RLCD - Renesansa LCD
Včasih je treba za rešitev modernih problemov stopiti globoko v zgodovino. Moderni zasloni LCD z osvetlitvijo so očem prenaporni, da bi jih uporabljali v e-bralnikih. A nekoč LCD-ji niso imeli osvetlitve, zato smo pri igranju Game Boya na zadnjih sedežih avtomobila nestrpno čakali obcestne svetilke. Zelo podobni LCD-ji se v barvah vračajo v e-bralnike.
V nekih daljnih časih, ko so bili zasloni iz tekočih kristalov (LCD) čudo tehnike, so bili začetki precej preprosti. Prvi zasloni LCD, ki se niso uporabljali kot monitorji, temveč kot različni majhni prikazovalniki, niso imeli vira svetlobe. Tekoči kristali niso vir svetlobe niti danes, zato so zasloni LCD za matriko kmalu dobili osvetlitev (backlight), ki je omogočila njihovo uporabo tudi brez svetlobe iz okolice. A prvi LCD so uporabljali pasivno matriko, torej so imeli na zadnji strani odbojno plast kot nekakšno ogledalo, ki je odbijala svetlobo iz okolice. Tekoči kristali pa so se uporabljali za njeno modulacijo, torej za dejanski izris podobe na zaslonu.
Za plačilo lahko uporabite plačilno kartico ali PayPal ali Google Pay:
Najprej se morate prijaviti.
V kolikor še nimate svoje prijave, se lahko registrirate.
Včasih je treba za rešitev modernih problemov stopiti globoko v zgodovino. Moderni zasloni LCD z osvetlitvijo so očem prenaporni, da bi jih uporabljali v e-bralnikih. A nekoč LCD-ji niso imeli osvetlitve, zato smo pri igranju Game Boya na zadnjih sedežih avtomobila nestrpno čakali obcestne svetilke. Zelo podobni LCD-ji se v barvah vračajo v e-bralnike.
V nekih daljnih časih, ko so bili zasloni iz tekočih kristalov (LCD) čudo tehnike, so bili začetki precej preprosti. Prvi zasloni LCD, ki se niso uporabljali kot monitorji, temveč kot različni majhni prikazovalniki, niso imeli vira svetlobe. Tekoči kristali niso vir svetlobe niti danes, zato so zasloni LCD za matriko kmalu dobili osvetlitev (backlight), ki je omogočila njihovo uporabo tudi brez svetlobe iz okolice. A prvi LCD so uporabljali pasivno matriko, torej so imeli na zadnji strani odbojno plast kot nekakšno ogledalo, ki je odbijala svetlobo iz okolice. Tekoči kristali pa so se uporabljali za njeno modulacijo, torej za dejanski izris podobe na zaslonu.
Razvoj zaslonov je od 80. let do danes prepotoval dolgo pot, korenito se je spremenil način osvetlitve. Fluorescentne sijalke so zamenjale svetleče diode, belo osvetlitev ob robu je nadomestila osvetlitev neposredno na pikslih, v najnovejših zaslonih se pojavljajo tudi kvantne pike za modulacijo svetlobe (iz modre v druge valovne dolžine) ali pa te celo neposredno svetijo. Moderne svetleče diode so lahko tudi organske. O tem smo podrobno pisali pred petimi leti (Vodnik po TV tehnologijah, Monitor 09/20) in lani (Modre pike, Monitor 04/24).
Nekoliko daljši predgovor je namenjen umestitvi tehnologije RLCD (reflective LCD), ki nas vrača na začetek. Refleksijski oziroma odboji LCD-ji spet ne uporabljajo osvetlitve, temveč imajo za plastjo tekočih kristalov ogledalo, ki odbija svetlobo iz okolice. V prenosne računalnike ali tablice takšnih zaslonov seveda ne bomo vgrajevali, za e-bralnike pa so kot naročeni.
