Tehnologia din spatele ecranului – LCD (Liquid Crystal Display)

Scris de: , in categoria: Diverse, in 1 March, 2009.

LCD-ul (Liquid Crystal Display) este un dispozitiv de afisare subtire si plat format dintr-un oarecare numar de pixeli monocromi asezati in fata unei surse de lumina sau a unei oglinzi reflectoare de lumina. Este utilizat frecvent in dispozitive alimentate de baterii (laptop-uri, DVD-Playere portabile) datorita consumului redus de energie. Practic istoria ecranelor LCD incepe cu descoperirea in 1888 de catre Friedrich Reinitzer a cristalelor lichide. Acesta a extras si analizat colesterolul obtinut din morcovi. Primul panou LCD a fost inventat in 1968 de catre John L. Janning, angajat al NCR.

Fiecare pixel al unui ecran LCD este alcatuit dintr-un strat de molecule aliniate intre doi electrozi transparenti si doua filtre folosite pentru polarizare ale caror axe sunt, de obicei, perpendiculare una pe cealalta. Atat materialul folosit pe post de cristal lichid cat si materialul folosit in stratul de aliniere contin compusi ionici. Daca se aplica un camp electric de o anume polaritate pentru o perioada indelungata, acesta material ionic este atras catre suprafete si degradeaza performanta dispozitivului. Acest fenomen poate fi evitat fie prin aplicarea unui curent alternativ, fie prin inversarea polaritatii campului electric atunci cand dispozitivul este accesat. Raspunsul cristalului lichid este identic indiferent de polaritatea campului electric aplicat.

Cand un ecran necesita un numar foarte mare de pixeli nu este posibil din punct de vedere tehnic sa comandam fiecare pixel pentru ca ar fi nevoie de electrozi independenti. Astfel, ecranul este multiplexat. Intr-un ecran multiplexat, electrozii de pe o parte a ecranului sunt grupati si cablati impreuna (de obicei in coloane), fiecare grup fiind alimentat de o sursa de tensiune individuala. De asemenea, electrozii mai sunt grupati pe linii, fiecare grup fiind alimentat de o sursa de tensiune individuala, dar diferita de cea folosita la grupurile de pixeli legati pe coloane. Grupurile sunt astfel alese incat fiecare pixel din matrice are o combinatie unica de 2 tensiuni.

Factorii cei mai importanti cand analizam un monitor LCD sunt:

  • Rezolutia: Dimensiunea pe verticala si pe orizontala exprimata in pixeli (ex: 1280×1024). Spre deosebire de monitoarele CRT, monitoarele LCD au o rezolutie nativa unde se obtine cea mai buna afisare a imaginii.
  • Dimensiunea punctului (Dot pitch): Distanta intre centrele a doi pixeli adiacenti. Cu cat este mai redusa, cu atat este redusa granularitatea pe imagine, rezultand o imagine mai clara. Dimensiunea punctului poate fi aceeasi pe orizontala si verticala cat si diferita (mai rar).
  • Suprafata vizibila: Marimea unui panou LCD masurata pe diagonala (cunoscuta si ca suprafata vizibila activa).
  • Timp de raspuns: Timpul minim necesar schimbarii culorii sau stralucirii unui pixel. Timpul de raspuns este, de asemenea, alcatuit dintr-un timp de crestere si un timp de cadere. Pentru panourile LCD aceste este masurat negru-la-negru (B2B) sau gri-la-gri (G2G). Aceste tipuri de masura diferita fac dificila comparatia intre diferiti producatori.
  • Rata de reimprospatare (Refresh Rate): Specifica de cate ori pe secunda monitorul deseneaza imaginea care ii este oferita. O rata de reimprospatare prea mica poate cauza o palpaire a imaginii si va fi mai sesizabila pe monitoarele de dimensiuni mai mari. Multe televizoare LCD high-end suporta o rata de reimprospatare de 120Hz. Aceasta ofera o distorsiune mai mica la vizionarea filmelor inregistrate la 24 cadre pe secunda (fps) si afisate prin procedeul 3:2 pulldown. Rata de 120Hz a fost aleasa ca fiind cel mai mic multiplu comun intre 24 fps (cinema) si 30 fps (TV).
  • Tipul matricii: Activa sau Pasiva.
  • Unghi de vizibilitate: Unghiul maxim fata de o axa imaginara trasa perpendicular pe panoul LCD de la momentul in care imaginea perceputa de observator este alterata semnificativ.
  • Suportul de culori: Specifica cate tipuri de culori sunt suportate (cunoscuta si ca gamut)
  • Luminozitate: Cantitatea de lumina emisa de panou (cunoscuta si ca luminanta)
  • Contrast: Raportul intre intensitatea celui mai luminos alb si intensitatea celui mai intens negru
  • Format ecran: Raportul intre latimea si inaltimea imaginii (ex 4:3, 16:9 sau 16:10)
  • Porturi de intrare: exemple DVI, VGA (D-Sub), LVDS, sau chiar S-Video si HDMI.

