ЖК-матрица LCD

ЖК-матрица (жидкокристаллическая матрица, LCD, от англ. Liquid Crystal Display) — это устройство отображения информации, основанное на использовании жидких кристаллов, которые изменяют свои оптические свойства под воздействием электрического поля. ЖК-матрица является основным компонентом большинства современных плоскопанельных дисплеев, используемых в мониторах, телевизорах, ноутбуках, смартфонах, планшетах, а также в промышленном и медицинском оборудовании. Ключевыми характеристиками ЖК-матрицы являются её тип (TN, IPS, VA и их производные), разрешение, частота обновления, время отклика, цветовой охват и яркость.

История

Открытие и ранние разработки

Явление жидких кристаллов было открыто в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Райнитцером, который обнаружил, что холестерилбензоат при нагревании переходит в мутную жидкость, а затем в прозрачную. Однако практическое применение жидких кристаллов началось лишь в середине XX века. В 1962 году американский инженер Ричард Уильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America) продемонстрировал эффект электрооптического переключения в жидких кристаллах. В 1964 году Джордж Хейлмейер, также работавший в RCA, создал первый работающий жидкокристаллический дисплей (DSM — динамическое рассеяние), который, однако, имел низкую контрастность и высокое энергопотребление.

Первые коммерческие дисплеи

В 1970-х годах швейцарская компаня Hoffmann-La Roche и японская Sharp начали выпуск первых ЖК-дисплеев для калькуляторов и наручных часов. Эти дисплеи использовали технологию TN (Twisted Nematic), изобретённую в 1970 году Мартином Шадтом и Вольфгангом Хельфрихом. TN-матрицы отличались низким энергопотреблением и простотой производства, что сделало их стандартом для портативных устройств на десятилетия.

Эра плоских панелей

В 1980-х годах начались активные исследования по созданию крупноформатных ЖК-дисплеев для компьютеров. В 1988 году компания Sharp представила первый 14-дюймовый цветной ЖК-монитор. В 1990-х годах развитие технологий IPS (In-Plane Switching) и VA (Vertical Alignment) позволило значительно улучшить углы обзора и цветопередачу. К началу 2000-х годов ЖК-матрицы вытеснили электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с рынка настольных мониторов и телевизоров, став доминирующей технологией отображения.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

ЖК-матрица состоит из нескольких слоёв, расположенных в определённом порядке:

1. Задняя подсветка (backlight) — источник света, обычно на основе светодиодов (LED) или, в старых моделях, люминесцентных ламп (CCFL). Свет равномерно распределяется по всей площади матрицы.
2. Первый поляризационный фильтр — пропускает только световые волны, колеблющиеся в одной плоскости.
3. Стеклянная подложка с тонкоплёночными транзисторами (TFT) — на ней сформирована матрица пикселей, каждый из которых управляется отдельным транзистором.
4. Слой жидких кристаллов — вещество, молекулы которого могут менять свою ориентацию под действием электрического поля.
5. Цветовой фильтр — набор красных, зелёных и синих субпикселей, образующих цветное изображение.
6. Второй поляризационный фильтр — ориентирован перпендикулярно первому, чтобы блокировать свет, прошедший через жидкие кристаллы в определённом состоянии.

Принцип работы

В отсутствие электрического поля молекулы жидких кристаллов в TN-матрице закручены по спирали, что поворачивает плоскость поляризации проходящего света на 90 градусов. Свет, прошедший через первый поляризатор, достигает второго, ориентированного перпендикулярно, и проходит через него — пиксель оказывается в открытом состоянии (ярким). При подаче напряжения молекулы выстраиваются вдоль поля, переставая поворачивать поляризацию, и свет блокируется вторым поляризатором — пиксель становится тёмным. В IPS и VA-матрицах механизм отличается: в IPS молекулы параллельны подложке и вращаются в плоскости, а в VA — перпендикулярны ей и наклоняются. Регулируя напряжение, можно добиться промежуточных состояний, создавая градации серого и, в сочетании с цветовыми фильтрами, полноцветное изображение.

Типы ЖК-матриц

TN (Twisted Nematic)

Наиболее старая и дешёвая технология. Характеризуется быстрым временем отклика (1–5 мс), что делает её популярной в игровых мониторах. Недостатки: узкие углы обзора (особенно по вертикали), низкая цветопередача (часто 6 бит на канал с программным сглаживанием), склонность к инверсии цветов при взгляде сбоку.

IPS (In-Plane Switching)

Разработана компанией Hitachi в 1996 году. Обеспечивает широкие углы обзора (до 178 градусов) и точную цветопередачу (8–10 бит на канал). Время отклика выше, чем у TN (4–14 мс), но современные варианты (Nano IPS, Fast IPS) приближаются к показателям TN. IPS-матрицы используются в профессиональных мониторах для дизайна, фотографии и видеомонтажа. Разновидности: S-IPS, H-IPS, e-IPS, AH-IPS, PLS (аналог от Samsung).