Tekoči kristali
Že ime zveni protislovno in tudi Friedrich Reinitzer je bil leta 1888 sila začuden, ko je opazoval fizikalno-kemijske lastnosti derivatov holesterola. Pri 145 °C se je holesteril benzoat raztalil v mlečno in viskozno tekočino, pri 179 °C pa je tekočina postala prozorna. Spojina je imela torej dve tališči, v vmesnem območju pa je obstajala v obliki, ki ni bila ne trdna ne zares prava tekočina. Ker je izkazovala podoben lom svetlobe kot kristali, je Reintizerjev kolega fizik Otto Lehmann to fazo poimenoval tekoči kristali (fliessende krystalle v tedanji nemščini). Ime uporabljamo še danes.
Prihajajo kvantne pike
Tudi v RLCD-je se prebijajo kvantne pike (quantum dots), ki smo jih sicer bolj vajeni v osvetljenih zaslonih. S kvantnimi pikami je moč zamenjati klasične barvne filtre, ki poslabšajo kontrast in svetlost, saj prepuščajo le svetlobo želenih valovnih dolžin. Kvantne pike pa absorbirajo svetlobo in potem v odvisnosti od svoje strukture, velikosti in oblike oddajajo svetlobe določene valovne dolžine. Na tak način vpadlo (belo) svetlobo pretvorimo v barvo, ki jo potrebujemo. Barve so svetlejše in bolj žive. Tehnologija se imenuje PQDCCL (Pixelated quantum dot color conversion layer) in še ni komercialno dostopna v RLCD-jih.
Ključne lastnosti tekočih kristalov, ki jih je opazil, so: dve tališči, odboj krožno polarizirane svetlobe (to za modernejše izvedbe v drugih fazah ni vedno res) ter zasuk polarizirane svetlobe ob prehodu skozi tekoče kristale. Ti izkazujejo tudi dvolomnost: lomni količnik je odvisen od usmerjenosti. Raziskav ni nadaljeval Reinitzer, temveč Lehmann. V začetku 20. stoletja so bili tekoči kristali zgolj znanstvena zanimivost, ki ni imela uporabne vrednosti, zato so bile raziskave redke. Še v začetku 60. let se je z njimi ukvarjalo sorazmerno malo univerzitetnih laboratorijev. Povprečni prebivalec je o njih vedel približno toliko kot o konstanti fine strukture danes – torej nič.
Reinitzer je odkril tekoče kristale, ki med fazami prehajajo s spremembo temperature, zato jih imenujemo termotropni. Obstajajo tudi liotropni tekoči kristali, ki prehajajo med fazami zaradi dodajanja topil. Za LCD-je so pomembni prvi, ki lahko obstajajo v nematski (nitasti), smektični (razmazani) in kolumnarni (stolpičasti) fazi pri sobnih temperaturah. Da lahko molekule obstajajo v teh nenavadnih fazah, morajo biti same posebne oblike. Najpripravnejše so organske molekule, ki imajo dolgo paličasto strukturo, denimo MBBA (metoksibenziliden butilanilin) ter EBBA (etoksibenziliden butilanilin) in BBBA (butoksibenziliden butilanilin), ki ju najdemo v prikazovalniki na kalkulatorjih.
Prvi LCD
V podjetju RCA Laboratories v Raziskovalnem centru David Sarnoff na Princetonu je Richard Williams leta 1962 opazil, da imajo tekoči kristali zanimivo lastnost. Če je tanek film tekočih kristalov izpostavil električni napetosti, se je njihova urejenost spremenila, pojavile so se Williamsove domene, kakor jih imenujemo danes. Vzrok niso mogle biti nečistote, ker je bila upornost materiala previsoka (nečistote bi jo znižale), urejenost pa se je pojavila tako ob enosmerni kot izmenični napetosti. Zadoščalo je že 12,5 V, kar je ustvarilo električno polje 2.500 V/cm.