Panourile LCD care contin un numar mic de segmente, cum sunt cele folosite in ceasurile digitale si calculatoarele de buzunar, au contacte electrice individuale pentru fiecare segment. Aceasta structura de conectare nu este eficienta pentru un numar mare de segmente de afisare.

Panourile monocrom de dimensiuni reduse gasite spre exemplu in organizatoarele personale, sau ecrane de laptopuri mai vechi au o structura cu matrice pasiva care utilizeaza tehnologia STN (Super-Twisted Nematic) sau DSTN (STN in 2 straturi sau Double-layer STN). DSTN corecteaza o problema de schimbare a culorii pe care tehnologiile STN si CSTN (Color STN) o au. Fiecare rand si coloana a ecranului are un singur circuit electric. Pixelii sunt adresati cate unul folosind adresa randului si a coloanei. Acest tip de ecran este numit ecranul cu adresare bazata pe matrice pasiva, deoarece pixel-ul trebuie sa-si mentina starea intre reimprospatari fara a beneficia de o descarcare electrica continua. O data cu cresterea numarului de pixeli (si prin aceasta a randurilor si coloanelor), acest tip de ecran devine mai putin fezabil. Ratele de raspuns foarte mari si contrastul slab sunt probeme tipice ale ecranelor cu adresare prin matrice pasiva.

Ecranele color cu rezolutie ridicata, ca monitoarele LCD moderne destinate computerului sau televiziunii folosesc o structura cu matrice activa. O matrice de tranzistoare fabricate dintr-o pelicula transparenta subtire, numite TFT (thin-film transistor) este adaugata filtrelor de polarizare si culoare . Fiecare pixel beneficiaza de propriul tranzistor, astfel fiecare pixel putand fi adresat de catre un rand. Cand o linie este activata pe un rand, toate coloanele sunt conectate la randul de pixeli activati, iar fiecare coloana primeste voltajul necesar. Astfel este activat randul si se trece a activarea randului urmator. Toate randurile sunt activate secvential in urma unei operatii de refresh. Ecranele cu adresare bazate pe matrice activa ofera o imagine mai luminoasa si mai clara decat cele cu matrice pasiva de aceeasi dimensiune si in general au timpi de raspuns mai mici, eliminand astfel in mare masura efectul de intetosare a imaginii.

Panoul TN (Twisted Nematic)

Panourile LCD bazate pe efectul TN contin cristale lichide care isi variaza orientarea astfel in cat sa permita trecerea luminii intr-o cantitate mai mare sau mai mica in functie de unchiul format intre cristale si axa perpendiculara pe panou. Cand nu este aplicata nici o tensiune unei celule TN, lumina este polarizata astfel incat sa treaca prin celula. Proportional cu tensiunea aplicata, celula de cristal lichid se roteste cu pana la 90 grade schimbandu-si polaritatea si blocand trecerea luminii. Variind tensiunea aplicata se poate obtine aproape orice nivel de gri. Panourile TN Film sunt cele mai bune existente pe piata din punctul de vedere al timpului mic de raspuns. Timpuri de raspuns ca 4ms G2G si chiar sub acesta sunt comune in TN Film. Profunzimea negrului nu este la fel de buna ca la panourile VA, dar totusi s-a imbunatatit semnificativ in ultimul timp, ajutata de introducerea ratei ridicate de contrast dinamic. Acuratetea culorilor este foarte buna dar se obtine prin buna calibrare a ecranului. O problema ar fi zgomotul la redarea imaginilor in miscare, in special cand tehnologiile overdrive sunt excesiv folosite, implementate sau cu un control prost. Poate ca cel mai mare dezavantaj al ecranelor bazate pe tehnologia TN Film sunt unghiurile de vizibilitate restrictive, in mod special pe verticala. Panourile bazate pe TN Film sunt totusi eficiente din punct de vedere financiar, avand un cost scazut fiind lidere de piata in multe categorii incepand cu si peste diagonala 22”.

