Láska na první pohled LCD monitory and comp.

Určitě jste ji již někdy viděli, tu štíhlou krásku, při jejímž spatření se vám

zastaví srdce a mozkové závity se rozběhnou na plné obrátky s jediným cílem jak

ji získat. Zkoušíte téměř všechno počínaje vyplňováním různých anket a pokusy o

krádež konče. A přesto pro nás většinou zůstávají nesplnitelným snem…

Doufám, že jste pochopili, že se nejedná o žádnou missku, ale o LCD monitory,

které by asi mnozí z nás chtěli mít na svém pracovním stole. Zatím si ale

musíme nechat zajít chuť, cenový rozdíl mezi starými CRT monitory a štíhlými

kráskami z tekutých krystalů je stále ještě příliš velký, a proto většina z nás

zůstává u vakuových trubic.

Podle všech signálů tomu tak ale již dlouho nebude, a my všichni budeme moci

zahodit staré objemné monitory a na stůl si nainstalovat jen pár centimetrů

široký LCD monitor (nebo jeho nástupce). Bojím se jenom jedné věci, že pak vás

již od něj nikdo neodtrhne…

Proč ne LCD?

Ačkoliv většina lidí hovoří hlavně o výhodách LCD (a jim podobných monitorů),

jakoby se často zapomínalo na jejich zřejmé nevýhody. Ty jsou jakoby

zapomenuty, hlavní je přece zákazníky přesvědčit o tom, aby svůj třeba jen rok

starý monitor zahodili a koupili nový LCD monitor za několikanásobek ceny.

Je pravdou, že tato strategie v řadě firem slavila velké úspěchy, stačí se jen

podívat na jakoukoliv výstavu, a vše je jasné pokud máte na svém stánku staré

CRT monitory, pak jakobyste pro okolní svět neexistovali. Avšak pozor, není

všechno zlato, co se třpytí kromě zřejmých výhod ve velikosti a spotřebě trpí

LCD monitory stále některými neduhy.

Těmi největšími bude asi velikost displeje, počet a podání barev, rozlišení,

světlost, zorný úhel a hlavně cena. Je sice pravda, že nově používané materiály

a technologie se snaží tyto nevýhody odstranit, ale stále ještě jsou CRT

monitory např. pro grafiky asi tou lepší variantou.

Myslím si totiž, že LCD a jim podobné displeje jsou v dnešní době hlavně

otázkou módy pokud šéf konkurenční firmy má na stole tenounký monitor, pak to

samé by přece mělo být i u vás, že? Ale to by bylo trochu krátkozraké řešení.

Pomalu se sice blíží doba, kdy CRT monitory budou odepsány, avšak stále jde o

technologii, o které budete při nákupu počítače uvažovat v první řadě. I když

láska je láska…

Trošku nepovedené krystaly a jim podobná „nedochůdčata“

To, že staré vakuové monitory se do nastupujícího věku mobilních komunikací

nahodí, je asi na první pohled jasné ale co použít místo nich, máme již opravdu

funkční variantu? Asi ano, máme LCD, ale neexistuje ještě něco dalšího?

Takové a podobné otázky by měly být nosnými body tohoto článku, ve kterém se

podíváme jak do světa tekutých krystalů, tak nahlédneme i do blízké či vzdálené

budoucnosti zaostříme na technologie LEP, OLEP, na plazmové displeje a další

možné nástupce nebo spíše konkurenty dominujících LCD displejů. V mnoha

případech sice možná budoucnost ukáže, že se jednalo o slepou cestu, ale ten

samý tok času může z dnes opomíjených technologií udělat největší „kšeft“

následujícího tisíciletí.

Skupenství s pořadovým číslem 4

Slušné bude ale celou prohlídku začít s technologií LCD, bude to totiž ona,

která s největší pravděpodobností z trůnu sesadí staré CRT monitory. Objevu

starému 100 let se tak dostane zasloužené odměny.

