MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

Technologie displejů a principy jejich činnosti BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Daniel Hruška Brno, 2011

Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj.

Vedoucí práce: RNDr. Jaroslav Pelikán, Ph.D.

i

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce RNDr. Jaroslavu Pelikánovi, Ph.D. za ochotu a odbornou pomoc při konzultacích. Děkuji své rodině a Janu Hánovi, bez kterého by tato práce nevznikla.

ii

Shrnutí Tato práce popisuje současné technologie displejů a jejich principy činnosti. Součástí práce jsou také 3D animace, které tyto principy vyobrazují. Dále je pozornost věnována obecným vlastnostem displejů, specifikům jednotlivých technologií a   jejich využití v praxi.

Abstract This thesis describes present display technologies and their working principles. A part of the thesis are 3D animations which visualize these principles. General display properties, specifities of particular technologies and their application in real life are also discussed.

iii

Klíčová slova displej, tekuté krystaly, LCD, OLED, plazma, PDP, elektronický papír, E Ink

Keywords display, liquid crystal, LCD, OLED, plasma, PDP, electronic paper, E Ink

iv

Obsah 1. Úvod%...................................................................................................................................1 2. Kategorizace displejů%......................................................................................................2 2.1. Emisivní displeje*.....................................................................................................2 2.2. Neemisivní displeje*.................................................................................................2 3. Vlastnosti a parametry displejů%....................................................................................4 3.1. Fyzické parametry*..................................................................................................4 3.2. Obnovovací frekvence*............................................................................................5 3.3. Jas*..............................................................................................................................5 3.4. Barevná hloubka*.....................................................................................................6 3.5. Kontrastní poměr*....................................................................................................6 3.6. Pozorovací úhly*.......................................................................................................6 3.7. Doba odezvy*............................................................................................................7 3.8. Spotřeba energie*......................................................................................................7 4. LCD%.....................................................................................................................................8 4.1. Skupenství a uspořádání částic*.............................................................................9 4.2. Historie tekutých krystalů*.....................................................................................9 4.3. Typy a fáze tekutých krystalů*..............................................................................10 4.4. Fyzikální vlastnosti tekutých krystalů*...............................................................12 4.5. Podsvětlení*.............................................................................................................14 4.6. Princip činnosti LCD*............................................................................................14 4.7. Způsoby adresování*.............................................................................................16 4.8. Twisted Nematic LCD*..........................................................................................17 4.9. Color Super-Twisted Nematic LCD*....................................................................18 4.10. In-Plane Switching LCD*......................................................................................19 4.11. Shrnutí*.....................................................................................................................21 5. Plazmové displeje%..........................................................................................................22 5.1. Výboje v plynech*...................................................................................................22 5.2. DC PDP*...................................................................................................................23 5.3. AC PDP*...................................................................................................................24 5.4. Shrnutí*.....................................................................................................................25 6. OLED displeje%................................................................................................................26 6.1. Dioda*.......................................................................................................................26 6.2. Princip činnosti OLED displeje*...........................................................................27 6.3. Small Molecules OLED*........................................................................................28 6.4. Polymer OLED*......................................................................................................28 6.5. Photosphorscent OLED*........................................................................................29 v

6.6. Architektury OLED displejů*................................................................................29 6.7. Shrnutí*.....................................................................................................................30 7. E Ink%..................................................................................................................................31 7.1. Princip činnosti E Ink displeje*.............................................................................31 7.2. Typy E Ink displejů*................................................................................................32 7.3. Shrnutí*.....................................................................................................................32 8. Závěr%.................................................................................................................................33 9. Literatura%.........................................................................................................................34 10. Přílohy%..............................................................................................................................37

vi

1. Úvod Displej je výstupní zařízení sloužící k zobrazování vizuálního obsahu. V dnešní době je displej nenahraditelným prostředníkem v komunikaci mezi elektronickými zařízeními a uživatelem. Displeje se dělí na emisivní a neemisivní [1]. U emisivních displejů vyzařuje světlo každý jeho bod (pixel či subpixel), kdežto u neemisivních displejů je zapotřebí dodatečného zdroje světla. Mezi emisivní displeje spadají: •

CRT – katodové displeje (Cathode Ray Tube)1;

•

PDP – plazmové displeje (Plasma Display Panel);

•

OLED – displeje z organických svítivých diod (Organic Light-Emmiting Diode).

Mezi neemisivní displeje patří: •

LCD – displeje z tekutých krystalů (Liquid Crystal Display);

•

E Ink – displeje na bázi elektronického inkoustu.

Začátek práce je zaměřen na rozdělení displejů podle kritérií uvedených v   předchozím odstavci. Další kapitola je věnována nejdůležitějším vlastnostem a   parametrům displejů. V   následujících kapitolách jsou již popsány jednotlivé technologie displejů, jejich použití v praxi a shrnutí jejich pozitiv a negativ. Text práce je doplněn o 3D animace, jejichž účelem je principy těchto technologií vizualizovat a pomoci je lépe pochopit. Pro tvorbu animací byla použita aplikace Kinemac, přičemž každá animace je ve formě videosnímku v kontejneru MP4.

1* Tato práce se CRT nezabývá.

1

2. Kategorizace displejů Hlavním aspektem pro kategorizaci displejů je zdroj světla. V této kapitole jsou popsány vlastnosti, výhody a nevýhody jednotlivých druhů displejů.

2.1. Emisivní displeje Mezi emisivní displeje jsou řazeny ty, jejichž každý pixel emituje světlo s různou intenzitou a barvou. Pokud jas emitoru, v našem případě pixelu, nemění v žádném směru svou hodnotu, je nazýván Lambertian [2]. Většina emisivních displejů je tedy Lambertian emitorem, a proto dosahují dobrých výsledků při pozorování jejich obrazu z rozličných úhlů (viz 3.6 Pozorovací úhly). Díky schopnosti vyzařovat vlastní světlo mohou být tyto displeje použity ve velice tmavém prostředí. Po vypnutí jsou zcela tmavé až černé, což vede k   dobrému kontrastnímu poměru (viz 3.5 Kontrastní poměr). V dalších kapitolách práce je z této kategorie věnována pozornost technologiím PDP a OLED (viz 5. Plazmové displeje, 6. OLED displeje).

2.2. Neemisivní displeje Na rozdíl od emisivních displejů neemisivní nevyzařují žádné světlo. Aby byla informace zobrazená na těchto displejích čitelná, je potřeba dodatečného zdroje světla. Podle umístění tohoto zdroje, a tedy způsobu modulace (pozměnění) světla z   něj vycházejícího, se dělí neemisivní displeje na transmisivní, reflektivní a transflektivní.

2.2.1. Transmisivní displeje Zdroj světla je umístěn vespod displeje (tzv. podsvětlení). Světlo vycházející ze zdroje postupně prochází jednotlivými vrstvami displeje, které jej modulují za účelem získání požadovaných vlastností obrazu. Nevýhodou transmisivních displejů je velice špatná čitelnost na přímém slunci, jelikož světlo odrážející se od povrchu displeje je mnohem jasnější než světlo vycházející z podsvětlení. Do této kategorie patří například dnes hojně používané LCD.

2

2.2.2. Reflektivní displeje U tohoto druhu displejů je k zobrazení informace vyžadováno světlo z okolí. To se poté odráží od povrchu displeje, a tak je umožněno vidět právě zobrazovanou informaci. Z toho plyne, že reflektivní displeje nemohou být použity v temném prostředí. Naopak, oproti transmisivním displejům, na přímém slunci vykazují velice dobrou čitelnost. Nejznámější zástupce reflektivních displejů je technologie E Ink (viz 7. E Ink), která je používaná zejména v displejích čteček elektronických knih.

2.2.3. Transflektivní displeje

Obr. 2.1: ! Transflektivní displej mobilního telefonu Nokia 6230i, u kterého je každý pixel složen z tří transmisivních a šesti reflektivních subpixelů [2] Tyto displeje kombinují principy transmisivních a reflektivních displejů. Na přímém slunci se vlastnosti transflektivních displejů podobají těm reflektivním, a proto dosahují dobrého kontrastního poměru i ve vnějších prostorách. V méně světlém prostředí se naopak jejich vlastnosti podobají displejům transmisivním. Jas podsvětlení je zvýšen, aby kontrastní poměr dosahoval přijatelných hodnot a obraz byl tak čitelný. Displej je složen z reflektivních a transmisivních pixelů.

Obr. 2.2: ! Reflektivní a transmisivní pixely (zleva) [2] 3

3. Vlastnosti a parametry displejů V této kapitole je na displeje nahlíženo jako na konkrétní zařízení mající určité vlastnosti a parametry. V první podkapitole je práce zaměřena na fyzické parametry jako velikost úhlopříčky, poměr stran a rozlišení. Jedná se o parametry, které jsou určeny návrhem a realizací daného zařízení. Jsou tedy pevně dány a nelze je po výrobě displeje nikterak měnit. V dalších podkapitolách jsou sepsány a vysvětleny fyzikální a jiné vlastnosti, jež souvisí s displejem jako se zařízením zobrazujícím určitou informaci. Do jisté míry lze tyto vlastnosti chápat jako měřítko kvality a věrohodnosti zobrazované informace. Ovšem každý jedinec vnímá totožný vizuální obsah, ať už rozsah barev či plynulost obrazu u pohyblivých snímků, individuálně a odlišně od zbytku lidské populace [4]. Také rozdílné oblasti využití kladou na displeje specifické požadavky.

3.1. Fyzické parametry 3.1.1. Poměr stran Poměr šířky ku výšce displeje je nazýván poměr stran. Starší obrazovky jej měly typicky roven 4:3. Obrazovky s poměry stran vyššími než 4:3 jsou nazývány širokoúhlé. V dnešní době se nejčastěji používá univerzální poměr stran pro video 16:9, avšak je možno se setkat i s poměry stran jako 16:10, 21:9 1, 5:4 či 3:22.

3.1.2. Rozlišení Rozlišení displeje udává počet pixelů displeje, avšak nejčastěji je uváděno jako počet sloupců a řádků, zapisováno počet sloupců × počet řádků. Dnešní ploché televizory mají rozlišení s minimálním počtem 720 fyzických řádků při širokoúhlém poměru stran a mohou tak získat certifikaci a logo „HD Ready” [5].

1* Poměr stran používaný v kinech. 2* Formát často používaný pro tištěné fotografie.

4

640 × 480

VGA

1024 × 768

XGA

1920 × 1080

FHD

320 × 240

QVGA

1280 × 800

WXGA

1366 × 768

HD

480 × 320

HVGA

1440 × 900

WXGA+

1600 × 900

HD+

800 × 480

WVGA

1680 × 1050

WSXGA+

2560 × 1440

QFHD

Obr. 3.1: ! Příklady rozlišení a jejich zkratek

3.1.3. Úhlopříčka Velikost úhlopříčky je určena vzdáleností dvou protilehlých rohů displeje, udává se v palcích a pomáhá k orientační představě o velikosti displeje. Ovšem nevypovídá nic o jeho poměru stran. Displeje mobilních telefonů jsou velké typicky 2–4,5”, u přenosných počítačů 8 –17” a u stolních počítačů 17–30”.

3.2. Obnovovací frekvence Jelikož zobrazení dynamického obsahu a interaktivita s uživatelem je podstata dnešních displejů, musí se obsah v určitých časových intervalech obměňovat. Obnovovací frekvence se pohybují v rozmezí 60–120 Hz. Například při obnovovací frekvenci 100   Hz je na displeji každých 10   ms vykreslen nový obraz. Složením jednotlivých obrazů časových úseků vzniká pro lidský mozek ucelený plynulý obraz.

3.3. Jas Jsou-li pominuty reflektivní displeje, každý displej vyzařuje světlo s určitou intenzitou (jasem). Aby se objekt vykreslený na displeji nejevil vybledlý, měl by být jas displeje roven nebo mírně vyšší než jas zobrazovaného objektu. V tmavém prostředí však jasně svítící displej působí oslnivě. V osvětlených vnitřních prostorách dosahují monitory počítačů jasu 200–300 cd⋅m-2, u větších obrazovek televizorů je pak potřeba 500–1500 cd⋅m-2 [6].

5

3.4. Barevná hloubka Reálný objekt se může skládat z nekonečného množství odstínů barev, které nelze v digitální podobě reprezentovat. Proto je každý displej schopen zobrazit jen určitý počet barev. Používá se tzv. aditivního míchání barev, při kterém jsou kombinovány tři základní barvy systému RGB – červená (red), zelená (green) a modrá (blue). Každý pixel je tudíž rozdělen na tři subpixely těchto barev. Jednotlivé subpixely jsou schopny zobrazit určitý počet odstínů své barvy, které jsou uloženy jako binární číslo konkrétní délky. Z toho plyne, že pokud je každý subpixel schopen zobrazit 8 odstínů své barvy, je každý pixel (a tudíž celý displej) schopen zobrazit přibližně 16,8 milionů barev (28⋅28⋅28 ≈ 16,8⋅106).

Obr. 3.2: ! Tři matice pixelů s odlišným uspořádáním subpixelů

3.5. Kontrastní poměr Podíl jasu bílé a černé barvy na témže displeji je nazýván kontrastní poměr. Vyšší hodnoty znamenají vyšší kvalitu obrazu a sytost barev. Pokud je kontrastní poměr roven nebo menší jedné, není lidské oko schopno od sebe rozlišit jednotlivé barvy. Obraz se poté jeví zkreslený či zcela nerozpoznatelný. Definice kontrastního poměru je dána vztahem

kde Lw značí jas bílého pixelu, Lb jas černého pixelu a Lar jas světla odraženého od povrchu displeje.

3.6. Pozorovací úhly Kvalita obrazu se s odchylováním od kolmice k displeji může lišit. Dochází ke snižování jasu, kontrastu a sytosti barev. Lambertian emitory, jako jsou PDP či OLED displeje, podléhají těmto efektům na rozdíl od LCD jen minimálně. U méně 6

kvalitních displejů pak může docházet k výrazným změnám barevných odstínů či záměnám barev [7].

3.7. Doba odezvy Každý pixel musí být co nejrychleji schopen reagovat na změnu obrazu. Pokud je doba odezvy příliš pomalá, jeví se u pohyblivých objektů obraz jako rozmazaný. Doba přepnutí pixelu na sepnutý stav, zvýšení jasu z 10 % na 90 %, jeho následné snížení na 10 % a přepnutí do vypnutého stavu se nazývá doba odezvy. Dalším způsobem, jak změřit dobu odezvy je tzv. odezva šedá-šedá (gray-to-gray – GTG), při které je měřen čas změny mezi odstíny ve stupních šedi. Přesná specifikace GTG neexistuje, protože každý výrobce displejů používá odlišných metod měření. V pěti úrovních jasu (0 %, 25 %, 50 %, 75 % a 100 %) jsou naměřeny délky časů potřebných ke zvýšení jasu z každé úrovně na všechny vyšší úrovně. Ze získaných dvaceti hodnot se výrobcem zvolenou metodou vypočítá délka odezvy GTG, která se současných displejů pohybuje v jednotkách milisekund.

3.8. Spotřeba energie Spotřeba energie je velmi důležitý faktor obzvláště u mobilních zařízení, kde se klade důraz na co nejdelší výdrž baterie. Také pro displeje zapojené do elektrické sítě je malá spotřeba energie žádoucí. Je generováno méně tepla, což znamená i jeho menší rozvod do součástek displeje a do okolního prostředí. Druhým důsledkem je nižší odběr elektrického proudu a s ním související finanční úspory a menší zátěž životního prostředí.

7

4. LCD 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. Dalšími výhodami LCD displejů jsou malá hmotnost, nízké provozní napětí a spotřeba energie či uspokojivý kontrastní poměr a pozorovací úhly. LCD spadají do kategorie neemisivních displejů, proto je vyžadováno dodatečné osvětlení. Podle jeho umístění se LCD dělí na transmisivní, reflektivní a transflektivní. Dalším aspektem pro rozdělení LCD do kategorií je řídící matice (viz 4.7 Způsoby adresace). Hlavním principem činnosti LCD je průchod světla přes dva polarizační filtry1 s   navzájem kolmými polarizačními osami. Mezi těmito polarizačními filtry jsou umístěny tekuté krystaly, které mají schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla 2. Podle úhlu natočení se pixel jeví rozsvícený nebo tmavý.

Obr. 4.1:! Schematické znázornění principu činnosti LCD displeje [8] 1* První polarizační filtr ve směru šíření světla se nazývá polarizátor, druhý analyzátor. 2 * Polarizované světlo kmitá na rozdíl od světla přirozeného pouze v jedné rovině.

8

4.1. Skupenství a uspořádání částic 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 částicemi1 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 [9].

Obr. 4.2: ! Krystalická mřížka (vlevo) a nepravidelné uspořádání částic v amorfní látce (vpravo) [10]

4.2. Historie tekutých krystalů Počátky výzkumu a objevení samotné existence tekutých krystalů sahají do konce 19. století. V té době pracoval rakouský chemik a botanik Friedrich Reinitzer na dnešní Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. V roce 1888 experimentoval se substancí benzoátu cholesterolu, aby zjistil přesný vzorec a molární hmotnost cholesterolu. Při pokusu naměřit jeho bod tání, což je důležitý 1* Ionty, atomy nebo molekuly.

9

ukazatel čistoty substance, zjistil, že daná substance má dva body tání. Při 145,5 °C roztál pevný krystal na kalnou kapalinu, která se při 178,5 °C přeměnila na čirou a   bezbarvou. V roce 1889 prováděl podobné pokusy také německý fyzik Otto Lehmann, tentokrát se směsí jodidu stříbrného a benzoátu cholesterolu. Stav látky mezi pevným a kapalným skupenstvím této směsi nazval poprvé tekutými krystaly   [11]. Roku 1922 francouzský mineralog Georges Friedel zjistil, že molekuly tekutých krystalů se orientují ve směru elektrického pole. V 60. letech 20. století zpozoroval francouzský teoretický fyzik Pierre-Gilles de   Gennes podobnosti mezi tekutými krystaly, supravodiči a magnetickými materiály. V roce 1991 byl de Gennes oceněn Nobelovou cenou za fyziku „za objev zobecnění metod vyvinutých za účelem studia jevů v jednoduchých uspořádaných systémech na složitější formy hmoty, zejména tekuté krystaly a polymery” [12]. Pozdější vývoj displejů na bázi tekutých krystalů byl značně ovlivněn de Gennesovou prací. První komerčně vyráběné LCD displeje se pak objevily na začátku 70. let 20. století.

4.3. 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 izotropní1 kapalinu. 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 při svém pokusu právě Friedrich Reinitzer, 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.

1* Mající ve všech směrech stejné určité vlastnosti.

10

Obr. 4.2: ! Schéma znázorňující proces přeměny vnitřní struktury benzoátu cholesterolu v závislosti na teplotě [8] V LCD displejích je využito tekutých krystalů v nematické fázi, avšak existují také fáze smektické a kolumnární.

Obr. 4.3:! Organické kalamitické molekuly uspořádané v krystalu pevné látky, tekutých krystalech ve smektické a nematické fázi a v kapalině [8]

4.3.1. 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 (viz 4.4.2 Viskozita) je umožněna změna molekulární orientace v elektrickém poli. 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 11

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.

Obr. 4.4:! Schematické znázornění stočení molekul do !

šroubovice, které má za důsledek vytvoření

!

závitu korespondujícího s rotací direktoru

!

o 360° [8]

4.4. Fyzikální vlastnosti tekutých krystalů Každé skupenství se vyznačuje svými specifickými vlastnostmi a výjimkou nejsou ani tekuté krystaly. Díky anizotropii1 kalamitických molekul a schopnostem rychle reagovat v elektromagnetickém poli změnou direktoru je umožněno jejich využití v zobrazovacích zařízeních.

4.4.1. Optická anizotropie (dvojlomnost) V anizotropních látkách závisí rychlost světla na směru jeho šíření. Pokud vstoupí polarizované světlo do dvojlomného média, jako například tekuté krystaly v   nematické fázi, rozdělí se na dva navzájem kolmé paprsky – řádný (řídící se Snellovým zákonem) a   mimořádný (neřídící se Snellovým zákonem) [13]. Index lomu krystalu závisí na   směru šíření mimořádného paprsku v tomto krystalu. Molekuly nematik jsou opticky jednoosé materiály, kde optickou osu tvoří direktor. Mimořádný paprsek je tedy stáčen přesně ve směru kolmém na direktor a opisuje 1* Určitá veličina je závislá na zvoleném směru; opakem je izotropie.

