Жидкокристаллический дисплей¶

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, LCD, от англ. Liquid Crystal Display) — плоскопанельное устройство отображения информации, принцип действия которого основан на изменении поляризации света при прохождении через слой жидких кристаллов под воздействием электрического поля. ЖК-дисплеи являются наиболее распространённым типом экранов в современной электронике, от наручных часов и калькуляторов до телевизоров и мониторов, благодаря низкому энергопотреблению, компактности и относительно невысокой стоимости производства.

¶История

История жидкокристаллических дисплеев начинается с открытия жидких кристаллов австрийским ботаником Фридрихом Рейнитцером в 1888 году. Однако практическое применение эти вещества нашли лишь спустя десятилетия. В 1960-х годах американский инженер Джордж Хейлмайер, работавший в лабораториях RCA, разработал первый работающий ЖК-дисплей на основе эффекта динамического рассеяния. В 1971 году швейцарская компания Hoffmann-La Roche представила технологию скрученных нематических кристаллов (TN), которая стала основой для первых массовых ЖК-индикаторов.

Первое коммерческое применение ЖК-технология получила в 1972 году, когда компания Optel выпустила наручные часы с жидкокристаллическим индикатором. В 1980-х годах ЖК-экраны появились в портативных компьютерах и игровых приставках. Ключевым прорывом стало изобретение в конце 1980-х годов технологии тонкоплёночных транзисторов (TFT), позволившей создавать активные матрицы с высокой контрастностью и быстрым откликом. С середины 2000-х годов ЖК-панели практически полностью вытеснили электронно-лучевые трубки с рынка мониторов и телевизоров.

¶Устройство и принцип действия

¶Основные компоненты

Типичная ЖК-панель состоит из нескольких функциональных слоёв. Между двумя стеклянными подложками располагается слой жидких кристаллов толщиной всего несколько микрометров. На внутренние поверхности подложек нанесены прозрачные электроды из оксида индия-олова (ITO), а также ориентирующие полимерные покрытия, задающие направление укладки молекул кристаллов. С внешней стороны панели размещены два поляризационных фильтра, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны.

¶Принцип работы

Жидкие кристаллы обладают свойством изменять плоскость поляризации проходящего света. В отсутствие электрического поля молекулы кристаллов, благодаря ориентирующим слоям, закручивают плоскость поляризации света на 90 градусов. В результате свет, прошедший через первый поляризатор, поворачивается кристаллами и беспрепятственно проходит через второй поляризатор — пиксель выглядит светлым.

При подаче электрического напряжения на электроды молекулы кристаллов выстраиваются вдоль поля, переставая поворачивать плоскость поляризации. Свет блокируется вторым поляризатором, и пиксель становится тёмным. Промежуточные значения напряжения позволяют регулировать степень пропускания света, создавая градации серого. Для получения цветного изображения каждый пиксель разделяется на три субликселя с красным, зелёным и синим светофильтрами.

¶Типы матриц

Различают два основных типа ЖК-матриц. Пассивные матрицы управляют пикселями построчно и столбцово, что ограничивает скорость обновления изображения. Активные матрицы используют тонкоплёночные транзисторы (TFT) для каждого субликселя, что обеспечивает высокую контрастность, яркость и быстрый отклик. Среди активных матриц выделяют технологии TN (скрученные нематические кристаллы), IPS (переключение в плоскости) и VA (вертикальное выравнивание), различающиеся ориентацией молекул и эксплуатационными характеристиками.

¶Подсветка

Поскольку жидкие кристаллы не излучают свет, ЖК-дисплеи требуют внешней подсветки. В современных дисплеях используются светодиодные (LED) панели, размещаемые либо по краям экрана (Edge-LED), либо равномерно по всей площади (Direct-LED). Ранее применялись люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL). Для формирования равномерного светового потока используются светорассеивающие плёнки и призмы, направляющие свет перпендикулярно поверхности экрана.

¶Характеристики

Ключевыми характеристиками ЖК-дисплеев являются разрешение (количество пикселей по горизонтали и вертикали), диагональ экрана, яркость (измеряется в канделах на квадратный метр), контрастность (отношение яркости белого к яркости чёрного), время отклика (задержка изменения яркости пикселя), углы обзора и цветовой охват. Важным параметром считается частота обновления экрана, измеряемая в герцах.

¶Преимущества и недостатки

ЖК-дисплеи обладают рядом достоинств: низкое энергопотребление по сравнению с плазменными панелями и электронно-лучевыми трубками, малая толщина и масса, отсутствие мерцания и геометрических искажений, устойчивость к выгоранию. К недостаткам относят ограниченные углы обзора (особенно у TN-матриц), возможное появление битых пикселей, задержку отклика в динамичных сценах и невозможность отображения истинного чёрного цвета из-за особенностей подсветки.

¶Применение

Сфера применения ЖК-дисплеев чрезвычайно широка. Они используются в телевизорах, компьютерных мониторах, ноутбуках, планшетах, смартфонах и умных часах. В промышленности ЖК-индикаторы применяются в контрольно-измерительных приборах, медицинском оборудовании, автомобильных приборных панелях и информационных табло. В бытовой технике жидкокристаллические экраны устанавливаются в микроволновых печах, стиральных машинах и термостатах. Отдельную нишу занимают проекционные устройства и видоискатели цифровых фотоаппаратов.

¶Современное состояние и перспективы

Несмотря на доминирование на рынке, ЖК-технология испытывает конкуренцию со стороны органических светодиодных дисплеев (OLED), предлагающих более высокую контрастность и гибкость. Тем не менее, благодаря отработанной технологии и низкой себестоимости производства, ЖК-панели продолжают занимать основную долю рынка, особенно в сегменте крупноформатных телевизоров и бюджетной электроники. Перспективными направлениями развития считаются улучшение цветопередачи, повышение частоты обновления и внедрение технологий локального затемнения для увеличения контрастности.