magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

LCD kijelzok 300 250A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

Cikksorozatunk első része a folyadékkristályok anyagjellemzőivel, illetve az LCD kijelzők szerkezeti felépítésének alapjaival foglalkozott. Ebben a fejezetben színesebb lesz a kép – szó szerint, mivel ez a cikk bemutatja, hogyan válik az eddig monokróm LCD kijelző képessé több milliónyi különböző színárnyalat megjelenítésére, valamint milyen megoldások születtek arra, hogy a felhasználó mindig ugyanolyan képet lásson, bárhonnan nézi is a kijelzőt.

 

Színesedik a kép

A TFT LCD kijelzőknél az aktív mátrix struktúrában alkalmazott vékonyréteg tranzisztorok (TFT) a folyadékkristály állapotváltozásának rendkívül pontos vezérlését teszik lehetővé a kijelző egy-egy igen kis területére (~ 0,1×0,3 mm) koncentráltan, amelyet folyadékkristály-cellának nevezünk. Ráadásul a tranzisztorokkal nem csak „kétállapotú”, a fényt teljesen áteresztő, illetve teljesen át nem eresztő folyadékkristály molekulaelrendeződések kapcsolhatók. A mai aktív mátrix rendszerű kijelzők túlnyomó részénél 8-bites[1] felbontású analóg vezérlőjel kapcsolódik egy TFT tranzisztor forrás (source) kivezetésére. Az analóg feszültségszint egy kapacitásban tárolódik. Mivel ez a 8-bites vezérlés miatt 256 féle feszültségszintet tárolhat, emiatt a tranzisztor drain-elektródájára kapcsolt LC réteg elektródái közötti térerő is 256 szintű. Ezért a folyadékkristály-cella 256 különböző szürkeárnyalat (grayscale) megjelenítésére képes (1. ábra).

1abra

1. ábra

A fénytan alapjait ismerők számára nem újdonság, hogy az összetett fehér fény létrehozható három alapszínű – vörös, zöld és kék – összetevőből. A színes TFT LCD kijelzők működése az előbb leírtakon, valamint ezen az optikai jelenségen alapul. Ez esetben minden egyes képpontot (pixelt) három folyadékkristály-cella – nevezzük most már nevén: alképpont (szubpixel) – alkot, amelyek elé egy-egy színszűrő maszk kerül (lásd „Az LCD kijelzőkben alkalmazott színszűrők gyártási folyamata” című keretes írásunkat), a három alapszínnek – vörös (red – R), zöld (green – G) és kék (blue – B) – megfelelően (2. ábra). Ily módon, az alképpontonkénti 256 különböző árnyalatot alapul véve, a színes TFT LCD kijelzők esetében 16 777 216 (256×256×256) különböző színárnyalat elektronikus megjelenítésére van lehetőség[2]. Ezt szokás 24-bites „valós színű” (true color) színmélység-megjelenítési képességként is emlegetni[3].

2abra jav

2. ábra


Az LCD kijelzők felbontását a gyártás során integrált folyadékkristály-cellák száma határozza meg. Ha figyelembe vesszük, hogy a színes kijelzőkben minden egyes képponthoz három folyadékkristály-cella tartozik, akkor például az 1920×1080 képpontos Full HD felbontáshoz 3×1920×1080 ~ 6,22 millió cella felvitele szükséges. Az egyes képpontok mérete nyilvánvalóan összefüggésben van a kijelző nagyságával, egy-egy pixel szélessége nagy átlagban 0,2 … 0,3 mm körüli.
Az LCD kijelzőket közelebbről megvizsgálva, jellegzetes textúra figyelhető meg. Ennek lényegében két oka van. Az egyik, a folyadékkristály-cellákat körülvevő fekete hálókeret-mátrix (black matrix), amelynek szükségessége a technológiából adódik (az RGB alképpontok közötti fényátszűrődés kiküszöbölése, a szigetelés, adatvezetékek, tároló kondenzátor „letakarása”, stb.). Az LCD kijelzők gyártói külön fejlesztések keretei között foglalkoznak azzal, hogy ennek a fekete hálókeretnek a méreteit mind jobban lecsökkentsék. A látható textúra ezen kívül pedig az egymás mellett elhelyezkedő RGB színfoltokból ered. Ezek különböző elrendezésével csökkenthető a csíkok észlelése, bár ez mind a gyártást, mind az elektronikus vezérlést nehezíti. (3. ábra)

