Введение
Плоские дисплеи в будущем заменят привычные электронно-лучевые трубки телевизоров. HDTV, цифровая конвергенция и DVD высокого разрешения знаменуют смерть ЭЛТ-телевизоров. Конечно, этого ещё не произошло, но ждать осталось недолго. Пару-тройку десятилетий назад таким же был переход с чёрно-белых телевизоров на цветные. Но в нашу эпоху, с учётом быстрого внедрения новинок в жизнь и их удешевлением, уже через несколько лет телевизор с лучевой трубкой будет смотреться анахронизмом. Но при покупке плоскопанельного телевизора возникает проблема: необходимо выбрать между двумя технологиями, существенно отличающимися друг от друга: между плазмой и ЖК.
Что касается компьютерных мониторов, то здесь выбор простой — победителем на рынке однозначно можно назвать ЖК. Но вот в области телевизоров обе технологии продолжают конкурировать.
Как устроен дисплей
Если вы знакомы с технологиями дисплеев, то можете переходить напрямую к следующему разделу. Здесь же мы рассмотрим базовые различие в технологиях ЭЛТ, плазменных и ЖК-дисплеев.
Все они используют общий подход для вывода полного цветового спектра: разделение цветов на базовые. Вместо сложных пикселей, способных выдавать множество оттенков, разработчики остановили свой выбор на пикселях, состоящих из трёх суб-пикселей, каждый из которых отображает оттенки своего цвета: красного, зелёного или синего.
/>
Если пользователь находится на удалении от экрана, то он уже не может отличить суб-пиксели друг от друга и воспринимает их как единое целое. Поэтому подобные пиксели могут составлять полноцветную картинку — через смешение красных, зелёных и синих суб-пикселей. Используя все три цвета в равных пропорциях, можно создавать оттенки серого — от белого до чёрного.
/>
Выбор в качестве основных цветов красного, зелёного и синего может шокировать людей, интересующихся живописью, поскольку там основными цветами являются пурпурный, жёлтый и голубой. Об аддитивных основных цветах, путём сложения которых можно получить все остальные, — поэтому ими и стали красный, зелёный и синий (RGB).
Ниже показан пример реализации подобной модели на электронно-лучевой трубке.
/>
Вы можете видеть суб-пиксели каждого из основных цветов.
Все современные технологии дисплеев — ЭЛТ, ЖК и плазма — используют этот принцип. В следующих разделах мы подробно рассмотрим его реализацию в каждой из технологий.
Плазменная технология
Хаотичное начало
Многие даже и не подозревают, но плазменная технология не такая уж и новая, даже несмотря на то, что её промышленное использование началось в начале 90-х годов. Исследования плазменных дисплеев проводились в США ещё четыре десятилетия назад, в 60-х годах. Технология была разработана четырьмя учёными: Битцером (Bitzer), Слоттоу (Slottow), Вилсоном (Willson) и Аророй (Arora). Первый прототип дисплея появился довольно быстро, в 1964 году. Матрица, революционная для свого времени, имела размер 4 на 4 пикселя, которые излучали монохромный голубой цвет. Затем, в 1967 году, размер матрицы был увеличен до 16×16 пикселей, на этот раз она излучала монохромный тёмно-красный цвет (с помощью неона). Цвет определялся подбором газов с различным спектром свечения. Сначала эти матричные панели назывались газоразрядными, но эффективность излучения в газах оказалась очень слабой. Кстати, до сих пор выпускаются матричные газоразрядные панели с аргоно-неоновым заполнением.
/>
/>
Вполне естественно, что эта технология заинтересовала производителей, и в 1970 году к работе присоединились такие компании, как IBM, NEC, Fujitsu и Matsushita. К сожалению, из-за отсутствия рынка, оправдывающего промышленное производство, к 1987 году разработки в США были практически остановлены, и последней компанией, которой пришлось сдаться, была IBM. В США осталась горстка учёных, продолживших работать над этой технологией, и теперь основные исследования проводились в Японии. Дело в том, что в Японии существовала долговременная государственная программа по развитию дисплейных технологий. В Стране восходящего солнца были образованы десятки университетов и институтов, специализированных на данной технологии. И денег было инвестировано немало. Причём государство контролировало и координировало деятельность больших частных фирм, таких как Sharp и Hitachi. Первая коммерческая модель появилась на рынке в начале 90-х годов. Fujitsu первой преодолела 21″ барьер.
