เทคโนโลยีจอแสดงผลคริสตัลเหลว (ตอนที่ 1)

เทคโนโลยีจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) ยังคงครองตลาดหลักสำหรับการจำหน่ายแผงจอแสดงผล เนื่องจากมีความต้องการในการผลิตอุปกรณ์ค่อนข้างต่ำและคุ้มค่าสูง LCD เป็นจอแสดงผลแบบพาสซีฟ โดยอุปกรณ์ประกอบด้วยโมดูลหลักสองโมดูล ได้แก่ แผงคริสตัลเหลวและโมดูลแบ็คไลท์ โมดูลแบ็คไลท์จะปล่อยแสงสีขาว ซึ่งจะถูกปรับเปลี่ยนสีและความสว่างที่แต่ละพิกเซลโดยแผงคริสตัลเหลว จนในที่สุดก็แสดงภาพสีเคลื่อนไหวได้

โมดูลแบ็คไลท์ประกอบด้วยเม็ด LED และฟิล์มแสง แหล่งกำเนิดแสงแบบจุดจาก LED จะถูกกระจายและทำให้สม่ำเสมอโดยฟิล์มแสงเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงพื้นผิวที่สม่ำเสมอซึ่งส่องสว่างแผงจอ LCD แหล่งกำเนิดแสงสีขาวเป็นส่วนผสมของสีหลักสามสี ได้แก่ สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน หลังจากผ่านแผงจอ LCD แล้ว สีและความสว่างเฉพาะจะถูกสร้างขึ้นผ่านการทำงานร่วมกันของสวิตช์จอ LCD ที่สอดคล้องกับเซลล์ย่อยแต่ละเซลล์ แผง 4K ทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์ย่อยประมาณ 24.88 ล้านพิกเซล ประกอบเป็นหนึ่งเฟรม

โครงสร้างของแผงผลึกเหลวแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง นอกจากแผ่นกระจกที่รองรับฟิล์มฟังก์ชันต่างๆ แล้ว ชั้นต่างๆ จากล่างขึ้นบน ได้แก่ ตัวกรองโพลาไรซ์ด้านล่าง วงจรขับทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) ชั้นผลึกเหลว ตัวกรองสี (CF) และตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบน

ดังที่ชื่อบ่งบอกไว้ ผลึกเหลวเป็นสารผลึกที่มีคุณสมบัติคล้ายของเหลว โดยมีทั้งลักษณะการไหลของของเหลวและคุณสมบัติเชิงเวกเตอร์ของผลึก ซึ่งทำให้มีคุณสมบัติทางกล ทางแสง และทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ ดังแสดงในภาพต่อไปนี้ แผงผลึกเหลวจะทำการสลับและหรี่แสงที่ตกกระทบจากไฟแบ็คไลท์ โดยอาศัยการประสานงานระหว่างผลึกเหลวและตัวกรองแสงด้านบนและด้านล่าง ทำให้เกิดระดับความสว่างที่แตกต่างกัน (ระดับสีเทา) เมื่อรวมกับการทำงานของตัวกรองสี จะทำให้เกิดสีและระดับความสว่างที่แตกต่างกัน

ดังนั้น เมื่อแสงแบ็คไลท์ส่องเข้าไปในแผงจอ LCD จะเกิดการเปลี่ยนแปลงอะไรบ้าง?

ขั้นแรก แผงผลึกเหลวจะติดตั้งตัวกรองโพลาไรซ์ที่วางตั้งฉากกัน จากนั้น พื้นที่จะถูกแบ่งออกเป็นเซลล์จำนวนมากตามความละเอียดของพิกเซล แต่ละพิกเซลจะถูกแบ่งย่อยออกเป็นเซลล์ย่อยสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน แต่ละเซลล์จากล่างขึ้นบนจะติดตั้งอิเล็กโทรดอิสระ ชั้นผลึกเหลว และชั้นตัวกรองสี ตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนและด้านล่าง รวมกับผลึกเหลว จะก่อให้เกิด "ประตู" ที่ควบคุมสถานะการเปิด/ปิดของการส่งผ่านแสงสำหรับเซลล์นั้น รวมถึงความเข้มของแสงที่ส่งผ่าน ความเข้มของแสงที่แตกต่างกันที่ส่งผ่านเซลล์ย่อยทั้งสาม หลังจากผ่านตัวกรองสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินแล้ว จะผสมกันในสัดส่วนที่แตกต่างกันเพื่อสร้างสีและความสว่างของพิกเซลที่แสดงผล

แล้วประตูรวมแบบนี้ทำงานอย่างไร?

