Побудова та принцип роботи плазмового та рідкокристалічного моніторів

1. Побудова та принцип роботи плазмового монітора

Плазмові монітори – це, як правило, монітори з дуже великою діагоналлю (40 – 60 дюймів), із зовсім пласким екраном, а самі монітори є дуже тонкими (товщина їх зазвичай не перевищує 10 см) і одночасно дуже легкими. І при всіх цих перевагах плазмові монітори дозволяють зберегти якість зображення на дуже високому рівні.

Вони здатні забезпечити, у силу особливостей плазмового ефекту, підвищену чіткість зображення, яскравість (до 500 Кд/м²), контрастність (до 400:1) і дуже високу соковитість кольорів. Кут видимості зображення близько 160 градусів. Плазмові монітори зовсім не створюють шкідливих електромагнітних полів. Ці монітори не страждають від вібрації. Необхідно також відзначити й стійкість плазмових моніторів до електромагнітних полів, що дозволяє використовувати їх у промислових умовах. До позитивних якостей плазмових моніторів також можна додати невеликий час їх регенерації (час між посиланням сигналу на зміну яскравості пікселя та фактичною її зміною), відсутність перекручувань зображення й проблем видимості електронних променів та їхнього фокусування. Це дозволяє використовувати такі монітори для перегляду відео, що у свою чергу робить такі монітори просто незамінними помічниками на різних відеоконференціях і презентаціях.

Основним недоліком є їх висока ціна. Також дуже істотним недоліком плазмового монітора є досить висока потужність споживання, яка зростає зі збільшенням діагоналі монітора. Цей недолік пов'язаний вже безпосередньо із самою технологією одержання зображення з використанням плазмового ефекту. Цей факт призводить до збільшення експлуатаційних витрат на даний монітор.Ще одним недоліком плазмових моніторів є досить низька роздільна здатність, обумовлена більшим розміром елемента зображення. Але, з огляду на той факт, що ці монітори переважно використовуються на презентаціях, конференціях, а також як різні інформаційні і рекламні табло, то зрозуміло, що основна маса глядачів перебуває на значній відстані від екранів цих моніторів. А це сприяє тому, що видима на маленькій відстані зернистість просто зникає на великій відстані.

Ще одним досить значущим недоліком плазмових моніторів є порівняно невеликий термін служби. Це пов'язане з досить швидким вигорянням люмінофорних елементів, властивості яких швидко погіршуються, і екран стає менш яскравим. Для приклада, уже через кілька років інтенсивної експлуатації яскравість світіння екрана може знизитися вдвічі. Тому термін служби плазмових моніторів обмежений і становить 5-10 років при досить інтенсивній експлуатації або близько 10000 годин. Ще один, напевно, останній неприємний ефект, можливий у плазмових моніторів – це інтерференція. По суті, інтерференція – це взаємодія світла з різними довжинами хвиль, випроміню-ваного із сусідніх елементів екрана. Внаслідок цього явища певною мірою погіршується якість зображення.

Плазмовий ефект відомий науці досить давно: він був відкритий ще в 1966 р. Неонові вивіски й лампи денного світла – лише деякі види застосування цього явища світіння газів під впливом електричного струму. А от виробництво плазмових екранів для моніторів почалося тільки зараз. Лицьова панель такого екрана складається із двох пласких скляних пластин, розташованих на відстані близько 100 мікрометрів одна від одної.

