LCD-evolúció - 4

A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

Cikksorozatunk előző fejezetében részletesen ismertettük az IPS technológia innovációs folyamatát meghatározó típusváltozatokat. Hangsúlyozottan ugyanolyan fontossággal bír egy másik aktív mátrix TFT LCD technológia, a VA (Vertical Alignment), amelynek a kijelzőgyártók által továbbfejlesztett megoldásait vesszük sorra ebben a részben.

A VA TFT LCD kijelzők evolúciója

Az LCD kijelzők rálátási szögtartományának megnöveléséhez kapcsolódó technológiai fejlesztések másik alternatívájának kiindulópontja a Fujitsu 1998-ban bemutatott, úgynevezett függőlegesen rendezett (Vertical Alignment – VA) folyadékkristály szerkezetű panelje. Fejlesztési folyamata során először ennek az elektromos tér hatására egyirányba rendeződő folyadékkristály molekula-strukturált verziójával (Mono-domain Vertical Alignment) próbálkoztak, ám ezen gyakorlatilag azonnal túlléptek, mivel a rálátási szögtartománya ugyanúgy korlátozott volt, mint a TN paneleké. A megoldást az úgynevezett domén-megosztásos (domain-dividing) technológia jelentette, melynek lényege, hogy a panel TFT, valamint színszűrő rétegein kialakított bordázatok határozzák meg a folyadékkristály molekulák elektromos tér hatására történő, egymástól eltérő irányú kihajlását. Így a függőleges állapotukból hossztengelyükkel más-más irányokba kimozduló molekulák biztosítják, hogy a kijelzőn megjelenített kép széles szögtartományból nézve is látható legyen függőleges és vízszintes síkokban egyaránt. Ez a megoldás az MVA (Multi-domain Vertical Alignment), mivel a Fujitsu alapkoncepciójában már rögtön négy, eltérő irányba kihajló (4 domain) molekulaelrendezés szerepelt. (1. ábra)

1. ábra

Ezt az alapkoncepciót a Fujitsu „MVA-Premium” elnevezéssel sorozatgyártott LCD kijelzői vitték tovább az ezredfordulón. A japán gyártó MVA-Premium technológiája az eredeti változathoz képest egyszerűsített folyadékkristálymolekula-orientációs kialakítást kapott (Automatic Domain Formation – ADF). Ennél az átlátszó indium-ólomoxid TFT elektródákon (Indium Tin Oxide – ITO) kialakított nyílás-hálózattal (ITO slit) váltják ki a panel hátulsó bordarendszerét, így a színszűrő rétegen (erre viszik fel a közös folyadékkristály (LC) elektródát) kialakított bordázat, valamint a TFT elektródák nyílásháló struktúrája következtében kialakuló elektromos tér átlós irányai határozzák meg a folyadékkristály molekulák kihajlásának irányát (2/a. ábra). Ez a megoldás növeli a panel fényáteresztő képességét, ami jobb kontrasztarányt eredményez. A panel színszűrő hordozórétege és TFT hordozórétege közötti távtartást a színszűrő rétegen rögzített, oszlopszerű távtartók biztosítják az általánosan alkalmazott műanyaggömbök helyett, mivel ez utóbbiak némelykor elmozdulhatnak az eredeti helyzetükből. A képpontok határain pedig az RGB színszűrők egymásra helyezett, átlapolásos kialakításával váltották ki a fekete mátrixhálót (2/b. ábra). Ezek mellett a TFT elektródák „fűrészfogazott” struktúrája pontosabb folyadékkristálymolekula-vezérlést tesz lehetővé, így jobb hatásfokkal szabályozható a folyadékkristály-cella szürkeskála megjelenítése, ami kifinomultabb árnyalat-, és ezzel együtt színtónus-visszaadást eredményez (2/c. ábra). Mindezek következményeként a Fujitsu MVA-Premium LCD kijelzői 500:1 statikus kontrasztarányt és vízszintes, illetve függőleges síkokon is 170°-os rálátási szögtartományt nyújtottak, de rálátási szögtartományuk átlós irányból nézve is nagyobb volt, mint 160°. Válaszidejük a legelején 25 ms volt.

2/a. ábra

 2/b. ábra

2/c. ábra

Az MVA kijelző következő generációját két tajvani folyadékkristály-panelgyártó – az AU Optronics (AUO), valamint a CHI MEI Optoelectronics (jelenlegi nevén Innolux) – által fejlesztett P-MVA (Premium MVA), illetve S-MVA (Super MVA) LCD kijelzői jelentették a 2000-es évek elején. Fő erősségük a 1000:1…1200:1 közötti statikus kontrasztarányuk, ami a feketeszintek megjelenítése terén kamatozott. Míg az Innolux továbbra is folyamatosan gyártja S-MVA kijelzőit, az AU Optronics 2005-ben kihozta az első AMVA (Advanced MVA) technológiás paneljét. Az AMVA-fejlesztések gerincét a rálátási szögtartomány növelése mellett, a kijelző oldalirányból történő nézésekor megfigyelhető színfakulás, valamint kontrasztcsökkenés kiküszöbölése jelentette. Az AMVA paneleknél az MVA alaptípus „4 domain” struktúrájú molekulaelrendezéséhez képest alképpontonként „8 domain” struktúrájú molekulaelrendezést alakítottak ki (3. ábra), amivel sikerült csökkenteni a színfakulás mértékét. A harmadik generációs AMVA paneleknél egy úgynevezett PSA technológia alkalmazásával kiváltották a folyadékkristály-molekulák kihajlási irányait meghatározó bordázatot, amivel sikerült megnövelniük a kijelző átlátszóságát (lásd „A folyadékkristály molekulák pontosabb rendeződését segítő technológiák” című keretes írásunkat). A 2010-re kifejlesztett, ötödik generációs AMVA kijelzőnél pedig további javulást sikerült elérniük a kontrasztarányban és a fényáteresztő képességben a színszűrő-réteg színreziszt-anyagának optimalizálásával és a TFT elektronika tárolókapacitásának módosításával. Az előbbieknek köszönhetően az AUO AMVA LCD kijelzőinek kontrasztaránya 1200:1... 3000:1, rálátási szögtartományuk pedig megközelíti a 178°-ot.

