Uppbyggnad och funktion för LC-displayer. 1
Innehållsförteckning INTRODUKTION...3 LC HISTORIK...3 EGENSKAPER FÖR FLYTANDE KRISTALLER...4 OLIKA TYPER AV DISPLAYER...4 TN Twisted Nematic...4 STN Super Twisted Nematic...5 UPPBYGGNAD AV LC-DISPLAY AV TN-TYP...5 HUR FLYTANDE KRISTALLER MANIPULERAS...6 SKILLNAD MELLAN MONOKROM DISPLAY OCH FÄRGDISPLAY...7 STYRNING AV PASSIV LC-DISPLAY...8 STYRNING AV AKTIV LC-DISPLAY...9 FÖR- OCH NACKDELAR MED LCD I JÄMFÖRELSE MED CRT...11 KÄLLHÄNVISNING...11 Bildförteckning BILD 1 FLYTANDE KRISTALLER I NEMATISKT TILLSTÅND...4 BILD 2 KRISTALLERS FUNKTION I DISPLAY, SPÄNNINGSLÖS...6 BILD 3 KRISTALLERS FUNKTION I DISPLAY, SPÄNNINGSSATT...7 BILD 4 UPPBYGGNAD AV AKTIV LCD...9 2
Introduktion Flytande kristaller, nedan även refererat till som LC liquid crystals, kommer i detta kapitel att belysas genom att historik, fysikaliska, optiska och elektriska egenskaper analyseras. Dessa inslag är viktiga för att förstå hur en LC-display fungerar. Vidare kommer uppbyggnaden och styrning av LC-displayer att analyseras. Skillnad mellan svartvita och färgdisplayer; samt aktiva och passiva displayer kommer att belysas. Flytande kristaller som informationskälla Flytande kristallers optiska egenskaper kan manipuleras genom att ansätta spänning på ett segment. Vid enkla behov formas segmentet till önskad form vid tillverkning. När man önskar visa segmentet spänningssätts det, annars hålls det spänningslöst. Denna typ av segment är vanliga för att visa ikoner på mobiltelefoner och digitala klockor. En mer avancerad variant är att kombinera flera segment för att ge önskad information, ett exempel är att forma siffror eller bokstäver med en 7- segments LC-display. För att skapa komplexa mönster och bilder krävs att segmenten formas till pixlar. Komplexiteten för att styra en sådan display är mångfalt högre än den för en enkel ikon, men funktionsprincipen för båda är densamma. LC Historik Flytande kristaller upptäcktes redan år 1888 av en Österrikisk botanist vid namn Friedrich Reinitzer. Han upptäckte att när han smälte en kolesterolliknande substans så ändrade den sina optiska egenskaper och blev allt genomskinligare ju högre temperaturen steg. När den därefter svalnade blev den blåaktig innan den tillslut kristalliserades. Det han hade observerat var de karaktäristiska egenskaperna hos en flytande kristall. Det dröjde dock ända tills början av 60-talet innan flytande kristaller fick någon större uppmärksamhet. Då påbörjades experiment för att använda dem som displayelement. I början var det svårt att framställa flytande kristaller i rumstemperatur, men intensiv forskning gjorde att man redan 1968 kunde visa upp den första enkla displayen som använde flytande kristaller. Sedan dess har tekniken bakom flytande kristaller förfinats och resultatet av forskningen har gett upphov till en uppsjö av olika typer av LC-displayer. Idag är LC-displayer den vanligaste källan för att visa grafisk information. 3
Egenskaper för flytande kristaller Det är allmänt känt att LC-displayer är känsliga för temperaturförändringar. En kall display är väldigt långsam eller helt ur funktion, en varm display skiftar färg och tappar kontrast. Det beror på att LC har ett snävt temperaturområde där deras optoelektriska egenskaper går att manipulera. En kall LC går mot sitt kristallina tillstånd och går inte att förändra. En varm LC blir helt flytande och de intermolekylära bindningarna blir så svaga att molekylerna inte längre orkar befinna sig i ordnad form. Det som utnyttjas för displayändamål är då LC har egenskaper som kännetecknar en kristall och även egenskaper som kännetecknar en vätska. När en LC är i detta tillstånd är den in sitt plastiska, nematiska, tillstånd. Enkelt uttryckt är LC i detta tillstånd en vätska med samtliga molekyler ordnade i samma riktning. Det är då möjligt att manipulera LC genom att ansätta elektrisk spänning. Bild 1 Flytande kristaller i nematiskt tillstånd Olika typer av displayer TN Twisted Nematic Den vanligaste och billigaste typen av LC-displayer är av typen TN, Twisted Nematic. Även kallat TNFE, Twisted Nematic Field Effect. Namnet Twisted Nematic syftar på att kristallerna tvingas vrida sig 90 i djupled när den är obelastad. Delnamnet Field Effect syftar på kristallernas förmåga att rikta sig vinkelrätt mot ett elektromagnetiskt fält. Det som kännetecknar en TN LC-display är att den har en bred arbetspunkt och ett linjärt arbetsområde. Ändras spänningen över ett segment lite grann så ändras ljusgenomsläppet linjärt lika mycket. Är äkta gråskala viktigt så är denna typ av display ett bra val. 4