Між цими пластинами знаходиться шар інертного газу (як правило, суміш ксенону й неону), на який впливає сильне електричне поле. Робочим елементом (пікселем), що формує окрему точку зображення, є група з трьох субпікселів, відповідальних за три основних кольори відповідно. Кожен субпіксель являє собою окрему мікрокамеру, на стінках якої перебуває флюоресціруюча речовина одного з основних кольорів. Пікселі знаходяться у точках перетинання прозорих керуючих хром-мідь-хромових електродів, що утворюють прямокутну сітку. Для того щоб запалити піксель, відбувається приблизно таке. На два ортогональних один одному живильний і управляючий електроди, у точці перетину яких перебуває потрібний піксель, подається висока управляюча змінна напруга прямокутної форми. Газ в осередку віддає більшу частину своїх валентних електронів і переходить у стан плазми. Іони й електрони поперемінно збираються біля електродів по різні боки камери, залежно від фази управляючої напруги. Для підпалу на скануючий електрод подається імпульс, однойменні потенціали складаються, вектор електростатичного поля подвоює свою величину. Відбувається розряд – частина заряджених іонів віддає енергію у вигляді випромінювання квантів світла в ультрафіолетовому діапазоні (залежно від газу). У свою чергу, флюоресцуюче покриття, перебуваючи в зоні розряду, починає випромінювати світло у видимому діапазоні, що й сприймає спостерігач. 97% ультрафіолетової складової випромінювання, шкідливого для очей, поглинається зовнішнім склом. Яскравість світіння люмінофора визначається величиною управляючої напруги.

Визнаним лідером плазмової технології є компанія Fujitsu, що накопичила найбільший досвід у цій області. У 1995 р. Fujitsu вийшла на ринок з новою комерційною серією плазмових дисплеїв Plasmavision, що вдосконалюється й досі. Практично кожен виробник плазмових панелей додає до класичної технології деякі власні ноу-хау, що поліпшують передачу кольору і контрастності. Зокрема, NEC пропонує технологію капсульованого колірного фільтра (CCF), що відкидає непотрібні кольори, і методику підвищення контрастності за рахунок відділення пікселів один від одного чорними смугами (таку саму технологію використовує Pioneer). У моніторах Pioneer також використовуються технологія Enhanced Cell Structure, суть якої – у збільшенні площі люмінофорної плями, і нова хімічна формула блакитного люмінофора, що дає яскравіше світіння, і відповідно підвищує контрастність. Компанія Samsung розробила конструкцію монітора підвищеної керованості – панель розділена на 44 ділянки, кожна з яких має власний електронний блок управління. Компанії Sony, Sharp і Philips спільно розробляють технологію PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), що має по'єднати в собі переваги плазмових екранів і LCD з активною матрицею. Дисплеї, створені на основі даної технології, поєднують у собі переваги рідких кристалів (яскравість і соковитість кольорів, контрастність) з більшим кутом бачимості й високою швидкістю відновлення плазмових панелей. Як регулятор яскравості в цих дисплеях використовуються газорозрядні плазмові осередки, а для колірної фільтрації застосовується матриця LCD. Технологія PALC дозволяє адресувати кожен піксель дисплея окремо, а це означає неперевершену керованість і якість зображення.

2. Побудова та принцип роботи рідкокристалічного монітора

Екрани рідкокристалічного монітора (Liquid Crystal Display (LCD)) зроблені з речовини (ціанофеніл), що перебуває в рідкому стані, але при цьому має деякі властивості кристалічних тіл. Фактично це рідини, яким властива анізотропія, пов'язана з упорядкованістю в орієнтації молекул. Робота LCD заснована на явищі поляризації світлового потоку. Відомо, що так звані кристалічні поляроїди здатні пропускати тільки ту складову світла, вектор електромагнітної індукції якої лежить у площині, паралельній оптичній площині поляроїда. Для частини світлового потоку, що залишилася, поляроїд буде непрозорим. Даний ефект називається поляризацією світла. Коли були вивчені рідкі речовини, довгі молекули яких чутливі до електростатичного та електромагнітного поля й здатні поляризувати світло, з'явилася можливість управляти поляризацією. Ці аморфні речовини за їхню схожість із кристалічними речовинами за електрооптичними властивостями, а також за здатність набувати форми ємності, назвали рідкими кристалами. Ґрунтуючись на цьому відкритті та внаслідок подальших досліджень, стало можливим виявити зв'язок між підвищенням електричної напруги й зміною орієнтації молекул кристалів для забезпечення створення зображення.

