Klávesové zkratky na tomto webu - základní
Přeskočit hlavičku portálu

Vše, co jste kdy chtěli vědět o displejích

aktualizováno 
Seznámíme vás s tím, jak funguje displej mobilního telefonu. Podrobný popis doprovázený obrazovým materiálem vám představí taje LCD displejů, o kterých netušíte. Dozvíte se také, proč jsou barevné displeje stále poměrně drahé. Jejich zlevnění je již nablízku.

Na displej mobilního telefonu se dnes a denně díváme. Je pro nás zdrojem důležitých informací a tak říkajíc okem, které nás spojuje se světem. Jeho velikost patří mezi jedno z hlavních kritérií při hodnocení nového přístroje, uživatelé podle něho také subjektivně hodnotí práci s telefonem. Víte však, jak vlastně tzv. LCD - Liquid Crystal Display - pracuje?

Historie

LC displeje se staly součástí tisíců druhů výrobků – od digitálních hodinek přes mobily po laptopy a výkonné LCD projektory. Je s podivem, že objev, na jehož principu LC displeje pracují, je starý více než 110 let. Rakouský botanik Friedrich Rheinitzer si v roce 1888 všiml, že zvláštní směs podobná cholesterolu (cholesterylbenzoát), která má při nízké teplotě podobu zakalené tekutiny, se při tání pročišťuje. Při chlazení pak tekutina nabývá modré barvy a nakonec zkrystalizuje. Trvalo však ještě dalších téměř 80 let, než roku 1963 Richard Williams vysvětlil podstatu tohoto chemicko-fyzikálního jevu: světlo procházející tenkou vrstvou „tekutých krystalů“ „se ohýbá“ podle jejich krystalické struktury. R. Williams pak v roce 1968 vyrobil s kolegou Georgem Heilmaierem první experimentální displej z „tekutých krystalů“.

Principy

Princip LC displejů spočívá právě v podivně znějících spojeních „ohýbání světla“ a „tekutý“ či „kapalný krystal“. Vysvětleme si, co znamenají. Zjednodušeně řečeno je světlo proudem částic – fotonů –, které se šíří všemi směry a nepravidelně těkají. My umíme toto těkání uklidnit a učesat: tomuto jevu se říká polarizace. Fotony v polarizovaném světle těkají pouze podél jediné pomyslné osy, toto „zklidnění“ světelného paprsku však světlu ubírá část jeho energie, laicky řečeno: světlo ztrácí jas.

Nejjednodušším způsobem, jak světlo polarizovat, je nechat jej projít skrz velmi jemně drážkovanou skleněnou destičku. Jistě tento pokus znáte ze školy. Na tom se však polarizace dokazuje těžko: snížení jasu není dobře patrné. Důkazem principu polarizace světla je až druhý krok pokusu: za první polarizační destičku je postavena druhá, její jemné drážky musí být vzhledem k drážkám první destičky v pravém úhlu. Fotony, které po průniku první polarizační destičkou těkají podél jejích drážek, narazí do druhé polarizační destičky, jejíž drážky jsou vůči jejich těkání v pravém úhlu. Protože mezi „učesanými“ fotony není žádný, který by těkal v ose  pootočené o 90 stupňů, nepronikne druhou polarizační destičkou žádné světlo. Soustava destiček světlu do cesty postavila jakousi „mříž“. A takhle vypadá popisovaný školní pokus – drážky destiček jsou k sobě zprvu rovnoběžné, otočením se však dostanou do úhlu 90 stupňů. Poté skrz destičky neprochází žádné světlo.

Nyní tedy víme, že světlo je možné polarizovat, „ohýbat“, a že to může mít dopad na jeho průnik materiály, které polarizaci způsobují. A nyní k další záhadě: „tekuté krystaly“. Ze školy víme, že existují tři základní skupenství látek: pevné, kapalné a plynné. Krystal v nás vzbuzuje představu pevné látky (krystalická struktura křemene), jak může být krystal „tekutý“? Molekuly pevné látky nemění svou pozici, osy molekul jsou orientovány vždy stejným směrem. Molekuly kapalné látky se naopak pohybují a jejich osy míří různými směry. „Tekutý krystal“ je zvláštní skupenství, které má vlastnosti kapaliny – molekuly se mohou volně pohybovat – i vlastnosti pevné látky – jejich osy jsou orientovány stejným směrem. Představte si krabici plnou zápalek: zatřesete jí a po otevření zjistíte, že hlavičky všech sirek jsou orientovány stejným směrem, jako celek však sirky nemají žádnou prostorovou organizaci, „plují“ volně v krabici. Tekuté krystaly jsou tedy něčím mezi pevnou a kapalnou látkou, to vysvětluje jejich protimluvný název.

LCD displeje

Nematická struktura tekutého krystalu

Je třeba poznamenat, že problematika skupenství tekutých krystalů je složitější. Různé druhy sloučenin tvořených tekutými krystaly nabývají několika struktur, hovoří se o smektické, nematické a cholesterické fázi nebo také struktuře. V LCD se používají pouze krystaly nematické fáze, jejichž výše popsaná organizace má důležité optické vlastnosti. Světlo procházející kapalnými krystaly nematické struktury se stáčí podle os krystalů. Kapalný krystal vlastně světlo „vede“. Další důležitou vlastností je, že kapalné krystaly jsou schopny měnit svou strukturu působením elektrostatického pole, které může být i velmi slabé. Se změnou struktury krystalu dochází i ke změně jejich optických vlastností, to je velmi důležité.

Dříve, než se pustíme do sestavování displeje, prohlédněte si mikrofotografie několika nematických struktur. Dále přikládáme dvě krátké videoukázky, které zachycují chování kapalných krystalů různých struktur. Dokumentují, že změna orientace molekul má vliv na vlastnosti světla.

LCD displeje

LCD displeje

Stavba LC displeje

Displej tvoří několik na sebe položených vrstev. Funkční jádro struktury tvoří vrstva tekutých krystalů, která je uzavřena mezi dvě tenké skleněné destičky, jejichž polarizační mřížky jsou na sebe pravoúhlé. Ano, tuto orientaci známe z polarizačního pokusu, víme tedy, že světlo by skrz skleněné destičky nemělo procházet. V případě jaderných vrstev tomu tak není, může za to právě prostřední vrstva tekutých krystalů.

Její molekuly mají totiž důležitou vlastnost: přizpůsobují se směru drážek destičky, která je k nim přiložena. Drážky jsou na sebe kolmé a krajní molekuly LC vrstvy se tomu přizpůsobují, dochází k postupnému natáčení jednotlivých vrstev tak, aby krajní vrstvy molekul odpovídaly svým směrem orientaci drážek. Tato struktura se nazývá Twisted Nematic (TN). K čemu je ovšem dobrá? V klidovém stavu, a teď už můžeme říct ve chvíli, kdy je displej vypnutý, touto TN strukturou světlo prochází. Vstupuje skrz první skleněnou destičku, polarizuje se, LC vrstva otáčí „uklidněné“ fotony o 90 stupňů a ty zase vycházejí destičkou, jejíž polarizační drážky jsou pootočeny také o 90 stupňů – jsou tedy s kmitáním fotonů rovnoběžné. Displej je průhledný, světlo, které jím prochází, ovšem ztrácí asi 50 % jasu. Ve chvíli, kdy je do displeje, lépe řečeno do jednoho segmentu displeje, zaveden proud, mění molekuly LC vrstvy svou orientaci – jejich osy jsou rovnoběžné. To ovšem znamená, že světlo dorazí na druhou polarizační destičku nepootočené, a proto jej její drážky zastaví. Displej je neprůhledný, neprochází jím žádné světlo. Přesným dávkováním elektrického napětí lze odstupňovat odstíny mezi černou a bílou – moderní displeje založené na TFT technologii (viz. dále) zobrazují 256 odstínů šedi.

LCD displeje

 V obyčejném LC displeji (Twisted Nematic) je zkrut molekul 90 stupňů. Pokročilejší displeje, zvané také Supertwist Nematic, Double Layer Supertwist Nematic či dokonce Triple Supertwist Nematic mají kapalné krystaly překrouceny o 180, respektive 270 stupňů. Čím více jsou krystaly překrouceny, tím větší je potenciální kontrast displeje. To jsme ve výkladu ovšem hodně předběhli, vraťme se zpět ke stavbě displeje.

V běžné řeči říkáme, že „displej svítí“. Jistě jste si ale všimli, že jsme dosud hovořili pouze o zabraňování průchodu světla. Zapnutý segment displeje je jednoduše neprůhledný. LC displeje totiž žádné světlo neprodukují, a aby byly neprůhledné segmenty viditelné, musí být průhledné (vypnuté) segmenty nějak podsvíceny. Velká výhoda LC displejů – minimální spotřeba proudu pro zneprůhlednění aktivních segmentů – s sebou nese velkou nevýhodu: značná spotřeba proudu pro podsvícení displeje. Aby se výrobci tomuto problému vyhnuli, používají u klasických displejů (a právě ty jsou v drtivé většině mobilů) jednoduchý trik: zdrojem světla je slunce. Jinak řečeno: na spodu displeje je umístěno zrcátko, které odráží denní světlo. (Pozor, nepleťte si zadní podsvícení s vrchním osvícením displeje diodami.)

LCD displeje

 Spodní vrstvu displeje tvoří již zmíněné zrcátko (A), na něm je položena skleněná destička s polarizačními drážkami na spodní straně (B), na její vrchní straně je vrstva poloprůhledného vodivého materiálu (indium-tin oxide, ITO; oxid india a cínu), který na celé ploše vrstvy vytváří první elektrodu. Následuje vrstva tekutých krystalů (D) a další skleněná destička, jejíž spodní strana nese elektrodu (E) – tentokrát ve tvaru jednoho segmentu displeje, například obdélníku, vrchní strana pak polarizační drážky kolmé na drážky destičky B.

Pokud je v displeji jiné než reflexní podsvícení, podstatně to vylepšuje jeho optické vlastnosti (ale také spotřebu elektrické energie). Podsvícení  se nejčastěji aplikuje pomocí fluorescentních výbojek na některé ze stran displeje. Pomocí světlovodivého panelu z polykarbonátu se pak rozvede světlo po celé ploše displeje. Navíc nezapomínejme, že průchodem skrz polarizační vrstvy ztrácí světlo polovinu svého jasu!

Adresace

Displej jsme tedy sestavili, teď už jenom ho oživit. Výše popsaná struktura odpovídá jedinému segmentu jednoduchého displeje. Například obyčejný alfanumerický displej používá pro zobrazení všech číslic 7 segmentů. Tento jednoduchý displej používá systém tzv. statické adresace. Znamená to, že anoda (zem) je pro všechny segmenty společná a katodu má každý segment samostatnou – ke každému segmentu vede samostatný vodič. Statické systémy adresace se používají u nízkoinformačních displejů a mají jednodušší obslužné obvody.

Pro složitější maticové displeje, které jsou tvořeny mřížkou bodů (pixelů) se používá systém tzv. dynamické adresace. Anody a katody jsou uloženy v podobě řádků a sloupců – pro rozsvícení konkrétního bodu je třeba zvolit správný řádek a sloupec. Problém dynamické adresace spočívá v tom, že jednotlivé body displeje jsou  spojeny řádky a sloupci prostřednictvím elektrod. Technicky není možné zcela přesně regulovat proud, který bude jednotlivými body procházet. Kvůli tomu jsou na displejích tohoto typu často patrné postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky, které se rozebíhají od rozsvíceného pixelu (vybraný pixel je aktivní - černý - ale okolí je rovněž částečně aktivní – je šedé), a dokazují tak způsob zaměřování konkrétního bodu. Systém dynamické adresace je relativně pomalý, jednotlivý bod je schopen zareagovat na změnu za 300 ms, což odpovídá zhruba třem snímkům za sekundu. Dosahuje se tak nízké obnovovací frekvence, tj. počtu obrázků, které je displej schopen zobrazit za vteřinu. Proto mají LC displeje potíže se zobrazováním rychlejší grafiky, pro video jsou zcela nevhodné (to vyžaduje odpověď do 40 ms).

LCD displeje

 

A co barvy?

Pro vytvoření barevného obrazu jsou aplikovány červené, modré a zelené filtry na vrcholy jednotlivých bodů. Tři body o různých barvách (tzv. subpixely) vytváří mikrooblast, která z odstupu vypadá jako jeden bod schopný zobrazit všechny barvy. Například k vytvoření bílé barvy jsou tři sousední body nastaveny tak, aby propouštěly světlo – jak víme z fyziky, smícháním základních barev vzniká bílá. Barevné odstíny mohou být vytvářeny různým způsobem, jedním z nich je pokles napětí přiváděného do jednotlivých bodů, čímž se snižuje množství propouštěného světla. Barevné body mohou být rozloženy buď v pruzích, nebo v trojúhelnících.

LCD displeje

LCD displeje

LCD displeje

LCD displeje

TFT technologie

Dosud jsme hovořili o displejích, jejichž body „pasivně čekají“ na elektrický signál a až poté se aktivují, tedy zneprůhlední na požadovanou úroveň. Mluvíme o pasivních displejích. LCD displejeLCD displejeDůsledkem tohoto principu je dlouhá doba odpovědi, tyto displeje jsou pomalé. Problémy pasivních displejů vyřešila technologie TFT (Thin Film Transistor), tyto displeje jsou označovány jako aktivní. Skleněná destička v displeji je potažena tenkou vrstvou amorfního nebo polykrystalického křemíku, poměrně náročnou technologií (pomocí záblesků vysokovýkonného laseru) se na této vrstvě vytváří pro každý jednotlivý pixel tranzistor a kondenzátor. Díky nim je možné velmi přesně regulovat proud procházející pixelem, a tak přesně nastavit úroveň jeho svítivosti (256 úrovní pro jeden bod). Tranzistor zároveň účinně odděluje jednotlivé pixely, a proto nedochází k částečnému aktivování sousedních pixelů. Bod je schopen reagovat za 20 ms a méně, obnovovací frekvence se tak dostává na 50 snímků za sekundu, což je dostačující i pro zobrazování videa. Kondenzátory přítomné v křemíkové vrstvě „aktivně“ udržují napětí na jednom pixelu až do dalšího obnovovacího cyklu, proto se mluví o aktivních displejích.

Skvělá TFT technologie má však také nevýhody. Předně je to technologická náročnost. Vezměme například výtečný mobil Samsung SGH T100, který je obdivován právě pro svůj barevný TFT displej. Jeho displej zobrazuje 128 x 160 pixelů, tj. 20 480, pro každý bod musí být použity 3 TF tranzistory pro základní barvy. Znamená to, že na ploše 3,2 x 3,7 cm je umístěno více než 60 tisíc tranzistorů. Kvůli tomuto nahuštění se v podstatě na každém TFT displeji vyskytují „mrtvé body“. Některé zdroje uvádějí, že až 40 % vyrobených displejů musí být vrácenou zpět na výrobní linky, a právě proto jsou TFT displeje drahé. Ceny za povedené displeje (tedy za displeje s relativně nízkým výskytem mrtvých bodů) musí pokrývat i výrobní náklady za vrácené displeje. Samsung je však znám přesností výroby a nízkou kazovostí, proto je také světovou jedničkou ve výrobě barevných TFT displejů.

Nevýhody LC displejů

O hlavních nevýhodách jsme již mluvili. Světlo při průchodu polarizačními vrstvami ztrácí polovinu svého jasu. Levné displeje používají reflexní systém (denní světlo se odráží od spodního zrcátka), náročnější barevné displeje v noteboocích a také např. ve zmíněném Samsungu mají systém zadního podsvícení, který významně zvyšuje spotřebu energie. Pro zavírání segmentů u pasivních displejů je třeba jen minimálního proudu (v případě pasivního displeje u laptopu je při výšce znaku 13 mm, napájecím napětí 25 V a frekvenci 50 Hz spotřebovávaný proud na jeden segment 1 mikroampér). U aktivních displejů je třeba další proud na otvírání a zavírání tranzistorů.

Významným problémem LC displejů je malý zorný úhel. Paprsky procházející tekutými krystaly se štěpí, a pokud se pozorovatel dívá na displej ze strany, vidí oba paprsky a displej subjektivně mění barvy nebo se zesvětluje či ztmavuje. Tento problém se řeší nanášením speciálních povlaků, které rozptyl světla zlepšují. Vylepšení optických vlastností přinesla technologie Super TFT, která se liší uspořádáním jednotlivých zrnek tekutých krystalů.

Tekuté krystaly si zachovávají své chemicko-fyzikální vlastnosti v určitém teplotním rozmezí. Ve standardních displejích jsou užívány sloučeniny, které jsou schopny bezchybného provozu od –5 do +75 stupňů. Pokud s displejem pracujete v nižší teplotě (ve vyšší asi málokdy…), displej reaguje pomaleji.

