Zaloguj się
Wszystkie
3 października 2024
172
Wyświetlacze LCD są obecnie dominującą technologią wyświetlania obrazów statycznych, wykorzystywaną zarówno w monitorach komputerowych jak i ekranach odbiorników telewizyjnych. Na tę sytuację bez wątpienia wpłynęły takie czynniki, jak niski koszt, smukła konstrukcja, niewielka waga, wąskie ramki okalające ekran, doskonałe odwzorowanie kolorów, szerokie kąty widzenia, krótki czas reakcji, wysoki kontrast oraz stosunkowo niskie zużycie energii.
Jednak ekrany LCD nie zawsze takie były. Wczesne wyświetlacze LCD były małe, bardzo prymitywne, powolne w odświeżaniu obrazu i przydatne tylko w urządzeniach takich jak kalkulatory. Ich rozwój i udoskonalanie zajęło dziesięciolecia, zanim stały się użyteczne przy budowie odbiorników telewizyjnych.
Rozwój tej technologi wciąż trwa.
Znacznie poprawiono ich podświetlanie, powstały ekrany z nanokryształami półprzewodnikowymi używanymi w ekranach z tzw. kropkami kwantowymi (Quantum dots – QD), ekrany OLED i MicroLED są w powszechnym użyciu. Na popularności zyskują również nieco bardziej ezoteryczne pod względem technologicznym produkty takie jak telewizory laserowe. Zanim do nich przejdziemy, zaczniemy od rozwoju technologii wyświetlaczy ciekłokrystalicznych i zasad działania tego typu wyświetlaczy.
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD)
Niektórzy nazywają ciekłe kryształy „czwartym stanem materii”. Czy nie chodzi przypadkiem o plazmę?
To, co obecnie znamy jako ciekłe kryształy, zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez Rudolfa Virchowa w 1854 roku. Zauważył on niezwykłe zachowanie mieliny (warstwy izolacyjnej wokół wiązań nerwowych).
Następnie w 1857 r. Niemiec Carl von Mettenheimer, również badający mielinę, zauważył, że płynęła ona jak ciecz, ale gdy oglądano ją pod skrzyżowanymi polaryzatorami, światło wykazywało wysoce kolorową dwójłomność, typową dla kryształów. Materiał ten nie został jednak wówczas zidentyfikowany jako ciekły kryształ.
Austriacki botanik Friedrich Reinitzer odkrył ciekłe kryształy w 1888 roku, gdy badał materiał, benzoesan cholesterylu, ekstrahowany z marchwi. Wykazał on specyficzne właściwości pomiędzy dwiema temperaturami („dwie różne temperatury topnienia”, jak je określił), które były charakterystyczne zarówno dla stanu ciekłego (amorficznego), jak i stałego (krystalicznego).
W tym stanie „mezofazy” materiał mógł odbijać spolaryzowane światło i odwracać polaryzację światła. Obserwowanemu zjawisku nazwał nazwę ciekłego kryształu. Więcej szczegółów można znaleźć na stronach: siliconchip.au/link/abfb, siliconchip.au/link/abfc.
W 1922 roku Wsiewołod Fréedericksz i A. Repiewa odkryli efekt zwany obecnie przejściem Fréedericksza, który stanowi podstawę technologii ekranów LCD. Gdy ciekły kryształ jest umieszczony między dwiema przezroczystymi szklanymi elektrodami, przepuszczalność światła może być kontrolowana elektrycznie, i stanowić elektronicznie sterowaną barierę optyczną.
Ciekłe kryształy są niezbędne do życia. Błony komórkowe, otoczka mielinowa, która izoluje nerwy i trawienie tłuszczów – wszystko to wymaga ciekłych kryształów.
Zainteresowanie ciekłymi kryształami było niewielkie aż do 1962 roku, kiedy to Richard Williams z RCA Laboratories w USA odkrył elektrooptyczne właściwości tych materiałów. Odkrył on, że ciekłe kryształy tworzą pasiaste wzory po przyłożeniu pola elektrycznego. W 1968 r. George Heilmeier zademonstrował wyświetlacz ciekłokrystaliczny, choć musiał on pracować w temperaturze 80°C.
Następnie opracowano materiały LCD, które mogły pracować w temperaturze pokojowej. W 1970 roku na międzynarodowej wystawie ACHEMA zademonstrowano kalkulator wykorzystujący ekran LCD oparty na produktach firmy Merck.
Pierwszym dostępnym na rynku kalkulatorem z wyświetlaczem LCD był Sharp EL-805, którego sprzedaż rozpoczęto w 1973 roku.
W latach 1976 i 1978 firma Merck opracowała materiały LCD o krótkim czasie przełączania, skracając czas przejścia z setek milisekund do 20 ms a nawet mniej. Poprawione zostały także właściwości optyczne. W 1980 roku firma Merck opracowała wyświetlacz typu „viewer independent panel” (panel niezależny od widza), który stał się podstawą wszystkich wyświetlaczy LCD z aktywną matrycą.
W 1982 roku pierwszy telewizor LCD został wypuszczony przez Seiko Epson w formie zegarka na rękę. W 1984 roku firma Citizen wypuściła kolorowy kieszonkowy wyświetlacz LCD o przekątnej 2,7 cala (6,8 cm), który jako pierwszy wykorzystywał aktywną matrycę lub wyświetlacz TFT (tranzystor cienkowarstwowy).
Wyświetlacze LCD były jedną z pierwszych technologii zastępujących telewizory CRT i ekrany plazmowe. Wczesne wyświetlacze plazmowe mogły generować większy obraz niż wyświetlacze LCD, ale charakteryzowały się niską jasnością i wysokim zużyciem energii.
W 1988 roku Sharp wyprodukował wysokiej klasy 14-calowy (36 cm) monitor LCD, natomiast Epson wypuścił kolorowy projektor LCD, VPJ-700, w styczniu 1989 roku. Badania nad ekranami LCD były kontynuowane i ostatecznie ekrany LCD mogły być produkowane w rozmiarach konkurencyjnych do wyświetlaczy plazmowych. Dzięki temu mogły być używane zarówno na rynku małych rozmiarów (gdzie wyświetlacze plazmowe nie nadawały się do użycia), jak i na rynku dużych rozmiarów, gdzie wyświetlacze plazmowe dominowały.
W 1994 roku na targach w Japonii zademonstrowano ekran LCD o przekątnej 21 cali (53 cm). Pod koniec lat 90. zademonstrowano prototypowe wyświetlacze o przekątnej 40 cali/1 m.
W 1995 roku firma Hitachi Ltd opracowała technologię „in-plane switching” (IPS), zapewniającą znacznie szerszy kąt widzenia niż istniejąca technologia TN (twisted nematic) bez nadmiernych zmian kolorów lub jasności.
Następnie, w 1997 roku, firma Fujitsu Ltd wyprodukowała wyświetlacz LCD z technologią „wyrównania pionowego” (VA), która zapewniała znacznie lepszy kontrast i głębszą czerń, gdy nie było podłączone napięcie.
Większość dzisiejszych ekranów LCD nadal wykorzystuje technologię TN, IPS lub VA. TN jest używana głównie tam, gdzie wymagany jest bardzo szybki czas reakcji, ponieważ ma gorsze odwzorowanie kolorów i kąty widzenia. IPS zapewnia najlepsze kąty widzenia i odwzorowanie kolorów, ale jego kontrast nie jest tak wysoki jak VA, więc czernie mogą wyglądać na szare.
W 2000 roku opracowano nowe materiały ciekłokrystaliczne o znacznie skróconym czasie reakcji do 8 ms i jeszcze szerszych kątach widzenia dla wyświetlaczy VA o lepszych kolorach, jasności i kontraście. W 2006 roku Sharp opracował technologię VA stabilizowaną polimerami, która zapewnia lepszą transmisję światła, a tym samym niższe zapotrzebowanie na energię do podświetlenia.
W 2006 roku ceny ekranów LCD zaczęły drastycznie spadać i zaczęły wypierać z rynku wyświetlacze plazmowe, a telewizory LCD zaczęły wyprzedzać te plazmowe. Do 2008 roku telewizory LCD wyprzedziły również telewizory CRT.
Zasady działania wyświetlacza matrycowego LCD są dość proste, jak pokazano na rysunkach 28 i 29. Liniowe filtry polaryzacyjne, stosowane w niektórych aparatach i okularach przeciwsłonecznych, zapewniają jednolitą polaryzację światła w jednym kierunku. Światło jest przepuszczane normalnie, jeśli dwa liniowe filtry polaryzacyjne są ustawione w jednej linii. Jeśli jednak zostaną obrócone względem siebie o 90°, światło zostanie zatrzymane. Dlatego sterując polaryzacją jednej z dwóch warstw, ilość przechodzącego światła może być kontrolowana płynnie, od blisko 100% do blisko 0%.
W wyświetlaczu LCD warstwa ciekłych kryształów jest umieszczona pomiędzy dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami. Pomiędzy polaryzatorami znajdują się również przezroczyste elektrody wykonane z tlenku indowo-cynowego, z warstwą wyrównującą i kolorowymi filtrami (dla kolorowych wyświetlaczy LCD) reprezentującymi kolory subpikseli. Cały zespół nazywany jest „kanapką”.
Warstwy wyrównujące składają się z dwóch płytek poliimidowych, po jednej z każdej strony ciekłych kryształów, które zostały poddane obróbce w celu wyrównania z nimi ciekłych kryształów. Każda płytka jest ustawiona pod kątem prostym do drugiej. Co zaskakujące, jedną z metod tworzenia wzoru wyrównania jest pocieranie płytki aksamitną szmatką w pożądanym kierunku.
Gdy do ciekłego kryształu nie jest doprowadzany prąd, wyrównanie przez grubość kryształu zmienia się z kierunku jednej płytki na kierunek drugiej. Powoduje to zmianę polaryzacji światła z jednego ustawienia na drugie, a tym samym transmisję światła.
Jeśli przez ciekłe kryształy zostanie przyłożone napięcie za pośrednictwem zwykłych elektrod lub tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) w podstawie każdego elementu piksela wyświetlacza, ciekłe kryształy wyrównują się i blokują światło. Stopień blokowania zależy od przyłożonego napięcia.
Wcześniejsze ekrany LCD były typu „pasywnej matrycy” z elektrodami po obu stronach warstwy LCD. Nowsze wyświetlacze to „aktywne matryce”, w których elektrody dla każdego elementu subpiksela są zastąpione cienkowarstwowymi (półprzezroczystymi) tranzystorami, co skutkuje szybszym czasem reakcji oraz ostrzejszym i jaśniejszym obrazem.
Źródłem światła dla paneli LCD przez długi czas były zimnokatodowe lampy fluorescencyjne (CCFL), ale obecnie są to głównie diody LED. Dodatkowe uwagi na temat tego rozróżnienia znajdują się w wydzielonej sekcji na końcu artykułu.
Nawiasem mówiąc, można stwierdzić, czy okulary przeciwsłoneczne są polaryzacyjne, czy nie, patrząc na działający ekran LCD i obracając je. Jeśli ekran przyciemni się lub zgaśnie pod pewnym kątem, okulary mają soczewki polaryzacyjne.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
