ЛЦД екран

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Wikipedijin logotip na LCD monitoru

LCD (енгл. Liquid-crystal display (LCD)) је екран заснован на технологији течних кристала. Данас се најчешће користе у ЛЦД мониторима у облику активних ТФТ ЛЦД екрана. ТФТ ЛЦД екран састоји се од одређеног броја пиксела, који су поређани испред неког светлосног извора (данас најчешће ЛЕД-ице, а донедавно ЦЦФЛ цеви). Троши релативно мало електричне енергије, те заузима мало простора. Текуће кристале открио је још 1888. године аустријски ботаничар Ф. Реинтзер, када је проучавао материју по имену цхолестерyл бензоате. Таљењем те материје добио је мутну течност која се хлађењем бистрила и на крају се кристалисала. Међутим, тек је 1968. године пронађена материја која је на собној температури имала ова својства.[1]

Течне кристале је крајем 19. века први пронашао аустријски ботаничар Фриедрицх Реинитзер, а сам термин "течни кристал" смислио је мало касније немачки физичар Отто Лехманн.

Течни кристали су готово провидне супстанце, који имају особине и чврсте и течне материје. Светло које пролази кроз Течне кристале прати поредак молекула од којих се они састоје - што је особина чврсте материје. 1960-их година откривено је да наелектрисавање Течних кристала мења њихов молекуларни поредак и самим тим и начин како Светло пролази кроз њих - што је особина течности.

Од њихове појаве као медијума за дисплеје 1971. године, Течни кристали су ушли у различите области које обухватају минијатурну телевизију, дигиталне фотоапарате, видео камере и мониторе, а данас многи верују да је ЛЦД технологија која ће највероватније заменити монитор са катодном цеви. Од свог почетка, технологија се значајно развила, тако да данашњи производи више не личе на старе, неспретне монохроматске уређаје. Она се појавила пре технологија равних екрана и осигурала је свој положај у области преносних и ручних ПЦ рачунара, где је на располагању у два облика:

  • јефтинији ДСТН (енгл. dual-scan twisted nematic) - обрнути нематик са двоструким скенирањем
  • транзистор са танким филмом ТФТ (енгл. thin film transistor) за слику високог квалиета

Дисплеји са течним кристалима имају бројне предности у односу на екране са катодним цевима, у погледу габарита, потрошње електричне енергије и треперења, као и "беспрекорну" геометрију. Мане су им много већа цена, лошији видни угао и мало слабије перформансе приказа боја.[2]

Принцип рада[уреди]

ЛЦД је трансмисивна технологија. Дисплеј ради тако што пропушта променљиве количине белог позадинског светла сталног интензитета кроз активни филтар. Црвени, зелени и плави елементи пиксела добијају се једноставним филтрирањем белог светла.

Већина течних кристала су органска једињења која се састоје од дугачких молекула у виду шипке који се, у свом природном стању, распоређују тако да су им подужне осе приближно паралелне. Могуће је прецизно контролисати поравнање ових молекула ако се течни кристал наноси на фино избраздану површину. Поравнање молекула тада прати бразде, па ако су оне сасвим паралелне, такав ће бити и распоред молекула.

Први принцип једног ЛЦД дисплеја састоји се у постављању течног кристала у "сендвич" између две фино избраздане површине, где су бразде на једној површини нормалне (под углом од 90 степени) у односу на бразде на другој површини. Ако су молекули на једној површини поређани у правцу север-југ, а молекули на другој у правцу исток-запад, онда су они између присиљени да буду у стању обртања од 90 степени.

Светлост прати поредак молекула и зато се обрне за 90 степени док пролази кроз течни кристал. Међутим, на основу открића у РЦА Америца, када се течни кристал стави под напон, молекули се сами поређају вертикално, дозвољавајући светлу да прође без обртања.

Други принцип једног ЛЦД дисплеја ослања се на особине поларизујућих филтара и саме светлости. Таласи природне светлости су оријентисани под случајним угловима. Поларизујући филтар је једноставно скуп веома финих паралелних линија. Ове линије дејствују као мрежа, заустављајући све светлосне таласе сем оних који су (случајно) оријентисани паралелно тим линијама. Суперпозицијом два филтра, тако да линије једног буду распоређене нормално у односу на линије другог филтра, светлост би била потпуно заустављена. Светлост би прошла кроз други поларизатор ако би његове линије биле тачно паралелне са првим, или ако би сама светлост била обрнута тако да одговара другом поларизатору.

