Новые технологии мониторов

1

Какие новые технологии мониторов заменят существующие и в каких областях. Объективно (по конкретным показателям) сравнить с популярными на сегодняшний день технологиями

1. ЖК-мониторы

Процесс изготовления

Процесс изготовления ЖК-панелей очень схож с производством полупроводников.

На стекло наносится слой хромовых проводников для создания проводящей структуры транзисторов и запоминающих конденсаторов. Затем добавляется тонкий слой оксида кремния, который будет работать в качестве диэлектрика для затворов транзисторов и конденсаторов. После этого для создания канала транзистора наносится слой аморфного кремния. Затем две зоны транзистора легируются N+ для создания стока и истока. Наконец, наносится слой металлических проводников, чтобы связать транзистор (слева) с запоминающим конденсатором (справа). Этот слой также обеспечивает подключение к металлической шине данных. Хромовая решётка, соединяющая все транзисторы в строчке, работает в качестве горизонтальной адресной линии. Наконец, весь комплекс покрывается оксидной плёнкой для защиты компонентов.

Так как транзистор на аморфном кремнии имеет не такие хорошие характеристики, как транзистор на легированной подложке, к решётке прикладывается отрицательное напряжение (-5 В), которое гарантирует, что транзистор открыт (выключен). Как только транзисторный слой будет нанесён, можно добавлять жидкие кристаллы.

Чтобы две стеклянные пластины не соприкасались друг с другом, добавляется специальный разделитель (spacer). Затем наносятся жидкие кристаллы и электроды из оксида индия и олова. После этого добавляются цветовые фильтры (в нашем случае зелёный), передняя стеклянная панель и ещё один поляризатор, ось которого перпендикулярна оси первого поляризатора.

Над транзистором наносится чёрный фильтр. Причина проста: в этой области напряжение не контролируется, в отличие от пространства под электродом. Оно зависит от напряжения в линии данных, которое может меняться даже тогда, когда наш пиксель вовсе не адресуется. Поэтому лучше "замазать" эту область, чтобы она не влияла на результат.

Преимущества и недостатки ЖК

Технология ЖК даёт явные преимущества в мире вычислительной техники. Она вышла в свет благодаря компьютерам и лишь потом была адаптирована в других сферах. Благодаря процессу литографии, взятому из полупроводниковой промышленности, пиксели могут быть очень маленькими. ЖК-мониторы сегодня стали серьёзной альтернативой громоздким ЭЛТ-дисплеям и скоро вытеснят их с рынка. Кроме того, в портативных и мобильных областях без ЖК просто нельзя обойтись. Впрочем, здесь набирают силы OLED-дисплеи (органические светодиоды, Organic Light-Emitting Diode), но пока они продвигаются вперёд крохотными шажками.

В целом, решения на основе ЖК стоят дешевле плазменных моделей, но здесь во внимание следует принимать и фактор маркетинга. Если на рынке наблюдается недостаток панелей, то даже недорогие технологии могут дать продукт с астрономической ценой. Мы наблюдали подобное явление около полутора лет тому назад.

Что касается качества картинки, то ЖК-мониторы обеспечивают большую яркость по сравнению с ЭЛТ-дисплеями. Кроме того, пиксели ЖК-мониторов не мерцают, и даже на близком расстоянии вы сможете наслаждаться картинкой.

ЖК-телевизоры отличаются великолепной стабильностью картинки - вы можете сидеть вплотную к телевизору, и ваши глаза не устанут. Кроме того, яркость просто великолепна, а картинка - очень резка. Добавьте к этому разумные цены (если на рынке достаточно панелей) и уменьшенные габариты - и вы поймёте всю прелесть ЖК.

Недостатки

К сожалению, углы обзора ЖК-телевизоров не могут достичь уровня плазменных панелей, не говоря уже о ЭЛТ. Дело в том, что излучаемый подсветкой свет проходит через два поляризатора, и лишь затем покидает поверхность монитора. Однако в этой области производители немало продвинулись вперёд, и современные ЖК-панели обладают углами обзора, вполне достаточными для комнаты.

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два битых субпикселя (зелёный и синий).

Контрастность ЖК остаётся ниже уровня ЭЛТ и плазменных панелей, но сегодня это уже не проблема. Существенным же недостатком можно считать недостаточно глубокий чёрный цвет. Как мы уже видели выше, пиксели ЖК-панели работают как световые переключатели - и они не идеальны, то есть часть света просачивается даже в закрытом состоянии. Даже когда переключатель полностью закрыт, и соответствующий суб-пиксель должен быть чёрным, некоторое количество света всё равно проходит. И в этой области у плазменных панелей и ЭЛТ есть большое преимущество - здесь чёрный цвет является по-настоящему чёрным.

Отметим и проблему времени отклика. Сама по себе, технология поворота кристаллов очень медлительна, в результате чего ЖК-панели хуже подходят для фильмов, чем плазменные телевизоры. Впрочем, в этой области прогресс не стоит на месте, и сегодня появились ЖК-мониторы, которые весьма отзывчивы, хотя до уровня ЭЛТ ещё далеко. В то же время, приемлемое время отклика уже достигнуто, поэтому вы сможете смотреть фильмы и телевизионные передачи без всяких помех. Так что проблема времени отклика, остро стоявшая ещё несколько лет назад, сегодня уже практически решена.

