Hardware
Technologie: wyświetlacze LCD
Ciekłokrystaliczne obrazy
W 1888 roku austriacki botanik Friedrich Rheinitzer odkrył substancję o właściwościach ni to
cieczy, ni to ciała stałego. Nie mógł on jednak przypuszczać, że ta dziwna ciecz, nazwana
ciekłym kryształem, ponad sto lat póz
niej zrobi zawrotną karierę w przemyśle komputerowym.
ierwszy seryjnie produkowany wyświe- przechodzi przez niego bez przeszkód (obie ciekłokrystaliczną umieszcza się w kilku mi-
Ptlacz ciekłokrystaliczny ujrzał światło płaszczyzny polaryzacji są ustawione rów- lionach pojedynczych, niezależnych komórek,
dzienne w 1973 roku, gdy firma Sharp rozpo- nolegle względem siebie). Tak też działają tworzących łącznie matrycę pikseli np. o roz-
częła sprzedaż kalkulatora EL-8025. Od tego polaryzacyjne okulary przeciwsÅ‚oneczne dla miarach 1024×768 punktów. WewnÄ…trz każ-
czasu minęło prawie trzydzieści lat, a zasadni- kierowców  odbite od szosy promienie dej komórki długie  pałeczkowate molekuły
cza konstrukcja ciekłokrystalicznego ekranu światła oślepiające szofera mają polaryzację muszą zostać odpowiednio ułożone. Do tego
nie uległa zmianie. Warto na samym początku równoległą, natomiast w okularach stosuje celu służą tzw. warstwy orientujące. W zależ-
zaznaczyć, że z
ródłem światła nie są, jak się się filtry o prostopadłej płaszczyz
nie polary- ności od typu wyświetlacza LCD i technologii
błędnie wydaje znacznej grupie użytkowni- zacji, co w efekcie całkowicie wytłumia jego wykonania wymuszają one albo równole-
ków, cząsteczki ciekłego kryształu, lecz zwy- niepożądane refleksy. No dobrze, ale co głe, albo prostopadłe w stosunku do płaszczy-
kła lampa fluorescencyjna, no ale do rzeczy! z ciekłym kryształem? zny ekranu położenie cząsteczek.
Wszystkie wyświetlacze LCD (Liquid Cry- Otóż składająca się z  pałeczkowatych
stal Display) w podobny sposób wykorzy- cząsteczek substancja ciekłokrystaliczna jest Pokręcone światło
stują zjawisko oddziaływania ciekłych przełącznikiem zmieniającym  w locie po- Najprostsze wyświetlacze LCD, takie jak te
kryształów na spolaryzowane światło laryzację padającego na nią światła. Ów spotykane w zegarkach, kalkulatorach czy
(patrz: CHIP 1/2000, s. 99). Mówiąc obra- przełącznik ma właśnie za zadanie odpo- pierwszych laptopach, wykorzystują techno-
zowo, aczkolwiek w niezbyt ścisły i bardzo wiednio przekształcić (skręcić) początkową logię TN (Twisted Nematic). W przekroju
nieprecyzyjny z punktu widzenia fizyki spo- płaszczyznę polaryzacji światła (lub pozosta- ekran LCD-TN można sobie wyobrazić jako
sób, można przyjąć, że promień światła, wić ją bez zmian), zanim dotrze ono do dru- wielowarstwową kanapkę. Pod ekranem
przechodząc przez specjalny filtr polaryza- giego filtra, tak aby na wyjściu monitora znajduje się z
ródło światła, np. lampa flu-
cyjny (spotykany często w okularach prze- LCD można było obserwować świecące orescencyjna. Światło oświetlające panel od
ciwsłonecznych), ulega  uporządkowaniu z różną intensywnością punkty (piksele). tyłu przechodzi najpierw przez tzw. dyfuzor,
w ściśle określonym kierunku (płaszczyz
- Aby  pałeczkowate cząsteczki ciekłego który zapewnia równomierną jasność na całej
nie) , np. w pionie lub poziomie. Spolaryzo- kryształu  były zdolne do skręcania polary- powierzchni wyświetlacza. Na swojej drodze
wane światło, trafiając następnie na drugi zacji światła, muszą zostać najpierw w proce- światło napotyka następnie pierwszy filtr po-
filtr, jest albo wytłumiane (gdy osie polary- sie produkcyjnym odpowiednio przygotowa- laryzacyjny, zespół przezroczystych elektrod
zacji obu filtrów są skrzyżowane), albo ne  zorientowane w przestrzeni. Substancję sterujących ułożeniem cząsteczek ciekłego 85
Budowa i działanie pojedynczej komórki LCD wykonanej w technologii Twisted Nematic
Włączony sygnał sterujący  czarny piksel Stan spoczynku  biały piksel
filtr polaryzacyjny filtr polaryzacyjny filtr polaryzacyjny filtr polaryzacyjny
szklane podłoże z naniesioną warstwą orientującą
szklane podłoże z naniesioną warstwą orientującą
oraz przezroczystymi elektrodami
oraz przezroczystymi elektrodami
substancja
substancja
ciekłokrystaliczna
ciekłokrystaliczna
spolaryzowana wiązka światła
spolaryzowana wiązka światła
napięcie sterujące
brak zasilania
Pod wpływem napięcia sterującego wszystkie cząsteczki ciekłego kryształu zmieniają swoje położenie w komórce  ustawiają się równolegle do linii
przyłożonego pola elektrycznego. Przechodzące wówczas przez komórkę spolaryzowane pionowo światło jest pochłaniane na drugim (poziomym) filtrze
polaryzacyjnym. Przy braku zasilania cząsteczki ciekłego kryształu ustawiają się w położeniu spoczynkowym, wymuszonym przez warstwy orientujące.
MolekuÅ‚y ukÅ‚adajÄ… siÄ™ wtedy obok siebie, tak aby wspólnie utworzyć  Å›rubÄ™ . PÅ‚aszczyzna polaryzacji Å›wiatÅ‚a jest wówczas skrÄ™cana o 90° .
CZERWIEC 2001
82
oÅ› polaryzacji
oÅ› polaryzacji
polaryzacji
polaryzacji
oÅ›
oÅ›
Hardware
Technologie: wyświetlacze ciekłokrystaliczne
kryształu oraz warstwę orientującą, która ma
Struktura wyświetlacza ciekłokrystalicznego TFT
za zadanie ustawić molekuły ciekłego krysz-
tału w odpowiednim (tzw. spoczynkowym)
położeniu. Znajdująca się bezpośrednio dalej
warstwa ciekłego kryształu (np. bifenylu)
skrÄ™ca o 90° pÅ‚aszczyznÄ™ polaryzacji Å›wiatÅ‚a.
elektrody
Dzięki temu swobodnie wydostaje się ono
substancja ciekłokrystaliczna
z panelu LCD, a użytkownik widzi jasny
warstwa szklana
punkt na ekranie.
cienka folia
Opisana tu sytuacja ma miejsce, gdy do
znajdujÄ…cych siÄ™ po obu stronach warstwy cie-
filtr polaryzacyjny
kłokrystalicznej przezroczystych elektrod nie
elektrody
przyłożono napięcia. Wówczas cząsteczki cie-
promień światła
kłego kryształu ułożone są (dzięki warstwom
filtr koloru (RGB)
orientującym) równolegle do osi polaryzacji
warstwa szklana
filtrów, tworząc pomiędzy nimi specyficzną
filtr polaryzacyjny
strukturę śrubową (stąd nazwa  twisted 
skręcony)  patrz: rysunek na poprzedniej
stronie. Po przyłożeniu do elektrod napięcia
molekuły ciekłego kryształu zmieniają swoje
ułożenie, ustawiając się równolegle do linii po-
la elektrycznego, a więc prostopadle do po-
wierzchni ekranu. Gdy światło pada na taką
komórkę ciekłokrystaliczną, jego płaszczyzna
polaryzacji nie ulega zmianie. W konsekwencji
światło to jest pochłaniane przez drugi filtr po-
laryzacyjny. Punkt obrazu reprezentowany
przez taką komórkę ma kolor czarny. Kąt re-
orientacji cząsteczek ciekłego kryształu odpo-
wiada prawie liniowo wartości przyłożonego
do elektrod napięcia. Oznacza to, że poprzez
zmianę wartości przykładanego napięcia moż-
na uzyskać również stany pośrednie (nie cał-
kiem  równoległe ) w przestrzennym ułoże-
niu cząsteczek. W takim wypadku tylko część
światła jest pochłaniana przez filtr, co umożli-
wia wyświetlanie różnych odcieni szarości.
Kolorowe wyświetlacze mają dodatkową
Światło pochodzące z umieszczonego w tle z
ródła przechodzi przez dwa filtry polaryzacyjne,
warstwę, w skład której wchodzą barwne fil-
filtr koloru (niebieski, czerwony lub zielony) oraz warstwę ciekłego kryształu, po czym dociera
try w trzech kolorach podstawowych: czer-
do oka użytkownika. Powiększony dolny fragment ekranu przedstawia położenie i skalę
wonym, zielonym lub niebieskim (RGB).
rozmiarów tranzystorów sterujących pracą komórek wyświetlacza.
Każdej komórce ekranu odpowiada jeden ta-
ki filtr, a jak wiadomo, za pomocą trzech róż-
nobarwnych komórek można uzyskać dowol- cież w ciągu sekundy kilkadziesiąt razy za- urządzenia osiągają czas odświeżania obrazu
ny kolor piksela. Taka prosta konstrukcja jest adresować cały ekran), zastosowany ciekły rzędu 35 milisekund, co w zupełności wystar-
wykorzystywana zarówno w wyświetlaczach kryształ musi charakteryzować się znaczną cza nawet do wyświetlania obrazu wideo.
DSTN (Dual Scan Twisted Nematic) stoso- bezwładnością. Właśnie dlatego wyświetlacze
wanych w najtańszych wyświetlaczach LCD, DSTN potrzebują nawet do 200 milisekund Ja w sprawie kąta widzenia
jak i w pierwszej generacji paneli TFT (Thin na odświeżenie obrazu. W konsekwencji na W 1995 roku firma Hitachi wprowadziła na
Film Transistor). ekranie pojawiają się smugi, np. podczas ru- rynek tzw. panele IPS, gdzie obraz na pła-
chu wskaz
nikiem myszki. Drugim minusem skim ekranie można już było obserwować
Cienka rewolucja jest to, że Å›cieżki przewodzÄ…ce oddziaÅ‚ujÄ… na pod kÄ…tem przekraczajÄ…cym 60° w każdym
Popularne jeszcze kilka lat temu panele siebie wzajemnie, co powoduje powstawanie kierunku. W technologii IPS (In-Plane Swit-
DSTN, określane też nazwą wyświetlaczy pa- przesunięć obrazu przy ostrych kontrastach ching)  pałeczkowate cząsteczki ciekłego
sywnych, mają dwie dość istotne wady. Po oraz poważnie ogranicza możliwą do uzyska- kryształu zawsze są ułożone równolegle do
pierwsze, potrzebny do reorientacji cząste- nia na wyświetlaczu paletę barw. siebie i do powierzchni ekranu  zmianie ule-
czek ciekłokrystalicznych poziom napięcia na W przypadku opracowanej około 1970 roku ga jedynie ich ułożenie z pionowego w pozio-
elektrodach osiągany jest w stosunkowo dłu- technologii aktywnej matrycy TFT mechanizm me. W położeniu neutralnym  przy wyłączo-
gim czasie. Dzieje się tak dlatego, że elektro- sterowania komórkami ekranu został wbudo- nym napięciu  molekuły ustawione są pro-
dy znajdujące się po jednej stronie komórek wany w sam ekran. Każda komórka ma wła- stopadle do płaszczyzny polaryzacji światła
umieszczone są pionowo, a po drugiej pozio- sny tranzystor cienkowarstwowy (Thin Film wpadającego do komórki ciekłokrystalicznej
mo  tworzą swego rodzaju matrycę. Piksel Transistor, stąd TFT), który reguluje napięcie i wytłumiają wiązkę światła (nie skręcają!).
przeznaczony do zapalenia (zgaszenia) wy- na elektrodach. Dzięki lokalnemu sterowaniu Piksel ekranu pozostaje czarny.
biera się, wysyłając sygnały sterujące do wzajemna interakcja między punktami obrazu Aby wyświetlić jasny punkt obrazu,
punktu przecięcia obu matryc. Ze względu na niemal zupełnie nie istnieje, a czas reakcji kryształy muszą zostać ustawione równolegle
to, że sygnał jest bardzo krótki (trzeba prze- ekranu jest zdecydowanie krótszy. Najlepsze w stosunku do osi polaryzacji filtrów 86
CZERWIEC 2001
85
Hardware
Technologie: wyświetlacze LCD
Budowa i działanie wyświetlacza MVA (Multi-domain Vertical Alignment)
filtr polaryzacyjny filtr polaryzacyjny
filtr polaryzacyjny filtr polaryzacyjny
szklane podłoże z naniesionymi przezroczystymi elektrodami
szklane podłoże z naniesionymi przezroczystymi elektrodami
substancja substancja
ciekłokrystaliczna ciekłokrystaliczna
spolaryzowana wiązka światła spolaryzowana wiązka światła
napięcie sterujące
brak zasilania
W wyświetlaczach MVA w stanie spoczynku (bez przyłożonego napięcia) warstwa ciekłokrystaliczna pochłania całe wchodzące do komórki LCD
światło, pochodzące z lampy fluorescencyjnej. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy  pałeczkowate cząsteczki ustawione są prostopadle do powierzchni
ekranu. Pod wpływem przyłożonego napięcia (rysunek po prawej) cząsteczki ciekłego kryształu obracają się, zmieniając swoje położenie, aż osiągną
 przy maksymalnym napięciu  ustawienie równoległe do powierzchni wyświetlacza, przepuszczając całe wchodzące do komórki światło.
(dla wyświetlaczy IPS obie płaszczyzny pola- wykorzystujące technikę IPS reagują więc w przypadku dużego kąta widzenia sięgające-
ryzacji filtrów są ułożone w identyczny spo- stosunkowo wolno na zmianę obrazu. Wy- go nawet powyżej 85 stopni.
sób). Do wytworzenia pola elektrycznego świetlacze IPS pierwszej generacji mają jesz- Panele MVA charakteryzują się znacznie
wykorzystywane są dwie elektrody, które cze jedną negatywną cechę: ten sam obraz wy- krótszym czasem reakcji niż wyświetlacze
w przypadku paneli IPS znajdują się na jed- świetlany przez dłuższy czas pozostawia na IPS. Ze względu na zastosowanie trójwymia-
nej powierzchni wyświetlacza. W przeci- ekranie  cień  podobnie jak zużyta lampa rowych struktur (niezbędnych do podziału na
wieństwie do stosowanej w  prostych ekra- kineskopowa. Na szczęście po pewnym czasie domeny) wyświetlacze MVA są drogie w pro-
nach TFT technologii TN ciekłe kryształy takie niepożądane efekty same znikają. W naj- dukcji, a oferowana przez nie barwa czarna
w monitorach IPS tworzą zawsze jednorod- nowszych ekranach IPS tego typu usterka już jest mniej nasycona niż w panelach IPS.
ne struktury, co ma korzystny wpływ na wy- praktycznie nie występuje. Poprawiono też Wszystko zatem wskazuje na to, że podsta-
gląd wyświetlanego obrazu. Z komórek wy- kąt widzenia, który wynosi ok. 80 stopni. wową technologią wykorzystywaną w ciągu
świetlacza nie wydostaje się praktycznie ża- kilku najbliższych lat w monitorach LCD bę-
den błędnie skierowany strumień światła, Pobudzić piksele do świecenia dzie w dalszym ciągu technika TFT-IPS.
