Technologie Liquid Crystal Display

Gymn´azium, Brno, V´ıdeˇ nsk´a 47 Cviˇcen´ı z fyziky 2013 - 2014 2. semin´arn´ı pr´ace

Technologie Liquid Crystal Display Jan Hor´aˇcek ([email protected]) 8. kvˇetna 2014

1

Obsah ´ 1 Uvod

3

2 Parametry dneˇ sn´ıch display˚ u 2.1 Response time (doba odezvy) . . 2.2 Inputlag . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Gamut . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Contast (kontrast) . . . . . . . . 2.5 Viewing angles (pozorovac´ı u ´hly) 2.6 Brightness (jas) . . . . . . . . . .

. . . . . .

3 3 5 5 6 7 7

Crystal Display (LCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 8 8 9

4 Technologie v´ yroby LCD panel˚ u 4.1 Twisted Nematic (TN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 In Plane Switching (IPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Dalˇs´ı technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 10 11 11

5 Technologie vylepˇ suj´ıc´ı tekut´ e krystaly

11

6 Z´ avˇ er

13

3 Technologie Liquid 3.1 Zdroj svˇetla . . 3.2 Tekut´e krystaly 3.3 RGB maska . .

. . . . . .

2

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Abstrakt Technologie Liquid Crystal Display, ˇcesky technologie tekut´ych krystal˚ u, je princip, kter´ y n´ as dennˇe obklopuje v nejr˚ uznˇejˇs´ıch zobrazovac´ıch zaˇr´ızen´ıch, od hodinek, pˇres monitory poˇc´ıtaˇc˚ u a televiz´ı aˇz po nejr˚ uznˇejˇs´ı informaˇcn´ı panely. Vedle technologi´ı, jako nastupuj´ıc´ı OLED panely, ˇci starˇs´ı a v souˇcasnosti ustupuj´ıc´ı plazmov´e obrazovky si po dobu jiˇz 15-ti let udrˇzuje stabiln´ı postaven´ı na trhu, spolehlivost a odbyt. A pr´ avˇe to z LCD ˇcin´ı technologii, o kter´e se vyplat´ı nˇeco zn´at.

1

´ Uvod

Touto prac´ı bych r´ad vnesl urˇcit´e kvantum svˇetla do princip˚ u a vlastnost´ı dominuj´ıc´ıch zobrazovac´ım zaˇr´ızen´ım, kter´e bˇeˇznˇe v´ıd´ame kolem sebe - do LCD display˚ u. Nejprve pop´ıˇsi parametry charakterizuj´ıc´ı displaye obecnˇe, d´ale rozeberu jednotliv´e zobrazovac´ı a v´ yrobn´ı technologie a na z´avˇer se tyto technologie porovn´am.

2

Parametry dneˇ sn´ıch display˚ u

V t´eto sekci pop´ıˇsi jednotliv´e parametry charakterizuj´ıc´ı zobrazovac´ı panely obecnˇe (tzn. nez´avisle na v´ yrobn´ı technologii) a jejich v´ yznam. Tuto kapitolu bych r´ad vyzdvihl mezi ostatn´ımi, protoˇze pr´avˇe zde se ”bˇeˇzn´ y ˇclovˇek”doˇcte, jak interpretovat parametry, kter´e ud´av´a v´ yrobce u sv´eho produktu. Znalost obecn´ ych parametr˚ u zobrazovac´ıch zaˇr´ızen´ı je z´aroveˇ n nutn´a pro bezprobl´emov´e pochopen´ı rozd´ıl˚ u mezi jednotliv´ ymi v´ yrobn´ımi technologiemi a pro pochopen´ı koneˇcn´ ych dopad˚ u tˇechto technologi´ı na kvalitu obrazu.

2.1

Response time (doba odezvy)

