Monitor ciekłokrystaliczny, LCD Wykonał: Patryk Kuciński kl.IV TE

WSTĘP W 1888 roku austriacki botanik Friedrich Rheinitzer odkrył substancję o właściwościach ni to cieczy, ni to ciała stałego. Nie mógł on jednak przypuszczać, że ta dziwna ciecz, nazwana ciekłym kryształem, ponad sto lat później zrobi zawrotną karierę w przemyśle komputerowym. Pierwszy seryjnie produkowany wyświetlacz ciekłokrystaliczny ujrzał światło dzienne w 1973 roku, gdy firma Sharp rozpoczęła sprzedaż kalkulatora EL-8025. Od tego czasu minęło prawie trzydzieści lat, a zasadnicza konstrukcja ciekłokrystalicznego ekranu nie uległa zmianie.

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA MONITORA LCD

Za ekranem znajduje się źródło światła, Np. lampa fluorescencyjna Za ekranem znajduje się źródło światła, Np. lampa fluorescencyjna. W zależności od wielkości panelu LCD liczba lamp fluorescencyjnych waha się od dwóch, w małych monitorach piętnastocalowych, do ośmiu w wyświetlaczach 20-21-calowych. W coraz popularniejszych panelach siedemnastocalowych montuje się zazwyczaj cztery lampy fluorescencyjne, które podświetlają matrycę LCD. Światło oświetlające panel od tyłu przechodzi najpierw przez tzw. dyfuzor, który zapewnia równomierną jasność na całej powierzchni wyświetlacza

Następnie światło przechodzi przez pierwszy filtr polaryzacyjny, zespół przezroczystych elektrod sterujących ułożeniem cząsteczek ciekłego kryształu oraz warstwę orientującą, która ma za zadanie ustawić molekuły ciekłego kryształu w odpowiednim (tzw. spoczynkowym) położeniu. Znajdująca się bezpośrednio dalej warstwa ciekłego kryształu (Np. bifenylu) skręca o 90° płaszczyznę polaryzacji światła.

Przekrój monitora LCD Ciekły kryształ (LC) jest substancją organiczną o ciekłej formie i krystalicznej strukturze molekularnej. Cząsteczki w kształcie pręcików normalnie są ustawione w równoległych rzędach. Do sterowania nimi używane jest pole elektryczne. W zależności od tego czy występuje napięcie prądu lub jego braku cząsteczki kryształu odpowiednio się ustawiają, co powoduje zmianę polaryzacji padającego na nią światła (odpowiednio skręca początkową płaszczyznę polaryzacji światła lub pozostawić ją bez zmian).

Aby "pałeczkowate" cząsteczki ciekłego kryształu spowodowały skręcanie polaryzacji światła, muszą zostać najpierw w procesie produkcyjnym odpowiednio przygotowane - zorientowane w przestrzeni. Substancję ciekłokrystaliczną umieszcza się w kilku milionach pojedynczych, niezależnych komórkach, tworzących łącznie matrycę pikseli Np. o rozmiarach 1024×768 punktów. Wewnątrz każdej komórki długie "pałeczkowate" molekuły muszą zostać odpowiednio ułożone. Do tego celu służą tzw. warstwy orientujące. W zależności od typu wyświetlacza LCD i technologii jego wykonania wymuszają one albo równoległe, albo prostopadłe w stosunku do płaszczyzny ekranu położenie cząsteczek.

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne wykorzystują oba aspekty materii, z której są zbudowane: "ciekłość" i "kryształowość". Są ruchome - jak ciecze (przy odpowiedniej temperaturze), a ich molekuły układają się w tym samym kierunku - jak w kryształach. Są również podatne na pola elektromagnetyczne, które powodują ich przewidywalne pozycjonowanie. Ciekłe kryształy przewodzą światło w jednym kierunku, co sprawia, że idealnie nadają się na wyświetlacze. Światło po przejściu przez ciekły kryształ napotyka na swojej drodze drugi filtr polaryzacyjny. W zależności od kąta padania światła w stosunku do osi polaryzacji filtra światło wydostaje się z panela LCD, a użytkownik widzi jasny punkt na ekranie.

Kolorowe wyświetlacze mają dodatkową warstwę, w skład której wchodzą barwne filtry w trzech kolorach podstawowych: czerwonym, zielonym lub niebieskim (RGB). Każdej komórce ekranu odpowiadają trzy subpiksele (zgrupowane po trzy tworzą jeden punkt - piksel), każdemu subpikselowi przyporządkowany jest jeden taki filtr, a jak wiadomo, za pomocą trzech różnobarwnych komórek można uzyskać dowolny kolor piksela. Taka prosta konstrukcja jest wykorzystywana zarówno w wyświetlaczach DSTN (Dual Scan Twisted Nematic) stosowanych w najtańszych wyświetlaczach LCD, jak i w pierwszej generacji paneli TFT (Thin Film Transistor).

DZIAŁANIE CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW 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 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.

Budowa panelu LCD

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.

CECHY SZCZEGOLNE MONITORÓW LCD 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.

ZALETY I WADY MONITORÓW LCD Zaletą monitorów LCD jest ich rozmiar i niewielka waga, całkowita grubość monitora( wyświetlacz plus obudowa) z reguły nie przekracza kilku centymetrów. Najwięcej miejsca na biurku zajmuje nie sam monitor lecz jego podstawa. Jednak nawet z podstawką monitor LCD potrzebuje przeciętnie 1\3 miejsca zajmowanego przez monitor CRT o takiej samej przekątnej ekranu. Monitory te nie emitują żadnego szkodliwego promieniowania. Znakomicie więc się nadają do szpitali gdzie promieniowanie mogło by powodować zakłócenia urządzeń medycznych. Użytkownicy spędzając nawet kilkanaście godzin przed tym ekranem nie są zmęczeni.

