Flytande kristalldisplayteknik (del 1)

LCD-tekniken (Liquid Crystal Display), med sina relativt lägre krav på tillverkning av enheter och höga kostnadseffektivitet, fortsätter att dominera den etablerade marknaden för försäljning av bildskärmar. LCD är en passiv bildskärm, där enheten består av två huvudmoduler: den flytande kristallpanelen och bakgrundsbelysningsmodulen. Bakgrundsbelysningsmodulen avger en vit ljuskälla, som sedan moduleras för färg och ljusstyrka vid varje pixel av den flytande kristallpanelen, vilket slutligen visar en rörlig färgbild.

Bakgrundsbelysningsmodulen består av LED-pärlor och optiska filmer. Punktljuskällan från lysdioderna diffunderas och homogeniseras av de optiska filmerna för att bilda en enhetlig ytljuskälla som belyser den flytande kristallpanelen. Den vita ljuskällan är en blandning av de tre primärfärgerna: röd, grön och blå. Efter att ha passerat genom den flytande kristallpanelen bildas specifika färger och ljusstyrka genom den kombinerade verkan av de flytande kristallbrytare som motsvarar varje subpixelcell. En hel 4K-panel, bestående av cirka 24,88 miljoner subpixelceller, utgör en bildruta.

Strukturen hos den flytande kristallpanelen visas i figuren nedan. Förutom glassubstraten som bär olika funktionella filmer, är lagren från botten till toppen: den nedre polarisatorn, tunnfilmstransistorns (TFT) drivkrets, flytande kristallskiktet, färgfiltret (CF) och den övre polarisatorn.

Som namnet antyder är flytande kristaller kristallina substanser med vätskeliknande egenskaper, som har både vätskors flödesegenskaper och kristallers vektoregenskaper, vilket ger dem unika mekaniska, optiska och elektriska egenskaper. Som visas på följande bild utför flytande kristallpanelen, genom samordningen mellan de flytande kristallerna och de övre och nedre polarisatorerna, växlings- och dimningsåtgärder på det infallande ljuset från bakgrundsbelysningen, vilket skapar olika ljusstyrkenivåer (gråskala). Kombinerat med färgfiltrets funktion bildas olika färger och ljusstyrkenivåer.

Så, vilka förändringar sker när bakgrundsbelysningen kommer in i flytande kristallpanelen?

Först är de nedre och övre lagren av flytkristallpanelen utrustade med polarisatorer orienterade vinkelrätt mot varandra. Sedan delas området in i otaliga celler enligt pixelupplösningen. Varje pixel är indelad i röda, gröna och blå delpixelceller. Varje cell, från botten till toppen, är utrustad med en oberoende elektrod, ett flytkristalllager och ett färgfilterlager. De övre och nedre polarisatorerna bildar tillsammans med flytkristallen en "grind" som styr ljustransmissionens på/av-läge för den cellen, såväl som intensiteten hos det transmitterade ljuset. De olika ljusintensiteterna som transmitteras genom de tre delpixelcellerna blandas, efter att ha passerat genom de röda, gröna och blå färgfiltren, i varierande proportioner för att bilda pixelns displayfärg och ljusstyrka.

Så, hur fungerar den här kombinerade grinden?

Bakgrundsbelysning, liknande naturligt ljus, är en transversell elektromagnetisk våg. Partiklarnas vibrationsriktning är vinkelrät mot vågutbredningsriktningen, vilket innebär att ljusets vibrationsriktning alltid ligger inom xy-planet, vinkelrät mot utbredningsriktningen (z-axeln). När bakgrundsbelysningens strålar träffar den nedre polarisatorn på flytkristallpanelen kan endast ljus som vibrerar i samma riktning som polarisatorns gitter (y-axelns riktning) passera igenom, vilket blir linjärt polariserat ljus som utbreder sig med en specifik vibrationsriktning. Som visas i figur 3, när pixelelektroden på TFT-substratet inte är aktiverad, passerar det polariserade ljuset genom flytkristallskiktet och CF-skiktet utan att ändra sin vibrationsriktning och når den övre polarisatorn. Gitterriktningen för den övre polarisatorn är dock vinkelrät mot y-axeln (x-axelns riktning). Därför kan det polariserade ljuset som vibrerar i y-axelns riktning inte passera genom den övre polarisatorn, vilket resulterar i ett mörkt tillstånd som observeras från skärmens framsida.