Типичан обрнути нематички (ТН - тwистед нематиц) течни кристал састоји се од два поларизујућа филтра са међусобно нормално распоређеним линијама (под углом од 90 степени) који би, као што је описано, зауставили сву светлост која би покушала да прође кроз њих. Али, између ових поларизатора се налазе обрнути течни кристали. Зато се светлост поларизује помоћу првог филтра, обрће за 90 степени помоћу течних кристала и најзад потпуно пролази кроз други поларизујући филтар. Међутим, када се прикључи електрични напон на течне кристале, молекули се престроје вертикално, дозвољавајући светлости да прође кроз њих без обртања, али се она зауставља на другом филтру. Последица тога је да ако нема напона - светлост пролази, а ако се напон укључи - нема светлости на другом крају.

Кристали у ЛЦД дисплеју могли би бити алтернативно распоређени, тако да светлост пролази када има напона, а не пролази када га нема. Међутим, како су екрани скоро увек укључени, штеди се електрична енергија ако се кристали распореде тако да када нема напона - пролази светлост.[3]

Главне карактеристике[уреди]

Дисплеји са течним кристалима следе различит скуп правила од дисплеја са катодним цевима, нудећи предности у погледу величине, потрошње електричне енергије и треперења, као и "беспрекорну" геометрију. Мане су им много већа цена, лошији видни угао и мање тачна перформанса у погледу боја.

Док су катодне цеви у стању да приказују низ резолуција и да их скалирају тако да одговарају екрану, ЛЦД панел има фиксиран број ћелија са течним кристалима и може да прикаже само једну резолуцију на пуној величини екрана, користећи једну ћелију по пикселу. Мање резолуције могу да се прикажу користећи само део екрана. На пример, панел од 1024 x 768 пиксела може да приказује резолуцију од 640 x 480 користећи само 66% површине екрана. Већина дисплеја са течним кристалима могу да поново скалирају слике ниже резолуције тако да попуне екран. Међутим, то боље успева са сликама са континуалним тоном, као што су фотографије, него са текстом и сликама са финим детаљима, где резултат може бити у виду лоших појава назубљености код косих линија и слично. Најбољи резултати постижу се код оних ЛЦД дисплеја који узимају у обзир цео екран када врше скалирање слике, уклањајући тако појаве назубљености (слично анти- алиасинг алгоритмима).

За разлику од монитора са катодним цевима, цео дисплеј је видљив, па ЛЦД екран исте дијагонале као ЦРТ има вецу корисну површину (код ЦРТ монитора маска екрана прекрива 2- 3цм од сваке ивице екрана). У табели су приказане комбинације из којих се види да било који дисплеј са течним кристалима одговара катодној цеви која је 2 до 3 инча већа:

Величина равног панела Величина катодне цеви Типична резолуција
13,5 инча 15 инча 800 x 600
14,5 до 15 инча 17 инча 1024 x 768 или 1280 x 1024
18 инча 21 инч 1280 x 1024 или 1600 x 1200

Катодна цев има три електронска топа чији млазеви морају да конвергирају без грешке, да би створили оштру слику. Код панела са течним кристалима нема проблема конвергенције, јер се свака ћелија укључује и искључује појединачно. То је разлог зашто текст на монитору са течним кристалима изгледа тако јасан. Нема брига око брзина освежавања и треперења код панела са течним кристалима - ЛЦД ћелије су или укључене или искључене, па слике могу да се приказују са малим брзинама освежавања, између 40 и 60 Хз, а да немају веће треперење од оних које имају брзину освежавања од 75 Хз.

Са друге стране, могуће је да једна или више ћелија на ЛЦД панелу откажу. На монитору од 1024 x 768 пиксела, постоје по три ћелије за сваки пиксел - по једна за црвено, зелено и плаво - што чини близу 2,4 милиона ћелија (1024 x 768 x 3 = 2359296). Мала је шанса да све оне буду перфектне; вероватније је да ће неке од њих да откажу, било да остану упаљене (стварајући грешку "цигле") или да се искључе (што је "тамна" грешка). Неки од купаца могу да помисле да им већа цена ЛЦД дисплеја гарантује беспрекорне екране, што нажалост није тачно.

ЛЦД монитори имају друге елементе које не можете пронаћи у дисплејима са катодним цевима. Панели су осветљени помоћу флуоресцентних цеви које су налазе у задњем делу уређаја. Понекад, дисплеј ће давати светлије линије у једним деловима екрана него у другим. Такође, могуће је видети прекиде или појаву паразитних слика на екрану, где посебно светла или тамна слика може да утиче на суседне делове екрана. Фини узорци, као на пример умекшане слике, могу да створе "моаре" или интерферентне узорке који трепере.

Проблеми угла гледања се јављају на дисплејима са течним кристалима зато што је та технологија трансмисивни систем који ради помоћу модулације светлости која пролази кроз дисплеј, док су катодне цеви, напротив, емисивне. Код емисивних дисплеја, постоји материјал који емитује светлост на предњи део дисплеја, што се лако види под широким угловима. Код дисплеја са течним кристалима, док пролази кроз жељени пиксел, светлост емитована под већим углом пролази и кроз суседне пикселе, што проузрокује изобличење боје.

Данас се већина монитора са течним кристалима укључују и уобичајени 15-пински аналогни ВГА прикључак на рачунару и користе аналогно-дититални конвертор да претворе сигнал у облик који панел може да употреби. ВЕСА је урадила спецификацију за дигитални видео прикључак (DVI) који је одобрен као индустријски стандард почетком 1998. године. Новији ЛЦД монитори имају и аналогне и дигиталне улазе. Како ЛЦД монитори постају све распрострањенији, све више произвођача нуди своје графичке картице, чак и слабије моделе, у варијанти са ВГА и DVI излазма.

ДСТН дисплеји[уреди]

Слојеви ДСТН дисплеја

Пасивна матрица дисплеја са течним кристалима има више слојева. Први је од стакла, на које је нанесен метални оксид. Материјал који се користи је веома провидан, па тако не утиче на квалитет слике. Матрица ради као решетка електрода за редове и колоне које пропуштају струју да би се активирали поједини елементи екрана. Одозго је нанесен полимер који има низ паралелних жлебова на које се везују молекули. То се зове слој за поравнање и поновљен је на другој стакленој плочи која такође има известан број одстојника за одржавање растојање између две плочице стакла када се оне поставе заједно у склопу. Ивице се онда залију епоксидном смолом, али са отвором остављеним у једном углу. То омогућава да се материјал са течним кристалима унесе између плочица (у вакууму) пре него што се плочице потпуно залију. У првим моделима овај процес је био склон грешкама, што је резултовало заглављеним или изгубљеним пикселима, у оним деловима где материјал са течним кристалима није успео да стигне у све делове екрана.

Затим су нанесени поларизациони слојеви на крајње спољашње површине сваке стаклене плочице, тако да одговарају оријентацији слојева за поравнање. Код ДСТН, или екрана са двоструким сканирањем, оријентација слојева за поравнање варира између 90 и 270 степени зависно од укупне ротације течних кристала између њих. Додата је и позадинска светлост, типично у облику флуоресцентних цеви са хладном катодом, монтираних дуж горње и доње ивице панела. Светлост се расподељује по панелу помоћу пластичног светловода или призме.

Слика која се појављује на екрану, ствара се помоћу те светлости која пролази кроз слојеве панела. Уколико на ЛЦД панел није прикључено напајање, позадинска светлост је вертикално поларизована задњим флтром и прелама се од молекуларних ланаца у течном кристалу, тако да се појављује из хоризонтално поларизованог филтра на предњем делу. Укључивање напона престројава кристале, тако да светлост не може да прође, што производи таман пиксел. Дисплеји са течним кристалима у боји једноставно користе додатне црвено, зелено и плаво обојене филтре над три посебна ЛЦД елемента да би створили пиксел у више различитих боја.

