Folyadékból alkotott képek - Az LCD kijelzők működése

Folyadékból alkotott képek - Az LCD kijelzők működése

A múlt:

A folyadékkristályok már a 19. század végén ismertek voltak, de a kijelzőkben való használat ötletére az 1960-as évek elejéig várnunk kellett. A princetoni David Sarnoff kutatóközpont tudósai jöttek rá, hogy folyadékkristály segítségével a rajtuk áthatoló fény egyes tulajdonságai megváltoztathatók. Később - még ebben az évtizedben - ugyanitt készültek el a folyadékkristályos kijelzők prototípusai. 1968-ra tehető az időpont, amikor az első működőképes LCD elkészült, de a hétköznapi használat még tovább váratott magára. Az első elfogadható minő 717e43h ségű és valóban használható LCD-kijelzőt a James Fergason által vezetett ILIXCO cég készítette a 70-es évek elején. Először karórában alkalmazták tömegesen.

A korai LCD-k természetesen rossz minőségű, kezdetleges kijelzők voltak. Csupán előre-definiált alakzatokat tudtak megjeleníteni 2 állású (monokróm) üzemmódban, azaz nem voltak képesek árnyalatok megjelenítésére. Ilyen tudású LCD-kijelzők a mai napig nagy számban láthatók ott, ahol az olcsóság és az alacsony fogyasztás a fontos: karórákban, mobiltelefonokban, híradástechnikai és háztartási eszközökben stb. Még sokáig sorolhatnánk az alkalmazási területeket, ahol jelenleg találkozunk a korai LCD-panelekhez hasonló tudású monokróm kijelzőkkel.

A jelen:

A később megjelenő, képpontmátrix alapú LCD-k nagyon gyorsan igen népszerűvé váltak azokon az alkalmazási területeken, ahol az LCD minimális helyigényére és relatív alacsony fogyasztására volt szükség. A hordozható számítógépek a kezdetektől LCD-kijelzőkkel működtek és ez a mai napig változatlan, csupán a kijelzők minősége egyre jobb. A gyártási technológia fejlődése mára lehetővé tette, hogy az LCD-alapú megjelenítők színesek, nagy felbontásúak legyenek, továbbá a korai modellekhez képest jóval nagyobb képméretet és sokkal jobb képminőséget biztosítsanak.

Alapelvek:

Az LCD-képernyők alapja egy elektromos áram vezetésére alkalmas kristályos anyag, amely a folyékony és a szilárd halmazállapot között ingadozik. A folyadékkristályok általában hosszú, egyenes, pálcika alakú molekulák, amelyek szívesen sorakoznak fel egymás vagy bármi más mellé, amit maguk körül találnak. Ha egy folyadékkristály-réteget barázdás üveglapok közé teszünk, akkor a molekulák a barázdák mentén helyezkednek el. Ha az egyik lapot 90 fokkal elforgatjuk, a laphoz közeli molekulák újra elrendeződnek, és merőlegesek lesznek a másik laphoz közeli molekulákra. A két lap között a kristályrács többi része negyedfordulatnyi csavart ír le. Az így kapott lapka a rajta áthaladó fény polarizációs síkját 90 fokkal elforgatja. A kijelzőkben használt folyadékkristályok molekuláinak egyik vége egy kissé pozitív, a másik egy kissé negatív töltésű. Ha az üveglapokra egy kis feszültséget kapcsolunk, a molekulák ennek megfelelő helyzetet vesznek fel, és a folyadékkristály már nem forgatja el az áthaladó fény polarizációs síkját. Ha a feszültséget lekapcsoljuk, a rács visszatér az előző állapotba.

A lineáris polarizációs szűrő olyan optikai szűrő, amelyik csak egy bizonyos síkban rezgő fényt enged át magán.

Két, merőlegesen egymásra állított lineáris polarizációs szűrő teljesen átlátszatlan lesz. Az első képen az egymással párhuzamosan, a másodikon a merőlegesen elhelyezett lineáris polárszűrők láthatók.

A kijelző készítésekor az üveglapokat olyan lineáris polarizációs szűrőkkel egészítik ki, amelyek egymással derékszöget zárnak be. A beérkező fényt az első szűrő polarizálja, a folyadékkristály 90 fokkal elforgatja, majd a fény áthalad a második szűrőn, és kilép a másik üveglapon. Ha feszültséget kapcsolunk a kijelző elektródájára, a beérkező fény anélkül halad át a folyadékkristályon, hogy az elforgatná a polarizációs síkot, ezért nem tud áthatolni a második polarizációs szűrőn. Az eredmény: az elektródák által lefedett felületen a kijelző elfeketedik.

A fenti módszerrel egyszerű, monokróm háttér-világításos LCD-kijelző készíthető. Ha a lapka aljára fényvisszaverő réteg kerül, akkor a kijelző háttérvilágítás nélkül működhet, de ilyenkor a kapott kép kontrasztja már jelentősen gyengül, és sötétben nem használható.

Gyorsan fejlődő technológia:

A korszerű színes LCD-megjelenítők (tévék, monitorok) a fentiekben ismertetett alapelven működnek, de felépítésük jóval bonyolultabb. A kijelző képpontjait a szokásos RGB-színkeverés alapszíneire osztott alképpontok (sub-pixelek) alkotják. Az egyes alképpontok alapszíne a felettük elhelyezett színszűrővel határozható meg. Az alképpontokhoz tartozó elektródákon közölt feszültség finom adagolásával árnyalatok megjelenítésére képes a kijelző. A mai, aktív mátrixos LCD-kijelzők alképpontjai 256 különböző árnyalatra képesek, elviekben pedig 16 millió különböző színárnyalat elektronikus megjelenítésére van lehetőség.

Az LCD-alapú megjelenítők gyakorlatilag egyeduralkodónak tekinthetők a lapos kijelzők piacán. Modernizált életünkben elkerülhetetlen, hogy LCD-kijelzőkkel találkozzunk. A legkomolyabb tudással a számítógép-monitorok és az újabban egyre népszerűbb LCD tévék paneljei büszkélkedhetnek. Ma már egyes modellek elérik a 800:1 on/off kontrasztot - ami LCD-viszonylatban egészen jó eredmény -, felbontásuk akár meghaladhatja a HDTV-megjelenítéshez szükséges 1920x1080 képpontot, a legnagyobb képátló pedig megközelíti a 120 centis méretet. Mivel az utóbbi években a folytonos fejlődés mellett a megjelenítők ára folyamatosan csökkent, az LCD-monitorok az asztali számítógép-monitorok piacára hatalmas lendülettel törtek be. A televíziós képernyőként használt LCD-k még kevésbé népszerűek a nagyméretű panelek magas árai miatt, de ha a fejlődés és az árak csökkenése a mostani ütemben halad, akkor az LCD valószínűleg ezen a területen is felzárkózik.

Előnyök, hátrányok:

Az LCD-panellel épített monitorok és tévékészülékek vitathatatlan előnye, hogy helytakarékosak, elegáns megjelenésűek, laposak, könnyűek és alacsony. Az LCD-k nagy fejlődésen mentek keresztül a hosszú évek alatt, de mindig vannak megoldandó nehézségek. Igaz ugyan, hogy a CRT-megjelenítőkkel szemben itt nem tapasztalhatók a megszokott konvergenciai, geometriai és beégési gondok, de néhány szempontból képminőségben még a legújabb LCD-monitorok is jóval elmaradnak CRT-s társaiktól.

Az egyik legnagyobb probléma az, hogy mivel a panel fedettsége nem eléggé magas, ezért a háttérvilágítás a teljesen zárt állapotú LCD-panelen is túlzottan átvilágít, így a készülék on/off-kontrasztja nem lesz kellőképpen magas. Emiatt az LCD-kijelzők fekete-megjelenítése még most is gyenge. Ez főleg grafikai alkalmazások, valamint videolejátszás terén jelenthet gondot. LCD-t házimozi-megjelenítőként vagy tévékészülékként használva gyakran találkozunk rosszul bevilágított, sötét jelenetekkel. Ilyen esetekben gyakori, hogy a kijelző "feketéje" jól láthatóan világít, a képnek nincs mélysége, a látvány kontraszttalan lesz.

A legújabb LCD-k pixelei már elégségesen gyors válaszidővel rendelkeznek, ezért a mozgókép elmosódása manapság már ritkán jellemző, de még mindig gondot jelent, hogy a kép csak bizonyos látószögön belül jó igazán. Oldalról vagy felülről nézve a kép elszíneződhet, jelentősen veszíthet kontrasztosságából. Bár az LCD kijelzők a színmegjelenítésben is sokat fejlődtek, még mindig gyakran látni tolakodó, túl élénk színvilággal ellátott készülékeket.

A fentieken túl egyéb apróságokat is el kell viselnünk, ha LCD-kijelzős megjelenítőt használunk. Ilyenek az esetleges pixelhibák (világító és halott pixelek), a háttérvilágítás egyenetlenségéből adódó képhomogenitási gondok, a homogén felületeken megjelenő enyhe Fixed Pattern Noise (egy helyben álló zaj), esetenként lassú pixelválaszidő miatti mozgókép-utánhúzás. Fontos ezeken felül megemlíteni, hogy az LCD tévék esetében a képminőség sem csak a panel tudásától függ. A digitalizáló és képfeldolgozó áramkör, a deinterlacer/scaler minősége jelentősen befolyásolhatja a végeredményt. Nem egyszer találkoztunk már olyan LCD tévével, amelynek esetében a rossz videó-feldolgozás sokat rontott a végeredményen.

Mindeme hibák ellenére az LCD tévék és monitorok használata egyáltalán nem ellenjavallt, hiszen a villogásmentes kép és a minimális elektromágneses sugárzás ergonómiai szempontból fontos érvek a CRT-megjelenítőkkel szemben. Amennyiben pedig nagy felbontású képek megjelenítésére, esetleg HDTV-megjelenítőre van szükségünk, mindenképp érdemes kipróbálni egy-egy újabb készüléket, hiszen a 16:9 képarányú modellek magas felbontása (legtöbbször 1280x720 vagy 1280x768) kiválóan alkalmas a HDTV videokép megjelenítésére.

A folyadékkristályok:

A szilárd kristályos anyagok belső szerkezete rendezettséget mutat, míg a folyadékokra a belső rendezetlenség a jellemző. 1888-ban egy Friedrich Reinitzer nevű osztrák botanikus észrevette, hogy az általa előállított észternek különös módon két olvadáspontja van. A folyadékkristály elnevezés Otto Lehmanntól származik, aki mikroszkóp alatt vizsgálta ezeket a vegyületeket.

A folyadékkristályok titka molekuláik hosszúkás vagy éppen banánhoz hasonló szerkezetében rejlik. Melegítéskor ezért a kristályok nem veszik fel azonnal a rendezetlen, a folyadékokra jellemző alakot, hanem a két struktúra közötti állapotok is kialakulnak. Ezért tűnik úgy, mintha két olvadáspont lenne, mert először egy Ezekben az állapotokban érdekes jelenségekkel találkozhatunk. Így például a folyadékkristályok különböző hőmérsékleten különböző színűek lehetnek. Ezen a jelenségen alapszik a folyadékkristályos hőmérő működése is.

A hosszú szerves molekulákból álló folyadékkristályok szerkezetükből adódóan kiralitást mutatnak, azaz a rajtuk áthaladó polarizált fény síkját képesek elforgatni. A királis molekulák sok szempontból érdekesek, mi sem bizonyítja ezt jobban, mint az, hogy a 2001. évi kémiai Nobel-díj is ezen vegyületekhez kapcsolódik. Hőmérséklet vagy elektromos feszültség hatására megváltozhat a folyadékkristály molekuláinak szerkezete, így a polarizált fénnyel való kölcsönhatásuk is. Az egyik legelterjedtebb alkalmazás a folyadékkristályos kijelző (LCD - liquid crystal display), mely megtalálható a számológépekben, órák, számítógépek és sok más hétköznapi eszköz kijelzőjén.

Az LCD működése:

Az LCD (liquid crystal display), azaz a folyadékkristályos kijelző lelke egy folyadékristály réteg, melyen polarizált fény halad keresztül.

A látható fény (nem polarizált) először áthalad egy ún. polárszűrőn, melynek következtében az polarizálódik (a fény rezgései csak egy síkban történnek). Az ember szabad szemmel nem tudja megkülönböztetni egymástól a polarizált és a nem polarizált fényt.

A kijelzőben az immár polarizált fény áthalad a folyadékkristályt tartalmazó rétegen, melyet két elektród közé teszünk. Az áthaladás után a polarizált fény síkja 90 fokkal elfordul a folyadékkristállyal való kölcsönhatás következtében. Amennyiben feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályos rétegre, akkor nem a polarizált fény síkja nem fordul el.

A különleges rétegen áthaladó polarizált fény ismét egy polárszűrőre esik, melyen csak akkor halad át, ha a fény síkja a fentire merőleges. Ha áthalad rajta, akkor az alul elhelyezkedő tükörről visszaverődve a kijelzőn világosságot látunk. Amennyiben a folyadékkristályos rétegre, vagy annak egy részére feszültséget kapcsolunk, a kijelzőn sötétséget észlelünk. A folyadékkristályos réteg kiképzésétől függően számokat, betűket, rajzokat is meg lehet jeleníteni a kijelzőn.