Сегодня большинство крупных производителей бытовой техники, включая компании LG, Pioneer, Philips, Hitachi и другие, предлагают плазменные панели.
Принцип работы
Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост: каждый суб-пиксель представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.
/>
И свечение в плазменных дисплеях достигается точно так же, как у люминесцентных ламп, которые мы повсеместно наблюдаем: внутри трубки запаян инертный газ (к примеру, аргон), использующийся в качестве стабилизатора дугового разряда. Также внутри находятся пары ртути (именно бомбардировка тяжёлыми ионами ртути и вызывает свечение люминофора в ультрафиолетовом диапазоне). Кстати, сегодня есть и люминесцентные лампы без ртути. На концах трубки находятся электроды, к которым подводится высокое напряжение (несколько тысяч вольт. Но реально в люминесцентных лампах такое напряжение образуется только при поджиге за счёт выброса с балластного дросселя. Когда образуется дуговой разряд, то напряжение падает до 80-240 В в зависимости от режима и прочих характеристик). Инертный газ в нормальном состоянии электрически нейтрален, но под действием тока он превращается в плазму — газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов (в результате суммарный заряд остаётся нейтральным). Из-за разницы потенциалов в несколько тысяч вольт электроны перетекают к положительному катоду, а электроны — к отрицательному аноду трубки. Подобное движение приводит к столкновению с атомами. При каждом столкновении атом набирает энергию, и электроны переходят на более высокую орбиту. Когда они возвращаются на изначальную орбиту, то испускают фотон: квант света.
Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к полюсам трубки недостаточно. Внутри плазмы должно постоянно существовать движение, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую.
Но здесь возникает проблема. Дело в том, что излучаемый плазмой свет невидим: это ультрафиолет, который человеческий глаз не способен воспринимать. (Ультрафиолет здесь, кстати, излучается не по случайности. Он имеет длину волны короче видимого спектра, поэтому его удобно с помощью разных люминофоров превращать в любой цвет). Поэтому свет нужно превратить в видимый. Для этого на стенки трубки наносят порошок, чувствительный к ультрафиолету и излучающий белый свет (вспомните обычные лампы дневного света). Этот порошок является люминофором, то есть преобразует одну форму излучения в другую.
Люминофоры давно используются в дисплеях. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) тоже применяют люминофоры, преобразующие поток электронов в зелёный, красный или синий свет.
От светящейся трубки к пикселю плазменной панели
Переложение этой технологии на пиксели плазменного дисплея тоже довольно логично. Каждый пиксель состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке фиолетовым), который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.
/>
Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.
Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:
Зелёный: Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+
Красный: Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3
Синий: BaMgAl10O17:Eu2+
Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.
Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей.
/>
На плазменной панели 1280×768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние — в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, — подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.
/>
Передние электроды (scan и sustain) должны быть прозрачными, поэтому их тоже напыляют из оксида индия и олова.
/>
Управление панелями ACC сложнее, но их преимущество заключается в способности обеспечивать течение плазмы дольше, чем у традиционной панели. На первом этапе между электродами scan и data прикладывается разница потенциалов в 300 В (+100 В и -200 В). Затем заряды электродов scan и sustain постоянно меняются, в результате чего они попеременно образуют разность потенциалов. Преимущество подобного подхода заключается в том, что поток плазмы не прекращает своё движение, а электрод data остаётся свободным, в результате параллельно можно адресовать другой пиксель. Подобным способом, с помощью электрода data, свечение суб-пикселя прекращается.
Преимущества и недостатки плазменных дисплеев
Преимущества
Плазменная технология имеет отдельные преимущества над ЖК. Во-первых, люминофоры для плазменного телевизора обеспечивают более сочные цвета в более широком диапазоне. Цветовой диапазон плазменных экранов намного шире, чем у ЖК-телевизоров. Если сравнивать с ЭЛТ-мониторами, то цветовой диапазон «плазмы» в ряде случаев бывает хуже, поскольку у ЭЛТ условия для возбуждения люминофора гораздо лучше: энергия электронов выше, чем у УФ-излучения.
/>
Источник: NEC-Mitsubishi.
Затем, углы обзора шире, чем у ЖК-дисплеев. Основной причиной является то, что пиксели в «плазме» как бы сами излучают свет, а у ЖК-мониторов свет от лампы подсветки проходит через кристалл пикселя. Кроме того, плазменным панелям не нужен поляризатор.
