Новые дисплейные технологии LCD: сегодня и завтра

Жидкокристаллические панели (LCD) существенно отличаются друг от друга. От того, на базе какой технологии они разработаны, зависит сложность конструкции, характеристики и перспективы их улучшения в будущем.

Плоские с любой точки зрения

Разработчикам LCD-мониторов (вернее, дисплейных панелей, в них применяющихся) все время приходилось заниматься преодолением двух основных недостатков: малые углы обзора и инерционность изменения состояния элементов матрицы. У дисплеев на электронно-лучевых трубках (CRT) углы обзора достигают максимально возможной величины (180°). LCD-мониторы предыдущего поколения комплектовались матрицами на основе технологии Twisted Nematic (TN), обеспечивавшими гораздо меньшие углы – порядка 90° по горизонтали и вертикали. Что касается времени, требуемого на включение и выключение ячейки такой матрицы, то оно составляло порядка 50 мс, что эквивалентно частоте изменения картинки 20 Гц. Естественно, что при просмотре видео или в играх из-за низкой частоты прорисовки изображение искажалось.

Спасительная пленка

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

1 – черный пиксел, 2 – светлый пиксел, 3 – поляризационный фильтр, 4 – выравнивающая подложка, 5 – электроды, 6 – жидкие кристаллы, 7 – напряжение выключено, 8 – напряжение включено, 9 – подсветка

Оригинальная технология TN предполагает закручивание спирали жидких кристаллов на 90°. Достигается это размещением слоя кристаллов между выравнивающими пластинами с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу (рис. 1). Интересное свойство жидких кристаллов – при отсутствии внешних воздействий они стремятся получить такую же ориентацию, как у соседних кристаллов.

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

Технология STN предусматривает закручивание спирали при снятом напряжении на угол около 210°. При этом удается сократить время на раскручивание спирали до положения, обеспечивающего непрохождение светового потока. Инерционность, или, как говорят, время отклика, панелей STN удалось снизить в среднем до 30 мс. Это соответствует частоте обновления кадров 33 Гц. Как известно, в современных CRT-мониторах частота кадров, в зависимости от режима, составляет 100 Гц и выше, что дает время отклика 10 мс.

Чтобы расширить углы обзора, в STN-матрицах придумали использовать еще один слой, который представляет собой полимерную пленку с коэффициентом преломления, большим, чем у самих жидких кристаллов (рис. 2). Благодаря ему удалось, не внося серьезных изменений в технологию производства, увеличить углы обзора в среднем до 120° по горизонтали и 110° по вертикали.

LCD-панели, имеющие такую конструкцию, получили названия TN+Film или Film Compensated STN (FSTN). Наряду с увеличенными углами обзора матрицы FSTN отличаются более высокой контрастностью и яркостью, чем у обычных STN-панелей.

В ряд становись!

Создание матриц FSTN, хотя и позволило улучшить характеристики LCD-панелей, все же не решило проблему углов обзора и инерционности. Не требуя радикального изменения конструкции матриц и процесса их производства, т. е. не вызывая значительного роста себестоимости, эта FSTN послужила переходным решением. Она дала время на подготовку к производству более совершенных технологий.

Компанией Hitachi еще в конце 1995 г. была разработана технология In-Plane Switching (IPS). Ее главное отличие от TN, STN и FSTN состоит в том, что жидкие кристаллы располагаются параллельно стеклянной подложке, а не закручиваются в спираль. Для управления ориентацией цепочек кристаллов, т. е. переключения состояния пикселов, используются электроды, размещенные только на внутренней подложке, а не по обеим сторонам цепочки (рис. 3).

Благодаря параллельному плоскости экрана расположению жидких кристаллов углы обзора достигают 170° как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Время отклика у IPS-матриц невелико – порядка 25 мс, что обеспечивает частоту обновления картинки 40 Гц. Но, к сожалению, у этой технологии есть и свои минусы (как и у других решений, впрочем). На каждую ячейку в такой матрице приходятся два электрода, расположенных на одной из подложек. Из-за этого шаг между ячейками довольно велик и требуется более мощный источник подсветки, чтобы обеспечить хорошую яркость изображения. Следовательно, IPS-матрицы не очень-то подходят для мобильных устройств с питанием от батарей.

Впрочем, решение проблемы с углами обзора, хорошая контрастность и неплохое время отклика привлекли к IPS внимание многих производителей LCD-панелей. Сегодня это одна из наиболее распространенных технологий.

Равняясь на всех

В принципе, проблема с углами обзора не слишком ощутима, пока перед монитором сидит один пользователь. Он смотрит на экран практически под прямым углом и картинку видит с достаточным качеством цветопередачи, яркостью и контрастностью. Вот когда приходится подвинуться в сторону, чтобы показать происходящее на экране кому-то еще, оба наблюдателя видят картинку под углами, критическими для FSTN и тем более TN.

Fujitsu в 1996 г. предложила технологию Multi-Domain Vertical Alignment (MVA), которая сегодня стала более распространенной, чем IPS. Суть заложенной в ней идеи в том, чтобы каждый элемент матрицы составить из нескольких жидкокристаллических цепочек (доменов), а кристаллы в каждом домене выравнивались под углом, наиболее выгодным для обзора со своей стороны.

Достигается это путем создания на внутренней подложке выступов-пирамидок, грани которых задают общий наклон доменам. При отсутствии напряжения кристаллы в цепочках вытягиваются в линию, почти перпендикулярную подложке. Свет при этом не проходит, мы видим темный пиксел. Подавая напряжение на электроды, размещенные на обеих подложках (как и в случае TN), можно поворачивать кристаллы относительно оси цепочек. Соответственно изменяется количество пропускаемого ячейкой света (рис. 4).

Пиксел, как известно, формируется тремя ячейками матрицы – красного, зеленого и синего цветов. На рисунке пирамидки показаны в разрезе, т. е. видны только две их стороны. На самом деле у них четыре боковые поверхности, поэтому каждая ячейка матрицы состоит из четырех доменов, ориентированных под углами, благоприятными для наблюдения с разных сторон (рис. 5). Кроме того, при использовании технологии MVA получаются самые большие по площади пикселы. Это обеспечивает высокую яркость и контрастность изображения при менее мощном, чем требует IPS, источнике подсветки.

В то же время MVA решает и обе основные задачи, поставленные перед разработчиками нового поколения LCD-панелей: углы обзора увеличены в среднем до 160° по горизонтали и вертикали, время отклика сокращено до 20 мс (это соответствует частоте 50 Гц). С технической точки зрения сегодня и в ближайшем будущем технология MVA выглядит самой предпочтительной из внедренных в производство.

На родном языке цифр

Независимо от того, с использованием каких технологий LCD-мониторы будут выпускаться, общим для них останется принцип прямого управления каждой ячейкой, каждым пикселом. Он идеально сочетается с цифровым представлением изображений в компьютере. Следовательно, и для передачи изображения на монитор логично применить цифровой интерфейс.

Переход на цифровой интерфейс избавляет от искажений картинки и позволяет заметно уменьшить стоимость монитора. В настоящее время из нескольких предложенных ранее вариантов цифровых дисплейных интерфейсов стандартом де-факто стал Digital Visual Interface (DVI), разработанный организацией Digital Display Working Group.

Интерфейс DVI использует дифференциальную технологию передачи Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) и имеет сдвоенную архитектуру (Dual Link), состоящую из 2х3 каналов. Дифференциальный способ передачи сигналов помогает избавиться от влияния большинства помех. При передаче данных по трем каналам (12 контактов на разъеме) обеспечиваются полоса пропускания 165 МГц и поддержка разрешений до 1920x1080 пикселов при частоте кадров 60 Гц или до 1280x1024 пикселов при 85 Гц. Использование всех шести каналов удваивает полосу пропускания и делает доступными режимы до 2048x1536 пикселов при 60 Гц или до 1920x1080 пикселов при 85 Гц. При этом задействованы все 24 контакта разъема.

Интерфейс DVI предусматривает возможность передачи, кроме цифровых данных, и аналоговых сигналов для CRT-мониторов. Реализация только цифровой части стандарта обозначается DVI-D. Интерфейс, по которому передаются и аналоговые сигналы, получил название DVI-I. Разъемы кабелей DVI-D и DVI-I отличаются числом контактов (у DVI-I их на 4 больше), но одинаковы по форме, совместимы между собой и со всеми графическими картами, оснащенными DVI-коннектором (рис. 6).

Органичное решение

Все вариации на тему использования в плоских дисплеях жидких кристаллов предполагают использование источника подсветки. Им может оказаться, впрочем, и наружный дневной свет (рефлективные LCD-экраны), но в настольных мониторах это не применяется. Панель с жидкими кристаллами, напоминающая слоеный пирог, служит фильтром, дозирующим прохождение света. Она и сама не очень тонкая, вдобавок и источник подсветки требует места. Конечно, эти несколько сантиметров толщины, в сравнении с габаритами CRT-мониторов, кажутся великим достижением технологий. Однако LCD-мониторы пока скорее плоские, чем тонкие.

По крайней мере, есть более интересные с точки зрения компактности разработки. В первую очередь это дисплеи на органических светоизлучающих диодах – Organic Light Emitting Diodes (OLED). Структура OLED-панели также состоит из нескольких слоев: двух пластин управляющих электродов (один из них может содержать транзисторные ячейки, тогда получается активная матрица) и находящейся между ними органической полимерной пленки, которая при прохождении тока излучает свет (рис. 7). Технология, при которой все слои OLED-панели являются прозрачными, получила название Transparent OLED (TOLED). Ее разновидность с гибкими пластинами – Flexible OLED (FOLED). Самая интересная с точки зрения перспективы разработка называется Stacked OLED (SOLED).

В обычном мониторе пикселы складываются из трех расположенных рядом ячеек, окрашенных в основные цвета – красный, зеленый и синий. Разрешение монитора определяется размером пикселов и расстоянием между ними, а это накладывает почти непреодолимые ограничения на разрешающую способность мониторов. Сегодня она составляет 120 dpi (сравните с принтерами, печатающими с разрешением от 300 до 1200 dpi). Все сказанное справедливо как для CRT-, так и для LCD-дисплеев.

Так вот, SOLED в некоторой степени решает эту проблему. Изготовленная по этой технологии панель как бы сложена из трех TOLED-панелей, отвечающих за воспроизведение основных цветов. Поскольку панели прозрачны, ячейки накладываются друг на друга, а не лежат рядом. Следовательно, пиксел занимает площадь, равную одной ячейке, а не трем. Несложно подсчитать, что при одинаковом размере ячеек технология SOLED обеспечивает втрое более высокое разрешение.

До серийного производства настольных дисплеев, базирующихся на технологиях OLED и, тем более, SOLED, еще далеко. Однако уже сегодня ясно, что существующие LCD-технологии не являются оптимальным решением, на смену им готовятся прийти другие технологии.