Перше своє застосування рідкі кристали знайшли в дисплеях для калькуляторів і в електронних годинниках, а потім їх стали використовувати в моніторах комп'ютерів і телевізорах. Екран LCD являє собою масив маленьких сегментів (пікселів), якими можна маніпулювати для відображення інформації. LCD має кілька шарів, де ключову роль відіграють дві панелі, зроблені з вільного від натрію й дуже чистого скляного матеріалу – підложки, які містять тонкий шар рідких кристалів між собою.

На панелях є бороздки, які направляють кристали, повідомляючи їм спеціальну орієнтацію. Бороздки розташовані так, що вони паралельні на кожній панелі, але перпендикулярні між двома панелями. Поздовжні бороздки виходять внаслідок розміщення на скляній поверхні тонких плівок із прозорого пластику, що потім спеціальним чином обробляється. Стикаючись із бороздками, молекули в рідких кристалах орієнтуються однаково у всіх осередках. Молекули рідких кристалів за відсутності напруги повертають вектор електричного (і магнітного) поля у світловій хвилі на деякий кут у площині, перпендикулярній осі поширення пучка. Нанесення бороздок на поверхню скла дозволяє забезпечити однаковий кут повороту площини поляризації для всіх осередків. Дві панелі розташовані дуже близько одна до одної. Рідкокристалічна панель засвічується джерелом світла (залежно від того, де він розташований, рідкокристалічні панелі працюють на відбиття або на проходження світла). Площина поляризації світлового променя повертається на 90° при проходженні однієї панелі (рис. 3). З появою електричного поля молекули рідких кристалів частково вибудовуються вертикально уздовж поля, кут повороту площини поляризації світла стає відмінним від 90° і світло безперешкодно проходить через рідкі кристали. Поворот площини поляризації світлового променя непомітний для ока, тому виникла необхідність додати до скляних панелей ще два інші шари, які являють собою поляризаційні фільтри. Ці фільтри пропускають тільки той компонент світлового пучка, у якого вісь поляризації відповідає заданій. Тому при проходженні поляризатора пучок світла буде ослаблений залежно від кута між його площиною поляризації й віссю поляризатора. За відсутності напруги осередок прозорий, тому що перший поляризатор пропускає тільки світло з відповідним вектором поляризації. Завдяки рідким кристалам вектор поляризації світла повертається, і до моменту проходження пучка до другого поляризатора він уже повернутий так, що проходить через другий поляризатор без проблем (рис. 3,а).
У присутності електричного поля поворот вектора поляризації відбувається на менший кут, тим самим другий поляризатор стає тільки частково прозорим для випромінювання. Якщо різниця потенціалів буде такою, що поворот площини поляризації в рідких кристалах не відбудеться зовсім, то світловий промінь буде повністю поглинений другим поляризатором, і екран здаватиметься чорним (промені підсвічування поглинаються в екрані повністю) (рис. 3,б). Якщо розташувати велику кількість електродів, які створюють різні електричні поля в окремих місцях екрана (осередку), то з'явиться можливість при правильному керуванні потенціалами цих електродів відображати на екрані літери й інші елементи зображення. Електроди розміщуються в прозорому пластику і можуть мати будь-яку форму.

Технологічні нововведення дозволили обмежити їхні розміри величиною маленької точки, відповідно на одній і тій самій площині екрана можна розташувати більшу кількість електродів, що збільшує оптичну роздільну здатність LCD і дозволяє відображати навіть складні зображення в кольорі. Для виведення кольорового зображення необхідне підсвічування монітора позаду так, щоб світло виходило із задньої частини LCD. Це необхідно для того, щоб можна було спостерігати зображення з доброю якістю, навіть якщо навколишнє середовище не є світлим. Колір утворюється внаслідок використання трьох фільтрів, які виділяють із випромінювання джерела білого світла три основні компоненти. Комбінуючи три основні кольори для кожної точки або пікселя екрана, з'являється можливість відтворити будь-який колір.

