Teknologi Layar Kristal Cair (Bagian 1)

Teknologi Layar Kristal Cair (LCD), dengan persyaratan fabrikasi perangkat yang relatif lebih rendah dan efektivitas biaya yang tinggi, terus mendominasi pasar utama penjualan panel layar. LCD adalah layar tipe pasif, dengan perangkat yang terdiri dari dua modul utama: panel kristal cair dan modul lampu latar. Modul lampu latar memancarkan sumber cahaya putih, yang kemudian dimodulasi untuk warna dan kecerahan pada setiap piksel oleh panel kristal cair, yang pada akhirnya menampilkan gambar berwarna yang bergerak.

Modul lampu latar terdiri dari manik-manik LED dan film optik. Sumber cahaya titik dari LED disebarkan dan dihomogenkan oleh film optik untuk membentuk sumber cahaya permukaan seragam yang menerangi panel kristal cair. Sumber cahaya putih merupakan campuran dari tiga warna primer: merah, hijau, dan biru. Setelah melewati panel kristal cair, warna dan kecerahan tertentu terbentuk melalui aksi gabungan sakelar kristal cair yang sesuai dengan setiap sel sub-piksel. Satu panel 4K utuh, yang terdiri dari sekitar 24,88 juta sel sub-piksel, membentuk satu bingkai.

Struktur panel kristal cair ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Selain substrat kaca yang membawa berbagai film fungsional, lapisan-lapisan dari bawah ke atas adalah: polarisator bawah, rangkaian penggerak Transistor Film Tipis (TFT), lapisan kristal cair, Filter Warna (CF), dan polarisator atas.

Sesuai namanya, kristal cair adalah zat kristal dengan sifat seperti cairan, yang memiliki karakteristik aliran cairan dan sifat vektor kristal, yang memberikan karakteristik mekanik, optik, dan listrik yang unik. Seperti yang ditunjukkan pada foto berikut, panel kristal cair, melalui koordinasi antara kristal cair dan polarisator atas dan bawah, melakukan aksi pengalihan dan peredupan pada cahaya insiden dari lampu latar, menciptakan berbagai tingkat kecerahan (skala abu-abu). Dikombinasikan dengan fungsi filter warna, berbagai warna dan tingkat kecerahan dapat terbentuk.

Jadi, perubahan apa yang terjadi ketika cahaya latar masuk ke panel kristal cair?

Pertama, lapisan bawah dan atas panel kristal cair dilengkapi dengan polarisator yang berorientasi tegak lurus satu sama lain. Kemudian, area tersebut dibagi menjadi sel-sel yang tak terhitung jumlahnya sesuai dengan resolusi piksel. Setiap piksel dibagi lagi menjadi sel sub-piksel merah, hijau, dan biru. Setiap sel, dari bawah ke atas, dilengkapi dengan elektroda independen, lapisan kristal cair, dan lapisan filter warna. Polarisator atas dan bawah, bersama dengan kristal cair, membentuk "gerbang" yang mengontrol keadaan hidup/mati transmisi cahaya untuk sel tersebut, serta intensitas cahaya yang ditransmisikan. Intensitas cahaya yang berbeda yang ditransmisikan melalui tiga sel sub-piksel, setelah melewati filter warna merah, hijau, dan biru, bercampur dalam proporsi yang berbeda untuk membentuk warna dan kecerahan tampilan piksel.

Jadi, bagaimana cara kerja gerbang gabungan ini?

Cahaya latar, mirip dengan cahaya alami, adalah gelombang elektromagnetik transversal. Arah getaran partikel tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang, artinya arah getaran cahaya selalu berada di bidang xy, tegak lurus terhadap arah perambatan (sumbu z). Ketika sinar cahaya latar mengenai polarisator bawah panel kristal cair, hanya cahaya yang bergetar searah dengan kisi polarisator (arah sumbu y) yang dapat melewatinya, menjadi cahaya terpolarisasi linier yang merambat dengan arah getaran tertentu. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, ketika elektroda piksel pada substrat TFT tidak diberi energi, cahaya terpolarisasi melewati lapisan kristal cair dan lapisan CF tanpa mengubah arah getarannya, dan mencapai polarisator atas. Namun, arah kisi polarisator atas tegak lurus terhadap sumbu y (arah sumbu x). Oleh karena itu, cahaya terpolarisasi yang bergetar searah sumbu y tidak dapat melewati polarisator atas, sehingga menghasilkan keadaan gelap yang diamati dari depan layar.

Ketika elektroda rangkaian TFT diberi energi, molekul kristal cair berputar. Cahaya terpolarisasi yang keluar dari polarisator bawah memiliki arah polarisasi yang terpelintir di bawah bimbingan molekul kristal cair. Dengan pengaturan khusus untuk ketebalan kristal cair dan sudut rotasi, arah getaran cahaya terpolarisasi dapat terpelintir tepat 90°. Pada titik ini, arah getaran cahaya terpolarisasi menjadi sejajar dengan sumbu x, sejajar dengan arah kisi polarisator atas, sehingga memungkinkan cahaya tersebut melewatinya. Jika arah getaran membentuk sudut dengan arah kisi, komponen energi gelombang cahaya sepanjang arah kisi dapat melewati polarisator, dan intensitas cahaya asli akan berkurang. Dengan mengubah tegangan elektroda TFT, sudut rotasi kristal cair dapat disesuaikan, sehingga mengontrol intensitas cahaya yang ditransmisikan melalui polarisator atas.

Karakteristik Elektro-Optik Kristal Cair

Mengapa medan listrik dapat menyebabkan kristal cair berputar? Dan mengapa rotasi kristal cair mengubah arah getaran cahaya terpolarisasi?

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, molekul kristal cair memiliki struktur seperti batang dan memiliki anisotropi kristal. Mereka menunjukkan efek elektro-optik, konstanta dielektrik, dan indeks bias yang berbeda di sepanjang sumbu panjang dan pendeknya. Kita dapat memanfaatkan sifat-sifat ini untuk mengubah intensitas cahaya yang datang untuk setiap sel piksel, sehingga membentuk warna dan skala abu-abu.

Anisotropi Dielektrik Kristal Cair

--- Konstanta dielektrik (ε) molekul kristal cair berbeda di sepanjang sumbu panjang dan pendeknya. Ketika konstanta dielektrik sejajar dengan sumbu panjang lebih besar daripada konstanta dielektrik tegak lurus terhadap sumbu panjang (ε// > ε⊥), maka disebut kristal cair tipe positif dengan anisotropi dielektrik positif, yang cocok untuk penyelarasan paralel. Ketika ε// < ε⊥, maka disebut kristal cair tipe negatif dengan anisotropi dielektrik negatif, yang hanya dapat digunakan dalam penyelarasan vertikal untuk mencapai efek elektro-optik yang diinginkan. Ketika medan listrik eksternal diterapkan, arah putaran molekul kristal cair—apakah sejajar atau tegak lurus terhadap medan listrik—ditentukan oleh apakah anisotropi dielektrik positif atau negatif, yang pada gilirannya menentukan apakah cahaya ditransmisikan. Saat ini, kristal cair tipe VA yang umum digunakan dalam TFT-LCD sebagian besar termasuk tipe anisotropi dielektrik negatif. Ketika diberi energi, molekul kristal cair terpolarisasi oleh medan listrik eksternal, menyebabkan sumbu panjangnya miring ke arah tegak lurus terhadap medan. IPS umumnya menggunakan kristal cair tipe positif, sementara beberapa panel ADS Pro menggunakan kristal cair tipe negatif.

Pembiasan Ganda Kristal Cair

--- Molekul kristal cair memiliki bias ganda dan rotasi optik; indeks bias (n) berbeda di sepanjang sumbu panjang dan sumbu pendek. Indeks bias di sepanjang sumbu panjang adalah nO, dan di sepanjang sumbu pendek adalah nE.

Karena indeks biasnya berbeda, kecepatan cahaya pun berbeda. Ketika kristal cair berputar, kecepatan cahaya sepanjang sumbu panjang dan pendek berbeda, menyebabkan perbedaan fase antara sinar biasa (O) dan sinar luar biasa (E) yang keluar dibandingkan dengan keadaan datangnya, sehingga menghasilkan fenomena perlambatan fase. Ketika berkas cahaya keluar dari kristal cair, vektor cahaya O dan E bergabung kembali, menghasilkan arah getaran baru yang berputar. Melalui desain khusus panjang jalur optik dan sudut rotasi, perbedaan fase antara sinar O dan E yang keluar dapat diatur menjadi 1/2 panjang gelombang. Hal ini menyebabkan fase cahaya yang keluar berputar 90° dibandingkan dengan cahaya datang, sehingga memungkinkan cahaya tersebut melewati polarisator atas. Sudut rotasi kristal cair yang berbeda menentukan perbedaan fase yang berbeda antara sinar O dan E, sehingga mengontrol intensitas cahaya yang ditransmisikan.

Jenis-jenis Panel Kristal Cair

Berdasarkan mode rotasi kristal cair, panel LCD selanjutnya dibagi menjadi tiga jenis: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching), dan VA (Vertical Alignment). Di antara ketiganya, panel LCD tipe TN adalah yang paling awal digunakan, dengan biaya terendah. Namun, karena warna 6-bit bawaannya (gamut warna rendah) dan sudut pandang yang sangat sempit, panel ini pada dasarnya telah keluar dari pasar panel layar LCD utama. Layar LCD utama saat ini terutama menggunakan panel IPS dan VA.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar, panel layar IPS memiliki molekul kristal cair yang tersusun secara horizontal. Elektroda piksel positif dan negatif berada pada bidang horizontal yang sama pada substrat TFT. Saat tidak diberi energi, cahaya terpolarisasi yang melewati polarisator bawah melewati kristal cair tanpa perubahan arah polarisasi. Pada saat ini, arah getaran cahaya terpolarisasi tegak lurus terhadap arah kisi polarisator atas, dan cahaya tidak dapat melewatinya. Saat diberi energi, karena adanya medan listrik, molekul kristal cair berputar di dalam bidang horizontal (peralihan bidang). Karena bias ganda, cahaya terpolarisasi terurai menjadi dua sinar cahaya dengan kecepatan berbeda. Setelah keluar dari kristal cair, kedua cahaya terpolarisasi ini memiliki perbedaan fase dan bergabung kembali menjadi jenis cahaya terpolarisasi baru. Cahaya terpolarisasi ini kemudian melewati filter warna, dengan cahaya dari setiap sel sub-piksel menampilkan warna merah, hijau, dan biru. Cahaya terpolarisasi yang menembus filter warna mencapai polarisator atas. Setelah diputar oleh kristal cair ke sudut baru, cahaya dari setiap sub-piksel memiliki sudut rotasi yang berbeda. Komponen cahaya terpolarisasi yang memiliki sudut berbeda relatif terhadap kisi polarisator atas melewatinya, menghasilkan warna merah, hijau, dan biru dengan intensitas berbeda dari setiap sel sub-piksel. Ketiga warna dengan intensitas yang berbeda ini bercampur untuk membentuk piksel berwarna yang diinginkan. Warna dari 24.883.200 sel sub-piksel (3840 * 2160 * 3) bergabung untuk membentuk warna dari 8.294.400 piksel (3840 * 2160), menciptakan satu bingkai gambar resolusi 4K. Kristal cair, yang berubah dengan medan listrik pada frekuensi tertentu, terus menerus mengubah sudut getaran cahaya terpolarisasi, membentuk bingkai demi bingkai, dan akhirnya menghasilkan tampilan video.

Prinsip kerja layar VA sama dengan panel IPS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, susunan molekul kristal cair berbeda dari panel IPS. Pada layar VA, molekul kristal cair tersusun secara vertikal, dan elektroda piksel positif dan negatif didistribusikan pada bidang atas dan bawah, menciptakan medan listrik dalam arah vertikal.

Ketika tidak ada tegangan yang diberikan pada elektroda, molekul kristal cair sejajar tegak lurus terhadap substrat atas dan bawah. Cahaya terpolarisasi linier yang melewati polarisator bawah merambat sejajar dengan sumbu panjang molekul kristal cair, sehingga keadaan polarisasinya tidak berubah dan tidak dapat melewati polarisator atas. Panel yang diamati oleh mata manusia berada dalam keadaan gelap. Ketika tidak ada atau tegangan rendah yang diberikan, cahaya terpolarisasi melewati sepanjang sumbu panjang molekul kristal cair. Karena bias ganda kristal cair, cahaya terpolarisasi sepanjang sumbu panjang pada dasarnya tidak menyimpang, sehingga tidak dapat melewati polarisator atas, menghasilkan kinerja keadaan gelap yang sangat hitam, rasio kontras tinggi, dan ketajaman gambar yang sangat baik. Ketika tegangan diberikan pada elektroda, molekul kristal cair berputar di bawah pengaruh medan listrik vertikal, dengan sumbu panjangnya miring ke arah tegak lurus terhadap medan listrik. Komponen cahaya terpolarisasi linier yang masuk ke kristal cair akan mengalami perlambatan fase di dalam lapisan kristal cair. Setelah meninggalkan lapisan kristal cair, komponen cahaya terpolarisasi bergabung kembali, dan keadaan polarisasi cahaya berubah. Arah getaran cahaya terpolarisasi dari setiap sel sub-piksel akhirnya menyelesaikan putaran ke sudut yang berbeda sesuai dengan tegangan yang ditetapkan. Setelah melewati filter warna dan polarisator atas, warna sub-piksel dengan intensitas berbeda diperoleh. Warna sub-piksel merah, hijau, dan biru dengan rasio intensitas yang berbeda bercampur untuk membentuk warna piksel yang ditetapkan, akhirnya menciptakan bingkai lengkap untuk ditampilkan.