LCD VS. CRT Martin Kotva, Jakub Dítě 4. A, Gymnázium Na Vítězné pláni, šk. rok 2005/2006 Abstrakt: V našem článku představíme základní principy fungování technologií LCD a CRT. Na závěr obě technologie porovnáme. Úvod Zobrazovací zařízení jsou součástí našeho každodenního života. Bez nich by nebylo možné používat počítače, ani se dívat na televizi. Hrají tedy důležitou roli při naší práci, vzdělávání, získávání informací z médií, či zábavě. Proto by každý z nás měl mít alespoň rámcovou představu o principu, na kterém tyto technologie fungují. Ještě předtím, než vám v tomto článku představíme dvě nejčastěji používané technologie (LCD displeje a CRT obrazovky), vás seznámíme s několika základními pojmy, které je třeba znát pro lepší pochopení principů. Základní pojmy LCD (Liquid Crystal Display Dislej z tekutých krystalů). CRT (Cathod Ray Tube). Rozlišení počet pixelů (obrazových bodů), jež lze zobrazit na příslušné obrazovce. Dot pitch vzdálenost mezi buňkami na displeji, které zobrazují stejnou barvu. Tzn. velikost trojice buňek zobrazujících 3 základní barvy a prostoru mezi touto trojicí a další trojicí vedle ní. Čím menší je toto číslo, tím ostřejší obraz a naopak. Obnovovací rychlost frekvence, již je CRT monitor schopen měnit obraz. U LCD monitorů se jedná o čas, za který je schopen se krystal nabít a znovu vybít tak, aby byl připraven k dalšímu nabití. Dead pixel pixel svítící stále jednou barvou, kvůli porušenému tranzistoru Polarizační filtr usměrní rozptýlené světlo do určité polarizace, případně propustí světlo jen určité polarizace. LCD Displeje [1, 3] LCD displeje v posledení době zažívají obrovský rozmach. To je zapříčiněno především snižováním ceny a pokrokem v technologii. Dříve byly LCD displeje v porovnání s klasickými CRT obrazovkami příliš drahé a i přes vysokou cenu nedokázaly spotřebiteli nabídnout totéž co CRT obrazovky. Hlavními slabinami byly dlouhá obnovovací frekvence, která je důvodem rozmazání rychle se pohybujících objektů, a malý pozorovací úhel. Výrobcům se tedy daří snižovat obnovovací frekvenci na opravdu malé časy a obraz je dnes kontrastní i při pozorování z velkého úhlu. Dnes jsou standardní hodnoty obnovovací frekvenci okolo 8 ms, dříve to však bylo několikanásobně více. 66
Něco málo z historie 1904: Otto Lehman vydává svou hlavní práci Tekuté krystaly 1911: Charles Mauguin popisuje strukturu a vlastnosti tekutých krystalů 1968: V USA první fungující LCD Jak že tedy tyto mašinky vlastně fungují? A co je to ten tekutý krystal? Tekutý krystal je látka stojící na pomezí pevného a tekutého skupenství. Tekutý krystal vzniká smícháním několika základních látek, mezi kterými lze jmenovat bifenyly, či dioxiny. Ideální směs zajišťuje vhodnou elasticitu, viskozitu, či správný index odrazu výsledného produktu. Hotová molekula tekutého krystalu má podobu tyčovitého útvaru, který se jakoby vznáší v tekutině. Nyní si probereme skladbu LCD monitoru. Tu můžeme vidět na Obr. 1. Nejdále od pozorovatele LCD displeje je položena podsvětlovací deska, která vydává světlo. Toto světlo je ideálně stejně intenzivní na celé ploše dipleje. Světlo z této desky nyní prochází prvním ze dvou polarizačních filtrů. Tento filtr má za úkol usměrnit rozptýlené světlo kolmo k druhému polarizačnímu filtru. Výsledkem je, že žádné světlo neprojde, pokud nedojde k nějaké změně