3. ábra

Ugyancsak az MVA technológia alapjain fejlesztette saját folyadékkristály paneljét a Sharp az 1990-es évek végén. 2001 nyarára készült el ASV (Advanced Super View) LCD kijelzőjük, amelynél „szélforgó” kialakítású, „8 domain” struktúrájú molekulaelrendezést (Continuous Pinwheel Alignment – CPA) alkalmaztak alképpontonként (4/a. ábra). A kifejezetten monitorokhoz, illetve tévékészülékekhez gyártott 50 cm (20”) képátlójú Sharp ASV LCD kijelző 170°/170°/170° (horizontális-vertikális-diagonális) rálátási szögtartományt, 500:1 statikus kontrasztarányt és 15 ms válaszidőt nyújtott. A japán gyártó 2009-ben kifejlesztett UV2A (Ultraviolet inducted multi-domain Vertical Alignment) technológiája – az AU Optronics által alkalmazott PSA technológiához hasonló gyártástechnológiai eljárásként – biztosította az ASV folyadékkristály panel rendkívül pontos molekula-rendeződését (lásd „A folyadékkristály molekulák pontosabb rendeződését segítő technológiák” című keretes írásunkat). Az UV2A technológia jóvoltából a Sharp ASV LCD paneljeinél kialakított képpontok apertúra-aránya 20%-kal nagyobb lett, a kijelzők 60%-kal magasabb, 5000:1 kontrasztarányt, és kétszer gyorsabb válaszidőt nyújtottak az akkori hagyományos folyadékkristály panelekhez képest. (4/b. ábra)

4. ábra

A VA típusú folyadékkristály panelek fejlesztési irányait bemutató fejezet nem lenne teljes a Samsung említése nélkül, bár a dél-koreai gyártó PVA (Patterned Vertical Alignment) technológiája némileg eltér a „klasszikus” MVA kialakítástól. Ugyanis az MVA panel folyadékkristály molekulák rendeződéséért felelős bordázatának funkcióját a PVA panelnél a TFT pixelelektródák és a színszűrő rétegre felvitt közös elektródarendszer mintázata (pattern) váltja ki. Ez a mintázat biztosítja a molekulák rendeződésének irányait (domain-ek), mivel az elektródák között kialakuló elektromos tér az elektródamintázat rajzolatainak megfelelően forgatja különböző irányokba a folyadékkristály molekulákat. A 2000-es évek elején megjelent Samsung PVA LCD kijelzők első generációi figyelemreméltó 1000:1…1200:1 közötti kontrasztarányuk és 170°-os rálátási szögtartományuk ellenére, 20 ms körüli válaszidejük tekintetében némileg lemaradtak a konkurens alternatívától. (5/a. ábra)
Az LCD kijelzők válaszidejét csökkentő túlvezérlő (overdrive) elektronikák megjelenésével egyidőben, 2004-ben mutatta be a Samsung az S-PVA (Super Patterned Vertical Alignment) folyadékkristály paneljét. Elődjéhez képest az S-PVA panelnél minden alképpontot két területre osztottak, kétszer „4 domain” strukturált molekularendezéssel (5/b. ábra). Ezzel a rálátási szögtartományon, valamint a kijelző oldalirányú nézésekor megfigyelhető színvisszaadási képességein is javítottak, csökkentve a színfakulás mértékét. A kijelzők előállítási költségeinek lefaragása hívta életre a Samsung 2009-ben megjelenő cPVA LCD paneljét. A 3840×2160 felbontású Ultra HD (Ultra High Definition – UHD) formátum megjelenésével egyidőben, 2014-ben pedig bemutatták a régebbi S-PVA LCD kijelzőik továbbfejlesztett verzióját. Az újabb generációs SVA (Super Vertical Alignment – Super VA) panelek rálátási szögtartománya közel 178°, GtG válaszidejük papíron 8 ms körüli (a gyakorlatban többnyire valamivel lassabbak), statikus kontrasztarányuk 3000:1. Ezeket a kijelzőket 21:9 képarányú ultra széles (ultra-wide) képernyőváltozatban, illetve ívelt képernyő-kialakítással (curved display) is gyártják, színreprodukciójukat kvantumpont-film (Quantum Dot layer) integrálásával teszik teljesebbé.

5. ábra

Az LCD kijelzők fejlődéstörténetével foglalkozó cikksorozatunk következő részében a folyadékkristály panelek háttérvilágítási megoldásainak részletei kerülnek reflektorfénybe.

Herceg János

Forrásanyagok:
Yoshio Koike – Kenji Okamoto: Super High Quality MVA-TFT Liquid Crystal Displays (Fujitsu), Technical Analysis – High-Image-Quality MVA-Premium Liquid Crystal Display (Fujitsu), Chi-Yen Huang – Wen-Yi Jhuang - Chia-Ting Hsieh: Switching of polymer-stabilized vertical alignment liquid crystal cell (Optical Society of America), Masumi Kubo – Toshihiko Miyashita – Nobuyoshi Nagashima – Eiichiroh Nishimura: Development of High-Performance ASV-LCDs Using Continuous Pinwheel Alignment (CPA) Mode (Sharp), www.tftcentral.co.uk, www.lcdtech.info

A cikksorozat korábbi részei: