Мы давно привыкли к тому, что экран электронного устройства — это очень тонкая, иногда даже гибкая, плоская панель, способная выводить детальное полноцветное изображение. Но так было далеко не всегда. Когда появились плоские дисплеи, как они приобрели свой нынешний вид и как они будут меняться со временем? На эти вопросы подписчика отвечает Алексей Бутырин, научный консультант Политехнического музея по IT.
До середины XX века, по большому счёту, существовали лишь три разновидности электронных устройств с экраном — радар, осциллограф (лабораторный прибор для исследования формы сигналов) и телевизор.
Первые компьютеры экранов не имели. Для работы с ними нужно было переподключать провода в коммутационных панелях или пробивать отверстия в бумажных картах и лентах, а ход работы отслеживали только по миганию лампочек. Затем появились печатающие терминалы — усовершенствованные разновидности электрических пишущих машинок. Вы набирали запрос на клавиатуре, а компьютер печатал ответ на бумаге. Им на смену пришли так называемые стеклянные терминалы. Бумагу и красящую ленту в них заменили электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) — они-то и были стеклянными.
Электронно-лучевая трубка (а точнее, её конкретная разновидность — кинескоп) работает следующим образом. Изнутри передняя поверхность трубки покрыта люминофором — веществом, которое светится при попадании на него потока электронов. Этот поток создаёт электронная пушка, расположенная в задней части трубки. Отклоняющая система направляет электронный луч так, чтобы он формировал на экране изображение.
Экраны на основе ЭЛТ быстро стали основными устройствами вывода для компьютеров. Это и неудивительно: к тому моменту технология была уже хорошо отработана в телевизорах. Первые ЭЛТ-мониторы были монохромными (причём чаще не чёрно-белыми, а чёрно-зелёными или чёрно-оранжевыми).
Со временем они получили возможность выводить любые оттенки цвета. Мониторы на базе ЭЛТ обеспечивали хорошие углы обзора, высокую частоту смены кадров, большое разрешение (то есть количество пикселей на единицу длины). Но они довольно быстро исчерпали возможности по модернизации, а их фундаментальный недостаток — необходимость в громоздком кинескопе с электронно-лучевой пушкой — устранить было нельзя.
Поэтому ещё в 1970-х годах инженеры начали поиск альтернативных технологий вывода изображения. Перспективным оказалось использование жидких кристаллов (ЖК). Сами по себе они были открыты ещё в 1888 году австрийским учёным Фридрихом Рейнитцером. В 1927 году советский учёный Всеволод Фредерикс обнаружил, что под воздействием электрического поля жидкие кристаллы могут менять свою конфигурацию. Но до практического применения технологии должно было пройти ещё почти полвека.
Инженеры придумали заключить молекулы жидких кристаллов между двумя поляризационными фильтрами и подвести к ним прозрачные электроды. По умолчанию жидкие кристаллы выстроены таким образом, что плоскость поляризации проходящего через них света поворачивается, и он проникает через фильтры. Когда на электроды подаётся напряжение, кристаллы выстраиваются в соответствии с электрическим полем, их взаимное расположение меняется, и свет перестаёт проходить.
Подробнее о принципах работы ЖК-дисплеев
Первые ЖК-дисплеи имели небольшой размер и могли отображать лишь жёстко заданный набор изображений и символов. Сегодня такие дисплеи можно встретить в простых электронных часах, калькуляторах, цифровых термометрах.
Со временем появились матричные ЖК-дисплеи, представляющие собой сетку из небольших квадратиков-пикселей. Каждым из них можно было управлять индивидуально, формируя любые символы и изображения. Они используются, например, в научных калькуляторах.
Параллельно с жидкокристаллическими разрабатывались газоразрядные, или, иначе, плазменные, дисплеи. Сперва они тоже были монохромными, а именно чёрно-оранжевыми, потому что в них использовался благородный газ неон, светящийся таким цветом. Плазменные дисплеи стояли, например, в ноутбуке Toshiba T3100 или в советском компьютере «Курсор».
Ещё одна альтернативная технология — электролюминесцентные дисплеи. Такие использовались в первых ноутбуках — Grid Compass.
Все эти дисплеи в сравнении с ЭЛТ поначалу имели низкое разрешение, ограниченные углы обзора, неполную цветопередачу. Но главное преимущество — компактность и низкая масса — делали их незаменимыми для портативных устройств.
Были у плоских дисплеев и другие достоинства: отсутствие мерцания, чёткость изображения, невысокое энергопотребление. А недостатки со временем были преодолены.
Быстрее всего совершенствовались ЖК-матрицы. Уже в конце 1980-х они стали цветными, а к середине 2000-х по разрешению, скорости обновления и цветопередаче сравнялись с электронно-лучевыми дисплеями. Появились разные технологии производства ЖК-дисплеев.
Сегодня в недорогих моделях техники обычно применяются матрицы типа TN (twisted nematic) с невысокой контрастностью и скромными углами обзора. В устройствах более высокого класса используются матрицы типа IPS (in-plane switching).*VA-матрицы (vertical alignment). Естественно, у каждой технологии есть разновидности, и лучшие из TN-матриц могут не уступать посредственным IPS.
Развитие получили и плазменные дисплеи. Они тоже стали полноцветными, приобрели хорошую контрастность, высокую частоту обновления, большие углы обзора. Для портативной техники, правда, они не слишком подходили, поскольку потребляли довольно много энергии и требовали, чтобы пиксель имел ширину хотя бы 0,5 мм. Поэтому такие экраны надолго «прописались» в телевизорах, и словом «плазма» до сих пор называют большие плоскоэкранные ТВ, даже если те основаны на совсем других технологиях.
Но в наши дни плазменные дисплеи уже не конкурируют с жидкокристаллическими. Их основной соперник — экраны на основе OLED, или органических светодиодов.
История светодиодов (LED) в чём-то напоминает историю жидких кристаллов. Они тоже были открыты более ста лет назад (Генри Раундом из Великобритании), тоже исследовались в СССР в 20-е годы (Олегом Лосевым) и тоже не находили практического применения до 1970-х.
Появлению полноценных светодиодных экранов долгое время мешало то, что не удавалось создать надёжные и недорогие синие светодиоды, а ведь синий — один из базовых цветов. Эта задача оказалась настолько важной, что в 2014 году за изобретение синих светодиодов трём японским инженерам была присуждена Нобелевская премия по физике.
В отличие от ЖК-матриц, которым требуется внешняя подсветка, каждый пиксель светодиодного дисплея излучает свет сам. Для создания современных дисплеев используются органические светодиоды (OLED), созданные на основе многослойных тонкоплёночных структур из органических соединений. Они более яркие и энергоэффективные, чем классические светодиоды.
По контрастности, яркости, углам обзора и времени отклика OLED-дисплеи превосходят жидкокристаллические, к тому же их можно сделать удивительно тонкими, прозрачными и даже гибкими. Но и стоят такие экраны существенно дороже.
Существуют и другие альтернативные технологии — например, дисплеи Mirasol, напоминающие по принципу действия крыло бабочки, или ферроэлектрические дисплеи (FLCD), которые применяются в медицинской и военной технике.
Наиболее перспективной для массового применения сейчас выглядит технология дисплеев на квантовых точках (quantum dot). Квантовая точка — это небольшой полупроводниковый кристалл, который излучает свет с определённой длиной волны под воздействием электрического напряжения или облучения другим светом. Характеристики квантовых точек прямо зависят от их размера и формы.
По мнению разработчиков, дисплеи на квантовых точках будут превосходить ЖК-дисплеи по экономичности, а OLED-дисплеи — по долговечности.
Сегодня уже можно приобрести дисплеи, в которых используется новая технология (иногда их называют QLED-дисплеями), но пока что квантовые точки играют в них роль управляемой подсветки. Для формирования конечного изображения используются традиционные матрицы из жидких кристаллов со всеми их преимуществами и недостатками. Чтобы создать дисплеи на основе одних только квантовых точек, необходимо решить ещё немало инженерных задач.
Подписывайтесь на наш телеграм-канал — там больше интересного.
У вас тоже есть вопрос, связанный с устройством мира или человека? Пишите нам на почту question@polytech.one.