na dráze mezi těmito dvěma filtry. O to se postarají právě tekuté krystaly. Před tímto filtrem se nachází skleněná deska a před ní je Obr. 1: Stavba LCD monitoru již vrstva tekutých krystalů. Tekutý krystal má pro náš účel důležitou tu vlastnost, že pokud se do něj pustí elektrický proud, tak se zkroutí a láme světlo jinak, než ve stavu kdy není pod proudem. Poté co krystal přestane být pod proudem, vrátí se zpět do své původní polohy. Každá zobrazovací jednotka má k dispozici svůj vlastní tranzistor, který určuje velikost proudu jím procházející. Tento proud zdeformuje krystal tak, že lomí světlo a narušuje původní kolmou orientaci světelných paprsků na druhý polarizační filtr. Tato změna v orientaci způsobuje, že druhým polarizačním filtrem přeci jen nějaké světlo prochází. Jas tohoto světla závisí právě na velikosti proudu procházejícího tekutým krystalem. Každý pixel se skládá ze tří podpixelů. Výsledná barva pixelu je totiž zajištěna kombinací tří základních barev (červené, zelené a modré získaných průchodem světla přes malinké barevné filtry). Při míchání barvy se místo množství (jako u malování) počítá s jasem. Pro každou základní barvu máme u LCD displejů k dispozici 256 možných hodnot jasu, což dělá cca 16,8 milionu různých barev pro každý pixel. Před vrstvou s krystaly se již nachází pouze další skleněná vrstva a před ní již několikrát zmiňovaný druhý polarizační filtr. 67
Rozlišujeme 3 základní druhy LCD displejů. Dělí se podle zdroje světla usměrňovaného polarizačními filtry. První druh je osvětlován zpoza obrazovky. Výsledkem je výborný kontrast. Používá se na obrazovky. Druhý typ využívá denního světla, které se odráží vespodu displeje a zpětně prochází celým systémem LCD displeje. Tento typ se využívá např.u kalkulaček. Výhodou je zanedbatelná spotřeba elektrického proudu. Třetí druh kombinuje oba předchozí způsoby. Setkat se s ním můžeme např.u mobilních telefonů, u kterých je zobrazovaný obsah čitelný i bez podsvícení. CRT Obrazovky [3] Obrazovky CRT byly až donedávna bezkonkurenčně nejrozšířenější technologií používanou k výrobě zobrazovacích zařízení. V jejich neprospěch však hovoří velké rozměry, spotřeba, ale i větší namáhání očí než u LCD diplejů. Jsou však stále cenově nejdostupnější. Něco málo z historie vývoje CRT obrazovek 1981 - IBM - CGA, color graphics adapter - 4 barvy, 320*200 pixelů 1984 - IBM - EGA, enhanced graphics adapter - 16 barev, 640*350 pixelů, už se lépe čte 1987 - IBM - VGA, video graphics adapter - 640*480 pixelů, některé se stále používají 1990 - IBM - XGA, extended graphis adapter - 800*600 pixelů(16,8 mil barev), 1024*768pixelů(65536 barev) Na Obr. 2 vidíme průřez typickým CRT monitorem. Jeho funkčnost je založena na elektronovém paprsku, který při dopadu na obrazovku potaženou fosforem vyvolává barevný efekt. V zadní části schématu se nachází katoda(a) a anoda(c), které spolu tvoří jakési "elektronové dělo". Na Obr. 2: CRT monitor. katodě, skládající se z vlákna ve vakuu ve skleněné trubičce, podobající se do jisté míry vláknu v žárovce, se po zahřátí vlákna na vysokou teplotu začnou uvolňovat elektrony. Ty jsou velkou rychlostí přitahovány kladně nabitou anodou, jež je vrhá v podobě paprsku(e) směrem k obrazovce(d). Paprsek ale míří přímo rovně do středu obrazovky, což vyžaduje nějaký způsob, jak ho odklonit, aby mohl pokrýt celou plochu obrazovky. O toto se starají cívky, které vidíme na Obr. 3: Vnitřek CRT monitoru. Obr. 3. 68
Tyto cívky vytvářejí uvnitř monitoru magnetické pole, čímž vychylují paprsek elektronů a podle vlastností pole ho usměrňují na jednotlivé body na obrazovce. Pro dosažení potřebného světelného efektu, ale nepotřebujeme ani zdaleka všechny elektrony, naopak je nutné jich většinu odstínit, aby nevyvolávaly nežádoucí efekty. K tomu nám slouží tzv. stínící maska (Obr. 4) neboli shadow mask. Tvoří ji tenká kovová destička s malými kulatými otvory. Jen těmi mohou elektrony projít a zasáhnout tak obrazovku. Další velice podobnou technologií je tzv. aperture grill (Obr. 4 nahoře). Princip fungování je zachován, ale kovová destička byla nahrazena svisle vedenými dráty, které opět odstiňují nežádoucí elektrony. Tato technologie je nákladnější a méně používaná, najdeme ji v obrazovkách Trinitron od značky Sony. Co se týče fungování CRT monitorů ještě musíme rozlišit černobílé od barevných. V případě černobílých vysílá elektronové dělo jen jeden paprsek elektronů, který dopadá na obrazovku pokrytou celoplošně jedním druhem fosforu. Ten při zásahu jednoduše svítí bíle. Právě kombinováním bílých a černých bodů vzniká černobílý obraz. Obrazovka barevného monitoru se skládá z tří typů fosforového potažení. Body se odlišují na ty, které svítí červeně, modře a zeleně. Navíc vznikají Obr. 4: Aperture grill, resp. stínící maska CRT monitoru. tři proudy elektronů, schopné rozzářit několik bodů zároveň a opět tak kombinovat barevné efekty. Závěr a porovnání LCD vs. CRT [2] Která z těchto technologií je tedy lepší? Budoucnost určitě patří spíše LCD technologii, než CRT. Důvodů je mnoho. Rozměry Díky použité technologii nezabírají LCD displeje co se týče hloubky tolik místa. To je dělá mnohem praktičtějšími, jelikož ušetří mnoho místa na pracovním stole. Díky tomuto je lze i pověsit na stěnu. Spolu s rozměry jde ruku v ruce i hmotnost. Výkonnost obrazovky Typický LCD monitor má svítivost 210 až 250 cd/m, oproti typickému CRT monitoru se svítivostí 100 cd/m u invarové masky nebo až 130 cd/ m u trinitronu. Díky tomu může být LCD monitor provozován i ve velmi jasném prostředí, které by jinak převálcovalo CRT monitory. Protože LCD funguje podobně jako clona, může být jas zvýšen zvýšením jasu podsvícení monitoru. Naopak pokud se zvyšuje jas zesílením světelného paprsku CRT monitoru, zvětší se také plocha dopadu paprsku (efekt se nazývá rozkvět ), a právě tento efekt snižuje aktivní rozlišení a způsobuje rozmazaný nebo zamlžený obraz. 69
CRT technologie pracuje tak, že musí obraz být neustále obnovován nebo přepisován. Pokud není tento proces dostatečně rychlý (>75 Hz), jemné blikání způsobuje bolesti hlavy nebo namáhání zraku. LCD monitory díky technologii výroby neblikají a jejich perfektní ostrost a geometrie odbourává únavový syndrom (Computer Vision Syndrome), způsobený dlouhou dobou práce u počítače. Ostrost Zobrazovací elektronový paprsek CRT monitorů začíná zobrazovat od levého horního rohu obrazovky, postupuje zleva doprava, pak o jeden řádek dolů, dokud nedorazí do spodního pravého rohu. To se opakuje tolikrát za sekundu, kolik udává zobrazovací frekvence (např. 75Hz znamená zopakování běhu paprsku z levého horního do pravého spodního rohu 75x za sekundu). Tak jako paprsek světla z