Ano, je to tak, tekuté krystaly jsou známy již něco přes 100 roků, přesněji

řečeno od roku 1888, kdy je ve svém dopise poprvé zmiňuje australský biolog

Friedrich Reinitzer. Ten při svých pokusech s acetáty cholesterolu objevil

trochu divnou látku. V přírodě normálně existují pouze tři skupenství pevné,

kapalné a plynné. Nově objevená látka ale jakoby do žádné škatulky nezapadala

byla kapalinou s určitými prvky pevné látky. Jinými slovy, první tekuté (či

kapalné) krystaly (liquid crystals) byly na světě. Tento termín se také záhy

objevil a jeho autorství je připisováno německému fyzikovy Otto Lehmanovi (tomu

také Reinitzer o svém objevu psal). Pro výrobu displejů jsou ale zajímavé

vlastnosti takovýchto látek v elektrickém nebo magnetickém poli uspořádání

jednotlivých molekul se již při relativně slabém poli mění (tuto skutečnost

objevil v roce 1963 zaměstnanec RCA Williams).

Prakticky se pak jedná o průhledné látky, které propouštějí světlo podél os

jednotlivých molekul. Tato měnící se orientace (pomocí elektrického pole) spolu

s vlastnostmi polarizace světla tak slouží jako základ všech typů LCD displejů.

Celý princip pak můžete vidět na obrázku, na kterém je celý princip zobrazen.

V klidovém stavu jsou molekuly pokrouceny podle pomalu se točící osy,

procházející světlo tak mění svou polaritu o 90 stupňů. Tato orientace se ale

při připojení zdroje elektrického napětí mění a ke změně polarizace tak

nedochází. Ve spolupráci se dvěma polarizačními filtry můžeme jednotlivé plochy

obrazovky „rozsvěcet“ a „zhasínat“. První polarizační filtr totiž do vrstvy s

tekutými krystaly propustí pouze jedním směrem polarizované světlo tyto vlny

pak v normálním stavu změní svoji polaritu o 90 stupňů a pouze takové vlny jsou

propuštěny druhým polarizačním filtrem. V případě připojení napětí k takové

změně polarizace nedochází a druhý filtr takové světlo ven nepropustí uživatel

vidí tmu. Samozřejmě filtry jdou nastavit i obráceně tedy k „rozsvícení“ bodu

dojde pouze při připojení napětí, v praxi se ale více osvědčilo první řešení,

jednotlivé buňky jsou ve většině aplikací spíše ve stavu propouštějícím světlo.

Ačkoliv se zde až doposud hovoří o „zhasínání“ a „rozsvěcení“, jsou nabízené

možnosti mnohem větší regulací velikosti připojeného náboje lze určit, kolik

světla danou buňkou projde. Nejedná se tedy o dvoustavový mechanismus, ale o

plynulé přepínání mezi jednotlivými stavy.

Takovéto řešení se pak anglicky nazývá twisted nematic (TN) a jde o základ pro

všechny typy LCD monitorů. Často se pak setkáte s použitím takového principu

vícekrát po sobě supertwisted. Stáčejících vrstev je použito více, což zaručuje

ostřejší obraz.

Stejný princip je používán i v případě zobrazení barev, pouze je nutné dodat

barevné filtry a znásobit počet buněk třemi (RGB). Ke skládání barev se pak

používá stejných principů, jaké platí i ve starých CRT zařízeních.

Výhody a nevýhody

Z uvedeného principu proto jasně vycházejí některé výhody a nevýhody oproti

starým CRT monitorům:

Problém konvergence CRT monitory používají tři paprsky, které musejí být

souběžné, aby vytvořily ostrý barevný obraz, což samozřejmě u LCD nepřipadá v

úvahu.

Obnovovací frekvence protože jednotlivé LCD buňky jsou v definovaném stavu,

není nutné starat se o obnovování obrazu obraz nebliká, na druhou stranu u

rychle se měnících obrazů může docházet k problémům s překreslováním.

Pevně dané rozlišení protože se LCD displeje skládají z určitého, výrobcem již

předem definovaného počtu buněk, je pro takový monitor těžké zobrazit jiné než

plánované rozlišení dochází k přepočítávání jednotlivých obrazových bodů, což

má většinou za následek špatné zobrazení.

Chyby při výrobě pokud si představíte byť jen nejzákladnější rozlišení 640 x

480, tak se jedná o téměř o milion bodů (pokud vám vychází jiné číslo, pak jste

jistě zapomněli na barvy), a je tedy jasné, že na většině monitorů budou i

některé buňky vadné.

Rozdělení LCD displejů

Samozřejmě jako u všeho i zde se lidé pokoušejí zavést některé kategorie, které

by měly přenést trochu pořádku do možného třídění LCD displejů. Existují tři

možné náhledy podle principu zobrazování, světelné konfigurace a použité

technologie.

V první případě můžeme LCD displeje rozdělit na:

1. segmentové k zobrazení informací se používá segmentů, které dohromady tvoří

zobrazovanou informaci. Typickým použitím jsou kalkulačky, kde jsou pomocí

segmentů vytvářeny jednotlivé číslice.

2. dot matrix systémy (znakové displeje) jednotlivé buňky jsou uspořádány v

řádcích a sloupcích a slouží k vytváření jednoduchých obrazců nebo zobrazování

znaků.

3. dot matrix systémy (grafické displeje) uspořádání je podobné jako v

předchozím případě, pouze body jsou mnohem blíž u sebe a jsou určeny k

zobrazování obrazů v perfektní kvalitě.

V případě použití druhého kritéria lze LCD prvky rozdělit na následující 3

skupiny:

1. transmisivní typy světlo je v tomto případě generováno přístrojem za aktivní

vrstvou a v závislosti na nastavení buněk k uživateli přichází anebo ne.

Typickým příkladem jsou televize nebo monitory.

2. reflexní typy v tomto případě se využívá přírodního světla, a součástí

přístroje je zrcadlo, které propuštěné světlo odráží zpět. Výhodou takového

řešení je hlavně úspora energie. Používá se např. v kalkulačkách nebo hodinkách.

3. projekční typy pracují podobně jako transmisivní, pouze pro zobrazení obrazu

se používá dalších čoček, které obraz zvětšují. Jak již název napovídá, hlavním

použitím jsou LCD projektory.

Posledním možným kritériem pro dělení je použitá konfigurace pro zobrazování,

tedy jak jsou jednotlivé buňky ovládány. V dnešní době se jedná o dvě řešení:

1. pasivní matrice starší metoda, od které se již upouští. Pro zobrazování jsou

použité dvě vrstvy průhledných elektrod, z každé strany LCD buněk jedna, které

pomocí časové synchronizace ovládají vždy jednu buňku.

Tento systém trpí hlavně problémem s pomalou odezvou jednotlivých LCD buněk,

což zejména při rychle se měnícím kontextu může vést k nedokonalému

překreslování obrazu a vytváření „duchařského“ efektu.

I přes svou relativní zastaralost se s nimi ale i dnes setkáte, zejména v

jednodušších a levnějších přístrojích. (Typickým řešením jsou tzv. DSTN

displeje dual-scan twisted nematic).

2. aktivní matrice zejména v důsledku špatného zobrazování barev pomocí pasivní

matrice přešli výrobci LCD zařízení na tzv. aktivní variantu. Ta je také známa

pod názvem TFT (Thin Film Tansistor). Jak již název napovídá, k ovládání

jednotlivých buněk slouží tranzistory pro každou buňku jeden. Spolu s

vylepšením použitých materiálů tak došlo ke zlepšení doby odezvy obrazovky,

která je nyní v řádech desítek ms (oproti stovkám u DSTN), ke zvýšení kontrastu

a pak také ke ztenčení celé obrazovky.

TFT není jedinou aktivní matricí, která se v LCD displejích používá, existuje

totiž i varianta s názvem MIM (metal-insulator-metal), která je levnější, ale

neposkytuje takovou kvalitu jako TFT, a proto se od ní opustilo.

Budoucnost LCD

Bohužel TFT monitory se ukazují jako ne zcela ideální řešení, a proto se

výrobci snaží najít cestu k úsporám a hlavně ke zlepšením. Výsledkem té první

cesty mohou být různá hybridní řešení, která se snaží kombinovat DSTN a TFT

(zejména s ohledem na cenové úspory). Typickým výrobcem jsou firmy Toshiba a

Sharp, které za pomoci nových materiálů dosahují pomocí DSTN technologie

výsledků, velmi se blížících TFT parametrům. Jedná se ale pouze o krátkodobé

řešení, které je motivováno hlavně cenou takto vyrobené monitory jsou mnohem

více konkurenceschopné.

Daleko zajímavější je však druhý směr, který se snaží výsledky zlepšovat a ne

oživovat již zastaralé technologie. Mezi takové určitě patří:

Víceřádkové adresování v honbě za rychlejšími změnami obrazu byl vyvinut

speciální systém adresování buněk, kde místo změny hodnoty jedné dochází k

nastavování celých shluků, vždy v závislosti na zobrazovaném obrazu.

Multipanelové monitory protože vyrobit velké displeje je stále ještě problém,

používá se při jejich výrobě více menších displejů.

Ferroelektrika pomocí nově použitých materiálů se podařilo téměř 1 000krát

snížit čas reakce ze stovek ms na 10 hs a také výrazně redukovat spotřebu. Nové

materiály jsou totiž bistabilní, elektrická energie se nemusí dodávat stále,

ale používá se pouze na překlápění mezi stavy. Další výhodou je také zvětšení

zorného úhlu.

Znovuobjevení reflexních LCD za tímto „znovuobjevením“ stojí hlavně touha po

zmenšení spotřeby při takovém použití není třeba používat drahé a vysoce

energeticky náročné lampy.

Low-Temperature Polysilicon (LPS) až do tohoto objevu se pro výrobu aktivní

matrice používaly amorfní silikony (a-Si) na skelném substrátu, a to zejména

proto, že tato technologie nepotřebuje vysoké teploty, a tím lze za podklad

použít relativně levné sklo. Nevýhodou je to, že nekrystalická struktura brání

rychlému pohybu elektronů, a tím dochází k degradaci elektrického obvodu. To

vedlo vědce k pokusům s polysilikonovým TFT filmem, který má daleko lepší

elektrické vlastnosti. Hlavní bariéra v jeho využití pak padla v 90. letech,

kdy se původní 1 000stupňovou teplotu nutnou k výrobě podařilo redukovat na

polovinu. Tím se otevírá cesta k levné masové výrobě zejména velkých monitorů a

ultratenkých zobrazovacích prvků. Teoreticky se možná dočkáme i displejů, které

nebudou používat jako substrát sklo, ale nějakou měkkou hmotu, a mohly by tak

vzniknout „ohebné“ monitory.

Odstranění polarizačních filtrů za pomoci polymerové disperze lze z LCD

monitorů odstranit nutnost používat polarizační filtry. To má samozřejmě za

následek zvýšení jasu a zjednodušení vlastní výroby.

Svět nejsou jen LCD

Ačkoliv se zdá, že boj ve prospěch tenkých monitorů a jim podobných

zobrazovacích zařízení je rozhodnut, nelze zatím s jistotou říci, kdo vlastně

bude vítězem. Překvapivě se zdá, že LCD monitory to zřejmě nebudou. Jejich

úkolem bude pouze nést prapor těchto nových prvků a vyhnat CRT monitory z

jejich obranných pozic, vítězem ale asi bude některá z následujících

technologií a nebo mnohem pravděpodobněji postup, který se teprve nyní rodí v

laboratořích po celém světě.

Ach, pekelná plazma

Jako na prvního zástupce těchto nových technik, případného konkurenta LCD, se

podíváme na plazmové displeje (PDP Plasma Display Pannel). Ty také používají k

zobrazování jednotlivé body, které ale na rozdíl od LCD světlo samo generují.

Princip je založen na skutečnosti, že při připojení vysokého napětí na buňku

naplněnou lehce stlačeným plynem (nejčastěji xeon, argon nebo neon) dojde ke

vzniku plazmy, a tím ke generování fotonů (světla).

Nevýhodou takovýchto řešení je v dnešní době hlavně malý kontrast a pak i

relativně velký rozměr jednotlivých buněk. Protože celá technologie je založena

na „zapalování“ jednotlivých buněk, je nutné počítat i s určitou dobou, po

kterou buňky vysílají světlo, aniž jsou buzeny elektrickým polem. Z takového

„dohasínání“ pak dochází k degradaci kontrastu. Je ale pravdou, že díky

postupnému vývoji se podařilo tento problém téměř eliminovat.

Trošku lepší CRT

Dalším případným konkurentem (a někteří se domnívají, že i tím největším) jsou

prvky založené na FED (Field Emission Display). Jedná se o stejný princip, jaký

je použit ve starých CRT monitorech, jen s tím rozdílem, že místo jedné

elektrody jich existuje mnohem více pro každý pixel právě jedna. Každá

zobrazovací buňka je tak vlastně malou vakuovou obrazovkou. Oproti LCD má tato

technologie několik výhod:

Úspora energie není potřeba žádné zadní světlo, energie se spotřebovává jen u

rozsvícených buněk.

Větší zorný úhel díky tomu, že každá buňka emituje světlo samostatně, blíže

stínítku, je zorný úhel daleko větší (téměř 160 stupňů).

Redundance díky zabudované redundanci by nemělo tak často docházet k defektům

jako u LCD, výrobci dokonce uvádějí, že až 20 % pixelů může být špatných.

Barevné podání podání barev je také výrazně lepší než u klasické LCD

technologie a je plně srovnatelné s CRT řešeními.

LEPé děvy

Jistě jste si všimli, že konkurenční technologie k LCD v tomto textu jakoby

gradují, plazmové displeje byly konkurencí, FED jsou již lepší, ale co přijde

nyní? Ano, opravdová bomba, vše totiž nasvědčuje tomu, že budoucnost patří LEP

(Light-Emitting Polymer). Tyto polymery jsou již delší dobu používány při

výrobě baterií, kondenzátorů a nyní se pro ně otvírá nové pole působnosti ve

sféře zobrazovacích prvků. Zjednodušeně řečeno, jedná se o podobný princip jako

v případě všem dobře známých prvků LED (Light-Emitting Diode), není zde však

použit polovodičový přechod, ale světlo je generováno speciálními polymery. Ty

jsou na světě téměř stejně dlouho jako tekuté krystaly a pro většinu z nás se

maskují za názvy jako polypropylén nebo polyanilin.

V současné době se objevily dvě nové varianty, obě využívají organické světlo

emitující prvky. Dnes tedy existují dvě řešení jedno vzniká ve spolupráci

konsorcia Seiko-Epson a objevitelů těchto polymerů firmy Cambridge Display

Technologies (ta také vlastní řadu patentů v tomto oboru), druhé je pak podobné

řešení od firmy Kodak. Hlavními výhodami oproti LCD jsou větší zorný úhel, užší

displeje, více jasu a barev a rychlejší odezva při překreslování.

Další možné směry

Jako další lákavá varianta budoucnosti displejů se tváří Anti-ferroelektrické

(AFCL) displeje, ThinCRT displeje (tedy vlastně nástupci dnešních monitorů)

nebo Digital Light Processory (DLP pracující na principu malých zrcátek). Jeden

směr je ale jistý: dvoudimenzionální obrazy asi již nebudou zajímat člověka

budoucnosti homo computerus. Jemu bude třeba nabídnout i ten kýžený třetí

rozměr. Je jedno, zda při tom bude použito holografie, stereoskopie či zda se

objeví nový postup. Konečně tak postavy vystoupí z obrazovky a nastane éra

třídimenzionálních operačních systémů, 100% reálných her a filmů… Prostě

doba, kdy již nerozlišíte skutečnost od reality…

0 2264 / alsn

Princip fungování LCD prvků pomocí dvou polarizačních vrstev, které pracují ve

spolupráci s tekutými krystaly, je docilován celý efekt. Světlo nejprve

prochází prvním filtrem (a) a pouze vertikálně polarizované vlnění je

propuštěno do vrstvy s tekutými krystaly. V případě, že jsou tekuté krystaly v

normálním stavu, dojde ke změně polarizace a světlo vychází druhým filtrem (b)

ven. V případě připojení elektrického pole nedochází ke změně směru vlnění a

nedojde tak ani k propuštění světla k pozorovateli.

Princip fungování LCD monitoru -Ęv LCD monitoru pracujícím s pomocí aktivní

matrice je princip zobrazování následující: zadní světlo nejprve prochází

prvním polarizačním filtrem a poté jde skrze vrstvu kapalných krystalů, které

rozhodují o tom, zda bude světlo viditelné pro uživatele či nikoliv. Propuštěné

světlo je pak ještě filtrováno pomocí barevných filtrů a v závislosti na

polarizaci (ta byla nastavena ve vrstvě tekutých krystalů) propouštěno

posledním polarizačním filtrem.