dzięki czemu możliwe jest uzyskanie czerni Ostatni krzyk mody w dziedzinie wyświetla- oprac. Marcin Bieńkowski (jr)
o dużym nasyceniu, a tym samym obrazu czy TFT pochodzi z firmy Fujitsu. Technika
o wysokim kontraście. MVA  bo o niej mowa  ma szansę stać się
INFO
nowym przebojem rynkowym. Tutaj czÄ…-
Grupy dyskusyjne
Kto mnie tak rozprasza? steczki ciekłego kryształu w stanie spoczynku
Uwagi i komentarze do artykułu:
Niestety, technologia IPS ma również swoje są skośnie ustawione w stosunku do po-
news://news.vogel.pl/chip.artykuly
wady. Obie elektrody pojedynczej komórki wierzchni wyświetlacza, pochłaniając całe
Pytania techniczne:
IPS położone są blisko siebie. Cząsteczki cie- światło  komórka ekranu jest ciemna. Steru- news://news.vogel.pl/chip.hardware
kłego kryształu znajdujące się w bezpośred- jąc odpowiednio przykładanym do komórki
Internet
nim sąsiedztwie elektrod  ze względu na za- napięciem, reguluje się kąt pochylenia mole-
Historia odkrycia i wykorzystania
krzywienie w tym miejscu linii pola elek- kuł, a więc jasność obserwowanego piksela.
ciekłych kryształów
trycznego  ustawiają się ukośnie w stosun- W przypadku paneli MVA jasność punktu
http://www.sharp.ca/whats_lcd.html
ku do powierzchni filtra polaryzacyjnego, co jest ściśle uzależniona od kąta i miejsca,
Właściwości ciekłych kryształów
http://abalone.cwru.edu/tutorial/enhanced/
powoduje niepożądane rozproszenie światła. z którego obserwujemy obraz na ekranie.
main.htm
Wadę taką można wprawdzie ukryć, stosując Główną rolę w technice MVA odgrywa po-
http://bly.colorado.edu/lc/
czarną maskę dla niejednorodnych obszarów dział każdej komórki wyświetlacza na dwa
Technologia LCD
ekranu, ale zabieg ten pociąga za sobą dalsze lub więcej obszarów nazywanych domenami
http://www.pl.tomshardware.com/display/
zmniejszenie natężenia światła emitowanego (stąd słowo multi-domain w nazwie techno-
99q2/990630/index.html
przez wyświetlacz. Panele IPS wymagają logii), w których znajdują się ukośnie ułożo- http://www6.tomshardware.com/display/
99q2/990624/index.html
więc mocniejszego oświetlenia tła niż np. ne w stosunku do siebie cząsteczki ciekłego
http://www.smartcomputing.com/editorial/
wyświetlacze TN czy MVA (Multi-domain kryształu. Jeśli się przyjrzymy się pod różny-
article.asp?article=articles%2Farchive%2
Vertical Alignment). mi kÄ…tami pojedynczemu pikselowi podzielo-
Fg0903%2F36g03%2F36g03%2Easp&guid
Kolejną słabą stroną konstrukcji IPS jest nemu na kilka domen, okaże się, że  błędy
=wjxkupiu&searchtype=&WordList=
czas potrzebny do wytworzenia odpowiednie- powstające w poszczególnych obszarach ko- http://www.smartcomputing.com/editorial/
article.asp?article=articles%2Farchive%2
go rozkładu natężenia pola elektrycznego  mórki wzajemnie się znoszą. Ogólna jasność
Fr0304%2F10r04%2F10r04%2Easp&guid
jest on znacznie dłuższy niż w przypadku danego piksela pozostaje zachowana, a kon-
=wjxkupiu&searchtype=&WordList=
innych typów wyświetlaczy. Urządzenia trast i paleta barw nie zmieniają się nawet
CZERWIEC 2001
86
oÅ› polaryzacji
oÅ› polaryzacji
oÅ› polaryzacji
oÅ› polaryzacji