Еволюція матриці
- Эволюция матрицы
Опубликовано 06 апреля 2005 года ЖК-технологии не являют собой что-то однородное, скорее это конгломерат решений, объединенных общим принципом. Можно рассматривать разнообразие актуальных подходов, как свидетельство интенсивного развития в этой области. Однако сие также значит, что отсутствует всеохватное решение принципиальных проблем, связанных с ЖК-панелями. Издалека долго Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Рейницером в процессе изучения холестерина в растениях. Он выделил некое вещество (совсем уж любознательным, так и быть, скажу: метоксибензилидин бутиланалина), странным образом ведшее себя при нагревании - оно мутнело и начинало течь раньше (145,5°), чем обращалось в истинную жидкость (178,5°). Субстанцию с секретом Рейницер вручил германскому физику Отто Леману, который уличил ее в еще одной эксцентричности: жидкость в своих оптических свойствах вела себя как кристалл. Так в науку вошло грандиозное изобретение под названием "жидкий кристалл" (термин Лемана; ЖК - это так называемая мезофаза, состояние между твердым и изотропным жидким состояниями вещества: оно и текуче, и сохраняет порядок расположения молекул; в нашем случае состояние устойчиво в большом диапазоне температур). Изобретение, к сожалению, совершенно бесполезное на практике. Ходят кривотолки, будто первочеловек когда-то взял никчемную палку, повертел ее в своих волосатых сиволапах, а привело это впоследствии к пилотируемым полетам на Луну и автоматическим на Марс. Мы сочтем за благоразумие не рассуждать о правдивости всей этой молвы, однако, в правдоподобии ей не откажешь: есть в человеческом характере повадка приходовать напрасно валяющиеся вещи. Текучее вещество впервые пристроили к делу через восемьдесят лет после открытия: компания RCA (Radio Corporation of America) произвела на свет чудо - первый в мире стабильно функционирующий ЖК-дисплей. Вообще, жидкие кристаллы весьма разнообразны по свойствам, и применяются не только в дисплеях, но и, например, в термометрах. Но в нашем случае речь пойдет, конечно, о жидких кристаллах для дисплеев. Во второй половине 70-х гг. технология начала активно внедряться в портативных устройствах - главным образом, калькуляторах и цифровых часах. Это всем известные дисплеи с ограниченным набором сегментов изображения на каждой позиции, позволявшие показывать некое подобие арабских цифр. Ясно, что развитие пошло по пути усложнения дисплеев так, чтобы стало можно адресно зажигать (или гасить) одну маленькую точку из ячеистой матрицы, формируя тем самым сложное изображение. Свет с винтом Как известно, ЖК-дисплеи обладают особенностью, не позволяющей поставить их в один ряд с другими электронными средствами отображения: жидкие кристаллы не излучают свет сами, а могут лишь пропускать или не пропускать его, являясь частью замысловатых заграждений на его пути и работая, как затвор. Принцип действия ЖК основан на явлении поляризации света, должном быть знакомым многим из школьного курса физики. Представим себе простейшую матричную ЖК-панель с подсветкой. Это многослойная конструкция, с задней ее стороны находится флуоресцентная лампа (или несколько ламп) и зеркало (система зеркал) для равномерного рассеивания света по поверхности. На пути стоит поляризационный фильтр (поляроид, или, если угодно, поляризатор), пройдя через который, свет попадает на слой из множества капелек ЖК, организованных в ячейки. Каждый пиксель изображения состоит из одной (в монохромном или черно-белом дисплее) или более (в цветном дисплее) ячеек. Далее идет второй поляроид, повернутый относительно первого (обычно в схемах представляют, что на 90 градусов, хотя теоретически это может быть и другой угол). Теперь начинается интересное. Не будь между поляроидами ничего - свет бы полностью задерживался (теоретически), потому что они поляризуют свет в несовпадающих (для простоты представления - перпендикулярных) плоскостях. Но кристалл между ними поляризует свет, поворачивая вектор таким образом, что, подходя ко второму поляроиду, свет выходит наружу. В чем тут фокус? Большинство молекул в жидком кристалле имеют вытянутую форму. В описываемой технологии нематический (используемые в дисплеях термотропические ЖК подразделяются на изотропические с хаотичным распределением молекул и структурированные нематические) кристалл с обеих сторон зажат между специальными пленками. Они задают направление, в котором в спокойном состоянии укладываются продолговатые молекулы. Каждая из пленок покрыта мельчайшими засечками (директорами), одинаково сориентированными по направлению с поляроидом, к которому она прижата. "Лежащие на боку" молекулы ЖК у противоположных поляроидов оказываются перпендикулярными друг другу, по мере сближения - все более повернутыми в сторону плоскости поляризации оппозитного поляроида, а в итоге образуют спираль, по которой сворачивается плоскость поляризации света. Это называется скрученным нематическим кристаллом (Twisted Nematic, TN). Если к ЖК попадает в электрическое поле, его молекулы выстраиваются между электродами подобно тому, как металлические опилки выстраиваются в поле магнитном. Электроды расположены по обе стороны от кристалла, поэтому поле разворачивает длинные молекулы вдоль силовых линий. Чем сильнее разность потенциалов между электродами, тем меньше поворот вектора поляризации, производимый ЖК. И тем меньше света выходит из второго поляроида наружу. Когда разница потенциалов усиливается настолько, что отклонения вовсе не происходит, точка становится черной (молекулы вытягиваются между поляроидами и больше не влияют на поляризацию света). Виньетка в клетку К каждому элементу изображения подводится по два электрода (общий и управляющий). Пока количество элементов сравнительно мало (например, сегменты всех цифр в индикаторе калькулятора), такой подход оправдан из-за своей простоты. Однако для матричного дисплея это просто неприемлемо - даже у простейшего монохромного экрана с разрешением 160x120 ячеек насчитывается немногим меньше двадцати тысяч... Поэтому были применены матрицы (сетки) управляющих электродов и мультиплексирование управляющего сигнала. Очевидный недостаток тут в том, что прорисовка изображения неимоверно медленна, поскольку картинка строится "ягодка к ягодке". Чтобы изображение не мерцало, приходилось специально выбирать кристаллы с низким временем отклика. Медлительность матрицы впоследствии уменьшили путем наращивания количества управляющих электродов: матрицу стали разбивать на несколько независимых полей развертки.
Принцип работы скрученного нематического кристалла - Twisted Nematic, TN (на картинке слева нужно представить себе спирально закручивающуюся на 90 градусов пулеметную ленту) Тонко регулируя вольтаж, подаваемый на элементы, можно заставить их пропускать большее или меньшее количество света - так получаются градации серого. В цветных дисплеях ячейки - это субпикселы, а каждый пиксел состоит из трех зафильтрованных (R, G, B) элементов. Белый и серые оттенки формируются подачей света в равных пропорциях сквозь все три фильтра. Классическая TN-технология почти не использовалась на практике, в реальных масштабах (ноутбуки) пассивная матрица стала употребляться с приходом суперскрученных нематиков (STN) - улучшенного вариана TN. Здесь ЖК разворачивает поток света на больший угол - до 360 градусов. Увеличенный разворот предполагает повышенную разность между напряжениями включения и выключения ячейки. Это позволяет поднять коэффициент мултиплексирования управляющего сигнала (читай: число управляемых ячеек в строке) - у TN он был не выше 16. Затем появились DSTN-матрицы, в которых свет проходил через две сложенные "лицом к лицу" ячейки STN. Только с DSTN удалось добиться контрастности, достаточной для создания цветных экранов (кои вскорости и возникли). Но выстрелом "Авроры", ознаменовавшим начало полномасштабного штурма наших кошельков производителями ЖК-дисплеев, стало появление активных матриц. TN+Film TFT Самой первой (и присно здравой) технологией производства активных матриц явилась TN+Film TFT. Это все те же скрученные нематические кристаллы, а "Film" означает, что экран сверху покрыт специальной пленкой с высоким показателем преломления для увеличения угла обзора. Революционна не она, а сам способ срабатывания ячеек. Технология тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor, TFT) позволила назначить каждому из субпикселов переключающий транзистор, конденсатор и резистор. Теперь, когда по выбранной строке и столбцу подается управляющее напряжение, оно попадает в конденсатор и заряжает его. Поскольку не интересующие нас соседние ячейки закрыты транзисторами, влияния