Za tři dekády vývoje se mobilní telefony změnily k nepoznání a to se týká i součásti, bez které si telefon ani nedovedeme představit. Displej, který kdysi dokázal monochromatický zobrazil pouze několik řádků textu, dnes zobrazuje miliony barev v obřím rozlišení a s rozmachem dotykových telefonů přebral u většiny dnes prodávaných modelů i funkci ovládání. Jaká je historie LCD displejů, jaké existují druhy a jak funguje?
Tento článek je třetím dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
Displeje z tekutých krystalů (anglicky liquid crystal display, zkratkou LCD) většina z nás považuje za záležitost několika posledních desetiletí. Za jejími kořeny bychom však museli mnohem hlouběji až do konce 19. století do oblasti, kterou bychom s LCD displeji nikdy nespojovali, a to do botaniky.
Princip fungování tekutých krystalů totiž objevil v roce 1888 rakouský botanik Friedrich Reinitzer (1858-1927) při pokusech s cholesterylbenzátem, což je směs podobná cholesterolu, extrahovaného z mrkve. Reinitzer si povšiml, že cholesterylbenzát, který má podobu zakalené tekutiny, se při zahřívání pročišťuje, zatímco při ochlazování modrá a nakonec krystalizuje. Reinitzer však nemohl tušit, co jeho objev v budoucnu přinese a také cesta k dnešním LCD byla ještě dlouhá.
Tip: Techbox: jak funguje SIM karta, srdce každého telefonu?
Ještě před první světovou válkou se výzkumu tekutých krystalů věnují další vědci jako například německý fyzik Otto Lehmann (1855 - 1922) a francouzský mineralog Georges Friedel (1865 - 1933), který na počátku 20. let minulého století objevil, že se molekuly tekutých krystalů orientují ve směru elektrického pole a rozdělil tekuté krystaly podle jejich struktury na nematické, smetické a cholesterolové.
Přestože si první praktické použití tekutých krystalů patentovala již v roce 1933 britská telegrafní společnost Marconi Wireless Telegraph, na displeje z tekutých krystalů jsme si museli počkat až do první poloviny 60. let. Vděčíme za to Richardu Williamsovi, výzkumníkovi laboratoří americké společnosti RCA, který se věnoval hlubšímu zkoumání optických a elektromagnetických vlastností tekutých krystalů. Přitom v roce 1963 objevil, že se světlo procházející tenkou vrstvou tekutých krystalů ohýbá a to, jak se ohýbá, můžeme ovlivnit aplikováním napětím na tuto vrstvu.
Na Williamsovu práci navázal jeho kolega z RCA George H. Heilmeier, který objevil způsob, jak docílit změny barev tekutých krystalů, a na základě této metody zkonstruoval v roce 1968 první funkční displej z tekutých krystalů, který využíval technologii DSM.
První kalkulačka s displejem s tekutých krystalů se objevila na trhu v roce 1973, ale teprve v 80. letech se začínají LCD masověji montovat do různých přístrojů a elektronických her. Na přelomu 80. a 90. let se začínají vyrábět LCD displeje, později přichází ploché monitory a televize a zejména mobilní telefony, tablety a podobně.
Jak funguje LCD?
Princip fungování LCD je v podstatě jednoduchý. Pomocí elektrického napětí je měněna poloha molekul tekutých krystalů, přes které prochází polarizované světlo, které se pomocí polarizační filtrů rozkládá na tři základní barvy - červenou, zelenou a modrou (RGB). Každý z obrazových bodů (pixelů) je ovládán jedním tranzistorem, který udržuje a řídí napětí, a je ohraničen dvěma polarizačními filtry, barevným pro jednotlivé barevné složky a dvěma vyrovnávacími vrstvami. Tranzistory jsou tak rozloženy po celé ploše displeje a vytvářejí v panelu další vrstvu – aktivní matici. Toto řešení se označuje jako tenké tranzistory a této technologii se říká TFT (Thin Film Transistor).
Použití tranzistorů umožňuje měnit pozici krystalu, ne ve dvou základních, ale v desítkách až stovkách poloh, čímž je možné docílit jednotlivých odstínů barev. Protože je každý obrazový bod složen ze tří subpixelů (pro každou ze základních barev jeden), můžeme ve výsledku dostat statisíce až miliony různých barevných odstínů. Například při použití 8-bitové barevné hloubky tak získáme 16 777 216 barevných odstínů.