Наконец, так как "родное" разрешение ЖК-мониторов высоко, для просмотра телевизионных программ и фильмов требуется интерполяция пикселей, По крайней мере, пока в наши дома не придёт HDTV. ЖК-телевизоры осуществляют интерполяцию более-менее сносно, но чем больше диагональ дисплея, тем труднее это делать. Все производители сегодня работают над этой проблемой, и у 26" экранов уже достигнут приемлемый результат. Но до сих пор мы ещё не видели интерполированной картинки, которая бы нас удовлетворила. Впрочем, с распространением видео высокого разрешения (High Definition) эта проблема уже не будет существовать, поскольку картинка будет иметь то же разрешение, что и экран.

Компенсация времени отклика

Суть технологии компенсации времени отклика (RTC, Response Time Compensation) состоит в том, что при необходимости изменить состояние пикселя ЖК-панели на него на короткое время подается "разгонный" импульс напряжения, заставляющий кристаллы поворачиваться с максимально возможной скоростью. В момент, когда кристаллы достигают нужного положения, импульс прекращается, и на ячейку подается напряжение, необходимое для удержания этого положения.

Основная проблема с временем отклика - в квадратичной зависимости действующей на кристаллы силы от приложенного к ЖК-ячейке напряжения (или, точнее, от созданного этим напряжением электрического поля). Метод решения этой проблемы давно известен в технике под названием форсированный запуск.

Выше на графике сплошной линией обозначена временная диаграмма работы обычной ЖК-ячейки: красный цвет - приложенное к ней напряжение, синий - яркость этой ячейки (пусть для простоты нулевое напряжение означает нулевую яркость). В некоторый момент времени монитору требуется изменить яркость данной ячейки с нулевой на некоторое промежуточное (но не максимальное значение) - электроника монитора рассчитывает и подаёт на ячейку напряжение V0, соответствующее необходимому углу поворота жидких кристаллов; далее это напряжение удерживается постоянным до тех пор, пока не возникнет необходимость снова изменить яркость ячейки.

Однако можно поступить и иначе - этот вариант указан пунктирными линиями. При необходимости изменить яркость ячейки электроника монитора подаёт на неё такое напряжение, при котором кристаллы развернутся на заданный угол аккурат к началу следующего кадра. В новом же кадре напряжение будет снижено до уровня V0 - таким оно должно быть, чтобы удерживать заданный угол поворота кристаллов. В результате мы получаем монитор, для которого любой переход между любыми промежуточными полутонами может быть завершён ровно за один кадр - причём, прошу заметить, собственная частота кадров ЖК-матрицы совершенно не обязана зависеть от частоты кадров, установленной на видеокарте компьютера, а потому длительность этого кадра может быть и меньше стандартных для ЖК-мониторов 16,7 мс (частота кадровой развёртки 60 Гц).

Совершенно аналогично эта схема работает и при необходимости переключиться из яркого тона в более тёмный - за тем лишь исключением, что "разгонный импульс" теперь будет отрицательным. На рисунке выше он также показан пунктиром.

Схема RTC работает на самом низком уровне из возможных - с сигналом, поступающим уже непосредственно на матрицу. Дело в том, что величина разгонного импульса зависит только от того, в каком положении пребывают кристаллы в данный момент, и в какое положение их требуется развернуть.

Схема RTC является неотъемлемой принадлежностью монитора и в своей работе никак не связана ни с видеокартой, ни с драйверами, ни с операционной системой, ни с какими-либо ещё элементами внешнего окружения.

Очевидно, что из-за нелинейной и немонотонной зависимости времени переключения пикселя от градаций серого, между которыми он переключается, параметры разгонного импульса должны рассчитываться электроникой монитора каждый раз индивидуально, в зависимости от того, в каком состоянии пиксель находится в данный момент, и в какое состояние его надо переключить. Для этой цели в схеме RTC обязательно есть кадровый буфер, в котором хранится предыдущий кадр - при приходе же нового кадра он сравнивается с содержимым буфера, и для тех пикселей, значение которых изменилось, рассчитывается величина разгонного импульса.

Кроме описанного выше механизма "затормаживания" кристаллов существует и ещё один, менее очевидный - он связан с тем, что при повороте кристаллов меняется электрическая ёмкость ячейки, в которую они заключены. Ячейки ЖК-матрицы подключены к источнику питания не непрерывно - нужное напряжение на них устанавливается коротким импульсом с периодичностью кадровой развёртки, а после прохождения импульса поддерживается за счёт того, что каждая ячейка является конденсатором. К сожалению, ёмкость этого конденсатора не постоянна - она зависит от положения кристаллов.

Возможны, разумеется, два варианта - когда величина импульса занижена и, наоборот, когда она завышена. В первом случае никаких новых эффектов не появляется - лишь смаз изображения будет чуть больше, чем он мог бы быть, но, впрочем, всё равно намного меньше, чем на мониторах с аналогичными матрицами, но без RTC.

Второй случай представлен на картинке выше - сплошной линией обозначена нормальная работа RTC, а пунктирной - работа при завышенной величине импульса. Очевидно, что к концу первого кадра (когда разгонный импульс будет снят) яркость пикселя успеет не только достичь заданного уровня, но и превысить его. После снятия импульса яркость через некоторое время (определяемое инерционностью матрицы) опустится до нужного значения.

Интересен этот случай тем, что создаёт новый вид артефактов, в принципе невозможный на мониторах без RTC - на движущихся изображениях могут появляться полосы, более светлые, чем и сам движущийся объект, и фон. Ниже приведены две фотографии чёрной надписи, движущейся справа налево по серому фону: первая сделана на мониторе Samsung SyncMaster 194T, в котором используется обычная PVA-матрица без RTC - мы видим самое обычное "жидкокристаллическое" смазывание, причём, из-за особенностей PVA-матриц, очень сильное, надпись читается с большим трудом.

Вторая фотография снята ровно в тех же условиях, но на мониторе Samsung SyncMaster 930BF, сделанном на базе TN+Film-матрицы с RTC. Отлично видно, что чёрная надпись, двигаясь по серому фону, оставляет за собой отчётливую светлую тень:

В случае ошибки расчета импульса происходит пересвет пикселя, который отрицательно скажется на реальности цветопередачи и будет проявляться в виде послесвечения движущегося объекта.

Как показывает практика, все выпущенные на данный момент мониторы с RTC страдают этим недостатком, причём в разной степени - "промахи" могут составлять от единиц до десятков процентов.

Наибольшую пользу технология компенсации времени отклика принесёт - и уже приносит - технологиям PVA и MVA, для которых очень большое время отклика на переходах между полутонами всегда являлось серьёзной проблемой, делая эти мониторы пригодными фактически только для работы, но не для игр. Как мы видим, по крайней мере на новых моделях с PVA-матрицами, с помощью RTC удалось достичь очень существенного снижения времени отклика для большинства тонов, кроме самых тёмных - и, вероятно, по мере дальнейшего совершенствования схем RTC будет решена и эта проблема. Впрочем, уже сейчас можно наконец-то сказать, что мониторы на PVA-матрицах с RTC стали пригодны не только для работы, но даже и для многих динамичных игр - а это в сочетании с очень хорошими прочими параметрами и доступностью на рынке делает их весьма и весьма интересным выбором для домашнего использования.

Сейчас мы видим только первое мониторов с RTC, но даже они уже обеспечивают заметно лучшее время отклика, хоть и ценой появления нового типа артефактов. По мере же совершенствования схемотехники и алгоритмов работы RTC можно надеяться, что время отклика будет уменьшаться, а артефакты если и не исчезнут совсем, то станут пренебрежимо малыми.

Типы матриц с компенсацией времени отклика, используемые в мониторах, и их характеристики

Как уже мы неоднократно говорили, TFT дисплеи имеют два серьезных недостатка при сравнении с обычными ЭЛТ-мониторами:

Во-первых, когда Вы смотрите на TFT дисплей со стороны, Вы сразу же обнаружите катастрофическую потерю яркости и характерное изменение отображаемых цветов. Старые модели TFT дисплеев типично имели угол видимости 90°, т.е. 45° с каждой стороны. Пока на экран смотрит один человек, проблемы нет, однако, как только вокруг дисплея собирается несколько человек, Вам, как владельцу, придется выслушать много не добрых слов в адрес своего не дешевого монитора.

Во-вторых, при просмотре видео, иногда ощущается некоторая "заторможенность" пикселей, связанная с т.н. большим временем отклика. Несмотря на то, что современные уровни времени отклика значительно уменьшились по сравнению с тем, что можно было наблюдать несколько лет назад, "хвосты" иногда остаются.

С одной стороны все эти проблемы нельзя назвать серьезными, с другой, снижение цен и резкое поднятие популярности LCD, заставляет производителей постоянно развивать технологии.

Для частичного устранения этих недостатков разработано три основные технологии: TN+Film (скрученный кристалл + пленка), IPS (или 'Super-TFT') и VA (сюда входят и MVA и PVA). Рассмотрим характерные особенности этих типов матриц.

1. TN+Film (Twisted Nematic)

Один из первых типов TFT матриц.

TN+Film

Технология TN+Film выравнивает жидкие кристаллы перпендикулярно к основанию, так же как обычные TFT дисплеи, а применение специальной пленки на верхней поверхности позволяет увеличить угол видимости.

Принцип работы таких мониторов заключается в следующем:

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

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

С технической точки зрения, технология TN+Film является самым простым. Производители используют относительно старую, стандартную TFT (Twisted Nematic) технологию, которую мы описывали в первой части. Специальная пленка, приложенная к верхней поверхности панели, улучшает горизонтальный угол видимости в диапазоне от 90° до 140°. Однако, в этом случае уменьшается контрастность и время отклика остается неизменным. Технология TN+Film не самое лучшее решение, однако, оно является наиболее дешевым, поскольку производство имеет достаточно большой выход годных панелей (фактически эквивалентный стандартным TN дисплеем).

У дисплея на скрученных кристаллах существует ряд недостатков:

* Жидкие кристаллы не могут выстраиваться строго перпендикулярно подложке при включении напряжения. Именно по этой причине старые ЖК-дисплеи не могли отображать четкий черный цвет.

* Если перегорает транзистор, он более не может прикладывать напряжение к своим трем субпикселям. Нулевое напряжение означает яркую точку на экране. По этой причине "мертвые" ЖК пиксели очень яркие и заметные.

Таким образом, малое время отклика оказывается не только главным, но и единственным преимуществом TN-матриц - все остальные параметры находятся у них на весьма среднем уровне. Мониторы на этом типе матриц подойдут для игр или просмотра фильмов, а также для обычной офисной работы, но вот для серьезной работы лучше будет обратить внимание на другие типы матриц.

