Sıvı Kristal Ekran Teknolojisi (Bölüm 1)

Nispeten daha düşük cihaz üretim gereksinimleri ve yüksek maliyet etkinliği ile sıvı kristal ekran (LCD) teknolojisi, ekran paneli satışlarında ana akım pazara hakim olmaya devam ediyor. LCD, iki ana modülden oluşan pasif tip bir ekrandır: sıvı kristal panel ve arka ışık modülü. Arka ışık modülü beyaz bir ışık kaynağı yayar ve bu ışık daha sonra sıvı kristal panel tarafından her pikselde renk ve parlaklık için modüle edilerek sonuçta hareketli bir renkli görüntü görüntülenir.

Arka ışık modülü, LED boncuklar ve optik filmlerden oluşur. LED'lerden gelen noktasal ışık kaynağı, optik filmler tarafından dağıtılarak ve homojenleştirilerek, sıvı kristal paneli aydınlatan düzgün bir yüzey ışık kaynağı oluşturur. Beyaz ışık kaynağı, üç ana rengin (kırmızı, yeşil ve mavi) bir karışımıdır. Sıvı kristal panelden geçtikten sonra, her bir alt piksel hücresine karşılık gelen sıvı kristal anahtarlarının birleşik etkisiyle belirli renkler ve parlaklıklar oluşur. Yaklaşık 24,88 milyon alt piksel hücresinden oluşan tam bir 4K panel, bir kareyi oluşturur.

Aşağıdaki şekilde sıvı kristal panelin yapısı gösterilmektedir. Çeşitli fonksiyonel filmler taşıyan cam alt tabakalara ek olarak, alttan üste doğru katmanlar şunlardır: alt polarizör, İnce Film Transistör (TFT) sürücü devresi, sıvı kristal katman, Renk Filtresi (CF) ve üst polarizör.

Adından da anlaşılacağı gibi, sıvı kristaller, sıvı benzeri özelliklere sahip kristal yapılı maddelerdir; hem sıvıların akış özelliklerini hem de kristallerin vektör özelliklerini taşırlar ve bu da onlara benzersiz mekanik, optik ve elektriksel özellikler kazandırır. Aşağıdaki fotoğrafta gösterildiği gibi, sıvı kristal panel, sıvı kristaller ile üst ve alt polarizörler arasındaki koordinasyon sayesinde, arka ışıktan gelen gelen ışık üzerinde anahtarlama ve karartma işlemleri gerçekleştirerek farklı parlaklık seviyeleri (gri tonlama) oluşturur. Renk filtresinin işleviyle birleştiğinde, farklı renkler ve parlaklık seviyeleri elde edilir.

Peki, arka ışık sıvı kristal panele girdiğinde ne gibi değişiklikler meydana gelir?

Öncelikle, sıvı kristal panelin alt ve üst katmanları birbirine dik olarak yönlendirilmiş polarizörlerle donatılmıştır. Daha sonra, alan piksel çözünürlüğüne göre sayısız hücreye bölünür. Her piksel kırmızı, yeşil ve mavi alt piksel hücrelerine ayrılır. Alttan üste doğru her hücre, bağımsız bir elektrot, sıvı kristal katmanı ve renk filtresi katmanı ile donatılmıştır. Üst ve alt polarizörler, sıvı kristal ile birlikte, o hücre için ışık iletiminin açık/kapalı durumunu ve iletilen ışığın yoğunluğunu kontrol eden bir "kapı" oluşturur. Üç alt piksel hücresinden geçen farklı ışık yoğunlukları, kırmızı, yeşil ve mavi renk filtrelerinden geçtikten sonra, pikselin ekran rengini ve parlaklığını oluşturmak için farklı oranlarda karışır.

Peki, bu kombine kapı nasıl çalışıyor?

Arka ışık, doğal ışığa benzer şekilde, enine bir elektromanyetik dalgadır. Parçacıkların titreşim yönü, dalga yayılım yönüne diktir; yani ışığın titreşim yönü her zaman xy düzleminde, yayılım yönüne (z ekseni) diktir. Arka ışık ışınları sıvı kristal panelin alt polarizatörüne çarptığında, yalnızca polarizatörün ızgarasıyla aynı yönde (y ekseni yönü) titreşen ışık geçebilir ve belirli bir titreşim yönüyle yayılan doğrusal polarize ışık haline gelir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, TFT alt tabakasındaki piksel elektrotu enerjilendirilmediğinde, polarize ışık titreşim yönünü değiştirmeden sıvı kristal katmanından ve CF katmanından geçer ve üst polarizatöre ulaşır. Bununla birlikte, üst polarizatörün ızgara yönü y eksenine diktir (x ekseni yönü). Bu nedenle, y ekseni yönünde titreşen polarize ışık üst polarizatörden geçemez ve ekranın önünden karanlık bir durum gözlemlenir.

TFT devre elektroduna enerji verildiğinde, sıvı kristal molekülleri döner. Alt polarizörden çıkan polarize ışığın polarizasyon yönü, sıvı kristal moleküllerinin yönlendirmesiyle bükülür. Sıvı kristal kalınlığı ve dönüş açısı için belirli ayarlarla, polarize ışığın titreşim yönü tam olarak 90° bükülebilir. Bu noktada, polarize ışığın titreşim yönü x eksenine paralel hale gelir ve üst polarizörün ızgara yönüyle hizalanarak geçmesine izin verir. Titreşim yönü ızgara yönüyle bir açı oluşturursa, ışık dalgasının ızgara yönündeki enerji bileşeni polarizörden geçebilir ve orijinal ışık yoğunluğu azalır. TFT elektrot voltajı değiştirilerek, sıvı kristallerin dönüş açısı ayarlanabilir ve böylece üst polarizörden geçen ışığın yoğunluğu kontrol edilebilir.

Sıvı Kristallerin Elektro-Optik Özellikleri

Elektrik alanı neden sıvı kristallerin dönmesine neden olabilir? Ve sıvı kristal dönüşü neden polarize ışığın titreşim yönünü değiştirir?

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, sıvı kristal molekülleri çubuk benzeri bir yapıya sahiptir ve kristallerin anizotropisini taşırlar. Uzun ve kısa eksenleri boyunca farklı elektro-optik etkiler, dielektrik sabitleri ve kırılma indisleri sergilerler. Bu özellikleri kullanarak her piksel hücresi için gelen ışığın yoğunluğunu değiştirebilir ve böylece renk ve gri tonlama oluşturabiliriz.

Sıvı Kristallerin Dielektrik Anizotropisi

Sıvı kristal moleküllerinin dielektrik sabiti (ε), uzun ve kısa eksenleri boyunca farklılık gösterir. Uzun eksene paralel dielektrik sabiti, uzun eksene dik dielektrik sabitinden daha büyük olduğunda (ε// > ε⊥), pozitif dielektrik anizotropisine sahip pozitif tip sıvı kristal olarak adlandırılır ve paralel hizalama için uygundur. ε// < ε⊥ olduğunda ise negatif dielektrik anizotropisine sahip negatif tip sıvı kristal olarak adlandırılır ve istenen elektro-optik etkiyi elde etmek için yalnızca dikey hizalamada kullanılabilir. Harici bir elektrik alanı uygulandığında, sıvı kristal moleküllerinin dönme yönü (elektrik alanına paralel veya dik olup olmadığı), dielektrik anizotropisinin pozitif veya negatif olmasına bağlıdır ve bu da ışığın iletilip iletilmeyeceğini belirler. Şu anda, TFT-LCD'lerde yaygın olarak kullanılan VA tipi sıvı kristallerin çoğu negatif dielektrik anizotropi tipine aittir. Enerji verildiğinde, sıvı kristal molekülleri dış elektrik alanı tarafından polarize edilir ve uzun eksenleri alana dik bir yöne doğru eğilir. IPS genellikle pozitif tip sıvı kristaller kullanırken, bazı ADS Pro panelleri negatif tip sıvı kristaller kullanır.

Sıvı Kristallerin Çift Kırılması

Sıvı kristal molekülleri çift kırılma ve optik dönme özelliğine sahiptir; kırılma indisi (n) uzun ve kısa eksenler boyunca farklıdır. Uzun eksen boyunca kırılma indisi nO, kısa eksen boyunca ise nE'dir.

Kırılma indisleri farklı olduğundan, ışığın hızları da farklıdır. Sıvı kristaller döndüğünde, uzun ve kısa eksenler boyunca ışık hızları farklılık gösterir ve bu da gelen ışığa kıyasla çıkan sıradan (O) ve olağanüstü (E) ışınlar arasında bir faz farkına neden olarak bir faz gecikmesi olgusuna yol açar. Işık demeti sıvı kristalden çıktığında, O ve E ışık vektörleri yeniden birleşerek dönen yeni bir titreşim yönü oluşturur. Optik yol uzunluğu ve dönüş açısının özel tasarımı sayesinde, çıkan O ve E ışınları arasındaki faz farkı dalga boyunun yarısına ayarlanabilir. Bu, çıkan ışığın fazının gelen ışığa göre 90° dönmesine neden olarak üst polarizörden geçmesini sağlar. Sıvı kristallerin farklı dönüş açıları, O ve E ışınları arasında farklı faz farkları belirleyerek iletilen ışığın yoğunluğunu kontrol eder.

Sıvı Kristal Panel Çeşitleri

Sıvı kristallerin dönüş moduna göre üç tipe ayrılırlar: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) ve VA (Vertical Alignment). Bunlar arasında, TN tipi LCD paneller en erken kullanılan ve en düşük maliyetli olanlardır. Bununla birlikte, doğal 6 bit renkleri (düşük renk gamı) ve çok düşük görüş açıları nedeniyle, esasen ana akım LCD ekran paneli pazarından çıkmışlardır. Günümüzdeki ana akım LCD ekranlar ağırlıklı olarak IPS ve VA panelleri kullanmaktadır.

Şekilde gösterildiği gibi, IPS ekran panellerinde sıvı kristal molekülleri yatay olarak düzenlenmiştir. Pozitif ve negatif piksel elektrotları, TFT alt tabakasında aynı yatay düzlemde bulunur. Enerji verilmediğinde, alt polarizörden geçen polarize ışık, polarizasyon yönünde bir değişiklik olmadan sıvı kristalden geçer. Bu sırada, polarize ışığın titreşim yönü, üst polarizörün ızgara yönüne diktir ve ışık geçemez. Enerji verildiğinde, elektrik alanın varlığı nedeniyle, sıvı kristal molekülleri yatay düzlem içinde döner (düzlem içi anahtarlama). Çift kırılma nedeniyle, polarize ışık farklı hızlara sahip iki ışık ışınına ayrışır. Sıvı kristalden çıktıktan sonra, bu iki polarize ışık bir faz farkına sahiptir ve yeni bir polarize ışık türü oluşturmak üzere yeniden birleşir. Bu polarize ışık daha sonra renk filtresinden geçer ve her bir alt piksel hücresinden gelen ışık kırmızı, yeşil ve mavi renkleri gösterir. Renk filtresini geçen polarize ışık, üst polarizöre ulaşır. Sıvı kristal tarafından yeni bir açıya bükülen her bir alt pikselden gelen ışığın farklı bir dönme açısı vardır. Üst polarizörün ızgarasına göre farklı açılara sahip polarize ışık bileşenleri geçer ve her bir alt piksel hücresinden farklı yoğunluklarda kırmızı, yeşil ve mavi renkler elde edilir. Bu üç farklı yoğunluktaki renk, istenen renkli pikseli oluşturmak için karışır. 24.883.200 alt piksel hücresinden (3840 * 2160 * 3) gelen renkler, 8.294.400 pikselin (3840 * 2160) renklerini oluşturmak için birleşerek 4K çözünürlüklü bir görüntünün bir karesini oluşturur. Belirli bir frekansta elektrik alanıyla değişen sıvı kristaller, polarize ışığın titreşim açısını sürekli olarak değiştirerek kare kare görüntüler oluşturur ve nihayetinde video görüntüsünü sağlar.

VA ekranların çalışma prensibi IPS panellerle aynıdır. Şekil 6'da gösterildiği gibi, sıvı kristal moleküllerinin dizilimi IPS panellerden farklıdır. VA ekranlarda, sıvı kristal molekülleri dikey olarak hizalanmıştır ve pozitif ve negatif piksel elektrotları üst ve alt düzlemlere dağıtılarak dikey yönde bir elektrik alanı oluşturur.

Elektrotlara voltaj uygulanmadığında, sıvı kristal molekülleri üst ve alt yüzeylere dik olarak hizalanır. Alt polarizörden geçen doğrusal polarize ışık, sıvı kristal moleküllerinin uzun eksenine paralel olarak yayılır, bu nedenle polarizasyon durumu değişmez ve üst polarizörden geçemez. İnsan gözüyle görülen panel karanlık bir durumdadır. Voltaj uygulanmadığında veya düşük voltaj uygulandığında, polarize ışık sıvı kristal moleküllerinin uzun ekseni boyunca ilerler. Sıvı kristallerin çift kırınımı nedeniyle, uzun eksen boyunca polarize ışık temelde sapmaz, bu nedenle üst polarizörden geçemez, bu da çok siyah karanlık durum performansı, yüksek kontrast oranı ve mükemmel görüntü netliği sağlar. Elektrotlara voltaj uygulandığında, sıvı kristal molekülleri dikey elektrik alanının etkisi altında döner ve uzun eksenleri elektrik alanına dik bir yöne doğru eğilir. Sıvı kristale giren gelen doğrusal polarize ışığın bileşenleri, sıvı kristal tabakası içinde faz gecikmesi yaşayacaktır. Sıvı kristal katmanından ayrıldıktan sonra, polarize ışığın bileşenleri yeniden birleşir ve ışığın polarizasyon durumu değişir. Her bir alt piksel hücresinden gelen polarize ışığın titreşim yönü, ayarlanan gerilime göre farklı açılara doğru bir dönüşüm (偏转) gerçekleştirir. Renk filtresinden ve üst polarizörden geçtikten sonra, farklı yoğunluklarda alt piksel renkleri elde edilir. Farklı yoğunluk oranlarına sahip kırmızı, yeşil ve mavi alt piksel renkleri karışarak ayarlanan piksel rengini oluşturur ve sonunda görüntü için eksiksiz bir çerçeve oluşturur.