लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले प्रौद्योगिकी (भाग 1)

लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (एलसीडी) तकनीक, डिवाइस निर्माण की अपेक्षाकृत कम आवश्यकताओं और उच्च लागत-प्रभावशीलता के कारण, डिस्प्ले पैनल की बिक्री के मुख्य बाजार में अपना दबदबा बनाए हुए है। एलसीडी एक निष्क्रिय प्रकार का डिस्प्ले है, जिसमें दो मुख्य मॉड्यूल होते हैं: लिक्विड क्रिस्टल पैनल और बैकलाइट मॉड्यूल। बैकलाइट मॉड्यूल सफेद प्रकाश उत्सर्जित करता है, जिसे लिक्विड क्रिस्टल पैनल द्वारा प्रत्येक पिक्सेल पर रंग और चमक के लिए समायोजित किया जाता है, जिससे अंततः एक गतिशील रंगीन छवि प्रदर्शित होती है।

बैकलाइट मॉड्यूल एलईडी बीड्स और ऑप्टिकल फिल्मों से बना होता है। एलईडी से निकलने वाली बिंदु प्रकाश किरण ऑप्टिकल फिल्मों द्वारा फैलकर एकसमान हो जाती है, जिससे एक समान सतह प्रकाश बनता है जो लिक्विड क्रिस्टल पैनल को रोशन करता है। सफेद प्रकाश तीन प्राथमिक रंगों - लाल, हरा और नीला - का मिश्रण होता है। लिक्विड क्रिस्टल पैनल से गुजरने के बाद, प्रत्येक सब-पिक्सेल सेल के अनुरूप लिक्विड क्रिस्टल स्विच की संयुक्त क्रिया द्वारा विशिष्ट रंग और चमक उत्पन्न होती है। लगभग 24.88 मिलियन सब-पिक्सेल सेल से बना एक संपूर्ण 4K पैनल एक फ्रेम बनाता है।

नीचे दिए गए चित्र में लिक्विड क्रिस्टल पैनल की संरचना दिखाई गई है। विभिन्न कार्यात्मक फिल्मों को धारण करने वाले ग्लास सबस्ट्रेट्स के अतिरिक्त, नीचे से ऊपर की ओर परतें इस प्रकार हैं: निचला पोलराइज़र, थिन-फिल्म ट्रांजिस्टर (टीएफटी) ड्राइविंग सर्किट, लिक्विड क्रिस्टल परत, कलर फिल्टर (सीएफ), और ऊपरी पोलराइज़र।

जैसा कि नाम से पता चलता है, लिक्विड क्रिस्टल क्रिस्टलीय पदार्थ होते हैं जिनमें तरल जैसे गुण होते हैं। इनमें तरल पदार्थों के प्रवाह गुण और क्रिस्टलों के सदिश गुण दोनों होते हैं, जो इन्हें अद्वितीय यांत्रिक, प्रकाशीय और विद्युत गुण प्रदान करते हैं। जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है, लिक्विड क्रिस्टल पैनल, लिक्विड क्रिस्टल और ऊपरी व निचले पोलराइज़र के बीच समन्वय के माध्यम से, बैकलाइट से आने वाले आपतित प्रकाश पर स्विचिंग और डिमिंग क्रियाएं करता है, जिससे चमक के विभिन्न स्तर (ग्रेस्केल) बनते हैं। कलर फिल्टर के कार्य के साथ मिलकर, विभिन्न रंग और चमक के स्तर बनते हैं।

तो, जब बैकलाइट लिक्विड क्रिस्टल पैनल में प्रवेश करती है तो क्या परिवर्तन होते हैं?

सबसे पहले, लिक्विड क्रिस्टल पैनल की निचली और ऊपरी परतों में एक दूसरे के लंबवत दिशा में ध्रुवीकरण करने वाले उपकरण लगे होते हैं। फिर, पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन के अनुसार क्षेत्र को असंख्य कोशिकाओं में विभाजित किया जाता है। प्रत्येक पिक्सेल को लाल, हरे और नीले उप-पिक्सेल कोशिकाओं में विभाजित किया जाता है। नीचे से ऊपर तक, प्रत्येक कोशिका में एक स्वतंत्र इलेक्ट्रोड, लिक्विड क्रिस्टल परत और रंग फ़िल्टर परत लगी होती है। ऊपरी और निचली ध्रुवीकरण करने वाले उपकरण, लिक्विड क्रिस्टल के साथ मिलकर एक "द्वार" बनाते हैं जो उस कोशिका के लिए प्रकाश संचरण की चालू/बंद स्थिति और साथ ही संचारित प्रकाश की तीव्रता को नियंत्रित करता है। लाल, हरे और नीले रंग के फ़िल्टर से गुजरने के बाद, तीनों उप-पिक्सेल कोशिकाओं से गुजरने वाली विभिन्न प्रकाश तीव्रताएँ अलग-अलग अनुपात में मिलकर पिक्सेल का डिस्प्ले रंग और चमक बनाती हैं।

तो, यह संयुक्त गेट कैसे काम करता है?

प्राकृतिक प्रकाश की तरह, बैकलाइट भी एक अनुप्रस्थ विद्युत चुम्बकीय तरंग है। कणों की कंपन दिशा तरंग प्रसार की दिशा के लंबवत होती है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की कंपन दिशा हमेशा xy तल के भीतर होती है, जो प्रसार दिशा (z-अक्ष) के लंबवत होती है। जब बैकलाइट किरणें लिक्विड क्रिस्टल पैनल के निचले पोलराइज़र से टकराती हैं, तो केवल पोलराइज़र की ग्रेटिंग (y-अक्ष दिशा) के समान दिशा में कंपन करने वाला प्रकाश ही गुजर सकता है, जिससे यह एक विशिष्ट कंपन दिशा के साथ रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश में परिवर्तित हो जाता है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, जब TFT सब्सट्रेट पर पिक्सेल इलेक्ट्रोड सक्रिय नहीं होता है, तो ध्रुवीकृत प्रकाश अपनी कंपन दिशा को बदले बिना लिक्विड क्रिस्टल परत और CF परत से गुजरता है और ऊपरी पोलराइज़र तक पहुँचता है। हालांकि, ऊपरी पोलराइज़र की ग्रेटिंग दिशा y-अक्ष (x-अक्ष दिशा) के लंबवत होती है। इसलिए, y-अक्ष दिशा में कंपन करने वाला ध्रुवीकृत प्रकाश ऊपरी पोलराइज़र से नहीं गुजर सकता, जिसके परिणामस्वरूप स्क्रीन के सामने से देखने पर एक अंधकारमय स्थिति दिखाई देती है।

जब TFT सर्किट इलेक्ट्रोड को ऊर्जा दी जाती है, तो लिक्विड क्रिस्टल अणु घूमने लगते हैं। निचले पोलराइज़र से निकलने वाले ध्रुवीकृत प्रकाश की ध्रुवीकरण दिशा लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के मार्गदर्शन में मुड़ जाती है। लिक्विड क्रिस्टल की मोटाई और घूर्णन कोण की विशिष्ट सेटिंग्स के साथ, ध्रुवीकृत प्रकाश की कंपन दिशा को ठीक 90° तक मोड़ा जा सकता है। इस बिंदु पर, ध्रुवीकृत प्रकाश की कंपन दिशा x-अक्ष के समानांतर हो जाती है, जो ऊपरी पोलराइज़र की ग्रेटिंग दिशा के साथ संरेखित होती है, जिससे यह उससे होकर गुजर सकता है। यदि कंपन दिशा ग्रेटिंग दिशा के साथ एक कोण बनाती है, तो ग्रेटिंग दिशा के अनुदिश प्रकाश तरंग की ऊर्जा का घटक पोलराइज़र से होकर गुजर सकता है, और मूल प्रकाश तीव्रता क्षीण हो जाती है। TFT इलेक्ट्रोड वोल्टेज को बदलकर, लिक्विड क्रिस्टल के घूर्णन कोण को समायोजित किया जा सकता है, जिससे ऊपरी पोलराइज़र से होकर गुजरने वाले प्रकाश की तीव्रता को नियंत्रित किया जा सकता है।

तरल क्रिस्टलों की विद्युत-प्रकाशिक विशेषताएँ

विद्युत क्षेत्र तरल क्रिस्टलों को घुमाने का कारण क्यों बन सकता है? और तरल क्रिस्टल का घूर्णन ध्रुवीकृत प्रकाश की कंपन दिशा को क्यों बदल देता है?

नीचे दिए गए चित्र में दर्शाए अनुसार, तरल क्रिस्टल अणुओं की संरचना छड़ जैसी होती है और इनमें क्रिस्टलों की विषमता पाई जाती है। ये अपनी लंबी और छोटी अक्षों के अनुदिश अलग-अलग विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव, परावैद्युत स्थिरांक और अपवर्तनांक प्रदर्शित करते हैं। हम इन गुणों का उपयोग प्रत्येक पिक्सेल सेल के लिए आपतित प्रकाश की तीव्रता को परिवर्तित करने के लिए कर सकते हैं, जिससे रंग और धूसर आकृतियाँ निर्मित होती हैं।

तरल क्रिस्टलों की परावैद्युत अनिसोट्रॉपी

--- द्रव क्रिस्टल अणुओं का परावैद्युत स्थिरांक (ε) उनकी अनुदैर्ध्य और लघु अक्षों के अनुदिश भिन्न होता है। जब अनुदैर्ध्य अक्ष के समानांतर परावैद्युत स्थिरांक अनुदैर्ध्य अक्ष के लंबवत परावैद्युत स्थिरांक से अधिक होता है (ε > ε⊥), तो इसे धनात्मक परावैद्युत विषमता वाला धनात्मक द्रव क्रिस्टल कहा जाता है, जो समानांतर संरेखण के लिए उपयुक्त होता है। जब ε < ε⊥, तो इसे ऋणात्मक परावैद्युत विषमता वाला ऋणात्मक द्रव क्रिस्टल कहा जाता है, जिसका उपयोग वांछित विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव प्राप्त करने के लिए केवल ऊर्ध्वाधर संरेखण में किया जा सकता है। जब कोई बाह्य विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो द्रव क्रिस्टल अणुओं की घूर्णन दिशा—विद्युत क्षेत्र के समानांतर या लंबवत—इस बात पर निर्भर करती है कि परावैद्युत विषमता धनात्मक है या ऋणात्मक, जो बदले में यह निर्धारित करती है कि प्रकाश का संचरण होगा या नहीं। वर्तमान में, टीएफटी-एलसीडी में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले वीए-प्रकार के द्रव क्रिस्टल अधिकतर ऋणात्मक परावैद्युत विषमता वाले होते हैं। जब तरल क्रिस्टल अणुओं को ऊर्जा प्रदान की जाती है, तो वे बाह्य विद्युत क्षेत्र द्वारा ध्रुवीकृत हो जाते हैं, जिससे उनकी लंबी अक्षें क्षेत्र के लंबवत दिशा में झुक जाती हैं। आईपीएस आमतौर पर धनात्मक प्रकार के तरल क्रिस्टल का उपयोग करता है, जबकि कुछ एडीएस प्रो पैनल ऋणात्मक प्रकार के तरल क्रिस्टल का उपयोग करते हैं।

तरल क्रिस्टलों का द्विअपवर्तन

द्रव क्रिस्टल अणुओं में द्विअपवर्तन और प्रकाशीय घूर्णन होता है; अपवर्तनांक (n) अनुदैर्ध्य और लघु अक्षों के अनुदिश भिन्न होता है। अनुदैर्ध्य अक्ष के अनुदिश अपवर्तनांक nO है, और लघु अक्ष के अनुदिश अपवर्तनांक nE है।

अपवर्तनांकों में अंतर होने के कारण प्रकाश की गति भी भिन्न होती है। जब द्रव क्रिस्टल घूमते हैं, तो लंबी और छोटी अक्षों के अनुदिश प्रकाश की गति भिन्न हो जाती है, जिससे आपतित अवस्था की तुलना में निर्गत साधारण (O) और असाधारण (E) किरणों के बीच कलांतर उत्पन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप कलांतरण की घटना घटित होती है। जब प्रकाश किरण द्रव क्रिस्टल से बाहर निकलती है, तो O और E प्रकाश सदिश पुनर्संयोजित हो जाते हैं, जिससे एक नई घूर्णनशील कंपन दिशा उत्पन्न होती है। प्रकाशीय पथ की लंबाई और घूर्णन कोण के विशेष डिजाइन के माध्यम से, निर्गत O और E किरणों के बीच कलांतर को तरंगदैर्ध्य के 1/2 के बराबर सेट किया जा सकता है। इससे निर्गत प्रकाश का कलांतर आपतित प्रकाश की तुलना में 90° घूम जाता है, जिससे यह ऊपरी ध्रुवीकरण कारक से होकर गुजर सकता है। द्रव क्रिस्टल के विभिन्न घूर्णन कोण O और E किरणों के बीच विभिन्न कलांतर निर्धारित करते हैं, जिससे संचरित प्रकाश की तीव्रता को नियंत्रित किया जा सकता है।

लिक्विड क्रिस्टल पैनल के प्रकार

लिक्विड क्रिस्टल के घूर्णन मोड के आधार पर, इन्हें आगे तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है: TN (ट्विस्टेड नेमेटिक), IPS (इन-प्लेन स्विचिंग) और VA (वर्टिकल अलाइनमेंट)। इनमें से, TN प्रकार के LCD पैनल सबसे पहले उपयोग में आए और इनकी लागत सबसे कम थी। हालांकि, अपने मूल 6-बिट रंग (कम रंग सरगम) और बहुत कम देखने के कोण के कारण, ये अब मुख्यधारा के LCD डिस्प्ले पैनल बाजार से लगभग बाहर हो चुके हैं। वर्तमान में मुख्यधारा के LCD डिस्प्ले मुख्य रूप से IPS और VA पैनल का उपयोग करते हैं।

चित्र में दिखाए अनुसार, आईपीएस डिस्प्ले पैनल में लिक्विड क्रिस्टल अणु क्षैतिज रूप से व्यवस्थित होते हैं। धनात्मक और ऋणात्मक पिक्सेल इलेक्ट्रोड टीएफटी सब्सट्रेट पर एक ही क्षैतिज तल पर स्थित होते हैं। जब विद्युत क्षेत्र सक्रिय नहीं होता है, तो निचले ध्रुवीकरणकर्ता से गुजरने वाला ध्रुवीकृत प्रकाश ध्रुवीकरण दिशा में परिवर्तन के बिना लिक्विड क्रिस्टल से होकर गुजरता है। इस समय, ध्रुवीकृत प्रकाश की कंपन दिशा ऊपरी ध्रुवीकरणकर्ता की ग्रेटिंग दिशा के लंबवत होती है, और प्रकाश इससे होकर नहीं गुजर सकता। विद्युत क्षेत्र सक्रिय होने पर, लिक्विड क्रिस्टल अणु क्षैतिज तल के भीतर घूर्णन करते हैं (इन-प्लेन स्विचिंग)। द्विअपवर्तन के कारण, ध्रुवीकृत प्रकाश दो अलग-अलग गति वाली प्रकाश किरणों में विभाजित हो जाता है। लिक्विड क्रिस्टल से बाहर निकलने पर, इन दोनों ध्रुवीकृत प्रकाशों में एक चरण अंतर होता है और वे एक नए प्रकार के ध्रुवीकृत प्रकाश में पुनर्संयोजित हो जाते हैं। यह ध्रुवीकृत प्रकाश फिर रंग फिल्टर से होकर गुजरता है, जिसमें प्रत्येक उप-पिक्सेल सेल से निकलने वाला प्रकाश लाल, हरा और नीला रंग प्रदर्शित करता है। रंग फिल्टर को भेदने वाला ध्रुवीकृत प्रकाश ऊपरी ध्रुवीकरणकर्ता तक पहुँचता है। लिक्विड क्रिस्टल द्वारा नए कोण पर घुमाए जाने के कारण, प्रत्येक सब-पिक्सेल से निकलने वाले प्रकाश का घूर्णन कोण भिन्न होता है। ध्रुवीकृत प्रकाश के वे घटक जिनका ऊपरी पोलराइज़र की ग्रेटिंग के सापेक्ष कोण भिन्न होता है, उससे होकर गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रत्येक सब-पिक्सेल सेल से अलग-अलग तीव्रता के लाल, हरे और नीले रंग उत्पन्न होते हैं। ये तीन अलग-अलग तीव्रता वाले रंग मिलकर वांछित रंग का पिक्सेल बनाते हैं। 24,883,200 सब-पिक्सेल सेलों (3840 * 2160 * 3) के रंग मिलकर 8,294,400 पिक्सेल (3840 * 2160) के रंग बनाते हैं, जिससे 4K रिज़ॉल्यूशन वाली छवि का एक फ्रेम बनता है। एक विशिष्ट आवृत्ति पर विद्युत क्षेत्र के साथ बदलते हुए लिक्विड क्रिस्टल, ध्रुवीकृत प्रकाश के कंपन कोण को लगातार बदलते रहते हैं, जिससे एक के बाद एक फ्रेम बनते हैं और अंततः वीडियो डिस्प्ले प्राप्त होता है।

