Все о жидкокристалических дисплеях

В 70-х годах ХХ столетия компанией Radio Corporation of America был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. Эффект жидкокристаллических дисплеев начал использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Потом стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие черно-белое изображение. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма.

Гигантский скачок в развитии этой технологии произошел с появлением первых ноутбуков. Сначала матрицы были черно-белыми, потом цветными, но только «пассивного» типа. Они довольно сносно отображали статические изображения и рабочий стол ноутбука, но при малейшем движении «картинка» превращалась в сплошную мазню – на экране невозможно было что-либо разобрать. Естественно, это ограничивало сферы использования нового типа дисплеев. Дальнейшая эволюция жидкокристаллических матриц привела к созданию нового их типа – «активного». Такие дисплеи уже лучше справлялись с отображением на экране движущих объектов, и это способствовало появлению стационарных мониторов. В начале ХХI столетия появились первые ЖК телевизоры. Диагональ их была еще маленькой – около 15 дюймов.

Устройство

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

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.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

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.

Преимущества и недостатки

К преимуществам жидкокристаллических дисплеев можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти раз — ниже.

Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и множество недостатков, часто принципиально трудноустранимых, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией.
• По сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки) — на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ртутных ламп.
• Фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.В ЭЛТ дисплеях эта проблема полностью отсутствует.
• Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация.
• Существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России — ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.ЭЛТ этой проблеме не подвержены.
• Пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, вообще не подверженных ей.
• Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

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.