TN+Film же матрицы, проникшие в последнее время на рынок 19-дюймовых мониторов, несмотря на хорошие время отклика, имеют весьма и весьма скромные углы обзора (всего лишь 140 градусов), а потому для мониторов с большой диагональю их довольно трудно назвать хорошим выбором.

TN - для геймеров, экономных домашних и офисных пользователей!

2. S-IPS (In-Plane Switching)

Технология IPS была разработана компанией Hitachi в 1996 году именно для устранения двух проблем TN-матриц - маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи. Но, несмотря на расширения угла обзора до 170?, остальные функции не сдвинулись с места. Время реакции этих дисплеев изменяется от 50 до 60 мс, а отображение цветов - посредственное.

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

IPS (In-Plane Switching или Super-TFT)

При подаче напряжения, молекулы выравниваются параллельно подложке.

Технология IPS или 'In-Plane Switching' была изначально разработана Hitachi, однако теперь NEC и Nokia так же производят дисплеи по этой технологии.

Благодаря оригинальному технологическому решению, удалось увеличить угол видимости до 170°, что эквивалентно ЭЛТ-мониторов. Однако, несмотря на это, технология имеет свои недостатки. Параллельное выравнивание жидких кристаллов, требует, что бы электроды размещались гребенкой на нижней подложке, что значительно ухудшает контрастность изображения и требует более мощной подсветки для установки нормального уровня резкости. Что касается времени отклика, то оно стало чуть лучше, чем в обычных TFT дисплеях.

Недостатки IPS:

* Создание электрического поля в системе с подобным расположением электродов потребляет большое количество энергии.

* Для выстраивания кристаллов необходимо некоторое время. По этой причине IPS мониторы имеют большее время реакции по сравнению с TN+Film собратьями.

С точки же зрения целей и задач мониторы на базе S-IPS матриц - единственный разумный выбор для любой сколь-нибудь серьезной работы с цветом. Кроме того, эти матрицы являются наиболее разумным компромиссом между различными требованиями - они обеспечивают отличные углы обзора и достаточно малое время отклика, а потому отлично подойдут людям, выбирающим себе домашний монитор для фильмов, офисных задач и интернета. Качество цветопередачи выше всяческих похвал, ну а большое время отклика в данном случае не столь критично. В принципе, можно остановиться на широкоэкранной, тогда и просмотр фильмов будет еще более комфортным.

IPS - для самых требовательных пользователей и для любых работ, требующих относительно точной цветопередачи!

3. MVA (Multidomain Vertical Alignment)

Технология MVA была разработана компанией Fujitsu в 1998 году как компромисс между TN+Film и IPS-матрицами - с одной стороны, эта технология позволила обеспечить полное время отклика 25 мс (что на тот момент было совершенно недостижимо для IPS и труднодостижимо для TN), с другой стороны, MVA-матрицы имеют углы обзора 160...170 градусов, что позволяет им легко превосходить по этому параметру TN и напрямую конкурировать с IPS. Кроме того, технология MVA позволяет получить значительно более высокую контрастность, нежели TN или IPS.

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

Преимуществами такой системы являются скорость и отсутствие как спиралевидной структуры, так и двойного магнитного поля. Благодаря этому время реакции уменьшилось до 25 мс. Здесь также можно выделить преимущество, которое мы уже упоминали в IPS - очень хороший черный цвет.

Главной же проблемой системы VA явилось искажение оттенков при просмотре экрана под углом. Если вывести на экран пиксель какого-либо оттенка, к примеру, светло-красный, то к транзистору будет приложено половинное напряжение. При этом кристаллы повернутся только наполовину. Спереди экрана вы увидите светло-красный цвет. Однако если вы посмотрите на экран сбоку, то в одном случае вы будете смотреть вдоль направления кристаллов, а в другом - поперек.

То есть с одной стороны вы увидите чистый красный цвет, а с другой - чистый черный цвет.

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

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

MVA (Много доменное вертикальное выравнивание)

С технической точки зрения, это лучшее решение для получения большого угла видимости и низкого времени отклика.

Компания Fujitsu нашла идеальный компромисс. Технология MVA позволяет достичь угла видимости до 160°, что, как Вы понимаете, очень хорошо. При этом MVA предлагает высокий уровень контрастности и очень низкое время отклика.

Матрицы получились достаточно неоднозначными. Пожалуй, лучше всего они подходят для работы с текстом и чертежной графикой - здесь отличные углы обзора и большая контрастность будут как нельзя кстати, а вот цветопередача и время отклика на переходах с черного на серый практически не имеют значения.

Также хорошо подойдут мониторы на базе MVA в качестве домашних мониторов для людей, не интересующихся динамичным игрушками - для просмотра фильмов и запуска стратегий (и прочих игр, не критичных к скорости реакции), быстродействия этих матриц вполне достаточно, а глубокий черный цвет (благодаря высокой контрастности) будет весьма кстати людям, часто использующим компьютер вечером или ночью.

Если же Вам нужен монитор для работы с цветом или для быстрых игр, то, несмотря на заверения производителей MVA-матриц, намного более разумным выбором будут мониторы на базе S-IPS-матриц. К сожалению, с рынка 17-дюймовых мониторов технология MVA вытеснена полностью, так что шанс встретить эти матрицы есть только у покупателей 19-дюймовых моделей.

MVA предлагает низкое время ответа и очень большой угол видимости, однако, до сих пор рыночная доля этой технологии очень ограничена.