แสงแบ็คไลท์นั้นคล้ายกับแสงธรรมชาติ คือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง ทิศทางการสั่นของอนุภาคจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น ซึ่งหมายความว่าทิศทางการสั่นของแสงจะอยู่ภายในระนาบ xy เสมอ และตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจาย (แกน z) เมื่อรังสีแบ็คไลท์กระทบกับตัวกรองโพลาไรซ์ด้านล่างของแผงผลึกเหลว เฉพาะแสงที่สั่นในทิศทางเดียวกับตะแกรงของตัวกรองโพลาไรซ์ (ทิศทางแกน y) เท่านั้นที่จะผ่านไปได้ กลายเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นที่แพร่กระจายด้วยทิศทางการสั่นที่เฉพาะเจาะจง ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่ออิเล็กโทรดพิกเซลบนพื้นผิว TFT ไม่ได้รับพลังงาน แสงโพลาไรซ์จะผ่านชั้นผลึกเหลวและชั้น CF โดยไม่เปลี่ยนทิศทางการสั่น และไปถึงตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบน อย่างไรก็ตาม ทิศทางตะแกรงของตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนนั้นตั้งฉากกับแกน y (ทิศทางแกน x) ดังนั้น แสงโพลาไรซ์ที่สั่นในทิศทางแกน y จึงไม่สามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนได้ ส่งผลให้มองเห็นภาพมืดจากด้านหน้าของหน้าจอ

เมื่ออิเล็กโทรดวงจร TFT ได้รับพลังงาน โมเลกุลของผลึกเหลวจะหมุน แสงโพลาไรซ์ที่ออกมาจากตัวกรองโพลาไรซ์ด้านล่างจะมีทิศทางโพลาไรซ์บิดเบี้ยวภายใต้การควบคุมของโมเลกุลผลึกเหลว ด้วยการตั้งค่าความหนาของผลึกเหลวและมุมการหมุนที่เหมาะสม ทิศทางการสั่นของแสงโพลาไรซ์สามารถบิดเบี้ยวได้ถึง 90° อย่างแม่นยำ ณ จุดนี้ ทิศทางการสั่นของแสงโพลาไรซ์จะขนานกับแกน x ซึ่งตรงกับทิศทางของตะแกรงในตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบน ทำให้แสงสามารถผ่านไปได้ หากทิศทางการสั่นทำมุมกับทิศทางของตะแกรง ส่วนประกอบของพลังงานคลื่นแสงตามทิศทางของตะแกรงจะสามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ได้ และความเข้มของแสงเดิมจะลดลง การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรด TFT สามารถปรับมุมการหมุนของผลึกเหลวได้ จึงสามารถควบคุมความเข้มของแสงที่ส่งผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนได้

ลักษณะทางไฟฟ้าและแสงของผลึกเหลว

เหตุใดสนามไฟฟ้าจึงทำให้ผลึกเหลวหมุนได้? และเหตุใดการหมุนของผลึกเหลวจึงเปลี่ยนทิศทางการสั่นของแสงโพลาไรซ์?

ดังแสดงในรูปด้านล่าง โมเลกุลของผลึกเหลวมีโครงสร้างคล้ายแท่งและมีคุณสมบัติแอนไอโซโทรปีเช่นเดียวกับผลึก พวกมันแสดงผลทางไฟฟ้าเชิงแสง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก และดัชนีหักเหที่แตกต่างกันไปตามแกนยาวและแกนสั้น เราสามารถใช้คุณสมบัติเหล่านี้เพื่อเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงตกกระทบสำหรับแต่ละเซลล์พิกเซล ทำให้เกิดสีและโทนสีเทาได้

ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันทางไดอิเล็กทริกของผลึกเหลว

--- ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (ε) ของโมเลกุลผลึกเหลวจะแตกต่างกันตามแกนยาวและแกนสั้น เมื่อค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ขนานกับแกนยาวมีค่ามากกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ตั้งฉากกับแกนยาว (ε// > ε⊥) จะเรียกว่าผลึกเหลวชนิดบวกที่มีค่าไดอิเล็กทริกแอนไอโซโทรปีเป็นบวก เหมาะสำหรับการจัดเรียงแบบขนาน เมื่อ ε// < ε⊥ จะเรียกว่าผลึกเหลวชนิดลบที่มีค่าไดอิเล็กทริกแอนไอโซโทรปีเป็นลบ ซึ่งสามารถใช้ได้เฉพาะในการจัดเรียงแนวตั้งเพื่อให้ได้ผลทางอิเล็กโทรออปติกที่ต้องการ เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอก ทิศทางการหมุนของโมเลกุลผลึกเหลว—ว่าจะขนานหรือตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า—จะถูกกำหนดโดยว่าค่าไดอิเล็กทริกแอนไอโซโทรปีเป็นบวกหรือลบ ซึ่งจะกำหนดว่าแสงจะผ่านได้หรือไม่ ปัจจุบัน ผลึกเหลวชนิด VA ที่ใช้กันทั่วไปใน TFT-LCD ส่วนใหญ่เป็นชนิดไดอิเล็กทริกแอนไอโซโทรปีเป็นลบ เมื่อได้รับพลังงาน โมเลกุลของผลึกเหลวจะถูกทำให้เกิดขั้วโดยสนามไฟฟ้าภายนอก ส่งผลให้แกนยาวของโมเลกุลเอียงไปในทิศทางตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า โดยทั่วไป IPS จะใช้ผลึกเหลวชนิดบวก ในขณะที่แผง ADS Pro บางรุ่นใช้ผลึกเหลวชนิดลบ

การหักเหสองทิศทางของผลึกเหลว

โมเลกุลของผลึกเหลวมีคุณสมบัติการหักเหสองทิศทางและการหมุนเชิงแสง โดยดัชนีหักเห (n) จะแตกต่างกันตามแกนยาวและแกนสั้น ดัชนีหักเหตามแกนยาวคือ nO และดัชนีหักเหตามแกนสั้นคือ nE

เนื่องจากดัชนีหักเหแตกต่างกัน ความเร็วของแสงจึงแตกต่างกัน เมื่อผลึกเหลวหมุน ความเร็วของแสงตามแกนยาวและแกนสั้นจะแตกต่างกัน ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟสระหว่างรังสีธรรมดา (O) และรังสีพิเศษ (E) ที่ออกมาเมื่อเทียบกับสถานะตกกระทบ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์การหน่วงเฟส เมื่อลำแสงออกจากผลึกเหลว เวกเตอร์แสง O และ E จะรวมกันใหม่ ทำให้เกิดทิศทางการสั่นใหม่ที่หมุนไป ด้วยการออกแบบความยาวเส้นทางแสงและมุมการหมุนเป็นพิเศษ ความแตกต่างของเฟสระหว่างรังสี O และ E ที่ออกมาสามารถตั้งค่าเป็น 1/2 ของความยาวคลื่นได้ ซึ่งทำให้เฟสของแสงที่ออกมาหมุนไป 90° เมื่อเทียบกับแสงตกกระทบ ทำให้สามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนได้ มุมการหมุนที่แตกต่างกันของผลึกเหลวจะกำหนดความแตกต่างของเฟสระหว่างรังสี O และ E ที่แตกต่างกัน จึงสามารถควบคุมความเข้มของแสงที่ส่งผ่านได้

ประเภทของแผงจอ LCD

โดยพิจารณาจากโหมดการหมุนของผลึกเหลว แผง LCD สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) และ VA (Vertical Alignment) ในบรรดาประเภทเหล่านี้ แผง LCD แบบ TN เป็นประเภทที่ใช้กันมากที่สุดและมีต้นทุนต่ำที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีสีเพียง 6 บิต (ขอบเขตสีต่ำ) และมุมมองที่แคบมาก จึงทำให้แผง LCD แบบ TN ไม่ได้เป็นที่นิยมในตลาดหลักอีกต่อไป ปัจจุบันแผง LCD ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่ใช้แผง IPS และ VA

