Plazmové displeje PDP (Plasma Display Panel)

Transkript

1 Plazmové displeje PDP (Plasma Display Panel) S nástupem velkoplošných televizí s úhlopříčkou 42 a vyšší se začaly používat plazmové displeje. Jejich obraz je velmi kvalitní. Oproti LCD displejům mají navíc vynikající podání černé barvy. Měly také rychlejší odezvu a větší kontrast, což se ale u moderních LCD displejů poměrně stírá. Nevýhodou je vyšší spotřeba, hmotnost a kratší životnost. Plazmový displej se skládá ze dvou velkých skleněných desek, mezi nimiž leží maličké komůrky (skleněné baňky) s elektrodou, které jsou naplněny silně ionizovanou směsí vzácných plynů neonu a xenonu (plazmou). Po zapnutí displeje, elektroda přivede do plynu proud a v plazmě se uvolní volné elektrony. Kladné ionty a záporné elektrony se začnou srážet, což způsobí, že se ionty dostanou do excitovaného stavu a uvolní foton. Na čelní straně každé komůrky je nanesena vrstva speciálních chemikálií luminoforů, které po uvolnění fotonů začnou zářit červenou, zelenou nebo modrou barvou. Kombinací těchto tří barev vzniká obrazový bod. Překrytím červené, zelené a modré lze vytvořit jakoukoliv barvu viditelného spektra včetně realistické černé. Schéma PDP (Plasma Display Panel): 1

2 Princip PDP Plazma čtvrté skupenství Abychom pochopili princip plazmových displejů, musíme si nejdříve objasnit, co je to plazma a jakou funkci má u technologie PDP (Plasma Display Panel). Hmota, jak ji známe, se skládá z atomů, zatímco plazma je skupenstvím složeným z iontů a elementárních částic. Protože není plazma plynem, kapalinou ani pevnou látkou, nazývá se někdy čtvrtým skupenstvím. V klidovém stavu se v plazma displejích nachází plyn, popř. se jedná o směs vzácných plynů jako je argon, neon či xenon. Jsou to elektroneutrální atomy, čili musíme najít způsob, jak z nich vytvořit plazmu. Ten je jednoduchý do plynu se pustí elektrický proud, čímž se objeví mnoho volných elektronů. Srážky mezi elektrony a částicemi plynu ústí v to, že některé atomy plynu ztratí své elektrony a vznikají tak kladně nabité ionty. Spolu s elektrony tedy získáváme plazmu. Tím, že máme vytvořeno elektrické pole, začnou se jednotlivé nabité částice pohybovat ke svým opačným pólům plynové ionty k záporně a elektrony ke kladně nabitému pólu. V plazmě tedy dochází k velkým pohybům a ve vzniklém zmatku se začnou jednotlivé částice srážet. To způsobí, že plynové ionty se dostávají do excitovaného stavu a poté uvolní foton, tedy světlo. K pochopení uvolnění fotonu musíme zabrousit ještě hlouběji do chemie. Při nárazu volného elektronu do jednoho z elektronů iontu na nižším orbitalu získá tato částice energii, která jí dovolí na krátký čas přejít na vyšší energetickou hladinu (Např. z orbitalu s do orbitalu p ). Ovšem okamžitě poté ho elektromagnetické síly donutí k návratu na původní orbital a přebytečná energie je uvolněna ve formě fotonu (foton je částice, jejíž hmota a energie je dána pouze rychlostí při nulové rychlosti zaniká). Ovšem energie fotonu, který je uvolněn ionty neonu a xenonu, je často tak vysoká, že vlnová délka přesahuje možnosti lidského oka. Uvolňuje se totiž pro nás neviditelné ultrafialové záření. Aby vznikl na plazmovém displeji obraz, musí dojít ještě k dalšímu procesu, který si vysvětlíme dále. 2

3 Struktura plazmového displeje Z toho, co jsme si nyní řekli je evidentní, že plazmové displeje jsou aktivní a své světlo samy vyzařují (na rozdíl od podsvětlovaných LCD displejů). Ovšem ještě je nutné, aby ultrafialové záření bylo převedeno na viditelné světlo. To je stejně jako u CRT monitorů zajištěno luminoforem, kterým je pokryta zevnitř každá obrazová buňka (viz níže). Luminofor způsobuje, že po vstřebání elektronu či ultrafialového záření vyzáří viditelné světlo. Celý plazmový displej je tvořen maticí miniaturních fluorescentních buněk (pixelů), které jsou ovládány sítí elektrod. Buňky jsou uzavřeny mezi dvěma tenkými skleněnými tabulkami, každá obsahuje malý kondenzátor a tři elektrody. Adresovací elektroda je umístěna na zadní stěně buňky, zatímco dvě transparentní zobrazovací elektrody leží na přední stěně. Tyto dvě elektrody jsou izolovány dielektrikem a chráněny vrstvou oxidu hořečnatého (MgO). (viz schéma) Struktura displeje je tedy maticí, kde horizontální řádky tvoří adresovací elektrody, zatímco vertikální sloupce jsou zobrazovací (někdy se jim říká výbojové) elektrody. Vzniká tak mřížka, ve které lze každou buňku adresovat zvlášť. Všechny pixely se u barevných plazmových displejů skládají ze tří barevných subpixelů, z červeného, zeleného a modrého. (viz schéma) 3

4 Princip zobrazovací techniky Zde je ještě jednou zjednodušené schéma buňky v PDP. Jde jen o jednu třetinu pixelu, která má na starosti jednu barevnou složku. (viz schéma) Do obou zobrazovacích elektrod je pouštěno střídavé napětí. Když je napětí iniciováno, je indukován výboj, který začne ionizovat plyn a vytvářet plazmu. Dielektrikum a oxid hořečnatý sice ihned výboj zastaví, ale po změně polarity (jde o střídavý proud) ionizace pokračuje a je tak dosaženo výboje. Napětí na elektrodách je udržováno těsně pod hladinou, kdy začne vznikat plazma a k ionizaci pak dojde i při velmi nízkém zvýšení napětí na adresovací elektrodě. Po vzniku plazmy získají nabité částice díky elektrickému poli kinetickou energii a začnou do sebe narážet. 4

5 Neon a xenon jsou přivedeny do excitovaného stavu a po návratu elektronu do svého orbitalu uvolní ultrafialové záření. Díky tomuto záření pak excitují atomy luminoforu a ty uvolní viditelné světlo. V každém pixelu jsou tři různě barevné luminofory, jejichž kombinací vzniká výsledná barva. Červený, zelený a modrý luminofor musí být ovládány zvlášť a navíc v mnoha úrovních intenzity, abychom dostali, co největší škálu zobrazovaných barev. U CRT monitorů je princip jednoduchý, reguluje se elektronový paprsek, který na bod dopadá. U plazmových displejů funguje ovládání intenzity na principu modulace pulsního kódu (Pulse Code Modulation PCM). Tato modulace slouží k převedení analogového signálu s nekonečným rozsahem na binární slovo s pevně danou délkou. Proto jsou PDP obrazovky plně digitální, což je správný krok do budoucna. Intenzita každého subpixelu je určována počtem a šířkou napěťových pulsů, které dostává buňka během každého snímku. Toho je dosaženo tak, že trvání každého snímku je rozděleno na několik kratších částí, podsnímků. Během této periody jsou pixely, které mají svítit, přednabity na určité napětí (pomocí zobrazovacích elektrod) a během zobrazovací fáze je pak napětí aplikováno na celý displej (adresovací elektroda). Ovšem to znamená, že rozsvítí jen ony přednabité subpixely a jejich intenzita je dána právě úrovní nabití. Standardní metoda určuje 256 úrovní nabití pro každý subpixel, protože každý snímek je rozdělen na 8 podsnímků ovládaných 8- bitovým slovem (viz PCM). Celá tato technologie se nazývá ADS (Address/Display Separated) a byla vyvinuta v roce 1984 společností Fujitsu. Výhody a nevýhody PDP Protože plazmové displeje samy o sobě emitují světlo, mají vynikající pozorovací úhly kolem , takže jsou vhodné pro prezentační účely apod. Další nespornou výhodou je zmiňovaná úspora místa při velkých úhlopříčkách. Podívejme se, ale také na ty negativní stránky, které byly ovšem z velké části potlačeny. Plazmové displeje ne zrovna nejvyšší kvality mají problémy s kontrastem. Důvodem je právě to, že napětí mezi zobrazovacími elektrodami je udržováno stále pod prahem ionizace, aby měla obrazovka dostatečně rychlou odezvu. Negativním účinkem ale je to, že k minimální ionizaci dochází i bez napětí na adresovací elektrodě, což omezuje schopnost zobrazit nejtmavší odstíny a tím snižuje kontrast. Jinými slovy, plazma vzniká i v pohotovostním stavu, když je adresovací elektroda vypnutá. Na konci 90. Let, ale přišlo Fujitsu s technologií zvyšující kontrast ze 70:1 až na 400:1, později dokonce 500:1. S kontrastem souvisel i další problém neschopnost zobrazovat dokonale stupnici šedi. V tmavých scénách se totiž barvy blízké černé slévají v jednu a přechody nejsou zdaleka plynulé. Ovšem moderní PDP displeje již tímto neduhem netrpí a škála zobrazovaných odstínů je širší. Přestože výroba PDP není tak náročná na prostředí jako např. LCD, jsou stále plazmové displeje velmi drahé. Životnost plazmových obrazovek je kolem 10 tisíc hodin, což je asi poloviční hodnota než u LCD displejů. V poměru cena za hodinu nejsou PDP příliš praktické. A nevhodnost plazmových displejů pro použití s počítači bychom vyčetli ještě z jedné hodnoty rozteč bodů se zatím nedostala pod 0,3mm, naopak bývá mnohem vyšší. Proto je 5

6 stále nejlepší využití těchto obrazovek jako HDTV (High Definition TV) a pro prezentační účely větších společností. V loňském roce se vyrobilo kolem 360 tisíc PDP a toto číslo neustále vzrůstá. Alternativní řešení Fujitsu ALiS Společnost Fujitsu (dnes její divize Fujitsu Hitachi Plasma Display Ltd.) se ale nespokojila s omezeným rozlišením, které PDP poskytovaly. Pro zvýšení rozlišení by totiž bylo nutné zdvojnásobit na stejné ploše počet zobrazovacích elektrod, což by vyžadovalo mnohem vyšší přesnost výroby. Navíc by se tak ještě zhustily řádky mezi elektrodami, které žádné světlo nevyzařují, což znamená snížení jasu. Posledním problémem by byla nutnost zdvojnásobit rychlost ovládání, aby nedošlo ke zpomalení obrazu. Řešení přineslo Fujitsu ve formě technologie Alternate Lighting of Surfaces (ALiS). (viz schéma) Technologie ALiS vychází z metody prokládání. Jak vidíte na obrázku, u klasického PDP jsou pixely ovládány vždy dvojicí elektrod, které musí mít mezi sebou rozestupy, aby nedocházelo k rušení. Tyto mezery nejsou využity k zobrazování, a proto jsou více méně tmavé a snižují jas celého displeje. Navíc je u PDP omezeno rozlišení, jak jsme si řekli výše. ALiS pracuje jinak. Při zachování stejného počtu elektrod (resp. je tam o jednu více) dosahuje vyššího rozlišení a jasu. Je to proto, že elektrody mají stejné rozestupy a minimalizuje se tak plocha, kterou zabírají mezery, tedy tmavé linky (z 60% na 35%). Protože ale každá elektroda pracuje pro dva řádky, musí se každý snímek vystřídat zobrazení sudého a lichého řádku. Dobře je to znázorněno na obrázku. Každá mezera mezi dvěma elektrodami je jednou za snímek (po dobu trvání poloviny snímku) využita pro zobrazení, což zdvojnásobuje rozlišení. Navíc je každá buňka využita jen polovinu času oproti PDP, a to zvyšuje trvanlivost luminoforu. Výrobní náklady nejsou vyšší než u klasické PDP techniky, a proto již Fujitsu vyrábí z převážné většiny ALiS displeje. Plazmové panely společnosti Fujitsu Krátce se také podíváme, jaké produkty dnes nabízí společnost Fujitsu Hitachi Plasma Display. Jedná se o trojici ALiS displejů a jeden WVGA displej (Wide VGA). 6

7 Poslední zmiňovaný panel má výhodu hlavně v tloušťce, která může být pouhých 40mm. Zbylé tři ALiS obrazovky jsou široké 65mm a jejich rozměry jen o něco přesahují úhlopříčku 32, 37 a 42 (WVGA má také 42 ). (viz obrázek) Výhodou těchto obrazovek je jistě kontrast, který se nachází v rozsahu 500:1 700:1, svítivost, která kromě WVGA panelu přesahuje 650 cd/m2 a také to, že dokáží zobrazit plné 24-bitové barvy, tedy odstínů. Nevýhodou je naopak rozlišení a z toho vyplývající velikost bodu. Rozlišení 32 a 42 ALiS displeje je jen 1024x1024, u WVGA klesá na pouhých 852x480 pixelů. Z toho vyplývá, že velikost bodu v horizontálním směru je 0,39-0,51mm (WVGA - 1,08mm) a ve vertikálním směru pak 0,81 1,08mm. To je vhodné jen pro účely prezentací, příp. jako drahá HDTV. Další PDP technologie Kromě výše popsaných metod byly vyvinuty ještě některé metody plazmových obrazovek. Některé z nich se příliš neprosadily, ale pro komplexnost si je představíme. Asymetrické luminofory Složení pixelů může být realizováno dvěma způsoby. Jedna o tzv. symetrické a asymetrické luminofory. Standardně se používá levnější symetrická metoda, která je založena na tom, že všechny RGB barevné složky mají v pixelu stejný podíl. Výroba matice je tak jednodušší, protože velikost všech buněk je stejná a vytváří tak síťovitou strukturu.(viz schéma) Naopak technika asymetrických luminoforů používá rozdílné velikosti, kde má modrá barva větší podíl na úkor červené. Důvod je ten, že modrá určuje teplotu barev a je-li modrá jasnější, je možné použít i jasnější červenou. Kromě vyšších výrobních nákladů má ovšem tato technologie nevýhodu i v tom, že do každé buňky musí být pouštěno rozdílné napětí a ovládací prvky musí být vyladěnější. Proto nejsou asymetrické luminofory příliš používané. 7

8 Adresovací technologie Existují dvě metody, kterými jde ovládat (adresovat) jednotlivé buňky v plazma displejích. Nazývají se Single Scan Technology a Dual Scan Technology.(viz schéma) V jednoduchém adresování dochází k adresaci (tedy přednabití) všech bodů ještě před zobrazovací fází, kdy jsou do elektrod pouštěny napěťové pulsy. Je potřeba jen jedna sada ovladačů, které adresování zajišťují, a proto je výrobní cena přijatelná. Duální adresování je obrazovka rozdělena na dvě poloviny, kde každá má svoji sadu ovládacích prvků (jedna je na horní části, druhá ve spodní). Protože k adresaci všech bodů tak dojde za poloviční dobu než u Single Scan technologie, zbude pak více času pro zobrazovací fázi. V ní je možno vyslat více pulsů a tím se zvyšuje jas displeje. Negativní dopadem duální techniky je, že se zvyšuje spotřeba energie a také zkracuje životnost luminoforu. Fujitsu používá pro výrobu PDP metodu jednoduchého adresování. PALCD Poslední technologií, kterou si v článku krátce představíme, je hybrid mezi PDP a LCD displeji, který se nazývá Plasma Addressed Liquid Crystal Display (PALCD). Na tomto produktu spolupracuje společnost Sony s Tektronixem a možná se již brzy objeví mezi spotřebitelskými výrobky. Jedná se o LCD displej, který ovšem není ovládán tranzistorovou aktivní maticí, ale soustavou anod a katod, které pomocí plazmových výbojů způsobují natáčení tekutých krystalů. Znamená to, že místo adresování jednotlivých krystalů tranzistory jsou ke stejnému účelu využity struktury, které jsme si popsali výše. Zaměření je stejně jako u většiny PDP hlavně pro prezentační účely a nikoliv do obýváku. Protože není třeba vyrábět tranzistorové matice, není produkce PALCD tolik náročná na dokonale čisté prostředí, a proto je levnější. 8