Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)

Технология TN + film

Twisted Nematic + film (TN + film). Часть "film" в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно до 160°). Это самая простая и самая дешевая технология. Она существует достаточно давно и используется в большинстве проданных за последние несколько лет мониторов.

Достоинства технологии TN + film:

- низкая стоимость;
- минимальное время отклика пикселя на управляющее воздействие.

Недостатки технологии TN + film:

- средняя контрастность;
- проблемы с точной цветопередачей;
- сравнительно небольшие углы обзора.

Технология IPS

В 1995 году компанией Hitachi была разработана технология In-Plane Switching (IPS), предназначавшаяся для избавления от недостатков, присущих панелям, изготовленным по технологии TN + film. Маленькие углы обзора, весьма специфичные цвета и неприемлемое (на тот момент) время отклика подтолкнули компанию Hitachi к разработке новой технологии IPS, давшей хороший результат: приличные углы обзора и хорошую цветопередачу.

В IPS-матрицах кристаллы не образуют спираль, а поворачиваются при приложении электрического поля все вместе. Изменение ориентации кристаллов помогло добиться одного из основных преимуществ IPS-матриц - углы обзора удалось увеличить до 170° по горизонтали и вертикали. Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй поляризационный фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Отображение черного цвета является идеальным. При выходе из строя транзистора "битый" пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным. При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению параллельно основе и пропускают свет.

Параллельное выравнивание жидких кристаллов потребовало размещения электродов гребенкой на нижней подложке, что значительно ухудшило контрастность изображения, потребовало более мощной подсветки для установки нормального уровня резкости и привело к высокому потреблению энергии и значительному времени. Поэтому время отклика IPS-панели, как правило, больше, чем у TN-панелей. Изготовленные по технологии IPS-панели оказываются заметно дороже. Впоследствии на базе IPS были также разработаны технологии Super-IPS (S-IPS) и Dual Domain IPS (DD-IPS), однако из-за высокой стоимости вывести этот тип панелей в лидеры производители так и не смогли.

Компания Samsung некоторое время выпускала панели, выполненные по технологии Advanced Coplanar Electrode (АСЕ) - аналог технологии IPS. Однако сегодня выпуск АСЕ-панелей свернут. На современном рынке технология IPS представлена мониторами с большой диагональю - 19 дюймов и более.

Значительное время отклика при переключении пикселя между двумя состояниями с лихвой компенсируется отличной цветопередачей, особенно у панелей, выполненных по модернизированной технологии под названием Super-IPS.

Super-IPS (S-IPS). LCD-мониторы на S-IPS-панелях - это вполне разумный выбор для профессиональной работы с цветом. Увы, с контрастностью у S-IPS-панелей точно такие же проблемы, как и у IPS и TN+Film, - она сравнительно невелика, так как уровень черного составляет 0,5-1,0 кд/м2.

Наряду с этим, углы обзора если и не идеальны (при отклонении в сторону изображение заметно теряет контрастность), то весьма велики по сравнению с TN-панелями: сидя перед монитором, заметить какую-либо неравномерность цвета или контрастности по вине недостаточных углов обзора невозможно.

В настоящее время известны следующие типы матриц, которые можно считать производными от IPS:

• S-IPS- предложенный в 1998 году вариант IPS с уменьшенным временем отклика.
• AS-IPS - технология Advanced Super IPS была разработана в 2002 году. По сути, представляет собой S-IPS с улучшенной (практически до уровня S-PVA) контрастностью.
• A-TW-IPS - Advanced True White IPS. Представляет собой S-IPS панель с цветовым фильтром True White («настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового охвата. Этот тип матриц применяется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.Недостатком этого и более ранних типов IPS-матриц является специфическая "фиолетовая" засветка чёрного цвета.
• H-IPS – Вариант IPS, появившийся в конце 2006 года, характеризуется ещё большей контрастностью и визуальной более однородной поверхностью экрана, и в значительной мере лишён паразитной засветки (например, нет «фирменного» фиолетового оттенка при взгляде на экран с больших углов), но для этого пришлось немного пожертвовать собственно углами обзора.
• E-IPS - Enhanced IPS, появился в 2009 году, имеет более широкую апертуру для преодоления одного из "врожденных недостатков" IPS - низкого процента пропускаемого света даже при полностью открытых пикселях. Это позволяет использовать менее энергоёмкие и более дешёвые системы подсветки для достижения сравнимого уровня яркости и контрастности. Также улучшены углы обзора при взгляде по диагонали, а время отклика уменьшено до 5 мс.
• P-IPS - Professional IPS, наиболее радикальное усовершенствование технологии IPS, такие матрицы появились на рынке в 2010 году. Их ключевым отличием является 1024 (а не 256) градации ориентации для каждого сабпикселя, что позволяет получить полноценный 30-битный цвет, что недостижимо для любой другой LCD-технологии.

Достоинства технологии S-IPS:

- отличная цветопередача;
- большие, чем у TN+Film-панелей, углы обзора.

Недостатки технологии S-IPS:

- высокая стоимость;
- значительное время отклика при переключении пикселя между двумя состояниями;
- неисправный пиксель или сабпиксель на таких матрицах постоянно остаётся в погашенном состоянии.

Этот тип панелей хорошо подходит для работы с цветом, но при этом мониторы на S-IPS-панелях вполне пригодны и для игр, некритичных ко времени отклика 5 - 20 мс.

Технология MVA

Технология IPS получилась сравнительно дорогой, это обстоятельство заставило других производителей разрабатывать собственные технологии. На свет появилась технология производства LCD-панелей Vertical Alignment (VA) компании Fujitsu, а затем Multidomain Vertical Alignment (MVA), предоставляющие пользователю разумный компромисс между углами обзора, скоростью и цветопередачей.

Итак, в 1996 году компания Fujitsu предложила еще одну технологию изготовления LCD-панелей VA - вертикальное выравнивание. Название технологии вводит в заблуждение, т.к. жидкокристаллические молекулы (в статическом состоянии) не могут быть полностью вертикально выравнены из-за выпячивания. Когда создается электрическое поле, кристаллы выравниваются горизонтально и свет подсветки не может пройти через различные слои панели.

Технология MVA - многодоменное вертикальное выравнивание - появилась через год после VA. Символ M в аббревиатуре MVA означает "многодоменный", т.е. множество областей в одной ячейке.

Суть технологии в следующем: каждый сабпиксель разбит на несколько зон, а поляризационные фильтры сделаны направленными. В настоящее время Fujitsu производит панели, в которых каждая ячейка включает до четырех таких доменов. С помощью выступов на внутренней поверхности фильтров каждый элемент разбит на зоны так, чтобы ориентация кристаллов в каждой конкретной зоне наиболее подходила для взгляда на матрицу с определенного угла, а кристаллы в разных зонах перемещались независимо. Благодаря этому удалось добиться отличных углов обзора без заметных цветовых искажений изображения - попавшие при отклонении наблюдателя от перпендикуляра к экрану в поле зрения более яркие зоны будут компенсироваться находящимися рядом более темными, поэтому контрастность упадет незначительно. При подаче же электрического поля кристаллы во всех зонах выстраиваются так, что практически независимо от угла наблюдения видна точка с максимальной яркостью.

Чего же удалось добиться в результате применения новой технологии?

Во-первых, хорошей контрастности - уровень черного у качественной панели может опускаться ниже 0,5 кд/м2 (превышать 600:1), что хоть и не позволяет на равных конкурировать с ЭЛТ-мониторами, но однозначно лучше результатов TN- или IPS-панелей. Черный фон экрана монитора на MVA-панели в темноте уже не выглядит столь отчетливо серым, да и неравномерность подсветки заметно меньше сказывается на изображении.

Более того, MVA-панели обеспечивают еще и весьма неплохую цветопередачу - не такую хорошую, как S-IPS, но вполне подходящую для большинства нужд. "Битые" пиксели выглядят черными, время отклика стало приблизительно в 2 раза меньше, чем для IPS- и старых TN-панелей. Т.о., наблюдается оптимальный компромисс практически во всех областях. Что же в сухом остатке?

Достоинства технологии MVA:

- небольшое время реакции;
- глубокий черный цвет (хорошая контрастность);
- отсутствие винтовой структуры кристаллов и двойного магнитного поля привело к минимальному потреблению электроэнергии;
- неплохая цветопередача (несколько уступающая S-IPS).

Однако две ложки дегтя несколько испортили сложившуюся идиллию:

- при уменьшении разницы между начальным и конечным состояниями пикселя время отклика увеличивается;
- технология получилась довольно дорогой.

К сожалению, теоретические преимущества этой технологии не были в полной мере реализованы на практике. 2003 год, все аналитики предсказывают блестящее будущее LCD-мониторам, оборудованным MVA-панелью, пока компания AU Optronics не представила TN+Film-панель со временем отклика всего 16 мс. По остальным параметрам она была не лучше, а в чем-то даже хуже существовавших 25-мс TN-панелей (уменьшившиеся углы обзора, плохая цветопередача), однако малое время отклика оказалось отличной маркетинговой приманкой для потребителей. Кроме того, дешевизна технологии на фоне продолжающихся ценовых войн, когда каждый лишний доллар за панель был для производителя тяжким бременем, подкрепила финансово-маркетинговую компанию. TN-панели и сегодня остаются самыми дешевыми (заметно дешевле и IPS-, и MVA-панелей). В результате сочетания этих двух факторов (удачной приманки для потребителя в виде малого времени отклика и низкой цены) в настоящий момент мониторы на панелях, отличных от TN+Film, выпускаются в ограниченных количествах. Исключение составляют разве что топ-модели Samsung на PVA да весьма дорогие мониторы на S-IPS-панелях, предназначенные для профессиональной работы с цветом.

Разработчик технологии MVA, компания Fujitsu, посчитала рынок LCD-мониторов для себя недостаточно интересным и сегодня не занимается разработками новых панелей, передав права на них компании AU Optronics.

Технология PVA

Вслед за Fujitsu компания Samsung разработала технологию Patterned Vertical Alignment (PVA), в общих чертах повторяющую технологию MVA и отличающуюся, с одной стороны, несколько большими углами обзора, но с другой - худшим временем отклика.

Судя по всему, одной из целей разработки было создание технологии, аналогичной MVA, но свободной от патентов Fujitsu и связанных с ними лицензионных выплат. Соответственно, все недостатки и достоинства PVA-панелей те же, что и у MVA.

Достоинства технологии PVA:

- отличная контрастность (уровень черного цвета у PVA-панелей может составлять всего 0,1-0,3 кд/м2);
- великолепные углы обзора (при оценке углов обзора согласно стандартному показателю падения контрастности до 10:1 получается, что их ограничивает не панель, а выступающая над ней пластиковая рамка экрана - у последних моделей мониторов на PVA заявлены углы 178°);
- хорошая цветопередача.

Недостатки технологии PVA:

- мониторы на PVA-панелях малопригодны для динамичных игр. Из-за большого времени отклика при переключении пикселя между близкими состояниями изображение будет заметно смазываться;
- не самая низкая стоимость.

Большой интерес к этому типу матриц вызывает их распространенность в продаже. Если монитор на хорошей 19-дюймовой MVA-матрице найти практически невозможно, то с PVA их разработчик (компания Samsung) старается регулярно выпускать в продажу новые модели. Справедливости ради надо заметить, что другие компании выпускают мониторы на PVA-матрицах ненамного охотнее, чем на MVA, но присутствие как минимум одного серьезного производителя, причем такого как Samsung, уже дает PVA-матрицам ощутимое преимущество.

Монитор на базе PVA-матриц - практически идеальный выбор для работы благодаря своим характеристикам, наиболее близким к ЭЛТ-мониторам среди всех типов матриц (если не учитывать большое время отклика - единственный серьезный недостаток PVA). 19-дюймовые модели на их основе легко найти в продаже, причем по вполне умеренным ценам (по сравнению, скажем, с мониторами на S-IPS-матрицах), так что при выборе рабочего монитора, для которого не слишком важно поведение в динамичных играх, обязательно надо обратить внимание на PVA.

В прошлом году компания Samsung представила технологию Dynamical Capacitance Compensation, DCC (динамическая компенсация емкости), которая, по заверениям инженеров, способна сделать время переключения пикселя не зависящим от разности между его конечным и начальным состояниями. В случае успешной реализации DCC PVA-панели окажутся одними из самых быстрых среди всех существующих сейчас типов панелей, сохранив при этом прочие свои достоинства.

Заключение

Производителей LCD-панелей значительно меньше, чем изготовителей мониторов. Это связано с тем, что производство панелей требует постройки недешевых (особенно в условиях постоянной конкуренции) высокотехнологичных фабрик. Изготовление монитора на базе готового LCD-модуля (обычно поставляется LCD-панель в сборе с лампами подсветки) сводится к обычным монтажным операциям, для которых не требуется ни сверхчистых помещений, ни какого-либо высокотехнологичного оборудования.

Сегодня крупнейшими производителями и разработчиками панелей являются совместное предприятие Royal Philips Electronics и LG Electronics под названием LG.Philips LCD и компания Samsung.

LG.Philips LCD в первую очередь специализируется на IPS-панелях, поставляя их сторонним крупным компаниям, например, Sony и NEC. Компания Samsung более известна TN+Film- и PVA-панелями, преимущественно для мониторов собственного производства.

Точно определить, на чьей панели собран тот или иной монитор, можно, только разобрав его, либо найдя неофициальную информацию в Интернете (официально производитель панели указывается редко). При этом информация о какой-либо конкретной модели распространяется только на эту модель и никак не затрагивает другие мониторы того же производителя. Например, в разных моделях мониторов Sony в разное время использовались панели от LG.Philips, AU Optronics и Chunghwa Picture Tubes (СРТ), а в мониторах NEC - помимо перечисленных, еще и компаний Hitachi, Fujitsu, Samsung и Unipac, не считая собственных панелей NEC. Более того, многие производители устанавливают в мониторы одной и той же модели, но разного времени выпуска различные панели - по мере появления более новых моделей панелей старые просто заменяются без изменения маркировки монитора.