Fpd

2. FLAT PANEL DISPLAY-CONCEPTE TEHNOLOGICE Atat ecranele plate cu plasma (PDP) cat si cele cu cristale lichide (LCD) functioneza pe principiul adresarii matriceale, adica pentru aprinderea unui punct de pe ecran (pixel), se activeaza randul si coloana corespunzatoare dintr-o matrice de elemente de afisare (pixeli). Metodele de obtinere a imaginilor insa, sunt fundamental diferite, singura asemanare fiind mai sus amintita matrice tehnologica. 2.1. PLASMA PANEL DISPLAY(PDP) Principiile care stau la baza tehnologiei PDP (Plasma Display Panel) au fost demonstrate in anii ’60, mai precis în 1964, la Universitatea Illinois, de Donald Bitzer, H. Gene Slottow şi studentul Robert Willson. Primul ecran cu plasma a fost lansat pe piata in 1997, de catre Pioneer. In 1998, la Olimpiada de Iarna de la Nagano, a fost considerat cea mai buna solutie de afisaj cu diagonala mare. De atunci, tehnologia a fost inbunatatita in mod constant si acum este una din cele mai promitatoare solutii pentru televiziunea de mari dimensiuni. Incepand cu anii ’90 aproape toti producatorii de televizoare au inceput sa se implice in dezvoltarea de panouri cu plasma PDP (Plasma Display Panel). Totusi ce reprezinta plasma, a patra forma de agregare a materiei? Desi majoritatea dintre noi cred ca materia se gaseste intr-una din cele trei stari de agregare, cu care suntem obisnuiti, solida, lichida sau gazoasa, in realitate starea cea mai frecventa in care se afla materia in univers este starea de plasma- cea de a patra stare de agregare a materiei. Dupa cum stim, materia este constituita din particule foarte mici, atomii, avand dimensiunile de ordinul unei milionimi dintr-o zecime de milimetru. In jurul unui nucleu central, de dimensiuni cu multe ordine de marime mai mici decat dimensiunile atomului, se afla in miscare continua un numar mare de electroni. Este evident ca elementul central in fenomenul de producere al plasmei gazoase il reprezinta gazul. In gaze dupa cum se stie exista electroni liberi si ioni pozitivi ce plutesc liberi in spatiul lor. Aceasta este forma a treia de agregare a materiei. Daca se aplica un camp electric extern, sau orice alta forma de energie, electronii liberi sunt accelerati, iar atunci cand se ciocnesc cu atomii neutri de gaz,

smulg , pun in libertate noi electroni, formand particule incarcate electric, ioni, adica ionizeaza atomii. Electronii eliberati, deasemenea sunt accelerati de campul energetic extern si ionizeaza noi atomi, marind numarul de ioni si electroni liberi. Procesul se dezvolta in avalansa, atomii de substanta sunt repede ionizati, respectiv toti atomii neutri se transforma in ioni si electroni, concentratia ionilor fiind aproximativ egala cu concentratia electronilor. Spunem in acest caz ca materia se afla in starea de plasma complet ionizata a patra forma de agregare a materiei. In cazul in care campul energetic extern dispare, plasma se recombina in gaz neutru. Spre deosebire de celelalte transformari de stari de agregare, trecerea între starile gaz-plasma-gaz nu este brusca, este un proces continuu. In continuarea procesului, particolele incarcate negativ sunt atrase de cele incarcate pozitiv si invers. In aceasta invalmaseala, particolele se cicnesc in mod constant unele de altele, fapt ce determina excitarea atomilor de gaz, eliberandu-se fotoni de energie, lund astfel nastere lumina fluorescenta. Deci, in concluzie, plasma gazoasa = gaz în care macar o parte a atomilor si moleculelor se afla în stare ionizata. Cauzele ionizarii, deci a transformarii gazului in plasma, pot fi: temperaturi inalte, ciocnirile electronice (la descarcarile în gaze), radiaţiile electromagnetice etc. Cea mai importanta caracteristica a plasmei este proprietatea ei de a fi cvazineutra, adica în orice punct al spatiului pe care-l ocupa ea, sarcina spatiala pozitiva este compensata (sau aproape compensata) de sarcina spatiala negativa. Aceasta proprietate a plasmei este o consecinta a faptului ca, in jurul oricarei sarcini e se grupeaza particulele incarcate, dar de semn opus, astfel incat potenţialul culonian φ egal e/r. exp(- r/D), unde D este raza de ecranare Debye, care depinde de densitatea sarcinii si temperatura particulelor, iar r – distanta dintre sarcina negativa e si punctul dat din spatiu. Dacă dimensiunile liniare sunt cu mult mai mari decît D, atunci sistemul isi mentine starea cvazineutra si in acest caz gazul ionizat poate fi numit plasma. La nivel microscopic, corespunzator unor distante mai mici decat lungimea Debye, particulele de plasma nu se comporta unitar ci reactioneaza individual sub actiunea unei forte, de exemplu un camp electric. Principala caracteristica a plasmei (si diferenta fata de un gaz banal) este prezenta în amestec a sarcinilor electrice

libere. Termenul de plasma a fost introdus pentru prima data de fizicianul Irving Langmuir în 1928 pentru a descrie starea gazului ionizat dintr-un tub de descarcare (coloana pozitiva). Ulterior, termenul de plasma s-a impus pentru gazele complet ionizate. Plasma gazoasă posedă o serie de particularităţi specifice (conductibilitate electrică şi plastitate mare, interacţiuni puternice cu cimpurile electromagnetice exterioare etc.), ceea ce permite de a o considera stare deosebită (a patra stare de agregare) a substantei. Plasma se întîlneşte destul de des în condiţii naturale şi de laborator, dar de obicei feomenele plasmatice nu se petrec pe Pamant in mod natural, cu exceptia fulgerelor. In timpul descarcarilor electrice se formeaza dare subtiri de molecule de aer ionizate in procent de aproximativ 20%. Un alt fenomen plasmatic este fulgerul globular, dar despre el se stiu foarte putine lucruri. Aurora boreala este cauzata de ionizarea gazelor interstelare in contact cu paturile superioare ale atmosferei terestre, ducand la spectaculoase efecte optice dar si la interferente electromagnetice puternice. Orice flacără, explozie, fulger, comprimare şi dilatare bruscă este însoţită de gaze ionizate. Plasma apare şi la trecerea unui curent electric prin gaze (lampă cu lumină de zi, gazotron, etc.). Straturile superioare ale atmosferei terestre (ionosfera), ionizate de radiaţiile solare, deasemenea conţin Plasma. Stelele fierbinti şi unii nori interstelari, care au temperaturi inalte, sunt formate din Plasma complet ionizata. Descarcarea electrica in gaze. Strapungerea electrica a unui gaz inseamna trecerea gazului din starea de dielectic in cea de bun conducator de electricitate. Daca se aplica o tensiune electrica intre doi electrozi aflati intr-un tub cu gaz, electronii liberi prezenti in spatiul dintre electrozi sunt accelerati si pot dobandi energii suficient de inalte pentru a excita sau ioniza moleculele gazului. Aceste procese conduc

la formarea avalanselor electronice. Ionii pozitivi care rezulta din procesul de ionizare sunt accelerati spre catod si pot extrage electroni secundari din suprafata acestuia. Strapungerea gazului are loc cand sistemul se automentine, adica atunci cand fiecare electron care ajunge la anod este inlocuit, in medie, cu un electron emis de catod la bombardamentul cu ioni sau fotoni. Aceasta descriere a strapungerii gazului este valabila numai pentru valori ale produsului pd (presiune si distanta dintre electrozi) mai mici decat cativa torr-cm, conditie tipica pentru display-urile cu plasma. Tensiunea de strapungere depinde de produsul pd, de amestecul de gaze (multiplicarea electronilor in spatiul dintre electrozi depinde de sectiunea eficace de ciocnire electron-atom) si de materialul catodului (care determina nivelul emisiei secundare de electroni la impactul ionilor). Daca curentul de descarcare este limitat cu ajutorul unei rezistente din circuitul exterior, descarcarea se poate produce la un curent mic, in regim neemisiv (asa numitul regim TOWNSEND), in care distorsiunea campului electric aplicat din exterior este neglijabila.

1.Start: campul electric accelereaza electronii liberi. 2.Coliziunea: electronii liberi rapizi ionizeaza atomii de gaz. 3.Regiune ionizata = PLASMA. 4.Electronii liberi determina noi ciocniri cu alti atomi de gaz. 5.Atomii ciocniti devin excitati la un inalt nivel de energie instabil. 6.Atomii excitati recapata nivelul normal de energie prin emisie de fotoni UV. 7.Lumina ultravioleta, invizibila ochiului uman, excita suprafata de fosfor. 8. Suprafata fosforescenta emite lumina vizibila.

In acest regim, densitatea ionilor pozitivi in spatiul dintre electrozi este mult mai mare decat cea electronilor (electronii sunt mult mai mobili decat ionii). Cand curentul creste progresiv prin descresterea rezistentei exterioare, acumularea ionilor pozitivi in spatiul de descarcare produce distorsiunea campului electic. Aceasta distorsiune modifica echilibrul energetic al

electronilor si, in general, tinde sa mareasca multiplicarea si energia electronilor, ceea ce conduce la cresterea in continuare a curentului de descarcare si densitatii ionilor si micsorarea caderii de tensiune dintre electrozi. Cand intinderea sarcinii spatiale a ionilor pozitivi este de acelasi ordin de marime ca si spatiul dintre electrozi, electronii nu mai pot difuza liber si se formeaza o regiune de cvasineutralitate in zona dispre anod a descarcarii, in care electronii si ionii difuzeaza cu aceeasi viteza (difuzie ambipolara). Aceasta regiune cvasineutra este o plasma. O plasma slab ionizata reprezinta un sistem complex in care electroni, ioni pozitivi, specii excitate si fotoni interactioneaza intre ei dar si cu campul electric aplicat. Campul electric in regiunea de plasma se micsoreaza iar caderea de potential se redistribuie in regiunea dintre catod si plasma, pana cand sunt indeplinite din nou conditiile de echilibru. Acest nou regim corespunde descarcarii luminiscente si este caracterizat printr-o emisie luminoasa intensa rezultata din dezexcitarea atomilor si moleculelor, a caror excitare s-a produs prin ciocniri electronice. Descarcarea luminiscenta se produce la o tensiune mai mica decat tensiunea de strapungere, fiind dependenta de amestecul de gaze si de materialul din care este cofectionat catodul (200 V este o valoare uzuala) si este denumita, in general, tensiunea de stingere a PDP in curent continuu. Faptul ca descarcarea poate fi realizata la o tensiune mai mica decat cea de strapungere este fundamental pentru functionarea PDP, asigurand limitele tensiunii de operare in mod bistabil, ceea ce permite adresarea unei anumite celule din panou, fara a schimba starea celorlalte celule. Principiul de functionare al PDP. Un ecran (panel) cu plasma (PDP) contine doua straturi de sticla aflate la o distanta de 100-200 μm. Spatiul dintre straturile de sticla este umplut cu un gaz rar (de obicei neon si xenon) aflat la o presiune de 400-500 Torr concentrat in celule matriceale cunoscute sub numele de pixeli. Campul electric este aplicat prin intermediul unor electrozi aflati in proximitatea celulelor, depusi in benzi conductoare paralele si foarte subtiri pe suprafetele interioare ale placilor de sticla; pe placa din spate benzile sunt dispuse vertical si au rol de adresare iar pe placa din fata orizontal cu rol de scanare (scan electrod) si sustinere (sustain). Se formeaza astfel o matrice in care fiecarui pixel ii

