Zavřít reklamu
Zprávy

Vše co potřebujete vědět o LCD

Daniel Hruška
12

Displeje na bázi tekutých krystalů jsou dnes využívány v širokém spektru odvětví. Tomuto faktu značnou mírou napomáhá možnost vyrábět LCD displeje v různých velikostech – běžně o úhlopříčce velikosti jeden až několik desítek palců. Apple si je této výhody moc dobře vědom, a tak najdeme LCD v iPodu nano ale také v 27″ iMacu.

Co jsou to tekuté krystaly

Každá látka má v jistém okamžiku svou určitou formu nazývanou skupenství. Mezi základní tři skupenství látek patří skupenství pevné, kapalné a plynné. Mezi těmito skupenstvími je látka schopna přecházet v závislosti na okolním tlaku a teplotě.

Síly mezi částicemi pevných látek jsou natolik silné, že se částice nemohou volně pohybovat, ale pouze vibrovat okolo svých rovnovážných poloh. V závislosti na pravidelnosti uspořádání částic se pevné látky dělí na krystalické a amorfní. Částice v krystalických látkách jsou uspořádány do tzv. krystalické mřížky, a tvoří tak pravidelné trojdimenzionální vzorce – krystaly. Naopak částice amorfních pevných látek nejsou nijak pravidelně uspořádány.

Pokud je teplota pevné látky zvýšena nad její bod tání, začne se přeměňovat na kapalinu. Síly mezi částicemi kapalin již nejsou natolik velké, aby udržely své původní uspořádání. Kapalina tak získává tvar nádoby, ve které je umístěna. Částice kapalin jsou schopny se mezi sebou pohybovat, nebo-li téci. Tekuté krystaly jsou potom zvláštním případem látek mající některé vlastnosti pevných i kapalných látek a vytvářejí tedy svou samostatnou kategorii v řazení látek podle skupenství.

Typy a fáze tekutých krystalů

Stejně jako se například pevné látky dělí podle struktury částic na krystalické a amorfní, jsou také tekuté krystaly rozčleněny do dalších kategorií. Konkrétně se jedná o tekuté krystaly lyotropní a termotropní. Lyotropní tekuté krystaly mění své uspořádání v závislosti na jejich koncentraci v rozpouštědle. V dnešních displejích jsou nejvíce používány termotropní tekuté krystaly, které mění uspořádání molekul v závislosti na teplotě. Pokud je teplota příliš nízká, ztuhnou tekuté krystaly na krystalickou pevnou látku. Naopak s příliš vysokými teplotami se tekuté krystaly přemění na izotropní kapalinu (mající ve všech směrech stejné vlastnosti). V mezích těchto teplotních bodů, při nichž dochází k přeměně na jiná skupenství, existují tekuté krystaly v rozličných fázích. V každé fázi jsou molekuly tekutých krystalů odlišně uspořádány a natočeny. Molekuly jsou typicky tyčovitého (tzv. kalamitického), miskovitého nebo diskového tvaru. Přechody mezi fázemi tekutých krystalů pozoroval poprvé v roce 1888 Friedrich Reinitzer působící na dnešní Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze, i když o nich tehdy neměl vůbec tušení. Pevný krystal benzoátu cholesterolu roztál na tekuté krystaly v chirálně nematické fázi (též zvané cholesterické), které se následně přeměnily v čirou izotropní kapalinu.

Nematická fáze (N)

Kalamitické molekuly jsou v nematické fázi orientovány v průměru jedním směrem nazývaným direktor (n), avšak navzájem jsou zcela neuspořádané. Molekuly vykazují vysoký stupeň tekutosti a mohou téci ve všech třech směrech. Současně s jejich nízkou viskozitou je umožněna změna molekulární orientace v elektrickém poli. Kapalina s velkou viskozitou brzdí pohyb svých molekul nebo těles v této kapalině více než kapalina s nízkou viskozitou.

Zvláštním případem jsou molekuly s chirálním charakterem. Ty nejsou totožné se svým zrcadlovým obrazem, což způsobuje stáčení tekutých krystalů do levotočivých či pravotočivých spirálovitých struktur. Potom se jedná o již výše zmíněnou chirálně nematickou fázi (N*). Stáčení molekul do šroubovice probíhá podél jedné osy, která je kolmá na direktor. Délka závitu šroubovice se zkracuje s klesající teplotou, naopak s rostoucí teplotou se prodlužuje.

LCD nesvítí

Protože samotné tekuté krystaly světlo nevyzařují, je potřeba pod ně umístit dodatečný zdroj světla. Apple své produkty rozzařuje výhradně pomocí bílých LED diod. Dříve se ve větších displejích používalo podsvětlení pomocí fluorescenčních výbojek se studenou katodou (cold cathode fluorescent lamp – CCFL). Ty jsou však kvůli rtuti nebezpečné životnímu prostředí a pomalu se od jejich používaní upouští i v levnějších stolních monitorech.

Princip činnosti LCD

Světlo vyzařované z podsvětlení, ať CCFL trubic nebo LED diod, kmitá v rovině kolmé k paprsku všemi směry. Po průchodu přirozeného světla polarizátorem dochází k tzv. polarizaci. U LCD displejů se využívá polarizace lineární – světlo kmitá jen v jedné rovině kolmé k paprsku, která je daná polarizační osou polarizátoru. U některých typů displejů je použit také optický retardér, jenž napomáhá snížit závislost kontrastního poměru na pozorovacích úhlech.

Samotná směs tekutých krystalů je umístěna mezi dvěma rýhovanými zarovnávacími vrstvami. Drážky zarovnávací vrstvy nacházející se blíže k polarizátoru, jsou rovnoběžné s jeho polarizační osou. Druhá zarovnávací vrstva má drážky rovnoběžné s polarizační osou analyzátoru. Tyto drážky v nesepnutém stavu zarovnávají tyčovité molekuly nematik přesně podél polarizačních os polarizátoru a analyzátoru, což vede k jejich zkrutu do šroubovice. Procházející polarizované světlo se stáčí přesně podle závitu šroubovice. Poté, co narazí na analyzátor, a jelikož je stočeno přesně do roviny rovnoběžné s polarizační osou analyzátoru, projde skrz. Pixel se poté jeví jako rozsvícený. To je například důvod, proč tzv. mrtvý pixel stále svítí.

Tekuté krystaly jsou schopny se natáčet působením elektrického pole. Dlouhá osa krystalů se vždy stáčí ve směru elektrického pole. V sepnutém stavu je mezi krystaly přivedeno elektrické napětí, uspořádání do šroubovice je narušeno, polarizované světlo se nestáčí do roviny polarizační osy analyzátoru a pixel se proto jeví tmavý.

Pokud zatím nejste z textu výše nikterak moudří, nezoufejte. Následuje popis nejvýznamnějších technologií LCD jablečného světa – TN-LCD a IPS-LCD včetně 3D animací.

TN-LCD (Twisted Nematic LCD)

Jedná se o nejznámější technologii LCD displejů. Princip činnosti TN-LCD se neliší od výše zmíněného schématu, jen jsou tekuté krystaly v nesepnutém stavu stočeny přesně o úhel 90°.

Nepleťte si prosím TN-LCD s pojmem TFT-LCD. Zkratka TFT (Thin Film Transistor) pouze značí způsob adresování jednotlivých subpixelů (každý pixel se skládá s červeného, zeleného a modrého subpixelu). U všech subpixelů se nachází malinký, většinou průhledný, tranzistor, který danému subixelu „řekne“, zda být v sepnutém či nesepnutém stavu. Pokud bychom byli důslední, museli bychom mluvit o TN-TFT-LCD, resp. IPS-TFT-LCD.

TN-LCD má všeobecně horší podání barev a menší pozorovací úhly. Můžeme jej nalézt v těchto zařízeních:

  • iPhone „2G“/3G/3GS
  • všechny generace a variace iPodů
  • MacBook Pro/Air
  • iMac (do r. 2008)
  • Apple Studio, Cinema a LED Cinema Display (2008)

IPS-LCD (In-Plane Switching LCD)

In-Plane Switching technologie byla vyvinuta v roce 1996 japonskou společností Hitachi a měla za úkol vylepšit chabé pozorovací úhly a horší podání barev TN‑LCD displejů. Se stále snižující se cenou se IPS-LCD stávají vhodnou alternativou TN‑LCD displejů.

Dle obrázku je patrné, že struktura IPS-LCD displeje se liší od TN a STN technologií. In-Plane Switching, nebo-li technologie přepínání v rovině, nemá elektrody umístěny ve vrstvách nad sebou ale v rovině.

Podobně jako u TN-LCD jsou tekuté krystaly stočeny do šroubovice s natočením direktoru o 90°, avšak díky elektrodám umístěných v jedné rovině probíhá jejich natáčení odlišným způsobem. V nesepnutém stavu jsou tekuté krystaly paralelně nad sebou, proto není polarizované světlo vůbec stáčeno a pohlceno analyzátorem. Až po přivedení elektrického proudu jsou tekuté krystaly IPS-LCD displeje stočeny do šroubovice. Při poruše tranzistoru subpixelu se daný subpixel jeví tmavý. Působí tak méně rušivě než vadný subpixel TN-LCD.

Oproti TN-LCD má IPS věrnější podání barev, které netrpí ani při extrémních pozorovacích úhlech. Určitě jste všichni viděli naživo iPhone 4 nebo iPad, takže si určitě o kvalitách této technologie umíte udělat obrázek.

IPS-LCD se nachází v těchto jablečných zařízeních:

  • iPhone 4/4S
  • iPad 1/2
  • iMac (2009+)
  • LED Cinema Display (2010+)
  • Thunderbolt Display

A jak to bude s LCD dále?

Ačkoli si LCD displeje prošly vývojem dlouhým několik desítek let a našly si cestu do rozličných zařízení – od hodinek po velkoplošné televizory – naráží již dnes na hranice svých zobrazovacích schopností. Velkou nevýhodou je nutnost podsvěcovat displej dodatečným světlem, které může být průchodem všemi vrstvami displeje pohlceno až ze dvou třetin. Také doba odezvy se nemůže nadále snižovat bez radikálního zvýšení elektrického napětí přiváděného do směsi tekutých krystalů. Limitující mohou být také provozní teploty. Na přímém slunci může teplota tekutých krystalů vystoupat natolik, že se přemění na izotropní kapalinu. Displej se poté jeví černý a může dojít k jeho nenávratnému poškození.

Naopak výhodou je nízká cena jejich výroby, která klesá i u novějších technologií jako IPS. Avšak obecně se předpokládá, že LCD displeje budou během několika let nahrazeny OLED displeji, jejichž mechanické a zobrazovací vlastnosti jsou neustále zlepšovány a jejichž výrobní náklady postupně klesají.

Zdroj
Diskuze
Témata: , , , , , , , , ,

Související



Nejčtenější články

.