Existují různé technologie LCD
Technologie tekutých krystalů se postupně vylepšuje a objevují se tak stále nové typy displejů, které přináší věrnější barvy, rychlejší odezvu, širší pozorovací úhly nebo nové zdroje emitovaného světla. Pojďme se proto podívat na zoubek základním typům displejům, se kterými se můžeme setkat v mobilních telefonech. V mobilních telefonech se dnes používají především dva základní typy – TFT, se kterým jsme se již seznámili, a který se používá zejména v levnějších modelech, a modernější a pokročilejší IPS.
První displeje založené na technologii In-Plane Switching (IPS), která je také nazývána Super-TFT, se objevily v roce 1996. Za technologií stojí japonský výrobce Hitachi, který si dal za cíl odstranit nedostatky TFT displejů, jimiž jsou horší barevné podání, pozorovací úhly a kontrast. Technologie IPS je založena na urovnání tekutých krystalů paralelně se substrátem. Díky tomu bylo možné dosáhnout lepšího podání barev a vysokého pozorovacímu úhlu, který dosahuje až téměř 180 stupňů.
Na druhou stranu však tato technologie má i své nevýhody. Výroba těchto panelů je kvůli paralelnímu uspořádání krystalů složitější a navíc tyto displeje díky rozložení elektrod v jedné rovině trpí tím, že u krajních krystalů dochází vinou slabšího elektrického pole k nedokonalému otočení molekul. Důsledkem toho je nízký kontrast displeje, nižší jas a nedokonalé vykreslení černé. Pokud se na takový displej podíváme z extrémního úhlu, jeví se nám černá spíše namodralá nebo nafialovělá. Právě kvůli těmto nedostatkům se i technologie IPS postupně dočkala řady vylepšení.
U displejů mobilních telefonů se však můžeme se s celou řadou dalších označení, jako Super LCD, Super LCD2 nebo Super LCD3. Všechno jsou to technologie, které vychází z TFT respektive ISP a dále je vylepšují. Označení Super LCD používá pro displeje ve svých mobilních telefonech zejména tchajwanské HTC. S nejnovějším Super LCD3 se tak můžete setkat u špičkového modelu HTC One, které bylo oficiálně představeno tento týden v Londýně a New Yorku.
Nový HTC One používá nejnovější Super LCD3 displej
AMOLED nabízí skutečnou černou a ohebné displeje
Technologie LCD však není jedinou, která se používá na displeje mobilních telefonů. Dražší modely vesměs sází na technologii OLED (zkratka anglického Organic light-emitting diode), což je typ displeje, který využívá technologii organických elektroluminiscenčních diod. To je také hlavní rozdíl, kterým se tato technologie představená v roce 1987 americkou firmou Eastman Kodak, liší od LCD. Zatímco u LCD jsou molekuly tekutých krystalů prosvíceny samostatným zdrojem světla, OLED si světlo samo vytváří a žádné podsvícení nepotřebuje.
Existují dva základní druhy OLED displejů. Jednodušší jsou displeje s pasivní matricí (PMOLED - Passive Matrix Organic Light Emitting Diode), u kterých jsou jednotlivé pixely řízeny pasivně mřížkovou matricí navzájem překřížených vodičů. Tyto displeje se používají především tam, kde je třeba zobrazit například pouze text.
Nás však zajímají displeje s aktivní matricí (AMOLED - Active Matrix Organic Light Emitting Diode), které jsou vhodné všude tam, kde je třeba zobrazit grafický obsah ve vysokém rozlišení, jako je sledování filmů, hraní náročných grafických her a podobně.
Struktura AMOLED displejů je podobná jako u TFT a spínání každého pixelu je řízeno vlastním párem tranzistorů. Protože se však na rozdíl od TFT dají jednotlivé pixely i subpixely vypnout, je na těchto displejích černá skutečně černá (vypnuté pixely nevyzařují žádné světlo). AMOLED proti LCD navíc dokáže podat sytější barvy, je ostřejší, nabízí zkrácení doby odezvy, vyšší zobrazovací frekvenci, lepší pozorovací úhly a čitelnost na slunci.
Mezi další výhody patří i menší spotřeba energie. OLED displeje jsou navíc proti LCD displejům velice tenké a mohou být vyrobeny z pružných plastových podkladů, díky čemuž bychom se mohli dočkat ohebných mobilních telefonů. To však není všechno. Některé typy OLED displejů - FOLED (Flexibilní OLED) a TOLED (Transparentní OLED) však mohou být dokonce průhledné. Mohlo by se zdát, že AMOLED nabízí proti LCD pouze samé výhody a LCD to tak již má spočítané a není důvod u něj setrvávat. I AMOLED však má své nevýhody a některé z nich jsou v dnešní době docela zásadní.
Za vším hledejte peníze. Výrobní náklady současných OLED displejů jsou výrazně vyšší než LCD. OLED je sice možné vytisknout na jakýkoliv vhodný podklad pro inkoustové tiskárny, ale dnešním problémem je finančně náročná výroba podkladu, ke které je nutné použití polymorfního křemíku a LTPS nosná plocha z amorfního křemíku vyžaduje laserové žíhání. Tyto náklady se však s masovou výrobou a novými metodami výroby výrazně sníží.
Druhá zásadní nevýhoda je již ryze technického rázu. Jedná se o omezenou životnost organických materiálů a nerovnoměrnost stárnutí jednotlivých barev. Nejnáchylnější a nejrychleji stárnoucí je přitom modrá barva, která ztrácí intenzitu už po 1 000 hodinách. Proti tomu zelená má desetinásobnou životnost proti modré a červená vydrží kolem 30 000 hodin, což je 3x více než v případě zelené a dokonce 30x více než v případě modré.
S problémem stárnutí souvisí i tzv. vypalování pixelů. Pokud je na displeji zobrazován stále stejný obraz, což se v případě mobilních telefonů týká zejména stavové lišty, dochází k masivnímu přetěžování těchto pixelů, a ty stárnou rychleji než ostatní, až přestanou fungovat úplně. Na displeji se tak objevují nevzhledné černé tečky.
Další verze AMOLED
Stejně jako u LCD se můžeme i u AMOLED displejů setkat s různými označeními, které označují různé verze a generace tohoto typu displejů. Platí to zejména u Samsungu, který používá AMOLED u svých nejvyšších modelů. Displeje tohoto typu používá hojně například i Nokia a další výrobci.
Displejem Super AMOLED byl vybaven tři roky starý model Samsung Galaxy S. Rysem tohoto typu displeje bylo použití PenTile matice, která si vysloužila silnou kritiku. Zatímco u RGB matice je tvořena barva třemi subpixely, u PenTile matice jsou použity pouze dva subpixely, což znamená, že tato matice má proti RGB matici nižší rozlišení.
Samsung na tuto kritiku reagoval vytvořením Super AMOLED Plus, kde Plus znamená použití RGB matice. S tímto typem displeje jsme se mohli setkat u nástupce Galaxy S Samsungu Galaxy S II. Poslední generací je Super AMOLED HD, který nabízí HD rozlišení, a můžeme ho najít u Samsungu Galaxy S III a Samsungu Galaxy Note II.
Samsung však není jediný, kdo pracuje na zdokonalení AMOLED technologie. V roce 2010 představila finská Nokia svůj displej založený na AMOLED, který nazvala ClearBlack Display (CBD). Jeho vylepšení spočívá v přidání další vrstvy mezi zobrazovací a dotykovou vrstvu. Tím došlo k omezení propouštění vnějšího světla, což má za následek zlepšení kontrastního poměru a mnohem lepší viditelnost na přímém slunci, a naopak ještě věrnější a hlubší černou. Dnes se s tímto typem displeje můžete setkat například u Nokie Lumia 820.
Schéma fungování technologie ClearBlack: Světlo projde lineárním polarizátorem, který propustí světlo pouze ve vertikálním směru Polarizované světlo prochází speciální kruhovou vrstvou, která ho pootočí o 90 stupňů Světlo se odráží od samotného displeje, přičemž se jeho polarita opět mění na vertikální Při opětovném průchodu kruhovou vrstvou se opět pootočí o 90 stupňů Takto pootočené světlo již neprojde zpět přes lineární polarizátor.
V roce 2011 přišlo se svou vlastní upravenou AMOLED technologií i jihokorejské LG, které jinak ve svých modelech spoléhá na technologii IPS. Jeho Ultra AMOLED má stejně jako ClearBlack od Nokie speciálně upravenou vrstvu, která zabraňuje odrazu světla a je proto mnohem lépe čitelnější na přímém slunci než klasický AMOLED. Prvním a zatím posledním modelem vybaveným tímto typem displeje bylo LG Optimus Sol.
V dalším díle našeho seriálu Techbox ještě zůstaneme u displejů a tentokrát se podíváme důkladně na zoubek technologii dotykových displejů.
