Monitory LCD

Ciekłe kryształy zostały wynalezione w XIX wieku przez austriackiego botanika Friedricha Reinitzera. Sam termin ''ciekły kryształ'' rozpropagował niemiecki fizyk Otto Lehmann.

Ciekłe kryształy zostały wynalezione w XIX wieku przez austriackiego botanika Friedricha Reinitzera. Sam termin ''ciekły kryształ'' rozpropagował niemiecki fizyk Otto Lehmann.

Ciekłe kryształy to substancje prawie przezroczyste, mogące przyjmować stan zarówno stały, jak i ciekły. Światło przechodzące przez ciekłe kryształy podąża za ułożeniem tworzących je molekuł. W 1960 roku odkryto, że pobudzenie napięciem elektrycznym ciekłych kryształów zmienia ich położenie, a co za tym idzie - sposób przenikania przez nie światła.

Od tego czasu materiału tego zaczęto używać w urządzeniach stosowanych obecnie, np. telewizorach, projektorach, cyfrowych kamerach wideo czy aparatach cyfrowych. Aktualnie stosuje się prawie wyłącznie technologię TFT, która gwarantuje wysoką jakość obrazu. Tanie rozwiązania DSTN będące matrycami pasywnymi odeszły już do lamusa.

Działanie ciekłych kryształów

Technologia ciekłokrystaliczna pozwala na transmisję sygnału. Wyświetlacz emituje różną ilość białego światła o stałej intensywności, które przepuszczane jest przez aktywny filtr. Czerwone, zielone oraz niebieskie subpiksele są uzyskiwane dzięki filtrowaniu białego światła. Większość ciekłych kryształów to związki organiczne złożone z molekuł, które w stanie naturalnym są luźno rozmieszczone, lecz ustawione równolegle względem swojej dłużej osi. Można jednak precyzyjniej kontrolować położenie molekuł, pozwalając ciekłym kryształom przepływać przez odpowiednio uformowaną powierzchnię.

Położenie molekuł zmienia się wtedy względem kształtu tej powierzchni.

Ekran LCD składa się z dwóch warstw ciekłych kryształów umieszczonych pomiędzy dwiema odpowiednio wyprofilowanymi powierzchniami, z których jedna jest ustawiona pod kątem 90 stopni wobec drugiej.

Jeśli molekuły na jednej powierzchni ustawione są z północy na zachód, to na drugiej powierzchni już ze wschodu na zachód. Molekuły znajdujące się między nimi muszą się przemieścić o 90 stopni, podobnie jak światło podążające za ich położeniem.

Wystarczy jednak przyłożyć do ciekłych kryształów napięcie elektryczne, a molekuły zaczną się przemieszczać pionowo, pozwalając przejść światłu bez zmiany położenia o 90 stopni.

Schemat budowy działa elektronowego.

Schemat budowy działa elektronowego.

Kolejną istotną kwestią budowy panelu LCD są własności filtrów polaryzacyjnych i samego światła. Naturalne fale świetlne promieniują pod określonym kątem. Filtr polaryzacyjny jest po prostu zestawem idealnie równoległych linii. Linie te działają na zasadzie siatki, blokując wszystkie fale światła oprócz tych, które przypadkiem są do nich ułożone równolegle. Drugi filtr polaryzacyjny, którego linie są rozmieszczone do nich pod kątem 90 stopni, blokuje z kolei fale światła idealnie równoległe do siatki pierwszego filtru lub pasujące do układu drugiego filtru.

Typowy filtr TN (Twisted Nematic) składa się z dwóch filtrów polaryzacyjnych o ułożeniu opisanym powyżej, lecz między nimi znajdują się skręcone pod kątem 90 stopni ciekłe kryształy. W konsekwencji światło polaryzowane jest przez pierwszy filtr, następnie "skręcane" o 90 stopni przez ciekłe kryształy i całkowicie przepuszczane przez drugi filtr polaryzacyjny. Pamiętać jednak należy, że w momencie przyłożenia napięcia do ciekłych kryształów molekuły zmieniają układ na pionowy, pozwalając na blokowanie światła przez drugi filtr polaryzacyjny. Jak widać, w momencie braku impulsu elektrycznego światło przechodzi przez filtry, a w momencie pojawienia się napięcia jest blokowane.

Cechy szczególne monitorów LCD

Monitor LCD w przeciwieństwie do modeli CRT pracuje z maksymalną jakością tylko w rozdzielczości rzeczywistej, bo LCD ma stałą liczbę pikseli. Oczywiście prezentacja obrazu z inną rozdzielczością jest możliwa, jednak wtedy mamy do wyboru dwa sposoby oglądania obrazu - wyświetlany na fragmencie matrycy odpowiadającej danej rozdzielczości (np. 640x480 na panelu o rzeczywistej rozdzielczości 1024x768) lub prezentowany na całej powierzchni ekranu przy użyciu algorytmów skalowania.

Odświeżanie w LCD

Każdy piksel matrycy LCD jest aktywowany oddzielnie i znajduje się w stanie włączonym albo wyłączonym. Dzięki większej bezwładności w monitorach LCD prezentacja stabilnego obrazu nie wymaga częstego odświeżania. Wystarczy częstotliwość rzędu 60 Hz.

Interfejsy

Monitor LCD jest urządzeniem stworzonym wręcz do prezentacji obrazu, przesłanego z karty graficznej w postaci sygnału cyfrowego. Niestety, do niedawna panele LCD były wyposażone prawie wyłącznie w analogowe gniazda monitorowe, co wymuszało dokonanie dwóch konwersji sygnału wideo przed wyświetleniem obrazu na monitorze. Przyczyny tego są różne. Po pierwsze, gniazda DVI były do niedawna droższe niż powszechne VGA. Po drugie, karty graficzne z cyfrowymi złączami cieszyły się stosunkowo niewielką popularnością. Obecnie zdecydowana większość nowych kart graficznych ma przynajmniej jedno złącze cyfrowe. Złącza cyfrowe DVI w monitorach to najczęściej DVI-I i DVI-D. Pierwsze pozwalają przesyłać sygnał analogowy (po zastosowaniu przejściówki) i cyfrowy. Drugie oferują wyłącznie transmisję cyfrową.

Matryce aktywne i pasywne

Schemat budowy wyświetlacza OLED

Schemat budowy wyświetlacza OLED

Kryształy w matrycach pasywnych (zwane czasem ekranami STN, DSN lub TSN) są adresowane poprzez ładunki lokalne, przy czym nic nie powstrzymuje ładunków elektrycznych przed rozpływaniem się na boki i wpływaniem na położenie kryształów sąsiednich. Stąd rozmyty obraz matrycy pasywnej, smugi i cienie ciągnące się za obiektami.

Matryce aktywne zbudowane są z tranzystorów cienkowarstwowych (thin film transistor, TFT), które gromadzą i utrzymują ładunki elektryczne, zapobiegając ich rozlewaniu się na inne piksele. Taki tranzystor przekazuje odpowiednie napięcie tylko do jednego kryształu, dzięki czemu nie ma smużenia ani rozmycia obrazu. Obecnie stosuje się praktycznie wyłącznie matryce aktywne.

Pasywna matryca LCD składa się z kilku warstw. Tylną stanowi element podświetlający, czyli najczęściej lampa jarzeniowa. Światło powstałe w ten sposób przechodzi przez element rozpraszający tak, aby możliwie równomiernie podświetlić cały panel. Następną warstwą jest filtr polaryzacyjny, a zaraz za nim przezroczyste elektrody umieszczające ciekłe kryształy w położeniu spoczynkowym. Za tym elementem znajduje się warstwa ciekłych kryształów powodująca "skręcenie" światła o 90 stopni. W ten sposób uzyskujemy obraz na ekranie panelu. Jeśli obraz na panelu ma być kolorowy, to niezbędna jest dodatkowa warstwa z filtrem trzech podstawowych barw.

Jeśli do elektrod przyłożymy napięcie, to spowodujemy, że cząsteczki ciekłych kryształów zmienią położenie i zostaną skręcone. W ten sposób, poprzez aktywowanie i dezaktywowanie energią elektryczną ciekłych kryształów, powodujemy przepuszczanie bądź też blokowanie przepuszczania światła przez filtry polaryzacyjne.

Przyszłość wyświetlaczy

Obecnie największe nadzieje wiąże się z wyświetlaczami organicznymi OLED (Organic Light Emitting Diodes). Zasada ich działania jest odmienna od tej, którą znamy z matryc LCD. OLED różni się od produktów LCD przede wszystkim tym, że nie wymaga podświetlania tylnego, a ponadto jest wyjątkowo energooszczędny, co czyni z niego idealnego kandydata do urządzeń przenośnych.

Budowa OLED

Panel OLED zbudowany jest z kilku elementów. W stosunku do matrycy LCD jego konstrukcja jest zdecydowanie prostsza. Dwa polimerowe półprzewodniki typu p i n muszą zostać złączone, a następnie należy przez nie przepuścić prąd. Skutkiem zachodzących w tym procesie zmian jest emisja światła, problemem jest za to uzyskanie równomiernego rozświetlania powierzchni tworzywa. Różnice w szybkości przepływów ładunków dodatnich i ujemnych sprawiają, że w prosty sposób nie jest możliwe równomierne rozświetlenie ekranu. W celu zapewnienia równomierności rozprowadzania ładunków elektrycznych stosuje się specyficzne substancje. Innego rodzaju środki chemiczne niezbędne są do uzyskania powierzchni świecącej kolorami czerwonym, zielonym i niebieskim (czyli barwami podstawowymi). W wyświetlaczach OLED spotykamy konstrukcje aktywne i pasywne. Obecnie azjatyccy producenci telefonów komórkowych stosują prawie wyłącznie tańsze w produkcji, niewielkie ekrany pasywne. W wypadku konstrukcji aktywnych niezbędne jest zastosowanie tranzystorów, które pozwolą pikselom na długotrwałe świecenie. Ponieważ materiał ten świeci samoczynnie, do jego "wysterowania" potrzeba napięcia o nieporównywalnie mniejszej mocy niż w panelach LCD.

Lumileds Luxeon

Standardowy monitor LCD wyposażony jest w matrycę ciekłokrystaliczną podświetlaną od spodu, najczęściej przy użyciu dwóch dobrze znanych świetlówek katodowych. Powoduje to, że podczas pracy monitor nie jest podświetlany jednakowo na całej powierzchni ekranu. W dobrych modelach nie są to różnice wielkie, jednak praktycznie zawsze występujące. Kilka miesięcy temu Philips zaprezentował pierwsze monitory ciekłokrystaliczne wykonane w nowej technologii Lumileds Luxeon. Panele tego typu są rozświetlane przez dziesiątki lampek umieszczonych bezpośrednio z tyłu matrycy. Znaczne zwiększenie liczby źródeł światła powoduje, że równomierność rozświetlania jest prawie doskonała. Korzyści płynących z tego rozwiązania jest jednak więcej. Obraz staje się jaśniejszy, a kolory soczyste i żywe. Poprawić można też naturalność odwzorowania barw "na drodze sprzętowej". Natężenie światła emitowanego przez lampy Lumiled można kontrolować, więc łatwo tak skalibrować ekran, żeby na przykład poszczególne partie pikseli zostały podświetlone mocniej, a inne słabiej. Jasność matrycy nie zmienia się przez cały czas jej użytkowania, bo natężenie emitowanego światła każdej żarówki jest monitorowane i w razie potrzeby korygowane. Ostatnią zaleta Lumiled ma być trwałość elementów podświetlających. Tradycyjna świetlówka powinna działać zadowalająco przez mniej więcej 50 tys. godzin. Lumiled ma pracować dwa razy dłużej.


Zobacz również