Az LCD tündöklése

Felfedezése után a folyadékkristály csaknem nyolcvan évig csipkerózsika-álmát aludta, legalábbis ami a kijelzőtechnikát illeti. Mára viszont nemcsak a képcsövet, hanem a plazmatechnológiát is teljesen kiszorította, a többi tiszavirág életű technológiáról nem is beszélve. Gyakorlatilag a TFT-LCD, azaz a vékonyréteg-tranzisztorokkal vezérelt pixeles folyadékkristályos kijelző csaknem egyeduralkodóvá vált… 

A fentieket illik kiegészíteni azzal, hogy néhány speciális területen azért más technológiák is tartják magukat (pl. vezérlőtermi vagy kültéri LED falak, vagy a vetítéstechnikában a DLP vagy az LCoS projektorok), sőt a televíziókészülékek, de még a tabletek, okostelefonok piacán is komoly konkurensként jelent meg az OLED technológia. Mi több, éppen mostanában jön ki a Dell januárban bemutatott, de csak mostanra piacképes OLED monitora – mint az első ilyen PC monitor.

Köztes „halmazállapot”

A folyadékkristályos (vagy folyékony kristályos) állapotot egy osztrák botanikus, Friedrich Reinitzer írta le először, még 1888-ban. Azt találta, hogy az általa vizsgált koleszterol-szerű szilárd szerves vegyületnek két olvadáspontja van: az elsőnél tejszerű, átlátszatlan folyadékot kapott, míg a másodiknál tisztát és átlátszót. Az előbbit nevezték el később folyadékkristályos (halmaz)állapotnak, és az ilyen állapotban leledző anyagot folyadékkristálynak. Azért kapta ezt a különös nevet, mert valójában folyékony halmazállapotú, de a molekulák elrendeződése a szilárd kristályos állapothoz áll közelebb.

Hogy milyen is ez az állapot, azt a legismertebb, ún. nematikus folyadékkristály példáján mutatjuk be:

01_LCDPhaseBizonyos szerves anyagok folyadékkristályos állapota köztes fázis a szilárd (kristályos) és a folyékony (amorf) halmazállapot között. Ez utóbbira jellemző a molekulák tejesen véletlenszerű orientációja, míg az előbbinél szigorúan kötött az elrendeződés a kristályrácsban

A nematikus folyadékkristályban a hosszúkás (fonálszerű) molekulák szabadon mozoghatnak ugyan – mint bármely folyadékban –, de hossztengelyük többé-kevésbé határozottan egy irányba mutat.

Miért alkalmas a folyadékkristály kijelzők készítésére?

Főként két fontos tulajdonsága miatt. Ha ezek nem lennének, nem létezne az LCD kijelzőtechnológia sem.

Az egyik egész egyszerűen az a „folyadéktulajdonság”, hogy a molekulák elmozdulhatnak, elfordulhatnak az anyagban (ez persze a közönséges folyadékokban is így van). A másik – meghatározó – jellemző, hogy a hosszúkás molekulák dielektromos állandója nagymértékben különbözik a hossztengely irányában és az erre merőleges irányban – ezt hívják dielektromos anizotrópiának. De mi az a dielektromos állandó? Egyszerűen szólva ez a jellemző azt mutatja meg, hogy az elektromos (elektrosztatikus) erőtér milyen mértékben hat egy adott anyagra, illetve annak atomjaira, molekuláira.

A mondottak egyenes következménye, hogy külső elektromos térrel a folyadékkristály molekuláinak iránya befolyásolható. Amennyiben a folyadékkristály dielektromos anizotrópiája pozitív – a dielektromos állandó a molekulák hossztengelyének irányában nagyobb –, akkor a molekulák hossztengelyükkel az elektromos tér irányába „tendálnak”, ellenkező esetben közelítőleg arra merőlegesen állnak be.

02_dielektromos allando

A dielektromos anizotrópia lehet pozitív (a hossztengely irányában nagyobb a dielektromos állandó), vagy fordított esetben negatív. Ez meghatározza azt az irányt, amelybe a folyadékkristály molekulái igyekeznek beállni külső elektromos tér hatására

Van tehát egy anyagunk, amelyben a molekulák elrendeződését elektromos térrel – praktikusan két elektródára kapcsolt feszültséggel – hatékonyan tudjuk befolyásolni. De hogyan használható a folyadékkristály elektro-optikai célokra, azaz a rajta áthaladó fény mennyiségének vezérlésére?

Ennek megértéséhez csupán annyit kell tudnunk, hogy a fény elektromágneses hullám (amely bizonyos körülmények között részecskeként viselkedik, de ez most nem tartozik ide), amelynek elektromos és mágneses összetevője a terjedés irányára merőleges síkban rezeg. Optikai hatása egyértelműen az elektromos rezgésnek van. A környezetünkben található legtöbb fényforrásban ezek a rezgések bármilyen irányt felvehetnek, ilyenkor beszélünk „polarizálatlan” fényről. Szerencsére vannak olyan eszközeink, amelyekkel a polarizálatlan fényből adott síkban (vagy körkörösen) rezgő polarizált fényt tudunk előállítani – ezek az ún. polarizátorok.

Ez azért fontos, mert a folyadékkristály a polarizálatlan fénnyel nemigen tud mit kezdeni, viszont a rajta áthaladó polarizált fényhullám elektromos összetevője, és így maga a polarizációs sík – ugyancsak az említett dielektromos anizotrópia miatt – igazodik a molekulák orientációjához, adott esetben „hajlandó” elcsavarodni is. Ez a jelenség felhasználható a fény áteresztésére, blokkolására, vagy a kettő közötti állapot előállítására, méghozzá a külső elektromos tér (vezérlőjel) nagyságától függően.

Tapogatózás

A XX. század kezdetétől egészen az 1960-as évekig nagyjából tíz évente jelent meg egy-egy jelentős közlemény a folyadékkristályról. A ’30-as években jutott el odáig a kutatás, hogy felismerték a vékony folyadékkristály réteg használhatóságát fényszelepként (light valve), azaz elektro-optikai átalakítóként, ami már komoly lépés volt a későbbi intenzív fejlesztés irányába – ez azonban csak a ’60-as évek közepén következett be. Többféle folyadékkristályos anyag keverésével azt a problémát is sikerült megoldani, hogy szobahőmérsékleten jöjjön létre a folyadékkristályos fázis.

Fordulópontnak mondható az ún. csavart nematikus (twisted nematic, TN) LCD cella kifejlesztése 1969-ben. A szabadalmi jogért több kutató foggal-körömmel harcolt, évekig tartó pereskedés következett. A TN folyadékkristályos kijelző a komolyabb alkalmazásokból szinte azonnal kiszorította a korábbi egyéb nematikus folyadékkristályos megoldásokat (az ún. guest-host effektust, majd a dinamikus szóródás jelenségét felhasználó cellák – ezeket pl. karórákon vagy kézi kalkulátorokon használták), köszönhetően a sokkal nagyobb kontrasztnak és hosszú távú stabilitásnak.

A következő évtizedekben azután a TN-től eltérő új LCD technológiákat is kifejlesztettek (lásd később), amelyek alapvető javulást hoztak bizonyos jellemzőkben, mint pl. a betekintési szög, a kontraszt, a színhűség. Mindazonáltal a kiforrott és folyamatosan javított TN (TN Film) technológia a mai napig tartja magát, különösen a kisebb és olcsóbb monitorok világában.

A TN LCD cella

A TN LCD cella működési elve a következő ábrán követhető nyomon:

03_LCD_cell

Feszültségmentes állapotban a TN folyadékkristály cella átereszti a beeső fény megfelelő polarizációjú összetevőjét (bal oldali kép). A cellára kapcsolt, megfelelő nagyságú feszültség hatására a folyadékkristályok függőlegesbe fordulnak – kivéve az illesztő réteg közvetlen közelében lévő molekulákat –, a polarizáció nem „csavarodik el”, a fény nem jut át a cellán (jobb oldali kép). A feszültséget csökkentve csak a fény egy része jut át – így szabályozható az áteresztett fénymennyiség (ábra: Barco)

A “kristályos” folyadék két üveglap közé van zárva, ezeket átlátszó vezető rétegek borítják, amelyek a vezérlő elektródák szerepét látják el. A vezető rétegekre felvitt polimer rétegeken egyirányú mikroméretű barázdákat alakítanak ki, az alul található réteg barázdái merőlegesek a felül lévő barázdákra. Végül alul és felül az üveg hordozóra egy-egy ún. polarizátor kerül a cellára. A barázdák fontos feladatot látnak el: a barázdált réteggel érintkező hosszú molekulák ugyanis hossztengelyükkel befordulnak (illeszkednek, igazodnak) a barázdairányba, így egy 90°-ban elcsavaródó molekula-alakzat jön létre.

A felső polarizátor által a polarizálatlan fényből átengedett lineárisan polarizált fény akadálytalanul belép a cellába úgy, hogy a polarizáció síkja párhuzamos a felső barázdákkal, azaz az LC molekulák hossztengelyével. Ha külső elektromos tér nem hat a cellára, a belépő polarizált fény elektromos komponense követi a folyadék-kristály molekuláinak elcsavarodását, és mire a fény eléri az alsó polarizátort, a polarizációs sík 90°-kal elfordul. Mivel az alsó polarizátor ugyanennyivel van elfordítva a felsőhöz képest, a fény kilép a cellából. Ez a TN LCD cella alapállapota.

Mármost mi történik, ha feszültséget kapcsolunk a cellára, és így külső elektromos erőtér hat a folyadékkristályra? Ha a feszültség elég nagy, a molekulák kibillennek elcsavart helyzetükből (kivéve a legfelső és a legalsó rétegeket), és az elektromos erőtér irányával párhuzamosan állnak be. A belépő fény polarizációs síkja így nem tud elcsavarodni, és az alsó polarizátoron (ideális esetben) nem tud átjutni. Amikor a feszültséget csökkentjük, az elcsavarodás csak részben szűnik meg, a fény egy részét a cella átereszti. Ily módon a feszültség változtatásával tudjuk vezérelni az áteresztett fény mennyiségét. Megjegyzendő, hogy a fény kis hányada a gyakorlatban még a cella teljesen lezárt állapotában is átjut, ami a kontrasztarányt behatárolja.

A TFT-LCD mátrix

Mindeddig a TN folyadékkristály cella működési elvéről beszéltünk. Ha ezekből pixeles felépítésű TN LCD kijelzőpanelt akarunk építeni, akkor azt a fenti cellákból kell „összerakni”, és gondoskodni kell az így kialakított pixelmátrix egyes pixeleinek vezérléséről külön-külön – ezt nevezzük a pixelek „címzésének”. (Az LCD panel sok minden mást is magába foglal – háttérvilágítás, diffúzor réteg, színszűrő réteg stb. – erről egy másik alkalommal írunk.)

A címzés közelebbről azt jelenti, hogy az ún. sor- és oszlopelektródákon keresztül, amelyek a pixeleket közrefogják, egy-egy pixelre egy adott időpontban az éppen szükséges nagyságú feszültséget kell kapcsolni. Kis pixelszám és statikus kép (karakterek, állókép) esetén kezdetben megfelel(t) az ún. passzív mátrix, ahol semmilyen aktív elem (dióda, tranzisztor) nem vett részt a címzésben.

Mozgókép, különösen nagyobb felbontású mozgókép esetén (sok-sok pixel és gyorsan változó képtartalom) más a helyzet. Hosszas kísérletezés után erre a feladatra az ún. TFT (thin film transistor), magyarul vékonyréteg-tranzisztoros aktív mátrix technika bizonyult a legmegfelelőbbnek. Itt minden pixelhez tartozik egy-egy vezérlő tranzisztor, egy integrált tároló kondenzátorral kiegészítve.

Lényeges, hogy ily módon az adott pixelen (és a többi pixelen is) az aktuális képelemnek megfelelő feszültség lesz a képfrissítésnek megfelelő teljes időtartam alatt, és így a pixel világossága megmarad a képváltásig. A TFT-LCD kijelzők, illetve képpontjai tehát „sample and hold” (szabad fordításban: „vegyél mintát és tartsd a szintjét”) elven működnek, ami teljesen eltér a katódsugárcsöves vagy a plazma-képernyők képalkotásától.