12

tak tvar závitu. Tato vlastnost je využívána pro stáčení roviny polarizovaného světla mezi polarizátorem a analyzátorem s navzájem kolmými polarizačními osami.

4.4.2. Viskozita Vnitřní tření závisející převážně na přitažlivých silách mezi částicemi je označováno jako viskozita (či vazkost). Kapalina s velkou viskozitou brzdí pohyb svých molekul nebo těles v této kapalině více než kapalina s nízkou viskozitou. Ideální kapalina má dynamickou (absolutní) viskozitu rovnu nule a je schopna vytéci z uzavřené nádoby po jejích okrajích. Rotační dynamická viskozita tekutých krystalů, která je pro realizaci LCD displejů zásadní, se pohybuje typicky v rozmezí 0,02–0,5 Pa⋅s.

4.4.3. Dielektrická anizotropie Anizotropní struktura tyčovitých tekutých krystalů a jejich nízká viskozita způsobuje, že tyto krystaly jsou schopny se natáčet působením elektrického pole. Tento jev je nazýván dielektrická anizotropie, která může být kladná nebo záporná. Při kladné anizotropii se   dlouhá osa molekuly natáčí ve směru elektrického pole, kdežto při záporné anizotropii se staví kolmo k elektrickému poli [14].

4.4.4. Mechanické vlastnosti Schopnost nematik reagovat pod vlivem elektrického pole způsobuje jejich deformaci. Ty jsou určeny třemi elastickými konstantami – rozevření, zkrut a ohyb. Tyto reakce jsou spolu s   optickou anizotropií klíčovými vlastnostmi při realizaci LCD displejů.

Obr. 4.5:! Schematické znázornění deformací nematik

13

4.5. Podsvětlení Velkou část vyráběných LCD displejů tvoří transmisivní či transflektivní displeje, u kterých je potřeba dodatečného podsvětlení, protože samotný displej žádně světlo nevyzařuje. Nejběžnější způsoby pro podsvětlení LCD displeje jsou pomocí fluorescenčních výbojek se studenou katodou (cold cathode fluorescent lamp – CCFL) nebo LED diod (viz 6.1 Dioda). V CCFL trubicích je využito vybíjení rtuťových výparů vytvářejících ultrafialové záření, což způsobuje vyzařování světla z luminoforní vrstvy nanesené na vnitřní straně trubice. Kvůli jedovatosti rtuti a jednodušší výrobě LED diod se od používání CCFL trubic pomalu opouští.

4.6. Princip činnosti LCD V předchozích podkapitolách byla pozornost věnována převážně tekutým krystalům, jejich rozdělení, optickým a mechanickým vlastnostem a vlivu elektrického pole na tekuté krystaly v nematické fázi. Následující kapitoly jsou zaměřeny na konstrukční řešení LCD displejů a principy jejich činnosti.

Obr. 4.6:! Schéma vrstev LCD displeje; jedná se o zobecněné znázornění, jelikož různé typy LCD displejů nemusí obsahovat všechny výše uvedené vrstvy [8] 14

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.

Obr. 4.7:! Přirozené světlo po průchodu polarizátorem kmitá jen v jedné rovině; jedná se tedy o lineární polarizaci Další vrstvu, kterou již polarizované světlo prochází, tvoří substrát s elektrodou. Substrát bývá zhotoven nejčastěji ze skla, ale může být také plastový. Substrát zabraňuje vytečení směsi nematik z displeje a tím dodává displeji určitou pevnost a mechanickou odolnost. Elektrody mění ve směsi nematik elektrické napětí, což zapříčiňuje jejich deformaci prostorového uspořádání – rozevření, zkrut a ohyb. Následuje pasivační vrstva, která tvoří bariéru mezi elektrodami a   zarovnávací vrstvou a zabraňuje mezi nimi výměně iontů. 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 stavu1 zarovnávají tyčovité molekuly nematik přesně podél polarizačních os polarizátoru a analyzátoru, což vede k jejich zkrutu do šroubovice. Díky dvojlomnosti tekutých krystalů se polarizované světlo stáčí přesně podle závitu šroubovice, projde druhou pasivační vrstvou, substrátem s elektrodami a případně optickým retardérem. Poté narazí na analyzátor a jelikož je stočeno přesně do roviny rovnoběžné s polarizační osou analyzátoru, projde skrz. Pixel se poté jeví jako rozsvícený. V sepnutém stavu je mezi tekuté krystaly přivedeno elektrické napětí, což zapříčiňuje reakci tekutých krystalů v podobě jedné ze tří elastických konstant.

1* Stav, při kterém není mezi elektrody přivedeno elektrické napětí.

15

Uspořádání do šroubovice je tedy narušeno, polarizované světlo se nestáčí do roviny polarizační osy analyzátoru a pixel se proto jeví tmavý.

4.7. Způsoby adresování Dnešní displeje se skládají z matice pixelů (resp. subpixelů), jsou-li opomenuty segmentové displeje, u kterých jsou jednotlivé segmenty adresovány přímo. Aby byl displej schopen zobrazit požadovanou informaci korektně, musí být schopen přivádět do každého z jeho pixelů elektrické napětí v daném čase.

Obr. 4.8:!

Schematické znázornění aktivní (vlevo) a pasivní matice (vpravo)

4.7.1. Pasivní matice Elektrody v displejích využívajících adresování pomocí pasivní matice jsou tvořeny průhlednými proužky oxidu india a cínu (ITO). Z jedné strany displeje jsou elektrody umístěny svisle, z druhé strany pak vodorovně. Pro adresaci konkrétního subpixelu je potřeba zvolit příslušný řádek a sloupec. Protože je tímto způsobem nutno postupovat pro každý subpixel zvlášť, vyplývají z použití této metody adresace dvě hlavní nevýhody. Jelikož se po odpojení elektrického napájení vrací tekuté krystaly do spirálovitého uspořádání, je nutné používat tekuté krystaly s dlouhou setrvačností. Tento fakt vede k odezvě 100–200 ms, proto jsou displeje s pasivní maticí nevhodné pro rychle měnící se obsah, jako jsou například vidosekvence. Tento problém částečně řeší Dual Scan adresace. Displej je horizontálně rozdělen na dvě poloviny, které pracují na principu pasivní matice. Další nevýhodu pasivního adresování je nemožnost přesně regulovat elektrický proud v elektrodách, a dochází tak k přeslechům sousedních bodů. Potom mohou z pixelu vycházet postupně slábnoucí horizontální a vertikální čáry [15]. 16

4.7.2. Aktivní matice Každému subpixelu je přiřazen jeden tranzistor, ke kterému vedou mezi jednotlivými subpixely vodiče. Tranzistory jsou nejčastěji vyrobeny z tenké vrstvy polykrystalického křemíku, proto se nazývají tenké fóliové tranzistory (thin-film transistor – TFT). Tento způsob adresace dovoluje tekutým krystalům, které jsou umístěny mezi elektrodami, chovat se jako kondenzátor. Kýžené natočení tekutých krystalů je tudíž drženo elektrickým nábojem, proto mohou mít nižší setrvačnost než tekuté krystaly používané v displejích s pasivní maticí. TFT‑LCD díky schopnosti držet elektrický náboj mají dobu odezvy pod 20 ms. Aktivní adresování eliminuje přeslechy okolních bodů a také umožňuje přesně nastavit barevnou hloubku každého bodu. Nevýhodou TFT‑LCD je vyšší spotřeba oproti adresaci pasivní maticí.

4.8. Twisted Nematic LCD Výroba LCD displejů využívajících nematických krystalů stočených do šroubovice (TN-LCD) započala roku 1970 ve švýcarském městě Lenzburg [16]. Od té doby si TN-LCD displeje pomalu vydobyly dominanci mezi LCD displeji. S využitím přímého či pasivního adresování jsou TN-LCD vhodné do digitálních náramkových hodinek, kalkulátorů či do jiných zařízení využívající segmentové nebo řádkové displeje. TN-LCD displeje s aktivním adresováním jsou využívány v přenosných počítačích, mobilních telefonech, televizorech či monitorech stolních počítačů.

Obr. 4.9:! Schéma TN-LCD displeje [8] 17

Krystaly jsou v nesepnutém stavu díky zarovnávacím vrstvám zformovány do šroubovice (viz 4.6. Princip činnosti LCD) s direktorem lišícím u krajních krystalů přesně o úhel 90°. V sepnutém stavu se díky vlivu elektrického pole k němu natočí molekuly krystalů paralelně, pokud se jedná o molekuly s pozitivní dielektrickou anizotropií (viz 4.4.3. Dielektrická anizotropie). Tento efekt vede k přeuspořádání optických os molekul a snížení efektu dvojlomnosti. Rovina polarizovaného světla pak není stáčena o 90° a světlo je pohlceno analyzátorem. Při nefunkčnosti tranzistoru subpixelu není možné přepnout tento subpixel do nesepnutého stavu a jeví se stále jako svítící. Díky nízkým nákladům na výrobu se jedná o nejrozšířenější a nejpoužívanější technologii LCD. Výhodou je také dobrá doba odezvy TN-LCD displeje. Mezi nevýhody patří špatné pozorovací úhly a horší podání barev.

4.9. Color Super-Twisted Nematic LCD

Obr. 4.10:! Schéma CSTN-LCD [8] První Super-Twisted Nematic LCD (STN-LCD) displeje byly vyráběny v polovině 80. let 20. století, přičemž využívaly pasivního adresování. Jejich barevná varianta (CSTN‑LCD) se pak začala vyrábět na začátku let devadesátých. CSTN-LCD má 18

oproti TN-LCD s pasivní maticí lepší zobrazovací schopnosti – větší pozorovací úhly a menší dobu odezvy. Princip fungování je velice obdobný TN-LCD displejů. Rozdíl spočívá v úhlu natočení šroubovice, který se typicky pohybuje v rozmezí 180–270°. Dnes jsou CSTN-LCD téměř zcela vytlačeny TN-LCD s aktivní maticí, jejichž cena byla v době uvedení CSTN-LCD mnohonásobně vyšší. CSTN-LCD nacházely využití v přenosných počítačích, monitorech či mobilních telefonech. Díky své nízké ceně jsou dnes používány v displejích nenáročných na kvalitu obrazu, u kterých nejsou podstatnými parametry doba odezvy či pozorovací úhly. Příkladem jsou displeje na ovládacích panelech CNC strojů či jiných zařízeních ve strojírenském průmyslu.

4.10. 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.

Obr. 4.11:! Schéma IPS-LCD displeje [8] Dle obrázku 4.11 je patrné, že struktura IPS-LCD displeje se liší od TN a STN technologií. In-Plane Switching, nebo-li technologie přepínání v rovině, nemá 19

elektrody umístěny ve vrstvách nad sebou ale v rovině. U jednotlivých technologií IPS se uspořádání a tvar elektrod liší. Technologie

IPS

S-IPS

AS-IPS

IPS-Pro

Rok uvedení

1996

1998

2002

2004

Hlavní výhoda

Velké pozorovací úhly

Netrpí změnami barev

Vysoká propustnost světla

Vysoký kontrastní poměr

Kontrastní poměr

100:1

137:1

250:1

313:1

Uspořádání elektrod a molekul

Zvětšená fotografie pixelu

Obr. 4.12:! Čtyři odlišné IPS technologie; tvar pixelů je dán tvarem elektrod, přičemž u AS-IPS a IPS-Pro jsou elektrody transparentní [17] 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 nebo STN-LCD displeje.

20

4.11. Shrnutí 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 své zobrazovací schopnosti a limity. 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 předpokládá se, že LCD displeje budou během několika let nahrazeny OLED displeji, jejichž mechanické a zobrazovací vlastnosti jsou neustále zlepšovány a jejichž výrobní náklady postupně klesají.

21

5. Plazmové displeje Princip činnosti plazmových displejů je velice podobný jako u fluorescenčních lamp (viz 4.5. Podsvětlení). Podstatný rozdíl spočívá v náplni plynů. Ve fluorescenčních lampách jsou využívány argon a rtuť, v plazmových displejích xenon a helium.

5.1. Výboje v plynech Výboje v plynech jsou popsány čtyřmi základními rovnicemi – excitace, metastabilní generování, ionizace a Penningova ionizace [6]. Při těchto výbojích dochází ke vzniku čtvrtého skupenství – plazmatu – což je silně ionizovaný plyn složený z iontů, elektronů a případně i dalších částic. Při působení elektrického napětí dochází k přechodu energetického stavu atomu na vyšší hladinu, k roztržení elektronového páru a excitaci (vybuzení) jednoho elektronu do energeticky vyššího orbitalu. Rovnice excitace helia je dána následujícím vztahem. He + e- ⟶ He* + eHe* značí atom v excitovaném stavu. Poté se atom začne vracet do svého původního stavu, avšak než jej dosáhne, nachází se v metastabilním (nestabilním) stavu. Excitovaný elektron se vrací na svůj původní orbital, přičemž dochází k uvolňování energie ve formě záření o   vlnové délce v. Tato reakce je nazývána metastabilní generování. He* ⟶ Hem + v Hem značí helium v nestabilním stavu. Pokud je plyn vystaven dostatečně velkému elektrickému napětí, může být atom ionizován – změní se počet elektronů v jeho elektronového obalu. He + e- ⟶ He+ + 2eHe+ pak značí kation helia. Aby se snížilo napětí potřebné k ionizaci, je u plazmových displejů využito směsice plynů, která při stejném napětí nabízí vyšší stupeň ionizace. Nestabilní atom je totiž s vyšší pravděpodobností ionizován atomem prvku jiného plynu. Tato směs se nazývá Penningova a ionizace v ní je popsána Penningovou reakcí. Pro helium a xenon vypadá následovně: Hem + Xe ⟶ He + Xe+ + e22

Obr. 5.1:! Schéma reakcí směsi xenonu a helia používané v plazmových displejích [6]

5.2. DC PDP DC PDP jsou plazmové displeje pracující se stejnosměrným elektrickým proudem (direct current). Nejprve je mezi elektrody přímo vystavené plynu přivedeno počáteční napětí (firing voltage), které způsobí přeměnu plynu na plazma.

Obr. 5.2:! Schéma DC PDP; spodní elektroda nesmí být pokryta luminoforem, aby byla v přímém kontaktu s plynem [6] 23

Při generování plazmatu dochází k vyzařování UV záření, které má u xenonu vlnovou délku 145   nm. UV   záření dopadá na luminofor, kde je jeho kinetická energie přeměněna na viditelné světlo příslušné barvy (červená, zelená nebo modrá). Jelikož plazma přímo bombarduje elektrody a luminofor, je životnost DC   PDP displejů poměrně krátká. Výhodou je jednoduchost konstrukce a nízké výrobní náklady.

5.3. AC PDP V praxi se častěji používají plazmové displeje pracující se střídavým proudem (alternating current). Oproti DC   PDP jsou vrchní elektrody chráněny protekční vrstvou oxidu hořečnatého, který zbraňuje jejich přímému bombardování plazmou. AC PDP se dělí na dva hlavní typy – s vertikálním nebo povrchovým výbojem. První zmíněná technologie je velice podobná DC   PDP a není ji dále věnována pozornost.

5.3.1. AC PDP s povrchovým výbojem Jedná se o typ plazmových obrazovek mající obě elektrody potřebné k vytvoření plazmatu umístěny v horní části. Tento fakt zapříčiňuje vytváření plazmatu dále od luminoforu, který je méně bombardován a je tak zvýšena jeho životnost.

Obr. 5.3:! Scéma AC PDP s povrchovým výboje; v horní části se nachází tzv. scan a sustain elektrody, přičemž každá se skládá z průhledné ITO elektrody, na které je ještě připevněna tenká elektroda slitiny mědi a chromu [6] 24

Mezi scan a sustain elektrody je nejprve přivedeno vysoké střídavé elektrické napětí cca 200 V. Aby bylo na plazmových displejích možné zobrazovat více odstínů jedné barvy, musí být výboj ustálen. Mezi elektrody je tedy přivedeno nižší napětí (cca 50 V), které udržuje existenci plazmatu. Jak dlouho je toto napětí přiváděno závisí na odstínu chtěné barvy – čím déle je luminofor vystaven UV záření, tím větší bude intenzita vyzařovaného světla.

5.4. Shrnutí Plazmové displeje našly uplatnění primárně ve velkých plochých televizorech. Výhodami jsou věrné podání barev a vynikající pozorovací úhly, což souvisí s faktem, že světlo emitují samotné pixely. Kromě velkých obrazovek tato technologie displejů nemá kvůli své konstrukci využití. Velké displeje nesmí být umístěny v horizontální poloze, protože velké a tenké skleněné pláty (substrát) se svou váhou prohýbají. To by mohlo způsobit vytvoření skulinek mezi žebrováním pixelů a substrátu a úniku plynu. Tloušťka žebrování a rozteč pixelů znemožňují použití PDP pro stolní monitory nebo displeje v mobilních zařízeních, protože lze vidět černé pruhy mezi jednotlivými pixely. Při neměnném obrazu může dojít k paměťovému efektu. U starších plazmových televizorů bylo po určité době vidět zřetelné logo televizní stanice, i když nebyla daná stanice momentálně přijímána. U novějších modelů je tento nedostatek výrazně potlačen.

25

6. OLED displeje Displeje využívající OLED diod se do masové výroby dostaly teprve na začátku 21. století a jsou označovány jako nástupce LCD displejů. OLED displej se skládá z   matice svítivých organických diod, které mohou být adresovány pasivní (PMOLED) či aktivní maticí (AMOLED).

6.1. Dioda Dioda je metalická polovodičová součástka a je složena ze dvou částí – anody a   katody. Místo, kde jsou tyto elektrody spojeny, se nazývá P‑N   přechod. V materiálu typu P (anodě) dochází k uvolňování valenčních elektronů a tvorbě kladných děr. Tohoto jevu lze dosáhnout například přidáním trojmocného prvku k čtyřmocnému křemíku. Naopak do materiálu typu N (katody) je přidán prvek s větší mocností, čímž se vytvoří přebytek elektronů.

Obr. 6.1:! Příklad materiálů typu N a P pro použití v metalické diodě [18] Bez průchodu elektrického proudu dojde v P-N přechodu k rekombinaci části volných elektronů a kladných děr. Vytvoří se nevodivá oblast bez volných nábojů. Pokud je k anodě připojen záporný pól zdroje a ke katodě pól kladný, dojde ke vzdalování volných elektronů a kladných děr. V okolí P-N přechodu se vytvoří nevodivá oblast tzv. hradlová vrstva. Dioda v tomto zapojení nevede elektrický proud a je připojena v závěrném směru. Při změně polarity zdroje je dioda zapojena v propustném směru. Volné elektrony jsou přitahovány ke kladnému pólu a kladné díry k pólu zápornému. Dochází k zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu, což umožňuje průchod

26

elektrického proudu. LED diody jsou oproti běžným diodám zhotoveny z materiálů vyzařujících v propustném směru světlo.

6.2. Princip činnosti OLED displeje Mezi elektrody je umístěna jedna či více vrstev, jejíchž úkolem je dosáhnout co největší účinnosti v propustném směru. Vícevrstvé displeje mají menší spotřebu energie a jsou schopny vyzařovat světlo s větší intenzitou.

Obr. 6.2:! Schéma trojvrstvého OLED displeje [8] HTL (hole transport layer) a ETL (electron transport layer) jsou vodivé vrstvy sloužící k  pohybu kladných děr a volných elektronů. OLED displeje se mohou skládat z více než tří vrstev jako: •

HBL a EBL (hole/electron blocking layer) pro brždění pohybu děr a elektronů;

•

HIL a EIL (hole/electron injection layer) pro vypuzování děr a elektronů. Kladné díry a volné elektrony se při zapojení v propustném směru

rekombinují v emisivní vrstvě, čímž dochází k excitaci molekul organické látky na vyšší energetickou hladinu. Na této hladině však elektrony vyšších orbitalů nejsou schopny setrvat a sestupují na své původní orbitaly. Tento proces ústí v emisi světla ve viditelném spektru. Přeměna elektrické energie na světlo se nazývá elektroluminiscence.

