Technologie LCD zblízka

V současné době zaznamenávají přístroje založené na LCD technologii velký rozmach. Díky neustále se zlepšujícím...


V současné době zaznamenávají přístroje založené na LCD technologii velký
rozmach. Díky neustále se zlepšujícím parametrům a se současným poklesem cen
začínají LCD konkurovat klasickým zobrazovačům. Co to ale LCD vlastně znamená?
Jak se vyrábí? Existuje více druhů?
Zkratka LCD znamená Liquid Crystal Display neboli displej z tekutých krystalů.
V souvislosti s displeji založenými na tekutých krystalech by se tedy měly v
české terminologii používat výrazy LC displej nebo LCD, nikoliv LCD displej,
jak je někdy nesprávně uváděno. Tyto výrazy však nejsou běžné ani v anglické
literatuře, a tak se budu i já v textu držet zavedeného názvosloví.
Co je to vlastně tekutý krystal? Dá se říci, že se jedná o materiál na hranici
mezi pevnou a kapalnou látkou. Pro hrubou představu lze tekutý krystal
přirovnat k husté mýdlové vodě.
Základní princip
Pro jednoduchost uvažujme pouze základní jednotku zobrazení displeje. Tou je
buď segment u segmentových zobrazovačů nebo pixel u LCD monitorů. Pixel se od
segmentu liší pouze velikostí a tvarem, nikoliv základním funkčním principem.
Fungování nejprve objasním na monochromatickém displeji.
Tekutý krystal je uzavřen do prostoru mezi dvěma skleněnými destičkami.
Destičky jsou na straně přivrácené k tekutému krystalu pokryty tenkou vodivou
vrstvou. Struktura molekul běžně používaná v LCD se nazývá TN (Twisted
Nematic). Použité slůvko twisted v tomto případě znamená, že jednotlivé vrstvy
krystalů jsou vůči sobě pootočeny. Molekuly krystalu jsou za běžných podmínek
uspořádány rovnoběžně vůči skleněným destičkám. Světlo může přes celek
procházet. Pokud na vodivé vrstvy přivedeme napětí, molekuly krystalů se vlivem
působení elektrického pole přeskupí. Krystaly pak budou seřazeny kolmo ke
skleněným destičkám a světlo nebude moci přes celek procházet. Výsledným
efektem bude černé zbarvení pixelu nebo segmentu.
Černobílý displej se skládá z několika či mnoha segmentů nebo pixelů. Barevný
displej vnikne přidáním RGB filtrů do struktury jednotlivých LCD buněk.
Technologie tekutých krystalů
Mezi důležité technologie z hlediska vnitřního uspořádání patří TN (Twisted
Nematic), STN (Super Twisted Nematic) a TSTN (Triple STN). Displeje postavené
na kterémkoliv z uvedených výrobních postupů mají několik společných
vlastností. Spotřebovávají pouze malé množství elektrické energie, jejich
konstrukce je lehká a tenká.
TN se používá v černobílých displejích menších rozměrů. U velkých displejů
vyrobených na bázi TN dochází k poklesu kontrastu. TN LCD jsou levné a
používají se například v kalkulačkách nebo elektronických diářích.
STN se používá v monochromatických displejích. Pomocí STN však nelze zobrazit
černou a bílou barvu. Z tohoto důvodu bývá často vyroben v kombinaci dvou barev
zelenožlutá a tmavě modrá. STN se uplatňuje například v elektronických
slovnících a překladačích. Vylepšením STN je CSTN (Color Super Twisted
Nematic). Základ CSTN a STN je stejný, do CSTN se pouze přidá barevný filtr.
TSTN LCD je pokryt z obou stran kompenzačním filmem. Pokud je umístěn film
pouze na svrchní skleněné vrstvě, označuje se jako FSTN (Film Super Twisted
Nematic). TSTN se používá pro výrobu černobílých i barevných displejů. U TSTN
LCD lze docílit vysokého kontrastu. Oblast použití TSTN je široká notebooky,
laptopy, LCD monitory...
Vrstvy displeje
Struktura barevného LCD připomíná sendvič. Tekutý krystal je z obou stran
uzavřen mezi různé vrstvy. Následuje výčet vrstev obsažených v LCD, seřazených
vzestupně podle vzdálenosti od uživatele LCD:
Polarizační filtr řídí propouštění světla.
Skleněný substrát izoluje elektrody.
Průsvitné elektrody řídí LCD, jsou vyrobeny z vysoce průsvitného materiálu, aby
neměly nepříznivý vliv na kvalitu zobrazení.
Zarovnávací vrstva tenký zarovnávací film slouží k udržení molekul tekutého
krystalu v požadované poloze.
Tekuté krystaly
Výplň vyplňuje prostor mezi jednotlivými krystaly.
Zarovnávací vrstva
Průsvitné elektrody
Barevný filtr barva je zobrazena pomocí RGB filtrů.
Skleněný substrát
Polarizační filtr
Podsvícení LCD je podsvícen kvůli zjasnění obrazovky, v některých typech
monochromatických LCD bylo místo podsvícení použito zrcadlo.
Ty vyžadují osvětlení dodané z okolí.
Rozdělení obrazovek
Základem běžných monitorů, televizních přijímačů a dalších zobrazovacích
zařízení je obrazovka s katodovou trubicí. Tato technologie se označuje jako
CRT (Cathode Ray Tube). Oproti LCD se značně konstrukčně i funkčně liší. Kromě
LCD a CRT samozřejmě existují i jiné zobrazovače.
Základem LCD může být buď pasivní, nebo aktivní matice. Aktivní matice na
rozdíl od pasivní obsahuje na každý pixel alespoň jeden tranzistor. Tranzistor
nevytváří žádné světlo ani barvu, pouze řídí natočení molekul tekutého
krystalu. Technologie s aktivní maticí bývá označována TFT (Thin Film
Transistor). Protože má TFT LCD tranzistor pro každý pixel zvlášť, elektrický
proud používaný pro přepínání v pixelu může být menší. Vypnutí proudu je
rychlejší, a tudíž TFT LCD reaguje rychleji na požadované změny než LCD s
pasivní maticí.
Podsvícení
Existuje několik základních typů konstrukcí aktivních LCD, které se od sebe
navzájem liší druhem podsvícení. LCD používá ke svému zviditelnění buď
elektroluminescenční panel (EL), nebo pole světlo emitujících diod (LED), anebo
katodovou fluorescenční lampu (CCFL).
V LCD s EL panelem se používá střídavý proud. K nabuzení panelu dochází při
frekvenci 400 Hz a napětí kolem 80 V. Protože v LCD bývá k dispozici pouze
stejnosměrný proud o napětí 5 V nebo 12 V, vyžaduje EL panel DC/AC převodník. Z
uvedených typů je z energetického hlediska nejúčinnější, a tak se používá
zejména tam, kde spotřeba elektrické energie hraje klíčovou roli.
Dalším typem používaným pro podsvícení LCD je pole sestavené z LED. LED LCD je
energeticky náročnější, ale zároveň jasnější než EL LCD. LED je napájena
stejnosměrným proudem o napětí 5 V, nevyžaduje DC/AC převodník, a tak mohou být
pořizovací náklady v porovnání s EL LCD nižší.
Typicky se LED pole používá v malých a středních LCD.
CCFL poskytují dostatečný jas i u displejů s velkou úhlopříčkou. Z hlediska
pořizovacích i provozních nákladů jsou CCFL LCD nejnáročnější. Fluorescenční
lampa potřebuje ke svému provozu střídavý vysokofrekvenční proud. Součástí CCFL
tak musí být DC/AC převodník. CCFL se používají při výrobě velkých displejů.
Zajímavý je odhad firmy Hantronix týkající se očekávané životnosti jednotlivých
komponent LCD. Skleněná vrstva LCD by měla vydržet 50 tisíc provozních hodin,
elektronika použitá v LCD by měla mít životnost 100 tisíc hodin, EL panely
údajně vydrží pouhých 5 tisíc hodin, CCFL 15 tisíc a LED LCD 100 tisíc hodin
provozu.
Materiály
Materiály používané k výrobě tekutých krystalů se rozdělují na základní a
příměsové. Základní jsou de facto stavebním kamenem. Příměsové potom
zušlechťují či vylepšují jednu nebo více vlastností materiálu základního.
Mezi základní látky používané k výrobě tekutých krystalů patří estery,
bifenyly, fenylcyklohexany (PCH), fenylpyridiny a dioxany. Příměsové materiály
zavisejí na požadované vlastnosti, kterou chce výrobce docílit. Pro snížení
spotřeby elektrické energie se využívají P-estery a N-estery. Tricyklické a
tetracyklické sloučeniny umožňují rozšířit oblast teplotní stability. Zvýšení
rychlosti reakce krystalu na elektrický impulz se dociluje sloučeninami PCH,
etanu nebo bifenylu.
Postup výroby buňky tekutého krystalu
Nejprve jsou vytvořeny elektrody. Poté je vyrobena zarovnávácí vrstva.
Následuje spojení horního a dolního skleněného substrátu. Mezi obě skleněné
vrstvy jsou umístěna plastiková zrnka. Jakmile je substrát upevněn, tekuté
krystaly jsou vstříknuty do prostoru mezi zrnky. Celek je potom spečen
dohromady. Dokončení LCD modulu se provede připojením externích prvků k
elektrodám.
Některé výrobní postupy
Výroba buněk tekutých krystalů může probíhat jak při nízké, tak při vysoké
teplotě. Vyrábějí-li se krystaly při vysoké teplotě, náklady jsou sice vyšší,
ale výsledkem může být sofistikovanější výrobek. Naproti tomu a-Si TFT
(amorphous Silicon) neboli TFT z amorfního křemíku se vyrábí při nízké teplotě.
Výsledkem výrobního procesu je TFT s relativně velkými tranzistory. P-Si
(Poly-Silicon) TFT mohou být vyráběny jak při nízké, tak při vysoké teplotě.
Výsledkem obou druhů výrob jsou TFT s relativně vyšší kvalitou.
Vylepšené technologie
Běžné LCD umožňují pouze malou odchylku pozorované plochy. Pokud se podíváte na
displej svého starého notebooku pod "špatným" úhlem, obraz zmizí. Tuto
vlastnost se s úspěchem pokouší odstranit technologie OCB (Optical Compensated
Bend-mode), kterou vyvinula společnost IBM spolu s univerzitou v Tahoku.
Malou technickou úpravou původního TFT uspořádání bylo dosaženo překvapivě
velkých výsledků. Oproti TFT, kde jsou vodivé vrstvy umístěny na protějších
skleněných substrátech, se v Super TFT používá vodivých vrstev napařených na
stejné skleněné vrstvě. Stočení molekul tekutého krystalu při výskytu
elektrického pole se děje pod jiným prostorovým úhlem. U klasické TFT
technologie se udává, že se pozorovatel může odchýlit od středu pozorovaného
místa o 20 stupňů vzhůru či dolů (dohromady 40) a o 30 stupňů vpravo nebo vlevo
(dohromady 60). Pomocí speciálních povlaků nanášených na LCD lze tento úhel
rozšířit ze 60 na 70 stupňů. Super TFT ovšem celkově rozšiřuje pozorovací úhel
na 160 až 170 stupňů. To znamená, že pozorovatel se může odchýlit od centra
pozorování o 80 až 85 stupňů jakýmkoliv směrem.
Dosud jsem se zmínil pouze o technologiích, které posouvají hranice možného v
oblasti displejů s aktivní maticí. HR (High Reflective) TFT je založen na
pasivní matici, a tak se zdá, že ani displeje závislé na okolním osvětlení
nebudou pouze slepou vývojovou větví. V HR TFT se používá speciální RGB
mikrofilm, a tak mohou být displeje založené na této technologii barevné.
LCD monitory
Rozlišení u LCD monitorů v současnosti dosahuje hodnot srovnatelných s CRT
monitory. Například LCD monitory s rozlišením 1 280 x 1 024 pixelů jsou na trhu
už běžně k dostání a existuje reálný předpoklad, že se nejedná o konečné číslo.
Rovněž délka úhlopříčky zaznamenala v posledních letech podstatný růst z
původních 9"-11" u starých notebooků se vyšplhala k současným 20,1". Z
černobílých či monochromatických monitorů se staly současné true-color LCD
monitory. Pozorovací úhel se zvěšil z původních 20x až k současným 110x až
140x. Masovému rozšíření LCD monitorů tak už brání pouze relativně vysoká cena,
která má však klesající tendenci.
LCD projektory
V projekční technice zatím tvoří LCD projektory pouze malou část z celkového
množství používaných technologií. Používané projekční přístroje založené na LCD
se rozdělují na jednopanelové a třípanelové. Jednopanelové jsou lehčí,
levnější, avšak méně kvalitní. Rozlišení jednopanelových projektorů se pohybuje
od 640 x 480 až po 1 280 x 1 024 pixelů. Světelný tok bývá v rozmezí 200 až 1
000 lumenů. Třípanelové projektory poskytují rovněž rozlišení od 640 x 480 až
do 1 280 x 1 024 pixelů. Nejběžnější přístroje mají v současnosti rozlišení 800
x 600 pixelů. Světelný tok se však pohybuje od 1 000 do 5 000 lumenů.
Zobrazovací technologie je transmisní. Světlo prochází přes dvoubarevné filtry
a LCD panel na projekční plochu.
LCD projektory sestávají z osvětlovací optiky a projekčních čoček. Jako
světelný zdroj se používají tři základní typy žárovek: halogenové, metal
halidové a speciální, vyvinuté pro LCD projekci.
Autostereoskopické 3D systémy
Také v třírozměrných zobrazovacích systémech se s úspěchem používá LCD. Firma
Sharp, která se dlouhodobě zabývá LCD technologiemi, vyvinula několik 3D
zobrazovacích systémů. Jedním z nich je například Micro-Optic Twin-LCD. Tento
systém obsahuje dva zobrazovací LCD panely, umístěné vůči sobě pod úhlem 90?.
Na ose tohoto úhlu je zabudováno polopropustné zrcadlo. Divák sledující zrcadlo
vidí obraz který je složen ze dvou částí, z nichž jedna je promítána na první
panel a druhá na druhý. Získává tak trojrozměrný vjem. Teplotní podmínky
LCD jsou vyráběny ve dvou teplotních provedeních standardním a rozšířeném.
Protože jsou tekuté krystaly citlivé na velké změny teploty, připojují se k
některým LCD kompenzační obvody, které nahrazují teplotní ztráty. Moduly s
rozšířeným teplotním rozsahem často používají kromě zdroje běžného napětí +5 V
i negovaný zdroj napětí -5 V. Pokud je LCD vystaven extrémní teplotě, uvede se
do činnosti kompenzační obvod. V takovém případě je nutno počítat se zvýšenou
spotřebou elektrické energie.
9 3103 / ija









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