Vodnik po TV tehnologijah

Objavljeno: 25.8.2020 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Fokus | Revija: September 2020

Včasih je bil svet preprost, televizorji pa s katodnimi cevmi. Ko nam je razvoj prinesel LCD, so se zdeli kot mana z neba: tanki, varčni, brez utripanja. Naslednji korak so bile svetleče diode (LED), ki se v takšni ali drugačni obliki uporabljajo v večini današnjih televizorjev. A zmeda med potrošniki je danes popolna. OLED in QLED ali microLED in miniLED imajo paroma precej manj skupnega kakor OLED in microLED. Kaj neki je QD-LED in ali je WOLED boljši od OLED? Za razjasnitev berite dalje.

Načinov, kako pričarati gibljive slike v naše dnevne sobe, se je do danes razvilo že cel kup. Vsem je skupno, da lažejo oziroma izkoriščajo pomanjkljivosti naših oči in možganov, da nam pričarajo iluzijo gladko tekočega posnetka (s pripadajočim zvokom). K sreči naših oči ni težko prevarati, zato je tudi tehnologij precej. Najboljše dajejo rezultat, ki bi ga zlahka zamenjali za realnost.

Vidimo, ko v naše oko padejo fotoni. Ti imajo različno energijo, kar glede na dualnost delci-valovi ustreza različnim valovnim dolžinam elektromagnetnega sevanja. Ljudje smo sposobni zaznati svetlobo z valovnimi dolžinami med 380 in 740 nm, kar ustreza celotni mavrici (od modro vijoličaste do rdeče). Svetlost pa je povezana z intenziteto svetlobe, kar pomeni število fotonov, ki padejo na mrežnico v očesu.

Vidimo v barvah, ker imamo tri vrste čepkov, kakor se imenujejo specializirane celice za zaznavanje barv. Glede na barvo, ki jih aktivira, jih imenujemo modri, zeleni in rdeči. Barve zaznavamo zaradi različne aktivacije posameznih čepkov, ki jo povzroči svetloba različnih valovnih dolžin. Modri najbolje zaznavajo svetlobo pri 430 nm, zeleni pri 540 nm in rdeči pri 570 nm (kar sicer ni rdeča barva), širina odzivnega območja pa je okoli 100–200 nm. Kadar so vzbujene vse tri vrste čepkov, vidimo belo svetlobo. Poleg čepkov imamo še paličice, ki so občutljivejše, a ne ločijo barv, zato ob mraku vidimo črno-belo.

Dejstvo, da barve vidimo glede na različno vzdraženost zgolj treh vrst palčic, izkoriščamo pri reprodukciji barv v televizorjih. Vsaka valovna dolžina sproži značilen odziv, kar različno močno aktivira tri vrste čepkov, zato lahko goljufamo, in namesto da bi reproducirali monokromatsko oranžno svetlobo ustrezne valovne dolžine, ki približno enako močno vzdraži rdeče in zelene čepke, lahko pripravimo približno rdečo in zeleno svetlobo, ki bo tudi vzdražila oboje čepke. Videli bomo oranžno. Poglejmo, kako to poustvarimo.

Relativna občutljivost čepkov na svetlobo različnih barv.

Katodna cev oz. CRT

Začnimo v tehnološki prazgodovini, ki jo ponazarjajo okorni in težki televizorji. Takšni so bili zaradi katodne cevi, po kateri so dobili tudi oznako CRT (cathode ray tube). V vakuumski cevi imamo katodo (nič drugega kakor kovinska nitka), ki je segreta, zaradi česar oddaja elektrone, ki potujejo proti pozitivno nabiti anodi, ki ima luknjico. Električno polje je usmerjeno tako, da jih skoncentrira v tanek snop, ki pospešuje proti zaslonu, saj vsi ostali zadenejo anodo. Fino krmiljenje s tuljavama (ena za navpični, druga za vodoravni odklon) omogoča, da snop popiše celotno vidno polje zaslona. Notranja stran zaslona je premazana z luminiscenčno snovjo, ki oddaja svetlobo, ko jo zadene curek elektronov. To je fosforescenčni premaz, ki zaradi vpadnega curka elektronov žari – oddaja svetlobo.

