Автор: Максим Курмаз

Приветствую любознательных читателей! В нашей статье мы познакомимся с устройством жидкокристаллических панелей, используемых в большинстве современных мониторов, телевизоров и портативных устройств, сравним различные технологии изготовления ЖК-матриц, а также дадим рекомендации по выбору матрицы с точки зрения требуемых потребительских свойств.

Начнем с базовых принципов работы. Первые телевизоры и компьютерные мониторы использовали электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – громоздкие и энергоемкие устройства, в которых пучок электронов пробегал строка за строкой по внутренней поверхности стеклянной колбы, оставляя на ней светящийся рисунок. К счастью, сегодня подобную технику можно встретить разве что в технических музеях.

Пришедшие им на смену плоскопанельные жидкокристаллические дисплеи (liquid crystal displays, LCD) имеют принципиально иной принцип действия. В них изображение формируется при помощи специального фильтрующего элемента – матрицы, элементы которой – пиксели – избирательно пропускают или блокируют свет яркой лампы (подсветки), расположенной с обратной стороны экрана. На сегодняшний день данная технология хорошо изучена и отработана, благодаря чему применяется в подавляющем большинство компьютерных мониторов. О ней мы и поговорим дальше, но на минуту отвлечемся на разговор о будущем.

Технология органических светодиодов (organic light-emitting diodes, OLED) тоже использует матрицу, но для излучения света. Пиксели этой матрицы изготовлены из полимерных материалов, светящихся под воздействием электрического поля. OLED-экраны обеспечивают более яркое и четкое изображение при меньшей толщине панели (не нужна подсветка), и в будущем обязательно заменят ЖК-панели во всех устройствах. Но за 15 лет, прошедших с появления первых доступных устройств с экраном OLED (это были телефоны Samsung), целый ряд технических проблем так и не был решен: технология изготовления дорогая, процент брака большой, долговечность светоизлучающих материалов, особенно синего, недостаточна для надежной и долговечной компьютерной техники. Поэтому на сегодняшний день сфера применения OLED ограничена мобильными телефонами, планшетами и другой портативной техникой. В телевизорах и ноутбуках ее только начинают применять, ориентируясь на готовых переплачивать любителей новинок, а до рабочих столов пользователей она дойдет только через несколько лет.

Таким образом, при покупке компьютера у нас гарантированно будет  жидкокристаллический экран, по крайней мере, в ближайшие 2-3 года. Отлично, одной проблемой выбора меньше! Не торопитесь, не все ЖК-экраны одинаковы. Да, принцип действия и конструкция у них идентичны, но ЖК-матрица может быть построена по одной из трех технологий, существенно влияющих на параметры изображения.

Технология 1: TN

Итак, матрица – самый важный элемент ЖК-панели. Это прямоугольный стеклянный сэндвич, внутри которого содержатся несколько миллионов управляемых ячеек, заполненных жидкими кристаллами – особым веществом, имеющим свойство хорошо пропускать свет только в одном направлении, как кристаллы, но при этом находящемся в жидком – подвижном – состоянии. Подавая электрическое напряжение, мы можем управлять оптическими свойствами жидких кристаллов: они выстраиваются вдоль линий электрического поля, изменяя яркость пропускаемого света лампы в нужных точках панели.

Для управления жидкими кристаллами сегодня применяется матрица на основе тонкопленочных транзисторов – TFT (читается “ти-фэ-ти”). Если кратко, микро-транзистор можно однократно включить либо выключить, и он будет удерживать напряжение на заданном уровне до прихода следующего управляющего сигнала. Благодаря этому матрицы с TFT сохраняют высокую яркость и контрастность и не мерцают. Другие, более простые виды управляющих матриц давно не применяются в компьютерной технике.
Первыми на рынке появились экраны с матрицами типа TN (читается “ти-эн”), в которых применяются скрученные нематические кристаллы (twisted nematic). Принцип ее действия следующий.

В толще матрицы TN кристаллы расположены параллельно плоскости матрицы, но с небольшим поворотом относительно друг друга. Для управления изображением используется особый эффект: плоскость поляризации света, проходящего через спираль из кристаллов, тоже поворачивается. Поэтому свет ламп подсветки сначала поляризуется (внутреннее стекло содержит слой поляризатора) и в таком виде подается на матрицу. Внешний слой тоже содержит поляризующее покрытие, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной внутреннему слою. Угол разворота кристаллов, а следовательно, и поляризации света, составляет 90 или (реже) 270 градусов. И если на ячейку TN никак не воздействовать, свет беспрепятственно проходит через нее, и мы видим светлую точку на экране:

Чтобы получить черную точку, нужно разрушить эффект закручивания света – подать напряжение между двумя стеклами, и кристаллы “раскрутятся” в линейную структуру:

Наружный поляризатор отфильтрует свет, пропустив только самую малость, и мы увидим темную (почти черную) точку в этом месте.

Цветное изображение получается за счет использования отдельных пикселей (суб-пикселей) со светофильтрами трех основных цветов – красного, зеленого и синего.
К сожалению, по мере развития ЖК-технологий и повышения требований пользователей стали заметны врожденные недостатки TN, которые не удается исправить ни хитрой формой суб-пикселей, ни применением качественных светофильтров:

1.    Ограниченные углы обзора. Под действием напряжения жидкие кристаллы выстраиваются вдоль перпендикуляра, и именно при взгляде под этим углом яркость пикселей видна правильно. При отклонении от перпендикуляра яркость кажется выше, а значит, изображение “выцветает”, читаемость текста снижается, оттенки цвета искажаются.
2.    Низкие показатели насыщенности цвета (цветовой охват) и качества цветопередачи. По целому ряду причин точно отрегулировать пропускание света через слой жидких кристаллов в матрице TN не удается, из-за чего изображение страдает неточными оттенками цвета, что хорошо заметно не только при измерениях, но и визуально.

Главное преимущество технологии TN заключается в более высокой скорости переключения пикселей (низкое время отклика), что заметно на быстро меняющемся динамичном изображении, например, в компьютерных играх. В остальных сценариях использования матрица TN демонстрирует досадные недостатки, влияющие на общий комфорт использования компьютера.

Технология 2: IPS

Дальнейшим развитием технологий ЖК-экранов стала IPS (читается “ай-пи-эс”) – технологически более сложная технология, призванная исправить упомянутые выше недостатки технологии TN. 

IPS расшифровывается как “in-plane switching” – переключение в одной плоскости. В данной матрице используются точно такие же нематические кристаллы, помещенные между двумя слоями стекла и скрученные в спираль с поворотом на 90 градусов. Изменился способ подачи напряжения: тонкопленочные транзисторы нанесены только на одном (внутреннем или наружном) стекле по сложному геометрическому шаблону (форма шаблона является “ноу-хау” каждого производителя).

 

При подаче напряжения кристаллы поворачиваются на 90 градусов, меняя плоскость поляризации света. Точка на экране начинает либо пропускать свет, либо задерживать его, в зависимости от реализации технологии.

Первоначально матрицы IPS были существенно сложнее в реализации, но с развитием технологий нанесения электропроводящей сети на стекло стоимость производства снизилась, и сегодня IPS можно встретить даже в бюджетных телефонах и планшетах. В ноутбуках, мониторах и моноблоках она применяется все чаще, так как более высокая стоимость с лихвой компенсируется следующими преимуществами:

1.    Широкие углы обзора, отсутствие искажений цвета при взгляде под углом. Если на матрице TN даже при прямом взгляде верх и низ экрана окрашены неодинаково, а некоторые цвета сливаются, то экран IPS окрашен всегда равномерно и насыщенно, не теряет четкости даже при большом наклоне, графика и текст читаются одинаково хорошо.
2.    Хорошая цветопередача. Все цвета на экране более глубокие и естественные, переходы незаметны. Это критично для телевизоров, но и в случае компьютерных мониторов улучшает восприятие картинки и снижает нагрузку.
3.    Отсутствие наружного слоя транзисторов. При касании экрана IPS не остается заметного следа, что важно для сенсорных экранов.

К сожалению, технология IPS тоже не универсальна – у нее есть два недостатка, важных для некоторых областей применения:

1.    Большое время отклика, более низкая скорость переключения пикселей по сравнению с матрицами TN. Применение технологий “ускорения” пикселей помогает, но дает свои отрицательные эффекты. Впрочем, заметно это только в динамичных 3D-играх.
2.    Недостаточно “чистый” черный цвет, особенно при взгляде под большим углом. Это хорошо видно на экране телевизора при просмотре темных сцен, а на компьютерном мониторе заметить данный эффект обычно не удается.

Технология 3: VA

Третья технология изготовления ЖК-матриц существует сравнительно давно, и несмотря на отсутствие явных преимуществ перед IPS, продолжает развиваться силами некоторых производителей. В силу имеющихся особенностей изображения такие матрицы применяются только в компьютерных мониторах, чаще всего в специализированных – для компьютерных игр, инженерного и графического дизайна.

Матрица VA (“vertical alignment” – вертикальное размещение) использует иной тип жидких кристаллов, нежели TN или IPS. Кристаллы уложены между слоями стекла вертикально, и при отсутствии напряжения не влияют на поляризацию света. Электроды расположены с обеих сторон, как в матрице TN, но имеют сложный рельеф, разбивая каждый пиксель на несколько суб-пикселей (доменов). При подаче напряжения жидкие кристаллы начинают отклоняться, по-разному в каждом из субпикселей.

Несмотря на то, что и эти кристаллы поляризуют свет только в определенном направлении, комбинация нескольких по-разному ориентированных суб-пикселей дает нужную светимость суммарного пикселя при любом угле обзора. За счет усложнения структуры матрицы побежден главный недостаток технологии TN – снижение контраста и искажение цветов при взгляде на экран под углом. Матрицы VA имеют хорошие углы обзора, хотя и уступают по этому показателю матрицам IPS.

У матрицы VA имеются и другие преимущества:

1.    Высокая контрастность, лучшая среди технологий ЖК-матриц. Черный цвет на экране выглядит глубоким и не окрашивается в различные оттенки.
2.    Насыщенный цвет (широкий цветовой охват) и хорошая цветопередача. Возможно, точность передачи цветов не всегда на хорошем уровне, но для компьютерных мониторов это зачастую не критично.

В качестве главного недостатка матрицы VA часто называют низкую скорость реакции пикселей, но производители матриц теми или иными способами справляются с этим недостатком.

Выбор ЖК-матрицы

Характеристики упомянутых трех типов ЖК-матриц мы свели в простую таблицу.

Итак, на сегодняшний день технология TN – наиболее отработанная и освоенная производителями матриц. Если в характеристиках экрана не указана технология, или написано просто “TFT”, будьте уверены, что в нем применяется именно TN. Однако мы категорически не рекомендуем приобретать настольный или мобильный компьютер с данной матрицей, кроме случаев, когда низкая стоимость является единственным критерием для покупки. Также существуют серии игровых компьютерных мониторов с матрицей TN, и в этом случае время отклика экрана перевешивает недостатки.

Матрица типа VA представляет собой своеобразную альтернативу IPS в сфере компьютерных мониторов. Как правило, контрастность у нее выше, а по остальным параметрам она вплотную приближается к своему конкуренту – различия уже обуславливаются не технологией как таковой, а реализацией матрицы в конкретной модели оборудования.

Матрица IPS на сегодня наиболее универсальное решение, идеально подходящее для всех видов техники. При том же уровне стоимости экран IPS обеспечивает более естественные цвета и хорошие углы обзора, без каких-либо искажений. В сумме это дает повышенный комфорт и меньшее напряжение при работе за компьютером. Вместе с тем мы не будем слепо советовать монитор с матрицей IPS для работы с графикой и фото, потому что тип матрицы сам по себе не гарантирует точной цветопередачи: для профессиональной работы с цветом требуется калибровка монитора при помощи измерительного устройства и правильная настройка программного обеспечения.

Если Вы дочитали этот материал, значит в эпоху "гуманитарного" мышления способны усваивать сложную техническую информацию. Будем рады сотрудничать с Вами!

 

Вам также может быть интересно:

Ликбез. Мерцание подсветки