MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY Technologie displejů a principy jejich činnosti BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Daniel Hruška Brno, 2011

Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Vedoucí práce: RNDr. Jaroslav Pelikán, Ph.D. i

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce RNDr. Jaroslavu Pelikánovi, Ph.D. za ochotu a odbornou pomoc při konzultacích. Děkuji své rodině a Janu Hánovi, bez kterého by tato práce nevznikla. ii

Shrnutí Tato práce popisuje současné technologie displejů a jejich principy činnosti. Součástí práce jsou také 3D animace, které tyto principy vyobrazují. Dále je pozornost věnována obecným vlastnostem displejů, specifikům jednotlivých technologií a jejich využití v praxi. Abstract This thesis describes present display technologies and their working principles. A part of the thesis are 3D animations which visualize these principles. General display properties, specifities of particular technologies and their application in real life are also discussed. iii

Klíčová slova displej, tekuté krystaly, LCD, OLED, plazma, PDP, elektronický papír, E Ink Keywords display, liquid crystal, LCD, OLED, plasma, PDP, electronic paper, E Ink iv

Obsah 1. Úvod%... 1 2. Kategorizace displejů%... 2 2.1. Emisivní displeje*... 2 2.2. Neemisivní displeje*... 2 3. Vlastnosti a parametry displejů%... 4 3.1. Fyzické parametry*... 4 3.2. Obnovovací frekvence*... 5 3.3. Jas*... 5 3.4. Barevná hloubka*... 6 3.5. Kontrastní poměr*... 6 3.6. Pozorovací úhly*... 6 3.7. Doba odezvy*... 7 3.8. Spotřeba energie*... 7 4. LCD%... 8 4.1. Skupenství a uspořádání částic*... 9 4.2. Historie tekutých krystalů*... 9 4.3. Typy a fáze tekutých krystalů*... 10 4.4. Fyzikální vlastnosti tekutých krystalů*... 12 4.5. Podsvětlení*... 14 4.6. Princip činnosti LCD*... 14 4.7. Způsoby adresování*... 16 4.8. Twisted Nematic LCD*... 17 4.9. Color Super-Twisted Nematic LCD*... 18 4.10. In-Plane Switching LCD*... 19 4.11. Shrnutí*... 21 5. Plazmové displeje%... 22 5.1. Výboje v plynech*... 22 5.2. DC PDP*... 23 5.3. AC PDP*... 24 5.4. Shrnutí*... 25 6. OLED displeje%... 26 6.1. Dioda*... 26 6.2. Princip činnosti OLED displeje*... 27 6.3. Small Molecules OLED*... 28 6.4. Polymer OLED*... 28 6.5. Photosphorscent OLED*... 29 v

6.6. Architektury OLED displejů*... 29 6.7. Shrnutí*... 30 7. E Ink%... 31 7.1. Princip činnosti E Ink displeje*... 31 7.2. Typy E Ink displejů*... 32 7.3. Shrnutí*... 32 8. Závěr%... 33 9. Literatura%... 34 10. Přílohy%... 37 vi

1. Úvod Displej je výstupní zařízení sloužící k zobrazování vizuálního obsahu. V dnešní době je displej nenahraditelným prostředníkem v komunikaci mezi elektronickými zařízeními a uživatelem. Displeje se dělí na emisivní a neemisivní [1]. U emisivních displejů vyzařuje světlo každý jeho bod (pixel či subpixel), kdežto u neemisivních displejů je zapotřebí dodatečného zdroje světla. Mezi emisivní displeje spadají: CRT katodové displeje (Cathode Ray Tube) 1 ; PDP plazmové displeje (Plasma Display Panel); OLED displeje z organických svítivých diod (Organic Light-Emmiting Diode). Mezi neemisivní displeje patří: LCD displeje z tekutých krystalů (Liquid Crystal Display); E Ink displeje na bázi elektronického inkoustu. Začátek práce je zaměřen na rozdělení displejů podle kritérií uvedených v předchozím odstavci. Další kapitola je věnována nejdůležitějším vlastnostem a parametrům displejů. V následujících kapitolách jsou již popsány jednotlivé technologie displejů, jejich použití v praxi a shrnutí jejich pozitiv a negativ. Text práce je doplněn o 3D animace, jejichž účelem je principy těchto technologií vizualizovat a pomoci je lépe pochopit. Pro tvorbu animací byla použita aplikace Kinemac, přičemž každá animace je ve formě videosnímku v kontejneru MP4. 1* Tato práce se CRT nezabývá. 1