Перші LCD дисплеї були дуже маленькими, близько 8 дюймів, у той час як сьогодні вони сягають 20" і більше. Слідом за збільшенням розмірів потрібне збільшення оптичного розділення, наслідком чого є поява нових проблем, які були вирішені за допомогою спеціальних технологій. Однією з перших проблем була необхідність стандарту у визначенні якості відображення при високих роздільних здатностях. Першим кроком на шляху до мети було збільшення кута повороту площини поляризації світла в кристалах з 90° до 270° за допомогою STN технології.

STN – це скорочення, що означає Super Twisted Nematic. Технологія STN дозволяє збільшити торсіонний кут (кут крутіння) орієнтації кристалів усередині LCD дисплея з 90° до 270°, що забезпечує кращу контрастність зображення зі збільшенням розмірів монітора. Часто STN осередки використовуються в парі. Така конструкція називається DSTN (Double Super Twisted Nematic), у якій один двошаровий DSTN-осередок складається з 2
STN-осередків, молекули яких під час роботи повертаються в протилежні сторони. Світло, проходячи через таку конструкцію в замкненому стані, втрачає більшу частину своєї енергії. Контрастність і роздільна здатність DSTN досить висока, тому з'явилася можливість виготовити кольоровий дисплей, у якому на кожен піксель доводиться три рідкокристалічних осередки і три оптичні фільтри основних кольорів. Кольорові дисплеї не здатні працювати від відбитого світла, тому лампа заднього підсвічування є їхнім обов'язковим атрибутом. Для зменшення габаритів лампа перебуває з боку, а напроти неї дзеркало, тому більшість LCD у центрі мають яскравість вищу, ніж по краях (це не стосується настільних LCD). Також STN осередки використовуються в режимі TSTN (Triple Super Twisted Nematic), коли два тонких шари полімерної плівки додаються для поліпшення передачі кольору кольорових дисплеїв або для забезпечення доброї якості монохромних моніторів. Термін “пасивна матриця” (passive matrix) з'явився внаслідок поділу монітора на точки, кожна з яких, завдяки електродам, може задавати орієнтацію площини поляризації променю, незалежно від інших, внаслідок цього кожен такий елемент може бути підсвічений індивідуально для створення зображення. Матриця називається пасивною, оскільки технологія створення LCD, що була описана вище, не може забезпечити швидку зміну інформації на екрані. Зображення формує рядок за рядком шляхом послідовного підведення управляючої напруги на окремі осередки, що робить їх прозорими. Через досить велику електричну ємність осередків напруга на них не може змінюватися досить швидко, тому відновлення картинки відбувається повільно. Такий дисплей має багато недоліків з погляду якості, тому що зображення не відображається плавно й мерехтить на екрані. Маленька швидкість зміни прозорості кристалів не дозволяє правильно відображати зображення, що рухаються. Для вирішення вищеописаних проблем застосовують спеціальні технології. Для поліпшення якості динамічного зображення було запропоновано збільшити кількість керуючих електродів. Тобто вся матриця розбивається на кілька незалежних підматриць (Dual Scan DSTN – два незалежні поля розгорнення зображення), кожна з яких містить меншу кількість пікселів, тому почергове управління ними займає менше часу. Внаслідок цього можна скоротити час інерції LCD. Також кращих результатів з погляду стабільності, якості, оптичного розділення, гладкості й яскравості зображення можна досягти, використовуючи екрани з активною матрицею. В активній матриці (active matrix) використовуються окремі підсилювальні елементи для кожного осередку екрана, що компенсують вплив ємності осередків і дозволяють значно зменшити час зміни їхньої прозорості. Активна матриця має масу переваг порівняно з пасивною матрицею. Наприклад, кращу яскравість і можливість дивитися на екран навіть з відхиленням до 45° і більше (тобто при куті огляду 120°–140°) без шкоди якості зображення, що неможливо у випадку з пасивною матрицею, яка дозволяє бачити якісне зображення тільки із фронтальної позиції стосовно екрана. Зауважимо, що дорогі моделі LCD з активною матрицею забезпечують кут огляду в 160°, і є всі підстави припускати, що технологія вдосконалювати-меться й надалі. Активна матриця може відображати зображення, що рухаються, без видимого мерехтіння, тому що час реакції дисплея з активною матрицею близько 50 мс проти 300 мс для пасивної матриці, крім того, контрастність моніторів з активною матрицею вища, ніж у CRT. Слід зазначити, що яскравість окремого елемента екрана залишається незмінною на всьому інтервалі часу між відновленням картинки, а не являє собою короткий імпульс світла, випромінюваний елементом люмінофором CRT відразу після проходження по цьому елементу електронного променя. Саме тому для LCD достатньою є частота вертикального розгорнення, що дорівнює 60 Гц.

