Взгляд изнутри. Мониторы со светодиодной подсветкой

Однако потенциал ЖК-технологии оказался куда выше, чем предполагалось, и за последний год-полтора появились изделия, обещающие прорыв по обоим направлениям, причем с использованием одного и того же приема: замены люминесцентной лампы подсветки матрицы светодиодами. Давно известно, как «построить» идеальный монитор: нужно взять матрицу из светодиодов, управляющихся индивидуально. Светодиоды могут обеспечить очень высокую яркость (будучи, естественно, совершенно черными в выключенном виде). Однако практические конструкции не выходят за рамки светофорных указателей и информационных табло, а также многометровых монстров — экранов на стадионах. Нормальная многоцветная матрица из обычных светодиодов будет потреблять слишком много энергии (не говоря уже о цене такого решения), а приемлемого разрешения добиться все равно не удастся, так как обычные светодиоды достаточно велики, а «вырастить» мелкие на одной пластине невозможно. Но что мешает использовать их в качестве управляемой подсветки? «На пальцах» метод построения суперконтрастных мониторов заключается в следующем. Разработчики соединили две матрицы: одну из светодиодов, но невысокого разрешения, и вторую — обыкновенную жидкокристаллическую, для которой первая служит подсветкой вместо ламп. Светодиодная матрица фактически воспроизводит черно-белую (яркостную) составляющую изображения, вторая дает высокое разрешение и цвет. Несмотря на кажущуюся примитивность способа, результат превзошел все ожидания. Например, инженеры канадской фирмы Sunnybrook Technologies соорудили монитор HDR размером около 18 дюймов по диагонали, контрастность которого примерно 200 000:1 (закатное солнце в кадре — без проблем) и который дает несравненную по реалистичности картинку. Увы, подобные вещи пока еще остаются лабораторной экзотикой. У светодиодной подсветки сплошные преимущества и никаких недостатков. Светодиодами проще управлять, они не требуют высоковольтных преобразователей, белый цвет при этом близок к идеалу. И к тому же не забудем HDR — соединение этих двух технологий обещает настоящую революцию. Скорее всего, технологические трудности будут преодолены, и на светодиодную подсветку постепенно «переползут» все ЖК-мониторы. Возможно, даже раньше, чем экономичные ксеноновые лампы. Поликристаллический кремний Технология производства ЖК-матриц, известная как «низкотемпературный поликристаллический кремний» (LTPS), возникла довольно давно — первый ноутбук с LTPS-панелью был выпущен в 1999 году (модель Toshiba Portege 3110СТ). На деле LTPS — просто один из вариантов TFT, просто здесь усилия инженеров сосредоточились не на собственно характеристиках матрицы (углах обзора, цветопередаче), а на управлении ею. Проблема обычных тонкопленочных транзисторов в том, что они относительно велики по размеру, потому построить на основе традиционной TFT-технологии экран с разрешением, к примеру, 1024x768, но с габаритами мобильного телефона или цифровой камеры (1,5-3" по диагонали), попросту невозможно. Кроме того, они требуют достаточно высокого управляющего напряжения (около 10 В). LTPS-технология позволяет получить транзисторы намного меньших размеров, и теоретически можно создавать панели с разрешением вчетверо больше при прочих равных параметрах. Проблема производства LPTS-матриц была в том, что формирование поликристаллического кремния требует высоких температур, и на стеклянной (не говоря уже о полимерной) подложке традиционными методами его получить нельзя. Поэтому решили сначала создать амфорную кремниевую пленку (как обычно, осаждением из газовой фазы), а затем отжигать ее мощным сфокусированным лазером. По LTPS-технологии ныне изготавливают почти все небольшие, но качественные матрицы: дисплеи цифровых компактных камер, телефонов, КПК, смартфонов, видоискатели «псевдозеркалок» и пр. Для массового производства технология достаточно дорога, но в hi-end-ноутбуках она уже применяется (тех самых, что при диагонали 15" имеют разрешение 1600x1200). Плазма В предыдущей фразе я назвал неоновые индикаторы «древними» — и это действительно так, поскольку используемое ими явление холодного газового разряда известно с середины XIX века. Лампочки-«неонки» были созданы одновременно с обычными электронными лампами в начале XX века. А цифробуквенные неоновые индикаторы применялись уже в середине 40-х годов прошлого века. Позже они были вытеснены более яркими, удобными и экономичными светодиодными и жидкокристаллическими, и казалось, неонкам оставили только одну область — рекламные неоновые трубки. Но не тут-то было. Старинная неонка обрела вторую жизнь (которая продолжается и по сей день) еще в 1960 году, когда в университете штата Иллинойс Дональд Битцер, вместе с двумя коллегами Робертом Вилсоном и Джином Слотоу, построил первый в мире плазменный дисплей — PDP. Звучное название (более корректное, чем «неоновый» — ведь в рекламных трубках применяется не всегда именно неон) произошло от того, что в этих устройствах светится плазма — только не высокотемпературная, как в термоядерных реакторах, а холодная. Такая плазма образуется в газах под действием электрического поля высокой напряженности — так при определенных атмосферных условиях могут светиться провода линий электропередач. В случае, если газ разреженный, столь высокое напряжение (в линиях электропередач оно, как известно, достигает сотен тысяч вольт), конечно, не требуется — практически любая газоразрядная ячейка (от «неонки» до современных плазменных панелей) требует для зажигания напряжения порядка 130-170 В. Но даже такое напряжение есть огромный недостаток «плазмы»: в предыдущем разделе я говорил, что обычные TFT в сравнении с LTPS требуют повышенного напряжения, но там речь шла о 10 вольтах против 5-ти, а здесь — сотни! Чем же можно оправдать такое безобразие? Давайте рассмотрим, как работает плазменная ячейка. Устройство так называемой «ячейки переменного тока», используемое во всех современных PDP, показано на рис. 2. По сути, это «коробочка», обычно довольно большая — с полмиллиметра и более, и хотя разработчики уверяют, что сделать ее с обычный компьютерный пиксель нет проблем, на практике такого пока не наблюдается. Дно и стенки ячейки покрыты люминофором одного из трех цветов свечения. Разряд зажигается подачей импульса высокого напряжения на адресный электрод относительно одного из верхних (дисплейных) электродов, а поддерживается нужное время более низким напряжением между двумя дисплейными электродами, В процессе разряда ионизированный газ (та самая холодная плазма) испускает ультрафиолет, заставляющий светиться люминофор. Под низким давлением панель наполняют смесью инертных газов на основе гелия или неона с добавлением ксенона — всю сразу и целиком, потом накладывают верхнее стекло с диэлектриком и запаивают. Активационный слой (окись магния) служит для Давайте рассмотрим, как работает плазменная ячейка. Устройство так называемой «ячейки переменного тока», используемое во всех современных PDP, показано на рис. 2. По сути, это «коробочка», обычно довольно большая — с полмиллиметра и более, и хотя разработчики уверяют, что сделать ее с обычный компьютерный пиксель нет проблем, на практике такого пока не наблюдается. Дно и стенки ячейки покрыты люминофором одного из трех цветов свечения. Разряд зажигается подачей импульса высокого напряжения на адресный электрод относительно одного из верхних (дисплейных) электродов, а поддерживается нужное время более низким напряжением между двумя дисплейными электродами, В процессе разряда ионизированный газ (та самая холодная плазма) испускает ультрафиолет, заставляющий светиться люминофор. Под низким давлением панель наполняют смесью инертных газов на основе гелия или неона с добавлением ксенона — всю сразу и целиком, потом накладывают верхнее стекло с диэлектриком и запаивают. Активационный слой (окись магния) служит для повышения эффективности ячейки. А она просто-таки фантастически низка: КПД плазменной ячейки — не более десятых долей процента, то есть подводимая к панели мощность практически вся преобразуется в тепло. И плазменные панели обладают чудовищной прожорливостью: например, из 500 Вт подаваемой мощности в свет может преобразовываться всего лишь 0,5 Вт, остальное рассеивается в окружающую среду. Это порождает кучу проблем, связаных не только с необходимостью отводить это тепло. При высокой температуре люминофор постепенно испаряется, загрязняя верхнее стекло продуктами распыления, что и приводит к известному эффекту «выгорания» плазменных панелей. В них невозможно менять интенсивность свечения с помощью изменения напряжения, поэтому полутона формируют, изменяя время горения. Поскольку речь идет о микросекундах, это приводит к повышенным требованиям к быстродействию ячейки. «С нуля» она зажигается слишком долго; кроме того, время под-жига сильно зависит от того, насколько давно ячейка включалась предыдущий раз. Чтобы точнее регулировать среднюю интенсивность свечения, приходится удерживать ячейку на грани срабатывания — обычно, выставляя на дисплейных электродах погашенной ячейки напряжение выше поддерживающего, но недостаточное для зажигания. Кроме того, используют вспомогательные ячейки без люминофора, которые «горят» все время и через специальные зазоры поставляют ионизированный газ в основные. Все это, кроме более точного регулирования времени горения, позволяет снизить напряжение зажигания (а значит, и потребляемую мощность), однако ведет к неприятностям иного рода — сам ионизированный газ хоть и очень слабо, но тоже светит, и потому получение настоящего черного цвета для плазменной панели — недостижимый идеал. О недостатках и проблемах этой ужасной с точки зрения современной инженерии конструкции можно рассказывать очень долго. Так почему же это горячее, хрупкое и капризное чудовище обрело такую популярность? Все дело в одном обстоятельстве, точнее в двух. Во-первых, пока ни одна массовая технология, кроме PDP, не позволяет получить плоский дисплей достаточных размеров, к тому же такой, для которого отдельные панели можно составлять в большие экраны практически без швов. Во-вторых, несмотря на свои жутковатое устройство и отсутствие нормального черного, у PDP очень хорошее качество воспроизведения цветов — лучше многих ЖК-матриц, причем абсолютно независимое от углов обзора. К тому же они обладают непревзойденной контрастностью: производители уверяют, что до 10 000:1. В общественных местах — в студиях, конференц-залах, на сценах — плазменные панели пока вне конкуренции. Особенно, учитывая их способность без проблем работать при минусовых температурах — до -60°С (!). Конечно, «не дай вам бог» соблазниться и купить себе плазменную панель для домашнего кинотеатра. Проверено: это очень подходящий компонент интерьера, но по прямому назначению употреблять его не рекомендуется. Еще интереснее было бы как-нибудь попробовать плазменный телевизор в качестве компьютерного монитора. Многие фирмы-производители PDP с непробиваемым оптимизмом в свое время заявляли, что можно предсказать, почти не рискуя ошибиться, что у «плазмы» нет светлого будущего. Это недавно подтвердила Sony, уходящая с рынка «плазмы» в пользу ЖК-технологий, причем с подробной мотивацией этого решения, возмутившей других производителей: здесь и эффект «выгорания», и повышенное энергопотребление, и низкий срок службы и т. д. и т. п. «Органический» дисплей Я уже упоминал, что дисплей, построенный на светодиодах (OLED), мог бы приблизиться к идеалу во всех отношениях — по яркости, контрастности, насыщенности цветов, удобству управления ему бы не было равных, но, к сожалению, по ряду технологических причин это невозможно. Точнее, не совсем невозможно: большие уличные панели на светодиодах успешно функционируют, но они предназначены для просмотра с большого расстояния — величина точки там порядка единиц миллиметров. Зато возможно эти препятствия попробовать обойти — если вместо обычных неорганических OLED использовать светодиоды на основе органических полупроводников. Светоизлучающий эффект в органических полупроводниках был открыт в 1987 году Чин Тэнгом и Стивом Ван Слайком, сотрудниками фирмы Kodak. Собственно, эффект электролюминесценции в органических соединениях был известен давно, но этим ученым впервые удалось получить структуру, которая действительно излучала свет с достаточной интенсивностью. Последовал взрыв энтузиазма по всему миру: в настоящее время технологиями OLED занимаются не менее 80 компаний и научных центров. Пассивная ячейка на основе традиционного OLED не изменилась со времен этих пионерских работ и имеет наиболее простую конструкцию среди всех рассматриваемых нами типов дисплеев. Пропуская ток между катодом и анодом, мы заставляем светодиод излучать, причем достаточное для свечения напряжение — всего 2,5 В, а при -10 В OLED излучает с яркостью примерно 1000 кд/м2, что превышает этот же параметр ЖК-мониторов в два-три раза. При желании, от OLED-ячейки можно получить яркость и в 100 тыс. кд/мг, то есть в перспективе проблем с динамическим диапазоном здесь нет, но на практике, конечно, такие яркости не достигаются. Кстати, улучшают контрастность OLED-дисплеев ровно противоположным по отношению к ЖК способом: вместо «глянца» используют специальное антибликовое покрытие. Такой дисплей вполне читаем при внешней засветке 500 лк (уровень освещенности от настольной лампы или в вагоне метро). Толщина всей этой конструкции, исключая подложку, всего 0,5 микрона, поэтому, в частности, не возникает претензий к углам обзора. Кроме того, OLED-ячейки можно располагать вплотную друг к другу, без всяких «черных сеток», отчего увеличивается полезная площадь. Быстродействие ячейки OLED также не обещает проблем — еще самые первые образцы переключались за микросекунду. Цвет свечения в этой простейшей конструкции зависит от состава органического полупроводника. Анод — общий для всех трех субпикселей, но для каждого ряда ячеек это отдельная линия, проходящая перпендикулярно линиям катодов. То есть выбор ячейки здесь производится классическим методом — строка-столбец матрицы. Но такие простейшие ячейки оказались неудобными в управлении (слишком много проводников) и не слишком качественными и используются пока только в дисплеях мобильных телефонов и цифровых плееров. Развитие OLED-матриц пошло по тому же пути, что и развитие ЖК-дисплеев: для удобства управления в многопиксельных матрицах к каждой ячейке стали «приставлять» тонкопленочный транзистор (TFT), получив активную матрицу. А это уже нарушение чистоты концепции: TFT пока еще производятся на основе обычного кремния и технологически с органикой уживаются плохо. Ведь пассивную OLED-матрицу можно попросту напечатать — методом литографии или на струйном принтере, — но ее еще надо объединить с TFT, которые к тому же займут некоторую площадь. Поэтому одно из направлений развития OLED — органические транзисторы. В мае 2006 года в этой области «засветилась» компания Mitsubishi, которой удалось вроде бы получить органический материал, не уступающий кремнию по подвижности электронов. Но все это пока чисто лабораторные исследования. Необходимость совмещения с TFT — не самая главная трудность, препятствующая выходу этой, во всех отношениях замечательной технологии в широкие массы. Органика есть органика — она медленно, но неотвратимо разрушается: взаимодействует с кислородом воздуха, водяными парами, компаундами, употребляемыми для герметизации. Дошло до того, что предлагали все это дело запаивать в стеклянную колбу, наполненную инертными газами (как в «плазме»), что, разумеется, отнюдь не способствовало бы удешевлению продукта. Сейчас же все 80 лабораторий бешено работают над соединениями, которые в перспективе позволят увеличить срок службы таких ячеек до приемлемых величин. Наименьшей долговечностью отличаются синие субпиксели — срок их службы не превышает пока 10 000 часов, что приемлемо для мобильников, но решительно недостаточно, например, для ноутбуков. Одно из предложений — отказаться от отдельных соединений по каждому цвету и использовать OLED, излучающие нейтральный белый (для них удалось добиться 20 000 часов работы), с обычным разделением по цветам с помощью фильтров. Другое направление развития OLED — технология CDT или PLED. Это, по сути, тоже OLED, только использующая светодиоды с полимерными органическими молекулами. Светоизлучающие полимеры были открыты в 1989 году в Кембриджском университете в группе под руководством профессора Ричарда Френда. Он и создал компанию CDT, которая занялась разработками новой разновидности дисплеев. Этой компании в сотрудничестве с Epson удалось создать дисплей с диагональю 40", напечатанный на принтере (!). Вначале изготавливалась подложка с тонкопленочными управляющими транзисторами, а уже на нее, с помощью сконструированного в Epson струйного принтера, наносился слой PLED-ячеек. Хотя массовые успехи OLED пока достаточно скромны, в целом потенциал у нее огромный, и никто из специалистов не сомневается, что это именно то, что в перспективе заменит ЖК-матрицы с их неудобной подсветкой. Кроме всего прочего, OLED-дисплеи, как и «плазма», нечувствительны к низким температурам, но их еще можно наносить на поверхность изделий любой формы. Например, фирма Osram (кроме всем известных ламп выпускает и OLED-дисплеи для мобильных телефонов) предполагает, что в будущем светильники на органических светодиодах заменят все прочие источники света (включая и лампочки накаливания, и люминесцентные) — ибо они намного экономичней и могут быть любого желаемого оттенка, который можно менять прямо на ходу, подстраивая его под интерьер и настроение. И потом: представляете себе, например, светящийся потолок вместо люстры? Совсем как в фантастических романах. На сайте RentOnline.ru вы можете оформить заказ на аренду плазменной панели, проектора и экрана, ноутбука и другой техники для проведения мультимедийной презентации.