magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

eyecatcherA folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

E fejezetünkben behatóbban foglalkozunk egy, az LCD kijelzők működése szempontjából kulcsfontosságú témával: a folyadékkristály panelek megvilágításának technikai megoldásaival. Ez az első hallásra triviálisan egyszerű szerkezeti összetevő ugyanis nagyobb hatással van a kijelzők által megjelenített tartalmak minőségére, mint azt elsőre gondolnánk.

LCD kijelzők és a fény

Ahhoz, hogy az LCD kijelzők által megjelenített tartalmak láthatóvá váljanak, nélkülözhetetlen a fény. Ebből a szempontból kétféle LCD kijelzőmegvilágítás-típus – a reflektív és a transzmisszív – az általánosan alkalmazott.
Működési mechanizmusát tekintve a legrégebben használatos reflektív LCD kijelző a legegyszerűbb, amelynél a folyadékkristály panel mögött elhelyezett tükröző felület a környezet fényét visszaverve teszi láthatóvá a kijelzőn megjelenő információkat. A transzmisszív LCD kijelzők saját fényforrással rendelkeznek, ami a folyadékkristály-panel mögött helyezkedik el, és azon keresztülvilágítva biztosítja a kijelző által megjelenített tartalmak láthatóságát. Az előbbiek mellett létezik még az úgynevezett transzflektív LCD kijelző is, amely a reflektív és transzmisszív típusok kombinációja. (1. ábra)

 

1abra

1. ábra

Transzmisszív LCD kijelzők – ami mögöttük van

Mivel a lehetséges változatok közül a transzmisszív LCD kijelző kínálja a legtöbb lehetőséget, ezt a gyártók alaposan „kivesézték” és számos megoldást dolgoztak ki a kijelzőpanel átvilágítására. Ami a transzmisszív folyadékkristály panel háttérmegvilágítását biztosító fényforrást illeti, már a legkorábbi LCD kijelző-generációknál is többféle alternatíva létezett (lásd az „LCD panelek háttérvilágításához használt fénycsöves világítótestek” című keretes írásunkat). Legszélesebb körben azonban az úgynevezett hidegkatódos fénycsöveket (Cold Cathode Fluorescent Lamp – CCFL) használták erre a célra, mivel számos tulajdonságukat tekintve (méretek, energiafelvétel, fényerő, működési élettartam) ezek bizonyultak a legalkalmasabbnak.
A CCFL fénycső egy lezárt üvegcső, mindkét végén egy-egy elektródával. A cső belső felületére foszforréteget visznek fel, és belsejét inert gázok – például argon (Ar) és neon (Ne) – keverékével töltik ki, melyhez kis mennyiségben higanygőzt (kb. 4 mg Hg/fénycső) kevernek. Ha az elektródákra feszültséget kapcsolnak, akkor a gázkeverék ionizálódik, amely lehetővé teszi az elektromos áram áramlását. Az ionizáció során a gázkeverék ultraibolya fényt bocsát ki, amelyet a CCFL fénycső belső felületére felvitt foszforréteg látható fénnyé alakít át. A látható fény színe a használt gázok és foszfor típusától függ (2. ábra).

 

 2abra

2. ábra


A CCFL fénycsöveket többféleképpen helyezték el a képmegjelenítő eszköz folyadékkristály-paneljének környezetében, ebben leginkább az eszköz funkcionalitása a meghatározó. A legáltalánosabb sztenderd, amikor a fénycsövek a panel mögött sorakoznak fel – ezt a struktúrát alkalmazták a nagyobb képernyős tévékészülékek és monitorok esetében.
A CCFL fénycsövek mögé tükröző felületű reflektort helyeznek, ami tovább növeli az LCD kijelző fényhasznosítását azáltal, hogy a fényt a folyadékkristály-panel irányába tereli. A fénycsövek elé pedig egy diffúzorlap kerül, amelynek feladata, hogy egyenletesen eloszlassa a fényt a folyadékkristály-panelen (3. ábra).

 

3abra

3. ábra 


Kisebb képátlójú, LCD kijelzős eszközöknél (például a régebbi generációs laptopoknál) a folyadékkristály-panelt megvilágító CCFL fénycsöveket a panel szélei köré helyezik. Ebben az esetben a fényt tükrös felületű fényvezetők (light guide) „juttatják el” a panel mögé a diffúzorlemezhez, amely gondoskodik a fény egyenletes eloszlatásáról (4/a. ábra).