baterky namířený přímo proti rovné zdi vrhá světlo ve tvaru kruhu, tvar elektronového paprsku je kruhový, ale podléhá zkreslení, pokud je namířen nahoru, dolů, vlevo nebo vpravo. U CRT monitorů způsobuje tento jev problémy s ostřením nebo čistotou obrazu zvláště v rozích obrazovky, přestože jsou proti tomuto jevu vybaveny korekčními prvky. Obraz LCD monitorů je tvořen z malými aktivními tranzistory. Výkon každého z nich je nezávislý na ostatních - obraz tedy není závislý na elektronovém paprsku a problémy se zkreslením odpadají. Obraz LCD je vždy perfektně zaostřen na celé obrazovce. Životnost CRT obrazovky stárnou dvěma způsoby na katodě elektronového děla se tvoří oxidační vrstva, způsobující nižší výkon a slabší paprsek; fosforová vrstva stárne a stává se méně efektivní při přeměně energie elektronů na světlo. Doba, kdy CRT dosáhne polovičních hodnot jasu, nastává mezi 10 000 a 20 000 hodinami provozu, v závislosti na konstrukci elektronového děla. Jediný prvek stárnoucí na LCD monitoru je systém podsvícení, tvořený jednou nebo více fluorescenčními trubicemi a přenosovým podklopem, který zaručuje rovnoměrné prosvětlení celého LCD. Běžná životnost těchto trubic než dojde ke snížení jasu na poloviční hodnotu je 50 000 hodin. Odrazivost a oslnivost Také materiál, ze kterého je vyrobena přední strana obrazovky CRT a LCD monitorů, je značně rozdílný. U CRT monitoru je to sklo a obvykle se na jeho úpravu používá metoda snižující odrazivost. U LCD jsou použity plasty, které vyžadují mnohem lehčí protiodrazivou úpravu. Protiodrazivé úpravy CRT monitorů proto více snižují kvalitu obrazu - snížená odrazivost vždy způsobuje méně ostrý obraz. Spotřeba energie Spotřeba energie LCD monitoru je asi o 25% nižší než spotřeba CRT se stejnou velikostí obrazovky. To je v této době vysokých cen energie nezanedbatelná výhoda. Navíc hodnota tepelné energie generovaná LCD monitorem je značně nižší než u CRT. 70
Emise CRT monitory vytváří elektrické, magnetické a dokonce i radioaktivní záření z důvodu použití vysokonapěťových prvků nezbytných pro provoz CRT technologie. K dosažení přijatelných hodnot je třeba CRT monitory vybavovat speciální elektronikou. K provozu LCD monitorů není vysoké napětí nutné, monitory jsou v podstatě bez emisních záření. Menší velikost LCD monitorů znamená také snadnější zakomponování krytu proti záření do vlastního designu monitoru a nižší náklady oproti krytování CRT. Mimo nižší emise je obraz LCD také méně rušen externím zářením nebo třeba GSM signálem než CRT monitory. Magnetické pole generované např. blízkostí reproduktoru, mobilního telefonu nebo elektrického větráku způsobuje velké problémy s čistotou obrazu CRT, zatímco LCD zůstávají rušením neovlivněny. Recyklovatelnost Na konci životnosti se může CRT monitor stát přítěží kvůli množství olova a rtuti obsažených v obrazovce. Při jejich recyklaci je nutno dodržovat speciální pravidla, aby se předešlo úniku nebezpečných látek do přírody. LCD monitory, které tyto materiály neobsahují, jsou mnohem méně nebezpečné pro životní prostředí. Literatura [1] internetový zdroj: http://technet.idnes.cz (stav ke dni 30. 3. 2006) [2] internetový zdroj: http://www.agora.cz/agora/agora.nsf/0/7f4bf345cd09d9f0c1256b04005de18d (stav ke dni 21. 5. 2006) [3] internetový zdroj: http://www.howstuffworks.com (stav ke dni 30. 3. 2006) 71