ดังแสดงในรูป แผงจอแสดงผล IPS มีโมเลกุลของผลึกเหลวเรียงตัวในแนวนอน ขั้วไฟฟ้าพิกเซลบวกและลบอยู่บนระนาบแนวนอนเดียวกันบนพื้นผิว TFT เมื่อไม่มีพลังงาน แสงโพลาไรซ์ที่ผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านล่างจะผ่านผลึกเหลวโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงทิศทางของโพลาไรซ์ ในขณะนี้ ทิศทางการสั่นของแสงโพลาไรซ์จะตั้งฉากกับทิศทางของตะแกรงของตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบน และแสงไม่สามารถผ่านได้ เมื่อได้รับพลังงาน เนื่องจากมีสนามไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวจะหมุนภายในระนาบแนวนอน (การสลับในระนาบ) เนื่องจากการหักเหสองทิศทาง แสงโพลาไรซ์จะแยกออกเป็นลำแสงสองลำที่มีความเร็วต่างกัน เมื่อออกจากผลึกเหลว แสงโพลาไรซ์ทั้งสองนี้จะมีเฟสต่างกันและรวมกันเป็นแสงโพลาไรซ์ชนิดใหม่ จากนั้นแสงโพลาไรซ์นี้จะผ่านตัวกรองสี โดยแสงจากแต่ละเซลล์ย่อยพิกเซลจะแสดงสีแดง เขียว และน้ำเงิน แสงโพลาไรซ์ที่ทะลุผ่านตัวกรองสีจะไปถึงตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบน แสงจากแต่ละซับพิกเซลจะมีมุมการหมุนที่แตกต่างกันเมื่อถูกบิดด้วยผลึกเหลว ส่วนประกอบของแสงโพลาไรซ์ที่มีมุมต่างกันเมื่อเทียบกับตะแกรงของตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนจะผ่านไป ทำให้เกิดสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินที่มีความเข้มต่างกันจากแต่ละเซลล์ซับพิกเซล สีทั้งสามที่มีความเข้มต่างกันนี้จะผสมกันเพื่อสร้างพิกเซลสีที่ต้องการ สีจากเซลล์ซับพิกเซล 24,883,200 เซลล์ (3840 * 2160 * 3) รวมกันเพื่อสร้างสีของพิกเซล 8,294,400 พิกเซล (3840 * 2160) ทำให้เกิดภาพความละเอียด 4K หนึ่งเฟรม ผลึกเหลวที่เปลี่ยนแปลงไปตามสนามไฟฟ้าด้วยความถี่เฉพาะ จะเปลี่ยนมุมการสั่นของแสงโพลาไรซ์อย่างต่อเนื่อง สร้างเฟรมต่อเฟรม จนกระทั่งแสดงผลวิดีโอได้ในที่สุด

หลักการทำงานของจอแสดงผล VA นั้นเหมือนกับจอแสดงผล IPS ดังแสดงในรูปที่ 6 การจัดเรียงโมเลกุลของผลึกเหลวแตกต่างจากจอแสดงผล IPS ในจอแสดงผล VA โมเลกุลของผลึกเหลวจะเรียงตัวในแนวตั้ง และขั้วไฟฟ้าพิกเซลบวกและลบจะกระจายอยู่บนระนาบด้านบนและด้านล่าง ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในทิศทางแนวตั้ง

เมื่อไม่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวจะเรียงตัวตั้งฉากกับพื้นผิวบนและล่าง แสงโพลาไรซ์เชิงเส้นที่ผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านล่างจะเคลื่อนที่ขนานกับแกนยาวของโมเลกุลผลึกเหลว ดังนั้นสถานะโพลาไรซ์จึงไม่เปลี่ยนแปลงและไม่สามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนได้ แผงที่มองเห็นด้วยตาเปล่าจึงอยู่ในสถานะมืด เมื่อไม่มีหรือมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำ แสงโพลาไรซ์จะผ่านไปตามแกนยาวของโมเลกุลผลึกเหลว เนื่องจากคุณสมบัติการหักเหสองทิศทางของผลึกเหลว แสงโพลาไรซ์ตามแกนยาวจึงแทบไม่เบี่ยงเบน ดังนั้นจึงไม่สามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนได้ ส่งผลให้ได้ภาพในสถานะมืดที่มืดสนิท อัตราส่วนความคมชัดสูง และความคมชัดของภาพที่ยอดเยี่ยม เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวจะหมุนภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าแนวตั้ง โดยแกนยาวของโมเลกุลจะเอียงไปในทิศทางตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นที่ตกกระทบและเข้าสู่ผลึกเหลวจะเกิดการหน่วงเฟสภายในชั้นผลึกเหลว หลังจากออกจากชั้นผลึกเหลวแล้ว ส่วนประกอบของแสงโพลาไรซ์จะรวมตัวกันใหม่ และสถานะโพลาไรซ์ของแสงจะเปลี่ยนแปลงไป ทิศทางการสั่นของแสงโพลาไรซ์จากแต่ละเซลล์ย่อยพิกเซลจะเปลี่ยนเป็นมุมต่างๆ ตามแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งไว้ หลังจากผ่านตัวกรองสีและตัวกรองโพลาไรซ์ด้านบนแล้ว จะได้สีย่อยพิกเซลที่มีความเข้มต่างกัน สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินของย่อยพิกเซลที่มีอัตราส่วนความเข้มต่างกันจะผสมกันเพื่อสร้างสีพิกเซลที่ตั้งไว้ และในที่สุดก็สร้างเฟรมที่สมบูรณ์สำหรับการแสดงผล