Kiedy korzystamy z tabletu czy laptopa patrzymy na nie niemal cały czas. Zazwyczaj nie zdajemy sobie sprawy, że za obrazem wyświetlanym na ekranie kryje się interesująca technologia. W kolejnym odcinku cyklu „Poznajmy technologię” przyglądamy się matrycom IPS.
Nie tak dawno temu opisywaliśmy jak działa karta graficzna, w jaki sposób generuje ona obraz. Co się potem z nim dzieje? Oczywiście trafia na monitor – dziś w większości przypadków na ekran LCD.
Rozpatrując ten temat nie sposób nie cofnąć się nieco w czasie, a dokładnie do roku 1888, kiedy to Friedrich Reintzner, austriacki chemik i botanik, w trakcie swoich badań biologicznych odkrył to, na co właśnie patrzycie – ciekłe kryształy. Na skutek dalszych badań nad nimi, podczas których odkryto, że można sterować ich własnościami optycznymi. W 1936 r. opatentowano ich praktyczne zastosowanie, w 1964 r. powstał pierwszy ekran ciekłokrystaliczny a 4 lata później George Heilmeier opracował pierwszy LCD z dynamicznym trybem rozpraszania. Rok później James Fergason odkrył efekt skręconego neumatyka (TN czyli twisted neumatic).
Kolejnym znaczącym krokiem na drodze do uzyskania idealnego obrazu była technologia TFT, którą opatentowano w 1972 r. TFT stosowano początkowo dość sporadycznie – w 1982 r. ekran taki trafił na pokład kieszonkowego telewizora i w 1986 r do projektora. W monitorze komputerowym, a dokładnie w 10-calowym laptopie, zagościł dopiero w 1989 r. i kosztował, bagatela, 2 000 dolarów. Kolejne inkarnacje wyświetlaczy to IPS, który pojawił się w 1994 r., MVA (1996 r.) oraz PVA (1998 r.).
Jak działa wyświetlacz LCD?
Ekrany typu LCD czyli Liquid Crystal Display, stosowane obecnie na szeroką skalę wyświetlają obraz składający się z milionów osobnych komórek, które przekładają się na ich rozdzielczość. Wszystkie bazują na kilku zjawiskach – na polaryzacji światła, odkrytej w 1808 r. przez E.Malusa, oraz na faktach, że ciekłe kryształy mogą przepuszczać i zmieniać polaryzację uprzedni spolaryzowanego światła, że struktura takiego kryształu zmienia się po przyłożeniu do niego napięcia oraz na istnieniu przezroczystych substancji, które przewodzą prąd. W skrócie idea działania LCD opiera się na wykorzystaniu zmiany polaryzacji światła na skutek zmian orientacji ciekłego kryształu pod wpływem pola elektrycznego.
Zasada działania wszystkich ekranów LCD jest bardzo podobna, niezależnie od tego, w jakiej dokładnie technologii je wykonano. Wszystkie bazują na czterech podstawowych elementach – źródle światła, polaryzatorze, analizatorze, elektrodach oraz komórek z zatopionymi w nich ciekłymi kryształami. Światło powstaje poza zasadniczym podświetleniem, bo w matrycach LCD ciekłe kryształy nie świecą, w odróżnieniu od ekranów LED, oLED czy AMOLED wykorzystujących diody elektroluminescencyjne.
W LCD światło przechodzi poprzez dwa polaryzatory, które ustawione są do siebie prostopadle i warstwę ciekłych kryształów. Warstwa ta może blokować przepływ światła lub zmieniać jego polaryzację. Ostatecznie światło trafia na filtry barwne, które nadają mu zadany wcześniej kolor.
Ciekłe kryształy
Podstawowym elementem, bez którego nie moglibyście np. czytać tego tekstu na ekranie komputera są ciekłe kryształy. Są to, zazwyczaj organiczne substancje, które znajdują się w stanie ciekłokrystalicznym. Stan ten oznacza, że substancja taka posiada unikalne połączenie właściwości cieczy i struktur krystalicznych czyli płynność powiązana z uporządkowaniem. Pociąga to za sobą anizotropię niektórych właściwości fizycznych takich substancji. m.in. dielektrycznych i optycznych. Cząsteczki takich substancji mają wydłużony kształt. O ich właściwościach fizycznych decyduje ich rozmieszczenie w przestrzeni. Wśród struktur ciekłokrystalicznych wyróżnia się typy: smektyczny, cholesteryczny oraz nematyczny. W ekranach LCD wykorzystuje się ten ostatni w postaci cienkiej warstwy umieszczonej między dwiema elektrodami. Ich wzajemne oddziaływania powodują powstawanie tekstur molekularnych, spośród których najważniejsze są dwie – w tym struktura planarna, o równoległym ułożeniu cząstek ciekłokrystalicznych, w stosunku do elektrod – znajdująca zastosowanie w LCD oraz homeotropowa.
Skręcony neumatyk
Pod tym, dla niektórych pewnie dość dziwnie brzmiącym terminem kryje się jedna z odmian planarnej tekstury molekularnej ciekłych kryształów. Jej podstawową cechą jest skręcenie o 45 lub 90 stopni osi cząsteczek ułożonych równolegle przy obu powierzchniach, pomiędzy którymi umieszczona jest warstwa ciekłych kryształów. Wewnątrz takiej warstwy uzyskiwana jest ciągła deformacja śrubowa, która nadaje jej zdolność do skręcania płaszczyzny polaryzacji światła o wspomniane już wcześniej 45 lub 90 stopni.
I tu dochodzimy do zjawiska, które umożliwia wyświetlanie obrazu na ekranie. Struktura ciekłokrystaliczna z dołożonymi polaryzatorami przepuszcza światło, ale jeśli przyłoży się do niej napięcie, wówczas cząsteczki ciekłych kryształów zmienią swoje położenie, układając się wzdłuż linii pola elektrycznego i tym samym nie będą już zmieniać polaryzacji światła, które zatrzyma się na drugim polaryzatorze. W skrócie świecenie komórki, a dokładnie przepuszczanie światła z zależy od przyłożenia napięcia.
Rodzaje ekranów LCD
Ekrany LCD podzielić można na dwie grupy – pasywne i aktywne. Pierwsze z nich nie są już w zasadzie wykorzystywane. Spotkać je można już niemal wyłącznie w zegarkach i kalkulatorach ale jeszcze stosunkowo nie tak dawno stosowano je w laptopach. Matryce aktywne, zbudowane z cienkowarstwowych tranzystorów (TFT) mają nad nimi taką przewagę, że nie trzeba w nich za każdym razem odświeżać stanu wszystkich pikseli bo raz zapisany stan komórki zapamiętywany jest aż do momentu rozładowania towarzyszącego jej kondensatora. Takie matryce umożliwiają uzyskanie większego kontrastu oraz budowę większych ekranów niż w przypadku konstrukcji pasywnych.
I w tym momencie dochodzimy do sedna tematu, czyli do matrycy IPS. Matryce dzielą się powiem na kilka typów – TN, MVA, PVA oraz IPS. Są do siebie podobne, ale jak zwykle w takich przypadkach diabeł tkwi w szczegółach. Szczegółami tymi są osie obrotu ciekłych kryształów wykorzystywane w każdym ze wspomnianych typów matryc.
TN (Twisted Nematic) wykorzystuje kryształy, gdzie przyłożenie napięcia powoduje wspominany już wcześniej obrót cząsteczek do pozycji prostopadłej do płaszczyzn elektrod. MVA (Multidomain Vertical Alignment) bazuje na skrętnym ustawieniu cząsteczek, które można ustawiać w niemal dowolnym kierunku. PVA (Patterned Vertical Alignment) bazuje na zasadzie bardzo podobnej jak ma to miejsce w MVA jednak od MVA odróżnia ją proces technologiczny wytwarzania ekranów.
IPS i pochodne
Ostatnią odmianą aktywnych matryc LCD jest IPS (In-Plane Switching) oraz jej zmodyfikowana wersja Super IPS. Tutaj elektrody umieszcza się tylko na tylnej ściance, natomiast same cząsteczki ciekłego kryształu nie są wobec siebie skręcone. Przyłożenie napięcia powoduje przepływ światła wzdłuż krótszych brzegów cząsteczek.
Efektem tego jest obraz o szerokich kątach widzenia oraz głęboka czerń ponieważ nieaktywne czarne subpiksele są mało widoczne. Matryce Super IPS wykorzystują tę samą zasadę a od podstawowej konstrukcji różnią się innym układem elektrod oraz szczegółami, dzięki którym można uzyskać krótsze czasy reakcji oraz lepsze odwzorowanie barw i głębszą czerń.
Źródło: https://lenovozone.pl/blog/poznajmy-technologie-jak-dziala-wyswietlacz-lcd/