Наконец, контрастность «плазмы» аналогична лучшим ЭЛТ-телевизорам. Основная тому причина — глубокий чёрный цвет. Выключенный пиксель не излучает цвет совсем, в отличие от пикселей ЖК. Кроме того, плазменные телевизоры обладают большей яркостью, чем ЭЛТ-мониторы, обеспечивая от 900 до 1000 кд/м². Здесь есть нюанс. В отличие от ЭЛТ и ЖК в «плазме» физически невозможно обеспечить такую яркость по всему экрану. Только на отдельных площадях. Дело в том, что для запитки такого «кипятильника» потребуется источник мощностью несколько киловатт. А мощные драйверы микросхем управления просто расплавятся! Поэтому то в плазме используется принудительное охлаждение вентиляторами. К сожалению, КПД преобразований «электрическая энергия — излучение» в плазме невысокий. Чтобы избежать этого явления применяется «военная хитрость» — анализируется суммарная потребляемая мощность. И если есть опасность превышения лимита — идёт принудительный сброс средней яркости экрана.
Также следует заметить, что плазменные дисплеи могут достигать больших размеров (с диагональю от 32″ до 50″) с минимальной толщиной. Это очень важное преимущество по сравнению с ЭЛТ-дисплеями, когда большой диагонали сопутствуют громоздкие габариты. Сейчас, кстати, есть приличные модели ЭЛТ-телевизоров с относительно небольшой толщиной.
Недостатки
У плазменных панелей есть характерное свойство: большой размер пикселей. Достичь размера пикселя меньше 0,5 или 0,6 мм практически невозможно. Поэтому плазменные телевизоры с диагональю меньше 32″ (82 см) попросту не существуют. Для обеспечения достойного разрешения у производителей плазменных панелей нет другого выбора, кроме как повышать размер дисплея с 32 до 50 дюймов (с 82 до 127 см).
Что касается качества картинки, то и здесь не всё гладко. Проблемы связаны с природой пикселей. Для излучения света пиксель плазмы требует электрического разряда. Он может либо гореть, либо не гореть, но промежуточного состояния нет. Потому для управления яркостью свечения производители используют метод импульсно-кодовой модуляции.
/>
Метод такой. Чтобы пиксель горел ярко, его нужно часто зажигать. Для получения более тёмного оттенка зажигать пиксель можно реже. Глаз человека не заметит отдельные вспышки и усреднит значение яркости. Этот метод хорошо работает, но и не свободен от недостатков. Если средние и яркие оттенки отображаются вполне прилично, то тёмные оттенки страдают от недостатка света — их очень трудно отличить друг от друга.
Если получающаяся картинка с расстояния выглядит цельной, то на близком расстоянии вы вряд ли сможете ей наслаждаться. Установлено, что человеческий глаз не замечает мерцания с частотой выше 85 Гц, но это не всегда так.
По своей природе зрительная система состоит из собственно датчиков и «программы обработки» в мозге. Датчики относятся к интеграционному типу (с химической природой: разложение веществ под действием светового излучения, преобразование в электрические потенциалы и передача сигналов в мозг). Интегрирование параметров яркости и цвета происходит по времени и по площади. Если площадь объектов мала, то мерцание объектов мало заметно. Но если в поле зрения попадут объекты большей площади с модуляцией по яркости 85 Гц, то они будут обнаружены глазом! То есть датчиками, а не мозгом! Особую роль в деле обнаружения высокочастотных составляющих играет периферическое зрение. Именно оно и позволяет отлавливать компоненты 85-90 Гц.
Утомление глаз происходит вследствие того, что создаются некомфортные условия для спорадического сканирования поля зрения. Если обнаруживаются «опасные» объекты (с модуляцией, например, 85 Гц) то глазные мышцы стараются просканировать именно периферийную часть, которая имеет наибольшую чувствительность для локализации таких объектов. В обычной ситуации мышцы не рассчитаны на такие предельные нагрузки. Отсюда и накапливается усталость глаз. Дополнительная усталость возникает и в мозге. Принятые стимулы от «вибрирующих» пространственных объектов относятся к категории опасных, на фильтрацию событий тратятся дополнительные «мощности».
Чтобы избежать появления в изображении на плазменном экране артефактов и мерцания, связанных с ШИМ модуляцией, применяются изощрённые методы нелинейной импульсной модуляции с равномерным «размазываем» стимулов яркости по всему полю экрана.