Panoul IPS (In-Plane Switching)

Tehnologia IPS, folosita pentru panourile LCD, aliniaza celulele cristalului lichid pe orizontala. Utilizand aceasta metoda, campul electric este aplicat la fiecare cap al cristalului, dar acest lucru necesita doi tranzistori pentru fiecare pixel fata de un singur tranzistor folosit in panourile TFT standard. Aceasta tehnologie realizeaza o blocare a unei arii mai mari de transmisiune, necesitand o sursa de lumina mai puternica pe fundal care va consuma mai multa energie. Din acest motiv, acest tip de panouri nu sunt implementate in mod curent pe calculatoarele portabile (laptop). Panourie IPS si Super-IPS sunt foarte bine privite in acest moment. Ofera cele mai mari unghiuri de vizibilitate de pe piata, si sunt superioare in aceasta privinta matricelor cu ainiere verticala (VA). Panourile IPS sunt cele mai costisitoare, dar unele variante mai noi sunt bune in majoritatea privintelor. Adesea afisarea imaginilor in miscare este mai putin fidela decat a panourilor MVA din cauza interferentelor (zgomot).

Panoul VA (Vertical Alignment)

Ecranele cu aliniere verticala sunt un tip de ecrane LCD in care materialul cristalelor lichide exista in mod natural intr-o stare de aliniere orizontala indepartand astfel nevoia pentru tranzistoare suplimentare (asa cum se intampla la IPS). Cand nu este aplicata tensiune celula de cristal lichid ramane perpendiculara cu substratul creand un ecran negru. La aplicarea de tensiune cristalul lichid se deplaseaza in pozitie orizontala, paralel cu substratul, permitand lumiii sa treaca prin el si afisand un ecran alb. Ecranele cu cristale lichide aliniate vertical impart o parte din avantajele ecranelor IPS, mai ales un unghi de vizbilitate imbunatatit si un nivel mai profund al culorii negru.

  • MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Panourile MVA ofera in mod obisnuit profunzime a negrului putin peste panourile TN. In plus, si unghiul de vizibilitate este major imbunatatit, si pot fi construite la dimensiuni sporite. Adancimea de culoare este aproape intotdeauna de 8 biti reali, fara nevoia de metode de corectii FRC. Acuratetea culorii este foarte mare, iar redarea filmelor pe ecranele MVA este probabil cea mai cursiva si cea mai putin expusa “zgomotului”. Ratele de raspuns sunt decente cu metode moderne de suprascriere, dar nu chiar atat de rapide ca ecranele TN. Ecranele MVA sunt considerate in mare foarte bune. Unghiul de vizibilitate nu e la fel de mare ca al ecranelor IPS, insa cu variatiuni minore, si o schimbare in contrast poate fi observata o data cu miscarea unghiului de observatie fata de centru. Din aceasta cauza panourile IPS sunt considerate mai potrivite pentru operatiunile in care cromatica este cruciala, si sunt mai folosite in medii profesionale. Premium-MVA (P-MVA) si Super-MVA (S-MVA) sunt variante ale acestei tehnologii si sunt reprezentantii moderni. Advanced-MVA (AMVA, MVA-Avansat) este foarte recent si este proiectat pentru a reprezenta imbunatatirile caracteristice generatiei viitoare.

  • PVA (Patterned Vertical Alignment)

Versiunea Samsung de panouri VA, ofera caracteristici similare cu ecranele bazate pe tehnologia MVA. Zgomotul la redarea imaginilor in miscare fiind totusi mai accentuat, iar controlul overdrive este mai diversificat. Profunzimea negrului este foarte buna; probabil cea mai buna varianta de pe piata ecranelor TFT, din nou panourile PVA find decente din toate punctele de vedere. Ecranele Super-PVA reprezinta ultima generatie de ecrane PVA si prezinta unele imbunatatiri fata de panourile PVA mai vechi.

OLED

In prezent exista doua mari directii de cercetare: prima care doreste imbunatatirea timpului de raspuns, a contrastului si a luminozitati LCD-urilor actuale, iar pe de ata parte dezvoltarea de noi tehnologii, dintre care cea mai interesanta este OLED. Aceasta foloseste o dioda electro-luminiscenta din compusi organici, in principal un polimer care permite depozitarea de alti compusi organici, in randuri si coloane. Asemenea sisteme pot fi utilizate in ecranele de televizoare, monitoarele de computer, de sisteme de calcul portabile, si panuri publicitare. Principalele avantaje ale unui asemenea sistem este consumul scazut de energie, dimensiunile reduse, dar sunt limitate de actualele tehnologii de productie, fapt pentru care ele se degradeaza destul de repede.

Oooops, vad un pixel blocat!

Termeni des utilizati pentru a descrie doua dintre cele mai frecvente defectiuni ale tranzistorilor, care raman blocati pe o anumita culoare sau stinsi(negru), si nu mai reactioneaza la comenzile sistemului. Deoarece un panou poate functiona si cu cateva astfel de defecte exista diferite standarde (ISO 13406-2) care reglementeaza numarul de defectiuni acceptabile. Cu toate acestea unele companii respecta politica zero pixeli morti. Diferentele de tehnologie influenteaza posibilitatea ca un anumit tip de panou sa capete astfel de defectiuni. Astfel probabilitatea ca un panou TN sa aiba pixeli morti sau blocati este mult mai mica decat in cazul unui panou bazat pe tehnologia IPS.

Concluzii

Alegerea unui anumit tip de panou se face in functie de scopul si domeniul de utilizare. Astfel daca lucrati in DTP, prelucrare video, sau publicitate, in mod sigur veti cauta un panou care permte o redare cat mai fidela a culorilor, si unghiuri de vizibiitate foarte largi, facilitati oferite in primul rand de panourile IPS / S-IPS (Eizo FlexScan, NEC MultiSync, din seriile Professional). Pe de alta parte daca sunteti un impatimit al jocurilor cu siguranta veti opta pentru un panou cu tehnologie TN (Samsung, LG, Philips, Sony), pentru timpul de raspuns foarte bun, cat si pentru pretul competitiv. Daca doriti un panou care se descurca bine atat in jocuri, cat si in redarea corecta a culorilor dar cu un pret mai mic decat panourile bazate pe tehnologie IPS, veti alege cu siguranta un panou bazat pe tehnologie VA (PVA, MVA, S-MVA) (Samsung, Fujitsu).

Articolul poate fi comentat si pe CrazyPC.ro >>

Comentarii

9 comentarii la: Tehnologia din spatele ecranului – LCD (Liquid Crystal Display)

    1. renatoman a scris pe:

      foarte interesant articolul si buna ideea de a prezenta pe larg modul de functionare a celor mai populare ecrane intalnite la monitoarele si tv-urile din ziua de azi..

    2. Bun articol ! Aveam nevoie sa-mi aprofundez cunostintele in acest domeniu

    3. Foarte interesant. Chiar am cautat informatii despre ecranele LCD si aceasta descriere este completa 🙂 .

    4. Luci a scris pe:

      foarte bun articolul tau! chiar aveam nevoie de asa ceva pentru o prezentare. ms mult

    5. frumos articol acum stiu si eu cum functioneaza LCD meu de la calculator da v-as da o sugestie vorbiti de tipuri de LCD adica marca care sunt cele mai bune si cele mai slabe oricum un articol foarte bun

    6. Catalin a scris pe:

      Am si eu un pixel blocat pe verde la un monitor pe care l-am cumparat recent. Si nu pot merge cu el la garantie pentru ca trebuie sa fie minim 4 pixeli defecti la 1 milion afisabili, iar monitorul meu avand o rezolutie de 1920 x 1080 = peste 2 milioane, inseamna ca ar trebui sa se strice 8-9 pixeli pentru a se incadra ca defect in standardul isoXXX.

      Foarte bun articolul tau.

    7. Cristi a scris pe:

      Ce frate 70 de tipuri de panouri cate unul pentru fiecare lucru care il faci. Ia un CRT si scapi de atatea probleme si te tine si o viata. Fara pixeli morti fara sa iti sara condensatorii din carcasa. La rezolutie face de ras orice LCD la 10,000 de lei

    8. Monstru a scris pe:

      Si mai precis cum face de ras un CRT LCD-ul de 2560×1600???

    9. Adrien Abdulmateen a scris pe:

      Fumoasa abordare insa lucrurile nu se opresc aici. Totusi imi pare bine ca a fost abordata aceasta tema. “Add to bookmark pentru aceata pagina pentru a reveni ulterior, trebuie analizata

    Lasa-ne un comentariu: