Rovat: Híradástechnika
Folyadékból alkotott képek – az LCD kijelzők működése
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.
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 minőségű 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 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 fogyasztásúak. 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 alacsony kontrasztú 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.
