Историја открића течних кристала
Вероватно ћете бити изненађени када сазнате да су течни кристали откривени током истраживања биљака. Спровео их је аустријски ботаничар Фриедрицх Реинитзер 1888. године. Научници су открили супстанцу кристалне структуре, која се загревањем понашала аномално, уништавајући постојеће стереотипе теорије о три стања материје: чврстом, течном и гасовитом. Чињеница је да је Аустријанац имао две тачке топљења и, сходно томе, две различите течне државе - мутну и провидну. Када је температура достигла 145,5 ° Ц, ова супстанца се знатно замутила и постала готово течна, али само до 178,5 ° Ц кристална структура није претрпела никакве промене, али се након прекорачења овог показатеља ипак претворила у течност. Реинитзер је своје невероватно откриће поделио са својим колегом, немачким физичаром Отоом Леманом. Научник је наставио своје истраживање и открио још једно врло радознало својство супстанце. Испоставило се да је ова „псеудо-течност“ имала својства кристала, манифестујући се на сличан начин у електромагнетним и оптичким експериментима. И мада се Реинитзер с правом сматра откривачем и врстом оца, али име „течни кристал“, које се касније залепило, дао је Лехманн.
Позивајући се на технички речник, проналазимо следећу дефиницију појма „течни кристал“. ЛЦ („течни кристал“) је фаза у којој се супстанца налази између врло чврстог и практично изотропног (течног) стања (мезофазе). Другим речима, у овој фази супстанца стиче значајну флуидност, задржавајући истовремено стабилност и кристалну структуру распореда молекула у широком температурном опсегу.
Скоро век је ово откриће игнорисано, јер је само јединствени природни феномен. Међутим, све се променило 1963. године, када је Американац Ј. Фергусон успео да примени необична својства течних кристала. Говоримо о способности супстанце да мења боју под утицајем температуре - да открива термичка поља невидљива голим оком. Након добијања патента за проналазак, интересовање за течне кристале нагло је порасло.
Већ 70-их година прошлог века, позната компанија Радио Цорпоратион оф Америца представила је први те врсте монохроматски ЛЦД екран, након чега је иновативна технологија почела да привлачи све више и више интересовања произвођача потрошачке електронике, посебно ручних сатова и елегантних калкулатора. Али о изгледу екрана у боји још увек није било речи.
Принцип рада екрана са течним кристалима
Суштина рада матрица течних кристала лежи у таквом својству светлосног флукса као што је поларизација, односно неједнакост различитих праваца ширења светлосног таласа у равни. Једноставно речено, светлост је као расута у свемиру. Свима нама позната светлост је неполаризована, јер амплитуде свих њених таласа леже у равнинама. Али постоје и супстанце (поларизатори) које су у стању да усмере светлост која пролази кроз њих у само једној равни.
Ако узмемо у обзир принцип рада матрице ЛЦД-а, онда то генерално изгледа овако. Постављањем 2 поларизатора тако да су њихове равни поларизације једна под другом под правим углом (90 °), обезбедићемо да светлосни таласи не могу проћи кроз ове супстанце. Међутим, ако између њих поставимо нешто што може ротирати вектор поларизације светлости под потребним углом, тада ћемо моћи да контролишемо његову осветљеност, угасимо и запалимо светлост како желимо.У наставку ћемо детаљније размотрити примену овог принципа у различитим врстама матрица.
У донекле поједностављеној верзији, ЛЦД матрица има следећу структуру:
* позадинско осветљење лампе (халогена);
* за равномерно осветљење - сет рефлектора и полимерних водилица светлости;
* поларизациони филтер;
* плоча-подлога (стакло), на коју су нанети контакти;
* течни кристали;
* други поларизатор;
* још једна подлога са контактима.
Структура ЛЦД матрице
Будући да се сваки пиксел у матрицама боја састоји од тачака црвене, зелене и плаве боје, постало је функционално неопходно додати додатни филтер у боји. Свака јединица времена, једна од три матричне ћелије које чине пиксел је укључена или искључена. Комбиновањем ових положаја успели смо да добијемо различите нијансе боја, а истовремено укључивањем сва три елемента видећемо белу.
Генерално се све матрице деле на пасивне (једноставне) и активне. Главна разлика између њих је што се процес контроле активности у пасивним матрицама дешава „пиксел по пиксел“, тј. редом од ћелије до ћелије у низу. Главни проблем у производњи екрана са течним кристалима помоћу овог технолошког поступка је што се, истовремено са повећањем дијагонале екрана, растојања дуж којих се струја преноси кроз проводнике до сваког пиксела повећавају. Као резултат, током времена док електрично пуњење не достигне последњи пиксел, први има времена да се напуни и угаси. И друго, са повећањем дужине проводника, ниво потребног напона се такође повећава, што доводи до повећања буке и сметњи. Ово драстично смањује квалитет слике и тачност боја. С тим у вези, пасивне матрице се углавном користе за екране мале дијагонале који не захтевају велику густину приказа.
Резултат истраживања био је проналазак нове технологије, која је данас надалеко позната под скраћеницом ТФТ (танкослојни транзистор), што значи транзистор танког филма. Ова технологија је драматично смањила време одзива матрице, чинећи доступним велике дијагонале екрана. Суштина конструктивне разлике између активних матрица је у томе што су транзистори повезани са сваком ћелијом матрице одвојено и, изолирани једни од других, могу створити поље по пријему одговарајућег сигнала из центра логике - матрице возач. Да би ћелија могла неко време да задржи примљени набој, додаје јој се мали кондензатор који служи као нека врста складишног капацитета.
Врсте матрица
Давне 1973. године представљена је прва, са најпримитивнијом производном технологијом, матрица названа ТН (Твистед Нематиц). Главна карактеристика нематских кристала је да се они нижу један за другим и чине спиралу у матрици. Први кристал у спирали се увек налази у истој равни. То се постиже применом посебних удубљења на стакленим подлогама, захваљујући којима кристали заузимају жељени положај. Последњи кристал је уграђен у сличну подлогу са удубљењем, која се (подлога) налази под углом од 90 ° у односу на прву. Сви остали кристали смештени између ове две линије нижу се један за другим, повезујући се у спиралу. Електроде су повезане са свих крајева спирале, које стварају електрично поље које утиче на распоред кристала. У недостатку потоњег, течни кристали се ротирају један према другом за 90 ° у хоризонталној равни између две плоче. У овом случају, први поларизатор се налази у истој равни са другим поларизатором, усмеравајући тако осу поларизације у једну заједничку раван за два поларизатора. Дакле, све три су у потпуности осветљене и на екрану се формира бели пиксел. Нанесите напон на електроде, спирала почиње да се смањује.Постигавши највишу вредност напона, кристали се постављају тако да не ротирају поларизовану светлост, а апсорбује је други поларизатор. Ово чини црну тачку. Варирајући напон, мењамо положај кристала тако да само део поларизоване светлости пролази кроз филтере, чиме се добијају градације (нијансе сиве).
Међутим, због особености ТН технологије, јасно формирање нијанси је веома проблематично, а до сада су тачна репродукција боја и контраст потпуно нерешени проблем ове врсте ЛЦД матрице.
Још један недостатак првих ТН-матрица били су минимални углови гледања под којима пренос боја није био изобличен. Решење овог проблема био је додатни слој (филм) у облику посебног филма, који је постављен на врх матрице, проширујући тако угао гледања. Данашње ТН матрице пружају природну слику са углом гледања од приближно 100-120 ° хоризонтално. Ситуација је много гора са вертикалним угловима гледања.
Специфична карактеристика ТН-а је и чињеница да је положај пиксела када је напон искључен бела. У овом случају, чим тачкасти транзистор изгори (тзв. Сагоревање пиксела), на екрану се појављује јарко ужарена тачка. А с обзиром на чињеницу да је изузетно тешко постићи апсолутно тачно постављање течних кристала, готово је немогуће постићи јасан приказ црне боје у ТН матрицама.
