В конце 80-х годов появились первые LCD (Liquid Crystal Display). Они были сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически, это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-мониторы для настольных компьютеров.

Экран LCD-монитора представляет собой массив маленьких сегментов (пикселов), которые могут манипулироваться для отображения информации. LCD-монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в такой световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковые повороты плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

При появлении электрического поля молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля, и угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов. Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна следующей причине: первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем. В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность, при правильном управлении потенциалами этих электродов, отображать на экране элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно, на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора и позволяет отображать даже сложные изображения в цвете.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, так, чтобы свет порождался в задней части LCD-дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение хорошего качества, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинация трех основных цветов для каждой точки или пикселя экрана дает возможность воспроизвести любой цвет (здесь принцип такой же, как и в обычных CRT-мониторах).

В случае с цветом есть несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (что приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD-дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более крупные LCD-мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN-технологии.

STN означает Super Twisted Nematic. Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора. Часто STN-ячейки используются в паре. Это называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), и этот метод очень популярен среди мониторов для портативных компьютеров, использующих дисплеи с пассивной матрицей (дальше), где DSTN обеспечивает улучшение контрастности при отображении изображений в цвете. Две STN-ячейки располагаются вместе так, чтобы при вращении они двигались в разных направлениях. Также STN-ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя пластиковой пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.

Термин "пассивная матрица" (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD-дисплеев, которую мы только что описали, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения (например, курсор мыши при быстрых перемещениях на таком экране начинает пропадать, так как ячейки не успевают среагировать). Мы также должны принимать во внимание тот факт, что между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD-мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160°, и есть все основания предполагать, что технология будет и дальше совершенствоваться. В случае с активной матрицей вы можете отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 ms против 300 ms для пассивной матрицы, да и контрастность лучше, чем мониторов на основе пассивной матрицы.

Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, как у CRT-монитора. Именно поэтому для LCD-мониторов достаточной является частота регенерации 60 Hz (вообще-то это даже много, но в связи с тем, что LCD-мониторы должны быть совместимы с видеокартами, меньшая частота практически не используется). Это позволяет создавать компактные мониторы, менее опасные для нашего зрения. Хотя, надо отметить, хорошие CRT-дисплеи тоже не имеют заметного мерцания.

Правда, мерцание отсутствует только у мониторов с активной матрицей. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц, появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев и, следовательно, удешевить конструкцию (хотя дисплеи с активной матрицей все равно дороже). Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, чтобы позволить световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые TFT (Thin Film Transistor).

Thin Film Transistor действительно очень тонкий, его толщина - от 1/10 до 1/100 микрона. Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Напримиер, монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей и только с тремя цветами, имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD-дисплее. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов может не работать.

Немного о разрешении LCD-мониторов. Это разрешение одно, и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT-мониторов. Именно в native-разрешении LCD-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей. Например, если LCD-монитор имеет native-разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено по 1024 электродов. Естественно, есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется Centering (центрирование); суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения данного размере. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, то есть вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется Expansion (растяжение). Его суть в том, что при воспроизведении изображения с более низким разрешением используются все пиксели, но из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения и ухудшается резкость. Поэтому при выборе LCD-монитора важно четко определить, какое именно разрешение вам больше всего нужно. Хотя, по-моему, практически во всех случаях чем оно больше, тем лучше, так что эта проблема не так актуальна, а ввиду того, что мерцания у мониторов с TFT-дисплеями (а это все современные LCD-мониторы) нет и вопрос о соответствии частоты обновления и величины разрешения не стоит.

Пока нет никаких стандартов для определения того, достаточной ли яркостью обладает LCD-монитор. При этом в центре яркость LCD-монитора может быть до 25% выше, чем у краев экрана. Единственный способ определить, насколько хороша яркость конкретного LCD-монитора, это сравнить его яркость с другими LCD-мониторами. При покупке LCD-дисплея также следует обращать внимание на его контрастность. Она определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Хорошим соотношением считается 120:1, что обеспечивает воспроизведение живых насыщенных цветов. Контрастное соотношение 300:1 и выше используется тогда, когда требуется точное отображение черно-белых полутонов. Но, как и в случае с яркостью, пока нет никаких стандартов, поэтому главным определяющим фактором являются ваши глаза.

Стоит отметить и такую особенность части LCD-мониторов, как возможность поворота самого экрана на 90° с одновременным автоматическим разворотом изображения. В результате, например, лист формата A4 можно полностью уместить на экране без необходимости использовать вертикальную прокрутку, чтобы увидеть весь текст на странице. Правда, среди CRT-мониторов тоже есть модели с такой возможностью, но они крайне редки. В случае с LCD-мониторами эта функция становиться почти стандартной.

К преимуществам LCD-мониторов можно отнести то, что они действительно плоские в буквальном смысле этого слова (найти монитор с абсолютно плоской ЭЛТ несколько сложнее, и не всегда здесь слово "плоский" следует понимать буквально), а создаваемое на их экранах изображение отличается отсутствием каких-либо искажений.

Однако это не главное. А главное в габаритах, массе и потребляемой мощности LCD-мониторов. Последняя у LCD-мониторов существенно ниже, чем у CRT-мониторов. В сочетании с небольшой толщиной панели и маленьком весе это дает возможность применять такие дисплеи в портативных компьютерах и существенно сэкономить место на столе, а также сэкономить электроэнергию. Все это позволяет LCD-технологии вытеснить традиционные мониторы. В самом деле: монитор, пожалуй, является сейчас самой отсталой частью компьютера по части эргономики, дизайна, потребляемой энергии и т. д. LCD-панели смотрятся здесь куда привлекательнее...

У LCD-панелей также практически полностью отсутствуют различные электромагнитные поля, излучения и проч. Если вспомнить и о полном отсутствии мерцания, то можно сказать, что LCD абсолютно безвредны для здоровья (хотя, тем не менее, они тоже могут маркироваться логотипами какого-либо экологического стандарта). Впрочем, хорошие CRT-мониторы тоже не могут сделать нашему здоровью ничего плохого, но факт все равно остается фактом.

Но пока что, как ни хотелось бы избавиться от технологий каменного века, говорить о повсеместном распространении LCD-мониторов рановато. Ведь стоят они раза в четыре дороже традиционных CRT-дисплеев. А за эту разницу в их цене вполне можно купить очень даже приличный компьютер (я имею ввиду начинку системного блока и некоторую не слишком дорогую периферию). Здесь, правда, на руку LCD могло бы сыграть качество изображения. Все вокруг им просто восхищаются, но я честно говоря не знаю, чем они там смотрят. Лично я бы не сказал, что оно действительно заслуживает восхищения. Безусловно, если сравнивать с самыми дешевыми CRT-мониторами фирмы Федькина Контора & K^o, то здесь, конечно, нельзя поспорить, но если взять лучшие CRT-мониторы, ситуация будет не в пользу даже достаточно дорогих LCD - контрастность не та, насыщенность цветов тоже не самая лучшая. В сравнении можно приблизительно сказать так: качество картинки может быть выше, но только у самых лучших моделей. А стоят эти модели как несколько самых высококачественных обычных мониторов с большой диагональю.

Кстати, диагональ - тоже очень большая проблема для LCD-технологии, так как с ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. Правда, в настоящее время максимальная диагональ LCD-монитора, пригодного к массовому производству, достигает 20", а недавно некоторые разработчики представили 43" модели и даже 64" модели TFT-LCD-мониторов, готовых к началу коммерческого производства. Но все это поднимает и без того не слишком привлекательную цену просто до облаков (от 1000-3000 USD для качественных моделей до 10000-15000 USD или даже больше). Поэтому большинство пользователей, тем более таких, как в России, предпочтут (если они вообще предпочтут LCD) небольшие 15"-17" дисплеи. Впрочем, цены на LCD довольно быстро снижаются, а качество технологии совершенствуется.

Но сегодня вряд ли стоит покупать LCD, разве что кроме случаев, когда необходимы минимальные габариты и энергопотребление или финансовый вопрос не стоит вообще. Хотя уже давно ясно, что CRT-технологии осталось жить уже не долго, положение не изменится до тех пор, когда стоимость аналогичных LCD по крайней мере не будет больше, чем в полтора раза. До этого же момента даже не стоит и думать о массовости жидких кристаллов. Остается только надеяться, что этот момент наступит достаточно скоро. Кстати, существуют еще и другие, и, как мне кажется, весма перспективные технологии создания мониторов, так что, возможно, LCD-панели так и не займут на рынке прочной позиции. А как думаете вы?