वीए डिस्प्ले का कार्य सिद्धांत आईपीएस पैनल के समान ही है। जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है, लिक्विड क्रिस्टल अणुओं की व्यवस्था आईपीएस पैनल से भिन्न होती है। वीए डिस्प्ले में, लिक्विड क्रिस्टल अणु लंबवत रूप से संरेखित होते हैं, और धनात्मक और ऋणात्मक पिक्सेल इलेक्ट्रोड ऊपरी और निचले तलों पर वितरित होते हैं, जिससे लंबवत दिशा में एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है।

जब इलेक्ट्रोडों पर कोई वोल्टेज नहीं लगाया जाता है, तो लिक्विड क्रिस्टल अणु ऊपरी और निचले सबस्ट्रेट्स के लंबवत संरेखित होते हैं। निचले पोलराइज़र से गुजरने वाला रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के अनुदैर्ध्य अक्ष के समानांतर फैलता है, इसलिए इसकी ध्रुवीकरण स्थिति नहीं बदलती और यह ऊपरी पोलराइज़र से नहीं गुजर सकता। मानव आँख द्वारा देखा गया पैनल अंधेरे में दिखाई देता है। जब कोई या कम वोल्टेज लगाया जाता है, तो ध्रुवीकृत प्रकाश लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के अनुदैर्ध्य अक्ष के अनुदिश गुजरता है। लिक्विड क्रिस्टल के द्विअपवर्तन के कारण, अनुदैर्ध्य अक्ष के अनुदिश ध्रुवीकृत प्रकाश मूल रूप से विचलित नहीं होता है, इस प्रकार यह ऊपरी पोलराइज़र से नहीं गुजर सकता, जिसके परिणामस्वरूप बहुत ही गहरा काला प्रदर्शन, उच्च कंट्रास्ट अनुपात और उत्कृष्ट छवि स्पष्टता प्राप्त होती है। जब इलेक्ट्रोडों पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो लिक्विड क्रिस्टल अणु ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत घूमते हैं, जिससे उनके अनुदैर्ध्य अक्ष विद्युत क्षेत्र के लंबवत दिशा में झुक जाते हैं। लिक्विड क्रिस्टल में प्रवेश करने वाले आपतित रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश के घटक लिक्विड क्रिस्टल परत के भीतर चरण मंदता का अनुभव करेंगे। लिक्विड क्रिस्टल परत से निकलने के बाद, ध्रुवीकृत प्रकाश के घटक पुनर्संयोजित होते हैं और प्रकाश की ध्रुवीकरण स्थिति बदल जाती है। प्रत्येक सब-पिक्सेल सेल से ध्रुवीकृत प्रकाश की कंपन दिशा अंततः निर्धारित वोल्टेज के अनुसार अलग-अलग कोणों पर घूमती है। कलर फिल्टर और ऊपरी पोलराइज़र से गुजरने के बाद, अलग-अलग तीव्रता वाले सब-पिक्सेल रंग प्राप्त होते हैं। अलग-अलग तीव्रता अनुपात वाले लाल, हरे और नीले सब-पिक्सेल रंग मिलकर निर्धारित पिक्सेल रंग बनाते हैं, जिससे अंततः डिस्प्ले के लिए एक पूर्ण फ्रेम तैयार होता है।