3abra

3. ábra

Az LCD kijelzőkben alkalmazott színszűrők gyártási folyamata

Az LCD kijelzők színszűrőinek egyik tipikus gyártástechnológiai eljárása, a fotolitográfia. Ezt alkalmazva, a hordozó üveglapra egymásután felvitt fényérzékeny színreziszt-rétegek fotómaszkon keresztül történő exponálásával készítik el a színszűrőket. A formára keményedett reziszt adja az LCD kijelzők színszűrőinek RGB mintázatát.

keretes abra jav

Szélesedik a látómező

Az első generációs laptopokban és LCD monitorokban passzív mátrixvezérlésű szuper csavart nematikus (Super Twisted Nematic – STN) vagy aktív mátrixvezérlésű csavart nematikus kijelzőt (TN-TFT) alkalmaztak. Ennek a kijelzőtípusnak számos előnye mellett azonban van néhány hátránya is. Ezek közül a legjelentősebb a korlátozott rálátási szögtartomány (viewing angle), amely különösen a TN-TFT kijelző függőleges síkjában limitált. Amennyiben ezen a szögtartományon kívülről nézzük a kijelzőt, torzulnak a színek, nagymértékben lecsökken a kép fényereje és kontrasztja. Ezzel szemben viszont a TN-TFT kijelző előállítása olcsó, ráadásul nagy sebességű kijelzőtípus, ezért most is előszeretettel használják olyan „egyszemélyes” alkalmazásoknál, amelyeknél nem lényeges, hogy a felhasználó széles szögtartományból lásson rá a képernyőre, viszont lényeges a nagyon gyors válaszidő – mint például a játék-alkalmazásoknál használt képernyőknél.
Nagyobb méretű képek megjelenítésekor, amelyeknél fontos, hogy több, a kijelző síkjához viszonyítva eltérő szögben elhelyezkedő felhasználó is ugyanolyan minőségű képet lásson, más folyadékkristály-cella szerkezetű LCD kijelzők jelentenek optimális megoldást. Ezek vonatkozásában nagyon nehéz igazán konkrét határvonalat húzni, egyrészt mivel jelenleg is folynak a kijelzők szélesebb rálátási szögtartományával kapcsolatos fejlesztések, amelyek legfőbb mozgatórugója a „másrészt”, ami nem más, mint a képreprodukciós technológia folyamatos fejlődésének motivációja[4].
A TFT LCD kijelzők rálátási szögtartományához kapcsolódó fejlesztések alapját két, eltérő technológia adja (4. ábra). Az egyik az úgynevezett síkban váltó (In-Plane Switching – IPS) kijelzőtípus, amelyet „Super TFT” névvel is emlegetnek. Ennek fejlesztését a Hitachi indította el még 1995-ben. A másik pedig a Fujitsu 1998-ban bemutatott innovációja, az úgynevezett függőlegesen rendezett (Vertical Alignment – VA) folyadékkristály szerkezetű kijelző. Ez utóbbinak a függőlegesen rendezett folyadékkristály molekulákat eltérő irányokba elfordító (Multi-domain Vertical Alignment – MVA) változata terjedt el leginkább.

4abra jav

4. ábra


Az IPS LCD kijelző felépítése hasonlít a csavart nematikus kijelző-szerkezethez (TN), azzal a különbséggel, hogy az elektródák nem a folyadékkristály-cella két átellenes oldalán helyezkednek el, hanem egy oldalon elhelyezett két elektródával hoznak létre elektromos teret. Ez a cella síkjában (innen az elnevezés) forgatja el a folyadékkristály molekulák hossztengelyét. A polarizáló szűrők a csavart nematikus kijelző szűrőihez képest elfordítva, párhuzamosan állnak, ezért a kikapcsolt (OFF) állapotban a képpont sötét, a folyadékkristály-cella a bekapcsolt állapotban (ON) engedi át a fényt.
Működési elvéből adódóan az IPS LCD kijelző feketeszín reprodukciója közel tökéletes. Képponthiba (hibás TFT tranzisztor) esetén – a TN típussal ellentétben – nem fehér pixel látható, hanem fekete, ami kevésbé zavaró. Egyik hátránya kezdetben a lassúsága volt, a reakcióideje évekkel ezelőtt még 40 … 50 ms körül mozgott, de az IPS technológiával kapcsolatos fejlesztések eredményeként mára már megszűnt ez a probléma[5].
Nagyobb gond, hogy az IPS cellastruktúra esetében az elektromos tér létrehozásához két tranzisztor szükséges, ezek viszont egyrészt jobban „kitakarják” a háttérvilágítást, másrészt pedig az IPS LCD kijelző működtetése nagyobb energiafogyasztással jár.
Az MVA LCD kijelző esetén nem csavart folyadékkristályt alkalmaznak, és kikapcsolt állapotban (OFF) a folyadékkristály molekulák hossztengelyének állása a felületekre merőleges, ennek következtében a keresztezett polarizáló szűrők miatt a cellán nem jut át fény. Bekapcsolt állapotban (ON) az elektromos tér hatására a molekulák hossztengelye az eredeti irányhoz képest kihajlik és a fény a kettőstörés jelensége[6] folytán jut át a cellán. A nagyobb rálátási szögtartomány elérése érdekében a képpontot úgy osztják fel, hogy különböző helyein a molekulák hossztengelye más-más irányba hajoljon ki (multi-domain). A Fujitsu „alapkőletételét” követően több gyártó is belekezdett az MVA technológiát tökéletesebbé formáló fejlesztésekbe, számos eredményt elérve a rálátási szögtartomány kiszélesítése, a színreprodukció, illetve a kontrasztarány tekintetében[7].

Az LCD kijelzők fejlődéstörténetével foglalkozó cikksorozatunk következő részében részletesen is bemutatjuk az IPS és VA technológiás TFT LCD kijelzők továbbfejlesztett változatait.

 

Herceg János

Forrásanyagok:
Color Filters for LCDs (Toppan Printing Co., Ltd.), Yoshio Koike – Kenji Okamoto: Super High Quality MVA-TFT Liquid Crystal Displays (Fujitsu),
Enhanced Super IPS – Next Generation Image Quality (LG.Philips LCD)

 


[1] Kivételt képeznek a „klasszikus” csavart nematikus folyadékkristály szerkezetű aktív mátrix LCD-kijelzők (TN-TFT), amelyek a 6-bites vezérlést támogatják, és ez természetesen kihat a színmegjelenítési képességeikre is.

[2] A színvisszaadással kapcsolatos fejlesztések eredményeként egyes jelenlegi LCD kijelzők (pl. a csúcskategóriás televíziókban alkalmazottak) ennél már jóval több színtónus megjelenítésére is képesek – ezekkel részletesen is foglalkozunk majd a cikksorozat egyik következő fejezetében.

[3] Csaknem minden, nagyon olcsó kategóriás LCD kijelző (amilyenek a „klasszikus” csavart nematikus típusúak) 18-bites színt jelenít meg (64×64×64=262 144 színárnyalat) a gyorsabb színváltás eléréséért. Ezért azokat a színeket, amelyek nem állnak rendelkezésre, vagy a kijelző által megjeleníthető színek szórt elhelyezésével (dithering) vagy egy képpont két, a panel színterében található szín közötti értékének gyors cserélgetésével (Frame Rate Control – FRC) helyettesítik, így közelítik meg a 24-bites „true color” színmélységet.

[4] Ilyenek voltak néhány esztendővel ezelőtt az LCD kijelzők térhatású (3D) képreprodukciójával, jelenleg pedig a képfelbontás (3840×2160 képpontos 4K Ultra High Definition – Ultra HD vagy UHD) és a képi dinamika (High Dynamic Range – HDR) növelésével kapcsolatos tartalomszolgáltatói, illetve felhasználói elvárások, amelyekkel részletesebben is foglalkozunk majd cikksorozatunk későbbi fejezeteiben.

[5] Ennek megoldásával részletesen is foglalkozunk az IPS és VA technológiás TFT LCD kijelzők továbbfejlesztett változatait bemutató következő cikkünkben.

[6] Kettőstörés a fénytörés egyik fajtája, mely a molekulaszerkezetük elrendeződésének térbeli irányaitól függő optikai tulajdonságokat mutató (optikailag anizotróp) anyagokra – közöttük a folyadékkristályokra is – jellemző. Az optikailag anizotróp anyag felületére nem merőlegesen eső fénysugár két komponensre válik szét. A két komponens különböző fázissebességgel halad a közegben, következésképpen, ha a fény valamilyen szögben esik a közeg határfelületére, a két sugár különböző irányba halad tovább.

[7] Mindezeket részletesen is kifejtjük majd az IPS és VA technológiás TFT LCD kijelzők továbbfejlesztett változatait bemutató következő cikkünkben.

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész