Matryca TN (Twisted Nematic) – jak działa i czym się charakteryzuje?

Historia i rozwój technologii matryc TN 

Matryca TN wywodzi się z lat 70. XX wieku, kiedy to zadebiutowała w pierwszych kalkulatorach i zegarkach cyfrowych. Nazwa TN oznacza twisted nematic i pochodzi od skręconych cząsteczek ciekłego kryształu, które są kluczowym elementem tej technologii LCD. Początkowo matryce TN miały bardzo ograniczone możliwości, pozwalały jedynie na wyświetlanie prostych cyfr i znaków.  

Przełom nastąpił w latach 90. wraz z opracowaniem kolorowych wyświetlaczy TN. Możliwe stało się uzyskanie obrazu w pełnym kolorze poprzez dodanie do każdego piksela filtrów RGB. Matryce TN idealnie nadawały się do zastosowania w nowoczesnych, ciekłokrystalicznych monitorach, gdzie liczyła się szybkość wyświetlania dynamicznych treści. Dzięki prostocie wykonania, niskiej cenie produkcji oraz małemu zużyciu energii, ekrany TN szybko zdominowały rynek monitorów i wyświetlaczy. 

Jednak w XXI wieku zaczęły pojawiać się nowe technologie matryc LCD takie jak IPS czy VA, które stopniowo wypierały matryce TN. Dzięki lepszemu odwzorowaniu kolorów i szerszym kątom widzenia sprawdzały się lepiej w zastosowaniach wymagających wysokiej jakości obrazu, zwłaszcza w nowoczesnych telewizorach.  

Mimo to, ze względu na zalety takie jak niska cena i małe zużycie energii, matryce TN wciąż mają szerokie zastosowanie. Są chętnie stosowane w tańszych monitorach i telewizorach, a także w elektronice mobilnej. Można je spotkać w urządzeniach przemysłowych, medycznych, wojskowych oraz w starszych modelach laptopów. Dzięki ciągłemu rozwojowi technicznemu matryce TN nadal stanowią istotną część rynku elektroniki przemysłowej i użytkowej. 

Matryca TN – budowa i zasada działania 

Klasyczna matryca LED TN składa się z dwóch szklanych podłoży pokrytych przezroczystą, przewodzącą warstwą ITO (tlenek indowo-cynowy). Między podłożami znajduje się warstwa ciekłokrystaliczna. Od zewnątrz matrycę pokrywają polaryzatory ustawione prostopadle do siebie.  

W stanie naturalnym cząsteczki ciekłego kryształu są skręcone o 90 stopni, co powoduje obrót płaszczyzny polaryzacji światła przenikającego przez warstwę TN. Dzięki temu promienie świetlne mogą przejść przez oba polaryzatory i pixel jaśnieje. 

Natomiast po przyłożeniu napięcia elektrycznego, cząsteczki TN układają się równolegle do płaszczyzn szkła. Wtedy płaszczyzna polaryzacji światła nie ulega obrotowi i jest blokowana przez drugi polaryzator. W efekcie pixel ciemnieje. 

Regulując napięcie, można precyzyjnie sterować stopniem skręcenia cząsteczek ciekłego kryształu, a tym samym jasnością każdego piksela. Pozwala to na wyświetlanie obrazu w skali szarości oraz w pełnym kolorze po dodaniu filtrów RGB. Dokładna kontrola napięcia dla setek tysięcy pikseli pozwala matrycom TN wyświetlać ostre obrazy i wideo. 

Nowoczesne matryce TN posiadają szereg udoskonaleń zwiększających jakość obrazu. Należą do nich lepsze podświetlenie LED, redukcja smug i odbić światła czy zwiększenie głębi kolorów. Jednak podstawy działania pozostają niezmienne od dekad – regulacja skręcenia cząsteczek ciekłego kryształu za pomocą napięcia elektrycznego. 

Typy matryc TN 

W ciągu wielu lat rozwoju powstało kilka odmian matryc TN, różniących się parametrami: 

• STN – Super Twisted Nematic – ten typ matrycy TN posiada wyższy kontrast, niższe napięcie 
• FSTN – Film Compensated STN – nałożenie filtra kompensacyjnego na jeden z polaryzatorów zwiększa kontrast i kąty obserwacji 
• DFSTN (lub FFSTN) – Double Film STN – podwójna warstwa filtrów STN, jeszcze lepszy kontrast i kąty widzenia 
• HTN – High Twisted Nematic – bardzo duże skręcenie cząsteczek oraz inny kąt polaryzacji, dzięki czemu praca przy niskich napięciach, szeroki zakres temperatur pracy 
• VATN (Vertical Alignment Twisted Nematic) – polega na naturalnym ustawianiu się ciekłych kryształów pionowo oferując wyższy kontrast, głęboką czerń, lepsze kąty widzenia i brak efektu odwrócenia skali szarości, lecz rozdzielczość ograniczona jest do 16 pikseli 

Każda z tych technologii ma inne zastosowanie, w zależności od wymagań technicznych danego produktu. 

Zalety i zastosowania matryc TN  

Matryce TN posiadają liczne zalety, które zapewniły im dominującą pozycję na rynku przez dziesięciolecia: 

• Niska cena produkcji, dzięki prostej budowie i brakowi dodatkowych elementów 
• Niewielkie zużycie energii, możliwa praca na bateriach 
• Szybki czas reakcji, 2-5 ms, obsługa dynamicznych treści 
• Wysoka jasność i kontrast, dobre odwzorowanie kolorów 
• Możliwość produkcji dużych przekątnych, nawet powyżej 40″ 

Te cechy sprawiają, że matryca TN nadaje się do szerokiego spectrum zastosowań:  

• Monitory i ekrany LCD  
• Elektronika w urządzeniach przemysłowych, medycznych, wojskowych 
• Tablice informacyjne, bilbordy, ekrany w automatach  

• Starsze laptopy, kalkulatory, zegarki, aparaty cyfrowe 

Główną wadą TN jest gorsza jakość odwzorowania kolorów i niższy kontrast, w porównaniu z matrycami IPS lub OLED, a także wąskie kąty widzenia. Stąd w nowszych telewizorach częściej stosuje się matryce IPS i VA. Jednak zalety TN nadal decydują o ich popularności w wielu dziedzinach elektroniki przemysłowej. 

Porównanie matryc TN z technologiami IPS i VA 

Matryca TN vs IPS 

W porównaniu do popularnych matryc IPS, ekrany TN cechują się: 

• Węższymi kątami widzenia, co ogranicza czytelność prezentowanego obrazu 
• Słabszym odwzorowaniem kolorów i gorszą reprodukcją czerni 
• Szybszym czasem reakcji – np. 2-5 ms dla TN vs 5-15 dla IPS  
• Niższą ceną produkcji dzięki prostszej budowie 

Z tych względów matryce IPS są lepsze tam, gdzie liczy się jakość obrazu – w profesjonalnych monitorach graficznych czy nowoczesnych urządzeniach przemysłowych, np. HMI. 

Matryca TN vs VA 

W odniesieniu do matryc VA, wyświetlacze TN cechują się: 

• Niższym kontrastem i gorszym odwzorowaniem czerni 
• Nieco węższymi kątami widzenia  
• Szybszym czasem reakcji – 2-5 ms (TN) vs 15-30 ms (VA)   

Dzięki wyższemu kontrastowi, matryce VA lepiej sprawdzają się do oglądania filmów i zdjęć, gdzie liczy się jakość obrazu. 

Podsumowanie i przyszłość matryc TN 

Podsumowując, matryce twisted nematic od wielu lat dominują na rynku elektroniki użytkowej dzięki swej prostocie, niskim kosztom produkcji i niewielkiemu zużyciu energii. Stanowią nieodłączny element monitorów, telewizorów, laptopów i wielu innych urządzeń. Jednak w najnowszych zastosowaniach wymagających wysokiej jakości obrazu coraz częściej wypierane są przez nowsze technologie takie jak IPS czy VA.  

Przyszłość matryc TN jest zatem niepewna. Z jednej strony ich zalety nadal decydują o popularności w wielu dziedzinach. Z drugiej strony postęp techniczny w zakresie wyświetlaczy powoduje stopniowy odwrót od TN na rzecz nowocześniejszych rozwiązań. Jednak nawet jeśli podstawy technologii TN są wypierane, to jako producent wyświetlaczy uważamy, że wiedza na ich temat pozostaje niezwykle cenna dla każdego elektronika i inżyniera zajmującego się techniką wyświetlania.