LCD-evolúció - 3

A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

Variációk egy témára – ez lehetne mottója jelen fejezetünknek. Cikksorozatunk második részében bemutattuk, milyen alapmegoldásokat találtak ki az LCD panelek rálátási szögtartományainak növelésére, hogy a kijelzőt különböző irányokból néző felhasználók közel azonos minőségben lássák a megjelenített képet. Most pedig részletesen ismertetjük az IPS technológia – majd két évtizede tartó – innovációs folyamatát meghatározó típusváltozatokat.

Az IPS TFT LCD kijelzők evolúciója

A síkban váltó folyadékkristály-vezérlési metódust alkalmazó IPS (In-Plane Switching) – másnéven Super TFT – LCD kijelző alaptechnológiáját (1/a. ábra) első lépésben a szintén Hitachi innovációként 1998-ban bemutatott S-IPS (Super IPS) változat erősítette tovább. Elektródáinak módosítása következtében az S-IPS LCD panel képessé vált arra, hogy a folyadékkristály-molekulákat eltérő irányokba forgassa el (multi-domain). Ennek eredményeként az IPS alaptípus amúgy széles, 170°/170°/160° (horizontális-vertikális-diagonális) rálátási szögtartományait sikerült 178°/178°/160° értékekre növelni. Emellett vízszintes és függőleges síkokban nézve is csak rendkívül kismértékű színtónus-eltolódás (color shift) figyelhető meg a reprodukált képen. (A legzavaróbb talán a sötét képeknél látható lilás árnyalat, ha valaki egészen oldalról, fentről, vagy alulról nézi az S-IPS LCD kijelzőt.)
A jelenlegi LCD kijelző válaszidők ismeretében már kissé furcsának hat, de akkoriban az is komoly fegyverténynek számított, hogy az IPS alaptípus 50 ms válaszidejét először 25 ms, a későbbiekben pedig egészen 16 ms értékekre sikerült leszorítani. Az első generációs S-IPS LCD kijelzők legnagyobb problémája az alacsony statikus kontrasztarány^[1] – mindössze 400:1…600:1 –, ami gondot okoz az igazán mély feketék megjelenítésekor. (1/b. ábra) Ezt jórészt sikerrel orvosolta az úgyszintén a Hitachi nevéhez köthető, 2002-ben debütált AS-IPS (Advanced Super IPS) LCD panel, amelynél átlátszó közös elektróda alkalmazásával növelték meg a kijelző transzparenciáját. Ez a változtatás a háttérvilágítás folyadékkristály-rétegen áteresztett fényének 30%-os fényerő-növekedését eredményezte az S-IPS típushoz képest, ami kedvező hatást gyakorolt a kijelző statikus kontrasztarányára is (600:1 … 800:1). (1/c. ábra)

1. ábra

A Hitachi soronkövetkező „nagy dobása” az IPS LCD kijelzők technológiai továbbfejlesztése terén a 2004-ben megjelenő IPS-Pro (IPS-Provectus), átlátszó folyadékkristály-vezérlő elektródákkal és módosított elektródaszerkezettel, 800:1 … 1200:1 statikus kontrasztaránnyal, és talán egy ezeknél is fontosabb – rálátási szögtartománnyal kapcsolatos – jellemző, az úgynevezett HCA (Half Contrast Viewing Angle) bevezetésével. A HCA nem más, mint a kijelző középpontjától vízszintes síkban jobbra és balra kitérő azon látószögek összege, amelyek határáról nézve a kijelzőt, a kontraszt a maximális értékének felére csökken. A HCA értéke egy átlagos TN LCD kijelző esetében 38° (jobbra és balra is 19°), az első generációs IPS LCD kijelzőknél viszont már 70° (jobbra-balra 35°), az IPS-Pro LCD kijelzőknél pedig egészen széles, 120° (jobbra-balra 60°) szögtartományt fed le. (2. ábra)