VA (Vertical Alignment)

Технология, сочетающая достоинства TN и IPS. Обеспечивает глубокий чёрный цвет (высокий контраст — до 3000:1 и выше) и хорошие углы обзора, но уступает IPS по цветопередаче и TN по времени отклика. Время отклика составляет 4–20 мс, при этом возможен эффект «чёрного размытия» (black smearing) при быстрых переходах. Разновидности: MVA (Multi-domain Vertical Alignment), PVA (Patterned Vertical Alignment), SVA (Super Vertical Alignment) от Samsung.

Прочие типы

• OLED (Organic Light Emitting Diode) — не является ЖК-матрицей, но часто сравнивается с ней. Использует органические светодиоды, не требующие подсветки. Обеспечивает абсолютный чёрный цвет, бесконечную контрастность и широкие углы обзора, но подвержен выгоранию пикселей.
• QLED (Quantum Dot LED) — гибридная технология, использующая квантовые точки для улучшения цветопередачи в ЖК-матрицах с синей LED-подсветкой.
• Mini-LED — подсветка на основе тысяч мелких светодиодов, позволяющая реализовать локальное затемнение (local dimming) для улучшения контрастности.

Характеристики

Разрешение

Определяет количество пикселей по горизонтали и вертикали. Стандартные разрешения: HD (1366×768), Full HD (1920×1080), 2K (2560×1440), 4K (3840×2160), 8K (7680×4320). Чем выше разрешение, тем детальнее изображение.

Частота обновления

Количество кадров в секунду, которое может отображать матрица. Стандартные значения: 60 Гц, 120 Гц, 144 Гц, 240 Гц и выше. Высокая частота важна для динамичных сцен в играх и видео.

Время отклика

Время, необходимое пикселю для перехода из одного состояния в другое (обычно от серого к серому, GtG). Измеряется в миллисекундах. Чем меньше время отклика, тем меньше артефактов движения (шлейфов).

Цветовой охват

Доля цветового пространства (sRGB, Adobe RGB, DCI-P3), которое может воспроизвести матрица. Профессиональные мониторы требуют охвата не менее 100% sRGB и 90% DCI-P3.

Яркость и контрастность

Яркость измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м²). Типичные значения: 250–400 кд/м² для офисных мониторов, до 1000 кд/м² для HDR-дисплеев. Контрастность — отношение яркости самого яркого белого к самому тёмному чёрному. Для VA-матриц характерна статическая контрастность 3000:1, для IPS — 1000:1.

Применение

Компьютерные мониторы

ЖК-матрицы являются основой всех современных мониторов. Для офисной работы и интернета достаточно IPS с разрешением Full HD. Для игр предпочтительны TN или Fast IPS с высокой частотой обновления. Для профессиональной работы с цветом — IPS с калибровкой.

Телевизоры

В телевизорах используются преимущественно VA-матрицы (глубокий чёрный) и IPS (широкие углы обзора). В премиум-сегменте применяются QLED и Mini-LED.

Мобильные устройства

Смартфоны и планшеты используют IPS (недорогие модели) и OLED (флагманы). ЖК-матрицы в мобильных устройствах постепенно вытесняются OLED из-за лучшей энергоэффективности и контрастности.

Промышленность и медицина

Специализированные ЖК-дисплеи с высокой яркостью, устойчивостью к вибрациям и широким температурным диапазоном используются в приборах управления, медицинских мониторах, навигационном оборудовании.

Критика и недостатки

Основные недостатки ЖК-матриц по сравнению с OLED:

• Ограниченная контрастность — из-за необходимости подсветки чёрный цвет не является абсолютно чёрным (особенно в IPS).
• Углы обзора — даже у IPS-матриц при сильном отклонении наблюдается снижение контрастности и цветовой сдвиг.
• Время отклика — уступает OLED, что может приводить к размытию в динамичных сценах.
• Энергопотребление — подсветка потребляет энергию постоянно, в отличие от OLED, где пиксели светятся только при необходимости.
• Равномерность подсветки — возможны засветы по краям и неравномерность яркости, особенно в бюджетных моделях.

Тем не менее, ЖК-матрицы остаются доминирующей технологией благодаря низкой стоимости, долговечности (отсутствие выгорания) и широкому ассортименту.

Источники

• Артюшенко В. М., Шевелько М. М. «Жидкокристаллические дисплеи: принципы работы, типы и характеристики». — М.: Радио и связь, 2003.
• Ковалёв А. И. «Технологии плоскопанельных дисплеев». — СПб.: БХВ-Петербург, 2010.
• Техническая документация компаний LG Display, Samsung Display, BOE Technology.
• Стандарты VESA (Video Electronics Standards Association) по характеристикам дисплеев.
• Обзоры и тесты мониторов на профильных ресурсах (ixbt.com, 3dnews.ru, overclockers.ru).