Pokud bychom udělali malou anketu, zřejmě bychom se dozvěděli, že nejvíce uživatelů, kteří si čtou tento článek, sedí právě před LCD (liguid crystal display - displej z tekutých krystalů). Avšak nejsou to jen monitory k počítačům a notebookům, kde se LCD technologie využívá. Můžete se s ní setkat i v autech, hodinkách, radio-budících nebo mikrovlnných troubách.
A jak tedy funguje?
Využití LCD displejů. Vlevo kalkulačka, vpravo displej digitálních hodinek.
Tekutý krystal
Když se řekne slovo krystal, spousta lidí si představí pevnou látku. Pod pojmem tekutý si zase vybavíte kapalinu. Jak tedy zkombinovat tyto dvě slova?
Podstatou výroby tekutého krystalu je zahřívání pevné látky. Pokud však pevnou látku zahřejete příliš, dostanete kapalinu.
Tekutý krystal je pak tedy něco mezi oběma skupenstvími. Za normálních podmínek se chová jako pevná látka a jeho molekuly udržují své uspořádání. Důležité jsou pro nás takové krystaly, jejichž molekuly mají protáhlý tvar a mají uspořádání podobné spirále. Pokud naskládáme dostatečný počet vrstev takových krystalů na sebe, můžeme dostat například spirálu, která se otočí o 360°. U LCD se využívá však pouze 90°. Později si vysvětlíme proč.
Zavedením elektrického proudu dosahuje tekutý krystal vlastností kapalin. Při jehož průchodu se uspořádání molekul změní. Šetrným nastavením správné hladiny proudu a okolních vlastností (tlak, teplota, apod.) můžeme dosáhnout efektu, kdy se spirála narovná a každá vrstva bude natočena stejně jako její sousední.
Vzhled tekutých krystalů. Zdroj obrázku.
Polarizace světla
Pro LCD technologii je důležitá vlastnost světla nazývaná polarizace. Vysvětlíme si ji na příkladu.
Představte si, že posvítíte světelným zdrojem skrze dostatečně úzkou trubičku. Světlo vytváří tzv. světelné vlny, které vypadají jako sinusovky. Jedna vlna kmitá nahoru a dolů, druhá zleva doprava, další pod jakýmkoliv jiným úhlem.
Pokud tento světelný proud zpolarizujeme, zbudou vlny jen s jediným náklonem. Pro zpolarizování se využívá polarizačních filtrů, které můžete najít například i ve fotoaparátech nebo slunečních brýlích.
Pokud přivedeme proud polarizovaného světla pod správným úhlem do více vrstev tekutých krystalů tvořících spirálu, dojde k postupnému natočení i polarizovaného světla po spirále a tím pádem změně náklonu vln.
Ukázka práce polarizačního filtru (uprostřed). Světelné vlny jdou zleva doprava. Zdroj obrázku.
Jednoduchý displej
Pokud bychom chtěli postavit jednoduchý LCD displej, který by měl pouze jeden pixel, a buďto by svítil nebo nesvítil, pak bychom postupovali následovně. Umístili bychom světelný zdroj. Na něj bychom položili polarizační filtr se správným natočením a sklo. Na skle musíme nějakým způsobem vytvořit rýhy, do kterých poté zapadne první vrstva tekutých krystalů. Pokud zapadnou správně, budou mít stejnou orientaci jako polarizační filtr a dále povedou světlo.
Na první vrstvu umístíme několik dalších tak, aby poslední měla oproti první vrstvě natočení pod úhlem 90°. Na to opět umístíme sklo a polarizační filtr také pod úhlem 90° oproti prvnímu filtru. Jestliže se vše povede, projde světlo ze zdroje přes filtr, spirálu krystalů i druhý filtr.
Z každé strany tekutých krystalů bychom ještě měli umístit elektrody, abychom mohli do krystalů přivádět elektrický proud. Jestliže nyní přivedeme správně nastavený proud, dojde k vyrovnání všech vrstev krystalů a polarizované světlo nebude natočené správně k druhému filtru. Na něm se zastaví a pixel zhasne. Efektu narovnání nebo opětovného smotání do spirály dokáže dosáhnout tekutý krystal v řádu mikrosekund. Pokud tedy potřebujeme frekvenci například 60 Hz, znamená to možnou změnu stavu asi každých 17 milisekund, což je ještě dostatečná rezerva.
Ilustrační vzhled jendoduchého LCD (vlevo polarizační filtr, sklo, několik vrstev krystalů tvořících spirálu, sklo a zase filtr, na obrázku nejsou elektrody).
Složitější displej
Jestliže bychom chtěli vytvořit složitější displej, museli bychom samozřejmě naskládat vedle sebe více takových pixelů (například monitor s Full HD má 1920x1080 pixelů). Pro řízení dodávky elektrického proudu pro jednotlivé pixely se využívá mřížkový systém. Každá řada a každý sloupec pixelů má pak jednu společnou elektrodu. Správnou kombinací sloupce a řady dosáhneme přívodu proudu k vybranému pixelu.
Jistě také nemáme všechny LCD displeje pouze dvoubarevné (svítí nebo nesvítí), ale většinu z nich plně barevnou. V dnešní době má převážná část displejů přibližně 16.8 milionů barev. Toho se dosáhne v prvé řadě tak, že se pro každý pixel vytvoří 3 subpixely s různými barevnými filtry. Každý pixel pak obsahuje jeden subpixel červený, druhý zelený a třetí modrý. Každý subpixel má vlastní řízení přívodu elektrického proudu a tudíž můžeme každou barvu ovládat zvlášť.
Jedno z používaných uspořádání subpixelů u LCD displejů.
Pokud budeme s přívodem elektrického proudu zacházet opravdu jemně, můžeme dosáhnout toho, že se spirála krystalů nenarovná úplně, ale narovná se pouze o malý kousek. Tímto způsobem dosáhneme toho, že projde méně světla než při plném zachování spirály. Dnešní displeje jsou natolik jemné, že dokážou nastavit 256 úrovní proudu tak, abychom dosáhli 256 úrovní svítivosti každého subpixelu. Jednoduchou matematickou dostaneme kombinací tří barev po 256 úrovních celkem 16.8 milionů barev.
Pokud bychom chtěli náš jednoduchý displej ještě více zdokonalit, umístili bychom další světelné zdroje po bocích displeje a ze zadní části displeje světlo rovnoměrně odráželi zpět na uživatele.