2. Kategorizace displejů Hlavním aspektem pro kategorizaci displejů je zdroj světla. V této kapitole jsou popsány vlastnosti, výhody a nevýhody jednotlivých druhů displejů. 2.1. Emisivní displeje Mezi emisivní displeje jsou řazeny ty, jejichž každý pixel emituje světlo s různou intenzitou a barvou. Pokud jas emitoru, v našem případě pixelu, nemění v žádném směru svou hodnotu, je nazýván Lambertian [2]. Většina emisivních displejů je tedy Lambertian emitorem, a proto dosahují dobrých výsledků při pozorování jejich obrazu z rozličných úhlů (viz 3.6 Pozorovací úhly). Díky schopnosti vyzařovat vlastní světlo mohou být tyto displeje použity ve velice tmavém prostředí. Po vypnutí jsou zcela tmavé až černé, což vede k dobrému kontrastnímu poměru (viz 3.5 Kontrastní poměr). V dalších kapitolách práce je z této kategorie věnována pozornost technologiím PDP a OLED (viz 5. Plazmové displeje, 6. OLED displeje). 2.2. Neemisivní displeje Na rozdíl od emisivních displejů neemisivní nevyzařují žádné světlo. Aby byla informace zobrazená na těchto displejích čitelná, je potřeba dodatečného zdroje světla. Podle umístění tohoto zdroje, a tedy způsobu modulace (pozměnění) světla z něj vycházejícího, se dělí neemisivní displeje na transmisivní, reflektivní a transflektivní. 2.2.1. Transmisivní displeje Zdroj světla je umístěn vespod displeje (tzv. podsvětlení). Světlo vycházející ze zdroje postupně prochází jednotlivými vrstvami displeje, které jej modulují za účelem získání požadovaných vlastností obrazu. Nevýhodou transmisivních displejů je velice špatná čitelnost na přímém slunci, jelikož světlo odrážející se od povrchu displeje je mnohem jasnější než světlo vycházející z podsvětlení. Do této kategorie patří například dnes hojně používané LCD. 2

2.2.2. Reflektivní displeje U tohoto druhu displejů je k zobrazení informace vyžadováno světlo z okolí. To se poté odráží od povrchu displeje, a tak je umožněno vidět právě zobrazovanou informaci. Z toho plyne, že reflektivní displeje nemohou být použity v temném prostředí. Naopak, oproti transmisivním displejům, na přímém slunci vykazují velice dobrou čitelnost. Nejznámější zástupce reflektivních displejů je technologie E Ink (viz 7. E Ink), která je používaná zejména v displejích čteček elektronických knih. 2.2.3. Transflektivní displeje Obr. 2.1:! Transflektivní displej mobilního telefonu Nokia 6230i, u kterého je každý pixel složen z tří transmisivních a šesti reflektivních subpixelů [2] Tyto displeje kombinují principy transmisivních a reflektivních displejů. Na přímém slunci se vlastnosti transflektivních displejů podobají těm reflektivním, a proto dosahují dobrého kontrastního poměru i ve vnějších prostorách. V méně světlém prostředí se naopak jejich vlastnosti podobají displejům transmisivním. Jas podsvětlení je zvýšen, aby kontrastní poměr dosahoval přijatelných hodnot a obraz byl tak čitelný. Displej je složen z reflektivních a transmisivních pixelů. Obr. 2.2:! Reflektivní a transmisivní pixely (zleva) [2] 3

3. Vlastnosti a parametry displejů V této kapitole je na displeje nahlíženo jako na konkrétní zařízení mající určité vlastnosti a parametry. V první podkapitole je práce zaměřena na fyzické parametry jako velikost úhlopříčky, poměr stran a rozlišení. Jedná se o parametry, které jsou určeny návrhem a realizací daného zařízení. Jsou tedy pevně dány a nelze je po výrobě displeje nikterak měnit. V dalších podkapitolách jsou sepsány a vysvětleny fyzikální a jiné vlastnosti, jež souvisí s displejem jako se zařízením zobrazujícím určitou informaci. Do jisté míry lze tyto vlastnosti chápat jako měřítko kvality a věrohodnosti zobrazované informace. Ovšem každý jedinec vnímá totožný vizuální obsah, ať už rozsah barev či plynulost obrazu u pohyblivých snímků, individuálně a odlišně od zbytku lidské populace [4]. Také rozdílné oblasti využití kladou na displeje specifické požadavky. 3.1. Fyzické parametry 3.1.1. Poměr stran Poměr šířky ku výšce displeje je nazýván poměr stran. Starší obrazovky jej měly typicky roven 4:3. Obrazovky s poměry stran vyššími než 4:3 jsou nazývány širokoúhlé. V dnešní době se nejčastěji používá univerzální poměr stran pro video 16:9, avšak je možno se setkat i s poměry stran jako 16:10, 21:9 1, 5:4 či 3:2 2. 3.1.2. Rozlišení Rozlišení displeje udává počet pixelů displeje, avšak nejčastěji je uváděno jako počet sloupců a řádků, zapisováno počet sloupců počet řádků. Dnešní ploché televizory mají rozlišení s minimálním počtem 720 fyzických řádků při širokoúhlém poměru stran a mohou tak získat certifikaci a logo HD Ready [5]. 1* Poměr stran používaný v kinech. 2* Formát často používaný pro tištěné fotografie. 4

640 480 VGA 1024 768 XGA 1920 1080 FHD 320 240 QVGA 1280 800 WXGA 1366 768 HD 480 320 HVGA 1440 900 WXGA+ 1600 900 HD+ 800 480 WVGA 1680 1050 WSXGA+ 2560 1440 QFHD Obr. 3.1:! Příklady rozlišení a jejich zkratek 3.1.3. Úhlopříčka Velikost úhlopříčky je určena vzdáleností dvou protilehlých rohů displeje, udává se v palcích a pomáhá k orientační představě o velikosti displeje. Ovšem nevypovídá nic o jeho poměru stran. Displeje mobilních telefonů jsou velké typicky 2 4,5, u přenosných počítačů 8 17 a u stolních počítačů 17 30. 3.2. Obnovovací frekvence Jelikož zobrazení dynamického obsahu a interaktivita s uživatelem je podstata dnešních displejů, musí se obsah v určitých časových intervalech obměňovat. Obnovovací frekvence se pohybují v rozmezí 60 120 Hz. Například při obnovovací frekvenci 100 Hz je na displeji každých 10 ms vykreslen nový obraz. Složením jednotlivých obrazů časových úseků vzniká pro lidský mozek ucelený plynulý obraz. 3.3. Jas Jsou-li pominuty reflektivní displeje, každý displej vyzařuje světlo s určitou intenzitou (jasem). Aby se objekt vykreslený na displeji nejevil vybledlý, měl by být jas displeje roven nebo mírně vyšší než jas zobrazovaného objektu. V tmavém prostředí však jasně svítící displej působí oslnivě. V osvětlených vnitřních prostorách dosahují monitory počítačů jasu 200 300 cd m -2, u větších obrazovek televizorů je pak potřeba 500 1500 cd m -2 [6]. 5

3.4. Barevná hloubka Reálný objekt se může skládat z nekonečného množství odstínů barev, které nelze v digitální podobě reprezentovat. Proto je každý displej schopen zobrazit jen určitý počet barev. Používá se tzv. aditivního míchání barev, při kterém jsou kombinovány tři základní barvy systému RGB červená (red), zelená (green) a modrá (blue). Každý pixel je tudíž rozdělen na tři subpixely těchto barev. Jednotlivé subpixely jsou schopny zobrazit určitý počet odstínů své barvy, které jsou uloženy jako binární číslo konkrétní délky. Z toho plyne, že pokud je každý subpixel schopen zobrazit 8 odstínů své barvy, je každý pixel (a tudíž celý displej) schopen zobrazit přibližně 16,8 milionů barev (2 8 2 8 2 8 16,8 10 6 ). Obr. 3.2:! Tři matice pixelů s odlišným uspořádáním subpixelů 3.5. Kontrastní poměr Podíl jasu bílé a černé barvy na témže displeji je nazýván kontrastní poměr. Vyšší hodnoty znamenají vyšší kvalitu obrazu a sytost barev. Pokud je kontrastní poměr roven nebo menší jedné, není lidské oko schopno od sebe rozlišit jednotlivé barvy. Obraz se poté jeví zkreslený či zcela nerozpoznatelný. Definice kontrastního poměru je dána vztahem kde L w značí jas bílého pixelu, L b jas černého pixelu a L ar jas světla odraženého od povrchu displeje. 3.6. Pozorovací úhly Kvalita obrazu se s odchylováním od kolmice k displeji může lišit. Dochází ke snižování jasu, kontrastu a sytosti barev. Lambertian emitory, jako jsou PDP či OLED displeje, podléhají těmto efektům na rozdíl od LCD jen minimálně. U méně 6

kvalitních displejů pak může docházet k výrazným změnám barevných odstínů či záměnám barev [7]. 3.7. Doba odezvy Každý pixel musí být co nejrychleji schopen reagovat na změnu obrazu. Pokud je doba odezvy příliš pomalá, jeví se u pohyblivých objektů obraz jako rozmazaný. Doba přepnutí pixelu na sepnutý stav, zvýšení jasu z 10 % na 90 %, jeho následné snížení na 10 % a přepnutí do vypnutého stavu se nazývá doba odezvy. Dalším způsobem, jak změřit dobu odezvy je tzv. odezva šedá-šedá (gray-to-gray GTG), při které je měřen čas změny mezi odstíny ve stupních šedi. Přesná specifikace GTG neexistuje, protože každý výrobce displejů používá odlišných metod měření. V pěti úrovních jasu (0 %, 25 %, 50 %, 75 % a 100 %) jsou naměřeny délky časů potřebných ke zvýšení jasu z každé úrovně na všechny vyšší úrovně. Ze získaných dvaceti hodnot se výrobcem zvolenou metodou vypočítá délka odezvy GTG, která se současných displejů pohybuje v jednotkách milisekund. 3.8. Spotřeba energie Spotřeba energie je velmi důležitý faktor obzvláště u mobilních zařízení, kde se klade důraz na co nejdelší výdrž baterie. Také pro displeje zapojené do elektrické sítě je malá spotřeba energie žádoucí. Je generováno méně tepla, což znamená i jeho menší rozvod do součástek displeje a do okolního prostředí. Druhým důsledkem je nižší odběr elektrického proudu a s ním související finanční úspory a menší zátěž životního prostředí. 7

4. LCD Displeje na bázi tekutých krystalů jsou dnes využívány v širokém spektru odvětví. Tomuto faktu značnou mírou napomáhá možnost vyrábět LCD displeje v různých velikostech běžně o úhlopříčce velikosti jeden až několik desítek palců. Dalšími výhodami LCD displejů jsou malá hmotnost, nízké provozní napětí a spotřeba energie či uspokojivý kontrastní poměr a pozorovací úhly. LCD spadají do kategorie neemisivních displejů, proto je vyžadováno dodatečné osvětlení. Podle jeho umístění se LCD dělí na transmisivní, reflektivní a transflektivní. Dalším aspektem pro rozdělení LCD do kategorií je řídící matice (viz 4.7 Způsoby adresace). Hlavním principem činnosti LCD je průchod světla přes dva polarizační filtry 1 s navzájem kolmými polarizačními osami. Mezi těmito polarizačními filtry jsou umístěny tekuté krystaly, které mají schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla 2. Podle úhlu natočení se pixel jeví rozsvícený nebo tmavý. Obr. 4.1:! Schematické znázornění principu činnosti LCD displeje [8] 1* První polarizační filtr ve směru šíření světla se nazývá polarizátor, druhý analyzátor. 2 * Polarizované světlo kmitá na rozdíl od světla přirozeného pouze v jedné rovině. 8

4.1. Skupenství a uspořádání částic Každá látka má v jistém okamžiku svou určitou formu nazývanou skupenství. Mezi základní tři skupenství látek patří skupenství pevné, kapalné a plynné. Mezi těmito skupenstvími je látka schopna přecházet v závislosti na okolním tlaku a teplotě. Síly mezi částicemi 1 pevných látek jsou natolik silné, že se částice nemohou volně pohybovat, ale pouze vibrovat okolo svých rovnovážných poloh. V závislosti na pravidelnosti uspořádání částic se pevné látky dělí na krystalické a amorfní. Částice v krystalických látkách jsou uspořádány do tzv. krystalické mřížky, a tvoří tak pravidelné trojdimenzionální vzorce krystaly. Naopak částice amorfních pevných látek nejsou nijak pravidelně uspořádány. Pokud je teplota pevné látky zvýšena nad její bod tání, začne se přeměňovat na kapalinu. Síly mezi částicemi kapalin již nejsou natolik velké, aby udržely své původní uspořádání. Kapalina tak získává tvar nádoby, ve které je umístěna. Částice kapalin jsou schopny se mezi sebou pohybovat nebo-li téci. Tekuté krystaly jsou potom zvláštním případem látek mající některé vlastnosti pevných i kapalných látek a vytvářejí tedy svou samostatnou kategorii v řazení látek podle skupenství [9]. Obr. 4.2:! Krystalická mřížka (vlevo) a nepravidelné uspořádání částic v amorfní látce (vpravo) [10] 4.2. Historie tekutých krystalů Počátky výzkumu a objevení samotné existence tekutých krystalů sahají do konce 19. století. V té době pracoval rakouský chemik a botanik Friedrich Reinitzer na dnešní Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. V roce 1888 experimentoval se substancí benzoátu cholesterolu, aby zjistil přesný vzorec a molární hmotnost cholesterolu. Při pokusu naměřit jeho bod tání, což je důležitý 1* Ionty, atomy nebo molekuly. 9

