Od historie k budoucnosti

Je pozoruhodné, že princip tekutých krystalů, tedy jeho biologicko-chemicko-fyzikální podstatu, objevil už v roce 1888 ...


Je pozoruhodné, že princip tekutých krystalů, tedy jeho
biologicko-chemicko-fyzikální podstatu, objevil už v roce 1888 rakouský botanik
Friedrich Rheinitzer. Ten si všiml, že během tání má zvláštní směs podobná
cholesterolu (cholesterylbenzoát) podobu zakalené tekutiny, která se při
vzrůstající teplotě pročišťuje. Při chlazení pak tekutina nabývá modré barvy a
nakonec zkrystalizuje.
Trvalo však ještě dalších téměř 80 let, než roku 1963 Richard Williams,
výzkumník laboratoří RCA, objevil, že světlo procházející tenkou vrstvou
tekutých krystalů je ohýbáno podle krystalické struktury, a následně pak v roce
1968 vyrobili s kolegou Georgem Heilmaierem první experimentální displej z
tekutých krystalů.
Masivní zájem o technologie LCD však přišel až v polovině 80. let v souvislosti
se zvyšujícím se obratem spotřební elektroniky, a na přelomu 80. a 90. let byl
pak potvrzen nástupem notebooků, plochých monitorů a projektorů.

Super TFT
Dnes nejčastěji používanou strukturou je LCD panel typu TFT s Twisted Nematic
(TN) krystaly. Ten je implementován v drtivé většině notebooků, řadě plochých
panelů, barevných PDA, digitálních kamerách a dalších produktech.
Problémem TN panelů TFT je však relativně malý úhel pohledu. Proto jsou zvláště
ploché panely v monitorech či noteboocích upravovány tak, aby byly schopné
zajistit čitelnost z dostatečně širokých pozorovacích úhlů. Do určitého stupně
lze tento problém řešit nanášením zvláštních povlaků, které se lépe starají o
rozptyl světla, ale k dosažení opravdu širokých úhlů je třeba hledat řešení
jinde.
Nová technika, která zajišťuje opravdu široké úhly pohledu, je označována jako
Super TFT. Její základ je stejný jako u TFT, tedy každé složce každého pixelu
je přiřazen jeden tranzistor, který ovládá jas. Jádrem však není klasická TN
struktura, ale speciální uspořádání jednotlivých zrnek tekutých krystalů.
Jejich natáčení se pak provádí přivedením proudu z jiných stran krystalu, což
má za následek méně intenzivní směřování světla. Výsledkem je to, že paprsky
mohou z displeje vybíhat v úhlu až 80 stupňů na každou stranu.

Nové technologie
Mezi relativně nadějné varianty LCD patří ferroelektrické tekuté krystaly.
Jejich hlavní odlišností oproti nematickým strukturám je vlastní polarita,
kterou lze ovlivňovat. Jinými slovy, vnějším vlivem lze změnit polaritu
jednotlivých buněk tekutého krystalu téměř natrvalo. V praxi to znamená třeba
to, že při výpadku napájení bude obraz na reflexním ferroelektrickém TFT vidět
i nadále. Obrovskou výhodou je pak jejich rychlost (jsou 3 000x rychlejší než
klasická TN struktura) a široké úhly pohledu.
Další ze zajímavých technologií jsou panely z elektroluminiscenčních materiálů.
Princip elektroluminiscence spočívá v přímém převodu elektrického napětí na
světlo bez vedlejší produkce tepla. Ve výsledku je pak obraz velmi kontrastní,
nepotřebuje podsvícení a má velmi krátkou dobu odezvy spolu s nízkou spotřebou
energie.
Panely technologie FED (Field Emission Display) mají podobný princip jako
klasické CRT monitory. Pomocí elektrického proudu dojde k emisi elektronů (což
odpovídá elektronovému dělu v CRT) do prostoru směrem k transparentní anodě,
avšak ještě před dopadem jsou elektrony nuceny narazit do fluorescentního
materiálu (to odpovídá stínítku monitoru). Při dostatečné miniaturizaci panelu
se tak dá dosáhnout velmi krátké doby odezvy a pozorovacího úhlu běžně o
velikosti 160 stupňů v obou směrech.

Pohled do nitra lcd technologie
Kdo by dnes na svém pracovním stole nechtěl mít namísto "obřího" CRT monitoru
elegantní plochý LCD panel, který nejenže ušetří spoustu místa, ale navíc je
šetrnější pro lidské oko. Díky tomu, že jejich prodejní ceny se v posledních
měsících dostaly pod hranici únosnosti, není už tato vidina pro mnohé z
uživatelů nereálná. My se nyní podrobněji podíváme, co se skrývá za obrazovkou
plochého displeje a uvedeme si rovněž několik historických souvislostí.

Tekuté krystaly (Liquid Crystals LC) si lze představit jako zvláštní strukturu
podobnou zrnkům rýže. Nemá cenu zde rozebírat, že tekuté krystaly mohou mít
několik fází, nás zajímá pouze zvláštní tzv. nematická fáze, která právě
umožňuje funkci LCD. V ní mají všechna "zrnka" tendenci srovnávat své osy podle
polární orientace.
Když k tekutému krystalu přiblížíme jemně drážkovanou destičku, jednotlivé
krystaly se stočí rovnoběžně podle drážek. V případě, že však uzavřeme krystal
mezi dvě drážkované destičky, LC struktura způsobně vyplní vzniklou tenkou
mezeru. Zajímavěji se však tekuté krystaly zachovají v případě, že obě dvě
drážkované destičky nejsou nadrážkovány rovnoběžně, ale jsou vzájemně pootočeny
o 90 stupňů. Také potom mají zrnka tendenci držet se drážek na obou stranách a
proto dochází k postupnému natáčení jednotlivých vrstev tak, aby obě krajní
odpovídaly svým směrem orientaci obou krycích plošek.
Richard Williams v roce 1963 objevil, že když necháme takto natočenou
strukturou, která se nazývá TN (Twisted Nematic), projít světlo, krystaly
světlem otočí stejně, jako jsou natočeny ony samy.

Klíčová role polarizace
Pro pochopení funkce LCD je třeba si uvědomit, jak pracuje polarizační filtr.
Ten je schopen pomocí velmi jemné struktury rovnoběžných vlásečnic propustit
pouze světelný tok, který z původně heterogenního proudu má jednotlivé vlny
orientovány rovnoběžně. Výsledek si lze představit tak, že ze světla, které
bylo jednolitým proudem fotonů kmitajících všemi směry, se stane velké množství
rovnoběžných světelných vrstev. Ostatní parametry, zejména barva světla vlastní
polarizací ovlivněna není, citelně je však snížen jas.
Když položíme na sebe dvě polarizační skla orientovaná stejným směrem, světlo
projde oběma. Pokud je ale vzájemně otočíme o 90 stupňů, světlo neprojde, neboť
druhé polarizační sklo nepropustí jinak polarizovaný proud světla.
Jádrem LCD je tedy twisted nematic struktura, která je z obou stran obklopena
polarizačními vrstvami orientovanými stejně, jako jsou natočeny drážkované
destičky. Světlo tedy projde prvním polarizačním sklem, polarizuje se, poté
prochází vrstvami tekutých krystalů, které jím otáčejí, až je nakonec stočené
takovým způsobem, že projde i druhým polarizačním sklem, které je orientováno o
90 stupňů jiným směrem.
Takto se TN LCD chová pouze v případě, že je v klidovém stavu a není do něj
přivedeno napětí. Pak tedy propouští světlo.
Jakmile začne tekutými krystaly protékat elektrický proud (a stačí jen velmi
málo), krystalická struktura se začne orientovat ne podle vydrážkovaných
vodicích vrstev, ale podle směru toku proudu. Všechna zrnka se tedy stočí
jedním směrem a přestane docházet k otáčení světla. První polarizační vrstva
tedy světlo polarizuje, skrz krystaly projdou paprsky nezměněny a druhá
polarizační vrstva světlo definitivně zablokuje, neboť jeho polarita je o 90
stupňů odlišná.
Celá funkce LCD typu TN tedy spočívá v tom, že bez proudu je displej průhledný,
zatímco při zapojení proudu světlo skrz displej neprochází. Velikostí proudu je
pak možné regulovat průchod světla a dosáhnout tak u moderních displejů obvykle
256 úrovní jasu.

Vytvoření displeje
K tomu, aby bylo možné z tekutého krystalu vytvořit displej, je třeba složit
velké množství takových segmentů. Pro nejjednodušší aplikace se používá
takzvaný statický systém adresace. Při něm existuje pouze jediná zem a ke
každému segmentu vede samostatný vodič. Druhým systémem je systém dynamický,
kdy k rozsvícení příslušného segmentu dojde při správné kombinaci svrchního a
spodního vodiče. Statické systémy jsou obecně jednodušší na obsluhu, bohužel
však vyžadují pro každý segment (v případě matice pro každý pixel) samostatný
vodič. To dost dobře nelze realizovat u jiného, než několikasegmentového
displeje, u maticových displejů je takový přístup nepřijatelný. Je přirozené,
že k jednotlivým segmentům displeje nemohou vést nějaké obyčejné měděné drátky,
protože ty by byly na displeji dobře patrné. Proto se jako vodiče používají
velmi tenké proužky z oxidů india a cínu, které jsou dostatečně průhledné.

