Ciekłe kryształy zostały wynalezione w XIX
wieku przez austriackiego botanika Friedricha
Reinitzera. Sam termin ''ciekły kryształ'' rozpropagował
niemiecki fizyk Otto Lehmann.
Ciekłe
kryształy to substancje prawie przezroczyste, mogące
przyjmować stan zarówno stały, jak i ciekły. Światło
przechodzące przez ciekłe kryształy podąża za ułożeniem
tworzących je molekuł. W 1960 roku odkryto, że
pobudzenie napięciem elektrycznym ciekłych kryształów
zmienia ich położenie, a co za tym idzie - sposób
przenikania przez nie światła.
Od tego czasu
materiału tego zaczęto używać w urządzeniach stosowanych
obecnie, np. telewizorach, projektorach, cyfrowych
kamerach wideo czy aparatach cyfrowych. Aktualnie
stosuje się prawie wyłącznie technologię TFT, która
gwarantuje wysoką jakość obrazu. Tanie rozwiązania DSTN
będące matrycami pasywnymi odeszły już do
lamusa.
Technologia
ciekłokrystaliczna pozwala na transmisję sygnału.
Wyświetlacz emituje różną ilość białego światła o stałej
intensywności, które przepuszczane jest przez aktywny
filtr. Czerwone, zielone oraz niebieskie subpiksele są
uzyskiwane dzięki filtrowaniu białego światła. Większość
ciekłych kryształów to związki organiczne złożone z
molekuł, które w stanie naturalnym są luźno
rozmieszczone, lecz ustawione równolegle względem swojej
dłużej osi. Można jednak precyzyjniej kontrolować
położenie molekuł, pozwalając ciekłym kryształom
przepływać przez odpowiednio uformowaną powierzchnię.
Położenie molekuł zmienia się wtedy względem
kształtu tej powierzchni.
Ekran LCD składa się z
dwóch warstw ciekłych kryształów umieszczonych pomiędzy
dwiema odpowiednio wyprofilowanymi powierzchniami, z
których jedna jest ustawiona pod kątem 90 stopni wobec
drugiej.
Jeśli molekuły na jednej powierzchni
ustawione są z północy na zachód, to na drugiej
powierzchni już ze wschodu na zachód. Molekuły
znajdujące się między nimi muszą się przemieścić o 90
stopni, podobnie jak światło podążające za ich
położeniem.
Wystarczy jednak przyłożyć do
ciekłych kryształów napięcie elektryczne, a molekuły
zaczną się przemieszczać pionowo, pozwalając przejść
światłu bez zmiany położenia o 90 stopni.
Schemat budowy
działa elektronowego.
Kolejną
istotną kwestią budowy panelu LCD są własności filtrów
polaryzacyjnych i samego światła. Naturalne fale
świetlne promieniują pod określonym kątem. Filtr
polaryzacyjny jest po prostu zestawem idealnie
równoległych linii. Linie te działają na zasadzie
siatki, blokując wszystkie fale światła oprócz tych,
które przypadkiem są do nich ułożone równolegle. Drugi
filtr polaryzacyjny, którego linie są rozmieszczone do
nich pod kątem 90 stopni, blokuje z kolei fale światła
idealnie równoległe do siatki pierwszego filtru lub
pasujące do układu drugiego filtru.
Typowy filtr
TN (Twisted Nematic) składa się z dwóch filtrów
polaryzacyjnych o ułożeniu opisanym powyżej, lecz między
nimi znajdują się skręcone pod kątem 90 stopni ciekłe
kryształy. W konsekwencji światło polaryzowane jest
przez pierwszy filtr, następnie "skręcane" o 90 stopni
przez ciekłe kryształy i całkowicie przepuszczane przez
drugi filtr polaryzacyjny. Pamiętać jednak należy, że w
momencie przyłożenia napięcia do ciekłych kryształów
molekuły zmieniają układ na pionowy, pozwalając na
blokowanie światła przez drugi filtr polaryzacyjny. Jak
widać, w momencie braku impulsu elektrycznego światło
przechodzi przez filtry, a w momencie pojawienia się
napięcia jest blokowane.
Monitor LCD w przeciwieństwie do
modeli CRT pracuje z maksymalną jakością tylko w
rozdzielczości rzeczywistej, bo LCD ma stałą liczbę
pikseli. Oczywiście prezentacja obrazu z inną
rozdzielczością jest możliwa, jednak wtedy mamy do
wyboru dwa sposoby oglądania obrazu - wyświetlany na
fragmencie matrycy odpowiadającej danej rozdzielczości
(np. 640x480 na panelu o rzeczywistej rozdzielczości
1024x768) lub prezentowany na całej powierzchni ekranu
przy użyciu algorytmów skalowania.
Każdy piksel matrycy LCD jest
aktywowany oddzielnie i znajduje się w stanie włączonym
albo wyłączonym. Dzięki większej bezwładności w
monitorach LCD prezentacja stabilnego obrazu nie wymaga
częstego odświeżania. Wystarczy częstotliwość rzędu 60
Hz.
Monitor LCD
jest urządzeniem stworzonym wręcz do prezentacji obrazu,
przesłanego z karty graficznej w postaci sygnału
cyfrowego. Niestety, do niedawna panele LCD były
wyposażone prawie wyłącznie w analogowe gniazda
monitorowe, co wymuszało dokonanie dwóch konwersji
sygnału wideo przed wyświetleniem obrazu na monitorze.
Przyczyny tego są różne. Po pierwsze, gniazda DVI były
do niedawna droższe niż powszechne VGA. Po drugie, karty
graficzne z cyfrowymi złączami cieszyły się stosunkowo
niewielką popularnością. Obecnie zdecydowana większość
nowych kart graficznych ma przynajmniej jedno złącze
cyfrowe. Złącza cyfrowe DVI w monitorach to najczęściej
DVI-I i DVI-D. Pierwsze pozwalają przesyłać sygnał
analogowy (po zastosowaniu przejściówki) i cyfrowy.
Drugie oferują wyłącznie transmisję cyfrową.
Kryształy w
matrycach pasywnych (zwane czasem ekranami STN, DSN lub
TSN) są adresowane poprzez ładunki lokalne, przy czym
nic nie powstrzymuje ładunków elektrycznych przed
rozpływaniem się na boki i wpływaniem na położenie
kryształów sąsiednich. Stąd rozmyty obraz matrycy
pasywnej, smugi i cienie ciągnące się za
obiektami.
Matryce aktywne zbudowane są z
tranzystorów cienkowarstwowych (thin film transistor,
TFT), które gromadzą i utrzymują ładunki elektryczne,
zapobiegając ich rozlewaniu się na inne piksele. Taki
tranzystor przekazuje odpowiednie napięcie tylko do
jednego kryształu, dzięki czemu nie ma smużenia ani
rozmycia obrazu. Obecnie stosuje się praktycznie
wyłącznie matryce aktywne.
Pasywna matryca LCD
składa się z kilku warstw. Tylną stanowi element
podświetlający, czyli najczęściej lampa jarzeniowa.
Światło powstałe w ten sposób przechodzi przez element
rozpraszający tak, aby możliwie równomiernie podświetlić
cały panel. Następną warstwą jest filtr polaryzacyjny, a
zaraz za nim przezroczyste elektrody umieszczające
ciekłe kryształy w położeniu spoczynkowym. Za tym
elementem znajduje się warstwa ciekłych kryształów
powodująca "skręcenie" światła o 90 stopni. W ten sposób
uzyskujemy obraz na ekranie panelu. Jeśli obraz na
panelu ma być kolorowy, to niezbędna jest dodatkowa
warstwa z filtrem trzech podstawowych barw.
Jeśli
do elektrod przyłożymy napięcie, to spowodujemy, że
cząsteczki ciekłych kryształów zmienią położenie i
zostaną skręcone. W ten sposób, poprzez aktywowanie i
dezaktywowanie energią elektryczną ciekłych kryształów,
powodujemy przepuszczanie bądź też blokowanie
przepuszczania światła przez filtry
polaryzacyjne.