Třicet let nazpět

Nástup LC displejů nebyl rozhodně nijak radikální. Sharp uvedl svou první kalkulačku s displejem z tekutých krystalů v roce 1973. Ovšem ještě několik let poté vítězili například ve stolních hodinách displeje složené ze segmentů vyrobených z LED diod. Masivní zájem o technologii LCD  přišel až v polovině 80. let v souvislosti se zvyšujícím se obratem ze spotřební elektroniky, na přelomu 80. a 90. let zaznamenala technologie prudký rozvoj v souvislosti s výrobou notebooků, plochých monitorů, projektorů a mobilních telefonů. Nemine měsíc, aby některý z výrobců nezveřejnil významné vylepšení LC technologie, pracuje se především na ztenčování displejů a na rozšiřování zorného úhlu.

Vědci však ve svých laboratořích již našli recept na novou technologii, která se postupně stává vážným konkurentem klasických i barevných displejů včetně displejů vyrobených  TFT technologií. OLED (Organic Light Emitting Diods) jsme vám již ve stručnosti představili. Jejími přednostmi jsou nízká spotřeba (displeje nemusí mít zadní podsvícení), vysoký kontrast, široký zorný úhel, levná výroba, a to i v případě barevných displejů. Tato technologie má však i své nevýhody, ale o nich si více povíme příště.

Obrazový materiál je převzat z HowStuffWorks (http://www.howstuffworks.com/) a ze stránek Institutu pro tekuté krystaly, Ó Dr. Oleg Lavrentovich



Témata: mobilní, Hodiny, Notebook


Nejčtenější

iPhone 8 Plus
iPhone 8 je tak výkonný, že tomu nevěřil ani tvůrce testu Geekbench

Výkon nového procesoru A11 Bionic od Applu vyrazil dech i tvůrci benchmarku Geekbench. Nedokáže pochopit, že smartphony s Androidem tak zaostávají.   celý článek

Nové ovládací centrum umožňuje přidávat další funkce.
Nový systém od Applu už má 47,3 % přístrojů. Android Oreo jen 0,2 %

Díky tomu, že Apple si sám vyvíjí software i hardware, je aktualizace iPhonů a iPadů velmi snadná. Naopak Android má roztříštěnou základnu přístrojů od tisíců...  celý článek

Honor 6A
Nenápadný premiant nižší třídy. Vyzkoušeli jsme Honor 6A

Nejlevnější model v nabídce značky Honor je dobrým příkladem toho, jak se mají dělat levné smartphony. Soustředí se na baterii, kvalitu displeje a na systém,...  celý článek

iPhone X
Je to konec mýtické čtečky v displeji? Výrobci sázejí na obličej

Čtečka otisků integrovaná do displeje měla být jednou z hlavních letošních inovací na poli smartphonů. Technologie je ovšem natolik složitá, že výrobci od...  celý článek

Příchod sítí 5G je plánován na rok 2020
Nástup sítí 5G je zase o něco blíže. První vysílače jsou už postavené

Berlín Příchod sítí 5G je plánován až na rok 2020, ale k důležitým milníkům dochází už teď. Společnost Deutsche Telekom spustila první evropské vysílače umožňující...  celý článek

Další z rubriky

Americký ministr vnitřní bezpečnosti John Kelly s prezidentem Donaldem Trumpem...
Hackeři mohli odposlouchávat iPhone amerického ministra vnitra

Současný vedoucí prezidentské kanceláře John Kelly má na svědomí poměrně hrubý bezpečnostní přešlap. Jeho iPhone v době, kdy sloužil jako ministr vnitra USA,...  celý článek

Fronty jsou typické také pro prodejny firmy Apple ve chvílích, kdy startuje...
Reklamní průmysl zuří. Apple přestal sdílet historii prohlížení uživatelů

Při příležitosti aktualizace operačního systému a vyhledávače Safari udělala minulý měsíc společnost Apple důležitý krok k ochraně soukromí uživatelů....  celý článek

Nové ovládací centrum umožňuje přidávat další funkce.
Nový systém od Applu už má 47,3 % přístrojů. Android Oreo jen 0,2 %

Díky tomu, že Apple si sám vyvíjí software i hardware, je aktualizace iPhonů a iPadů velmi snadná. Naopak Android má roztříštěnou základnu přístrojů od tisíců...  celý článek

Akční letáky
Akční letáky

Všechny akční letáky na jednom místě!

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.