5. Мониторы.

5.1. Обзор технологии ЖК дисплеев.

      5.2.  Современные  ЖК мониторы для PC

                        5.3.   Цифровые интерфейсы LCD мониторов

                                

     Мониторы.

Все мониторы можно разделить на мониторы на базе электронно-лучевой трубки ( ЭЛТ, в англоязычной литературе –CRT,Cathode Ray Tube ) и плоскопанельные дисплеи. ЭЛТ мониторы на PC, видимо будут иметь в будущем весьма ограниченное применение и стремительно вытесняются ЖК панелями.

 

Обзор технологии ЖК дисплеев.

 

Рис. 1

ЖК-технология базируется на использовании такой характеристики света, как поляризация. Человеческий глаз не может различать состояния поляризации волны, но некоторые вещества (например, поляроидные пленки) пропускают свет только с определенной поляризацией. Если взять два поляроида – один, задерживающий свет с вертикальной поляризацией, а другой с горизонтальной, поместить их друг напротив друга, то свет через такую систему пройти не сможет (рис 1.)
Но дисплей подразумевает динамичное отображение информации, и обычные кристаллы тут не смогут нам помочь. На выручку приходят их жидкие собратья. Жидкие кристаллы -- это жидкости, которым присущ определенный порядок расположения молекул, вследствие чего появляется анизотропия механических, магнитных и, что наиболее интересно для нас, электрических и оптических свойств. Их молекулы обычно имеют удлиненную форму и в нормальном состоянии обладают какой-то доминирующей ориентацией, характеризующейся единичным вектором (директор). Жидкие кристаллы классифицируются по Ж. Фриделю, который выделил три их разновидности: нематические (им присущи наличие ориентационного и отсутствие позиционного порядка), смектические (их особенностью является наличие как ориентационного, так и позиционного порядка) и холестерические (состоят из слоев, в каждом из которых молекулы упорядочены как в нематическом кристалле, но их директоры поворачиваются при переходе от слоя к слою).

Избирательно вращая поляризацию света в промежутке между пленками, мы смогли бы формировать светящиеся и темные участки-пикселы. Это возможно, если использовать пластину с вкраплениями оптически активных кристаллов (так их называют потому, что они, благодаря особенностям своих несимметричных молекул, могут изменять поляризацию света).
Жидкие кристаллы – это вещество, которое обладает свойствами как жидкости, так и твердого тела. Одно из самых важных свойств жидких кристаллов (именно оно используется в ЖК дисплеях) – возможность изменять свою ориентацию в пространстве в зависимости от прикладываемого напряжения.

 Как обычно и происходит в науке, жидкие кристаллы были открыты случайно. В 1888 году Фридрих Рейнзер (Friedrich Reinitzer), австрийский ботаник, изучал роль холестерина в растениях. Один из экспериментов заключался в нагреве материала. Ученый обнаружил, что кристаллы становятся мутными и текут при 145,5°, а далее кристаллы превращаются в жидкость при 178,5°. Фридрих поделился открытием с Отто Леманном (Otto Lehmann), немецким физиком, который обнаружил у жидкости свойства кристалла в отношении реакции на свет. С тех пор и пошло название "жидкие кристаллы".

На иллюстрации показана молекула, обладающая свойствами кристалла – метоксибензидин бутиланалин (methoxybenzilidene butylanaline).

Увеличенное изображение жидкого кристалла

 
Благодаря анизотропии электрических свойств и наличию текучести можно управлять преимущественной ориентацией молекул, тем самым изменяя оптические свойства кристалла. А они имеют замечательную особенность -- специфическая удлиненная форма молекул и параллельное их размещение делают их весьма эффективными поляризаторами. Теперь приступим к изучению элементарной разновидности ЖК-дисплеев -- на скрученных нематических кристаллах (Twisted Nematic -- TN).


TN

То, что молекулы нематического жидкого кристалла выстраиваются подобно солдатам на параде, -- следствие анизотропии сил их взаимодействия. Предсказать положение директора с макроскопической точки зрения в свободном жидком кристалле невозможно, поэтому заранее определить, в какой плоскости он будет поляризовать свет, нельзя.

Оказывается, придать молекулам ту или иную ориентацию достаточно просто, необходимо только изготовить пластину (для наших целей прозрачную, например, стеклянную) со множеством микроскопических параллельных углублений-бороздок (их ширина должна соответствовать минимальному размеру элемента формируемого изображения).

Узкие и длинные молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, вынуждены придерживаться заданной ориентации. А все последующие слои молекул будут выстраиваться им "в затылок" вследствие уже упомянутого выше межмолекулярного взаимодействия. Если теперь поместить сверху еще одну стеклянную пластину с аналогичным набором бороздок так, чтобы они были перпендикулярны бороздкам нижней пластины, то продольные оси молекул самого верхнего слоя будут расположены под прямым углом по отношению к осям молекул из нижнего слоя. Между этими двумя крайними положениями образуется своеобразная молекулярная спираль из промежуточных ориентаций, которая и дала название технологии -- twisted nematic (закрученные нематические).

Рис. 2

По мере прохождения света вдоль спирали плоскость его поляризации вращается, следуя за ориентацией продольной оси составляющих ее молекул. В случае "сандвича" из пластин с перпендикулярными бороздками получается спираль с поворотом на 90°, и плоскость поляризации поворачивается именно на этот угол. Если поместить такой "сандвич" между двумя поляроидами с перпендикулярно расположенными осями (поляроид пропускает только свет, линейно поляризованный вдоль его оси), то свет будет проходить через такую систему (рис. 2).

Таким образом, в TN-дисплеях формируются светящиеся пикселы. Инверсные (в данном случае темные) пикселы -- продукт еще одного свойства жидких кристаллов -- электрической анизотропии. Достаточно приложить к спирали электрическое поле, и молекулы тут же будут вынуждены развернуться вдоль вектора его напряженности. Разместив миниатюрные прозрачные пленочные электроды над и под слоем жидкого кристалла, подавая напряжение на них, можно ориентировать молекулы вертикально. После этого они уже не могут менять поляризацию света, а так как оси поляроидов расположены перпендикулярно, то свет проходить не будет. Включая и выключая электроды по отдельности, мы и получим динамическую черно-белую картинку. Расположив поляроидные фильтры так, чтобы излучение света происходило при снятии напряжения с электродов, конструкторы ЖК-дисплеев добиваются существенной экономии электроэнергии, поскольку экран компьютера под управлением современных многооконных ОС в основном заполнен светлыми пикселами.

Рис. 3

"А как насчет градаций серого?" -- спросите вы. Градациями, или уровнями яркости пикселов, можно управлять с помощью величины приложенного напряжения. Постепенно повышая его, мы будем наблюдать, как молекулярная спираль проходит через три этапа своего состояния -- три зоны (рис. 3). Зона 1 соответствует максимуму пропускания и белому цвету (максимальному повороту поляризации), зона 3 -- минимуму и черному цвету, а самые интересные состояния находятся в зоне 2. При прецизионном изменении напряжения в ее пределах получаются все оттенки серого. Однако именно такая особенность TN-дисплеев стала ахиллесовой пятой технологии: обеспечить точное регулирование напряжения для пассивных матриц с высоким разрешением оказалось практически невозможно. Пришел час технологии STN, но о ней чуть позже. Здесь же самое время изучить…


Анатомию LCD

Немного разобравшись с физическими принципами работы ЖК-дисплея простого нематического типа, можно рассмотреть чисто механические аспекты его конструкции (рис. 4). В основании располагается система подсветки -- это мощные (ведь остальная часть "сандвича" поглощает до 50% проходящего света) флюоресцентные лампы в виде трубок и специальные материалы (plastic light guide), или световоды, способствующие более равномерному распределению освещения по плоскости экрана. Этого далеко не всегда удается достичь, и результатом могут стать темные полосы, неоднородность изображения.

Свет направляется на поляризационный фильтр. Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова, формирующие пикселы изображения. Затем идет полимерная пленка с микробороздками, ориентирующими молекулы жидких кристаллов, составляющие следующий слой. Вторая половина -- все с точностью до наоборот (за исключением подсветки).

После того как механическая сборка дисплея закончена, между двумя формовочными пленками инжектируют специальные буферные шарики диаметром 6--8 мкм. Таким образом, удается избежать неоднородности по толщине. Для функционирования дисплея необходимо иметь возможность управлять индивидуально каждым пикселом и электродом. С этой целью применяют управляющие интегральные схемы (Driver Integrated Circuits). Они обычно расположены по краям "сандвича", что и обусловливает наличие широкой окантовки вокруг ЖК-дисплеев.

Рис. 5

Теперь рассмотрим основные различия активных и пассивных матриц, а также образование цветных изображений. В пассивных матрицах для адресации используются полоски полупрозрачных электродов, расположенные на обеих поверхностях стеклянных подложек и ориентированные перпендикулярно (рис. 5). Их пересечение формирует пиксел. Чтобы изменить его состояние, необходимо задействовать две адресные линии -- вертикальную и горизонтальную. Одна, к примеру нижняя, заземляется, а на другую подается управляющий импульс. Процесс, в ходе которого с помощью поочередной выборки всех комбинаций из двух управляющих линий создается изображение, называется сканированием.

Основные проблемы заключаются в необходимости изготовлять большое количество прецизионных микроскопических соединений на пластине макроскопических размеров и в сложности управляющей электроники. Нелегко подобрать материалы для проводников и электродов, обеспечивающих формирование и адресацию пикселов, так, чтобы они сочетали все необходимые качества для неискаженной передачи управляющих сигналов: прозрачность, низкое сопротивление, однородность. Жидкий кристалл должен иметь как можно меньшую "инерцию", без запаздывания реагируя на изменение электрического поля. На самом деле эти задержки обычно составляют от 200 до 250 мс, и лишь особые смеси из различных разновидностей жидких кристаллов дают улучшение до 150 мс. В сравнении с CRT-мониторами (~40 мс) это по-прежнему очень медленно. Источник неприятностей -- технология изготовления пассивных матриц.

Пикселы адресуются по одному, а управляющие микросхемы вынуждены пересылать сигналы вдоль невероятно длинных с точки зрения микроэлектроники металлизированных адресных линий (прямая адресация). Именно поэтому цветные дисплеи реализовать на основе пассивной матрицы очень трудно. Так как цвет зависит от величины электрического импульса, любые помехи и наводки, неизбежные в сложной системе адресных линий, приводят к искажению цветности изображения на разных участках экрана. Кстати, для управления ячейками-пикселами используется переменное напряжение. Каждый новый кадр сопровождается изменением направления закручивания "молекулярной спирали". Если на жидкий кристалл периодически подавать электрическое поле одного знака, то в нем будет накоплен заряд, который разрушит ячейку навсегда, изменив свойства материала. Чем большего разрешения необходимо достичь, тем больше требуется линий, а значит, тем больше напряжение. Это создает проблемы: сигнал, проходящий через линию, начинает влиять на соседние ячейки, "частично включающиеся", снижая контраст изображения. Возникает угроза появления в ячейках больших электрических зарядов, что, как уже говорилось выше, недопустимо. Когда количество пикселов составляет несколько миллионов, уже само сканирование отнимает довольно много времени. Для преодоления этих трудностей была создана технология Double Scan. Фактически дисплей делят на две половинки, каждая из которых имеет собственный набор адресных линий и обновляется независимо. Изображение таких панелей кажется ярче за счет повышенного контраста, так как уменьшенная длина линий приводит к пониженному управляющему напряжению, что ослабляет взаимовлияние между соседними ячейками.

Рис. 6

Окончательное решение появилось в виде активных матриц на базе тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistors -- TFT). На стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния, на котором формируются транзисторы -- по одному на каждый пиксел. Транзисторы исполняют роль посредника между системой адресации и ЖК-ячейками. Существуют и панели на основе тонкопленочных диодов (TFD). В активных матрицах исключается влияние процесса выборки (адресации) на соседние ячейки, каждый пиксел изолирован (рис. 6). Благодаря этому задержки при "переключении" жидкокристаллических ячеек удается сократить до 25 мс, что уже позволяет активно-матричным дисплеям соперничать с CRT-мониторами. Как только ячейка получает заряд, она, подобно конденсатору, хранит его, но недостаточно долго. В то время как сканирование матрицы завершается, ячейки, обработанные первыми, уже начинают терять заряд. Чтобы избежать неоднородности изображения, к каждой ячейке подключают дополнительный конденсатор, который "подпитывает" ее на протяжении цикла сканирования.

По сути, создать полноценный ЖК-монитор на базе TFT- или TFD-панелей -- это почти то же самое, что собрать микропроцессор на подложке с диагональю 14" или 15". Малейший брак проявляется в виде светящихся неработающих пикселов на экране. Как вам, наверняка, известно, определенный процент брака при изготовлении микросхем неизбежен.

Все усложняется для цветных дисплеев. Тут пиксел формируется из трех независимых ячеек, каждая из которых расположена над участком фильтра синего, красного или зеленого цвета. Фильтры наносятся непосредственно на субстрат стекла подложки. Таким образом, количество пикселов и транзисторов увеличивается в три раза по сравнению с монохромной панелью. В цветном дисплее градации яркости каждого пиксела, составляющего триаду, используются для "смешения" цветов. Для этих целей отлично подходят TN-панели с их плавной кривой зависимости пропускания от приложенного напряжения. Количество отображаемых цветов есть производная того спектра градаций серого, который обеспечивает выбранная технология, и легко определяется как количество градаций, возведенное в куб.


STN и DSTN

Рис. 7

Super Twisted Nematic -- так называются дисплеи, в которых ориентационные бороздки верхней и нижней пластин повернуты друг относительно друга более чем на 200°. Особенностью STN является необычная кривая пропускания полученных ячеек: с ростом напряжения переход от второй зоны к третьей происходит практически мгновенно (рис. 7). Небольшого увеличения напряжения достаточно, чтобы перевести пиксел такого дисплея из полностью пропускающего в полностью непропускающее состояние. Но оригинальная методика, когда поворот директора в ячейке составляет 270°, и экстремально малая разница напряжений между состояниями включено и выключено не позволяют получать оттенки серого. Поэтому некоторые производители используют поворот на 210° как компромиссный вариант. При этом зона 2 несколько уширяется. Увы, такие дисплеи придают пропускаемому свету желтую или голубую окраску. Помимо того, полноцветные дисплеи сделать из STN-панелей вообще невозможно. Чтобы исправить этот недостаток, специалисты корпорации Sharp изобрели конструкцию под названием Double STN. Они склеили две стеклянные ячейки: одна с электродами и поляризаторами находится ближе к лампам подсветки, другая -- просто пассивная емкость с ЖК, в которой молекулярная спираль нематических кристаллов закручена в противоположную сторону, ее задача сводится к компенсации эффекта окрашивания и повышению контраста. Однако DSTN-дисплеи оказались на редкость тяжелыми и сложными в производстве, да и лампы подсветки требовались более мощные. В итоге свое место на рынке нашел совершенно иной способ компенсации с применением полимерных пленок -- Film Compensated STN (FCSTN).

 

Усовершенствования
Расширение угла обзора

Проблемы с допустимым углом обзора экрана характерны для ЖК, обеспечивающих полутона. Результирующая интенсивность пропущенного панелью света вследствие явления двойного лучепреломления в жидких кристаллах зависит от угла (j) между нормалью к фронту световой волны и направлением директора молекул ЖК, как sin2j. Это означает, что в полностью включенном состоянии при значениях j вплоть до 30° интенсивность пропущенного света изменяется не более чем на 10%, в то время как при уровне серого 50% (угол между директором и нормалью к поверхности экрана составляет 45°) -- на 90%, что ведет к серьезным искажениям градаций яркости или цветов при незначительном изменении угла обзора. Одним из самых простых способов избежать влияния двойного лучепреломления является нанесение на поверхности панели полимерных компенсирующих пленок, которые имеют показатель преломления другого знака, нежели жидкий кристалл.

Оригинальный способ разрешения проблемы нашел Гюнтер Баур в 1971 г. На основе его методики корпорация Hitachi в 1995 г. разработала технологию IPS (In-Plane Switching). Баур предложил новую схему ЖК-ячейки, в которой молекулы в нормальном состоянии не закручены в спираль на 90°, а ориентированы параллельно друг другу. Бороздки на нижней и верхней полимерных пленках параллельны, и все управляющие электроды расположены на одной стороне панели. При подаче напряжения электрическое поле разворачивает молекулы ЖК в плоскости экрана. Угол между директором и плоскостью панели остается постоянным. К сожалению, IPS имеет и некоторые недостатки, например на 50% ниже яркость.

Японское подразделение фирмы IBM предложило и совершенствует методику OCB (Optically Compensated Bend). В ее основе так называемые Pi-ячейки, в которых используется возможность изменять параметры двойного лучепреломления жидких кристаллов. Луч света, попадая в ячейку, немного изменяет свое направление, как бы "прижимаясь" к направлению вектора нормали к поверхности экрана, а покидая ее, возвращается к своему первоначальному направлению распространения.

 ЖК-ячейки с необычным аксиально-симметричным расположением молекул кристалла (наподобие лопастей вентилятора). Стенки, ограничивающие ЖК-ячейки, получаются в результате внедрения в состав кристалла молекул полимеризованной смолы и облучения полученной смеси ультрафиолетовым излучением после фазового разделения. ASM относится к классу методик стабилизации ЖК с помощью полимеров. Согласно другому методу использования полимеров, их в небольшом количестве домешивают к жидким кристаллам, что позволяет контролировать ориентацию молекул ЖК непосредственно внутри ячейки, а не только на двух граничных Специалисты Sharp реализовали другую технологию расширения угла обзора -- ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode). На цветном фильтре формируются специальные выступающие стенки, покрытые ориентирующей полимерной пленкой (рис. 8). Они образуют индивидуальные поверхностях, как это происходит в случае полимерных пленок.


Ферродиэлектрические жидкие кристаллы

Одним из слабых мест любой ЖК-панели является регенерация изображения. Сложные процессы зарядки и разрядки ячеек, короткое время сохранения ими заданного состояния, опасность накопления значительных зарядов -- все это усложняет производство. Косвенно удается упростить управляющую электронику, используя ферродиэлектрические жидкие кристаллы (FLCD). Если придать группе молекул определенную ориентацию, они (в отсутствие внешних воздействий) будут сохранять ее в течение неограниченного периода времени, образуя единый домен. Ферродиэлектрические ячейки не требуют частой регенерации, сканирование будет происходить только в моменты смены кадров. К тому же они обладают отменной скоростью реакции -- 10 мс. Однако их бистабильная природа затрудняет генерацию полутонов. Создаются дисплеи и на основе антиферродиэлектрических ЖК (AFLCD). Самые последние их модификации позволяют частично снять эту проблему.


LTPS

Обычно для формирования тонкопленочных транзисторов на поверхность стеклянной подложки наносят тонкий полупрозрачный слой аморфного кремния. Очень заманчивой выглядит идея разместить там и управляющие схемы. К сожалению, в аморфной фазе кремний не обладает необходимыми качествами для формирования сложных логических схем. Почему применяется такой неудачный материал? Все дело в температуре. Нанесение слоя аморфного кремния -- это низкотемпературный процесс, что позволяет использовать более дешевые сорта стекла для подложки. Если бы удалось снизить температуру изготовления поликристаллического кремния (состоит из множества мелких кристаллов и образуется при более 1000 °C), он послужил бы идеальным компромиссом между аморфными и кристаллическими материалами. В начале 90-х гг. необходимая технология была создана (температура снижена до 450 °C), а в прошлом году Toshiba объявила о начале производства 8,4- и 10-дюймовых экранов. Активно-матричные панели, изготовленные с применением низкотемпературного поликристаллического кремния, получили название LTPS (Low-temperature p-Si) TFT. Следующим этапом развития технологии должны стать LTPS-на-пластике, т. е. формирование слоя кремния на гибких листах пластикового субстрата, что позволит производить гибкие экраны.


Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)

В этом типе дисплеев используется плазменная панель для управления ЖК-ячейками. PALC-дисплей состоит из стеклянной подложки, с нижней стороны которой нанесен поляризационный фильтр, а с верхней -- сформированы продольные выступы-барьеры. Внутри каждой колонки, образованной барьерами, расположены два электрода. Сверху конструкцию накрывают тонким слоем стекла и полученные емкости наполняют газом под давлением несколько кПа. Затем следуют слой ЖК, прозрачная пленка с электродами колонок, цветные фильтры, субстрат стекла с поляризатором (рис. 9). Позади всей конструкции располагается блок подсветки. Выборка колонки осуществляется путем генерации разряда между двумя электродами в наполненной разреженным газом продольной ячейке. На поверхности стекла, разделяющего газовую и ЖК-ячейки, формируется отрицательный заряд, представляющий собой как бы виртуальный электрод (рис. 10). На один из поперечных электродов с противоположной стороны "сандвича" подается напряжение +70 В. Заряд с виртуального электрода протекает через ЖК-ячейку, расположенную на пересечении газовой продольной ячейки и поперечного электрода. Как только заряд стечет, все ЖК-ячейки переходят в полностью изолированное состояние, и можно начинать выборку следующего пиксела.

 

Одно из достоинств PALC-панелей -- простота изготовления. Они менее чувствительны к чистоте производственных помещений и точности компоновки по сравнению с традиционными TFT-матрицами. Это позволяет использовать большие по размерам стеклянные подложки и, следовательно, открывает перспективы производства больших ЖК-экранов. PALC-дисплеи свободны от влияния точечных дефектов, к которым так чувствительны активно-матричные мониторы. Конструктивная независимость плазменной и ЖК-панели облегчает процесс разработки новых модификаций. Корпорацией Sharp в 1998 г. был изготовлен прототип большого 42-дюймового PALC-монитора -- 98JES с характеристиками: разрешение -- 854 x 480, 16 млн. цветов, прогрессивная развертка, контраст 120:1, углы обзора по горизонтали -- 160°, по вертикали -- 140°, яркость -- 400 кд/м2.


Отражательные дисплеи

Серьезную проблему, преследующую в общем экономные LCD-панели, представляют собой мощные галогенные лампы подсветки, транжирящие электроэнергию и нагревающие чувствительные к перепадам температур жидкие кристаллы. Избавиться от подсветки можно, обратившись к внешним источникам освещения, как это делают производители наручных часов и карманных игр. Недавно появился новый класс ЖК-панелей, основанных на отражательной технологии. Наиболее перспективные разновидности мы рассмотрим немного подробнее.

Все отражательные LCD делятся на четыре большие группы: пропускающие, поглощающие, избирательно отражающие и рассеивающие. К первой относятся TN, ECB (Electrically Controlled Birefringence) и F-STN (Film compensated STN). Во вторую группу попали PCGH (Phase Change cholesteric-nematic Guest Host) и GH. Избирательно отражающие панели представляют PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Textures), а рассеивающие -- PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal). Отражательные дисплеи, помимо низкого энергопотребления, имеют еще одно значительное преимущество -- в них можно использовать непрозрачные кристаллические кремниевые подложки для создания CMOS управляющих схем. В ЖК-мониторах они получили название LCOS (LC on Si). Полноценные полупроводниковые схемы позволяют уменьшить взаимовлияние соседних пикселов и повысить скорость реакции жидкокристаллических ячеек. К тому же технология CMOS уже хорошо разработана, и производство LCOS доступно более широкому кругу мелких производителей.


ECB

Двойное лучепреломление -- вид необычного преломления света в некоторых кристаллах, результат которого -- появление двух лучей, распространяющихся под углом друг к другу с разной скоростью и имеющих разную поляризацию. Такое их "странное" поведение объясняется различными условиями распространения для света с разной поляризацией. Жидкие кристаллы, будучи оптически активными веществами, как нельзя лучше подходят для проявления необычного преломления. И если в традиционных панелях это приводит к искажениям цвета, то специалисты Sharp сумели использовать "вредный" феномен. Двойное лучепреломление позволяет получить цвет непосредственно без применения цветных фильтров и пиксельных триад, так как показатель преломления жидких кристаллов легко регулируется величиной приложенного к ним напряжения. Однако сегодня с помощью ECB удается получить только 4--8 цветов, да и угол обзора невелик, что существенно ограничивает область применения технологии.


PCGH

В данной разновидности панелей используются холестерические жидкие кристаллы, молекулы которых образуют упорядоченные, закрученные от слоя к слою спирали. При наложении электрического поля они выстраиваются своими длинными осями вдоль него. В жидком кристалле-"хозяине" растворяют краситель, поглощающий свет в различной степени в зависимости от своей ориентации относительно направления падения света, -- "гость" (рис. 11). "Сандвич" цветной панели PCGH состоит из алюминиевых отражающих электродов, смеси "хозяин-гость", прозрачных электродов, цветного фильтра и защитного стекла. В отсутствие электрического поля спиралевидные структуры жидкокристаллической смеси поглощают внешний свет, который проникает через стекло, фильтры и прозрачные электроды. Экран кажется черным. После того как электроды активируются, молекулы-"хозяева" следуют за направлением поля, увлекая за собой и продолговатые частицы красителя. Теперь свет беспрепятственно проходит через смесь, отражается от нижних алюминиевых электродов, и экран становится светлым. Управляя раздельно ЖК-ячейками, расположенными под фильтрами разных цветов, можно генерировать цветное изображение. Технология PCGH позволяет изготовлять яркие, высококонтрастные дисплеи с низким потреблением энергии (~60 мВт), а отсутствие поляризационных фильтров расширяет угол обзора до 100° по вертикали и горизонтали, снимает эффект двойного отражения, свойственный панелям с отражателем, вынесенным за пределы стеклянной ячейки.

PDLC

Технология PDLC -- зеркальное отражение методологии, принятой в дисплеях типа PCGH. В качестве активного компонента применяется смесь жидких кристаллов нематического типа и полимеров, а "игра" основана на способности первых менять свой показатель преломления в зависимости от величины наложенного электрического поля (рис. 12). Смесь помещена в стеклянную ячейку, задняя стенка которой выполнена из светопоглощающего материала. В нормальных условиях показатели рефракции ЖК и внедренных молекул полимера разные. Свет, проникающий в ячейку, рассеивается: частично назад, частично вперед. Мы видим рассеянный назад свет, и экран кажется светлым. Но стоит наложить электрическое поле такой величины, чтобы показатели преломления ЖК и полимера сравнялись, как свет будет свободно проникать сквозь смесь и поглощаться на задней стенке ячейки.

 Современные  ЖК мониторы для PC

Выше были рассмотрены только основы технологии производства ЖК-дисплеев. Мир жидкокристаллических панелей находится на стыке сразу нескольких наук: химии, физики твердого тела и физики жидкостей, кристаллографии. Богатство компонентов обусловливает разнообразие решений. Отрасль плоскопанельных мониторов бурно развивается, и уследить за появлением новых технологий, модификацией существующих и исчезновением устаревших можно, только постоянно просматривая специализированную литературу.

ЖК мониторы появились практически в каждом компьютерном магазине, причем по приемлемой цене. Цены уменьшились примерно в два раза по сравнению с тем, что было год назад. И они продолжают свое стремительное падение. В конце 2000 года цена за ЖК монитор составляла примерно $1100, сейчас же средненький дисплей можно купить за $550. Модели начального уровня продаются даже дешевле, иногда менее $300. Некоторые модели уже преодолели нижнюю планку $250, хотя их придется поискать. Уменьшение цены – это прекрасно, но что еще больше радует, ЖК дисплеи за последний год сильно продвинулись в технологическом плане. И хотя по качеству картинки ЖК мониторы до сих пор не могут догнать ЭЛТ собратьев, данный разрыв постоянно сокращается.

Первое, и самое главное улучшение – в ЖК мониторах увеличился угол обзора. Именно угол обзора являлся самым слабым местом ЖК мониторов. В лучших моделях вертикальный угол обзора достиг значения от 90 до 160 градусов. Но здесь существует довольно много подводных камней, так что разные модели сильно отличаются по углу обзора. Что еще более важно, улучшилось и количество цветов. В 2000 году вы могли найти модели, которые способны были отображать лишь 16-битный цвет. Сейчас же практически любой ЖК монитор поддерживает 24-битный цвет. Хотя с практической точки зрения, этому 24-битному цвету еще очень далеко до ЭЛТ мониторов.

Среди улучшений не лишним будет отметить и время реакции транзисторов, сильно выросшее за последнее время. Как объявили некоторые производители, время реакции новых мониторов в два раза быстрее предыдущего поколения. В результате еще один огромный недостаток ЖК мониторов, послесвечение, практически сошел на нет. Так что сейчас на ЖК мониторе можно вполне комфортно работать с графическими приложениями и даже играть. Кстати, мы чуть не забыли упомянуть про яркость и контрастность – они также постоянно улучшаются и приближаются к результатам ЭЛТ мониторов.

Несмотря на примерно равные цены и безупречную технологию, как уже было сказано выше, ЖК монитор имеет свои минусы по сравнению с ЭЛТ. Подведем краткое резюме- плюсы и минусы ЖК и ЭЛТ мониторов.

Первое преимущество ЖК монитора – вы забываете о проблемах с геометрией. В этих мониторах нет искажений, трапецеидальных дефектов и проблем с яркостью. Картинка геометрически безупречна. Дизайнеры, фанаты точной графики, без ума от таких мониторов. К сожалению, ЖК монитор имеет очень серьезные недостатки, которые заставят любого художника придерживаться старого доброго кинескопа.

 

Жидкие кристаллы или электронно-лучевая трубка?

Недостаток 1

Контрастность лучших ЭЛТ-мониторов составляет 700:1. Лучшие же ЖК мониторы могут похвастаться лишь 450:1. К тому же нередки модели с контрастностью 250:1 или даже 200:1. Низкая степень контрастности приводит к отображению темных оттенков как полностью черных. При этом легко теряются градации цветности картинки.

Недостаток 2

Практически все производители сообщают о поддержке 16 млн цветов. Однако матрица в большинстве из них способна отображать 260 000 цветов, причем в этом преуспел Neovo F-15. Получается 16-битный цветной дисплей, хотя монитор объявлен как поддерживающий 24 бита. Впрочем, следует отдать должное – ЖК-дисплеи значительно развились за последние годы, хотя они до сих пор и близко не подошли к цветовому спектру ЭЛТ. Вместо отображения всех цветов, плавно переходящих один в другой, изображение имеет зернистую, пеструю текстуру. Вы получите такой же эффект, если уменьшите количество цветов в Windows.

Недостаток 3

Если вы купите новый ЭЛТ дисплей, вы даже не будете пытаться использовать частоту обновления ниже 85 Гц. Но если для ЭЛТ дисплея частота обновления является хорошим критерием качества, то же самое нельзя перенести напрямую на ЖК-дисплей. В электронно-лучевой трубке электронный луч сканирует изображение на экране. Чем быстрее происходит сканирование, тем лучше дисплей, и тем, соответственно, выше частота обновления. В идеальном случае ваш ЭЛТ дисплей должен работать на частоте от 85 до 100 Гц. В ЖК дисплее изображение создается не электронным лучом, а пикселями, состоящими из красного, зеленого и синего подпикселей (триада). Качество изображения зависит от того, насколько быстро пиксели включаются и выключаются. Скорость выключения пикселей часто называют временем реакции. Для протестированных нами мониторов оно варьировалось от 25 до 50 мс. Другими словами, максимальное число изображений, показываемых в одну секунду, находится в диапазоне от 20 до 40, в зависимости от модели.

ЖК против ЭЛТ: краткое сравнение

Мы попытались свести в таблицу основные отличия между ЖК и ЭЛТ мониторами.

 

(+) – преимущество, (~) – средненько, (–) – недостаток

Основные принципы работы ЖК монитора

В ЖК мониторах,серийно выпускаемых для PC, реализовано три различных технологии использования жидких кристаллов - TN+film, IPS(S-IPS) и MVA(PVA). Но независимо от используемой технологии, все ЖК мониторы опираются на одинаковые фундаментальные принципы работы.

Одна или более неоновых ламп создают подсветку для освещения дисплея. Число ламп мало в дешевых моделях, в дорогих же используется до четырех. На самом деле использование двух (или больше) неоновых ламп не улучшает качество изображения. Просто вторая лампа служит для обеспечения отказоустойчивости монитора при поломке первой. Таким образом, продляется жизнь монитора, поскольку неоновая лампа может работать только 50 000 часов, в то время как электроника способна выдержать от 100 000 до 150 000 часов.

Для обеспечения однообразности свечения монитора, свет проходит через систему отражателей перед попаданием на панель. ЖК панель, на самом деле – крайне сложно устройство, хотя это и не заметно с первого взгляда. Панель – это сложное устройство со многими слоями. Отметим два слоя поляризаторов, электроды, кристаллы, цветовые фильтры, пленочные транзисторы и т.д. В 15'' мониторе существует 1024 x 768 x 3 = 2 359 296 субпикселя.

TN+Film (скрученный кристалл + пленка)

Иллюстрация 1: в панелях TN+film жидкие кристаллы выстраиваются перпендикулярно подложке. Слово «пленка» в названии произошло от дополнительного слоя, служащего для увеличения угла обзора.

TN+film – самая простая технология, поскольку она основана на все тех же скрученных кристаллах. Скрученным кристаллам насчитываются годы – они используются в большинстве TFT панелей, проданных за прошедшие несколько лет. Для улучшения удобочитаемости изображения был добавлен пленочный слой, увеличивающий угол обзора от 90° до 150°. К сожалению, пленка не влияет на уровень контрастности или время реакции, которые остаются плохими.

Итак, по крайней мере, в теории, дисплеи TN+film являются самыми дешевыми, бюджетными решениями. Процесс их производства мало чем отличается от изготовления предыдущих панелей на скрученных кристаллах. Сегодня не существует более дешевых решений, чем TN+film.

Вкратце остановимся на принципе работы: если транзистор прикладывает нулевое напряжение к субпикселям, то жидкие кристаллы (а, соответственно, и ось поляризованного света, проходящего сквозь них) поворачиваются на 90° (от задней стенки к передней). Поскольку ось фильтра-поляризатора на второй панели отличается от первого на 90°, свет будет через него проходить. Если полностью задействовать красный, зеленый и синий подпиксели, вместе они создадут белую точку на экране.

Если же применить напряжение, в нашем случае поле между двумя электродами, то оно уничтожит спиралевидную структуру кристалла. Молекулы выстроятся в направлении электрического поля. В нашем примере они станут перпендикулярны подложке. В данном положении свет не может пройти через субпиксели. Белая точка превращается в черную.

У дисплея на скрученных кристаллах существует ряд недостатков.

Во-первых, инженеры уже очень долгое время борются за то, чтобы заставить жидкие кристаллы выстраиваться строго перпендикулярно подложке при включении напряжения. Именно по этой причине старые ЖК дисплеи не могли отображать четкий черный цвет.

Во-вторых, если транзистор перегорает, он более не может прикладывать напряжение к своим трем субпикселям. Это важно, поскольку нулевое напряжение означает яркую точку на экране. По этой причине «мертвые» ЖК пиксели очень яркие и заметные.

Что касается 15'' мониторов, то для них разработана только одна технология на смену TN+film – MVA (про нее чуть позже). Эта технология дороже TN+film, зато она превосходит TN+film почти по всем позициям. Однако мы упоминаем "почти", поскольку в ряде случаев TN+film работает лучше MVA.

IPS (In-Pane Switching или Super-TFT)

Иллюстрация 2: если приложено напряжение, молекулы выстраиваются параллельно подложке.

Технология IPS была разработана Hitachi и NEC. Она стала одной из первых ЖК технологий, призванных сгладить недостатки TN+film. Но, несмотря на расширения угла обзора до 170°, остальные функции не сдвинулись с места. Время реакции этих дисплеев изменяется от 50 до 60 мс, а отображение цветов – посредственное.

Если к IPS не прикладывается напряжение, то жидкие кристаллы не поворачиваются. Ось поляризации второго фильтра всегда перпендикулярна оси первого, так что свет в такой ситуации не проходит. Экран демонстрирует практически безупречный черный цвет. Так что в этой области IPS имеет явное преимущество перед TN+film дисплеями – если сгорает транзистор, то «мертвый» пиксель будет не ярким, а черным. Когда на субпиксели подается напряжение, два электрода создают электрическое поле и заставляют кристаллы поворачиваться перпендикулярно их предыдущей позиции. После чего свет может проходить.

Самое плохое, что создание электрического поля в системе с подобным расположением электродов потребляет большое количество энергии, но что еще хуже, для выстраивания кристаллов необходимо некоторое время. По этой причине IPS мониторы зачастую, если не всегда, имеют большее время реакции по сравнению с TN+film собратьями.

С другой же стороны, точное выстраивание кристаллов улучшает угол обзора.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Некоторые производители предпочитают использовать MVA, технологию, разработанную Fujitsu. Как они считают, MVA обеспечивает лучший компромисс практически во всем. И вертикальный, и горизонтальный угол обзора составляют 160°; время реакции в два раза меньше, чем у IPS и TN+film – 25 мс; цвета отображаются намного более точно. Но почему же если MVA имеет столько много преимуществ, она не используется повсеместно? Дело в том, что теория не так хороша на практике.

Сама технология MVA развилась из VA, представленной Fujitsu в 1996 году. В такой системе кристаллы без подачи напряжения выстроены вертикально по отношению ко второму фильтру. Таким образом, свет не может проходить через них. Как только к ним будет приложено напряжение, кристаллы поворачиваются на 90°, пропуская свет и создавая на экране яркое пятно.

Преимуществами такой системы являются скорость и отсутствие как спиралевидной структуры, так и двойного магнитного поля. Благодаря этому время реакции уменьшилось до 25 мс. Здесь также можно выделить преимущество, которое мы уже упоминали в IPS – очень хороший черный цвет. Главное же проблемой системы VA явилось искажение оттенков при просмотре экрана под углом. Если вывести на экран пиксель какого-либо оттенка, к примеру, светло-красный, то к транзистору будет приложено половинное напряжение. При этом кристаллы повернутся только наполовину. Спереди экрана вы увидите светло-красный цвет. Однако если вы посмотрите на экран сбоку, то в одном случае вы будете смотреть вдоль направления кристаллов, а в другом – поперек. То есть с одной стороны вы увидите чистый красный цвет, а с другой – чистый черный цвет.

Так что компания пришла к необходимости решения проблемы искажения оттенков и годом позже появилась технология MVA.

На этот раз каждый субпиксель был разделен на несколько зон. Фильтры-поляризаторы также приобрели более сложную структуру, с бугоркообразными электродами. Кристаллы каждой зоны выстраиваются в своем направлении, перпендикулярно электродам. Задачей такой технологии было создание необходимого количества зон, чтобы пользователь всегда видел только одну зону, неважно с какой точки экрана он смотрит.

Аналогом технологии MVA является технология PVA, разработанная фирмой Samsuns.

На данной диаграмме можно видеть углы обзора и время реакции пиксела для вышеперечисленных технологий.

 

 

 

 Рассмотрим альтернативные технологии производства мониторов, которые могут появится в массовом производстве в ближайшем будущем.

PDP. Плазменные экранные матрицы

Прообразом для создания плазменных экранных матриц (Plasma Display Panels) стали самые обычные лампы дневного освещения. Плазменные мониторы состоят из полой стеклянной панели, заполненной газом. На поверхность внутренней стороны стенок выведены микроскопические электроды, образующие две симметричные матрицы, а снаружи эта конструкция покрыта слоем люминофора. Когда на контакты подается ток, между ними возникает крошечный разряд, который заставляет светиться (в ультрафиолетовой части спектра) располагающиеся рядом молекулы газа. Следствием этого является освещение участка люминофора, как это происходит в обычных ЭЛТ-мониторах.

Основные плюсы этой технологии это: во-первых, плазменные мониторы выгодно отличаются от своих конкурентов высокой яркостью и контрастностью изображения; во-вторых, в их габаритах составляющая толщины представляет собой ничтожно малую долю. Основные минусы, не позволяющие использовать эту технологию для производства мониторов, это низкая разрешающая способность и крайне высокая энергоемкость. Кроме того, стоимость таких устройств является заоблачной для массового пользователя. Да и проблемы с цветопередачей для PDP также актуальны, как и для всех прочих решений, отличных от ЭЛТ. Впрочем, сегодня еще рано судить о том, какая из существующих технологий придет на смену ЭЛТ. При современных темпах разработок и внедрения ответ на этот вопрос мы должны получить в течение ближайших трех лет.

LEP. Светоизлучающие пластики

Иная альтернатива развития мониторов, не связанная с существующими наработками - технология изготовления и использования дисплеев на основе так называемых светоизлучающих пластиков.

первый монитор, построенный по технологии LEP

Светоизлучающие пластики (Light Emission Plastics) - сложные полимеры с рядом интересных свойств. Вообще-то, использование пластических полимерных материалов в качестве полупроводников началось уже довольно давно, и встретить их можно в самых различных отраслях техники, в том числе и в бытовой электронике, включая персональные компьютеры. Однако некоторые представители этого семейства обладали и довольно необычным свойством - способностью эмитировать фотоны под воздействием электрического тока, то есть светиться.

технология LEP позволяет довести обзорность до 1800

Поначалу КПД полимерных светильников был крайне низким, и соотношение излучаемого света к затраченному потоку электронов измерялось долями процента. Но в последнее время компания Cambridge Display Technology существенно продвинулась в разработке светоизлучающего пластика и повысила эффективность этих материалов в сотни раз. Сейчас с уверенностью можно сказать, что LEP сравнились по своей функциональности с привычными светодиодами. Поэтому на повестку дня стал вопрос об их практическом применении.

кусочек светоизлучающего пластика

LEP необычайно просты и дешевы в производстве. В принципе, LEP-дисплей представляет собой многослойный набор тончайших полимерных пленок. Даже по сравнению с экранами на жидких кристаллах пластиковые мониторы кажутся совсем тонкими - всего пары миллиметров вполне достаточно для воспроизводства на них качественного изображения. По многим же параметрам светоизлучающие пластики превосходят всех своих конкурентов. Они не подвержены инверсионным эффектам, что позволяет менять картинку на таком дисплее с очень высокой частотой. Для работы LEP расходуют электрический ток слабого напряжения, да и вообще отличаются низкой электроемкостью. Кроме того, то, что пластик сам излучает, а не использует отраженный или прямой поток от другого источника, позволяет забыть о тех проблемах, с которыми сталкиваются производители мониторов на жидких кристаллах, в частности - ограниченного угла обзора. Конечно, не обошли эту еще молодую технологию и свои специфические проблемы, такие, например, как ограниченный срок службы полимерных матриц, который сегодня намного меньше, чем у электронных трубок и ЖК-дисплеев. Другая проблема касается воспроизведения светоизлучающим пластиком цветных изображений.

схема технологии LEP

 

 OLED. органические электролюминесцентные дисплеи

 

Есть ли у вас монитор, который бы был исключительно тонким и легким, потреблял бы минимальную мощность, имел бы низкую себестоимость, и при этом обладал высоким разрешением, яркостью и контрастностью? Дисплеи следующего поколения – органические электролюминесцентные дисплеи (OLED) – обладают всеми этими характеристиками!

 

Дисплей TFT OLED 3"

На сегодняшний день технология OLED является ведущей технологией следующего поколения в ряду FDP (flat panel displays). Регулярно повляются новости о появлении очередной дисплейной панели на базе органической электролюминесценции. Приборы OLED - это светоизлучающие полноцветные приборы, которые обеспечивают высокую яркость, малую потребляемую мощность, широкий угол обзора, хорошую контрастность изображения. Кроме того, они компактные и легкие, выдерживают значительные механические нагрузки, обладают широким диапазоном рабочих температур и имеют достаточный срок службы. Область применения таких дисплеев довольно широкая: от сотовых телефонов и автомагнитол до нашлемных индикаторов, дисплеев на лобовом стекле транспортных средств и осветительных приборов. При последующем развитии фосфоресцентных материалов, приборы OLED могут стать не только эффективным средством отображения, но и тонкопленочным источником света, заменяя многочисленные дискретные лампы накаливания и дорогие большие неорганические светодиоды. Не исключено, что через пару лет TFT LCD дисплеи будут сменяться мониторами на базе OLED.

Органический электролюминесцентный дисплей OLED представляет собой монолитный тонкопленочный полупроводниковый прибор, который излучает свет, когда к нему приложено напряжение. OLED состоит из ряда тонких органических пленок, которые заключены между двумя тонкопленочными проводниками. Рабочее напряжение OLED – всего лишь 3-10 В.

 

 

Цвет, эффективность и интенсивность излучения приборов OLED зависят от использованных органических материалов, которыми определяется многообразие воспроизводимых дисплеем цветов. Сегодня основное внимание разработчиков приборов OLED направлено на создание материалов для полноцветных приборов OLED (широкий цветовой охват, высокая точность и постоянство цветопередачи позволят мониторам OLED по области применения обогнать LCD TFT мониторы).

В приборах OLED используются два класса органических материалов. Это микромолекулы и полимеры. С 1987 года (который принято считать началом исследования OLED) работы по обоим направлениям создания OLED велись параллельно. В то время как пользователь не смог бы отличить полимерный прибор OLED (PLED) от прибора OLED с микромолекулами (sm-OLED), эти две системы имеют несколько различий.
Сегодня приборы sm-OLED опережают приборы PLED по эффективности и сроку службы. Тем не менее, для обоих приборов достигнут огромный прогресс. Недавно эффективность лучших приборов sm-OLED и PLED более чем удвоилась.

Итак, OLED – это не что иное, как тонкопленочное устройство со светоизлучающей поверхностью. Поверхность эта образована множеством одновременно излучающих свет ячеек на одной подложке. Причем эти ячейки могут быть изготовлены либо методом напыления, либо методом струйной печати, для создания дисплея с произвольным структурированием можно применить обычную литографию. Другими словами, OLED имеют значительные преимущества в технологии формирования структуры.

Дисплеи OLED имеют очень широкий угол обзора (более 160°) и малое время запаздывания - приблизительно 10 микросекунд.

Яркость: Приборы OLED равномерно и без мелькания излучают яркость от нескольких кд/кв.м (для ночной работы) до очень высоких яркостей - свыше 100 000 кд/кв.м, причем их яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне.

Так как срок службы OLED обратно пропорционален яркости, для приборов рекомендуется работа при более умеренных уровнях яркости. Достигнутыми сегодня результатами считаются  сроки службы по спаду яркости в два раза до 5,000 - 10,000 часов при средней яркости 100 кд/м2.

Контрастность: Чтобы обеспечить хорошую читаемость информации, при прямом солнечном свете следует увеличивать контраст, а не яркость приборов. Чтобы добиться этого, отражающая способность дисплея должна быть управляемой. Приборы OLED имеют очень хорошую контрастность. Например, стандартный прибор OLED, имеющий круговой поляризатор с антибликовым покрытием, обладает контрастом свыше 300:1 при уровне освещенности 500 люкс, которая считается нормальной для наземного транспорта.

Повысить контраст удается в просветных приборах OLED (т.н. приборы с верхним излучением – TOLED). Приборы TOLED, которые имеют коэффициент пропускания 70 - 85 % в выключенном состоянии, могут быть применены для воспроизведения информации на лобовом стекле. Требуемая для такого использования яркость в настоящее время недостижима, но ведущиеся разработки делают такую возможность реальной в ближайшей перспективе.

Температуры: Возможность работы в широком диапазоне температур – актуальный момент для транспортных дисплеев, которые должны работать от температур ниже нуля до температур, которые превышают 80°C. В то время как для жидкокристаллических дисплеев воздействие низких температур оказывается неблагоприятным, и обычно требуется использование подогрева подложки, приборы OLED хорошо работают даже при температуре минус 40°C! При высоких температурах приборы OLED имеют допустимую рабочую температуру порядка 70°C.

Габариты: Дисплеи OLED тонкие и легкие. Используя стекло толщиной 0,7 мм, дисплей OLED будет иметь толщину порядка или чуть больше 1,4 мм.

Направление развития

Основные усилия разработчиков OLED сегодня направлены на уменьшение дифференциального старения, повышение чистоты цвета и увеличение срока службы полноцветных приборов.
Отдельная проблема – получение эффективного белого цвета либо путем разработки новых материалов, либо методом смешения цветов.
Немаловажно, что для OLED требуется совершенная герметизация, потому что органические флуоресцентные материалы чрезвычайно чувствительны к влажности.

Сегодня возможно практическое применение двух вариантов построения схем управления OLED дисплеев – с пассивными и активными матрицами.
OLED дисплеи с пассивными схемами управления имеют потенциальную возможность отображать полноцветные подвижные изображения с превосходным качеством. Это демонстрировалось на многих прототипах среднего размера, но при создании маленьких цветных панелей с высоким разрешением и при использовании пассивной схемы управления возникают значительные трудности. Альтернативный вариант, который решает возникающие проблемы: использование активно-матричной технологии для управления тонкопленочными транзисторами на низкотемпературном поликристаллическом кремнии (LTPS).
Дальнейшее развитие активно-матричной технологии OLED (АМЭЛ) позволит расширить область применения OLED дисплеев.

Первый OLED дисплей, представленный на рынок, был пассивно адресуемой матричной панелью, имеющей 256 × 64 точек. Он использовался для автомагнитолы.Расширить применение OLED можно, решив проблему увеличения цветовой гаммы. Исследовательская группа корпорации Tohoku Pioneer активно разрабатывает 18-разрядные OLED дисплеи, используя тонкопленочные транзисторы «монолитный кристалл кремния» (CGSI).

Корпорация Tohoku Pioneer в 2002 году начинает массовое производство цветных 18-ти разрядных АМЭЛ дисплеев.
По планам фирмы Tohoku Pioneer сначала будут запущены в серийное производство 2-4" активно-матричные дисплеи, которые будут применяться в автомобильных звуковых системах и в портативных устройствах типа мобильных телефонов, PDA и цифровых видеокамер. Затем, при успешной торговле малыми OLED устройствами, фирма планирует производить панели среднего размера для ноутбуков и видеомониторов.

Фирма UDC разрабатывает дисплеи OLED на гибких подложках (FOLED). На фотографии - дисплей FOLED на пассивной матрице, 128 х 64 пикселя (размер пикселя 400 х 500 мкм), имеющий яркость 100 кд/м2. Он выполнен на стандартной жароупорной пленке толщиной 0,18 мм из полиэтилентерефталата (PET) является ультратонким и весит существенно меньше любого другого дисплея с аналогичными параметрами.

Дисплеи FOLED еще более прочные, чем обычные дисплеи OLED. Кроме того, они допускают изгиб с радиусом кривизны < 1 см. Использование дисплея FOLED открывает совершенно новые возможности при проектировании панели транспортного средства. Экран может быть установлен в пространство, раньше недоступное для дисплеев на плоских панелях, например, интегрировать дисплей FOLED в изогнутую приборную доску; на внутреннюю облицовку боковых панелей и потолка и, возможно, на ветровое стекло, что обеспечит одновременно удобство и безопасность для оператора.

Как видите, в техническом плане технология OLED имеет очень высокий потенциал и предполагает очень широкий спектр применения.
В технологическом плане технология OLED имеет значительное преимущество по стоимости по сравнению с технологией производства жидкокристаллических матриц. Приборы OLED значительно меньше насыщены материалами, они требуют существенно меньшего количества технологических операций. Поэтому себестоимость OLED устройств будет ниже, чем ЖК дисплеев. Кроме того, при производстве OLED будут использоваться части инфраструктуры жидкокристаллических индикаторов, что сократит время на организацию выпуска.

Дисплеи на электронных чернилах

Возможно, в будущем найдут применение дисплеи на электронных чернилах (electronic-ink displays), предложенные американской фирмой E Ink. Микрокапсулы таких чернил содержат заряженные частицы диоксида титана (чистого белого цвета) и черные частицы с противоположным зарядом. Под действием электрического поля пигмент устанавливается в желаемое положение и окрашивает капсулу в белый, черный или промежуточный серый цвет (см. схему).

 

 

Важная особенность электронных чернил в том, что можно достичь очень высокого разрешения за счет изменения цвета каждой отдельной частицы пигмента. Поскольку диаметр частицы измеряется микронами, разрешение экрана фактически определяется разрешением электронной матрицы, управляющей состоянием капсул. Таким образом, при изготовлении не нужно учитывать форму или размеры капсул, а также однородность цвета каждой из них, что значительно удешевляет производство. Кроме того, оптическое состояние чернил после приложенного импульса очень стабильно. Сформированное изображение остается разборчивым в течение нескольких месяцев!

Среди достоинств технологии E Ink — удобство чтения (отсутствие мерцания и изменения формы букв, независимость от условий освещения и угла зрения) и сверхнизкое потребление энергии. Некоторые параметры экранов, построенных на различных коммерчески доступных на сегодняшний день технологиях, приведены в первой таблице. Как видно, дисплеи на электронных чернилах обладают в шесть раз большей отражательной способностью и вдвое контрастнее, чем жидкокристаллические.

 

Технология	Отражающая способность, %	Контрастность
Работающие в отраженном свете монохромные ЖК-дисплеи типичные для PDA (STN-LCD)	4,2	4,1
Работающие в отраженном свете монохромные ЖК-дисплеи типичные для eBook (TN-LCD)	4	4,6
Электронные чернила (с сенсорным экраном)	26,6	9,2
Электронные чернила (без сенсорного экрана)	38,1	10
Типографский отпечаток (журнал «Wall Street»)	61,3	5,3
Сравнение характеристик дисплеев без внутренней подсветки1.

 

Низкое потребление энергии обусловлено двумя факторами. Во-первых, такие дисплеи не нуждаются в подсветке и работают преимущественно в отраженном свете, а во-вторых, капсулы не требуют постоянного приложения электрического поля (заняв определенное положение, частицы не меняют его до очередного внешнего воздействия).

 

 

Потребляемая мощность дисплеев на электронных чернилах в сравнении с жидкокристаллическими панелей на активной и пассивной матрице приведена во второй  таблице. Благодаря отсутствию необходимости постоянно подпитывать экраны на электронных чернилах, потребляемая ими мощность фактически зависит лишь от частоты изменения картинки.

Технология	Потребление энергии (5" QVGA), мВт	Потребление энергии (8" SVGA),  мВт
Цветные ЖК-дисплеи с внутренней подсветкой (AMLCD, типичны для iPAQ и Jornada 56x)	1000	3830
Работающие в отраженном свете монохромные ЖК-дисплеи (STN-LCD, большинство PDA)	60	—
Работающие в отраженном свете цветные ЖК-дисплеи (LTPS LCD, пример — Palm m 505/515)	25	600
Черно-белые электронные чернила (частота обновления 0,1 Гц)	0,7	7,1
Черно-белые электронные чернила (частота обновления 0,016 Гц)	0,1	1,2
Сравнительная таблица энергопотребления ЖК-мониторов и дисплеев на электронных чернилах2.

 

На выставке «Asia Display» в 2001 году, компании E-Ink и Toppan Printing совместно продемонстрировали первый цветной дисплей на электронных чернилах, использующий матрицу светофильтров. Их яркость, контраст и цветопередача практически не зависят от освещенности и угла обзора, но, разумеется, не так высоки, как у ЖК-панелей.

 

Одно из преимуществ электронных чернил — простота адаптирования для производства так называемых гибких дисплеев, которые при изгибании не дают искажения картинки. Один из экспонатов компании E Ink представляет собой панель с электронными чернилами, выполненную с использованием активной матрицы на тонкой фольге из нержавеющей стали.

Как скоро мы сможем воспользоваться этим изобретением? Разработка коммерческих дисплеев уже началась. E Inc и Philips официально объявили, что первые продукты (предпродажа) появятся уже в конце 2002 года, а широкое внедрение разработки запланировано на 2003 год. Первые экраны будут монохромными, от 3 до 8 дюймов в диагонали с разрешением 125 dpi, отражающей способностью 40%, контрастностью 10:1 и временем реакции 150 мс. Такие характеристики вполне пригодны для небольших экранов PDA и мобильных телефонах, однако до настольных дисплеев еще далеко.По всей видимости, на пути к широкому распространению у технологии будет два барьера — уменьшение времени реакции и переход от прототипа к массовому производству. Не редки случаи, когда удачная технология терпела фиаско при внедрении в производство: то было слишком трудно сделать процесс массовым, то появлялась еще более удачная технология…

Цифровые интерфейсы LCD мониторов

 

 Сегодня пока наиболее распространены мониторы с аналоговым интерфейсом. Использование этого интерфейса в современных TFT дисплеях –  абсурдно. Действительно, цифровой сигнал, который генерируется графической картой, преобразуется в аналоговую форму для передачи, и потом преобразуется обратно в цифровую форму. Очевидно, что двойное преобразование ведет к потере качества и увеличения затрат на дополнительные аппаратные средства. Применение цифрового интерфейса было бы логичнее для TFT дисплеев. Однако пока не все производители спешат упрощать свои монитор

Причиной такого положения можно считать широкую распространенность видеокарт с аналоговым выходом, сложность модернизации парка компьютеров в крупных организациях, которые являются пока основным потребителем LCD мониторов, а так же отсутствие четко определенного стандарта для цифрового интерфейса.

Однако, несмотря на то, что пока все факты стоят на стороне аналогового интерфейса, он имеет несколько существенных недостатков, которые заставляют серьезно задуматься над возможностью использования цифрового интерфейса. Мы коснемся только одного, самого неприятного эффекта – флуктуации пикселя. Этот эффект возникает в случае если частота и фаза не синхронизирована с аналоговым сигналом. В этом случае пиксели начинают «плавать», что очень заметно в символах и строках. Что касается цифровых TFT, то они не нуждаются в подобной синхронизации, что делает изображение максимально четким. Кроме того,  это позволяет отказаться от опций настройки фазы и частоты, что значительно упрощает настройку монитора. Точнее сказать у пользователя остается только возможность корректировки яркости и контрастности.

Ниже в таблице мы собрали основные преимущества и недостатки цифровых и аналоговых интерфейсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наиболее интересным из трех стандартов является интерфейс DVI. Главным его достоинством можно считать полную совместимость с P&D и DFP. Кроме того, компании Matrox, ATI и Number Nine уже выпустили платы имеющие DVI разъем. Скорее всего будущее за DVI - Digital Visual Interface.

 

24-pin DVI разъем может передавать цифровой и аналоговый сигналы. Разрешение не ограничено SXGA.

Digital Visual Interface (DVI) был разработан группой Digital Display Working (DDWG). Сегодня группа включает множество компаний, первоначально входящих в DFP. Хотя этот стандарт не был принят VESA, DVI имеет очень хорошую перспективу, благодаря применению цифрового протокола передачи - TMDS (PanelLink). Сравнивая P&D и DFP, которые имели только один линк, DVI имеет второй линк, который удваивает максимальный пиксельрейт. Это позволяет использовать разрешение выше 1280 x 1024. Дополнительно преимущество DVI заключается в возможности передачи аналогового сигнала, что позволит подключать LCD и ЭЛТ-мониторы, использующие обычный VGA вход.