Tajemství tekutých krystalů

Historie LCD televizorů je mnohem obsáhlejší, než si většina lidí dokáže představit. Nezahrnuje totiž zdaleka jen povídání o televizní technice jako takové, ale v neposlední řadě i o dlouhotrvajícím výzkumu v oblasti biologie, chemie a fyziky. Kdyby nebylo právě těchto studií, žádný LCD displej by nejspíš nikdy nemohl vzniknout. Bijícím srdcem LCD jsou totiž tekuté krystaly.

V rámci tohoto článku se proto postupně budeme věnovat všem třem důležitým oblastem – historii poznávání tekutých krystalů, vlastnostem a principu fungování těchto krystalů a na závěr pochopitelně krátce zavítáme i do minulosti televizního vysílání.

Psal se rok 1888 a botanik Friedrich Reinitzer usilovně experimentoval s deriváty cholesterolu. Zajímal ho zvláště bod tání, změny uspořádání – a narazil na kapalné krystaly. S tímto pojmenováním ovšem přichází teprve až profesor fyziky Otto Lehmann (uznávaný expert v této oblasti), na kterého se Reinitzer následně obrátil se žádostí o konzultaci získaných poznatků. Lehmann sám ostatně už dříve problematiku vytváření mezifáze řešil a Reinitzer tak jeho závěry vlastně jen potvrdil.

Reintzerovo (či Lehmannovo) jméno je nicméně spojováno spíše právě s objevem fáze, než vlastních kapalných krystalů. V dané souvislosti se už mnohem více hovoří o trojlístku chemiků Virchow, Mettenheimer a Valentin a o jejich slavném pokusu s ponořením nervového vlákna (respektive myelinu) do vody. K jejich úžasu dala kombinace myelinu a vody vzniknout podivnému roztoku, který odkryl své tajemství až po použití polarizovaného světla. Tím bohužel ale celá záležitost skončila, neboť nikdo netušil, co přesně si s tímto objevem počít.

Naštěstí pro nás to tušila dlouhá řada následovníků Reinitzera a Lehmanna. Jedním z nich byl i George Friedel. Ten v roce 1922 přišel na to, že se molekuly tekutých krystalů orientují ve směru elektrického pole a následně zavedl jejich (dodnes používané) dělení do skupin nématické, cholesterolové a smektické. Častěji se ale pravděpodobně setkáte spíše s rozlišováním „smektické – nématické – chirálně nématické.“

Ve fázi smektické molekuly (vlivem rovnoběžného uspořádání) dávají vzniknout jakési vrstevnaté struktuře. U fáze nématické by byl začátek definice sice stejný, avšak s tím rozdílem, že tentokrát už se vrstev nedočkáme. Konečně ta chirálně nématická představuje jakousi spirálu, která vzniká z fáze nématické.

Za TN a TN+F LCD displeji stojí chirálně nématická fáze, neboť stáčí rovinu polarizace. Na podobném základu funguje vlastně i většina ostatních displejů, ačkoliv už jsou postaveny kolem poněkud jiného stylu organizace krystalů (co si budeme povídat, zrovna TN a TN+F není ještě úplně to pravé ořechové).

Nicméně zpět k historii. V rámci dalšího vyvoje F. C. Frank využil práce Carla Oseena (ten se zabýval elastickými vlastnostmi tekutých krystalů) a zakomponoval jí do své teorie kontinua, považované stále za jeden z naprostých základů této problematiky. První způsob praktického využití byl patentován roku 1933 společností Marconi Wireless Telegraph.

A co LCD televizory? K těm vedla ještě relativně dlouhá cesta. Takový plnohodnotný displej založený na tekutých krystalech se totiž na scéně objevuje až počátkem osmdesátých let. To, že tekuté krystaly mají vůbec nějaké vlastnosti potenciálně umožňující jeho konstrukci, se začalo zjišťovat v 60. letech v laboratořích RCA. Byl to Richard Williams, kdo odhalil, jak napětí způsobuje optický efekt díky elektrické a hydrodynamické nestabilitě – není proto náhodou, že tento úkaz nese jeho jméno.

Opravdové funkční displeje (technologie DMS) začal vyrábět George H. Heilmeier, pokračovatel Richarda Williamse – a v roce 1973 už byla v obchodech konečně běžně k dostání i kalkulačka.

Jak si jistě většina z vás pamatuje z hodin fyziky, látky se vesměs vyskytují ve třech skupenstvích – plynném, pevném a kapalném. Zejména v rámci studia organické chemie však narazíte i na jiné varianty. Nás budou zajímat především tzv. mesogeny. Tyto molekuly mohou mít vlastnosti pevného i kapalného skupenství současně, přičemž pak hovoříme o kapalné krystalické fázi (liquid crystaline phases).

Podstatné je, že díky právě uvedeným vlastnostem dokáží mesogeny způsobit změnu polarizace světla podle konkrétní polohy molekul. A vlastní polohu lze zase ovlivňovat použitím elektrického pole (molekuly jsou vesměs dipóly) – což je právě základem LCD technologie.

Tekuté krystaly lze tak definovat jako látky, které jsou sice tekuté, nicméně jejich optické vlastnosti odpovídají skupenství pevnému. Přibližně si je můžete představit coby jakási podlouhlá „zrnka“. Bez elektrického proudu se nacházejí ve stavu chaotického pohybu.

Abychom plně pochopili podstatu fungování (již nakousnutá interakce se světlem), musíme se ještě blíže obeznámit s pojmem lineární polarizace. Pokud světlo uvažujeme jako elektromagnetické vlnění, pak můžeme k popisu použít dvě složky – vektor magnetické indukce (B) a vektor intenzity magnetického pole (E). Oba jsou na sebe kolmé, ale obecně mají jiný směr – světlo není polarizované. Chceme-li dosáhnout toho, aby polarizované bylo, musíme zajistit, aby vektory B i E ležely na dvou kolmých přímkách. Což lze docílit například lomem.

Jelikož tekuté krystaly přesně toto světlo mohou propouštět, dá se s jejich pomocí vyrobit propustný (transmisivní), ale i reflexivní displej (kromě této dvojice existují samozřejmě ještě další typy, nicméně my si vystačíme jen se základy). Pokud by výše zmiňovaná chirálně nematická fáze nedokázala stáčet rovinu polarizace o 90 stupňů, nemohl by reflexivní displej plnit svou funkci.

Nejjednodušším přístrojem pro názornou demonstraci veškeré této teorie je obyčejná kalkukačka s reflexivním displejem. Dokud je vypnutá, nic na ní nevidíme. Vlivem stočení světlo projde, za displejem se odrazí a zamíří nazpět do oka. Teď jí zapneme a naťukáme např. číslici 5. Jelikož už víme, že elektrické pole dokáže změnit polohu molekul, dodáme jen, že stejně tak lehce změní polohu jen několika konkrétních molekul. Na těchto specifických místech pak již světlo neprochází a díky tomu se před naším zrakem vytvoří černý obraz číslice 5.

U transmisivního displeje se světlo neodráží (zadní reflexní vrstva totiž chybí – polarizér je průhledný), takže navíc musíme přidat nějaký zdroj podsvícení. Princip stáčení sice zůstává stále stejný, každopádně ale takové LCD obrazovky zabírají nesrovnatelně méně místa (což je kromě jiného i jedním z hlavních důvodů jejich popularity).

Konečně nám zbývá ještě alespoň ve stručnosti objasnit, jak vlastně dosáhneme barevného zobrazení. Pro výrobu nějakého ukázkového televizoru použijeme transmisivní displej + aplikujeme fyzikální poznatky o skládání barev. Na jejich základě do konstrukce zakomponujeme zelený, červený a modrý filtr (RGB model – každý pixel se rozdělí do tří subpixelů), kterážto kombinace nám bude procházející světlo obarvovat. Podsvícení je v tomto případě opravdovou nutností,

Televize nepatří v žádném případě mezi ty přístroje, které by byly vynalezeny jedním konkrétním člověkem v jednom konkrétní období jeho života. Vzhledem k rozsahu problematiky (vysílání i přijímání) je to pochopitelné. Zkrátka jde o dlouhý příběh, na jehož současném (ne však finálním) výsledku se postupem času podepsalo mnoho různých lidí.

Jako jednoho z prvních bych pravděpodobně měl jmenovat inženýra Nipkowa, který už čtyři roky před Reinitzerem dokázal mechanicky rozložit a následně opět složit obraz. Fotografie jeho slavného kotouče (použitého k dosažení kýženého cíle) naleznete všude možně.

Netrvalo příliš dlouho a začalo se experimentovat s přenosem obrazu prostřednictvím mnohavodičových kabelů. Myšlenka, že by bylo možné signál šířit i bezdrátově, nejspíš tehdy spadala spíše do říše sci-fi románů. Guglielmo Marconi nicméně patřil přesně k tomu typu vizionářů, jejichž hlavním životním posláním bylo posouvat hranice poznání stále kupředu. Kromě duplexní radiotelegrafie, magnetického detektoru etc. se pustil i do televize, nicméně zde už naneštěstí tak úspěšný nebyl.

Vývoj televizní techniky nutně musely ovlivnit i vynálezy všech drobností typu elektronky a fotonky, které dnes považujeme za naprostou samozřejmost (což koneckonců platí i pro televizní vysílání jako takové). Pro nás je důležitá hlavně jedna konkrétní elektronka, známá jako ikonoskop. Roku 1923 s ním byl pokusně nahrazen Nipkowův kotouč, než se zjistilo, že má ještě velké rezervy. Těch dosáhl Vladimír Zworykin za dalších šestnáct let a slavnostně veřejnosti představil vylepšený superikonoskop. Rok 1936 pak přinesl patent televizní obrazovky.

Mezi první „šťastné“ země s televizním vysíláním samozřejmě patřily USA a dále Německo + Velká Británie. Televize v nich fungovala, ale současný člověk by se na ní nepochybně dlouho dívat nechtěl. Ve formátech panoval naprostý chaos, neexistovaly žádné standardy a kvalita obrazu byla velmi nízká.

3. červenec 1928 přinesl další průlom. John Logie Baird přichází s barevnou televizí, pochopitelně mechanickou (respektive elektromechanickou). K masovějšímu rozšíření tohoto vysílání dochází během padesátých let v USA – první „barevný systém“ z dílny CBS byl schválen někdy v roce 1950, relativně rychle však došlo k jeho nahrazení systémem RCA.

Evropa si musela ještě chvíli počkat. Až za dalších sedm let se ve Francii objevuje SECAM, vylepšený americký NTSC. Bohužel však inkriminovaných vylepšení bylo dosaženo na úkor zvýšení technické složitosti. SECAM se rychle šířil v rámci tehdejšího sovětského svazu, než v roce 1967 západní Německo odpovědělo svým vlastním trumfem – systémem PAL. Netřeba dodávat, že snahy o sjednocení formátů tím opět vzaly za své.

V porovnání se současnou digitalizací byla ovšem situace jednodušší. Na černobílé televizi jste klidně mohli sledovat barevné vysílání, stejně tak obráceně. Pro každý formát tedy nebylo nutné shánět samostatný přijímač. Československo se s barevnou televizí seznámilo roku 1973.

Mezi předky moderních LCD obrazovek se řadí kupříkladu maskové obrazovky delta (tři elektronová děla), nebo In Line. Katodová paprsková trubice (princip obrazovky) byla mimochodem objevena již v roce 1897. Rozdíl mezi černobílou a barevnou verzí je v tom, že černobílá využívá jednoho elektronového paprsku, naproti tomu u barevné jsou paprsky tři.

Původní LCD displeje byly pasivní (Double Super Twisted Nematic), kdy vodivé dráhy regulovaly elektrické pole a jednotlivé řádky/sloupce pixelů byly řízeny tranzistory. Tyto displeje jsou již dávno překonány pokročilejším TFT (Thin Film Transistors) – miniaturní tranzistory v nich kontrolují už jen jeden každý obrazový bod.

Jelikož LCD televizory už dávno nejsou ničím výjimečným, jednotliví výrobci se nyní vzájemně trumfují spíše v jejich upgradování. Společně s prudkým rozmachem domácích kin docházelo k neustálému zvětšování nároků na úhlopříčku. Toshiba představila LCD televizory s LED podsvícením. Na scéně se objevují pojmy jako Full HD (špičkový a ostrý obraz). Sony oslňuje 3v1 tunerem (zahrnuje DVB-S2, DVB-T a DVB-C) pro příjem kabelového, stalitního i pozemního vysílání. A takto by se dalo ještě dlouho pokračovat.

Budoucnost LCD technologie pak může vycházet námatkou z práce Royal Philips Electronics – aneb LCD (nejen) na textilním povrchu, který prostě smotáte do ruličky podobně jako koberec. Sice to možná zní spíš jako nějaká moje fantazie, jenže pokud vystavíte směs tekutých krystalů a jistého polymeru dávkám UV záření, výsledek (krystaly „zalité“ polymerovou krycí vrstvou) skutečně bude funkční. Těžko tedy odhadnout, jak vlastně budou takové supermoderní LCD televizory za pár let vypadat.