STN Super Twisted Nematic STN displayer är i stort sett samma typ som TN displayer, med den viktiga skillnaden att de vrider sig mer än 90, närmare bestämt oftast mer än 200. Därav S:et för Super. Vridningen på över 200 gör att STN displayer skiljer sig från TN displayer genom att dess arbetsområdet är olinjärt och mycket litet. Det gör i praktiken att ett sådant segment antingen är av eller på, det finns ingen gråskala däremellan. Vill man uppnå effekten av gråskala med detta element måste man switcha segmentet på och av med hög frekvens. Det finns även andra typer, men dessa två är vanligast. Uppbyggnad av LC-display av TN-typ En LC-display består som bekant av segment, vanligen anordnade i pixlar, dessa kan manipuleras till att blockera eller släppa igenom ljus. Det är uppbyggnaden av pixelelementet och de flytande kristallernas egenskaper som gör att pixeln fungerar så. Följande fysikaliska principer styr funktionen hos ett pixelelement: Ljus kan polariseras. Flytande kristaller kan leda polariserat ljus.. Strukturen hos flytande kristaller kan modifieras genom att ansätta spänning. Det finns genomskinliga elektriska ledare. En vätska vill ta upp allt utrymme som ges. En TNFE LC-display består av två putsade, polariserade glasskivor belagda med var sitt elektriskt ledande skikt, mellan de två glasskivorna finns ett skikt av flytande kristaller. Orienteringen av glasskivorna, putsriktningen och tjockleken på LC-skiktet är avgörande för LCdisplayens funktion. När man konstruerar en LC-display används en polariserad glasskiva, vilket innebär att den bara släpper igenom ljus med en bestämd vågriktning. På insidan är glasskivan belagd med en elektriskt ledande legering, indiumtennoxid, som är någorlunda genomskinlig. Legeringen delas in i kolumner, mängden kolumner och deras bredd kommer på den färdiga displayen att bestämma pixlarnas storlek och antal. Ytskiktet på indiumtennlegeringen putsas med en duk av kornstorlek i nanometerområdet, de skåror som då bildas i legeringen överensstämmer med flytande kristallernas bredd. Putsningen görs i samma riktning som polariseringen, de kristaller som läggs närmast ytskiktet kommer att lägga sig till rätta i dessa skåror. När två likadana glasskivor är tillverkade beläggs ena glasskivan med en distansdefinierande spray, den innehåller små kulor med storleken 4-8 mikrometer, som bestämmer avståndet mellan glasskivorna. Avståndet mellan glasskivorna väljs så att lagret av flytande kristaller blir i storleksordningen en miljon molekyler tjockt. Därefter appliceras de flytande kristallerna och glasskivorna läggs ihop med en vridning av 90.(vinkeln är avsevärt större för STN displayer) 5
Hur flytande kristaller manipuleras Vridningen på 90 mellan glasskivorna som innesluter de flytande kristallerna är nödvändig för att man ska kunna manipulera ljusgenomsläppet. Flytande kristaller leder alltid polariserat ljus, om en pixel är spänningslös kommer kristallerna att ordna sig enligt skårorna i respektive glasskiva. Eftersom dessa är vridna 90 i förhållande till varandra så kommer kristallerna att successivt vridas allt längre man går från ena sidan till den andra. Ljuset från ena sidan kommer då att tillåtas att passera eftersom det följer kristallernas böjning. Bild 2 Kristallers funktion i display, spänningslös 6
När en pixel spänningssätts övervinns de svaga krafterna som låter kristallerna vrida sig, det gör att alla kristaller ordnar sig vinkelrätt mot spänningskällan, i detta fallet ytan av hela pixeln. Det gör att ljusstrålen som leds av kristallerna inte kommer att vridas de 90 som krävs för att passera genom det andra polariseringsfiltret. Ljusstrålen stoppas således vid denna och pixeln upplevs mörk. Bild 3 Kristallers funktion i display, spänningssatt Skillnad mellan monokrom display och färgdisplay En svartvit pixel består av ett segment som leder allt ljus. För pixelns ljusledande förmåga så spelar det ingen roll vilken färg det är. För att skapa en färgpixel krävs således att tre segment med olika färgfilter tillåts bygga upp en pixel, färgfiltren som används är röd, grön och blå. När färgfilter används minskas ljusgenomsläppet genom displayen, det gör att en sådan display måste vara utrustad med en genomlysningsanordning. Denna består av en eller flera dioder eller lampor vars ljus leds in på baksidan av displayen. Används inte backlight, som det också kallas, blir displayen mycket svårläst och färgerna blir distorterade. 7
Styrning av passiv LC-display Som tidigare nämnts så krävs en spänning mellan de två glasskivorna för att släcka en pixel. En liten TN LC display har vanligtvis sin arbetspunkt på ca 2.5 volt och ett arbetsområde på +-0.5 volt. Om antalet pixlar ökas blir den ledande indiumtennoxidytan smalare och det ger upphov till ett lägre elektromagnetiskt fält över LC-kristallerna. Det gör att arbetspunkten måste höjas för att bibehålla kontrasten på skärmen. I en passiv LCD adresseras en pixel åt gången, under den korta tiden som denna pixel är adresserad sätts pixelns värde. Då nästa pixel adresseras kommer föregående pixel att återgå till sitt naturliga tillstånd. Det gör att det finns en praktisk begränsning i denna teknik i hur många pixlar som kan adresseras, stora displayer gör att tiden det tar att skanna igenom alla pixlar blir väldigt lång, därför är passiva displayer bäst lämpade för små displayer. Eftersom endast en pixel åt gången adresseras, så får stora displayer problem med crosstalk, d.v.s. volttalet som är väldigt högt för stora displayer leder till en ökad elektromagnetism, det gör att närliggande pixlar affekteras av denna magnetism och kommer att anta ett annat värde än vad som var tänkt. I praktiken innebär det en försämrad kontrast och en degradering i bildkvalitén. Ett problem som STN displayer har är att de är relativt långsamma. Tiden det tar för en STN pixel att vrida sig för att ändra färg från svart till vit är ca 150-250 millisekunder, i jämförelse med en CRT-monitor som endast behöver ca 40 millisekunder så är det väldigt långsamt. Det gör att saker som rör sig snabbt över en STN-display upplevs otydlig eller eventuellt försvinner. STN-displayer har ytterligare en nackdel som bör belysas, det är att de inte har någon gråskala. Lösningen på detta problemet är oftast en kombination av två tekniker, då man vill ge intrycket av grå färg kan man antingen switcha mellan vit och svart väldigt ofta eller också kan man ordna pixlar alternerande svarta och vita på den gråa ytan. Tyvärr medför dessa tekniker att gråa färger på en STN-display oftast upplevs som om de rör på sig, det går vågor över den grå ytan. För att minska de negativa effekterna som uppträder när displaystorleken ökas är det vanligt att dela på styrningen av displayen mellan två styrchip. Det gör att man i praktiken får två displayer på samma glas. Fördelen med detta angreppssätt är att ledningslängderna minskas, det gör att crosstalk minskas tack vare att en mindre yta spänningssätts. Displayen upplevs som ljusstarkare, men i själva verket har endast kontrasten ökats. 8
Styrning av aktiv LC-display För att eliminera problemen med passiva LC-displayer utvecklades den aktiva LC-displayen. En aktiv LC-display är uppbyggd på ett annorlunda sätt än en passiv display, de flesta aktiva LC-displayer använder traditionell twisted nematic teknik med ett fundamentalt tillägg. På en aktiv display sitter även en kondensator och en transistor (alternativt en diod) på varje pixelelement, dessa är inetsade direkt på displayglaset. Det innebär att varje pixel är isolerad från övriga pixlar. Det medför att drivelektroniken är helt annorlunda för en aktiv LCD i jämförelse med en passiv. Bild 4 Uppbyggnad av aktiv LCD Det går inte längre att välja rad och kolumn för att adressera separata pixlar, istället används radledningen för att aktivera samtliga pixlar på hela raden. Där har varje transistor en egen dataledning. Genom denna ledning sätts det önskade pixelvärdet. Radledningen aktiveras genom att den har ett speciellt trigvärde, varje rad har ett unikt triggvärde. Denna lösning är billig och försäkrar att endast en rad är aktiverad åt gången. Funktionen beskrivs detaljerat nedan: 1. Önskad radledning aktiveras genom att ansätta rätt spänning på gaten, i och med detta är alla andra rader inaktiverade och således kommer inte pixlar på övriga rader att påverkas. 2. Samtidigt som radledningen väljs så appliceras önskat pixelvärde för samtliga pixlar på vald rad. Kondensatorn i respektive pixel laddas då upp till rätt gråskalevärde. Kondensatorn är dimensionerad för att hålla laddningen tills dess det är dags för en ny uppdatering 3. steg ett och två repeteras för alla rader på displayen, därefter påbörjas en ny scanning. 9
Fördelen med en aktiv LC-display är att pixeln håller sitt värde under hela uppdateringscykeln, det gör inte en passiv display. Nackdelen är att kondensatorn och transistorn, som sitter etsade på glaset, bidrar till att dämpa ljusgenomförseln från ena sidan till andra. Det gör att det krävs en starkare backlight. Metoden med att välja en hel rad åt gången gör att uppdateringsfrekvensen blir avsevärt högre för aktiva LCD än för passiva. Men den är fortfarande lite långsammare än CRT. Om displayen har 500 rader och det tar 25 mikrosekunder att ladda pixlarna på varje rad så tar en scanning 25 millisekunder. Det ger en uppdateringsfrekvens på 40Hz. Däremot flimrar inte skärmen eftersom pixlarna behåller sitt värde under hela scanperioden. Däremot kan objekt som rör sig snabbt över skärmen upplevas som att de förflyttar sig hackigt över skärmen. 10
För- och nackdelar med LCD i jämförelse med CRT Att tillverka och använda LC- displayer är mycket billigt i förhållande till CRT. De är utrymmessnåla och relativt oömma. Vilket också talar till deras fördel. Ofta är LCD ett självklart alternativ, men det finns tillfällen då CRT passar bättre. Nackdelen med LCD är framför allt deras temperaturkänslighet. De har även begränsningar i storlek, det är svårt att tillverka stora LCD. Ju större de är, desto större är risken att de drabbas av ytojämnheter. Ytojämnheter ger upphov till störningar i strukturen hos de flytande kristallerna. Det gör att uppemot 40% av alla större displayer måste kasseras 1, därav det höga marknadspriset på större LCD. Om man ser på en LC-display från sidan kan den verka inverterad och instabil. Det beror på att ljus delar sig när det träffar kristall. En del av ljuset ger sig av vinkelrätt mot infallsvinkeln. Vanligtvis ser man bara den del av ljuset som går rakt fram, således märker man inte av den andra komponenten, om man däremot tittar på LC-displayen i en vinkel då båda ljusstrålarna kan ses, kan optiska effekter uppstå. Att styra LC-displayer är ganska energisnålt, dessvärre äts ca 50% av infallande ljus upp av förluster vid polarisering, passage genom indiumtennoxiden samt ljusledningen (och därigenom delningen av ljuset) genom de flytande kristallerna 2. Det kräver en starkare backlight och sådana är mycket energikrävande. Källhänvisning www.howstuffworks.com/lcd www.eio.com http://www.wtec.org/loyola/dsply_jp/toc.htm http://www.futureelectronics.com/1033/lcddisplay/basics.asp#2 http://margo.student.utwente.nl/el/misc/lcd_faq.htm http://www.lci.kent.edu http://www.vuw.ac.nz/scps/students/tech102/lecture33/lcd.htm http://www.worldzone.net/computer/computerbasics/monitor.html 1 Ref: http://www.worldzone.net/computer/computerbasics/monitor.html stycke två. 2 Ref: http://margo.student.utwente.nl/el/misc/lcd_faq.htm kap 1.21 11