Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

   В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов,  устроены аналогично.

   Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

   Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display). Иногда их называют TFT LCD, где сокращение TFT расшифровывается "Thin-Film Transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

   В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

   Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD, и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки). Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

   Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

   Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen).

   Кстати, многие интересуются, что такое тачскрин? Вот это она и есть - сенсорная поверхность экрана, чувствительная к прикосновению пальца (пальцев).

  Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
  Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
   Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

   Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
   В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch-дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

   Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - One Glass Solution).
   Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
   В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

   В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

   Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.
 

Экран

   Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

   Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

   Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

   Немного детальнее об этом процессе.

   Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

   Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

   Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

   Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
   Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

   Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

   На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

   Остается еще к этому добавить проблемы, возникающие при прохождении света под углом (когда пользователь смотрит не перпендикулярно), и в итоге можем получить не только паразитную засветку, но и другие цвето-яркостные искажения.

   Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

   Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

   Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

   Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию).

   В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

   Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

   Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе"  угла:

   Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
   Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

   Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

   Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

   Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

   Далее сверху на этот "бутерброд" укладывают еще один лист с особыми свойствами.

   Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

   Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

   Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

   Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

   И, наконец, поверх этой многослойной лампы подсветки укладывается жидкокристаллическая матрица, рассмотренная в предыдущей главе.

   Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

   В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp).

   Пример микрофотографии TFT LCD (жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа TN:

   Обратите внимание на однородную структуру субпикселей внутри половинки каждого из них.

   Теперь - пример микрофотографии TFT LCD (жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа IPS:

   А здесь - наоборот, надо обратить внимание на сложную структуру внутри каждого из субпикселей.
 

Структура дисплеев AMOLED

   Теперь - несколько слов об устройстве относительно нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode).

   Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

   Эти дисплеи образованы массивом светодиодов  и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

   Что касается энергоэкономности, то она связана с отсутствием лампы подсветки и проявляется не всегда.

   Благодаря тому, что энергию потребляют только те пиксели, которые светятся, погашенные пиксели энергию не потребляют; в то время, как в жидкокристаллических дисплеях (LCD) лампа подсветки работает и потребляет энергию даже тогда, когда экран - чёрный.

   Из-за этого растёт популярность "тёмной темы" для экранов AMOLED. А при ярком и светлом изображении, соответственно, никакого выигрыша в экономичности по сравнению с LCD-экранами нет.

   Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.

   Типовой пример структуры дисплеев AMOLED - на следующей микрофотографии:

   На фото представлен дисплей AMOLED смартфона Samsung A22; который можно считать вполне типичным.

    Здесь можно обратить внимание на следующие детали:

   - линии пикселей повёрнуты на 45 градусов относительно горизонта;

   - субпикселей зелёного цвета - в два раза больше, чем синих или красных.

   Такая структура расположения пикселей именуется PenTile и очень часто применяется в дисплеях AMOLED. Причём разрешение дисплея производители указывают по числу зелёных субпикселей.

   Это, конечно, небольшое жульничество, но у него есть некоторое техническое обоснование. Оно заключается в том, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность именно к зелёному цвету; в связи с чем "недовложение" красных и синих субпикселей остаётся практически не заметным.

   Кроме дисплеев AMOLED, постепенно пробивают себе дорогу в жизнь другие дисплеи на основе светодиодов - micro-LED. Они отличаются от AMOLED тем, что светодиоды в них - не на основе органических полупроводников, а на основе настоящих светодиодов, только микроскопических.

   Технология производства таких дисплеев - ещё более дорогая.

   И, наконец, надо сказать, что дисплеи электронных книг (eink, e-ink) не относятся ни к одному из перечисленных типов, они рассмотрены в отдельной статье.
 

Неожиданный вопрос

   Иногда при покупке нового дисплея вместо разбитого пользователи встречаются со странным типом дисплея - Or.

   Встречается этот тип дисплея в прайс-листах во фразах вроде "Дисплей для телефона Gnusmas FSB-007 Or."

   И возникает логичный вопрос: "Дисплей Or - что это такое?"

   Не пугайтесь, но такого типа дисплея не существует. Or - это в данном случае сокращение от слова "original" (оригинальный), т.е. означает, что продаётся именно та марка дисплея, которая была установлена в телефоне самим производителем.

    Часто можно купить дисплеи, полностью подходящие для телефона взамен вышедшего из строя, но не оригинальные, а совместимые. Формально продавцы обязаны об этом информировать покупателя, но по факту не всегда это делают; особенно - на китайских торговых площадках.

  Ваш Доктор.
 12 мая 2017 г.

   Другие статьи цикла "Как устроен смартфон":

 - Что такое USB OTG в смартфоне и планшете?

 - Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы тестирования.

 - Вскрытие (разборка) камеры смартфона. Устройство камеры смартфона (мобильного телефона)

 - Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор телефона, ноутбука и других устройств

 - Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры дефектов на снимках. Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

 - Фотосъемка в режиме HDR (High Dynamic Range) в смартфоне. Что это такое, какая польза и когда можно использовать?

 - Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора

                Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам                      

   В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
  Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов - в Ваших же интересах!

   Комментарии вКонтакте: