Wyświetlacze LCD i OLED w telewizorach

Wyświetlacze LCD różnią się rodzajem matryc ciekłokrystalicznych. W telewizorach są stosowane trzy rodzaje: VA, IPS i TN w różnych wersjach. Praktycznie w telewizorach średniej i najwyższej klasy są stosowane matryce VA i IPS. Pierwsze są produkowane przez firmy: AU Optronics, ChiMei/Innolux, Samsung, Sharp TCL, drugie przez LG i Panasonica. Dobór rodzaju matrycy zależy od serii telewizorów. Niestety, producenci telewizorów rzadko podają jej rodzaj.

Nie zagłębiając się w budowę matrycy ciekłokrystalicznej, można powiedzieć, że różnią się one budową cząsteczek ciekłokrystalicznych i ułożeniem, co wpływa na ich parametry optyczne, a w konsekwencji na jakość obrazu.

Od rodzaju użytej przez producenta matrycy LCD w dużej mierze będzie zależeć jakość obrazu, zależna od takich parametrów jak kontrast, poziom czerni, kąty widzenia i szybkość reakcji piksela (smużenie). Mniej ważne jest, jakiej firmy jest telewizor.

Porównanie parametrów obrazu matryc IPS i VA

Należy mieć świadomość, że różnice w obrazie dostrzeże wyrobione oko w odpowiednich warunkach oświetleniowych, a także aparata pomiarowa. Różnice w kontraście obrazu będą widoczne w ciemnym pomieszczeniu, w sklepie dla obu rodzajów matryc będą porównywalne. Najlepsze telewizory IPS z podświetleniem Direct LED z miejscowym wygaszaniem będą miały kontrast porównywalny z VA.

Na zakup TV z matrycą VA powinny decydować się osoby, które lubią oglądać telewizję tak jak w kinie, w mocno zaciemnionym pokoju.

W wypadku dynamicznego ruchu obiektu na ekranie jego ostrość nieostrość konturów (smużenie) jest zależne nie tylko od matrycy, ale także skuteczności działania układów eliminujących smużenie. Matryca VA charakteryzuje się mniejszym smużeniem i jest polecana lubiącym transmisje sportowe i filmy akcji.

Zdecydowane większe kąty odtwarzania obrazu bez pogorszenia jasności i barw mają matryce IPS. W praktyce oznacza to, że warto kupować taki telewizor, jeżeli oglądamy telewizję całą rodziną.

Matryca IPS w wersji S-IPS (Super In Plane Switching) zapewnia bardzo dobre odwzorowanie barw, ma ponadto największe kąty widzenia, które zapewniają oglądanie obrazu bez utraty barw i kontrastu. Równomierne podświetlenie oraz stałość kolorów na całej powierzchni matrycy w czasie to dodatkowa zaleta. Często są stosowane także w monitorach komputerowych najwyższej klasy. Matryce IPS są zalecane do oglądania w oświetlonym pokoju.

Odwzorowanie barw w dużej mierze zależy od kalibracji telewizora. Równomierność podświetlenia matrycy zależy od jasności LED i elementu (dyfuzora) rozpraszającego światło po ekranie.

Najlepsze matryce mają na powierzchni warstwę antyrefleksyjną, której zadaniem jest zmniejszenie niepożądanych odbić światła, Zapobiega ona np. oglądaniu na ekranie TV świateł lamp, odbić innych przedmiotów lub swojego własnego odbicia, jeśli siedzi się blisko ekranu.

Podświetlenie krawędziowe w telewizorach LCD

W wyświetlaczach LCD stosuje się różne rodzaje podświetlenia. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest podświetlenie diodami LED rozmieszczonymi na krawędziach matrycy (tzw. krawędziowe – Edge). Zazwyczaj jest to jedna krawędź najczęściej dolna. Światło z LED jest rozprowadzane na cały ekran specjalną cienką optyczną warstwą rozpraszającą, tzw. dyfuzorem.

Trudno uzyskać równomierne podświetlenie, obraz będzie jaśniejszy przy krawędzi podświetlającej. Ze względu na koszty produkcji diody LED nie są sortowane pod względem wytwarzanego strumienia światła, przez co różnią się jasnością. W efekcie jasność podświetlenia może być niejednakowa na całej powierzchni ekranu zjawisko to jest nazywane cloudingiem.

Podświetlenie LED umożliwiło znaczne zmniejszenie grubości samego wyświetlacza LCD, nawet poniżej 10 mm (najcieńsze mają ok. 4 mm). Zmniejszony został pobór energii przez telewizor.

Można nimi sterować na dwa sposoby:

– regulować jasnością wszystkich LED jednocześnie,

– wyłączać LEDy dynamiczne strefowo.

W droższych telewizorach stosowane jest podświetlenie krawędziowe LED ze strefowym wygaszaniem, co poprawia kontrast dynamiczny, czyli chwilową różnicę jasności między bielą a czernią w miejscach wymagających silnego podświetlenia obszarów, na których w danym momencie są wyświetlane jasne partie obrazu, przy jednoczesnym przygaszeniu podświetlenia w segmentach ekranu odpowiadających ciemniejszym obszarom danego ujęcia. Ten sposób sterowania eliminuje zjawisko halo, spowodowane przez nadmiernie rozproszone światło emitowane przez segment diod.

Podświetlenie matrycowe bezpośrednie Full LED

Najlepsze rezultaty poprawy kontrastu uzyskuje się, stosując białe diody za matrycą (tzw. direct light) lecz dodatkowa warstwa powoduje, że wyświetlacz nie jest tak cienki jak z podświetleniem krawędziowym. Panel podświetlenia tworzy klastry np. (256 bloków po 8 lub 16 diod LED), sterowane osobno. Analiza sygnału wizyjnego pod kątem intensywności (jasności) przez procesor pozwala na uzyskanie informacji o tym, które fragmenty obrazu mają być ciemniejsze, a które jaśniejsze. Dynamiczne sterowanie jasnością, nawet wygaszanie poszczególnych grup LED odpowiedzialnych za dane obszary, powoduje zwiększenie dynamicznego kontrastu. W podświetleniu LED ważny jest także ekologiczny aspekt, ponieważ diody te nie zawierają rtęci ani szkodliwych luminoforów, które zawarte są z kolei w lampach jarzeniowych. Istotną zaletą diod LED jest ponadto możliwość regulacji jasności „białych” diod w dużym zakresie, aż po zupełne ich wyłączenie, co przekłada się na oszczędność energii elektrycznej – nawet do 50 proc. w porównaniu z podświetleniem jarzeniowym.

Wydawać by się mogło, że wyświetlacze LCD mają swój rozwój techniczny zakończony. Jednak dzięki najnowszym materiałom fluorescencyjnym – kropkom kwantowym, wykorzystywanym do poprawy barw odtwarzanych przez wyświetlacz – ich obraz może konkurować z obrazem ekranów OLED.

Wyświetlacze LCD z podświetleniem z kropkami kwantowymi

W ubiegłym roku zostały wprowadzone wyświetlacze TV Ultra HD o czterokrotnie większej rozdzielczości obrazu niż Full HD. Według wymagań dla telewizji 4K obraz oprócz zwiększonej szczegółowości powinien znacznie lepiej odtwarzać barwy.

Dotychczasowe konstrukcje były w stanie odtworzyć zaledwie 35 proc. barw, jakie potrafi rozróżnić nasz wzrok. Wymagania normy Rec. 2020 zakładają odtwarzanie 75 proc. barw. Jest to możliwe dzięki najnowszej generacji materiałów fluorescencyjnych, nazywanych kropkami kwantowymi, które zostały zastosowane w wyświetlaczach LCD.

Jakość barw, jakie widzimy w rzeczywistości, jest zależna od światła, które je oświetla. Za wzorcowe przyjmuje się światło słoneczne, które zawiera barwy określone fizycznie przez zakres długości fal elektromagnetycznych od 400 (fioletu) do 700 nm (czerwieni). W rzeczywistości sztuczne źródła światła, czyli LED-y, stosowane w podświetleniu wyświetlaczy LCD nie zawierają wszystkich barw potrzebnych do wytworzenia światła białego. Za widzenie barwne w naszych oczach odpowiedzialne są czopki, a za widzenie w odcieniach szarości pręciki. Występują trzy rodzaje czopków, których czułość zależy od długości fali odpowiadającej barwie czerwonej (R), zielonej (G) i niebieskiej (B). Różny stopień pobudzenia trzech rodzajów czopków daje wypadkowe wrażenie barwy. Tę zasadę wykorzystano do tworzenia obrazu w wyświetlaczach stosowanych w telewizorach. Punkt obrazu (piksel) składa się z trzech subpikseli (RGB). Wypadkowa barwa piksela powstaje w wyniku mieszania barw składowych (tzw. addytywne mieszanie barw).

W wyświetlaczach LCD źródłem światła są LED-y wykonane z materiałów półprzewodnikowych. Właściwości ich światła są jednym z czynników decydujących o jakości barw obrazu w wyświetlaczach stosowanych w telewizorach, monitorach, smartfonach czy tabletach.

Aby urządzenia jednakowo odtwarzały barwy, opracowano normy określające zakres odtwarzanych barw tzw. gamut (trójkąt barw) w urządzeniach wideo: Rec. 709 (HDTV), Rec. 2020 (Ultra HD) i DCI-P3 (kino). Analizując wielkość trójkąta dla danej normy i jego położenie na wykresie, łatwo można zobaczyć, jakie barwy powinny być odtwarzane przez urządzenie. Krótko mówiąc, im większy jest trójkąt, tym więcej barw będzie odtwarzanych.

Przestrzeń kolorów DCI-P3 jest większa niż Rec. 709 i została opracowana przez Hollywood Studios do stosowania w projektorach kina cyfrowego. Dotychczas w telewizorach przestrzeń barw była zgodna z normą Rec. 709, opracowaną dla telewizji HDTV w 1990 r. Po przejściu przez filtry RGB barwy te pokrywają niewielki fragment przestrzeni kolorów – jedynie 35 proc. możliwości naszych oczu. Daje to spektrum barw bogate w odcienie niebieskie, żółte, pomarańczowe, znacznie mniej jest odcieni zieleni i czerwieni.

Najnowszą przestrzeń kolorów – Rec. 2020 opracowano dla telewizji 4K (Ultra HD). W celu spełnienia wymagań przestrzeni barw według normy Rec. 2020 i DCI-P3, w wyświetlaczach LCD zaczęto stosować nowy rodzaj podświetlenia zawierające kropki kwantowe wytwarzającego światło o szerszym spectrum barw.

• Kropki kwantowe – nanokryształy w podświetleniu TV premium

Na początku lat 80. XX w. po raz pierwszy otrzymano struktury nanokrystaliczne nazywane kropkami kwantowymi. Ich nazwę (quantum dots) zaproponował w 1988 r. Mark Reed z Texas Instruments w Dallas. Kropki kwantowe (QD) są półprzewodnikowymi nanokryształami o wielkości 2–10 nm i właściwościach pośrednich między półprzewodnikami i cząstkami kwantowymi. Charakteryzuje je zjawisko fluorescencji – emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę. Kropki kwantowe oświetlone światłem niebieskim mogą emitować światło widzialne dostrojone do określonej długości fali danej barwy i filtrów, przez co idealnie nadają się do stosowania w wyświetlaczach obrazu LCD. Nie wchodząc w zawiłości techniczne, kropki kwantowe stosowane w wyświetlaczach umożliwiają konwersję światła niebieskiego na światło o dowolnej długości fali, odpowiadającej konkretnej barwie. Długość fali jest zależna od wielkości kropki określonej średnicą. Na przykład kropka o średnicy 2 nm oświetlona światłem niebieskim staje się źródłem światła zielonego o długości fali 500 nm, a największa (6 nm) emituje światło czerwone o długości fali 630 nm.

Dynamicznie rozwijającym się sektorem zastosowań kropek kwantowych są wyświetlacze do telewizorów, monitorów komputerowych i urządzeń mobilnych.

Porównanie barw obrazu TV LCD bez warstwy (lewy) i z warstwą QDEF z kropkami kwantowymi (prawy). Fot. 3M

Jak jest zbudowany wyświetlacz LCD z kwantowymi kropkami?

Wyświetlacze LCD z podświetleniem LED zdominowały rynek telewizorów. Stosuje się w nich dwa rodzaje podświetlenia: tylne i krawędziowe. Różnica polega na rozmieszczeniu LED-ów: z tyłu wyświetlacza LCD lub na krawędzi ekranu. Najlepsze telewizory mają podświetlenie tylne, zawierające zestaw kilkudziesięciu białych LED. Poszczególne barwy RGB są tworzone po przejściu światła przez filtry RGB. To, jakie barwy obrazu widzimy, zależy od parametrów światła LED, barwnych filtrów RGB i panelu LCD.

W wyświetlaczach LCD kropki kwantowe znalazły zastosowanie w postaci folii Quantum Dot Enhancement Film (QDEF), opracowanej przez firmy takie jak Nanosys i 3M. Zastępuje ona warstwę dyfuzora rozpraszającego równomiernie światło LED. Matryca tylnego podświetlenia (backlight unit) zamiast białych LED-ów zawiera niebieskie LED-y, które oświetlają warstwę QDEF, zawierającą kwantowe kropki. Warstwa QDEF zawiera biliony (!) kropek emitujących czerwone i zielone światło pod wpływem niebieskiego. W wyniku mieszania się barw czerwonej (R) i zielonej (G) oraz niebieskiej (B) z LED jest tworzone białe światło.

Według producentów wyświetlaczy z kropkami kwantowymi jakość barw jest porównywalna z wyświetlaczami OLED przy mniejszych kosztach wytwarzania.

Firma Sony jako pierwsza wprowadziła na rynek w 2012 r. telewizory Ultra HD z wyświetlaczami Triluminos, zawierające podświetlenie z kropkami kwantowymi Color IQ, opracowane przez amerykańską firmę QD Vision, dzięki któremu obraz lepiej odtwarza odcienie błękitu, zieleni i czerwieni. Swoje rozwiązania podświetlenia z kropkami kwantowymi mają firmy LG i Samsung. Jednak modele z 2015 i 2016 r. nie zawierają warstwy kropek kwantowych. Kwantowe kropki rozwiązanie amerykańskiej firmy QD Vision (technika Color IQ) w swoich wyświetlaczach zaczęły stosować także chińskie firmy, takie jak TCL i Thomson, Hisense czy THTF. Pojawiły się pierwsze monitory z kropkami kwantowymi marki Philips.

Niebieskie LED emitują białe światło o szerszym zakresie barw?

Innym sposobem wytworzenia białego o poszerzonym zakresie barw jest stosowanie hybrydowych LED. Źródłem białego światła jest niebieska LED pokryta częściowo żółtym luminoforem tak, że w wyniku konwersji światła dioda emituje jednocześnie światło żółte, które miesza się z jej światłem niebieskim. Takie rozwiązanie stosuje firma Panasonic w najnowszych telewizorach Ultra HD Niebieskie LED podświetlenia pokryto specjalnym luminoforem White Color Phosfor. Emitowane białe światło zawiera znacznie szersze spektrum barw, dzięki czemu uzyskano pokrycie 90–98 proc. przestrzeni barw zgodnej z normą DCI, co jest porównywalne z kropkami kwantowymi.

