Tekuté krystaly (Liquid Crystals – LC) si lze představit jako zvláštní strukturu podobnou zrnkům rýže. Mohou mít několik fází, nás bude zajímat pouze zvláštní tzv. nematická fáze, která právě umožňuje funkci LCD. V ní mají všechna „zrnka“ tendenci srovnávat své osy podle polární orientace.
Když k tekutému krystalu přiblížíme jemně drážkovanou destičku, jednotlivé krystaly se stočí rovnoběžně podle drážek. V případě, že však uzavřeme krystal mezi dvě drážkované destičky, LC struktura způsobně vyplní vzniklou tenkou mezeru. Zajímavěji se však tekuté krystaly zachovají v případě, že obě dvě drážkované destičky nejsou nadrážkovány rovnoběžně, ale jsou vzájemně pootočeny o 90 stupňů. Také potom mají zrnka tendenci držet se drážek na obou stranách a proto dochází k postupnému natáčení jednotlivých vrstev tak, aby obě krajní odpovídaly svým směrem orientaci obou krycích plošek.
Williams v roce 1963 objevil, že když necháme takto natočenou strukturou, která se nazývá TN (Twisted Nematic), projít světlo, krystaly světlem otočí stejně, jako jsou natočeny ony samy.
Klíčová role polarizace
Pro pochopení funkce LCD je třeba si uvědomit, jak pracuje polarizační filtr. Ten je schopen pomocí velmi jemné struktury rovnoběžných vlásečnic propustit pouze světelný tok, který z původně heterogenního proudu má jednotlivé vlny orientovány rovnoběžně. Výsledek si lze představit tak, že ze světla, které bylo jednolitým proudem fotonů kmitajících všemi směry, se stane velké množství rovnoběžných světelných vrstev. Ostatní parametry, zejména barva světla vlastní polarizací ovlivněna není, citelně je však snížen jas.
Když položíme na sebe dvě polarizační skla orientovaná stejným směrem, světlo projde oběma. Pokud je ale vzájemně otočíme o 90 stupňů, světlo neprojde, neboť druhé polarizační sklo nepropustí jinak polarizovaný proud světla.
Jádrem LCD je tedy twisted nematic struktura, která je z obou stran obklopena polarizačními vrstvami orientovanými stejně, jako jsou natočeny drážkované destičky. Světlo tedy projde prvním polarizačním sklem, polarizuje se, poté prochází vrstvami tekutých krystalů, které jím otáčejí, až je nakonec stočené takovým způsobem, že projde i druhým polarizačním sklem, které je orientováno o 90 stupňů jiným směrem.
Takto se TN LCD chová pouze v případě, že je v klidovém stavu a není do něj přivedeno napětí. Pak tedy propouští světlo.
Jakmile začne tekutými krystaly protékat elektrický proud (a stačí jen velmi málo), krystalická struktura se začne orientovat ne podle vydrážkovaných vodicích vrstev, ale podle směru toku proudu. Všechna zrnka se tedy stočí jedním směrem a přestane docházet k otáčení světla. První polarizační vrstva tedy světlo polarizuje, skrz krystaly projdou paprsky nezměněny a druhá polarizační vrstva světlo definitivně zablokuje, neboť jeho polarita je o 90 stupňů odlišná.
Celá funkce LCD typu TN tedy spočívá v tom, že bez proudu je displej průhledný, zatímco při zapojení proudu světlo skrz displej neprochází. Velikostí proudu je pak možné regulovat průchod světla a dosáhnout tak u moderních displejů obvykle 256 úrovní jasu.
Vytvoření displeje
K tomu, aby bylo možné z tekutého krystalu vytvořit displej, je třeba složit velké množství takových segmentů. Pro nejjednodušší aplikace se používá takzvaný statický systém adresace. Při něm existuje pouze jediná zem a ke každému segmentu vede samostatný vodič. Druhým systémem je systém dynamický, kdy k rozsvícení příslušného segmentu dojde při správné kombinaci svrchního a spodního vodiče. Statické systémy jsou obecně jednodušší na obsluhu, bohužel však vyžadují pro každý segment (v případě matice pro každý pixel) samostatný vodič. To dost dobře nelze realizovat u jiného, než několikasegmentového displeje, u maticových displejů je takový přístup nepřijatelný. Je přirozené, že k jednotlivým segmentům displeje nemohou vést nějaké obyčejné měděné drátky, protože ty by byly na displeji dobře patrné. Proto se jako vodiče používají velmi tenké proužky z oxidů india a cínu, které jsou dostatečně průhledné.
Pasivní a aktivní displeje
Bohužel nevýhodou dynamického systému adresace je poměrně problematické přesné zaměření jednotlivých bodů v matici. Tento efekt je znatelný zejména u barevných maticových displejů typu STN (super twist nematic) nebo DSTN (double-layer super twist nematic), které svým principem pouze rozšiřují klasický typ TN, do kterého jsme pronikli před chvílí. Všechny body displeje se adresují čistě dynamickým systémem adresace, kdy stačí zvolit správný řádek i sloupec a příslušný bod displeje se rozsvítí. Obě strany displeje jsou ovládány integrovanými obvody, které se starají o to, aby byl rozsvícen pouze odpovídající bod. Problém spočívá v tom, že jednotlivé body jsou k sobě připojeny jak prostřednictvím vodičů, tak na druhé straně v integrovaných obvodech a technicky není možné přesně regulovat proud, který bude jednotlivými body (v tomto případě to už jsou přímo pixely) procházet.