Функціональні можливості LCD з активною матрицею майже такі самі, як у дисплеїв з пасивною матрицею. Різниця полягає в матриці електродів, що керує осередками рідких кристалів дисплея. У випадку з пасивною матрицею різні електроди одержують електричний заряд циклічним методом при порядковому відновленні дисплея, а внаслідок розряду ємностей елементів зображення зникає, тому що кристали повертаються до своєї початкової конфігурації. У випадку з активною матрицею до кожного електрода доданий запам'ятовувальний транзистор, що може зберігати цифрову інформацію (двійкові значення 0 або 1), і зображення зберігається доти, поки не надійде інший сигнал. Частково проблема відстрочки загасання зображення в пасивних матрицях вирішується за рахунок використання більшої кількості рідкокристалічних шарів для збільшення пасивності й зменшення переміщень. Тепер, при використанні активних матриць з'явилася можливість скоротити кількість рідкокристалічних шарів. Запам'ятовувальні транзистори мають вироблятися з прозорих матеріалів, що дозволить світловому променю проходити крізь них, а відтак, транзистори можна розташовувати на тильній частині дисплея, на скляній панелі, що містить рідкі кристали. З цією метою використовуються пластикові плівки, що називаються Thin Film Transistor (або просто TFT). TFT, тобто тонкоплівковий транзистор – це ті управляючі елементи, за допомогою яких контролюється кожен піксель на екрані. Тонкоплівковий транзистор дійсно дуже тонкий, його товщина 0,1 – 0,01 мікрона. У перших TFT-дисплеях, що з'явилися в 1972 р., використовувався селенід кадмію, що відзначається високою рухливістю електронів і підтримує високу щільність струму, але згодом був здійснений перехід на аморфний кремній (a-Si), а в матрицях з високою роздільною здатністю використовується полікристаліч-ний кремній (p-Si). Технологія створення TFT дуже складна, при цьому є труднощі з досягненням прийнятного відсотка придатних виробів через те, що кількість використаних транзисторів дуже велика. Зазначимо, що монітор, який може відображати зображення з роздільною здатністю 800х600 пікселів у
SVGA-режимі та тільки з трьома кольорами, має 1440000 окремих транзисторів. Виробники встановлюють норми на граничну кількість транзисторів, які можуть бути неробочими в LCD.

Кожен піксель являє собою комбінацію трьох кольорових осередків (фільтри червоний, зелений і синій) або субпіксельних елементів. Це означає, наприклад, що в дисплея, який має роздільну здатність 1280x1024, існує 3840x1024 транзистора й субпіксельних елемента. Розмір точки (пікселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизно дорівнює 0,0188 дюйма (або 0,30 мм), а для 18.1" дисплея TFT – близько 0,011 дюйма (або 0,28 мм). TFT мають ряд переваг перед CRT, серед яких – знижене споживання енергії та тепловіддача, плаский екран і відсутність сліду від об'єктів, що рухаються.