LEDy zwiększające dynamikę obrazu

Technika HDR zwiększania dynamiki kolorów wymaga znacznie większej jasności, w telewizorach premium zamiast LED o jasność 300 – 400 nit, wymagana jest jasność do 1000 nit i odpowiednie sterowanie impulsowe, aby uzyskać chwilowy efekt rozjaśnienia w określonych miejsc na obrazie.

Wyświetlacz OLED – obraz doskonały

Przyszłość należeć będzie do telewizorów z matrycami OLED (Organic Light Emitted Diode). Mimo że LED w nazwie sugeruje związek z telewizorami LCD LED, działają one na innej zasadzie. Diodom LED wyrósł nowy konkurent – diody OLED, wykonywane ze związków organicznych – polimerowych półprzewodników emitujących światło. Polimery kojarzą się przede wszystkim z tworzywami sztucznymi nieprzewodzącymi prądu. Tak jak LED polimery OLED mogą przetwarzać energię elektryczną w światło dzięki zjawisku elektroluminescencji.

Struktura OLED ma budowę warstwową. Zawiera jedną lub kilka warstw o grubości ok. 400–500 nm (co odpowiada jednej setnej grubości ludzkiego włosa), napylonych na szklane lub przezroczyste elastyczne podłoże foliowe. Zasilanie diody jest doprowadzone przez anodę i katodę. Przezroczystą anodę wykonuje się ze szkła o grubości poniżej 1 mm pokrytego warstwą tlenku indowo-cynowego (ITO), katodę zaś z dobrze przewodzących metali, np. stopu magnezu i srebra. Dioda OLED jest pobudzana do świecenia napięciem z tranzystora TFT (Thin Film Transistor, technika AMOLED). Tranzystory te są nanoszone bezpośrednio na metalową katodę i znajdują się bezpośrednio pod warstwą organicznego świecącego polimeru. Tranzystor TFT przez zmianę wartości prądu płynącego przez pojedynczy subpiksel steruje jego intensywnością świecenia. Te zalety sprawiają, że sam ekran ma grubość 4 mm, jest bardzo lekki oraz pobiera znacznie mniej mocy. Aby nadać produktowi odpowiednią sprężystość i wytrzymałość, tylną obudowę wykonuje się z tworzywa sztucznego zbrojonego włóknem węglowym (używanym m.in. do produkcji samolotów i super samochodów). Warstwa OLED musi być chroniona przed działaniem tlenu i wilgoci. Wrażliwość polimerów na wilgoć i tlen to główny problem przy produkcji diod OLED i wyświetlaczy.

Najnowsze telewizory z linii 2016 realizują koncepcję Picture-On-Glass. Panel OLED ma grubość tylko 2,57 mm oraz wykonany ze szkła przeźroczysty tył obudowy. Obraz jest zgodny z wymaganiami HDR Dolby Vision, dzięki technikom Pixel Dimming czy ColorPrime Pro zapewnia pokrycie barw zgodnie ze standardem DCI-P3 w 99 proc.

Telewizory z ekranami OLED mają wiele zalet. Pierwsza to jakość obrazu, którego czerń osiąga poziom większy niż w wypadku LCD LED, a nasycenie kolorów jest wzorcowe. W telewizorach LG wykorzystano jeszcze czwarty subpiksel – biały, co ma zwiększać zakres tonalny i wierność odwzorowania kolorów.

Czas reakcji matrycy OLED jest znacznie krótszy niż w LCD. Zjawisko smużenia obrazu szybko poruszających się obiektów na ekranie jest znacznie mniejsze, ale występuje.

Kąt patrzenia na ekran może być dowolny bez pogorszenia jakości obrazu. Ekrany nie wymagają podświetlenia LED lub świetlówkowego, jak jest to w telewizorach LCD, które wiąże się z niejednorodnością światła i wpływa na jakość obrazu. Źródłem światła jest sam materiał piksela – dioda organiczna LED, a nie półprzewodnikowa, którą można nanosić na różne materiały, nawet folię przezroczystą, i tworzyć zwijane ekrany.