SITNA CREVCA<>
062011<><>

LCD paneli

Kristali, al’ tečni

LCD paneli, koji su se skromno pojavili u kalkulatorima i digitalnim satovima, danas se nalaze u TFT monitorima, na mobilnim telefonima, tabličnim računarima, projektorima... Kako oni rade, koji tipovi postoje, koji su im parametri?

Jedan piksel pod mikroskopom. U gornjem delu vide se tranzistori.
Tečne kristale, jedinjenja koja istovremeno imaju osobine tečnosti i kristalnih čvrstih supstanci, otkrili su austrougarski naučnici još krajem devetnaestog veka. Da se oni zaista ponašaju kao kristali (supstance čiji su molekuli u geometrijski pravilnom rasporedu), utvrđeno je na osnovu toga što su pokazivali jednu važnu osobinu čvrstih kristala – da polarizuju svetlost. Tokom istraživanja otkrivena je još jedna važna osobina tečnih kristala: kada se kroz njih propusti električna struja, menjaju pravac polarizacije, trošeći pri tom veoma malo električne energije. Sedamdesetih godina prošlog veka razvijeni su prvi displeji zasnovani na svojstvu tečnih kristala da menjaju ugao polarizacije. Dotadašnji displeji u „digitronima” i časovnicima, zasnovani na električnom pražnjenju u gasu (daleki preci današnjih plazma-displeja), trošili su previše struje, pa su baterije morale često da se menjaju ili pune.

 
LCD-ovi (Liquid Chrystal Displays, displeji sa tečnim kristalima) u početku su bili samo crno-beli, a devedesetih godina prošlog veka, sa pojavom kolornih LCD panela, započeo je razvoj kompjuterskih monitora, zatim displeja na mobilnim telefonima, televizijskih „ekrana”, velikih reklamnih i informacionih displeja i na kraju displeja tabličnih računara. Displeji u boji imaju mnoštvo sićušnih ćelija od tečnog kristala raspoređenih pravilno u vrste i kolone, pri čemu ćelije imaju naizmenično crvene, zelene i plave filtere, tako da jedna trojka sačinjena od elemenata sa filterima u tri osnovne boje čini jedan element slike – piksel. Kod ovako složenog rasporeda više nije bilo moguće upravljati ćelijama direktnim dovođenjem kontrolnog napona na njih, već svaka ćelija sadrži aktivni upravljački element, tranzistor, koji je posebnim postupkom postavljen direktno na nju. Takvi displeji nazivaju se displejima sa aktivnom matricom, a kako se kod savremenih displeja tranzistori nanose u vidu tankog sloja, filma, na panel, uobičajeniji je naziv TFT (Thin Film Transistor, tankoslojni tranzistor).

Princip rada

Rad TFT, kao i svih displeja sa tečnim kristalima, zasniva se na pojavi zvanoj polarizacija svetlosti. Polarizacija je nešto što je svojstveno svim tzv. transverzalnim talasima, kod kojih se „talasanje” vrši upravno na pravac kretanja samog talasa – kao treperenje zategnute žice ili kretanje ribe kroz vodu. Kako pravaca normalnih na pravac kretanja ima beskonačno mnogo, transverzalni talasi mogu da osciluju „na sve strane”, što se naziva nepolarizovanim talasom, ili manje-više u jednom pravcu, što se naziva polarizovanim talasom. (Glavni) pravac oscilovanja polarizovanog talasa naziva se pravcem polarizacije i on može biti postavljen vodoravno (horizontalna polarizacija), uspravno (vertikalna polarizacija) ili može da ima neki kosi položaj.

 
Što se tiče polarizacije svetlosti, ona može da nastupi iz nekoliko razloga, a nama je u ovom slučaju interesantna polarizacija pri prolasku kroz kristal. Pojedini kristali, naime, polarizuju svetlost koja kroz njih prolazi, i to u tačno određenom pravcu, recimo horizontalnom ili vertikalnom, a već polarizovanu svetlost propuštaju više ili manje, zavisno od toga koliko pravac polarizacije odstupa od položaja kristala. Dakle, ako svetlost prvo propustimo kroz vertikalni polarizator pa zatim kroz horizontalni, svetlost gotovo da neće prolaziti, a ako drugi polarizator okrenemo za 90 stepeni tako da i drugi polarizator postane vertikalni, propuštanje svetlosti biće maksimalno (mada ne i stopostotno). Ako pak drugi polarizator polako okrećemo, intenzitet propuštene svetlosti menjaće se od minimalnog do maksimalnog, i to srazmerno uglu za koji okrećemo drugi polarizator (Maltusov zakon).

Ćelije displeja sa tečnim kristalima sadrže po tri polarizatora – jedan polarizuje horizontalno, drugi vertikalno, a kao treći služi sloj tečnog kristala između njih, sa sistemom za upravljanje (elektrode i tranzistor). Opisaćemo takozvani TN (Twisted Nematic) tip displeja, jer se ostali tipovi ne razlikuju mnogo po principu rada. Tečni kristal koji se ovde koristi ima molekule u obliku tankih cevčica koje su fabrički, posebnim postupkom, „naslagane” tako da se njihov niz spiralno uvija. Ovakav položaj cevčica ima osobinu da okreće pravac polarizovane svetlosti za određeni ugao, a fabrički je određeno da taj ugao bude 90 stepeni, tako da ulazna horizontalno polarizovana svetlost izlazi vertikalno polarizovana. Kako i polarizacioni filter smešten na izlazu ima vertikalnu karakteristiku, svetlost će izlaziti samo neznatno oslabljena. Kada se, međutim, na elektrode koje dodiruju tečni kristal priključi električni napon, raspored cevčica u tečnom kristalu počinje da se menja. Što je napon viši, cevčice počinju sve više da se okreću u pravcu prostiranja svetlosti. To smanjuje ugao za koji se okreće pravac polarizacije tako da on sve više odstupa od vertikale, te vertikalni polarizator na izlazu propušta sve manje svetlosti. Pri jednom određenom maksimalnom naponu izlazna svetlost polarizovana je horizontalno, što znači da vertikalni polarizator skoro uopšte ne propušta svetlost. To „skoro” je uzrok najveće mane ovakvih displeja, o čemu ćemo pričati kasnije.

U ovim objašnjenjima pretpostavili smo da se LCD panel osvetljava sa zadnje strane, što je slučaj kod većine kompjuterskih monitora, televizora, telefona, tableta i slično. Međutim, prvi LCD displeji koristili su odbijenu svetlost ambijenta – Sunca ili svetiljki. U nekim primenama LCD se čak postavlja tako da bude providan i bez ikakvog sopstvenog osvetljenja, recimo na vetrobranu automobila (umesto instrument-table) ili kod digitalnih projektora.

Pozadinsko osvetljenje

Najveći broj TFT displeja nalazi se na monitorima, televizorima i prenosnim uređajima, a tu je pozadinsko osvetljenje neophodno. U početku su se za to koristile isključivo fluorescentne cevi sa hladnom katodom, umanjene varijante „neonki” kojima se često osvetljavaju škole i kancelarije. Jedna ili više takvih cevi postavljaju se duž ivica ekrana, zajedno sa visokoreflektivnim „štitom” koji ima takav oblik da ravnomerno (koliko je to moguće) osvetljava ceo displej. Sa razvojem svetlećih dioda visokog sjaja (High-Bright LED) počeo je postepeni prelazak na LED osvetljenje. Svetleće diode imaju mnoge prednosti nad fluo-cevima: nisu lomljive, ne sadrže živu, ne zahtevaju visokonaponske pretvarače, troše manje struje i dugovečnije su. U prvo vreme i one su smeštane duž ivica displeja (Edge LED), a kasnije su se pojavile konstrukcije kod kojih su diode naređane na celoj zadnjoj površini displeja, sa odgovarajućim difuznim filterom radi ujednačavanja sjajnosti (Full LED). Najnovije konstrukcije koriste sićušne LED-ove u tri osnovne boje (po jedna crvena i plava i po dve zelene) smeštene iza svake LCD ćelije ekrana ponaosob, čime se znatno poboljšavaju kolorimetrijske karakteristike panela i olakšava primena tehnika za poboljšanje kontrasta kao što je dinamički kontrast, kod kojeg se poboljšanje kontrasta postiže promenom sjajnosti pojedinih elemenata pozadinskog osvetljenja.

