Пассивная и активная матрица кратко

Обновлено: 05.07.2024

Добрый вечер, Ирина.
Если с околонаучной точки зрения, то термин "пассивная матрица" (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания этих LCD-дисплеев (если хотите - могу расписать технологию: ) ) не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно.
Если с точки зрения потребителя - т. е. на упрощённом языке - этот дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения. Кроме того, между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.
Лучшие результаты с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения демонстрируют экраны с активной матрицей (стоят дороже) . В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей: лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (т. е. при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения; отображает движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 ms (против 300 ms для пассивной матрицы) ; качество контрастности лучше

Вот так :)
Заранее пожалуйста и - удачи! :)

Сластёна, поражён Вашими знаниями в области компьютерной технологии. А когда мы покупаем мониторы, как узнать какая там матрица: активная или пассивная? По цене? И нужно ли это знать при выборе монитора?

Катюня Гений (51547) Вы мне льстите :) Важно или нет - решать Вам: если смотрите на ПК фильмы и/или играете в игры - то только активная матрица. Я играю редко и только в стратегии, а в них скорость отклика монитора совершенно не принципиальна, и фильмы люблю в кинотеатре (на худой конец, на домашнем кинотеатре, но уж никак не на 19 дюймах монитора компьютера) смотреть, однако мне важно качество изображения, поэтому - активная матрица. Узнать, какой тип матрицы у какого-то конкретного монитора, можно у продавца-консультанта, или почитав "сопроводилку" к монитору - время отклика(реакции) д.б. не больше 70 ms. На мой взгляд, лучшее соотношение цена-качество у мониторов NEC. У всех ноутбуков последние 2 года мониторы только с активной матрицей (в принципе, вот здесь могу ошибаться, я читаю обзоры далеко не по всем производителям - только лидеров :) ) Кажется, все. Если что-то недораскрыла - простите великодушно, ваяю ответ с телефона, даже с Т9 пальчик устал :)

Пассивная матрица дисплеев состоит из массива отображающих элементов или пикселей, расположенных на поверхности по строкам и столбцам. В OLED-дисплее каждый пиксель является органическим светодиодом, образованного на пересечении каждой линии строки и столбца. Первые OLED-дисплеи, также как и первые ЖК-дисплеи адресовались как пассивная матрица. Это означает, что для активизации пикселя необходимо приложить электрические сигналы к линиям строки и столбца, на пересечении которых находится требуемый пиксель. Чем больший ток протекает через каждый пиксель, тем больше яркость наблюдаемого свечения.

Как работает активная матрица

В активном матричном индикаторе массив также разделяется на строки и столбцы с пикселями, образуемыми на пересечении линий строк и столбцов. Однако, каждый пиксель теперь состоит из органического светодиода (OLED) последовательно с тонкопленочным транзистором (TFT). TFT – это коммутатор, который способен регулировать уровень тока через OLED.

В активной матрице OLED-дисплея (AMOLED) информация посылается микротранзистору каждого пикселя, сообщая эму как ярко необходимо светиться пикселю. TFT-транзистор запоминает эту информацию и плавно регулирует ток через OLED. Таким образом, OLED работает все время, избегая необходимости пропускания самых высоких токов, что необходимо в пассивном матричном индикаторе.

Собственная технология корпорации Universal Display должна позволить достигнуть максимальной эффективности активной матрицы OLED. Наши новые системы высокоэффективных материалов идеально подходят для использования в активной матрице OLED-дисплеев, а их высокая эффективность должна в результате существенно уменьшить энергопотребление. Архитектура TOLED позволяет органическому диоду, установленному в каждом пикселе, излучать свет далеко от поверхности. Это означает, что диод может быть размещен над TFT-транзистором, обеспечивая более яркое отображение.

Компания UDC сотрудничает с другими организациями для развития TFT-технологии, совместимой с пластиковыми поверхностями, в целях коммерциализации высокоэффективных, ярких активных матриц гибких OLED-устройств.

На протяжении всей истории персональных компьютеров их неизменными спутниками оставались мониторы, построенные на основе использования электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Известно, что изображение в таких мониторах создается за счет излучения света люминофором, который размещается на внутренней поверхности трубки. Активируется люминофор в результате его бомбардировки заряженными частицами, выпускаемыми электронной пушкой, располагающейся в основании катодной трубки. Именно благодаря такой конструкции ЭЛТ-мониторы обладают большими габаритами, которые практически не представляется возможным уменьшить без резкой потери качества изображения. Еще одним и, на мой взгляд, самым важным минусом при работе за таким монитором является то, что здоровье пользователя постоянно находится под ударом: усталость глаз и постепенное снижение зрения, постоянное облучение и нахождение в статическом поле. Да, хотя стандарты безопасности с каждым годом становятся все жестче, но все равно это проблему не снимает. Тогда возникает разумный вопрос: стоит ли экономить деньги на своем здоровье, если есть возможность приобрести более безопасное устройство?

В этом обзоре будут подробно рассмотрены альтернативные технологии производства мониторов от уже довольно распространенной LCD и до еще таких довольно экзотических как PDP и LEP. Автор постарается объективно дать оценку каждой технологии, указать на все их плюсы и минусы.

Итак, начнем, пожалуй, с LCD-мониторов, как наиболее реальной замене старичку ЭЛТ.

LCD-мониторы

Широко распространенной альтернативой электронно-лучевым мониторам выступают матрицы на жидких кристаллах (Liquid Crystal Display или LCD). Впервые эту технологию стали применять на рынке портативных компьютеров. Первые LCD-мониторы были монохромными, унаследовав эту особенность у своих предшественников - экранов для наручных часов и калькуляторов. Впоследствии на свет появились и цветные образцы.

В основе технологии, пот которой создаются жидкокристаллические мониторы, лежат особые физико-химические свойства группы веществ, которые условно называют жидкими кристаллами. По сути, это особые жидкости, молекулы которых взаимно ориентированы. В результате жидкие кристаллы проявляют однородность физических свойств, которые можно менять, подавая напряжение на полюсные контакты, расположенные по краям матрицы, заполненной жидкими кристаллами. При этом молекулы вещества меняют свою пространственную ориентацию. Вследствие всего этого оптические свойства матрицы меняются: изменяется степень ее прозрачности и характеристики отражаемого света.

Хочу сразу отметить тот факт, что процесс внедрения LCD-мониторов тормозился с одной стороны тем, что эта технология была на те времена довольно нова и еще сыра, свойства жидких кристаллов открывались постепенно; с другой - стоимость ЖК-матриц была слишком высока, вследствие чего готовые продукты на их основе не могли конкурировать с довольно дешевыми, относительно LCD, ЭЛТ-мониторами.

Необходимо пару слов сказать об эффекте поляризации. Поляризация - это отклонение от равновесного значения разности потенциалов между гальваническим электродом и раствором при прохождении электрического тока. Поляризация основана на поляризуемости отдельных веществ. Поляризуемость - способность атомов, ионов и молекул в электрическом поле Е приобретать дипольный момент р равный: р=aЕ. Иногда коэффициент пропорциональности "a" называют поляризуемостью. Как же это применяется в ЖК-матрицах? Каждый элемент ЖК-матрицы представляет собой один пиксел изображения. Для того, чтобы упорядочить все молекулы ЖК-наполнителя (тем самым придав нужные свойства), необходимо создать поляризационный эффект. Для этого на подложки экрана нанесены микроскопические направляющие каналы, вертикальные на одной стенке и горизонтальные на другой.

Однако был замечен и такой факт: молекулы ЖК-наполнителей примерно таким же образом реагируют при попадании на них луча света, как и при наличии или отсутствии электромагнитных полей. Поэтому вся матрица пикселов подвергается подсветке от внешнего источника - прямым или отраженным светом. В результате этого все молекулы экрана синхронно поворачиваются на определенный угол относительно направления луча света, в следствие чего в итоге мы получаем равномерно окрашенный экран.

Но тут возникает небольшая дилемма. Человеческий глаз не способен зафиксировать изменение плоскости поляризации без дополнительных устройств. Поэтому на внешнюю часть ЖК-матрицы обычно надевают еще два специальных фильтра. Эти поляризационные фильтры пропускают через себя без потерь поток света с соответствующей осью поляризации и задерживает остальные.

Принцип формирования изображения на LCD-мониторе аналогичен ЭЛТ-мониторам, то есть при помощи точек-пикселей. Однако вместо луча электронной пушки, бьющего в слой люминофора, мы имеем дело с большим количеством электродов, каждый из которых, собственно и отвечает за единичный пиксел изображения. Однако, каким же образом пиксел изображения окрашивается в нужный цвет? Есть два способа решения данной проблемы. Первый представляет собой разложения белого цвета на составляющие части при помощи цветовых фильтров. Но здесь палка в двух концах. С одной стороны это довольно простой и недорогой способ, с другой же - потери силы светового потока при прохождении через систему фильтров оказываются весьма значительными.

Второй способ намного более приемлем, но соответственно и дороже, так как требует точной технической реализации. В этом случае обыгрывается динамическое изменение характеристик вектора поляризации потока в результате изменения подаваемого напряжения. Разные части спектра светового потока реагируют на такое изменение по-разному, поэтому "лишние" части излучения можно попросту отсеивать.

Пассивные и активные LCD матрицы

За свою не столь долгую историю жидкокристаллические матрицы, а, следовательно, и мониторы на жидких кристаллах успели пережить смену нескольких поколений. Самыми первыми появились LCD-мониторы с так называемой пассивной матрицей, активно использовавших технологию STN (Super Twisted Nematic), которая увеличивала угол кручения молекул внутри матрицы монитора до 270°, повышая тем самым общую контрастность изображения. Пассивные мониторы подразумевали наличие обособленных электродов, каждый их которых отвечал за формирование отдельного пиксела изображения независимо от других, т.е. подсветка осуществлялась попиксельно. 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. Таким образом, на пассивных матрицах еще можно было работать в офисных программах, в то время, как динамическое изображение казалось заторможенным и размазанным (хотя, кому-то это явно нравилось если брать в расчет Motion Blur ;о). Кроме того, электроды довольно часто интерферировали друг с другом, создавая тем самым некрасивые разводы.

В последствии на смену пришла технология двойного сканирования, которая заключалась в следующем. Вся активная область экрана разделялась на две части. Таким образом, прорисовывание изображения происходило параллельно в обеих частях. Как следствие, частота обновления удваивается, а смазанность и дрожь практически исчезает. Сегодня еще можно встретить портативные компьютеры, использующие матрицы двойного сканирования. Однако, мониторы для персональных компьютеров изготавливаются уже по другим принципам.

Более дорогой, чем в случае с двойным сканированием, но, соответственно, и более качественный способ отображения экрана на жидкокристаллический монитор - это применение так называемых активных матриц. В этом случае также действует принцип один электрод - одна ячейка, однако каждый пиксел экрана обслуживает еще и дополнительный элемент, который, во-первых, снижает время, уходящее на смену напряжения на электроде (практически в шесть раз по сравнению с пассивной матрицей), а, во-вторых, устраняет опасность взаимодействия соседних ячеек друг с другом. В результате повышаются практически все параметры изображения - четкость, яркость и скорость перерисовки. Благодаря прикрепленному к каждой ячейке транзистору матрица "помнит" состояние всех элементов экрана, и сбрасывает его только в момент получения команды на обновление. Кроме того, увеличивается угол обзора, что в свое время было большой проблемой: при отклонении головы пользователя от перпендикулярного по отношению к монитору состояния изображения начинало тухнуть и смазываться.

Самой же последней технологией в мире LCD-мониторов следует считать внедрение тонкопленочных компьютеров, или TFT (Thin Film Transistor). Это - сверхтонкие пленки, толщина которых измеряется сотыми долями микрона. Матрица такого монитора состоит из огромного количества микроскопических транзисторов. К сожалению, продвижение этой технологии к массовому пользователю затруднено слишком дорогим и капризным технологическим процессом, во многом схожим с выращиванием кристаллов для подложки процессоров.

Стоит ли игра свеч?

Бытует мнение, что один из главных недостатков LCD-мониторов кроется в их фиксированном разрешении, которое жестко определяется количеством пикселей по горизонтали и вертикали и, соответственно, плотностью ячеек на дюйм. Однако, это не совсем верно. Да, это факт, что максимальное разрешение каждой матрицы строго определяется производителем и превысить его ну ни как не удастся. Однако тем же недостатком фактически обладают и обычные ЭЛТ-мониторы. Понизить же рабочее разрешение на ЖК-мониторах можно двумя принципиально различными способами. Во-первых, изображение может сжиматься вокруг центра экрана, оставляя вокруг себя черную рамку незадействованных ячеек. Во-вторых, разрешение изменяют, прибегая к интерполяции, то есть для обеспечения переходя между виртуальными пикселями растянутого изображения будут применять усредненные значения ячеек.

Этак, какие же плюсы мы имеем, приобретая на данный момент LCD-монитор взамен ЭЛТ-монитору? Во-первых, практически полная безвредность для человеческого организма. А это, на мой взгляд, один из самых важных факторов, влияющих на выбор именно этой технологии. Во-вторых, это компактность, удобство эксплуатации и эргономичность. Ну и в-третьих, абсолютно плоский экран, который способен воспроизвести изображение без малейших искажений. Из отрицательных моментов можно выделить все еще высокую цену и невозможность (на данный момент) полностью корректной цветопередачи.

PDP. Плазменные экранные матрицы

Прообразом для создания плазменных экранных матриц (Plasma Display Panels) стали самые обычные лампы дневного освещения. Плазменные мониторы состоят из полой стеклянной панели, заполненной газом. На поверхность внутренней стороны стенок выведены микроскопические электроды, образующие две симметричные матрицы, а снаружи эта конструкция покрыта слоем люминофора. Когда на контакты подается ток, между ними возникает крошечный разряд, который заставляет светиться (в ультрафиолетовой части спектра) располагающиеся рядом молекулы газа. Следствием этого является освещение участка люминофора, как это происходит в обычных ЭЛТ-мониторах.

Основные плюсы этой технологии это: во-первых, плазменные мониторы выгодно отличаются от своих конкурентов высокой яркостью и контрастностью изображения; во-вторых, в их габаритах составляющая толщины представляет собой ничтожно малую долю. Основные минусы, не позволяющие использовать эту технологию для производства мониторов, это низкая разрешающая способность и крайне высокая энергоемкость. Кроме того, стоимость таких устройств является заоблачной для массового пользователя. Да и проблемы с цветопередачей для PDP также актуальны, как и для всех прочих решений, отличных от ЭЛТ. Впрочем, сегодня еще рано судить о том, какая из существующих технологий придет на смену ЭЛТ. При современных темпах разработок и внедрения ответ на этот вопрос мы должны получить в течение ближайших трех лет.

LEP. Светоизлучающие пластики

Иная альтернатива развития мониторов, не связанная с существующими наработками - технология изготовления и использования дисплеев на основе так называемых светоизлучающих пластиков.

первый монитор, построенный по технологии LEP

Светоизлучающие пластики (Light Emission Plastics) - сложные полимеры с рядом интересных свойств. Вообще-то, использование пластических полимерных материалов в качестве полупроводников началось уже довольно давно, и встретить их можно в самых различных отраслях техники, в том числе и в бытовой электронике, включая персональные компьютеры. Однако некоторые представители этого семейства обладали и довольно необычным свойством - способностью эмитировать фотоны под воздействием электрического тока, то есть светиться.

технология LEP позволяет довести обзорность до 1800

Поначалу КПД полимерных светильников был крайне низким, и соотношение излучаемого света к затраченному потоку электронов измерялось долями процента. Но в последнее время компания Cambridge Display Technology существенно продвинулась в разработке светоизлучающего пластика и повысила эффективность этих материалов в сотни раз. Сейчас с уверенностью можно сказать, что LEP сравнились по своей функциональности с привычными светодиодами. Поэтому на повестку дня стал вопрос об их практическом применении.

кусочек светоизлучающего пластика

LEP необычайно просты и дешевы в производстве. В принципе, LEP-дисплей представляет собой многослойный набор тончайших полимерных пленок. Даже по сравнению с экранами на жидких кристаллах пластиковые мониторы кажутся совсем тонкими - всего пары миллиметров вполне достаточно для воспроизводства на них качественного изображения. По многим же параметрам светоизлучающие пластики превосходят всех своих конкурентов. Они не подвержены инверсионным эффектам, что позволяет менять картинку на таком дисплее с очень высокой частотой. Для работы LEP расходуют электрический ток слабого напряжения, да и вообще отличаются низкой электроемкостью. Кроме того, то, что пластик сам излучает, а не использует отраженный или прямой поток от другого источника, позволяет забыть о тех проблемах, с которыми сталкиваются производители мониторов на жидких кристаллах, в частности - ограниченного угла обзора. Конечно, не обошли эту еще молодую технологию и свои специфические проблемы, такие, например, как ограниченный срок службы полимерных матриц, который сегодня намного меньше, чем у электронных трубок и ЖК-дисплеев. Другая проблема касается воспроизведения светоизлучающим пластиком цветных изображений.

Таким образом, подводя итог всему вышесказанному, хочу отметить тот факт, что в ближайшие три года прямым наследником ЭЛТ-мониторов будет все-таки LCD-мониторы. Эта технология развивается уже довольно давно по компьютерным меркам, что дает основание говорить о том, что техпроцесс все улучшается, а себестоимость продукции падает, становясь все более доступной массовому пользователю.

Сейчас технологии плоскопанельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD — цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975-го уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Рисунок 1. Конструкция ЖК-дисплея.

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Рисунок 2. Плоскость поляризации.

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на рисунке 2, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 3).

Рисунок 3. Плоскость поляризации.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (см. рис. 4а).

Рисунок 4. Поляризация светового луча.

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (см. рис. 4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня они достигли 15-дюймовых размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся LCD с диагональю 20-дюймов и более. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN — сокращение от Super Twisted Nematic. Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

Рисунок 5. Конструкция ЖК-матрицы.

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN — два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120–140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° (см рис. 6), и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Угол обзора ЖК-мониторов

Рисунок 6. Угол обзора ЖК-мониторов.

Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. 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).
Thin Film Transistor (TFT), то есть тонкопленочный транзистор, это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD-панели. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов (см. рис. 7). Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1-дюймового дисплея TFT — около 0,011 дюйма (или 0,28 мм).

Рисунок 7. Конструкция TFT.

TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых — пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.

Рисунок 8. Конструкция S-TFT.

Совсем недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана (см. рис. 8). Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ-экране.

Инженеры из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды — двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.

Группа специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются при высокой температуре, что исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется органическое вещество под названием пентацен (pentacene), представляющее собой соединение фенилэтиламмония с иодидом олова.

По оценкам экспертов корпорации DisplaySearch, занимающейся исследованиями рынка плоских дисплеев, в настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) и особенно на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). В ближайшие 5—7 лет во многих областях применения обычные LCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:

микродисплеи;
светоизлучающие дисплеи на базе органических материалов - LEP;
дисплеи на базе автоэлектронной эмиссии - FED (Field Emisson Display);
дисплеи с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature PolySilicon);
плазменные дисплеи PDP (Plasma Display Panel).

Преимущества и недостатки ЖК-мониторов

Среди преимуществ TFT можно отметить отличную фокусировку, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. Почему? Ответ прост — в этих дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив, пиксели дисплея TFT никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность своего свечения.
В таблице показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов дисплеев:

Читайте также: