Основной причиной, по которой смартфоны, ноутбуки, планшеты и часы нужно перезаряжать каждый день, являются экраны.
Миллиарды цветов и тысячи нит яркости обходятся ценой высокого энергопотребления.
Старые электронные часы и простейшие калькуляторы могут держать заряд годами и при этом использовать батарейку в десятки раз менее ёмкую, чем в современных гаджетах.
У них очень странные дисплеи: пикселей нет, экран прозрачный. При этом технология, по которой они сделаны, тоже называется LCD, как в экранах совсем новых MacBook Air и iPad Air.
Ниже ответим на все вопросы: как работает изображение, почему употребляет мало энергии, что у них общего с современными матрицами и почему такую энергоэффективную технологию не получится использовать в смартфонах.
КРАТКО◦ Что такое поляризационные стёкла, которые пропускают только особый свет
◦ Что такое жидкокристаллический слой и как он работает с поляризационными стёклами
◦ Почему жидкие кристаллы принимают форму чисел
◦ Как в итоге выглядит конструкция экрана часов
◦ Почему экраны калькуляторов и телевизоров называют LCD, хотя они совсем разные
Как жидкие кристаллы и поляризационные стёкла делают цифры чёрными
Светло-серые экраны часов и калькуляторов с чёрными числами изобрели в начале 1970-ых годах сразу несколько компаний. Устройства на их основе первым выпустили Sharp, Casio и Seiko.
В отличие от смартфонов и ноутбуков, эти дисплеи не источают свет, а отражают или блокируют его.
Экран кажется серым, потому что на самом деле за всеми слоями полупрозрачных материалов самым последним слоем установлено зеркало.
А числа чёрные, потому что жидкокристаллический слой блокирует часть света в конкретных участках и тем самым формирует нужную форму цифр.
Чтобы числа появились, используется связка технологий жидких кристаллов и поляризационных фильтров: кристаллы меняют свою структуру, а фильтры дают эти изменения увидеть.
Сначала посмотрим на две эти технологии, а затем соберём знания о них в единую конструкцию экранов.
◦ Назад к содержанию ◬
Что такое поляризационные стёкла, которые пропускают только особый свет
Если перед источником света поставить два поляризационных стекла и повернуть одно из них, свет блокируется
Поляризационные стёкла больше всего известны как фильтры для камер.
С помощью них фотографы могут фотографировать пейзажи с ярким солнечным светом и при этом сохранять детализацию как в тенях, так и в светлых участках. Это своего рода оптический HDR.
Работает он следующим образом.
На стекло наносят плёнку из поливинилового спирта, которая имеет особую структуру.
Все её молекулы выстроены в одном направлении, поэтому сквозь такое стекло проходят только те волны света, которые параллельны молекулярной сетке в фильтре.
Поляризационное стекло пропускает только волны одной направленности. Поэтому оно полупрозрачное
Если поставить два поляризационных стекла перпендикулярно друг другу, свет блокируется полностью
Далее берут второе такое стекло и накладывают на первое. Если повернуть стекло, то часть света начинает блокироваться, так как сетки больше не лежат параллельно друг на друге.
Если два фильтра наложить перпендикулярно друг другу, то свет не сможет пройти, так как первый фильтр блокирует 50% волн света одного направления, а второй – 50% волн другого направления.
Именно в таком положении и находятся два поляризационных стекла в экране калькулятора.
Но почему он тогда остаётся прозрачным? Всё дело в ЖК-слое между двумя этими фильтрами.
◦ Назад к содержанию ◬
Что такое жидкокристаллический слой и как он работает с поляризационными стёклами
В экранах слой с жидкими кристаллами играет роль горки, по которой волны света закручиваются на 90 градусов, чтобы проходить сквозь два поляризационных фильтра, расположенных перпендикулярно друг другу.
Жидкий кристалл так называется, потому что имеет строгую молекулярную сетку как у твёрдых кристаллов, но сам материал ведёт себя как жидкость: его сетка легко меняется под физическим и электромагнитным воздействием.
В экранах используют оба этих «жидких» свойства.
‣ Под физическим воздействием кристаллы перестраивается следующим образом:
1. Чтобы ЖК-сетка имела спиральную структуру, стёкла, внутри которых находится ЖК-слой, шлифуют так, чтобы направление «резьбы» совпадало с направлением поляризации по обеим сторонам.
2. Если нижний поляризационный фильтр пропускает только волны света, параллельные экрану, то и нижнее стекло ЖК-слоя будет отшлифовано параллельно экрану. А стекло с другой стороны будет отшлифовано перпендикулярно им, совпадая со вторым поляризатором.
Слева экран выключен и свет проходит насквозь, а справа экран работает и чёрную цифру видно, поскольку свет не проходит сквозь изменённую структуру ЖК-слоя
3. Когда между этими двумя стеклянными пластинами заливают жидкий кристалл, его молекулы касаются нижнего и верхнего слоя и потому начинают постепенно поворачиваться от одного направления к другому — от горизонтального к вертикальному, равномерно, по всей толщине.
4. Благодаря этому ЖК-слой плавно закручивает свою структуру, чтобы подстроиться под структуры, между которым оказался «зажат».
Так и получается, что первая половина света проходит через внешний вертикальный фильтр и как по спиральной горке спускается ко второму горизонтальному фильтру, повернувшись на 90 градусов и полностью проходя через него.
Далее этот свет отражается от зеркала и, поднимаясь вверх, закручивается обратно благодаря ЖК-слою, тем самым сохраняя прозрачность всего экрана.
◼️🔨 Если разбить экран и нарушить целостность ЖК-слоя, экран становится чёрным именно по той причине, что структура кристаллов «растекается» и больше не пропускает свет через оба фильтра.
Поляризационные стёкла начинают блокировать все волны, отражающиеся от заднего зеркала, работая как поляризационный фильтр в режиме полной блокировки света.
Теперь посмотрим, как используют второе свойство жидких кристаллов, электромагнитное. Именно благодаря нему цифры становятся чёрными и видимыми.
◦ Назад к содержанию ◬
Почему жидкие кристаллы принимают форму чисел
Структура жидких кристаллов подстраивается не только под физическую форму, в которую попала. Она также чувствительна к электрическому полю, которое возникает при подаче напряжения.
В стёкла, между которым залит ЖК-слой встроены прозрачные электроды в форме цифр.
Когда на стекло с электродами подаётся электричество, жидкие кристаллы меняют своё состояние под воздействием именно электрического поля — и только в той зоне, где оно проходит через ЖК-слой.
Поэтому на самом деле, жидкие кристаллы никакую форму не принимают.
Форма цифр заранее заложена в дизайне слоя с электродами. Получается трафарет, в котором жидкокристаллический слой «включает» или «отключает» прозрачность в нужных местах по команде электроники.
◦ Назад к содержанию ◬
Как в итоге выглядит конструкция экрана часов
Чаще всего в таких экранах используется 7 слоев, в которых только нижний непрозрачный. Так они расположены от дальнего к внешнему:
Зеркало отражает поступающий свет и помогает лучше видеть цифры на экране.
Первый поляризационный фильтр пропускает только свет, волны которого параллельны экрану.
Первое стекло с электродами получает электричество в зонах, которые являются трафаретом для чисел. Также имеет шлифовку параллельно экрану, которая направляет жидкокристаллическую сетку в нужную сторону в пассивном режиме и тем самым пропускает свет.
Жидкокристаллический слой может быть прозрачным или окрашенным. Меняет направление своей сетки только в тех участках, где подан ток на стёклах с электродами. В пассивном режиме кристаллическая сетка этого слоя закручивает волны света на 90 градусов, чтобы он свободно двигался из внешнего стекла сквозь внутреннее и обратно.
Второе стекло с электродами выполняет ту же функцию, что и первое стекло, но имеет другой паттерн электродов и шлифовку, перпендикулярную экрану.
Второй поляризационный фильтр пропускает только свет, волны которого перпендикулярны экрану.
Защитное стекло нужно просто для защиты компонентов.
❗️ Чтобы сделать цветной и инвертированный цветной экран, как это было в популярных часах CASIO, используют окрашенный жидкокристаллический слой.
В качестве итога разберёмся, почему такие экраны не подходят для современных дисплеев, хотя имеют много общего.
◦ Назад к содержанию ◬
Почему экраны калькуляторов и телевизоров называют LCD, хотя они совсем разные
Хотя технология называется LCD, liquid-crystal display или жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) и используется не только в калькуляторах, но и в телевизорах и даже смартфонах, отличие заключается в её структуре и гибкости применения.
📟 В калькуляторах и электронных часах используют TN LCD, ЖК-дисплей со скрученным нематиком или твист-нематический LCD.
📱 В современных компьютерах и смартфонах с цветными экранами используют технологию IPS LCD, или ЖК-дисплей с коммутацией в плоскости.
Нематик – колбообразные молекулы, похожие на продолговатые растянутые шары дирижаблей внутри ЖК-материала. Именно они пропускает волны света только одного направления, а перпендикулярные им рассеивают.
Разница между ними в том, что первый в пассивном режиме без электричества пропускает свет, а второй блокирует его. Это зависит от разного положения кристаллов в ЖК-слое.
▪︎ TN LCD при подаче тока умеет только переключать структуру кристаллов во второй вариант и полностью блокировать свет.
▪︎ IPS LCD в зависимости от силы тока поворачивает кристаллы под нужным углом для каждого пикселя индивидуально, что помогает регулировать его яркость и тем самым создавать сложные изображения.
По этой причине экраны часов и калькуляторов серые (на самом деле, прозрачные, просто с зеркалом сзади), а экраны телевизоров, телефонов и планшетов – чёрные.
Так и получается, что для TN LCD нужно очень мало энергии, но, по сути, они не дают тех гибкости и свободы в использовании, какая доступна в IPS LCD.
👉 В 2010-ых были бюджетные мониторы, телевизоры и даже смартфоны с экранами на базе TN LCD, однако они отличались слабыми углами обзора и плохой цветопередачей.
Сейчас новые устройства на их основе найти сложно, так как IPS LCD подешевел достаточно и подходит в том числе для устройств бюджетного сегмента.
На у том, как миллиарды уже невидимых калькуляторов работают внутри ваших CPU и GPU, можете почитать здесь.
◦ Назад к содержанию ◬
В вашем смартфоне миллиарды маленьких калькуляторов, которые творят чудеса. Как работают транзисторы в процессорах 11
Источник
