Новые телевизоры

Чтобы избежать появления в изображении  на плазменном экране артефактов и  мерцания, связанных с ШИМ модуляцией, применяются изощрённые методы нелинейной импульсной модуляции с равномерным "размазываем" стимулов яркости  по всему полю экрана.

К сожалению, полностью избавиться от мерцания на плазменных панелях  не удаётся, особенно во время просмотра  с близкого расстояния. Так что  картинка на плазменном телевизоре больше, но и сидеть от экрана придётся дальше. Следовательно, большего погружения в  фильм не получится.

Кроме того, у пикселей плазмы выгорает люминофор. На ЭЛТ-мониторе при долговременном выводе одной и той же картинки, она станет заметна на экране. После этого даже при смене картинки предыдущая будет видна, как будто она выгравирована на экране. Этот феномен связан с преждевременным старением люминофоров. Если они постоянно работают, то люминофоры стареют и становятся менее эффективными. Так как плазменные дисплеи тоже используют люминофоры, они выгорают точно так же, как и трубки телевизоров.

Впрочем, при стандартных условиях эксплуатации телевизора проблем возникнуть не должно, так как картинка на экране постоянно меняется, и пиксели  стареют, более-менее, одинаково. Но для  некоторых бизнес-применений (экран в магазине) могут возникнуть проблемы. Например, если на экране отображается один и тот же канал в режиме 24/7, то на нём могут выгореть пиксели логотипа (МТВ, НТВ и т.д.) - ведь они отображаются почти в каждом кадре. То же самое относится и к рекламным экранам, когда на них долго демонстрируется какая-либо картинка.

Именно этот феномен и ограничивает срок службы плазменных дисплеев. Несмотря на слухи, плазменные панели не "текут" и их не надо подзаряжать. Но люминофоры стареют, и с этим, к сожалению, ничего не поделаешь. Что ещё хуже, не все сцинтилляторы стареют  одинаково: синий канал всегда выгорает раньше (хотя, надо сказать, ситуация сегодня  намного улучшилась по сравнению  с первыми плазменными панелями).

Наконец, отметим ценовой фактор: плазменные дисплеи довольно дороги. И здесь следует учитывать  не только себестоимость самих панелей, которые трудно производить, но и  то, что электроника панелей требует  высоковольтных полупроводниковых  схем, которые работают на пределах возможностей материалов. Контрольные  цепи электродов должны выдерживать  несколько сотен вольт на высоких  частотах. Одним из последствий высоких  напряжений является энергопотребление  плазменных дисплеев, которое всегда выше, чем у ЖК-мониторов. Например, 42" (107 см) плазменный дисплей потребляет 250 Вт или даже выше, а ЖК-панель с той же диагональю будет потреблять всего 150 Вт.

Применения плазменных панелей

Плазменные панели чаще всего встречаются  в высококачественных видеосистемах  большого формата. Их большой размер и хорошее качество картинки прекрасно  подходят для просмотра DVD или телевидения  высокого разрешения. Плазменные панели традиционно позиционируются на high-end сектор рынка, где проблемы высокой цены, старения люминофора и высокого энергопотребления вторичны по сравнению с качеством. Хотя, надо сказать, последние поколения ЖК-телевизоров начали вытеснять "плазму" и с этого рынка.

Если заглянуть дальше в будущее, то вполне очевидно, что ЖК будут "отъедать" рынок плазменных панелей, поскольку  их диагональ продолжает увеличиваться. И причина проста: по мере наработки  технологии производить ЖК-панели становится проще, да и стоят они дешевле.

Если ситуацию не изменят какие-либо инновации, плазменные панели останутся  прерогативой специфических сфер использования, когда нужно выводить очень большую  картинку для просмотра с большого расстояния, что сильно сужает область  использования.

Проблема мерцания плазменных панелей  также объясняет, почему эта технология мало подходит для компьютерных мониторов.

Технология ЖК

Перспективная технология

Понятие "жидкие кристаллы" относится  не прошлому, а к позапрошлому веку - оно появилось ещё в 1889 году! И причём не в электронике, а в  ботанике. В электронику жидкие кристаллы  пришли только в 1963 году, когда ими  заинтересовалась RCA и начала работу с DSM-эффектом динамического рассеяния  в ЖК. В 1969 году Джеймс Фергюссон (James Fergason) обнаружил эффект скручивания жидких кристаллов-нематиков (twisted nematic effect, TN effect). Фергюссон работал в Кентском университете и патент на твист-нематические кристаллы он получил в 1971 году совместно со специалистами известной фирмы Hoffman La Roche, мирового производителя 90% всех ЖК-материалов. Это открытие было фундаментальным, поскольку многие ЖК-дисплеи используют принцип вращения кристалла в плоскости поляризации (Надо отметить, есть и другие принципы и эффекты. В частности, Kent Display выпускает ЖК-дисплеи на холестерических ЖК.) В 1973 году Джордж Грей (George Gray) изобрёл бифениловый (biphenyl) жидкий кристалл, который стабильно работал в условиях нормального давления и температуры. Ещё в 1986 году NEC выпустила первый портативный компьютер с ЖК-дисплеем (LCD, Liquid Crystal Display). В 1995 году диагональ ЖК-панелей превысила 28" (71 см).

ЖК-мониторы приобрели свою зрелость благодаря портативным бытовым устройствам и телевизорам. Первый цветной телевизор ЖК в часах был сделан фирмой Casio ещё в 1981 году! Потом, в течение 12-13 лет все старания фирм в данной сфере крутились в сфере портативных телевизоров. А уже в начале 90-х их стали потихоньку продвигать в компьютеры. Определённые качества могут рано или поздно привести к тому, что ЖК-дисплеи займут лидирующее положение и в этой области.

Принцип работы ЖК.

Основное различие между технологиями плазмы и ЖК состоит в том, что  пиксели ЖК-панели, сами по себе, свет не излучают. И все качества и недостатки этой технологии автоматически выходят из этого ключевого принципа.

Как и в других технологиях, пиксель  ЖК-панели состоит из трёх суб-пикселей основных цветов. Но принцип работы в данном случае довольно интересен: кристалл не излучает свет, но работает в качестве переключателя, именно поэтому ЖК-панелям всегда нужна подсветка (либо отражённый свет, который тоже может использоваться). Свет, излучаемый подсветкой, проходит через жидкий кристалл, а затем и окрашивается цветовым фильтром (если быть точным, то фильтр просто не пропускает ненужные цвета спектра, поглощая до 75% света). Каждый суб-пиксель имеет одинаковое строение и отличается только цветовым фильтром. Жидким кристаллом каждого суб-пикселя можно управлять как клапаном. В зависимости от угла поворота, через кристалл проходит больше или меньше света, в результате чего каждый пиксель даёт то или иное количество красного, зелёного или синего цвета.

В деталях

Давайте рассмотрим, как работает этот световой клапан.

Подсветка излучает обычный неполяризованный белый свет. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно к направлению распространения волны. Лампа излучает неполяризованный свет, поэтому вектор электрического поля может быть направлен во все стороны перпендикулярно направлению распространения волны. После того, как свет пройдёт через поляризатор, вектор его электрического поля будет иметь преимущественное направление (в нашем примере вертикальное). Если свет затем попадёт на второй поляризатор, где ось поляризации перпендикулярна первому (в нашем примере она горизонтальная), то мы ничего не увидим - свет попросту не пройдёт. Но если мы разместим между двумя поляризаторами жидкий кристалл, то он сможет повернуть ось поляризации света таким образом, чтобы она совпадала с осью второго поляризатора. Тогда свет сможет пройти. Это свойство жидких кристаллов и стало причиной их успеха в технологиях дисплеев. Что интересно, сам по себе ЖК-материал не имеет таких свойств. Его "насильно" заставили это сделать. По природе ЖК хаотичен и "ленив". И мало на что способен. Но вот под действием чужой воли, то есть ориентации, его можно заставить поработать. Огромная роль в придании поляризационной селективности играет ориентирующее покрытие, которое наносится на поверхности обеих подложек. Именно качество ориентирующего покрытия и определяют селективность процесса поляризации. Благодаря ориентирующему слою происходит выстраивание и закручивание молекул ЖК.

Если подать на кристалл электрический  ток, то он будет поворачиваться в  зависимости от разницы потенциалов - подобно стрелке компаса, ориентирующейся  по магнитному полю Земли. С помощью  электрического поля можно запретить  поворот оси поляризации, после  чего через горизонтальный поляризатор  свет уже не будет проходить, так  как он будет оставаться поляризованным вертикально.

Изменяя напряжение на краях жидкого  кристалла, мы получаем, своего рода, переключатель  с промежуточными положениями, которые  более или менее точно позволяют  задать оттенки цвета.

Адресуем ЖК-матрицу

Адресация ЖК-дисплеев с пассивной  матрицей реализуется примерно так  же, как и у плазменных панелей. Передний электрод, общий для всего  столбца, проводит ток. Задний электрод, общий для всего ряда, служит "землёй".

Недостатки у старых, пассивных  матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается  в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной  связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному  распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.

Чтобы устранить описанные недостатки, производители перешли на технологии активных матриц. Хотя, надо сказать, пассивные  матрицы тоже со временем совершенствовались и сегодня применяются во многих устройствах, например, в сотовых  телефонах.

Здесь к каждой ячейке пикселя добавляется  транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому  подводка напряжения к жидкому кристаллу  не прекратится, в то время как  управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.

Эта технология известна ещё и под  названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" для многих стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором часто понимают дисплей, использующий технологию TFT. Хотя, конечно, это мнение верным не является.

Здесь используется намного меньшее  напряжение, чем у плазменных панелей. Чтобы работать с ЖК-пикселем, достаточно разницы потенциалов от -5 до +20 В, что намного ниже сотен вольт у плазменных панелей.

Немного литографии

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

Рождённый для компьютера

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.