на них (как в обычной TN) почти нет. Заряд, посланный конденсатору, хранится до следующего цикла обновления (которое происходит с частотой, скажем, 60 Гц), постепенно разряжаясь через параллельно подключенное сопротивление. Другими словами, к каждому элементу теперь приставлен часовой, который запоминает состояние ячейки после того как напряжение извне больше не подается, и блокирует ее до новых прямых указаний. Такие TN-матрицы применяются по сей день, причем они являются наиболее распространенными из-за относительной простоты производства и дешевизны. Кроме того, среди современных типов матриц они зачастую обладают наименьшим временем отклика, поэтому бывают востребованными публикой, падкой на этот параметр. Дальше идут недостатки, которые очень медленно и мучительно сглаживаются производителями: При подаче максимального напряжения крайне сложно поставить молекулы строго перпендикулярно поляризационным фильтрам, поэтому черный цвет оказывается белесым. А чем выше уровень черного, тем ниже контрастность. Прогресс в изживании недостатка движется: за последние годы отношение контраста TN-матриц заметно (в разы) увеличилось. Если какой-либо элемент выходит из строя (сгорает транзистор), то на его месте остается ярко горящая дырка. Эта неприятность, похоже, неустранима в рамках технологии. Небольшие углы обзора. Здесь улучшения в последнее время налицо - в горизонтальном направлении углы можно назвать приемлемыми, хотя при взгляде сверху, снизу и, особенно, по диагонали перепады остаются существенными. Жутковатая цветопередача. На последнем пункте хотелось бы заострить внимание, поскольку он был существенным толчком к дальнейшему развитию ЖК-технологий. Подавляющее большинство TN-матриц - 18-разрядные, поэтому выводить 24-битный или, того пуще, 32-битный цвет они по природе не в состоянии. Недостающие цвета воспроизводятся хитрым финтом: при помощи технологии FIC (Frame Rate Control), которая попеременно, кадр за кадром выводит оттенки, в среднем дающие требуемый. Человеческий глаз из-за своей инертности не успевает ухватить суть происходящего и обманывается. Или нет. Конечно, современные FIC-алгоритмы, стали на порядок лучше старых опытов, да и матрицы пошустрели, но все же проблема цветопередачи остается одной из ключевых.
Принцип действия IPS-матриц Как бы то ни было, благодаря своей доступности TN+Film завоевала себе львиную долю рынка ЖК-панелей. Практически все 15-дюймовые и большинство 17-дюймовых мониторов работают на этой технологии. Сейчас технология является наиболее распространенной (а следуя логике капитала - универсальной) для бытового и офисного применения. IPS и S-IPS Не вожделев вытягивать зубами грузовик проблем TN-матриц, компании Hitachi и NEC предприняли попытку создать альтернативу, которая впоследствии оказалась весьма успешной, но дорогой. Впрочем, свою нишу она все же нашла. Название IPS (In-Plane Switching, в девичестве - Super TFT) отражает суть нововведения: оба электрода здесь расположены на одной подложке. Молекулы жидких кристаллов здесь не скручиваются в спираль, а поворачиваются на 90 градусов единой плоскостью, всегда перпендикулярной плоскости экрана. Замечательным преимуществом IPS и последовавших бесчисленных усовершенствований (главное из них S-IPS) является тот факт, что экраны выдают четкий черный цвет в результате полного блокирования света перпендикулярными поляризационными фильтрами. Загорание субпиксела происходит не при отсутствии напряжения, а при его наличии; дохлые же точки черны, как смоль. IPS-панели обеспечивают отличную цветопередачу и имеют широкие углы обзора (в силу особого расположения молекул ЖК) - порядка 170 градусов. Однако, отличное решение одних проблем привело к осложнениям с другими (и без того не идеальными, но хотя бы приемлемыми) параметрами TN: Ни выдающейся яркости, ни контрастности IPS-матрицы не демонстрируют из-за большей площади, ссуженной электродам. Они потребляют много энергии, отчасти из-за необходимости установки мощной лампы (чтобы свет прорывался сквозь лес электродов), отчасти из-за большего, чем у TN числа транзисторов на каждый субпиксел. Это ограничивает их использование в ноутбуках. Время отклика у IPS обычно выше, чем у TN, особенно при переходах между близкими состояниями яркости элемента. Дорого. Законная ниша матриц IPS (плюс S-IPS, а также A-SFT, SA-SFT, которые продвигает компания NEC) - мониторы для профессиональной работы с изображениями диагональю от 19–20 дюймов и выше. Если цена на IPS в будущем упадет до приемлемых пределов (желательно, вместе с временем отклика), сфера их применения, естественно, значительно расширится. MVA и PVA Следующая технология, MVA, разработанная Fujitsu как артифицальный амфидиплоид (в смысле искусственный гибрид) TN и IPS, должна была раздать всем сестрам по серьгам, обещала разрешить проблемы, сопутствующие описанным выше типам матриц. (Fujitsu больше не занимается разработками MVA-матриц, права на технологию проданы корпорации AU Optronics). MVA обеспечивает широкие углы обзора (160 градусов в обоих направлениях), замечательную контрастность и глубокий черный цвет. При перегорании элементы, как и в случае IPS, чернеют. Цветопередача лучше, чем у TN, а скорость отклика пикселов была заявлена в 25 мс и ниже. MVA расшифровывается как Multi-Domain Vertical Alignment, это усовершенствованная версия ранней разработки Fujitsu - VA, поэтому сначала обратимся к ней. Интересная особенность здесь в том, что молекулы жидкого кристалла здесь организуются не параллельно к плоскости экрана, как у TN и IPS, а перпендикулярно к ней. Пока нет разности потенциалов между электродами, молекулы выстроены между фильтрами, словно гвозди, набитые в ложе йога и прикрытые простыней. Свет не проходит, поскольку плоскости поляризации фильтров ортогональны. Когда появляется поле, кристаллы дружно наклоняются в сторону, меняя вектор поляризации. Свет проходит в нужном количестве, которое регулируется углом наклона. Существенный недостаток такого способа - угол обзора невероятно мал. Если посмотреть сбоку вдоль "гвоздей", свет будет быстро чернеть. Если посмотреть с другой - наоборот, белеть.
Технология VA вверху и схематическое пояснение ее главного недостатка, выражающегося в ограниченном угле обзора. Ниже - принцип действия MVA. Вот эту-то проблему и решила MVA, разрубив, как гордиев узел, каждый субпиксел на домены. Подложки здесь не плоские, а поделенные выступами на два или четыре домена. Все домены переключаются одновременно и одинаково, но "гвозди" в них наклоняются в противоположных направлениях. Таким образом, при, например, половинном включении (средний серый), если посмотреть с любого края, половина молекул ЖК будет повернута боком (свет), а половина острием (тьма). По центру все молекулы будут иметь одинаковый половинный наклон (хотя и в разные стороны), то есть пропускать половину света. Изящно придумано, правда? Великие надежды разбились о великие разочарования - чрезмерное время отклика и высокую цену. И если последнее со временем из-за эффекта масштаба рассосалось бы, то первое - настоящая беда. В цифрах все смотрится красиво - даже 25 мс вроде бы должны означать приемлемую динамику. Но это цифра, полученная в результате измерений full on/full off, а всю свою подлую сущность технология показывает именно на переключении между близкими состояниями (уровнями серого), которое в этих цифрах никак не отражено. Зато оно лучше некуда отражено в реальности - при просмотре теле/видео, в гоночках-шутерах. Вердикт вынесла сама невидимая рука призрака Адама Смита, звенящего цепями по европам с америками: маленькие тиражи, большие диагонали, специальное применение - работа с фотографиями (цветопередача все же на уровне, хотя, уступает S-IPS из-за странного поведения при взгляде строго по центру), возможно, офисная работа. Во всяком случае, для домашнего мультимедийного монитора MVA не годится (пока?), да и очень уж недешево... Что же касается PVA (Patterned Vertical Alignment) - то это эквивалент MVA, предложенный и продвигаемый фирмой Samsung. Здесь все те же достоинства и недостатки, поэтому бессмысленно отдельно описывать эту технологию. На диете Распространение ЖК для настольных дисплеев предварялось их использованием в ноутбуках, и это направление развития до сих пор остается одним из самых важных. Можно увидеть здесь курьез, но общее качество изображения у панелей для ноутбуков заметно ниже, чем у настольных мониторов. Тут есть специфические проблемы, главная из которых - нужда в оптимизации энергопотребления, поскольку экран является одной из самых "жрущих" деталей ноутбука. Надежды на прогресс в этой области связаны со сравнительно новой технологией - LTPS (Low Temperature Poly Silicon, низкотемпературный поликристаллический кремний, p-Si), которая более эффективна, чем традиционная (с использованием аморфного кремния, a-Si). Поликристаллическим кремнием называется материал, состоящий из большого числа микроскопических (от 0,1 до нескольких микрон) кристаллов кремния. Обычная технология его изготовления при производстве полупроводников состоит из двух этапов - химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении (LPCVD) и кристаллизации твердой фазы (SPC). При этом второй процесс (отжиг) проходит при температурах выше 900 °С, что неприемлемо при производстве ЖК-панелей, поскольку температура плавления стекла примерно на треть ниже. (Можно использовать кварцевую подложку, но при сколько-нибудь больших диагоналях - это зверски дорогое развлечение). Ясно, что взамен второй фазы необходимо каким-то хитрым способом извернуться и кристаллизовать кремний при такой температуре, когда стекло еще не плавится. Назовем три из них - MIC, Cat-CVD и ELA. При технологии MIC пленка перед отжигом металлизируется, что позволяет кристаллизовать кремний при температурах порядка 500 °C. Технология Cat-CVD позволяет осаждать на подложке уже кристаллизованный кремний (температура - около 300 °C). Наконец, самый распространенный метод - ELA (лазерный отжиг). Здесь аморфный кремний с пониженным содержанием водорода расплавляется эксимерным лазером и после этого кристаллизуется (температура - около 400 °C). LTPS чрезвычайно важен и для OLED-панелей, которым сулят фантастические перспективы в качестве альтернативы ЖК. Помимо рассмотренных способов производства LTPS в настоящее время испытываются и другие; основное направление разработок - поиск недорогой технологии, позволяющей создавать большие ЖК-панели. Дело в том, что подвижность электронов в тонкопленочных транзисторах на LTPS (200 кв. см/В·с) значительно выше, чем в TFT на аморфном кремнии (0,5 кв. см/В·с). Это позволяет уменьшить площадь управляющих транзисторов. При этом повышается апертурный коэффициент субпикселов (возрастает полезная площадь). Следовательно, панель может обеспечивать либо большую яркость при той же мощности ламп, либо понижать затраты энергии. Дополнительный выигрыш в экономии энергии сам собой проистекает еще и из-за уменьшения физического размера транзисторов. Кроме того, с LTPS появляется возможность встраивать управляющие интегральные схемы непосредственно на подложку ("System-on-Panel"), из-за чего ощутимо сокращается количество внешних контактов (примерно с 4000 тысяч до 200), уменьшаются размеры и вес панелей, а в перспективе - повышается надежность и снижается цена. Наконец, мелкие транзисторы позволяют легко уменьшить размер ячеек, что создает неплохой задел для будущего увеличения разрешения. Вся эта прелесть покуда отравляется горькой приправой - высокой ценой. Однако производство LTPS-панелей стабильно налаживается, и стоит ожидать в ближайшие годы стремительного захвата (сверху) новой технологией рынка ЖК-панелей, по крайней мере, для ноутбуков. LTPS прямо или косвенно продавливается такими организациями как Standard Panels Working Group и Mobile PC Extended Battery Life Working Group, которые все ужесточают и ужесточают рекомендации по энергопотреблению панелей. Есть и другая загвоздка, мешающая панелям для ноутбуков конкурировать на равных с "настольными" - жесткие требования к компактности. Как правило, ее толщина не превышает 7 мм, а это затрудняет равномерное распределение света по поверхности, задачу и без того непростую - ведь в целях экономии энергии лампа у ноутбуков обычно одна. Заключение Недостатков у жидкокристаллических панелей хоть отбавляй. Рассчитывать на скорое окончательное решение всех проблем посредством какой-то чудо-технологии не приходится. Разработчикам и производителям предстоит выстоять затяжную битву за каждый миллиметр территории по всем направлениям - улучшению контрастности, цветопередачи, углов обзора… Призвав пророческий дар (ох, неблагодарное занятие!), можно попробовать предположить путь, который впоследствии приведет к "идеальному монитору" будущего: S-IPS со значительно уменьшенным временем отклика и увеличенной контрастностью, построенный на усовершенствованной технологии LTPS (у современной остаются проблемы с большими диагоналями).