Przy pracy w nominalnej rozdzielczości monitora obraz jest naprawdę najwyższej klasy, odznaczają się przy tym niskim zapotrzebowaniem na energie. Każdemu punktowi generowanemu przez kartę graficzną odpowiada dokładnie jeden punkt na ekranie. Przez co obraz jest ostry i krystalicznie czysty oraz nie występują żadne błędy zbieżności kolorów.

Wadą paneli LCD jest trudny do uzyskanie kontrast porównywalny z osiągnięciami na kineskopie CRT. Światło zawsze będzie w jakimś stopniu pochłaniane przez warstwę ciekłokrystaliczną , więc nigdy piksel nie będzie tak samo biały jak punkt w lampie kineskopowej. Podobnie nawet przy spolaryzowanych cząstkach warstwy ciekłokrystalicznej mała część światła przejdzie jednak przez wyświetlacz, zatem kolor czary będzie raczej "ciemnoszary". W monitorze LCD dużą rolę odgrywa kont pod jakim patrzymy na kineskop, ponieważ spolaryzowane światło ma właściwy kolor praktycznie tylko wtedy gdy obserwator znajduje się na wprost ekranu.

Natomiast kiedy obraz obserwowany jest pod zbyt dużym kontem zaczyna on zmieniać kolory aż zupełnie zaniknie. Warto dodać że wąski kont widzenia może być tez zaleta - uniemożliwia bowiem postronnym obserwatorom podglądanie zawartości ekranu.

FILTR SELEKTYWNY Znajdujący się na powierzchni ekranu monitora lcd kieruje do naszych oczu dwa obrazy o różnej perspektywie .W mózgu z tych obrazów powstaje trójwymiarowa scena.

Działanie filtra selektywnego                                                                                           

TECHNIKI POWIĘKSZANIA KĄTA WIDZENIA Zasada działania LCD wykorzystująca zmiany płaszczyzn polaryzacji światła niesie za sobą małe kąty widzenia i niski kontrast. Aby powiększyć kąt widzenia, stosuje się zabiegi, które zmieniają ułożenie cząstek LCD i wpływają na drogę światła w wyświetlaczu. Do zabiegów tych zalicza się specjalne pokrycia wewnętrzne ekranów, topologie elektrod sterujących i odpowiedni skład mieszanin ciekłego kryształu.

Technika Twisted Nematic

W najpopularniejszej obecnie technologii TN (Twisted Nematic - skręcone ciekłe kryształy nematyczne) cząstki ciekłego kryształu stopniowo skręcają się względem siebie o 90 stopni pomiędzy płaszczyznami ekranu dzięki specjalnej obróbce wewnętrznych powierzchni ekranu i leżą równolegle do tych płaszczyzn. Przyłożenie napięcia powoduje obrót cząstek ciekłego kryształu do pozycji prostopadłej do płaszczyzn elektrod umieszczonych na przeciwległych ściankach ekranu i zablokowanie światła.

W wyświetlaczu takim światło skręcające swoją płaszczyznę polaryzacji podczas przejścia przez warstwę ciekłego kryształu widoczne jest pod małym kątem. Technologia TN ma także odmianę nazywaną STN, która charakteryzuje się kątem skręcenia od 200 do 270 stopni. Takie wyświetlacze są łatwiejsze do sterowania, ponieważ uzyskuje się zaciemnienie od 10 do 90 procent przy różnicy napięć tylko 0,2 V (normalnie ok 1,5 V). Wadą jest dodatkowy efekt chromatyczny związany z podwójnym załamaniem światła, co wymusza stosowanie dodatkowych filtrów - po uzupełnieniu wyświetlacza o specjalną warstwę uzyskujemy ekran FSTN (Film Super Twisted Nematic).

Technika In Plane Switching                                                  

Ekran z matrycą aktywną TFT-IPS (In Plane Switching) ma elektrody umieszczone tylko na tylnej ściance, a cząstki LC nie są skręcone względem siebie w stanie neutralnym. Przyłożenie napięcia powoduje, że drobiny ciekłego kryształu skręcają się w jednej tylko płaszczyźnie i pozostają równoległe do przodu i tylu ekranu. Można obrazowo powiedzieć, że "prowadzenie" światła odbywa się wzdłuż krótszych brzegów molekuł i dzięki temu obraz widoczny jest pod większym kątem. W najnowszej technologii Super-IPS wprowadzono elektrody łamane, dzięki którym istotnie zmniejszyły się przebarwienia dla dużych kątów obserwacji oraz zwiększył się kontrast obrazu.

Technika Vertically Aligned Nematic                                                  

Technika VAN (Vertically Aligned Nematic) pozwala na zwiększanie kąta widzenia i przyspieszenie reakcji kryształu dzięki skośnemu ustawieniu molekul w stosunku do płaszczyzny ekranu, ale w zamian powoduje duże zmiany obrazu przy zmianach kąta obserwacji ekranu. Skośne ustawienie uzyskuje się dzięki zastosowaniu specjalnych roztworów poliamidowych, w których cząstki ciekłego kryształu mogą być ustawiane praktycznie w dowolnych kierunkach. W technologii MVAN (Mulitdomain VAN) grupy molekuł są odpowiednio skręcone względem siebie, tak aby uzyskać identyczny obraz z każdego kąta obserwacji.

KONIEC