Hogyan működik a folyadékkristályos kijelző. IPS képernyő - mi ez és mik a technológia előnyei

Működés elve

Az LCD monitorok (Liquid Crystal Display, folyadékkristályos monitorok) képernyői olyan anyagból (cianofenil) készülnek, amely folyékony halmazállapotú, ugyanakkor rendelkezik bizonyos kristálytestekben rejlő tulajdonságokkal. Valójában ezek olyan folyadékok, amelyek tulajdonságai (különösen az optikai tulajdonságok) anizotrópiája a molekulák orientációjának rendezettségéhez kapcsolódik. Furcsa módon, de a folyadékkristályok csaknem tíz évvel idősebbek a katódsugárcsöveknél, ezekről az anyagokról először 1888-ban írták le, azonban sokáig senki sem tudta, hogyan lehet őket a gyakorlatba átültetni: vannak ilyen anyagok, meg minden, és a fizikusokon és a kémikusokon kívül senki, nem voltak érdekesek. Tehát a folyadékkristályos anyagokat még 1888-ban fedezte fel F. Renitzer osztrák tudós, de a brit Marconi vállalat kutatói csak 1930-ban kaptak szabadalmat ipari alkalmazásukra. 1966 végén az RCA Corporation bemutatott egy LCD monitor prototípusát - egy digitális órát. A Sharp Corporation jelentős szerepet játszott az LCD technológia fejlesztésében.

Az LCD működése a fényáram polarizáció jelenségén alapul. Ismeretes, hogy az úgynevezett polaroid kristályok csak azt a fénykomponenst képesek átbocsátani, amelynek elektromágneses indukciós vektora a polaroid optikai síkjával párhuzamos síkban van. A fénykibocsátás többi részében a polaroid átlátszatlan lesz. Így a polaroid mintegy "szitálja" a fényt, ezt a hatást a fény polarizációjának nevezik. Az elektrosztatikus és elektromágneses terekre érzékeny, fénypolarizációra képes, folyékony anyagokat vizsgálva lehetővé vált a polarizáció szabályozása. Ezeket az amorf anyagokat, mivel elektro-optikai tulajdonságaikban hasonlóak a kristályos anyagokhoz, valamint hogy képesek edény alakját felvenni, folyadékkristályoknak nevezték.

Az LCD-monitor képernyője kis szegmensek (úgynevezett pixelek) tömbje, amelyek manipulálásával információk jeleníthetők meg. Az LCD monitornak több rétege van, ahol a kulcsszerepet két nátriummentes és nagyon tiszta üveganyagból, úgynevezett szubsztrátumból vagy szubsztrátumból készült panel játssza, amelyek között valójában vékony folyadékkristályréteg található [lásd az ábrát. rizs. 2.1].

A paneleken hornyok vannak, amelyek a kristályokat vezetik, így különleges tájolást adnak nekik. A csíkok úgy vannak elrendezve, hogy mindegyik panelen párhuzamosak, de két panel között merőlegesek legyenek. A hosszanti hornyokat úgy kapják meg, hogy vékony, átlátszó műanyag fóliákat helyeznek az üvegfelületre, amelyet azután speciális módon dolgoznak fel. A barázdákkal érintkezve a folyadékkristályokban lévő molekulák minden sejtben azonos módon orientálódnak. A folyadékkristályok (nematika) egyik fajtájának molekulái feszültség hiányában az elektromos (és mágneses) térvektort fényhullámban valamilyen szöggel elforgatják a nyaláb terjedési tengelyére merőleges síkban. Az üvegfelületen hornyok alkalmazása lehetővé teszi a polarizációs sík azonos elfordulási szögének biztosítását minden cellára. A két panel nagyon közel van egymáshoz. A folyadékkristályos panelt fényforrás világítja meg (attól függően, hogy hol található, a folyadékkristályos panelek fényvisszaverődéssel vagy fényáteresztéssel működnek).

P A fénysugár polarizációs síkja 90°-kal elfordul, amikor áthalad egy panelen [lásd az ábrát. rizs. 2.2]. Amikor elektromos tér jelenik meg, a folyadékkristály-molekulák részben függőlegesen sorakoznak a tér mentén, a fénypolarizációs sík elfordulási szöge 90 foktól eltérő lesz, és a fény akadálytalanul halad át a folyadékkristályokon [lásd 1. rizs. 2.3].

A fénysugár polarizációs síkjának elfordulása a szem számára észrevehetetlen, ezért szükségessé vált az üveglapokra további két réteg felvitele, amelyek polarizációs szűrők. Ezek a szűrők a fénysugárnak csak azt a komponensét engedik át, amelynél a polarizációs tengely megfelel a megadottnak. Ezért, amikor áthalad a polarizátoron, a fénysugár a polarizációs síkja és a polarizátor tengelye közötti szögtől függően csillapodik. Feszültség hiányában a cella átlátszó, mivel az első polarizátor csak a megfelelő polarizációs vektorral fényt továbbít. A folyadékkristályoknak köszönhetően a fénypolarizációs vektor forog, és mire a nyaláb a második polarizátorhoz megy, már elfordult úgy, hogy gond nélkül áthaladjon a második polarizátoron [lásd az ábrát. 2.4a ábra].

Elektromos tér jelenlétében a polarizációs vektor elfordulása kisebb szögben megy végbe, ezáltal a második polarizátor csak részben válik átlátszóvá a sugárzás számára. Ha a potenciálkülönbség akkora, hogy a folyadékkristályokban a polarizációs sík elfordulása egyáltalán nem következik be, akkor a fénysugarat a második polarizátor teljesen elnyeli, és a képernyő hátulról megvilágítva feketének fog látszani. előlap (a megvilágítási sugarak teljesen elnyelődnek a képernyőn) [lásd az ábrát. 2.4b ábra]. Ha nagyszámú, különböző elektromos teret létrehozó elektródát helyez el a képernyő (cella) különböző helyeire, akkor ezeknek az elektródáknak a potenciáljának megfelelő szabályozásával lehetőség nyílik betűk és egyéb képelemek megjelenítésére a képernyőn. . Az elektródák átlátszó műanyagba vannak helyezve, és bármilyen alakúak lehetnek. A technológiai újítások lehetővé tették, hogy méretüket egy kis pont méretére korlátozzák, és ugyanazon a képernyőterületen elhelyezhetők több elektródák, ami növeli az LCD monitor felbontását, és lehetővé teszi, hogy akár összetett képeket is színesben jelenítsünk meg. A színes kép megjelenítéséhez a monitort háttérvilágítással kell ellátni, hogy a fény az LCD hátuljáról jöjjön. Erre azért van szükség, hogy akkor is jó minőségű kép legyen megfigyelhető, ha a környezet nem világos. A színt három szűrő használatával kapják, amelyek három fő összetevőt vonnak ki a fehér fényforrás kibocsátásából. A képernyő minden pontjához vagy pixeléhez tartozó három elsődleges szín kombinálásával bármilyen szín reprodukálható.

Valójában a szín esetében több lehetőség kínálkozik: több szűrőt készíthet egymás után (az átvitt sugárzás kis hányadához vezet), használhatja a folyadékkristályos cella tulajdonságát - amikor az elektromos térerősség változik , a sugárzási polarizációs sík elfordulási szöge eltérően változik a különböző hullámhosszú fénykomponenseknél. Ez a tulajdonság egy adott hullámhosszú sugárzás visszaverésére (vagy elnyelésére) használható (a probléma a feszültség pontos és gyors változtatásának szükségessége). Az alkalmazott mechanizmus az adott gyártótól függ. Az első módszer egyszerűbb, a második hatékonyabb.

Az egyik első probléma az volt, hogy szabványra van szükség a nagy felbontású megjelenítési minőség meghatározásához. A cél felé tett első lépés az volt, hogy a kristályokban lévő fény polarizációs síkjának elfordulási szögét 90°-ról 270°-ra növelték STN technológiával.

Az LCD monitorok előnyei és hátrányai

A TFT előnyei között kiemelhető a kiváló fókuszálás, a geometriai torzulások és a színillesztési hibák hiánya. Ráadásul soha nem villognak a képernyőn, mert. ezek a kijelzők nem használnak olyan elektronsugarat, amely balról jobbra húzza a képernyő minden sorát. Ha a katódsugárcsőben ezt a sugarat a jobb alsó sarokból a bal felső sarokba visszük át, a kép egy pillanatra kialszik (fordított sugár). Éppen ellenkezőleg, a TFT-kijelző pixelei soha nem alszanak ki, csak folyamatosan változtatják fényük intenzitását. Az 1.1. táblázat az összes fő teljesítménybeli különbséget mutatja különböző típusok megjeleníti:

1.1. táblázat. Összehasonlító jellemzők CRT és LCD monitorok.

legenda:( + ) méltóság, ( ~ ) elfogadható, ( - ) hiba

	LCD monitorok	CRT monitorok
Fényerősség	(+ ) 170-250 Cd/m2	(~ ) 80-120 Cd/m2
Kontraszt	(~ ) 200:1-ről 400:1-re	(+ ) 350:1-ről 700:1-re
Látószög(ellentétben)	(~ ) 110 és 170 fok között	(+ ) 150 fok felett
Látószög(szín szerint)	(- ) 50 és 125 fok között	(~ ) 120 fok felett
Engedély	(- ) Egy felbontás fix pixelmérettel. Optimálisan csak ebben a felbontásban használható; A támogatott bővítési vagy tömörítési funkcióktól függően nagyobb vagy kisebb felbontás is használható, de ezek nem optimálisak.	(+ ) Különféle felbontások támogatottak. A monitor minden támogatott felbontás mellett optimálisan használható. A korlátozást csak a frissítési gyakoriság elfogadhatósága szabja meg.
Függőleges frekvencia	(+ ) Az optimális frekvencia 60 Hz, ami elég ahhoz, hogy ne villogjon	(~ ) Csak 75 Hz feletti frekvenciákon nincs jól látható villogás
Színillesztési hibák	(+ ) Nem	(~ ) 0,0079–0,0118 hüvelyk (0,20–0,30 mm)
Összpontosítás	(+ ) nagyon jó	(~ ) méltányostól nagyon jóig>
Geometriai/lineáris torzítás	(+ ) Nem	(~ ) lehetségesek
Halott pixelek	(- ) 8-ig	(+ ) Nem
Bemeneti jel	(+ ) analóg vagy digitális	(~ ) csak analóg
Méretezés különböző felbontásokban	(- ) hiányzik, vagy olyan interpolációs módszereket alkalmaznak, amelyek nem igényelnek nagy általános költségeket	(+ ) nagyon jó
Színes megjelenítési pontosság	(~ ) A True Color támogatott, és a kívánt színhőmérséklet szimulálódik	(+ ) A True Color támogatott, ugyanakkor rengeteg színkalibrációs eszköz van a piacon, ami határozott plusz
Gamma korrekció(színbeállítás az emberi látás jellemzőihez)	(~ ) kielégítő	(+ ) fotorealisztikus
Egyöntetűség	(~ ) gyakran világosabb a kép a széleken	(~ ) gyakran a kép középen világosabb
Színtisztaság/színminőség	(~ ) jó	(+ ) magas
vibrálás	(+ ) Nem	(~ ) észrevehetetlenül 85 Hz felett
Tehetetlenségi idő	(- ) 20 és 30 ms között.	(+ ) elhanyagolhatóan kicsi
Képalkotás	(+ ) A képet pixelek alkotják, amelyek száma csak az LCD panel konkrét felbontásától függ. A pixelosztás csak a pixelek méretétől függ, de nem a köztük lévő távolságtól. Minden pixel egyedileg van kialakítva a kiváló fókusz, tisztaság és tisztaság érdekében. A kép koherensebb és egyenletesebb	(~ ) A pixeleket pontok (triádok) vagy csíkok csoportja alkotja. Egy pont vagy vonal magassága az azonos színű pontok vagy vonalak távolságától függ. Ennek eredményeként a kép élessége és tisztasága nagymértékben függ a pont- vagy vonalosztás méretétől és a CRT minőségétől.
Energiafogyasztás és károsanyag-kibocsátás	(+ ) Gyakorlatilag nincs jelen veszélyes elektromágneses sugárzás. Az energiafogyasztás körülbelül 70%-kal alacsonyabb, mint a normál CRT-monitoroké (25–40 W).	(- ) Elektromágneses sugárzás mindig jelen van, de mértéke attól függ, hogy a CRT megfelel-e valamilyen biztonsági szabványnak. Energiafogyasztás működő állapotban 60-150 watt.
Méretek/súly	(+ ) lapos kialakítás, könnyű súly	(- ) nehéz konstrukció, sok helyet foglal
Monitor interfész	(+ ) Digitális interfész azonban a legtöbb LCD monitor rendelkezik beépített analóg interfésszel a videoadapterek leggyakoribb analóg kimeneteihez való csatlakozáshoz.	(- ) Analóg interfész

Az 1.1. táblázatból az következik, hogy az LCD monitorok továbbfejlesztése a kép tisztaságának és fényerejének növekedésével, a betekintési szög növekedésével és a képernyő vastagságának csökkenésével jár együtt. Így például már vannak ígéretes fejlesztések a polikristályos szilícium felhasználásával készült technológiával készült LCD monitorok terén. Ez különösen lehetővé teszi nagyon vékony eszközök létrehozását, mivel a vezérlő chipek közvetlenül a kijelző üvegfelületére kerülnek. Ráadásul az új technológia nagy felbontást biztosít viszonylag kis képernyőn (10,4 hüvelykes képernyőn 1024x768 pixel).

STN, DSTN, TFT

Az STN a „Super Twisted Nematic” rövidítése.Az STN technológia 90°-ról 270°-ra növeli az LCD-kijelzőn belüli kristályok tájolásának torziós szögét (torziós szögét), ami jobb képkontrasztot biztosít a monitor nagyításakor. Az STN sejteket gyakran párban használják. Ezt a kialakítást DSTN-nek (Double Super Twisted Nematic) hívják, amelyben egy kétrétegű DSTN cella 2 STN sejtből áll, amelyek molekulái működés közben ellentétes irányba forognak. A fény, amely "zárt" állapotban halad át egy ilyen szerkezeten, elveszíti energiájának nagy részét. A DSTN kontrasztja és felbontása meglehetősen magas, így lehetővé vált egy színes kijelző elkészítése, amelyben pixelenként három LCD-cella és három elsődleges színes optikai szűrő található. A színes kijelzők nem képesek visszavert fénytől működni, ezért a háttérvilágítású lámpa kötelező tulajdonságuk. A méretek csökkentése érdekében a lámpa az oldalán található, vele szemben pedig egy tükör [lásd az ábrát. rizs. 2.5], így a legtöbb LCD középen világosabb, mint a széleken (ez az asztali LCD-monitorokra nem vonatkozik).

T Az STN cellákat TSTN (Triple Super Twisted Nematic) módban is használják, ahol két vékony polimer filmréteget adnak hozzá a színes kijelzők színvisszaadásának javítása vagy a monokróm monitorok jó minőségének biztosítása érdekében. A passzív mátrix kifejezés a monitor pontokra való felosztásából származik, amelyek mindegyike az elektródáknak köszönhetően a többitől függetlenül be tudja állítani a nyaláb polarizációs síkjának orientációját, így minden ilyen elem külön-külön alakítható. megvilágítva kép létrehozásához. A mátrixot passzívnak nevezik, mivel az LCD-kijelzők létrehozásának fentebb leírt technológiája nem képes gyors információcserét biztosítani a képernyőn. A kép sorról sorra úgy alakul ki, hogy az egyes cellákat egymás után vezérlőfeszültséggel látják el, átlátszóvá téve azokat. A cellák meglehetősen nagy elektromos kapacitása miatt a rajtuk lévő feszültség nem változik elég gyorsan, így a képfrissítés lassú. Egy ilyen megjelenítésnek sok hátránya van a minőség szempontjából, mivel a kép nem jelenik meg egyenletesen és rázkódik a képernyőn. A kristályok átlátszóságának alacsony változási sebessége nem teszi lehetővé a mozgóképek helyes megjelenítését.

részben megoldani a fent leírt problémákat speciális technológiákat alkalmaznak A dinamikus kép minőségének javítása érdekében javasolták a vezérlőelektródák számának növelését. Vagyis a teljes mátrix több független almátrixra van osztva (Dual Scan DSTN - a képszkennelés két független mezője), amelyek mindegyike kisebb számú pixelt tartalmaz, így a szekvenciális vezérlésük kevesebb időt vesz igénybe. Ennek eredményeként az LC tehetetlenségi ideje csökkenthető. A kép stabilitása, minősége, felbontása, simasága és fényereje tekintetében is jobb eredmények érhetők el az aktív mátrix képernyők használatával, amelyek azonban drágábbak.

Az aktív mátrix a képernyő minden cellájához külön erősítő elemeket használ, amelyek kompenzálják a cella kapacitásának hatását, és jelentősen csökkentik az átlátszóság megváltoztatásához szükséges időt. Az aktív mátrixnak számos előnye van a passzív mátrixszal szemben. Például jobb fényerő és lehetőség, hogy akár 45°-os vagy nagyobb eltérés mellett is a képernyőre nézhessünk (azaz 120°-140°-os betekintési szögben), a képminőség romlása nélkül, ami lehetetlen egy passzív mátrix, amely lehetővé teszi, hogy csak a képernyő előtt lásson jó minőségű képet. Vegye figyelembe, hogy az aktív mátrixszal rendelkező LCD monitorok drága modelljei 160°-os látószöget biztosítanak [lásd az ábrát. 2.6], és minden okunk megvan azt hinni, hogy a technológia a jövőben tovább fog fejlődni. Az aktív mátrix mozgóképet tud megjeleníteni látható jitter nélkül, mivel az aktív mátrix kijelző válaszideje körülbelül 50 ms, szemben a passzív mátrix 300 ms-mal, emellett az aktív mátrix monitorok kontrasztja magasabb, mint a CRT monitoroké. Meg kell jegyezni, hogy az egyes képernyőelemek fényereje változatlan marad a képfrissítések közötti teljes időintervallumban, és nem jelenti a CRT-monitor fényporeleme által kibocsátott rövid fényimpulzust közvetlenül azután, hogy az elektronsugár áthalad ezen az elemen. Ezért az LCD monitoroknál a 60 Hz-es függőleges frekvencia elegendő.

F Az aktív mátrix LCD monitorok funkcionális képességei szinte megegyeznek a passzív mátrix kijelzőkével. A különbség a kijelző folyadékkristályos celláit meghajtó elektródákban rejlik. Passzív mátrix esetén különböző elektródák fogadnak elektromos töltés ciklikus módszer a kijelző soronkénti frissítésekor, és az elemek kapacitásának kisülése következtében a kép eltűnik, ahogy a kristályok visszatérnek eredeti konfigurációjukba. Aktív mátrix esetén minden elektródához egy tárolótranzisztor kerül, amely digitális információt tárolhat (bináris érték 0 vagy 1), és ennek eredményeként a kép addig tárolódik, amíg újabb jelet nem kap.

Vékonyfilmes tranzisztor (TFT), azaz vékony film tranzisztor az vezérlőelemek, amely a képernyő minden képpontját vezérli. A vékonyréteg tranzisztor valóban nagyon vékony, vastagsága 0,1 - 0,01 mikron. A TFT-k létrehozásának technológiája nagyon összetett, és nehéz elérni a jó termékek elfogadható százalékát, mivel a felhasznált tranzisztorok száma nagyon nagy. Vegye figyelembe, hogy egy monitor, amely SVGA módban 800x600 pixeles felbontásban és csak három színben képes megjeleníteni a képet, 1 440 000 egyedi tranzisztorral rendelkezik. A gyártók szabványokat állítanak fel limit mennyiség tranzisztorok, amelyek esetleg nem működnek az LCD-kijelzőn. A TFT alapú pixel a következőképpen van elrendezve: három színszűrőt (piros, zöld és kék) egymás után integrálunk egy üveglapba. Minden pixel három színes cella vagy alpixel elem kombinációja [lásd az ábrát. rizs. 2.7]. Ez például azt jelenti, hogy egy 1280x1024-es felbontású kijelző pontosan 3840x1024-es tranzisztorral és alpixel elemekkel rendelkezik. A pont (pixel) mérete egy 15,1"-es TFT-kijelzőnél (1024x768) körülbelül 0,0188" (vagy 0,30 mm), egy 18,1"-es TFT-kijelzőnél pedig körülbelül 0,011" (vagy 0,28 mm).

A TFT-k számos előnnyel rendelkeznek a CRT-monitorokkal szemben, beleértve a csökkentett energiafogyasztást és hőleadást, a lapos képernyőt és a mozgó tárgyak nyomát sem.

Vett http://monitors.narod.ru

A 19 hüvelykes monitor LCD-modulját fogjuk megvizsgálni a jól ismert tajvani HannStar gyártó TN + Film mátrixú LCD-moduljának példáján. Ezeket a modulokat az Acer, LG, HP és mások védjegye alatt álló monitorokban használták.

A fém védőburkolat alatt a mátrixvezérlők ugyanazon a táblán találhatók.

a CN1 feliratú csatlakozón keresztül a mátrix vezérlőkártya LVDS kisfeszültségű differenciál jelzéseket kap, a tápfeszültség + 5 V

a vezérlő felelős a mátrix vezérlőkártyán lévő skálázó LVDS jeleinek feldolgozásáért

a vezérlő olyan jeleket állít elő, amelyek a hurokba olvadt dekódereken keresztül vezérlik a mátrix alpixelek TFT (Thin film tranzisztor) térhatású tranzisztorait

a következő képen láthatja, hogyan helyezkednek el a mátrix alpixelek, váltakozva rendelés R-G-B(piros-zöld-kék)

az egyes alpixelek folyadékkristályait külön vezérli térhatású tranzisztor, azaz egy 1280x1024 felbontású mátrixban 1280x1024 = 13010720 pixel van, és minden pixel három alpixelből áll, tehát egy 1280x1024 felbontású mátrixban a tranzisztorok száma 393216.

Anélkül, hogy belemennénk a fényáram polarizációjának részleteibe, leegyszerűsítve, el lehet képzelni általánosságban az LCD mátrix működését így: ha feszültséget kapcsolunk az alpixel tranzisztorra, akkor az alpixel NEM fog fényt továbbítani, ha ne alkalmazzon feszültséget, az alpixel fényt fog átengedni. Ha mindhárom RGB alpixel átengedi a fényt, akkor egy fehér pontot (pixelt) fogunk látni a képernyőn, ha mind a három RGB alpixel NEM sugározza át a fényt, akkor egy fekete pontot fogunk látni a képernyőn. A három, egy pixeles RGB szűrőn áthaladó fényáram intenzitásától (vagyis az alpixelben lévő folyadékkristályok forgásszögétől) függően tetszőleges színű pontot kaphatunk.

az U200 integrált áramkörön készült konverter felelős a TFT mátrix szükséges tápfeszültségeinek kialakításáért

ha eltávolítja a fémkeretet és leválasztja az LCD mátrixot a reflektorról / fényvezetőről, azt fogja tapasztalni, hogy a mátrix majdnem átlátszó

Vegye figyelembe a fényvezető/diffúzor kialakítását. egy műanyag keret három fóliát rögzít (két szóró és egy között polarizáló) a fényvezető felületére, amely egy téglalap alakú ~ 10 mm vastag plexi lemez

a fényvezető alatt 0,5 mm vastag fehér műanyag hordozó található

a fényvezetőnek a fehér műanyag hordozó felé néző oldalán egy speciális mintát alkalmaznak, hogy egyenletes megvilágítást biztosítsanak a kijelző minden pontján

a diffúzor/optikai szálas "pite" utolsó része egy fém talp, ebben az alapban rögzítők találhatók, melyek segítségével a teljes LCD modul rögzítve van a monitor tokban

A nagyfeszültségű gázkisüléses CCFL (Cold Cathode fluorescent lamps) lámpák két részre oszthatók, vízszintesen a fényvezető felett és alatt

a reflektor néhány milliméterrel hosszabb, mint a fényvezető lemez nagyobb oldala, konténerként is szolgál, ennek köszönhetően a lámpák a fényvezető felett és alatt vannak rögzítve

a fényvezető speciális mintájának köszönhetően a lámpák fénye egyenletesen oszlik el a képernyő teljes területén. Vannak más diffúzor-konstrukciók is, amelyek nem tartalmaznak nehéz fényvezető lemezt, és vízszintesen, felülről lefelé elhelyezett lámpákkal, egyetlen lépéssel az LCD-mátrix mögött. Vannak diffúzor / fényvezető (háttérvilágítás) kialakítások, amelyek több lámpát használnak, például 6, 8, 12

Fontos!

Ez az anyag csak tájékoztató jellegű. Ha nincs elegendő tapasztalata az LCD-eszközök helyreállításában, ne szerelje szét a monitort, mert a helytelen műveletek következtében az LCD-modul megsérülhet.

Az anyagok három halmazállapotát szokás megkülönböztetni szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú. Néhány szerves anyag azonban egy bizonyos fázisban megolvadva képes a kristályokban és a folyadékokban rejlő tulajdonságokat felmutatni. A folyadékokra jellemző folyékonyság megszerzése közben ebben a fázisban nem veszítik el a szilárd kristályokra jellemző molekulák rendezettségét. Ezt a fázist az aggregáció negyedik állapotának nevezhetjük. Igaz, nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy csak bizonyos anyagok rendelkeznek vele, és csak egy bizonyos hőmérsékleti tartományban.

Az LC-molekulák ún. nyugalmi helyzetben lévő térbeli orientációját a folyadékkristályok rendjének nevezzük. Friedel osztályozása szerint az FA-rendnek három fő kategóriája van: szmektikus, nematikus és koleszterikus (1. ábra).

A Smectic LC-k a legrendezettebbek, és szerkezetükben közelebb állnak a közönséges szilárd kristályokhoz. A molekulák egyszerű kölcsönös orientációja mellett síkra oszlanak is.

A folyadékkristályokban lévő molekulák hosszú tengelyeinek domináns orientációjának irányát egységnyi hosszúságú vektorral jelöljük, amelyet rendezőnek nevezünk.

A nematikus sorrendű anyagok elsődlegesek, és minden típusú modern folyadékkristályos panelben használatosak (TN, IPS és VA). A nematikában a normál állapot a molekulák olyan helyzete, ahol a molekulák a kristályokra jellemző, a teljes térfogatban rendezett orientációjúak, de a folyadékokra jellemző súlypontjuk kaotikus helyzetével. A bennük lévő molekulák viszonylag párhuzamosan orientálódnak, és a rendező tengelye mentén különböző távolságokkal eltolódnak.

A koleszterikus szerkezetű folyadékkristályok rétegekre bontott nematikához hasonlítanak. Az egyes következő rétegekben lévő molekulák az előzőhöz képest kis szögben elfordulnak, és a rendező simán spirálban csavarodik. A molekulák optikai aktivitása által kialakított réteges jelleg a koleszterikus rend fő jellemzője. A koleszterikusokat néha "csavart nematikának" nevezik.

A nematikus és koleszterikus rend közötti határ némileg önkényes. A koleszterikus rend nem csak tiszta koleszterikus anyagból nyerhető, hanem királis (optikailag aktív) molekulákat tartalmazó speciális adalékanyagok hozzáadásával is nematikus anyaghoz. Az ilyen molekulák aszimmetrikus szénatomot tartalmaznak, és a nematikus molekulákkal ellentétben tüköraszimmetrikusak.

A folyadékkristályok sorrendjét az LC-anyag rugalmasságát létrehozó intermolekuláris erők határozzák meg. Igen, itt beszélhetünk rugalmas tulajdonságokról, bár ezek természete eltér a közönséges kristályok rugalmas tulajdonságaitól, mivel a folyadékkristályok még mindig folyékonyak. Normál (vagy alap) állapotban a molekulák hajlamosak visszatérni "nyugalmi helyzetükbe", például nematikus anyagban, a rendezővel azonos orientációjú pozícióba.

A folyadékkristályok rugalmassága több nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományos kristályoké, és teljesen egyedülálló lehetőséget ad helyzetük szabályozására külső hatások segítségével. Ilyen hatás lehet például egy elektromos tér.

Most többet arról, hogy ez a mező hogyan befolyásolhatja a molekulák orientációját.

Vegyünk két üveglapból álló mintát, amelyek közötti teret nematikus anyag tölti ki. A felső és az alsó lemez közötti távolság és ennek megfelelően a folyadékkristályréteg vastagsága több mikron. Az anyagban lévő molekulák rendezőjének kívánt orientációjának beállításához a szubsztrátok speciális felületkezelését alkalmazzák. Ehhez egy vékony réteg átlátszó polimert viszünk fel a felületre, majd egy speciális dörzsöléssel megkönnyebbül a felület - a legvékonyabb hornyok egy irányban. A rétegben a felülettel közvetlenül érintkező megnyúlt kristálymolekulák a dombormű mentén orientálódnak. Az intermolekuláris erők hatására minden más molekula ugyanazt az orientációt veszi fel.

A folyadékkristály-molekulák rendezett elrendezése meghatározza egyes fizikai tulajdonságaik anizotrópiáját (hadd emlékeztessem önöket arra, hogy az anizotrópia egy közeg tulajdonságainak a térbeli iránytól való függése). A folyadékok a molekulák véletlenszerű elrendezésével izotrópok. De a folyadékkristályoknak már van anizotrópiája, ami egy fontos tulajdonság, amely lehetővé teszi a rajtuk áthaladó fény jellemzőinek befolyásolását.

A permittivitás anizotrópiája a molekulák helyzetének szabályozására szolgál. A különbséget jelzi

Δε = ε || + ε ⊥ ahol ε || permittivitás a rendezővektorral párhuzamos irányban, ε ⊥ permittivitás a rendezővektorra merőleges irányban. A Δε értéke lehet pozitív és negatív is.

Vegyünk egy mintát, amely két üveglapból áll, a lemezek közötti távolsággal néhány mikron, nematikus anyaggal megtöltve és lezárva. Az anyagban lévő molekulák rendezőjének kívánt orientációjának beállításához a szubsztrátok felületének speciális kezelését alkalmazzák, ehhez vékony réteg átlátszó polimert visznek fel a felületre, majd domborművet kapnak a felületen. a felület speciális dörzsölésével - a legfinomabb barázdák egy irányban. A felülettel közvetlenül érintkező rétegben lévő kristályok megnyúlt molekulái a dombormű mentén orientálódnak, az intermolekuláris erők az összes többi molekulát ugyanilyen orientációra kényszerítik. Ha a mintában elektromos tér jön létre, a folyadékkristályok energiája ebben a mezőben a molekulák tér irányához viszonyított helyzetétől függ. Ha a molekulák helyzete nem felel meg a minimális energiának, akkor a megfelelő szöggel elfordulnak. Pozitív dielektromos állandójú anyagban (pozitív dielektromos anizotrópia) a molekulák hajlamosak az elektromos tér iránya mentén elfordulni, a negatív dielektromos anizotrópiával rendelkező anyagokban pedig a tér irányában. A forgásszög az alkalmazott feszültségtől függ.

Legyen a mintában lévő anyag pozitív dielektromos anizotrópiával, az elektromos tér iránya merőleges a molekulák kezdeti orientációjára (2. ábra). Feszültség alkalmazásakor a molekulák hajlamosak a mező mentén forogni. De kezdetben a minta belső felületeinek domborműve mentén helyezkednek el, amelyet dörzsöléssel hoztak létre, és meglehetősen jelentős tapadás társul hozzájuk. Következésképpen, amikor az irányító iránya megváltozik, fordított forgatónyomatékok lépnek fel. Amíg a mező elég gyenge, a rugalmas erők ugyanabban a helyzetben tartják a molekulákat. A feszültség növekedésével egy bizonyos értéktől kezdve Ec, az elektromos tér orientációs erői meghaladják a rugalmas erőket, és elkezdődik a molekulák forgása. Ezt a mező hatására bekövetkező átorientációt Freedericksz átmenetnek nevezzük. A Freedericksz átmenet alapvető a folyadékkristályos vezérlés megszervezéséhez, ezen alapul minden LCD panel működési elve.

Működőképes mechanizmus jön létre:

• egyrészt az elektromos tér arra kényszeríti a folyadékkristályok molekuláit, hogy a kívánt szögben elforduljanak (az alkalmazott feszültség értékétől függően);
• másrészt az intermolekuláris kötések által keltett rugalmas erők hajlamosak arra, hogy visszaadják a rendező eredeti orientációját, amikor a feszültség megszűnik.

Ha a rendező kezdeti tájolása és az elektromos tér irányai nem szigorúan merőlegesek, akkor a mező küszöbértéke Ec csökken, így sokkal kisebb mezővel lehet befolyásolni a molekulák helyzetét.

Ezen a ponton egy kicsit el kell térni a folyadékkristályoktól, hogy megmagyarázzuk a "fénypolarizáció" és a "polarizációs sík" fogalmát nélkülük, a további bemutatás lehetetlen lesz.

A fényt keresztirányban ábrázolhatjuk elektromágneses hullám, melynek elektromos és mágneses összetevői egymásra merőleges síkban oszcillálnak (3. ábra).

A természetes fény (más néven természetes polarizált vagy nem polarizált fény) rezgéseket tartalmaz a vektorban E, egyformán valószínű a vektorra merőleges minden irányban k(4. ábra).

A részlegesen polarizált fénynek van egy domináns oszcillációs iránya a vektorban E. Részlegesen polarizált fény esetén a fényhullám mezőjében az E vetület amplitúdója az egyik egymásra merőleges irányban mindig nagyobb, mint a másikon. Ezen amplitúdók aránya határozza meg a polarizáció mértékét.

A lineárisan polarizált fény olyan fény, amelynek egyetlen vektoriránya van E minden hullámra. A lineárisan polarizált fény fogalma absztrakt. A gyakorlatban, amikor lineárisan polarizált fényről beszélünk, általában részlegesen polarizált fényt értünk vele magas fok polarizáció.

A sík, amelyben a vektor található Eés hullámirány vektor k, a polarizáció síkjának nevezzük.

Most vissza az LCD-hez.

A folyadékkristályok második legfontosabb fizikai tulajdonsága a dielektromos anizotrópia után, amely a rajtuk áthaladó fényáram szabályozására szolgál, az optikai anizotrópia. A folyadékkristályok a fény törésmutatójának különböző értékei a rendezővel párhuzamos és merőleges terjedési irányra vonatkoznak. Vagyis a fénysugár terjedési sebessége a rendezőre párhuzamosan vagy merőlegesen magasabb együtthatóval más lesz, mint ismeretes, kisebb lesz. Az optikai anizotrópia vagy a törésmutató-anizotrópia két együttható különbsége:

Δ n= n|| + n⊥ Ahol n|| a rendezővel párhuzamos polarizációs sík törésmutatója; n⊥ a rendezőre merőleges polarizációs sík törésmutatója.

Két különböző érték jelenléte az anyagban n|| És n⊥ kettős törés hatást okoz. Amikor a fény egy kettőstörő anyaghoz ér, amely nematikus, a fényhullám elektromos térkomponense két vektorkomponensre oszlik: a "gyors" tengelyben rezgő és a "lassú" tengelyben vibrál. Ezeket az összetevőket rendes, illetve rendkívüli sugaraknak nevezzük. A közönséges és a rendkívüli sugarak polarizációs irányai egymásra merőlegesek. És a "gyors" és "lassú" tengelyek jelenléte az anyagban a fent elmondottaknak köszönhető - a rendező irányával párhuzamosan vagy merőlegesen terjedő sugarak eltérő törésmutatói.

Az 5. ábra a hullámok terjedését mutatja a „gyors” és „lassú” tengely mentén. Hangsúlyozni kell, hogy a tengely ebben az esetben nem egy rögzített egyenes, hanem annak a síknak az iránya, amelyben a hullám oszcillál.

Mivel a közönséges és a rendkívüli nyaláb fázissebessége eltérő, fáziskülönbségük a hullám terjedésével változik. Ezen ortogonális komponensek fáziskülönbségének változása a fényhullám polarizációs irányának változását okozza. Az ábrán az érthetőség kedvéért az ortogonális komponensek összegét a kapott vektorral ábrázoljuk. Er. Látható, hogy a hullám terjedésével a vektor iránya forog Er. Így a kettős törő anyag kimenetén a hullámok hozzáadása olyan hullámot eredményez, amelynek polarizációs iránya megváltozik az eredeti irányhoz képest.

A polarizációs sík elfordulási szöge az anyagban lévő molekulák orientációjától függ.

Panel építés

Számos LCD panel technológia létezik. A tervezés szemléltetésére ebben az esetben a TN-t adjuk meg, mint a leggyakoribbat (6. ábra).

A monitorokhoz való összes LCD-panel áteresztőképes, a rajtuk lévő kép a mögötte elhelyezkedő forrásból származó fényáram átalakításával jön létre. A fényáram modulációját a folyadékkristályok optikai aktivitása (az áteresztett fény polarizációs síkját elforgató képessége) miatt hajtják végre. Ennek végrehajtása a következőképpen történik. Amikor áthalad az első polarizátoron, a háttérvilágítású lámpák fénye lineárisan polarizált lesz. Ezután a két pohár közötti térbe zárt folyadékkristályrétegen keresztül halad. Az LC-molekulák helyzetét a panel egyes celláiban az elektródákra való feszültség hatására létrejövő elektromos tér szabályozza. Az áteresztett fény polarizációs síkjának elfordulása a molekulák helyzetétől függ. Így a szükséges feszültségértékkel a cellákra a polarizációs sík forgását szabályozzuk.

Az alpixel feszültségének továbbítására függőleges (adatvonal) és vízszintes (kapuvonal) adatvonalakat használnak, amelyek a belső (a háttérvilágítási modulhoz legközelebbi) üveghordozón lerakott fém vezető pályák. Az elektromos mezőt, mint már említettük, a közös és pixel elektródák feszültsége hozza létre. A feszültség váltakozó, mivel az állandó feszültség alkalmazása az ionok kölcsönhatását okozza az elektróda anyagával, megzavarja az LC anyag molekuláinak elrendeződését, és a cella degradációjához vezet. A TFT egy kapcsoló szerepét tölti be, amely a pásztázási vonalon a kívánt cella címének kiválasztásakor zár, lehetővé teszi a kívánt feszültségérték „írását”, majd a letapogatási ciklus végén újra kinyílik, lehetővé téve a tárolást. díjat egy bizonyos ideig. A töltés idővel történik T= T f/n , Ahol T f képkocka-kimeneti idő a képernyőn (például 60 Hz-es frissítési gyakoriság esetén a képkocka kimeneti ideje 1 s / 60 = 16,7 ms), n panelsorok száma (például 1024 1280x1024 fizikai felbontású paneleknél). A folyadékkristályos anyag önkapacitása azonban nem elegendő a töltés fenntartásához a frissítési ciklusok között, ami feszültségeséshez és ennek következtében a kontraszt csökkenéséhez vezet. Ezért a tranzisztoron kívül minden cella fel van szerelve tárolókondenzátorral, amely a tranzisztor kinyitásakor is feltöltődik, és segít a feszültségveszteségek kompenzálásában a következő pásztázási ciklus megkezdése előtt.

Függőleges és vízszintes adatvonalak csatlakoznak a panel vezérlő chipjéhez ragasztott lapos hajlékony kábelek, oszlop (forrásmeghajtó) és vonal (kapumeghajtó) segítségével, amelyek feldolgozzák a vezérlő bemenetét. digitális jelés minden cellára képezzük a vett adatoknak megfelelő feszültséget.

A folyadékkristályos réteg után a panelüveg belső felületére színszűrőket raknak le, amelyek színes képet alkotnak. A szokásos háromszínű additív szintézist alkalmazzák: a színek három alapszín (piros, zöld és kék) sugárzásának optikai keveredésével jönnek létre. Egy cella (pixel) három különálló elemből (subpixelből) áll, amelyek mindegyike egy felette elhelyezkedő piros, zöld vagy kék színszűrőhöz kapcsolódik, alpixelenként 256 lehetséges tónusérték kombinációjával, így akár 16,77 millió pixel szín.

A panel szerkezetét (fém függőleges és vízszintes adatvonalak, vékonyréteg tranzisztorok) és a cellák határterületeit, ahol a molekulák orientációja megzavarodik, átlátszatlan anyag alá kell rejteni, hogy elkerüljük a nem kívánt optikai hatásokat. Ehhez az úgynevezett fekete mátrixot használják, amely egy vékony rácsra hasonlít, amely kitölti az egyes színszűrők közötti hézagokat. A fekete mátrix anyagaként króm vagy fekete gyantát használnak.

A kép kialakításában a végső szerepet a második polarizátor játssza, amelyet gyakran analizátornak neveznek. Polarizációs iránya az elsőhöz képest 90 fokkal el van tolva. Az analizátor céljának megjelenítéséhez feltételesen eltávolíthatja a csatlakoztatott panel felületéről. Ebben az esetben az összes alpixelt a lehető legjobban megvilágítva látjuk, vagyis a képernyő egyenletes fehér kitöltését, függetlenül a rajta megjelenő képtől. Attól, hogy a fény polarizálódott, és a polarizációs síkját az egyes cellák eltérő módon forgatják, attól függően, hogy mekkora feszültséget kapunk, szemünk számára eddig semmi sem változott. Az analizátor funkciója pontosan az, hogy levágja a szükséges hullámkomponenseket, ami lehetővé teszi, hogy a kívánt eredményt láthassa a kimeneten.

Most arról, hogyan történik a szükséges komponensek kivágása. Vegyünk például egy függőleges polarizációs irányú polarizátort, pl. függőleges síkban orientált hullámokat továbbít.

A 7. ábra a polarizáció függőleges irányához képest valamilyen szöget bezáró síkban terjedő hullámot mutat be. A beeső hullám elektromos térvektora két, egymásra merőleges komponensre bontható: párhuzamosan a polarizátor optikai tengelyével és arra merőlegesen. Az első, az optikai tengellyel párhuzamos komponens áthalad, a második (merőleges) blokkolva van.

Ebből két szélső álláspont nyilvánvaló:

• a szigorúan függőleges síkban terjedő hullám változatlan formában továbbítódik;
• a vízszintes síkban terjedő hullám blokkolva lesz, mivel nincs függőleges összetevője.

Ez a két szélső helyzet a cella teljesen nyitott és teljesen zárt helyzetének felel meg. Összefoglalni:

• Az áteresztett fény egy cella (alpixel) általi legteljesebb blokkolásához szükséges, hogy ennek a fénynek a polarizációs síkja merőleges legyen az analizátor átviteli síkjára (a polarizáció iránya);
• Ahhoz, hogy egy sejt maximális fényáteresztést biztosítson, polarizációs síkjának egybe kell esnie a polarizáció irányával;
• A cellaelektródákra adott feszültség zökkenőmentes beállításával szabályozható a folyadékkristály-molekulák helyzete, és ennek következtében az áteresztett fény polarizációs síkjának elfordulása. És ezáltal megváltoztatja a sejt által átbocsátott fény mennyiségét.

Mivel a polarizációs sík elfordulási szöge a fény által a folyadékkristályos rétegben megtett távolságtól függ, ennek a rétegnek szigorúan egyenletes vastagságúnak kell lennie a teljes panelen. Az üvegtáblák közötti távolság egyenletességének megőrzése érdekében (a rájuk alkalmazott összes szerkezettel együtt) speciális távtartókat használnak.

A legegyszerűbb lehetőség az úgynevezett golyós távtartók (golyótávtartók). Szigorúan meghatározott átmérőjű átlátszó polimer vagy üveggyöngyök, amelyeket szórással visznek fel az üveg belső szerkezetére. Ennek megfelelően véletlenszerűen helyezkednek el a sejt teljes területén, és jelenlétük negatívan befolyásolja annak egyenletességét, mivel a távtartó a hibás régió központjaként szolgál, és a molekulák helytelenül vannak közvetlenül közel hozzá.

Egy másik technológiát is alkalmaznak - oszlop típusú távtartókat (oszloptávtartó, fényképes távtartó, oszloptávtartó). Az ilyen távtartók fényképészeti pontossággal a fekete mátrix alatt helyezkednek el (8. ábra). Ennek a technológiának az előnyei nyilvánvalóak: megnövekedett kontraszt a fényszivárgás hiánya miatt a távtartók közelében, a rés egyenletességének pontosabb szabályozása a távtartók rendezett elrendezése miatt, megnövekedett panel merevség és a felületen történő nyomáskor a hullámosság hiánya.

A TN panel, melynek kialakítása a 6. ábrán látható, a legolcsóbban gyártható, ami meghatározza dominanciáját a tömegmonitorok piacán. Ezen kívül számos más technológia is eltér az elektródák elhelyezkedésében, konfigurációjában és anyagában, a polarizátorok orientációjában, az alkalmazott LC-gyógyszerekben, a rendező kezdeti orientációjában a folyadékkristályos anyagban stb. Az igazgató kezdeti irányvonala szerint az összes létező technológia két csoportra osztható:

1. Sík tájolás

Ez magában foglalja az összes IPS-technológiát (S-IPS, SA-SFT stb.), valamint a Boe HyDis által kifejlesztett és népszerűsített FFS-t (jelenleg AFFS). A molekulák vízszintesen, a szubsztrátok aljával párhuzamosan, a dörzsöléssel meghatározott irányban, a felső és az alsó szubsztrátum azonos irányban dörzsölődnek. Minden elektróda, mind a pixel, mind a közös, ugyanazon a panel belső üvegfelületén található, az adatvonalakkal és a tranzisztorokkal együtt. Az IPS technológiákban a pixel és a közös elektródák párhuzamosan helyezkednek el, váltakozva egymással (9. ábra). Az erővonalak vízszintesen futnak, de a súrlódás irányához képest bizonyos szögben. Ezért feszültség alkalmazásakor a molekulák, amelyek ebben az esetben pozitív dielektromos anizotrópiával rendelkeznek, hajlamosak az alkalmazott tér irányába felsorakozni, ugyanabban a síkban elfordulni egy szöggel, amely annak (tér)intenzitásától függ. Az FFS esetében a közös elektróda a pixel alatt helyezkedik el, ennél a kialakításnál az elektródákra adott feszültség elektromos mezőt alkot, melynek vízszintes és függőleges komponensei is vannak. Ha az IPS esetében a 9. ábrán látható koordinátatengelyekben a mező a következőképpen jellemezhető E y, akkor az FFS esetében a megfelelő értékek így fognak kinézni E yÉs Ez. A térvonalak ilyen elrendezése lehetővé teszi pozitív és negatív dielektromos anizotrópiájú LC anyagok használatát is. A molekulák forgása az IPS-hez hasonlóan ugyanabban a síkban megy végbe a mező vízszintes komponense irányában, de a határzónák kisebb száma miatt lényegesen nagyobb számú molekula forog, ami lehetővé teszi a mező szűkítését. a fekete mátrix rács szélességét, és nagyobb panelnyílás arányt érhet el.

A rendező síkbeli orientációjával rendelkező technológiák egyik fő előnye a paletta rendkívül csekély színeltolódása (színeltolása) a látószög megváltoztatásakor. Ez a stabilitás a folyadékkristály anyag molekulái által a tér hatására kialakuló hélix konfigurációjának köszönhető, amely ebben az esetben szimmetrikus alakú. A 9. ábra sematikusan mutatja az LC molekulák helyzetét, amikor az elektródákra feszültséget kapcsolunk, jól látható, hogy a középső rétegekben érhető el a maximális elfordulási szög. Ez az inhomogenitás abból adódik, hogy – mint már említettük – a molekulák kívánt irányú, a szubsztrátok alapjával párhuzamos orientációját felületük előkezelésével (dörzsölésével) sikerült elérni. Ezért a szubsztráttal közvetlenül szomszédos rétegben a molekulák mobilitását a szubsztrát domborműve, a következő szomszédos rétegekben pedig az intermolekuláris erők korlátozzák. Ennek eredményeként a mező hatására a molekulák egy szalag alakú spirált alkotnak, amelynek végei egy síkban vannak rögzítve, és a központi rész elfordul. Létezik egy olyan optikai út koncepciója, amely annak a közegnek a törésmutatójától függ, amelyben a nyaláb terjed, és az ebből eredő fázisbetöréstől az iránya mentén. A folyadékkristályrétegen áthaladó fénysugarak az áthaladás szögétől függően eltérő optikai úthosszúak. A molekulák hélixének szimmetrikus alakja lehetővé teszi, hogy minden szürkeségi szinthez pontos hozzáadást kapjunk az optikai úthossz felső és alsó felén, az eredmény a megjelenített árnyalatok látószögtől való függésének szinte teljes hiánya. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően az IPS paneleket a grafikus orientált monitorok túlnyomó többségében használják.