Pasivní a aktivní displeje
Bohužel nevýhodou dynamického systému adresace je poměrně problematické přesné
zaměření jednotlivých bodů v matici. Tento efekt je znatelný zejména u
barevných maticových displejů typu STN (super twist nematic) nebo DSTN
(double-layer super twist nematic), které svým principem pouze rozšiřují
klasický typ TN, do kterého jsme pronikli před chvílí. Všechny body displeje se
adresují čistě dynamickým systémem adresace, kdy stačí zvolit správný řádek i
sloupec a příslušný bod displeje se rozsvítí. Obě strany displeje jsou ovládány
integrovanými obvody, které se starají o to, aby byl rozsvícen pouze
odpovídající bod. Problém spočívá v tom, že jednotlivé body jsou k sobě
připojeny jak prostřednictvím vodičů, tak na druhé straně v integrovaných
obvodech a technicky není možné přesně regulovat proud, který bude jednotlivými
body (v tomto případě to už jsou přímo pixely) procházet.
Prakticky se problémy těchto tzv. "pasivních" displejů projevují nepříliš
čistým obrazem, kdy z jediného rozsvíceného bodu se rozebíhají postupně
slábnoucí horizontální a vertikální čárky, které přesně ukazují jakým způsobem
je zaměřen konkrétní pixel. Zároveň není možné dosáhnout příliš vysoké
rychlosti. Doba response, tedy čas, během kterého pixel zareaguje na změnu
podle dat dodávaných mu z grafické karty, se často pohybuje kolem 300 ms, což
odpovídá přibližně třem snímkům za sekundu. Známým efektem je tedy stopa za
kurzorem myši, stejně tak je dobře patrný efekt vycházející z malého kontrastu,
tedy kurzor myši, který při rychlém pohybu začne mizet.

TFT technologie
Problémy pasivních displejů jsou z velké části vyřešeny použitím speciální
technologie TFT. U takových displejů je ke každému bodu tekutého krystalu
poměrně složitou metodou vytvořen jeden tranzistor. Pomocí regulační funkce
tranzistoru, případně ve spolupráci s kondenzátorem je možné velmi přesně
regulovat proud procházející pixelem, a tedy i to, jak moc bude bod na
obrazovce LCD svítit. Zároveň je tranzistor účinným oddělením a mezní napětí na
hradle dovoluje přesně určit, který z pixelů bude svítit, a který nikoliv.
Výsledkem jsou tedy v porovnání s klasickými pasivními displeji skvělé výsledky
v kvalitě obrazu. Běžně se dosahuje kontrastního poměru až 400 : 1, doba
response se často dostává až na 20 či méně milisekund (odpovídá tedy frekvenci
50 snímků za sekundu!). Obraz je čistý, bez rušivých vlivů.
Bohužel tato technologie má i své stinné stránky. Jsou dvě a úzce spolu
souvisí. Základní problémem je totiž to, jakým způsobem se jednotlivé
tranzistory na displeji vytvoří. Vzhledem k tomu, že běžný displej s rozlišením
1 024 x 768 bodů obsahuje více než 786 tisíc bodů pro každou ze tří základních
barev, pak na celém panelu je potřeba vytvořit 2 359 296 jednotlivých
tranzistorů. Samozřejmě, že lze argumentovat tím, že například procesory
obsahují běžně až 10krát více tranzistorů. Musíme si ale uvědomit, že v
procesorech se všechny tranzistory vyrábí najednou fotochemickou cestou na
křemíkové "palačince", která se následně rozřeže na jednotlivé čipy.
V případě LCD displeje však musíme vytvořit skoro dva a půl milionu tranzistorů
poměrně daleko od sebe na ploše třeba 100 000 milimetrů čtverečních velké (18
palcové LCD).
Jedinou šancí je tedy vyrobit tranzistory odděleně. To se provádí záblesky
vysokovýkonného laseru, který v místě přechodu krátkodobě vytvoří teplotu až 1
400 stupňů Celsia. To vše pak 2,5 milionkrát. Je pochopitelné, že taková výroba
je dost drahá a nepříliš úspěšná. TFT LCD panely jsou tedy nákladné a občas se
u nich můžeme setkat s nefunkčními body.

Podsvícení
Zatím jsme neřešili jednu základní otázku jakým způsobem vznikne světlo, které
pak bude TN struktura natáčet? Existují dva způsoby. Buďto můžeme využít světlo
sluneční, a to tak, že pod displej nainstalujeme zrcátko, nebo můžeme
podsvěcovat dalším zdrojem světla. Reflexní systémy se používají v kalkulačkách
či digitálních hodinkách (tedy samozřejmě vyjma osvětlení typu Timex Indigo,
které je založeno na elektroluminescenci). Podsvícení pak mají PDA nebo
notebooky.
Je přirozené, že samotné LCD panely odebírají energii. Jednak je nějaká potřeba
k natáčení krystalů a v případě TFT displejů jí je velké množství nutné také k
otevírání a zavírání tranzistorů. Mnohem větší množství energie však spotřebuje
podsvícení, které se nejčastěji aplikuje pomocí fluorescentních výbojek na
některé ze stran displeje. Pomocí světlovodivého panelu z polykarbonátu se pak
rozvede světlo po celé ploše monitoru.
Existují také systémy kombinující oba dva způsoby, ty jsou například v PDA
Compaq iPaq nebo Palm m505. Displej je pak snadno čitelný na přímém slunci
(reflexe) a ve tmě není problémem si přisvítit (podsvícení).
1 1269 / wep









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.