Obecnie największe
nadzieje wiąże się z wyświetlaczami organicznymi OLED
(Organic Light Emitting Diodes). Zasada ich działania
jest odmienna od tej, którą znamy z matryc LCD. OLED
różni się od produktów LCD przede wszystkim tym, że nie
wymaga podświetlania tylnego, a ponadto jest wyjątkowo
energooszczędny, co czyni z niego idealnego kandydata do
urządzeń przenośnych.
Budowa
OLED
Panel OLED zbudowany jest z kilku
elementów. W stosunku do matrycy LCD jego konstrukcja
jest zdecydowanie prostsza. Dwa polimerowe
półprzewodniki typu p i n muszą zostać złączone, a
następnie należy przez nie przepuścić prąd. Skutkiem
zachodzących w tym procesie zmian jest emisja światła,
problemem jest za to uzyskanie równomiernego
rozświetlania powierzchni tworzywa. Różnice w szybkości
przepływów ładunków dodatnich i ujemnych sprawiają, że w
prosty sposób nie jest możliwe równomierne rozświetlenie
ekranu. W celu zapewnienia równomierności rozprowadzania
ładunków elektrycznych stosuje się specyficzne
substancje. Innego rodzaju środki chemiczne niezbędne są
do uzyskania powierzchni świecącej kolorami czerwonym,
zielonym i niebieskim (czyli barwami podstawowymi). W
wyświetlaczach OLED spotykamy konstrukcje aktywne i
pasywne. Obecnie azjatyccy producenci telefonów
komórkowych stosują prawie wyłącznie tańsze w produkcji,
niewielkie ekrany pasywne. W wypadku konstrukcji
aktywnych niezbędne jest zastosowanie tranzystorów,
które pozwolą pikselom na długotrwałe świecenie.
Ponieważ materiał ten świeci samoczynnie, do jego
"wysterowania" potrzeba napięcia o nieporównywalnie
mniejszej mocy niż w panelach LCD.
Lumileds
Luxeon
Standardowy monitor LCD wyposażony
jest w matrycę ciekłokrystaliczną podświetlaną od spodu,
najczęściej przy użyciu dwóch dobrze znanych świetlówek
katodowych. Powoduje to, że podczas pracy monitor nie
jest podświetlany jednakowo na całej powierzchni ekranu.
W dobrych modelach nie są to różnice wielkie, jednak
praktycznie zawsze występujące. Kilka miesięcy temu
Philips zaprezentował pierwsze monitory
ciekłokrystaliczne wykonane w nowej technologii Lumileds
Luxeon. Panele tego typu są rozświetlane przez
dziesiątki lampek umieszczonych bezpośrednio z tyłu
matrycy. Znaczne zwiększenie liczby źródeł światła
powoduje, że równomierność rozświetlania jest prawie
doskonała. Korzyści płynących z tego rozwiązania jest
jednak więcej. Obraz staje się jaśniejszy, a kolory
soczyste i żywe. Poprawić można też naturalność
odwzorowania barw "na drodze sprzętowej". Natężenie
światła emitowanego przez lampy Lumiled można
kontrolować, więc łatwo tak skalibrować ekran, żeby na
przykład poszczególne partie pikseli zostały
podświetlone mocniej, a inne słabiej. Jasność matrycy
nie zmienia się przez cały czas jej użytkowania, bo
natężenie emitowanego światła każdej żarówki jest
monitorowane i w razie potrzeby korygowane. Ostatnią
zaleta Lumiled ma być trwałość elementów
podświetlających. Tradycyjna świetlówka powinna działać
zadowalająco przez mniej więcej 50 tys. godzin. Lumiled
ma pracować dwa razy dłużej.
Korzystanie z serwisu PC
World Komputer Online jest jednoznaczne z wyrażeniem
zgody na następujące warunki
obsługi. Serwis realizuje wytyczne
ASME oraz uzupełnienia IDG dotyczące zasad
publikacji w mediach elektronicznych.