Как устроена ЖК-панель

Сергей Самохин

Внутри большинства мониторов на ЖК-панелях содержится несколько элементов — как конструктивных (экраны, изолирующие прокладки и т.п.), так и электронных. К электронным относятся блок питания (если он не внешний), плата управления с контроллером, преобразователь напряжения для питания ламп подсветки, часто называемый балластом, и наконец, основная и самая дорогостоящая часть — собственно ЖК-панель. Правда, уже появились панели, к которым требуется только подключить питание, одеть в корпус — и монитор готов!

Впервые жидкие кристаллы как вещество были открыты в конце XIX столетия австрийским ботаником Фридрихом Рейницзером (Friedrich Reinitzer), а термин для их определения вскоре предложил немецкий физик Отто Леман (Otto Lehmann).

Жидкие кристаллы представляют собой практически полностью прозрачные вещества, обладающие свойствами, присущими как жидкостям, так и твердым телам. Свет, проходя через жидкие кристаллы, приобретает поляризацию в соответствии с ориентацией молекул, что является свойством, присущим твердым веществам — кристаллам. А в 60-х годах XX века было обнаружено, что при приложении к жидким кристаллам электрического напряжения меняется ориентация молекул — типичное свойство жидкости.

Появившиеся в начале 70-х годов жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) сразу же нашли широкое применение во множестве областей, где есть необходимость в отображении информации.

В отличие от электронно-лучевой трубки, ЖК-панель не излучает свет, а лишь пропускает или поглощает излучение от источника подсветки (backlight). Этим, а также самим принципом регулирования яркости (изменением плоскости поляризации) объясняется самое неприятное свойство цветных многоэлементных ЖК-панелей — ограниченный угол обзора.

Большинство жидких кристаллов — это органические вещества, состоящие из длинных, стержнеподобных молекул. Эти молекулы расположены так, что их оси параллельны друг другу. Со временем было обнаружено, что направлением осей молекул жидких кристаллов можно управлять, нанося на поверхность, к которой они прилегают, множество мельчайших параллельных желобков.

Таким образом, поместив жидкий кристалл между двумя стеклами, желобки на которых развернуты под углом 90°, можно получить такое его состояние, при котором молекулярные слои постепенно меняют свое направление на угол от 0° (внизу) до 90° (вверху). При этом плоскость поляризации света, следуя вдоль направления слоев молекул, также повернется на 90°. Если оба стекла снабдить поляризаторами, углы которых также будут развернуты на 90° относительно друг друга, то такой «бутерброд» будет пропускать свет. На первый взгляд сложновато — для того чтобы пропустить свет, достаточно и одного слоя стекла. Однако при подаче электрического напряжения поперек слоя жидкого кристалла молекулы меняют ориентацию, выстраиваясь вдоль направления электрического поля. При этом поворот плоскости поляризации в жидком кристалле меняется до 0°. Прошедший первый поляризатор свет не может пройти сквозь второй, и система теряет прозрачность.

Первые ЖК-панели состояли из вышеперечисленных деталей, только на стекла изнутри были нанесены ряды прозрачных электродов. Будучи расположены перпендикулярно по отношению друг к другу, эти системы электродов образовывали сетку, при помощи которой можно было подавать необходимое напряжение на каждую элементарную ячейку, регулируя ее прозрачность.

Следует отметить, что жидкие кристаллы необратимо деградируют при подаче на них постоянного напряжения или даже напряжения, имеющего сколь-нибудь значительную постоянную составляющую. Поэтому полярность напряжения, подаваемого на элементарные ячейки, приходится изменять. Это достигается при помощи различных схем. Первой из них является покадровая инверсия, когда напряжение в течение каждого последующего кадра имеет противоположный знак. Это наиболее простая схема, в чем и заключается ее преимущество. Недостатки — повышенное мерцание и подверженность вертикальному и горизонтальному взаимовлиянию соседних пикселов.

Вторая схема — построчная инверсия — реализуется чуть более сложно, но у нее меньше мерцание и отсутствует взаимовлияние по вертикали.

Третья схема — инверсия по колонкам — еще сложнее для реализации, но обеспечивает низкую потребляемую мощность и отсутствие взаимовлияния в горизонтальном направлении.

Наконец, при четвертой схеме, попиксельной инверсии, каждый пиксел имеет полярность приложенного напряжения, противоположный по отношению ко всем своим соседям. К тому же с каждым кадром полярность меняется на противоположную. Эта схема требует наибольших затрат мощности, но обеспечивает минимальное мерцание и взаимовлияние.

Однако невысокая контрастность и значительное взаимовлияние соседних ячеек обусловили поиск способов улучшения характеристик ЖК-панелей. Действительно, каждая из элементарных ячеек находится под активным воздействием всего 1/307200 часть времени (при разрешении VGA 640×480). Это требовало применения жидких кристаллов, обладающих большей инерционностью, то есть таких, которые при отсутствии воздействия постепенно возвращались к исходному состоянию. Для электронно-лучевой трубки это эквивалентно применению люминофора с длительным послесвечением.

Впоследствии за счет применения хитроумных схем адресации, таких как Sharp Addressing (Sharp) и High Performance Addressing (Hitachi), удалось несколько повысить скорость отклика и контрастность ЖК-панелей.

В настоящее время большинство панелей для вывода компьютерных изображений выполнены по технологии TFT или AM (thin film transistor active matrix). При этом каждый элемент подключен к матрице электродов через тонкопленочный транзистор. Этот транзистор при открывании подключает элемент вместе с параллельно включенным конденсатором к зарядному электроду. При закрытом транзисторе заряд, оставшийся на конденсаторе, продолжает управлять состоянием ячейки. Это позволило применять менее инерционные ЖК (типичное значение времени отклика — 30 мс) и повысить контрастность до значений 300:1 и выше.

Тонкопленочными транзисторы являются вынужденно, поскольку изготовить 1024×768×3=2  359 296 толстопленочных транзисторов методом шелкографии затруднительно. Поэтому и транзисторы, и необходимые для управления ими электроды, и конденсаторы, и межслоевую изоляцию наносят теми же самыми методами, что применяются при изготовлении больших интегральных схем. Главным различием является то, что в основе микросхем лежит чистый монокристаллический кремний, тогда как при производстве ЖК-панелей приходится иметь дело со стеклянной подложкой. Вследствие этого материал, необходимый для изготовления транзисторов — кремний, также приходится наносить методом напыления. Идея метода не нова, технология КНС (кремний на сапфире) известна уже лет тридцать. Однако, поскольку стекло не обладает необходимой жаростойкостью и соответствующей кристаллической структурой, то напыляемый кремний осаждается на стекло в аморфном состоянии. При этом подвижность электронов в нем мала и качество транзисторов невысоко.

В последнее время появились технологии, позволяющие получать из аморфного кремния поликристаллический непосредственно на стеклянной подложке при помощи низкотемпературного (менее 500 °C) отжига. Это обусловило увеличение подвижности электронов в кремнии примерно на порядок и улучшение качества транзисторов.

Особые надежды возлагаются на процесс отжига кремния при помощи лазера на эксимерах, при котором достигается подвижность электронов, всего лишь в два раза меньшая, чем в монокристаллическом кремнии. Результатом станет получение высококачественных транзисторов, из которых можно построить контроллер и разместить его непосредственно на панели, что позволит резко сократить число межсоединений.

Вследствие необходимости работы с цветным изображением каждый пиксел теперь состоит из трех элементарных ячеек, причем каждая ячейка снабжена индивидуальным светофильтром — красным, зеленым и синим. Для достижения полноценного цветного изображения необходимо уметь создавать промежуточные между полной прозрачностью и полной непрозрачностью значения степени пропускания света. На самом деле степень поворота молекул в определенном диапазоне примерно пропорциональна приложенному напряжению, что позволяет на сегодняшний день получить примерно 64 градации яркости на элемент или 262 144 (18 бит) на пиксел из трех элементов. Для реализации 24-битного цвета в контроллере либо обрезаются два младших значащих бита, либо производится компрессия (сжатие).

В некоторых разработках увеличение глубины цвета достигается за счет временной модуляции яркости элементов изображения, однако это приводит к заметному мерцанию. Фирменная технология Hitachi, например, предусматривает небольшое циклическое изменение напряжения, приложенного к элементам, на протяжении периода в три или четыре кадра. Это позволяет приблизиться к заветным 256 цветам на элемент, но лишь для статических изображений. В фирменных спецификациях на панели часто указывается достоверное значение 6 бит/элемент, реже — 8 бит (6+FRC). Иногда разрядность панели вообще не указывается: писать мало — неудобно, много — стыдно, да и изготовителя монитора можно подвести. Ведь из панелей с 18-битным цветом сплошь и рядом делают мониторы с глубиной цвета 24 бита.

Но основным недостатком ЖК-панелей все же является не ограниченная глубина цвета (отличить 18 бит от 24 довольно сложно), а ограниченный угол обзора. Те углы, которые указывают разработчики, — это, скорее, углы, с которых видно монитор, а не изображение на экране. В борьбе «за углы» было изобретено несколько новых технологий, достойное место среди которых занимают IPS (In Plane Switching), VA (Vertically Aligned) и MVA (Multi-domain Vertically Aligned).

Технология IPS была разработана совместно фирмами Hosiden и NEC. В стандартном элементе TFT-панели при приложении электрического напряжения меняется ориентация молекул жидкого кристалла, в результате чего он теряет способность к повороту угла поляризации. Основным недостатком здесь является принципиальная необходимость такого поворота. В технологии IPS молекулы всегда лежат в одной плоскости, параллельной плоскости экрана. В выключенном состоянии поворота плоскости поляризации не происходит — элемент не пропускает свет. При подаче напряжения свойства жидкого кристалла меняются, и он возвращает свету круговую поляризацию. При этом та часть светового потока, плоскость поляризации которой совпадает с таковой верхнего поляризатора, проходит через него. Это значительно увеличило угол обзора, однако потребовало установки двух управляющих транзисторов на каждый элемент, так как электрическое поле необходимо прилагать в плоскости экрана. Рост числа транзисторов повлек за собой увеличение непрозрачной площади, которую они занимают, что, в свою очередь, потребовало повышения мощности лампы подсветки.

Фирменная технология от Fujitsu VA (Vertical Alignment) подразумевает использование жидких кристаллов с совершенно иными свойствами. При отсутствии напряжения их молекулы расположены перпендикулярно плоскости экрана, свет не взаимодействует с жидким кристаллом и блокируется перед-ним поляризатором. Поскольку какое-либо вращение плоскости поляризации отсутствует, качество черного очень высокое. При подаче напряжения молекулы выстраиваются параллельно плоскости экрана, образуя, таким образом, условия для поворота плоскости поляризации.

Дальнейшим развитием этой технологии стала уже упоминавшаяся MVA. Если основной недостаток технологии заключается в том, что излучаемый свет неизотропен, то стоит попытаться увеличить количество его источников, направив пучки под некоторым углом друг к другу. В панелях, изготовленных по технологии MVA, каждый светоизлучающий элемент состоит из нескольких зон — доменов. Каждый из доменов излучает свет не перпендикулярно плоскости экрана, а под некоторым углом к ней. Расчеты показали, что наилучший результат с точки зрения угла обзора, с учетом не слишком серьезного усложнения технологии, будет достигнут при количестве доменов, равном четырем. При этом заявленный угол обзора, как мы видели выше, составляет около 160°.

Элементами управления большинства современных панелей являются зарядные электроды столбцов и электроды выбора строк. Если действовать прямолинейно, то к матрице XGA с диагональю 15 дюймов пришлось бы подключить 1024×3+768=3840 проводов. Поэтому в состав панели входят микросхемы-драйверы строк и колонок. На драйверы тем или иным образом подается адрес ячейки (номер строки и номер столбца) и уровень сигнала. Хотя такой подход и используется до сих пор, он все еще обременителен из-за довольно большого количества соединительных проводов.

Необходимость снижения количества соединительных проводов диктовалась основным применением ЖК-панелей — в компьютерах класса «ноутбук». При частом открывании-закрывании крышки создаются условия для нарушения контакта, да и толстый жгут проводов непросто протянуть через шарнир ограниченного размера. В 1995 году был утвержден стандарт ANSI/TIA/EIA-644-1995 LVDS (Low-Voltage Differential Signaling — низковольтная дифференциальная сигнализация). Этот стандарт определяет только электрические параметры приемопередатчиков. Определение же протокола, скорости передачи, методов установления соединения или типа разъема он оставляет на усмотрение разработчиков каждого конкретного применения. На основе LVDS компанией Silicon Image была разработана спецификация Panel Link, предназначенная для организации связи между контроллером и панелью. Передача сигнала осуществляется парами проводов по стандарту TMDS (Transition Minimized Differential Signal); при этом обеспечивается пропускная способность до 1 Гбит/с. Выполнение приемника и передатчика по одному стандарту позволяет (теоретически) подключить любой контроллер к любой панели.

Логическим продолжением этого стандарта явился DVI (Digital Video Interface — цифровой видеоинтерфейс). Он объединяет на одном разъеме как цифровой (TMDS), так и аналоговый видеосигнал (VGA). В последнее время DVI получил настолько широкое распространение, что появились даже переходники DVI/VGA.

В 2002 году, по данным IBM, объемы рынков компьютеров-ноутбуков, в которых применяются ЖК-панели, мониторов с применением ЖК-панелей и мониторов на традиционных ЭЛТ почти сравнялись. Если принять во внимание стоимость конкурирующих устройств, то получится, что мониторов на ЭЛТ изготовлено по меньшей мере вдвое больше, чем на ЖК-панели, а по качеству ЭЛТ-монитор пока непревзойден. Создается впечатление, что ему не грозит судьба динозавров. Скорее, он окончательно переместится в свою основную нишу — высокое качество при солидном размере.

КомпьютерПресс 1'2003