05_LCD pixel structure_Page_1

Az ábrán a TFT LCD panel néhány pixeles darabját, illetve egy pixel vázlatos geometriai elrendezését láthatjuk a TFT-vel és a sor- és oszlopelektródával

A TFT-LCD paneleken a sor- és oszlopelektródák között elhelyezkedő minden egyes pixel a folyadékkristály anyagából és a vezérlő vékonyréteg tranzisztorokból áll. Ez utóbbiak értelemszerűen elfoglalnak valamekkora területet a pixel hasznos felületéből, és nem mindegy az sem, hogy a sor- és oszlopelektródák mekkora helyet foglalnak. Az immár több évtizedes fejlesztés ezt a problémát (és sok-sok más hátrányt) minimálisra csökkentette.

TN Film, VA, IPS LCD

A TN LCD – amelyről idáig beszéltünk, és amely az első és sokáig uralkodó LCD technológia volt – legnagyobb hátránya, hogy túlzottan kicsi (volt) az a szögtartomány, amelyből nézve a fényerő, a kontraszt és a színezet elfogadható határok között állandó marad (betekintési szög – viewing angle). Ennek javítására a legtöbb TN LCD panelt csakhamar kiegészítették egy filmréteggel, ezért kapta a „TN+Film” Vagy „TN Film” nevet. A speciális filmréteg valóban megnöveli a betekintési szöget, persze nem mindig drámai mértékben, és nem minden „mellékhatás” nélkül.

Az ilyen filmrétegek egyik legismertebb készítője a ’90-es évek vége óta a Fujifilm, amelynek legújabban kihozott változata a 2015-ös Wide-View (WV) film. Ennek hatása a cég saját közleménye szerint a következő képen látható. Természetesen nem a terméket vagy a gyártót kívánjuk népszerűsíteni, célunk az ilyen filmek hatásának szemléltetése, és erre ez a kép alkalmasnak látszik, bár a javulás mértéke eltúlzottnak tűnik.

06_WV film_2

A nézési szöget javító filmréteg hatása: szemből nézve a képernyőt, természetesen nincs változás, alulról, felülről, balról, jobbról nézve viszont óriási a különbség (a panel jobb oldali  felét WV film borítja). A Fujifilm szerint egy TN LCD panel eredetileg 90 fokos nézési szögét a film 160 fokra növeli

A TN Film technológiát meghaladva időközben újabb paneltechnológiákat fejlesztettek ki a vezető gyártók, többek között a fent megnevezett kedvezőtlen tulajdonságok kiküszöbölésére. Ezek két nagy csoportba sorolhatók: A VA (Vertical alignment) alaptechnológiáját a Fujitsu dolgozta ki 1996-ban, ennek talán legnagyobb erénye a kontraszt tetemes növekedése, az első IPS (In-plane switching) panelek megjelenése pedig a Hitachi nevéhez fűződik, szintén 1996-ban. Az IPS panelek a betekintési szög megnövelésében és a színhűség javításában hoztak áttörést. Azóta e két alaptechnológiának sok változata és alváltozata született meg a nagy panelgyártók (AU Optronics, LG Display, NEC, Samsung, Sharp) műhelyében.

A VA és IPS paneltechnológiákat azonban egy másik írásunkban mutatjuk be.

Viharos fejlődés

Az LCD technológiák fejlődése egyre gyorsul, ezért a néhány évvel ezelőtti – egyébként nagyon szakszerű és hozzáértő – írásokban közölt értékelések, az egyes technológiák jellemzése, összehasonlítása sok mindenben elveszítette aktualitását, vagy egyszerűen elavult. Mind a panelgyártók, mind a monitorgyártók (de ez a televíziókra, a signage kijelzőkre stb. is vonatkozik) szinte hónapról hónapra új elektrooptikai megoldásokat és új áramköröket hoznak ki, amelyek felülírják az egyes technológiák közötti eddigi nagy különbségeket, vagy éppen radikálisan javítanak egy-egy jellemzőt egyik vagy másik technológia esetében. Mivel a fejlesztés fej-fej mellett folyik, általánosságban javulnak a paraméterek (pl. válaszidő, frissítési frekvencia, kontraszt, fényerő, betekintési szög, színvisszaadás stb.), ugyanakkor lehet, hogy maguk az előnyök vagy hátrányok nem változnak, csak talán a jelentőségük vagy mértékük csökken.

colorlove

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..