História a vývoj zobrazovacích zariadení (2)

LCD displeje

V minulom čísle časopisu sme sa venovali histórii a vývoju zobrazovacích technológií, konkrétne technológii CRT obrazovky. Teraz si priblížime z pohľadu histórie vznik a vývoj technológie LCD (Liquid Crystals Display).

História vývoja LCD displejov

Ilustrácia jednotlivých sub-pixelov LCD displeja.

Skratka LCD (Liquid Crystal Display, teda displej z tekutých kryštálov) sa vžila na označovanie displejov, ktoré na vytvorenie obrazu využívajú mikroskopické kryštály, schopné meniť svoju polohu v závislosti od toho, či na ne pôsobí elektrické napätie, alebo nie. Práve „natočenie“ tekutých kryštálov určuje, či bude prvkom prechádzať svetlo alebo nie. Princíp tekutých kryštálov objavil rakúsky botanik Frederich Rheinizer, ktorý k svojmu objavu dospel už v roku 1888! Takmer storočie však trvalo, kým ho ľudia mohli využiť v praxi. Prvé pokusy o výrobu a priemyselné využitie LCD spadajú do obdobia 60. rokov minulého storočia a od tých čias sa stali fenoménom, ktorý nás obklopuje doslova všade.

Možno aj pre vás bol prvým LCD displejom ten v digitálkach, prípadne v kalkulačke. Veľký záujem o LCD technológiu nastal až v polovici 80. rokov. LCD sa presadili vo sfére prenosných počítačov, ktoré sa vďaka nim stali skutočne mobilné.  Pri osobných počítačoch bola situácia iná. CRT monitory si svoje prvenstvo držali pomerne dlho a až na prelome tisícročí sa začali LCD monitory komerčne presadzovať. Podobne ako iné produkty aj LCD však prešlo búrlivým vývojom, a tak dnes máme okrem monochromatických LCD aj farebné, využívajúce vlastný zdroj svetla, či reflexné. No a, samozrejme, k dispozícii je celá paleta typov.

Chronológia a postupný vývoj LCD

Nastavenie tekutých kryštálov riadia spínacie prvky (tranzistory) usporiadané
do matice, ktoré zodpovedajú x-ovým a y-ovým súradniciam na obrazovke.
Každým tranzistorom prechádza elektrický prúd, ktorý obrazový bod buď
aktivuje, alebo deaktivuje.

Začína výroba prvých displejov, ktoré sa používajú v kalkulačkách namiesto dovtedy používaných LED displejov. Táto technológia, označovaná ako TN (twisted nematic) používala kryštály, ktoré sa pri budení elektrickým prúdom otočia o 90 stupňov a pasívnu maticu. Na začiatku osemdesiatych rokov sa už TN-displeje masovo používali v kalkulačkách a hodinkách. Ale so vzrastajúcou zložitosťou v snahe zobraziť stovky riadkov informácií zhoršovali uhol pohľadu a kontrast medzi čiernou a bielou. Preto sa v roku 1985 objavuje na trhu nový typ displeja, označovaný ako STN (super twisted nematic). V tomto prípade sa kryštály otáčajú až o 240 stupňov. Farebné displeje s vysokým rozlíšením boli ďalším cieľom v tomto priemysle, ale na jeho dosiahnutie bolo potrebné adresovať veľké množstvo pixelov, a tak sa na konci osemdesiatych rokov objavuje na trhu prvý displej s „aktívnou maticou“.

Princíp LCD displejov

Na riadenie orientácie kryštálov sa používa matica priehľadných elektród, vytvárajúca sieť bodov, každý tvoriaci jednu bunku (pixel). Existujú dva typy matíc, pasívna (Passive Matrix)  a aktívna (TFT – Thin Film Tranzistor). V pasívnej  matici sa určuje bunka (pixel) pomocou riadka a stĺpca, čiže matica je tvorená pozdĺžnymi a priečnymi elektródami a každý bod je určený svojím riadkom a stĺpcom. V aktívnej matici každú bunku riadi priamo tranzistor.

Princíp monochromatického LCD displeja

Stav pri napätí – svetlo neprechádza.

Aby obraz na displeji bol čitateľný, je potrebné podsvietenie, teda zadný svetelný zdroj (1) – dnes sú to najčastejšie LED diódy. Polarizátor (2, 6) prepustí len časť svetla na vstupe, resp. len svetlo polarizované v horizontálnej či vertikálnej rovine. Medzi dvomi (elektródami) orientačnými filtrami (3, 5) sa nachádza vrstva tekutého kryštálu (4). Molekuly tekutého kryštálu sú v základnom stave vzájomne pootočené, medzné stavy ich natočenia udáva práve orientačný filter (5). V základnom (štandardnom) stave je svetlo zo zadného svetelného zdroja prepustené – displej „svieti“.

Základný stav bez napätia – svetlo prechádza.

Po pripojení zdroja striedavého napätia na elektródy tekutého kryštálu (v rámci zjednodušenia zhodné
s orientačnými filtrami) sa zmení jeho vnútorná štruktúra. Svetlo prechádzajúce vrstvou tekutého kryštálu teda nemôže zmeniť svoju polarizáciu z horizontálnej na vertikálnu, a tak je zablokované na polarizátore (6), ktorý prepustí len svetlo s vertikálnou polarizáciou. Displej tak zostáva tmavý (svetlo zo zadného svetelného zdroja neprejde).

V praxi nepostačujú medzné stavy – svetlo prejde / neprejde – nutnosťou je takisto regulácia množstva prepusteného svetla, resp. zmena jasu. Toho sa dá docieliť zmenou veľkosti pripojeného napätia k elektródam.

Aktívny displej – tzv. TFT displej

Tento typ LCD displejov je založený na technológii TFT (thin film tranzistor). Pri TFT displejoch sú LC (Liquid Crystals) vrstvy osadené tranzistormi, pričom každý tranzistor riadi jeden obrazový bod a to vedie v porovnaní s pasívnymi displejmi k lepšej kvalite obrazu. Tak ako už bolo uvedené, priepustnosť kryštálu je ovládaná pomocou elektrického poľa, k čomu slúži dvojica elektród pre každú bunku (pixel) obrazu, ktorú chceme samostatne ovládať. Ako spínací prvok pre elektródy každej bunky je použitý tranzistor, s jeho pomocou je riadená intenzita elektrického poľa medzi elektródami a tým aj intenzita prestupujúceho svetla konkrétnym obrazovým bodom. Týmto spôsobom
sa dá kryštál regulovať v niekoľkých desiatkach až stovkách rôznych stavov, a tak vzniká výsledný jas farebných odtieňov.

Každý pixel (bod) na displeji sa skladá z troch subpixelov. Prečo práve z troch? Pretože každý z nich vyžaruje jednu z troch základných farieb červenú, zelenú a modrú (red, green, blue – RGB). Podstatné je, že každý subpixel ovláda tranzistor, ktorý určuje napätie a tým aj orientáciu tekutých kryštálov. Aktívne LCD displeje majú milióny miniatúrnych tranzistorov. Vyrobiť TFT displej s aktívnou maticou je veľmi komplikovaná vec, ktorá by sa dala prirovnať k výrobe procesorov.

Obrazové body sú usporiadané horizontálne vedľa seba, a tak v prípade natívneho rozlíšenia displeja 1 920 x 1 200 obr. bodov je vedľa seba v skutočnosti 5 760 sub-pixelov. Šírka týchto bodov je veľmi malá a pohybuje sa štandardne v rozmedzí cca 0,24 – 0,29 mm, pri najvyspelejších displejoch môže klesnúť len na 0,12 mm. Rozteč bodov tak isto ovplyvňuje maximálne rozlíšenie pri danej uhlopriečke.

Chcete sa dočítať viac? Objednajte si predplatné časopisu PrintProgress a prečítajte si celý článok.  

Pripravil: František Martančík, www.polygrafia-fotografia.sk