טכנולוגיית צג גביש נוזלי (חלק 1)

טכנולוגיית צג גביש נוזלי (LCD), עם הדרישות הנמוכות יחסית לייצור מכשירים וחסכוניות גבוהה, ממשיכה לשלוט בשוק המרכזי למכירות פאנלים. LCD הוא צג פסיבי, כאשר ההתקן מורכב משני מודולים עיקריים: פאנל הגביש הנוזלי ומודול התאורה האחורית. מודול התאורה האחורית פולט מקור אור לבן, אשר לאחר מכן מווסת את הצבע והבהירות בכל פיקסל על ידי פאנל הגביש הנוזלי, ובסופו של דבר מציג תמונה צבעונית נעה.

מודול התאורה האחורית מורכב מחרוזי LED וסרטים אופטיים. מקור האור הנקודתי של נורות ה-LED מפוזר ומהומן על ידי הסרטים האופטיים ליצירת מקור אור אחיד המאיר את לוח הגביש הנוזלי. מקור האור הלבן הוא תערובת של שלושת צבעי היסוד: אדום, ירוק וכחול. לאחר המעבר דרך לוח הגביש הנוזלי, נוצרים צבעים ובהירות ספציפיים באמצעות פעולה משולבת של מתגי הגביש הנוזלי המתאימים לכל תא תת-פיקסל. פאנל 4K שלם, המורכב מכ-24.88 מיליון תאי תת-פיקסל, מרכיב פריים אחד.

מבנה לוח הגביש הנוזלי מוצג באיור למטה. בנוסף למצעי הזכוכית הנושאים סרטים פונקציונליים שונים, השכבות מלמטה למעלה הן: מקטב תחתון, מעגל הנעה של טרנזיסטור סרט דק (TFT), שכבת הגביש הנוזלי, מסנן הצבע (CF) והמקטב העליון.

כפי שהשם מרמז, גבישים נוזליים הם חומרים גבישיים בעלי תכונות דמויות נוזל, בעלי מאפייני זרימה של נוזלים ותכונות וקטור של גבישים, המעניקים להם מאפיינים מכניים, אופטיים וחשמליים ייחודיים. כפי שמוצג בתמונה הבאה, לוח הגביש הנוזלי, באמצעות התיאום בין הגבישים הנוזליים לבין המקטבים העליונים והתחתונים, מבצע פעולות מיתוג ועמעום על האור הפוגע מהתאורה האחורית, ויוצר רמות בהירות שונות (גווני אפור). בשילוב עם תפקוד מסנן הצבעים, נוצרים צבעים ורמות בהירות שונות.

אז, אילו שינויים מתרחשים כאשר תאורה אחורית נכנסת לפאנל הגביש הנוזלי?

ראשית, השכבות התחתונות והעליונות של לוח הגביש הנוזלי מצוידות במקטבים המכוונים זה לזה בניצב. לאחר מכן, האזור מחולק לאינספור תאים בהתאם לרזולוציית הפיקסל. כל פיקסל מחולק לתאי תת-פיקסל אדומים, ירוקים וכחולים. כל תא, מלמטה למעלה, מצויד באלקטרודה עצמאית, שכבת גביש נוזלי ושכבת מסנן צבע. המקטבים העליונים והתחתונים, יחד עם הגביש הנוזלי, יוצרים "שער" השולט במצב הדלקה/כיבוי של העברת האור עבור אותו תא, כמו גם בעוצמת האור המועבר. עוצמות האור השונות המועברות דרך שלושת תאי תת-הפיקסל, לאחר שעברו דרך מסנני הצבע האדום, הירוק והכחול, מתערבבות בפרופורציות משתנות ליצירת צבע התצוגה והבהירות של הפיקסל.

אז איך עובד השער המשולב הזה?

תאורה אחורית, בדומה לאור טבעי, היא גל אלקטרומגנטי רוחבי. כיוון הרטט של החלקיקים ניצב לכיוון התפשטות הגל, כלומר כיוון הרטט של האור נמצא תמיד בתוך מישור xy, ניצב לכיוון ההתפשטות (ציר z). כאשר קרני תאורה אחורית פוגעות במקטב התחתון של לוח הגביש הנוזלי, רק אור הרוטט באותו כיוון כמו סריג המקטב (כיוון ציר y) יכול לעבור דרכו, ולהפוך לאור מקוטב ליניארי המתפשט בכיוון רטט ספציפי. כפי שמוצג באיור 3, כאשר אלקטרודת הפיקסל על גבי מצע ה-TFT אינה מופעלת, האור המקוטב עובר דרך שכבת הגביש הנוזלי ושכבת ה-CF מבלי לשנות את כיוון הרטט שלו, ומגיע למקטב העליון. עם זאת, כיוון הסריג של המקטב העליון ניצב לציר y (כיוון ציר x). לכן, האור המקוטב הרוטט בכיוון ציר y אינו יכול לעבור דרך המקטב העליון, וכתוצאה מכך נוצר מצב חשוך הנצפה מחזית המסך.

כאשר אלקטרודת מעגל ה-TFT מופעלת, מולקולות הגביש הנוזלי מסתובבות. האור המקוטב היוצא מהמקטב התחתון מקבל כיוון קיטוב מעוות תחת הנחיית מולקולות הגביש הנוזלי. עם הגדרות ספציפיות לעובי הגביש הנוזלי ולזווית הסיבוב, ניתן לסובב את כיוון הרטט של האור המקוטב בדיוק ב-90 מעלות. בנקודה זו, כיוון הרטט של האור המקוטב הופך מקביל לציר ה-x, ומתיישר עם כיוון הסריגים של המקטב העליון, מה שמאפשר לו לעבור דרכו. אם כיוון הרטט יוצר זווית עם כיוון הסריגים, רכיב אנרגיית גל האור לאורך כיוון הסריגים יכול לעבור דרך המקטב, ועוצמת האור המקורית נחלשת. על ידי שינוי מתח אלקטרודת ה-TFT, ניתן לכוונן את זווית הסיבוב של הגבישים הנוזליים, ובכך לשלוט בעוצמת האור המועבר דרך המקטב העליון.

המאפיינים האלקטרו-אופטיים של גבישים נוזליים

מדוע שדה חשמלי יכול לגרום לגבישים נוזליים להסתובב? ומדוע סיבוב גביש נוזלי משנה את כיוון התנודה של אור מקוטב?

כפי שמוצג באיור למטה, למולקולות גביש נוזלי יש מבנה דמוי מוט והן בעלות אניזוטרופיה של גבישים. הן מציגות אפקטים אלקטרו-אופטיים שונים, קבועים דיאלקטריים ומדדי שבירה לאורך הצירים הארוכים והקצרים שלהן. אנו יכולים להשתמש בתכונות אלו כדי לשנות את עוצמת האור הפוגע עבור כל תא פיקסל, ובכך ליצור צבע וגווני אפור.

אניזוטרופיה דיאלקטרית של גבישים נוזליים

--- הקבוע הדיאלקטרי (ε) של מולקולות גביש נוזלי שונה לאורך הצירים הארוך והקצר שלהן. כאשר הקבוע הדיאלקטרי המקביל לציר הארוך גדול מהקבוע הדיאלקטרי הניצב לציר הארוך (ε// > ε⊥), הוא נקרא גביש נוזלי מסוג חיובי עם אניזוטרופיה דיאלקטרית חיובית, המתאים ליישור מקבילי. כאשר ε// < ε⊥, הוא נקרא גביש נוזלי מסוג שלילי עם אניזוטרופיה דיאלקטרית שלילית, שניתן להשתמש בו רק ביישור אנכי כדי להשיג את האפקט האלקטרו-אופטי הרצוי. כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, כיוון הסיבוב של מולקולות הגביש הנוזלי - בין אם מקבילות או ניצבות לשדה החשמלי - נקבע על ידי האם האניסוטרופיה הדיאלקטרית חיובית או שלילית, מה שקובע בתורו האם אור מועבר. כיום, גבישים נוזליים מסוג VA הנפוצים במסכי TFT-LCD שייכים בעיקר לסוג האניסוטרופיה הדיאלקטרית השלילית. כאשר הם מופעלים, מולקולות הגביש הנוזלי מקוטבות על ידי השדה החשמלי החיצוני, מה שגורם לצירים הארוכים שלהם לנטות לכיוון הניצב לשדה. IPS משתמש בדרך כלל בגבישים נוזליים מסוג חיובי, בעוד שחלק מלוחות ADS Pro משתמשים בגבישים נוזליים מסוג שלילי.

שבירה כפולה של גבישים נוזליים

--- למולקולות גביש נוזלי יש שבירה כפולה וסיבוב אופטי; מקדם השבירה (n) שונה לאורך הצירים הארוך והקצר. מקדם השבירה לאורך הציר הארוך הוא nO, ולאורך הציר הקצר הוא nE.

מכיוון שמקדמי השבירה שונים, מהירויות האור שונות. כאשר גבישים נוזליים מסתובבים, מהירויות האור לאורך הצירים הארוכים והקצרים שונות, מה שגורם להבדל פאזה בין קרני האור הרגילות (O) היוצאות והקרניים יוצאות הדופן (E) בהשוואה למצבן הפוגע, וכתוצאה מכך נוצרת תופעת עיכוב פאזה. כאשר קרן האור יוצאת מהגביש הנוזלי, וקטורי האור O ו-E מתאחדים מחדש, ויוצרים כיוון רטט חדש שמסתובב. באמצעות תכנון מיוחד של אורך הנתיב האופטי וזווית הסיבוב, ניתן להגדיר את הפרש הפאזה בין קרני האור היוצאות ל-1/2 אורך גל. זה גורם לפאזה של האור היוצא להסתובב ב-90 מעלות בהשוואה לאור הפוגע, מה שמאפשר לו לעבור דרך המקטב העליון. זוויות סיבוב שונות של הגבישים הנוזליים קובעות הפרשי פאזה שונים בין קרני האור O וה-E, ובכך שולטות בעוצמת האור המועבר.

סוגי פאנלים של גביש נוזלי

בהתבסס על מצב הסיבוב של גבישים נוזליים, הם מחולקים עוד לשלושה סוגים: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) ו-VA (Vertical Alignment). ביניהם, פאנלי LCD מסוג TN היו הראשונים בשימוש, עם העלות הנמוכה ביותר. עם זאת, בשל צבע 6-bit המקורי שלהם (סולם צבעים נמוך) וזוויות צפייה נמוכות מאוד, הם למעשה יצאו משוק פאנלי צגי ה-LCD המרכזי. צגי ה-LCD המרכזיים הנוכחיים משתמשים בעיקר בפאנלים IPS ו-VA.

כפי שמוצג באיור, למסכי IPS יש מולקולות גביש נוזלי המסודרות אופקית. אלקטרודות הפיקסלים החיוביות והשליליות נמצאות על אותו מישור אופקי על גבי מצע ה-TFT. כאשר האור המקוטב אינו מופעל, הוא עובר דרך המקטב התחתון עובר דרך הגביש הנוזלי ללא שינוי בכיוון הקיטוב. בשלב זה, כיוון הרטט של האור המקוטב ניצב לכיוון הסריגים של המקטב העליון, ואור אינו יכול לעבור דרכו. כאשר הוא מופעל, עקב נוכחות השדה החשמלי, מולקולות הגביש הנוזלי מסתובבות בתוך המישור האופקי (מיתוג במישור). עקב שבירה כפולה, האור המקוטב מתפרק לשתי קרני אור במהירויות שונות. עם יציאתן מהגביש הנוזלי, לשני קרני האורות המקוטבים הללו יש הפרש פאזה והם מתאחדים מחדש לסוג חדש של אור מקוטב. אור מקוטב זה עובר לאחר מכן דרך מסנן הצבע, כאשר האור מכל תא תת-פיקסל מציג צבעים אדומים, ירוקים וכחולים. האור המקוטב שחודר דרך מסנן הצבע מגיע למקטב העליון. לאחר שסובב על ידי הגביש הנוזלי לזווית חדשה, לאור מכל תת-פיקסל יש זווית סיבוב שונה. רכיבי האור המקוטב, בעלי זוויות שונות ביחס לסריג של המקטב העליון, עוברים דרכו, וכתוצאה מכך נוצרים צבעים אדומים, ירוקים וכחולים בעוצמות שונות מכל תא תת-פיקסל. שלושת הצבעים הללו, בעלי עוצמה משתנה, מתערבבים ליצירת הפיקסל הצבעוני הרצוי. הצבעים מ-24,883,200 תאי תת-פיקסל (3840 * 2160 * 3) משתלבים ליצירת צבעים של 8,294,400 פיקסלים (3840 * 2160), ויוצרים פריים אחד של תמונה ברזולוציית 4K. הגבישים הנוזליים, המשתנים עם השדה החשמלי בתדר מסוים, משנים ברציפות את זווית הרטט של האור המקוטב, ויוצרים פריים אחר פריים, ובסופו של דבר משיגים תצוגת וידאו.

עקרון הפעולה של צגי VA זהה לזה של פאנלי IPS. כפי שמוצג באיור 6, סידור מולקולות הגביש הנוזלי שונה מפאנלי IPS. בצגי VA, מולקולות הגביש הנוזלי מיושרות אנכית, ואלקטרודות הפיקסלים החיוביות והשליליות מפוזרות על המישורים העליונים והתחתונים, ויוצרות שדה חשמלי בכיוון האנכי.

כאשר לא מופעל מתח על האלקטרודות, מולקולות הגביש הנוזלי מיושרות בניצב למצעים העליונים והתחתונים. האור המקוטב הליניארי העובר דרך המקטב התחתון מתפשט במקביל לציר הארוך של מולקולות הגביש הנוזלי, כך שמצב הקיטוב שלו אינו משתנה והוא אינו יכול לעבור דרך המקטב העליון. הפאנל הנצפה על ידי העין האנושית נמצא במצב חשוך. כאשר אין מתח או מתח נמוך, אור מקוטב עובר לאורך הציר הארוך של מולקולות הגביש הנוזלי. בשל השבירה הכפולה של הגבישים הנוזליים, אור מקוטב לאורך הציר הארוך אינו סוטה באופן מהותי, ולכן הוא אינו יכול לעבור דרך המקטב העליון, וכתוצאה מכך ביצועים במצב כהה שחור מאוד, יחס ניגודיות גבוה וחדות תמונה מעולה. כאשר מופעל מתח על האלקטרודות, מולקולות הגביש הנוזלי מסתובבות תחת פעולת השדה החשמלי האנכי, כאשר צירןיהן הארוכים נוטים לכיוון הניצב לשדה החשמלי. רכיבי האור המקוטב הליניארי הפוגע הנכנס לגביש הנוזלי יחוו עיכוב פאזה בתוך שכבת הגביש הנוזלי. לאחר עזיבת שכבת הגביש הנוזלי, רכיבי האור המקוטב מתאחדים מחדש, ומצב הקיטוב של האור משתנה. כיוון הרטט של האור המקוטב מכל תא תת-פיקסל משלים בסופו של דבר סיבוב לזוויות שונות בהתאם למתח שנקבע. לאחר המעבר דרך מסנן הצבע והמקטב העליון, מתקבלים צבעי תת-פיקסל בעוצמות שונות. צבעי תת-פיקסל האדום, הירוק והכחול עם יחסי עוצמה שונים מתערבבים ליצירת צבע הפיקסל שנקבע, ויוצרים לבסוף מסגרת שלמה לתצוגה.