Как и в других технологиях, пиксель ЖК-панели состоит из трёх суб-пикселей основных цветов. Но принцип работы в данном случае довольно интересен: кристалл не излучает свет, но работает в качестве переключателя, именно поэтому ЖК-панелям всегда нужна подсветка (либо отражённый свет, который тоже может использоваться). Свет, излучаемый подсветкой, проходит через жидкий кристалл, а затем и окрашивается цветовым фильтром (если быть точным, то фильтр просто не пропускает ненужные цвета спектра, поглощая до 75% света). Каждый суб-пиксель имеет одинаковое строение и отличается только цветовым фильтром. Жидким кристаллом каждого суб-пикселя можно управлять как клапаном. В зависимости от угла поворота, через кристалл проходит больше или меньше света, в результате чего каждый пиксель даёт то или иное количество красного, зелёного или синего цвета.
В деталях
Давайте рассмотрим, как работает этот световой клапан.
Подсветка излучает обычный неполяризованный белый свет. Напомним из курса физики, что поляризация влияет на ориентацию вектора электрического поля. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно к направлению распространения волны. Лампа излучает неполяризованный свет, поэтому вектор электрического поля может быть направлен во все стороны перпендикулярно направлению распространения волны. После того, как свет пройдёт через поляризатор, вектор его электрического поля будет иметь преимущественное направление (в нашем примере вертикальное). Если свет затем попадёт на второй поляризатор, где ось поляризации перпендикулярна первому (в нашем примере она горизонтальная), то мы ничего не увидим - свет попросту не пройдёт. Если помните, на уроках физики в школе был такой опыт. Но если мы разместим между двумя поляризаторами жидкий кристалл, то он сможет повернуть ось поляризации света таким образом, чтобы она совпадала с осью второго поляризатора. Тогда свет сможет пройти. Это свойство жидких кристаллов и стало причиной их успеха в технологиях дисплеев. Что интересно, сам по себе ЖК-материал не имеет таких свойств. Его "насильно" заставили это сделать! По природе ЖК хаотичен и "ленив". И мало на что способен. Но вот под действием чужой воли, то есть ориентации, его можно заставить поработать. Огромная роль в придании поляризационной селективности играет ориентирующее покрытие, которое наносится на поверхности обеих подложек. Именно качество ориентирующего покрытия и определяют селективность процесса поляризации. Благодаря ориентирующему слою происходит выстраивание и закручивание молекул ЖК.
Если подать на кристалл электрический ток, то он будет поворачиваться в зависимости от разницы потенциалов - подобно стрелке компаса, ориентирующейся по магнитному полю Земли. С помощью электрического поля можно запретить поворот оси поляризации, после чего через горизонтальный поляризатор свет уже не будет проходить, так как он будет оставаться поляризованным вертикально.
Изменяя напряжение на краях жидкого кристалла, мы получаем, своего рода, переключатель с промежуточными положениями, которые более или менее точно позволяют задать оттенки цвета.
Адресуем ЖК-матрицу
Адресация ЖК-дисплеев с пассивной матрицей реализуется примерно так же, как и у плазменных панелей. Передний электрод, общий для всего столбца, проводит ток. Задний электрод, общий для всего ряда, служит "землёй".
Недостатки у старых, пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.
Чтобы устранить описанные недостатки, производители перешли на технологии активных матриц. Хотя, надо сказать, пассивные матрицы тоже со временем совершенствовались и сегодня применяются во многих устройствах, например, в сотовых телефонах.
Здесь к каждой ячейке пикселя добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.
Эта технология известна ещё и под названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" для многих стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором часто понимают дисплей, использующий технологию TFT. Хотя, конечно, это мнение верным не является.
Здесь используется намного меньшее напряжение, чем у плазменных панелей. Чтобы работать с ЖК-пикселем, достаточно разницы потенциалов от -5 до +20 В, что намного ниже сотен вольт у плазменных панелей.
Немного литографии
Процесс изготовления ЖК-панелей очень схож с производством полупроводников.
На стекло наносится слой хромовых проводников для создания проводящей структуры транзисторов и запоминающих конденсаторов. Затем добавляется тонкий слой оксида кремния, который будет работать в качестве диэлектрика для затворов транзисторов и конденсаторов. После этого для создания канала транзистора наносится слой аморфного кремния. Затем две зоны транзистора легируются N+ для создания стока и истока. Наконец, наносится слой металлических проводников, чтобы связать транзистор (слева) с запоминающим конденсатором (справа). Этот слой также обеспечивает подключение к металлической шине данных. Хромовая решётка, соединяющая все транзисторы в строчке, работает в качестве горизонтальной адресной линии. Наконец, весь комплекс покрывается оксидной плёнкой для защиты компонентов.
Так как транзистор на аморфном кремнии имеет не такие хорошие характеристики, как транзистор на легированной подложке, к решётке прикладывается отрицательное напряжение (-5 В), которое гарантирует, что транзистор открыт (выключен). Как только транзисторный слой будет нанесён, можно добавлять жидкие кристаллы.
Чтобы две стеклянные пластины не соприкасались друг с другом, добавляется специальный разделитель (spacer). Затем наносятся жидкие кристаллы и электроды из оксида индия и олова. После этого добавляются цветовые фильтры (в нашем случае зелёный), передняя стеклянная панель и ещё один поляризатор, ось которого перпендикулярна оси первого поляризатора.
Над транзистором наносится чёрный фильтр. Причина проста: в этой области напряжение не контролируется, в отличие от пространства под электродом. Оно зависит от напряжения в линии данных, которое может меняться даже тогда, когда наш пиксель вовсе не адресуется. Поэтому лучше "замазать" эту область, чтобы она не влияла на результат.
Преимущества и недостатки ЖК
Рождённый для компьютера
Технология ЖК даёт явные преимущества в мире вычислительной техники. Она вышла в свет благодаря компьютерам и лишь потом была адаптирована в других сферах. Благодаря процессу литографии, взятому из полупроводниковой промышленности, пиксели могут быть очень маленькими. ЖК-мониторы сегодня стали серьёзной альтернативой громоздким ЭЛТ-дисплеям и скоро вытеснят их с рынка. Кроме того, в портативных и мобильных областях без ЖК просто нельзя обойтись. Впрочем, здесь набирают силы OLED-дисплеи (органические светодиоды, Organic Light-Emitting Diode), но пока они продвигаются вперёд крохотными шажками.
В целом, решения на основе ЖК стоят дешевле плазменных моделей, но здесь во внимание следует принимать и фактор маркетинга. Если на рынке наблюдается недостаток панелей, то даже недорогие технологии могут дать продукт с астрономической ценой. Мы наблюдали подобное явление около полутора лет тому назад.
Что касается качества картинки, то ЖК-мониторы обеспечивают большую яркость по сравнению с ЭЛТ-дисплеями. Кроме того, пиксели ЖК-мониторов не мерцают, и даже на близком расстоянии вы сможете наслаждаться картинкой.
ЖК-телевизоры отличаются великолепной стабильностью картинки - вы можете сидеть вплотную к телевизору, и ваши глаза не устанут. Кроме того, яркость просто великолепна, а картинка - очень резка. Добавьте к этому разумные цены (если на рынке достаточно панелей) и уменьшенные габариты - и вы поймёте всю прелесть ЖК.
Но и проблемы тоже есть
К сожалению, углы обзора ЖК-телевизоров не могут достичь уровня плазменных панелей, не говоря уже о ЭЛТ. Дело в том, что излучаемый подсветкой свет проходит через два поляризатора, и лишь затем покидает поверхность монитора. Однако в этой области производители немало продвинулись вперёд, и современные ЖК-панели обладают углами обзора, вполне достаточными для комнаты.
Контрастность ЖК остаётся ниже уровня ЭЛТ и плазменных панелей, но сегодня это уже не проблема. Существенным же недостатком можно считать недостаточно глубокий чёрный цвет. Как мы уже видели выше, пиксели ЖК-панели работают как световые переключатели - и они не идеальны, то есть часть света просачивается даже в закрытом состоянии. Даже когда переключатель полностью закрыт, и соответствующий суб-пиксель должен быть чёрным, некоторое количество света всё равно проходит. И в этой области у плазменных панелей и ЭЛТ есть большое преимущество - здесь чёрный цвет является по-настоящему чёрным.
Отметим и проблему времени отклика. Сама по себе, технология поворота кристаллов очень медлительна, в результате чего ЖК-панели хуже подходят для фильмов, чем плазменные телевизоры. Впрочем, в этой области прогресс не стоит на месте, и сегодня появились ЖК-мониторы, которые весьма отзывчивы, хотя до уровня ЭЛТ ещё далеко. В то же время, приемлемое время отклика уже достигнуто, поэтому вы сможете смотреть фильмы и телевизионные передачи без всяких помех. Так что проблема времени отклика, остро стоявшая ещё несколько лет назад, сегодня уже практически решена.
Наконец, так как "родное" разрешение ЖК-мониторов высоко, для просмотра телевизионных программ и фильмов требуется интерполяция пикселей, По крайней мере, пока в наши дома не придёт HDTV. ЖК-телевизоры осуществляют интерполяцию более-менее сносно, но чем больше диагональ дисплея, тем труднее это делать. Все производители сегодня работают над этой проблемой, и у 26" экранов уже достигнут приемлемый результат. Но до сих пор мы ещё не видели интерполированной картинки, которая бы нас удовлетворила. Впрочем, с распространением видео высокого разрешения (High Definition) эта проблема уже не будет существовать, поскольку картинка будет иметь то же разрешение, что и экран.