corespunde un punct de intersectie a benzilor orizontale cu cele verticale.Rezulta ca fiecare pixel din matrice poate fi iluminat independent atunci cand la adresa respectiva se aplica un puls de tensiune deoarece acesta determina strapungerea gazului si formarea unei plasme slab ionizate care emite lumina vizibila sau ultravioleta (UV). Lumina vizibila din descarcare este folosita in diplay-urile monochrome. In display-urile color se foloseste emisia ultravioleta (UV) din descarcare. Aceasta impresioneaza depunerea de fosfor de pe suprafata interioara a celulei, cauzand emisii de lumina, a carei culoare este determinata de depunerea de fosfor (fiecare pixel este format din trei subpixeli-rosu,verde,albastru- controlabili individual in cate 256 de nivele). Rezulta ca cei trei subpixeli pot produce impreuna aprox. 17 milioane de culori diferite. Amestecurile tipice de gaze rare folosite in constructia panourilor cu plasma (PDP) color sunt neon-xenon si heliuxenon, in care fotonii UV cu lungimea de unda de 147 nm sunt emisi de catre atomii excitati de xenon. Alegerea procentajului de gaz tampon (heliu sau neon) rezulta din compromisul intre folosirea unei tensiuni joase de lucru (mai mult gaz tampon) si o emisie puternica de UV (mai mult xenon). Speciile excitate sunt create in timpul descarcarii prin ciocniri cu electronii atomilor de xenon in starea fundamentala urmata de reactiile de transfer a excitatiei. Energia necesara electronilor pentru excitarea atomilor de xenon este furnizata de campul electric intens aplicat intre electrozi. Asa cum am aratat mai sus, electrozii de adresare (Xadd-address electrod) sunt dispusi vertical intre interiorul suprafetei posterioare de sticla si o suprafata de protectie, aflata in contact direct cu plasma. Pe interiorul suprafetei frontale de sticla sunt dispusi orizontal si protejati de o suprafata dielectrica, electrozii de comanda a campului electric (Zsus-common sustain electrode si Ysus-scan sustain electrode). Straturile dielectrice sunt acoperite cu un strat protector de oxid de magneziu (MgO). Rolul filmului de oxid de magneziu (MgO) este sa protejeze stratul dielectric si sa micsoreze tensiunea de descarcare datorita coeficientului de emisie secundara mare al acestuia la bombardamentul cu ioni de neon. In unele panouri PDP geometria celulei include, pe una din suprafete, creste (nervuri) cu rol de bariera dielectrica, paralele cu electrozii spre a realiza o separare fizica a celulelor adiacente si a evita descarcari incrucisate.

In timpul functionarii, se aplica permanent o tensiune sub forma de impulsuri dreptunghiulare (tensiune de sustinere-sustain) pe electrozii linii si coloane. Amplitudinea acestei tensiuni este mai mica decat tensiunea de strapungere. Pentru a aprinde un element de celula, peste tensiunea de sustinere se aplica o tensiune suplimentara intre linia si coloana care definesc o celula: ca urmare, ia nastere o descarcare si se emit fotoni UV. Aceasta descarcare conduce la acumularea unei sarcini (sarcina de memorie) pe straturile de dielectric care apoi stabileste o tensiune opusa celei aplicate. Aceasta reducere a caderii de tensiune conduce la stingerea descarcarii. Cand se inverseaza polaritatea, tensiunea datorata sarcinii de memorie se adauga la tensiunea aplicata si celula de descarcare se aprinde din nou. Astfel se realizeaza o descarcare pulsanta in celula la fiecare semiperioada, cand pixelul este aprins. Pentru a sterge pixelul, un alt puls de tensiune este suprapus peste tensiunea de sustinere, cu o amplitudine astfel incat sarcina de memorie sa fie anulata dupa pulsul de descarcare. Frecventa pulsurilor de sustinere este de ordinal a 50 kHz iar durata unui puls tipic pentru un amestec 90%Ne-10%Xe cu distanta dintre placi de 0.1 mm la 600

Torr este de 20 nS. Starea aprinsa este astfel o succesiune de pulsuri de descarcare de 20 nS la 100 kHz. Durata pulsului poate fi puternic afectata de amestecul de gaze si de geometrie.

La televizoarele cu tub catodic CRT stralucirea (luminozitatea) este controlata prin marimea curentului fascicolului de electroni care bombardeaza luminoforul fosforescent frontal si fiecare punct de pe ecran straluceste(se aprinde) numai o singura data pe un cadru, cu o intensitate mai mare sau mai mica functie de diferenta de potential –reglabila analogicdintre catozi si grila wenhelt. Controlul intensitatii luminoase (a stralucirii) la panourile cu plasma PDP nu mai este posibil de realizat astfel, acum este facut prin controlul duratei (perioadei de timp) cat se aplica tensiunea de sustinere (sustain pulse) care corespunde de fapt cu durata mantinerii descarcarii luminoase. Deci scala de gri (intensitate luminoasa variabila) se obtine prin folosirea unei modulari ciclice de serviciu (suplimentare), adica prin modularea duratei starii aprinse, de fapt a numarului de descarcari ale subpixelului respectiv pe un cadru tv (stralucirea aparenta este media temporala a stralucirii corespunzatoare unui puls de descarcare). 2.2. LIQUID CRYSTAL DISPLAY(LCD) Tehnologia TFT-LCD (Thin Film Transistors-Liquid Crystal Display) a permis aparitia unei game largi de aplicatii care nu ar fi fost posibile cu tehnologia CRT (Cathode Ray Tube). Ecranele cu cristale lichide LCD, inventate in anul 1960 de RCA-Radio Corporation of America, sunt subtiri si plate ceea ce le face ideale pentru aplicatii mobile. In plus, functioneaza cu tensiuni de alimentare mult mai mici si disipa putina caldura. Initial ecranele cu cristale lichide LCD au fost folosite la calculatoare portabile avand dimensiuni si rezolutii similare ecranelor cu tub catodic CRT cu diagonala de 12-14 inch. Tehnologia LCD a evoluat, iar in prezent sunt disponibile dimensiuni si rezolutii mult mai mari decat cele accesibile tehnologiei CRT. In prezent tehnologia LCD concureaza ecranele cu tub catodic CRT si in aplicatii desktop dar si in televiziune. S-au gasit solutii care au facut aceste ecrane foarte atractive: sunt foarte usoare, subtiri, economice si ce este foarte important nu emit radiatii periculoase sau deranjante pentru utilizator. Tranzistorii TFT foc posibila o rezolutie mai mare astfel incat chiar si computerele portabile pot afisa mai multa informatie decat monitoarele CRT de ultima generatie. Ecranele cu cristale lichide LCD au aparut exact in momentul cand DVD player-ele au devenit populare asa ca cele doua tehnologii s-au sustinut reciproc. Deasemenea odata cu apritia retelelor de telefonie mobila de generatia a 3-a, care permit aplicatii video, ecranele cu cristale lichide LCD au avut o noua piata. O alta aplicatie a ecranelor cu cristale lichide LCD o reprezinta domeniile in care

exista costrangeri privind spatiul ocupat. Esxte cazul domeniului aerospatial, al domeniului medical sau cel financiar. Pentru fiecare domeniu de aplicatie exista anumite caracteristici care trebuie imbunatatite. Pentru aplicatiile mobile sunt esentiale dimensiunile, greutatea si puterea. Aplicatiile TV sau monitoarele desktop urmaresc alte caracteristici cum sunt: rezolutia, adancimea culorii, contrastul sau stralucirea. Cristalele lichide au fost descoperite de botanistul austriac Fredreich Rheinizer in 1888. Ele nu se pot incadra nici in categoria lichidelor nici in cea a solidelor, sunt mezomorfe-ca exemplu se poate da balonul de sapun. La mijlocul deceniului sapte din secolul trecut s-a demosntrat ca, stimulate de un camp electric extern, cristalele lichide pot modifica proprietatile luminii care trece prin ele. Spre deosebire de ecranele cu plasma (PDP), care, asa cum am vazut au luminozitate proprie, emitand fotoni in domeniul luminii vizibile, ecranele cu cristale lichide (LCD) nu irosesc energie in acest scop. Pentru a face vizibile imaginile, acestea blocheaza selectiv lumina generata de o sursa auxiliara, ascunsa in spatele panoului (backlight). Un panou cu cristale lichide (LCD) se compune din mai multe straturi asezate ca intr-un “sandwich”: doua ecrane polarizante, doua suprafete plate de sticla cu electrozi si o solutie de molecule de cristale lichide (cristale de cyanobiphenyl). Cristalele lichide sunt asezate intre cele doua suprafete ca intr-un sandwich si sunt in contact direct cu electrozii. O propietate importanta a moleculelor nematice ce formeaza cristalele lichide este ca pot fi aliniate astfel incat sa modifice polaritatea luminii ce ar trece prin ele. Mai important, gradul in care este afectata polarizarea luminii poate fi modificat prin aplicarea unui camp electric extern. Cristale lichide nematice : Devin opace sub efectul unui câmp electric sau magnetic Nematic – structură filiformă Nematic – stare mezomorfă în care orientarea liniară a moleculelor determină proprietăţi anizotrope Cele mai multe cristale sunt compusi organici constituiti din molecule de forma alungita, care, in mod natural se aranjeaza apropape paralel. Este posibil sa se controleze cu precizie alinierea acestor molecule prin aranjarea cristalelor lichide pe o suprafata cu santuri fine. Alinierea cristalelor urmeaza orientare santurilor, deci daca acestea sunt perfect paralele, atunci si axelele moleculelor vor fi paralele. Primul principiu constructiv folosit in panel-urile cu cristale lichide (LCD) este constituit de prinderea cristalelor lichide intre doua suprafete cu santuri foarte fine, unde santurile de pe o suprafata sunt perpendiculare pe

santurile de pe cealalta suprafata. Daca molecule de pe o suprafata sunt aliniate nord-sud, iar cele de pe cealalta suprafata sunt aliniate est-vest, atunci axele moleculelor aflate intre cele 2 suprafete vor fi aliniate rotit cu pana la 90 de grade fata de un plan, cu atat mai mult cu cat sunt mai aproape de cealalta suprafata. Lumina ce trece prin aceste cristale urmeaza alinierea moleculelor, deci la iesirea prin a doua suprafata va fi polarizata cu 90 de grade. Totusi, atunci cand asupra cristalelor lichide se aplica o tensiune, moleculele se rearanjeaza vertical, permitand astfel luminii sa treaca fara a fi polarizata. Al doilea principiu constructiv al unui monitor cu cristale lichide (LCD) este dat de filtrul de polarizare astfel obtinut si de proprietatile luminii. Lumina naturala, ca de altfel orice sursa de lumina artificiala are proprietati atat de unda cat si de particule (fotoni). Caracteristica de unda este data de oscilatiile perpendiculare pe directia de propagare (vector de oscilatie), in toate planurile : stanga-dreapta, sus-jos si in toate pozitiile intermediare, asfel incat, pe sectiune, vectorii de oscilatie ocupa toate diametrele posibile ale unui cerc. Spre deosebire de lumina emisa direct de o sursa, lumina polarizata se caracterizeaza prin oscilatia undelor luminoase intr-un singur plan. Lumina nepolarizata s-ar putea asemui cu un cilindru, pe cand cea polarizata cu o lama. Lumina incidenta, nepolarizata, care cade pe un filtru de polarizare, va trece partial, si anume doar "razele" care oscileaza dupa un vector paralel cu orientarea polimerilor. Celelalte, inclinate sub un unghi oarecare, alfa, vor fi atenuate dupa formula: Amplitudinea dupa filtru = amplitutinea inainte de filtru * cos(alfa). Cu un oarecare grad de aproximare, putem spune ca, teoretic, jumatate din lumina incidenta va fi blocata, cealalta jumatate trecand mai departe. Un filtru de polarizare este in principal un set de linii paralele extrem de fine. Aceste linii actioneaza ca o retea, blocand toate undele luminii mai putin cele care sunt

orientate paralel cu liniile filtrului. Un al doilea filtru de polarizare cu liniile aranjate perpendicular pe liniile primului filtru ar bloca asadar in totalitate lumina deja polarizata de primul filtru. Lumina va trece de al doilea filtru , daca liniile sale sunt perfect paralele cu primele, sau daca lumina insasi a fost polarizata astfel incat sa se potriveasca cu al doilea filtru, de aceea cheia functionarii ecranelor cu cristale lichide (LCD) este fenomenul de polarizare al luminii. Ecranele polarizante sunt amplasate in structura sandwich-ului, pe suprafetele exterioare. Polaritatea unuia din filtre este orientata orizontal, in timp ce polaritatea celuilalt filtru este orientata vertical. In situatia de repaus, adica in absenta campului electric, cristalele sunt orientate haotic in solutie, reflectand inapoi un procent foarte important din lumina incidenta pe dispozitiv. De aceea, fundalul afisajului este deschis la culoare (luminos). Cand se aplica un camp electric prin intermediul electrozilor, cristalele se orienteaza intr-un plan paralel cu liniile de camp si perpendicular pe suprafata ansamblului. Lumina ce cade pe afisaj este polarizata la un anumit unghi de primul ecran, trece de cristale si ajunge pe suprafata celui de al doilea ecran polarizant. Acesta o reflecta, dupa ce o polarizeaza cu un defazaj de 90 grade. Revenind la primul ecran, lumina este blocata in totalitate din cauza diferentei de faza existente. Astfel ca zona supusa campului electric va aparea inchisa la culoare. In acest mod se pot afisa informatii ce vor apare negru pe un fundal deschis, rezultand modul monocrom de afisare. Pentru o afisare in nuante de gri, activarea cristalelor lichide (aplicarea campului electric) este modulata. Astfel pentru ca un element de imagine sa para 50% negru (gri mediu), semnalul de activare va fi un tren de impulsuri cu un factor de umplere de ½ (deci elementul respectiv va fi activat 50% din timpul total de afisare). Numarul de nuante de gri este insa limitat in principal de timpul de raspuns al cristalelor lichide, uzual putandu-se obtine 16 nuante. Sigur, nu se obtine o blocare completa a luminii, si din aceasta cauza de obicei negrul nu este perfect. Se stie ca la un display nivelul de negru mai mic sau mai mare in raport cu restul imaginii ii confera acestuia un contrast proportional. Cu cat cristalele lasa sa treaca mai putina lumina, cu atat negrul este mai bun si implicit contrastul este mai mare. In general, la display-urile TFT LCD contrastul variaza intre 200:1 si aproximativ 400:1, un contrast considerat bun pentru aceasta categorie fiind 300:1. Spre

comparatie, la televizoarele clasice cu tub catodic CRT acesta incepe de la 350:1 si urca spre 700:1. In cazul in care se doreste obtinerea unei anumite culori, ficare pixel este dotat cu filtre pentru cele trei culori de baza: rosu, verde si albastru, fiecaruia se aplicandu-i-se un semnal de o anumita intensitate, astfel incat sa se obtina o transpareta mai redusa a cristalelor fata de rosu, verde respectiv albastru. In situatia in care este aplicata intensitatea maxima pentru toate cele trei componente, se obtine opacitatea pentru zona respectiva, sau, cu alte cuvinte, negrul. Pentru a putea creea nuantele necesare unui display color, trebuie sa existe nuante intermediare ale luminozitatii intre pozitia in care trece maximul si minimul de lumina. Nivelele variabile de luminozitate necesare pentru a crea un ecran cu adevarat color se obtin prin varierea tensiunii aplicate pe cristale. De fapt cristalele lichide se rasucesc cu o viteza direct proportionala cu marimea tensiunii aplicate, astfel permitand controlul luminii ce poate trece. In practica, varierea tensiunii la panourile cu cristale lichide LCD actuale poate oferi doar 64 (6 biti) de nuante per element spre deosebire de ecranele cu tub catodic CRT care pot reda 256 nuante (8 biti). Utilizand 3 elemente per pixel rezulta ca in comparatie cu un display CRT care poate reda 16.777.216 culori (24 biti). In timp ce 18 biti sunt de ajuns pentru majoritatea aplicatiilor, pentru aplicatiile de grafica sau foto acestia nu sunt de ajuns. Unii producatori de display-uri cu cristale lichide LCD au incercat sa extinda adancimea de culoare la 24 biti prin reproducerea alternativa a mai multor nuante pe cadre succesive, tehnica fiind cunoscuta sub numele de Frame Rate Control. Totusi, daca diferentele sunt prea mari devin deranjante pentru ochi. Hitachi a dezvoltat o tehnologie prin care se aplica o tensiune ce se modifica usor pe celule invecinate pe parcursul a 3-4 cadre de imagine. Astfel se pot simula aproape 256 de nuante, mai exact 253 de nuante, ceea ce se traduce in peste 16 milioane de culori, astfel obtinandu-se imagini apropiate de cele ale ecranelor cu tub catodic CRT. In cazul panourilor cu cristale lichide LCD corepondentul persistentei este timpul de raspuns definit ca fiind perioada finita necesara pentru incarcarea si descarcarea fiecarui pixel de imagine. Timpii de incarcare si timpii de descarcare pot fi, si deseori sunt, diferiti pentru un pixel si obisnuit trebuie

specificati individual. De exemplu, pentru unele ecrane active timpul de dezactivare este de doua ori mai mare decat timpul de activare. Temperatura mediului ambiant poate avea efecte dramatice asupra timpului de raspuns al unui display cu cristale lichide LCD. La zero grade Celsius, acesta poate fi de trei ori mai mare decat la temperatura camerei. Timpul de raspuns este un parametru important pentru definirea calitatii unui display cu cristale lichide LCD, parametru care vinde de fapt produsul. De aceea, producatorii au cautat noi metode pentru reducerea timpului de raspuns al monitoarelor si a preturilor acestora, dar si de masurare a acestui parametru, astfel incat sporul de performanta sa para cat mai atragator. Astfel, masuratoarea Tr-Tf (time rising, time falling) sau black-to-white-to-black a fost inlocuita pentru modelele recente de masuratoarea grey-to-grey. In general, timpul de raspuns rezultat dupa cea de-a doua metoda este cam de doua ori mai mic decat acelasi timp de raspuns calculat dupa metoda clasica, lasand impresia ca evolutia calitatii matricelor cu cristale lichide LCD a fost mult mai abrupta decat in realitate. In acest caz, nivelurile de gri intre care se face masurarea timpului de raspuns sunt adesea trecute sub tacere, iar lipsa unui standard unanim acceptat face ca timpul de raspuns sa fie un parametru total irelevant pentru performantele reale ale unui anumit display. Timpul de raspuns este, de asemenea, influentat de nivelul de contrast al display-lui, dat fiind ca viteza cu care se rasucesc cristalele este proportionala cu intensitatea campului electric care este aplicata celor doua straturi de electrozi (aceeasi care determina si contrastul). Nu in ultimul rand, pentru obtinerea unui timp de raspuns mic producatorii sacrifica din calitatea imaginii, astfel ca majoritatea panourilor care se lauda cu un timp de raspuns extrem de mic ofera o adancime a culorii de numai 6 biti per pixel, fata de 8 biti per pixel in cazul celorlalte. Compensarea spectrului de culoare se face prin dithering, o metoda care se bazeaza pe latenta retinei, intr-un mod similar cu metoda folosita la ecranele cu tub catodic CRT. Astfel, un anumit pixel va afisa alternativ, cu o anumita frecventa, doua culori adiacente, ochiul uman percepand tonurile intermediare. In functie de metodele folosite, imaginea reprodusa va fi mai mult sau mai putin fidela, dar nu va egala niciodata calitatea oferita de un display capabil de 8 biti per pixel. Un alt parametru important (de asemenea folosit intensiv in scopuri de marketing) este unghiul de vizibilitate, respectivul unghiul maxim sub care ne putem uita la televizor fara sa percepem o degradare semnificativa a calitatii imaginii. In mod normal, unghiul de vizibilitate maxim se masoara pentru o degradare a contrastului in centrul imaginii de pana la 10:1, cu toate ca, in realitate, calitatea imaginii scade dramatic chiar si in conditiile unui contrast de 100:1. Pentru a compromite si mai mult relevanta acestui parametru, unii

producatori de panouri cu cristale lichide LCD masoara unghiul de vizibilitate in conditiile unui contrast minim de 5:1, ceea ce face ca un display ieftin cu matrice TN sa para ca are unghiuri de vizibilitate mult mai largi decat in realitate. Un element comun la toate ecranele cu cristale lichide LCD este cerinta de iluminare externa, deoarece acestea nu genereaza lumina proprie, ele prelucrand doar lumina alba provenita de la lampile fluorescente plasate in spatele panoului (backlight). Obtinerea unei imagini de buna calitate este conditionata de existenta unei surse de lumina cat mai uniforma si mai alba in spatele panoului. Aceasta este construita din una sau mai multe lampi fluorescente cu catod rece, dintr-un reflector destul de complicat care asigura iluminarea uniforma a intregii suprafete a ecranului şi dintr-un element de difuzare a luminii. Deasemenea, demn de semnalat si important este si faptul ca panourile cu cristale lichide (LCD) consuma energie pentru a crea negrul (intunericul), spre deosebire de panourile cu plasma (PDP) care consuma energie pentru a creea lumina. Variantele uzuale de ecrane cu cristale lichide (LCD) se fabrica sub doua procedee tehnologice: cu matrice pasiva si cu matrice activa. Principiul de functionare descris mai sus este identic la ambele variante, deosebirea constand numai in modul de fabricare a matricei tehnologice de adresarecomanda a pixelilor. ECRANE CU CRISTALE LICHIDE LCD CU MATRICE PASIVA (Twisted Nematic-TN) (Passive Matrix-PMLCD) Un panou cu cristale lichide LCD normal, bazat pe matrice pasiva se compune dintr-un numar de straturi asezate ca intr-un “sandwich”. Primul si ultimul strat este din sticla si este acoperit cu un oxid de metalic foarte transparent (ex: oxid de indiu) astfel incat sa nu afecteze calitatea luminii. Acesta este depus pe suprafata de sticla ca o retea de coloane verticale pe sticla din spate si de siruri orizontale pe cea frontala si au rolul de a conduce curentul necesar activarii elementelor ecranului. Deasupra acestuia este aplicat un polimer care are o serie de santuri paralele pentru a alinia moleculele cristalelor lichide in directia dorita, si pentru furniza o baza pe care moleculele sa se prinda. Acesta este cunoscut ca stratul de aliniere. Mai exista inca un asemenea strat aplicat tot pe folie de sticla, dar cu canelurile perpendiculare. Intre cele 2 folii se pun distantiere, pentru a pastra o distanta uniforma intre ele. Marginile sunt lipite cu o rasina, lasandu-se o deschizatura pentru a putea introduce cristalele lichide. Dupa ce cristalele

lichide se introduc in vid, toata marginea este lipita. La primele modele de monitoare LCD, acest proces era predispus la erori, rezultand pixeli blocati sau lipsa, in locurile unde cristalele lichide nu erau introduse corespunzator. In urmatorul pas tehnologic sunt aplicate filtrele de polarizare, astfel incat sa se potriveasca cu straturile de aliniere. La panel-urile twisted nematic, orientarea straturilor de aliniere variaza intre 90 si 270 grade, in functie de rotatia cristalelor lichide dintre ele formand o trecere in forma de spirala (de unde si denumirea de „twisted”). Sunt adaugate apoi lampi fluorescente cu catod rece de-a lungul marginii superioare si inferioare a panel-ului pentru ai asigura lumina, cristalele lichide ne avand lumina proprie. Lumina de la aceste lampi este distribuita de-a lungul ecranului cu ajutorul unor trasee difuzoare de lumina, din plastic, care o disperseaza uniform asupra intregii suprafete a display-ului (desigur, acesta este cazul ideal, dar in practica se pot intalni situatii numeroase in care zonele din centru sunt mai intunecate din cauza dispersarii neuniforme a luminii) sau cu ajutorul unor prisme. Imaginea care apare pe ecran este creata de lumina ce traverseaza straturile ecranului. Fara nici o tensiune aplicata intre electrozii de pe suprafetele panel-ului, lumina din spate este polarizata vertical de filtrul de polarizare posterior, refractata de lantul de molecule din cristalele lichide astfel incat sa treaca de filtrul de polarizare orizontal frontal. Pe drumul spre panou deci, lumina trece printr-un prim filtru de polarizare si un electrod coloana transparent. Stratul de cristale lichide, care este parcurs apoi, produce, in stadiul de stand-by (fara tensiune), o rotatie a polarizarii luminii cu 90 de grade, astfel incat ea poate trece de al doilea electrod si de al doilea filtru de polarizare rotit. La aparitia unei tensiuni intre electrozii celulei display-ului, moleculele cristalului lichid reactioneaza, aliniindu-se paralel intre ele si perpendicular pe suprafata display-ului. Planul de polarizare a luminii care cade nu se mai modifica. Acest lucru are ca efect absorbirea luminii la al doilea filtru de polarizare si punctul de imagine reprezentat prin celula(pixel) apare negru. Alinierea moleculelor cristalelor urmeaza valoarea tensiunii aplicate aproape in mod linear, ceea ce inseamna ca din variatia tensiunii pot fi create si stadii intermediare, in care este absorbita o parte din lumina astfel reprezentandu-se treptele de gri. Display-urile color au inca un strat, care contine pentru fiecare celula a display-ului un filtru de culoare, intr-una din culorile de baza rosu, verde sau albastru. Astfel, trei celule pot alcatui impreuna, prin combinarea intensitati individuale ale celor trei culori primare, o culoare oarecare. Modelele cu matrice pasiva (Passive Matrix-PMLCD) activeaza un element de imagine prin adresarea matriceala directa, pe linii si coloane. Afisarea imaginii pe intregul ecran se realizeaza prin baleiere coloana cu