ukazatel čistoty substance, zjistil, že daná substance má dva body tání. Při 145,5 C roztál pevný krystal na kalnou kapalinu, která se při 178,5 C přeměnila na čirou a bezbarvou. V roce 1889 prováděl podobné pokusy také německý fyzik Otto Lehmann, tentokrát se směsí jodidu stříbrného a benzoátu cholesterolu. Stav látky mezi pevným a kapalným skupenstvím této směsi nazval poprvé tekutými krystaly [11]. Roku 1922 francouzský mineralog Georges Friedel zjistil, že molekuly tekutých krystalů se orientují ve směru elektrického pole. V 60. letech 20. století zpozoroval francouzský teoretický fyzik Pierre-Gilles de Gennes podobnosti mezi tekutými krystaly, supravodiči a magnetickými materiály. V roce 1991 byl de Gennes oceněn Nobelovou cenou za fyziku za objev zobecnění metod vyvinutých za účelem studia jevů v jednoduchých uspořádaných systémech na složitější formy hmoty, zejména tekuté krystaly a polymery [12]. Pozdější vývoj displejů na bázi tekutých krystalů byl značně ovlivněn de Gennesovou prací. První komerčně vyráběné LCD displeje se pak objevily na začátku 70. let 20. století. 4.3. Typy a fáze tekutých krystalů Stejně jako se například pevné látky dělí podle struktury částic na krystalické a amorfní, jsou také tekuté krystaly rozčleněny do dalších kategorií. Konkrétně se jedná o tekuté krystaly lyotropní a termotropní. Lyotropní tekuté krystaly mění své uspořádání v závislosti na jejich koncentraci v rozpouštědle. V dnešních displejích jsou nejvíce používány termotropní tekuté krystaly, které mění uspořádání molekul v závislosti na teplotě. Pokud je teplota příliš nízká, ztuhnou tekuté krystaly na krystalickou pevnou látku. Naopak s příliš vysokými teplotami se tekuté krystaly přemění na izotropní 1 kapalinu. V mezích těchto teplotních bodů, při nichž dochází k přeměně na jiná skupenství, existují tekuté krystaly v rozličných fázích. V každé fázi jsou molekuly tekutých krystalů odlišně uspořádány a natočeny. Molekuly jsou typicky tyčovitého (tzv. kalamitického), miskovitého nebo diskového tvaru. Přechody mezi fázemi tekutých krystalů pozoroval při svém pokusu právě Friedrich Reinitzer, i když o nich tehdy neměl vůbec tušení. Pevný krystal benzoátu cholesterolu roztál na tekuté krystaly v chirálně nematické fázi (též zvané cholesterické), které se následně přeměnily v čirou izotropní kapalinu. 1* Mající ve všech směrech stejné určité vlastnosti. 10

Obr. 4.2:! Schéma znázorňující proces přeměny vnitřní struktury benzoátu cholesterolu v závislosti na teplotě [8] V LCD displejích je využito tekutých krystalů v nematické fázi, avšak existují také fáze smektické a kolumnární. Obr. 4.3:! Organické kalamitické molekuly uspořádané v krystalu pevné látky, tekutých krystalech ve smektické a nematické fázi a v kapalině [8] 4.3.1. Nematická fáze (N) Kalamitické molekuly jsou v nematické fázi orientovány v průměru jedním směrem nazývaným direktor (n), avšak navzájem jsou zcela neuspořádané. Molekuly vykazují vysoký stupeň tekutosti a mohou téci ve všech třech směrech. Současně s jejich nízkou viskozitou (viz 4.4.2 Viskozita) je umožněna změna molekulární orientace v elektrickém poli. Zvláštním případem jsou molekuly s chirálním charakterem. Ty nejsou totožné se svým zrcadlovým obrazem, což způsobuje stáčení tekutých krystalů do levotočivých či pravotočivých spirálovitých struktur. Potom se jedná o již výše 11

zmíněnou chirálně nematickou fázi (N*). Stáčení molekul do šroubovice probíhá podél jedné osy, která je kolmá na direktor. Délka závitu šroubovice se zkracuje s klesající teplotou, naopak s rostoucí teplotou se prodlužuje. Obr. 4.4:! Schematické znázornění stočení molekul do! šroubovice, které má za důsledek vytvoření! závitu korespondujícího s rotací direktoru! o 360 [8] 4.4. Fyzikální vlastnosti tekutých krystalů Každé skupenství se vyznačuje svými specifickými vlastnostmi a výjimkou nejsou ani tekuté krystaly. Díky anizotropii 1 kalamitických molekul a schopnostem rychle reagovat v elektromagnetickém poli změnou direktoru je umožněno jejich využití v zobrazovacích zařízeních. 4.4.1. Optická anizotropie (dvojlomnost) V anizotropních látkách závisí rychlost světla na směru jeho šíření. Pokud vstoupí polarizované světlo do dvojlomného média, jako například tekuté krystaly v nematické fázi, rozdělí se na dva navzájem kolmé paprsky řádný (řídící se Snellovým zákonem) a mimořádný (neřídící se Snellovým zákonem) [13]. Index lomu krystalu závisí na směru šíření mimořádného paprsku v tomto krystalu. Molekuly nematik jsou opticky jednoosé materiály, kde optickou osu tvoří direktor. Mimořádný paprsek je tedy stáčen přesně ve směru kolmém na direktor a opisuje 1* Určitá veličina je závislá na zvoleném směru; opakem je izotropie. 12

tak tvar závitu. Tato vlastnost je využívána pro stáčení roviny polarizovaného světla mezi polarizátorem a analyzátorem s navzájem kolmými polarizačními osami. 4.4.2. Viskozita Vnitřní tření závisející převážně na přitažlivých silách mezi částicemi je označováno jako viskozita (či vazkost). Kapalina s velkou viskozitou brzdí pohyb svých molekul nebo těles v této kapalině více než kapalina s nízkou viskozitou. Ideální kapalina má dynamickou (absolutní) viskozitu rovnu nule a je schopna vytéci z uzavřené nádoby po jejích okrajích. Rotační dynamická viskozita tekutých krystalů, která je pro realizaci LCD displejů zásadní, se pohybuje typicky v rozmezí 0,02 0,5 Pa s. 4.4.3. Dielektrická anizotropie Anizotropní struktura tyčovitých tekutých krystalů a jejich nízká viskozita způsobuje, že tyto krystaly jsou schopny se natáčet působením elektrického pole. Tento jev je nazýván dielektrická anizotropie, která může být kladná nebo záporná. Při kladné anizotropii se dlouhá osa molekuly natáčí ve směru elektrického pole, kdežto při záporné anizotropii se staví kolmo k elektrickému poli [14]. 4.4.4. Mechanické vlastnosti Schopnost nematik reagovat pod vlivem elektrického pole způsobuje jejich deformaci. Ty jsou určeny třemi elastickými konstantami rozevření, zkrut a ohyb. Tyto reakce jsou spolu s optickou anizotropií klíčovými vlastnostmi při realizaci LCD displejů. Obr. 4.5:! Schematické znázornění deformací nematik 13

4.5. Podsvětlení Velkou část vyráběných LCD displejů tvoří transmisivní či transflektivní displeje, u kterých je potřeba dodatečného podsvětlení, protože samotný displej žádně světlo nevyzařuje. Nejběžnější způsoby pro podsvětlení LCD displeje jsou pomocí fluorescenčních výbojek se studenou katodou (cold cathode fluorescent lamp CCFL) nebo LED diod (viz 6.1 Dioda). V CCFL trubicích je využito vybíjení rtuťových výparů vytvářejících ultrafialové záření, což způsobuje vyzařování světla z luminoforní vrstvy nanesené na vnitřní straně trubice. Kvůli jedovatosti rtuti a jednodušší výrobě LED diod se od používání CCFL trubic pomalu opouští. 4.6. Princip činnosti LCD V předchozích podkapitolách byla pozornost věnována převážně tekutým krystalům, jejich rozdělení, optickým a mechanickým vlastnostem a vlivu elektrického pole na tekuté krystaly v nematické fázi. Následující kapitoly jsou zaměřeny na konstrukční řešení LCD displejů a principy jejich činnosti. Obr. 4.6:! Schéma vrstev LCD displeje; jedná se o zobecněné znázornění, jelikož různé typy LCD displejů nemusí obsahovat všechny výše uvedené vrstvy [8] 14

Světlo vyzařované z podsvětlení, ať CCFL trubic nebo LED diod, kmitá v rovině kolmé k paprsku všemi směry. Po průchodu přirozeného světla polarizátorem dochází k tzv. polarizaci. U LCD displejů se využívá polarizace lineární světlo kmitá jen v jedné rovině kolmé k paprsku, která je daná polarizační osou polarizátoru. U některých typů displejů je použit také optický retardér, jenž napomáhá snížit závislost kontrastního poměru na pozorovacích úhlech. Obr. 4.7:! Přirozené světlo po průchodu polarizátorem kmitá jen v jedné rovině; jedná se tedy o lineární polarizaci Další vrstvu, kterou již polarizované světlo prochází, tvoří substrát s elektrodou. Substrát bývá zhotoven nejčastěji ze skla, ale může být také plastový. Substrát zabraňuje vytečení směsi nematik z displeje a tím dodává displeji určitou pevnost a mechanickou odolnost. Elektrody mění ve směsi nematik elektrické napětí, což zapříčiňuje jejich deformaci prostorového uspořádání rozevření, zkrut a ohyb. Následuje pasivační vrstva, která tvoří bariéru mezi elektrodami a zarovnávací vrstvou a zabraňuje mezi nimi výměně iontů. Samotná směs tekutých krystalů je umístěna mezi dvěma rýhovanými zarovnávacími vrstvami. Drážky zarovnávací vrstvy nacházející se blíže k polarizátoru, jsou rovnoběžné s jeho polarizační osou. Druhá zarovnávací vrstva má drážky rovnoběžné s polarizační osou analyzátoru. Tyto drážky v nesepnutém stavu 1 zarovnávají tyčovité molekuly nematik přesně podél polarizačních os polarizátoru a analyzátoru, což vede k jejich zkrutu do šroubovice. Díky dvojlomnosti tekutých krystalů se polarizované světlo stáčí přesně podle závitu šroubovice, projde druhou pasivační vrstvou, substrátem s elektrodami a případně optickým retardérem. Poté narazí na analyzátor a jelikož je stočeno přesně do roviny rovnoběžné s polarizační osou analyzátoru, projde skrz. Pixel se poté jeví jako rozsvícený. V sepnutém stavu je mezi tekuté krystaly přivedeno elektrické napětí, což zapříčiňuje reakci tekutých krystalů v podobě jedné ze tří elastických konstant. 1* Stav, při kterém není mezi elektrody přivedeno elektrické napětí. 15

Uspořádání do šroubovice je tedy narušeno, polarizované světlo se nestáčí do roviny polarizační osy analyzátoru a pixel se proto jeví tmavý. 4.7. Způsoby adresování Dnešní displeje se skládají z matice pixelů (resp. subpixelů), jsou-li opomenuty segmentové displeje, u kterých jsou jednotlivé segmenty adresovány přímo. Aby byl displej schopen zobrazit požadovanou informaci korektně, musí být schopen přivádět do každého z jeho pixelů elektrické napětí v daném čase. Obr. 4.8:! Schematické znázornění aktivní (vlevo) a pasivní matice (vpravo) 4.7.1. Pasivní matice Elektrody v displejích využívajících adresování pomocí pasivní matice jsou tvořeny průhlednými proužky oxidu india a cínu (ITO). Z jedné strany displeje jsou elektrody umístěny svisle, z druhé strany pak vodorovně. Pro adresaci konkrétního subpixelu je potřeba zvolit příslušný řádek a sloupec. Protože je tímto způsobem nutno postupovat pro každý subpixel zvlášť, vyplývají z použití této metody adresace dvě hlavní nevýhody. Jelikož se po odpojení elektrického napájení vrací tekuté krystaly do spirálovitého uspořádání, je nutné používat tekuté krystaly s dlouhou setrvačností. Tento fakt vede k odezvě 100 200 ms, proto jsou displeje s pasivní maticí nevhodné pro rychle měnící se obsah, jako jsou například vidosekvence. Tento problém částečně řeší Dual Scan adresace. Displej je horizontálně rozdělen na dvě poloviny, které pracují na principu pasivní matice. Další nevýhodu pasivního adresování je nemožnost přesně regulovat elektrický proud v elektrodách, a dochází tak k přeslechům sousedních bodů. Potom mohou z pixelu vycházet postupně slábnoucí horizontální a vertikální čáry [15]. 16

4.7.2. Aktivní matice Každému subpixelu je přiřazen jeden tranzistor, ke kterému vedou mezi jednotlivými subpixely vodiče. Tranzistory jsou nejčastěji vyrobeny z tenké vrstvy polykrystalického křemíku, proto se nazývají tenké fóliové tranzistory (thin-film transistor TFT). Tento způsob adresace dovoluje tekutým krystalům, které jsou umístěny mezi elektrodami, chovat se jako kondenzátor. Kýžené natočení tekutých krystalů je tudíž drženo elektrickým nábojem, proto mohou mít nižší setrvačnost než tekuté krystaly používané v displejích s pasivní maticí. TFT LCD díky schopnosti držet elektrický náboj mají dobu odezvy pod 20 ms. Aktivní adresování eliminuje přeslechy okolních bodů a také umožňuje přesně nastavit barevnou hloubku každého bodu. Nevýhodou TFT LCD je vyšší spotřeba oproti adresaci pasivní maticí. 4.8. Twisted Nematic LCD Výroba LCD displejů využívajících nematických krystalů stočených do šroubovice (TN-LCD) započala roku 1970 ve švýcarském městě Lenzburg [16]. Od té doby si TN-LCD displeje pomalu vydobyly dominanci mezi LCD displeji. S využitím přímého či pasivního adresování jsou TN-LCD vhodné do digitálních náramkových hodinek, kalkulátorů či do jiných zařízení využívající segmentové nebo řádkové displeje. TN-LCD displeje s aktivním adresováním jsou využívány v přenosných počítačích, mobilních telefonech, televizorech či monitorech stolních počítačů. Obr. 4.9:! Schéma TN-LCD displeje [8] 17

Krystaly jsou v nesepnutém stavu díky zarovnávacím vrstvám zformovány do šroubovice (viz 4.6. Princip činnosti LCD) s direktorem lišícím u krajních krystalů přesně o úhel 90. V sepnutém stavu se díky vlivu elektrického pole k němu natočí molekuly krystalů paralelně, pokud se jedná o molekuly s pozitivní dielektrickou anizotropií (viz 4.4.3. Dielektrická anizotropie). Tento efekt vede k přeuspořádání optických os molekul a snížení efektu dvojlomnosti. Rovina polarizovaného světla pak není stáčena o 90 a světlo je pohlceno analyzátorem. Při nefunkčnosti tranzistoru subpixelu není možné přepnout tento subpixel do nesepnutého stavu a jeví se stále jako svítící. Díky nízkým nákladům na výrobu se jedná o nejrozšířenější a nejpoužívanější technologii LCD. Výhodou je také dobrá doba odezvy TN-LCD displeje. Mezi nevýhody patří špatné pozorovací úhly a horší podání barev. 4.9. Color Super-Twisted Nematic LCD Obr. 4.10:! Schéma CSTN-LCD [8] První Super-Twisted Nematic LCD (STN-LCD) displeje byly vyráběny v polovině 80. let 20. století, přičemž využívaly pasivního adresování. Jejich barevná varianta (CSTN LCD) se pak začala vyrábět na začátku let devadesátých. CSTN-LCD má 18

oproti TN-LCD s pasivní maticí lepší zobrazovací schopnosti větší pozorovací úhly a menší dobu odezvy. Princip fungování je velice obdobný TN-LCD displejů. Rozdíl spočívá v úhlu natočení šroubovice, který se typicky pohybuje v rozmezí 180 270. Dnes jsou CSTN-LCD téměř zcela vytlačeny TN-LCD s aktivní maticí, jejichž cena byla v době uvedení CSTN-LCD mnohonásobně vyšší. CSTN-LCD nacházely využití v přenosných počítačích, monitorech či mobilních telefonech. Díky své nízké ceně jsou dnes používány v displejích nenáročných na kvalitu obrazu, u kterých nejsou podstatnými parametry doba odezvy či pozorovací úhly. Příkladem jsou displeje na ovládacích panelech CNC strojů či jiných zařízeních ve strojírenském průmyslu. 4.10. In-Plane Switching LCD In-Plane Switching technologie byla vyvinuta v roce 1996 japonskou společností Hitachi a měla za úkol vylepšit chabé pozorovací úhly a horší podání barev TN LCD displejů. Se stále snižující se cenou se IPS-LCD stávají vhodnou alternativou TN LCD displejů. Obr. 4.11:! Schéma IPS-LCD displeje [8] Dle obrázku 4.11 je patrné, že struktura IPS-LCD displeje se liší od TN a STN technologií. In-Plane Switching, nebo-li technologie přepínání v rovině, nemá 19