Сравнение технологий ЖК и плазмы

     Введение

     Плоские дисплеи в будущем заменят  привычные электронно-лучевые трубки телевизоров. HDTV, цифровая конвергенция и DVD высокого разрешения знаменуют  смерть ЭЛТ-телевизоров. Конечно, этого  ещё не произошло, но ждать осталось недолго. Пару-тройку десятилетий назад таким же был переход с чёрно-белых телевизоров на цветные. Но в нашу эпоху, с учётом быстрого внедрения новинок в жизнь и их удешевлением, уже через несколько лет телевизор с лучевой трубкой будет смотреться анахронизмом. Но при покупке плоскопанельного телевизора возникает проблема: необходимо выбрать между двумя технологиями, существенно отличающимися друг от друга: между плазмой и ЖК.

     Что касается компьютерных мониторов, то здесь выбор простой - победителем на рынке однозначно можно назвать ЖК. Но вот в области телевизоров обе технологии продолжают конкурировать.  

     Как устроен дисплей

     Если  вы знакомы с технологиями дисплеев, то можете переходить напрямую к следующему разделу. Здесь же мы рассмотрим базовые различие в технологиях ЭЛТ, плазменных и ЖК-дисплеев.

     Все они используют общий подход для  вывода полного цветового спектра: разделение цветов на базовые. Вместо сложных пикселей, способных выдавать множество оттенков, разработчики остановили свой выбор на пикселях, состоящих из трёх суб-пикселей, каждый из которых отображает оттенки своего цвета: красного, зелёного или синего.

     

     Если  пользователь находится на удалении от экрана, то он уже не может отличить суб-пиксели друг от друга и воспринимает их как единое целое. Поэтому подобные пиксели могут составлять полноцветную картинку - через смешение красных, зелёных и синих суб-пикселей. Используя все три цвета в равных пропорциях, можно создавать оттенки серого - от белого до чёрного.

     

     Выбор в качестве основных цветов красного, зелёного и синего может шокировать людей, интересующихся живописью, поскольку там основными цветами являются пурпурный, жёлтый и голубой. Об аддитивных основных цветах, путём сложения которых можно получить все остальные, - поэтому ими и стали красный, зелёный и синий (RGB).

     Ниже  показан пример реализации подобной модели на электронно-лучевой трубке.

     

 
Вы можете видеть суб-пиксели каждого  из основных цветов.

     Все современные технологии дисплеев - ЭЛТ, ЖК и плазма - используют этот принцип. В следующих разделах мы подробно рассмотрим его реализацию в каждой из технологий.  

     Плазменная  технология  

     Хаотичное начало

     Многие  даже и не подозревают, но плазменная технология не такая уж и новая, даже несмотря на то, что её промышленное использование началось в начале 90-х годов. Исследования плазменных дисплеев проводились в США ещё четыре десятилетия назад, в 60-х годах. Технология была разработана четырьмя учёными: Битцером (Bitzer), Слоттоу (Slottow), Вилсоном (Willson) и Аророй (Arora). Первый прототип дисплея появился довольно быстро, в 1964 году. Матрица, революционная для свого времени, имела размер 4 на 4 пикселя, которые излучали монохромный голубой цвет. Затем, в 1967 году, размер матрицы был увеличен до 16x16 пикселей, на этот раз она излучала монохромный тёмно-красный цвет (с помощью неона). Цвет определялся подбором газов с различным спектром свечения. Сначала эти матричные панели назывались газоразрядными, но эффективность излучения в газах оказалась очень слабой. Кстати, до сих пор выпускаются матричные газоразрядные панели с аргоно-неоновым заполнением.  

     

     

 

     Вполне  естественно, что эта технология заинтересовала производителей, и в 1970 году к работе присоединились такие  компании, как IBM, NEC, Fujitsu и Matsushita. К сожалению, из-за отсутствия рынка, оправдывающего промышленное производство, к 1987 году разработки в США были практически остановлены, и последней компанией, которой пришлось сдаться, была IBM. В США осталась горстка учёных, продолживших работать над этой технологией, и теперь основные исследования проводились в Японии. Дело в том, что в Японии существовала долговременная государственная программа по развитию дисплейных технологий. В Стране восходящего солнца были образованы десятки университетов и институтов, специализированных на данной технологии. И денег было инвестировано немало. Причём государство контролировало и координировало деятельность больших частных фирм, таких как Sharp и Hitachi. Первая коммерческая модель появилась на рынке в начале 90-х годов. Fujitsu первой преодолела 21" барьер.

     Сегодня большинство крупных производителей бытовой техники, включая компании LG, Pioneer, Philips, Hitachi и другие, предлагают плазменные панели.  

     Принцип работы

     Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост: каждый суб-пиксель представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.

     

     И свечение в плазменных дисплеях достигается  точно так же, как у люминесцентных ламп, которые мы повсеместно наблюдаем: внутри трубки запаян инертный газ (к  примеру, аргон), использующийся в качестве стабилизатора дугового разряда. Также внутри находятся пары ртути (именно бомбардировка тяжёлыми ионами ртути и вызывает свечение люминофора в ультрафиолетовом диапазоне). Кстати, сегодня есть и люминесцентные лампы без ртути. На концах трубки находятся электроды, к которым подводится высокое напряжение (несколько тысяч вольт. Но реально в люминесцентных лампах такое напряжение образуется только при поджиге за счёт выброса с балластного дросселя. Когда образуется дуговой разряд, то напряжение падает до 80-240 В в зависимости от режима и прочих характеристик). Инертный газ в нормальном состоянии электрически нейтрален, но под действием тока он превращается в плазму - газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов (в результате суммарный заряд остаётся нейтральным). Из-за разницы потенциалов в несколько тысяч вольт электроны перетекают к положительному катоду, а электроны - к отрицательному аноду трубки. Подобное движение приводит к столкновению с атомами. При каждом столкновении атом набирает энергию, и электроны переходят на более высокую орбиту. Когда они возвращаются на изначальную орбиту, то испускают фотон: квант света.

     Излучаемый  свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к полюсам трубки недостаточно. Внутри плазмы должно постоянно существовать движение, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую.

     Но  здесь возникает проблема. Дело в том, что излучаемый плазмой свет невидим: это ультрафиолет, который человеческий глаз не способен воспринимать. (Ультрафиолет здесь, кстати, излучается не по случайности. Он имеет длину волны короче видимого спектра, поэтому его удобно с помощью разных люминофоров превращать в любой цвет). Поэтому свет нужно превратить в видимый. Для этого на стенки трубки наносят порошок, чувствительный к ультрафиолету и излучающий белый свет (вспомните обычные лампы дневного света). Этот порошок является люминофором, то есть преобразует одну форму излучения в другую.

     Люминофоры  давно используются в дисплеях. Электронно-лучевые  трубки (ЭЛТ) тоже применяют люминофоры, преобразующие поток электронов в зелёный, красный или синий  свет.  

     От  светящейся трубки к пикселю плазменной панели

     Переложение этой технологии на пиксели плазменного  дисплея тоже довольно логично. Каждый пиксель состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два  электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке фиолетовым), который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.

     

     Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность - размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома - он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.

     Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:

• Зелёный: Zn₂SiO₄:Mn₂₊ / BaAl₁₂O₁₉:Mn₂₊
• Красный: Y₂O₃:Eu₃₊ / Y_0,65Gd_0,35BO₃:Eu₃
• Синий: BaMgAl₁₀O₁₇:Eu₂₊

     Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.

     Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы  получить требуемый оттенок нужно  менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей.

     

     На  плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние - в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, - подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.

     

     Передние  электроды (scan и sustain) должны быть прозрачными, поэтому их тоже напыляют из оксида индия и олова.  

     

     Управление  панелями ACC сложнее, но их преимущество заключается в способности обеспечивать течение плазмы дольше, чем у традиционной панели. На первом этапе между электродами scan и data прикладывается разница потенциалов  в 300 В (+100 В и -200 В). Затем заряды электродов scan и sustain постоянно меняются, в результате чего они попеременно образуют разность потенциалов. Преимущество подобного подхода заключается в том, что поток плазмы не прекращает своё движение, а электрод data остаётся свободным, в результате параллельно можно адресовать другой пиксель. Подобным способом, с помощью электрода data, свечение суб-пикселя прекращается.  
 
 
 

     Преимущества  и недостатки плазменных дисплеев  

     Преимущества

     Плазменная  технология имеет отдельные преимущества над ЖК. Во-первых, люминофоры для плазменного телевизора обеспечивают более сочные цвета в более широком диапазоне. Цветовой диапазон плазменных экранов намного шире, чем у ЖК-телевизоров. Если сравнивать с ЭЛТ-мониторами, то цветовой диапазон "плазмы" в ряде случаев бывает хуже, поскольку у ЭЛТ условия для возбуждения люминофора гораздо лучше: энергия электронов выше, чем у УФ-излучения.

     

 

     Источник: NEC-Mitsubishi.

     Затем, углы обзора шире, чем у ЖК-дисплеев. Основной причиной является то, что  пиксели в "плазме" как бы сами излучают свет, а у ЖК-мониторов  свет от лампы подсветки проходит через кристалл пикселя. Кроме того, плазменным панелям не нужен поляризатор.

     Наконец, контрастность "плазмы" аналогична лучшим ЭЛТ-телевизорам. Основная тому причина - глубокий чёрный цвет. Выключенный  пиксель не излучает цвет совсем, в  отличие от пикселей ЖК. Кроме того, плазменные телевизоры обладают большей яркостью, чем ЭЛТ-мониторы, обеспечивая от 900 до 1000 кд/м². Здесь есть нюанс. В отличие от ЭЛТ и ЖК в "плазме" физически невозможно обеспечить такую яркость по всему экрану. Только на отдельных площадях. Дело в том, что для запитки такого "кипятильника" потребуется источник мощностью несколько киловатт. А мощные драйверы микросхем управления просто расплавятся! Поэтому то в плазме используется принудительное охлаждение вентиляторами. К сожалению, КПД преобразований "электрическая энергия - излучение" в плазме невысокий. Чтобы избежать этого явления применяется "военная хитрость" - анализируется суммарная потребляемая мощность. И если есть опасность превышения лимита - идёт принудительный сброс средней яркости экрана.