Teknologi Paparan Kristal Cecair (Bahagian 1)

Teknologi Paparan Kristal Cecair (LCD), dengan keperluan fabrikasi peranti yang agak rendah dan keberkesanan kos yang tinggi, terus menguasai pasaran arus perdana untuk jualan panel paparan. LCD ialah paparan jenis pasif, dengan peranti yang terdiri daripada dua modul utama: panel kristal cecair dan modul lampu latar. Modul lampu latar memancarkan sumber cahaya putih, yang kemudiannya dimodulasi untuk warna dan kecerahan pada setiap piksel oleh panel kristal cecair, akhirnya memaparkan imej warna yang bergerak.

Modul lampu latar terdiri daripada manik LED dan filem optik. Sumber cahaya titik daripada LED disebarkan dan dihomogenkan oleh filem optik untuk membentuk sumber cahaya permukaan seragam yang menerangi panel kristal cecair. Sumber cahaya putih ialah campuran tiga warna utama: merah, hijau dan biru. Selepas melalui panel kristal cecair, warna dan kecerahan tertentu dibentuk melalui tindakan gabungan suis kristal cecair yang sepadan dengan setiap sel subpiksel. Keseluruhan panel 4K, yang terdiri daripada kira-kira 24.88 juta sel subpiksel, membentuk satu bingkai.

Struktur panel kristal cecair ditunjukkan dalam rajah di bawah. Selain substrat kaca yang membawa pelbagai filem berfungsi, lapisan dari bawah ke atas ialah: pengkutuban bawah, litar pemacu Transistor Filem Nipis (TFT), lapisan kristal cecair, Penapis Warna (CF), dan pengkutuban atas.

Seperti namanya, hablur cecair ialah bahan kristal dengan sifat seperti cecair, yang mempunyai ciri aliran cecair dan sifat vektor hablur, yang memberikannya ciri mekanikal, optik dan elektrik yang unik. Seperti yang ditunjukkan dalam foto berikut, panel hablur cecair, melalui koordinasi antara hablur cecair dan polarizer atas dan bawah, melakukan tindakan pensuisan dan peredupan pada cahaya datang dari lampu latar, menghasilkan tahap kecerahan (skala kelabu) yang berbeza. Digabungkan dengan fungsi penapis warna, warna dan tahap kecerahan yang berbeza terbentuk.

Jadi, apakah perubahan yang berlaku apabila lampu latar memasuki panel kristal cecair?

Pertama, lapisan bawah dan atas panel kristal cecair dilengkapi dengan polariser yang berorientasikan secara serenjang antara satu sama lain. Kemudian, kawasan tersebut dibahagikan kepada sel yang tidak terkira banyaknya mengikut resolusi piksel. Setiap piksel dibahagikan kepada sel subpiksel merah, hijau, dan biru. Setiap sel, dari bawah ke atas, dilengkapi dengan elektrod bebas, lapisan kristal cecair, dan lapisan penapis warna. Polariser atas dan bawah, bersama-sama dengan kristal cecair, membentuk "pintu" yang mengawal keadaan hidup/mati penghantaran cahaya untuk sel tersebut, serta keamatan cahaya yang dihantar. Keamatan cahaya yang berbeza yang dihantar melalui tiga sel subpiksel, selepas melalui penapis warna merah, hijau, dan biru, bercampur dalam perkadaran yang berbeza-beza untuk membentuk warna paparan dan kecerahan piksel.

Jadi, bagaimanakah pintu pagar gabungan ini berfungsi?

Cahaya latar, sama seperti cahaya semula jadi, ialah gelombang elektromagnet melintang. Arah getaran zarah adalah serenjang dengan arah perambatan gelombang, bermakna arah getaran cahaya sentiasa berada dalam satah xy, serenjang dengan arah perambatan (paksi-z). Apabila sinaran lampu latar mengenai pengkutuban bawah panel kristal cecair, hanya cahaya yang bergetar dalam arah yang sama dengan parutan pengkutuban (arah paksi-y) yang boleh melaluinya, menjadi cahaya terkutub linear yang merambat dengan arah getaran tertentu. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, apabila elektrod piksel pada substrat TFT tidak ditenagakan, cahaya terkutub melalui lapisan kristal cecair dan lapisan CF tanpa mengubah arah getarannya, dan sampai ke pengkutuban atas. Walau bagaimanapun, arah parutan pengkutuban atas adalah serenjang dengan paksi-y (arah paksi-x). Oleh itu, cahaya terkutub yang bergetar dalam arah paksi-y tidak boleh melalui pengkutuban atas, mengakibatkan keadaan gelap yang diperhatikan dari hadapan skrin.

Apabila elektrod litar TFT diberi tenaga, molekul kristal cecair berputar. Cahaya terkutub yang keluar dari polarizer bawah mempunyai arah polarisasi yang dipintal di bawah bimbingan molekul kristal cecair. Dengan tetapan khusus untuk ketebalan kristal cecair dan sudut putaran, arah getaran cahaya terkutub boleh dipintal tepat sebanyak 90°. Pada ketika ini, arah getaran cahaya terkutub menjadi selari dengan paksi-x, sejajar dengan arah parutan polarizer atas, membolehkannya melaluinya. Jika arah getaran membentuk sudut dengan arah parutan, komponen tenaga gelombang cahaya di sepanjang arah parutan boleh melalui polarizer, dan keamatan cahaya asal dilemahkan. Dengan menukar voltan elektrod TFT, sudut putaran kristal cecair boleh dilaraskan, sekali gus mengawal keamatan cahaya yang dipancarkan melalui polarizer atas.

Ciri-ciri Elektro-Optik Kristal Cecair

Mengapakah medan elektrik boleh menyebabkan hablur cecair berputar? Dan mengapakah putaran hablur cecair mengubah arah getaran cahaya terkutub?

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, molekul hablur cecair mempunyai struktur seperti rod dan mempunyai anisotropi hablur. Ia mempamerkan kesan elektro-optik, pemalar dielektrik dan indeks biasan yang berbeza di sepanjang paksi panjang dan pendeknya. Kita boleh menggunakan sifat-sifat ini untuk mengubah keamatan cahaya datang bagi setiap sel piksel, sekali gus membentuk warna dan skala kelabu.

Anisotropi Dielektrik Kristal Cecair

--- Pemalar dielektrik (ε) molekul hablur cecair berbeza di sepanjang paksi panjang dan pendeknya. Apabila pemalar dielektrik selari dengan paksi panjang adalah lebih besar daripada yang berserenjang dengan paksi panjang (ε// > ε⊥), ia dipanggil hablur cecair jenis positif dengan anisotropi dielektrik positif, sesuai untuk penjajaran selari. Apabila ε// < ε⊥, ia dipanggil hablur cecair jenis negatif dengan anisotropi dielektrik negatif, yang hanya boleh digunakan dalam penjajaran menegak untuk mencapai kesan elektro-optik yang diingini. Apabila medan elektrik luaran dikenakan, arah pusingan molekul hablur cecair—sama ada selari atau berserenjang dengan medan elektrik—ditentukan oleh sama ada anisotropi dielektrik adalah positif atau negatif, yang seterusnya menentukan sama ada cahaya dihantar. Pada masa ini, hablur cecair jenis VA yang biasa digunakan dalam TFT-LCD kebanyakannya tergolong dalam jenis anisotropi dielektrik negatif. Apabila diberi tenaga, molekul hablur cecair dipolarisasi oleh medan elektrik luaran, menyebabkan paksi panjangnya condong ke arah berserenjang dengan medan. IPS biasanya menggunakan kristal cecair jenis positif, manakala sesetengah panel ADS Pro menggunakan kristal cecair jenis negatif.

Birefringence Kristal Cecair

--- Molekul hablur cecair mempunyai birefringence dan putaran optik; indeks biasan (n) berbeza di sepanjang paksi panjang dan pendek. Indeks biasan di sepanjang paksi panjang ialah nO, dan di sepanjang paksi pendek ialah nE.

Oleh kerana indeks biasan berbeza, kelajuan cahaya juga berbeza. Apabila hablur cecair berputar, kelajuan cahaya di sepanjang paksi panjang dan pendek berbeza, menyebabkan perbezaan fasa antara sinar biasa (O) dan sinar luar biasa (E) yang keluar berbanding keadaan datangnya, mengakibatkan fenomena terencat fasa. Apabila pancaran cahaya keluar dari hablur cecair, vektor cahaya O dan E bergabung semula, menghasilkan arah getaran baharu yang diputarkan. Melalui reka bentuk khas panjang laluan optik dan sudut putaran, perbezaan fasa antara sinar O dan E yang keluar boleh ditetapkan kepada 1/2 panjang gelombang. Ini menyebabkan fasa cahaya keluar berputar sebanyak 90° berbanding cahaya datang, membolehkannya melalui polarizer atas. Sudut putaran hablur cecair yang berbeza menentukan perbezaan fasa yang berbeza antara sinar O dan E, sekali gus mengawal keamatan cahaya yang dipancarkan.

Jenis-jenis Panel Kristal Cecair

Berdasarkan mod putaran hablur cecair, ia dibahagikan lagi kepada tiga jenis: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching), dan VA (Vertical Alignment). Antaranya, panel LCD jenis TN adalah yang paling awal digunakan, dengan kos terendah. Walau bagaimanapun, disebabkan warna 6-bit natifnya (gamut warna rendah) dan sudut pandangan yang sangat rendah, ia pada dasarnya telah keluar dari pasaran panel paparan LCD arus perdana. Paparan LCD arus perdana semasa terutamanya menggunakan panel IPS dan VA.

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, panel paparan IPS mempunyai molekul kristal cecair yang disusun secara mendatar. Elektrod piksel positif dan negatif berada pada satah mendatar yang sama pada substrat TFT. Apabila tidak bertenaga, cahaya terkutub yang melalui polarizer bawah akan melalui kristal cecair tanpa perubahan arah polarisasi. Pada masa ini, arah getaran cahaya terkutub adalah serenjang dengan arah parutan polarizer atas, dan cahaya tidak dapat melaluinya. Apabila bertenaga, disebabkan oleh kehadiran medan elektrik, molekul kristal cecair berputar dalam satah mendatar (pensuisan dalam satah). Disebabkan oleh birefringence, cahaya terkutub terurai menjadi dua sinar cahaya dengan kelajuan yang berbeza. Setelah keluar dari kristal cecair, kedua-dua lampu terkutub ini mempunyai perbezaan fasa dan bergabung semula menjadi jenis cahaya terkutub yang baharu. Cahaya terkutub ini kemudiannya melalui penapis warna, dengan cahaya dari setiap sel sub-piksel menunjukkan warna merah, hijau, dan biru. Cahaya terkutub yang menembusi penapis warna mencapai polarizer atas. Setelah dipintal oleh kristal cecair ke sudut yang baharu, cahaya dari setiap sub-piksel mempunyai sudut putaran yang berbeza. Komponen cahaya terkutub yang mempunyai sudut berbeza berbanding dengan parutan polarizer atas melaluinya, menghasilkan warna merah, hijau, dan biru dengan keamatan berbeza daripada setiap sel subpiksel. Ketiga-tiga warna dengan keamatan berbeza ini bercampur untuk membentuk piksel berwarna yang diingini. Warna daripada 24,883,200 sel subpiksel (3840 * 2160 * 3) bergabung untuk membentuk warna 8,294,400 piksel (3840 * 2160), menghasilkan satu bingkai imej resolusi 4K. Kristal cecair, yang berubah dengan medan elektrik pada frekuensi tertentu, secara berterusan mengubah sudut getaran cahaya terkutub, membentuk bingkai demi bingkai, akhirnya mencapai paparan video.

Prinsip kerja paparan VA adalah sama seperti panel IPS. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6, susunan molekul kristal cecair berbeza daripada panel IPS. Dalam paparan VA, molekul kristal cecair sejajar secara menegak, dan elektrod piksel positif dan negatif diagihkan pada satah atas dan bawah, mewujudkan medan elektrik dalam arah menegak.

Apabila tiada voltan dikenakan pada elektrod, molekul hablur cecair sejajar secara tegak lurus dengan substrat atas dan bawah. Cahaya terkutub linear yang melalui pengutub bawah merambat selari dengan paksi panjang molekul hablur cecair, jadi keadaan pengutubannya tidak berubah dan ia tidak boleh melalui pengutub atas. Panel yang diperhatikan oleh mata manusia berada dalam keadaan gelap. Apabila tiada atau voltan rendah dikenakan, cahaya terkutub melalui paksi panjang molekul hablur cecair. Disebabkan oleh birefringence hablur cecair, cahaya terkutub sepanjang paksi panjang pada dasarnya tidak menyimpang, oleh itu ia tidak boleh melalui pengutub atas, menghasilkan prestasi keadaan gelap yang sangat hitam, nisbah kontras yang tinggi, dan ketajaman imej yang sangat baik. Apabila voltan dikenakan pada elektrod, molekul hablur cecair berputar di bawah tindakan medan elektrik menegak, dengan paksi panjangnya condong ke arah tegak lurus dengan medan elektrik. Komponen cahaya terkutub linear yang masuk ke dalam hablur cecair akan mengalami terencat fasa dalam lapisan hablur cecair. Selepas meninggalkan lapisan kristal cecair, komponen cahaya terkutub bergabung semula, dan keadaan pengkutuban cahaya berubah. Arah getaran cahaya terkutub daripada setiap sel subpiksel akhirnya melengkapkan satu piksel pada sudut yang berbeza mengikut voltan yang ditetapkan. Selepas melalui penapis warna dan pengutub atas, warna subpiksel dengan keamatan yang berbeza diperoleh. Warna subpiksel merah, hijau, dan biru dengan nisbah keamatan yang berbeza bercampur untuk membentuk warna piksel yang ditetapkan, akhirnya menghasilkan bingkai lengkap untuk paparan.