К сожалению, полностью избавиться от мерцания на плазменных панелях не удаётся, особенно во время просмотра с близкого расстояния. Так что картинка на плазменном телевизоре больше, но и сидеть от экрана придётся дальше. Следовательно, большего погружения в фильм не получится.
Кроме того, у пикселей плазмы выгорает люминофор. На ЭЛТ-мониторе при долговременном выводе одной и той же картинки, она станет заметна на экране. После этого даже при смене картинки предыдущая будет видна, как будто она выгравирована на экране. Этот феномен связан с преждевременным старением люминофоров. Если они постоянно работают, то люминофоры стареют и становятся менее эффективными. Так как плазменные дисплеи тоже используют люминофоры, они выгорают точно так же, как и трубки телевизоров.
Впрочем, при стандартных условиях эксплуатации телевизора проблем возникнуть не должно, так как картинка на экране постоянно меняется, и пиксели стареют, более-менее, одинаково. Но для некоторых бизнес-применений (экран в магазине) могут возникнуть проблемы. Например, если на экране отображается один и тот же канал в режиме 24/7, то на нём могут выгореть пиксели логотипа (МТВ, НТВ и т.д.) — ведь они отображаются почти в каждом кадре. То же самое относится и к рекламным экранам, когда на них долго демонстрируется какая-либо картинка.
Именно этот феномен и ограничивает срок службы плазменных дисплеев. Несмотря на слухи, плазменные панели не «текут» и их не надо подзаряжать. Но люминофоры стареют, и с этим, к сожалению, ничего не поделаешь. Что ещё хуже, не все сцинтилляторы стареют одинаково: синий канал всегда выгорает раньше (хотя, надо сказать, ситуация сегодня намного улучшилась по сравнению с первыми плазменными панелями).
Наконец, отметим ценовой фактор: плазменные дисплеи довольно дороги. И здесь следует учитывать не только себестоимость самих панелей, которые трудно производить, но и то, что электроника панелей требует высоковольтных полупроводниковых схем, которые работают на пределах возможностей материалов. Контрольные цепи электродов должны выдерживать несколько сотен вольт на высоких частотах. Одним из последствий высоких напряжений является энергопотребление плазменных дисплеев, которое всегда выше, чем у ЖК-мониторов. Например, 42″ (107 см) плазменный дисплей потребляет 250 Вт или даже выше, а ЖК-панель с той же диагональю будет потреблять всего 150 Вт.
Применения плазменных панелей
Плазменные панели чаще всего встречаются в высококачественных видеосистемах большого формата. Их большой размер и хорошее качество картинки прекрасно подходят для просмотра DVD или телевидения высокого разрешения. Плазменные панели традиционно позиционируются на high-end сектор рынка, где проблемы высокой цены, старения люминофора и высокого энергопотребления вторичны по сравнению с качеством. Хотя, надо сказать, последние поколения ЖК-телевизоров начали вытеснять «плазму» и с этого рынка.
Если заглянуть дальше в будущее, то вполне очевидно, что ЖК будут «отъедать» рынок плазменных панелей, поскольку их диагональ продолжает увеличиваться. И причина проста: по мере наработки технологии производить ЖК-панели становится проще, да и стоят они дешевле.
Если ситуацию не изменят какие-либо инновации, плазменные панели останутся прерогативой специфических сфер использования, когда нужно выводить очень большую картинку для просмотра с большого расстояния, что сильно сужает область использования.
Проблема мерцания плазменных панелей также объясняет, почему эта технология мало подходит для компьютерных мониторов.
Технология ЖК
Перспективная технология
Понятие «жидкие кристаллы» относится не прошлому, а к позапрошлому веку — оно появилось ещё в 1889 году! И причём не в электронике, а в ботанике. В электронику жидкие кристаллы пришли только в 1963 году, когда ими заинтересовалась RCA и начала работу с DSM-эффектом динамического рассеяния в ЖК. В 1969 году Джеймс Фергюссон (James Fergason) обнаружил эффект скручивания жидких кристаллов-нематиков (twisted nematic effect, TN effect). Фергюссон работал в Кентском университете и патент на твист-нематические кристаллы он получил в 1971 году совместно со специалистами известной фирмы Hoffman La Roche, мирового производителя 90% всех ЖК-материалов. Это открытие было фундаментальным, поскольку многие ЖК-дисплеи используют принцип вращения кристалла в плоскости поляризации (Надо отметить, есть и другие принципы и эффекты. В частности, Kent Display выпускает ЖК-дисплеи на холестерических ЖК.) В 1973 году Джордж Грей (George Gray) изобрёл бифениловый (biphenyl) жидкий кристалл, который стабильно работал в условиях нормального давления и температуры. Ещё в 1986 году NEC выпустила первый портативный компьютер с ЖК-дисплеем (LCD, Liquid Crystal Display). В 1995 году диагональ ЖК-панелей превысила 28″ (71 см).
