Технология TN+Film

TN+Film (скрученное состояние жидкого кристалла плюс пленка, наложенная на экран для увеличения углов обзора) — старейшая из используемых для производства активных ЖК-мониторов технология, ведущий свое существование еще со времен пассивных матриц. Под плёнкой подразумевается дополнительное внешнее покрытие экрана, расширяющее угол обзора.

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойный бутерброд. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Вдобавок ко всему существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов - при этом изменяется ориентация кристаллов.

Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков - красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).

TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей.

В тонкопленочных полупроводниковых жидкокристаллических мониторах TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) нет никаких материальных заслонок на петлях - жидкокристаллическое вещество расположено между двумя слоями стекла. Свет от лампы подсветки проходит через кристаллы нижнего поляризующего фильтра в соответствии с направлением, в котором повернуты их молекулы. Поляризационные фильтры регулируют проходящий через них свет, в результате чего получается не обычный поток света, а поляризованный.

Дальше свет проходит через полупрозрачные управляющие электроды и встречает на своём пути слой жидких кристаллов. Изменением управляющего напряжения молекулы кристалла занимают положение, при котором свет встречается с поляризационным фильтром прямо или под углом 90°, т.е. поляризацию светового потока можно менять на величину до 90 градусов, или оставлять неизменной. Напряжение заставляет жидкие кристаллы работать подобно затвору камеры, блокируя или разрешая прохождение света сквозь фильтры. После слоя жидких кристаллов расположены светофильтры и тут каждый субпиксель окрашивается в нужный цвет – красный, зелёный или синий.

Если посмотреть на экран, убрав верхний поляризующий фильтр, то можно увидеть миллионы светящихся с максимальной яркостью субпикселей. Иными словами, без верхнего поляризатора будет видно просто равномерное белое свечение по всей поверхности экрана. Но стоит поставить верхний поляризующий фильтр на место – и он "проявит" все изменения, которые произвели с поляризацией света жидкие кристаллы. Некоторые субпиксели так и останутся ярко светящимися, как левый на рисунке, у которого поляризация была изменена на 90 градусов, а некоторые погаснут, ведь верхний поляризатор стоит в противофазе нижнему и не пропускает света с дефолтной (по умолчанию) поляризацией. Есть и субпиксели с промежуточной яркостью – поляризация потока света, прошедшего через них, была развёрнута не на 90, а на меньшее число градусов, например, на 30 или 55 градусов. TN-матрицы никогда не выделялись высокими параметрами, в первую очередь страдала цветопередача, которая у старых ЖК-мониторов не просто отличалась от ЭЛТ-мониторов, а была столь специфической, что к ней зачастую приходилось привыкать даже в офисных приложениях, а о работе с фотографиями лучше было и не упоминать. По этой причине TN-матрицам долгое время прочили замену и вытеснение с рынка, сначала в лице IPS-матриц, а потом MVA-матриц, однако на практике все получилось совсем иначе, чем в прогнозах аналитиков.

Часть своего названия TN (Twisted Nematic) эти матрицы получили за способ организации жидких кристаллов в панели - при подаче напряжения кристаллы сворачиваются в спираль, ось которой перпендикулярна плоскости панели. К сожалению, форма спирали оказывается слегка искажена, т.к. крайние кристаллы не параллельны поверхности, а находятся под небольшим углом к ней (рисунок). К тому же, оптические характеристики спирали при взгляде вдоль ее оси и под углом будут сильно различаться – из-за первого недостатка TN-матрицы не могут похвастаться большой контрастностью, а из-за второго – большими углами обзора.

Тонкопленочный транзисторный жидкокристаллический дисплей — это элемент, использующий двойное преломление в жидком кристалле света, излучаемого внутри монитора, для управления этим светом и формированием на его основе изображения. Управление базируется на свойстве луча преломляться относительно главной оси кристалла.

При TFT технологии каждый элемент подключен к матрице электродов через тонкопленочный транзистор. Этот транзистор при открывании подключает элемент вместе с параллельно включенным конденсатором к зарядному электроду. При закрытом транзисторе заряд, оставшийся на конденсаторе, продолжает управлять состоянием ячейки. Это позволило применять менее инерционные ЖК (типичное значение времени отклика — 30 мс) и повысить контрастность до значений 300:1 и выше.

В обычном состоянии, при отсутствии управляющего напряжения, жидкие кристаллы в TN+Film находятся в скрученной фазе и субпиксель ярко горит (как в левой части рис.). Чем больше приложенное к ячейке напряжение – тем больше распрямляются молекулы жидких кристаллов. При максимальном управляющем напряжении субпиксель будет затемнён до предела.

Тонкопленочными транзисторы являются вынужденно, поскольку изготовить 1024?768?3=2 359 296 толстопленочных транзисторов методом шелкографии затруднительно. Поэтому и транзисторы, и необходимые для управления ими электроды, и конденсаторы, и межслоевую изоляцию наносят теми же самыми методами, что применяются при изготовлении больших интегральных схем. Главным различием является то, что в основе микросхем лежит чистый монокристаллический кремний, тогда как при производстве ЖК-панелей приходится иметь дело со стеклянной подложкой. Вследствие этого материал, необходимый для изготовления транзисторов — кремний, также приходится наносить методом напыления. Однако, поскольку стекло не обладает необходимой жаростойкостью и соответствующей кристаллической структурой, то напыляемый кремний осаждается на стекло в аморфном состоянии. При этом подвижность электронов в нем мала и качество транзисторов невысоко.

В последнее время появились технологии, позволяющие получать из аморфного кремния поликристаллический непосредственно на стеклянной подложке при помощи низкотемпературного (менее 500 °C ) отжига. Это обусловило увеличение подвижности электронов в кремнии примерно на порядок и улучшение качества транзисторов.

Особые надежды возлагаются на процесс отжига кремния при помощи лазера на эксимерах, при котором достигается подвижность электронов, всего лишь в два раза меньшая, чем в монокристаллическом кремнии. Результатом станет получение высококачественных транзисторов, из которых можно построить контроллер и разместить его непосредственно на панели, что позволит резко сократить число межсоединений.

Вследствие необходимости работы с цветным изображением каждый пиксель теперь состоит из трех элементарных ячеек, причем каждая ячейка снабжена индивидуальным светофильтром — красным, зеленым и синим. Для достижения полноценного цветного изображения необходимо уметь создавать промежуточные между полной прозрачностью и полной непрозрачностью значения степени пропускания света. На самом деле степень поворота молекул в определенном диапазоне примерно пропорциональна приложенному напряжению, что позволяет на сегодняшний день получить примерно 64 градации яркости на элемент или 262 144 (18 бит) на пиксель из трех элементов. Для реализации 24-битного цвета в контроллере либо обрезаются два младших значащих бита, либо производится компрессия (сжатие).

В некоторых разработках увеличение глубины цвета достигается за счет временной модуляции яркости элементов изображения, однако это приводит к заметному мерцанию. Фирменная технология Hitachi, например, предусматривает небольшое циклическое изменение напряжения, приложенного к элементам, на протяжении периода в три или четыре кадра. Это позволяет приблизиться к заветным 256 цветам на элемент, но лишь для статических изображений. В фирменных спецификациях на панели часто указывается достоверное значение 6 бит/элемент, реже — 8 бит (6+FRC). Иногда разрядность панели вообще не указывается: писать мало — неудобно, много — стыдно, да и изготовителя монитора можно подвести. Ведь из панелей с 18-битным цветом сплошь и рядом делают мониторы с глубиной цвета 24 бита.

Из принципа работы TN+Film сразу же вытекают основные недостатки этой технологии:

• если откажет управляющий транзистор, на экране будет постоянно присутствовать ярко горящий субпиксель;
• из-за того, что даже при максимальном приложенном напряжении молекулы жидкого кристалла могут не раскрутиться до конца, чёрный цвет получается не идеальным, а скорее тёмно-тёмно-серым;
• ограниченный угол обзора. Поскольку коэффициент преломления входящего в кристалл света зависит от угла падения, угол обзора монитора TFT гораздо меньше, чем у CRT-монитора. Несмотря на применение специальной плёнки-покрытия угол обзора редко превышает 140-150 градусов. Те значения углов, которые указывают разработчики, — это, скорее, углы, с которых видно монитор, а не изображение на экране. В настоящее время разработано несколько способов увеличения угла обзора. Наиболее общий подход к решению этой проблемы заключается в выборе пленки, обеспечивающей увеличение угла обзора путем изменения коэффициента преломления. В борьбе "за углы" было изобретено несколько новых технологий, достойное место среди которых занимают IPS (In Plane Switching), VA (Vertically Aligned) и MVA (Multi - domain Vertically Aligned).

Технология полностью отработана и "вылизана", поэтому себестоимость матриц получается наиболее низкой. Практически все 15-дюймовые и очень многие 17-дюймовые мониторы сделаны именно по этой технологии.

Популярность технологии TN резко возросла с появлением матриц с временем отклика 16 мс:

• во-первых, на тот момент это были единственные матрицы, для которых можно было указать такое время отклика – а, следовательно, это было громадное подспорье маркетинговым отделам, которые могли начать громко рекламировать непревзойденно быстрые матрицы. Как известно, для подобной рекламы лучше всего выделить один параметр, "интуитивно" понимаемый пользователем – такой параметр достаточно просто написать крупным шрифтом на коробке. Именно такую идею, крайне широко применяемую при продаже компьютерной (да и не только) техники, озвучил Крейг Барретт, говоря об успехах продаж процессоров Intel : "Покупают мегагерцы". С точки зрения пользователей тактовая частота процессора является "интуитивно понятным" показателем, якобы однозначно определяющим скорость процессора (а AMD пришлось приложить немало усилий и потратить немало денег лишь на то, чтобы поколебать это убеждение). С этой же точки зрения время отклика стало для ЖК-мониторов определяющим (или, как утверждают скептики, было сделано не без помощи маркетинговых отделов) параметром, однозначно определяющим качество матрицы.
• во-вторых, технология TN – самая дешевая из имеющихся технологий производства ЖК-матриц, а значит, ЖК-мониторы на этих матрицах можно продавать дешевле, чем изделия конкурентов на других типах матриц.

Сочетание относительной дешевизны и интуитивно понятной для пользователей характеристики оказалось практически убийственным для других типов матриц - два года назад на рынок были выброшены TN-мониторы, которые были дешевле конкурентов на IPS или MVA матрицах и "качественнее" их же (это слово взято в кавычки, потому что под качеством маркетинговые отделы понимали одну-единственную достойную внимания характеристику TN – время отклика). В результате к настоящему моменту все 17-дюймовые мониторы, кроме буквально нескольких моделей (некоторые мониторы Samsung выпускаются на базе PVA-матриц, а у Iiyama есть модель H430S на базе S-IPS-матрицы), выпускаются на базе TN-матриц, и уже началось наступление TN на рынок 19-дюймовых мониторов – до сих пор его спасало фактически только отсутствие большеформатных TN-матриц.

К сожалению, на практике время отклика отнюдь не является показателем качества. Во-первых, время отклика 16 мс для новых матриц было достигнуто за счет трюка, возможного благодаря методике измерения времени отклика. Ранее было описано, что оно измеряется только на переключении матрицы с черного на белый и обратно.

На рисунке приведены графики времени переключения пикселя с черного на градации серого двух мониторов – NEC LCD1760VM со временем отклика 25 мс, и Iiyama ProLite E431S – со временем отклика 16 мс. Четко видно, что графики совпадают практически полностью, за исключением именно переключения с черного на белый, где 16 мс матрица резко вырывается вперед. Такая ситуация не является уникальной для данного монитора – все TN-матрицы со временем отклика менее 25 мс демонстрируют такие же графики. Разумеется, время отклика на переходах с черного на серый тоже уменьшается – для современных 12-миллисекундных матриц оно составляет уже менее 25 мс в максимуме, и очевидно, что если бы продолжалось дальнейшее развитие 25 мс матрицы, то и они могли бы достичь таких же показателей, за исключением резкого падения времени отклика на переходах с черного на белый. Впрочем, компании Samsung удалось добиться времени перехода с черного на серый менее 20 мс в своем SyncMaster 710T, однако это пока единственный случай, где максимальное время отклика в достаточной степени соответствует паспортному времени – во всех других мониторах выигрыш "быстрых" матриц на переходах с черного на серый весьма невелик и составляет не более 2-3 мс по сравнению с матрицами предыдущего поколения. Иначе говоря, на практике обнаруживается, что во многих случаях 16 мс матрица быстрее 25 мс отнюдь не в полтора раза, а 12 мс матрица быстрее 16 мс опять же не в 1,33 раза, а несколько меньше.

Тем не менее, постепенное улучшение времени отклика, хоть оно и не столь велико, как это кажется из приводимых производителями цифр, не может не радовать. К настоящему моменту 25 мс матрицы уже полностью вытеснены с рынка, а господствуют на нем 16 мс TN+Film матрицы. Впрочем, и их господство продлится недолго – уже появились модели на 12 мс матрицах, а не за горами и 8 мс. Однако даже с таким временем отклика ЖК-матрицам еще далеко до ЭЛТ-мониторов – для того, чтобы смазывание движущихся изображений стало неразличимо, необходимо время отклика порядка 4 мс, причем не только на переходах с черного на белый, но и во всем диапазоне оттенков.

Что касается углов обзора, то проблема первых 16-миллисекундных матриц заключалась в том, что эти углы обзора были настолько малы, что это делало фактически неприемлемой нормальную работу за монитором – даже сидя перед ним неподвижно, все равно нельзя было не отметить, что верх экрана заметно темнее низа, а по бокам цвета начинают слегка отдавать в желтизну. Вообще говоря, такая особенность – заметное потемнение при взгляде снизу – однозначно выдает TN-матрицу, ибо на других типах матриц не наблюдается.

Разумеется, с тех пор произошли заметные улучшения – горизонтальные углы обзора стали достаточными для того, чтобы, даже сидя перед монитором вдвоем, не жаловаться на "грязноватость" белого цвета, да и вертикальные углы уже не доставляют больших неудобств, хотя неравномерность яркости экрана по вертикали до сих пор заметна даже на лучших образцах матриц.

К сожалению, производители мониторов на TN-матрицах, стараясь догнать конкурирующие типы матриц по этому параметру хотя бы на бумаге, стали все чаще указывать углы обзора, измеренные по падению контрастности до 5:1, а не до 10:1 – таким образом TN-матрицы "обзавелись" паспортными углами обзора 160 градусов, не получив при этом никаких реальных преимуществ. Здесь хотелось бы еще раз напомнить про описанный выше метод измерения углов обзора – даже заявленный производителем "честный" угол обзора 140 градусов означает вовсе не то, что для обнаружения его нехватки придется "смотреть на монитор из-под стола" или "танцевать перед ним во время работы", как полагают при взгляде на заявленные характеристики многие покупатели, ибо заметные на глаз искажения картинки наступают при углах намного меньше заявленных, а цифра "140 градусов" означает сильные искажения картинки при взгляде под такими углами. Так, неравномерность яркости по вертикали на TN-матрицах можно легко заметить, даже неподвижно сидя прямо перед монитором, а потому, если важна равномерность изображения по всей площади экрана, то монитор на базе TN-матрицы будет худшим вариантом выбора из возможных.

Контрастность TN-матриц также оставляет желать лучшего. Несмотря на то, что большинство производителей заявляют контрастность порядка 500:1, реальная контрастность таких матриц редко достигает даже 300:1, и лишь немногим экземплярам мониторов удается добраться до 400:1. На практике это означает, что получить на мониторе с TN-матрицей качественный черный цвет практически невозможно, а уж в полутемной комнате (например, при просмотре фильмов) черный фон на экране будет отчетливо подсвечиваться. Впрочем, надо заметить, что контрастность матриц сильно зависит от их производителя – если, скажем, для последних матриц от Samsung контрастность 300...400:1 является достаточно стандартным показателем, то матрицы от Chunghwa Picture Tubes (CPT) зачастую демонстрируют такую плохую контрастность, что мониторы на их базе не всегда можно рекомендовать даже в качестве недорогих офисных моделей.

Еще один недостаток TN-матриц – в случае выхода из строя тонкопленочного транзистора на экране появляется яркая точка, ибо в неактивном состоянии пиксели в TN-матрицах свободно пропускают свет. Такие точки значительно заметнее, чем просто темные пиксели, особенно если монитор используется преимущественно вечером и для просмотра фильмов или игр.

Кроме того не лучше и цветопередача этого типа матриц. Мало того, что все без исключения "быстрые" матрицы – 18-битные, то есть отображение 16,2 млн. цветов на них достигается исключительно за счет FRC, так еще и даже без учета этого цвета на TN-матрицах оставляют желать лучшего – они бледные, невыразительные и сравнительно далеки от естественных, что делает TN-матрицы малопригодными для работы с цветом даже на среднем любительском уровне.

Таким образом, малое время отклика оказывается не только главным, но и единственным преимуществом TN-матриц – все остальные параметры находятся у них на весьма среднем уровне. Мониторы на этом типе матриц подойдут для игр или просмотра фильмов, а также для обычной офисной работы, но вот для серьезной работы лучше будет обратить внимание на другие типы матриц. К сожалению, фактически это ограничивает выбор мониторов моделями с диагональю от 19 дюймов и больше, ибо среди 17-дюймовых моделей абсолютное большинство имеют именно TN+Film матрицу.