Technologia wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (część 1)

Technologia wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD), charakteryzująca się stosunkowo niskimi wymaganiami w zakresie produkcji urządzeń i wysoką opłacalnością, nadal dominuje na rynku sprzedaży wyświetlaczy. LCD to wyświetlacz pasywny, składający się z dwóch głównych modułów: panelu ciekłokrystalicznego i modułu podświetlenia. Moduł podświetlenia emituje białe światło, które jest następnie modulowane pod kątem koloru i jasności każdego piksela przez panel ciekłokrystaliczny, ostatecznie wyświetlając ruchomy, kolorowy obraz.

Moduł podświetlenia składa się z koralików LED i folii optycznych. Punktowe źródło światła z diod LED jest rozpraszane i homogenizowane przez folie optyczne, tworząc jednorodne, powierzchniowe źródło światła oświetlające panel ciekłokrystaliczny. Białe źródło światła to mieszanina trzech kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Po przejściu przez panel ciekłokrystaliczny, określone kolory i jasność są formowane poprzez skojarzone działanie przełączników ciekłokrystalicznych odpowiadających każdej komórce subpiksela. Cały panel 4K, składający się z około 24,88 miliona komórek subpikseli, tworzy jedną klatkę.

Struktura panelu ciekłokrystalicznego jest przedstawiona na poniższym rysunku. Oprócz podłoży szklanych z różnymi warstwami funkcjonalnymi, warstwy od dołu do góry to: dolny polaryzator, obwód sterujący tranzystora cienkowarstwowego (TFT), warstwa ciekłokrystaliczna, filtr kolorów (CF) i górny polaryzator.

Jak sama nazwa wskazuje, ciekłe kryształy to substancje krystaliczne o właściwościach zbliżonych do cieczy, łączące w sobie cechy przepływu cieczy i wektory kryształów, co zapewnia im unikalne właściwości mechaniczne, optyczne i elektryczne. Jak pokazano na poniższym zdjęciu, panel ciekłokrystaliczny, poprzez koordynację między ciekłymi kryształami a górnym i dolnym polaryzatorem, przełącza i przyciemnia światło padające z podświetlenia, tworząc różne poziomy jasności (skala szarości). W połączeniu z funkcją filtra kolorów, powstają różne kolory i poziomy jasności.

Jakie zmiany zachodzą, gdy na panel ciekłokrystaliczny pada światło?

Najpierw dolna i górna warstwa panelu ciekłokrystalicznego są wyposażone w polaryzatory zorientowane prostopadle do siebie. Następnie obszar jest dzielony na niezliczoną liczbę komórek, zgodnie z rozdzielczością pikseli. Każdy piksel jest podzielony na komórki subpikselowe: czerwoną, zieloną i niebieską. Każda komórka, od dołu do góry, jest wyposażona w niezależną elektrodę, warstwę ciekłokrystaliczną i warstwę filtra koloru. Górny i dolny polaryzator, wraz z ciekłym kryształem, tworzą „bramkę”, która kontroluje stan włączenia/wyłączenia transmisji światła dla danej komórki, a także natężenie przepuszczanego światła. Różne natężenia światła przepuszczane przez trzy komórki subpikselowe, po przejściu przez filtry koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego, mieszają się w różnych proporcjach, tworząc kolor i jasność piksela.

Jak więc działa ta łączona bramka?

Podświetlenie, podobnie jak światło naturalne, jest poprzeczną falą elektromagnetyczną. Kierunek drgań cząstek jest prostopadły do ​​kierunku propagacji fali, co oznacza, że ​​kierunek drgań światła zawsze znajduje się w płaszczyźnie xy, prostopadle do kierunku propagacji (oś z). Gdy promienie podświetlenia padają na dolny polaryzator panelu ciekłokrystalicznego, może przez niego przejść tylko światło drgające w tym samym kierunku co siatka polaryzatora (kierunek osi y), stając się światłem spolaryzowanym liniowo, rozchodzącym się z określonym kierunkiem drgań. Jak pokazano na rysunku 3, gdy elektroda pikselowa na podłożu TFT nie jest zasilana, spolaryzowane światło przechodzi przez warstwę ciekłokrystaliczną i warstwę CF bez zmiany kierunku drgań i dociera do górnego polaryzatora. Jednakże kierunek siatki górnego polaryzatora jest prostopadły do ​​osi y (kierunek osi x). W związku z tym spolaryzowane światło drgające w kierunku osi y nie może przejść przez górny polaryzator, co powoduje powstanie stanu ciemnego obserwowanego z przodu ekranu.

Po wzbudzeniu elektrody obwodu TFT cząsteczki ciekłego kryształu obracają się. Spolaryzowane światło wychodzące z dolnego polaryzatora ma skręcony kierunek polaryzacji pod wpływem cząsteczek ciekłego kryształu. Dzięki odpowiednim ustawieniom grubości ciekłego kryształu i kąta obrotu, kierunek drgań spolaryzowanego światła można skręcić dokładnie o 90°. W tym momencie kierunek drgań spolaryzowanego światła staje się równoległy do ​​osi x, zrównując się z kierunkiem siatki dyfrakcyjnej górnego polaryzatora, umożliwiając jego przejście. Jeśli kierunek drgań tworzy kąt z kierunkiem siatki dyfrakcyjnej, składowa energii fali świetlnej wzdłuż kierunku siatki dyfrakcyjnej może przejść przez polaryzator, a pierwotne natężenie światła ulega osłabieniu. Zmieniając napięcie elektrody TFT, można regulować kąt obrotu ciekłych kryształów, kontrolując w ten sposób natężenie światła przepuszczanego przez górny polaryzator.

Właściwości elektrooptyczne kryształów ciekłych

Dlaczego pole elektryczne może powodować obrót ciekłych kryształów? I dlaczego obrót ciekłych kryształów zmienia kierunek drgań światła spolaryzowanego?

Jak pokazano na poniższym rysunku, cząsteczki ciekłych kryształów mają strukturę prętową i anizotropię kryształów. Wykazują one różne efekty elektrooptyczne, stałe dielektryczne i współczynniki załamania światła wzdłuż swojej długiej i krótkiej osi. Możemy wykorzystać te właściwości do zmiany intensywności padającego światła dla każdej komórki piksela, tworząc w ten sposób skalę kolorów i szarości.

Anizotropia dielektryczna kryształów ciekłych

--- Stała dielektryczna (ε) cząsteczek ciekłego kryształu różni się wzdłuż ich długiej i krótkiej osi. Gdy stała dielektryczna równoległa do osi długiej jest większa niż stała prostopadła do osi długiej (ε// > ε⊥), nazywa się go ciekłym kryształem typu dodatniego z dodatnią anizotropią dielektryczną, odpowiednim do równoległego ułożenia. Gdy ε// < ε⊥, nazywa się go ciekłym kryształem typu ujemnego z ujemną anizotropią dielektryczną, który może być stosowany tylko w ułożeniu pionowym w celu uzyskania pożądanego efektu elektrooptycznego. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kierunek obrotu cząsteczek ciekłego kryształu – równoległy lub prostopadły do ​​pola elektrycznego – jest określany przez to, czy anizotropia dielektryczna jest dodatnia, czy ujemna, co z kolei decyduje o przepuszczalności światła. Obecnie ciekłe kryształy typu VA powszechnie stosowane w wyświetlaczach TFT-LCD należą głównie do typu ujemnej anizotropii dielektrycznej. Po podaniu energii cząsteczki ciekłego kryształu są spolaryzowane przez zewnętrzne pole elektryczne, powodując przechylenie ich długich osi w kierunku prostopadłym do pola. Panele IPS zazwyczaj wykorzystują ciekłe kryształy typu dodatniego, podczas gdy niektóre panele ADS Pro wykorzystują ciekłe kryształy typu ujemnego.

Dwójłomność kryształów ciekłych

--- Cząsteczki ciekłych kryształów charakteryzują się dwójłomnością i skręcalnością optyczną; współczynnik załamania światła (n) jest różny wzdłuż osi długiej i krótkiej. Współczynnik załamania światła wzdłuż osi długiej wynosi nO, a wzdłuż osi krótkiej nE.

Ponieważ współczynniki załamania światła są różne, prędkości światła są różne. Gdy ciekłe kryształy obracają się, prędkości światła wzdłuż długiej i krótkiej osi różnią się, co powoduje różnicę fazową między wychodzącymi promieniami zwyczajnymi (O) i nadzwyczajnymi (E) w porównaniu z ich stanem padającym, co skutkuje zjawiskiem opóźnienia fazy. Gdy wiązka światła opuszcza ciekły kryształ, wektory światła O i E łączą się ponownie, wytwarzając nowy kierunek drgań, który jest obracany. Dzięki specjalnej konstrukcji długości drogi optycznej i kąta obrotu, różnica faz między wychodzącymi promieniami O i E może być ustawiona na 1/2 długości fali. Powoduje to obrót fazy światła wychodzącego o 90° w porównaniu ze światłem padającym, umożliwiając mu przejście przez górny polaryzator. Różne kąty obrotu ciekłych kryształów określają różne różnice fazowe między promieniami O i E, kontrolując w ten sposób natężenie przepuszczanego światła.

Rodzaje paneli ciekłokrystalicznych

Ze względu na sposób rotacji ciekłych kryształów, dzielą się one na trzy typy: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) i VA (Vertical Alignment). Spośród nich, panele LCD typu TN były stosowane najwcześniej i charakteryzowały się najniższym kosztem. Jednak ze względu na natywną 6-bitową paletę barw (niska gama kolorów) i bardzo niskie kąty widzenia, praktycznie zniknęły one z rynku popularnych wyświetlaczy LCD. Obecnie popularne wyświetlacze LCD wykorzystują głównie panele IPS i VA.

Jak pokazano na rysunku, panele wyświetlacza IPS mają cząsteczki ciekłokrystaliczne ułożone poziomo. Dodatnie i ujemne elektrody pikseli znajdują się na tej samej płaszczyźnie poziomej na podłożu TFT. Po odłączeniu zasilania, spolaryzowane światło przechodzące przez dolny polaryzator przechodzi przez ciekły kryształ bez zmiany kierunku polaryzacji. W tym momencie kierunek drgań spolaryzowanego światła jest prostopadły do ​​kierunku siatki dyfrakcyjnej górnego polaryzatora i światło nie może przez niego przejść. Po odłączeniu zasilania, ze względu na obecność pola elektrycznego, cząsteczki ciekłokrystaliczne obracają się w płaszczyźnie poziomej (przełączanie w płaszczyźnie). Z powodu dwójłomności, spolaryzowane światło rozpada się na dwa promienie świetlne o różnych prędkościach. Po opuszczeniu ciekłego kryształu, te dwa spolaryzowane światła mają różnicę faz i łączą się ponownie, tworząc nowy rodzaj światła spolaryzowanego. To spolaryzowane światło przechodzi następnie przez filtr kolorów, a światło z każdej komórki subpiksela prezentuje kolory czerwony, zielony i niebieski. Spolaryzowane światło, które przenika przez filtr kolorów, dociera do górnego polaryzatora. Po skręceniu przez ciekły kryształ pod nowym kątem, światło z każdego subpiksela ma inny kąt obrotu. Składowe światła spolaryzowanego, które mają różne kąty względem siatki górnego polaryzatora, przechodzą przez nią, co skutkuje kolorami czerwonym, zielonym i niebieskim o różnej intensywności z każdej komórki subpiksela. Te trzy kolory o różnej intensywności mieszają się, tworząc pożądany kolor piksela. Kolory z 24 883 200 komórek subpikseli (3840 * 2160 * 3) łączą się, tworząc kolory 8 294 400 pikseli (3840 * 2160), tworząc jedną klatkę obrazu o rozdzielczości 4K. Ciekłe kryształy, zmieniając się wraz z polem elektrycznym o określonej częstotliwości, stale zmieniają kąt drgań światła spolaryzowanego, tworząc klatka po klatce, ostatecznie uzyskując obraz wideo.

Zasada działania wyświetlaczy VA jest taka sama jak w panelach IPS. Jak pokazano na rysunku 6, układ cząsteczek ciekłokrystalicznych różni się od paneli IPS. W wyświetlaczach VA cząsteczki ciekłokrystaliczne są ułożone pionowo, a dodatnie i ujemne elektrody pikselowe są rozmieszczone na górnej i dolnej płaszczyźnie, wytwarzając pole elektryczne w kierunku pionowym.

Gdy do elektrod nie jest przyłożone napięcie, cząsteczki ciekłego kryształu są ułożone prostopadle do górnego i dolnego podłoża. Liniowo spolaryzowane światło przechodzące przez dolny polaryzator rozchodzi się równolegle do długiej osi cząsteczek ciekłego kryształu, więc jego stan polaryzacji nie zmienia się i nie może przejść przez górny polaryzator. Panel widziany ludzkim okiem jest w stanie zaciemnionym. Gdy napięcie nie jest przyłożone lub jest niskie, spolaryzowane światło przechodzi wzdłuż długiej osi cząsteczek ciekłego kryształu. Ze względu na dwójłomność ciekłych kryształów, spolaryzowane światło wzdłuż długiej osi zasadniczo nie odchyla się, a zatem nie może przejść przez górny polaryzator, co skutkuje bardzo czarnym obrazem w stanie zaciemnionym, wysokim współczynnikiem kontrastu i doskonałą ostrością obrazu. Po przyłożeniu napięcia do elektrod, cząsteczki ciekłego kryształu obracają się pod wpływem pionowego pola elektrycznego, a ich długie osie przechylają się w kierunku prostopadłym do pola elektrycznego. Składniki padającego liniowo spolaryzowanego światła wpadające do ciekłego kryształu ulegną opóźnieniu fazowemu w warstwie ciekłego kryształu. Po opuszczeniu warstwy ciekłokrystalicznej składniki światła spolaryzowanego rekombinują, a stan polaryzacji światła ulega zmianie. Kierunek drgań światła spolaryzowanego z każdej komórki subpiksela ostatecznie dopełnia się pod różnymi kątami, zgodnie z zadanym napięciem. Po przejściu przez filtr kolorów i górny polaryzator, uzyskuje się kolory subpikseli o różnej intensywności. Kolory subpikseli czerwony, zielony i niebieski o różnych stosunkach intensywności mieszają się, tworząc zadany kolor piksela, tworząc ostatecznie kompletną ramkę do wyświetlania.