ЖК-мониторы, принцип работы и типы ЖК-матриц

ЖК-мониторыКогда рассуждают о том, какой компьютер купить, вопрос выбора монитора рас­сматривается особо. И если на других компонентах компьютера мы можем как-то сэкономить, то на мониторе экономить не следует. Он по-прежнему является одной из самых дорогих составляющих компьютерной системы, его нельзя модернизи­ровать в процессе эксплуатации, и «время жизни» у него наибольшее по сравнению со всеми другими компонентами.

Именно посредством монитора мы воспринимаем всю визуальную информацию, выводимую компьютером. Неважно, работаем мы с офисной программой, рисуем, играем, пишем письма или находимся в Интернете, — монитор необходим всегда. Кроме того, от качества и безопасности монитора напрямую зависит наше здоровье.

ЖК-устройства уверенно заняли рынок офисных и домашних мониторов. Стои­мость их наконец-то достигла того уровня, когда можно говорить о массовости продукта. Если на первых порах особой популярностью пользовались 15-дюймовые модели, то сегодня большая часть домашних пользователей предпочитает монито­ры с диагональю 17-19 дюймов и более.

Однако прежде, чем переходить к конкретным рекомендациям, нам предстоит совершить небольшой теоретический экскурс в ЖК-технологии.

Принцип работы мониторов и типы ЖК-матриц

Основным компонентом ЖК-матрицы являются жидкие кристаллы. Жидкокри­сталлическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, при ко­тором оно обладает структурными свойствами, промежуточными между свойства­ми твердого кристалла и жидкости. Как и жидкости, они состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определенный порядок в своем расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии. Жидкие кристаллы име­ют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристалличе­скую) решетку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

1. В смектическом жидком кристалле молекулы образуют слои, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоев в бо­ковых направлениях строгая периодичность в размещении молекул отсут­ствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла.

2. Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы в них беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. В расположении молекул наблюдается лишь ориентационный порядок: все молекулы ориентированы вдоль одного преимущественного на­правления.

3. Структура холестерических жидких кристаллов такая же, как и нематических, но они дополнительно закручены в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул. Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с дру­гими жидкими кристаллами благодаря их специфической спиральной структу­ре наблюдается вращение плоскости поляризации света.

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные груп­пы: к первой относятся кристаллы с положительной диэлектрической анизотро­пией, а ко второй — с отрицательной. Не вникая в подробности данных терминов, отметим, что эти молекулы по-разному реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль силовых линий поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией, наоборот, — перпендикулярно силовым линиям электрического поля. Нематиче­ские жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические — отрицательной.

Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической анизо­тропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением распро­странения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляризации поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ориентации молекул.

Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность ис­пользовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих форми­ровать на экране требуемое изображение. Сегодня существует несколько типов ЖК-матриц, отличающихся принципом управления ЖК-молекулами и использу­емыми типами жидких кристаллов. Наибольшее распространение получили мат­рицы TN+Film, IPS и MVA. Рассмотрим каждую из них более подробно.

ЖК монитор,матрица TN+Film

Матрицы данного типа распространены наиболее широко. Подавляющее большин­ство ЖК-мониторов имеют именно TN-матрицу.

Жидкокристаллическая матрица в данном случае представляет собой многослой­ную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрачных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается соб­ственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией.

На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что по­зволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендику­лярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученные по спирали структуры. Именно поэтому такие матрицы и получили название TN (Twisted Nematic), то есть скрученное состояние жидких тематиче­ских кристаллов.

Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двумя поляризацион­ными фильтрами, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направ­лением бороздок на пластине. Таким образом, оси поляризации, как и бороздки на пластинах, взаимно перпендикулярны.

Если бы стеклянные пластины со слоем жидкокристаллического вещества отсут­ствовали, свет не смог бы пройти через систему двух поляризующих фильтров с взаимно перпендикулярными осями поляризации. Действительно, свет, проходя через первый поляризующий фильтр, «вырезает» из него только одну плоскость поляризации, отфильтровывая все остальное. Дальше все очевидно: на второй поляризующий фильтр уже попадает плоскополяризованное излучение, плоскость поляризации которого перпендикулярна оси поляризации второго поляризующе­го фильтра. Однако такой свет будет полностью поглощен вторым поляризующим фильтром.

Использование слоя жидкокристаллического вещества может кардинально изме­нить ситуацию, поскольку жидкие кристаллы способны изменять плоскость поля­ризации проходящего через них света, если они ориентированы перпендикулярно к направлению распространения светового луча. Так, если изначально плоскость поляризации падающего света совпадает с ориентацией жидкокристаллических молекул, то по мере изменения ориентации молекул будет поворачиваться и плос­кость поляризации света. В результате если такой слой жидкокристаллического вещества помещается между упомянутыми поляризующими фильтрами, то данная система становится оптически прозрачной.

Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориента­цию, выстраиваясь вдоль по полю. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света и сис­тема становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выходным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения между управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль по полю не полностью, а лишь частично, то есть управлять степенью скрученности ЖК- молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, проходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матри­цы и меняя напряжение между электродами, можно изменять степень прозрачно­сти одной ЖК-ячейки, или субпиксела матрицы. Это позволяет модулировать свет, получая градации черно-белого цвета. С помощью данной схемы можно скон­струировать черно-белый монитор. Для создания цветного изображения необхо­димо применение трех цветных фильтров. Любой цветовой оттенок можно полу­чить, смешивая друг с другом в различных пропорциях три базовых цвета: красный R, зеленый G и синий В. Соответственно, используя три цветных фильтра, установленных на пути распространения белого цвета, можно получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Поэтому каждый пискел ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: красного, зеленого и синего, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и отличающихся только используемыми фильтрами, которые устанавливаются между верхней стеклянной пластиной и выходным по­ляризующим фильтром.

Как мы уже отмечали, TN-матрицы являются наиболее распространенными и де­шевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы обзора, невысокая контрастность и, что немаловажно, невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы, сориентировав их вдоль силовых линий поля. Поэтому данные матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными.

Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его устра­нения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая пленка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки.

Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется битый пиксел, что является следствием выхода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он всегда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-мат­рицы открытый пиксел соответствует отсутствию напряжения на ячейке.

ЖК монитор, матрица IPS

IPS (In-Plane Switcing) — это технология, разработанная в 1995 году компаниями Hitachi и NEC. Мониторы с IPS-матрицей называют также Super TFT-мониторами. Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляющие электро­ды расположены в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки.

При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поля­ризующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации прохо­дящего света и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильтром, поскольку направления поляризации фильтров перпендикулярны друг другу.

При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° так, что они ориентируются вдоль силовых линий поля. Если через такую ячейку пропустить свет, то за счет поворота плос­кости поляризации верхний поляризующий фильтр пропустит свет без помех, то есть ячейка окажется в открытом состоянии. Меняя напряжение между электродами, можно заставлять ЖК-молекулы поворачиваться на произ­вольный угол, изменяя тем самым прозрачность ячейки.

Во всем остальном IPS подобны TN-матрицам: цветное изображение также фор­мируется за счет использования трех цветовых фильтров.

IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матри- цами. Преимуществом является то, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другое неоспоримое достоинство данной технологии — большие углы обзора, достигающие 170°. Связано это с тем, что в TN- матрицах, в зависимости от формируемого цветового оттенка пиксела, направление ориентации ЖК-молекул составляет некий угол относительно перпендикуляра к по­верхности монитора, а в IPS-матрицах молекулы при любом цветовом оттенке расположены всегда в одной и той же плоскости экрана монитора.

К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем у TN-матриц, время реакции пиксела. Впрочем, к вопросу о времени реакции пиксела мы еще вернемся. В за­ключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.

ЖК монитор, матрица MVA

В 1996 году компания Fujitsu разработала еще один тип матриц — MVA (Multi- Domain Vertical Alignment). Технология MVA является развитием VA — техноло­гии с вертикальным упорядочением молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля.

При отсутствии напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристалли­ческие молекулы ориентированы вертикально и не оказывают влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, он полностью поглощается вторым поляризатором и ячейка оказы­вается в закрытом состоянии, причем, в отличие от TN-матрицы, возможно полу­чение идеально черного цвета.

При приложении напряжения к электродам, которые расположены сверху и снизу, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям элек­трического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет свободно проходит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоя­нии.

Достоинствами систем с вертикальным упорядочением молекул являются возмож­ность получения идеально черного цвета (что сказывается на возможности полу­чения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пиксела.

С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочением молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию типа матриц MVA. Каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов. Такие выступы немного ме­няют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений позволяет расширить угол обзора монитора.

К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (за счет возможности получения идеального черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 178°). Однако у данной технологии есть и свои минусы, о которых мы расскажем при обсуждении времени реакции пиксела.

В настоящее время существует несколько разновидностей технологии, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung и MVA-Premium, которые улучшают характеристики MVA-матриц.

Яндекс.Метрика