4. PVA (Patterned Vertical Alignment)

Технология PVA -- была разработана компанией Samsung в качестве альтернативы MVA. Тем не менее, говорить о том, что PVA есть копия MVA, созданная лишь с целью ухода от лицензионных выплат Fujitsu, неверно - как Вы увидите ниже, параметры и пути развития MVA и PVA матриц различаются достаточно, чтобы можно было говорить о PVA как о самостоятельной технологии.

Это фактически единственные на данный момент ЖК-матрицы, способные продемонстрировать действительно глубокий черный цвет. Иначе говоря, можно сказать, что PVA-матрицы являются улучшенным вариантом MVA - не имея каких-либо недостатков, кроме уже имеющихся и у MVA, они демонстрируют намного более высокую контрастность и имеют значительно более предсказуемое качество изготовления благодаря производству на заводах только одной компании.

Таким образом, PVA-матрицы имеют те же предназначения и противопоказания, что и MVA - они отлично подходят для работы с чертежным текстом и графикой, хорошо подходят для просмотра фильмов и малоподвижных игр, однако будут далеко не лучшим выбором для динамичных игр или работы с цветом.

Большим плюсом PVA-матриц является также то, что Samsung выпускает линейку 17-дюймовых мониторов на их базе - и они являются фактически единственным выбором для желающих приобрести 17-дюймовый монитор не на TN-матрице.

PVA - для всех тех пользователей, кому не требуется играть в динамичные игры, и при этом есть желание иметь относительно приличную цветопередачу и углы обзора. Для офиса это вообще идеальный выбор.

Выводы:

Ориентировочная таблица сравнительных пользовательских характеристик LCD-мониторов в зависимости от использованного типа матрицы:

На сегодняшний день на рынке ЖК-мониторов можно наблюдать примерно следующую картину:

TN+Film решение не приводит к существенному увеличению времени отклика, однако, оно достаточно дешево и несколько увеличивает угол рассмотрения. На сегодняшний день эта технология имеет самое широкое распространение.

Технология IPS, благодаря активной поддержки со стороны компаний Hitachi и NEC может претендовать на достаточно большую рыночную долю. Решающими факторами успеха этой технологии являются большой угол видимости до 170° и приемлемое время отклика.

С технической точки зрения, технология MVA является лучшим решением. Угол рассмотрения увеличивается до 160 и почти равен углу рассмотрению обычных ЭЛТ-мониторов. Время отклика, уменьшено и составляет 20 миллисекунд, что подходит для воспроизведения видео. Пока рыночная доля этой технологии достаточно маленькая, однако уже сегодня наблюдается некоторый рост.

Сфера использования

Конечно, областью превосходства ЖК-мониторов над любой другой плоскопанельной технологией можно считать компьютеры. Сегодня ЖК-мониторы можно использовать для любых целей, включая игры, офисные приложения и даже обработку фотографий.

Но в сфере ТВ ситуация иная. Здесь ЖК отстаёт от плазмы, но ЖК-дисплеи дешевле, да и размеры диагонали у них более разумны. По абсолютному качеству картинки плазма по-прежнему лидирует, так как она даёт глубокий чёрный цвет, на уровне ЭЛТ, великолепные углы обзора и сочные цвета. Впрочем, ЖК-панели сегодня медленно, но верно ликвидируют своё отставание, постоянно совершенствуясь.

2. Технология OLED: перспективы и развитие

OLED-светодиоды - это светодиоды, отличающиеся от стандартных тем, что излучающий материал у них является органическим. Такая незначительная, на первый взгляд, модификация значительно изменяет всю технологию, а, следовательно, и сферу применения светодиодов. К перспективным областям здесь следует отнести применение OLED-светодиодов в качестве источников освещения (которые заменят традиционные лампы накаливания) и в различного рода дисплеях. Уже сейчас органические светодиоды используются в дисплеях портативных устройств (например, сотовых телефонов или mp3-плееров), однако по мере совершенствования OLED-технологии следует ожидать вытеснение других технологий (например, на основе жидких кристаллов).

1.5-дюймовый OLED-дисплей

Результатом кооперации между Philips Lighting, Philips Research и Novaled стало объявление о новом рекорде в эффективности супер-ярких белых органических светодиодов (white OLED). Новая технология твердотельных источников света, как ожидается, позволит людям создавать их собственный индивидуальный стиль освещения в помещениях, при низком потреблении энергии. «Это впечатляющий результат, который ясно показывает весь потенциал OLED-технологии для освещения» - говорит Клаас Вегтер (Klaas Vegter), главный технолог в Philips Lighting's Lamps. - Мы уверены, что органические светодиоды займут на рынке позицию второй твердотельной технологии, предназначенной для этих целей».

В отличие от обычных светодиодов, OLED-светодиоды имеют тонкий слой органического материала, излучающего свет при приложении напряжения. Также они являются источниками света с большой поверхностью (а потому - с низкой яркостью), генерирующими рассеянный свет любого цвета. Поэтому возможно создание структур, излучающих различные палитры или же однородный белый цвет.

Пока OLED применяется только для маленьких дисплеев - в мобильных телефонах, mp3-плеерах или PDA. Однако как только появятся эффективные органические светодиоды по разумной цене, они могут стать заменой ламп накаливания во множестве приложений. Гилда Сорин (Gilda Sorin), руководитель Novaled, говорит: «Эффективность является одним их самых важных параметров источников света. И наша запатентованная технология допирования является ключом к увеличению этой эффективности».

Возможно, OLED-дисплеи (OLED - органические светоизлучающие диоды), в том числе телевизоры с большими диагоналями, со временем вытеснят и плазменные панели, и ЖК-телевизоры, и даже ЖК-мониторы у компьютеров. Сегодня OLED по большей части встречается в потребительской электронике - от электробритв до MP3-плееров, а также в сотовых телефонах. В недалеком будущем такая ситуация должна измениться. Так, в прошлом году компания LG.Philips представила 21-дюймовый OLED-монитор с разрешением 2048x1536, а ещё ранее Samsung анонсировала 17-дюймовую панель с разрешением 1600x1200. Однако нельзя сказать, что эти дисплеи стали массовыми. OLED предстоит ещё несколько лет развития, прежде чем потребители получат готовые продукты с большой диагональю и с доступной ценой.

Подразделения Mitsubishi, связанные НИОКР в области технологий и химических процессов, заявили, что им удалось разработать органический светодиод, значительно более эффективный по сравнению с теми диодами, которые используются в существующих матрицах. Такого эффекта удалось достигнуть благодаря применению специальной синей фосфоресцирующей химической составляющей. Важно и то, что по утверждению инженеров Mitsubishi процесс производства с использованием новой технологии относительно недорог.

В отличие от ЖК-панелей, работающих «на просвет», дисплеи OLED не требуют ламп подсветки. Каждый элемент OLED-матрицы светится самостоятельно. Поэтому, по сравнению с ЖК-экранами дисплеи OLED экономичнее с точки зрения потребления энергии, и, кроме того, потенциально обеспечивают более контрастное и яркое изображение.

По результатам исследований Mitsubishi Chemical, их технология OLED может использоваться, в первую очередь, при производстве дисплеев с большой диагональю. Благодаря особому светящемуся составу, новые диоды значительно экономнее, и это очень важно как раз при создании дисплеев с высоким разрешением и большим количеством элементов, то есть - больших экранов.

Преимущества в сравнении c LCD-дисплеями

* меньшие габариты и вес;

* отсутствие необходимости в подсветке;

* отсутствие такого параметра как угол обзора -- изображение видно без потери качества с любого угла;

* мгновенный отклик матрицы (время отклика в тысячи раз меньше) -- изображение не «смазывается» и не имеет артефактов разгона матрицы;

* более качественная цветопередача (высокий контраст);

* более низкое энергопотребление при той же яркости;

* возможность создания гибких экранов.

Яркость. Максимальная яркость OLED - 100 000 кд/кв. м. (У ЖК-панелей максимум составляет 500 кд/кв. м, причем такая яркость в ЖК достигается только при определенных условиях). При освещении LCD-дисплея ярким лучом света появляются блики, а картинка на OLED-экране останется яркой и насыщенной при любом уровне освещенности (даже при прямом попадании солнечных лучей на дисплей).

Контрастность. Здесь OLED также лидер. Устройства, снабженные OLED-дисплеями, обладают контрастностью 1000000:1[1] (Контрастность LCD 1300:1, CRT 2000:1).

Углы обзора. Технология OLED позволяет смотреть на дисплей с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения.

Энергопотребление. Достаточно низкое энергопотребление - около 25Вт (у LCD - 25-40Вт). КПД OLED-дисплея близко к 100%[источник?], у LCD -90%. Энергопотребление же FOLED, PHOLED ещё ниже.

Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями, с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени человечество увидит расцвет данной технологии.

Основные направления развития OLED-технологии

На сегодняшний день технология продолжает развиваться в двух основных направлениях: так называемые «маленькие молекулы» (SM-OLED) и «полимеры» (PLED).

Первая технология была разработана компанией Eastman-Kodak, и обычно в научно-технических материалах ее упоминают, как «small molecule» OLED (SM-OLED). На сегодняшний день, промышленное производство таких OLED-панелей обходится довольно дорого.

Вторая технология разработана Cambridge Display Technologies (CDT) и изначально называлась Light-Emitting Polymer (LEP). Однако устройства с использованием данной разработки больше известны под названием Polymer Light Emitting Diodes (PLED). Долгое время эта технология значительно отставала в развитии от SM-OLED как по качеству отображения информации, так и сроку жизни. Но отдельного внимания заслуживает способ производства этих панелей - он основан на принципах струйной печати. Да и в последние годы ситуация с техническими характеристиками изготовляемых подобным образом панелей меняется в лучшую сторону.

Недавно появился третий вариант OLED-технологии - гибрид первых двух. Суть проста - используются непроводящие полимеры, покрытые тонким слоем светоизлучающих проводящих молекул. Полимер в данном случае используется из-за его механических свойств, а слой из «маленьких молекул» имеет ту же самую долговечность, что и в SM-OLED варианте.

В основе работы OLED - принцип электролюминесценции. Говоря простыми словами, используется возможность некоторых органических соединений излучать свет под воздействием электрического тока. Каждая OLED-ячейка выполнена на основе нескольких тонких органических пленок, которые в свою очередь находятся между двумя тонкопленочными проводниками. При этом рабочее напряжение составляет примерно от 3 до 16 В.

Условно говоря, подложку можно представить в качестве поверхности, на которой расположено большое количество излучающих свет ячеек. Если вспомнить при этом об основных направлениях развития OLED-технологии, то сразу же становится ясным, что OLED обладает значительной гибкостью в формировании структуры дисплея.

Большая часть основных технических параметров зависит от органических материалов, которые используются при изготовлении дисплея по OLED-технологии. По крайней мере, цветопередача и интенсивность излучения напрямую зависят именно от этого.

Существует три основных достоинства OLED, о которых не забывает упомянуть ни одна из компаний, занимающихся продвижением этой технологии в массовое производство. Это быстрый отклик матрицы (около 10 мс), довольно широкий угол обзора и большой диапазон рабочих температур. Последний параметр оказывает заметное влияние на сферу возможного применения OLED-дисплеев, теоретически их можно устанавливать в неотапливаемых помещениях. Устройства, выполненные на основе OLED, хорошо справляются со своими функциями при температурах от -40 до +70°C.

3. LEP-технология

Иная альтернатива развития мониторов, не связанная с существующими наработками, - технология изготовления и использования дисплеев на основе так называемых светоизлучающих пластиков. Светоизлучающие пластики (Light Emission Plastics) - сложные полимеры с рядом интересных свойств. Вообще-то, использование пластических полимерных материалов в качестве полупроводников началось уже довольно давно, и встретить их можно в самых различных отраслях техники, в том числе и в бытовой электронике, включая персональные компьютеры. Однако некоторые представители этого семейства обладали и довольно необычным свойством - способностью эмитировать фотоны под воздействием электрического тока, то есть светиться. Поначалу КПД полимерных светильников был крайне низким, и соотношение излучаемого света к затраченному потоку электронов измерялось долями процента. Но в последнее время компания Cambridge Display Technology существенно продвинулась в разработке светоизлучающего пластика и повысила эффективность этих материалов в сотни раз. Сейчас с уверенностью можно сказать, что LEP сравнились по своей функциональности с привычными светодиодами. Поэтому на повестку дня стал вопрос об их практическом применении. LEP необычайно просты и дешевы в производстве.

LEP-технология

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

Каждым пикселем первого полимерного дисплея управлял отдельный тонкопленочный транзистор (TFT), а светоизлучающий полимер наносился на коммутирующую матрицу в жидком виде по технологии, аналогичной стандартной струйной печати (IXBT). С разрешением 800х236 точек, площадью в 50 кв. мм он дисплей имел толщину 2 мм

Главными преимуществами являются простота и дешевизна производства, а также возможность синтеза новых материалов с заданными свойствами. Главными недостатками - непродолжительный срок службы и низкая мобильность зарядов вследствие аморфной структуры пластика. Однако, в последнее время недостатки постепенно удается преодолеть, в частности, за счет применения многослойных материалов.

Достоинства технологии

Во-первых, всем понравится, что эти дисплеи гибкие и плоские, и называть их "экраном" язык не поворачивается. На гибкое прозрачное покрытие напыляют светоизлучающие полимеры, к подложке подводят слабый ток. Благодаря влиянию соседних электронов, которое объясняется изоляционными свойствами полимера, "это" излучает свет, формируя изображение. Причём, светоизлучающий пластик может наноситься на любую гибкую подложку больших размеров. В части размеров, описания ограничиваются многообещающим "большим". Представляется экран размером с дом, но говорят, что "пластмассовый дисплей" произведёт переворот как раз наоборот -- в маленьких устройствах.

Во-вторых, "полимерные мониторы" потребляют мало энергии, что опять же на руку владельцам тех устройств, что работают на батарейках и аккумуляторах: LEP-дисплеи работают при пяти вольтах.

В-третьих, изображение можно получать с угла в 180 градусов, что, по сравнению с ЖК, которые дают картинку в диапазоне 160 градусов, тоже неплохо.

В-четвёртых, изображение более качественное. Здесь остается полагаться на описания -- пока мы видеть LEP не видывали.

В-пятых, они лёгкие. Их вес позволит модифицировать все существующие портативные устройства -- в первую очередь LEP-мониторы облегчат (буквально) "дисплейные очки". Плюс, конечно, уже существующие мобильные телефоны с LEP-окошками, дисплеи ноутбуков, калькуляторы, видеокамеры и цифровые фотоаппараты. Причём, "экрану" можно придавать любую (!) форму.

Представители компании говорят, что путь LEP-технологии на рынок не многим отличается от пути ЖК: также от калькуляторов и наручных часов -- к мониторам.

Кроме того, считается, что в процессе "коммерческой адаптации" устраняются недоработки технологии и у потребителя психологически "прививается" вкус. Иначе говоря, наблюдается идейное насаждение и проба сил на рынке.

Применение

Достаточно логично, что первым коммерческим применением проводящего пластика стали проводники. На данный момент такие пластики по проводимости приближаются к меди и имеют срок службы порядка 10 лет. Они применяются (в частности, компанией Matsushita) для изготовления электродов в батареях, проводящего покрытия электростатических динамиков, антистатических покрытий, и, что особенно важно, для нанесения проводящих дорожек на печатных платах. Глобальной целью в этом направлении компания CDT считает ни много, ни мало - вытеснение меди в качестве материала для изготовления проводящих дорожек печатных плат. Правда, для этого необходимо еще увеличить срок службы и повысить проводимость пластика.

Однако наиболее интересным применением пластиковых полупроводников на данный момент является создание разного рода устройств отображения информации на их базе. О том, что полупроводящий пластик под действием электрического тока может испускать фотоны (то есть, светиться), знали давно. Но крайне низкая (0.01%) квантовая эффективность этого процесса (отношение числа испущенных фотонов к числу пропущенных через пластик зарядов) делала практическое применение этого эффекта невозможным. За последние 5 лет компания CDT совершила прорыв в этом направлении, доведя квантовую эффективность двуслойного пластика до 5% при излучении желтого света, что сравнимо с эффективностью современных неорганических светодиодов (LED). Помимо повышения эффективности удалось расширить и спектр излучения. Теперь пластик может испускать свет в диапазоне от синего до ближнего инфракрасного с эффективностью порядка 1%.

По заявлению технического директора CDT Ltd. Пола Мея (Paul May), компании удалось достичь срока службы более 7000 часов при 20Со и около 1100 часов при 80Со без ухудшения характеристик для устройств, произведенных и эксплуатирующихся в нормальных атмосферных условиях, и срока хранения устройств при воздействии яркого света и повышенной температуры без потери работоспособности (shell-life) более 18 месяцев. С использованием "инкапсуляции", то есть помещения устройств в специальный защитный корпус, "срок хранения" возрастает до 5 лет, что на данный момент является фактическим стандартом. При этом компания продолжает работы в этом направлении, стремясь довести срок жизни LEP-устройств хотя бы до 20000 часов, что, по мнению инженеров компании, достаточно для большинства применений.

О том, что промышленный мир серьезно относится к LEP-технологии, свидетельствует покупка компанией Philips Components B.V. лицензии на использование этой технологии и инвестиции Intel в компанию CDT. Итак, что же есть у компании на сегодняшний день.

LEP-дисплеи: день сегодняшний

На сегодняшний день компания может представить монохромные (желтого свечения) LEP-дисплеи, приближающиеся по эффективности к жидкокристаллическим дисплеям LCD (Liquid Crystal Display), уступающие им по сроку службы, но имеющие ряд существенных преимуществ.

Поскольку многие стадии процесса производства LEP- дисплеев совпадают с аналогичными стадиями производства LCD, производство легко переоборудовать. Кроме того, технология LEP позволяет наносить пластик на гибкую подложку большой площади, что невозможно для неорганического светодиода (там приходится использовать матрицу диодов).

Поскольку пластик сам излучает свет, не нужна подсветка и прочие хитрости, необходимые для получения цветного изображения на LCD-мониторе. Больше того, LEP-монитор обеспечивает 180-градусный угол обзора.

Поскольку устройство дисплея предельно просто: вертикальные электроды с одной стороны пластика, горизонтальные - с другой, изменением числа электродов на единицу протяженности по горизонтали или вертикали можно добиваться любого необходимого разрешения, а также, при необходимости, различной формы пиксела.

Поскольку LEP-дисплей работает при низком напряжении питания (менее 3 V) и имеет малый вес, его можно использовать в портативных устройствах, питающихся от батарей.

Поскольку LEP-дисплей обладает крайне малым временем переключения (менее 1 микросекунды), его можно использовать для воспроизведения видеоинформации.

Поскольку слой пластика очень тонок, можно использовать специальные поляризующие покрытия для достижения высокой контрастности изображения даже при сильной внешней засветке.

Эти преимущества плюс дешевизна привели к возникновению у LEP-технологии достаточно радужных перспектив.

LEP-дисплеи: день завтрашний

День 16 февраля 1998 года стал историческим для LEP-технологии: компании CDT и Seiko-Epson продемонстрировали первый в мире пластиковый телевизионный экран.

Правда, он пока черно-белый (точнее - черно-желтый) и размером всего 50 мм2, но толщина в 2 мм впечатляет. Уже сейчас такие дисплеи могут найти применение в видеокамерах и цифровых фотоаппаратах, а к концу года компании планируют представить полноразмерный цветной дисплей (не уточняя, правда, что такое "полный размер").

Причины, по которым Seiko-Epson приняла участие в этом проекте, по словам Генерального менеджера по базовым исследованиям (General Manager of basic research) компании доктора Шимоды (Dr. Shimoda), заключаются в том, что сочетание LEP-технологии с многослойной TFT (Thin Film Transistor) технологией и технологией струйной печати, в которых Seiko-Epson является мировым лидером, а также возможность использования для производства LEP-дисплеев большей части уже имеющегося оборудования позволит достичь быстрого прогресса в данной программе. "LEP-дисплеи, - считает доктор Шимода, - станут конкурентоспособными не только по сравнению с LCD, но и по сравнению с обычными дисплеями на базе CRT (Catod Ray Tube, или электронно-лучевая трубка) как по качеству, так и по цене.

4. Плазменные дисплеи

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон. Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность -- размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома -- он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.

Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:

* Зелёный: Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+

* Красный: Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3

* Синий: BaMgAl10O17:Eu2+

Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.

Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей. На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние -- в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, -- подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.

Преимущества и недостатки плазменных дисплеев

Преимущества

Плазменная технология имеет отдельные преимущества над ЖК. Во-первых, люминофоры для плазменного телевизора обеспечивают более сочные цвета в более широком диапазоне. Цветовой диапазон плазменных экранов намного шире, чем у ЖК-телевизоров. Если сравнивать с ЭЛТ-мониторами, то цветовой диапазон "плазмы" в ряде случаев бывает хуже, поскольку у ЭЛТ условия для возбуждения люминофора гораздо лучше: энергия электронов выше, чем у УФ-излучения.