Тема 3.4. Активные и пассивные жидкокристаллические матрицы

Жидкие кристаллы – вещества с изменяемой кристаллической решеткой (агрегатное состояние: не совсем твердые, но и не жидкие), которые были открыты австрийским ботаником Райницером в 1888 году.

Практическое применение жидкие кристаллы нашли только спустя три четверти века, после того как в 1963 году ученый по фамилии Вильямс, работавший в RCA, открыл, что жидкие кристаллы в нормальном состоянии способны пропускать через себя свет. Но если к кристаллам приложить электрический заряд, они начинают отражать или поглощать свет. Именно это свойство жидких кристаллов используется в современных LCD- мониторах. Очевидными преимуществами с самого начала разработки новых мониторов были существенно меньший за счет толщины объем LCD- монитора по сравнению CRT-монитором и меньшее потребление электроэнергии. Еще одним преимуществом стало отсутствие высокочастотного излучения вблизи экрана.

В 1968 году в RCA создали прототип ЖК-дисплея (LCD). Используемые кристаллы были слишком нестабильными для начала промышленного производства. Однако вскоре профессор английского университета в Гуле (Hull University) открыл бифенил (Biphenyl) – очень стойкое жидкокристаллическое вещество. С тех пор технология намного продвинулась, но именно бифенил позволил начать широкомасштабное производство ЖК-дисплеев.

Цветные жидкокристаллические панели, являющиеся основой LCD- мониторов, делятся на два вида: активные и пассивные. Также используется название активные и пассивные матрицы.

Активные матрицы основаны на тонкопленочном транзисторе (Thin Film Transistor – TFT). Они обладают более четким, чистым изображением и большим углом видимости, чем пассивные. Достигается это за счет более высокой частоты обновления. В активных матрицах управление каждой точкой экрана осуществляется отдельным транзистором. В пассивных матрицах используется сетка вертикальных и горизонтальных связей.

Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы, вполне неплохо работали с текстовой информацией, но при резкой смене картинки на экране оставался след перемещения объекта, поэтому такого рода устройства не подходили для просмотра видеофильмов и игр. Сегодня на пассивных матрицах работает большинство портативных компьютеров, пейджеры и мобильные телефоны.

Одной из первых технологий пассивных матриц была технология Twisted Nematic (TN, кристаллические экраны). Мониторы с такими матрицами обладали малыми углами обзора – порядка 90° по горизонтали и вертикали и большим временем включения и выключения ячейки матрицы – порядка 50 мс, что эквивалентно частоте смены кадров 20 Гц. Естественно, что при просмотре видео или в играх из-за низкой частоты прорисовки изображение искажалось.

Существенно улучшить характеристики TN-матриц без значительного изменения и удорожания конструкции удалось путем использования технологии Super Twisted Nematic (STN) и применения полимерных пленок с двойным лучепреломлением.

Рисунок 3.4.1.

Оригинальная технология TN предполагает закручивание спирали жидких кристаллов на 90° (как показано на рис. 3.4.1). Достигается это размещением слоя кристаллов между выравнивающими пластинами с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу.

Когда к электродам, находящимся за выравнивающими пластинами, не приложено напряжение, спираль расправляется и не меняет направление поляризации проходящего вдоль нее света. В этом случае свет задерживается наружным поляризационным фильтром и мы видим черный пиксель. При включении напряжения спираль закручивается так, чтобы находящиеся на ее концах кристаллы легли в бороздки. Свет, прошедший через внутренний поляризационный фильтр, следуя вдоль спирали, меняет свою поляризацию на 90° и потому пропускается внешним фильтром, в итоге формируется белый пиксель. Изменяя напряжение, можно получить серые оттенки.

Технология STN предусматривает закручивание спирали при снятом напряжении на угол около 210°. При этом удается сократить время на раскручивание спирали до положения, обеспечивающего непрохождение светового потока. Инерционность, или, как говорят, время отклика панелей STN удалось снизить в среднем до 30 мс. Это соответствует частоте смены кадров 33 Гц. Как известно, в современных CRT-мониторах частота кадров, в зависимости от режима, составляет 100 Гц и выше, что дает время отклика 10 мс. Чтобы расширить углы обзора, в STN-матрицах стали использовать еще один слой, который представляет собой полимерную пленку с коэффициентом преломления, большим, чем у самих жидких кристаллов. Благодаря этому удалось, не внося серьезных изменений в технологию производства, увеличить углы обзора в среднем до 120° по горизонтали и 110° по вертикали. LCD-панели, имеющие такую конструкцию, получили названия TN+Film или Film Compensated STN (FSTN). Наряду с увеличенными углами обзора матрицы FSTN отличаются более высокой контрастностью и яркостью, чем у обычных STN-панелей. Создание матриц FSTN, хотя и позволило улучшить характеристики LCD-панелей, все же не решило проблему углов обзора и инерционности. Не требуя радикального изменения конструкции матриц и процесса их производства, т. е. не вызывая значительного роста себестоимости, технология FSTN послужила переходным решением, позволившим разработать более совершенные технологий.

Тема 3.5. Устройство LCD-монитора с активной матрицей Рассмотрим структуру и принцип работы активной матрицы с технологией TFT (thin film transistor – на тонкопленочных транзисторах). Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойную структуру, показанную на рис. 3.5.1 и рис. 3.5.2. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет – красный, синий или зеленый – и слой жидких кристаллов. Кроме этого для освещения экрана изнутри используется лампа подсветки. Рисунок 3.5.1. При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов – при этом изменяется ориентация кристаллов. Рисунок 3.5.2. TFT-экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024×768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей. Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков – красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока). За последние десять лет стали известны и внедрены в производство целый ряд новых технологий изготовления жидкокристаллических панелей. Так, компанией Hitachi еще в конце 1995 г. была разработана технология In-Plane Switching (IPS). Ее главное отличие от TN, STN и FSTN состоит в том, что жидкие кристаллы располагаются параллельно стеклянной подложке, а не закручиваются в спираль. Для управления ориентацией цепочек кристаллов, т. е. переключения состояния пикселей, используются электроды, размещенные только на внутренней подложке, а не по обеим сторонам цепочки. Благодаря параллельному плоскости экрана расположению жидких кристаллов углы обзора достигают 170° как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Время отклика у IPS-матриц невелико – порядка 25 мс, что обеспечивает частоту обновления картинки 40 Гц. Но, к сожалению, у этой технологии есть и свои минусы. На каждую ячейку в такой матрице приходятся два электрода, расположенных на одной из подложек. Из-за этого шаг между ячейками довольно велик и требуется более мощный источник подсветки, чтобы обеспечить хорошую яркость изображения. Следовательно, IPS-матрицы не подходят для мобильных устройств с питанием от батарей. Компания Fujitsu в 1996 г. предложила технологию Multi-Domain Vertical Alignment (MVA), которая сегодня стала более распространенной, чем IPS. Суть заложенной в данную технологию идеи состоит в том, что каждый элемент матрицы объединяет несколько жидкокристаллических цепочек (доменов), а кристаллы в каждом домене выравниваются под углом, наиболее выгодным для обзора со своей стороны. Достигается это путем создания на внутренней подложке выступов-пирамидок, грани которых задают общий наклон доменам. При отсутствии напряжения кристаллы в цепочках вытягиваются в линию, почти перпендикулярную подложке. Свет при этом не проходит, т.е. пиксель погашен (черный). Подавая напряжение на электроды, размещенные на обеих подложках (как и в случае TN), можно поворачивать кристаллы относительно оси цепочек. Соответственно изменяется количество пропускаемого ячейкой света. Пиксель формируется тремя ячейками матрицы – красного, зеленого и синего цветов. Каждая ячейка матрицы MVA состоит из четырех доменов, ориентированных под углами, благоприятными для наблюдения с разных сторон. Вследствие этого в технологии MVA получаются самые большие по площади пиксели, что обеспечивает высокую яркость и контрастность изображения при менее мощном, чем требует IPS, источнике подсветки. Жидкокристаллические панели с технологией MVA имеют увеличенные углы обзора по горизонтали и вертикали, а также значительно меньшее время отклика пикселя. Основными преимуществами жидкокристаллических мониторов являются: · экономичность; · меньшие размеры и вес; · отсутствие вредных высокочастотных излучений; · отсутствие мерцания экрана; · большая по сравнению с ЭЛТ видимая часть экрана. Недостатками существующих жидкокристаллических мониторов являются: · фиксированное оптимальное разрешение экрана, однозначно связанное с количеством элементов в матрицы; · ограниченные углы обзора по горизонтали и вертикали (углы обзора по горизонтали и вертикали определяются по падению контрастности изображения монитора 10:1; ряд производителей приводят данный параметр для случая падения контрастности 5:1, в этом случае заявленные углы обзора будут больше); · конечное (достаточно большое) время отклика ячейки матрицы, что имеет принципиальное значение при отображении на экране динамических объектов. Ключевыми характеристиками жидкокристаллических мониторов являются контрастность, яркость, время отклика и интерфейс подключения. Контрастность показывает, сколько уровней яркости могут создавать пиксели матрицы; она указывается двумя числами, например, 400:1. Сами по себе пиксели и лежащие в их основе жидкие кристаллы не вырабатывают свет, они лишь пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, что подсветка не работает, просто пиксели блокируют этот свет и не пропускают его сквозь экран. Яркость жидкокристаллического монитора может быть выше яркости электронно-лучевой трубки. Значение данного параметра приводится в виде числа с единицами измерения кд/м2 (кандел на квадратный метр). Время отклика показывает время (в миллисекундах), необходимое для переключения пикселя с черного цвета на белый и обратно. Производители указывают это время, поскольку отклик такого перехода минимален, что обусловлено принципом работы ячейки жидкокристаллической матрицы. На самом деле время отклика (обновления) пикселя зависит от его начального состояния и требуемого конечного состояния. Чем ближе исходный и конечный оттенок пикселя (например, черный цвет и наиболее темный серый оттенок), тем больше время отклика. Это связано с тем, что для такого перехода жидкие кристаллы пикселя должны быть повернуты на незначительный угол, что достигается малой величиной приложенного электрического поля, а малая величина электрического поля обусловливает малую скорость поворота жидких кристаллов. Большинство современных мониторов используют интерфейс DVI (Digital Visual Interface), разработанный Digital Display Working Group. Переход на цифровой интерфейс избавляет от искажений картинки и позволяет заметно уменьшить стоимость монитора. Интерфейс DVI использует дифференциальную технологию передачи Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) и имеет сдвоенную архитектуру (Dual Link), состоящую из 2×3 каналов. Дифференциальный способ передачи сигналов помогает избавиться от влияния большинства помех. При передаче данных по трем каналам (12 контактов на разъеме) обеспечиваются полоса пропускания 165 МГц и поддержка разрешений до 1920×1080 пикселей при частоте кадров 60 Гц или до 1280×1024 пикселей при 85 Гц. Использование всех шести каналов удваивает полосу пропускания и делает доступными режимы до 2048×1536 пикселей при 60 Гц или до 1920×1080 пикселей при 85 Гц. При этом задействованы все 24 контакта разъема. Интерфейс DVI предусматривает возможность передачи, кроме цифровых данных и аналоговые сигналы для CRT-мониторов. Реализация только цифровой части стандарта обозначается DVI-D. Интерфейс, по которому передаются и аналоговые сигналы, получил название DVI-I. Разъемы кабелей DVI-D и DVI-I отличаются числом контактов (у DVI-I их на 4 больше), но одинаковы по форме, совместимы между собой и со всеми графическими картами, оснащенными DVI-коннектором Выводы по теме 1. Жидкие кристаллы – вещества с изменяемой кристаллической решеткой (агрегатное состояние: не совсем твердые, но и не жидкие), которые были открыты австрийским ботаником Райницером в 1888 году. 2. Цветные жидкокристаллические панели, являющиеся основой LCD- мониторов делятся на два вида: активные и пассивные. Также используется название активные и пассивные матрицы. 3. Активные матрицы основаны на тонкопленочном транзисторе (Thin Film Transistor – TFT). Они обладают более четким, чистым изображением и большим углом видимости, чем пассивные. Достигается это за счет более высокой частоты обновления. В активных матрицах управления каждой точкой экрана осуществляется отдельным транзистором. 4. Крайний слой любой из сторон жидкокристаллической панели выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет – красный, синий или зеленый – и слой жидких кристаллов. Кроме этого для освещения экрана изнутри монитора используется лампа подсветки. 5. Основными преимуществами жидкокристаллических мониторов являются: экономичность, меньшие размеры и вес, отсутствие вредных высокочастотных излучений, отсутствие мерцания экрана, большая по сравнению с ЭЛТ видимая часть экрана. 6. Недостатками существующих жидкокристаллических мониторов являются: фиксированное оптимальное разрешение экрана, ограниченные углы обзора по горизонтали и вертикали, конечное (достаточно большое) время отклика ячейки матрицы. 7. Контрастность – показывает, сколько уровней яркости могут создавать пиксели матрицы; указывается двумя числами, например, 400:1. 8. Время отклика – показывает время (в миллисекундах) необходимое для переключения пикселя с черного цвета на белый и обратно. Вопросы для самоконтроля 1. Что представляют собой жидкие кристаллы? 2. Какова структура жидкокристаллической панели? 3. В чем принципиальное отличие активной и пассивной матрицы? 4. Что означает контрастность 600:1? 5. Какое время отклика предпочтительнее: 12мс или 28мс? Введение к теме 3 Цели изучения темы · изучить устройство и параметры видеоадаптера, влияющие на производительность видеоподсистемы ПК. Требования к знаниям и умениям Студент должен знать: · основные блоки видеоадаптера; · современные технологии в производстве видеоадаптеров. Студент должен уметь: · сопоставлять различные видеоадаптеры по основным характеристикам.