2. ábra

Ezért az IPS-Pro LCD panelek (1/d. ábra) a sztenderd felhasználási környezetek (tévék, mobileszközök kijelzői) mellett olyan specializált alkalmazásokban is megtalálták a helyüket, mint például az orvosi képdiagnosztika, ahol szó szerint létfontosságú lehet a széles szögtartományban ugyanolyan részletgazdag textúrával, színhelyesen látható kép.
Az IPS technológiához kapcsolódó innovációk másik zászlóvivője az LG. A dél-koreai gyártó a Philips céggel összefogva 1999-ben LG.Philips LCD néven létrehozott egy közös vállalatot, ami kifejezetten LCD kijelzők fejlesztésével és gyártásával foglalkozott. Közös fejlesztési projektjük eredménye 2005-ben az E-IPS (Enhanced Super IPS) folyadékkristály-panel. Létrejöttének legfőbb mozgatórugója, hogy ekkorra már globális szinten is reflektorfénybe került a nagyfelbontású televíziózás (High Definition Television – HDTV), valamint színre léptek az ehhez kapcsolódó „infrastrukturális” összetevők – HD tartalmak sugárzására képes műsorszolgáltatók, később pedig a játékkonzolok újabb generációi, valamint a DVD-t, mint otthoni filmes szórakoztató forrásberendezést leváltó Blu-ray Disc (BD) lejátszók. Eközben pedig az LCD kijelzők szélesebb körénél is megjelentek a folyadékkristály-cellák válaszidejének csökkentését szolgáló különféle túlvezérlő áramkörök (Overdrive Circuit – ODC). Mindezekkel együtt az LCD panelek világában olyan jellemzők is feltűntek, mint az úgynevezett „GtG (vagy G2G) válaszidő” (gray-to-gray response time), amely azt mutatja meg, milyen gyorsan képes a folyadékkristály-cella egyik szürkeárnyalatról a másikra váltani, vagy a dinamikus kontrasztarány^[2]. A GtG válaszidő, illetve a dinamikus kontrasztarány specifikálásának hasznosságáról megoszlanak a vélemények. Arra mindenesetre tökéletesen megfeleltek (és megfelelnek), hogy „számháborút” generáljanak és összezavarják a felhasználókat.

Az E-IPS LCD kijelzők első generációi 178°/178°/178° (horizontális-vertikális-diagonális) rálátási szögtartományt és 5 ms alatti GtG válaszidőt produkáltak. (Igaz, a „hagyományos”, alképpont aktiválási és visszaállítási idők összegeként specifikált 12 ms alatti (később 8 ms alatti) teljes válaszidő tekintetében sem volt miért szégyenkezniük.) Dinamikus kontrasztarányuk 1600:1 … 2000:1 között mozgott. Ezeket az LCD kijelzőket rendkívül széles kínálatban, 58 cm (23”) és 106 cm (42”) közötti képátló-méretekkel, 16:9 képaránnyal, 1366×768 képpontos HD felbontással gyártotta az LG.Philips LCD. 2006 első negyedévében megkezdték az akkor csúcskategóriának számító 16:9 képarányú, 1920×1080 képpont felbontású Full HD LCD kijelzők sorozatgyártását is, amelyek kizárólag nagy – 106 cm (42”), 119 cm (47”) és 139 cm (55”) – képátló-méretekben készültek. Erre az időszakra tehető annak a tendenciának a kezdete is, amikor az LCD kijelző-technológia elkezdte szorongatni a nagyképernyős síkpaneles televíziók termékszegmensében addig egyeduralkodó plazmakijelzős tévékészülékeket.

2005-ben a Hitachi, a Toshiba és a Matsushita (Panasonic) összefogott, és együtt megalapították az IPS Alpha Technology, Ltd. vállalatot. 2008-ban pedig különálló gyáregység építésébe fogtak Japánban, amely 2010-ben kezdett termelni. Profilja a kifejezetten tévékészülékekbe szerelhető 81 cm (32”), illetve annál nagyobb képátlójú LCD kijelzők gyártása volt. Közösen kezdtek az úgynevezett IPS Alpha (IPS α) kijelzők fejlesztésébe (1/e. ábra), melyek alapjául a Hitachi IPS-Pro technológiája szolgált.
2007-ben elkészült az LG.Philips LCD H-IPS (Horizontal IPS) folyadékkristály-panelje, melynél vízszintesen elrendezett elektródaszerkezettel és az oldalsó közös elektróda szélességének csökkentésével javítottak az alképpontok folyadékkristály-celláinak apertúra-arányán^[3], ami képpont-szinten 20%-kal nagyobb fény-áteresztőképességet eredményezett az S-IPS panelekéhez képest
(3/a. ábra). Sötét képek megjelenítésekor a H-IPS LCD kijelzők esetében fehér fénykiszűrődés figyelhető meg, ha a felhasználó oldalról nézi a kijelzőt. Ez – az angol nyelven „IPS glow” néven emlegetett – jelenség zavaróbb, mint az S-IPS technológiás panelek lilás árnyalata, ezért néhány felsőkategóriás H-IPS LCD kijelzőnél úgynevezett A-TW (Advanced True Wide) polarizátort alkalmaznak, hogy növeljék a kijelző feketeszintjeit és redukálják a fehér fénykiszűrődés mértékét. 2008 végén a Philips kiszállt a közös LCD kijelző fejlesztő/gyártó projektből, amelyet a dél-koreai cég LG Display néven egyedül vitt tovább.

3. ábra

Az IPS LCD kijelzők fényáteresztőképességének növelésére irányuló innovációs törekvéseket első lépcsőben, a 2009-ben bemutatott UH-IPS (Ultra Horizontal IPS), vagy másnéven H2-IPS technológia folytatta, egymáshoz közelebb helyezett RGB alképpontokkal, valamint a H-IPS panelekhez viszonyítva 18%-kal megnövelt apertúra-aránnyal. (3/b. ábra) A 2010-ben kihozott S-IPS II technológia esetében pedig az UH-IPS kijelzőkhöz képest is 11,6%-kal jobb apertúra-arányt tudtak elérni. Az S-IPS II panel folyadékkristály-celláinak kialakításában újra visszatért az S-IPS „bumeráng” vagy „nyílhegy” alakú RGB alképpont-struktúrája, mely csökkenti a megjelenített kép „csíkozódását” (3/c. ábra).
2010 nyarán a Panasonic kizárólagos tulajdonába került az IPS Alpha Technology, Ltd., ezzel együtt a vállalat neve is Panasonic Liquid Crystal Display Co., Ltd. névre változott. A japán gyártó a Hitachi IPS-Pro technológiájának alapjaira épülő IPS Alpha (IPS α) panelek fejlesztésének/gyártásának útját járva 2011-ben bemutatta a térhatású (3D) képtartalmak megjelenítését is támogató, 81 cm (32”) és 94 cm (37”) képátlójú, 1920×1080 képpont felbontású Full HD 3D IPS Alpha LCD kijelzőit (4. ábra).

4. ábra

Egy évre rá elkészültek a világ legkisebb, legvékonyabb, 3980×2160 képpont felbontású (4K2K) IPS Alpha folyadékkristály-paneljével. A 2012 januári nemzetközi fogyasztói elektronikai szakkiállításon (International Consumer Electronics Show – CES), Las Vegasban bemutatott 51 cm (20,4”) képátlójú, mindössze 3,5 mm vastag LCD kijelző 216 ppi (pixel-per-inch) képpontsűrűsége akkoriban rendkívül magasnak számított, ami az átalakított folyadékkristály-cellaszerkezetnek és a megnövelt apertúra-aránynak köszönhető. A Panasonic 2016 november végén mutatta be legújabb LCD kijelző innovációját, egy kifejezetten professzionális alkalmazási célokra (tévéműsor-készítés, videó-feldolgozás, orvosi képdiagnosztika, gépjárművekbe építhető kijelzőrendszerek) fejlesztett IPS technológiás panelcsaládot (5. ábra) 1 000 000:1 kontrasztaránnyal, amely a kijelző háttérvilágítását képpont-szinten „finomhangoló” fénymoduláló cellának (light modulating cell) köszönhető.

5. ábra

2012 tavaszán az állami finanszírozású INCJ (Innovation Network Corporation of Japan) meghatározó tulajdoni hányadának „szárnyai alatt” fogott össze a Sony, a Hitachi és a Toshiba, és lerakták egy új közös kijelző fejlesztő/gyártó vállalat, a Japan Display Inc. alapjait. A céget okostelefonokba és táblagépekbe szerelhető LCD kijelzőkre „szakosították”. LCD fejlesztésük a hordozható eszközök kis képátlójú, nagy képpontsűrűségű, nagyfelbontású kijelzőiként gyártott IPS-NEOTM panel, amelynél a folyadékkristály-molekulák UV besugárzás által történő azonos irányba állítása (orientációja)^[4] jóvoltából szinte teljesen megszűnik a fényátszűrődés a sötét tónusú képeknél (6. ábra).

6. ábra

Kis képátlójú mobileszközökben alkalmazható kijelzők az elsődleges célcsoportjai az LG Display 2011-ben bevezetett AH-IPS (Advanced High-performance IPS) paneljének, melynél a magas apertúra-arány által biztosított fényáteresztő képesség (nagyobb fényerő), széles rálátási szögtartomány, valamint az alacsony energiafogyasztás a leginkább meghatározó tulajdonságok. (3/d. ábra) Az AH-IPS LCD kijelzőket a későbbiekben – többnyire GB-r ledes háttérvilágítással kombinálva – monitorokba is beépítették. A jelenlegi évtized közepére megjelentek, napjainkra pedig általánossá váltak a 3840×2160 képpont felbontású Ultra HD (Ultra High Definition – UHD) LCD kijelzők. Ami az LG Display nagyobb képátlójú IPS technológiás folyadékkristály-paneljeit illeti, a legmeghatározóbb innovációkat a kifinomultabb háttérvilágítást (különböző foszfortartalmú ledek) és – a nagy képi dinamikatartományú (High Dynamic Range – HDR) videótartalmak egyre nagyobb arányú elterjedésével – a pontosabb színreprodukciót célzó fejlesztések (kvantumpont-film, nanocella szerkezet) jelentik, amelyekkel részletesen is foglalkozunk majd cikksorozatunk következő fejezeteiben.
E fejezet folytatásaként a VA (Vertical Alignment) TFT LCD kijelző technológia továbbfejlesztett változatait mutatjuk be, az LCD kijelzők fejlődéstörténetével foglalkozó cikksorozatunk következő részében.

Herceg János

Forrásanyagok:
IPS tech introduction (Hitachi), Technology highlight IPS-Pro technology (Barco), Enhanced Super IPS – Next Generation Image Quality (LG.Philips LCD), www.tftcentral.co.uk, www.lcdtech.info

^[1] Statikus kontrasztarány: A kontrasztarány minden képmegjelenítő eszközre jellemző adat, amelyet aránypárban adnak meg a gyártók. Ez az aránypár azt fejezi ki, hogyan viszonyul egymáshoz a képmegjelenítő eszköz által reprodukált fekete és fehér színek fényereje. Bár a kontrasztarányt meghatározó értékek mérése nem szabványosított, az általánosan elfogadott módszer az, hogy a fehér és fekete színek fényerősségét változatlan fényerő- és kontraszt-beállításokkal mérik azonos időben, ugyanazon a képen (6500K színhőmérsékletre kalibrált kijelzőn megjelenített ANSI „sakktábla” mintán). Az így kapott adatok alapján meghatározott aránypár fejezi ki a képmegjelenítő eszköz statikus kontrasztarányát.

^[2] A statikus kontrasztaránnyal ellentétben a dinamikus kontrasztarány (Dynamic Contrast Ratio – DCR) alapja LCD kijelzőknél a megjelenített képi tartalom függvényében változó háttérvilágítás. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a kijelzőpanel háttérvilágítását vezérlő elektronika az éppen megjelenítésre kerülő képi tartalom „átlagos fényereje” alapján állítja be a háttérvilágítás erősségét – amikor a kép sötét tónusú, csökkenti a fényerőszintet, ha pedig világosabb, akkor növeli. Az így mérhető fekete és fehér fényerőszintek adataival fantasztikusan nagy számjegyű aránypár írható le. Ez jól mutat a műszaki adattáblázatokban, azonban a valósághoz nem túl sok köze van. Egyrészt, mivel a folyamatosan változó képtartalom ellenére sem jellemző a telt fekete és fehér közötti egymás utáni váltás. Másrészt, ha olykor mégis előfordul valami hasonló (pl. olyan filmjelenetnél, ahol egy autó a sötét alagútból kiszáguld a tűző napfényre), akkor sem jelent előrelépést, mert a gyorsan váltakozó világos-sötét képsorozatoknál villódzhat a képernyő, mivel a fényerő nem azonnal, hanem késleltetéssel alkalmazkodik.

^[3] LCD kijelzőknél a folyadékkristály-cella apertúra-aránya fejezi ki a fény áteresztésére alkalmas, illetve a fény átjutását gátló felületek viszonyát.

^[4] Nagy általánosságban az LCD kijelzők gyártásakor mechanikusan, textilbevonatú hengerrel egy meghatározott irányba történő hengerelés által biztosítják, hogy a folyadékkristály molekulák azonos irányba rendeződjenek (orientációjuk azonos legyen). A hordozóréteg (szubsztrátum) felületének finom egyenetlenségei azonban meggátolják a tökéletesen azonos molekularendeződést, ez pedig nagyfelbontású, magas képpontsűrűségű LCD kijelzőknél fényátszűrődést okoz, ami lerontja a sötét tónusok megjelenítésének képességét. Ebben az esetben a „dörzshengerelés” helyett UV fény besugárzásával biztosítják a folyadékkristály molekulák pontos rendeződését.

A cikksorozat korábbi részei: