Види рідкокристалічних матриць, їх відмінності та особливості, комп’ютерна документація від а до я

Види рідкокристалічних матриць, їх відмінності та особливості

Історія відкриття рідких кристалів

Вперше рідкі кристали були виявлені в 1888 році австрійським ботаніком Фрідріхом Райнітцером в ході дослідження холестеринів в рослинах. Він виділив речовину, що має кристалічну структуру, але при цьому дивно провідне себе при нагріванні. При досягненні 145.5 ° C речовина каламутніла і ставало текучим, але при цьому зберігало кристалічну структуру аж до 178.5 ° C, коли, нарешті, перетворювалося в рідину. Райнітцер повідомив про незвичайне явище своєму колезі - німецькому фізику Отто Леманну, який виявив ще одне незвичайне якість речовини: ця псевдорідину в електромагнітних і оптичних властивостях проявляла себе як кристал. Саме Леманн і дав назву одній з ключових технологій відображення інформації на сьогоднішній день - «рідкий кристал».

Технічний словник роз'яснює термін «рідкий кристал» як мезофаза, перехідний стан речовини між твердим і ізотропним рідким. У цій фазі речовина зберігає кристалічний порядок розташування молекул, але при цьому володіє значною плинністю і стабільністю в широкому діапазоні температур.

Майже століття це відкриття відносилося до рангу дивовижних особливостей природи, поки в 70-х роках ХХ століття компанія Radio Corporation of America не надала перший працюючий монохромний екран на рідких кристалах. Незабаром після цього технологія почала проникати на ринок споживчої електроніки, зокрема, наручних годинників і калькуляторів. Однак до появи кольорових екранів було ще дуже далеко.

Принцип роботи рідкокристалічних екранів

Робота рідкокристалічних матриць заснована на такій властивості світла, як поляризація. Звичайний світло є неполяризованим, тобто амплітуди його хвиль лежать в величезній кількості площин. Однак існують речовини, здатні пропускати світло тільки з однієї площини. Ці речовини називають поляризаторами, оскільки пройшов крізь них світло стає поляризованим тільки в одній площині.

Якщо взяти два поляризатора, площини поляризації яких розташовані під кутом 90 ° один до одного, світло через них пройти не зможе. Якщо ж розташувати між ними щось, що зможе повернути вектор поляризації світла на потрібний кут, ми отримаємо можливість управляти яскравістю світіння, гасити і запалювати світло так, як нам хочеться. Такий, якщо описувати коротенько, принцип роботи ЖК-матриці. Конкретну реалізацію цього принципу в різних матрицях ми розглянемо нижче.

У спрощеному вигляді матриця рідкокристалічного дисплея складається з наступних частин:

  • галогенні лампи підсвічування;
  • система відбивачів і полімерних світловодів, що забезпечує рівномірне підсвічування;
  • фільтр-поляризатор;
  • скляна пластина-підкладка, на яку нанесені контакти;
  • рідкі кристали;
  • ще один поляризатор;
  • знову скляна підкладка з контактами.

Розташування кристалів у матрицях IPS

Компанія Hitachi вирішила не боротися з недоліками TN, а просто застосувати іншу технологію. За основу було взято відкриття Гюнтера Баура, що датується тисяча дев'ятсот сімдесят одна роком. Розроблена технологія отримала назву Super-TFT, а при комерціалізації - IPS (In-Plane Switching). Кардинальна відмінність даної технології від TN полягає в розташуванні кристалів: вони не скручені в спіраль, а розташовані паралельно один одному уздовж площини екрану. Обидва електроди знаходяться на нижній скляній підкладці. При відсутності напруги на електродах світло не пропускається через другий поляризаційний фільтр, площина поляризації якого розташована під кутом 90 ° до першого. Таким чином, IPS забезпечує в рази кращу контрастність, а чорний колір залишається чорним, а не темно-сірим. Крім того, кути огляду становлять 170 ° як по горизонталі, так і по вертикалі.

Недоліки технології обумовлені її достоїнствами.

По перше. щоб повернути весь масив розташованих паралельно кристалів, потрібен час. Тому час реакції у моніторів на базі IPS, а також еволюційних продовжень цієї технології S-IPS (Super-IPS) і DD-IPS (DualDomain-IPS) вище, ніж у TN + film. Середнє значення для цього типу матриць - 35-25 мс.

По-друге. розташування електродів на одній підкладці вимагає більшої напруги для створення достатньої поля, щоб повернути кристали в потрібне положення. Тому монітори на основі IPS-матриць споживають більше електроенергії.

По-третє. потрібні більш потужні лампи, щоб просвітити панель і при цьому забезпечити достатню яскравість.

По-четверте. ці панелі банально дороги, і до недавнього часу встановлювалися тільки в монітори з великими діагоналями.

Одним словом, монітори на основі матриць цього типу залишаються ідеальним вибором для дизайнерів і інших фахівців, робота яких критична до якості передачі кольору і некритична до швидкості перемикання осередків.

Розташування кристалів у матрицях MVA / PVA

У цих матрицях кристали розташовуються паралельно один до одного і під кутом 90 ° до другого фільтру. Таким чином, світло потрапляє до другого фільтр з віссю поляризації, спрямованої під кутом 90 ° до площини поляризації фільтра, і поглинається. В результаті ми отримуємо незасвічений чорний колір на екрані. Подаючи напругу на осередок, ми повертаємо кристали і отримуємо горіння пикселя.

Недоліком перших матриць VA було те, що колір різко змінювався при зміні кута огляду по горизонталі. Для того, щоб зрозуміти це явище, уявіть собі, що кристали повернені на 45 градусів і показують світло-червоний колір. Тепер зміщуємося в одну сторону. Кут огляду росте, і ми отримуємо вже набагато більш насичений червоний колір. Зміщуючись в іншу сторону, ми бачимо, як колір йде в протилежну частину спектру і стає зеленим. Тому і була розроблена MVA. Суть її полягає в тому, що поляризаційні фільтри були значно ускладнені, а на скляну підкладку стали наноситися не плоскі електроди, а своєрідні трикутники.

При відключеному струмі кристали завжди шикуються перпендикулярно підкладці, так що, з якого б боку ми не дивилися, завжди буде чорний. При включеному ж струмі, як завжди, кристали повертаються на потрібний кут і повертають вектор поляризації світла. Ось тільки кут цей - між площиною електрода і кристала. Якщо ми дивимося під кутом, ми завжди побачимо тільки одну зону, кристали в якій розташовані якраз в такому положенні, щоб не спотворювати колір. Друга зона видно не буде.

Параметри РК-моніторів

Незважаючи на те, що час відгуку комірки - далеко не найважливіший показник, найчастіше при виборі монітора покупець звертає увагу тільки на цей фактор. Власне, саме тому TN + film і домінує. Однак при виборі конкретної моделі варто обдумано зважувати всі характеристики монітора.

Час відгуку

Цей показник означає мінімальний час, за яке осередок жидкокристаллической панелі змінює колір. Існують два способи вимірювання швидкості матриці: black to black, чорний-білий-чорний, і gray to gray, між градаціями сірого. Ці значення дуже сильно розрізняються.

При зміні стану комірки між крайніми положеннями (чорний-білий) на кристал подається максимальна напруга, тому він повертається з максимальною швидкістю. Саме так отримані значення в 8, 6, а іноді і 4 мс в характеристиках сучасних моніторів.

При зміщенні кристалів між градаціями сірого на осередок подається набагато меншу напругу, тому що позиціонувати їх потрібно точно для отримання потрібного відтінку. Тому і часу для цього витрачається набагато більше (для матриць 16 мс - до 27-28 мс).

Лише недавно в кінцевих продуктах змогли втілити досить логічний спосіб вирішення цієї проблеми. На осередок подається максимальна напруга (або скидається до нуля), а в потрібний момент моментально виводиться на потрібне для утримання положення кристала. Складністю є чітке управління напругою з частотою, що перевищує частоту розгортки. Крім того, імпульс потрібно вираховувати з урахуванням початкового положення кристалів. Однак Samsung вже представила моделі з технологією Digital Capacitance Compensation, що дає показники 8-6 мс для матриць PVA.

контрастність

Втім, заявленим в характеристиках монітора значенням варто вірити тільки з натяжкою, тому що це значення змиритися для матриці. а не для монітора. І змиритися воно на спеціальному стенді, коли на матрицю подається строго стандартна напруга, підсвічування харчується строго стандартним струмом і т.д.

кути огляду

Зазвичай вказуються значення 170 ° / 170 °, втім, для TN + film це значення - не більш ніж декларація. Вимогою при визначенні кутів огляду є збереження контрастності не нижче 10: 1. При цьому абсолютно байдужа кольору в такому положенні, навіть якщо кольори будуть інвертовані. Також враховуємо, що кути визначаються в центрі матриці, а на кути ми, природно, спочатку дивимося під кутом.

Передача кольору

До перетину кордону в 25 мс при перемиканні осередку в порядку чорний-білий-чорний все матриці TN відображали чесний 24-бітний колір. Однак в гонці швидкостей AU Optronics вирішила чесну передачу кольору відкинути. Починаючи з матриць зі швидкістю 16 мс, все TN + film забезпечують тільки 262 тисячі відтінків (18 біт). Більша ж кількість відтінків забезпечується двома шляхами: або перемішуванням точок з різними кольорами (дизеринг), або зміною кольору комірки при кожному оновленні картинки (Frame Rate Control, FRC). Другий спосіб «чесніше», тому що людське око все одно не встигає помітити зміни кольору на кожному кадрі. Підкреслюємо, тільки матриці TN + film - 18-бітові, матриці, вироблені за іншими технологіями, підтримують 24-бітну передачу кольору.

перспективи

Еволюція рідкокристалічних матриць не зупинилася. При збільшенні діагоналі виникають свої складності, наприклад, розміщення величезної кількості транзисторів на скляній панелі. Підрахуємо: стандартний дозвіл для 15 "дисплея - 1024х768 пікселів. Тобто на екрані розміщені 786 432 точки. Кожна точка утворюється 3 пікселями різних кольорів. Таким чином, на панелі потрібно розмістити близько 2,35 млн транзисторів.

Отримання такої щільності на склі - досить серйозна проблема. Тому до недавнього часу тонкоплівкові транзистори формувалися на аморфному кремнії. Однак такі транзистори обмежені по корисної площі і вимагають досить високих значень напруги. Побороти цю проблему можна, використовуючи кристалічний кремній для створення транзисторів.

Для осадження кристалічного кремнію необхідні високі температури (близько 900 ° C). Однак при такій температурі розплавиться скло, на яке і потрібно осадити кремній. Тому створили кілька технологій, за допомогою яких можна осадити молекули кремнію при порівняно низькій температурі. Найпоширеніший метод - лазерний відпал. Нанесений на скляну підкладку аморфний кремній розплавляється ексимерним лазером, а потім кристалізується при температурі близько 300 ° C. Загальна назва технології - Low-Temperature PolySilicon (LTPS), низькотемпературний полікристалічний кремній.

На скляній підкладці створюється шар з LTPS, в якому формуються прозорі транзистори з оксиду індію. Завдяки тому, що рухливість електронів в кристалічному кремнії дорівнює 200 см 2 / В # 8729; с, а в аморфному - всього 0.5 см 2 / В # 8729; с, можна зменшити розмір самого транзистора. Більш того, раз кремній кристалічний, чому б і логіку драйвера панелі не розмістити в ньому ж? Так виходять панелі System on Panel, значно легші, ніж традиційні, і більш прості для інтеграції в монітор (кількість контактів зменшено з 4000 до 200). Всі ці переваги значно знижують споживання панеллю електрики.

Втім, до повсюдного впровадження LTPS повинне пройти ще досить багато часу, поки ж технологія застосовується тільки в панелях з великою діагоналлю. Причина - все та ж дорожнеча технології і складність виробництва. Однак популяризації LTPS побічно послужить поступове посилення вимог до енергоспоживання матриць з боку організацій Standard Panels Working Group і Mobile PC Extended Battery Life Working Group.