Cum funcționează un afișaj cu cristale lichide. Ecran IPS - ce este și care sunt avantajele tehnologiei

Principiul de funcționare

Ecranele monitoarelor LCD (Liquid Crystal Display, monitoare cu cristale lichide) sunt realizate dintr-o substanță (cianofenil), care se află în stare lichidă, dar are în același timp unele proprietăți inerente corpurilor cristaline. De fapt, acestea sunt lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, proprietăți optice) asociate cu ordinea în orientarea moleculelor. Destul de ciudat, dar cristalele lichide sunt cu aproape zece ani mai vechi decât CRT-urile, prima descriere a acestor substanțe a fost făcută în 1888. Cu toate acestea, de mult timp nimeni nu a știut cum să le pună în practică: există astfel de substanțe și de toate, și nimeni în afară de fizicieni și chimiști, nu erau interesanți. Așadar, materialele cu cristale lichide au fost descoperite încă din 1888 de omul de știință austriac F. Renitzer, dar abia în 1930, cercetătorii de la corporația britanică Marconi au primit un brevet pentru aplicarea lor industrială. La sfârșitul anului 1966, RCA Corporation a demonstrat un prototip de monitor LCD - un ceas digital. Sharp Corporation a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea tehnologiei LCD.

Funcționarea LCD se bazează pe fenomenul de polarizare a fluxului luminos. Se știe că așa-numitele cristale polaroid sunt capabile să transmită doar acea componentă a luminii al cărei vector de inducție electromagnetică se află într-un plan paralel cu planul optic al polaroidului. Pentru restul luminii, polaroidul va fi opac. Astfel, polaroidul, așa cum spune, „cerne” lumina, acest efect se numește polarizarea luminii. Când au fost studiate substanțe lichide, ale căror molecule lungi sunt sensibile la câmpurile electrostatice și electromagnetice și sunt capabile să polarizeze lumina, a devenit posibil să se controleze polarizarea. Aceste substanțe amorfe, datorită asemănării lor cu substanțele cristaline în proprietăți electro-optice, precum și capacității de a lua forma unui vas, au fost numite cristale lichide.

Ecranul unui monitor LCD este o serie de segmente mici (numite pixeli) care pot fi manipulate pentru a afișa informații. Monitorul LCD are mai multe straturi, unde rolul cheie este jucat de două panouri realizate dintr-un material de sticlă fără sodiu și foarte pur numit substrat sau substrat, care conțin de fapt un strat subțire de cristale lichide între ele [vezi Fig. orez. 2.1].

Panourile au caneluri care ghideaza cristalele, oferindu-le o orientare deosebita. Striurile sunt dispuse astfel încât să fie paralele pe fiecare panou, dar perpendiculare între două panouri. Canelurile longitudinale se obtin prin plasarea unor pelicule subtiri de plastic transparent pe suprafata sticlei, care apoi este prelucrata intr-un mod special. În contact cu șanțurile, moleculele din cristalele lichide sunt orientate în același mod în toate celulele. Moleculele uneia dintre varietățile de cristale lichide (nematice) în absența tensiunii rotesc vectorul câmpului electric (și magnetic) într-o undă luminoasă cu un anumit unghi într-un plan perpendicular pe axa de propagare a fasciculului. Aplicarea canelurilor pe suprafața sticlei face posibilă asigurarea aceluiași unghi de rotație al planului de polarizare pentru toate celulele. Cele două panouri sunt foarte apropiate unul de celălalt. Panoul cu cristale lichide este iluminat de o sursă de lumină (în funcție de locul în care se află, panourile cu cristale lichide funcționează prin reflectare sau transmitere a luminii).

P Planul de polarizare al fasciculului de lumină se rotește cu 90° când trece printr-un panou [vezi Fig. orez. 2.2]. Când apare un câmp electric, moleculele de cristale lichide se aliniază parțial vertical de-a lungul câmpului, unghiul de rotație al planului de polarizare a luminii devine diferit de la 90 de grade, iar lumina trece prin cristalele lichide fără piedici [vezi Fig. orez. 2.3].

Rotația planului de polarizare a fasciculului de lumină este imperceptibilă pentru ochi, așa că a devenit necesară adăugarea altor două straturi la panourile de sticlă, care sunt filtre polarizante. Aceste filtre trec doar acea componentă a fasciculului luminos, pentru care axa de polarizare corespunde celei specificate. Prin urmare, la trecerea prin polarizator, fasciculul luminos va fi atenuat în funcție de unghiul dintre planul său de polarizare și axa polarizatorului. În absența tensiunii, celula este transparentă, deoarece primul polarizator transmite doar lumină cu vectorul de polarizare corespunzător. Datorită cristalelor lichide, vectorul de polarizare a luminii se rotește, iar în momentul în care fasciculul trece la al doilea polarizator, acesta a fost deja rotit astfel încât să treacă prin cel de-al doilea polarizator fără probleme [vezi Fig. Figura 2.4a].

În prezența unui câmp electric, rotația vectorului de polarizare are loc printr-un unghi mai mic, astfel al doilea polarizator devine doar parțial transparent la radiație. Dacă diferența de potențial este de așa natură încât rotirea planului de polarizare în cristale lichide nu are loc deloc, atunci fasciculul de lumină va fi absorbit complet de cel de-al doilea polarizator, iar ecranul, atunci când este iluminat din spate, va apărea negru din partea din spate. față (razele de iluminare sunt complet absorbite de ecran) [vezi Fig. Fig 2.4b]. Dacă plasați un număr mare de electrozi care creează câmpuri electrice diferite în locuri separate ale ecranului (celulă), atunci va fi posibil, cu controlul corect al potențialelor acestor electrozi, să afișați litere și alte elemente de imagine pe ecran. . Electrozii sunt plasați în plastic transparent și pot fi de orice formă. Inovațiile tehnologice au făcut posibilă limitarea dimensiunii acestora la dimensiunea unui punct mic, respectiv, pe aceeași zonă a ecranului, puteți plasa Mai mult electrozi, ceea ce mărește rezoluția monitorului LCD și ne permite să afișam chiar și imagini complexe color. Pentru a afișa o imagine color, monitorul trebuie să fie iluminat din spate, astfel încât lumina să vină din spatele ecranului LCD. Acest lucru este necesar pentru ca o imagine de bună calitate să poată fi observată chiar dacă mediul nu este luminos. Culoarea este obtinuta prin folosirea a trei filtre care extrag trei componente principale din emisia unei surse de lumina alba. Prin combinarea celor trei culori primare pentru fiecare punct sau pixel de pe ecran, este posibilă reproducerea oricărei culori.

De fapt, în cazul culorii, există mai multe posibilități: puteți face mai multe filtre unul după altul (conduce la o mică fracțiune de radiație transmisă), puteți folosi proprietatea unei celule cu cristal lichid - atunci când intensitatea câmpului electric se modifică , unghiul de rotație al planului de polarizare a radiației se modifică diferit pentru componentele luminii cu lungimi de undă diferite. Această caracteristică poate fi utilizată pentru a reflecta (sau absorbi) radiația de o anumită lungime de undă (problema este necesitatea de a schimba cu precizie și rapid tensiunea). Ce mecanism este utilizat depinde de producătorul specific. Prima metodă este mai simplă, a doua mai eficientă.

Una dintre primele preocupări a fost necesitatea unui standard care să definească calitatea afișajului la rezoluții mari. Primul pas către obiectiv a fost creșterea unghiului de rotație al planului de polarizare a luminii în cristale de la 90° la 270° folosind tehnologia STN.

Avantajele și dezavantajele monitoarelor LCD

Printre avantajele TFT se remarcă focalizarea excelentă, absența distorsiunilor geometrice și erorile de potrivire a culorilor. În plus, nu pâlpâie niciodată ecranul, deoarece. aceste afișaje nu folosesc un fascicul de electroni care desenează de la stânga la dreapta fiecare linie de pe ecran. Când într-un CRT acest fascicul este transferat din colțul din dreapta jos în colțul din stânga sus, imaginea se stinge pentru o clipă (fascicul invers). Dimpotrivă, pixelii afișajului TFT nu se sting niciodată, ci doar își schimbă continuu intensitatea strălucirii. Tabelul 1.1 prezintă toate diferențele majore de performanță pentru tipuri diferite afișează:

Tabelul 1.1. Caracteristici comparative Monitoare CRT și LCD.

Legendă: ( + ) demnitate, ( ~ ) este admisibil, ( - ) defect

	Monitoare LCD	Monitoare CRT
Luminozitate	(+ ) de la 170 la 250 Cd/m2	(~ ) de la 80 la 120 Cd/m2
Contrast	(~ ) de la 200:1 la 400:1	(+ ) de la 350:1 la 700:1
Unghi de vedere(în contrast)	(~ ) de la 110 la 170 de grade	(+ ) peste 150 de grade
Unghi de vedere(dupa culoare)	(- ) de la 50 la 125 de grade	(~ ) peste 120 de grade
Permisiune	(- ) O rezoluție cu o dimensiune fixă ​​a pixelilor. În mod optim, poate fi utilizat numai în această rezoluție; pot fi utilizate rezoluții mai mari sau mai mici, în funcție de funcțiile de expansiune sau compresie acceptate, dar acestea nu sunt optime.	(+ ) Sunt acceptate diferite rezoluții. La toate rezoluțiile acceptate, monitorul poate fi utilizat optim. Limitarea este impusă doar de acceptabilitatea ratei de reîmprospătare.
Frecvența verticală	(+ ) Frecvența optimă este de 60 Hz, ceea ce este suficient pentru nicio pâlpâire	(~ ) Numai la frecvențe de peste 75 Hz nu există nicio pâlpâire clar vizibilă
Erori de potrivire a culorilor	(+ ) Nu	(~ ) 0,0079 până la 0,0118 inchi (0,20 - 0,30 mm)
Concentrarea	(+ ) foarte bun	(~ ) corect spre foarte bun>
Distorsiuni geometrice/liniare	(+ ) Nu	(~ ) sunt posibile
Pixeli morți	(- ) până la 8	(+ ) Nu
Semnal de intrare	(+ ) analogic sau digital	(~ ) numai analogic
Scalare la diferite rezoluții	(- ) lipsește sau se folosesc metode de interpolare care nu necesită costuri generale mari	(+ ) foarte bun
Precizia afișajului color	(~ ) True Color este acceptată și temperatura de culoare dorită este simulată	(+ ) True Color este acceptat și, în același timp, există o mulțime de dispozitive de calibrare a culorii pe piață, ceea ce este un plus sigur
Corecție gamma(ajustarea culorii la caracteristicile vederii umane)	(~ ) satisfăcător	(+ ) fotorealiste
Uniformitate	(~ ) adesea imaginea este mai luminoasă la margini	(~ ) adesea imaginea este mai luminoasă în centru
Puritatea culorii/Calitatea culorii	(~ ) bun	(+ ) înalt
pâlpâie	(+ ) Nu	(~ ) imperceptibil peste 85 Hz
Timp de inerție	(- ) de la 20 la 30 ms.	(+ ) este neglijabil de mic
Imagistica	(+ ) Imaginea este formată din pixeli, al căror număr depinde doar de rezoluția specifică a panoului LCD. Pasul pixelilor depinde doar de dimensiunea pixelilor înșiși, dar nu și de distanța dintre ei. Fiecare pixel este modelat individual pentru o focalizare, claritate și claritate superbe. Imaginea este mai coerentă și mai netedă	(~ ) Pixelii sunt formați dintr-un grup de puncte (triade) sau dungi. Pasul unui punct sau al unei linii depinde de distanța dintre puncte sau linii de aceeași culoare. Ca urmare, claritatea și claritatea imaginii depind în mare măsură de dimensiunea pasului punctului sau liniei și de calitatea CRT.
Consumul de energie și emisiile	(+ ) Practic nu există radiații electromagnetice periculoase. Consumul de energie este cu aproximativ 70% mai mic decât monitoarele CRT standard (25W până la 40W).	(- ) Emisiile electromagnetice sunt întotdeauna prezente, dar nivelul lor depinde dacă CRT respectă vreun standard de siguranță. Consum de energie în stare de funcționare la nivelul de 60 - 150 wați.
Dimensiuni/greutate	(+ ) design plat, greutate redusă	(- ) construcție grea, ocupă mult spațiu
Interfața monitorului	(+ ) Cu toate acestea, interfața digitală, majoritatea monitoarelor LCD au o interfață analogică încorporată pentru conectarea la cele mai comune ieșiri analogice ale adaptoarelor video	(- ) Interfață analogică

Din Tabelul 1.1 rezultă că dezvoltarea ulterioară a monitoarelor LCD va fi asociată cu o creștere a clarității și luminozității imaginii, o creștere a unghiului de vizualizare și o scădere a grosimii ecranului. Deci, de exemplu, există deja dezvoltări promițătoare ale monitoarelor LCD realizate conform tehnologiei folosind siliciu policristalin. Acest lucru face posibilă, în special, crearea de dispozitive foarte subțiri, deoarece cipurile de control sunt apoi plasate direct pe substratul de sticlă al afișajului. În plus, noua tehnologie oferă rezoluție înaltă pe un ecran relativ mic (1024x768 pixeli pe un ecran de 10,4 inci).

STN, DSTN, TFT

STN este o abreviere pentru „Super Twisted Nematic”.Tehnologia STN mărește unghiul de torsiune (unghiul de torsiune) al orientării cristalelor din interiorul afișajului LCD de la 90° la 270°, ceea ce oferă un contrast mai bun al imaginii atunci când monitorul este mărit. Adesea celulele STN sunt folosite în perechi. Acest design se numește DSTN (Double Super Twisted Nematic), în care o celulă DSTN cu două straturi este formată din 2 celule STN, ale căror molecule se rotesc în direcții opuse în timpul funcționării. Lumina, care trece printr-o astfel de structură în stare „blocat”, își pierde cea mai mare parte a energiei. Contrastul și rezoluția DSTN este destul de mare, așa că a devenit posibilă realizarea unui afișaj color, în care există trei celule LCD și trei filtre optice de culoare primară pe pixel. Ecranele color nu sunt capabile să funcționeze din lumina reflectată, așa că o lampă cu iluminare de fundal este atributul lor obligatoriu. Pentru a reduce dimensiunile, lampa este amplasată lateral, iar vizavi este o oglindă [vezi fig. orez. 2.5], deci majoritatea LCD-urilor sunt mai luminoase în centru decât la margini (acest lucru nu se aplică monitoarelor LCD de birou).

T Celulele STN sunt, de asemenea, utilizate în modul TSTN (Triple Super Twisted Nematic), în care două straturi subțiri de peliculă polimerică sunt adăugate pentru a îmbunătăți reproducerea culorilor a afișajelor color sau pentru a asigura o bună calitate a monitoarelor monocrome. Termenul de matrice pasivă provine din împărțirea monitorului în puncte, fiecare dintre acestea, datorită electrozilor, poate seta orientarea planului de polarizare al fasciculului, independent de celelalte, astfel încât, ca urmare, fiecare astfel de element poate fi individual iluminat pentru a crea o imagine. Matricea se numește pasivă deoarece tehnologia de creare a afișajelor LCD, care a fost descrisă mai sus, nu poate oferi o schimbare rapidă a informațiilor de pe ecran. Imaginea este formată linie cu linie prin furnizarea succesivă a unei tensiuni de control celulelor individuale, făcându-le transparente. Datorită capacității electrice destul de mari a celulelor, tensiunea peste ele nu se poate schimba suficient de repede, așa că actualizarea imaginii este lentă. Un astfel de display are multe dezavantaje în ceea ce privește calitatea deoarece imaginea nu este afișată fără probleme și tremură pe ecran. Rata scăzută de modificare a transparenței cristalelor nu permite afișarea corectă a imaginilor în mișcare.

Pentru a rezolva o parte problemele descrise mai sus se folosesc tehnologii speciale.Pentru îmbunătăţirea calităţii imaginii dinamice s-a propus creşterea numărului de electrozi de control. Adică, întreaga matrice este împărțită în mai multe submatrici independente (Dual Scan DSTN - două câmpuri independente ale scanării imaginii), fiecare dintre ele conține un număr mai mic de pixeli, astfel încât controlul lor secvențial durează mai puțin timp. Ca rezultat, timpul de inerție LC poate fi redus. De asemenea, rezultate mai bune în ceea ce privește stabilitatea, calitatea, rezoluția, netezimea și luminozitatea imaginii pot fi obținute utilizând ecrane cu matrice activă, care, totuși, sunt mai scumpe.

Matricea activă folosește elemente de amplificare separate pentru fiecare celulă a ecranului, care compensează efectul capacității celulei și reduc semnificativ timpul necesar pentru a le schimba transparența. O matrice activă are multe avantaje față de o matrice pasivă. De exemplu, luminozitate mai bună și capacitatea de a privi ecranul chiar și cu o abatere de până la 45 ° sau mai mult (adică la un unghi de vizualizare de 120 ° -140 °) fără a compromite calitatea imaginii, ceea ce este imposibil în cazul unui matrice pasivă, care vă permite să vedeți o imagine de înaltă calitate doar în fața ecranului. Rețineți că modelele scumpe de monitoare LCD cu matrice activă oferă un unghi de vizualizare de 160 ° [vezi fig. 2.6] și există toate motivele să credem că tehnologia va continua să se îmbunătățească în viitor. Matricea activă poate afișa imagini în mișcare fără fluctuații vizibile, deoarece timpul de răspuns al afișajului cu matrice activă este de aproximativ 50 ms față de 300 ms pentru matricea pasivă, în plus, contrastul monitoarelor cu matrice activă este mai mare decât cel al monitoarelor CRT. Trebuie remarcat faptul că luminozitatea unui element individual de ecran rămâne neschimbată pe întreg intervalul de timp dintre actualizările imaginii și nu reprezintă un impuls scurt de lumină emis de elementul fosfor al monitorului CRT imediat după ce fasciculul de electroni trece peste acest element. De aceea pentru monitoarele LCD este suficientă o frecvență verticală de 60 Hz.

F Capacitățile funcționale ale monitoarelor LCD cu matrice activă sunt aproape aceleași cu cele ale afișajelor cu matrice pasivă. Diferența constă în matricea de electrozi care conduce celulele cu cristale lichide ale afișajului. În cazul unei matrice pasive, diferiți electrozi primesc incarcare electrica metoda ciclică la actualizarea afișajului linie cu linie, iar ca urmare a descărcării capacităților elementelor, imaginea dispare, pe măsură ce cristalele revin la configurația inițială. În cazul unei matrice active, la fiecare electrod se adaugă un tranzistor de stocare, care poate stoca informații digitale (valori binare de 0 sau 1) și, ca urmare, imaginea este stocată până când este primit un alt semnal.

Tranzistor cu peliculă subțire (TFT), adică tranzistorul cu peliculă subțire este elemente de control, care controlează fiecare pixel de pe ecran. Tranzistorul cu peliculă subțire este într-adevăr foarte subțire, grosimea sa este de 0,1 - 0,01 microni. Tehnologia de creare a TFT-urilor este foarte complexă și este dificil să se obțină un procent acceptabil de produse bune din cauza faptului că numărul de tranzistori utilizați este foarte mare. Rețineți că un monitor care poate afișa o imagine la o rezoluție de 800x600 pixeli în modul SVGA și cu doar trei culori are 1.440.000 de tranzistori individuali. Producătorii stabilesc standarde pentru cantitate limită tranzistori care ar putea să nu funcționeze pe afișajul LCD. Pixelul bazat pe TFT este aranjat astfel: trei filtre de culoare (roșu, verde și albastru) sunt integrate unul după altul într-o placă de sticlă. Fiecare pixel este o combinație de trei celule colorate sau elemente sub-pixeli [vezi Fig. orez. 2.7]. Aceasta înseamnă, de exemplu, că un afișaj care are o rezoluție de 1280x1024 are exact 3840x1024 tranzistori și elemente sub-pixel. Dimensiunea punctelor (pixeli) pentru un afișaj TFT de 15,1" (1024x768) este de aproximativ 0,0188" (sau 0,30 mm), iar pentru un afișaj TFT de 18,1" este de aproximativ 0,011" (sau 0,28 mm).

TFT-urile au o serie de avantaje față de monitoarele CRT, inclusiv consum redus de energie și disipare a căldurii, un ecran plat și nicio urmă de obiecte în mișcare.

Luat din http://monitors.narod.ru

Vom lua în considerare dispozitivul cu modul LCD al unui monitor de 19 inchi folosind exemplul unui modul LCD cu o matrice TN + Film de la cunoscutul producător taiwanez HannStar. Aceste module au fost utilizate în monitoare sub mărcile comerciale Acer, LG, HP și altele.

Sub capacul metalic de protecție se află comenzile matricei situate pe aceeași placă.

prin conectorul etichetat CN1, placa de control a matricei primește semnale de semnalizare diferențială de joasă tensiune LVDS, iar tensiunea de alimentare este + 5V

controlerul este responsabil pentru procesarea semnalelor LVDS de la scaler pe placa de control matrice

controlerul generează semnale care, prin decodoarele fuzionate în bucle, controlează tranzistorii cu efect de câmp TFT (Thin film tranzistor) ai subpixelilor matricei

în imaginea următoare, puteți vedea cum sunt localizați subpixelii matricei, alternând în comanda R-G-B(rosu-verde-albastru)

cristalele lichide ale fiecărui subpixel sunt controlate de un separat tranzistor cu efect de câmp, adică într-o matrice cu o rezoluție de 1280x1024 există 1280x1024 = 13010720 pixeli, iar fiecare pixel la rândul său este format din trei subpixeli, deci numărul de tranzistori dintr-o matrice cu o rezoluție de 1280x1024 este 3932160.

Fără a intra în detaliile polarizării fluxului luminos, într-un mod simplificat, vă puteți imagina în general cum funcționează matricea LCD astfel: dacă aplicați tensiune la tranzistorul subpixel, atunci subpixelul NU va transmite lumină, dacă nu aplicați tensiune, subpixelul va transmite lumină. Dacă toți cei trei subpixeli RGB transmit lumină, atunci vom vedea un punct alb (pixel) pe ecran, dacă toți cei trei subpixeli RGB NU transmit lumină, atunci vom vedea un punct negru pe ecran. În funcție de intensitatea fluxului luminos (adică de unghiul de rotație al cristalelor lichide din subpixel) care trece prin trei filtre RGB de un pixel, putem obține un punct de orice culoare

convertorul realizat pe circuitul integrat U200 este responsabil pentru formarea tensiunilor de alimentare necesare ale matricei TFT

dacă scoateți cadrul metalic și separați matricea LCD de reflector / ghidaj de lumină, veți descoperi că matricea este aproape transparentă

Luați în considerare designul ghidajului/difuzorului de lumină. un cadru de plastic fixează trei filme (două de împrăștiere și una de polarizare între ele) pe suprafața ghidajului de lumină, care este o placă dreptunghiulară de plexiglas ~ 10 mm grosime

sub ghidajul luminii se afla un substrat din plastic alb, grosime de 0,5 mm

pe partea ghidajului de lumină îndreptată spre substratul de plastic alb, se aplică un model special pentru a forma o iluminare uniformă în toate punctele afișajului

partea finală a „plăcintei” difuzor/fibră optică este o bază metalică, în această bază există elemente de fixare, cu ajutorul cărora se fixează întregul modul LCD în carcasa monitorului

Lămpile cu descărcare în gaz de înaltă tensiune CCFL (lampi fluorescente cu catod rece) sunt amplasate în două, orizontal deasupra și sub ghidajul luminii

reflectorul este cu câțiva milimetri mai lung decât partea mai mare a plăcii de ghidare a luminii, servește și ca container, datorită căruia lămpile sunt fixate deasupra și sub ghidajul luminii

datorită modelului special al ghidajului de lumină, lumina lămpilor se răspândește uniform pe întreaga zonă a ecranului. Există și alte modele de difuzoare fără o placă grea de ghidare a luminii și cu lămpi dispuse orizontal de sus în jos, cu un singur pas în spatele matricei LCD. există modele de difuzor / ghidaj de lumină (iluminare de fundal) care folosesc mai multe lămpi, de exemplu 6, 8, 12

Important!

Acest material are doar scop informativ. Dacă nu aveți suficientă experiență în restaurarea dispozitivelor LCD, nu dezasamblați monitorul, ca urmare a unor acțiuni incorecte, puteți deteriora modulul LCD

Se obișnuiește să se distingă trei stări agregate de materie solidă, lichidă și gazoasă. Dar unele substanțe organice sunt capabile, atunci când sunt topite într-o anumită fază, să prezinte proprietăți inerente atât cristalelor, cât și lichidelor. În timp ce dobândesc fluiditatea caracteristică lichidelor, în această fază ele nu pierd ordinea moleculelor caracteristică cristalelor solide. Această fază poate fi numită a patra stare de agregare. Adevărat, nu trebuie să uităm că doar anumite substanțe îl au și doar într-un anumit interval de temperatură.

Orientarea spațială a moleculelor LC în așa-numita poziție de repaus se numește ordinul cristalelor lichide. Conform clasificării lui Friedel, există trei categorii principale de ordine FA: smectic, nematic și colesteric (Fig. 1).

LC-urile smectice sunt cele mai ordonate și sunt mai apropiate ca structură de cristalele solide obișnuite. Ele, pe lângă simpla orientare reciprocă a moleculelor, au și diviziunea lor în planuri.

Direcția de orientare predominantă a axelor lungi ale moleculelor din cristale lichide este notă de un vector de unitate de lungime, numit director.

Materialele cu ordine nematică sunt de interes primordial și sunt utilizate în panourile moderne cu cristale lichide de toate tipurile (TN, IPS și VA). În nematică, starea normală este poziția moleculelor cu orientarea moleculelor ordonată pe întregul volum, care este caracteristică cristalelor, dar cu poziția haotică a centrelor lor de greutate, care este caracteristică lichidelor. Moleculele din ele sunt orientate relativ paralel și deplasate de-a lungul axei directorului la distanțe diferite.

Cristalele lichide cu ordine colesterică în structură seamănă cu nematicile rupte în straturi. Moleculele din fiecare strat următor sunt rotite în raport cu cel anterior printr-un unghi mic, iar directorul se răsucește ușor într-o spirală. Această natură stratificată, formată din activitatea optică a moleculelor, este principala trăsătură a ordinii colesterice. Colesteriile sunt uneori denumite „nematice răsucite”.

Granița dintre ordinea nematică și cea colesterică este oarecum arbitrară. Ordinea colesterică poate fi obținută nu numai dintr-un material colesteric pur, ci și prin adăugarea de aditivi speciali care conțin molecule chirale (optic active) la un material nematic. Astfel de molecule conțin un atom de carbon asimetric și, spre deosebire de moleculele nematice, sunt asimetrice în oglindă.

Ordinea cristalelor lichide este determinată de forțele intermoleculare care creează elasticitatea materialului LC. Da, aici putem vorbi despre proprietăți elastice, deși natura lor este diferită de proprietățile elastice ale cristalelor obișnuite, deoarece cristalele lichide au încă fluiditate. În starea normală (sau fundamentală), moleculele tind să revină în „poziția lor de repaus”, de exemplu, într-un material nematic, într-o poziție cu aceeași orientare a directorului.

Elasticitatea cristalelor lichide este cu câteva ordine de mărime mai mică decât cea a cristalelor convenționale și oferă o oportunitate complet unică de a controla poziția lor cu ajutorul influențelor externe. O astfel de influență poate fi, de exemplu, un câmp electric.

Acum mai multe despre modul în care acest câmp poate afecta orientarea moleculelor.

Să luăm o probă formată din două plăci de sticlă, spațiul dintre care este umplut cu un material nematic. Distanța dintre plăcile superioare și inferioare și, în consecință, grosimea stratului de cristale lichide este de câțiva microni. Pentru a seta orientarea dorită a directorului de molecule din material, se utilizează un tratament special de suprafață al substraturilor. Pentru a face acest lucru, pe suprafață se aplică un strat subțire de polimer transparent, după care se dă un relief suprafeței printr-o frecare specială - cele mai subțiri caneluri într-o direcție. Moleculele de cristal alungite din stratul direct în contact cu suprafața sunt orientate de-a lungul reliefului. Forțele intermoleculare fac ca toate celelalte molecule să adopte aceeași orientare.

Dispunerea ordonată a moleculelor de cristale lichide determină anizotropia unora dintre proprietățile lor fizice (permiteți-mi să vă reamintesc că anizotropia este dependența proprietăților unui mediu de direcția în spațiu). Lichidele, cu aranjarea lor aleatorie a moleculelor, sunt izotrope. Dar cristalele lichide au deja anizotropie, care este o calitate importantă care vă permite să influențați caracteristicile luminii care trece prin ele.

Anizotropia permitivității este utilizată pentru a controla poziția moleculelor. Reprezintă diferența

Δε = ε || + ε ⊥ unde ε || permittivitatea în direcția paralelă cu vectorul director, ε ⊥ permittivitatea în direcția perpendiculară pe vectorul director. Valoarea lui Δε poate fi atât pozitivă, cât și negativă.

Se ia o probă formată din două plăci de sticlă cu o distanță de câțiva microni între plăci, umplute cu material nematic și sigilate. Pentru a seta orientarea dorită a directorului de molecule din material, se utilizează un tratament special al suprafeței substraturilor, pentru aceasta se aplică pe suprafață un strat subțire de polimer transparent, după care se acordă un relief suprafeței. printr-o frecare specială a suprafeței - cele mai fine caneluri într-o singură direcție. Moleculele alungite de cristale din stratul direct în contact cu suprafața sunt orientate de-a lungul reliefului, forțele intermoleculare forțează toate celelalte molecule să ia aceeași orientare. Dacă în probă este creat un câmp electric, energia cristalelor lichide din acest câmp va depinde de poziția moleculelor față de direcția câmpului. Dacă poziția moleculelor nu corespunde energiei minime, acestea se vor roti cu unghiul corespunzător. Într-un material cu o constantă dielectrică pozitivă (anizotropie dielectrică pozitivă), moleculele vor tinde să se rotească de-a lungul direcției câmpului electric, într-un material cu o anizotropie dielectrică negativă, ele vor tinde să se rotească pe direcția câmpului. Unghiul de rotație, respectiv, va depinde de tensiunea aplicată.

Fie ca materialul din probă să aibă o anizotropie dielectrică pozitivă, direcția câmpului electric este perpendiculară pe orientarea inițială a moleculelor (Fig. 2). Când se aplică o tensiune, moleculele vor tinde să se rotească de-a lungul câmpului. Dar ele sunt inițial orientate de-a lungul reliefului suprafețelor interioare ale probei, create prin frecare, și sunt asociate cu acestea printr-o aderență destul de semnificativă. În consecință, atunci când orientarea directorului se schimbă, vor apărea cupluri inverse. Atâta timp cât câmpul este suficient de slab, forțele elastice mențin moleculele în aceeași poziție. Pe măsură ce tensiunea crește, pornind de la o anumită valoare Ec, forțele de orientare ale câmpului electric depășesc forțele elastice, iar rotația moleculelor începe să aibă loc. Această reorientare sub influența câmpului se numește tranziție Freedericksz. Tranziția Freedericksz este fundamentală pentru organizarea controlului cu cristale lichide, iar principiul de funcționare al tuturor panourilor LCD se bazează pe acesta.

Se formează un mecanism funcțional:

• pe de o parte, câmpul electric va forța moleculele de cristale lichide să se rotească la unghiul dorit (în funcție de valoarea tensiunii aplicate);
• pe de altă parte, forțele elastice cauzate de legăturile intermoleculare vor tinde să revină la orientarea inițială a directorului atunci când stresul este eliberat.

Dacă orientarea inițială a directorului și direcțiile câmpului electric nu sunt strict perpendiculare, atunci valoarea de prag a câmpului Ec scade, făcând posibilă influenţarea poziţiei moleculelor cu un câmp mult mai mic.

În acest moment, va fi necesar să ne abatem puțin de la cristalele lichide pentru a explica conceptele de „polarizare a luminii” și „plan de polarizare” fără ele, prezentarea ulterioară va fi imposibilă.

Lumina poate fi reprezentată ca o transversală unde electromagnetice, ale căror componente electrice și magnetice oscilează în planuri reciproc perpendiculare (fig. 3).

Lumina naturală (numită și lumină polarizată natural sau nepolarizată) conține oscilații în vector E, la fel de probabil în toate direcțiile perpendiculare pe vector k(Fig. 4).

Lumina parțial polarizată are o direcție predominantă de oscilație a vectorului E. Pentru lumina parțial polarizată în câmpul unei unde luminoase, amplitudinea proiecției E pe una dintre direcțiile reciproc perpendiculare este întotdeauna mai mare decât pe cealaltă. Raportul dintre aceste amplitudini determină gradul de polarizare.

Lumina polarizată liniar este lumina care are o singură direcție vectorială E pentru toate valurile. Conceptul de lumină polarizată liniar este abstract. În practică, când vorbim de lumină polarizată liniar, de obicei înseamnă lumină parțial polarizată cu un grad înalt polarizare.

Planul în care se află vectorul Eși vectorul direcției undei k, se numește planul de polarizare.

Acum înapoi la LCD.

A doua cea mai importantă proprietate fizică a cristalelor lichide după anizotropia dielectrică, care este folosită pentru a controla fluxul de lumină prin ele, este anizotropia optică. Cristalele lichide au valori diferite ale indicelui de refracție al luminii pentru direcția de propagare paralelă și perpendiculară pe director. Adică, viteza de propagare a fasciculului de lumină în paralel sau perpendicular pe director va fi diferită cu un coeficient mai mare, după cum se știe, va fi mai mică. Anizotropia optică sau anizotropia indicelui de refracție este diferența dintre doi coeficienți:

Δ n= n|| + n⊥ Unde n|| indicele de refracție pentru planul de polarizare paralel cu directorul; n⊥ este indicele de refracție pentru planul de polarizare perpendicular pe director.

Prezența în material a două valori diferite pentru n|| și n⊥ provoacă un efect de birefringență. Când lumina lovește un material birefringent, care este o nematică, componenta câmpului electric a undei luminoase este împărțită în două componente vectoriale - vibrând pe axa „rapidă” și vibrând pe axa „lentă”. Aceste componente sunt numite raze obișnuite și, respectiv, extraordinare. Direcțiile de polarizare ale razelor obișnuite și extraordinare sunt reciproc ortogonale. Iar prezența axelor „rapide” și „lente” în material se datorează celor spuse mai sus - indici diferiți de refracție pentru razele care se propagă, respectiv paralel sau perpendicular pe direcția directorului.

Figura 5 prezintă propagarea undelor de-a lungul axelor „rapide” și „lente”. Trebuie subliniat că axa în acest caz nu este o linie dreaptă fixă, ci direcția planului în care oscilează unda.

Deoarece vitezele de fază ale fasciculelor obișnuite și extraordinare sunt diferite, diferența lor de fază se va modifica pe măsură ce unda se propagă. O modificare a diferenței de fază a acestor componente ortogonale determină o schimbare a direcției de polarizare a undei luminoase. În figură, pentru claritate, suma componentelor ortogonale este reprezentată de vectorul rezultat Er. Se poate observa că pe măsură ce unda se propagă, direcția vectorului se rotește Er. Astfel, adăugarea de unde la ieșirea unui material birefringent va da o undă cu o schimbare a direcției de polarizare față de direcția inițială.

Unghiul de rotație al planului de polarizare va depinde de orientarea moleculelor din material.

Construcție panouri

Există mai multe tehnologii pentru panouri LCD. Pentru a ilustra designul în acest caz, TN este indicat ca cel mai comun (Fig. 6).

Toate panourile LCD pentru monitoare sunt transmisive, imaginea din ele este formată prin conversia fluxului luminos de la o sursă situată în spate. Modularea fluxului luminos se realizează datorită activității optice a cristalelor lichide (capacitatea lor de a roti planul de polarizare a luminii transmise). Acest lucru este implementat după cum urmează. La trecerea prin primul polarizator, lumina de la lămpile de iluminare de fundal devine polarizată liniar. Apoi urmează printr-un strat de cristale lichide închise în spațiul dintre două pahare. Poziția moleculelor LC în fiecare celulă a panoului este controlată de câmpul electric creat prin aplicarea tensiunii electrozilor. Rotația planului de polarizare a luminii transmise depinde de poziția moleculelor. Astfel, prin aplicarea valorii tensiunii necesare celulelor, se controlează rotația planului de polarizare.

Pentru a furniza tensiune la subpixel, se folosesc linii de date verticale (linie de date) și orizontale (linie de poartă), care sunt piste metalice conductoare depuse pe substratul de sticlă interior (cel mai apropiat de modulul de iluminare de fundal). Câmpul electric, așa cum sa menționat deja, este creat de tensiunea de pe electrozii comuni și pixeli. Tensiunea este alternativă, deoarece utilizarea unei tensiuni constante determină interacțiunea ionilor cu materialul electrodului, perturbarea aranjamentului moleculelor materialului LC și duce la degradarea celulei. TFT joacă rolul unui comutator care se închide atunci când este selectată adresa celulei dorite de pe linia de scanare, vă permite să „scrieți” valoarea tensiunii dorite, iar la sfârșitul ciclului de scanare se deschide din nou, permițându-vă să stocați taxa pentru o anumită perioadă de timp. Încărcarea are loc în timp T= T f/n , Unde T f timpul de ieșire a cadrului pe ecran (de exemplu, cu o rată de reîmprospătare de 60 Hz, timpul de ieșire a cadrului este de 1 s / 60 = 16,7 ms), n numărul de rânduri de panouri (de exemplu, 1024 pentru panouri cu o rezoluție fizică de 1280x1024). Cu toate acestea, auto-capacitatea materialului cu cristale lichide nu este suficientă pentru a menține încărcarea între ciclurile de reîmprospătare, ceea ce ar trebui să conducă la o cădere de tensiune și, în consecință, la o scădere a contrastului. Prin urmare, pe lângă tranzistor, fiecare celulă este echipată cu un condensator de stocare, care este încărcat și atunci când tranzistorul este deschis și ajută la compensarea pierderilor de tensiune înainte de începerea următorului ciclu de scanare.

Liniile de date verticale și orizontale sunt conectate la cipurile de control ale panoului cu ajutorul unor cabluri flexibile plate lipite, respectiv, coloană (driver sursă) și linie (driver de poartă), care procesează intrarea de la controler semnal digitalși formează tensiunea corespunzătoare datelor primite pentru fiecare celulă.

După stratul de cristale lichide, pe suprafața interioară a panoului de sticlă se depun filtre de culoare și servesc la formarea unei imagini color. Se folosește sinteza aditivă obișnuită în trei culori: culorile se formează ca rezultat al amestecării optice a radiațiilor a trei culori de bază (roșu, verde și albastru). O celulă (pixel) constă din trei elemente separate (subpixeli), fiecare dintre ele asociat cu un filtru de culoare roșu, verde sau albastru situat deasupra ei, cu combinații de 256 de valori de ton posibile pentru fiecare subpixel, puteți obține până la 16,77 milioane de culori de pixeli.

Structura panoului (linii de date metalice verticale și orizontale, tranzistori cu peliculă subțire) și zonele de margine ale celulelor în care orientarea moleculelor este perturbată trebuie ascunse sub un material opac pentru a evita efectele optice nedorite. Pentru aceasta, se folosește așa-numita matrice neagră, care seamănă cu o grilă subțire care umple golurile dintre filtrele individuale de culoare. Ca material pentru matricea neagră se folosesc rășini cromate sau negre.

Rolul final în formarea imaginii îl joacă cel de-al doilea polarizator, numit adesea analizor. Direcția sa de polarizare este deplasată față de prima cu 90 de grade. Pentru a reprezenta scopul analizorului, îl puteți îndepărta condiționat de pe suprafața panoului conectat. În acest caz, vom vedea toți subpixelii cât mai iluminați, adică o umplere uniformă albă a ecranului, indiferent de imaginea afișată pe acesta. Din faptul că lumina s-a polarizat, iar planul de polarizare a acesteia este rotit de fiecare celulă într-un mod diferit, în funcție de tensiunea aplicată acesteia, nimic nu s-a schimbat pentru ochii noștri până acum. Funcția analizorului este tocmai aceea de a tăia componentele unde necesare, ceea ce vă permite să vedeți rezultatul dorit la ieșire.

Acum despre cum are loc această tăiere a componentelor necesare. Luați de exemplu un polarizator cu o direcție de polarizare verticală, de exemplu. transmitând unde orientate într-un plan vertical.

Figura 7 prezintă o undă care se propagă într-un plan situat la un anumit unghi față de direcția verticală de polarizare. Vectorul câmpului electric al undei incidente poate fi descompus în două componente reciproc perpendiculare: paralelă cu axa optică a polarizatorului și perpendiculară pe aceasta. Prima componentă, paralelă cu axa optică, trece, a doua (perpendiculară) este blocată.

Din aceasta, două poziții extreme sunt evidente:

• o undă care se propagă într-un plan strict vertical va fi transmisă neschimbată;
• o undă care se propagă într-un plan orizontal va fi blocată ca neavând componentă verticală.

Aceste două poziții extreme corespund poziției complet deschise și complet închise a celulei. A rezuma:

• Pentru cea mai completă blocare a luminii transmise de către o celulă (subpixel), este necesar ca planul de polarizare al acestei lumini să fie ortogonal cu planul de transmisie al analizorului (direcția de polarizare);
• Pentru transmiterea maximă a luminii de către o celulă, planul ei de polarizare trebuie să coincidă cu direcția de polarizare;
• Prin reglarea lină a tensiunii aplicate electrozilor celulei, este posibil să se controleze poziția moleculelor de cristal lichid și, în consecință, rotația planului de polarizare a luminii transmise. Și astfel modificați cantitatea de lumină transmisă de celulă.

Deoarece unghiul de rotație al planului de polarizare depinde de distanța parcursă de lumină în stratul de cristale lichide, acest strat trebuie să aibă o grosime strict consistentă pe întregul panou. Pentru a menține uniformitatea distanței dintre panouri (cu toată structura aplicată acestora), se folosesc distanțiere speciale.

Cea mai simplă opțiune este așa-numitele distanțiere de bile (distanțieri de bile). Sunt polimeri transparenti sau margele de sticla cu un diametru strict definit si se aplica pe structura interna a sticlei prin pulverizare. În consecință, ele sunt situate aleatoriu pe întreaga zonă a celulei și prezența lor afectează negativ uniformitatea acesteia, deoarece distanțierul servește drept centru pentru regiunea defectuoasă, iar moleculele sunt orientate incorect direct în apropierea acesteia.

Se mai folosește și o altă tehnologie - distanțiere de tip coloană (distanțiere de coloană, distanțiere foto, distanțiere post). Astfel de distanțiere sunt amplasate cu precizie fotografică sub matricea neagră (Fig. 8). Avantajele acestei tehnologii sunt evidente: contrast crescut datorită absenței scurgerilor de lumină în apropierea distanțierilor, control mai precis al uniformității golului datorită aranjarii ordonate a distanțierilor, rigiditate crescută a panoului și absența ondulațiilor la apăsarea pe suprafață.

Panoul TN, al cărui design a fost prezentat în Fig. 6, este cel mai ieftin de fabricat, ceea ce determină dominația sa pe piața monitoarelor de masă. În plus, există câteva alte tehnologii care diferă în ceea ce privește locația, configurația și materialul electrozilor, orientarea polarizatorilor, medicamentele LC utilizate, orientarea inițială a directorului în materialul cu cristale lichide etc. Conform orientării inițiale a directorului, toate tehnologiile existente pot fi împărțite în două grupe:

1. Orientare plană

Aceasta include toate tehnologiile IPS (S-IPS, SA-SFT etc.), precum și FFS (în prezent AFFS) dezvoltate și promovate de Boe HyDis. Moleculele sunt aliniate orizontal, paralel cu baza substraturilor, în direcția specificată prin frecare, substraturile de sus și de jos sunt frecate în aceeași direcție. Toți electrozii, atât pixeli, cât și comuni, sunt pe același substrat de sticlă al panoului interior, împreună cu liniile de date și tranzistoarele. În tehnologiile IPS, pixelii și electrozii comuni sunt amplasați în paralel, alternând unul cu celălalt (Fig. 9). Liniile de forță ale câmpului rulează orizontal, dar sub un anumit unghi față de direcția de frecare. Prin urmare, atunci când se aplică o tensiune, moleculele, care în acest caz au o anizotropie dielectrică pozitivă, au tendința de a se alinia în direcția câmpului aplicat, se rotesc în același plan cu un unghi care depinde de intensitatea (câmpului) acestuia. În cazul FFS, electrodul comun este situat sub cel de pixel.Cu acest design, tensiunea aplicată electrozilor formează un câmp electric care are atât componente orizontale, cât și verticale. Dacă pentru IPS în axele de coordonate prezentate în Fig. 9 câmpul poate fi caracterizat ca E y, apoi pentru FFS valorile corespunzătoare vor arăta ca E yși Ez. Această aranjare a liniilor de câmp permite utilizarea materialelor LC cu anizotropie dielectrică atât pozitivă, cât și negativă. Rotația moleculelor, similară cu IPS, are loc în același plan în direcția componentei orizontale a câmpului, dar datorită numărului mai mic de zone de limită, un număr semnificativ mai mare de molecule se rotește, ceea ce face posibilă îngustarea lățimea grătarului matricei negre și obținerea unui raport de deschidere a panoului mai mare.

Unul dintre principalele avantaje ale tehnologiilor cu orientare plană a regizorului este schimbarea extrem de ușoară a culorii (schimbarea culorii) a paletei la schimbarea unghiului de vizualizare. Această stabilitate se datorează configurației spiralei formate de moleculele materialului de cristal lichid sub acțiunea câmpului, care în acest caz are o formă simetrică. Figura 9 prezintă schematic poziția moleculelor LC atunci când se aplică o tensiune electrozilor; este evident că unghiul maxim de rotație este atins în straturile mijlocii. Această neomogenitate se datorează faptului că, după cum sa menționat deja, orientarea moleculelor în direcția dorită paralelă cu baza substraturilor a fost obținută prin pretratarea (frecarea) suprafețelor acestora. Prin urmare, mobilitatea moleculelor din stratul imediat adiacent substratului este limitată de relieful substratului, iar în straturile adiacente ulterioare, de forțe intermoleculare. Drept urmare, sub influența câmpului, moleculele formează o spirală asemănătoare formei unei panglici cu capetele fixate într-un plan și partea centrală întoarsă. Există un concept de cale optică care depinde de indicele de refracție al mediului în care se propagă fasciculul și de incursiunea de fază care rezultă de-a lungul direcției sale. Razele de lumină care trec prin stratul de cristale lichide au lungimi de cale optică diferite în funcție de unghiul de trecere. Forma simetrică a helixului de molecule face posibilă obținerea pentru fiecare nivel de gri a unei adaosuri exacte a lungimii căii optice în jumătățile sale superioare și inferioare, rezultatul este absența aproape completă a dependenței nuanțelor afișate de unghiurile de vizualizare. Datorită acestei proprietăți, panourile IPS sunt folosite în marea majoritate a monitoarelor orientate spre grafică.

În timpul trecerii unei unde luminoase, direcția de rotație a vectorului rezultat (vezi Fig. 5) repetă parțial forma îndoirii helixului format de molecule. Prin urmare, rotația planului de polarizare în timpul trecerii undei prin prima parte a materialului LC are loc într-o direcție, iar prin a doua, în direcția opusă. Diferite, în funcție de tensiunea aplicată, întârzierea de fază a uneia dintre componentele undei duce la faptul că direcția vectorului rezultat Er la ieșirea din stratul de cristale lichide diferă de cel inițial, aceasta permite trecerea unei anumite părți a fluxului luminos prin analizor. Planurile de transmitere a luminii ale polarizatorului și analizorului, ca în toate celelalte tehnologii, sunt deplasate unul față de celălalt cu un unghi de 90 de grade.

Toate variantele produse în prezent (S-IPS, AFFS, SA-SFT) utilizează un design de celule cu 2 domenii. Pentru aceasta, se folosesc electrozi în formă de zig-zag, care fac ca moleculele să se rotească în două direcții. Versiunile inițiale, denumite pur și simplu „IPS” și „FFS”, fără prefixele „Super” și „Advanced”, erau cu un singur domeniu, prin urmare aveau o schimbare de culoare și unghiuri de vizualizare mai mici (de la 140/140, în contrast, scădere la 10: 1 pentru primul IPS).

Orientarea de răsucire (sau orientarea răsucită) este de obicei inclusă în orientarea plană. Alinierea moleculelor de-a lungul bazei substraturilor în acest caz se realizează și prin frecarea suprafețelor acestora, cu diferența că direcțiile de frecare a substraturilor superioare și inferioare sunt deplasate unul față de celălalt. Ca urmare a acestei alinieri în materialul nematic, directorul formează un helix asemănător cu unul colesteric; pentru formarea corectă a helixului în amestecuri LC se folosesc aditivi speciali care conțin molecule chirale. Orientarea de răsucire este utilizată în cea mai utilizată tehnologie TN (sau TN+Film). Nu are rost să descriem și să ilustrăm construcția TN aici; acest lucru a fost făcut în mod repetat în numeroase materiale pe subiecte similare, putem spune că este bine cunoscut.

2. Orientare homeotropă

MVA și PVA aparțin acestui grup. Directorul este orientat perpendicular pe baza substratului de sticlă, acest lucru se realizează prin utilizarea agenților tensioactivi în acoperirea substratului. Electrozii comuni și pixeli sunt amplasați pe substraturi opuse, câmpul este orientat vertical. Aici sunt utilizate materiale cu cristale lichide cu anizotropie dielectrică negativă, astfel încât tensiunea aplicată face ca moleculele de cristale lichide să se întoarcă împotriva liniilor de câmp. MVA se distinge prin prezența unor proiecții longitudinale microscopice (proeminență) pentru preînclinarea moleculelor pe partea superioară sau pe ambele substraturi, astfel încât alinierea verticală inițială nu este completă. Moleculele, aliniându-se cu aceste proeminențe, primesc o ușoară preînclinare, ceea ce face posibilă setarea unei anumite direcții pentru fiecare regiune (domeniu) a celulei, în care moleculele se vor roti sub influența câmpului. În PVA, nu există astfel de proeminențe și, în absența tensiunii, directorul este orientat strict perpendicular pe suprafață, iar pixelul și electrozii comuni sunt deplasați unul față de celălalt, astfel încât câmpul generat să nu fie strict vertical, ci să conțină o componentă înclinată (Fig. 10).

Tehnologiile cu orientare director homeotrop includ și ASV dezvoltat de Sharp. În cadrul subpixelului, există mai mulți electrozi de pixeli sub formă de pătrate cu margini rotunjite. Principiile de bază sunt aceleași: electrodul comun este situat pe substratul opus, moleculele sunt orientate vertical în absența unui câmp și se folosesc materiale cu cristale lichide cu anizotropie dielectrică negativă. Câmpul generat are o componentă oblică pronunțată, iar moleculele, întorcându-se împotriva direcției câmpului, creează o structură în care direcția directorului seamănă cu forma unei umbrele centrată în mijlocul electrodului pixelului.

Există, de asemenea, o împărțire a modulelor LCD în tipuri în funcție de starea celulelor în absența tensiunii. Se numesc panouri în mod normal albe (normal albe), în care, la tensiune zero pe celule, sunt complet deschise, respectiv culoarea albă este reprodusă pe ecran. În mod normal, albe sunt toate panourile realizate folosind tehnologia TN. Panourile care blochează trecerea luminii în absența tensiunii sunt în mod normal negre (în mod normal negre), toate celelalte tehnologii aparțin acestui tip.

modul de iluminare de fundal

...pe bază de lămpi fluorescente

Prin corpul panoului (polarizatoare, electrozi, filtre de culoare etc.), trece doar o mică parte din fluxul luminos inițial de la lumina de fundal, nu mai mult de 3%. Prin urmare, luminozitatea intrinsecă a modulului de iluminare de fundal trebuie să fie destul de semnificativă - de regulă, lămpile folosite au o luminozitate de peste 30.000 cd/m 2 .

Pentru iluminare se folosesc lămpi fluorescente cu catod rece CCFL (fără filamente catodice). Lampa CCFL este un tub de sticlă etanș umplut cu un gaz inert cu o cantitate mică de mercur (Fig. 11). Catozii în acest caz sunt electrozi egali, deoarece curentul alternativ este utilizat pentru alimentare. În comparație cu lămpile cu catod incandescent (fierbinți), electrozii CCFL au o structură diferită și sunt mai mari. Temperatura de funcționare a catodului diferă semnificativ: 80-150 o C față de aproximativ 900 o C pentru lămpile cu catod fierbinte, în timp ce temperatura lămpii în sine este apropiată de 30-75 o C și, respectiv, 40 o C. Tensiunea de funcționare pentru CCFL este de 600-900 V, tensiunea de pornire este de 900-1600 V (numerele sunt destul de arbitrare, deoarece gama de lămpi utilizate este foarte largă). Lumina este produsă prin ionizarea unui gaz și conditie necesara apariția sa într-o lampă cu catod rece este tensiune înaltă. Prin urmare, pentru a porni o astfel de lampă, este necesară aplicarea unei tensiuni la electrozi timp de câteva sute de microsecunde, care este mult mai mare decât tensiunea de funcționare. Tensiunea alternativă înaltă aplicată provoacă ionizarea gazului și ruperea spațiului dintre electrozi, are loc o descărcare.

Defalcarea decalajului de descărcare are loc din următoarele motive. În condiții normale, gazul care umple lampa este un dielectric. Când apare un câmp electric, un număr mic de ioni și electroni, mereu prezenți în volumul de gaz, începe să se miște. Dacă electrozilor se aplică o tensiune suficient de mare, câmpul electric conferă ionilor o viteză atât de mare încât atunci când se ciocnesc cu molecule neutre, electronii sunt scoși din ei și se formează ionii. Electronii și ionii nou formați, care se deplasează sub influența câmpului, intră și ei în procesul de ionizare, procesul capătă un caracter asemănător avalanșelor. După ce ionii încep să primească suficientă energie pentru a elimina electronii lovind catodul, are loc o autodescărcare. Spre deosebire de lămpile cu catod fierbinte, unde descărcarea este arc, tipul de descărcare în CCFL este strălucitoare.

Descărcarea este menținută de așa-numita scădere a potențialului catodic. Partea principală a căderii de potențial (tensiune) în descărcare cade în regiunea apropiată de catod. Ionii, care trec prin acest gol cu ​​o diferență mare de potențial, dobândesc o energie cinetică mare suficientă pentru a scoate electronii din catod. Electronii ejectați, datorită aceleiași diferențe de potențial, sunt accelerați înapoi în descărcare, producând noi perechi de ioni și electroni acolo. Ionii din aceste perechi se întorc la catod, sunt accelerați de căderea de tensiune între descărcare și catod și din nou elimină electronii.

Energia curentului electric determină trecerea mercurului din lampă de la starea lichidă la starea gazoasă. Când electronii se ciocnesc cu atomii de mercur, se eliberează energie, cauzată de revenirea atomilor dintr-o stare instabilă la una stabilă. În acest caz, radiația intensă are loc în regiunea ultravioletă, ponderea ultravioletelor este de aproximativ 60% din radiația totală.

Lumina vizibilă este produsă de un strat de fosfor depus pe suprafața interioară a sticlei. Fotonii ultravioleți eliberați de mercur excită atomii din stratul de fosfor, ridicând nivelul de energie al electronilor. Când electronii revin la nivelul lor de energie inițial, atomii din acoperire produc energie sub formă de fotoni de lumină vizibilă. Fosforul este componenta esentiala lămpi, caracteristicile spectrului de radiații depind de acesta. Spectrul CCFL este extrem de neuniform, cu vârfuri înguste pronunțate. Chiar și utilizarea unui strat de fosfor multistrat (în detrimentul luminozității maxime) nu vă permite să „depășiți” monitoarele kinescopice din punct de vedere al gamei de culori. Prin urmare, pentru a obține o gamă de culori acceptabilă, atunci când se fabrică un panou, este, de asemenea, necesar să se selecteze cu precizie filtrele de culoare, ale căror benzi de trecere să corespundă cât mai mult posibil cu vârfurile spectrului de emisie al lămpilor.

În mod ideal, o combinație de surse monocromatice de culori primare și filtre de culoare de înaltă calitate ar putea oferi gama maximă de culori. Așa-numitele LED-uri laser pot revendica rolul de surse de lumină „cvasi-monocromatice”, dar tehnologia de producție nu asigură încă profitabilitatea utilizării lor în modulele de iluminare din spate. Prin urmare, pe acest moment Cea mai bună gamă de culori poate fi obținută cu module de iluminare de fundal bazate pe pachete LED RGB (vezi mai jos).

Pentru a genera o tensiune de câteva sute de volți, necesară pentru funcționarea lămpilor, se folosesc convertoare speciale - invertoare. Ajustarea luminozității CCFL se realizează în două moduri. Prima este schimbarea curentului de descărcare în lampă. Valoarea curentului în descărcare este de 3-8 mA, o parte semnificativă a lămpilor are o gamă și mai îngustă. La un curent mai mic, uniformitatea strălucirii suferă, la un curent mai mare, durata de viață a lămpii este redusă semnificativ. Dezavantajul acestei metode de reglare este că vă permite să schimbați luminozitatea într-un interval foarte mic, este imposibil să o reduceți semnificativ. Prin urmare, monitoarele cu această ajustare, atunci când lucrează în condiții de lumină ambientală scăzută, se dovedesc adesea a fi excesiv de luminoase chiar și la luminozitate zero. În a doua metodă, se generează modularea lățimii impulsului (PWM) a tensiunii care alimentează lămpile (lățimea este controlată, adică durata impulsului, prin modificarea lățimii unui singur impuls, nivelul mediu de tensiune este ajustat). . Dezavantajele acestei metode sunt uneori atribuite apariției lămpilor care pâlpâie atunci când implementați PWM la o frecvență joasă de 200 Hz și mai jos, de fapt, controlul PWM este cea mai rezonabilă abordare, deoarece vă permite să schimbați luminozitatea pe o gamă largă. .

Pentru a distribui uniform lumina lămpilor, se folosește un sistem de ghidaje de lumină, difuzoare și prisme. Există multe opțiuni pentru organizarea distribuției luminii, una dintre ele este prezentată în Fig. 12.

Soluțiile cu aranjarea lămpilor pe părțile superioare și inferioare ale panoului sunt cele mai comune, un astfel de aranjament poate reduce semnificativ grosimea totală a produsului. Modulele de 17" și 19" au de obicei patru lămpi, două în partea de sus și două în partea de jos. Există găuri tehnologice speciale în partea de capăt a corpului unor astfel de panouri, deci nu este necesară dezasamblarea corpului pentru a îndepărta lămpile (Fig. 13-b). Lămpile cu acest aranjament sunt adesea combinate în blocuri de câte două (Fig. 13-a).

O altă opțiune este amplasarea lămpilor pe întreaga zonă a reversului modulului (Fig. 13-c), această soluție este utilizată în panouri cu mai multe lămpi cu opt sau mai multe lămpi, precum și atunci când se utilizează U- CCFL-uri în formă.

Durata de viață minimă a lămpii este în general citată de producătorii de panouri ca fiind între patruzeci și cincizeci de mii de ore (durata de viață este definită ca timpul necesar unei lămpi pentru a pierde 50% din luminozitate).

...pe baza LED-urilor

Pe lângă lămpile fluorescente, diodele emițătoare de lumină (LED) pot fi folosite și ca sursă de lumină. Modulele de iluminare de fundal bazate pe LED sunt construite fie pe LED-uri „albe”, fie pe pachete de LED-uri de culoare primară (LED-RGB).

Pachetele RGB-LED oferă cea mai mare gamă de culori. Faptul este că LED-ul „alb” este un LED albastru cu un strat de fosfor galben sau un LED ultraviolet cu o combinație de acoperire cu fosfor „roșu”, „verde” și „albastru”. Spectrul LED-urilor „albe” nu este scutit de toate deficiențele spectrului lămpilor fluorescente. În plus, spre deosebire de LED-urile „albe”, pachetul RGB-LED vă permite să reglați temperatura de culoare a luminii de fundal on-line controlând separat intensitatea strălucirii fiecărui grup de LED-uri de culori primare.

Ca urmare, sunt atinse două obiective:

• extinde gama de culori datorită unui spectru de iluminare de fundal mai ideal,
• posibilitățile de calibrare a culorilor sunt extinse: la metoda standard bazată pe tabelele de conversie a coordonatelor de culoare pentru pixelii imaginii, se adaugă posibilitatea de a corecta echilibrul de culoare al luminii de fundal.

abrupt mare caracteristica volt-amper LED-urile nu vă permit să reglați fără probleme luminozitatea radiației pe o gamă largă. Dar, deoarece dispozitivul permite funcționarea într-un mod pulsat, în practică, pentru a regla luminozitatea LED-urilor (ca și în cazul lămpilor fluorescente), metoda de modulare a lățimii pulsului este folosită cel mai des.

Oleg Medvedev, Maxim Proskurnya

În zilele noastre, tehnologiile nu stau pe loc, ele se dezvoltă rapid, datorită cărora intră în lume tot mai multe dispozitive noi, uimitoare și de înaltă tehnologie. Acest lucru se aplică și tehnologiilor de fabricație pentru monitoare LCD, care sunt în prezent cele mai utilizate și au cele mai mari perspective. Dar care este dispozitivul monitorului LCD și care sunt avantajele acestuia? Acesta este ceea ce va fi discutat în această publicație.

1. Ce este un monitor LCD

Pentru început, merită să înțelegeți ce este un monitor LCD. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți ce este un afișaj LCD. După cum probabil ați ghicit deja, LCD este un fel de abreviere, numele complet are următoarea formă - Liquid Crystal Display. Tradus în rusă, aceasta înseamnă un afișaj cu cristale lichide. Astfel, devine clar că LCD și LCD sunt unul și același.

Această tehnologie se bazează pe utilizarea unor molecule speciale de cristale lichide care au proprietăți unice. Astfel de monitoare au o serie de avantaje incontestabile. Pentru a le înțelege, merită să analizați mai detaliat principiul de funcționare al monitoarelor LCD.

2. Dispozitivul monitorului LCD și principiul funcționării acestuia

După cum am menționat mai sus, substanțe speciale numite cianofenili sunt folosite pentru a face un afișaj LCD. Sunt în stare lichidă, dar în același timp au proprietăți unice care sunt inerente corpurilor cristaline. De fapt, acesta este un lichid care are anizotropie de proprietăți, în special cele optice. Aceste proprietăți sunt asociate cu ordinea în orientarea moleculelor.

Principiul de funcționare al monitoarelor cu cristale lichide se bazează pe proprietățile de polarizare ale moleculelor de cristal. Aceste molecule sunt capabile să transmită doar acea componentă a luminii, al cărei vector de inducție electromagnetică se află în planul optic paralel al polaroidului (molecula de cristal). Cristalele nu transmit alte spectre de lumină. Cu alte cuvinte, cianofenilii sunt filtre de lumină care transmit doar un anumit spectru luminos - una dintre culorile primare. Acest efect se numește polarizarea luminii.

Datorită faptului că moleculele lungi de cristale lichide își schimbă locația în funcție de electricitate camp magnetic, a devenit posibil să se controleze polarizarea. Adică, în funcție de intensitatea câmpului electromagnetic care acționează asupra cianofenililor, aceștia își schimbă locația și forma, modificând astfel unghiurile de refracție a luminii și modificându-le polarizarea. Datorită combinației dintre proprietățile electro-optice ale cristalelor și capacitatea de a lua forma unui vas, astfel de molecule sunt numite cristale lichide.

Pe aceste proprietăți se bazează principiul de funcționare al monitorului LCD. Datorită modificării intensității câmpului electromagnetic, moleculele de cristale lichide își schimbă poziția. Astfel, se formează o imagine.

2.1. matrice LCD

Matricea monitoarelor LCD este o matrice formată din multe segmente minuscule, care sunt numite pixeli. Fiecare dintre acești pixeli poate fi controlat separat, datorită căruia apare o anumită imagine. Matricea monitorului LCD este formată din mai multe straturi. Rolul cheie revine celor două panouri, care sunt realizate din material de sticlă fără sodiu și absolut pur. Acest material se numește substrat (sau în oameni - substrat). Între aceste două straturi se află cel mai subțire strat de cristale lichide.

In plus, panourile au caneluri speciale care controleaza cristalele, oferindu-le orientarea (pozitia) dorita. Aceste caneluri sunt paralele între ele pe panou și perpendiculare pe dispunerea canelurilor de pe celălalt panou. Adică sunt orizontale pe un panou și verticale pe celălalt. Dacă priviți ecranul printr-o lupă, puteți vedea cele mai subțiri dungi (vertical și orizontal). Ele formează pătrate mici - aceștia sunt pixeli. De asemenea, au formă rotundă, dar marea majoritate sunt pătrate.

Iluminarea panourilor cu cristale lichide poate fi implementată în două moduri:

• Reflectarea luminii;
• Trecerea luminii.

În acest caz, planul de polarizare a fluxurilor de lumină poate fi rotit cu 90˚ în momentul trecerii printr-un panou.

În cazul unui câmp electric, moleculele de cristal se aliniază parțial vertical de-a lungul acestui câmp. În acest caz, unghiul de rotație al planului de polarizare a fluxurilor de lumină se modifică și devine diferit de 90˚. Acest lucru permite luminii să treacă prin molecule fără piedici.

O astfel de rotație a planului este absolut imposibil de observat cu ochiul liber. Din acest motiv, a fost nevoie să se adauge alte două straturi la panourile de sticlă, care joacă rolul de filtre polarizante. Ele transmit doar astfel de spectre de raze de lumină, a căror axă de polarizare corespunde valorii stabilite. Cu alte cuvinte, datorita panourilor suplimentare, pe masura ce lumina trece prin polarizator, aceasta va fi atenuata. Intensitatea luminii depinde de unghiul dintre planul de polarizare (panouri suplimentare) și axa polarizatorului (panourile principale din sticlă).

Dacă nu există tensiune, atunci celula va fi absolut transparentă, deoarece primul polarizator este doar lumina care are direcția corespunzătoare de polarizare. Direcția de polarizare este stabilită de moleculele de cristale lichide, iar în momentul în care lumina ajunge la al doilea polarizator, aceasta va fi deja rotită pentru a trece prin el fără dificultate.

În cazul acțiunii unui câmp electric, rotația vectorului de polarizare se realizează printr-un unghi mai mic. Acest lucru, la rândul său, face ca cel de-al doilea polarizator să fie parțial transparent pentru fluxurile de lumină. Dacă facem astfel încât rotația planului de polarizare în moleculele de cristale lichide să fie complet absentă, atunci lumina va fi complet absorbită de cel de-al doilea polarizator. Cu alte cuvinte, atunci când iluminați partea din spate a afișajului, partea din față va oscila complet neagră.

2.2. Controlul polarizării pe monitoarele LCD folosind electrozi

Având în vedere acest lucru, dezvoltatorii au echipat display-urile cu un număr suficient de electrozi care creează câmpuri electromagnetice diferite în părți separate ale ecranului (în fiecare pixel). Datorită acestei soluții, aceștia au obținut capacitatea, în condiții de control adecvat al potențialelor acestor electrozi, de a reproduce litere pe ecranul de afișare, și chiar imagini complexe multicolore. Acești electrozi pot avea orice formă și sunt amplasați într-un plastic transparent.

Datorită inovațiilor moderne în tehnologie, electrozii sunt foarte mici - sunt practic invizibili cu ochiul liber. Datorită acestui fapt, un număr suficient de mare de electrozi poate fi plasat pe o zonă de afișare relativ mică, ceea ce face posibilă creșterea rezoluției afișajului LCD. Acest lucru, la rândul său, vă permite să îmbunătățiți calitatea imaginii afișate și să reproduceți chiar și cele mai complexe imagini.

2.3. Obținerea unei imagini color

Principiul de funcționare al monitoarelor cu cristale lichide constă în procese destul de complexe. Cu toate acestea, datorită acestui lucru, utilizatorul primește o imagine de înaltă calitate pe monitorul său. Pentru a afișa o imagine color, un LCD are nevoie de o lumină de fundal pentru a permite luminii să vină din spatele ecranului. Acest lucru permite utilizatorilor să vizualizeze cea mai înaltă calitate posibilă a imaginii, chiar și în medii întunecate.

Principiul de funcționare al monitoarelor LCD pentru afișarea unei imagini color se bazează pe utilizarea acelorași trei culori primare:

• Albastru;
• Verde;
• Roșu.

Pentru a obține aceste spectre, trei filtre sunt utilizate pentru a filtra spectrele rămase de radiație vizibilă. Prin combinarea acestor culori pentru fiecare pixel (celulă), este posibilă afișarea unei imagini color cu drepturi depline.

Până în prezent, există două moduri de a obține o imagine color:

• Folosind mai multe filtre plasate unul în spatele celuilalt. Acest lucru are ca rezultat o mică parte a luminii transmise.
• Folosind proprietățile moleculelor de cristal lichid. Pentru a reflecta (sau a absorbi) radiația de lungimea dorită, puteți modifica puterea tensiunii câmpului electromagnetic, care afectează aranjarea moleculelor de cristal lichid, filtrând astfel radiația.

Fiecare producător își alege propria opțiune pentru obținerea unei imagini color. Este de remarcat faptul că prima metodă este mai simplă, dar a doua este mai eficientă. De asemenea, este de remarcat faptul că, pentru a îmbunătăți calitatea imaginii în afișajele LCD moderne, care au o rezoluție mare a ecranului, se utilizează tehnologia STN, care vă permite să rotiți planul de polarizare a luminii în cristale cu 270˚. Au fost dezvoltate și alte tipuri de matrice, cum ar fi TFT și IPS.

Este TFT și Matrice IPS sunt cele mai utilizate în zilele noastre.

TFT înseamnă tranzistor cu film subțire. Cu alte cuvinte, este un tranzistor cu peliculă subțire care conduce un pixel. Grosimea unui astfel de tranzistor este de 0,1-0,01 microni. Datorită acestei tehnologii, a devenit posibil să se obțină o calitate și mai mare a imaginii prin controlul fiecărui pixel.

Tehnologia IPS este cea mai recentă dezvoltare pentru a obține cea mai înaltă calitate a imaginii. Oferă unghiuri de vizualizare maxime, dar are un timp de răspuns mai lung. Adică reacționează mai lent la schimbările de tensiune. Cu toate acestea, diferența de timp între 5 ms și 14 ms nu este absolut vizibilă.

Acum știi cum funcționează un monitor LCD. Cu toate acestea, asta nu este tot. Există așa ceva ca rata de reîmprospătare a ecranului.

3. Rata de reîmprospătare a ecranului LCD

Rata de reîmprospătare a ecranului este o caracteristică care indică numărul de posibile modificări imagini pe secundă - numărul de cadre pe secundă. Acest indicator este măsurat în Hz. Rata de reîmprospătare a ecranului afectează calitatea imaginii, în special netezimea mișcărilor. Limita maximă de frecvență vizibilă este de 120 Hz. Nu vom putea vedea frecvența peste această limită, așa că nu are rost să o creștem. Totuși, pentru ca monitorul să poată funcționa la o astfel de frecvență, este nevoie de o placă video puternică, care să poată furniza aceeași frecvență de 120 Hz cu o marjă.

În plus, rata de reîmprospătare a ecranului afectează organele vizuale și chiar psihicul. Acest efect se exprimă în primul rând asupra oboselii ochilor. Cu o frecvență scăzută de pâlpâire, ochii obosesc rapid și încep să doară. În plus, convulsiile pot fi cauzate la persoanele cu tendință la epilepsie. Cu toate acestea, monitoarele LCD moderne folosesc lămpi speciale pentru iluminarea din spate a matricei, care au o frecvență de peste 150 Hz, iar rata de reîmprospătare indicată afectează mai mult viteza de schimbare a imaginii, dar nu și pâlpâirea afișajului. Prin urmare, monitoarele LCD au cel mai mic efect asupra organelor vizuale și asupra corpului uman.

4. Cum funcționează LCD: Video

4.1. Frecvența monitorului necesară pentru vizualizarea 3D

Pentru a utiliza ochelari 3D activi și polarizați, matricele LCD sunt utilizate cu o rată de reîmprospătare a ecranului de 120 Hz. Acest lucru este necesar pentru a separa imaginile pentru fiecare ochi, în timp ce frecvența pentru fiecare ochi trebuie să fie de cel puțin 60 Hz. Monitoarele cu o frecvență de 120 Hz pot fi folosite și pentru filme sau jocuri 2D obișnuite. În același timp, netezimea mișcărilor este vizibil mai bună decât la monitoarele cu o frecvență de 60 Hz.

În plus, astfel de monitoare folosesc lămpi speciale sau iluminare din spate LED (diode emițătoare de lumină), care are și mai mult frecventa inalta pâlpâire, care este de aproximativ 480 Hz. Acest lucru, la rândul său, reduce semnificativ sarcina asupra organelor vizuale.

În monitoarele moderne, puteți găsi două metode pentru implementarea iluminării matricei de fundal:

• LED - Iluminare LED de fundal;
• Lampă fluorescentă.

Toți producătorii importanți trec la utilizare Iluminare de fundal cu LED, deoarece are avantaje semnificative față de lampă fluorescentă. Sunt mai luminoase, mai compacte, mai economice și realizează o distribuție mai uniformă a luminii.

Prin folosire cele mai noi tehnologii Monitoarele LCD nu sunt absolut inferioare concurenților lor direcți - panouri cu plasmă și, în unele cazuri, chiar le depășesc.

Din seria Inside Look, am vorbit despre lucruri de zi cu zi, dar în ciuda abundenței de material primit în această direcție în ultima lună, să revenim la subiecte legate de IT.

Special pentru Apărătorul Zilei Patriei, afișajele LCD și E-Ink stăteau pe masa de pregătire, pe care, într-un fel sau altul, am primit-o într-o formă oarecum zdrobită.

Cum Anton a aruncat telefonul de perete, precum și rezultatele unei analize scrupuloase a afișajelor, citite sub tăietură.

cuvânt înainte

A trăit odată Anton Gorodetsky.
Soția lui l-a părăsit, el nu era trist de copil...

Așa începe celebra melodie a grupului Umaturman. Aceeași poveste începe cu studiul afișajelor. După prima publicație pe Habré, prietenul meu, un student absolvent al FNM MGU, a venit la mine și mi-a spus: „Mi-am spart telefonul mobil aici, vrei să-l tai?” Am fost surprins pentru că acest bărbat a purtat mereu cu el un telefon chinezesc, pe care l-am considerat practic indestructibil. Ajuns într-o zi acasă, Anton, din obișnuință, a aruncat telefonul în dulap, dar, se pare, fără să calculeze ceva, s-a lovit cu afișajul de marginea raftului.

Dându-și seama de pierderile sale ridicole de la pierderea telefonului mobil și având în vedere starea proastă generală din acea zi, s-a comportat ca un adevărat domn, aruncând trupul neînsuflețit al telefonului de zidul de beton din nou și din nou. Când rămășițele au ajuns la mine, jumătate din telefonul chinezesc lipsea pur și simplu, afișajul era acoperit cu o mică pânză de păianjen de crăpături.
A trebuit să o amân până la vremuri mai bune (cum credeam atunci, până când cineva face același lucru cu un iPhone sau alt smartphone sensibil la atingere) și să încep să lucrez la HDD-uri și CD-uri, apoi la becuri, unități flash etc.

După un timp, vecinul meu îmi aduce un ecran E-Ink crăpat. Prietenul lui s-a rupt sticla subtireîn cititorul notoriu cu numărul de serie 601 în timp ce juca airsoft, se pare, și a dat cititorului aproape degeaba pentru reparații și restaurare.

Acest lucru era deja mai interesant, cele două tehnologii pot fi comparate între ele, încercați să distingeți subpixeli RGB și microcapsule în care plutesc particulele încărcate. Dar speram să iau un smartphone cu senzor capacitiv pentru a-l compara și senzorul rezistiv al telefonului chinezesc în același timp.

Și așa, Vasily (un coleg științific într-unul dintre laboratoarele facultății), venind la ChemFak din Cernogolovka și văzând ce fac de fapt cu un microscop electronic, a spus că este gata să doneze un telefon de la un cunoscut producător coreean cu un afișaj ușor bătut pentru dezasamblare și tăiere cu semnul „De dragul științei, nimic nu este păcat”.

În ciuda tuturor asigurărilor că senzorul este capacitiv, acesta s-a dovedit a fi rezistiv, deși un design mai avansat decât panoul tactil al telefonului chinezesc. Un detaliu important a fost obținut de la acest telefon, care așteaptă în aripi să fie tăiat - o matrice de cameră foto/video...

Parte teoretică

Cum funcționează un afișaj LCD?

Cu toții folosim televizoare cu ecran plat, monitoare, telefoane, smartphone-uri de atâta timp încât am uitat deja că odată monitor bun avea 10-15 kilograme (mai avem un astfel de mastodont și, cel mai important, funcționează corect!).

Toate acestea au devenit posibile datorită descoperirilor de acum un secol (cristalele lichide au fost descoperite în 1888) și dezvoltării tehnologiei în ultimii 30-40 de ani (1968 - un dispozitiv pentru afișarea informațiilor folosind LCD, anii 1970 - disponibilitatea generală a lichidului). cristale). Multe despre cristale lichide și monitoare LCD pot fi găsite pe Wiki.

Așadar, aproape orice monitor LCD este format din următoarele părți principale: o matrice activă, care este un set de tranzistori care formează o imagine, un strat de cristale lichide cu filtre care transmit sau nu lumină și un sistem de iluminare din spate, care încearcă astăzi. pentru a converti în LED-uri. Deși pe „vechiul” meu Asus G2S, afișajul de o calitate excelentă este iluminat de lămpi fluorescente.

Cum funcționează totul? Lumina care vine de la o sursă (LED sau lampă) printr-o placă transparentă specială de ghid de undă este împrăștiată în așa fel încât întreaga matrice să aibă o iluminare egală pe întreaga sa zonă. În continuare, fotonii trec printr-un filtru de polarizare, care permite trecerea numai undelor cu o anumită polarizare. Apoi, pătrunzând prin substratul de sticlă, pe care se află matricea activă a tranzistoarelor cu peliculă subțire, lumina pătrunde în molecula de cristal lichid.

Această moleculă primește o „comandă” de la tranzistorul subiacent, în ce unghi să rotească polarizarea undei luminoase, astfel încât, după ce trece printr-un alt filtru de polarizare, stabilește intensitatea strălucirii unui subpixel individual. Un strat de filtre de lumină (roșu, verde sau albastru) este responsabil pentru colorarea subpixelului. Când sunt amestecate, undele de la trei subpixeli invizibili pentru ochiul uman formează un pixel al imaginii cu o anumită culoare și intensitate.

a) Dispozitiv schematic al afișajului LCD, b) dispozitiv al filmului cu cristale lichide în detaliu.

Foarte clar, mi se pare, acest lucru este demonstrat în videoclipul Sharp:

Pe lângă tehnologia bine stabilită LCD + TFT (tranzistori cu peliculă subțire - tranzistori cu peliculă subțire), există o tehnologie OLED + TFT cu diode emițătoare de lumină organice promovată activ, adică AMOLED - OLED cu matrice activă. Principala diferență a acestuia din urmă este că diodele organice emițătoare de lumină de trei culori joacă rolul unui polarizator, un strat LCD și filtre de lumină.

De fapt, acestea sunt molecule capabile să emită lumină atunci când curge un curent electric și, în funcție de cantitatea de curent care curge, schimbă intensitatea culorii, așa cum se întâmplă în LED-urile convenționale. Îndepărtând polarizatoarele și LCD-ul de pe panou, îl putem face mai subțire și, cel mai important, flexibil!

Ce sunt panourile tactile?

Deoarece senzorii sunt folosiți în prezent mai mult cu afișajele LCD și OLED, cred că ar fi înțelept să vorbim despre ei imediat.

Foarte descriere detaliata sunt date touchscreen-uri sau touch panel-uri (sursa a trăit cândva, dar din anumite motive a dispărut), așa că nu voi descrie toate tipurile de touch panel-uri, mă voi concentra doar pe două principale: rezistive și capacitive.

Să începem cu un senzor rezistiv. Este alcătuit din 4 componente principale: un panou de sticlă (1), ca suport al întregului panou tactil, două membrane polimerice transparente cu înveliș rezistiv (2, 4), un strat de microizolatori (3) care separă aceste membrane și 4, 5 sau 8 fire, care sunt responsabile de „citirea” atingerii.

Schema dispozitivului senzor rezistiv

Când apăsăm un astfel de senzor cu o anumită forță, membranele vin în contact, circuit electric se închide, după cum se arată în figura de mai jos, se măsoară rezistența, care este ulterior convertită în coordonate:

Principiul calculării coordonatelor pentru un afișaj rezistiv cu 4 fire ()

Totul este extrem de simplu.

Este important să rețineți două lucruri: a) senzorii rezistivi de pe multe telefoane chinezești sunt la fel calitate superioară, acest lucru se poate datora tocmai distanței neuniforme dintre membrane sau microizolatoare de calitate scăzută, adică „creierul” telefonului nu poate converti în mod adecvat rezistențele măsurate în coordonate; b) un astfel de senzor necesită exact apăsare, împingând o membrană pe alta.

Senzorii capacitivi sunt oarecum diferiți de cei rezistivi. Merită menționat imediat că vom vorbi doar despre senzorii capacitivi de proiecție, care sunt acum folosiți în iPhone și altele. dispozitive portabile.

Principiul de funcționare al unui astfel de ecran tactil este destul de simplu. O rețea de electrozi este aplicată pe partea interioară a ecranului, iar partea exterioară este acoperită, de exemplu, cu ITO - oxid complex de indiu staniu. Când atingem sticla, degetul nostru formează un mic condensator cu un astfel de electrod, iar electronica de procesare măsoară capacitatea acestui condensator (da un impuls de curent și măsoară tensiunea).

În consecință, senzorul capacitiv reacționează numai la o atingere strânsă și numai la obiecte conductoare, adică de la o atingere cu o unghie, un astfel de ecran va funcționa de fiecare dată, precum și dintr-o mână înmuiată în acetonă sau deshidratată. Poate că principalul avantaj al acestui touchscreen față de unul rezistiv este capacitatea de a realiza o bază destul de puternică - mai ales sticlă puternică, precum Gorilla Glass.

Schema de funcționare a unui senzor capacitiv de suprafață ()

Cum funcționează un afișaj E-Ink?

Poate că E-Ink este mult mai simplu decât LCD. Din nou, avem de-a face cu o matrice activă responsabilă de formarea imaginii, dar nu există cristale LCD și lumini de fundal, în locul lor există conuri cu două tipuri de particule: negru încărcat negativ și alb încărcat pozitiv. Imaginea este formată prin aplicarea unei anumite diferențe de potențial și redistribuirea particulelor în interiorul unor astfel de microconuri, acest lucru este demonstrat clar în figura de mai jos:

Mai sus este o diagramă a funcționării unui afișaj E-Ink, mai jos sunt fotografii reale ale unui astfel de afișaj de lucru ()

Dacă acest lucru nu este suficient pentru cineva, atunci principiul de funcționare a hârtiei electronice este demonstrat în acest videoclip:

Pe lângă tehnologia E-Ink, există tehnologia SiPix, în care există un singur tip de particule, iar „umplerea” în sine este neagră:

Schema de funcționare a afișajului SiPix ()

Pentru cei care doresc serios să se familiarizeze cu hârtia electronică „magnetică”, vă rugăm să intrați aici, a existat cândva un articol excelent în Prest.

Parte practică

Telefon chinezesc vs smartphone coreean (senzor rezistiv)

După o șurubelniță „îngrijită” dezasamblată a plăcii și a afișajului rămase de la telefonul chinezesc, am fost foarte surprins să găsesc o mențiune a unui cunoscut producător coreean pe placa de baza telefon:

Samsung și telefonul chinezesc sunt una!

Ecranul a fost dezasamblat cu atenție și exactitate - astfel încât toate polarizatoarele au rămas intacte, așa că pur și simplu nu m-am putut abține să nu mă joc cu ei și cu fratele mai mare care lucrează al obiectului disecat și îmi amintesc de atelierul de optică:

Așa funcționează 2 filtre polarizante: într-o singură poziție, fluxul de lumină practic nu trece prin ele, când este rotit la 90 de grade, trece complet

Vă rugăm să rețineți că toată iluminarea de fundal se bazează pe doar patru LED-uri minuscule (cred că puterea lor totală nu este mai mare de 1 W).

Apoi am căutat mult timp un senzor, crezând sincer că va fi o priză destul de groasă. S-a dovedit exact invers. Atât în ​​telefoanele chinezești, cât și în cele coreene, senzorul este format din mai multe foi de plastic, care sunt de foarte înaltă calitate și lipite strâns de sticla panoului exterior:

În stânga este un senzor de telefon chinezesc, în dreapta este un telefon coreean

Senzor rezistiv Telefon chinezesc realizat conform schemei „cu cât mai simplu, cu atât mai bine”, spre deosebire de omologul său mai scump din Coreea de Sud. Daca gresesc, corecteaza-ma in comentarii, dar in stanga in poza este un senzor tipic cu 4 pini, iar in dreapta este un senzor cu 8 pini.

Ecran LCD al telefonului chinezesc

Deoarece display-ul telefonului chinezesc era încă stricat, iar cel coreean a fost doar puțin deteriorat, voi încerca să vorbesc despre LCD folosind exemplul primului. Dar deocamdată nu o vom sparge complet, dar să ne uităm la microscop optic:

Micrografie optică linii orizontale Ecran LCD al unui telefon chinezesc. Fotografia din stânga sus are o oarecare înșelăciune asupra vederii noastre din cauza culorilor „greșite”: o bandă subțire albă este contactul.

Un fir alimentează două linii de pixeli simultan, iar decuplarea dintre ele este aranjată folosind un „bug electric” complet neobișnuit (foto jos din dreapta). Pentru toate acestea circuit electric există căi-filtre de lumină vopsite în culorile corespunzătoare: roșu (R), verde (G) și albastru (B).

De la capătul opus al matricei în raport cu punctul de atașare a cablului, puteți găsi o defalcare similară a culorilor, numere de piste și toate aceleași comutatoare (dacă cineva s-ar lămuri în comentarii cum funcționează, ar fi foarte tare!):

Camere-camere-camere…

Iată cum arată un afișaj LCD funcțional la microscop:

Asta e tot, acum nu vom mai vedea această frumusețe, am sfărâmat-o în sensul literal al cuvântului și, după un mic chin, am „împărțit” o astfel de firimitură în două bucăți separate de sticlă, dintre care partea principală a afișajului constă ...

Acum puteți să vă uitați la pistele individuale ale filtrelor. Voi vorbi despre „petele” întunecate de pe ele puțin mai târziu:

Micrografie optică a filtrelor de lumină cu pete misterioase...

Și acum un mic aspect metodologic referitor la microscopia electronică. Aceleași benzi de culoare, dar acum sub fasciculul unui microscop electronic: culoarea a dispărut! După cum am spus mai devreme (de exemplu, în primul articol), este complet „alb și negru” pentru un fascicul de electroni, indiferent dacă interacționează cu o substanță colorată sau nu.

Par a fi aceleași dungi, dar fără culoare...

Să ne uităm la reversul. Are tranzistori pe el.

Într-un microscop optic - în culoare...

Și microscop electronic- imagine alb-negru!

Într-un microscop optic, acest lucru poate fi văzut puțin mai rău, dar SEM vă permite să vedeți marginile fiecărui subpixel - acest lucru este destul de important pentru următoarea concluzie.

Deci, ce sunt aceste zone întunecate ciudate?! M-am gândit multă vreme, mi-am bătut mintea, am citit o mulțime de surse (poate că Wiki s-a dovedit a fi cel mai accesibil) și, apropo, din acest motiv, am amânat joi, 23 februarie, lansarea articolului. . Și aceasta este concluzia la care am ajuns (poate că greșesc - corectează-mă!).

În tehnologia VA sau MVA, este una dintre cele mai simple și nu cred că chinezii au venit cu ceva nou: fiecare subpixel trebuie să fie negru. Adică, nu trece nicio lumină prin el (se oferă un exemplu de afișaj care funcționează și nu funcționează), ținând cont de faptul că în starea „normală” (fără aplicarea unor influențe externe) cristalul lichid este dezorientat și nu nu da polarizarea „necesară”, este logic să presupunem că fiecare subpixel separat are propriul film cu LCD.

Astfel, întregul panou este asamblat din un singur display micro-LCD. Remarca despre marginile fiecărui subpixel individual se potrivește aici organic. Pentru mine, aceasta a fost, într-un fel, o descoperire neașteptată chiar în cursul pregătirii articolului!

Am regretat că am spart afișajul telefonului coreean: până la urmă trebuie să arătăm ceva copiilor și celor care vin la facultate pentru o excursie. Nu cred că există altceva interesant de văzut.

Mai departe, de dragul răsfățului, voi da un exemplu de „organizare” pixelilor la doi producători de top de comunicatoare: HTC și Apple. iPhone 3 a fost donat pentru o operație nedureroasă de către o persoană amabilă și HTC Desire HD de fapt al meu:

Micrografii ale afișajului HTC Desire HD

O mică notă despre afișajul HTC: nu l-am căutat în mod specific, dar nu ar putea această bandă din mijlocul primelor două microfotografii să fie acea parte a acelui senzor foarte capacitiv?!

Micrografii display iPhone 3

Dacă memoria îmi merge bine, atunci HTC are un afișaj superLCD, iar iPhone 3 are un LCD obișnuit. Așa-numitul Retina Display, adică LCD, în care ambele contacte pentru comutarea cristalelor lichide se află în același plan, In-Plane Switching - IPS, este deja instalat în iPhone 4.

Sper că un articol cu ​​sprijinul 3DNews va fi publicat în curând pe tema comparării diferitelor tehnologii de afișare. Între timp, vreau doar să remarc faptul că display-ul HTC este cu adevărat neobișnuit: contactele pe subpixeli individuali sunt făcute într-un mod non-standard - cumva de sus, spre deosebire de iPhone 3.

Și în final, în această secțiune, voi adăuga că dimensiunile unui subpixel pentru telefonul chinezesc sunt de 50 pe 200 de micrometri, HTC - 25 pe 100 de micrometri și iPhone - 15-20 pe 70 de micrometri.

E-Ink de la un cunoscut producător ucrainean

Să începem, poate, cu lucruri banale - „pixeli”, sau mai degrabă celulele care sunt responsabile de formarea imaginii:

Micrografie optică a afișajului E-Ink cu matrice activă

Dimensiunea unei astfel de celule este de aproximativ 125 de micrometri. Deoarece privim matricea prin sticla pe care este aplicată, vă rog să acordați atenție stratului galben din „fond” - acesta este un strat de aur, de care mai târziu va trebui să scăpăm.

Inainte spre ambrasura!

Comparația „intrarilor” orizontale (stânga) și verticale (dreapta)

Printre altele, pe substratul de sticlă au fost găsite multe lucruri interesante. De exemplu, semnele de poziție și contactele, care, aparent, sunt destinate testării afișajului în producție:

Micrografii optice ale etichetelor și plăcuțelor de testare

Desigur, acest lucru nu se întâmplă des și este de obicei un accident, dar afișajele se sparg uneori. De exemplu, această crăpătură abia vizibilă, mai mică decât un fir de păr uman, te poate lipsi pentru totdeauna de bucuria de a citi cartea ta preferată despre Albion în ceață în metroul înfundat din Moscova:

Dacă afișajele se sparg, atunci cineva are nevoie de el... Pentru mine, de exemplu!

Apropo, aici este, aurul pe care l-am menționat - o platformă netedă „din partea de jos” a celulei pentru un contact de înaltă calitate cu cerneala (despre ele mai jos). Aurul este îndepărtat mecanic și iată rezultatul:

Vezi tu „am mult curaj. Hai cum arată! (Cu)

Sub o peliculă subțire aurie, componentele de control ale matricei active sunt ascunse, dacă se poate numi așa.

Dar cel mai interesant, desigur, este „cerneala” în sine:

Micrografie SEM a cernelii pe suprafața matricei active.

Desigur, este dificil să găsești cel puțin o microcapsulă distrusă pentru a privi înăuntru și a vedea particulele de pigment „albe” și „negre”:

Micrografie SEM a suprafeței „cernelii” electronice

Micrografie optică a „cerneală”

Sau este ceva înăuntru?

Fie o sferă distrusă, fie ruptă dintr-un polimer purtător

Dimensiunea bilelor individuale, adică un analog al unui subpixel în E-Ink, poate fi de numai 20-30 de microni, ceea ce este mult mai mic decât dimensiunile geometrice ale subpixelilor din afișajele LCD. Cu condiția ca o astfel de capsulă să funcționeze la jumătate din dimensiunea ei, atunci imaginea obținută pe afișaje E-Ink bune, de înaltă calitate, este mult mai plăcută decât pe LCD-uri.

Și pentru desert - un videoclip despre cum funcționează afișajele E-Ink la microscop.