Vloeibare kristalbeeldschermtechnologie (deel 1)

LCD-technologie (Liquid Crystal Display), met zijn relatief lage eisen aan de fabricage en hoge kosteneffectiviteit, blijft de gangbare markt voor beeldschermen domineren. Een LCD is een passief beeldscherm, bestaande uit twee hoofdmodules: het lcd-paneel en de achtergrondverlichtingsmodule. De achtergrondverlichtingsmodule zendt wit licht uit, dat vervolgens door het lcd-paneel wordt gemoduleerd in kleur en helderheid voor elke pixel, waardoor uiteindelijk een bewegend kleurenbeeld wordt weergegeven.

De achtergrondverlichtingsmodule bestaat uit LED-parels en optische films. De puntlichtbron van de LED's wordt door de optische films verspreid en gehomogeniseerd tot een uniforme oppervlaktelichtbron die het lcd-paneel verlicht. De witte lichtbron is een mengsel van de drie primaire kleuren: rood, groen en blauw. Na passage door het lcd-paneel worden specifieke kleuren en helderheid gevormd door de gecombineerde werking van de lcd-schakelaars die corresponderen met elke subpixelcel. Een volledig 4K-paneel, bestaande uit ongeveer 24,88 miljoen subpixelcellen, vormt één frame.

De structuur van het vloeistofkristalpaneel is weergegeven in de onderstaande afbeelding. Naast de glazen substraten met diverse functionele films, bestaan ​​de lagen van onder naar boven uit: de onderste polarisator, het aansturingscircuit voor de dunnefilmtransistor (TFT), de vloeistofkristallaag, het kleurenfilter (CF) en de bovenste polarisator.

Zoals de naam al doet vermoeden, zijn vloeibare kristallen kristallijne stoffen met vloeistofachtige eigenschappen. Ze bezitten zowel de stromingseigenschappen van vloeistoffen als de vectoriële eigenschappen van kristallen, waardoor ze unieke mechanische, optische en elektrische eigenschappen hebben. Zoals te zien is op de volgende foto, zorgt het vloeibare kristalpaneel, door de samenwerking tussen de vloeibare kristallen en de bovenste en onderste polarisatoren, voor schakel- en dimacties op het invallende licht van de achtergrondverlichting, waardoor verschillende helderheidsniveaus (grijswaarden) ontstaan. In combinatie met de functie van het kleurenfilter worden zo verschillende kleuren en helderheidsniveaus gevormd.

Welke veranderingen treden er op wanneer achtergrondverlichting het lcd-scherm binnendringt?

Ten eerste zijn de onderste en bovenste lagen van het lcd-paneel voorzien van polarisatoren die loodrecht op elkaar staan. Vervolgens wordt het oppervlak verdeeld in talloze cellen, afhankelijk van de pixelresolutie. Elke pixel is onderverdeeld in rode, groene en blauwe subpixelcellen. Elke cel, van onder naar boven, is voorzien van een onafhankelijke elektrode, lcd-laag en kleurenfilterlaag. De bovenste en onderste polarisatoren vormen samen met het lcd-paneel een "poort" die de aan/uit-stand van de lichttransmissie voor die cel regelt, evenals de intensiteit van het doorgelaten licht. De verschillende lichtintensiteiten die door de drie subpixelcellen worden doorgelaten, mengen zich na passage door de rode, groene en blauwe kleurenfilters in verschillende verhoudingen om de weergegeven kleur en helderheid van de pixel te bepalen.

Hoe werkt deze gecombineerde poort dan precies?

Achtergrondverlichting is, net als natuurlijk licht, een transversale elektromagnetische golf. De trillingsrichting van de deeltjes is loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf, wat betekent dat de trillingsrichting van het licht zich altijd in het xy-vlak bevindt, loodrecht op de voortplantingsrichting (z-as). Wanneer de stralen van de achtergrondverlichting de onderste polarisator van het vloeistofkristalpaneel raken, kan alleen licht dat trilt in dezelfde richting als het rooster van de polarisator (richting van de y-as) erdoorheen, waardoor lineair gepolariseerd licht ontstaat dat zich voortplant met een specifieke trillingsrichting. Zoals weergegeven in Figuur 3, gaat het gepolariseerde licht, wanneer de pixelelektrode op het TFT-substraat niet is bekrachtigd, door de vloeistofkristallaag en de CF-laag zonder dat de trillingsrichting verandert en bereikt het de bovenste polarisator. De roosterrichting van de bovenste polarisator is echter loodrecht op de y-as (richting van de x-as). Daarom kan het gepolariseerde licht dat trilt in de richting van de y-as niet door de bovenste polarisator heen, wat resulteert in een donkere toestand aan de voorkant van het scherm.

Wanneer de elektrode van het TFT-circuit onder spanning wordt gezet, roteren de vloeibare kristalmoleculen. Het gepolariseerde licht dat uit de onderste polarisator komt, ondergaat een verdraaiing van de polarisatierichting onder invloed van de vloeibare kristalmoleculen. Met specifieke instellingen voor de dikte van het vloeibare kristal en de rotatiehoek kan de trillingsrichting van het gepolariseerde licht exact 90° worden gedraaid. Op dit punt wordt de trillingsrichting van het gepolariseerde licht parallel aan de x-as, uitgelijnd met de roosterrichting van de bovenste polarisator, waardoor het erdoorheen kan. Als de trillingsrichting een hoek vormt met de roosterrichting, kan de component van de energie van de lichtgolf langs de roosterrichting door de polarisator heen, en wordt de oorspronkelijke lichtintensiteit verzwakt. Door de spanning op de TFT-elektrode te wijzigen, kan de rotatiehoek van de vloeibare kristallen worden aangepast, waardoor de intensiteit van het licht dat door de bovenste polarisator wordt doorgelaten, kan worden geregeld.

De elektro-optische eigenschappen van vloeibare kristallen

Waarom kan een elektrisch veld vloeibare kristallen laten roteren? En waarom verandert de rotatie van vloeibare kristallen de trillingsrichting van gepolariseerd licht?

Zoals in de onderstaande afbeelding te zien is, hebben vloeibare kristalmoleculen een staafvormige structuur en bezitten ze de anisotropie van kristallen. Ze vertonen verschillende elektro-optische effecten, diëlektrische constanten en brekingsindices langs hun lange en korte as. We kunnen deze eigenschappen gebruiken om de intensiteit van het invallende licht voor elke pixelcel te veranderen, waardoor kleur en grijswaarden ontstaan.

Diëlektrische anisotropie van vloeibare kristallen

De diëlektrische constante (ε) van vloeibare kristalmoleculen verschilt langs hun lange en korte as. Wanneer de diëlektrische constante parallel aan de lange as groter is dan die loodrecht op de lange as (ε// > ε⊥), spreekt men van een positief vloeibaar kristal met positieve diëlektrische anisotropie, geschikt voor parallelle uitlijning. Wanneer ε// < ε⊥, spreekt men van een negatief vloeibaar kristal met negatieve diëlektrische anisotropie, dat alleen verticaal kan worden uitgelijnd om het gewenste elektro-optische effect te bereiken. Wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wordt de draairichting van de vloeibare kristalmoleculen – parallel of loodrecht op het elektrische veld – bepaald door de diëlektrische anisotropie (positief of negatief), wat op zijn beurt bepaalt of licht wordt doorgelaten. De VA-type vloeibare kristallen die momenteel veel worden gebruikt in TFT-LCD's behoren meestal tot het type met negatieve diëlektrische anisotropie. Wanneer de vloeibare kristallen onder spanning staan, worden ze gepolariseerd door het externe elektrische veld, waardoor hun lange assen kantelen in een richting loodrecht op het veld. IPS gebruikt doorgaans positieve vloeibare kristallen, terwijl sommige ADS Pro-panelen negatieve vloeibare kristallen gebruiken.

Dubbele breking van vloeibare kristallen

Vloeibare kristalmoleculen bezitten dubbele breking en optische rotatie; de ​​brekingsindex (n) verschilt langs de lange en de korte as. De brekingsindex langs de lange as is nO en langs de korte as is nE.

Omdat de brekingsindices verschillen, zijn de lichtsnelheden ook verschillend. Wanneer vloeibare kristallen roteren, verschillen de lichtsnelheden langs de lange en korte as, waardoor er een faseverschil ontstaat tussen de uitgaande gewone (O) en buitengewone (E) stralen ten opzichte van hun invallende toestand. Dit resulteert in een fasevertraging. Wanneer de lichtbundel het vloeibare kristal verlaat, recombineren de O- en E-lichtvectoren, waardoor een nieuwe, geroteerde trillingsrichting ontstaat. Door een speciaal ontwerp van de optische padlengte en de rotatiehoek kan het faseverschil tussen de uitgaande O- en E-stralen worden ingesteld op een halve golflengte. Hierdoor roteert de fase van het uitgaande licht 90° ten opzichte van het invallende licht, waardoor het door de bovenste polarisator kan passeren. Verschillende rotatiehoeken van de vloeibare kristallen bepalen verschillende faseverschillen tussen de O- en E-stralen, waardoor de intensiteit van het doorgelaten licht kan worden geregeld.

Soorten vloeibare kristalpanelen

Op basis van de rotatiemodus van vloeibare kristallen worden ze verder onderverdeeld in drie typen: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) en VA (Vertical Alignment). TN-LCD-panelen werden het eerst gebruikt en waren het goedkoopst. Vanwege hun beperkte kleurenbereik van 6 bits (lage kleurdiepte) en zeer beperkte kijkhoeken zijn ze echter vrijwel verdwenen van de markt voor gangbare LCD-schermen. De huidige gangbare LCD-schermen maken voornamelijk gebruik van IPS- en VA-panelen.

Zoals in de afbeelding te zien is, hebben IPS-schermen vloeibare kristalmoleculen die horizontaal zijn gerangschikt. De positieve en negatieve pixelelektroden bevinden zich op hetzelfde horizontale vlak op het TFT-substraat. Wanneer het scherm niet is ingeschakeld, gaat het gepolariseerde licht dat door de onderste polarisator gaat, door het vloeibare kristal zonder dat de polarisatierichting verandert. Op dat moment is de trillingsrichting van het gepolariseerde licht loodrecht op de roosterrichting van de bovenste polarisator, waardoor licht er niet doorheen kan. Wanneer het scherm is ingeschakeld, roteren de vloeibare kristalmoleculen door de aanwezigheid van een elektrisch veld binnen het horizontale vlak (in-plane switching). Door dubbele breking splitst het gepolariseerde licht zich in twee lichtstralen met verschillende snelheden. Na het verlaten van het vloeibare kristal hebben deze twee gepolariseerde lichten een faseverschil en recombineren ze tot een nieuw type gepolariseerd licht. Dit gepolariseerde licht passeert vervolgens het kleurenfilter, waarbij het licht van elke subpixelcel de kleuren rood, groen en blauw weergeeft. Het gepolariseerde licht dat door het kleurenfilter gaat, bereikt de bovenste polarisator. Doordat het licht van elke subpixel door het vloeibare kristal in een nieuwe hoek is gedraaid, heeft elke subpixel een andere rotatiehoek. De componenten van gepolariseerd licht met verschillende hoeken ten opzichte van het rooster van de bovenste polarisator passeren het rooster, waardoor rode, groene en blauwe kleuren met verschillende intensiteiten uit elke subpixelcel komen. Deze drie kleuren met variërende intensiteit mengen zich tot de gewenste gekleurde pixel. De kleuren van 24.883.200 subpixelcellen (3840 * 2160 * 3) combineren zich tot de kleuren van 8.294.400 pixels (3840 * 2160), waarmee één frame van een 4K-resolutiebeeld wordt gecreëerd. De vloeibare kristallen, die met een specifieke frequentie veranderen onder invloed van het elektrische veld, veranderen continu de trillingshoek van het gepolariseerde licht, waardoor frame na frame wordt gevormd en uiteindelijk de videoweergave wordt gerealiseerd.

Het werkingsprincipe van VA-schermen is hetzelfde als dat van IPS-panelen. Zoals weergegeven in figuur 6, verschilt de rangschikking van vloeibare kristalmoleculen van die van IPS-panelen. In VA-schermen zijn de vloeibare kristalmoleculen verticaal uitgelijnd en zijn de positieve en negatieve pixelelektroden verdeeld over de boven- en ondervlakken, waardoor een elektrisch veld in verticale richting ontstaat.

Wanneer er geen spanning op de elektroden wordt aangelegd, zijn de vloeibare kristalmoleculen loodrecht op de boven- en ondersubstraten georiënteerd. Het lineair gepolariseerde licht dat door de onderste polarisator gaat, plant zich parallel voort aan de lange as van de vloeibare kristalmoleculen, waardoor de polarisatietoestand niet verandert en het niet door de bovenste polarisator kan. Het paneel dat door het menselijk oog wordt waargenomen, is donker. Wanneer er geen of een lage spanning wordt aangelegd, gaat gepolariseerd licht langs de lange as van de vloeibare kristalmoleculen. Door de dubbele breking van de vloeibare kristallen wijkt gepolariseerd licht langs de lange as in principe niet af, waardoor het niet door de bovenste polarisator kan. Dit resulteert in een zeer donkere toestand, een hoge contrastverhouding en een uitstekende beeldscherpte. Wanneer er spanning op de elektroden wordt aangelegd, roteren de vloeibare kristalmoleculen onder invloed van het verticale elektrische veld, waarbij hun lange assen kantelen in een richting loodrecht op het elektrische veld. Componenten van het invallende lineair gepolariseerde licht dat het vloeibare kristal binnendringt, zullen fasevertraging ondervinden binnen de vloeibare kristallaag. Nadat het gepolariseerde licht de vloeibare kristallaag heeft verlaten, recombineren de componenten ervan en verandert de polarisatietoestand. De trillingsrichting van het gepolariseerde licht van elke subpixelcel ondergaat uiteindelijk een omkering naar verschillende hoeken, afhankelijk van de ingestelde spanning. Na passage door het kleurenfilter en de bovenste polarisator worden subpixelkleuren met verschillende intensiteiten verkregen. De rode, groene en blauwe subpixelkleuren met verschillende intensiteitsverhoudingen mengen zich tot de ingestelde pixelkleur, waarmee uiteindelijk een compleet beeldkader voor weergave wordt gecreëerd.