Устройство жидкокристаллической матрицы. LCD-мониторы

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

ЖК-панель

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716 . ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Плата управления

Плату управления по-другому называют основной платой (Main board ). На основной плате размещены два микропроцессора. Один из них управляющий 8-битный микроконтроллер SM5964 с ядром типа 8052 и 64 кбайт программируемой Flash-памяти.

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I 2 C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx .

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK . Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

В задачи контроллера ЖКИ входят такие как пересчёт (масштабирование) изображения для различных разрешений, формирование экранного меню OSD, обработка аналоговых сигналов RGB и синхроимпульсов. В контроллере аналоговые сигналы RGB преобразуются в цифровые посредством 3-х канальных 8-битных АЦП, которые работают на частоте 80 МГц.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор . По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y . Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

Инвертор DC/AC

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G . Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.

Деградация пайки, вызвавщая неисправность монитора

Также стоит заметить, что порой причиной неисправности может служить пробой диодов выпрямительного диодного моста.

В наше время технологии не стоят на месте, они стремительно развиваются, благодаря чему в мир выходят все новые, удивительные и высокотехнологичные устройства. Это касается и технологий изготовления LCD мониторов, которые на сегодняшний день пользуются наибольшим распространением и имеют самые большие перспективы. Но каково же устройство ЖК монитора и в чем его преимущества? Именно об этом и пойдет речь в данной публикации.

1. Что такое ЖК монитор

Для начала стоит разобраться, что же такое ЖК монитор. Для этого нужно понять, что такое LCD-дисплей. Как вы, наверное, уже догадались LCD это некое сокращение, полностью название имеет следующий вид – Liquid Crystal Display. В переводе на русский язык это означает жидкокристаллический дисплей. Таким образом, становится понятно, что ЖК и LCD – это одно и то же.

Данная технология построена на использовании специальных молекул жидких кристаллов, которые имеют уникальные свойства. Такие мониторы отличаются рядом неоспоримых преимуществ. Для того чтобы их понять стоит более детально разобрать принцип работы ЖК мониторов.

2. Устройство LCD монитора и принцип его работы

Как уже говорилось выше, для изготовления ЖК-дисплея используются специальные вещества, которые называются цианофенилами. Они находятся в жидком состоянии, однако при этом они имеют уникальные свойства, которые присущи кристаллическим телам. По сути – это такая жидкость, которая имеет анизотропию свойств, в частности оптических. Эти свойства связаны с упорядоченностью в ориентации молекул.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов основывается на поляризационных свойствах молекул кристаллов. Эти молекулы способны пропускать исключительно ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой располагается в параллельной оптической плоскости поляроида (молекулы кристалла). Другие световые спектры кристаллы не пропускают. Другими словами, цианофенилы являются световыми фильтрами, пропускающими только определенный световой спектр – один из основных цветов. Такой эффект и называется поляризацией света.

Благодаря тому, что длинные молекулы жидких кристаллов меняют свое расположение в зависимости от электромагнитного поля, появилась возможность управления поляризацией. То есть в зависимости от силы воздействующего электромагнитного поля на циенофенилы они меняют свое расположение и форму, тем самым меняя углы преломления света и меняя свою поляризацию. Именно благодаря сочетанию электрооптических свойств кристаллов и способности принимать форму сосуда такие молекулы получили название – жидкие кристаллы.

Именно на таких свойствах и основывается принцип работы LCD монитора. Благодаря изменению силы электромагнитного поля молекулы жидких кристаллов меняют свое положение. Таким образом, формируется изображение.

2.1. Матрица ЖК-дисплея

Матрица ЖК мониторы – это массив, состоящий из множества мельчайших сегментов, которые имеют название – пиксели. Каждым из этих пикселей можно управлять в отдельности, благодаря чему и возникает определенная картинка. Матрица LCD монитора состоит из нескольких слоев. Ключевая роль принадлежит двум панелям, которые изготовлены из свободного от натрия, а также абсолютно чистого стеклянного материала. Этот материал имеет название субстрат (или в народе – подложка). Именно между этими двумя слоями и располагается тончайший слой жидких кристаллов.

Помимо этого на панелях имеются специальные бороздки, которые контролируют кристаллы, задавая им нужную ориентацию (положение). Эти бороздки расположены параллельно друг другу на панели и перпендикулярны расположению бороздок на другой панели. То есть, на одной панели они горизонтальны, а на другой вертикальны. Если посмотреть на экран через увеличительное стекло, то можно будет увидеть тончайшие полоски (вертикально и горизонтально). Они образуют маленькие квадратики – это и есть пиксели. Они бывают и круглой формы, но в подавляющем большинстве – квадратные.

Освещение жидкокристаллических панелей может реализовываться двумя способами:

• Отражение света;
• Прохождение света.

При этом плоскость поляризации световых потоков может поворачиваться на 90˚ в момент прохождения через одну панель.

В случае возникновения электрического поля, молекулы кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль этого поля. При этом угол поворота плоскости поляризации световых потоков меняется, и становится отличным от 90˚. Благодаря этому свет беспрепятственно проходит сквозь молекулы.

Такой поворот плоскости абсолютно невозможно заметить невооруженным глазом. Из-за этого появилась потребность в добавлении к стеклянным панелям еще двух других слоев, которые играют роль поляризационных фильтров. Они пропускают исключительно такие спектры световых лучей, ось поляризации которых соответствует установленному значению. Другими словами, благодаря дополнительным панелям в момент прохождения света через поляризатор он будет ослаблен. Интенсивность света зависит от угла между плоскостью поляризации (дополнительных панелей) и осью поляризатора (основные стеклянные панели).

Если напряжение отсутствует, то ячейка будет абсолютно прозрачной, так как первый поляризатор исключительно тот свет, который имеет соответствующее направление поляризации. Направление поляризации задается молекулами жидких кристаллов, и к тому времени, как свет поступит ко второму поляризатору, он уже будет повернут, чтобы пройти через него без затруднений.

В случае воздействия электрического поля поворот вектора поляризации осуществляется на меньший угол. Это в свою очередь делает второй поляризатор частично прозрачным для потоков света. Если сделать так, что поворот плоскости поляризации в молекулах жидких кристаллов вовсе будет отсутствовать, то свет будет полностью поглощаться вторым поляризатором. Другими словами при освещении задней части дисплея передняя часть будет качаться абсолютно черной.

2.2. Управление поляризацией в ЖК мониторах при помощи электродов

Учитывая это, разработчики оснастили дисплеи достаточным количеством электродов, которые создают разные электромагнитные поля в отдельных частях экрана (в каждом пикселе). Благодаря такому решению они достигли возможности, в условиях правильного управления потенциалами этих электродов, воспроизводить на экране дисплея буквы, и даже сложные разноцветные картинки. Эти электроды могут обладать любой формой и располагаются в прозрачном пластике.

Благодаря современным новшествам в технологии, электроды имеют весьма небольшие размеры – их практически не видно не вооруженным глазом. Благодаря этому на относительно небольшой площади дисплея можно разместить достаточно большое количество электродов, что позволяет увеличить разрешение ЖК-дисплея. Это в свою очередь позволяет улучшить качество отображаемой картинки и воспроизводить даже самые сложные картинки.

2.3. Получение цветного изображения

Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в довольно сложных процессах. Однако благодаря этому пользователь получает высокое качество изображения на своем мониторе. Для того чтобы отображать цветную картинку, дисплею LCD необходима задняя подсветка, благодаря которой свет будет исходить из задней части экрана. Это позволяет пользователям наблюдать максимально высокое качество изображения, даже в условиях затемненной окружающей среды.

Принцип работы ЖК мониторов для вывода цветной картинки основывается на применении все тех же трех основных цветов:

• Синий;
• Зеленый;
• Красный.

Для получения этих спектров используется три фильтра, отсеивающие остальные спектры видимого излучения. При помощи комбинирования этих цветов для каждого пикселя (ячейки) достигается возможность вывода полноценной цветной картинки.

На сегодняшний день существует два способа для получения цветной картинки:

• Использование нескольких фильтров, расположенных друг за другом. Это приводит к малой доле пропускаемого света.
• Использование свойств молекул жидких кристаллов. Для отражения (или поглощения) излучения нужной длины можно изменять силу напряжения электромагнитного поля, которое влияет на расположение молекул жидких кристаллов, тем самым фильтруя излучение.

Каждый производитель выбирает свой вариант получения цветного изображения. Стоит отметить, что первый способ более простой, однако второй – более эффективный. Также стоит отметить, что для повышения качества изображения в современных ЖК-дисплеях, которые обладают высоким разрешением экрана, используется технология STN, позволяющая поворачивать плоскости поляризации света в кристаллах на 270˚. Также были разработаны такие типы матриц как TFT и IPS.