Да би се смањила брзина реакције пасивних матрица, створена је технологија СТН (Супер Твистед Нематиц). Лежи у чињеници да је угао између нормале фронта посебног светлосног таласа и угла директора молекула течних кристала (ово је научно име претходно поменутих жлебова) на стакленим подлогама већи од 200 ° ( подсетимо да је у конвенционалној ТН матрици овај угао 90 °). Резултат таквих манипулација био је нагли пораст брзине преласка између екстремних стања. Али новчић има и недостатак. Постигавши тако позитиван ефекат, програмери су морали да жртвују стабилност, а сада у новим матрицама са СТН технологијом постаје изузетно тешко контролисати кристале у средњим положајима. Експерименти су показали да су кристали били мање или више стабилни под угловима између жлебова у подручју од 210 °. Међутим, и овде је било неких ексцеса. Оштри инжењери покушали су да елиминишу овај проблем и развили су технологију названу ДСТН - Дуал-Сцан Твистед Нематиц. Ова технологија се заснива на подели екрана на два одвојена дела, од којих се сваки контролише одвојено. Поред чињенице да је брзина преноса сигнала повећана употребом ДСТН-а, истакнута је и предност ове технологије у изравнавању изобличења у боји. Међутим, његов значајан недостатак била је велика тежина и висока цена.
Сумирајући средњи резултат, истакнимо предности и недостатке ТН + филмских матрица (узимајући у обзир све модификације) за данас:
Предности:
* велика брзина пребацивања ћелија;
* ниска цена и цена;
* најмање време одзива међу модерним матрицама;
Мане:
* прилично низак квалитет преноса боја;
* критично мали углови гледања;
* врло низак контраст.
Због ниских трошкова технологије, већина данас произведених ЛЦД монитора са најпопуларнијом дијагоналом од 17 инча направљена је на бази ТН + филма. Али у великој мери за корисника који је незахтеван према квалитету слике нема разлога за бригу, јер су екрани произведени на бази ове технологије сасвим погодни за свакодневни рад.
Заснован је на открићу Гунтхера Баура, које је он направио 1971. године. У почетку је развијена технологија названа Супер-ТФТ, али касније, током комерцијализације, названа је ИПС (Ин-Плане Свитцхинг). Карактеристична карактеристика нове технологије компаније ТН био је распоред кристала: они сада нису били увијени у спиралу, већ су били постављени паралелно једни другима дуж равни екрана.Обе електроде се налазе на доњој стакленој подлози. Дакле, у одсуству напона на електродама, светлост не пролази кроз други поларизациони филтер чија је поларизациона раван окомита на прву и као резултат тога ИПС пружа знатно бољи контраст и природну црну боју (а не тамно сива као у ТН). Штавише, углови гледања су се такође повећали и сада су 170 ° и хоризонтално и вертикално.
Међутим, са ИПС-ом није све тако „слатко“. Нова технологија ковања такође није без недостатака због својих предности.
Прво, треба дуго времена да се ротира читав низ паралелних кристала. То значи да је време одзива екрана са ИПС технологијом, као и његов еволутивни наставак С-ИПС (Супер-ИПС) и ДД-ИПС (ДуалДомаин-ИПС), веће од времена ТН + филма и у просеку износи 35-25 мс .
Друго, монитори засновани на ИПС матрицама повећали су потрошњу енергије. То је због распореда електрода које се сада уклапају у једну подлогу и захтевају одговарајући већи напон.
Треће, да би овај панел био довољно „осветљен“ и истовремено обезбедио довољну осветљеност пикселске слике, потребне су врло моћне лампе.
Можда најважније, ови панели су много скупљи и не тако давно могли су се наћи само на мониторима са великим дијагоналама.
Као резултат, монитори засновани на матрицама са ИПС технологијом идеалан су избор за дизајнере и друге професионалце у областима у којима је квалитет боја важан, а брзина пребацивања ћелија није толико значајна.
Почетком 90-их година прошлог века коначно је било јасно да барем није рационално бавити се недостацима ТН + филма, а повећати брзину С-ИПС-а било је потпуно нереално. Стога је Фујитсу 1996. године кренуо у развој нове технологије назване ВА (вертикално поравнање). Али ова технологија није могла да се користи у комерцијалне сврхе, а као резултат њеног усавршавања настао је МВА (Мулти-Домаин Вертицал Алигнмент).
У новим матрицама, као у ИПС-у, кристали се налазе паралелно један према другом и налазе се под посебним углом од 90 ° у односу на други филтер, услед чега светлосни ток не пролази кроз други и у потпуности га апсорбује то. Као резултат, добијамо црну тачку на екрану. Окретањем кристала применом напона добијамо светлосни (бели) пиксел.
МВА је развијен за борбу против недостатака првих ВА-матрица, чија је суштина била оштра промена боје ћелије приликом промене хоризонталног угла гледања. Да бисте јасније разумели овај феномен, замислите да су кристали ротирани за 45 ° и показују светло црвену боју. Помичући се у страну, повећавамо угао гледања и видимо већ засићенију црвену боју. Прелазећи на другу страну, видећемо како боја одлази у супротни део спектра и постаје зелена. Решење проблема уз помоћ МВА лежало је у значајној компликацији поларизационих филтера. Поред тога, на стаклену подлогу почели су да се наносе необични троуглови, за разлику од типичних равних електрода које су се до тада користиле у другим врстама матрица.
Са искљученом струјом, све је једноставно - кристали се поређају окомито на подлогу и потамне од другог поларизационог филтера тако да ће црна боја бити видљива са свих страна. Када је струја укључена, кристали се ротирају за потребни угао променом примењеног напона и помера се вектор поларизације светлости. Али цела потешкоћа је у томе што је овај угао између равни електроде и кристала. А да бисмо видели неизобличену боју, присиљени смо да гледамо под углом тако да можемо видети само једну зону у којој се кристали налазе у исправном положају. У овом случају, друга зона неће бити видљива.
Као што разумете, такво решење у великој мери компликује дизајн и филтера поларизатора и самих плоча, јер сада свака тачка на екрану мора бити дуплирана за две зоне.
МВА такође није савршен и има своје недостатке. На пример, нова технологија никада није успела да постигне ТН у смислу времена одзива. У исто време, ова карактеристика у МВА више није толико критична као у ИПС матрицама и износи око 8 мс. Контраст и осветљеност су такође знатно бољи од С-ИПС-а, достижући однос 1000: 1. Приказивање у боји МВА матрица укршта се између изузетно незадовољавајућих индикатора ТН и супер високог квалитета у С-ИПС матрицама (оптимално за озбиљан рад са штампањем и дизајном).
Технологија МВА настављена је у облику технологије назване ПВА, коју је развио Самсунг, а која није била шкрта пристајући да Фујитсуу плати тантијеме. Али није дошло до кардиналних промена. Једина значајна разлика био је повећани контраст, што је у ствари такође позитиван резултат за потрошаче.
Поређење главних типова ЛЦД матрица
Параметри ЛЦД монитора
Када бирају монитор, многи корисници погрешно верују да је време одзива ћелије једна од најважнијих метрика, те стога ТН + филм доминира извештајима о продаји. Међутим, то далеко није случај, и већина купаца у великој мери греши узимајући у обзир само једну карактеристику. Када бирате одређени модел монитора, препоручујемо свеобухватан приступ упоређивањем свих карактеристика монитора.
Време одзива (реакција)
Време реакције (мерено у милисекундама (мс)) - одређује брзину промене стања ћелија екрана, тј. време током којег ћелија панела са течним кристалима мења боју, што утиче на приказивање динамичних слика (филмови, игре). Овај индикатор се мери на два начина: као време преласка из црне у белу и назад (црна у црну или тр + тф) и између сивих тонова (сива у сиву или Г-2-Г). Вредности истог монитора за ове две методе ће се у великој мери разликовати (2-3 пута). Размотримо ове технике детаљније.
Друга техника мери брзину промене сиве скале применом знатно нижег напона на ћелију да би кристал поставила у жељени положај да би се добила жељена скала сиве. Као резултат, троши се много више времена. Времена одзива за другу технику варирају унутар 16 мс - до 27-28 мс.
Не тако давно појавили су се први модели монитора у којима је овај проблем нашао потпуно логично решење. Суштина идеје је напајање наизменичним напоном. На ћелију се примењује максималан напон (или га уопште нема) и у правом тренутку се напон потребан за постављање кристала у одређени положај тренутно испоручује. Сложеност овог поступка лежи у врло прецизном прорачуну потребног напона са фреквенцијом која премашује фреквенцију замаха, као и времену његовог напајања.
У зависности од резултата индикатора, време одзива данас су сви монитори подељени у 4 групе: Мање од 4 мс - врло брзи монитори; 5-8 мс - брзи монитори; 12-18 мс - средњи, универзални модели; 20 мс или више - монитори нису намењени за динамичку графику.
Контраст
Овај индикатор карактерише максимални однос осветљености беле и црне боје матрице са истим интензитетом позадинског осветљења. Другим речима, што је више беле боје превише преекспонирано и што је нижа осветљеност црне боје, то је већи контраст. Што је већи контраст, то су боје светлије, а слика изгледа оштрије и богатије. Овај индикатор се мери у односу беле према црној и у карактеристикама монитора је следећа, на пример: 800: 1, тј. осветљеност беле матрице - 800 цд / м², црне - 1 цд / м². Односи контраста од 3000: 1 су већ доступни.
Међутим, вредностима наведеним у карактеристикама монитора треба веровати са малом корекцијом, пошто ова вредност се израчунава директно за матрицу, а не за монитор. Мерења се врше на посебном постољу, где се позадинско осветљење матрице напаја строго стандардним напоном.
Осветљеност
Осветљеност се мери у цд / м² (цд / м²). Одређује сјај пренете слике, засићеност слике у играма и гледање видео записа. Што је већа снага позадинског осветљења, већа је и осветљеност. Данас већина монитора користи ЛЕД позадинско осветљење, које је у стању да обезбеди бољу уједначеност сјаја, а такође трошење минималне количине електричне енергије омогућава вам активну употребу алгоритама за повећање динамичког контраста.
Углови гледања
Мерено у степенима. Максималне вредности које се данас могу наћи су 178 ° / 178 °. Треба имати на уму да су углови одређени у центру матрице, а углове у почетку гледамо под углом. За угодан рад, контраст слике не би требало да падне испод 10: 1. У овом случају, предаја боја игра последњу улогу у овом положају, чак и ако су боје изобличене.
Приказ боја
Пре него што је прекорачено ограничење од 25 мс при пребацивању ћелија црно-бело-црном техником, све ТН матрице су приказивале искрену 24-битну боју. Међутим, у трци брзина, приказивање боја постало је жртвом АУ Оптроницс-а, који је одлучио да баци поштену 24-битну боју. Све матрице ТН + филма, почев од брзине од 16 мс, пружају само 262 хиљаде нијанси (18 бита).
Да би се повећао број могућих нијанси, изумљене су 2 методе: растварање (мешање тачака са различитим бојама) или промена боја ћелија сваки пут када се слика освежи (Фраме Рате Цонтрол, ФРЦ). Потоњи метод је прогресивнији, јер брзина кадрова не дозвољава људском оку да ухвати промену боје на сваком кадру. Али морамо резервисати да се ово односи само на ТН + филм. Други типови матрица подржавају потпуну 24-битну репродукцију боја
Перспективе
Упркос свим достигнућима на пољу матрица течних кристала, њихово даље побољшање није заустављено. Програмери нових технологија морају решавати све више и више нових проблема. Дакле, када се дијагонала екрана повећава, јављају се проблеми са постављањем огромног броја транзистора на стаклену плочу. Извршивши неке незгодне прорачуне, откривамо да је за стандардну резолуцију 15-инчног монитора (1024к768 пиксела) потребно поставити 786.432 пиксела на екран. Узимајући у обзир да сваку тачку чине 3 пиксела различитих боја, добијамо број од око 2,35 милиона. То је број транзистора који треба да се поставе на монитор ове резолуције и дијагонале.
Добијање ове густине на стаклу није лак задатак. Стога дизајнери морају пронаћи нове материјале и методе за производњу транзистора. Једно од ових решења била је употреба кристалног силицијума за стварање транзистора, који су се донедавно производили на аморфном силицијуму и били су ограничени у корисном подручју, а такође су захтевали прилично високе напонске вредности.
Тешкоћа у коришћењу кристалног силицијума је у томе што су за његово таложење потребне високе температуре (око 900 ° Ц) које премашују тачку топљења стакла. Да би се решио овај проблем, развијено је неколико технологија које омогућавају таложење молекула силицијума на релативно ниској температури. Најраспрострањенија метода је ласерско жарење. Ова метода се заснива на топљењу аморфног силицијума нанетом на стакленој подлози помоћу екцимер ласера.
Мобилност електрона у кристалном силицијуму је 400 (!) Пута већа него у аморфном силицијуму, што омогућава смањење величине самог транзистора. Штавише, кристална структура силицијума омогућава постављање логике покретачког панела директно у сам кристал.Као резултат, добијамо Систем он Панел панеле, са смањеним бројем контаката са 4000 на 200 и знатно мањом тежином од традиционалних, које је много лакше интегрисати у монитор. Све ове предности значајно смањују потрошњу електричне енергије панела.
У нашој продавници постоји огроман број производа који користе течне кристале !!!
