Wikipedijin logotip na LCD monitoru
Ekran sa te?nim kristalom
(
engl.
liquid-crystal display
,
LCD
) je
ekran
zasnovan na
tehnologiji
te?nih kristala
. Danas se naj?e??e koriste u LCD
monitorima
u obliku aktivnih
TFT LCD
ekrana. TFT LCD ekran sastoji se od određenog broja
piksela
, koji su poređani ispred nekog
svetlosnog
izvora (danas naj?e??e
LED
-ice, a donedavno CCFL cevi). Tro?i relativno malo
elektri?ne energije
, te zauzima malo prostora. Teku?e kristale otkrio je jo?
1888
. godine
austrijski
botani?ar
F. Reintzer, kada je prou?avao materiju po imenu
cholesteryl benzoate
. Taljenjem te materije dobio je mutnu te?nost koja se hlađenjem bistrila i na kraju se
kristalisala
. Međutim, tek je
1968
. godine pronađena materija koja je na sobnoj
temperaturi
imala ova svojstva.
[1]
Te?ne kristale
je krajem
19. veka
prvi prona?ao austrijski botani?ar Friedrich Reinitzer, a sam termin "
te?ni kristal
" smislio je malo kasnije nema?ki fizi?ar Otto Lehmann.
Te?ni kristali
su gotovo providne
supstance
, koji imaju osobine i ?vrste i te?ne materije.
svetlo
koje prolazi kroz
te?ne kristale
prati poredak
molekula
od kojih se oni sastoje - ?to je osobina ?vrste materije. 1960-ih godina otkriveno je
da
naelektrisavanje
te?nih kristala
menja njihov
molekularni
poredak i samim tim i na?in kako
svetlo
prolazi kroz njih - ?to je osobina
te?nosti
.
Od njihove pojave kao medijuma za displeje 1971. godine,
te?ni kristali
su u?li u razli?ite oblasti koje obuhvataju minijaturnu
televiziju
,
digitalne fotoaparate
,
video kamere
i monitore, a danas mnogi veruju da je LCD tehnologija koja ?e najverovatnije zameniti
monitor sa katodnom cevi
. Od svog po?etka, tehnologija se zna?ajno razvila, tako da dana?nji proizvodi vi?e ne li?e na stare, nespretne monohromatske uređaje. Ona se pojavila pre tehnologija ravnih ekrana i osigurala je svoj polo?aj u oblasti prenosnih i
ru?nih PC ra?unara
, gde je na raspolaganju u dva oblika:
- jeftiniji
DSTN
(
engl.
dual-scan twisted nematic
) - obrnuti nematik sa dvostrukim skeniranjem
- tranzistor sa tankim filmom
TFT
(
engl.
thin film transistor
) za sliku visokog kvalieta
Displeji sa te?nim kristalima imaju brojne prednosti u odnosu na ekrane sa katodnim cevima, u pogledu gabarita, potro?nje elektri?ne energije i treperenja, kao i "besprekornu" geometriju. Mane su im mnogo ve?a cena, lo?iji vidni ugao i malo slabije performanse prikaza boja.
[2]
LCD je transmisivna tehnologija. Displej radi tako ?to propu?ta promenljive koli?ine belog pozadinskog svetla stalnog intenziteta kroz aktivni filtar.
Crveni, zeleni i plavi
elementi piksela dobijaju se jednostavnim filtriranjem belog svetla.
Ve?ina te?nih kristala su
organska jedinjenja
koja se sastoje od duga?kih
molekula
u vidu ?ipke koji se, u svom prirodnom stanju, raspoređuju tako da su im podu?ne ose pribli?no paralelne. Mogu?e je precizno kontrolisati poravnanje ovih
molekula
ako se te?ni kristal nanosi na fino izbrazdanu povr?inu. Poravnanje
molekula
tada prati brazde, pa ako su one sasvim paralelne, takav ?e biti i raspored
molekula
.
Prvi princip jednog LCD displeja sastoji se u postavljanju te?nog kristala u "sendvi?" između dve fino izbrazdane povr?ine, gde su brazde na jednoj povr?ini normalne (pod uglom od 90 stepeni) u odnosu na brazde na drugoj povr?ini. Ako su molekuli na jednoj povr?ini poređani u pravcu sever-jug, a molekuli na drugoj u pravcu istok-zapad, onda su oni između prisiljeni da budu u stanju obrtanja od 90 stepeni.
Svetlost prati poredak
molekula
i zato se obrne za 90 stepeni dok prolazi kroz te?ni kristal. Međutim, na osnovu otkri?a u RCA America, kada se te?ni kristal stavi pod napon, molekuli se sami poređaju vertikalno, dozvoljavaju?i svetlu da prođe bez obrtanja.
Drugi princip jednog LCD displeja oslanja se na osobine polarizuju?ih filtara i same svetlosti. Talasi prirodne svetlosti su orijentisani pod slu?ajnim uglovima. Polarizuju?i filtar je jednostavno skup veoma finih paralelnih linija. Ove linije dejstvuju kao mre?a, zaustavljaju?i sve svetlosne talase sem onih koji su (slu?ajno) orijentisani paralelno tim linijama. Superpozicijom dva filtra, tako da linije jednog budu raspoređene normalno u odnosu na linije drugog filtra, svetlost bi bila potpuno zaustavljena. Svetlost bi pro?la kroz drugi polarizator ako bi njegove linije bile ta?no paralelne sa prvim, ili ako bi sama svetlost bila obrnuta tako da odgovara drugom polarizatoru.
Tipi?an obrnuti nemati?ki (TN - twisted nematic) te?ni kristal sastoji se od dva polarizuju?a filtra sa međusobno normalno raspoređenim linijama (pod uglom od 90 stepeni) koji bi, kao ?to je opisano, zaustavili svu svetlost koja bi poku?ala da prođe kroz njih. Ali, između ovih polarizatora se nalaze obrnuti te?ni kristali. Zato se svetlost polarizuje pomo?u prvog filtra, obr?e za 90 stepeni pomo?u
te?nih kristala
i najzad potpuno prolazi kroz drugi polarizuju?i filtar. Međutim, kada se priklju?i elektri?ni napon na te?ne kristale, molekuli se prestroje vertikalno, dozvoljavaju?i svetlosti da prođe kroz njih bez obrtanja, ali se ona zaustavlja na drugom filtru. Posledica toga je da ako nema napona - svetlost prolazi, a ako se napon uklju?i - nema svetlosti na drugom kraju.
Kristali u LCD displeju mogli bi biti alternativno raspoređeni, tako da svetlost prolazi kada ima napona, a ne prolazi kada ga nema. Međutim, kako su ekrani skoro uvek uklju?eni, ?tedi se elektri?na energija ako se kristali rasporede tako da kada nema napona - prolazi svetlost.
[3]
Glavne karakteristike
[
uredi
|
uredi kod
]
Displeji sa te?nim kristalima slede razli?it skup pravila od displeja sa
katodnim cevima
, nude?i prednosti u pogledu veli?ine, potro?nje elektri?ne energije i treperenja, kao i "besprekornu" geometriju. Mane su im mnogo ve?a cena, lo?iji vidni ugao i manje ta?na performansa u pogledu boja.
Dok su katodne cevi u stanju da prikazuju niz rezolucija i da ih skaliraju tako da odgovaraju ekranu, LCD panel ima fiksiran broj ?elija sa te?nim kristalima i mo?e da prika?e samo jednu rezoluciju na punoj veli?ini ekrana, koriste?i jednu ?eliju po pikselu. Manje rezolucije mogu da se prika?u koriste?i samo deo ekrana. Na primer, panel od 1024 x 768 piksela mo?e da prikazuje rezoluciju od 640 x 480 koriste?i samo 66% povr?ine ekrana. Ve?ina displeja sa te?nim kristalima mogu da ponovo skaliraju slike ni?e rezolucije tako da popune ekran. Međutim, to bolje uspeva sa slikama sa kontinualnim tonom, kao ?to su fotografije, nego sa tekstom i slikama sa finim detaljima, gde rezultat mo?e biti u vidu lo?ih pojava nazubljenosti kod kosih linija i sli?no. Najbolji rezultati posti?u se kod onih LCD displeja koji uzimaju u obzir ceo ekran kada vr?e skaliranje slike, uklanjaju?i tako pojave nazubljenosti (sli?no anti- aliasing algoritmima).
Za razliku od monitora sa katodnim cevima, ceo displej je vidljiv, pa LCD ekran iste dijagonale kao CRT ima vecu korisnu povr?inu (kod CRT monitora maska ekrana prekriva 2-
3cm od svake ivice ekrana). U tabeli su prikazane kombinacije iz kojih se vidi da bilo koji displej sa te?nim kristalima odgovara katodnoj cevi koja je 2 do 3 in?a ve?a:
| Veli?ina ravnog panela
|
Veli?ina katodne cevi
|
Tipi?na rezolucija
|
| 13,5 in?a
|
15 in?a
|
800 x 600
|
| 14,5 do 15 in?a
|
17 in?a
|
1024 x 768 ili 1280 x 1024
|
| 18 in?a
|
21 in?
|
1280 x 1024 ili 1600 x 1200
|
Katodna cev ima tri elektronska topa ?iji mlazevi moraju da konvergiraju bez gre?ke, da bi stvorili o?tru sliku. Kod panela sa te?nim kristalima nema problema konvergencije, jer se svaka ?elija uklju?uje i isklju?uje pojedina?no. To je razlog za?to tekst na monitoru sa te?nim kristalima izgleda tako jasan. Nema briga oko brzina osve?avanja i treperenja kod panela sa te?nim kristalima - LCD ?elije su ili uklju?ene ili isklju?ene, pa slike mogu da se prikazuju sa malim brzinama osve?avanja, između 40 i 60 Hz, a da nemaju ve?e treperenje od onih koje imaju brzinu osve?avanja od 75 Hz.
Sa druge strane, mogu?e je da jedna ili vi?e ?elija na LCD panelu otka?u. Na monitoru od 1024 x 768 piksela, postoje po tri ?elije za svaki piksel - po jedna za crveno, zeleno i plavo
- ?to ?ini blizu 2,4 miliona ?elija (1024 x 768 x 3 = 2359296). Mala je ?ansa da sve one budu perfektne; verovatnije je da ?e neke od njih da otka?u, bilo da ostanu upaljene (stvaraju?i gre?ku "cigle") ili da se isklju?e (?to je "tamna" gre?ka). Neki od kupaca mogu da pomisle da im ve?a cena LCD displeja garantuje besprekorne ekrane, ?to na?alost nije ta?no.
LCD monitori imaju druge elemente koje ne mo?ete prona?i u displejima sa katodnim cevima. Paneli su osvetljeni pomo?u fluorescentnih cevi koje su nalaze u zadnjem delu uređaja. Ponekad, displej ?e davati svetlije linije u jednim delovima ekrana nego u drugim. Takođe, mogu?e je videti prekide ili pojavu parazitnih slika na ekranu, gde posebno svetla ili tamna slika mo?e da uti?e na susedne delove ekrana. Fini uzorci, kao na primer umek?ane slike, mogu da stvore "moare" ili interferentne uzorke koji trepere.
Problemi ugla gledanja se javljaju na displejima sa te?nim kristalima zato ?to je ta tehnologija transmisivni sistem koji radi pomo?u modulacije svetlosti koja prolazi kroz displej, dok su katodne cevi, naprotiv, emisivne. Kod emisivnih displeja, postoji materijal koji emituje svetlost na prednji deo displeja, ?to se lako vidi pod ?irokim uglovima. Kod displeja sa te?nim kristalima, dok prolazi kroz ?eljeni piksel, svetlost emitovana pod ve?im uglom prolazi i kroz susedne piksele, ?to prouzrokuje izobli?enje boje.
Danas se ve?ina monitora sa te?nim kristalima uklju?uju i uobi?ajeni 15-pinski analogni VGA priklju?ak na ra?unaru i koriste analogno-dititalni konvertor da pretvore signal u oblik koji panel mo?e da upotrebi. VESA je uradila specifikaciju za digitalni video priklju?ak (DVI) koji je odobren kao industrijski standard po?etkom 1998. godine. Noviji LCD monitori imaju i analogne i digitalne ulaze. Kako LCD monitori postaju sve rasprostranjeniji, sve vi?e proizvođa?a nudi svoje grafi?ke kartice, ?ak i slabije modele, u varijanti sa VGA i DVI izlazma.
Pasivna matrica displeja sa te?nim kristalima ima vi?e slojeva. Prvi je od stakla, na koje je nanesen metalni oksid. Materijal koji se koristi je veoma providan, pa tako ne uti?e na kvalitet slike. Matrica radi kao re?etka elektroda za redove i kolone koje propu?taju struju da bi se aktivirali pojedini elementi ekrana. Odozgo je nanesen polimer koji ima niz paralelnih ?lebova na koje se vezuju molekuli. To se zove sloj za poravnanje i ponovljen je na drugoj staklenoj plo?i koja takođe ima izvestan broj odstojnika za odr?avanje rastojanje između dve plo?ice stakla kada se one postave zajedno u sklopu.
Ivice se onda zaliju epoksidnom smolom, ali sa otvorom ostavljenim u jednom uglu. To omogu?ava da se materijal sa te?nim kristalima unese između plo?ica (u vakuumu) pre nego ?to se plo?ice potpuno zaliju. U prvim modelima ovaj proces je bio sklon gre?kama, ?to je rezultovalo zaglavljenim ili izgubljenim pikselima, u onim delovima gde materijal sa te?nim kristalima nije uspeo da stigne u sve delove ekrana.
Zatim su naneseni polarizacioni slojevi na krajnje spolja?nje povr?ine svake staklene plo?ice, tako da odgovaraju orijentaciji slojeva za poravnanje. Kod DSTN, ili ekrana sa dvostrukim skaniranjem, orijentacija slojeva za poravnanje varira između 90 i 270 stepeni zavisno od ukupne rotacije te?nih kristala između njih. Dodata je i pozadinska svetlost, tipi?no u obliku fluorescentnih cevi sa hladnom katodom, montiranih du? gornje i donje ivice panela. Svetlost se raspodeljuje po panelu pomo?u plasti?nog svetlovoda ili prizme.
Slika koja se pojavljuje na ekranu, stvara se pomo?u te svetlosti koja prolazi kroz slojeve panela. Ukoliko na LCD panel nije priklju?eno napajanje, pozadinska svetlost je vertikalno polarizovana zadnjim fltrom i prelama se od molekularnih lanaca u te?nom kristalu, tako da se pojavljuje iz horizontalno polarizovanog filtra na prednjem delu. Uklju?ivanje napona prestrojava kristale, tako da svetlost ne mo?e da prođe, ?to proizvodi taman piksel. Displeji sa te?nim kristalima u boji jednostavno koriste dodatne crveno, zeleno i plavo obojene filtre nad tri posebna LCD elementa da bi stvorili piksel u vi?e razli?itih boja.
Međutim, sam odziv LCD displeja pasivnom matricom je vrlo spor. Kod brzo promenljivog sadr?aja ekrana, kao ?to je to slu?aj sa videom ili brzim pokretima mi?a, ?esto se pojavljuje "razmazanost" i "duhovi" jer displej ne mo?e da dr?i korak sa promenama sadr?aja. Pored toga, pasivna matrica izaziva i pojavu parazitnih dupliranih slika, efekat u kome jedno podru?je sa uklju?enim pikselima izaziva senku na isklju?enim pikselima u istim redovima i kolonama. Ovaj problem mo?e zna?ajno da se umanji deljenjem ekrana na dva dela i njihovim nezavisnim osve?avanjem, kao i usavr?avanjima u cilju pobolj?anja ekrana sa pasivnim matricama.
Krajem 1990-ih godina, vi?e razli?itih postepenih razvoja istovremeno je pove?alo brzinu i kontrast displeja sa dvostrukim skaniranjem. Hibridni pasivni displeji sa te?nim kristalima (HPD) koje su zajedni?ki razvile firme Toshiba i Sharp, koristili su druga?iju formulaciju materijala sa te?nim kristalima, da bi obezbedili postepeno, mada zna?ajno pobolj?anje kvaliteta displeja, uz malo pove?anje cene. Ni?i viskozitet te?nog kristala zna?i da materijal mo?e br?e da prelazi iz jednog stanja u drugo. Kombinovano sa pove?anim brojem upravlja?kih impulsa koji se upu?uju na svaku liniju piksela, ovo pobolj?anje je omogu?ilo da HPD LCD nadma?e DSTN displeje i priđu bli?e performansama LCD displeja sa aktivnom matricom. Na primer, ?elije DSTN imaju vreme odziva od 300 ms, poređeno sa HPD kod kojih je to 150 ms, dok je kod ?elija TFT vreme odziva ispod 25 ms. Kontrast je pobolj?an od prethodnog 40:1 na 50:1, a napredak je postignut i u pogledu preslu?avanja.
Jedan drugi pristup bila je tehnika zvana vi?elinijsko adresiranje, koja je analizirala ulazni video signal i preklju?ivala panel onoliko brzo koliko je to određena slika dozvoljavala. Firma Sharp je ponudila sopstvenu verziju ove tehnike koja se zvala Sharp Addressing; verzija firme Hitachi se zvala HPA (High Performance Addressing - adresiranje visoke performanse). Ovi paneli novije generacije su davali video kvalitet i uglove gledanja koji su ih postavili bar u istu arenu sa TFT ekranima, ako ba? i ne pripadaju istoj ligi.
[4]
Boje,osvetljenost i kontrast
[
uredi
|
uredi kod
]
Da bi se stvorile nijanse potrebne za displej sa vernim bojama, moraju da postoje neki srednji nivoi osvetljnosti ismeđu punog svetla i potpunog odsustva svetla koje prolazi kroz ekran. Menjanje nivoa osvetljenosti koje se tra?i da bi se napravio displej sa vernim bojama posti?e se promenom napona pod koji se stavljaju te?ni kristali. Te?ni kristali se u stvari obr?u brzinom koja je direktno srazmerna naponu, omogu?avaju?i tako da se upravlja koli?inom svetlosti. U praksi, ipak, promena napona displeja sa te?nim kristalima nudi samo 64 razli?ite nijanse po elementu (6 bita), suprotno od displeja u boji sa katodnim cevima koji mogu da stvore 256 nijansi (8 bita). Uz upotrebu tri elementa po pikselu, to ima za rezultat da displeji sa te?nim kristalima u boji mogu da daju maksimalno 262144 razli?ite boje (18 bita), poređeno sa monitorima u pravoj boji sa katodnim cevima koji daju 16777216 boja (24 bita).
Kako multimedijalne primene postaju sve rasprostranjenije, nedostatak prave 24-bitne palete boja na displejima sa te?nim kristalima postaje ozbiljno pitanje. Dok su 18 bita dobri za ve?inu primena, to je nedovoljno za fotografiju ili video. Neke konstrukcije displeja sa te?nim kristalima uspele su da pro?ire dubinu boje na 24 bita prikazuju?i naizmeni?no razli?ite nijanse na uzastopnim osve?avanjima kadra, ?to je tehnika poznata kao FRC (Frame Rate Control - kontrola brzine kadra). Međutim, razlika je suvi?e velika, zapa?a se treperenje.
Firma Hitachi je razvila tehniku gde se priklju?uje napona na susedne ?elije da bi se stvorile vrlo male promene uzorka u sekvenci od tri do ?etiri kadra. Sa njom, Hitachi mo?e da simulira ne ba? 256 nivoa sivog, ali jo? uvek vrlo prihvatljivih 253 nivoa sivog, ?to se prevodi u vi?e od 16 miliona boja - i gotovo se ne mo?e razlikovati od prave 24-bitne palete.
Odnos kontrasta je mera koja pokazuje koliko je svetliji ?isto beli izlaz u poređenju sa ?isto crnim izlazom. ?to je kontrast ve?i, to je slika o?trija, a belo ?e biti ?istije. U poređenju sa LCD displejima, monitor sa katodnom cevi nudi daleko ve?i odnos kontrasta.
Vreme odziva se meri u milisekundama i odnosi se na vreme koje je potrebno svakom pikselu da bi odgovorio na komandu koju prima iz kontrolera panela. Vreme odziva se koristi samo kada se govori o LCD displejima, zbog na?ina na koji oni ?alju svoj signal. Vreme odziva se ne primenjuje na monitore sa katodnim cevima zbog na?ina na koji oni prikazuju informacije (elektronski mlaz koji pobuđuje fosfor).
Ima mnogo razli?itih na?ina na koje se mo?e meriti osvetljaj. ?to je ve?i nivo osvetljenosti (koji se u tabeli predstavlja ve?im brojem), to ?e svetlije biti prikazano belo na displeju. ?ivotnik vek LCD monitora je pribli?no 60000 sati, ili oko 6,8 godina. U odnosu na to, katodne cevi mogu da traju mnogo du?e. Međutim, dok LCD displeji jednostavno izgore, katodne cevi postaju slabije kako stare i u praksi nemaju mogu?nost da daju osvetljaj prema ISO standardima posle oko 40000 sati upotrebe.
Mnoga preduze?a su usvojila tehnologiju tranzistora tankog filma (TFT - Thin Film Transistor) da bi pobolj?ala ekrane u boji. U TFT ekranu, takođe poznatom i kao aktivna matrica, na LCD panel je povezana dodatna matrica tranzistora - po jedan tranzistor za svaku boju (crvenu, zelenu i plavu) svakog piksela. Ovi tranzistori upravljaju pikselima, elimini?u?i jednim udarcem i problem parazitnih dupliranja slika i malu brzinu odziva koji mu?e ne-TFT displeje sa te?nim kristalima. Rezultat su vremena odziva ekrana reda 25 ms, odnosi kontrasta u oblasti od 200:1 do 400:1 i vrednosti osvetljaja između 200 i 250 cd/m2 (kandela po kvadratnom metru).
[5]
Elementi svakog piksela od te?nih kristala su uređeni tako da u njihovom normalnom stanju (bez uklju?enog napona) svetlost koja dolazi kroz pasivni filtar je "pogre?no" polarisana i zato zaustavljena. Ali, kada se napon priklju?i na elemente te?nih kristala, oni se obr?u do devedeset stepeni u srazmeri sa naponom, menjaju?i svoju polarizaciju i pu?taju?i da prođe vi?e svetlosti. Tranzistori upravljaju stepenom obrtanja i shodno tome intenzitetom crvenih, zelenih i plavih elemenata svakog piksela koji uobli?ava sliku na ekranu.
TFT
(
engl.
Thin Film Transistor
) ekrani mogu da se naprave mnogo tanjim od LCD-ova, ?to ih ?ini lak?im, a brzine osve?avanja sa sada pribli?avaju onima koje imaju katodne cevi, jer rade oko deset puta br?e od DSTN ekrana. VGA ekrani zahtevaju oko 921000 tranzistora (640x480x3), dok je za rezoluciju od 1024x768 potrebno 2359296 tranzistora i svaki treba da bude besprekoran. Kompletna matrica tranzistora treba da se proizvede na jednoj jedinoj skupoj silicijumskoj plo?ici i samo malo prisustvo ne?isto?a zna?i da cela plo?a mora da se odbaci. To dovodi do znatnog pove?anja tro?kova proizvodnje i glavni je razlog za visoku cenu TFT displeja. To je takođe razlog za?to je u svakom TFT displeju postoji nekoliko neispravnih piksela ?iji su tranzistori otkazali.
Postoje dva fenomena koji defini?u neispravan LCD piksel:
- "Upaljen" piksel, koji se javlja kao jedan ili vi?e slu?ajno raspoređenih crvenih, plavih i/ili zelenih piksela na potpuno tamnoj pozadini, ili
- "nedostaju?i" ili "mrtav" piksel koji se javlja kao crna ta?ka na potpuno beloj pozadini.
Prvi je ?e??i i rezultat je slu?ajnog kratkog spoja tranzistora, ?to ima za posledicu da je piksel (crveni, zeleni ili plavi) stalno uklju?en. Na?alost, posle sklapanja uređaja nemogu?a je popravka ove gre?ke. Mo?e se onesposobiti neispravan tranzistor pomo?u lasera. Međutim, to ?e samo stvoriti crne ta?ke koje ?e se pojaviti na beloj pozadini. Stalno uklju?ivanje piksela je prili?no ?esta pojava u proizvodnji displeja sa te?nim kristalima, pa proizvođa?i postavljaju granice - zasnovane na tro?kovima proizvodnje i povratnim informacijama od korisnika - koliko neispravnih piksela je jo? uvek prihvatljivo za dati LCD panel. Cilj postavljanja tih granica je da se odr?i razumna cena proizvoda uz minimizaciju odvra?anja korisnika zbog lo?ijeg kvaliteta u pogledu neispravnih piksela. Na primer, panel sa rezolucijom od 1024x768 - koji sadr?i ukupno 2359296 (1024x768x3) piksela - i koji ima 20 neispravnih piksela, imao bi procent neispravnih piksela od (20/2359296)*100 = 0.0008 %.