Njegov sodelavec George Heilmeier je ugotovil, da je ta pojav moč izrabiti za izdelavo zaslona. Heilmeier ni bil raziskovalec z desetletji izkušenj, temveč sveži doktorand, ki je disertacijo ubranil leta 1961 z delom v RCA Laboratories. Tudi po doktoratu je nadaljeval v istem podjetju. Tekočim kristalom iz butoksibenzojske kisline je primešal barvilo para-azoksianizol, ki ima zanimive lastnosti. Absorbira svetlobo, ki je linearno polarizirana v smeri daljše osi molekule, in prepušča svetlobo drugih polarizacij. Ko je mešanico ujel med stekleni plasti, na katerih sta bili prozorni elektrodi iz indij-kositrovega oksida, je lahko njeno barvo spreminjal iz rdeče v brezbarvno in nazaj z električno napetostjo. Ta je spreminjala ureditev molekul tekočega kristala, s tem pa tudi orientacijo molekul barvila, skozi katero je ali pa ni prehajala svetloba. Leta 1964 smo torej dobili prototip, ki je namesto tisoč voltov tedanjih CRT-jev (zasloni s katodno cevjo) potreboval vsega 10 V.
Prototip je imel seveda ogromno težav, od počasne degradacije do občutljivosti na obrnjenost površine, da sploh ne omenjamo potrebe po segrevanju na 150 °C. A seme je bilo zasejano in v naslednjih letih je uspešno vzklilo. Težave so eno za drugo reševali, zato je že leta 1968 RSA Laboratories na novinarski konferenci napovedal povsem novo vrsto zaslonov. Prvi so jih dobili kalkulatorji in digitalne ure. RCA Laboratories ni nadaljeval razvoja LCD-jev, ker je bilo podjetje osredotočeno na CRT-je, ki jih niso želeli kanibalizirati. RCA je bil tedaj tehnološki velikan, ki je razvil ali komercializiral številna tehnološka čudesa, denimo moderne gramofonske plošče, barvne televizorje in radio. Heilmeier je zato leta 1970 podjetje zapustil in kasneje postal predsednik Bell Communication Researcha.
Tekoče kristale so prvi komercializirali Japonci v kalkulatorjih. Sharp je bil RCA pripravljen financirati celoten razvoj, a so jih Američani odslovili. V RCA so bili prepričani, da so tekoči kristali prepočasni, zato je moral Sharp zaslon razviti sam. To so bili časi, ko so žepni kalkulatorji tehtali 25 kilogramov in merili pol metra. Tomio Wada je s skupino dveh ducatov inženirjev razvil zaslon iz tekočih kristalov, ki je uporabljal MBBA, EBBA in BBBA z dodatkom tetrabutil amonijevih soli. Zaslon je potreboval izmenično napetost, ki sta jo ustvarili prozorni elektrodi iz indij-kositrovega oksida na steklenih plasteh, med kateri je bil ujet tekoči kristal. Na zadnji strani je bilo ogledalo, ki je odbijalo svetlobo iz okolice, tekoči kristali pa so jo potem bodisi zastrli bodisi ne. Leta 1973 je izšel žepni kalkulator Elsi Mate EL-805, ki je imel zaslon iz tekočih kristalov. Tehtal je 200 gramov, ena baterija AA pa ga je poganjala sto ur.
RLCD
Od 80. let dalje je bil razvoj različnih vrst zaslonov LCD hiter in ploden. Iskali so nove molekule tekočih kristalov, spreminjali tehnike blokiranja svetlobe, ki so temeljile na njeni polarizaciji, spreminjanju polarizacije (DSM – dynamic scattering mode, TN – twisted nematic, STN – super twisted nematic, IPS – in plane switching) in uporabi polarizacijskih filtrov, zasloni so dobili različne vrste osvetlitve za tekočimi kristali, sposobni so bili prikazati barve. Od pomembnejših prebojev omenimo le še tehniko TN, ki uporablja nematsko fazo, ki je zvita kot vijačnica. To se zgodi, kadar nematsko fazo tekočih kristalov ujamemo med plasti z žlebiči, ki vsilijo ureditev molekul. Če sta plasti zarotirani za 90°, bodo molekule tekočih kristalov ureditev (ki jo merimo s količino po imenu direktor) temu prilagodile kot vijačnico. Z električno napetostjo pa jo potem reverzibilno porušimo. Ta tehnika, ki so jo leta 1970 izumili v švicarskem podjetju Hoffmann-La Roche, je hitro prevzela primat, dokler je niso izpodrinile še novejše. Uporabljali so jo zgodnji kalkulatorji, zapestne ure in ročne igralne konzole (Nintendo).
Klasični LCD z matriko TN.
Nadaljnji razvoj je šel v smer, ki se od RLCD, kot jih najdemo v današnjih e-bralnikih, oddaljuje. V 90. letih si nihče ni predstavljal, da bodo kdaj obstajale tablice ali e-bralniki, kaj šele da bomo na njih brali knjige in časopise. Prve moderne RLCD smo videli v tablicah podjetja Pixel Qi in njihovih prenosnih računalnikih OLPC XO (One Laptop per Child) v začetku tega tisočletja. Ti zasloni so delovali v obeh načinih: z osvetlitvijo ali brez nje, razlog pa je bila varčnost.
Današnji barvni RLCD-ji delujejo podobno kot enobarvni pred 50 leti. Na površini imajo zaščitni sloj, ki preprečuje bleščanje. Pod njim se skriva polarizator, saj je sončna svetloba nepolarizirana. Naslednji sloj predstavlja barvni filter, pod katerim je plast tekočih kristalov. Na koncu sta še en polarizator, ki nima iste orientacije kot zgornji, in zrcalo. To uteleša tudi princip delovanja: svetloba iz okolice se polarizira, potuje skozi barvni filter (ki prepusti le želeno barvo posameznega piksla) in nato skozi plast tekočih kristalov, v kateri se njena polarizacija spremeni, če so v zviti obliki. Ali bo odbita svetloba dosegla naše oči ali pa jo bodo tekoči kristali absorbirali, je odvisno od njihove orientacije.
To krmilimo z napetostjo, ki jo pritisnemo na tekoči kristal z elektrodami, običajno iz indij-kositrovega oksida. Zadnja elektroda lahko hkrati opravlja tudi funkcijo odbojne plasti, a osnovni koncept ostaja enak. Ker se kondenzatorji sčasoma izpraznijo, potrebuje zaslon RLCD stalno osveževanje napetosti, ki vzdržuje tekoče kristale v primerni orientaciji za izris. Zaradi tega trošijo več energije kot elektronski papir, a še vedno precej manj od klasičnih LCD-jev, ker energije ne uporabljajo za osvetlitev, temveč le za ureditev tekočih kristalov. Takšen e-bralnik ne bo zdržal mesece, brez težav pa več dni. Tudi bela barva je manj bela kot pri elektronskem papirju, ker potuje skozi filtre in tekoče kristale. Prav tako imajo RLCD-ji enake težave z vidnim kotom kot njihovi osvetljeni bratje. Starejši modeli (TN) so imeli velikanske probleme, pri novejših (IPS) je vidni kot že precej izboljšan.
A RLCD-ji niso brez prednosti. Odlikujeta jih zlasti visoka ločljivost in hitro osveževanje slike, ki zlahka doseže 120 Hz. To je očem že nezaznavno, predvsem pa dovolj hitro za ogled premikajočih se slik – videoposnetkov oziroma filmov. Številni modeli imajo tudi sprednjo osvetlitev, ki jo lahko po potrebi vključimo, kadar jih uporabljamo v temnih okoljih. RLCD-ji so pač – z vsemi prednostmi in slabostmi – manj podobni papirju kakor elektronski papir.
Zasloni LCD so lahko transmisijski (prepustni), transflektivni (prepustno-odbojni) in reflektivni (odbojni). Za e-bralnike so namenjeni zadnji.
Tabela [PDF]
