LCD.DOC

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne - LCD

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne - LCD (ang. Liquid Crystal Display) są znane i wykorzystywane od dość dawna, ale gwałtowne przyspieszenie rozwoju technologii ich wytwarzania związane jest z szybkim upowszechnianiem urządzeń elektroniki powszechnego użytku, a w przypadku wyświetlaczy kolorowych o dużych wymiarach i rozdzielczości, przede wszystkim komputerów przenośnych. Wciąż zwiększający się popyt na notebooki spowodował uruchomienie masowej produkcji wyświetlaczy LCD, co zaowocowało istotną obniżką ich cen, na którą jeszcze bardziej wpłynął popyt. W 1888 roku botanik Friedrich Reinitzer odkrył, że cholesterol zmienia swój współczynnik transmisji światła w zależności od temperatury. Płyn ten jest mlecznobiały w temperaturze 145°-178°C, w wyższej temperaturze staje się całkowicie przezroczysty. W tym samym czasię fizyk Otto Lehmann odkrył, że optyczne własności tej substancji zależą od kierunku padającego światła. Tego typu właściwości optyczne są charakterystyczne dla kryształów i stąd pochodzi określenie ciekły kryształ LC (ang. liquid crystal). Istnieją tysiące różnych substancji posiadających właściwości ciekłych kryształów. Istotną dla budowy wyświetlaczy cechą ciekłych kryształów jest ich właściwość nazywana dwójłomnością oraz względna łatwość tworzenia dużych powierzchni o właściwościach krystalicznych (uporządkowanej strukturze).

Dwójłomność to cecha niektórych kryształów, która polega na tym, że ma on różne właściwości optyczne (współczynnik załamania) dla przechodzących przez niego promieni światła o odmiennej polaryzacji. Wpływ takiego kryształu na przechodzące promieniowanie zależy od względnego położenia płaszczyzn polaryzacji światła i kierunku osi optycznej kryształu. Zmiana uporządkowania molekuł ciekłego kryształu (kierunku ich osi optycznych) przez przyłożenie odpowiedniego napięcia elektrycznego umożliwia sterowanie transmisją światła przez ciekły kryształ. Odpowiedzialne za kierunek osi optycznej ciekłego kryształu uporządkowanie cząsteczek może być zmieniane poprzez przyłożenie napięcia. Jeżeli na warstwę ciekłego kryształu pada światło spolaryzowane, to w zależności od przyłożonego napięcia jest ono przepuszczane lub nie.

Obecnie istnieją dwie dominujące technologie produkcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych LCD o dużych rozmiarach i rozdzielczościach: STN (ang. Super Twisted Nematic) i TFT (ang. Thin Film Transistor). Obie technologie są stale modyfikowane i umożliwiają produkcje wyświetlaczy o coraz lepszych parametrach: rozdzielczości, jasności, szybkości zmiany obrazu i jego wielkości.

Wyświetlacze z matrycą pasywną (ang. Passive Matrix)

Do wyświetlaczy z matrycą pasywną (ang. Passive Matrix) zalicza się wyświetlacze, w których płytki ograniczające warstwę ciekłego kryształu stanowią okładki kondensatora (elementu elektronicznie pasywnego). Sterowanie takim wyświetlaczem jest realizowane przez przykładanie napięcia do pary wzajemnie prostopadłych pasków przewodzących, biegnących wzdłuż i wszerz obu powierzchni ekranu. Jasny punkt pojawia się na skrzyżowaniu wiersza i kolumny, do których przyłożono napięcie.