Čisto prve izvedenke so bile monokromatske, kasneje pa smo dobili še barvne inačice. Že za časa zaslonov s katodno cevjo je bilo jasno, da bo za reprodukcijo barv dovolj imeti fosforescenčne elemente treh barv. To so rdeča, zelena in modra, kar je tudi eden izmed osnovnih sistemov za prikaz barv (RGB). S spreminjanjem svetlosti pik posamezne barve lahko dosežemo iluzijo vseh barv, saj človeško oko na razdalji gledanja ne zazna posameznih pik. Enak trik uporabljajo tudi vsi ostali načini prikazovanja slike. Danes televizorjev s katodno cevjo ne uporabljamo več.

Shema zaslona s katodno cevjo: 1 – elektronski top, 2 – curek elektronov, 3 – tuljave za fokusiranje, 4 – tuljave za odmik, 5 – anoda, 6 – maska, 7 – fosforescenčni premaz v treh barvah (rdeča, zelena, modra), 8 – povečava premaza. Slika: Søren Peo Pedersen (CC BY-SA 3.0)

Plazma

Prvo večjo revolucijo je prinesla plazemska tehnologija, ki je poskrbela za tanke televizorje (in se do danes tudi že poslovila). Plini so v običajnih razmerah sorazmerno dobri električni izolatorji, a če nam skoznje vseeno uspe voditi električni tok, se zgodijo zanimive reči. Ko plin prevaja, preide v četrto agregatno stanje, ki se imenuje plazma. Atomi oddajo zunanje elektrone, ki prosto potujejo med nastalimi ioni. Tak plin ni le prevoden, temveč žari. Veliko večino svetlobe sicer odda v ultravijoličnem spektru, kar ni uporabno niti varno. Če pa te UV-žarke ulovi fosforescenčni premaz, bo ta žarel v varni vidni svetlobi.

Tako delujejo plazemski televizorji. Med dvema steklenima paneloma imajo na tisoče majhnih prekatov, ki predstavljajo pile. V vsakem je mešanica žlahtnih plinov in dodatkov (npr. hlapov živega srebra), na koncu pa fosforescenčni premaz. Ko električno vezje skozi posamezno piko pošlje električni tok, plin oddaja UV-svetlobo in ta stimulira fosforescenčni premaz, ki proti gledalcu oddaja svetlobo. Barvo dosežemo z uporabo treh različnih fosforescenčnih premazov. Glavne prednosti plazemskih televizorjev so dober kontrast in reprodukcija barv, hiter odzivni čas in enakomerna osvetlitev, slabosti pa zelo velika poraba električne energije, visoka cena in občutljivost.

Tekoči kristali (LCD)

To je prva izmed tehnologij, ki se še vedno uporablja v današnjih televizorjih. Tekoče kristale, kakorkoli paradoksalno njihovo ime zveni, tvorijo molekule primernih oblik, tako da tvorijo stanje nekje vmes med tekočinami in kristalnimi trdninami. V zaslonih LCD se uporabljajo nematični tekoči kristali, za katere so najpripravnejše molekule v obliki paličic. Molekule v nematičnih tekočih kristalih lahko tečejo, a še vedno ohranjajo preferenčno orientacijo.

Pred plastjo s tekočimi kristali in za njo sta polarizacijska filtra, običajno paroma pravokotna, skozi katera svetloba sama ne more potovati. Prvi bi namreč prepustil le horizontalno polarizirano svetlobo, drugi pa le vertikalno (ki je ni več, ker jo je odfiltriral že prvi). V odvisnosti od orientacije molekul v zviti nematični fazi, kar krmilimo s pritisnjeno napetostjo (električnim poljem), pa lahko poskrbimo za rotacijo polarizirane svetlobe (zaradi prvega filtra) pri prehodu skozi tekoči kristal, tako da jo bo (vsaj nekaj) prepustil tudi drugi filter. Z drugimi besedami: tekoči kristal je filter za svetlobo, ki ga lahko krmilimo z električno napetostjo.