27

6.3. Small Molecules OLED Displej skládající se z diod využívajících malých molekul (SM-OLED) poprvé vyrobili v roce 1987 Ching W. Tang a Steven Van Slyke ve společnosti Eastman Kodak. Jednalo se o monochromatický OLED displej emitující světlo zelené barvy. K výrobě EML bylo použito Alq3 (tris(4-metyl-8-hydroxychinolin)aluminium). Nanesení Alq3 na katodu bylo uskutečněno technikou vakuového napařování. Nejprve je z prostředí vysán téměř všechen vzduch, čímž vznikne vysoké vakuum. Následně je povrch výparníku, na kterém je Alq3 umístěno, zahřát na velmi vysokou teplotu. Výpary Alq3 poté kondenzují na chladnější katodě či ETL. Celý proces trvá několik hodin, proto je velice nákladný a cena tohoto displeje je poměrně vysoká [19].

6.4. Polymer OLED Jedná se o OLED diodu vyrobenou z polovodivých polymerů (PLED). Princip činnosti je totožný jako u SM-OLED, jen se dioda liší použitými materiály. Polymer je látka skládající se z atomů, molekul či skupin spojených do opakujících se tzv. konstitučních jednotek. Přidáním nebo odebráním libovolného počtu konstitučních jednotek se vlastnosti daného polymeru nezmění. Mezi nejznámější polymery každodenního života patří PET (poly(ethylen tereftalat)) či PVC (polyvinylchlorid). K výrobě PLED diod je nejčastěji používán PPV (poly(p-fenylen vinylen)) a jeho deriváty. PLED se od SM-OLED liší výrobním procesem. Nanášení polymeru probíhá na principu inkoustové tiskárny (Inkjet) – mikrokapičky polymeru jsou vstříknuty na příslušnou vrstvu displeje, kde po krátké době utvoří tenký film. Tento proces je velice rychlý a levný. V budoucnu se počítá také s výrobou sítotiskem.

Obr. 6.3: Zjednodušené schéma technologie vstřikování polymeru [20] 28

Nevýhodou PLED displejů je jejich relativně krátká životnost, protože polymery při styku s kyslíkem a vlhkostí oxidují. Životnost se u dnešních PLED displejů pohybuje okolo 14.000 hodin kdežto u LCD a PDP v rozmezí 25.000–40.000 hodin.

6.5. Photosphorscent OLED Fosforeskní OLED (PHOLED) diodu vyvinula společnost Universal Display Company. PHOLED nepracují na principu elektroluminiscence jako SM-OLED a PLED, ale na principu elektrofosforescence. Molekuly emisivní vrstvy jsou také excitovány na vyšší energetickou hladinu, avšak fotony nejsou vyzářeny ihned, ale až za delší dobu. Typicky je pro emisivní vrstvu použit PVK (poly(vinylkarbazol)) [21]. Největší výhodou PHOLED displejů je jejich téměř 100% účinnost převodu elektrické energie na světlo. SM-OLED a PLED displeje mají účinnost zhruba 25−30 %, zbytek energie je vyzářen ve formě tepla. Výrobu PHOLED lze uskutečnit vakuovým napařováním i technologií Inkjet. PHOLED se vyznačují vysokým jasem až 10.000 cd⋅m-2, a tak by v budoucnu mohly kromě využití jako displeje nahradit zářivky a jiná osvětlení. Pokud by byl celý strop potažen tenkou PHOLED vrstvou, došlo by k rovnoměrnému rozložení osvětlení, které by nevrhalo téměř žádný stín.

6.6. Architektury OLED displejů SM-OLED, PLED a PHOLED jsou technologie vnitřní struktury a materiálů použitých pro výrobu vrstev OLED diody, obzvláště EML. Ovšem nic nevypovídají o vnějším vzhledu displeje. • Stacked OLED: RGB subpixely jsou umístěny ve vrstvách nad sebou (stacked –  SOLED), což vede k   věrnějšímu podání barev. Jednotlivé pixely zabírají méně místa, proto je tato architektura vhodná pro displeje s vysokým rozlišením. • Transparent OLED: Transparentní OLED (TOLED) diody umožňují pohled skrz displej a také pohled na obraz z obou jeho stran. Průhledné displeje jsou zatím jen v podobě prototypů. Uvažuje se, že TOLED nahradí elektrody vyrobené z ITO. • Flexible OLED: Ohebné OLED (FOLED) displeje najdou uplatnění v zařízeních náchylných na fyzické poškození a v zařízeních určených k operaci v terénu. 29

• White OLED: Diody svítící jen v bílé barvě se značí zkratkou WOLED. Jsou vyrobeny z fosforeskních materiálů a díky možnosti regulace barevné teploty je bude možné použít pro osvětlení. WOLED diody se používají pro rovnoměrné podsvícení LCD.

6.7. Shrnutí Díky jednoduché konstrukci OLED displejů bude jejich cena se zvyšující se poptávkou klesat. V současné době jsou OLED displeje využívány hlavně v menší spotřební elektronice jako mobilní telefony či kapesní přehrávače, protože výroba velkých OLED displejů je zatím poměrně nákladná. Vynikající pozorovací úhly, sytost barev, velký jas, krátká doba odezvy (0,01 ms), nízká hmotnost a malé provozní napětí (2–5 V) převyšují schopnosti LCD, proto je jen otázkou času, kdy světová produkce OLED displejů převýší produkci LCD. Variabilita materiálů, z   nichž mohou být OLED displeje vyrobeny, neklade žádná omezení na oblast jejich využití. Mezi jejich nevýhody patří náchylnost EML na vzduch, vlhkost a vodu, kratší životnost a náchylnost na UV záření. Jelikož jsou OLED displeje masově vyráběny poměrně krátkou dobu, lze očekávat objevení nových materiálů, které budou tyto nedostatky odstraňovat.

30

7. E Ink E Ink, typ elektronického papíru, vyrobila poprvé v roce 1997 na základě výzkumu MIT Media Lab společnost E Ink Corporation, která je také vlastníkem této technologie. E Ink displeje spadají do kategorie reflektivních displejů.

7.1. Princip činnosti E Ink displeje Základním kamenem E Ink technologie jsou mikrokapsle naplněné elektronickým inkoustem – čirou tekutinou a pigmentovými částečkami. Bílé částečky mají kladný náboj, černé naopak záporný. Mikrokapsle jsou umístěny mezi elektrody, přičemž vrchní elektrody jsou transparentní a slouží k aktivnímu adresování. Vespod jsou umístěny další elektrody, které mění náboje mikrokapslí.

Obr. 7.1:! Schéma E Ink displeje [22] Při působení elektrického pole se záporným nábojem se bílé pigmenty přesunou k   horní části kapsle, ta se poté jeví jako světlá. Naopak při působení elektrického pole opačné polarity se k horní části kaple přesunou černé pigmenty. Díky přítomnosti více elektrod ve spodní straně displeje je možno vytvářet více odstínů šedi. Společnost E Ink tuto technologii nazývá adresování subkapslí. E Ink displej se od předešlých technologií liší způsobem udržení zobrazované informace. LCD, PDP i OLED displeje spotřebovávají energii po celou dobu jejich činnosti. Naproti tomu E   Ink displej, který je primárně určen pro čtení elektronických knih, spotřebovává energii jen při překreslování obrazu. Jakmile je požadovaná informace na displeji vykreslena, zůstává na něm zobrazena bez nutnosti přísunu energie.

31

7.2. Typy E Ink displejů V současné době vyrábí E Ink Corporation dva typy displejů: •

E Ink Pearl;

•

E Ink Triton.

E Ink Pearl je monochromatický displej se schopností zobrazení 16 odstínů šedi. E Ink Triton je barevný displej a umí zobrazit 4096 barev. Oba tyto displeje mají pozorovací úhly téměř 180 stupňů, odrazivost minimálně 40 % a kontrastní poměr 10:1. K překreslení obrazu je zapotřebí prodlevy 120–980 ms a napětí 15 V [23, 24].

7.3. Shrnutí Díky nutnosti přivedení napětí jen při překreslování obrazu a dlouhé prodlevě při této činnosti jsou E Ink displeje vhodné pro statické informace jako například text. Průměrná elektronická čtečka knih je schopna na jedno nabití překreslit obraz až několikatisíckrát. Oproti transmisivním displejům dosahují na přímém slunci výborného kontrastního poměru a čitelnosti obrazu.

32

8. Závěr Cílem práce byl popis principů činnosti technologií současně vyráběných displejů. Rovněž byly zmíněny specifické vlastnosti jednotlivých typů displejů spolu s jejich hlavními výhodami a nevýhodami. Díky těmto specifikům je v praxi možné nasadit určitý typ displeje tak, aby jeho cena a parametry odpovídaly požadavkům. Potřebné informace byly získány především ze zahraničních knižních i   elektronických zdrojů. Osvojením poznatků z těchto materiálů bylo možné vytvořit 3D animace dokumentující principy činnosti LCD, PDP a E   Ink displejů. Animace mohou být použity jako studijní materiály za účelem lepšího pochopení principů činnosti displejů. Pro jejich tvorbu byla použita aplikace Kinemac. Práci lze v budoucnu rozšířit o témata týkající se OLED a E   Ink displejů. Obě technologie jsou komerčně vyráběny poměrně krátkou dobu. Jejich technologická vyspělost nenarazila zdaleka na pomyslný strop a jejich rozmach je předpokládán v nejbližších letech.

33

9. Literatura [1]*

HÜBNER, Marcel; DIERKES, Tobias. Emissive and Non-Emissive Displays [online]. Münster: Münster University of Applied Sciences. 2010. [cit. 4.7.2011]. Dostupné z URL

[2]*

JONASZ, Miroslaw, Radiometry : Lambertian light source. Topics in Particle and Dispersion Science [online]. Beaconsfield: TPDSci Inc., 2008– [cit. 4.7.2011]. ISBN: 0-9780628-0-9. Dostupné z URL

[3]*

Transflective LCD pixel close-ups [online]. [cit. 15.7.2001]. Dostupné z URL

[4]*

JANKOVIČ, Adam. Vnímání barev [diplomová práce]. Brno: Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity. 2005. [cit. 4.7.2011]. Dostupné z URL

[5]*

DIGITALEUROPE : “HD ready” Logo Licence Agreement [online]. Dostupné z URL

[6]*

LEE, Jiun-Haw; LIU, David N.; WU Shin-Tson. Introduction to Flat Panel Displays. Chichester : John Wiley & Sons Ltd., 2008. 262 s. ISBN: 978-0-470-51693-5

[7]*

LIN, Chi-Huang. Twisted-nematic liquid-crystal displays with small grayscale inversion and wide viewing angle. [online] Kaohsiung: Department of Physics, National Sun Yat-Sen University. 2009. [cit. 7.7.2011]. Dostupné z URL

[8]*

KELLY, Stephen M.; Flat Panel Displays: Advanced Organic Materials. Cambrige : The Royal Society of Chemistry, 2000. 232 s. ISBN: 0-85404-567-8

[9]*

History of Liquid Crystals [online]. Kent: Liquid Crystal Institute [cit. 18.7.2011]. Dostupné z URL

34

[10]*

Pevné látky [online]. Edutorium - Techmania science center [cit. 18.7.2011]. Dostupné z URL

[11]*

History and Properties of Liquid Crystals [online]. Nobel Media AB, 9.9.2003. [cit. 18.7.2011]. Dostupné z URL

[12]*

The Nobel Prize in Physics 1991: Pierre Gilles de Gennes. Nobel Media AB, 1991. [cit. 18.7.2011]. Dostupné z URL

[13]*

Polarizace světla [online]. [cit. 27.7.2011]. Dostupné z URL

[14]*

GLOGAROVÁ, Milada; Kapalné krystaly [online]. Praha: Fyzikální ústav Akademie věd ČR. [cit. 27.7.2011]. Dostupné z URL

[15]*

CAKL, Luděk; Grafický displej [diplomová práce]. Praha: České vysoké učení technické, Fakulta elektrotechnická. 2004. [cit. 31.7.2011]. Dostupné z URL

[16]*

SCHADT, Martin; HELFRICH, Wolfgang; Voltage-Dependent Optical Activity of a Twisted Nematic Liquid Crystal (TN-LCD). Phys.Rev.Lett. 1971

[17]*

IPS - In-Plane Switching LCD Monitors [online]. [cit. 30.8.2011]. Dostupné z URL:

[18]*

Polovodiče – fyzikální základy [online]. cit [14.9.2011]. Dostupné z URL:

[19]*

DOZBABA, Jaroslav. Luminiscence organických materiálů pro pokročilé aplikace [Bakalářská práce]. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta chemická. 2011. [cit. 21.9.2011]. Dostupné z URL

[20]*

Dostupné z URL

[21]*

YANG, Xiaohui; MÜLLER, David C.; NEHER, Dieter; MEERHOLZ, Klaus. Highly Efficient Polymeric Electrophosphorescent Diodes [online]. Weinheim: 35

John Wiley & Sons. 2006. [cit. 21.9.2011] Dostupné z URL [22]!

E Ink Technology [online]. E Ink Corporation. 2010. [cit. 23.9.2011]. Dostupné z URL

[23]*

E Ink Pearl Imaging Film [online]. E Ink Corporation. 2010. [cit. 26.9.2011]. Dostupné z URL

[24]*

E Ink Triton Imaging Film [online]. E Ink Corporation. 2010. [cit. 26.9.2011]. Dostupné z URL

36

10. Přílohy Elektronické přílohy jsou dostupné online v Archivu závěrečných prací Masarykovy univerzity. Archiv práce obsahuje následující soubory: • Text práce ve formátu PDF; • Zdrojové soubory KMC aplikace Kinemac; • 3D animace komprimované v souladu se standardem H.264 v kontejneru MP4.1,2

1* Každá animace je uložena v rozlišeních 360p a 720p při 30 snímcích za sekundu. 2* Pro přehrání je doporučen QuickTime Player, který byl použit pro export videosnímků. QuickTime Player je součástí operačního systému Mac OS X, přičemž je volně dostupný i pro platformu Windows.

37