Wyświetlacze pasywne dostarczoną z zewnątrz energie wykorzystują do zmiany swojego stanu tak, aby światło ze źródła zewnętrznego było przez wyświetlacz rozpraszane, pochłaniane lub odbijane. Dla większości wyświetlaczy pasywnych wystarczającym źródłem zewnętrznym jest typowe oświetlenie dzienne. Poprzez odpowiednie manipulowanie światłem otoczenia urządzenia te wyświetlają obrazy zużywając na to niewielką moc. Cecha ta spowodowała, że wyświetlacze ciekłokrystaliczne są stosowane wszędzie tam, gdzie wymaga się niewielkiego poboru energii i małych rozmiarów. Cząsteczki ciekłego kryształu w kształcie pałeczek w normalnych warunkach ułożone są równolegle do siębie. Położeniem cząsteczek można sterować przy użyciu pola elektrycznego. Większość stosowanych obecnie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych wykorzystuje ciekłe kryształy o cząsteczkach w kształcie nitek, oznaczane jako TN (ang. twisted nematic - nema po grecku nić).

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny składa się z dwóch warstw szkła z nadrukowanymi na wewnętrznych powierzchniach elektrodami. Na wewnętrznych powierzchniach szkła znajdują się także warstwy wyrównujące używane do spiralnego skręcania cząsteczek ciekłego kryształu. Warstwy te zawierają rowki, usytuowane tak, że rowki jednej warstwy są obrócone o 90 stopni w stosunku do rowków drugiej, a cząsteczki kryształu układają się wzdłuż rowków, skręcając się w przestrzeni miedzy nimi. Na zewnętrznych powierzchniach szkła znajdują się filtry polaryzacyjne.

Piksel matrycy pasywnej              Matryca pasywna

W czasie gdy LCD jest wyłączony - na elektrodach brak napięcia - światło swobodnie przechodzi przez warstwę ciekłych kryształów. Przyłożenie napięcia do cząsteczek ciekłego kryształu powoduje, że ustawiają się one w kierunku zgodnym z liniami pola elektrycznego. Światło przechodzące przez taką warstwę zgodnie ustawionych cząsteczek ciekłego kryształu zmienia swą fazę w taki sposób, że jest ono zatrzymywane przez filtr polaryzacyjny. Na wyświetlaczu powstaje ciemny obszar. Poprzez selektywne przykładanie napięcia do elektrod można tworzyć obraz składający się z jasnych i ciemnych obszarów. Pierwsze wyświetlacze ciekłokrystaliczne skonstruowano w technologii TN w 1971 roku. Kontrast osiągany przez LCD z TN wynosił 3:1, a kąt skręcenia 90°. Obraz takiego wyświetlacza jest widoczny pod kątem równym w przybliżeniu 20°. Obecnie wyświetlacze typu TN są stosowane wyłącznie w tanich zegarkach elektronicznych. Udoskonaloną technologią jest STN (ang. Super Twisted Nematic), która posiada właściwości umożliwiające zwiększenie kąta skręcenia do 180°, 200° lub 240°. Dzięki temu osiąga się lepszy kontrast, do 10:1, i większy kąt widzenia - do około 40°. Wadą tego typu ciekłych kryształów jest efekt birefringencji (ang. birefringence) [dichroizmu], który powoduje przesuniecie koloru tła w kierunku żółto-zielonym, a koloru obrazu w kierunku niebieskim. Efekt ten jest spowodowany przez podwójne załamywanie światła białego wpadającego do LCD i utratę części widma. Wyeliminowanie tego efektu i zmiana koloru tła na szary wymaga stosowania dodatkowego filtru. Pasywne wyświetlacze STN są stosowane obecnie w kalkulatorach i zegarkach.
DSTN (ang. Double Super Twisted Nematic) jest stosowaną masowo technologią wykorzystującą dwie warstwy komórek obróconych względem siebie o 180 do 270°. Technologia ta wykorzystuje strukturę dwóch warstw STN, z których do jednej z warstw (warstwy aktywnej) przyłożone jest pole elektryczne likwidujące skręcenie cząsteczek, a druga warstwa służy do kompensacji barw (likwiduje różnice fazowe przechodzących promieni) i zapobiega w ten sposób powstawaniu niepożądanych zabarwień. Przechodzący promień świetlny jest załamywany w pierwszej warstwie, druga koryguje błędy kolorów. Wyświetlacze DSTN umożliwiają prace z 16,7 milionami kolorów i kontrastem równym 10:1. Wadą tej technologii jest większe tłumienie światła przez dodatkową warstwę komórek. Do odmian technologii DSTN należą: FSTN (ang. Film Super Twisted Nematic), TSTN (ang. Triple Super Twisted Nematic) i MSTN (ang. Monochrome Super Twisted Nematic). Ze względu na złożoną konstrukcje i wysoki koszt technologie te są używane tylko w produktach firm dominujących na rynku sprzętu elektronicznego. Najnowszym osiągnięciem są wyświetlacze typu FSTN (ang. Film Super Twisted Nematic). Wyświetlacze tego typu posiadają dodatkową powłokę (ang. retardation film) kompensującą efekt birefringencji. Pozwala to na wyświetlanie obrazów czarno-białych. Najlepszą jakość obrazu uzyskuje się stosując dodatkowe wewnętrzne źródło światła. Do wad wyświetlaczy z pasywną matrycą należą: względnie długi czas reakcji matrycy na sygnały sterujące (minimum 120 ms), co stwarza problemy z wyświetlaniem sekwencji wideo oraz występowanie efektu poświaty (ang. cross talk) spowodowanego tym, że pole elektryczne występuje również wzdłuż aktywnych ścieżek przewodzących prąd, a nie tylko w punkcie ich przecięcia. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny jest urządzeniem korzystającym ze światła otoczenia. W przypadku niskiego natężenia oświetlenia zewnętrznego lub jego braku niezbędne jest zastosowanie wewnętrznego źródła światła umieszczonego za panelem LCD tzw. źródła tylnego światła (ang. backlightning). Jako źródła światła wewnętrznego stosuje się lampy elektroluminescencyjne, diody świecące lub lampy CFL (ang. Cold Cathode Fluorescent Lamp). Lampy elektroluminescencyjne charakteryzują się niewielką grubością, małą wagą i dostarczają światło o równomiernym natężeniu. Produkowane są w różnych kolorach, z których najczęściej stosuje się biały. Zużycie energii dla takich lamp jest niewielkie - wymagają prądu zmiennego o napięciu 80 do 100 V. Napięcie takie jest dostarczane przez inwerter dokonujący konwersji napięcia 5, 12, 24 DC na AC. Lampy elektroluminescencyjne posiadają ograniczoną trwałość. Po 2000 do 3000 godzin pracy natężenie emitowanego światła spada do połowy. Diody świecące stosowane są przede wszystkim w wyświetlaczach znakowych. Charakteryzują się znacznie dłuższą trwałością, przekraczającą 50 000 godzin pracy. Są także jaśniejsze od lamp elektroluminescencyjnych. Zasilane są prądem stałym o napięciu +5 V. Diody są montowane w postaci matrycy bezpośrednio za wyświetlaczem. Grubość panelu przy wykorzystaniu diod wzrasta maksymalnie o 5mm. Lampa CFL świeci bardzo jasnym białym światłem i charakteryzuje się niskim poborem mocy. W wyświetlaczach z lampami CFL wykorzystuje się dwie metody oświetlania warstwy ciekłych kryształów: metodę oświetlania krawędziowego i metodę oświetlania bezpośredniego. W metodzie oświetlania krawędziowego lampa CFL jest umieszczona z boku panelu LCD i oświetla dyfuzor rozpraszający światło na całą powierzchnie wyświetlacza. Grubość panelu wzrasta w niewielkim stopniu. W metodzie oświetlania bezpośredniego lampy CFL znajdują się za panelem wyświetlacza. Lampy CFL zasilane są prądem zmiennym o napięciu 270 do 300 V i wymagają stosowania inwertera. Trwałość lamp CFL sięga 10 000 do 15 000 godzin. Są stosowane przede wszystkim w wyświetlaczach graficznych. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne wykonywane są w trzech typach, różniących się sposobem transmisji światła. Są to: typ odbijający (ang. reflective), przepuszczający (ang. transmissive) i przepuszczająco-odbijający (ang. transflective). W wyświetlaczach typu odbijającego korzysta się wyłącznie ze światła dostępnego w otoczeniu. Reflektor za tylnym filtrem polaryzacyjnym odbija padające na panel światło. Najlepszą jakość obrazu uzyskuje się podczas pracy przy świetle dziennym lub w dobrze oświetlonych pomieszczeniach. Wyświetlacze tego typu charakteryzują się niskim zużyciem energii. Wyświetlacze przepuszczające posiadają przepuszczający światło tylny filtr polaryzacyjny i nie odbijają światła zewnętrznego. Wymagają stosowania wewnętrznego źródła światła. Najlepsze efekty uzyskuje się podczas pracy przy niskim natężeniu oświetlenia w otoczeniu. Wyświetlacze przepuszczająco-odbijające łączą w sobie cechy dwóch poprzednich typów. Posiadają półprzepuszczalny tylny filtr polaryzacyjny i wewnętrzne źródło światła. Wewnętrzne źródło światła może być wyłączane podczas pracy w otoczeniu o wysokim natężeniu oświetlenia.

Wśród wyświetlaczy wyróżnia się wyświetlacze z pozytywowym i negatywowym trybem pracy. Standardem jest tryb pozytywowy z jasnym tłem i ciemnymi znakami lub punktami. Tryb ten stosuje się w wyświetlaczach typu odbijającego i przepuszczająco-odbijającego. Tryb negatywowy wykorzystuje się w wyświetlaczach typu przepuszczającego..

Wyświetlacze z matrycą aktywną (ang. Active Matrix)

Wyświetlacze z matrycą aktywną (ang. Active Matrix) budowane są w technologii TFT (ang. Thin Film Transistor). Ciekłokrystaliczne warstwy są sterowane aktywnymi elementami elektronicznymi - tranzystorami, z których każdy steruje jednym punktem obrazu, dla wyświetlaczy nie oferujących kolorów. W wyświetlaczu kolorowym każdy piksel ekranu jest sterowany trzema tranzystorami. Cienka warstwa tranzystorów umieszczona jest na szybie ograniczającej warstwę ciekłego kryształu. Połączony z tranzystorem kondensator podtrzymuje napięcie do chwili następnego odświeżenia obrazu. Ekrany TFT pozbawione są zafałszowania kolorów, wyeliminowane jest także zjawisko poświaty wzdłuż ścieżek przewodzących. Technologia ta oferuje kontrast do 300:1, kąt patrzenia i jasność znacznie większe niż w DSTN. Czas reakcji matrycy na sygnał sterujący wynosi w przybliżeniu 50ms. Wadą jest wysoki koszt produkcji. Kontrola jakości dopuszcza do 12 błędnych pikseli. Obecnie do produkcji matrycy tranzystorów wykorzystywane są płytki krzemu amorficznego. Trwają badania nad możliwością zwiększenia rozdzielczości (wytwarzanie tranzystorów o mniejszych rozmiarach) i szybkości przełączania (reakcji na sygnał sterujący) przez zastosowanie krzemu polikrystalicznego.

Wyświetlacze hybrydowe PALC (Plasma Adressed Liquid Crystal)

Wyświetlacze hybrydowe PALC (ang. Plasma Addressed Liquid Crystal) są to wyświetlacze ciekłokrystaliczne sterowane wyładowaniami plazmy. Jest to połączenie technologii plazmowej i LCD. Obok wyświetlaczy stricte plazmowych spotyka się również panele budowane w technice ciekłokrystalicznej z adresacją plazmową. Należą one do wyświetlaczy LCD z aktywną matrycą - AMLCD (ang. Active Matrix Liquid Crystal Display). Do adresowania punktów ekranu w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych PALC stosuje się, jak nazwa wskazuje, paski metalowych elektrod z jednej strony i kanaliki zjonizowanego gazu z drugiej. Oba rodzaje elektrod są umieszczone pod kątem prostym. Plasma-addressed" oznacza dosłownie adresowanie plazmowe (plazmą). Ciekłe kryształy są sterowane dokładnie dawkowanymi wyładowaniami w gazie. Obraz tworzony jest przez około 450 kanalików z plazmą. Sterowanie elementami ekranu odbywa się podobnie jak w przypadku techniki TFT, ale bez jej technologicznych ograniczeń. W technice PALC prąd upływu każdego z punktów obrazu jest prawie zerowy, wobec czego każdy z nich zapamiętuje obraz w sposób podobny do wyświetlaczy FLCD. Urządzenia PALC
nadają się do wyświetlania filmów, gdyż czas przełączania pojedynczego kanalika gazowego (elektrody) wynosi 5ms, co jest wartością wystarczającą do odtwarzania obrazów z częstotliwością 30 ramek na sekundę, nawet na dużych ekranach o dużej rozdzielczości. Pierwszy wyświetlacz (firmy Sony) tego typu pojawił się pod koniec 1996 roku.

Wyświetlacze FLCD Ferroelectric LCD

Wyświetlacze FLCD (ang. Ferroelectric Liquid Crystal Display) są to ciekłe kryształy na bazie żelaza. Komórki ferroelektryczne reagują szybciej niż nematyczne i są w stanie zachować obraz do czasu napłynięcia nowego sygnału bez konieczności odświeżania obrazu (niewielkie zużycie prądu). Technologia ferroelektryczna opiera się na zjawisku bistabilności, czyli istnienia dwóch stabilnych orientacji molekuł ciekłego kryształu. W ekranach wykorzystujących ten efekt piksele są białe lub czarne. Odcienie szarości symuluje się poprzez szybkie przełączanie pikseli. Koszty produkcji takich wyświetlaczy są jednak bardzo wysokie.

Wyświetlacze trójwymiarowe

Wyświetlacze trójwymiarowe to ciekłokrystaliczne ekrany z aktywną matrycą. Na ekranie ukazują się równocześnie dwa różne obrazy. Obrazy są zagnieżdżone - na zmianę wyświetlane są kolejne punkty dla lewego i prawego oka. Aby do każdego oka dotarł jedynie przewidziany dla niego obraz, pod wyświetlacz podłożona jest specjalna siateczka rozdzielająca (ang. image splitter). Wadą jest konieczność obserwacji obrazu ze ściśle określonej odległości (w przybliżeniu 1 metr).

Co nas czeka?

Podsumowując, do zalet wyświetlaczy ciekłokrystalicznych zaliczyć można: brak promieniowania, oszczędność energii, brak odblasków i niedużą wagę. Wyświetlany obraz jest pozbawiony szeregu zniekształceń charakterystycznych dla monitorów z lampami kineskopowymi. Do cech negatywnych tej technologii zaliczamy kosztowną produkcje (ze względu na wysoki procent - 90% braków w produkcji TFT), wysoką ceną, ograniczoną wielkość ekranu, niewielki kąt patrzenia i pewne zniekształcenia wyświetlanego obrazu. Wyświetlacze LCD mają istotną przewagę nad pozostałymi technologiami na rynku komputerów przenośnych. Są one bardzo lekkie i cienkie, a pobierają tak mało energii, że można je zasilać z akumulatora. Jednakże po ich zainstalowaniu w desktopach tylko mała grubość i waga pozostają ich zaletą. Użytkownicy płacą więcej, w zamian otrzymując gorsze parametry i wiele ograniczeń wyświetlanego obrazu.

Coraz więcej firm oferuje ekrany LCD o coraz większych wymiarach, większej rozdzielczości i - co ważne w rozsądnej cenie. Na przykład SHARP oferuje kolorowe pasywne wyświetlacze LCD typu STN o maksymalnych wymiarach przekątnej odpowiednio STN Colour VGA (11,3" -- 640x480), SVGA (15" -- 800x600) i XGA (17,7" -- 1024x768). Równie duże są już wyświetlacze aktywne TFT LCD. Panele VGA osiągają wymiary przekątnej 13,8" i rozdzielczość 640x480 pikseli, SVGA - 12" i 800x600 pikseli, a modele XGA 13,8" dla rozdzielczości 1024x768. Są to modele komercyjne, oferowane w wolnej sprzedaży.