Как работает ЖК-дисплей

История разработки

Жидкие кристаллы были открыты задолго до их практического применения в электронных устройствах. Впервые их существование было подробно описано австрийским ученым Фридрихом Рейнитцером еще в 1888 году — на девять лет раньше, чем немецкий физик Карл Фердинанд Браун продемонстрировал работу первой электронно-лучевой трубки в 1897 году.

Несмотря на раннее обнаружение, долгое время ученые и инженеры не могли найти применение уникальным свойствам жидких кристаллов. Первый патент на их использование был зарегистрирован лишь в 1930-х годах инженерами компании Marconi. Однако значительный прорыв произошел только в 1966 году, когда физики Джеймс Фергасон и Джордж Вильямс из корпорации RCA представили первые в истории часы с ЖК-дисплеем.

Несмотря на громоздкость и технические ограничения первых LCD-устройств, потенциал новой технологии был замечен. Важную роль в ее развитии сыграла японская компания Sharp, выпустившая в 1975 году первые наручные часы с ЖК-экраном, а в 1976 — первый черно-белый LCD-телевизор.

После 2000-х годов жидкокристаллические дисплеи стремительно завоевали рынок телевизоров, мониторов, смартфонов и других устройств, требующих компактных ярких экранов без искажения цветопередачи. Низкое энергопотребление, тонкий профиль и широкие углы обзора обеспечили безоговорочное лидерство LCD-технологии в течение последних двух десятилетий.

Словарь терминов

При выборе монитора или телевизора потребители часто сталкиваются с различными терминами и обозначениями, связанными с LCD-дисплеями. Разберемся в ключевых понятиях:

1. Жидкие кристаллы — это уникальное состояние вещества, сочетающее свойства жидкостей (способность заполнять собой свободное пространство) и твердых тел (выстраивание в структуру). Эта особенность позволяет управлять ориентацией молекул с помощью электрического поля, регулируя пропускание света.
2. LCD TFT — разновидность ЖК-дисплеев, использующих тонкопленочные транзисторы (TFT) для управления.
3. TN, IPS, VA — различные технологии организации матриц жидких кристаллов.
4. RGB-LED, WLED, GB-LED, QLED, NanoCell и т. п. — типы светодиодных подсветок, применяемых в современных ЖК-панелях для обеспечения необходимой яркости и цветопередачи.

Важно не путать LCD с технологией OLED, где используются органические светодиоды, способные излучать свет самостоятельно.

Принцип работы ЖК-дисплея

Жидкокристаллические дисплеи — многослойная конструкция, в которой световой поток последовательно проходит через ряд элементов, формирующих итоговое изображение. Свет прокладывает путь от источника до отображения картинки через:

1. Подсветку.
2. Рассеивающие и направляющие элементы.
3. Первую поляризационную пленку.
4. Слой с тонкопленочными транзисторами (TFT).
5. Жидкие кристаллы.
6. Цветовые фильтры.
7. Вторую поляризационную пленку.
8. Защитный наружный слой, передающий сформированное изображение из пикселей.

Разберем последовательно каждый из слоев ЖК-дисплея.

Подсветка

В современных жидкокристаллических дисплеях в качестве источников подсветки используются светодиоды, которые постепенно вытеснили ранее применявшиеся газоразрядные лампы с ртутным наполнением. Их качество и тип играют ключевую роль в определении конечных характеристик и стоимости монитора или телевизора.

Основные технологии подсветки:

• WLED — бюджетный вариант, основанный на синих светодиодах, свет которых «отбеливается» с помощью люминофорного покрытия;
• GB-LED — профессиональное решение, комбинирующее белые и зеленые светодиоды для улучшенной цветопередачи;
• RGB-LED — самая дорогостоящая технология, объединяющая красные, зеленые и синие светодиоды для достижения максимального цветового охвата;
• квантовые точки — соединения кадмия, селена, цинка и серы, возбуждающие различные цветовые нанокристаллы. Это позволяет значительно расширить цветовой охват по сравнению с традиционными методами подсветки.

Ключевым преимуществом технологии квантовых точек является отсутствие необходимости использования редкоземельных металлов. Их получение происходит путем смешивания указанных выше веществ в определенных пропорциях, что упрощает производственный процесс. Эта технология значительно приблизилась к полному цветовому охвату стандарта REC.2020 и обеспечивает одну из лучших на сегодняшний день цветопередач в ЖК-дисплеях.

Световоды и рассеиватели

Отдельные светодиоды являются точечными источниками света, что не подходит для создания равномерного и сплошного изображения на дисплее. Для решения этой задачи в жидкокристаллических панелях используется специальная рассеивающая структура. Она состоит из следующих элементов:

1. Отражатель — комбинация белого пластика и фольги, направляющая свет от светодиодов к последующим слоям.
2. Световод с линзовым покрытием — равномерно распределяет свет в плоскости дисплея.
3. Рассеивающая пленка с хаотичной «шершавостью» — обеспечивает диффузное рассеивание света.
4. Призматическая пленка — отражает и перенаправляет большую часть световых волн к последующим слоям.

Совместное действие этих компонентов преобразует исходный точечный свет светодиодов в однородную равномерную заливку, воспринимаемую человеческим глазом как сплошную.

Поляризаторы, ЖК и TFT

До и после слоя жидких кристаллов располагаются поляризационные пленки. Поскольку поляризаторы по своей природе пропускают только половину световых волн, пластины расположены перпендикулярно и полностью блокируют проходящий световой поток. Именно здесь проявляется роль жидких кристаллов.

Процесс работы происходит следующим образом:

• к ячейкам с жидкими кристаллами через тонкопленочные транзисторы (TFT) подают определенное напряжение;
• в зависимости от величины приложенной силы молекулярная структура жидких кристаллов «поворачивается»;
• поляризованный свет, попадая на кристалл, искажается и уже не полностью блокируется вторым поляризационным слоем.

Таким образом, «подвижность» — основное и уникальное свойство жидкокристаллического материала, позволяющее влиять на поляризацию света.

Принципы, определяющие пропускную способность жидких кристаллов, зависят от типа матрицы. Существуют три основных вида, от которых произошли десятки производных: TN, IPS и VA. При отсутствии напряжения в TN-матрицах свет проходит полностью, в IPS кристаллы практически его не пропускают, а в VA он полностью блокируется парой поляризаторов.

В последнее время лидирующие позиции занимают IPS-матрицы благодаря широкому углу обзора и качественной цветопередаче, что идеально подходит для работы с графикой и просмотра фильмов на большом экране. VA-матрицы отличаются «глубоким» черным цветом и приемлемой ценой. TN-модели устаревают, так как их преимущества (низкая стоимость и максимальная скорость отклика) не покрывают плохое качество картинки.

Вывод изображения

После прохождения через рассеиватель и систему поляризации световой луч достигает следующего важного этапа — окрашивания. На этой стадии белый свет проходит через светофильтр, состоящий из мелких ячеек трех основных цветов RGB (красный, зеленый, синий). Устройство «окрашивает» белый свет в требуемые оттенки. Качество цветопередачи напрямую зависит от характеристик используемого светофильтра, поэтому производители уделяют особое внимание этому компоненту.

Также свет проходит через дополнительный слой — анализатор. Подобно поляризатору, он отфильтровывает ненужные волны, пропуская только видимый диапазон света. Этот этап обеспечивает получение четкого и чистого изображения.

Заключительная стадия — устранение бликов с помощью специального покрытия. Чаще всего это определенный тип пластика, но каждый производитель может вносить свои уникальные решения и усовершенствования.

Сравнение LCD- и CRT-экранов

ЖК-технология пришла на смену устаревшей электронно-лучевой трубке, совершив революцию в индустрии дисплеев. Сравнение этих двух технологий по ключевым характеристикам выявляет их сильные и слабые стороны:

• ЖК-панели демонстрируют значительно более высокую яркость (3000 Кд/м²), чем ЭЛТ-мониторы (максимум 120 Кд/м²);
• контрастности ЭЛТ-экранов обеспечивает соотношение до 700:1, у современных ЖК-панелей — вплоть до 5000:1;
• углы обзора у ЖК-дисплеев в среднем составляют 160 градусов, что немного уступает почти идеальным 178 градусам у ЭЛТ;
• ЖК-панели обладают фиксированным разрешением, тогда как ЭЛТ могут его менять;
• одним из главных преимуществ ЖК-технологии является отсутствие мерцания и проблем с совмещением цветов, присущих ЭЛТ-мониторам;
• жидкокристаллические дисплеи поддерживают как цифровые, так и аналоговые входные сигналы, в то время как ЭЛТ работают только со вторым;
• время отклика у ЖК-панелей варьируется от 5 до 30 мс, что значительно быстрее, чем у ЭЛТ;
• качество цветопередачи у современных ЖК-дисплеев высокое, хотя и уступает ЭЛТ-мониторам;
• ЖК-панели потребляют гораздо меньше энергии, в среднем 25–40 Вт против более 60 Вт у ЭЛТ;
• компактность и легкость конструкции также являются неоспоримыми преимуществами ЖК-технологии по сравнению с громоздкими и массивными ЭЛТ-мониторами.

Чем отличаются OLED-дисплеи?

В отличие от LCD, технология OLED (Organic Light-Emitting Diode) базируется на органических диодах, излучающих свет под действием напряжения. Это позволяет отказаться от подсветки, упростить конструкцию и добиться компактности.

Ключевыми преимуществами OLED-панелей являются высокие показатели контрастности, передачи цветов, широкие углы обзора, а также способность отображать чистый черный и белый цвета. Однако эта технология имеет и недостатки, например высокую стоимость, проблемы «выгорания» пикселей и ограниченную яркость. К тому же ЖК-технология продолжают развиваться: LCD-панели с современными IPS-матрицами и подсветкой на основе квантовых точек достигли впечатляющего качества изображения, сравнимого с OLED.

Помимо OLED и LCD, разрабатывается отдельная технология MicroLED («микроскопические органические диоды»). Она призвана в будущем стать альтернативой OLED, обеспечивая более высокие характеристики изображения. Однако на данный момент MicroLED остается малодоступной для широкого круга пользователей.

Mini-LED — новый уровень ЖК-дисплеев

Одними из наиболее совершенных моделей считаются панели с подсветкой на основе технологии Mini-LED. Несмотря на отсутствие принципиально новых решений, Mini-LED предлагает инновационный подход к классической подсветке на квантовых точках. Ключевым нововведением стало уменьшение размеров светодиодов примерно в 5 раз, что позволило значительно увеличить их количество на панели. Такое решение принесло ряд весомых преимуществ: уровень контрастности, приближенный к показателям OLED-дисплеев, глубокий черный цвет, максимально широкие углы обзора. При этом сохранились традиционные достоинства LCD-технологии.

Выводы

LCD-экраны вытеснили устаревшие электронно-лучевые мониторы благодаря целому ряду преимуществ: более высокая яркость, компактность, возможность работы с цифровыми источниками, отсутствие мерцания и искажений изображения. Альтернативной технологией является OLED, которая работает на основе органических диодов, способных самостоятельно излучать свет без использования жидких кристаллов. Однако с учетом последних инноваций, таких как Mini-LED, жидкокристаллические дисплеи продолжают уверенно занимать доминирующие позиции на рынке.