coloana in timp ce randul curent este activat. Aceasta tehnologie, care nu se mai foloseste in fabricatia de panouri cu cristale lichide, sufera din pricina a doua limitari foarte importante: a.din cauza cailor conductoare lungi ale electrozilor de adresare, prin intermediul carora sunt transmise semnalele de control de la marginea display-ului catre diferitele celule, tensiunea dorita, la nivelul celulei, se obtine destul de greu. Drept urmare, asemenea display-uri au nevoie de pana la 200 de milisecunde pentru a construi imaginea, inadecvat pentru multe aplicatii. Urmarea: obtinerea unor imagini „in trepte” sau puternic manjite. b.In afara de aceasta, caile conductoare ale electrozilor de adresare se influenteaza reciproc (crosstalk). Suprapunerile care apar au ca efect imagini deplasate si manjite la folosirea unui contrast puternic si, in plus, micsoreaza spatiul de culoare ce poate fi reprodus. ECRANE CU CRISTALE LICHIDE LCD CU MATRICE ACTIVA (Active Matrix-AMLCD) In cazul tehnologiei cu matrice activa (Active Matrix-AMLCD), ce este in dezvoltare cam din anii 70, controlul celulelor display-ului este integrat in panou. Fiecare celula dispune de un transistor cu efect de camp (Field Efect Transistor-FET) realizat sub tehnologie cu pelicula subtire sau straturi subtiri (Thin Film Transistor, de unde si TFT), care controleaza tensiunea aplicata electrozilor. Prin controlul local se elimina suprapunerea punctelor de imagine, iar timpul de reactie al panoului se imbunatateste considerabil. In cazul acestor panouri, fiecarui subpixel de pe ecran ii corespunde un transistor cu efect de camp (FET). Tranzistorul actioneaza ca un releu: prin matricea de electrozi –linii si coloane- se trimite un current de intensitate mica care actioneaza in poarta tranzistorului cu efect de camp iar tranzistorul amplifica curentul la o valoare necesara activarii elementului de imagine (subpixel). Avantajul matricei active consta in faptul ca la nivelul electrozilor se actioneaza cu nivele mici de curent ceea ce permite activarea si dezactivarea mai rapida a pixelilor dar si simplificarea etajelor driver. Acesti tranzistori comanda pixelii, eliminand teoretic problema efectului de ghosting si micsorand

timpul de raspuns. Rezultatul este un timp de raspuns de sub 25 de ms si rate de contrast mai mari. Tranzistorii controleaza gradul de rotatie al cristalelor si, deci, si intesitatea de rosu, verde si albastru. Un rol important in imbunatatirea performantelor ecranelor cu matrice activa (TFT LCD sau AMLCD) o au si capacitatile drena-sursa ale tranzistoarelor de comanda ce joaca rolul unor mici memorii. Televizoarele cu ecran TFT LCD pot fi fabricate mult mai subtiri decat televizoarele LCD clasice (PMLCD), facandu-le totodata mai usoare si cu rate de refresh apropiate de cele ale televizoarelor cu tub catodic CRT. Dezavantajul ecranelor TFT LCD consta tocmai in complexitatea tehnologica de fabricare a tranzistoarelor, pentru fiecare subpixel in parte, in tehnologia straturilor subtiri, in acelasi proces tehnologic de realizare propriuzisa a panoului cu cristale lichide. Pentru realizarea unui ecran SDTV sunt necesari 921,000 de tranzistori , in timp ce pentru o rezolutie nativa de 1280x1024 se folosesc 3,932,160 de tranzistori (pentru un monitor de 17 inch) si fiecare trebuie sa

fie perfect. Pentru a fi realizata matricea trebuie fabricata pe un singur wafer de siliciu si, deci, prezenta catorva impuritati va inseamna ca intreg wafer-ul nu va mai putea fi utilizat. Acest fapt duce la rate mari de pierderi in procesul de fabricatie, acesta fiind si motivul principal pentru pretul mai mare al televizoarelor TFT LCD. Este deasemenea motivul pentru care unele display-uri TFT LCD pot prezenta pixeli defecti, acolo unde tranzistorii au cedat. Exista doua tipuri de

subpixeli defecti: -cei care sunt permanent aprinsi, aparand in culori de verde, rosu, sau albastru -cei care sunt permanent stinsi, si care apar ca niste punctulete negre. Din pacate repararea tranzistorilor defecti nu se mai poate face dupa ce display-ul a fost asamblat. Este posibil sa se dezactiveze un anumit pixel luminos folosind un laser special, dar acest lucru nu face decat sa treaca subpixeli din aprinsi in stinsi . Daca am vrea sa recapitulam caracteristicile cele mai importante la un TFT acestea ar fi: bineinteles, diagonala (care este chiar cea a suprafetei vizibile, nu ca la televizoarele cu tub catodic CRT), rezolutia sa nativa, nivelul de contrast de care este capabil, timpul de raspuns la afisare, unghiul de vizibilitate, numarul de pixeli arsi si prezenta unui conector digital. In-Plane Switching (IPS) In 1995, Hitachi a facut un pas mare inainte in ceea ce priveste dependenta unghiului de vizibilitate: introducerea pe piata a asa numitelor panouri IPS a permis obtinerea de ecrane plate cu un unghi de vizibilitate de peste 60 de grade, in orice directie. Acronimul IPS provine de la In Plane Switching cristalele lichide sunt pozitionate paralel unul fata de celalalt si fata de suprafata display-ului, indiferent de modul de utilizare. In stadiul in care nu sunt alimentate, cristalele se aliniaza in unghi drept fata de filtrele de polarizare pe ambele laturi ale panoului. Prin efectul polarizator al cristalelor lichide, lumina este absorbita in panou, astfel ca punctul de imagine apare negru. Pentru reprezentarea unui punct de imagine deschis, cristalele trebuie sa fie paralele cu filtrul de polarizare (la IPS-uri, ambele filtre sunt orientate la fel). Campul electric este realizat prin doi electrozi, care se afla de aceeasi latura a panoului. Spre deosebire de tehnologia Twisted Nematic aplicata in TFT-urile „simple”, cristalele lichide din IPS-uri formeaza intotdeauna structuri omogene, fapt ce are efecte pozitive. Mai ales ca nu apare practic nici o unda de lumina orientata „gresit” in directii oblice din celulele display-ului, ceea ce duce la o reprezentare de negru plina si, implicit, la obtinerea unui contrast puternic. Dezavantajele IPS-urilor. Din pacate, tehnologia IPS prezinta si cateva dezavantaje: cei doi electrozi ai unei celule IPS stau unul langa celalalt in calea luminii de la sursa din spatele ecranului spre suprafata display-ului. In afara de aceasta, cristalele din imediata apropiere a electrozilor se aliniaza neregulat, conform campului electric, ceea ce conduce la dispersarea nedorita a luminii. O masca neagra pentru zonele neomogene poate preintampina acest lucru, insa micsoreaza si mai mult exploatarea luminii. De aceea, panourile IPS au nevoie de o sursa de lumina mai puternica in spatele ecranului decat panourile TN sau MVA, de exemplu. Un alt dezavantaj este faptul ca aparitia unui camp electric cu o forma deosebita

dureaza mai mult decat la alte tipuri de display-uri - aparatele care folosesc tehnologia IPS reactioneaza destul de incet la schimbarea de imagini. Display-urile IPS din prima generatie mai au o particularitate mai putin placuta: imaginile afisate timp mai indelungat lasa un soi de „umbra” pe ecran, ca la un monitor cu tubul invechit. Dar, spre deosebire de acestea, la ecranele plate, dupa un timp dispar aceste imagini gen „Fata Morgana”. La display-urile IPS actuale, aceasta eroare nu mai apare decat foarte rar. Tehnologia In-Plane Switching (IPS) a fost dezvolata de Hosiden si NEC si a fost una din primele schimbari care a produs imbunatatiri semnificative ale caracteristicilor de transmisie a luminii la panourile TFT LCD. Intr-un panou TFT LCD standard un capat al cristalului lichid este fixat, iar cealalta se roteste atunci cand o tensiune este aplicata, schimband astfel unghiul de polarizare al luminii. O problema a panel-urilor TN este ca alinierea moleculelor se altereaza cu cat sunt mai departe de electrod. Cu IPS , pozitia cristalelor devine orizontala si nu verticala ca in TN si tensiunea este aplicata la ambele capete ale cristalului. Acest lucru imbunateteste considerabil unghiul de vizibilitate, dar are nevoie de 2 tranzistori pentru fiecare pixel, asfel folosindu-se de doua ori mai multi tranzistori decat la un display TFT LCD cu aceeasi rezolutie nativa, fapt ce duce la marirea costurilor de fabricatie si posibilitatea de a avea mai multi pixeli defecti. Folosirea de doi tranzistori in loc de unul duce la blocarea unei suprafete si mai mari a ecranului, astfel incat trebuiesc folosite lumini de fundal mai puternice, fapt ce duce la un consum crescut de curent devenind astfel nepotrivite pentru utilizare in dispozitive mobile. Vertically-Alignment (VA). La sfarsitul lui 1996 Fujitsu a prezentat un panel TFT LCD care folosea un nou tip de cristal lichid care este in mod natural orizontal si are acelasi efect ca si ISP, dar fara a fi nevoie de tranzistori in plus. Fujitsu foloseste acest material pentru panourile sale de la mijlocul anului 1997. In sistemul Vertically-Alignment (VA), moleculele de cristale lichide sunt aliniate perpendicular pe substraturi cand nici o tensiune nu este aplicata, asfel realizandu-se o imagine neagra. Cand se aplica o tensiune moleculele se deplaseaza pe o pozitie orizontala, producand o imagine alba. Fara nici o tensiune aplicata, toate moleculele, incluzandu-le si pe cele de pe margine, sunt complet perpendiculare. In acest caz lumina polarizata traverseaza celulele fara a fi intrerupta de cristalele lichide, dar este blocata de filtrul de polarizare exterior. Din cauza ca blocajul este complet, calitatea negrului produs in acest fel este excelenta si unghiul de vizibilitate pentru el este mult inbunatatit.

Multi-domain Vertical Alignment (MVA) Ultimul racnet din domeniul display-urilor TFT vine tot de la Fujitsu. Continuand cercetarile pentru panel-urile Vertically-Alignment (VA), Fujitsu a imbunatatit aceasta tehnologie, prezentand cu un an mai tarziu tehnologia Multi-domain Vertical Alignment (MVA). In tehnologia monodomain VA moleculele de cristal lichid se inclinau uniform pentru a reproduce o nuanta intermediara de gri. Din cauza alinierii uniforme a moleculelor, luminozitatea se modifica in functie de unghiul din care era privit ecranul. Cand acest tip de panel este privit din fata, subiectul vede doar o parte din lumina ce intra in cristalele lichide. Daca o celula aflta in aceasta stare este observata din directia inclinarii, suprafata va parea intunecata. Pe de alta parte daca celulele sunt observate din directia perpendiculara pe directia inclinarii, se obtine cea mai mare valoare a luminozitatii. MVA rezolva aceasta problema prin inclinarea cristalelor in mai mult de o directie intr-o singura celula. Acest lucru se realizeaza prin impartirea celulei im mai multe regiuni numite domenii si prin folosirea unor iesituri pe suprafata sticlei pentru a inclina moleculele in directia dorita. Prin combinarea regiunilor cu molecule orientate intr-o directie cu regiuni in care moleculele sunt orientate in directii opuse , si prin realizarea acestor arii de dimensiuni foarte mici, luminozitatea panel-ului poate fi facuta sa apara uniforma din majoritatea unghiurilor din care este privit. Daca urmarim un pixel care este impartit in mai multe domenii, dintr-un anumit unghi, „erorile” subdomeniilor se anuleaza reciproc. Luminozitatea finala a pixelului se pastreaza, contrastul si reprezentarea culorii raman de asemenea constante atunci cand unghiul de vizibilitate este mare. Se pare ca este nevoie de minim 4 domenii pentru a putea distribui uniform caracteristici cum sunt contrastul, cromatica, si luminozitatea pe mai multe unghiuri de vizibilitate. Unghiul de vizibilitate pentru un MVA cu 4 domenii este mai mare de 160 de grade, atat pe verticala cat si pe orizontala. MVA reactioneaza mult mai repede decat IPS, deoarece campul electric se formeaza rapid. Ca urmare a folosirii structurilor tridimensionale ce sunt necesare pentru subimpartirea pe domenii, producerea display-urilor MVA este mai costisitoare, iar culoarea neagra nu este atat de saturata.