Tipovi panela

 
Princip rada LCD-a objasnili smo na primeru TN (Twisted Nematic) tipa panela kod kojeg su cevčice tečnog kristala postavljene u obliku razvučene spirale – helikoide. Pri dovođenju kontrolnog napona cevčice se postepeno okreću ka uzdužnom položaju, te stoje ukoso, a to izaziva veliko rasipanje i gubitke svetlosti. Uz to, kako je sloj tečnog kristala relativno debeo, a cevčice tečnog kristala usmeravaju svetlosne zrake praktično paralelno, svaka ćelija ponaša se kao da svetlost stiže „iz bunara”. Zato ovakve displeje moramo gledati skoro sasvim upravno na površinu – stručno rečeno, imaju male uglove vidljivosti, naročito po vertikali. Kada gledamo previše iskosa, slika potamni i boje se promene, što je kod jeftinijih modela vidljivo po ivicama slike čak i kada gledamo upravno na ekran.

Druga mana TN displeja je nemogućnost dobijanja potpuno crne boje, već je to uvek neka tamnija ili svetlija nijansa sive. Proizvođači pokušavaju tome da doskoče raznim domišljatim trikovima, od kojih je najčešći taj da se prednja površina displeja izglača do punog sjaja. Na taj način tamne partije slike zaista izgledaju nešto crnje, ali korisnicima smeta refleksija, a da ne govorimo o osetljivosti na otiske prstiju i prašinu. Nedostatak ovog tipa displeja je i loša reprodukcija boja, što se delimično može otkloniti softverski, postupkom kalibracije. Takođe, dinamički raspon (razlika između reprodukovanog crnog i belog) relativno je mali, tako da sam panel ne može da prikaže punu 24-bitnu paletu boja, već se i tu koriste raznorazni trikovi.

Zbog čega se, uz toliko mana, ovaj tip displeja i dalje koristi? Prvenstveno zato što je proizvodnja jeftina, upravljačka elektronika je relativno jednostavna, a nedostaci se mogu u izvesnoj meri kompenzovati. Još jedna bitna karakteristika TN panela jeste veoma brz odziv, najbrži od svih tipova, kod najnovijih modela tipično manje od četiri milisekunde pri promeni sivo-sivo (GtG, Grey to Grey). Zbog toga je on u stanju da prikaže akcione filmove i brze kompjuterske igre bez razmazivanja i „duhova” kod objekata koji se brzo kreću.

Kod IPS (In-plane Switching) panela cevčice tečnog kristala se, prilikom promene električnog napona, okreću tako da uvek ostaju u ravni upravnoj na pravac svetlosti. Na taj način se eliminišu neke od mana TN panela, a najviše loša reprodukcija crne i nelinearnost reprodukcije boja. Međutim, to je plaćeno složenijom konstrukcijom i znatno sporijim vremenom odziva. Naime, kod ovog tipa panela potrebna su dva kontrolna napona, pa samim tim i dva kontrolna tranzistora. Dva tranzistora zaklanjaju veći deo ćelije nego kod TN tipa, pa je potrebno imati jače osvetljenje, a sve se to više greje i troši više energije. Zbog složenijeg upravljanja i konstrukcije, nažalost, vreme odziva prilično je veliko, ne manje od deset milisekundi kod novijih modela, tako da IPS paneli nisu pogodni za gledanje filmova i igranje igara, a i veoma su skupi. Međutim, kako se može postići odlična vernost prikaza boja, veoma uspešno se koriste za obradu statičnih slika (recimo u pripremi za štampu) ili tamo gde razmazivanje pri brzim pokretima nije od značaja (recimo, kolor-korekcija u video montaži). Kod usavršenih modela ovog tipa panela, kao što su S-IPS, H-IPS, E-IPS i slični, pokušava se da se poboljša vreme odziva i poprave još neki nedostaci.

Grupa panela sa tzv. vertikalnom postavkom cevčica u tečnom kristalu (VA, Vertical Alignment) po karakteristikama predstavlja kompromis između TN i IPS tipa. Glavna razlika između njih i ostalih tipova jeste u obrnutom načinu rada: kad nema napona cevčice stoje upravno na podlogu i svetlost ne prolazi. Kada se uključi pun napon, cevčice se okreću paralelno podlozi i svetlost prolazi. Takva postavka omogućava da se za kontrolu koristi samo jedan tranzistor po ćeliji.

Dve najčešće korišćene varijante VA panela su MVA (Multi-domain Vertical Alignment) i PVA (Patterned Vertikal Alignment). MVA je originalno razvio Fujitsu, a kasnije su se uključile razne druge firme. Postignuti su veoma dobar kontrast i dobra reprodukcija crne boje uz dobre uglove vidljivosti, ali na račun linearnosti reprodukcije boja i svetline. Samsung i Sony razvili su sopstveni sistem PVA (i usavršenu varijantu S-PVA sa bržim odzivom) koja ima slične karakteristike kao MVA, ali sa znatno poboljšanim kontrastom koji dostiže vrednost i do 3000:1. Samim tim poboljšana je i reprodukcija boja, a pojedini skuplji modeli nude i paletu boja veću od 24-bitne, uz veći broj boja koje je moguće prikazati (Wide Gamut). Mana ovih tipova panela i dalje je relativno visoka cena, pa se ugrađuju u skuplje uređaje.

Postoje još neki tipovi TFT panela koji se uglavnom koriste na tabličnim uređajima i za neke posebne primene kao što su spoljašnji informacioni paneli, providni paneli u avionima (Head-up Display) i slično.

Parametri kvaliteta

Kad neko odlučuje, recimo, koji monitor da kupi, odluku će doneti, između ostalog, i na osnovu parametara koje proizvođač daje, uzevši naravno u obzir notornu činjenicu da proizvođači tu često malko varaju. Koji su to parametri i šta oni znače?

• Tip panela – jedan od onih koji smo naveli, ili njegova varijanta.

• Sjajnost (svetlina) – maksimalna svetlina koju monitor može da dâ, u kandelama po kvadratnom metru (cd/m2). Kada je ova vrednost veća, monitor može dobro da se vidi i u veoma svetlim prostorijama.

• Kontrast – odnos između svetline najsjajnijeg i najtamnijeg tona koji panel može da prikaže, recimo 1000:1. Ovaj parametar, nažalost, ništa ne govori o tome da li je crna boja verno prikazana.

• Dinamički kontrast – kontrast postignut pri uključenom sistemu za veštačko povećanje kontrasta, što se najčešće postiže promenama intenziteta pozadinskog osvetljenja. Na taj način postiže se drastično povećanje kontrasta (čak i do 1.000.000:1), ali to takođe drastično pogoršava vernost reprodukcije boja, često izaziva „gorenje” najsvetlijih detalja i „oreol” oko izrazito svetlih ili izrazito tamnih objekata. Zato ovaj parametar treba uzimati s velikom rezervom.

• Uglovi vidljivosti – maksimalni uglovi gledanja u ekran, po horizontali i vertikali, računati s obe strane u odnosu na pravac normalan na ekran, pri kojima još ne dolazi do izobličenja u slici. Daju se u stepenima (recimo 170°/170°, H/V). Podaci koje daju proizvođači često su prilično „optimistični”.

• Brzina (vreme) odziva – vreme potrebno da element TFT panela promeni stanje. Nekada se davalo vreme promene iz crnog u belo i obrnuto (BWB, Black-White-Black). Međutim, kako se sada koriste razne tehnike koje ubrzavaju prelazak između dve nijanse sive, pri čemu BWB vreme ostaje isto, sada se daje samo podatak o brzini promene sivo-sivo (GtG, Gray to Gray). Način testiranja nije standardizovan, pa je i to podatak na kojem proizvođači često varaju. Jedna od mogućnosti bila bi, recimo, da se interval između crnog i belog podeli na pet intervala, meri se brzina prelaska s jednog na drugi, s drugog na treći itd. i izračuna se prosek između tih vrednosti.

• Tip pozadinskog osvetljenja – CCFL ili LED. Većina kvalitetnijih panela danas koristi LED.

Vojislav MIHAILOVIĆ

 
 AKTUELNOSTI
EuroDIG: Erika Mann
IT High School, Beograd

 TRŽIŠTE
Noviteti iz Intela

 PRIMENA
Potraga za vanzemaljskim životom

 NA LICU MESTA
Vip izazov 3 – proglašenje pobednika
Sony Ericsson Xperia prezentacija
Microsoft Windows 7 Slate prezentacija
Microsoft Imagine Cup – lokalno finale kategorije Software Design
Samsung Smart TV prezentacija
nVidia prezentacija
Ostali događaji, ukratko

 SITNA CREVCA
LCD paneli
Šta mislite o ovom tekstu?
Home / Novi brojArhiva • Opšte temeInternetTest driveTest runPD kutakCeDetekaWWW vodič • Svet igara
Svet kompjutera Copyright © 1984-2018. Politika a.d. • RedakcijaKontaktSaradnjaOglasiPretplata • Help • English
SKWeb 3.22
Opšte teme
Internet
Test Drive
Test Run
PD kutak
CeDeteka
WWW vodič
Svet igara



Naslovna stranaPrethodni brojeviOpšte informacijeKontaktOglašavanjePomoćInfo in English

Svet kompjutera