ЖК-мониторы приобрели свою зрелость благодаря портативным бытовым устройствам и телевизорам. Первый цветной телевизор ЖК в часах был сделан фирмой Casio ещё в 1981 году! Потом, в течение 12-13 лет все старания фирм в данной сфере крутились в сфере портативных телевизоров. А уже в начале 90-х их стали потихоньку продвигать в компьютеры. Определённые качества могут рано или поздно привести к тому, что ЖК-дисплеи займут лидирующее положение и в этой области.
Принцип работы
ЖК.
Основное различие между технологиями плазмы и ЖК состоит в том, что пиксели ЖК-панели, сами по себе, свет не излучают. И все качества и недостатки этой технологии автоматически выходят из этого ключевого принципа.
/>
Как и в других технологиях, пиксель ЖК-панели состоит из трёх суб-пикселей основных цветов. Но принцип работы в данном случае довольно интересен: кристалл не излучает свет, но работает в качестве переключателя, именно поэтому ЖК-панелям всегда нужна подсветка (либо отражённый свет, который тоже может использоваться). Свет, излучаемый подсветкой, проходит через жидкий кристалл, а затем и окрашивается цветовым фильтром (если быть точным, то фильтр просто не пропускает ненужные цвета спектра, поглощая до 75% света). Каждый суб-пиксель имеет одинаковое строение и отличается только цветовым фильтром. Жидким кристаллом каждого суб-пикселя можно управлять как клапаном. В зависимости от угла поворота, через кристалл проходит больше или меньше света, в результате чего каждый пиксель даёт то или иное количество красного, зелёного или синего цвета.
В деталях
Давайте рассмотрим, как работает этот световой клапан.
/>
Подсветка излучает обычный неполяризованный белый свет. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно к направлению распространения волны. Лампа излучает неполяризованный свет, поэтому вектор электрического поля может быть направлен во все стороны перпендикулярно направлению распространения волны. После того, как свет пройдёт через поляризатор, вектор его электрического поля будет иметь преимущественное направление (в нашем примере вертикальное). Если свет затем попадёт на второй поляризатор, где ось поляризации перпендикулярна первому (в нашем примере она горизонтальная), то мы ничего не увидим — свет попросту не пройдёт. Но если мы разместим между двумя поляризаторами жидкий кристалл, то он сможет повернуть ось поляризации света таким образом, чтобы она совпадала с осью второго поляризатора. Тогда свет сможет пройти. Это свойство жидких кристаллов и стало причиной их успеха в технологиях дисплеев. Что интересно, сам по себе ЖК-материал не имеет таких свойств. Его «насильно» заставили это сделать. По природе ЖК хаотичен и «ленив». И мало на что способен. Но вот под действием чужой воли, то есть ориентации, его можно заставить поработать. Огромная роль в придании поляризационной селективности играет ориентирующее покрытие, которое наносится на поверхности обеих подложек. Именно качество ориентирующего покрытия и определяют селективность процесса поляризации. Благодаря ориентирующему слою происходит выстраивание и закручивание молекул ЖК.
/>
Если подать на кристалл электрический ток, то он будет поворачиваться в зависимости от разницы потенциалов — подобно стрелке компаса, ориентирующейся по магнитному полю Земли. С помощью электрического поля можно запретить поворот оси поляризации, после чего через горизонтальный поляризатор свет уже не будет проходить, так как он будет оставаться поляризованным вертикально.
Изменяя напряжение на краях жидкого кристалла, мы получаем, своего рода, переключатель с промежуточными положениями, которые более или менее точно позволяют задать оттенки цвета.
/>
Адресуем ЖК-матрицу
Адресация ЖК-дисплеев с пассивной матрицей реализуется примерно так же, как и у плазменных панелей. Передний электрод, общий для всего столбца, проводит ток. Задний электрод, общий для всего ряда, служит «землёй».
Недостатки у старых, пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка «портит» соседние пиксели.
Чтобы устранить описанные недостатки, производители перешли на технологии активных матриц. Хотя, надо сказать, пассивные матрицы тоже со временем совершенствовались и сегодня применяются во многих устройствах, например, в сотовых телефонах.
/>
Здесь к каждой ячейке пикселя добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.
Эта технология известна ещё и под названием «TFT» (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название «ЖК» для многих стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором часто понимают дисплей, использующий технологию TFT. Хотя, конечно, это мнение верным не является.
Здесь используется намного меньшее напряжение, чем у плазменных панелей. Чтобы работать с ЖК-пикселем, достаточно разницы потенциалов от -5 до +20 В, что намного ниже сотен вольт у плазменных панелей.
Немного литографии
Процесс изготовления ЖК-панелей очень схож с производством полупроводников.
/>
На стекло наносится слой хромовых проводников для создания проводящей структуры транзисторов и запоминающих конденсаторов. Затем добавляется тонкий слой оксида кремния, который будет работать в качестве диэлектрика для затворов транзисторов и конденсаторов. После этого для создания канала транзистора наносится слой аморфного кремния. Затем две зоны транзистора легируются N+ для создания стока и истока. Наконец, наносится слой металлических проводников, чтобы связать транзистор (слева) с запоминающим конденсатором (справа). Этот слой также обеспечивает подключение к металлической шине данных. Хромовая решётка, соединяющая все транзисторы в строчке, работает в качестве горизонтальной адресной линии. Наконец, весь комплекс покрывается оксидной плёнкой для защиты компонентов.
Так как транзистор на аморфном кремнии имеет не такие хорошие характеристики, как транзистор на легированной подложке, к решётке прикладывается отрицательное напряжение (-5 В), которое гарантирует, что транзистор открыт (выключен). Как только транзисторный слой будет нанесён, можно добавлять жидкие кристаллы.
/>
Чтобы две стеклянные пластины не соприкасались друг с другом, добавляется специальный разделитель (spacer). Затем наносятся жидкие кристаллы и электроды из оксида индия и олова. После этого добавляются цветовые фильтры (в нашем случае зелёный), передняя стеклянная панель и ещё один поляризатор, ось которого перпендикулярна оси первого поляризатора.
Над транзистором наносится чёрный фильтр. Причина проста: в этой области напряжение не контролируется, в отличие от пространства под электродом. Оно зависит от напряжения в линии данных, которое может меняться даже тогда, когда наш пиксель вовсе не адресуется. Поэтому лучше «замазать» эту область, чтобы она не влияла на результат.
Преимущества и недостатки ЖК
Рождённый для компьютера
Технология ЖК даёт явные преимущества в мире вычислительной техники. Она вышла в свет благодаря компьютерам и лишь потом была адаптирована в других сферах. Благодаря процессу литографии, взятому из полупроводниковой промышленности, пиксели могут быть очень маленькими. ЖК-мониторы сегодня стали серьёзной альтернативой громоздким ЭЛТ-дисплеям и скоро вытеснят их с рынка. Кроме того, в портативных и мобильных областях без ЖК просто нельзя обойтись. Впрочем, здесь набирают силы OLED-дисплеи (органические светодиоды, Organic Light-Emitting Diode), но пока они продвигаются вперёд крохотными шажками.
В целом, решения на основе ЖК стоят дешевле плазменных моделей, но здесь во внимание следует принимать и фактор маркетинга. Если на рынке наблюдается недостаток панелей, то даже недорогие технологии могут дать продукт с астрономической ценой.
Что касается качества картинки, то ЖК-мониторы обеспечивают большую яркость по сравнению с ЭЛТ-дисплеями. Кроме того, пиксели ЖК-мониторов не мерцают, и даже на близком расстоянии вы сможете наслаждаться картинкой.
ЖК-телевизоры отличаются великолепной стабильностью картинки — вы можете сидеть вплотную к телевизору, и ваши глаза не устанут. Кроме того, яркость просто великолепна, а картинка — очень резка. Добавьте к этому разумные цены (если на рынке достаточно панелей) и уменьшенные габариты — и вы поймёте всю прелесть ЖК.
Недостатки.
К сожалению, углы обзора ЖК-телевизоров не могут достичь уровня плазменных панелей, не говоря уже о ЭЛТ. Дело в том, что излучаемый подсветкой свет проходит через два поляризатора, и лишь затем покидает поверхность монитора. Однако в этой области производители немало продвинулись вперёд, и современные ЖК-панели обладают углами обзора, вполне достаточными для комнаты.
Контрастность ЖК остаётся ниже уровня ЭЛТ и плазменных панелей, но сегодня это уже не проблема. Существенным же недостатком можно считать недостаточно глубокий чёрный цвет. Как мы уже видели выше, пиксели ЖК-панели работают как световые переключатели — и они не идеальны, то есть часть света просачивается даже в закрытом состоянии. Даже когда переключатель полностью закрыт, и соответствующий суб-пиксель должен быть чёрным, некоторое количество света всё равно проходит. И в этой области у плазменных панелей и ЭЛТ есть большое преимущество — здесь чёрный цвет является по-настоящему чёрным.
Отметим и проблему времени отклика. Сама по себе, технология поворота кристаллов очень медлительна, в результате чего ЖК-панели хуже подходят для фильмов, чем плазменные телевизоры. Впрочем, в этой области прогресс не стоит на месте, и сегодня появились ЖК-мониторы, которые весьма отзывчивы, хотя до уровня ЭЛТ ещё далеко. В то же время, приемлемое время отклика уже достигнуто, поэтому вы сможете смотреть фильмы и телевизионные передачи без всяких помех. Так что проблема времени отклика, остро стоявшая ещё несколько лет назад, сегодня уже практически решена.
Наконец, так как «родное» разрешение ЖК-мониторов высоко, для просмотра телевизионных программ и фильмов требуется интерполяция пикселей, По крайней мере, пока в наши дома не придёт HDTV. ЖК-телевизоры осуществляют интерполяцию более-менее сносно, но чем больше диагональ дисплея, тем труднее это делать. Все производители сегодня работают над этой проблемой, и у 26″ экранов уже достигнут приемлемый результат. Но до сих пор мы ещё не видели интерполированной картинки, которая бы нас удовлетворила. Впрочем, с распространением видео высокого разрешения (High Definition) эта проблема уже не будет существовать, поскольку картинка будет иметь то же разрешение, что и экран.
Применение ЖК
Конечно, областью превосходства ЖК-мониторов над любой другой плоскопанельной технологией можно считать компьютеры. Сегодня ЖК-мониторы можно использовать для любых целей, включая игры, офисные приложения и даже обработку фотографий.
Но в сфере ТВ ситуация иная. Здесь ЖК отстаёт от плазмы, но ЖК-дисплеи дешевле, да и размеры диагонали у них более разумны. По абсолютному качеству картинки плазма по-прежнему лидирует, так как она даёт глубокий чёрный цвет, на уровне ЭЛТ, великолепные углы обзора и сочные цвета. Впрочем, ЖК-панели сегодня медленно, но верно ликвидируют своё отставание, постоянно совершенствуясь.
Заключение
Несмотря на высокие заявляемые параметры для все типов современных матриц, на практике методики их измерения таковы, что позволяют производителям представить свои изделия в максимально выигрышном свете, в то время как в реальности допущенные при измерениях условности и упрощения во многих случаях играют решающую роль – отличным примером этому является время отклика MVA и PVA-матриц.
Но в будущем, как нам кажется, у ЖК-панелей более благоприятные перспективы — рынок ЖК-телевизоров вот-вот должен испытать взрывной рост. Сегодня в магазинах уже можно встретить множество ЖК-телевизоров, хороших и плохих, а часто и вовсе ужасных. Подтверждением этой тенденции, начавшейся в середине 2004 года, можно считать число производителей из компьютерной индустрии, решившихся присоединиться к рынку ЖК-телевизоров. Но телевизор — это не компьютерный монитор, и с этим обстоятельством производителям приходится считаться.
Литература:
1. Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
2. С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1
3. Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор?.. Компьютер-бизнес-маркет № 4(292), январь 2005. С. 284—291.
4. Лекции кафедры физики плазмы Новосибирского государственного университета
5. Мухин И. А. Принципы развертки изображения и модуляция яркости свечения ячейки плазменной панели. «Труды учебных заведений связи № 168», Санкт-Петербург, 2002, СПбГУТ, стр.134-140.