Zasloni LCD imajo veliko število razdelkov (pik), v katerih so tekoči kristali, katerih prepustnost krmilimo s pripadajočimi tranzistorji, ki skrbijo za vklop električnih polj. Če tekoči kristal svetlobe ne vrti, skozi drugi filter ne pride. Čim bolj jo zavrti, tem več je pride skozenj. Če pa posamezen tranzistor odpove, dobimo piko, ki bodisi trajno sveti bodisi je črn.

Natančen bralec bo opazil, da v nasprotju s predhodnimi tehnologijami tu nismo nikjer omenjali žarjenja oziroma nastajanja svetlobe. Tekoči kristali so le zelo dovršeni filtri za svetlobo. Medtem ko najbolj primitivni LCD-zasloni sploh nimajo vira svetlobe, temveč imajo zadaj le ogledalo (pasivni LCD), zaradi česar delujejo le na svetlem, so televizorji seveda aktivno osvetljeni. V »klasičnih« LCD je za zaslonom preprost vir nepolarizirane bele svetlobe – običajno je to kar fluorescenčna sijalka (CCFL – cold cathode fluorescent lamp). Ta deluje podobno kot vir svetlobe v plazemskih televizorjih. Skozi cev, ki je napolnjena s plinom, steče električni tok (za kar potrebujemo visoko napetost), ki plin ionizira. Dodane pare živega srebra zaradi tega oddajajo ultravijolično svetlobo, ki jo fosforescenčni premaz absorbira skozi sijalke in odda kot vidno svetlobo.

Do barv pridemo tako, da ima vsaka pika pred seboj še filter v eni izmed treh osnovnih barv. LCD imajo običajno dve sijalki. Difuzor poskrbi, da je osvetlitev panela enakomerna, kakor da je vir svetlobe daleč stran.

Tekoči kristali delujejo kot filtri svetlobe, ki jih je mogoče krmiliti. Zasloni OLED prilagajajo sámo svetilnost osnovnih elementov. Slika: Nikon

LED-LCD

Nobenega posebnega razloga ni, da bi osvetlitev morala zagotavljati prav fluorescenčna cev. V modernejših televizorjih LED-LCD (ki so često zavajajoče poimenovani LED) je vsa tehnologija tekočih kristalov še vedno bolj ali manj enaka, le vir svetlobe so svetleče diode (LED). Teh je lahko v primerjavi s fluorescenčnimi sijalkami več, prav tako pa so lahko enakomerneje razporejene. Običajno jih je od nekaj deset do več sto in so v urejenem vzorcu razporejene po celotni zadnji strani za tekočimi kristali (direct LED full array). Druga možnost je razporeditev diod po robovih zaslona (edge-lit LED).

Dolga leta so bili v uporabi televizorji z osvetlitvijo z roba (edge-lit), kar prinaša določene prednosti, predvsem pri ceni in debelini zaslona. Prav tako je mogoče neodvisno vklapljati, izklapljati oziroma regulirati svetilnost posameznih diod, kar daje boljšo reprodukcijo barv in močnejši kontrast.

Korak naprej so bili zasloni z osvetlitvijo od zadaj. Ker imajo res veliko diod, tudi do nekaj sto, lahko s prilagajanjem svetilnosti posameznih diod v odvisnosti od kadra dosežemo zelo dobre rezultate. Sicer je pik še vedno precej več od diod (nima vsak svoje, kakor bi bilo pri plazmi), a razen pri zelo pomešanih slikah tudi to zadostuje. Tej tehnologiji pravimo local dimming.

Cenejša različica pa so televizorji, ki imajo diode sicer še vedno za zaslonom, s čimer odpade potreba po difuzorju, a ne omogočajo regulacije svetilnosti posameznih diod (direct lit). Ves čas svetijo na polno. Zaradi tega imajo tudi diod manj, saj je treba doseči le zadostno celokupno osvetljenost. Takšni televizorji so cenejši, imajo pa slabši kontrast in namesto črne vidimo bolj ali manj temno sivo.

Kljub oznaki LED gre za običajne zaslone s tekočimi kristali (LCD), le da so fluorescenčne sijalke kot osvetlitev zamenjale svetleče diode (LED). Slika: Flatpanelshd.com

QLED

LED-LCD ni edina variacija tehnologije LCD. Na tem konceptu gradita še QLED in OLCD. Zadnji pomeni organski LCD, in ker nima stekla, omogoča do neke mere upogljive zaslone. V televizorjih ga še ne bomo našli.

Po drugi strani pa so marketinški oddelki proizvajalcev povsem posvojili oznako QLED. Gre za zaslone, ki uporabljajo kvantne točke (QD – quantum dots), kakor označujemo majhne polprevodniške elemente, ki ne presegajo nekaj nanometrov. Zaradi zakonov kvantne fizike imajo majhni delci bistveno drugačne lastnosti od večjih; v konkretnem primeru oddajajo svetlobo. Ločimo dva načina: fotoemisijo, kjer kvantne točke po obsevanju s svetlobo UV oddajajo vidno svetlobo različnih barv (podobno kot fosforescenčni premaz), in elektroemisijo, kjer kvantne točke neposredno stimuliramo z električnim tokom, da svetijo. Trenutno vsi modeli televizorjev QLED na tržišču uporabljajo fotoemisijo.

V kakšni barvi bodo svetile kvantne točke, je odvisno od materiala in velikosti. Ker lahko z današnjo tehnologijo proizvajamo kvantne točke zelo dobro definiranih velikosti, imamo (posredni) vir svetlobe, ki bo vedno svetil v isti barvi in se ne bo staral (kot se diode).

V praksi torej to pomeni, da imamo še vedno osnovni zaslon LCD, ki pa ima tudi kvantne točke. Klasični LED-LCD uporablja kot vir svetlobe modre svetleče diode, ki imajo malo rumenega luminiscenčnega materiala, s čimer pridelajo približek beli svetlobi (ki ji manjka precej valovnih dolžin, zlasti rdečih, kar se do neke mere kompenzira drugače). Televizorji QLED pa imajo modre diode kot vir svetlobe (brez rumene), ki sije na plast rdečih in zelenih kvantnih točk (imenuje se QDEF oziroma quantom dot enhancement film). Skupaj daje to spet belo svetlobo, ki pa je bistveno bogatejša v spektralnih komponentah kakor svetloba svetlečih diod. Od tod naprej gre enako kot pri LED-LCD. Filter za vsako piko odfiltrira ustrezno svetlobo (modro, rdečo, zeleno), potem pa panel tekočih kristalov skrbi za ustrezno prepustnost posamezne pike. S QLED smo torej popravili barvno reprodukcijo.

Zaslonov, kjer bi kvantne točke bodisi proizvajale svetlobo (elektroemisija) ali pa bi fotoemisivne kvantne točke uporabljali kar kot filter (torej da bi vsaki piki ustrezala svoja), s čimer bi odpadla potreba po tekočih kristalih, še ni.

Zasloni QLED so v principu še vedno LCD, le da imajo dodano plast kvantnih pik. Ta skrbi za nastanek bele svetlobe z boljšo zastopanostjo vseh valovnih dolžin. Filtriranje še vedno opravijo tekoči kristali, končno obarvanje pa barvni filtri. Slika: DSCC

MiniLED

Če vire svetlobe za zadnjo osvetlitev (backlight) še dodatno zmanjšamo, dobimo zaslon miniLED. Tak zaslon še vedno potrebuje filter svetlobe iz tekočih kristalov, a ga lahko zelo fino krmilimo. Ker lahko izklapljamo osvetlitev skorajda vsake pike posebej, so kontrasti še boljši. Običajen televizor ima 10.000–25.000 mini svetlečih diod, niso pa vse neposredno naslovljive, ampak jih krmilimo v skupkih. Vseeno je to že toliko, da same po sebi izrišejo zrnato različico kadra (glej sliko), ki potem seveda potuje skozi tekoče kristale. Nima pa ta tehnologija nič skupnega z microLED, ki sodi med »prave« tehnologije LED.

Pri tehnologiji miniLED, ki je še vedno zgolj zelo izpopolnjen LCD, je vir svetlobe več tisoč svetlečih diod, ki jih po potrebi vklapljamo in izklapljamo. Slika: TCL

Pravi »LED«

Tehnologija je napredovala in svetleče diode (LED) so danes dovolj majhne, da lahko z njimi ustvarimo posamezne pike. Namesto da bi osvetljevali zaslon (CCFL, LED, LED+QD), nato pa z manipulacijami (CRT) ali s filtri (LCD) selektivno prepuščali svetlobo, lahko enostavno vklapljamo posamezne pike po potrebi, pri čemer lahko nastavljamo še zahtevano svetilnost. V teoriji to obljublja manjšo porabo energije, boljše barve, globoke kontraste s pravo črno ter hitre odzivne čase. Kaj pa v praksi? Variacij je cel kup: OLED, QD-OLED, WOLED, microLED (ne pa miniLED, QLED in LED-LCD!). Podobna poimenovanja so sad sorodnega principa delovanja, so pa izvedbe in strojna oprema različne.

OLED pomeni organska svetleča dioda (organic LED), ki je hkrati primarni vir svetlobe. Takšni televizorji ne potrebujejo vira svetlobe zadaj (backlight). Svetlobo ustvarjajo kar z vklapljanjem posameznih pik (podobno počne tudi plazmatski zaslon), zaradi česar ne odpade le potreba po dodatnem viru svetlobe, temveč tudi po filtrih. Zasloni so lahko tanjši (aktivni del meri vsega 100–200 nanometrov, zato jih je mogoče tudi ukrivljati in celo prepogibati, kot vidimo na telefonih, pa tudi že na televizorjih), varčnejši, odzivnejši (milisekunda), kontrasti boljši, črna bolj črna (teoretično imajo neskončen kontrast, ker so črno reproducirajo z ugasnjenimi pikami, torej nič svetlobe). Slabosti pa so možnost vžgane slike, staranje in slabša bela barva.

Organske svetleče diode imajo med opisanimi tehnologijami najopaznejši problem staranja, na kar namiguje že beseda organska. Tako se imenujejo, ker vsebujejo organske molekule ali polimere. Različice so v glavnem tri: majhne molekule (SM-OLED), polimeri (P-OLED) in fosforescenčne OLED.

Največja težava ni proces staranja, temveč različna hitrost staranja rdečih, zelenih in modrih diod. Zadnje se najhitreje postarajo (življenjska doba je okrog 15.000 ur), zato sčasoma slika začne postajati rdečkasta. Organske svetleče diode krmilimo kot vsake druge diode. Plast p ima večjo koncentracijo vrzeli (primanjkljaj elektronov), plast n pa elektronov. Na stiku elektroni difundirajo v sosednjo plast, kar ustvari ozko območje brez nosilcev naboja z zaporno napetostjo. Če na plast n pritisnemo negativno napetost, na plast p pa pozitivno, steče tok. Ta povzroči nastanek novih prostih elektronov in vrzeli. Ob rekombinaciji nastajajo fotoni valovnih dolžin vidne svetlobe.

W-OLED (white OLED) je varianta, kjer se namesto organskih svetlečih diod treh barv (RGB OLED) uporabljajo le bele. Barve dobimo tako, da ta svetloba potuje skozi barvne filtre. Še vedno torej vsako piko osvetljuje svoja svetleča dioda, ki pa je bela.

Pri tehnologiji W-OLED (levo) uporabljamo svetleče diode, oddajajoče belo svetlobo, ki jo obarvamo z barvnimi filtri. Pravi zasloni OLED (desno) uporabljajo različne svetleče diode za posamezno barvo. Slika: Amalkumar Ghosh

Naslednja kombinacija je QD-OLED, ki odpravlja slabosti tehnologije WOLED. Tu je vir svetlobe modra organska svetleča dioda za vse pike. Na njeno pot v rdečih in zelenih pikah postavimo kvantne pike, ki absorbirajo modro svetlobo in oddajajo rdečo ali zeleno.