 

4ab abra

4. ábra/a                                                     4. ábra/b


A CCFL fénycső, mint a transzmisszív folyadékkristály panelek háttérvilágító fényforrása, egészen a 2000-es évek első évtizedének végéig meghatározónak számított a közepes és nagy képernyőméretű LCD kijelzős eszközök termékszegmensében (2008-ban még mindig 93,5% volt a CCFL fénycsöveket gyártók becsült piaci részesedése az LCD tévék kategóriájában). Azonban a gyors fejlődésnek indult ledekkel összevetve jónéhány tulajdonságában – üzemi hőmérséklet, károsanyag tartalom (higany, foszfor), sérülékenység (üvegcső), energiaigény, működési élettartam, előállítási költség – egyre inkább alulmaradt, így a világító diódákat alkalmazó LCD háttérvilágítási megoldások fokozatosan kiszorították.

LCD háttérvilágítás ledekkel

A ledek, mint a folyadékkristály panel háttérvilágítására szolgáló fényforrások megjelenése, számos alapvető változást eredményezett a transzmisszív LCD kijelzők innovációs folyamatában. A CCFL fénycsövek „alkonyával” összefüggésben, az előbb felsorolt tulajdonságokon túl, a ledes háttérvilágítás olyan területeken is előnyösebb megoldást jelent, mint az LCD kijelző színmegjelenítési képessége, valamint magasabb (statikus és dinamikus) kontrasztaránya. A színreprodukció szempontjából az alkalmazott led fényforrások – belső (anyagszerkezeti), illetve külső (strukturális) – felépítése, a kontrasztarány tekintetében pedig a folyadékkristály panel környezetében történő elhelyezés és a szabályozható fényerőszint a leginkább befolyásoló tényező.
Az LCD kijelzők háttérvilágításaként általában összetett fehér fényt kibocsátó ledeket alkalmaznak, ezek közül is az úgynevezett „fehér” led (White Light Emitting Diode – WLED) a legegyszerűbb, és legáltalánosabban elterjedt. A „fehér” led által keltett fényt „pszeudo” vagy „kvázi” fehérnek nevezik, ugyanis a „fehér” led valójában egy indium-gallium-nitrid (InGaN) anyagösszetételű, kék színű fényt kibocsátó ledcsip, amelyet ittrium-alumínium gránát (yttrium aluminium garnet – YAG) összetételű sárga foszforral kombinálnak az összetett fehér fény megjelenítéséhez. Ebből adódóan a „fehér” led különböző hullámhosszúságú fényeinek relatív intenzitása nem homogén – az InGaN ledcsip kék tartományba eső fényének relatív intenzitása kb. kétszer magasabb a sárga YAG foszforréteg által „létrehozott”, zöld és vörös tartományokba eső összetevőkhöz képest (5. ábra). Ez pedig hatással van az összetett fehér fény színhőmérsékletére, ami a kijelző színreprodukcióját is befolyásolja.

 

5abra

5. ábra


E szempontból kedvezőbb eredményt ad az úgynevezett GB-r LED világító diódák alkalmazása, melyeknél közös tokozatba zárt, különálló zöld (G) és kék (B) ledcsipek, valamint az ezekhez adott vörös foszforréteg kombinációjával hozzák létre az összetett fehér fényt (6. ábra).

 

6abra

6. ábra


Másik megközelítésben vörös, zöld és kék ledek csoportjait (RGB LED cluster) alkalmazzák (7. ábra), ami lehetővé teszi az általuk létrehozott összetett fehér fény színhőmérsékletének változtatását, sőt az egyes alapszíneket kibocsátó ledek ki- és visszakapcsolásával erősíthető az LCD kijelző színszűrőjének színreprodukciós hatásfoka. Másrészt viszont az RGB led-csoportok alkalmazási környezete korlátozott, mivel ezt a megoldást kizárólag a folyadékkristály panelt a teljes felületén, hátulról, közvetlenül megvilágító, úgynevezett teljes ledes (Direct LED, Full LED vagy Back-lit LED) háttérvilágításként célszerű alkalmazni. Emellett az RGB led-csoportokkal működtetett teljes ledes háttérvilágítás megvalósításához szükséges ledek nagy száma, valamint a ledek vezérlésének összetettsége miatt ez a megoldás a legköltségesebb, így a gyakorlatban leginkább nagy képernyőméretű, prémium kategóriás LCD tévékben használják.

 

7abra

7. ábra A spektrumgörbéken megfigyelhető, hogy a zöld led fényemissziós csúcsa jóval alacsonyabb a vörös és a kék ledekéihez képest, ezért minden egyes RGB led csoportot két zöld led egészít ki a vörös és kék ledek mellett RGGB struktúrában

A ledes háttérvilágítás szerkezeti kialakításai

A CCFL fénycsövekhez hasonlóan a ledes háttérvilágítási megoldásoknál is kétféle világítótest-elrendezést alakíthatnak ki. Ezek közül az úgynevezett „Edge LED” (Edge-lit LED) struktúra az elterjedtebb, amelynél a folyadékkristály panel széleit keretező ledcsíkok biztosítják a háttérvilágítást (8/a. ábra). Ezek a panel egy, két vagy akár mind a négy széléhez felszerelhetők, a kijelző méretétől és a háttérvilágításhoz szükséges fénymennyiségtől függően. A ledcsíkok által keltett fényt fényvezetőkkel juttatják el a folyadékkristály panel hátsó felületének teljes területére (4/b. ábra). A másik ledes háttérvilágítási szerkezet esetében a világító diódák (amelyek lehetnek „fehér” ledek, GB-r ledek vagy RGB led-csoportok) közvetlenül a folyadékkristály panel hátsó részénél elhelyezett diffúzorlemez mögött „sorakoznak” rendezett oszlopokban és sorokban, mátrixháló-struktúrában vagy egymáshoz képest eltolva, tömbökben (8/b. ábra). Ez az úgynevezett teljes ledes (Direct LED, Full LED vagy Back-lit LED) kialakítás, amelyet már említettünk az előbbiekben.
Mindkét háttérvilágítási-formának vannak előnyei és hátrányai. Az Edge LED struktúrát alkalmazva rendkívül kis mélységgel rendelkező készülékház alakítható ki, amely formatervezési szempontból jól kezelhető, esztétikus megjelenést kölcsönöz a készüléknek. A folyadékkristály panel háttérmegvilágítása kevesebb led fényforrással is megoldható, melynek jóvoltából kedvezőbb a termék előállítási költsége, emellett a háttérvilágítás energiaszükséglete is kisebb, ami alacsonyabb fogyasztást jelent. Ezekkel szemben viszont az Edge LED LCD kijelzők meghatározó többségénél a háttérvilágítás fényereje csak és kizárólag egységesen, a folyadékkristály panel teljes területére vonatkozóan változtatható (global dimming vagy 0D dimming), ami alacsonyabb kontrasztarányt eredményez, a panel szélein elhelyezett ledcsíkok pedig némely esetben fénybeszűrődéseket okozhatnak.
A Direct LED háttérvilágítás vastagabb LCD kijelzőszerkezetet eredményez, aminek következtében a képmegjelenítő eszköz készülékházának mélysége is nagyobb lesz. A folyadékkristály panel teljes felületének megvilágításához több led szükséges, így a készülék gyártási költsége is növekszik, és az energiafogyasztása is magasabb lesz. Ugyanakkor jelentős előny, hogy a Direct LED háttérvilágítású folyadékkristály panel mögött sorakozó ledek kisebb csoportjainak fényereje külön-külön is szabályozható, sőt csoportonként akár ki is kapcsolható. Ezt a megoldást nevezik helyi fényszabályzásnak (local dimming vagy 2D dimming), ami lehetővé teszi, hogy a megjelenített kép sötét területeit a kijelzőt néző felhasználó valóban sötétnek láthassa, míg a világosabb képterületeket a háttérvilágítás is jobban kiemeli (9. ábra). A local dimming működésének köszönhetően nő a kontrasztarány, láthatóvá válnak a kisebb képi részletek, és a színreprodukció is kifinomultabb lesz.

8ab abra

8. ábra/a                                                  8. ábra/b

 

9abra

9. ábra


(Nagy, nagyobb, még nagyobb… Cikksorozatunk következő fejezetében az LCD kijelzők felbontásához kapcsolódó alternatívákat – ezekkel együtt az általánosan alkalmazott képarányokat – tekintjük át.)