Међутим, сам одзив ЛЦД дисплеја пасивном матрицом је врло спор. Код брзо променљивог садржаја екрана, као што је то случај са видеом или брзим покретима миша, често се појављује "размазаност" и "духови" јер дисплеј не може да држи корак са променама садржаја. Поред тога, пасивна матрица изазива и појаву паразитних дуплираних слика, ефекат у коме једно подручје са укљученим пикселима изазива сенку на искљученим пикселима у истим редовима и колонама. Овај проблем може значајно да се умањи дељењем екрана на два дела и њиховим независним освежавањем, као и усавршавањима у циљу побољшања екрана са пасивним матрицама.

Крајем 1990-их година, више различитих постепених развоја истовремено је повећало брзину и контраст дисплеја са двоструким сканирањем. Хибридни пасивни дисплеји са течним кристалима (ХПД) које су заједнички развиле фирме Тосхиба и Схарп, користили су другачију формулацију материјала са течним кристалима, да би обезбедили постепено, мада значајно побољшање квалитета дисплеја, уз мало повећање цене. Нижи вискозитет течног кристала значи да материјал може брже да прелази из једног стања у друго. Комбиновано са повећаним бројем управљачких импулса који се упућују на сваку линију пиксела, ово побољшање је омогућило да ХПД ЛЦД надмаше ДСТН дисплеје и приђу ближе перформансама ЛЦД дисплеја са активном матрицом. На пример, ћелије ДСТН имају време одзива од 300 мс, поређено са ХПД код којих је то 150 мс, док је код ћелија ТФТ време одзива испод 25 мс. Контраст је побољшан од претходног 40:1 на 50:1, а напредак је постигнут и у погледу преслушавања.

Један други приступ била је техника звана вишелинијско адресирање, која је анализирала улазни видео сигнал и прекључивала панел онолико брзо колико је то одређена слика дозвољавала. Фирма Схарп је понудила сопствену верзију ове технике која се звала Схарп Аддрессинг; верзија фирме Хитацхи се звала ХПА (Хигх Перформанце Аддрессинг - адресирање високе перформансе). Ови панели новије генерације су давали видео квалитет и углове гледања који су их поставили бар у исту арену са ТФТ екранима, ако баш и не припадају истој лиги.[4]


Боје,осветљеност и контраст[уреди]

Да би се створиле нијансе потребне за дисплеј са верним бојама, морају да постоје неки средњи нивои осветљности исмеђу пуног светла и потпуног одсуства светла које пролази кроз екран. Мењање нивоа осветљености које се тражи да би се направио дисплеј са верним бојама постиже се променом напона под који се стављају течни кристали. Течни кристали се у ствари обрћу брзином која је директно сразмерна напону, омогућавајући тако да се управља количином светлости. У пракси, ипак, промена напона дисплеја са течним кристалима нуди само 64 различите нијансе по елементу (6 бита), супротно од дисплеја у боји са катодним цевима који могу да створе 256 нијанси (8 бита). Уз употребу три елемента по пикселу, то има за резултат да дисплеји са течним кристалима у боји могу да дају максимално 262144 различите боје (18 бита), поређено са мониторима у правој боји са катодним цевима који дају 16777216 боја (24 бита).

Како мултимедијалне примене постају све распрострањеније, недостатак праве 24-битне палете боја на дисплејима са течним кристалима постаје озбиљно питање. Док су 18 бита добри за већину примена, то је недовољно за фотографију или видео. Неке конструкције дисплеја са течним кристалима успеле су да прошире дубину боје на 24 бита приказујући наизменично различите нијансе на узастопним освежавањима кадра, што је техника позната као ФРЦ (Фраме Рате Цонтрол - контрола брзине кадра). Међутим, разлика је сувише велика, запажа се треперење.

Фирма Хитацхи је развила технику где се прикључује напона на суседне ћелије да би се створиле врло мале промене узорка у секвенци од три до четири кадра. Са њом, Хитацхи може да симулира не баш 256 нивоа сивог, али још увек врло прихватљивих 253 нивоа сивог, што се преводи у више од 16 милиона боја - и готово се не може разликовати од праве 24-битне палете.

Однос контраста је мера која показује колико је светлији чисто бели излаз у поређењу са чисто црним излазом. Што је контраст већи, то је слика оштрија, а бело ће бити чистије. У поређењу са ЛЦД дисплејима, монитор са катодном цеви нуди далеко већи однос контраста.

