Из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.

Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.

Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.

Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.

Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».

Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Часть теоретическая

Как устроен LCD дисплей?

Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!).

Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.

Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.

Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией . Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.

Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.

а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.

Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp :

Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.

По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!

Какие сенсорные панели бывают?

Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю, будет разумно сразу про них и рассказать.

Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано (источник когда-то жил , но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.

Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.

Схема устройства резистивного сенсора

Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:

Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея ()

Всё предельно просто.

Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.

Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.

Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.

Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора()

Как устроен E-Ink дисплей?

Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:

Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея ()

Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:

Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:

Схема работы SiPix дисплея ()

Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда , в Персте когда-то была отличная статья.

Часть практическая

Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)

После «аккуратной» отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:

Самсунг и китаефон едины!

Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:

Так работают 2 поляризационных фильтра : в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит

Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).

Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:

Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона

Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.

LCD-дисплей китаефона

Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:

Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.

Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный (R), зелёный (G) и синий (B).

С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):

Номера-номера-номера…

Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:

Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…

Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:

Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…

А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.

Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…

Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:

В оптический микроскоп – в цвете…

И электронный микроскоп – черно-белое изображение!

В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.

Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. 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 (называемых пикселями), 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. 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). Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели.

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля и на угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

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 с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это описывается далее. 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°.

В будущем следует ожидать расширения вторжения LCD мониторов на рынок, благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты.

Вкратце расскажем 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, который у LCD монитора фиксирован. Например, если LCD монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай пикселей. При этом 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 с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется «Expansion» (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому, при выборе LCD монитора важно четко знать какое именно разрешение вам нужно.

Отдельно стоит упомянуть о яркости LCD мониторов, так как пока нет никаких стандартов для определения того, достаточной ли яркостью обладает LCD монитор. При этом в центре яркость LCD монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Единственный способ определить, подходит ли вам яркость конкретного LCD монитора, это сравнить его яркость с другими LCD мониторами.

И последний параметр, о котором нужно упомянуть, это контрастность. Контрастность LCD монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Хорошим контрастным 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, если вы занимаетесь версткой, то теперь лист формата A4 можно полностью уместить на экране без необходимости использовать вертикальную прокрутку, что бы 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 плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов. Отсутствие искажений на экране и массы других проблем свойственных традиционным CRT мониторам. Добавим, что потребляемая и рассеивая мощность у LCD мониторов существенно ниже, чем у CRT мониторов.

Главной проблемой развития технологий LCD для сектора настольных компьютеров, похоже, является размер монитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. 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 похоже, что исход битвы между CRT и LCD мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не в пользу CRT мониторов. Будущее, судя по всему, все же за LCD мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен после того, как IBM объявила о выпуске монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза больше, чем у CRT мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же как при печати на матричном и лазерном принтерах. Поэтому вопрос перехода к повсеместному использованию LCD мониторов лишь в их цене.