления TFT 6

Технология изготовления S-TFT 6

TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film) 6

IPS (In-Plane Switching) 8

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) 9

Технология PVA 11

Заключение 12

Выводы 12

Технические характеристики LCD-мониторов 13

Время отклика 13

Углы обзора 14

Яркость и контрастность 15

Цветопередача 16

Технологии современных жк-дисплеев

Жидкие кристаллы были открыты более 100 лет назад в 1888 году, однако долгое время они не только практически не использовались в технических целях, но и воспринимались не иначе, как любопытный научный курьез. Первые серийные устройства с использованием жидких кристаллов появились лишь только в начале семидесятых годов прошлого века. Это были небольшие монохромные сегментные индикаторы для цифровых часов и калькуляторов. Следующим важным шагом в развитии ЖК-технологии стал переход от сегментных индикаторов к дискретным матрицам, состоящим из набора точек, расположенных вплотную друг к другу. Впервые подобный дисплей был использован корпорацией Sharp в карманном монохромном телевизоре. В дальнейшем новая технология быстро прижилась в портативных ПК, открыв жидким кристаллам дорогу на компьютерный рынок. И понеслось...

От всех остальных типов электронных дисплеев ЖК-матрицы отличаются тем, что сами не излучают свет, а являются всего-навсего преобразователями светового потока, излучаемого внешним источником (чаще всего - неоновой лампой подсветки). Принцип их действия основан на эффекте поляризации света, пропущенного через жидкокристаллическое вещество в электромагнитном поле. Жидкий кристалл, в отличие от обычного, не имеет упорядоченной внутренней структуры, молекулы в нем расположены хаотично и могут свободно перемещаться. Пропущенный через такой кристалл свет не изменяет своей поляризации. Однако если на молекулы жидкого кристалла воздействовать внешним электрическим полем, то они выстраиваются в упорядоченную структуру, и свет, пропущенный через такую среду, приобретает направленную поляризацию. Но человеческий глаз не способен зафиксировать изменение плоскости поляризации светового потока без дополнительных устройств, поэтому на внешнюю часть ЖК-матрицы обычно ставится еще один поляризованный слой, который не пропускает свет поляризации другой направленности (отличной на 90 градусов), но пропускает неполяризованный свет.

Таким образом, если через такую конструкцию пропустить свет, то сначала он, пройдя через первый поляроид, поляризуется в плоскости первого поляроида. Далее направление поляризации светового потока, проходящего через слой жидких кристаллов, будет поворачиваться, пока не совпадет с оптической плоскостью второго поляроида. После чего второй поляроид пропустит большую долю оставшейся части светового потока. Но стоит только приложить к электродам переменный потенциал, как молекулы вытянутся вдоль силовых линий электромагнитного поля. Проходящий поляризованный свет не изменит ориентации векторов электромагнитной и электростатической индукции. Поэтому второй поляроид не пропустит такой поток света. Соответственно, при отсутствии потенциала ЖК-ячейка "прозрачна" для проходящего света. А при установленном управляющем напряжении ЖК-ячейка "выключается", т.е. теряет свою прозрачность. А если направление оптической плоскости второго поляроида будет совпадать с первым, то ячейка будет работать наоборот: при отсутствии потенциала - прозрачная, при наличии - темная. Изменяя уровень управляющего напряжения в пределах допустимого диапазона, можно модулировать яркость светового потока, проходящего через ячейку.

Самыми первыми появились ЖК-мониторы с так называемой пассивной матрицей, в которых вся поверхность экрана разделена на отдельные точки, объединенные в прямоугольные сетки (матрицы), управляющее напряжение на которые, с целью уменьшения количества контактов матрицы, подается поочередно: в каждый момент времени на одном из вертикальных и одном из горизонтальных управляющих электродов выставляется напряжение, адресованное ячейке, которая расположена в точке пересечения этих электродов. Сам термин "пассивная" указывал на то, что электроемкость каждой ячейки требовала определенного времени на смену напряжения, что в результате приводило к тому, что все изображения перерисовывалось довольно долго, буквально строка за строкой. Для предотвращения мерцания в таких матрицах применяют жидкие кристаллы с большим временем реакции. Изображение на экране таких дисплеев было очень бледным, а быстроменяющиеся участки изображения оставляли за собой характерные "хвосты". Поэтому пассивные матрицы в своем классическом виде практически не использовались, а первыми более-менее массовыми стали монохромные пассивные матрицы, использующие технологию STN (сокращение от Super Twisted Nematic), с помощью которой стало возможно увеличить угол "закручивания" ориентации кристаллов внутри LCD-ячейки с 90° до 270°, что позволило обеспечить лучшую контрастность изображения в мониторах.

Дальнейшим усовершенствованием стала технология DSTN (Double STN), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, теряет значительно большую часть своей энергии, чем раньше. Контрастность и разрешающая способность DSTN оказались настолько высоки, что появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц, каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции кристаллов.

Более дорогой, чем в случае с DSTN, но и более качественный способ отображения на жидкокристаллическом мониторе - это применение так называемых активных матриц. В этом случае также действует принцип один электрод - одна ячейка, однако каждый пиксель экрана обслуживает еще и дополнительный усилительный элемент, который, во-первых, значительно снижает время, в течение которого происходит смена напряжения на электроде и, во-вторых, компенсирует взаимное влияние соседних ячеек друг на друга. Благодаря "прикрепленному" к каждой ячейке транзистору, матрица "помнит" состояние всех элементов экрана, и сбрасывает его только в момент получения команды на обновление. В результате повышаются практически все параметры экранной картинки - четкость, яркость и скорость перерисовки элементов изображения, увеличивается угол обзора.

Естественно, что запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые Thin Film Transistor (или просто TFT), то есть тонкопленочный транзистор. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина составляет всего 0,1-0,01 мкм.

Тем не менее, эффект поляризации света, лежащий в основе всех технологий современных ЖК-мониторов, все еще не позволяет им приблизиться к своим электронно-лучевым братьям по ряду важных параметров. Среди них наиболее важными являются все еще неудовлетворительные углы обзора жидкокристаллического дисплея и все еще слишком большое время реакции элементов ЖК-матрицы, не позволяющие использовать их в современных динамичных играх, да и для просмотра высококачественного видео. А ведь оба этих направления являются приоритетными в развитии современного компьютера, поэтому в настоящее время совершенствование технологий ЖК-мониторов идет по трем основным направлениям, позволяющим если не искоренить, то хотя бы значительно уменьшить эти недостатки. Дальше мы рассмотрим все эти технологии более подробно.

Принцип работы LCD-мониторов (Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей) основан на использовании вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда назвали "жидкими кристаллами".