Prakticky se problémy těchto tzv. „pasivních“ displejů projevují nepříliš čistým obrazem, kdy z jediného rozsvíceného bodu se rozebíhají postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky, které přesně ukazují jakým způsobem je zaměřen konkrétní pixel. Zároveň není možné dosáhnout příliš vysoké rychlosti. Doba response, tedy čas, během kterého pixel zareaguje na změnu podle dat dodávaných mu z grafické karty, se často pohybuje kolem 300 ms, což odpovídá přibližně třem snímkům za sekundu. Známým efektem je tedy stopa za kurzorem myši, stejně tak je dobře patrný efekt vycházející z malého kontrastu, tedy kurzor myši, který při rychlém pohybu začne mizet.
TFT technologie
Problémy pasivních displejů jsou z velké části vyřešeny použitím speciální technologie TFT. U takových displejů je ke každému bodu tekutého krystalu poměrně složitou metodou vytvořen jeden tranzistor. Pomocí regulační funkce tranzistoru, případně ve spolupráci s kondenzátorem je možné velmi přesně regulovat proud procházející pixelem a tedy i to, jak moc bude bod na obrazovce LCD svítit. Zároveň je tranzistor účinným oddělením a mezní napětí na hradle dovoluje přesně určit, který z pixelů bude svítit, a který nikoliv. Výsledkem jsou tedy v porovnání s klasickými pasivními displeji skvělé výsledky v kvalitě obrazu. Běžně se dosahuje kontrastního poměru až 400 : 1, doba response se často dostává až na 20 či méně milisekund (odpovídá tedy frekvenci 50 snímků za sekundu!). Obraz je čistý, bez rušivých vlivů.
Bohužel tato technologie má i své stinné stránky. Jsou dvě a úzce spolu souvisí. Základní problémem je totiž to, jakým způsobem se jednotlivé tranzistory na displeji vytvoří. Vzhledem k tomu, že běžný displej s rozlišením 1 024 x 768 bodů obsahuje více než 786 tisíc bodů pro každou ze tří základních barev, pak na celém panelu je potřeba vytvořit 2 359 296 jednotlivých tranzistorů. Samozřejmě, že lze argumentovat tím, že například procesory obsahují běžně až 10krát více tranzistorů. Musíme si ale uvědomit, že v procesorech se všechny tranzistory vyrábí najednou fotochemickou cestou na křemíkové „palačince“, která se následně rozřeže na jednotlivé čipy.
V případě LCD displeje však musíme vytvořit skoro dva a půl milionu tranzistorů poměrně daleko od sebe na ploše třeba 100 000 milimetrů čtverečních velké (18 palcové LCD).
Jedinou šancí je tedy vyrobit tranzistory odděleně. To se provádí záblesky vysokovýkonného laseru, který v místě přechodu krátkodobě vytvoří teplotu až 1 400 stupňů Celsia. To vše pak 2,5 milionkrát. Je pochopitelné, že taková výroba je dost drahá a nepříliš neúspěšná. TFT LCD panely jsou tedy nákladné a občas se u nich můžeme setkat s nefunkčními body.
Podsvícení, reflexní a kombinované systémy
Zatím jsme neřešili jednu základní otázku — jakým způsobem vznikne světlo, které pak bude TN struktura natáčet? Existují dva způsoby. Buďto můžeme využít světlo sluneční, a to tak, že pod displej nainstalujeme zrcátko, nebo můžeme podsvěcovat dalším zdrojem světla. Reflexní systémy se používají v kalkulačkách či digitálních hodinkách (tedy samozřejmě vyjma osvětlení typu Timex Indiglo, které je založeno na elektroluminescenci). Podsvícení pak mají PDA nebo notebooky.
Je přirozené, že samotné LCD panely odebírají energii. Jednak je nějaká potřeba k natáčení krystalů a v případě TFT displejů jí je velké množství nutné také k otevírání a zavírání tranzistorů. Mnohem větší množství energie však spotřebuje podsvícení, které se nejčastěji aplikuje pomocí fluorescentních výbojek na některé ze stran displeje. Pomocí světlovodivého panelu z polykarbonátu se pak rozvede světlo po celé ploše monitoru.
Existují také systémy kombinující oba dva způsoby, ty jsou například v PDA Compaq iPaq nebo Palm m505. Displej je pak snadno čitelný na přímém slunci (reflexe) a ve tmě není problémem si přisvítit (podsvícení).
Závěrem
LCD je technologie, která je momentálně téměř na vrcholu. LCD jsou používána prakticky všude a monitory založené na tekutých krystalech se začínají stále častěji objevovat i na stolech u počítačů. K tomu samozřejmě přispívá současné obrovské snižování cen těchto produktů.
