Technologie TFT LCD

I když k představení prvního displeje z tekutých krystalů na technologii DSM
došlo již v roce 1968 společností RCA a v roce 1971 byl vyroben první LCD

displej s TN maticí, k masovému rozšíření došlo až v posledních letech. Svůj

podíl na tom kromě zlevnění výroby má i značné zlepšení parametrů samotných

monitorů. Kupující je i tak ovšem mnohokrát vydán napospas trhu a otázky, proč

můj „papírově superhyper“ monitor zobrazuje hůře než kolegův „laciňák“,

slýcháváme až příliš často.



Na našem trhu jsou totiž LCD displeje stále ještě trendovou záležitostí a i

díky slabší kupní síle teprve nyní probíhá zřetelné střídání technologií. Také

proto si většina kupujících neuvědomuje rozdíly mezi jednotlivými LCD panely,

byť jsou mezi jednotlivými typy ještě větší než v případě TV přijímačů.

Jelikož se množí i dotazy, které se přímo týkají LCD, rozhodli jsme se

připravit tento článek, jenž by vám měl napomoci k základní orientaci v

problematice displejů postavených na řešení TFT LCD panelů, které současnému IT

trhu s plochými monitory dominují.



Příběh začíná

V roce 1888 botanik Friedrich Reinitzer, působící na univerzitě v Praze,

objevil, že cholesterylbenzol kapalní při 145,5 ?C a po dosažení 178,5 ?C se

stává čirou tekutinou. Stav mezi těmito hodnotami nazval kapalnou krystalizací.

V roce 1889 německý fyzik Otto Lehmann experimentoval se směsí jodidu

stříbrného a benzoátu cholesterolu a dosáhl stejného stavu mezi pevným a

kapalným skupenstvím. Pro tento jev použil označení tekuté krystaly. Ty byly

dlouho považovány spíše za jakousi anomálii a jejich zkoumání nebyl věnován

nijak velký prostor. Situace se změnila až v polovině minulého století, kdy se

ukázalo, že jejich fyzikální vlastnosti je předurčují pro použití v displejích.



Společné vlastnosti

Tyto organické látky (tekuté krystaly) totiž mají vlastnosti kapaliny, nicméně

jejich elektromagnetické a optické vlastnosti odpovídají látkám pevným. Dnes

dělíme tekuté krystaly podle vzniku krystalické fáze na termotropní a

lyotropní, kdy u prvních vzniká krystalická fáze nad teplotou tání, u

lyotropních dochází k tomuto jevu v roztoku. My se zaměříme pouze na

termotropní skupinu. U ní totiž dochází ke kapalně krystalické fázi s různě

uspořádanými molekulami ve tvaru tyčinek, disků a podobně. Podle uspořádání

molekul rozdělujeme tyto tekuté krystaly na nematické, smektické a sloupcové. A

právě nematické krystaly nás zajímají nejvíce. Jejich molekuly jsou podlouhlé a

úzké a mají orientované uspořádání. Díky tomu dochází při průchodu světla z

trubice přes vrstvu tekutých krystalů umístěnou mezi elektrodami ke změně jeho

polarizace, a to v závislosti na orientaci molekul v prostoru. Tuto orientaci

lze měnit díky regulaci napětí v elektrickém poli. Molekuly jsou totiž

elektricky neutrální, nicméně velikost náboje v částech molekuly se může lišit.

Molekula se tak stává dipólem a v elektrickém poli má tedy snahu orientovat se

v jeho směru. Odtud tedy název LCD – Liquid Crystal Display. Samozřejmě ke

změně elektrického pole nedochází náhodně, klíčem k tomuto jevu je další

zkratka TFT (Thin Film Transistor). V konstrukci TFT LCD displejů má každý

subpixel tranzistor (u některých řešení i dva) udržující a řídící napětí.

Tranzistory jsou po celé ploše displeje a vytvářejí ve složení panelu další

vrstvu. Díky jejich řešení a výrobě se označují jako tenké tranzistory. Toto

spojení díky kontrole každého obrazového bodu se označuje rovněž jako aktivní

matice.

Jediné, co mají všechny displeje označované jako TFT LCD společné, je princip,

na kterém pracují. Krystaly podle přiváděného napětí mění orientaci a tím

určují, jakou intenzitu a charakter bude mít propuštěné světlo. Ovšem jaká je

jejich základní orientace a jakým způsobem se vlivem napětí mění, není pro

všechny monitory stejné. V současné době se běžně na trhu setkáváme s trojicí

odlišných řešení, která samozřejmě dosahují rozdílných parametrů obrazu. Jde o

matice typu TN, IPS a VA.



TN, TN+F

Pokud jsou nematické krystaly tvořeny chirálními molekulami obsahujícími uhlík

s asymetrickou vazbou, vytvoří molekuly spirálu – tato fáze se nazývá rovněž

cholesterická. Právě odtud dostala první technologie TFT LCD panelů svoje

označení TN (Twisted Nematic).

U TN matice jsou tedy molekuly vzájemně pootočené, takže jednotlivé vrstvy

vytvoří v podstatě jakousi spirálu. Krystaly jsou umístěny mezi příčnými

polarizátory (polarizační mřížky), které jsou upraveny tak, aby „vnější“

molekuly ležely stejným směrem jako polarizátory. Molekuly tekutých krystalů

tak díky spirálovitému tvaru mezi oběma vrstvami vedou světlo. V okamžiku, kdy

se ocitnou pod napětím, se tato spirála rozpadne a světlo přestane procházet.

Molekuly tedy otáčí rovinu polarizovaného světla až o 90 ?. Přerušení průchodu

světla však není dokonalé, dokonce s úhlem pohledu slábne, a tak tyto displeje

mají všeobecně problémy s podáním syté černé barvy a nelze u nich dosáhnout

vysokého kontrastního poměru. U TN matic dochází při pohledu z větších úhlů k

žloutnutí bílé a k šednutí tmavších barev. Mezi jejich výhody patří vysoká

rychlost odezvy.

Současné TN panely jsou doplněny ještě tenkým filmem (to je ono F v názvu),

který je doplňkovou optickou vrstvou, relativně zlepšující úhly pohledu.

Současné displeje jsou vždy TN+F, a tak i když jsou displeje technologicky

označeny jako TN, jde ve skutečnosti o TN+F matice. Za svoji popularitu vděčí

TN matice především levnější výrobě a rychlosti odezvy, pro niž si je oblíbili

počítačoví hráči. Ovšem tato výhoda je vykoupena faktem, že TN matrice zvládají

fakticky pouze 18bitovou barevnou hloubku (3 × 6 bitů), pro zobrazování plné

škály barev pak využívají dithering.

Současné parametry 17" TN displeje se pohybují u modelů s odezvou 6–8 ms na

úrovní svítivosti 250–300 cd/m2 a kontrastu 500 : 1. Úhly pohledu se pohybují v

rozmezí 140–160(. Další běžnou hodnotou je odezva 12–16 ms, kdy tyto monitory

nabídnou lepší barevné podání. Jsou vhodné pro domácí nasazení, sledování

videa, hraní her a základní kancelářské využití. Z hlediska práce s barvami

jsou akceptovatelné pouze pro základní amatérské použití. Pokud ovšem hodláte

pořizovat monitor o velikosti 19 " a větší, velice dobře si rozmyslete, zda

výhoda rychlosti vyváží barevnou degradaci, která na větší ploše může být

oproti 17" modelům jasně patrná.



IPS, S-IPS

Za technologií In-Plane Switching (IPS) stojí společnost Hitachi, jejíž vývoj

se zaměřil na odstranění zjevných nedostatků původních TN matic – tedy

barevného podání a kontrastu. První displej s touto technologií se objevil v

roce 1996. Pro dosažení zmíněných cílů zvolil výrobce jiné technologické

uspořádání panelu. Elektrody se u tohoto řešení nacházejí ve stejné rovině na

spodní desce, molekuly tekutých krystalů jsou v základním (klidovém) stavu

orientovány s těmito polarizátory souběžně. Vzhledem k tomu, že molekuly u IPS

panelu jsou orientovány rozdílným způsobem než u TN matic, v případě, že dojde

k poškození řídícího tranzistoru (což je vlastně to, co označujeme za vadný

pixel), je tento bod vždy černý. U IPS panelů totiž molekuly v klidovém stavu

(bez napětí) světlo nevedou. Teprve poté, kdy je zvýšeno napětí, se molekuly

natočí až o 90 % a propouštějí tak světlo různé intenzity. Díky přesnějšímu

dosažení orientace molekul je možné dosáhnout lepšího podání barev a lepších

úhlů pohledu. Současně nedochází k jasné degradaci barev při pohledu z větších

úhlů. Ovšem na druhou stranu přináší toto řešení i nevýhody. Vzhledem k

umístění elektrod v jedné rovině dochází u krajních krystalů k nedokonalému

otočení molekul vinou slabšího elektrického pole. Výsledkem je nižší jas a

kontrast IPS matic a vykreslení černé nedosáhne stoprocentního stavu. Toto

řešení s menším kontrastem dává IPS panelům zřetelnou charakteristiku – při

pohledu z extrémního úhlu dostává panel v černých plochách nafialovělý/

namodralý nádech. Posazení elektrod rovněž technologicky může způsobit

subjektivně vnímané „perličkování“ displeje. Pixely jsou díky větší mezeře

patrnější. Vzhledem k počátečním vysokým cenám se IPS panely začaly objevovat

až u displejů o velikosti 19" a vyšší. Ovšem první IPS panely měly odezvu až 60

ms.

Technologie IPS se i proto dočkala řady vylepšení, jako Dual Domain IPS

(DD-IPS), Advanced Coplanar Electrode (ACE) nebo Super-IPS

(S-IPS). S první technologií od IBM ani s druhou od Samsungu se v praxi

nesetkáme. Výroba ACE byla zastavena a DD-IPS jsou díky své extrémní ceně a

vysokému rozlišení vyhrazeny jiným oblastem než běžnému uživateli. Zato

technologie S-IPS, za níž stojí point-venture LG Philips, si své místo

vybojovala.

Můžete se setkat také se zkratkami A-AFT, A-SFT, SA-AFT a SA-SFT od NECu, což

jsou v podstatě deriváty S-IPS.

Matice S-IPS přinesly zlepšení odezvy na průměrnou úroveň 20–25 ms, rychlé

S-IPS mají odezvu 16 ms. Doménou S-IPS panelů jsou 19" monitory a vyšší, které

nabídnou vynikající podání barev. Kontrast těchto panelů dosahuje hodnot

450–600 : 1, jejich svítivost se pohybuje mezi 250 a 300 cd/m2 a úhly pohledu

jsou 160(.



VA, MVA, PVA

Poslední technologické řešení je postaveno na myšlence orientovat molekuly

vertikálně, proto se označuje VA (Vertical Alignment). Tuto technologii

představila v roce 1996 společnost Fujitsu. Cílem řešení bylo dosažení vysokého

kontrastu a krátké odezvy díky tomu, že se molekuly otáčely pouze o 45(. I když

se cíle podařilo dosáhnout, byla tato technologie, respektive světlost bodu

příliš závislá na velikosti úhlu pohledu i straně, ze které se na displej

uživatel díval. Při natočení podlouhlé molekuly docházelo k posunutí molekuly

mimo zorné pole uživatele, neboť v podstatě viděl pouze část molekuly. Proto v

roce 1998 Fujitsu přišlo s vylepšením původní VA matice a uvedlo na trh

technologii MVA (Multi-Domain Vertical Alignment). Molekuly jsou nyní rozděleny

do domén, ve kterých jsou orientovány prostorově tak, aby došlo k optické

kompenzaci. Pokud část molekuly není ve své doméně viditelná, je opticky

kompenzována molekulou z druhé domény, neboť ta je orientována opačně a je z ní

vidět ze stejného úhlu pohledu právě ona „neviditelná“ část „původní“ molekuly.

Počet domén není u moderních displejů omezen pouze na dvě. Technologii MVA

používá k výrobě panelů rovněž společnost Samsung pod označením PVA (Patterned

Vertical Alignment), Sharp ji označuje jako ASV, setkat se můžete i s pojmem

Super MVA. První panely s dobou odezvy 33–40 ms a 20–25 ms jsou v současnosti

doplněny nabídkou rychlých 8–16ms modelů. Jejich svítivost se v průměru

pohybuje na úrovni 250–300 cd/m2 a kontrastní poměr činí

400–600 : 1. Úhly pohledu jsou 170(. MVA/PVA dominují vynikajícím podáním

černé, kontrastem a úhly pohledu. Rovněž nabízejí lepší podání barev než TN

displeje za srovnatelných časů odezvy.



Závěr

V mnoha testech monitorů, často i na našich stránkách, se můžete setkat s

hodnocením: „univerzální monitor“. Skutečnost je však taková, že univerzální

monitor je něco jako běžný prací prášek z reklam. Obvykle tak označujeme

monitor vhodný pro domácí použití – lze na něm pracovat s textem a samozřejmě

hrát nějaké hry. Neznamená to však, že takový monitor je vynikající v obou tak

různorodých oblastech jako je DTP a hraní například Half-Life 2. Doufáme, že

jsme vám v předcházejících odstavcích pomohli se v problematice TFT displejů

částečně zorientovat. Vynechali jsme sice technologie pro zlepšení obrazu jako

je Override, nevěnovali jsme se X-Brightu, úhlům pohledu, různým skleněným

panelům, frekvencím, jednotlivým vstupům, práci řídící elektroniky apod. Podle

našeho názoru nejsou tyto oblasti pro základní seznámení s oblastí TFT LCD

stěžejní.



Zjednodušené (zobecňující) shrnutí

Dnešní TFT matrice můžeme rozdělit podle technologie na matrice TN, IPS a xVA.

Matrice TN nabídnou rychlou odezvu, ovšem s kontrastem, podáním barev i úhly

pohledu jsou na tom špatně. Celkově nabízejí poměrně tmavý obraz. Jsou vhodné

pro hry a základní kancelářskou práci (úkoly do školy).

Základní matrice IPS nabízejí malý kontrastní poměr (jsou na úrovni TN).

Disponují ovšem dobrými úhly pohledu a vynikajícím barevným podáním. Čas odezvy

je všeobecně na úrovni prvních TN panelů. S příchodem S-IPS se zlepšil

kontrastní poměr, vykreslení černé a mírně i odezva. Ideální pro práci s

grafikou.

Matrice MVA/PVA mají vysoký kontrastní poměr a úhly pohledu, ovšem horší čas

odezvy.

Kvalita monitorů s MVA/PVA matricemi se u jednotlivých výrobců značně liší.

Jsou vhodné pro aplikace využívající čar (CAD – drátěné modely), excelují při

práci s textem.



Odezva monitoru (pixelu)

Důležitým parametrem u LCD displeje je jeho Response Time, tedy rychlost

odezvy, udávaná v milisekundách. Tento časový údaj nám říká, za jaký čas je

pixel schopen ze zhasnutého stavu dosáhnout plného rozsvícení a opětovně

zhasnout. Tedy přejít z černé barvy do bílé a z ní znovu do černé. Převedeno do

8bitové „řeči“ jde o sérii 0–255–0. První část 0–255 označujeme jako Rise Time

(náběh, rozsvícení apod.), část 255–0 je Fall Time (zhasnutí, dosvit apod.)

Čím rychleji to monitor zvládne, tím menší je možnost, že bude docházet k

degradaci obrazu stíny za předměty při jejich pohybu apod. Tak vypadá ideální

stav, nicméně v praxi to bývá s jednotlivými časy všelijaké. Pro měření se

často používají hodnoty v rozmezí 10–90 % maximální hodnoty jasu. To znamená,

že se nedosahuje hodnot 0–255–0, ale například 10–245–10. K tomu musíme vzít v

úvahu, že některé monitory zvládají velice rychlý přechod mezi těmito

hodnotami, ale velice pomalu dosahují právě krajních specifikací. Překonání

oněch 10 % pro ně tak může představovat značné navýšení času. Někdy to může

znamenat například u 16ms monitoru navýšení celkového času klidně i o 8 ms,

neboť celý proces není lineární. Rázem se tak pohybujeme v oblasti 20–25ms

monitorů. Proto je nutné se podívat, jakým způsobem výrobce hodnot dosáhl.

Rovněž mějte na paměti, že u levnějších monitorů je čas pro rozsvícení bodu

zřetelně kratší, mnohdy až 5×, než čas potřebný pro jeho zhasnutí. Stávalo se a

může se stát, že výrobce jaksi „opomenul“ uvést celkový čas a v parametrech

monitoru byl jako čas odezvy uveden pouze náběh (Rise Time). Monitory, které

dnes nemají zřetelně uvedeno, jakým způsobem byl udávaný čas získán (metodu)

nebo alespoň o jaký čas jde (Rise, Fall, Rise+Fall, celkový apod.) raději

nechte jejich prodejcům. Je to podobné, jako kdyby u auta nebyla uvedena

spotřeba a použitá metodika.

Tento údaj není samospasitelný a poslouží jako dobrá orientace v případě, že

chcete monitor pro hry. Navíc u kvalitních monitorů se o tolik neliší od času

dosaženého pro přechod mezi odstíny. Změna 0–255–0 je totiž nejrychlejší

přechod a pokud pracujete s obrazem, je pro vás důležitý i čas ve škále 10–250,

která je pro videosekvence stěžejní. Pokud tedy hodláte pracovat s obrazem nebo

výhradně sledovat DVD filmy, měl by vás zajímat i co nejkratší čas v oblasti

tmavě šedá-světle šedá-tmavě šedá. Ve skutečnosti totiž mohou panely se shodnou

odezvou černá-černá mít rozdílné vlastnosti při sledovaní filmu právě vlivem

vyšších časů při přechodech mezi „šedou“, kdy se naplno projeví zpoždění u

dosvitu apod.

Proto je důležité LCD panely skutečně vidět „v akci“.



Dithering

Windows pracují s barevným standardem 16,7 milionu barev, kdy je každá barva

definována ve standardu RGB. To znamená, že je složena z odstínů červené,

zelené a modré. Odstíny nabývají hodnot 0–255, což znamená, že dostáváme 256

odstínů červené, 256 odstínů zelené a 256 odstínů modré – tedy celkem 256 × 256

x 256 barev. Levnější displeje, jmenovitě jde o některé TN panely, však pracují

pouze se 64 odstíny každé barvy, což znamená, že dokáží přímo zobrazit celkem

pouze 262 144 barev. Přesto výrobci udávají i u těchto panelů schopnost

zobrazit 16 milionů barev. Opravdu tomu tak je, neboť výrobci si pomáhají malým

trikem, který se nazývá dithering. Jde o technologii, kdy pro zobrazení některé

barvy mimo oněch 262 tisíc použijete nejbližší dvě barvy tak rychle, že

vizuálně vnímáte pouze jednu.

Zatímco tedy běžné zobrazení pracuje s odstíny definovanými 0, 1, 2 až 255,

dithering pracuje s odstíny 0, 4, 8, 12 až 252. Touto technologií tak nelze

dosáhnout odstínů 253, 254 a 255. Výsledný počet barev zobrazovaný pomocí

ditheringu tak činí 16,2 milionu barev (253 × 253 × 253). V případě, že

potřebujete zobrazit odstín definovaný 2, k jeho dosažení použijete odstíny 0 a

4. V případě definování barvy na jednom pixelu lze použít prostřídání 0, 4, 0,

4., kdy je oko natolik zmateno, že smíchá barvy a výsledkem je 2.

Rovněž lze použít zobrazení odstínu pomocí čtverce pixelů Pro zobrazení 1

použijeme sekvenci 0 + 0 + 0 + 4 nebo adekvátně čtverec. Podobně se postupuje i

u zbývajících odstínů.



Pixel

Základní zobrazovací jednotkou monitorů je obrazový bod – pixel. Každý pixel je

tvořen trojicí subpixelů, odpovídajících základnímu barevnému schématu RGB

(Red-Green-Blue/červená-zelená-modrá). Rozlišení monitoru se udává právě v

pixelech. Rozlišení 1 280 × 1 024 pixelů znamená, že displej má v každém z 1

024 řádků 1 280 bodů, celkem tedy 1,31 milionu pixelů (3,93 milionů subpixelů).

Toto rozlišení, které odráží fyzický počet pixelů v panelu, se nazývá nativní a

displej ho zobrazuje přímo. U ostatních rozlišení se výsledný obraz přepočítává.



Barevná hloubka

1 bit = 2 barvy

2 bit = 4 barvy

3 bit = 8 barev

4 bit = 16 barev

5 bit = 32 barev

6 bit = 64 barev

7 bit = 128 barev

8 bit = 256 barev

15 bit = 32,8 tisíc barev

16 bit = 65,5 tisíc barev

24 bit = 16,7 milionu barev



Vadné pixely

Největší strašák majitelů TFT LCD monitorů jsou vadné pixely. Řada kupujících

již byla při reklamaci odmítnuta s tím, že bílý bod uprostřed monitoru není

důvodem pro reklamaci, nebo bohužel až při takovém nepříjemném rozhovoru

zjišťuje, že svítící červená tečka není chyba pixelu, ale subpixelu.

Chyba pixelu může mít pouze dva stavy – stále bílý nebo černý bod. Pokud vidíte

na displeji trvale jinou barvu, jde o chybu RGB složky, tedy o chybu subpixelu.

Vadný subpixel u monitorů s TN maticí je vždy bílý, u IPS/PVA/MVA matic je

vadný pixel vždy černý. Je to dáno samozřejmě samotnou technologií. Těchto

vlastností se výrobci snaží využít. Můžete se například setkat se závazky, že

výrobce zaručuje, že v monitoru nebude žádný vadný světlý pixel – a u

technologie IPS či VA to lze slíbit z jejich principu. A pokud na obrazovce

objevíte například červenou tečku, musíte si uvědomit, že nejde o vadný pixel a

že taková záruka se tedy na tento případ obvykle nevztahuje.

Problematiku vadných pixelů řeší norma ISO 13406–2, z níž záruky TFT LCD

displejů vychází. Norma definuje jak parametry pro celý monitor, tak chyby v

clusteru – čtverci 5 × 5 pixelů. Norma stanovuje čtyři kvalitativní třídy,

přičemž displeje, se kterými se setkáte v obchodech, jsou ve třídě 2, pouze

výjimečně pak ve třídě 1.