TEKUĆI KRISTALI I NJIHOVA PRIMJENA U LCD MONITORIMA

1. TEKUĆI KRISTALI I NJIHOVA PRIMJENA U LCD MONITORIMA

2. TEKUĆI KRISTALI Tekući kristali su grupa tekućina visoke unutrašnje uređenosti, odnosno pravilnosti u razmještaju molekula. Molekule koje su izdužene slažu se tako da im duže osi leže paralelno u tekućini. Pritom stupanj unutrašnje uređenosti može varirati. Najmanji je kod nematičkih tekućih kristala, a veći je kod smektičkih tekućih kristala. Tanki slojevi u kojima se nalaze poprečno orijentirane molekule mogu kliziti jedan prema drugome, dajući tvari svojstva tekućine. Pri tom relativnom pomicanju slojeva uređenost ostaje. Kod nematičkih tekućih kristala relativni pomaci u smjeru duže osi molekula ne mijenjaju unutrašnju uređenost. Kod kolesteričkih tekućih kristala molekule se slažu u slojeve, ali su položene u smjeru slojeva. Molekule su u osnovi plosnate metilne grupe CH3,a strše okomito na ravninu molekula i slojeva. Učin toga je da se molekule u susjednim slojevima slažu s malim relativnim kutnim zakretom od 0,25.Takva geometrija unutrašnjeg slaganja molekula rezultira vrlo velikom optičkom aktivnošću (sposobnost zakretanja ravnine polarizacije svjetlosti).

3. Uređenost tekućih kristala Primjene tekućih kristala proizlaze iz postojanja permanentnih električnih dipola čija je orijentacija u prostoru određena orijentacijom molekula. Vanjskim električnim poljem može se prema tome utjecati na unutrašnju uređenost tekućih kristala, a time se mogu bitno mijenjati optička svojstva.

4. Molekule anisiliden-p-aminofenilacetata (APAPA) čine u određenom temperaturnom području nematički kristal. Električni dipolni moment molekula nije usmjeren uzduž molekule nego okomito na nju. Djeluje li na tekući kristal APAPA električno polje, dipoli će se orijentirati u smjeru polja, a same molekule okomito na električno polje. U tekućini uvijek ima iona, nastalih bilo razlaganjem molekula APAPA bilo iz molekula nečistoća. Poprečna orijentacija molekula prema električnom polju čini barijeru gibanju iona prema suprotno nabijenim elektrodama. Probijajući se kroz molekule ioni narušavaju njihovu usmjerenost. Na nastalim poremećajima i nepravilnostima dolazi do raspršenja svjetlosti i materijal postaje neproziran. Isključi li se električno polje i time prekine gibanje iona, molekule se opet slože paralelno i materijal ponovno postaje proziran. Mogućnost upravljanja transparentnošću uključivanjem i isključivanjem električnog polja osnova je za sve rašireniji način ispisivanja podataka.

5. Načelo stvaranja vidljivih grafičkih znakova pomoću tekućeg kristala prikazan je slikom. Tanki sloj tekućeg kristala se nalazi između dviju prozirnih elektroda smještenih ispred zrcala. Na slici je jedna od elektroda u obliku znaka. Zrake 2 i 3 iz vanjskog izvora svjetlosti neće se reflektirati od zrcala pri uključenom naponu jer prolaze kroz tada neprozirno područje tekućine. Znak će biti vidljiv na mjestu gdje nema refleksije pri uključenom naponu. Ovaj način stvaranja znaka troši vrlo malo energije što ga čini naročito pogodnim za prenosive uređaje. Svojstva tekućih kristala ne pokazuju sve tvari s molekulama izdužene strukture. I one tvari koje posjeduju takva svojstva ograničene su na određeno temperaturno područje uporabe. Za nematički tekući kristal APAPA to je područje od 80 do 103 C. Iznad gornje granice temperature toplinsko gibanje nadvladava tendenciju sređivanja molekula i tvar se ponaša kao obična tekućina. Postoji međutim mogućnost prenošenja svojstava tekućih kristala na izdužene molekule koje se inače tako ne ponašaju. Ako se takve molekule pomiješaju s naprimjer nematičkim tekućim kristalom, unutrašnju uređenost pokazivat će sve molekule. Jednako će biti i pri promjenama koje nastaju uključivanjem električnog polja, odnosno poremetit će se orijentacija i nematičkih i unesenih molekula. To mogu biti molekule obojenih tvari što pruža mogućnost višebojnog prikaza.