Vir svetlobe je lahko modra svetleča dioda, kar za modre pike zadostuje. Rdeče in zelene pa dobimo tako, da svetloba pada na kvantne pike, ki jo absorbirajo in oddajajo rdečo ali zeleno. To je hibridna tehnologija QD-OLED. Slika: Samsung

MicroLED je naslednji korak v razvoju prave tehnologije LED. Logika je zelo podobna kot pri OLED, le da diode niso organske, ampak kar klasične anorganske, torej iz galijevega nitrida. To omogoča večjo svetilnost (in s tem bolj belo belo, torej boljši kontrast), večjo energetsko učinkovitost ter manjše pike. Pri zaslonih microLED naj ne bi bilo težav z vžgano sliko, kar bomo seveda šele ugotavljali, saj je tehnologija sorazmerno moderna. Kot kaže, z microLED ne bo mogoče dobiti upogljivih zaslonov (z OLED to gre), prav tako pa so vsaj za zdaj dražji.

Tako microLED kakor OLED uporabljajo svetleče diode kot vir svetlobe. Pri microLED so te anorganske, zato so zasloni lahko tanjši. Slika: Trendforce

Kaj je boljše

Z izjemo prazgodovinskih CRT in plazemskih televizorjev ima vsaka tehnologija svoje prednosti in slabosti, kjer cena igra nezanemarljiv dejavnik. Kateri televizor priporočamo za posamezno vrsto rabe, pa preberite v našem preizkusu televizorjev.

Bodi svetloba

Medtem ko so izvedbe, tako umetne kakor naravne, zelo različne, je fundamentalni razlog za nastanek svetlobe povsod enak. Svetloba je, zaradi človekovega omejenega senzoričnega aparata, poimenovanje za elektromagnetno sevanje med valovnimi dolžinami 380–740 nm (405–790 THz). To nastane, ko se mora pri nekem fizikalnem (ali kemijskem) procesu sprostiti energija, ki v posameznih paketkih ravno ustreza energiji fotonov s to valovno dolžino.

Običajno gre za elektrone, ki izgubljajo energijo ob prehodu iz višjega energijskega stanja v nižje. Ta koncept drži tako za prastare zaslone s katodno cevjo kakor za najnovejše OLED. Zasloni CRT imajo fosforescenčni premaz, ki ga v vakumu bombardirajo elektroni, zaradi česar ti v fosforescenčnem premazu preskočijo na višjo energijsko raven. Ko se vračajo na osnovno, oddajajo svetlobo. Ko pa skozi organske svetleče diode (OLED) teče električni tok, se prosti elektroni rekombinirajo z vrzelmi (v praksi gre seveda za prehod v nižje energijsko stanje), ob čemer oddajo energijo v obliki svetlobe.

Enak koncept poganja še ostale vire svetlobe, od razžarjenih predmetov (npr. žarnica ali železo v plavžu) do fuzijskih reakcij v Soncu. Svetloba se pojavi, ko predmeti oddajajo energijo v obliki elektromagnetnega valovanja (torej fotonov) primernih valovnih dolžin (energij).

  

Modra dioda

Svetleče diode (LED) niso nič novega, saj so prve (infra)rdeče rutinsko uporabljali že v 60. letih. Elektroluminiscenco so odkrili leta 1907, prve praktično uporabne diode pa so leta 1961 izdelali v Texas Instruments. Svetile so rdeče, za kar je bil leta 1962 podeljen patent. Kmalu smo dobili prave rdeče diode (ne več infrardečih) in tudi zelene. Barva, ki jo dioda oddaja, je namreč odvisna od materiala, iz katerega sta narejeni plasti n in p v njej.

A manjkale so učinkovite diode, ki bi oddajale modro svetlobo. Čeprav je bilo že v 70. letih jasno, da je ključ verjetno v galijevem nitridu, je bil velik izziv pripraviti ustrezno čist, definiran in primerno dopiran material. Prve uporabne diode smo dobili leta 1992, ko sta Isamu Akasaki in Hiroši Amano pripravila galijev nitrid, nanesen na safir in dopiran s cinkom in z magnezijem. Skupaj s Šujijem Nakamuro sta leta 2014 za to odkritje prejela tudi Nobelovo nagrado za fiziko. Ko so odkrili še diode, ki oddajajo belo svetlobo, smo dobili vse sestavne dele za svetlobno revolucijo, ki smo ji priče še danes. Dala nam je tudi organske diode, kvantne točke in druge nekdaj eksotične vire svetlobe.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki