LCD (Liquid Crystal Display)

Displej z tekutých krystalů, tak zní oficiální překlad dnešních LCDéček. Asi málokdo by jej sice používal, ale je dobré tento pojem znát. Právě slovo “tekutý” je velmi důležité. Je to totiž látka, která má stále krystalickou mřížku a zároveň se chová podobně jako kapalina. Je to tedy mezifáze pevné látky a kapaliny. Objevení tekutého krystalu přisuzujeme třem chemikům Mettenheimer, Virchow a Valentin. Objevení tekutých krystalů na nervových vláknech (látka myelin) před 150 lety je z dnešního hlediska docela průlomové.

Tekuté krystaly kam se podíváš

Na začátku tohoto století se začaly masivně rozšiřovat LCD panely, které měly zpočátku víc záporných vlastností než těch kladných. Naštěstí je člověk flexibilní a když viděl displej, co unese v jedné ruce (oproti starým CRT), nechal se touto technologií zlákat a věnoval do ní nemalé finanční prostředky. Dnes se vyrábějí LCD panely nejen k počítačům, ale i v telefonech najdete velmi pokročilé LCD, které na sobě navíc nese dotykovou vrstvu. Ve výsledku se díky prudkému vývoji LCD proměnil pohled na svět. Dnes jsou LCD úplně všude. Jdete si koupit něco do supermarketu? U samoobslužné kasy si namačkáte své zboží na LCD panelu. Chcete zavolat přítelkyni? S největší pravděpodobností koukáte do mobilu s LCD displejem. Čtete tento článek? Ano i ten je na 90 % zobrazen na LCD monitoru.

TFT (Thin Film Transistor)

Tato zkratka se často zaměňuje se samotnou technologií LCD monitorů. Jde však o obecné označení všech dnešních LCD panelů. Uvádím to hlavně pro přesnost, protože se toto označení objevuje v některých e-shopech, tak aby to někoho nezmátlo. V podstatě jde o nanesení tranzistorů na tenkou vrstvu. Tyto tranzistory již pouze ovládají jednotlivé subpixely, které mají právě určitou výrobní technologii. TFT vrstva je tedy u všech LCD monitorů prakticky stejná.

I přestože má každá technologie velmi odlišné vlastnosti, jsou si ve své podstatě všechny podobné. Všechny využívají tekutý krystal, všechny polarizují světlo a všechny mají své vady. Mezi ty nejznámější patří omezené pozorovací úhly, delší čas na změnu barvy (běžně známý jako odezva) a horší podání černé barvy – z toho také plynoucí nižší kontrast.

Nyní si popíšeme jednotlivé technologie, které se u LCD používají. Na úvod každé si řekneme něco k její historii a pak se podíváme, jak vlastně funguje.

TN (Twisted Nematic)

Zpočátku se používaly panely s technologií TN. Ty se vyznačují sice rychlou odezvou a nízkými výrobními náklady, ale jinak ve všech ostatních parametrech zaostávají. Obvykle poskytují pouze 6bitové barvy a zbytek do 16,2mil interpolují pomocí FRC (viz dále). Mají žalostně malé pozorovací úhly, které jsou navíc rozdílné při pohledu ze stran, shora a zdola. Jistě jste někdy viděli notebook s TN panelem, při pohledu zespodu obvykle panel zesvětlá a shora ztmavne. Je to dáno spirálovým natočením krystalů uvnitř každého subpixelu. Pozorovací úhly jsou u TN panelů vylepšovány tzv. filmem a proto se obvykle setkáte s označením TN+Film.

Dnes se TN panely hojně využívají v noteboocích a kancelářských monitorech díky své velmi příznivé ceně. Jejich kvalita barev bohužel bývá velmi tristní, a tak se rozhodně nehodí pro grafiku. I zde ale existují výjimky v podobě některých starší panelů EIZO, které také poskytovaly rozumné barevné podání. Některé firmy se bohužel snaží vyrobit TN monitor s gamutem AdobeRGB, který je sice pěkný, ale v běžných podmínkách málo použitelný a daleko závažnější je barevná odchylka deltaE. A právě ta je obvykle u TN velmi špatná (vysoká).

TN panely si vysloužily své prvenství ve výrobě také díky velmi rychlé odezvě, která je oproti ostatním technologiím výrazně lepší. Pokud se výrobce rozhodne vyzkoušet nějakou novou zlepšovací technologii u LCD, nebo se pokusí vyrobit větší displej, obvykle sáhne po TN panelu.

Princip

Pokud je krystal v klidovém stavu (není přivedeno napětí na elektrody), tak krystal propouští světlo. To se může na první pohled zdát jako výhoda (nižší spotřeba při zobrazení světlých barev), opak je ovšem pravdou. Ono elektrické pole je velmi malé a netvoří prakticky žádné škody na vašem účtu za energii. Problém nastane hlavně ve chvíli, kdy se něco špatného stane s pixelem resp. subpixelem. V tom případě se jedná o tzv. mrtvý pixel/subpixel. Takový pixel neustále svítí a působí při práci rušivě. Tímto neduhem ostatní technologie netrpí.

Pokud tedy chceme zobrazit černou resp. tmavou barvu, musíme na dvojici elektrod umístěných na opačných koncích krystalu přivést napětí. To zapříčiní postupné šroubovité stočení molekul uvnitř krystalu a zastaví se proud světla. Princip vidíte na následujícím krátkém videu, které znázorňuje postupné rozsvícení tří různě barevných subpixelů.

VA (Vertical Alignment)

Technologie VA bez dalšího písmenka (zkratky) vpředu vlastně neexistuje. První se objevila technologie MVA, neboli Multi-domain Vertical Alignment, a to v roce 1998 na popud drahé technologie IPS a naopak nedokonalé technologie TN. Fujitsu se snažilo vyrobit LCD, které bude mít dobré vlastnosti a zároveň bude levné. To se ve své podstatě i povedlo. Protože technologie VA obecně se i dnes velmi hojně využívá a stále platí, že VA je výrazně lepší než TN (hlavně v barvách a pozorovacích úhlech), ale stále nedosahuje kvalit IPS. Od technologie MVA se postupně odštěpily i její další varianty.

Firma AU Optronics přišla s P-MVA (Premium Multidomain Vertical Alignment) a A-MVA (Advanced …). Ty obecně vylepšily kontrast a nasazovaly OverDrive (viz níže). Také A-MVA přišla s lepším podáním barev a lepšími pozorovacími úhly. Je třeba si však uvědomit, že daná technologie jde jen lehce vylepšovat a nelze jí vylepšit natolik, aby dosáhla kvalit jiné. A protože se LCD s VA začaly prosazovat čím dál tím více, vstoupil do hry i další hráč, Chi-Mei Optoelectronics se svým S-MVA.

Nezávisle na MVA se do hry vložili i Samsung a Sony. Své dítko pojmenovali jednoduše PVA(Paternet Vertical Alignment) a jeho odnož S-PVA. Panely PVA jsou oproti MVA lepší v pozorovacích úhlech (rozdíl však není tak markantní jako u TV vs. MVA) a mají lepší kontrast i zobrazení černé barvy. Velmi důležitým rozdílem je fakt, že S-PVA je rozdělen do dvou oddělených zón (každá zóna má 4 domény) a intenzita jasu se reguluje výrazně lépe. Pokud má pixel zobrazit např. 50% šedou, tak ve své podstatě pouze vypne jednu zónu a druhou nechá na 100 %. V praxi to vypadá tak, že nejdříve začne slábnout intenzita uprostřed daného subpixelu a na okrajích stále svítí naplno. Až překoná hranici cca 50 % (obě zóny nemusí být zcela ve stejném plošném poměru), dojde k postupnému pohasínání i krajních částí. Názorně to můžete vidět na následující animaci (pro přehlednost je pozadí bílé, ve skutečnosti však je samozřejmě černé). První frame znázorňuje stav, kdy červený subpixel svítí na 100% (pro upřesnění nesvítí, ale na 100 % propouští světlo). Druhý propouští na 75 %, další na 50 %, 25 % a poslední je subppixel vypnutý.

Varianta PVA (bez S) byla vyvinuta jako levnější odnož S-PVA, často proto používá pouze 6bitové barvy s FRC. Naopak S-PVA jsou panely zaměřené od mid po hi segment. Objevíme je v běžných kancelářských monitorech Samsung, ale i např. v 12bitových monitorech EIZO. Obecně je S-PVA nejvíce univerzální technologie dneška.

Samsung v roce 2009 přišel s cPVA panely. Ty jsou jakousi obměnou e-IPS (viz dále). Jde tedy o ekonomickou variantu. Pixel již není rozdělen do dvou zón, ale Samsung se vrátil k jedné o čtyřech doménách. Regulace jasu subpixelu je tedy již opět po celé jeho ploše současně. Subpixely mají však menší rozestupy a tudíž lepší využití plochy. Tím se lehce vylepšil kontrast a jas. Bohužel u velké většiny z nich se vyskytují 6bitové barvy s FRC.

Princip

Oproti technologii TN se molekuly v krystalech nestáčejí do šroubovice. Jsou totiž uspořádány stromečkově a při rozsvicování dochází k jejich otevírání. Každý subpixel je rozdělen obvykle do 4 domén (proto se molekuly natáčí stromečkovitě). U S-PVA do dvou zón, každá s čtyřmi doménami. Navíc pixel ve vypnutém stavu nesvítí (nepropouští světlo), tím pádem při nějaké chybě mrtvý subpixel nesvítí, ale je černý. To je výrazně méně rušivé a ve výsledku si takového pixelu popř. subpixelu ani nevšimnete. Na následujícím videu opět vidíte princip fungování jednoho pixelu.

IPS (In Plane Switching)

Technologii IPS vyvinula společnost Hitachi v roce 1996 a původně byla označována jako Super TFT - tedy Super Thin Film Tranzistor a vlastně neudávala technologii jako takovou. Až později (1998) přišla technologie S-IPS a opět ji vyvinula Hitachi. LG Display ji začalo vyrábět až v roce 2001. Tato technologie přinesla hlavně lepší odezvu. V roce 2002 přišlo vylepšené AS-IPS, které přineslo výrazně lepší kontrast a dohnalo tak v té době S-PVA. Také se posunuly barvy k lepšímu (tedy přesněji gamut se rozšířil). AS-IPS proslavila monitor NEC 20WGX2, který byl ve své době jako dar z nebes.

O další dva roky později přišel IPS-Pro s ještě lepším kontrastem. Poté se již vylepšování stávající technologie ujmula firma LG. V roce 2007 přišla s H-IPS (neboli s Horizontal – In Plane Switching). Trochu to zavání změnou otáčení pixelu, ale princip je více prostý. Subpixely již nemají tradiční IPS tvar rohlíčku, ale jsou více obdélníkové. Díky tomu se zvýšila propustnost světla a tím i kontrast. Zhruba ve stejné době se objevil derivát e-IPS, který je jakousi ekonomickou variantou H-IPS. Panely e-IPS mají nižší pozorovací úhly a hlavně obvykle mají pouze 6bitové barvy. To sice technologii jako takovou výrazně omezuje pro grafické použití, na druhou stranu se může díky velmi příznivé ceně stát, že e-IPS nahradí zcela nedostačující TN panely i v kancelářích.

Následně na to se objevily UH-IPS (Ultra Horizontal In Plane Switching) a H2-IPS. V podstatě jde jen o jakousi evoluci H-IPS. Poskytují o 18 % lepší využití plochy a tím i lepší kontrast a jas. Potažmo lze snížit spotřebu (menší intenzita podsvětlovacích trubic). Další zástupce IPS je S-IPS 2. Opět se vrátil k rohlíčkovému tvaru subpixelů, ale zvýšil využití plochy o dalších 11,6 %. S tím souvisí opět snížení energetické náročnosti a lepšího kontrastu či jasu.

Na obrázku vidíte tvar jednotlivých subpixelů. Pokud si tedy nejste jistí technologií svého IPS panelu, přes lupu to zjistíte.

Další evolucí byl příchod P-IPS (Performance In Plane Switching). Panel opět nese nový obdélníkový tvar subpixelu – stejně jako (U)H-IPS. S těmi se však moc často nesetkáme. Jsou to totiž panely s 10bitovými odstíny na jeden barevný kanál (30 bitů celkově). Ve výsledku takový monitor dokáže zobrazit 1,07 miliard barev. Na první pohled se to může zdát jako zbytečné, ale např. pro zobrazování rentgenů se 1024 odstínů šedi může hodit. Bohužel 10 bitů je často dosaženo pomocí 8 bitů s FRC. Jde tedy obvykle o klasický 8bitový panel s lepší elektronikou. Nic víc, nic míň. Pokud to vezmeme do důsledku, tak 10bitový panel běžný smrtelník ani nemá šanci využít (máte zapnuté Aero? -> Nemůžete mít 10 bitů).

Princip

Opět si popíšeme princip fungování IPS obecně (tedy S-IPS, AS-IPS apod.). Pokud jsou krystaly v každém subpixelu v klidovém stavu (nepřivedeno napětí), tak nepropouští světlo. S tím je spojena i výhoda mrtvého pixelu, který nesvítí. V tomto stavu jsou uspořádány molekuly v krystalu do jedné roviny. Jejich natočením o 90 stupňů se zajistí propustnost světla. Ono otočení je realizováno elektrickým polem, které je vytvořeno dvojicí elektrod v zadní části subpixelu. Jakmile začne krystal propouštět světlo, nebrání nic v jeho polarizaci a zobrazení určité barvy. Vše je znázorněno na následující animaci:

PLS (Plane to Line Switching)

Technologie PLS je v podstatě založená na IPS. Pouze se chtěl Samsung odprostit od svých PVA panelů, které sice poskytují již vyrovnané výsledky, ale IPS (vyrábějící LG-Philips) má pořád výrazně lepší podání barev. Pro profesionální účely měl tedy Samsung trochu díru ve svém portfoliu. Samsung také rovnou přeskočil prosté označení PLS a vrhnul se rovnou na jeho odvozenou variantu S-PLS. Opět jde nejspíše o marketingový tah, protože S-IPS jsou nejznámější a deriváty v podobě H-IPS se v běžné mluvě již tak často nepoužívají. Protože je PLS technologie relativně nová, neexistuje zatím mnoho informací a praktických testů. Zatím to však vypadá, že PLS poskytuje trochu lepší kontrast oproti H-IPS. Také se mluví o nižších výrobních nákladech a nižší spotřebě (to je obvykle způsobeno lepším prostupem světla pixelem, resp. lepším využití průchozích oblastí). Samsung tedy dnes již okupuje vlastně celý segment trhu s LCD panely.

Princip

Samotný princip je stejný jako u IPS panelů, a tak si jen znovu spusťte předchozí animaci.

A-Si a Poly-Si výrobní technologie?

Hodně lidí si myslí, že A-Si je výrobní technologie, je to však pouze výrobní proces, respektive udává, z jakého materiálu je obrazovka vyrobena. A-Si je nekrystalický křemík, zatímco poly-Si je polykrystalický křemík. Neudává tedy výrobní technologii, ovšem z praxe vím, že pokud výrobce uvede A-Si, je to obvykle klasická TN matrice. A-Si je levnější na výrobu, a proto se převážně používá v těch levnějších obrazovkách jako TN. Poly-Si se používá u VA obrazovek a IPS.

Zdroj: www.svethardware.cz