6. CRT i LCD Klasični kompjutorski monitor ili TV prijemnik ima cijev s katodnim snopom (eng. CRT - Cathode-Ray Tube). Katodna cijev je konusnog oblika, koji omogućuje upravljano usmjeravanje elektronskog mlaza na fluorescirajući ekran. Glavni dijeloi su: otklonske zavojnice (pločice), zaslon i elektronski top. CRT monitor je dio cijevi gdje se prikazuju slike. LCD (engl. Liquid Crystal Display) je uređaj za vizuelno prikazivanje podataka na zaslonu s tekućim kristalima. Prvi LCD televizor su konstruirali stručnjaci Japanske kompanije Epson 1973. godine. Prvi LCD televizor u boji proizveden je 1984. godine. Active matrix LCD AM LCD PM Passive matrix LCD

7. LCD s aktivnom matricom AM LCD je vrsta zaslona u boji s tekućim kristalima koji se ugrađuje u prijenosna računala. Sastoji se od više taknih slojeva tranzistora i stakla (svaki je sloj tranzistora između dva sloja stakla). Omogućuje vrlo visoku kvakoću prikazivanja slike, kontrast i svjetlinu, propuštanjem napona kroz vodoravne i okomite žice između dva stakla i moduliranjem napona pomoću malih tranzistora u svakom elementu za prikazivanje slike (pixel). Ovakav zaslon podržava VGA (Video Graphics Array) standard, sadrži približno milijardu tranzistora, a jedno od svojstava im je i vrlo visoka učestalost osvježevanja slike. Takvi zasloni su se počeli proizvoditi 1992. godine. Sinonim: TFT - Thin Film Transistor. Danas su ovi monitori u potpunosti ovladali tržištem.

8. LCD s pasivnom matricom LCD monitori s pasivnom matricom se također ugrađuju u prijenosna računala. Svjetlost se emitira prolaskom struje kroz polje elektroda koje se nalazi između dvaju slojeva stakla. Prikazivanje se odvija sporije nego za zaslon s aktivnom matricom.

9. Stupanj razvoja LCD monitora i usporedba s CRT monitorima Moderni LCD monitor potpuno je digitalni uređaj (ne samo u programskom rješenju, nego i fizički, jer svaki piksel ima svoje odvojeno sklopovlje i kristaličić). Zbog razloga kompatibilnosti još uvijek se “bori” s analognim signalima koje mu šalje većina trenutno aktualnih grafičkih kartica. Analogni video signal je korisniji CRT monitorima, jer ga on neće obrađivati digitalno, nego će sve ostati u analognoj domeni. To znači da će ulazni signal uz vrlo malo smetnji sa strane biti vjerno prikazan na ekranu. Kod LCD monitora slika je sastavljena od diskretnih piksela koje se može precizno adresirati. Stoga LCD monitor ulazni analogni signal mora pretvoriti u digitalni oblik. Taj se postupak naziva AD konverzija (analogno-digitalna pretvorba). Problem s AD konverzijom je da on neminovno dovodi do pogreške, tj. unosi određenu količinu smetnji.

10. Takt A A a 1 0 t t AD konvertor ulazni signal izlazni signal analogna strana digitalna strana Proces pretvorbe obavlja se tako da monitor u određenom taktu (sampling frequency) očitava vrijednost amplitude ulaznog analognog signala i pretvara ga u diskretnu numeričku vrijednost. Podrazumijeva se da je digitalizacija to bolja što je frekvencija uzorkovanja veća, no u ovako složenom slučaju kao što su LCD monitori, situacija nije tako jednostavna. Vrlo je važno da se amplituda ulaznog signala pročita upravo u trenutku kada on zaista opisuje aktivni piksel slike, tj. u trenutku kada bi se na standardnom analognom CRT monitoru iscrtala ta točka.

11. Kako bi se to postiglo, mora frekvencija uzorkovanja biti sinkronizirana s frekvencijom ulaznog analognog signala - u biti, obje frekvencije moraju biti jednake. Ako ima odstupanja, ADC LCD-a će pročitati krivu vrijednost koja ne odgovara točnoj vrijednosti piksela koji šalje grafička kartica. Takve će se greške, ovisno o veličini frekvencijske razlike, zbrajati od piksela do piksela, a na ekranu će se manifestirati kao vrlo uočljive vertikalne pruge. Kako monitor mora od grafičke kartice dobiti dodatne sinkronizacijske impulse koji pokazuju kada kreće iscrtavanje nove slike, odnosno retka, ADC-u je posao na održavanju sinkrone frekvencije uvelike olakšan, no ukoliko dođe do frekvencijskog ili faznog pomaka u vezi s tim signalom javit će se tip greške koji se manifestira pojavom uočljivih horizontalnih pruga, a moguće je da slika počne treptiti. Za moderne LCD monitore nema tih problema (za razliku od starijih), jer se automatski prilagođavaju različitim ulaznim signalima. Automatskom podešavanju se može dodatno pomoći kako bi bilo što preciznije.

12. Dovoljno je tijekom optimiranja radnih parametara ponuditi LCD monitoru sliku koja će generirati oblik analognog signala koji će omogućiti elektronici LCD monitora ispravno “hvatanje” frekvencije. Danas značajan broj tržišnih monitora ima disketu na kojoj se osim INF datoteke nalazi i slika koja upravo služi za podešavanje ispravne sinkronizacije. Unatoč dobrim karakteristikama današnje automatike, poželjno je da LCD monitor omogućuje ručno podešavanje faznih pomaka (Phase Control). Monitor bez takve opcije nije preporučljivo kupiti. Kvaliteta LCD ekrana (panela) neprekidno raste, proizvodnja je opterećena sa svemanje škarta, te cijene padaju. No još uvijek su moguće nejasnoće i paradoksi: npr. može kupac prodavaču tvrditi da mu je monitor neispravan, a prodavač kupcu da je ispravan, a da je oboje u pravu. Kako je to moguće? Sliku na LCD-u, naime, generiraju odvojeni elektronički elementi, jer se svaki fizički piksel sastoji od sklopa unutar kojeg se nalazi sloj tekućih kristala, filteri i odgovarajuća elektronička podrška.

13. Tijekom proizvodnog procesa može se dogoditi da neki element prestane raditi ili uopće nikad ni ne proradi. To se najčešće događa s tranzistorima koji su odgovorni za uključivanje ili isključivanje polarizacije filtera u pikselskom sklopovlju. Greška se manifestira tako da je takav piksel ili stalno uključen ili stalno isključen. To se lako uoči, te kupac može poželjeti tražiti novac nazad ili zamjenski monitor. Problem je u tome što takav monitor može biti proglašen ispravnim, ovisno o broju neispravnih piksela. U vrijeme dok je proizvodnja bila još izuzetno skupa, podrazumijevalo se da monitor s određenim postotkom pokvarenih piksela bude ispravan. Greška se priznavala tek ako je taj broj prelazio definirani postotak. Definiranje nije bilo standardizirano, pa su proizvođači, radeći u svoju korist, bili prilično široke ruke. Trenutno stanje LCD tehnologije je takvo da se ne može garantirati 100%-tnu ispravnost svih piksela. Tako npr. na tipičnom 15’’ ekranu razlučivosti 1024x768 ima 786432 odvojena piksela, a svaki piksel je složen od tri subpiksela na koje su vezana po dva TFT tranzistora, dolazi se do ogromnih brojki. Razumljivo je da se proizvođač nalazi u teškoćama. Naravno, moguće je ponuditi serije sa 100% ispravnih piksela, ali bi one bile jako skupe.

14. Upravo iz tih razloga načinjen je ISO 13406-2 (Class II) koji kaže da na cijeloj površini ekrana defektno može biti samo 4 piksela i 5 subpiksela. Primjenili se to na 15’’ monitor, slijedi da se smije pojaviti maksimalno 17 loših točkica, što ukupno čini 0,002% cjelokupnog broja točkica. Običnom kupcu, LCD nije privlačan zbog cijene, pa su velike kompanije glavni kupci ovakvih monitora, jer dobijaju uštedu u prostoru i potrošnji energije, a i LCD nema štetnog zračenja kao CRT niti škodi očima kao CRT, a ima duži vijek trajanja. Kvalitetan 15’’ LCD se po svojo cijeni približava najboljim 17’’ ili entery-leven 19’’ CRT monitorima. LCD-i imaju veću latenciju, koja nije dobra pri igrama ili intenzivnijim grafičkim programima, jer je slika nešto lošija (tromija). U tim namjenama CRT je i dalje u prednosti. Isto tako je u prednosti i u prikazivanju AV materijala, npr. filmova. Rješenje većine tih problema je u LCD monitorima koji koriste MVA (Multidomain Vertical Alignment). Takvi ekrani nude vrlo kratko vrijeme latencije koje se u praksi uspoređuje s CRTom, boje su preciznije u mjeri koja zadovoljava profesionalni rad, a kut gledanja im je dodatno povećan. No cijena je ograničavajući faktor.

15. Prednost LCD-a je u potrošnji (stoga se koriste u lap-top računalima na napajanje baterijom). Dok je kod CRT-a donja granica potrošnje 100 W, kod LCD-a još nije dosegnuta tako velika, gornja granica. Većina popularnih modela troši oko 25 W. Stoga im je za ventilaciju potreban vrlo mali prostor. Za razliku od CRT monitora koji svoje transformatore i sklopove za napajanje drže u unutrašnjosti kučišta, većina će ih LCD monitora izbaciti na svjetlo dana. Gotovo u svakom paketu naći će se (uz LCD) i omanja crna kutijica koju treba s jedne strane priključiti na monitor (DC IN), a s druge se priključuje na gradsku mrežu. Izdvajanjem napajanja smanjuje se količina topline koja se proizvodi u kućištu, ali se otežava pristup radnom mjestu, jer se povećava količina kabela. Stoga neki preferiraju ugradnju napajanja u podnožje monitora, a tako se, usput, pridonosi i stabilnosti monitora (zbog njegove male mase). Za razliku od CRT monitora, LCD-i mogu ponuditi zakretanje kuta ekrana. Oni nemaju veliku mase, pa ne zahtjevaju jake vodilice, a neosjetljivi su na zamljino magnetsko polje. Svaka im je točkica jednako razmaknuta i vertikalno i horizontalno, pa su u stanju u bilo kojoj poziciji ekrana dati jednako kvalitetnu sliku.

16. Postizanje dobre jačine osvjetljenja i dobrog kontrasta, problem je LCD-a, pa im je ideal još uvijek CRT. TFT tehnologija omogućila je dobro kontrastiranje, no još je uvijek potrebno određeno vrijeme kako bi se dosegle vrijednosti osvjetljenja (brightness), jer su lošije za jedan red veličina od CRT-a. Aktivni TFT ne emitira svjetlost. U svim LCD monitorima nalaze se fluorescentne lampe, koje osvjetljuju pozadinu ekrana i jedini su aktivni izvor svjetlosti. Tek kad se riješi problem što bolje iskorostivosti tih lampi, tj. prijenos pozadinske svjetlosti prema površini ekrana, moći će se u slučaju LCD monitora govoriti o dostizanju razine osvijetljenosti CRT monitora. Još jedna prednost CRT monitora je u kutu gledanja pri kojem će promatrač još uvijek vidjeti kvalitetnu sliku. Kod nekih CRT-ova to je 180°, dok je on kod LCD-a puno manji, a ograničenja se naročito osjećaju u vertikalnom smjeru.

17. Kod LCD monitora do izražaja dolazi latencija. Za razliku od CRT monitora u kojem se koriste vrlo brzi fosforni premazi s kratkim vremenom latencije, u LCD-ima se koriste tekući kristali koji svaki put kad trebaju promijeniti stanje osvjetljenosti piksela ili subpiksela mijenjaju svoje kristalično stanje. Ta je promjena prilično spora, pa se kaže da LCD-i imaju relativno veliko vrijeme latencije. To se u praksi iskazuje pri prikazivanju scena koje se brzo mijenjaju pa dolazi do određenog zamućivanja slike. U trenucima dok je slika stacionarna, tih problema nema.

18. PLAZMA TV Plazma zaslon za svaki piksel koristi posebnu čeliju okruženu elektrodama. Čelije su međusobno odvojene dielektričkim slojem magnezij-oksida (MgO). Između dvije staklene površine nalaze se milijuni čelija ispunjenih smjesom inertnih plinova (neon, kseon, argon). Smjesa plinova se stimulira električnom energijom što rezultira ultraljubičastim (ULJ) svjetlom koje apsorbiraju crveni, zeleni i plavi flourescentni segmenti (RGB). Nastaje vidljiva svjetlost koja oblikuje sliku na zaslonu. Korištenjem PCM modulacije (Pulse Code Modulation) određuje se intezitet pojedine boje čime se dobivaju različite nijanse boja (256x256x256=16777216 boja).

19. Karakteristike - Visoka razlučivost (rezolucija) (1024x1024, 1024x768, 1280x768, 1366x768, 640x480, 825x480, 853x480); - Format zaslona 4:3 (računalne aplikacije) ili 16:9 (kućno kino) ; - Više različitih digitalnih formata slike (WIDE, ZOOM,..) ; - Visok kontrast i jakost (odlična vidljivost slike i pri uvjetima dnevne rasvjete) Veličina 32" - 60" ; - Spektar boja - 16.77 miliona boja ; - Idealne za: kućna kina, video konferencije, nadzorne sisteme, informativno-promotivne sisteme; - Potpuno ravan zaslon - nema distorzije na rubovima; - Uniformno osvjetljenje za razliku od TV-a sa retro projekcijom ; - Širok kut gledanja >160° ; - Debljina do 10cm i mala težina omogućuju laku montažu na zid/strop; - Neosjetljiva na magnetska zračenja - Vijek trajanja 25000-35000 sati (u tom trenutku je jakost plazme na 50% početne vrijednosti). Npr. 4sata/dnevno=cca.20godina; - Jednostavno održavanje (usisati prašinu iz ventilatora nekoliko puta godišnje).

20. LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 1) UČINAK UPEČENE SLIKE (SCREEN BURN-IN) Nastaje ukoliko se na zaslonu duže vrijeme prikazuje ista statična slika. Primjerice raspored reda letova u zračnim lukama ili logo tvrtke. Slika se "zapeče" u ekran te je vidljiva kao silueta i nakon promjene slike. Posebice je to izraženo na plazma zaslonima zbog statične polarizacije čelija. Problem rješavaju putem screen saver metoda gdje se u vremenskim intervalima slika neprimjetno pomiče za određeni broj piksela. Siluetu upečenu u zaslon moguće je smanjiti/ukloniti višesatnim prikazivanjem tonova sive boje ili full color spektra.LCD zasloni nemaju burn-in faktor te samim time nema problema upečene slike. 2) SATURACIJA BOJA Boje na plazma zaslonu su vjernije i postojanije iz razloga što svaki piksel posjeduje crveni, zeleni i plavi segment. LCD, mijenjajući brzinu i duljinu valova svjetlosti kroz kristalne molekule prikazuje rezličite boje. Zahtjevan princip koji je dobro riješen kod zaslona manjih promjera. LCD je odličan za prikaz slike sa računala dok će plazma doći do izražaja prilikom gledanja filmova.

21. LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 3) KONTRAST S obzirom da plazma zasloni mogu prekinuti dovod naboja na čeliju, u mogućnosti su i prikazati potpuno crnu boju. Samim time su i vrijednosti kontrasta znatno veće 500:1>1000:1, pa i više što je znčajna karakteristika prilikom gledanja filmova (DVD). LCD mora povećati voltažu kako bi prikazao tamniji piksel. Vrijednosti su ograničene a samim time i vrijednosti kontrasta. Rijetko koji LCD zaslon ima vrijednost kontrasta >500:1. 4) VIJEK TRAJANJA Proizvođači jamče vijek trajanja između 50,000 i 75,000 sati za LCD zaslone. Samim time su pogodniji za 24 satno korištenje.Vijek trajanja plazma zaslona odn, kada će plazma imati 50% početnog sjaja, je između 25,000 i 35,000 sati. 5) KUT GLEDANJA Plazma zasloni imaju kut vidljivosti zaslona >160. Iako je tehnologija omogućila da se LCD zasloni približe tim vrijednostima plazma će, s obzirom na tehnologiju koju koristi uvijek imati bolje vrijednosti.

22. LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 6) UPOTREBA SA RAČUNALOM LCD nema problema sa statičnim slikama, nisu ovisni o "osvježivanju" te nema tritranja slike. Podržava veče rezolucije od plazma zaslona. Plazma osim problema sa statičnim slikama ima i određeo titranje prilikom prikaza računalne slike. Ali s obzirom da se plazma ionako mora gledati sa veče udaljenosti titranje nijje vidljivo. 7) VIDEO Plasma ima visoki kontrast, izvrsni spektar boja i odličan prikaz predmeta u pokretu. LCD zasloni unatoč progressiv scan tehnologiji imaju dulje vrijeme odziva što je problem kod brze izmjene boja. 8) REFLEKSIJA ZASLONA Plazma zaslone karakterizira staklena površina. Problem kod stakla je što reflektira odn., daje odbljesak svjetla iz okoline (prostorije). LCD zasloni nemaju staklenu površinu i samim time nema problema refleksije. 9) POTROŠNJA EL.ENERGIJE LCD zasloni troše upola manje električne energije od plazma zaslona.

23. Pitanje za ponavljanje Usporedba LCD i plazma zaslona s obzirom na bitne značajke.