Време одзива се мери у милисекундама и односи се на време које је потребно сваком пикселу да би одговорио на команду коју прима из контролера панела. Време одзива се користи само када се говори о ЛЦД дисплејима, због начина на који они шаљу свој сигнал. Време одзива се не примењује на мониторе са катодним цевима због начина на који они приказују информације (електронски млаз који побуђује фосфор).

Има много различитих начина на које се може мерити осветљај. Што је већи ниво осветљености (који се у табели представља већим бројем), то ће светлије бити приказано бело на дисплеју. Животник век ЛЦД монитора је приближно 60000 сати, или око 6,8 година. У односу на то, катодне цеви могу да трају много дуже. Међутим, док ЛЦД дисплеји једноставно изгоре, катодне цеви постају слабије како старе и у пракси немају могућност да дају осветљај према ИСО стандардима после око 40000 сати употребе.

ТФТ екрани[уреди]

Слојеви ТФТ екрана

Многа предузећа су усвојила технологију транзистора танког филма (ТФТ - Тхин Филм Трансистор) да би побољшала екране у боји. У ТФТ екрану, такође познатом и као активна матрица, на ЛЦД панел је повезана додатна матрица транзистора - по један транзистор за сваку боју (црвену, зелену и плаву) сваког пиксела. Ови транзистори управљају пикселима, елиминишући једним ударцем и проблем паразитних дуплирања слика и малу брзину одзива који муче не-ТФТ дисплеје са течним кристалима. Резултат су времена одзива екрана реда 25 мс, односи контраста у области од 200:1 до 400:1 и вредности осветљаја између 200 и 250 цд/м2 (кандела по квадратном метру). [5]

Елементи сваког пиксела од течних кристала су уређени тако да у њиховом нормалном стању (без укљученог напона) светлост која долази кроз пасивни филтар је "погрешно" поларисана и зато заустављена. Али, када се напон прикључи на елементе течних кристала, они се обрћу до деведесет степени у сразмери са напоном, мењајући своју поларизацију и пуштајући да прође више светлости. Транзистори управљају степеном обртања и сходно томе интензитетом црвених, зелених и плавих елемената сваког пиксела који уобличава слику на екрану.

ТФТ (енгл. Thin Film Transistor) екрани могу да се направе много тањим од ЛЦД-ова, што их чини лакшим, а брзине освежавања са сада приближавају онима које имају катодне цеви, јер раде око десет пута брже од ДСТН екрана. ВГА екрани захтевају око 921000 транзистора (640x480x3), док је за резолуцију од 1024x768 потребно 2359296 транзистора и сваки треба да буде беспрекоран. Комплетна матрица транзистора треба да се произведе на једној јединој скупој силицијумској плочици и само мало присуство нечистоћа значи да цела плоча мора да се одбаци. То доводи до знатног повећања трошкова производње и главни је разлог за високу цену ТФТ дисплеја. То је такође разлог зашто је у сваком ТФТ дисплеју постоји неколико неисправних пиксела чији су транзистори отказали.

Постоје два феномена који дефинишу неисправан ЛЦД пиксел:

  • "Упаљен" пиксел, који се јавља као један или више случајно распоређених црвених, плавих и/или зелених пиксела на потпуно тамној позадини, или
  • "недостајући" или "мртав" пиксел који се јавља као црна тачка на потпуно белој позадини.

Први је чешћи и резултат је случајног кратког споја транзистора, што има за последицу да је пиксел (црвени, зелени или плави) стално укључен. Нажалост, после склапања уређаја немогућа је поправка ове грешке. Може се онеспособити неисправан транзистор помоћу ласера. Међутим, то ће само створити црне тачке које ће се појавити на белој позадини. Стално укључивање пиксела је прилично честа појава у производњи дисплеја са течним кристалима, па произвођачи постављају границе - засноване на трошковима производње и повратним информацијама од корисника - колико неисправних пиксела је још увек прихватљиво за дати ЛЦД панел. Циљ постављања тих граница је да се одржи разумна цена производа уз минимизацију одвраћања корисника због лошијег квалитета у погледу неисправних пиксела. На пример, панел са резолуцијом од 1024x768 - који садржи укупно 2359296 (1024x768x3) пиксела - и који има 20 неисправних пиксела, имао би процент неисправних пиксела од (20/2359296)*100 = 0.0008 %.

Референце[уреди]

Спољашње везе[уреди]