När TFT-kretsens elektrod aktiveras roterar de flytande kristallmolekylerna. Det polariserade ljuset som kommer ut från den nedre polarisatorn får sin polarisationsriktning vriden under vägledning av de flytande kristallmolekylerna. Med specifika inställningar för flytande kristalltjocklek och rotationsvinkel kan vibrationsriktningen för det polariserade ljuset vridas exakt 90°. Vid denna punkt blir vibrationsriktningen för det polariserade ljuset parallell med x-axeln och i linje med gitterriktningen för den övre polarisatorn, vilket gör att det kan passera igenom. Om vibrationsriktningen bildar en vinkel med gitterriktningen kan ljusvågens energikomponent längs gitterriktningen passera genom polarisatorn, och den ursprungliga ljusintensiteten dämpas. Genom att ändra TFT-elektrodspänningen kan rotationsvinkeln för de flytande kristallerna justeras, varigenom intensiteten hos det ljus som överförs genom den övre polarisatorn styrs.

De elektrooptiska egenskaperna hos flytande kristaller

Varför kan ett elektriskt fält få flytande kristaller att rotera? Och varför ändrar rotationen av flytande kristaller vibrationsriktningen hos polariserat ljus?

Som visas i figuren nedan har flytande kristallmolekyler en stavliknande struktur och besitter kristallernas anisotropi. De uppvisar olika elektrooptiska effekter, dielektriska konstanter och brytningsindex längs sina långa och korta axlar. Vi kan använda dessa egenskaper för att ändra intensiteten hos det infallande ljuset för varje pixelcell och därigenom bilda färg och gråskala.

Dielektrisk anisotropi av flytande kristaller

--- Den dielektriska konstanten (ε) för flytande kristallmolekyler skiljer sig längs deras långa och korta axlar. När den dielektriska konstanten parallellt med den långa axeln är större än den vinkelräta mot den långa axeln (ε// > ε⊥) kallas den positiv flytande kristall med positiv dielektrisk anisotropi, lämplig för parallell uppriktning. När ε// < ε⊥ kallas den negativ flytande kristall med negativ dielektrisk anisotropi, som endast kan användas i vertikal uppriktning för att uppnå önskad elektrooptisk effekt. När ett externt elektriskt fält appliceras bestäms vätskekristallmolekylernas rotationsriktning – oavsett om de är parallella eller vinkelräta mot det elektriska fältet – av om den dielektriska anisotropin är positiv eller negativ, vilket i sin tur avgör om ljus släpps igenom. För närvarande tillhör VA-liknande flytande kristaller som vanligtvis används i TFT-LCD-skärmar mestadels den negativa dielektriska anisotropitypen. När de aktiveras polariseras vätskekristallmolekylerna av det externa elektriska fältet, vilket får deras långa axlar att luta i en riktning vinkelrät mot fältet. IPS använder vanligtvis positiva flytande kristaller, medan vissa ADS Pro-paneler använder negativa flytande kristaller.

Dubbelbrytning av flytande kristaller

--- Flytande kristallmolekyler har dubbelbrytning och optisk rotation; brytningsindex (n) skiljer sig längs den långa och korta axeln. Brytningsindex längs den långa axeln är nO, och längs den korta axeln är nE.

Eftersom brytningsindexen är olika, är ljusets hastigheter olika. När flytande kristaller roterar, skiljer sig ljusets hastigheter längs den långa och korta axlen, vilket orsakar en fasskillnad mellan de utgående ordinära (O) och extraordinära (E) strålarna jämfört med deras infallande tillstånd, vilket resulterar i ett fasfördröjningsfenomen. När ljusstrålen lämnar flytande kristallen rekombineras O- och E-ljusvektorerna, vilket producerar en ny vibrationsriktning som roteras. Genom en speciell design av den optiska väglängden och rotationsvinkeln kan fasskillnaden mellan de utgående O- och E-strålarna ställas in på 1/2 våglängden. Detta gör att fasen hos det utgående ljuset roterar 90° jämfört med det infallande ljuset, vilket gör att det kan passera genom den övre polarisatorn. Olika rotationsvinklar hos de flytande kristallerna bestämmer olika fasskillnader mellan O- och E-strålarna, vilket styr intensiteten hos det transmitterade ljuset.

Typer av flytande kristallpaneler

Baserat på rotationsläget för flytande kristaller delas de vidare in i tre typer: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) och VA (Vertical Alignment). Bland dem var TN-typ LCD-paneler de tidigaste som användes, med den lägsta kostnaden. Men på grund av deras ursprungliga 6-bitarsfärg (lågt färgomfång) och mycket låga betraktningsvinklar har de i stort sett lämnat den vanliga marknaden för LCD-skärmar. De nuvarande vanliga LCD-skärmarna använder främst IPS- och VA-paneler.

Som visas i figuren har IPS-skärmar flytande kristallmolekyler anordnade horisontellt. De positiva och negativa pixelelektroderna är på samma horisontella plan på TFT-substratet. När de inte är aktiverade passerar det polariserade ljuset som passerar genom den nedre polarisatorn genom den flytande kristallen utan att ändra polarisationsriktningen. Vid denna tidpunkt är vibrationsriktningen för det polariserade ljuset vinkelrät mot gitterriktningen för den övre polarisatorn, och ljus kan inte passera igenom. När de aktiveras, på grund av närvaron av ett elektriskt fält, roterar de flytande kristallmolekylerna inom det horisontella planet (planväxling). På grund av dubbelbrytning sönderdelas det polariserade ljuset i två ljusstrålar med olika hastigheter. När de lämnar den flytande kristallen har dessa två polariserade ljus en fasskillnad och rekombineras till en ny typ av polariserat ljus. Detta polariserade ljus passerar sedan genom färgfiltret, där ljuset från varje subpixelcell presenterar röda, gröna och blå färger. Det polariserade ljuset som penetrerar färgfiltret når den övre polarisatorn. Efter att ha vridits av den flytande kristallen till en ny vinkel har ljuset från varje subpixel en annan rotationsvinkel. Komponenterna i polariserat ljus som har olika vinklar i förhållande till den övre polarisatorns gitter passerar igenom, vilket resulterar i röda, gröna och blå färger med olika intensiteter från varje subpixelcell. Dessa tre färger med varierande intensitet blandas för att bilda den önskade färgade pixeln. Färgerna från 24 883 200 subpixelceller (3840 * 2160 * 3) kombineras för att bilda färgerna från 8 294 400 pixlar (3840 * 2160), vilket skapar en bildruta i en 4K-upplösning. De flytande kristallerna, som förändras med det elektriska fältet vid en specifik frekvens, ändrar kontinuerligt vibrationsvinkeln för det polariserade ljuset och bildar bildruta efter bildruta, vilket slutligen uppnår videovisning.

Funktionsprincipen för VA-skärmar är densamma som för IPS-paneler. Som visas i figur 6 skiljer sig arrangemanget av flytande kristallmolekyler från IPS-paneler. I VA-skärmar är flytande kristallmolekylerna vertikalt inriktade, och de positiva och negativa pixelelektroderna är fördelade på de övre och nedre planen, vilket skapar ett elektriskt fält i vertikal riktning.

När ingen spänning appliceras på elektroderna är de flytande kristallmolekylerna uppriktade vinkelrätt mot de övre och nedre substraten. Det linjärt polariserade ljuset som passerar genom den nedre polarisatorn utbreder sig parallellt med den långa axeln hos de flytande kristallmolekylerna, så dess polarisationstillstånd förändras inte och det kan inte passera genom den övre polarisatorn. Panelen som observeras av det mänskliga ögat är i ett mörkt tillstånd. När ingen eller låg spänning appliceras passerar polariserat ljus längs den långa axeln hos de flytande kristallmolekylerna. På grund av de flytande kristallernas dubbelbrytning avviker polariserat ljus längs den långa axeln i princip inte, så det kan inte passera genom den övre polarisatorn, vilket resulterar i mycket svart mörkerprestanda, högt kontrastförhållande och utmärkt bildskärpa. När spänning appliceras på elektroderna roterar de flytande kristallmolekylerna under inverkan av det vertikala elektriska fältet, med deras långa axlar lutande i en riktning vinkelrät mot det elektriska fältet. Komponenterna i det infallande linjärt polariserade ljuset som kommer in i den flytande kristallen kommer att uppleva fasfördröjning i det flytande kristallskiktet. Efter att ha lämnat det flytande kristallskiktet rekombineras komponenterna i det polariserade ljuset, och ljusets polarisationstillstånd förändras. Vibrationsriktningen för det polariserade ljuset från varje subpixelcell bildar slutligen en bild i olika vinklar beroende på den inställda spänningen. Efter att ha passerat genom färgfiltret och den övre polarisatorn erhålls subpixelfärger med olika intensiteter. De röda, gröna och blå subpixelfärgerna med olika intensitetsförhållanden blandas för att bilda den inställda pixelfärgen, vilket slutligen skapar en komplett bildruta för visning.