Именно TFT и IPS матрицы пользуются наибольшим распространением в наше время.

TFT – это Thin Film Transistor. Другими словами – это тонкопленочный транзистор, который управляет пикселем. Толщина такого транзистора составляет 0,1-0,01 микрон. Благодаря этой технологии появилась возможность достичь еще более высокого качества изображения путем управления каждым пикселем.

Технология IPS – это самая новая разработка, позволяющая достичь наивысшего качества изображения. Она предоставляет максимальные углы обзора, однако имеет большее время отклика. То есть медленнее реагирует на изменения напряжения. Однако разница во времени между 5 мс и 14 мс абсолютно не видна.

Теперь вы знаете, как работает ЖК монитор. Однако это еще не все. Существует такое понятие как частота обновления экрана.

3. Частота обновления экрана ЖК монитора

Частота обновления экрана – это характеристика, которая обозначает количество возможных изменений изображения в секунду – количество кадров в секунду. Измеряется этот показатель в Гц. Частота обновления экрана влияет на качество изображение, в частности на плавность движений. Максимальный видимый предел частоты составляет 120 Гц. Частоту выше этого предела мы увидеть не сможем, поэтому увеличивать ее нет смысла. Однако для того, чтобы монитор смог работать на такой частоте необходима мощная видеокарта, которая сможет выдавать те же 120 Гц с запасом.

Помимо этого, частота обновления экрана влияет на органы зрения и даже на психику. Выражается такое воздействие в первую очередь на усталости глаз. При низкой частоте мерцания глаза быстро устают и начинают болеть. Кроме этого, у людей со склонностью к эпилепсии могут вызываться припадки. Однако в современных LCD мониторах используются специальные лампы для подсветки матрицы, которые имеют частоту свыше 150 Гц, а указываемая частота обновления больше влияет на скорость смены картинки, но не на мерцание дисплея. Поэтому LCD мониторы меньше всего влияют на органы зрения и организм человека.

4. Как работает LCD-дисплей: Видео

4.1. Требуемая частота монитора для просмотра 3D

Для использования активных и поляризационных 3D очков используются LCD матрицы, имеющие частоту обновления экрана 120 Гц. Это необходимо для того, чтобы разделить изображения для каждого глаза, при этом частота для каждого глаза должна составлять не менее 60 Гц. Мониторы с частотой 120 Гц можно использовать и для обычных 2D фильмов или для игр. При этом плавность движений заметно лучше, нежели в мониторах с частотой 60 Гц.

Помимо этого, в таких мониторах используются специальные лампы или LED (светодиоды) подсветка, имеющая еще более высокую частоту мерцания, которая составляет около 480 Гц. Это в свою очередь существенно уменьшает нагрузку на органы зрения.

В современных мониторах можно встретить два метода реализации подсветки матрицы:

• LED – светодиодная подсветка;
• Люминесцентные лампы.

Все крупные производители переходят на использование LED подсветки, так как она имеет значительные преимущества перед люминесцентными лампами. Они ярче, компактнее, экономичнее и позволяют достичь более равномерного распределения света.

Благодаря использованию новейших технологий ЖК-мониторы абсолютно не уступают своим прямым конкурентам – плазменным панелям, а в некоторых случаях даже превосходят их.

Основным элементом LCD – мониторов, безусловно, является жидкокристаллическая панель (ЖК-панель). ЖК-панель можно отнести к основным элементам мониторов по следующим соображениям: она является самым габаритным и самым дорогим элементом монитора, а также именно характеристики панели определяют качество изображения и характеристики самого монитора. Устройство панели и принципы, заложенные в ее производство, определяют схемотехнику всей остальной части монитора, определяют его интерфейс и его элементную базу. ЖК-панель, в свою очередь, далеко не простое устройство, ведь в ее составе кроме самой матрицы жидких кристаллов, имеются еще и схемы строчных и столбцовых драйверов, имеются схемы, осуществляющие выборку строк и столбцов. Также внутри панели имеются интерфейсные схемы и микроконтроллер, обслуживающий интерфейсы. Кроме того, многие производители в состав панели вводят и блок задней подсветки. Все это подводит нас к выводу, что грамотный ремонт и диагностика мониторов LCD просто невозможны без знаний о ЖК-панелях.

Самым лучшим способом изучения принципов работы и устройства ЖК-панелей является рассмотрение этих вопросов на примере конкретного изделия. В качества такого примера предлагается выбрать панель модели LTM213U4-L01 производства фирмы Samsung Electronics, являющейся одним из лидеров в производстве данной продукции.

Характеристики ЖК-панели

Вначале, конечно же, стоит определиться, что же за панель предлагается к рассмотрению, ведь ее разрешающая способность, размер, цветовые характеристики и т.п. могут значительно изменять конструктив самой панели. Основные характеристики и особенности ЖК-панели представлены в виде таблицы – табл.1.

Таблица 1.

Параметр, характеристика	Значение
Тип	Активная матрица TFT
Размеры	432 х 324 мм (21.3 дюйма – диагональ), толщина – 26 мм
Вес	3.9 кг
Элемент изображения	Тонкопленочный транзистор на аморфном кремнии (a - Si )
Количество отображаемых цветов	16.7 миллионов (8 бит на каждый цвет)
Количество точек (разрешение)	1600х1200
Типовое время отклика	25 мс
Максимальное время отклика	35 мс
Угол обзора по вертикали или горизонтали	170°
Угол обзора во всех направлениях	Не менее 85 °
Шаг точек	0.27 мм
Режим дисплея	Нормально - черный
Тип задней подсветки	Встроенные лампы типа CCFT – две тройных лампы (всего шесть)
Тип интерфейса	Open LDI (LVDS )
Тип используемого приемника LVDS	DS90CF388
Расположение точек	Вертикальные полосы R , G , B
Используемые технологии
Диапазон рабочих температур	От 0 до +50 °С
Диапазон температур при хранении	От -20 до +65 °С
Допустимые вибрации	До 1 G
Допустимые удары	До 50 G

Конструктив ЖК-панели

Конструктив ЖК-панели

Структурная схема панели LCD -панели показана на рис.1, и по этой схеме можно сделать следующие замечания.

1) В составе панели имеется модуль задней подсветки. Такое решение характерно далеко не для всех моделей LCD -модулей. Однако стоит обратить внимание, что схема инвертора не является составной частью изделия, и инвертор должен разрабатываться производителем монитора. Инвертор – это источник питания, обеспечивающий преобразование напряжения постоянного тока от источника питания в импульсное высоковольтное напряжение, подводимое к лампам. Модуль задней подсветки образован шестью люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL ). Эти шесть ламп собраны в две группы (по три в каждой). Как и в подавляющем большинстве других ЖК-панелей лампы размещаются по краям матрицы жидких кристаллов. Для каждой из шести ламп имеется отдельный соединительный разъем.

2) ЖК-панель оснащена интерфейсом LVDS , что позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных и понизить вероятность помех. Применение этого интерфейса также обеспечивает универсальность панели, т.е. ее можно использовать с любой управляющей платой, которая оборудована интерфейсом LVDS . При использовании интерфейса LVDS информация на ЖК-панель передается в последовательном виде, и поэтому в составе панели имеется преобразователь последовательных данных в параллельный вид. Такой преобразователь представляет собой интегральную микросхему, называемую Receiver (приемник). Данные, преобразованные в параллельный вид, передаются далее на микросхему дисплейного контроллера TCON .

3) Микросхема TCON обеспечивает управление синхронизацией, приемом и распределением данных по столбцовым и строковым драйверам. На выходе микросхемы TCON формируется столько управляющих сигналов, сколько всего имеется управляющих транзисторов в панели, а рассчитать их количество достаточно просто. Если данная панель поддерживает «разрешение» 1600х1200, то на экране имеется 1200 строк и 4800 столбцов (1600х3), т.е. каждая цветная точка образована тремя стоящими рядом точками. В данной панели используется именно полосковая топология точек (Stripe ), и пример расположения точек демонстрируется на рис.2.

4) Столбцовые драйверы реализованы в виде интегральной микросхемы. Сигналы на выбор того, или иного драйверного транзистора поступают от микросхемы TCON в виде сигналов TTL – эта взаимосвязь на рис.1показана линией Control . Кроме того, для обеспечения градаций шкалы серого цвета используется метод ШИМ (Pulse Width Modulation - PWM ) . При этом методе используется различная ширина импульсов выборки строки в процессе адресации. При этом поддержка метода ШИМ обеспечивается аппаратно в структуре именно драйвера столбцов. По шине управления (на рис. 1 она обозначена VideoData ) для каждого пиксела передается 8-битовый код, которому соответствует 256 градаций шкалы серого. Коды градации записываются в регистр столбцового драйвера, а затем преобразуются в длительностьимпульсов пропорционально коду.

Оптические характеристики ЖК-панели и методы их измерения

Основные оптические характеристики, которые специфицируются для панелей на основе жидких кристаллов, и их значения для панели Samsung LTM 213 U 4- L 01представлены в табл.2.

Конструктив ЖК-панели

Структурная схема панели LCD-панели показана на рис.1, и по этой схеме можно сделать следующие замечания.

Рис. 1

1) В составе панели имеется модуль задней подсветки. Такое решение характерно далеко не для всех моделей LCD-модулей. Однако стоит обратить внимание, что схема инвертора не является составной частью изделия, и инвертор должен разрабатываться производителем монитора. Инвертор – это источник питания, обеспечивающий преобразование напряжения постоянного тока от источника питания в импульсное высоковольтное напряжение, подводимое к лампам. Модуль задней подсветки образован шестью люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL). Эти шесть ламп собраны в две группы (по три в каждой). Как и в подавляющем большинстве других ЖК-панелей лампы размещаются по краям матрицы жидких кристаллов. Для каждой из шести ламп имеется отдельный соединительный разъем.

2) ЖК-панель оснащена интерфейсом LVDS, что позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных и понизить вероятность помех. Применение этого интерфейса также обеспечивает универсальность панели, т.е. ее можно использовать с любой управляющей платой, которая оборудована интерфейсом LVDS. При использовании интерфейса LVDS информация на ЖК-панель передается в последовательном виде, и поэтому в составе панели имеется преобразователь последовательных данных в параллельный вид. Такой преобразователь представляет собой интегральную микросхему, называемую Receiver (приемник). Данные, преобразованные в параллельный вид, передаются далее на микросхему дисплейного контроллера TCON.

3) Микросхема TCON обеспечивает управление синхронизацией, приемом и распределением данных по столбцовым и строковым драйверам. На выходе микросхемы TCON формируется столько управляющих сигналов, сколько всего имеется управляющих транзисторов в панели, а рассчитать их количество достаточно просто. Если данная панель поддерживает «разрешение» 1600х1200, то на экране имеется 1200 строк и 4800 столбцов (1600х3), т.е. каждая цветная точка образована тремя стоящими рядом точками. В данной панели используется именно полосковая топология точек (Stripe), и пример расположения точек демонстрируется на рис.2.

Рис. 2

4) Столбцовые драйверы реализованы в виде интегральной микросхемы. Сигналы на выбор того, или иного драйверного транзистора поступают от микросхемы TCON в виде сигналов TTL – эта взаимосвязь на рис.1 показана линией Control. Кроме того, для обеспечения градаций шкалы серого цвета используется метод ШИМ (Pulse Width Modulation - PWM) . При этом методе используется различная ширина импульсов выборки строки в процессе адресации. При этом поддержка метода ШИМ обеспечивается аппаратно в структуре именно драйвера столбцов. По шине управления (на рис. 1 она обозначена VideoData) для каждого пиксела передается 8-битовый код, которому соответствует 256 градаций шкалы серого. Коды градации записываются в регистр столбцового драйвера, а затем преобразуются в длительность импульсов пропорционально коду.

5) В составе ЖК-панели имеется схема управления питающими напряжениями. Эта схема представляет собой преобразователь и регулятор, формирующий питающие напряжения для всех элементов панели, причем номиналы этих напряжений различны.

Оптические характеристики ЖК-панели и методы их измерения

Основные оптические характеристики, которые специфицируются для панелей на основе жидких кристаллов, и их значения для панели Samsung LTM213U4-L01 представлены в табл.2.

Таблица 2.

Характеристика				Обознач.	Условия измерения	Значение			Ед. измер
						мин	тип	макс
Масштаб контрастности					Измерительная аппаратура размещается строго перпендикулярно экрану – угол обзора равен 0° в любом направлении: θ = 0° φ = 0°
Время отклика		Нарастающий фронт							мсек
		Спадающий фронт							мсек
Яркость белого (центр экрана)				Y(L)					Кд/м 2
Цветовые координаты	Красного цвета		(X )			Отклонение 0 .03	0.632	Отклонение 0 .03
			(Y )				0.353
	Зеленого цвета		(X )				0.293
			(Y )				0.590
	Синего цвета		(X )				0.140
			(Y )				0.090
	Белого цвета		(X )				0.310
			(Y )				0.340
Угол обзора	По горизонтали		Влево		Измерение угла осуществляется при уровне контрастности больше 10 (C / R > 10)				град.
			Вправо						град.
	По вертикали		Вверх	φ H					град.
			Вниз	φ L					град.
Неравномерность яркости				Buni

Достаточно интересными являются методики измерения тех характеристик, которые упоминаются в табл.2, и рассмотрение более подробно этих методик дает очень хорошее представление о том, на что обращать внимание при выборе и определении качества LCD-монитора. Эта информация также необходима и сервисным службам, т.к. после завершения ремонтных работ необходимо осуществлять контроль выходных параметров отремонтированного изделия, и в случае несоответствия их заданным значениям, либо произвести регулировку, либо осуществить замену изделия из-за невозможности обеспечить требуемого качества изображения. Начнем рассмотрение методик по порядку упоминания характеристик монитора в таблице.

Но прежде чем говорить о методиках измерения параметров ЖК-панели, стоит сказать о том, что эти работы необходимо производить только после того, как температура панели стабилизируется. Поэтому следует вначале оставить ЖК-монитор в помещении, где будут производиться измерения примерно на 30 минут. Это помещение должно быть темным, т.е. в нем не должно быть окон, и температура в комнате измерений должна быть стабильной. Температура окружающего воздуха в комнате измерений должна иметь значение +25°С (±2°С). Требование отсутствия окон в помещении связано с тем, что внешний свет может исказить результаты измерения яркости, контрастности и угла обзора.

После истечения 30 минут монитор включается, и начинают светить лампы задней подсветки, что приводит к разогреву самой ЖК-панели. Чтобы избежать возможных искажений и неточностей измерений, необходимо подождать, пока панель не прогреется уже под действием лампы задней подсветки. После включения монитора необходимо подождать еще около 30 минут. И только после этого можно быть уверенным в точности измерений и в отсутствии температурных погрешностей.

Как уже упоминалось, измерительное оборудование должно устанавливаться строго против центра экрана, без каких либо наклонов, так как это показано на рис.3.

Рис. 3

В качестве измерителей характеристик монитора фирмой Samsung предлагается использовать анализаторы (фотодетекторы) следующих типов:

1. TOPCON BM-5A

3. PHOTO RESEARCH PR650

Прибор BM-5A размещают на расстоянии 40 см от экрана и этим прибором проводятся измерения яркости, диапазона контрастности, угла обзора и неравномерности яркости экрана. Прибором BM-7 проводится измерение времени отклика точек, и размещается прибор на расстоянии 50 см от экрана. Прибором PR650, устанавливаемым на расстоянии 50см от поверхности экрана, проводится измерение цветовых характеристик (координат) панели.

Для получения некоторых параметров ЖК-панели измерения нужно производить не только в центре, но и на краях экрана. Эти точки (и их координаты, т.е. строки и столбцы) отмечены на рис.4.

Рис. 4

Измерение контрастности

Масштаб (диапазон) контрастности, обозначаемый в англоязычной технической документации как C/R, является соотношением двух значений яркости: для белого и для черного экрана – формула (1).

Анализатором получают два значения Gmax и Gmin в центральной точке экрана (точка №5 на рис.4). Значение Gmax измеряется, когда все точки ЖК-панели светятся белым цветом. Значение Gmin измеряется анализатором при условии, что все точки экрана – черные.

Большое значение масштаба контрастности является несомненным достоинством изделия, т.к. такая панель обеспечивает широкий диапазон регулировки контрастности изображения.

Измерение времени отклика

Время отклика является суммой двух параметров: времени нарастания (Tr) и временем спада (Tf). Время нарастания измеряется при переключении ЖК-панели с черного цвета на белый. Время спада измеряется при переключении панели с белого цвета на черный. Принцип измерения времени Tr и времени Tf демонстрируется на рис.5.

Рис. 5

Измерение яркости белого

Эта характеристика ЖК-панели измеряется прибором BM-5A в центре экрана (точка №5 на рис.4). Большое значение этой характеристики соответствует широкому диапазону яркости и также является признаком хорошей панели.

Измерение цветовых характеристик

Цветовые координаты каждого цвета измеряются прибором PR650, также устанавливаемым строго напротив центра экрана (точка №5 на рис.4). Измерение цветовых характеристик проводится в соответствии со спецификацией CIE1931. Измерение цветовых координат производится для каждого цвета в отдельности, для чего на экране последовательно включается соответствующий цвет.

Измерение неравномерности яркости экрана

Для получения данной характеристики прибором BM-5A измерение яркости проводится девять раз – в каждой из точек, указанных на рис.4 при условии, что все точки экрана белые. Далее из девяти полученных результатов выбирается два – максимально значение (Bmax) и минимальное (Bmin), и по этим двум результатам вычисляется неравномерность в соответствии с формулой (2).

Кроме визуальных параметров LCD-панель описывается еще и электрическими характеристиками, приведенными в табл. 3.

Таблица 3.

Параметр		Обознач.	Значение					Ед. измер
			мин	тип		макс
Напряжение питания
Тип интерфейса		LVDS	Open LDI
Потребляемый ток	При черном шаблоне					1020	мА
	При мозаичном шаблоне				1060	1200	мА
					1260	1520	мА
							Гц
		F H					кГц
		F DCLK					МГц
Пиковое значение тока		I RUSH

Некоторые данные, приведенные в таблице, нуждаются в пояснении.

1. Полоса пропускания (основная частота) – это частота синхронизации точек, определяемая на входе передатчика шины LVDS (об этом подробнее читайте в №2 нашего журнала).

2. Пиковое значение тока определяется в момент подачи питающего напряжения на ЖК-панель. Для получения пикового тока в момент подачи напряжения питания должны быть выполнены следующие условия:

- все управляющие и все сигнальные линии ЖК-панели должны быть заземлены;

- время нарастания питающего напряжения должно быть около 470 мкс (если быть точным, то за 470 мкс уровень напряжения в линии питания ЖК-панели должен измениться от величины 10% до 90% от номинального значения).

3. Величина потребляемого ЖК-панелью тока зависит от выводимого изображения. Минимальный ток панель потребляет при выводе сплошного черного изображения, а максимальный – при сплошной белой картинке. Но измерять величину Idd принято при загрузке на экран определенного шаблона. Как видно из таблицы, потребляемый ток измеряется три раза – на разных шаблонах, что дает более объективную картину .

Такими шаблонами являются:

1. Сплошной черный экран - рис.6.

Рис. 6

2. Мозаичный экран, или шахматное поле - рис.7.

Рис. 7

3. Вертикальные чередующиеся черные и белые линии, причем каждая линия (как черна, так и белая) состоит из двух вертикальных логических столбцов – рис.8.

Рис. 8

Модуль задней подсветки

В панели Samsung LTM213U4-L01 модуль задней подсветки состоит из шести ламп, разделенных на две группы – в каждой группе по три лампы. Электрические характеристики пары ламп модуля задней подсветки представлены в табл.4.

Таблица 4.

Параметр		Обознач.	Значение					Ед. измер
			мин	тип		макс
Напряжение питания
Тип интерфейса		LVDS	Open LDI
Потребляемый ток	При черном шаблоне					1020	мА
	При мозаичном шаблоне				1060	1200	мА
	При шаблоне двух вертикальных линий				1260	1520	мА
Частота кадровой синхронизации							Гц
Частота строчной синхронизации		F H					кГц
Полоса пропускания (основная частота)		F DCLK					МГц
Пиковое значение тока		I RUSH

В современных ЖК-панелях традиционно используются люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) – исключением не является и рассматриваемая в этом обзоре. Но для всех люминесцентных ламп характерна одна особенность – это значительная зависимость и яркости свечения и режима включения лампы от окружающей температуры.

Напряжение питания на лампы подается с инвертора, который может управляться методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Яркость ламп и их время «жизни» определяется исключительно схемой инвертора, поэтому задачей производителя монитора будет разработка такой схемы инвертора, которая не должна выдавать слишком высокое напряжение на лампы. В качестве требований к инвертору можно назвать еще и стабильность импульсного высокочастотного напряжения на выходе.

Высокая частота в несколько десятков кГц, на которой работают люминесцентные лампы, может стать причиной явления интерференции, вызванного взаимодействием частоты ламп и частоты срочной развертки. Явление интерференции приводит к появлению на экране монитора такого явления, как «плывущие» строки и муар. Для подавления интерференции частота, на которой работает инвертор, должна отличаться от частоты строчной развертки и от частоты основных гармоник строчной развертки настолько, насколько это возможно обеспечить.

Хорошо спроектированный инвертор должен обеспечивать собственное отключение не позднее чем через 1 сек. В том случае, если разъем ламп задней подсветки не подключен.

Время «жизни» ламп (Hr) является условной величиной, вычисляемой как время, в течение которого выходная яркость ламп уменьшится вдвое по сравнению с начальным периодом работы. При вычислении времени «жизни» необходимо учитывать окружающую температуру, которая должна быть 25°С, а также величину действующего тока лампы, который для данной панели должен быть на уровне 6.5 мArms.

Так как лампы размещают по краям экрана, то для обеспечения симметрии с каждой стороны экрана находится по одной лампе из пары (рис.9).

Рис. 9

На рис.10 демонстрируется распределение выводов модуля задней подсветки по разъемам и их соответствие разъемам инвертора.

Рис. 10

Интерфейсы панели

ЖК-панель соединяется с внешними схемами тремя интерфейсами:

- интерфейс напряжения питания (12-контактный разъем);

- интерфейс напряжения питания модуля задней подсветки (6 разъемов по 3-4 контакта);

- интерфейс LVDS для передачи управляющих сигналов, сигналов синхронизации и цветовой информации.

Интерфейс напряжения питания имеет весьма простое распределение сигналов по контактам – первые шесть выводов – напряжение +5В, оставшиеся шесть выводов – «земля» (табл.5).

Таблица 5.

	Назначение
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
9,10

Интерфейс модуля задней подсветки уже был достаточно подробно расписан в предыдущем разделе статьи. Осталось решить вопрос с информационным интерфейсом.

В ЖК-панели LTM213U4-L01используется интерфейс LVDS, ставший на сегодняшний момент самым широко используемым в LCD-модулях. Так как данные по этому интерфейсу передаются по паре дифференциальных линий в последовательном виде, в составе ЖК-модуля имеется приемник шины LVDS, который обеспечивает преобразование последовательного кода получаемых данных в параллельный вид, удобный для контроллера TCON. В качестве приемника шины LVDS в данном устройстве используется микросхема DS90C388. Но приемник и передатчик сигналов LVDS обычно представляют собой единый набор интегральных микросхем. В паре с приемником в качестве передатчика LVDS применяется микросхема DS90C387, размещаемая на плате управления ЖК-панелью. Интерфейс LVDS выполнен в виде 31-контактного разъема, распределение сигналов на котором описывается таблицей 6.

Таблица 6.

№	Обознач.	Назначение
		Общий
		Общий
	A 0 M	Вход данных (канал 0) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 0) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 1) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 1) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 2) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 2) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
	CLKM	Вход синхросигналов для преобразования данных из последовательного вида в параллельный. Инверсный вывод дифференциального усилителя.
	CLKP	Вход синхросигналов для преобразования данных из последовательного вида в параллельный. Прямой вывод дифференциального усилителя.
	A 3 M	Выход данных (канал 3) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Выход данных (канал 3) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
		Вход данных (канал 4) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 4) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 5) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 5) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 6) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 6) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
		Вход данных (канал 7) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 7) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Зарезервированы

Более полное представление о конфигурации интерфейса дает рис.11.

Рис. 11

Цвет каждой точки кодируется 24-битами, т.е. по 8 разрядов на каждый из основных цветов (красный, зеленый, синий). Информация по каждому из трех цветов передается по двум дифференциальным линиям, что делается для увеличения производительности интерфейса. Таким образом, для передачи цвета используется шесть каналов дифференциальных линий. Еще один дифференциальный канал используется для передачи сигналов строчной и кадровой синхронизации.

На выходе приемника LVDS формируются 24 бита данных четных точек строки (BE...,GE..,RE...) и 24 бита нечетных точек (BO..., GO..., RO...). Временные диаграммы интерфейса представлены на рис.12.

Рис. 12

Техническое обслуживание и эксплуатация ЖК-панели

Рассмотрев все особенности внутреннего устройства ЖК-панели Samsung LTM213U4-L01, переходим к одному из самых практических вопросов: как правильно работать с этим модулем, что допускается с ним делать, а что категорически запрещается, каким образом обеспечить грамотный уход за панелью во время эксплуатации и какие меры предосторожности соблюдать при проведении ремонтных работ. Все правила и рекомендации, приведенные ниже, относятся к ЖК-панели, но так как она является основным элементом мониторов, то автоматически все сказанное можно перенести и на LCD-мониторы в целом.