Jedn´a se o ˇcas bˇeˇznˇe ud´avan´ y v ms. Definice: 1. Doba odezvy ud´av´a ˇcas, za kter´y se dok´aˇze zmˇenit pixel z ˇcern´e barvy na b´ılou a zpˇet na ˇcernou. Tento parametr ˇcasto b´ yv´a upˇresnˇen pˇr´ıvlastky rise, ˇci fall. Rise ud´av´a dobu potˇrebnou pro rozsv´ıcen´ı pixelu z ˇcern´e barvy na b´ılou a fall ud´av´a ˇcas potˇrebn´ y pro zmˇenu z b´ıl´e barvy na ˇcernou. Celkov´a doba odezvy je v tomto pˇr´ıpadˇe rovna souˇctu obou ˇcas˚ u. Nyn´ı si poloˇzme d˚ uleˇzitou ot´azku: m´a tento parametr v˚ ubec v´ yznam? M´a, ale jen velmi omezen´ y: prudkou zmˇenu z b´ıl´e barvy na ˇcernou a naopak pouˇz´ıv´ame prakticky jen pˇri editaci dokument˚ u, mail˚ u apod. Bˇeˇzn´ y film takto prudk´ ych pˇrechod˚ u dosahuje zˇr´ıdka a proto chceme sp´ıˇse vˇedˇet, jak dlouho trv´a zmˇena jednoho odst´ınu ˇsedi na odst´ın jin´ y. To ud´av´a parametr grey to grey. Jedn´a se o dobu potˇrebnou ke zmˇenˇe z tmavˇe ˇsed´e (napˇr. [32, 32, 32] ) (RGB model) do svˇetle ˇsed´e (napˇr. [128, 128, 128] ) a zpˇet. V´ yrobci se v posledn´ı dobˇe zamˇeˇruj´ı pr´avˇe na tuto odezvu a tud´ıˇz je ˇcasto ud´av´ana ve specifikac´ıch jejich v´ yrobk˚ u. Dˇr´ıve byla ud´av´ana odezva souˇctov´a (tedy rise + fall ), pr´avˇe z tˇechto d˚ uvodu se odezva marketingovˇe v´ yraznˇe zlepˇsila zhruba kolem roku 2006. Probl´em parametru grey to grey spoˇc´ıv´a v tom, ˇze v´ yrobce si m˚ uˇze zvolit libovoln´ y pˇrechod a tud´ıˇz si logicky zvol´ı ten nejrychlejˇs´ı. Jin´e zmˇeny pak mohou b´ yt daleko pomalejˇs´ı (pˇredevˇs´ım u TN panel˚ u, aˇz pˇetin´asobnˇe). Z panelu, kter´ y m´a ud´avanou hodnotu napˇr 8 ms, se st´av´a panel se 48 ms, coˇz je pomˇernˇe ne´ unosn´a hodnota (zvl´aˇstˇe pro hr´aˇce her).

3

R˚ uzn´a d´elka odezvy na z´akladˇe rozd´ıln´ ych jas˚ u pixel˚ u je zp˚ usobena neline´arn´ı z´avislost´ı vnˇejˇs´ıho elektrick´eho pole (viz kapitola 3.2) a propouˇstˇen´eho svˇetla. K minimalizaci t´eto odezvy se ˇcasto vyuˇz´ıv´a technologie OverDrive. C´ılem t´eto technologie je zrychlit nat´aˇcen´ı krystal˚ u v LCD display´ıch. Toho se dosahuje tak, ˇze do krystalu je kr´atkodobˇe puˇstˇeno nˇekolikan´asobnˇe vyˇsˇs´ı napˇet´ı, neˇz napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı c´ılov´emu natoˇcen´ı krystalu. T´ım se zajist´ı rychlejˇs´ı natoˇcen´ı, ale z´aroveˇ n i riziko nechtˇen´eho pˇrekon´an´ı poˇzadovan´eho natoˇcen´ı. Tzv. pˇrekmit je potˇreba n´aslednˇe anulovat napˇet´ım opaˇcn´e polarity.

Obr´azek 1: Pr˚ ubˇeh nat´aˇcen´ı krystal˚ u v ˇcase Na obr´azku 1 je zn´azornˇen typick´ y pr˚ ubˇeh nat´aˇcen´ı krystal˚ u za pouˇzit´ı technologie OverDrive. Lev´a ˇc´ast zv´ yraznˇen´a ˇcervenou barvou je odezva rise, prav´a oznaˇcen´a zelenou je fall. Vˇsimnˇete si pˇrekmitu v ˇc´asti rise, kter´ y je zp˚ usoben pr´avˇe t´ım, ˇze elektronika do pixelu dod´av´a vyˇsˇs´ı napˇet´ı po pˇr´ıliˇs dlouhou dobu a krystal se pˇretoˇc´ı nad poˇzadovanou hodnotu. Tyto pˇrekmity zp˚ usobuj´ı nepˇr´ıjemn´ y ˇsum pˇri sledov´an´ı videa, her apod. Dalˇs´ım jevem spojen´ ym s technologi´ı OverDrive jsou tzv. schody, jak je zobrazuje obr´azek 2. Ty jsou zp˚ usobeny t´ım, ˇze vysok´e napˇet´ı je odpojeno od krystal˚ u dˇr´ıve (aby se zabr´anilo v´ yˇse zmiˇ novan´emu pˇrekmitu) - resp. pˇredˇcasnˇe. T´ım se na sn´ımku objev´ı rozd´ıln´a barva (aˇz o 30 % od poˇzadovan´e) a poˇzadovan´e barvy je dos´ahnuto aˇz v dalˇs´ım schodu. V ˇcasovˇe ˇsirˇs´ım hledisku tedy postupn´e skokov´e nat´aˇcen´ı vytv´aˇr´ı tzv schody. Z praktick´eho hlediska je doba odezvy d˚ uleˇzit´a pˇredevˇs´ım pro hr´aˇce, kteˇr´ı si nemohou dovolit ˇcekat, aˇz jim nepˇr´ıtel vpadne do zad. Proto se na dobu odezvy ohl´ıˇzej´ı jako na prim´arn´ı parametr a obrazovky vyb´ıraj´ı prakticky jen podle n´ı. Tento trend se ˇca´steˇcnˇe pˇrenesl mezi bˇeˇzn´e (nen´aroˇcn´e) uˇzivatele. Zde bych r´ad poznamenal, ˇze pro takov´eho ˇclovˇeka je naprosto zbyteˇcn´e poˇzadovat tyto extr´emy (odezvu pod 20 ms), protoˇze velk´e mnoˇzstv´ı penˇez investovan´ ych do p´ar milisekund jednoduˇse neocen´ı.

4

Obr´azek 2: Schody - ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh nat´aˇcen´ı krystal˚ u

2.2

Inputlag

[1] Ned´ılnou souˇca´st´ı dneˇsn´ıch LCD monitor˚ u je i takzvan´ y inputlag. Inputlagem se rozum´ı doba jakou potˇrebuje elektronika na zpracov´an´ı obrazu. Pokud napˇr´ıklad bude elektronika zpracov´avat obraz pˇr´ıliˇs dlouho, tak se m˚ uˇze st´at, ˇze pˇri stˇr´ılen´ı do nepˇr´ıtele v rychl´e akˇcn´ı hˇre jej v˚ ubec nezas´ahnete. Nepˇr´ıtel totiˇz sice na obraze bude pˇresnˇe na muˇsce, ale ve skuteˇcnosti jiˇz bude o dva metry d´al. Pro hr´aˇce je tedy inputlag hodnˇe d˚ uleˇzit´ y. Extr´emn´ı inputlag tak´e vede k pocitu, ˇze myˇs po obrazovce ”plave”. Zkr´atka kurzor je za pohybem ruky zpoˇzdˇen´ y. U kancel´aˇrsk´e pr´ace to nevad´ı, ale profi hr´aˇci by tento aspekt mˇeli sledovat.

2.3

Gamut

Definice: 2. Gamut, resp. barevn´y gamut, je dosaˇziteln´a oblast barev v urˇcit´em barevn´em prostoru. Prakticky se jedn´a o to, jak´e mnoˇzstv´ı barev z celkov´eho poˇctu barev rozliˇsiteln´ ych ˇclovˇekem (resp. jeho okem) je dan´e zobrazovac´ı zaˇr´ızeni skuteˇcnˇe schopn´e zobrazit. Barvy, kter´e je ˇclovˇek schopen vn´ımat sv´ ymi oˇci (citliv´ ymi na 3 barvy - ˇcerven´a, zelen´a, modr´a), pˇrehledn´e zn´azorˇ nuje model CIR 1931 (zobrazen barevnou oblast´ı na obr´azku 3). Diagram referuje i citlivost lidsk´eho oka pro r˚ uzn´e barvy - napˇr´ıklad plat´ı, ˇze lidsk´e oko rozezn´a mnohem v´ıce odst´ın˚ u zelen´e barvy, neˇz barvy modr´e. Troj´ uheln´ıky na obr´azku 3 zn´azorˇ nuj´ı tzv. barevn´e modely. To jsou modely, podle kter´ ych zaznamen´av´ame, ukl´ad´ame a zobrazujeme barvy ve fotoapar´atech, poˇc´ıtaˇc´ıch 5

Obr´azek 3: Barevn´e prostory a CIE 1931 a monitorech. Z obr´azku jednoznaˇcnˇe plyne, ˇze barevn´e modely nepokr´ yvaj´ı cel´ y rozsah lidsk´eho oka a kaˇzd´a fotografie tud´ıˇz urˇcitou informaci oproti oku nespornˇe ztr´ac´ı. V dneˇsn´ı dobˇe je nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı model sRGB. Vˇetˇsina monitor˚ u ho tak´e pˇr´ımo podporuje. Adobe RGB monitory dnes vyuˇzij´ı pˇredevˇs´ım grafiˇct´ı n´avrh´aˇri a fotografov´e, tento model m´a d´ale lepˇs´ı pokryt´ı tiskaˇrsk´eho prostoru CMYK. Pˇri zobrazov´an´ı dat na monitoru je nutn´e zobrazovat obraz v takov´em barevn´em profilu, ve kter´em byl vytvoˇren´ y. Napˇr´ıklad zobrazen´ı sRGB fotky na Adobe RGB monitoru, kter´ y nev´ı o tom, ˇze zobrazuje sRGB fotku, vede k pˇresaturaci t´eto fotografie.

2.4

Contast (kontrast)

Jedn´a se o pomˇer dvou ˇc´ısel - sv´ıtivosti b´ıl´e a sv´ıtivosti ˇcern´e barvy. Obˇe hodnoty jsou mˇeˇreny v luxech. Typick´e kontrasty u xVA panel˚ u dosahuj´ı hodnot cca 4000-5000:1, u ostatn´ıch technologi´ı (IPS, TN ) cca 700-1000:1. Kontrast nab´ yv´a sv˚ uj v´ yznam pˇredevˇs´ım u sledov´an´ı film˚ u, napˇr´ıklad u horor˚ u silnˇe podporuj´ı z´aˇzitek. V dneˇsn´ı dobˇe se ˇcasto ud´av´a tzv. dynamick´y kontrast, kter´ y dosahuje hodnot i 20000:1. Tato hodnota totiˇz nevyjadˇruje pˇr´ımo kontrast zobraziteln´ y samotn´ ymi tekut´ ymi krystaly, ale kontrast, kter´ y dok´aˇze zobrazit display v pr˚ ubˇehu ˇcasu. Nav´ yˇsen´ı pomˇeru je dos´ahnuto ztmavov´an´ım a zesvˇetlov´an´ım podsv´ıcen´ı. U film˚ u to obvykle vypad´a velice dobˇre - p˚ usob´ı ˇzivˇeji, ale pˇri klasick´e pr´aci v operaˇcn´ım syst´emu a pˇri pr´aci s grafikou to m˚ uˇze i vadit, 6

a proto lze u nˇekter´ ych panel˚ u dynamick´ y kontrast vypnout. Vˇetˇsina dneˇsn´ıch monitor˚ u vˇsak m´a detekci pro dynamick´ y kontrast zvl´adnutou velmi dobˇre a pokud se na obrazovce objev´ı p´ar ˇcern´ ych a p´ar b´ıl´ ych m´ıst (typicky pr´ace v operaˇcn´ım syst´emu), tak je dynamick´ y kontrast deaktivov´an. Naopak pˇri filmech zaˇcne pracovat dobˇre.

2.5

Viewing angles (pozorovac´ı u ´ hly)

Definice: 3. Pozorovac´ı u ´hly ud´avaj´ı u ´hel, pod kter´ym m´a obraz kontrast 10:1 popˇr. 5:1.

Obr´azek 4: Pozorovac´ı u ´hly Prakticky se jedn´a o u ´hly, pˇred jejichˇz pˇrekroˇcen´ım lze obraz rozumnˇe pozorovat (viz obr´azek 4). Po jejich pˇrekroˇcen´ı obraz zaˇcne ˇsedivˇet a kontrast klesne na minim´aln´ı hodnotu. Na tento parametr obrazovek je nutn´e d´avat pozor, pokud chceme napˇr´ıklad sledovat film z postele atp.

2.6

Brightness (jas)

Jedn´a se o parametr ud´avan´ y v jednotce cd/m2 , je u ´zce spjat´ y s kontrastem a jeho hodnota ud´av´a, kolik svˇetla z´ısk´ame z televize (monitoru) pˇri rozsv´ıcen´ı b´ıl´e barvy na metr ˇctvereˇcn´ı. Pˇr´ıliˇs vysok´ y jas m˚ uˇze oslˇ novat, n´ızk´ y jas (pˇri n´ızk´em kontrastu) naopak neprokresluje detaily. Proto je dobr´e d´avat pozor na to, aby display mˇel rozumn´ y rozsah ˇ jasu. C´ım je vyˇsˇs´ı kontrast, t´ım je pod´an´ı ˇcern´e lepˇs´ı i pˇri vysok´em jasu.

3

Technologie Liquid Crystal Display (LCD)

Technologie LCD je zaloˇzena na principu tekut´ ych krystal˚ u, kter´e slouˇz´ı k regulaci intenzity propouˇstˇen´eho svˇetla pro kaˇzdou ze tˇr´ı barev (red, green, blue). Zdrojem svˇetla je 7

b´ıl´e svˇetlo v pozad´ı. Nyn´ı detailnˇe pop´ıˇsi vˇsechny ˇc´asti LCD obrazovky.

3.1

Zdroj svˇ etla

Obr´azek 5: CCFL a LED podsvˇetlen´ı Vˇetˇsina panel˚ u tak, jak je zn´ame, je vybavena aktivn´ım zdrojem svˇetla (v´ yjimkou jsou napˇr´ıklad digit´aln´ı hodinky). K podsv´ıcen´ı se pouˇz´ıvaj´ı tenk´e trubice (tzv. CCFL tubes), ve kter´ ych prob´ıh´a v´ yboj v plynu. D˚ uraz je kladen na barvu v´ yboje (mus´ı b´ yt b´ıl´a) a jeho teplotu, kter´a by se nemˇela odch´ ylit od 6000 K. D´ale je nutn´e svˇetlo rovnomˇernˇe rozv´est po cel´e ploˇse obrazovky. Toho lze doc´ılit napˇr´ıklad vˇetˇs´ım poˇctem trubic (profesion´aln´ı monitory obsahuj´ı aˇz 14 trubic - panely EIZO). Zvˇetˇsen´ım poˇctu trubic se tak´e prodluˇzuje ˇzivotnost zobrazovac´ıho zaˇr´ızen´ı (kaˇzd´a trubice je vytavena mnohem menˇs´ı z´atˇeˇzi). Obvykl´a ˇzivotnost trubic je cca 50 000 hodin, coˇz je v´ yrobcem ud´avan´ y ˇcas, za kter´ y klesne sv´ıtivost trubic na 1/2. O rovnomˇern´e rozveden´ı svˇetla po cel´e ploˇse obrazu se d´ale staraj´ı s´ıtˇe optick´ ych vl´aken. Dalˇs´ı metodou podsv´ıcen´ı obrazovek jsou LED diody. U dneˇsn´ıch televiz´ı se vyskytuje v´ yhradnˇe pr´avˇe LED osvˇetlen´ı a to d´ıky vyˇsˇs´ı ˇzivotnosti, rovnomˇernosti osvˇetlen´ı (LED m˚ uˇzeme d´at za celou obrazovku) a niˇzˇs´ı spotˇrebˇe. Dnes se tak´e ˇcasto setk´av´ame s lok´aln´ım vyp´ın´an´ım podsvˇetlen´ı za u ´ˇcelem zv´ yˇsen´ı kontrastu (tzv. dynamick´ y kontrast, viz 2.4) dalˇs´ı v´ yhoda, kterou poskytuje pouze LED technologie. Pokud se tedy dnes setk´ame s oznaˇcen´ım LED TV, neznamen´a to, ˇze by byl obraz sloˇzen z RGB LED diod, ale ˇze m´ısto v´ ybojky je pod tekut´ ymi krystaly LED osvˇetlen´ı. Skuteˇcn´ ymi LED televizory (kde opravdu existuj´ı RGB led diody) jsou tzv. OLED panely, kter´e k miniaturizaci LED diod (nejvˇetˇs´ı probl´em LED technologie) pouˇzily organick´ y materi´al (OLED = Organic LED).

3.2

Tekut´ e krystaly

Tekut´ y krystal je l´atka, kter´a vykazuje vlastnosti krystalu, ale z´aroveˇ n se chov´a jako kapalina. Je tedy na pomez´ı obou skupenstv´ı. Jej´ı objev pˇrisuzujeme chemik˚ um Mettenheimer, Virchow a Valentin. Nad zdrojem svˇetla je um´ıstˇena vrstva tekut´ ych krystal˚ u, kter´a sv´ ym natoˇcen´ım reguluje, kolik svˇetla moment´alnˇe propouˇst´ı. Cel´ y princip je zaloˇzen na polarizaci. Neˇz

8

Obr´azek 6: Sch´ema LCD obrazovky svˇetlo vstoup´ı mezi tekut´e krystaly, projde polarizaˇcn´ım filtrem, kter´ y sjednot´ı jeho rovinu polarizace. Pˇri pr˚ uchodu tekut´ ymi krystaly je rovina polarizace mˇenˇena v z´avislosti na natoˇcen´ı krystal˚ u (resp. na napˇet´ı pˇripojen´em ke krystal˚ um). Po pr˚ uchodu m´a svˇetlo urˇcitou rovinu polarizace a je vystaveno dalˇs´ımu polarizaˇcn´ımu filtru. Svˇetlo pak proch´az´ı v z´avislosti na tom, jak moc (resp. m´alo) tekut´e krystaly zmˇenily rovinu polarizace.

3.3

RGB maska

Nad tekut´ ymi krystaly je um´ıstˇena tzv. RGB mˇr´ıˇzka, kter´a zajiˇst’uje, ˇze tento subpixel (viz n´ıˇze) bude m´ıt urˇcitou barvu.

Obr´azek 7: K vysvˇetlen´ı pojmu subpixel Kaˇzd´ y pixel se skl´ad´a ze tˇr´ı sloˇzek: ˇcerven´a (red), zelen´a (green) a modr´a (blue). Tyto sloˇzky naz´ yv´ame subpixely. Vzd´alenosti mezi jednotliv´ ymi subpixely jsou tak mal´e, ˇze je lidsk´e oko od sebe nerozezn´a. Zmˇenou vz´ajemn´ ych intenzit tˇechto sloˇzek z´ısk´av´ame kombinaci RGB barev, kterou v oku vn´ım´ame jako jednu barvu. Takto jsme schopni zak´odovat typicky minim´alnˇe 16 mili´on˚ u barev (hloubka 8 bit˚ u: kaˇzd´ y subpixel m´a rozsah 0-255). Obvykl´ y display m´a (samozˇrejm´e opˇet z´avis´ı na pouˇzit´e v´ yrobn´ı technologii) tˇrikr´at v´ıce subpixel˚ u, neˇz pixel˚ u. Napˇr´ıklad tedy jeden ˇra´dek full hd displaye o 1920px m´a 5760spx.

9

Obr´azek 8: RGB a RGBW mˇr´ıˇzky To znamen´a 5760 oddˇelen´ ych pol´ı s tekut´ ymi krystaly a 5760 samostatn´ ych tranzistor˚ u ˇr´ıd´ıc´ıch el. pole v tˇechto tekut´ ych krystalech na jeden ˇra´dek. Vedle klasick´e RGB matice existuje napˇr´ıklad i tzv. RGBW matice, kde je kaˇzd´ y pixel doplnˇen´ y nav´ıc o subpixel s b´ılou barvou, coˇz zvyˇsuje jas a prodluˇzuje ˇzivotnost obrazovky. RGB sloˇzky zde vpodstatˇe slouˇz´ı k obarven´ı b´ıl´eho svˇetla. Viz obr´azek 8.

4

Technologie v´ yroby LCD panel˚ u

Samotn´ y princip nat´aˇcen´ı tekut´ ych krystal˚ u nic s´am o sobˇe neˇr´ık´a o tom, jak bude konstrukˇcnˇe ˇreˇseno jeho okol´ı a tedy podstatn´a ˇc´ast cel´eho zobrazovac´ıho zaˇr´ızen´ı. Postupem ˇcasu se tak vyvinulo cel´e spektrum technologi´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı princip LCD, kter´e vykazuj´ı (mezi sebou navz´ajem) pomˇernˇe rozd´ıln´e vlastnosti. Tato kapitola si klade za c´ıl postihnout tyto vlastnosti a vytvoˇrit koherentn´ı pˇrehled o principech tˇechto technologi´ı.

4.1

Twisted Nematic (TN)

Typick´ ym parametrem pomˇernˇe dobˇre charakterizuj´ıc´ım celou technologii TN je natoˇcen´ı takov´e polarizaˇcn´ıch filtr˚ u, kter´e ohraniˇcuj´ı tekut´e krystaly, tak, ˇze v z´akladn´ım stavu krystal propouˇst´ı svˇetlo. Ve skuteˇcnosti jsou filtry ”r˚ uznˇe natoˇcen´e”(resp. v˚ uˇci sobˇe propouˇst´ı svˇetlo s r˚ uznou rovinou polarizace). To si mohou (a mus´ı) dovolit, protoˇze vych´az´ı z faktu, ˇze krystal, kter´ y nen´ı um´ıstˇen v elektrick´em poli, zauj´ım´a takovou nativn´ı konformaci molekul, ˇze postupnˇe st´aˇc´ı rovinu polarizace svˇetla, kter´e jim proch´az´ı (jedn´a se vlastnˇe o jakousi formu ˇsroubovice). I kdyˇz takov´ yto panel m´a t´ım p´adem niˇzˇs´ı spotˇrebu energie pˇri zobrazov´an´ı svˇetl´ ych barev (coˇz se m˚ uˇze zd´at jako v´ yhoda), opak je pravdou. Probl´em nast´av´a hlavnˇe v pˇr´ıpadˇe vadn´eho pixelu, resp. subpixelu, kter´ y pak neust´ale propouˇst´ı svˇetlo. Staˇc´ı jeden vadn´ y subpixel, aby dojem z filmu byl kompletnˇe zniˇcen jedn´ım zelenˇe sv´ıt´ıc´ım bodem. Hlavn´ımi v´ yhodami t´eto technologie je jej´ı n´ızk´a cena, d´ıky kter´e jsou TN displaye velmi ˇcasto montov´any napˇr´ıklad do levn´ ych notebook˚ u, a velmi rychl´a odezva. Mezi nev´ yhody t´eto technologie patˇr´ı horˇs´ı pod´an´ı barev (obrazovky obvykle poskytuj´ı pouze 6-ti bitovou hloubku a zbyl´e bity interpoluj´ı, coˇz m´a za n´asledek ztr´atu kvality) a velmi mal´e pozorovac´ı u ´hly, kter´e nav´ıc silnˇe z´avis´ı na tom, jestli se na panel d´ıv´ate shora, nebo 10

Obr´azek 9: Princip TN panelu zespoda. Tento probl´em pomˇernˇe dobˇre ˇreˇs´ı tzv. film, coˇz je vrstva pˇridan´a nad samotn´ y display, kter´a rozptyluje svˇetlo a t´ım zvˇetˇsuje pozorovac´ı u ´hly. Tyto obrazovky se pak oznaˇcuj´ı TN+film, ale protoˇze se dnes s ˇcist´ ym TN (bez filmu) uˇz prakticky nesetk´ame, oznaˇcen´ı film se ˇcasto vynech´av´a.

4.2

In Plane Switching (IPS)

Technologie IPS se vyznaˇcuje t´ım, ˇze pokud na subpixel nen´ı pˇripojeno napˇet´ı, tak tento bod nepropouˇst´ı svˇetlo. V pˇr´ıpadˇe vadn´eho pixelu tak IPS panel nevytv´aˇr´ı nepˇr´ıjemn´e svˇetlo (jako TN monitor), ale subpixel jednoduˇse z˚ ustane ˇcern´ y. Bˇeˇzn´ y uˇzivatel vadn´ y pixel nerozezn´a od sm´ıtka spadl´eho na display. Toho, ˇze pixel propouˇst´ı svˇetlo pouze pˇri pˇripojen´em napˇet´ı je dosaˇzeno vpodstatˇe jednoduchou zmˇenou vz´ajemn´e orientace polarizaˇcn´ıch filtr˚ u. Mezi hlavn´ı v´ yhody IPS panel˚ u patˇr´ı ˇsirˇs´ı spektrum barev (aˇz 10 bit˚ u) a velk´e pozorovac´ı u ´hly. Nev´ yhodou je naopak vyˇsˇs´ı poˇrizovac´ı cena. IPS monitory lze naj´ıt pˇredevˇs´ım v grafick´ ych studi´ıch, nebo u fotograf˚ u, kde je kvalita pod´an´ı barev nutnou podm´ınkou. Vyˇsˇs´ı kvalita s sebou ale samozˇrejm´e nese vyˇsˇs´ı cenu a proto se s tˇemito monitory setk´av´ame sp´ıˇse zˇr´ıdka.

4.3

Dalˇ s´ı technologie

V praxi se lze setkat s nejr˚ uznˇejˇs´ımi deriv´aty dvou v´ yˇse zm´ınˇen´ ych (a nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch) technologi´ı, jako jsou napˇr´ıklad PLS displaye, ˇci (P)VA panely. Pro bliˇzˇs´ı pochopen´ı tˇechto princip˚ u doporuˇcuji proˇc´ıst [1].

5

Technologie vylepˇ suj´ıc´ı tekut´ e krystaly

V t´eto kapitole se doˇctete o nadstavbov´ ych technologi´ıch, kter´e se snaˇz´ı posunout vlastnosti LCD panel˚ u k lepˇs´ımu. R´ad bych poznamenal, ˇze se jedn´a pouze o ˇca´steˇcn´a vylepˇsen´ı

11

a napˇr´ıklad sebelepˇs´ı TN panel nebude ve v´ ysledku nikdy tak dobr´ y, jako pr˚ umˇern´ y IPS panel. Mezi tyto technologie patˇr´ı pˇredevˇs´ım: • OverDrive O t´eto technologii (a jej´ıch probl´emech) jsem se jiˇz zmiˇ noval v kapitole 2.1. Princip t´eto technologie byl pomˇernˇe dobˇre vysvˇetlen a proto bych r´ad pouze dodal, ˇze display s technologi´ı OverDrive b´ yv´a ˇcasto oznaˇcov´an popiskem RTC (Response Time Compensation). • Dynamick´ y kontrast K pojmu jiˇz vysvˇetlen´em v kapitole 2.4 je nutn´e dodat, ˇze u dneˇsn´ıch televizor˚ u se ve velk´em procentu setk´av´ame s LED podsvˇetlen´ım, kde se moˇznost dynamick´eho kontrastu vyloˇzenˇe nab´ız´ı. Typick´ y panel m´a napˇr´ıklad 16 sektor˚ u, ve kter´ ych nastavuje jas podsvˇetlen´ı oddˇelenˇe a pr´avˇe t´ım dosahuje dynamick´eho kontrastu. • Frame Rate Control (FRC)

Obr´azek 10: Technologie Frame Rate Control Tato technologie vyuˇz´ıv´a rychlosti panel˚ u a hlavnˇe nedokonalosti lidsk´eho oka. Pokud panel nedok´aˇze urˇcitou barvu zobrazit (m´a malou barevnou hloubku), tak ji v jednom sn´ımku zobraz´ı napˇr. v´ıce svˇetlou a v dalˇs´ım naopak tmavˇs´ı. Ve v´ ysledku si oko tyto dvˇe r˚ uzn´e barvy spoj´ı do jedn´e a vid´ı vlastnˇe spr´avnou barvu. Samozˇrejmˇe je to probl´em, pokud se pixel v kaˇzd´em nov´em sn´ımku m´a zmˇenit na novou barvu. V tom pˇr´ıpadˇe zkr´atka nedok´aˇze zobrazit spr´avnou barvu a obraz je degradov´an (nast´av´a prakticky jen u her). • Film Viz 4.1. • Dotykov´ e vrstvy Nejedn´a se ani tak o technologii vylepˇsuj´ıc´ı samotn´ y obraz, ale sp´ıˇse o urˇcitou nadstavbu, kter´a umoˇzn ˇuje konstruovat dotykov´e displaye. Protoˇze dotykov´e ovl´ad´an´ı samo o sobˇe pˇresahuje rozsah t´eto pr´ace, uvedu jen, ˇze existuji dvˇe hlavn´ı technologie detekce dotyku: kapacitn´ı a odporov´a. Kapacitn´ı display m´a v´ yhodu v tom, ˇze nen´ı nutn´e na obrazovku mechanicky tlaˇcit, naopak mezi nev´ yhody patˇr´ı, ˇze je zapotˇreb´ı pouˇz´ıt lidsk´ y prst, popˇr´ıpadˇe materi´al o podobn´e vodivosti (to je probl´em napˇr´ıklad v zimˇe, kdyˇz chceme ovl´adat mobil 12

pˇres rukavice). Dotykov´e plochy zaloˇzen´e na t´eto technologii se dnes bˇeˇznˇe montuj´ı napˇr´ıklad do mobil˚ u a tablet˚ u. Druh´a technologie, odporov´a, je zaloˇzena na fyzick´em prom´aˇcknut´ı jedn´e vrstvy do druh´e (tedy fyzick´emu styku elektrod). To s sebou nese poˇzadavek na urˇcit´ y mechanick´ y tlak, ale z´aroveˇ n umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı technologie napˇr´ıklad v praˇsn´ ych prostˇred´ı, nebo jin´ ymi n´astroji, neˇz je ruka. Proto se tyto dotykov´e plochy montuj´ı napˇr´ıklad do CNC stroj˚ u.

6

Z´ avˇ er

Pokud po proˇcten´ı t´eto pr´ace v´ah´ate, jak´a technologie je nejlepˇs´ı tˇreba pro v´as a jestli takov´a v˚ ubec existuje, vˇezte ˇze je j´ı e-IPS, kter´a v souˇcasn´e nab´ız´ı perfektn´ı pozorovac´ı u ´hly, obvykle rychlou odezvu a velmi sluˇsn´e barvy za rozumnou cenu. Jedn´a se o univerz´aln´ı technologii pro cel´e spektrum aplikac´ı, ale samozˇrejmˇe plat´ı, ˇze pro specifick´e u ´ˇcely se mnohem l´epe hod´ı technologie a konkr´etn´ı panel, kter´ y dominuje pr´avˇe takov´ ymi vlastnostmi, kter´e vyˇzadujete. R´ad bych zm´ınil, ˇze prakticky cel´a tato pr´ace je zaloˇzena na ˇcl´anku [1], kter´ y za mˇe vlastnˇe (bohuˇzel) udˇelal vˇsechnu pr´aci. Vˇsechny ˇca´sti textu, kde jsem pouˇzil pˇr´ımou citaci ˇcl´anku, jsou ˇra´dnˇe ocitovan´e. I pˇres p˚ uvodn´ı pl´anovan´ y rozsah, kde jsem chtˇel ps´at napˇr. i o 3D technologi´ıch, potaˇzmo napˇr´ıklad o OLED technologii, si mysl´ım, ˇze pr´ace splnila sv˚ uj u ´ˇcel. Dalˇs´ı obsah nav´ıc by byl absolutnˇe neodprezentovateln´ y v pˇridˇelen´em ˇcase. Pevnˇe douf´am, ˇze tato prakticky zamˇeˇren´a pr´ace v´am pomohla pochopit nˇekter´e jevy, kter´e pozorujete napˇr´ıklad u vaˇsich monitor˚ u a pˇredevˇs´ım vnesla urˇcit´e svˇetlo do toho, jak se chovat , na co br´at ohled a co ch´apat jako marketingov´ y tah tˇreba pˇri koupi vlastn´ıho televizoru.

Reference [1] http://www.svethardware.cz/ Technologie LCD panel˚ u http://www.svethardware.cz/technologie-lcd-panelu/14465 [2] Wikipedia LED TV http://en.wikipedia.org/wiki/LED-backlit LCD display [3] http://www.svethardware.cz/ Tekut´e krystaly - Jak to vˇsechno zaˇcalo? http://www.svethardware.cz/tekute-krystaly-jak-to-vsechno-zacalo/12311 [4] http://http://atlas.pristine.com.tw/ Princip LCD http://atlas.pristine.com.tw/ mcclay/clients/cmo/images/tft lcd-2.gif [5] cnews.cz Jak funguj´ı monitory (CRT, LCD a plazma) http://www.cnews.cz/clanky/jak-funguji-monitory-crt-lcd-plazma 13