 

LCD panelek háttérvilágításához használt fénycsöves világítótestek

A CCFL fénycsövek mellett számos gyártó által sokáig a legígéretesebb LCD panel háttérvilágítási megoldásnak tartott technológia, a külső elektródás fénycső (External Electrode Fluorescent Lamp – EEFL) volt. Ahogy elnevezéséből is kiderül, az EEFL fénycső elektródái a világítótesten kívül helyezkednek el, ezért egyetlen vezetéknek sem kell áthaladnia az üvegcsövön, ily módon üveg-fém tömítés sem szükséges, ami a legfontosabb előny a világítótestben található gázok szivárgási problémáinak csökkentése szempontjából. Az EEFL kevesebb higanyt tartalmaz (<4 mg/fénycső). A fénykibocsátást kiváltó gázkisüléseket előidéző technológia azonban ugyanaz, mint a CCFL fénycsövek esetében, a műszaki tulajdonságokat a külső elektródák határozzák meg. (1. ábra) Az EEFL előnyei közé tartozik a nagy hatékonyság és fényerő, valamint a kisebb mértékű hőtermelés. Az alacsonyabb hőmérséklet miatt a foszforrétegben okozott rombolás mértéke is kisebb, emellett pedig az „ionbombázás” sem tud kárt tenni az elektródákban – mindezek hosszabb élettartamot biztosítanak az EEFL fénycsöveknek.

 

keretes 1abra

1. ábra


A másik LCD háttérvilágítási alternatívaként alkalmazott melegkatódos fénycső (Hot Cathode Fluorescent Lamp – HCFL) olyan belső vezetőszálakat használ, amelyeket – a világítástechnikában használt fénycsövekhez hasonlóan – árammal fűtenek fel. Ennek hatására kerül gőzfázisba a higany. Amint ez bekövetkezik, a fűtött elektródákra kapcsolt nagyfeszültség gerjeszti a Hg-atomokat, amelyek UV-fényt kibocsátva kerülnek vissza az alapállapotba. Az UV-fény pedig a foszforréteget gerjeszti, amely ezért fehér fénnyel világít (2. ábra). (Itt jegyezzük meg, hogy az ilyen elven működő fényforrások fénye is csak „kvázi fehér” színű, mivel csak bizonyos spektrumvonalak diszkrét hullámhosszain történik fénykibocsátás. A spektrumvonalak viszonylag nagy sűrűsége és nagyjából egyenletes eloszlása az, amit fehér fényként érzékelünk – bár ez alapvetően eltér a magas hőmérsékletű testek folytonos spektrumú, „igazi fehér” emissziós színképétől). Ezt a háttérvilágítási technológiát általában nagy képátlójú LCD kijelzőkben használták, ahol hosszú fénycsövek szükségesek a folyadékkristály panel teljes felületének megvilágításához. (A Sony előszeretettel alkalmazta LCD televízióiban.)

 

keretes 2abra

2. ábra 

 

A 2000-es évek elején lépett piacra a vékony, lapos, négyszögletes világítótesteket alkalmazó FFL (Flat Fluorescent Lamp) technológia, mely hosszabb élettartammal (100 000 üzemóra), jobb színvisszaadással és egyenletesebb fényeloszlással rendelkezik a CCFL fénycsöves LCD háttér-világítási megoldáshoz képest.
Az FFL világítótestek pulzáló dielektromos gázkisüléses (Dielectric Barrier Discharge – DBD) folyamat során generálnak fényt. Az elektródákat az FFL lámpatest hátsó felületén alakítják ki, a lámpatest elülső és hátsó részét belülről foszforréteggel vonják be, a belső teret pedig xenongázzal (Xe) töltik ki. Az elektródákra kapcsolt feszültség gerjeszti a belső teret kitöltő Xe atomokat. Az eljárás során UV sugárzás jön létre, melyet a foszforrétegek látható fénnyé alakítanak át. A lapos szerkezet lehetővé teszi, hogy a háttérvilágítás az egész megjelenítési területet egyenletesen világítsa meg. A hátsó felületen fényvisszaverő bevonatot is alkalmaznak, hogy maximalizálják a visszavert fényt (3. ábra). Az FFL világítótestek fényhasznosítása viszont nagyjából 50%-kal alacsonyabb a CCFL fénycsövekkel összevetve, ezért ugyanazt a fényerőt a CCFL-hez képest nagyobb teljesítményfogyasztás árán állítják elő.

 

keretes 3abra

3. ábra

 

 

Szerző - Herceg János

 

Forrásanyagok: Comparison of LCD Backlight Technology for Outdoor Applications (Delphi Display Systems), Noel Giamello: LED Backlighting for LCDs: Options, Design Considerations, and Benefits (Sharp), LED Backlights For TVs (ST Microelectonics), Adam Simmons: The Evolution of LED Backlights (www.pcmonitors.info)

 

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész