Technologie LCD panelů v kostce - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

LCD-technologie

LCD-technologie

2. června 2005, 00.00 | Mnozí z nás se s obrazovými systémy potkávají denně. Někdo využívá spíše klasické CRT monitory, někdo dává přednost spíše novějším technologiím LCD monitorů. Na jakém principu však tyto systémy pracují a proč LCD panelům se v poslední době dává přednost???

V dnešní době se s LCD monitory setkáváme čím dál tím více a díky pokročilejším technologiím se stávají nejen finančně dostupnější, ale i technologicky vyspělejším. LCD monitory se stávají v poslední době trendem a zatlačují klasické CRT monitory do pozadí, o čemž svědčí nárůst jejich prodeje za posledních několik let. Tento trend začal okolo roku 2002, kdy zaujímaly LCD monitory 13,8% ze všech prodaných monitorů a během několika let se jejich prodej přehoupl přes 50% hranici prodeje. Prodej LCD displejů stoupá, ale i dnes bývá při koupi rozhodující cena těchto LCD monitorů. Vyrobit TFT displej s aktivní maticí je velmi složitá a finančně náročná věc, která by se dala přirovnat k výrobě procesorů. Displej se totiž skládá z velice tenkých vrstev skla, jejichž vzdálenost je přesně definovaná, a ke každému bodu je přiřazen tranzistor. Odtud vzniklo označení TFT = Thin Film Transistor.

CRT Monitory
Zobrazovací systémy CRT fungují na velmi podobném principu jako obrazovky televizorů. Princip je založen na vystřelování paprsků z katodové trubice obrazovky (CRT = Cathode Ray Tube), které jsou usměrněné elektromagnetickým polem a dopadají na stínítko přes masku, jenž omezuje jejich rozptyl a pomáhá je přesně usměrnit na požadované místo.
Při sledování obrazu na monitoru, se vlastně díváme na jeho stínítko, na kterém je obraz vykreslován. Stínítko je tvořeno kovovou děrovanou fólií, která má za úkol přichytit luminofory na stínítku a rozdělit je do malých buněk, jenž jsou tvořeny trojicí různých luminoforů. Jeden z lumiforů září červeně, druhý zeleně a třetí modře (RGB). Luminofor je chemická látka, jenž po předchozím dodání energie vyzařuje světlo. Každý bod je však natolik malý, že lidské oko není schopno zachytit jednotlivé body luminoforů, a proto se nám rozsvícené jednotlivé luminofory jeví jako celistvý obraz. Každý druh luminoforu má svoji unikátní katodovou trubici, ze které je vystřelovaný elektronový paprsek, potřebný k rozsvícení daného bodu. Kombinacemi intenzit jednotlivých elektronových paprsků RGB, dostaneme specifické zabarvení jednotlivých bodů.
Najednou můžou být rozsvícena pouze jedna trojice RGB luminoforů, proto je nutné zajistit vychylování tohoto paprsku, aby byly rozzářeny všechny body na obrazovce. Luminofory se po zasažení paprskem rozsvítí a velmi rychle pohasnou, proto je nutné zajistit neustálé opakování této procedury. To zajišťují vychylovací cívky, které vykreslují jednotlivé body od shora dolů a zleva doprava. Podle počtu vykreslených řádků a celých snímků se odvozuje horizontální a vertikální frekvence. CRT monitory prošly řadou úprav od základních invarových obrazovek, které trpěly menšími jasy v rohách obrazu, přes trinitronovou obrazovku až po technologie CromaClear a FD Trinitron (Flat displej trinitron).

Historie LCD
Podstatu funkce tekutých krystalů, tedy jeho biologicko-chemicko-fyzikální podstatu objevil již v roce 1888 rakouský botanik Friedrich Rheinitzer. Během jeho pokusů si Friedrich Rheinitzer všiml, že během tání zvláštní směsi podobné cholesterolu, přesněji řečené šlo o cholesterylbenzát, má podobu zakalené tekutiny, která se při vzrůstající teplotě pročišťuje. Naopak při chlazení nabývá tato zvláštní tekutina modré barvy a nakonec zkrystalizuje. V této době ještě Friedrich Rheinitzer nevěděl, jaký jeho objev bude mít v budoucnu praktické využití.
Až v roce 1963 pan Richard Williams, výzkumník laboratoří RCA, objevil, že světlo procházející tenkou vrstvou tekutých krystalů je ohýbáno podle krystalické struktury. O pět let později roku 1968 pak společně s kolegou Georgem Heilmaierem vyrobili první experimentální displej z tekutých krystalů.
Jejich nástup v praktickém využití nebyl až tak radikální a spíše byly využívány displeje založené na segmentech diod LED, i když se již v roce 1973 objevila na trhu první kalkulačka, využívající technologie tekutých krystalů. Vzestup v použití nové technologie tekutých krystalů přišel až v polovině 80. let v souvislosti se zvyšujícím se obratem spotřební elektroniky. Nejvýznamnější start pro technologii tekutých krystalů měla až na přelomu 80. a 90. let výroba notebooků, projektorů a plochých monitorů.

Princip LCD technologie
Název technologie LCD pochází ze slova Liquid Crystal Display. Tato technologie je založena na elektromagnetických vlastnostech tekutých krystalů. Pomocí napětí na elektrodách jsou molekuly tekutých krystalů usměrňovány do příslušné polohy, přes které prochází polarizované světlo, jehož intenzita je tak polohou molekul regulována.
Každý obrazový bod (pixel) je aktivně ovládán jedním tranzistorem, ale abychom získali obraz, potřebujeme dvě složky - světlo a barvu. Světlo je zajišťováno buď poosvětlujícími katodovými trubicemi, nebo vnějším odraženým světlem. Katodové trubice vytváří tzv. bílé světlo, které je složeno z různých barevných spekter světla. Toto světlo je možné rozložit na tři primární barevné složky - červenou, zelenou a modrou (RGB). Každý obrazový bod je ohraničen dvěma polarizačními filtry, barevným filtrem (pro červenou, zelenou a modrou) a dvěma vyrovnávacími vrstvami. Vše je vymezeno tenkými skleněnými panely. Tranzistor každého obrazového bodu kontroluje velikost napětí, které prochází mezi vyrovnávacími vrstvami a elektrické pole působí na změnu struktury tekutého krystalu, čímž ovlivní natočení jeho částic.

Tímto způsobem je možné regulovat několik desítek až stovek stavů tekutého krystalu, při kterých vzniká výsledný jas barevných odstínů. A protože se každý obrazový bod skládá ze tří základních barevných "sub-pixelů" (RGB), vznikají tak statisíce až miliony různých barevných odstínů. Při použití 8-bitové barevné hloubky pro každý "sub-pixel", tak můžeme získat plných 16 777 216 barevných odstínů.
Jak bylo řečeno výše, každý pixel se skládá ze tří sub-pixelů, což v praxi znamená, že LCD monitor s rozlišením 1 600 x 1 200 má vedle sebe ve skutečnosti ne 1 600 bodů, ale 4 800 sub-pixelů. Velikost těchto bodů je velmi malá a pohybuje se standardně v rozmezí od 0,24 - 0,29 mm. U těch vyspělejších LCD monitorů může velikost těchto bodů klesnout až na pouhých 0,12 mm. Velikost bodů tak ovlivňuje maximální úhlopříčku LCD monitorů, proto se jen velmi málo vyskytují malé LCD monitory s vysokým rozlišením.
Technologie postupuje stále vpřed, a tak kromě různého počtu katodových trubic, které poosvětlují LCD krystaly, se začínají využívat pro poosvětlení i speciální LED diody, jejichž jas je možné regulovat pro každou zvlášť.

Různé technologie LCD
S postupem času se technologie tekutých krystalů vylepšuje, a proto existuje velké množství technologií a označení LCD displejů. Jeden ze základních typů je TN+Film technologie, která patří k nejlevnějším a nejjednodušším technologiím. Jejich výroba je založena na technice Twisted Nematic (TN), ale navíc je na jejich povrch aplikována vrstva, zvyšující pozorovací úhly. Mezi nevýhody patří zvláště slabý kontrast a pomalá doba odezvy.

Technologie výroby TN+Film

Další technologií je technologie In-Plane Switching (IPS), která je téže nazývána Super-TFT. Technologie je založena na urovnání tekutých krystalů paralelně se substrátem. Největší její výhodou je vysoký pozorovací úhel, rovnající se téměř 180 stupňům. Na druhou stranu je jejich výroba poměrně složitější než u klasické TFT technologie, protože paralelnímu uspořádání krystalů, což má za následek nutné "hřebenovité" umístění elektrod na zadní plochu. Důsledkem je nízký kontrast displeje a nižší doba odezvy.

Technologie výroby In-Plane Switching (IPS)

Poslední, z velmi běžných technologií a pravděpodobně nejlepší, je technologie s označením Multi-Domain Vertical Aligment (MVA), která se vyznačuje poměrně vysokými pozorovacími úhly (160 stupňů). Tyto vysoké pozorovací úhly jsou zajištěny použitím "výčnělků" (protrusions), které částečně blokují průchod světla. Protože jsou tekuté krystaly natočeny vertikálně, netrvá tak jejich natočení jako u TN či IPS. Díky tomu je možné zajistit poměrně skvělé doby odezvy při slušných pozorovacích úhlech.

Technologie výroby Multi-Domain Vertical Alignment (MVA)

Závěr
Technologická vyspělost LCD monitorů se zvyšuje, a tak je můžeme zahlédnout nejen na stolech profesionálních společností, kde kromě svého klasického účelu mají i účel reprezentativní, ale i v domácnostech a malých kancelářích. Díky vyspělosti jejich technologie a snižování cen zatlačují LCD monitory CRT monitory do pozadí. Dnes se již můžeme setkat s velkými LCD monitory se špičkovými parametry a vybavením.
Některé společnosti se zaměřují spíše na technické parametry LCD monitorů jako je velký pozorovací úhel, vysoké rozlišení, velká úhlopříčka, nebo parametry svítivosti či kontrastu. Jiné společnosti dávají spíše důraz na technologické vybavení LCD monitorů, jako jsou automatické senzory vnějšího osvětlení, podle kterého regulují svítivost LCD panelů nebo vnitřní automatické kalibrační technologie apod. U profesionálních grafických LCD panelů bývá dodávána i kalibrační sonda s kalibračním softwarem.