Правила хранения ЖК-панели

1. Нельзя надолго помещать ЖК-модуль в условия повышенной температуры и повышенной влажности. Наиболее оптимальными условиями для хранения является температура от 0 до +35°С, при относительной влажности менее 70%.

2. Нельзя хранить панели TFT-LCD при воздействии на них прямого солнечного света.

3. ЖК-панели должны храниться в темном месте, защищенном от попадания солнечного света и света люминесцентных ламп.

Правила эксплуатации и обслуживания ЖК-панели

1. ЖК-панель не должна подвергаться механическим деформациям и воздействию сил на скручивание.

2. Избегать воздействия сильных ударов и воздействия перегрузок. Это может приводить к повреждению не только самой матрицы LCD-TFT, но и ламп модуля задней подсветки.

3. Поляризующая поверхность панели очень хрупкая и может быть очень легко повреждена. Нельзя нажимать на поверхность экрана и царапать ее карандашами, ручками и т.п.

4. При попадании на поверхность экрана капель воды, масла или жира немедленно удалить (вытереть) их. Если капли оставить, то это может привести к образованию пятен и потери цветопередачи в данных местах.

5. В случае загрязнения поверхности экрана чистку производить специальными абсорбирующими салфетками или очень мягкой тканью.

6. В качества очищающих средств для чистки экрана желательно использовать воду, изопропиловый спирт или гексан.

7. Категорически запрещается применять растворители класса кетонов (например, ацетон), этиловый спирт, толуол, этиловую кислоту, метолхлорид и все средства, производимые на их основе. Применение перечисленных веществ может мгновенно повредить поляризующий слой экрана за счет возникающей химической реакции.

8. Если из панели вытекает материал жидких кристаллов, то запрещается его трогать руками, подносить к глазам, носу и рту. Если же этот состав все-таки попал на кожу, руки или на одежду, то необходимо промыть все тщательно водой с мылом.

9. Необходимо принять меры по защите панели от электростатических разрядов, которые могут стать причиной отказа электронных элементов (микросхем) внутри панели.

11. Защитная пленка с экрана должна удаляться непосредственно перед применением, т.к. она обеспечивает защиту и от электростатических разрядов.

12. При наружном применении ЖК-панели (на открытом воздухе) желательно использовать ультрафиолетовые фильтры.

13. При эксплуатации необходимо избегать образования конденсата.

14. Если на экране в течение очень долгого времени отображается одна и та же информация, то пользователь может столкнуться с явлением, при котором даже при выключенном мониторе на экране видны контуры этого изображения, т.е. экран как бы «прогорает» под соответствующее изображение.

1. При установке ЖК-панели необходимо следить за тем, чтобы все крепежные элементы были использованы, т.е. панель в корпус должна устанавливаться надежно и крепко.

2. Стоит предотвращать изгиб проводов ламп задней подсветки и запрещается сильно тянуть эти провода.

4. Запрещается трогать голыми руками (без перчаток) контакты соединительных разъемов панели – это может ухудшить их проводимость.

5. Монтажные и демонтажные работы лучше всего проводить на специальных лотках, покрытых мягкими антистатическими материалами и с использованием мягких перчаток.

6. Подключение и отключение панели от управляющих схем следует производить исключительно при выключенном питании.

7. Высокие частоты, на которых работают внутренние электронные схемы ЖК-панели, могут стать причиной явления электромагнитной интерференции. Для уменьшения этих явлений осуществляется «заземление» панели и ее экранировка. Поэтому при монтаже панели все эти меры должны строго соблюдаться.

8. Стоит также учесть тот момент, что длина соединительного кабеля между лампами задней подсветки и инвертором должна быть минимальной, и лампы к инвертору должны подключаться непосредственно. Удлинение соединительных проводов может стать причиной снижения яркости задней подсветки и увеличения пускового напряжения.

Принято выделять три агрегатные состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям. Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам. Эту фазу вполне можно назвать четвертым агрегатным состоянием. Правда, не следует забывать, что имеют ее только некоторые вещества и только в определенном диапазоне температур.

Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов. Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (рис.1).

Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости.

Направление преимущественной ориентации длинных осей молекул в жидких кристаллах обозначается вектором единичной длины, называемым директором.

Основной интерес представляют материалы с нематическим порядком, они применяются в современных жидкокристаллических панелях всех типов (TN, IPS и VA). В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям. Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора смещены на различные расстояния.

Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол и директор плавно закручивается по спирали. Эта слоистая природа, образуемая оптической активностью молекул, и является основным признаком холестерического порядка. Холестерики иногда называют «скрученными нематиками».

Граница между нематическим и холестерическим порядками является в некоторой степени условной. Холестерический порядок можно получить не только у холестерического материала в чистом виде, но и при помощи добавления к нематическому материалу специальных добавок с содержанием хиральных (оптически активных) молекул. Такие молекулы содержат асимметрический атом углерода и, в отличие от молекул нематиков, являются зеркально-несимметричными.

Порядок в жидких кристаллах определяется междумолекулярными силами, которые создают упругость ЖК материала. Да, здесь можно говорить именно об упругих свойствах, хотя природа их отлична от упругих свойств обычных кристаллов, так как жидкие кристаллы все же обладают текучестью. В нормальном (или основном) состоянии молекулы стремятся вернуться в свое «положение отдыха», например, в нематическом материале — в положение с одинаковой ориентацией директора.

Упругость ЖК меньше упругости обычных кристаллов на несколько порядков и дает совершенно уникальную возможность управлять их положением при помощи внешних воздействий. Таким воздействием может служить, к примеру, электрическое поле.

Теперь подробней о том, каким образом это поле может влиять на ориентацию молекул.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин, пространство между которыми заполнено нематическим материалом. Расстояние между верхней и нижней пластиной и, соответственно, толщина слоя жидких кристаллов составляет несколько микрон. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек. Для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой (rubbing) поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа. Межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию.

Упорядоченное расположение молекул жидких кристаллов определяет анизотропию их некоторых физических свойств (напомню, анизотропией называется зависимость свойств среды от направления в пространстве). Жидкости с их хаотичным расположением молекул являются изотропными. А вот жидкие кристаллы уже обладают анизотропией, что является важным качеством, позволяющим влиять на характеристики проходящего через них света.

Для управления положением молекул используется анизотропия диэлектрической проницаемости. Она представляет собой разность

Δε = ε || + ε ⊥ где ε || — диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном вектору директора, ε ⊥ — диэлектрическая проницаемость в направлении, перпендикулярном вектору директора. Значение Δε может быть как положительным, так и отрицательным.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин с расстоянием между пластинами в несколько микрон, заполненный нематическим материалом и запечатанный. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек, для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа, межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию. Если создать в образце электрическое поле, энергия жидких кристаллов в этом поле будет зависеть от положения молекул относительно направления поля. В случае, если положение молекул не соответствует минимальной энергии, произойдет их поворот на соответствующий угол. В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля, в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией — поперек направления поля. Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.

Пусть материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию, направление электрического поля перпендикулярно исходной ориентации молекул (рис.2). При подаче напряжения молекулы будут стремиться повернуться вдоль поля. Но они изначально сориентированы по рельефу внутренних поверхностей образца, созданных протиркой и связаны с ними довольно значительным сцеплением. Как следствие, при изменении ориентации директора будут возникать крутящие моменты обратного направления. Пока поле достаточно слабое, силы упругости удерживают молекулы в неизменном положении. При увеличении напряжения, начиная с некоторого значения E c , ориентационные силы электрического поля превышают силы упругости, и начинает происходить поворот молекул. Эта переориентация под воздействием поля носит название перехода Фредерикса. Переход Фредерикса является фундаментальным для организации управления жидкими кристаллами, на нем основан принцип работы всех ЖК-панелей.

Образуется работоспособный механизм:

• с одной стороны, электрическое поле будет заставлять молекулы жидких кристаллов поворачиваться на нужный угол (в зависимости от значения приложенного напряжения);
• с другой стороны, упругие силы, вызванные межмолекулярными связями, будут стремиться вернуть исходную ориентацию директора при сбросе напряжения.

Если исходная ориентация директора и направления электрического поля не строго перпендикулярны, то пороговое значение поля E c снижается, благодаря чему становится возможным воздействовать на положение молекул значительно меньшим полем.

В этом месте придется немного отвлечься от жидких кристаллов, для того, чтобы пояснить понятия «поляризация света» и «плоскость поляризации» — без них дальнейшее изложение будет невозможно.

Свет можно представить, как поперечную электромагнитную волну, электрическая и магнитная составляющие которой колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.3).

Естественный свет (называемый также естественно поляризованным или неполяризованным) содержит колебания вектора E , равновероятные во всех направлениях, перпендикулярных вектору k (рис.4).

Частично поляризованный свет имеет преимущественное направление колебания вектора E . У частично поляризованного света в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Отношение между этими амплитудами определяет степень поляризации.

Линейно поляризованный свет — это свет, имеющий единое направление вектора E для всех волн. Понятие линейно поляризованного света является абстрактным. На практике, говоря о линейно поляризованном свете, обычно имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации.

Плоскость, в которой лежат вектор E и вектор направления волны k , называется плоскостью поляризации.

Теперь вернемся к ЖК.

Вторым после диэлектрической анизотропии важнейшим физическим свойством жидких кристаллов, используемым для управления световым потоком через них, является оптическая анизотропия. Жидкие кристаллы имеют различные значения коэффициента преломления света для параллельного и перпендикулярного директору направления распространения. То есть, скорость распространения светового луча параллельно или перпендикулярно директору будет различной — при более высоком коэффициенте она, как известно, будет ниже. Оптическая анизотропия или анизотропия коэффициента преломления есть разность между двумя коэффициентами:

Δ n = n || + n ⊥ где n || — коэффициент преломления для плоскости поляризации, параллельной директору; n ⊥ — коэффициент преломления для плоскости поляризации, перпендикулярной директору.

Присутствие в материале двух различных значений для n || и n ⊥ вызывает эффект двойного лучепреломления. Когда свет попадает в двулучепреломляющий материал, каким является нематик, происходит разбиение электрического полевого компонента световой волны на два векторных компонента — вибрирующий в «быстрой» оси и вибрирующий в «медленной» оси. Эти компоненты носят название соответственно обыкновенного (ordinary) и необыкновенного (extraordinary) лучей. Направления поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно ортогональны. А наличие в материале «быстрой» и «медленной» осей обусловлено тем, о чем говорилось выше — различными коэффициентами преломления для лучей, распространяющихся соответственно параллельно или перпендикулярно направлению директора.

На рис.5 показано распространение волн вдоль «быстрой» и «медленной» осей. Нужно подчеркнуть, что ось в данном случае — это не фиксированная прямая, а направление плоскости, в которой происходят колебания волны.

Поскольку фазовые скорости обыкновенного и необыкновенного луча различны, разность их фаз будет меняться по мере распространения волны. Изменение разности фаз этих ортогональных компонентов вызывает изменение направления поляризации световой волны. На рисунке для наглядности сумма ортогональных компонентов представлена результирующим вектором E r . Можно видеть, что по мере распространения волны происходит вращение направления вектора E r . Таким образом, сложение волн на выходе из двулучепреломляющего материала даст волну с измененным относительно исходного направлением поляризации.

Угол поворота плоскости поляризации будет зависеть от ориентации молекул в материале.

Конструкция панели

Существует несколько технологий ЖК-панелей. Для иллюстрации конструкции в данном случае приведена TN, как наиболее распространенная (рис.6).

Все жидкокристаллические панели для мониторов являются трансмиссивными — изображение в них формируется за счет преобразования светового потока от расположенного сзади источника. Модуляция светового потока осуществляется за счет оптической активности жидких кристаллов (их способности вращать плоскость поляризации проходящего света). Реализуется это следующим образом. При прохождении через первый поляризатор свет от ламп подсветки становится линейно поляризованным. Далее он следует через слой жидких кристаллов, заключенный в пространстве между двумя стеклами. Положение молекул ЖК в каждой ячейке панели регулируется электрическим полем, создаваемым за счет подачи напряжения на электроды. От положения молекул зависит поворот плоскости поляризации проходящего света. Таким образом, за счет подачи на ячейки нужного значения напряжения происходит управление поворотом плоскости поляризации.

Для доставки напряжения к субпикселю служат вертикальные (data line) и горизонтальные (gate line) линии данных, представляющие собой металлические токопроводящие дорожки, нанесенные на внутреннюю (ближайшую к модулю подсветки) стеклянную подложку. Электрическое поле, как уже говорилось, создается напряжением на электродах — общем и пиксельном. Напряжение используется переменное, поскольку применение постоянного напряжения вызывает взаимодействие ионов с материалом электродов, нарушение упорядоченности расположения молекул ЖК-материала, и приводит к деградации ячейки. Тонкопленочный транзистор играет роль переключателя, который замыкается при выборе адреса требуемой ячейки на линии сканирования, разрешает «записать» требуемое значение напряжения и по окончании цикла сканирования вновь размыкается, позволяя сохранять заряд в течение некоторого периода времени. Зарядка происходит в течение времени T = T f /n , где T f — время вывода кадра на экран (например, при частоте обновления 60 Гц время вывода кадра составляет 1 с / 60 = 16.7 мс), n — количество строк панели (например, 1024 для панелей с физическим разрешением 1280х1024). Однако, собственной емкости жидкокристаллического материала недостаточно для сохранения заряда в интервале между циклами обновления, что должно вести к спаду напряжения и, как следствие, снижению контрастности. Поэтому, кроме транзистора, каждая ячейка оснащается запоминающим конденсатором, который также заряжается при открытии транзистора и помогает компенсировать потери напряжения до начала очередного цикла сканирования.

Вертикальные и горизонтальные линии данных при помощи подклеенных плоских гибких шлейфов соединены с управляющими микросхемами панели — драйверами, соответственно столбцовым (source driver) и строчным (gate driver), которые обрабатывают поступающий с контроллера цифровой сигнал и формируют соответствующее полученным данным напряжение для каждой ячейки.

После слоя жидких кристаллов расположены цветовые фильтры, нанесенные на внутреннюю поверхность стекла панели и служащие для формирования цветной картинки. Используется обычный трехцветный аддитивный синтез: цвета образуются в результате оптического смешения излучений трех базовых цветов (красного, зелёного и синего). Ячейка (пиксель) представляет собой три раздельных элемента (субпикселя), каждому из которых сопоставлен расположенный над ним цветовой фильтр красного, зеленого или синего цвета, комбинациями из 256 возможных значений тона для каждого субпикселя можно получить до 16,77 миллионов цветов пикселя.

Структура панели (металлические вертикальные и горизонтальные линии данных, тонкопленочные транзисторы) и пограничные области ячеек, где нарушена ориентация молекул, должны быть скрыты под непрозрачным материалом, чтобы избежать нежелательных оптических эффектов. Для этого применяется так называемая черная матрица (black matrix), которая напоминает тонкую сетку, заполняющую промежутки между отдельными цветовыми фильтрами. В качестве материала для черной матрицы используется хром или черные смолы.

Заключительную роль в формировании картинки играет второй поляризатор, часто называемый анализатором. Его направление поляризации смещено относительно первого на 90 градусов. Чтобы представить назначение анализатора, можно условно удалить его с поверхности подключенной панели. В этом случае мы увидим все субпиксели максимально освещенными, то есть ровную белую заливку экрана вне зависимости от выведенной на него картинки. От того, что свет стал поляризованным, и плоскость его поляризации вращается каждой ячейкой по-разному, в зависимости от приложенного к ней напряжения, для наших глаз пока ничего не изменилось. Функция анализатора как раз и состоит в отсечении нужных компонентов волн, что позволяет увидеть на выходе требуемый результат.

Теперь о том, как это отсечение нужных компонентов происходит. Возьмем для примера поляризатор с вертикальным направлением поляризации, т.е. пропускающий волны, ориентированные в вертикальной плоскости.

На рис.7 показана волна, распространяющаяся в плоскости, лежащей под некоторым углом относительно вертикального направления поляризации. Вектор электрического поля падающей волны можно разложить на две взаимно перпендикулярных составляющих: параллельную оптической оси поляризатора и перпендикулярную ей. Первая составляющая, параллельная оптической оси, проходит, вторая (перпендикулярная) блокируется.

Отсюда очевидны и два крайних положения:

• волна, распространяющаяся в строго вертикальной плоскости, будет пропускаться без изменений;
• волна, распространяющаяся в горизонтальной плоскости, будет блокироваться, как не имеющая вертикальной составляющей.

Эти два крайних положения соответствуют полностью открытому и полностью закрытому положению ячейки. Подытожим:

• Для максимально полной блокировки проходящего света ячейкой (субпикселем) требуется, чтобы плоскость поляризации этого света была ортогональна плоскости пропускания анализатора (направлению поляризации);
• Для максимального пропускания света ячейкой плоскость его поляризации должна совпадать с направлением поляризации;
• Плавно регулируя напряжение, подаваемое на электроды ячейки, можно управлять положением молекул жидких кристаллов и, как следствие, поворотом плоскости поляризации проходящего света. И тем самым изменять количество пропускаемого ячейкой света.

Так как угол поворота плоскости поляризации зависит от расстояния, пройденного светом в слое жидких кристаллов, этот слой должен иметь строго выдержанную толщину по всей панели. Для поддержания равномерности расстояния между стеклами (со всей нанесенной на них структурой) применяются специальные распорки (spacers).

Простейшим вариантом являются так называемые шариковые распорки (ball spacers). Они представляют собой прозрачные полимерные или стеклянные шарики строго определенного диаметра и наносятся на внутреннюю структуру стекла путем распыления. Соответственно, располагаются они хаотично по всей площади ячейки и их наличие отрицательно влияет на ее однородность, так как распорка служит центром для дефектной области и непосредственно возле нее молекулы ориентируются неправильно.

Применяется и другая технология — распорки колонного типа (column spacer, photo spacer, post spacer). Располагаются такие распорки с фотографической точностью под черной матрицей (рис.8). Преимущества такой технологии очевидны: повышение контрастности за счет отсутствия световых утечек возле распорок, более точный контроль однородности зазора за счет упорядоченного расположения распорок, повышение жесткости панели и отсутствие ряби при нажиме на поверхность.

Панель TN, конструкция которой была приведена на рис.6, является самой недорогой в производстве, что определяет ее доминирование на рынке массовых мониторов. Кроме нее существует еще несколько технологий, различающихся расположением, конфигурацией и материалом электродов, ориентацией поляризаторов, используемыми ЖК-микстурами, исходной ориентацией директора в жидкокристаллическом материале и т.д. Согласно исходной ориентации директора все существующие технологии можно разделить на две группы:

1. Планарная ориентация

Сюда относятся все IPS-технологии (S-IPS, SA-SFT и др.), а также FFS (в настоящее время — AFFS), разработанная и продвигаемая компанией Boe HyDis. Молекулы выравниваются горизонтально, параллельно основанию подложек, в направлении, заданном протиркой, верхняя и нижняя подложки протерты в одном направлении. Все электроды, как пиксельные, так и общие, находятся на одной стеклянной подложке панели — внутренней, вместе с линиями данных и транзисторами. В IPS-технологиях пиксельные и общие электроды расположены параллельно, чередуясь друг с другом (рис.9). Силовые линии поля проходят горизонтально, но под некоторым углом относительно направления протирки. Поэтому при подаче напряжения молекулы, обладающие в данном случае положительной диэлектрической анизотропией, стремясь выстроиться по направлению приложенного поля, поворачиваются в той же плоскости на угол, зависящий от его (поля) напряженности. В случае FFS общий электрод расположен под пиксельным — при такой конструкции приложенное к электродам напряжение образует электрическое поле, имеющее как горизонтальную, так и вертикальную составляющие. Если для IPS в приведенных на рис.9 координатных осях поле можно охарактеризовать как E y , то для FFS соответствующие значения будут выглядеть как E y и E z . Такое расположение силовых линий поля позволяет использовать ЖК-материалы как с положительной, так и с отрицательной диэлектрической анизотропией. Поворот молекул, аналогично IPS, происходит в той же плоскости по направлению горизонтальной составляющей поля, но при этом из-за меньшего количества пограничных зон поворачивается значительно большее количество молекул, что позволяет сузить ширину решетки черной матрицы и достичь более высокого отношения апертуры панели.

Одним из основных плюсов технологий с планарной ориентацией директора является крайне незначительный цветовой сдвиг (color shift) палитры при изменении угла обзора. Эта стабильность объясняется конфигурацией спирали, образуемой молекулами жидкокристаллического материала под действием поля, которая в данном случае имеет симметричную форму. На рис.9 схематично показано положение ЖК-молекул при поступлении напряжения на электроды — очевидно, что максимальный угол поворота достигается в средних слоях. Такая неоднородность обусловлена тем, что, как уже говорилось, ориентация молекул в нужном направлении параллельно основанию подложек получена за счет предварительной обработки (протирки) их поверхностей. Поэтому подвижность молекул в непосредственно граничащем с подложкой слое ограничивается рельефом подложки, а последующих близлежащих слоях — межмолекулярными силами. В результате под воздействием поля молекулы образуют спираль, напоминающую форму ленты с зафиксированными в одной плоскости концами и повернутой центральной частью. Существует понятие оптического пути, зависящего от коэффициента преломления среды, в которой распространяется луч и результирующего фазового набега по направлению его следования. Световые лучи, проходящие через слой жидких кристаллов, имеют различную длину оптического пути в зависимости от угла прохождения. Симметричная форма спирали молекул позволяет получить для каждого серого уровня точное дополнение длины оптического пути в своих верхней и нижней половинках, следствием является практически полное отсутствие зависимости отображаемых оттенков от углов обзора. Благодаря такому свойству, IPS-панели используются в подавляющем большинстве мониторов, ориентированных на работу с графикой.

При прохождении световой волны направление врашения результирующего вектора (см. рис.5) частично повторяет форму изгиба спирали, образуемой молекулами. Поэтому вращение плоскости поляризации при прохождении волны через первую часть ЖК-материала происходит в одном направлении, а через вторую — в противоположном. Различное, в зависимости от приложенного напряжения, запаздывание по фазе одного из компонентов волны приводит к тому, что направление результирующего вектора E r на выходе из слоя жидких кристаллов отличается от исходного, это позволяет определенной части светового потока пройти через анализатор. Светопропускающие плоскости поляризатора и анализатора, как и во всех остальных технологиях смещены относительно друг друга на угол 90 градусов.

Во всех выпускаемых в настоящее время вариациях (S-IPS, AFFS, SA-SFT) используется 2-доменная конструкция ячейки. Для этого применяются электроды зигзагообразной формы, которые вызывают поворот молекул в двух направлениях. Первоначальные версии, обозначавшиеся как просто «IPS» и «FFS», без приставок «Super» и «Advanced», были монодоменными, поэтому имели цветовой сдвиг и меньшие углы обзора (от 140/140 по падению контрастности до 10:1 у первых IPS).

К планарной ориентации обычно причисляется и твист-ориентация (или закрученная ориентация). Выравнивание молекул вдоль основания подложек в этом случае также достигается протиркой их поверхностей, с той разницей, что направления протирки верхней и нижней подложек смещены друг относительно друга. В результате такого выравнивания в нематическом материале директор образует спираль, напоминающую холестерическую, для правильного формирования спирали в ЖК-микстурах применяются специальные добавки с содержанием хиральных молекул. Твист-ориентация используется в наиболее широко распространенной TN (или TN+Film) технологии. Описывать и иллюстрировать конструкцию TN здесь не имеет смысла, это неоднократно сделано в многочисленных материалах на аналогичные темы — можно сказать, что она хорошо известна.

2. Гомеотропная ориентация

К этой группе принадлежат MVA и PVA. Директор ориентирован перпендикулярно основанию стеклянной подложки, это достигается применением в покрытии подложки поверхностно-активных веществ. Общие и пиксельные электроды расположены на противоположных подложках, поле ориентировано вертикально. Здесь используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией, поэтому приложенное напряжение вызывает поворот молекул ЖК против силовых линий поля. MVA отличается наличием микроскопических продольных выступов (protrusion) для преднаклона молекул на верхней, либо на обеих подложках, поэтому исходное вертикальное выравнивание не является полным. Молекулы, выравниваясь по этим выступам получают небольшой преднаклон, что позволяет задать для каждой области (домена) ячейки определенное направление, в котором будет происходить поворот молекул под воздействием поля. В PVA такие выступы отсутствуют и в отсутствие напряжения директор ориентирован строго перпендикулярно поверхности, а пиксельный и общий электроды смещены друг относительно друга так, что создаваемое поле не строго вертикально, а содержит наклонный компонент (рис.10).

К технологиям с гомеотропной ориентацией директора относится также ASV, разработанная компанией Sharp. В пределах субпикселя здесь располагается несколько пиксельных электродов, имеющих форму квадратов со скругленными краями. Основные принципы те же: общий электрод расположен на противоположной подложке, молекулы в отсутствие поля ориентированы вертикально, используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией. Создаваемое поле имеет выраженный наклонный компонент и молекулы, поворачиваясь против направления поля, создают структуру, направление директора в которой напоминает форму зонтика с центром в середине пиксельного электрода.

Существует также деление ЖК-модулей по типам в зависимости от состояния ячеек в отсутствие напряжения. Нормально белыми (normally white) называются панели, у которых при нулевом напряжении на ячейках они полностью открыты — соответственно, на экране воспроизводится белый цвет. Нормально белыми являются все панели, изготовленные по технологии TN. Панели, блокирующие прохождение света при отсутствии напряжения, относятся к нормально черным (normally black), к этому типу принадлежат все остальные технологии.

Модуль подсветки

...на базе флюоресцентных ламп

Сквозь тело панели (поляризаторы, электроды, цветофильтры и пр.) проходит лишь незначительная часть изначального светового потока от ламп подсветки, не более 3%. Поэтому собственная яркость модуля подсветки должна быть довольно значительной — как правило, применяемые лампы имеют яркость свыше 30000 кд/м 2 .

Для подсветки применяются CCFL — флуоресцентные лампы с холодным катодом (без нитей накала катодов). CCFL-лампа представляет собой запечатанную стеклянную тубу, наполненную инертным газом с небольшой примесью ртути (рис.11). Катоды в данном случае являются равноправными электродами, так как для питания используется переменный ток. В сравнении с лампами с накаливаемым (горячим) катодом, электроды у CCFL имеют другое строение и больший размер. Рабочая температура катода существенно отличается: 80-150 o C против приблизительно 900 o C у ламп с горячим катодом, при близкой температуре самой лампы — 30-75 o C и 40 o C соответственно. Рабочее напряжение для CCFL составляет 600-900 В, пусковое напряжение — 900-1600 В (цифры достаточно условные, так как спектр применяемых ламп очень широк). Образование света происходит при ионизации газа, а необходимым условием ее возникновения в лампе с холодным катодом является высокое напряжение. Поэтому для запуска такой лампы требуется на несколько сотен микросекунд подать на электроды напряжение, значительно превышающее рабочее. Приложенное высокое переменное напряжение вызывает ионизацию газа и пробой зазора между электродами, возникает разряд.

Пробой разрядного промежутка происходит по следующим причинам. В обычных условиях наполняющий лампу газ является диэлектриком. При появлении электрического поля небольшое количество ионов и электронов, всегда присутствующее в объеме газа, приходит в движение. Если подать на электроды достаточно высокое напряжение, электрическое поле сообщает ионам настолько высокую скорость, что при столкновении с нейтральными молекулами происходит выбивание из них электронов и образование ионов. Вновь образовавшиеся электроны и ионы, двигаясь под воздействием поля, также вступают в процесс ионизации, процесс принимает лавинообразный характер. После того, как ионы начинают получать достаточную энергию, чтобы выбивать электроны ударами о катод, возникает самостоятельный разряд. В отличие от ламп с горячим катодом, где разряд является дуговым, тип разряда в CCFL — тлеющий.

Поддержание разряда происходит за счет так называемого катодного падения потенциала. Основная часть падения потенциала (напряжения) в разряде приходится на прикатодную область. Ионы, пробегая этот промежуток с высокой разностью потенциалов, приобретают большую кинетическую энергию, достаточную для выбивания электронов из катода. Выбитые электроны за счет той же разности потенциалов ускоряются обратно в разряд, производя там новые пары ионов и электронов. Ионы от этих пар возвращаются к катоду, ускоряются падением напряжения между разрядом и катодом, и снова выбивают электроны.

Энергия электрического тока вызывает переход находящейся в лампе ртути из жидкого состояния в газообразное. При столкновении электронов с атомами ртути происходит выделение энергии, вызванное возвращением атомов из нестабильного состояния в стабильное. При этом возникает интенсивное излучение в ультрафиолетовой области — доля ультрафиолета составляет около 60% общего излучения.

Видимый свет образуется за счет люминофорного покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность стекла. Ультрафиолетовые фотоны, выпущенные ртутью, возбуждают атомы в люминофорном покрытии, повышая уровень энергии электронов. Когда электроны возвращаются к первоначальному уровню энергии, атомы в покрытии производят энергию в виде фотонов видимого света. Люминофор является важнейшим компонентом лампы, от него зависят характеристики спектра излучения. Спектр CCFL крайне неровный, в нем присутствуют ярко выраженные узкие пики. Даже использование многослойного люминофорного покрытия (в ущерб максимальной яркости) не позволяет «обогнать» кинескопные мониторы по цветовому охвату. Поэтому при производстве панели для достижения приемлемого цветового охвата необходим еще и точный подбор цветовых фильтров, полосы пропускания которых должны максимально соответствовать пикам спектра излучения ламп.

Максимальный цветовой охват в идеале могла бы обеспечить комбинация монохроматических источников основных цветов и качественных цветофильтров. На роль «квазимонохроматических» источников света могут претендовать так называемые лазерные светодиоды, но технология производства пока не обеспечивает рентабельность их применения в модулях подсветки. Поэтому на данный момент луший цветовой охват позволяют достичь модули подсветки на основе RGB-пакетов светодиодов (см. ниже).

Для формирования напряжения в несколько сотен вольт, необходимого для работы ламп, используются специальные преобразователи — инверторы. Регулировка яркости CCFL осуществляется двумя способами. Первый заключается в изменении тока разряда в лампе. Значение тока в разряде составляет 3-8 мА, значительная часть ламп имеет еще более узкий диапазон. При меньшем токе страдает равномерность свечения, при большем — существенно сокращается срок службы лампы. Недостаток этого способа регулировки состоит в том, что он позволяет изменять яркость в очень небольшом диапазоне, существенное ее снижение при этом невозможно. Поэтому мониторы с такой регулировкой при работе в условиях слабого внешнего освещения часто оказываются излишне яркими даже при нулевом значении яркости. При втором способе генерируется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) питающего лампы напряжения (осуществляется управление шириной, т.е. длительностью импульса, за счет изменения ширины единичного импульса регулируется средний уровень напряжения.). В недостатки такому способу иногда приписывается появление мерцания ламп при реализации ШИМ на низкой частоте — 200 Гц и ниже, по сути же регулировка с помощью ШИМ представляет собой наиболее разумный подход, так как позволяет изменять яркость в широком диапазоне.

Для равномерного распределения света ламп применяется система из световодов, рассеивателей и призм. Вариантов организации распределения света существует множество, один из них показан на рис.12.

Решения с расположением ламп по верхней и нижней торцевым сторонам панели являются наиболее распространенными, такая компоновка позволяет значительно снизить общую толщину изделия. В 17- и 19-дюймовых модулях, как правило, устанавливается четыре лампы: две по верхней стороне и две по нижней. В торцевой части корпуса подобных панелей существуют специальные технологические отверстия, поэтому разбирать корпус для извлечения ламп не требуется (рис.13-б). Лампы при такой компоновке часто объединены в блоки из двух штук (рис. 13-а).

Другим вариантом является расположение ламп по всей площади обратной стороны модуля (рис.13-в) — такое решение применяется в многоламповых панелях с количеством ламп восемь штук и более, а также при использовании U-образных CCFL.

Минимальный срок службы ламп производителями панелей в настоящее время обычно указывается от сорока до пятидесяти тысяч часов (срок службы определяется как время, за которое светимость ламп снижается на 50%).

...на базе светодиодов

Помимо флюоресцентных ламп в качестве источника света могут также использоваться светодиоды (LED). Модули подсветки на базе светодиодов строятся либо на «белых» светодиодах, либо на пакетах светодиодов основных цветов (RGB-LED).

Наибольший цветовой охват дают пакеты RGB-LED. Дело в том, что «белый» светодиод представляет собой синий светодиод с желтым люминофорным покрытием, либо ультрафиолетовый светодиод с комбинацией «красного», «зеленого» и «синего» люминофорного покрытия. Спектр «белых» светодиодов не избавлен от всех недостатков спектра флюоресцентных ламп. Кроме того, в отличие от «белых» светодиодов, пакет RGB-LED позволяет в оперативном режиме корректировать цветовую температуру подсветки за счет раздельного управления интенсивностью свечения каждой группы светодиодов основных цветов.

В итоге, достигаются две цели:

• расширяется цветовой охват за счет более идеального спектра подсветки,
• расширяются возможности цветокалибровки: к типовому методу на основе таблиц пересчета цветовых координат для пикселей изображения добавляется возможность корректировки цветового баланса задней подсветки.

Большая крутизна вольт-амперной характеристики светодиодов не позволяет плавно регулировать яркость излучения в широких диапазонах. Но поскольку прибор допускает работу в импульсном режиме, на практике для регулировки яркости светодиодов (как и для флюоресцентных ламп) чаще всего применяется метод широтно-импульсной модуляции.

Олег Медведев, Максим Проскурня

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.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Конструкция ЖК-дисплея

Рисунок 1. Конструкция ЖК-дисплея.

Плоскость поляризации

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.

Плоскость поляризации

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).

Конструкция ЖК-матрицы

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.

Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки -- их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало (см. рис. 5), поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

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.

Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения ее LCD дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на квадратный мм, или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) позволяет строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии «color filter on TFT» светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

На прошедшей в 1999 году в США конференции «Society for information Display» было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес - всего 10 грамм.

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.