A fényhullám áthaladása során a keletkező vektor forgásiránya (lásd 5. ábra) részben megismétli a molekulák által alkotott hélix hajlításának alakját. Ezért a polarizációs sík elfordulása a hullámnak az LC-anyag első részén keresztül történő áthaladása során az egyik irányban, a másodikon pedig az ellenkező irányban történik. Az egyik hullámkomponens fáziskésleltetése az alkalmazott feszültségtől függően ahhoz vezet, hogy a kapott vektor iránya Er a folyadékkristályrétegből való kilépésnél eltér a kezdeti rétegtől, ez lehetővé teszi, hogy a fényáram bizonyos része áthaladjon az analizátoron. A polarizátor és az analizátor fényáteresztő síkjai, mint minden más technológia esetében, 90 fokos szögben vannak eltolva egymáshoz képest.

Az összes jelenleg gyártott változat (S-IPS, AFFS, SA-SFT) 2 tartományos cellakialakítást használ. Ehhez cikkcakk alakú elektródákat használnak, amelyek hatására a molekulák két irányban forognak. A kezdeti változatok, amelyeket egyszerűen "IPS" és "FFS" névvel jelöltek, a "Super" és "Advanced" előtagok nélkül, egy tartományban működtek, ezért színeltolódással és kisebb betekintési szöggel rendelkeztek (140/140 kontrasztról esett vissza 10:1 az első IPS-hez).

A csavart orientációt (vagy csavart orientációt) általában a sík tájolás is tartalmazza. A molekulák egymáshoz igazítása a hordozók alapja mentén ebben az esetben is a felületük dörzsölésével történik, azzal a különbséggel, hogy a felső és az alsó szubsztrátum dörzsölési iránya eltolódik egymáshoz képest. A nematikus anyagban az illesztés eredményeként a rendező egy koleszterikus hélixet képez, az LC keverékekben a hélix helyes kialakításához speciális, királis molekulákat tartalmazó adalékokat használnak. A csavart orientációt a legszélesebb körben használt TN (vagy TN+Film) technológia alkalmazza. A TN konstrukció leírásának és szemléltetésének itt nincs értelme, ez számos hasonló témájú anyagban megtörtént, mondhatjuk, hogy közismert.

2. Homeotróp orientáció

Ebbe a csoportba tartozik az MVA és a PVA. A rendező merőleges az üveghordozó alapjára, ezt úgy érik el, hogy felületaktív anyagokat használnak a hordozó bevonatában. A közös és pixelelektródák egymással szemben lévő hordozókon helyezkednek el, a mező függőlegesen orientált. Itt negatív dielektromos anizotrópiájú folyadékkristályos anyagokat használnak, így az alkalmazott feszültség hatására a folyadékkristály molekulák a térvonalak ellen fordulnak. Az MVA-t az jellemzi, hogy mikroszkopikus hosszirányú vetületek (nyúlványok) jelennek meg a molekulák elődőlésére a felső vagy mindkét szubsztrátumon, így a kezdeti függőleges igazítás nem teljes. Az ezekhez a kiemelkedésekhez igazodó molekulák enyhe elődöntést kapnak, ami lehetővé teszi, hogy a sejt minden régiójához (tartományához) egy bizonyos irányt állítsunk be, amelyben a molekulák a mező hatására forognak. A PVA-ban nincsenek ilyen kiemelkedések, és feszültség hiányában a rendező a felületre szigorúan merőlegesen van orientálva, a pixel és a közös elektródák pedig egymáshoz képest el vannak tolva úgy, hogy a generált mező nem szigorúan függőleges, hanem tartalmaz egy ferde alkatrész (10. ábra).

A homeotróp rendező orientációjú technológiák közé tartozik a Sharp által kifejlesztett ASV is. Az alpixelen belül több pixelelektróda található, négyzetek formájában, lekerekített élekkel. Az alapelvek megegyeznek: a közös elektród az ellenkező hordozón helyezkedik el, a molekulák tér hiányában függőlegesen orientálódnak, és negatív dielektromos anizotrópiájú folyadékkristályos anyagokat használnak. A létrejövő mező kifejezett ferde komponensű, és a molekulák a tér irányával ellentétesen elfordulva olyan szerkezetet hoznak létre, amelyben a rendező iránya a pixelelektróda közepén elhelyezkedő esernyő alakjához hasonlít.

Feszültség hiányában a cellák állapotától függően az LCD-modulokat típusokra osztják. Általában fehér (általában fehér) paneleknek nevezzük, amelyekben a cellák nulla feszültsége mellett teljesen nyitottak, illetve a képernyőn fehér szín jelenik meg. Általában fehér az összes TN technológiával készült panel. Azok a panelek, amelyek feszültség hiányában blokkolják a fény átjutását, általában feketék (általában feketék), az összes többi technológia ehhez a típushoz tartozik.

háttérvilágítás modul

...fluoreszkáló lámpák alapján

A panel testén (polarizátorok, elektródák, színszűrők stb.) a háttérvilágításból származó kezdeti fényáramnak csak egy kis része halad át, legfeljebb 3%. Ezért a háttérvilágítási modul belső fényerejének meglehetősen jelentősnek kell lennie - az alkalmazott lámpák általában 30 000 cd/m 2 feletti fényerővel rendelkeznek.

A megvilágításhoz hidegkatódos CCFL fénycsöveket (katódszálak nélkül) használnak. A CCFL lámpa egy zárt üvegcső, amely kis mennyiségű higanyt tartalmazó inert gázzal van megtöltve (11. ábra). A katódok ebben az esetben egyenlő elektródák, mivel váltakozó áramot használnak az áramellátáshoz. Az izzó (forró) katódlámpákhoz képest a CCFL elektródák szerkezete eltérő és nagyobb. A katód üzemi hőmérséklete jelentősen eltér: 80-150 o C, míg a forrókatódos lámpáknál kb. 900 o C, míg magának a lámpának a hőmérséklete 30-75 o C, illetve 40 o C közelébe esik. A CCFL üzemi feszültsége 600-900 V, az indító feszültség 900-1600 V (a számok meglehetősen tetszőlegesek, mivel a használt lámpák köre nagyon széles). A fény egy gáz ionizációjával keletkezik, ill szükséges feltétel előfordulása hidegkatódos lámpában az magasfeszültség. Ezért egy ilyen lámpa elindításához több száz mikroszekundumra feszültséget kell alkalmazni az elektródákra, ami sokkal magasabb, mint az üzemi feszültség. Az alkalmazott nagy váltakozó feszültség gázionizációt és az elektródák közötti rés szétesését okozza, kisülés lép fel.

A kisülési rés meghibásodása a következő okok miatt következik be. Normál körülmények között a lámpát kitöltő gáz dielektrikum. Amikor elektromos tér jelenik meg, a gáz térfogatában mindig jelen lévő kis számú ion és elektron mozgásba lendül. Ha kellően nagy feszültséget kapcsolunk az elektródákra, az elektromos tér olyan nagy sebességet kölcsönöz az ionoknak, hogy semleges molekulákkal ütközve elektronok csapódnak ki belőlük és ionok képződnek. Az újonnan képződött elektronok és ionok a mező hatására mozgóan szintén bekerülnek az ionizációs folyamatba, a folyamat lavinaszerű jelleget ölt. Miután az ionok elegendő energiát kezdenek kapni ahhoz, hogy a katódnak ütközve kiütjék az elektronokat, önkisülés következik be. A forrókatódos lámpákkal ellentétben, ahol a kisülés ív, a CCFL kisülési típusa izzás.

A kisülést az úgynevezett katódpotenciálesés tartja fenn. A kisülési potenciálesés (feszültség) fő része a katódközeli tartományra esik. Az ionok, amelyek nagy potenciálkülönbséggel futnak át ezen a résen, nagy kinetikus energiára tesznek szert, amely elegendő ahhoz, hogy elektronokat üssön ki a katódból. A kilökött elektronok azonos potenciálkülönbség miatt visszagyorsulnak a kisülésbe, és ott új ion- és elektronpárok keletkeznek. Az ezekből a párokból származó ionok visszatérnek a katódra, felgyorsítják a kisülés és a katód közötti feszültségesést, és ismét kiütik az elektronokat.

Az elektromos áram energiája okozza a lámpában lévő higany átmenetét folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotúvá. Amikor az elektronok ütköznek higanyatomokkal, energia szabadul fel, amit az atomok instabil állapotából stabil állapotba való visszatérése okoz. Ebben az esetben intenzív sugárzás történik az ultraibolya tartományban, az ultraibolya részesedése a teljes sugárzás körülbelül 60% -a.

A látható fényt az üveg belső felületére felvitt foszforbevonat hozza létre. A higany által kibocsátott ultraibolya fotonok gerjesztik a foszforbevonat atomjait, megemelve az elektronok energiaszintjét. Amikor az elektronok visszatérnek eredeti energiaszintjükre, a bevonat atomjai látható fény fotonjai formájában energiát termelnek. A foszfor az lényeges komponens lámpák, a sugárzási spektrum jellemzői attól függnek. A CCFL spektruma rendkívül egyenetlen, kifejezett keskeny csúcsokkal. Még a többrétegű foszfor bevonat (a maximális fényerő rovására) sem teszi lehetővé a kineszkópos monitorok "előzését" a színskála tekintetében. Ezért az elfogadható színskála elérése érdekében egy panel gyártása során a színszűrőket is pontosan kell kiválasztani, amelyek áteresztősávjai a lehető legnagyobb mértékben feleljenek meg a lámpák emissziós spektrumának csúcsainak.

Ideális esetben az elsődleges színek monokromatikus forrásai és a kiváló minőségű színszűrők kombinációja biztosíthatja a maximális színskálát. Az úgynevezett lézer LED-ek a "kvázi monokromatikus" fényforrások szerepét magukénak tudhatják, de a gyártástechnológia még nem biztosítja a háttérvilágítási modulokban való alkalmazásuk jövedelmezőségét. Ezért tovább Ebben a pillanatban A legjobb színskála az RGB LED-csomagokra épülő háttérvilágítási modulokkal érhető el (lásd lent).

A lámpák működéséhez szükséges több száz voltos feszültség előállításához speciális átalakítókat - invertereket - használnak. A CCFL fényereje kétféleképpen állítható be. Az első a lámpa kisülési áramának megváltoztatása. A kisülési áram értéke 3-8 mA, a lámpák jelentős része még szűkebb tartományú. Alacsonyabb áramerősségnél az izzás egyenletessége romlik, nagyobbnál a lámpa élettartama jelentősen csökken. Ennek a beállítási módszernek az a hátránya, hogy lehetővé teszi a fényerő nagyon kis tartományban történő megváltoztatását, nem lehet jelentősen csökkenteni. Ezért az ezzel a beállítással rendelkező monitorok, amikor alacsony környezeti fényviszonyok mellett dolgoznak, gyakran túlságosan fényesnek bizonyulnak még nulla fényerő mellett is. A második módszernél a lámpákat tápláló feszültség impulzusszélesség-modulációját (PWM) állítják elő (egy impulzus szélességének változtatásával szabályozzuk a szélességet, azaz az impulzus időtartamát, az átlagos feszültségszintet.) . Ennek a módszernek a hátrányait néha a villódzó lámpák megjelenésének tulajdonítják, amikor a PWM-et alacsony, 200 Hz-es és az alatti frekvencián hajtják végre, valójában a PWM-vezérlés a legésszerűbb megközelítés, mivel lehetővé teszi a fényerő széles tartományban történő megváltoztatását. .

A lámpák fényének egyenletes elosztásához fényvezetők, diffúzorok és prizmák rendszerét használják. A fényelosztás megszervezésére számos lehetőség kínálkozik, ezek közül az egyik a 12. ábrán látható.

A legelterjedtebbek a panel felső és alsó oldalán lévő lámpák elrendezésével kapcsolatos megoldások, ez az elrendezés jelentősen csökkentheti a termék teljes vastagságát. A 17" és 19"-es modulok általában négy lámpával rendelkeznek, kettő a tetején és kettő alul. Az ilyen panelek házának végén speciális technológiai lyukak vannak, így a lámpák eltávolításához nem szükséges a testet szétszerelni (13-b ábra). Az ilyen elrendezésű lámpákat gyakran két blokkba kombinálják (13-a ábra).

Egy másik lehetőség a lámpák elhelyezése a modul hátoldalának teljes területén (13-c ábra), ezt a megoldást nyolc vagy több lámpával rendelkező többlámpás paneleknél, valamint U- alakú CCFL-ek.

A panelgyártók a lámpa minimális élettartamát jelenleg általában negyven-ötvenezer óra között jelölik (az élettartamot az az idő, amely alatt a lámpa elveszíti fényerejét 50%-kal).

...LED-ek alapján

A fénycsövek mellett fénykibocsátó diódák (LED) is használhatók fényforrásként. A LED-alapú háttérvilágítási modulok vagy „fehér” LED-ekre vagy elsődleges színű LED-csomagokra (RGB-LED) épülnek.

Az RGB-LED csomagok biztosítják a legnagyobb színskálát. A tény az, hogy a "fehér" LED egy kék LED sárga foszfor bevonattal, vagy egy ultraibolya LED "piros", "zöld" és "kék" foszfor bevonattal. A "fehér" LED-ek spektruma nem mentes a fénycsövek spektrumának minden hiányosságától. Ezenkívül a "fehér" LED-ekkel ellentétben az RGB-LED csomag lehetővé teszi a háttérvilágítás színhőmérsékletének on-line beállítását azáltal, hogy külön szabályozza az elsődleges színek LED-csoportjainak fényének intenzitását.

Ennek eredményeként két célt sikerült elérni:

• kibővíti a színskálát az ideálisabb háttérvilágítási spektrumnak köszönhetően,
• a színkalibrálás lehetőségei kibővülnek: a képpontok színkoordinátáinak átalakítási táblázatain alapuló szabványos módszerhez hozzáadódik a háttérvilágítás színegyensúlyának korrekciójának lehetősége.

nagy meredekség volt-amper karakterisztika A LED-ek nem teszik lehetővé a sugárzás fényerejének zökkenőmentes beállítását széles tartományban. De mivel az eszköz lehetővé teszi az impulzus üzemmódban történő működést, a gyakorlatban a LED-ek fényerejének beállításához (mint a fénycsövek esetében), leggyakrabban az impulzusszélesség-modulációs módszert használják.

Oleg Medvegyev, Maxim Proskurnya

Napjainkban a technológiák nem állnak meg, rohamosan fejlődnek, aminek köszönhetően egyre több új, csodálatos és csúcstechnológiás eszköz kerül a világba. Ez vonatkozik az LCD-monitorok gyártási technológiáira is, amelyek jelenleg a legszélesebb körben használtak és a legnagyobb kilátásokkal rendelkeznek. De mi is az LCD monitor eszköze és mik az előnyei? Erről lesz szó ebben a kiadványban.

1. Mi az LCD monitor

Először is érdemes megérteni, mi az LCD monitor. Ehhez meg kell értenie, mi az LCD-kijelző. Amint valószínűleg már kitalálta, az LCD egyfajta rövidítés, a teljes név a következő formában van - Liquid Crystal Display. Oroszra fordítva ez folyadékkristályos kijelzőt jelent. Így világossá válik, hogy az LCD és az LCD egy és ugyanaz.

Ez a technológia olyan speciális folyadékkristály-molekulák használatán alapul, amelyek egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek. Az ilyen monitoroknak számos tagadhatatlan előnye van. Megértésük érdekében érdemes részletesebben is elemezni az LCD monitorok működési elvét.

2. Az LCD monitor készüléke és működési elve

Mint fentebb említettük, speciális anyagokat, úgynevezett cianofenileket használnak az LCD-kijelzők előállításához. Folyékony állapotban vannak, ugyanakkor egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek a kristályos testekben rejlenek. Valójában ez egy folyadék, amelynek tulajdonságai anizotrópiák, különösen optikai tulajdonságok. Ezek a tulajdonságok a molekulák orientációjának rendezettségéhez kapcsolódnak.

A folyadékkristályos monitorok működési elve a kristálymolekulák polarizációs tulajdonságain alapul. Ezek a molekulák csak azt a fénykomponenst képesek továbbítani, amelynek elektromágneses indukciós vektora a polaroid (kristálymolekula) párhuzamos optikai síkjában helyezkedik el. A kristályok nem engednek át más fényspektrumot. Más szóval, a cianofenilek olyan fényszűrők, amelyek csak egy bizonyos fényspektrumot bocsátanak át – az egyik elsődleges színt. Ezt a hatást a fény polarizációjának nevezik.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a folyadékkristályok hosszú molekulái az elektromosságtól függően változtatják helyüket mágneses mező, lehetővé vált a polarizáció szabályozása. Vagyis a cianofenilekre ható elektromágneses tér erősségétől függően változtatják elhelyezkedésüket és alakjukat, ezáltal változtatják a fénytörés szögét és polarizációjukat. A kristályok elektro-optikai tulajdonságainak és az edény alakját felvevő képességének kombinációja miatt az ilyen molekulákat folyadékkristályoknak nevezik.

Az LCD monitor működési elve ezeken a tulajdonságokon alapul. Az elektromágneses tér erősségének változása miatt a folyadékkristályok molekulái megváltoztatják helyzetüket. Így kép alakul ki.

2.1. LCD mátrix

Az LCD monitorok mátrixa sok apró szegmensből álló tömb, amelyeket pixeleknek nevezünk. Ezen pixelek mindegyike külön vezérelhető, aminek köszönhetően egy bizonyos kép jelenik meg. Az LCD monitor mátrixa több rétegből áll. A kulcsszerep a két panelé, amelyek nátriummentes és abszolút tiszta üveganyagból készülnek. Ezt az anyagot szubsztrátumnak (vagy az emberekben - szubsztrátumnak) nevezik. E két réteg között található a folyadékkristályok legvékonyabb rétege.

Ezenkívül a paneleken speciális hornyok vannak, amelyek szabályozzák a kristályokat, így biztosítva a kívánt tájolást (pozíciót). Ezek a hornyok párhuzamosak egymással a panelen, és merőlegesek a másik panelen lévő hornyok elrendezésére. Vagyis az egyik panelen vízszintesek, a másikon függőlegesek. Ha nagyítón keresztül nézi a képernyőt, láthatja a legvékonyabb csíkokat (függőlegesen és vízszintesen). Kis négyzeteket alkotnak - ezek pixelek. Formájuk is kerek, de túlnyomó többségük négyzet alakú.

A folyadékkristályos panelek megvilágítása kétféleképpen valósítható meg:

• Fényvisszaverődés;
• A fény áthaladása.

Ebben az esetben a fényáramok polarizációs síkja 90˚-kal elforgatható az egyik panelen való áthaladás pillanatában.

Elektromos tér esetén a kristálymolekulák részben függőlegesen sorakoznak e tér mentén. Ebben az esetben a fényáramok polarizációs síkjának elfordulási szöge megváltozik, és eltér 90˚-tól. Ez lehetővé teszi, hogy a fény akadálytalanul áthaladjon a molekulákon.

A sík ilyen forgását szabad szemmel teljesen lehetetlen észrevenni. Emiatt további két réteget kellett felvinni az üvegtáblákra, amelyek a polarizációs szűrő szerepét töltik be. Csak olyan fénysugarak spektrumát adják át, amelyek polarizációs tengelye megfelel a beállított értéknek. Más szóval, a kiegészítő panelek miatt, ahogy a fény áthalad a polarizátoron, gyengül. A fény intenzitása a polarizációs sík (kiegészítő panelek) és a polarizációs tengely (fő üvegtáblák) közötti szögtől függ.

Ha nincs feszültség, akkor a cella teljesen átlátszó lesz, mivel az első polarizátor csak a megfelelő polarizációs irányú fény. A polarizáció irányát a folyadékkristály-molekulák határozzák meg, és mire a fény eléri a második polarizátort, az már megfordul, hogy nehézség nélkül áthaladjon rajta.

Elektromos tér hatása esetén a polarizációs vektor elforgatása kisebb szöggel történik. Ez viszont a második polarizátort részben átlátszóvá teszi a fényáramok számára. Ha azt csináljuk, hogy a folyadékkristályok molekuláiban a polarizációs sík forgása teljesen hiányzik, akkor a fényt a második polarizátor teljesen elnyeli. Más szóval, amikor a kijelző hátulját megvilágítja, az előlap teljesen feketén lenge.

2.2. Polarizációszabályozás LCD monitorokban elektródákkal

Ennek alapján a fejlesztők elegendő számú elektródával látták el a kijelzőket, amelyek a képernyő különálló részein (pixelenként) különböző elektromágneses teret hoznak létre. Ennek a megoldásnak köszönhetően ezeknek az elektródáknak a potenciáljának megfelelő szabályozása mellett képesek voltak betűket, sőt összetett, többszínű képeket reprodukálni a kijelzőn. Ezek az elektródák bármilyen alakúak lehetnek, és átlátszó műanyagban helyezkednek el.

A modern technológiai innovációknak köszönhetően az elektródák nagyon kicsik - szabad szemmel gyakorlatilag láthatatlanok. Ennek köszönhetően viszonylag kis kijelzőfelületen kellően nagy számú elektróda helyezhető el, ami lehetővé teszi az LCD kijelző felbontásának növelését. Ez pedig lehetővé teszi a megjelenített kép minőségének javítását és a legösszetettebb képek reprodukálását is.

2.3. Színes kép beszerzése

A folyadékkristályos monitorok működési elve meglehetősen összetett folyamatokban rejlik. Ennek köszönhetően azonban a felhasználó kiváló minőségű képet kap a monitorán. A színes kép megjelenítéséhez az LCD-nek háttérvilágításra van szüksége, hogy a képernyő hátuljáról fény jöjjön. Ez lehetővé teszi a felhasználók számára a lehető legjobb képminőséget még sötét környezetben is.

A színes kép megjelenítésére szolgáló LCD-monitorok működési elve ugyanazon három alapszín használatán alapul:

• Kék;
• Zöld;
• Piros.

Ezen spektrumok megszerzéséhez három szűrőt használnak a látható sugárzás fennmaradó spektrumainak kiszűrésére. Ezeket a színeket pixelenként (cellánként) kombinálva teljes értékű színes kép jeleníthető meg.

Jelenleg kétféleképpen lehet színes képet készíteni:

• Több egymás mögött elhelyezett szűrő használata. Ez az áteresztett fény kis hányadát eredményezi.
• A folyadékkristály-molekulák tulajdonságainak felhasználása. A kívánt hosszúságú sugárzás visszaveréséhez (vagy elnyeléséhez) megváltoztathatja az elektromágneses mező feszültségének erősségét, amely befolyásolja a folyadékkristály-molekulák elrendezését, ezáltal szűrve a sugárzást.

Minden gyártó kiválasztja a saját opcióját a színes kép elkészítéséhez. Érdemes megjegyezni, hogy az első módszer egyszerűbb, de a második hatékonyabb. Azt is érdemes megjegyezni, hogy a modern, nagy képernyőfelbontású LCD-kijelzők képminőségének javítása érdekében STN technológiát alkalmaznak, amely lehetővé teszi a kristályokban lévő fény polarizációs síkjának 270˚-kal történő elforgatását. Más típusú mátrixokat is kifejlesztettek, mint például a TFT és az IPS.

Ez TFT és IPS mátrixok manapság a legelterjedtebbek.

A TFT a Thin Film Transistor rövidítése. Más szóval, ez egy vékony film tranzisztor, amely egy pixelt hajt meg. Egy ilyen tranzisztor vastagsága 0,1-0,01 mikron. Ennek a technológiának köszönhetően az egyes pixelek vezérlésével még magasabb képminőséget lehetett elérni.

Az IPS technológia a legújabb fejlesztés a legmagasabb képminőség elérésére. Maximális látószöget biztosít, de hosszabb a válaszideje. Vagyis lassabban reagál a feszültségváltozásokra. Az 5 ms és 14 ms közötti időbeli különbség azonban egyáltalán nem látható.

Most már tudja, hogyan működik az LCD monitor. Ez azonban még nem minden. Van olyan, hogy képernyőfrissítési gyakoriság.

3. LCD képernyő frissítési gyakorisága

A képernyő frissítési gyakorisága egy olyan jellemző, amely a számát jelzi lehetséges változások kép per másodperc – a képkockák száma másodpercenként. Ezt a mutatót Hz-ben mérik. A képernyő frissítési gyakorisága befolyásolja a kép minőségét, különösen a mozgások simaságát. A maximális látható frekvencia határ 120 Hz. E határ felett nem fogjuk látni a frekvenciát, így nincs értelme növelni. Ahhoz azonban, hogy a monitor ilyen frekvencián tudjon működni, egy erős videókártya kell, amely ugyanazt a 120 Hz-et tudja leadni margóval.

Ezenkívül a képernyő frissítési gyakorisága hatással van a látószervekre, sőt a pszichére is. Ez a hatás elsősorban a szem fáradtságában nyilvánul meg. Alacsony vibrálási gyakoriság mellett a szem gyorsan elfárad és fájni kezd. Ezenkívül görcsrohamokat okozhat az epilepsziára hajlamos emberek. A modern LCD monitorok azonban speciális lámpákat használnak a mátrix háttérvilágítására, amelyek frekvenciája meghaladja a 150 Hz-et, és a jelzett frissítési gyakoriság jobban befolyásolja a képváltás sebességét, de a kijelző villogását nem. Ezért az LCD monitorok a legkevésbé hatnak a látószervekre és az emberi testre.

4. Hogyan működik az LCD: Videó

4.1. A 3D megtekintéshez szükséges monitorfrekvencia

Az aktív és polarizált 3D szemüveg használatához 120 Hz-es képernyő-frissítési gyakoriságú LCD-mátrixokat használnak. Erre azért van szükség, hogy az egyes szemek képeit szétválasszuk, miközben az egyes szemek frekvenciájának legalább 60 Hz-nek kell lennie. A 120 Hz frekvenciájú monitorok normál 2D filmekhez vagy játékokhoz is használhatók. Ugyanakkor a mozgások simasága észrevehetően jobb, mint a 60 Hz-es monitoroknál.

Ezenkívül az ilyen monitorok speciális lámpákat vagy LED-es (fénykibocsátó diódák) háttérvilágítást használnak, amely még több magas frekvencia villogás, ami körülbelül 480 Hz. Ez viszont jelentősen csökkenti a látószervek terhelését.

A modern monitorokon két módszer található a mátrix háttérvilágítás megvalósítására:

• LED - LED háttérvilágítás;
• Fénycsövek.

Minden nagyobb gyártó átáll a használatba LED háttérvilágítás, mivel jelentős előnyökkel jár ahhoz képest fénycsövek. Világosabbak, kompaktabbak, gazdaságosabbak és egyenletesebb fényeloszlást biztosítanak.

A használat révén a legújabb technológiákat Az LCD-monitorok egyáltalán nem rosszabbak közvetlen versenytársaiknál ​​- a plazmapaneleknél, és bizonyos esetekben meg is haladják őket.

Az Inside Look sorozatból hétköznapi dolgokról beszélgettünk, de hiába érkezett az elmúlt hónapban rengeteg ilyen irányú anyag, térjünk vissza az informatikai témákhoz.

Kifejezetten a Haza Védője Napja alkalmából LCD és E-Ink kijelzők hevertek az előkészítő asztalon, amit így vagy úgy, kissé ütött-kopott formában kaptam.

A vágás alatt olvasható, hogyan dobta Anton a telefont a falnak, valamint a kijelzők alapos elemzésének eredményeit.

Előszó

Élt egyszer Anton Gorodetsky.
A felesége elhagyta, nem volt gyerekesen szomorú...

Így kezdődik az Umaturman csoport híres dala. Ugyanez a történet a kijelzők tanulmányozásával kezdődik. A Habréról szóló első publikáció után barátom, az FNM MGU végzős hallgatója odajött hozzám, és azt mondta: "Itt eltörtem a mobiltelefonomat, fel akarod vágni?" Meglepődtem, mert ez az ember mindig hordott magánál egy kínai telefont, amit gyakorlatilag elpusztíthatatlannak tartottam. Egy nap hazaérve Anton megszokásból a szekrénybe dobta a telefont, de úgy tűnik, anélkül, hogy kalkulált volna, a kijelzővel nekiütközött a polc szélének.

Felismerve nevetséges veszteségeit a mobil elvesztése miatt, és az aznapi általános rossz hangulatra való tekintettel igazi úriemberként viselkedett, és újra és újra a betonfalnak dobta a telefon élettelen testét. Amikor hozzám értek a maradványok, a kínai telefon fele egyszerűen hiányzott, a kijelzőt egy kis repedéspókháló borította.
El kellett halasztanom jobb időkre (ahogy akkoriban hittem, amíg valaki megcsinálja ugyanezt egy iPhone-nal vagy más érintésérzékeny okostelefonnal), és elkezdtem dolgozni HDD-n és CD-n, majd izzókon, pendrive-okon stb.

Egy idő után a szomszédom hoz nekem egy repedt E-Ink kijelzőt. A barátja összetört vékony üveg a 601-es sorozatszámú hírhedt olvasóban airsoft játék közben, úgy tűnik, szinte semmiért adta az olvasót javításra és helyreállításra.

Ez már érdekesebb volt, a két technológiát össze lehet hasonlítani egymással, próbáljunk meg RGB szubpixeleket és mikrokapszulákat kialakítani, amelyekben töltött részecskék lebegnek. De abban reménykedtem, hogy kapok egy kapacitív szenzoros okostelefont, hogy összehasonlíthassam azt és a kínai telefon rezisztív érzékelőjét.

És így Vaszilij (egy tudományos kolléga a kar egyik laboratóriumában), miután Csernogolovkából érkezett a ChemFakba, és látta, hogy valójában mit csinálok egy elektronmikroszkóppal, azt mondta, hogy készen áll egy telefont adományozni egy jól ismert koreai gyártótól. enyhén ütött-kopott kijelzővel a szétszereléshez és a vágáshoz „A tudomány kedvéért semmi sem kár” jelzéssel.

Annak ellenére, hogy a szenzor kapacitív, minden bizonnyal ellenállónak bizonyult, igaz, fejlettebb, mint a kínai telefon érintőpanele. Egy fontos részletet kaptunk ebből a telefonból, ami a szárnyakban vár a levágásra - egy fotó / videó kamera mátrix ...

Elméleti rész

Hogyan működik az LCD kijelző?

Mindannyian olyan régóta használunk lapos TV-t, monitort, telefont, okostelefont, hogy egyszer már elfelejtettük jó monitor 10-15 kilogrammot nyomott (még van egy ilyen mastodonunk, és ami a legfontosabb, rendesen működik!).

Mindez az egy évszázaddal ezelőtti felfedezéseknek (folyékonykristályokat fedeztek fel 1888-ban) és az elmúlt 30-40 év technológiai fejlődésének (1968 - LCD-t használó információmegjelenítő eszköz, 1970-es évek - a folyadék általános elérhetősége) köszönhetően vált lehetővé. kristályok). A folyadékkristályokról és az LCD monitorokról sok minden megtalálható a Wikin.

Tehát szinte minden LCD-monitor a következő fő részekből áll: egy aktív mátrix, amely tranzisztorok halmaza, amelyek képet alkotnak, egy folyadékkristályréteg szűrőkkel, amelyek vagy áteresztik a fényt, vagy nem, és egy háttérvilágítási rendszer, amely ma próbálkozik. LED-ekké alakítani. Bár a „régi” Asus G2S-emen a kiváló minőségű kijelzőt fénycsövek világítják meg.

Hogyan működik mindez? A forrásból (LED vagy lámpa) egy speciális átlátszó hullámvezető lemezen keresztül érkező fény úgy szóródik, hogy a teljes mátrix teljes felületén egyenlő megvilágítású legyen. Ezután a fotonok áthaladnak egy polarizációs szűrőn, amely csak adott polarizációjú hullámokat enged át. Ezután az üveghordozón áthatolva, amelyen a vékonyréteg-tranzisztorok aktív mátrixa található, a fény belép a folyadékkristály molekulába.

Ez a molekula „parancsot” kap a mögöttes tranzisztortól, hogy milyen szögben forgatja el a fényhullám polarizációját, hogy egy másik polarizációs szűrőn való áthaladás után beállítsa az egyes szubpixelek fényének intenzitását. Egy réteg fényszűrő (piros, zöld vagy kék) felelős az alpixel színezéséért. Összekeverve három, az emberi szem számára láthatatlan szubpixelből származó hullámok egy adott színű és intenzitású kép pixelét alkotják.

a) Az LCD-kijelző sematikus berendezése, b) a folyadékkristály-film berendezése részletesen.

Számomra nagyon egyértelműen ezt mutatja be a Sharp videója:

A jól bevált LCD + TFT technológia (vékonyréteg tranzisztorok - vékonyréteg tranzisztorok) mellett aktívan támogatott az OLED + TFT szerves fénykibocsátó dióda technológia, vagyis az AMOLED - aktív mátrix OLED. Utóbbiak fő különbsége, hogy a három színű szerves fénykibocsátó diódák polarizátor, LCD réteg és fényszűrő szerepét töltik be.

Valójában ezek olyan molekulák, amelyek képesek fényt kibocsátani, amikor elektromos áram folyik, és az átfolyó áram mértékétől függően megváltoztatják a színintenzitást, akárcsak a hagyományos LED-eknél. A polarizátorok és az LCD eltávolításával a panelről potenciálisan vékonyabbá, és ami a legfontosabb, rugalmasabbá tehetjük!

Mik azok az érintőpanelek?

Mivel jelenleg az érzékelőket inkább LCD és OLED kijelzőkkel használják, úgy gondolom, okos lenne azonnal beszélni róluk.

Nagyon Részletes leírásérintőképernyők vagy érintőpanelek adottak (a forrás egykor élt, de valamiért eltűnt), ezért nem írok le minden típusú érintőpanelt, csak két főre fogok összpontosítani: az ellenállásos és a kapacitív.

Kezdjük egy rezisztív érzékelővel. 4 fő összetevőből áll: egy üveglapból (1), mint az egész hordozója érintő panel, két átlátszó polimer membrán rezisztív bevonattal (2, 4), egy mikroszigetelő réteg (3), amely ezeket a membránokat választja el, és 4, 5 vagy 8 vezeték, amelyek az érintés „leolvasásáért” felelősek.

A rezisztív érzékelő eszköz vázlata

Ha egy ilyen érzékelőt bizonyos erővel megnyomunk, a membránok érintkeznek, elektromos áramkör zár, amint az alábbi ábrán látható, az ellenállást mérik, amelyet ezután koordinátákká alakítanak át:

A 4 vezetékes rezisztív kijelző koordinátáinak kiszámításának elve ()

Minden rendkívül egyszerű.

Fontos megjegyezni két dolgot: a) sok kínai telefon rezisztív érzékelői ugyanazok jó minőség, ennek oka éppen a membránok egyenetlen távolsága vagy a rossz minőségű mikroszigetelők lehetnek, vagyis a telefon „agya” nem tudja megfelelően koordinátákká alakítani a mért ellenállásokat; b) egy ilyen érzékelő pontos nyomást igényel, az egyik membránt a másikra nyomja.

A kapacitív érzékelők némileg eltérnek az ellenállásos érzékelőktől. Azonnal érdemes megemlíteni, hogy csak a kivetítő-kapacitív érzékelőkről fogunk beszélni, amelyeket ma már az iPhone-ban és másokban is használnak. hordozható készülékek.

Az ilyen érintőképernyő működési elve meglehetősen egyszerű. A képernyő belső oldalán elektródák rácsát helyezik el, a külső oldalt pedig például ITO - komplex indium-ón-oxiddal vonják be. Amikor megérintjük az üveget, az ujjunk egy kis kondenzátort képez egy ilyen elektródával, és a feldolgozó elektronika ennek a kondenzátornak a kapacitását méri (áramimpulzust ad és méri a feszültséget).

Ennek megfelelően a kapacitív érzékelő csak szűk érintésre és csak vezető tárgyakra reagál, vagyis egy körömmel történő érintésre egy ilyen képernyő minden más alkalommal működik, valamint acetonba áztatott vagy dehidratált kézből. Ennek az érintőképernyőnek a fő előnye az ellenállással szemben az, hogy meglehetősen erős alapot készíthet - különösen erős üveget, például Gorilla Glass-t.

Felületi kapacitív érzékelő működési sémája ()

Hogyan működik az E-Ink kijelző?

Talán az E-Ink sokkal egyszerűbb, mint az LCD. Ismét egy aktív mátrixszal van dolgunk, amely a kép kialakításáért felelős, de nincsenek LCD kristályok és háttérvilágítás, helyettük kétféle részecskével ellátott kúpok vannak: negatív töltésű fekete és pozitív töltésű fehér. A kép egy bizonyos potenciálkülönbség alkalmazásával és az ilyen mikrokúpokon belüli részecskék újraelosztásával jön létre, ezt jól szemlélteti az alábbi ábra:

Fent egy E-Ink kijelző működési diagramja látható, lent egy ilyen működő kijelző valódi mikrofényképei ()

Ha valakinek ez nem elég, akkor az elektronikus papír működési elvét ez a videó mutatja be:

Az E-Ink technológián kívül ott van a SiPix technológia, amiben csak egyféle részecske van, maga a „kitöltés” ​​pedig fekete:

A SiPix kijelző működési sémája ()

Aki komolyan szeretne megismerkedni a "mágneses" elektronikus papírral, az menjen ide, egyszer volt egy remek cikk a Perstben.

Praktikus rész

Kínai telefon vs koreai okostelefon (rezisztív érzékelő)

A kínai telefonról visszamaradt tábla és kijelző „ügyes” csavarhúzós szétszerelése után nagyon meglepődtem, amikor egy jól ismert koreai gyártó említését találtam alaplap telefon:

A Samsung és a kínai telefon egy!

A képernyőt gondosan és pontosan szétszerelték - úgy, hogy az összes polarizátor sértetlen maradt, így egyszerűen nem tudtam nem játszani velük és a boncolandó tárgy dolgozó nagytestvérével, és felidézni az optika műhelyét:

Így működik 2 polarizációs szűrő: egy helyzetben a fényáram gyakorlatilag nem megy át rajtuk, 90 fokkal elforgatva teljesen áthalad

Kérjük, vegye figyelembe, hogy az összes háttérvilágítás mindössze négy apró LED-re épül (szerintem a teljes teljesítményük nem haladja meg az 1 W-ot).

Aztán sokáig keresgéltem egy szenzor után, őszintén abban a hitben, hogy elég vastag aljzat lesz. Ennek éppen az ellenkezője derült ki. Mind a kínai, mind a koreai telefonokban az érzékelő több műanyag lapból áll, amelyek nagyon jó minőségűek és szorosan a külső panel üvegéhez vannak ragasztva:

A bal oldalon egy kínai telefon szenzor, a jobb oldalon egy koreai telefon található

Rezisztív érzékelő Kínai telefon a "minél egyszerűbb, annál jobb" séma szerint készült, ellentétben a drágább megfelelőjével Dél-Korea. Ha tévedek, javítsatok ki kommentben, de a képen balra egy tipikus 4 tűs szenzor, jobbra pedig egy 8 tűs szenzor.

Kínai telefon LCD kijelző

Mivel a kínai telefon kijelzője továbbra is törött, a koreaié pedig csak enyhén sérült, megpróbálok az LCD-ről beszélni az első példáján. De egyelőre nem bontjuk fel teljesen, hanem nézzük optikai mikroszkóp alatt:

Optikai mikrográf vízszintes vonalak Egy kínai telefon LCD kijelzője. A bal felső képen a "rossz" színek miatt van némi csalás a látásunkban: egy fehér vékony csík az érintkező.

Egy huzal két sor pixelt táplál egyszerre, és a köztük lévő szétválasztás egy teljesen szokatlan „elektromos hiba” segítségével történik (jobb alsó kép). Mindezért elektromos áramkör Vannak fényszűrők, amelyek a megfelelő színekre vannak festve: piros (R), zöld (G) és kék (B).

A mátrix másik végéről a kábelrögzítési ponthoz képest hasonló színbontást, pályaszámokat és ugyanazokat a kapcsolókat találod (ha valaki kommentben felvilágosítana ennek működéséről, nagyon jó lenne!):

Szobák-szobák-szobák…

Így néz ki egy működő LCD kijelző mikroszkóp alatt:

Ennyi, most már nem fogjuk látni ezt a szépséget, a szó szó szoros értelmében szétmorzsoltam, és kis kínlódás után egy ilyen morzsát „széttettem” két külön üvegdarabra, amiből a kijelző fő része áll...

Most megtekintheti a szűrők egyes sávjait. A rajtuk lévő sötét "foltokról" kicsit később beszélek:

Optikai mikrofelvétel fényszűrőkről titokzatos foltokkal...

És most egy kis módszertani szempont az elektronmikroszkóppal kapcsolatban. Ugyanazok a színsávok, de most egy elektronmikroszkóp sugara alatt: a szín eltűnt! Ahogy korábban mondtam (például a legelső cikkben), teljesen „fekete-fehér” egy elektronsugár esetében, hogy kölcsönhatásba lép-e egy színes anyaggal vagy sem.

Úgy tűnik, ugyanazok a csíkok, de szín nélkül ...

Nézzük hátoldal. Tranzisztorok vannak rajta.

Optikai mikroszkópban - színesben...

ÉS elektron mikroszkóp- fekete-fehér kép!

Optikai mikroszkópban ez egy kicsit rosszabbul látható, de a SEM lehetővé teszi az egyes alpixelek szegélyének megtekintését - ez nagyon fontos a következő következtetéshez.

Akkor mik ezek a furcsa sötét területek?! Sokáig gondolkodtam, törtem az agyam, rengeteg forrást olvastam (talán a Wiki bizonyult a legelérhetőbbnek), és mellesleg emiatt elhalasztottam a cikk megjelenését február 23-án, csütörtökön. . És erre a következtetésre jutottam (talán tévedek – javíts ki!).

VA vagy MVA technológiában ez az egyik legegyszerűbb, és szerintem a kínaiak nem rukkoltak elő valami újjal: minden alpixelnek feketének kell lennie. Azaz nem megy át rajta fény (egy működő és nem működő kijelző példát adunk), figyelembe véve, hogy „normál” állapotban (külső hatások alkalmazása nélkül) a folyadékkristály tévesen tájolódik, nem adja meg a „szükséges” polarizációt, logikus azt feltételezni, hogy minden egyes alpixelnek megvan a saját filmje LCD-vel.

Így a teljes panel egyetlen mikro-LCD-kijelzőből áll össze. Ide szervesen illeszkedik az egyes alpixelek szegélyére vonatkozó megjegyzés. Számomra ez bizonyos értelemben váratlan felfedezés volt közvetlenül a cikk elkészítése során!

Sajnáltam, hogy eltörtem a koreai telefon kijelzőjét: elvégre muszáj mutatni valamit a gyerekeknek és a tantestületünkre kirándulni érkezőknek. Szerintem nincs más érdekes látnivaló.

Továbbá a kényeztetés kedvéért hozok egy példát a pixelek "szervezésére" két vezető kommunikátorgyártónál: a HTC-nél és az Apple-nél. Az iPhone 3-at fájdalommentes műtétre adományozta egy kedves ember, és HTC Desire A HD valójában az enyém:

Mikrofotók a HTC Desire HD kijelzőről

Egy kis megjegyzés a HTC kijelzőjéhez: nem kifejezetten kerestem, de nem lehet, hogy ez a csík a felső két mikrofotó közepén annak a nagyon kapacitív szenzornak a része lehet?!

Mikrográfok iPhone kijelző 3

Ha a memóriám nem csal, akkor a HTC-nek szuperLCD-kijelzője, az iPhone 3-nak pedig rendes LCD-je van. Az úgynevezett Retina Display, azaz LCD, amelyben a folyadékkristály kapcsolására szolgáló mindkét érintkező ugyanabban a síkban van, az In-Plane Switching - IPS, már az iPhone 4-be telepítve van.

Remélem, hamarosan megjelenik egy cikk a 3DNews támogatásával a különböző megjelenítési technológiák összehasonlításáról. Addig is csak azt szeretném megjegyezni, hogy a HTC kijelzője igazán szokatlan: az egyes alpixeleken az érintkezők nem szabványos módon készülnek - valahogy felülről, ellentétben az iPhone 3-mal.

És végül, ebben a részben hozzáteszem, hogy a kínai telefon egy alpixelének mérete 50 × 200 mikrométer, a HTC - 25 × 100 mikrométer és az iPhone - 15-20 × 70 mikrométer.

E-Ink egy jól ismert ukrán gyártótól

Kezdjük talán banális dolgokkal - "pixelekkel", vagy inkább a kép kialakulásáért felelős cellákkal:

Az aktív mátrixú E-Ink kijelző optikai mikroképe

Egy ilyen cella mérete körülbelül 125 mikrométer. Mivel a mátrixot az üvegen keresztül nézzük, amelyre felvitték, kérem, hogy figyeljen a „háttérben” lévő sárga rétegre - ez egy arany bevonat, amelytől később meg kell szabadulnunk.

Előre a mélyedésbe!

Vízszintes (bal) és függőleges (jobb) "bemenetek" összehasonlítása

Többek között sok érdekességet találtak az üveghordozón. Például helyzetjelek és érintkezők, amelyek nyilvánvalóan a kijelző gyártási tesztelésére szolgálnak:

A címkék és tesztlapok optikai mikroképei

Természetesen ez nem gyakran fordul elő, és általában baleset, de a kijelzők néha eltörnek. Például ez az alig észrevehető, emberi hajszál vastagságú repedés örökre megfoszthat attól az örömtől, hogy a fülledt moszkvai metróban olvassa kedvenc könyvét a ködös Albionról:

Ha eltörnek a kijelzők, akkor valakinek kell... Nekem pl!

By the way, itt van, az arany, amit említettem - egy sima platform "alulról" a cella a kiváló minőségű érintkezés tintával (róluk lent). Az aranyat mechanikusan távolítják el, és ez az eredmény:

Látod, "sok bátorságod van. Nézzük, hogy néznek ki! (Val vel)

Egy vékony arany film alatt az aktív mátrix vezérlőelemei rejtőznek, ha lehet annak nevezni.

De a legérdekesebb természetesen maga a „tinta”:

SEM-mikroszkópos tinta az aktív mátrix felületén.

Természetesen nehéz megtalálni legalább egy megsemmisült mikrokapszulát, hogy belenézhessünk, és meglássuk a „fehér” és „fekete” pigmentrészecskéket:

Az elektronikus "tinta" felületének SEM mikroképe

A "tinta" optikai mikroképe

Vagy van benne valami?

Vagy egy megsemmisült gömb, vagy egy hordozópolimerről leszakadt

Az egyes golyók mérete, vagyis az E-Ink alpixelének néhány analógja, csak 20-30 mikron lehet, ami jóval alacsonyabb, mint az LCD-kijelzők alpixeleinek geometriai méretei. Feltéve, hogy egy ilyen kapszula fele méretben is tud működni, akkor a jó minőségű E-Ink kijelzőkön sokkal kellemesebb a kép, mint az LCD-ken.

Desszertként pedig egy videó az E-Ink kijelzők működéséről mikroszkóp alatt.