LCD pod lupą. Jak działają matryce ciekłokrystaliczne?

Technologia LCD (Liquid Crystal Display) od wielu lat pozostaje jednym z najważniejszych sposobów wyświetlania obrazu w urządzeniach elektronicznych. Mimo dynamicznego rozwoju alternatywnych technologii, takich jak OLED czy MicroLED, wyświetlacze ciekłokrystaliczne nadal dominują w wielu zastosowaniach, zwłaszcza przemysłowych, medycznych, motoryzacyjnych oraz pomiarowych. Wynika to z dojrzałości technologii, wysokiej niezawodności oraz możliwości dostosowania parametrów wyświetlacza do wymagań konkretnej aplikacji. Zrozumienie budowy oraz zasady działania wyświetlaczy LCD stanowi podstawę do analizy różnic pomiędzy poszczególnymi technologiami matryc, takimi jak TN, IPS czy VA.

 

Z jakich elementów składa się wyświetlacz LCD?

Wyświetlacz LCD (Liquid Crystal Display) jest zbudowany z kilku współpracujących warstw, które wspólnie odpowiadają za generowanie obrazu. Do jego podstawowych elementów należą dwa polaryzatory, dwa szklane podłoża, warstwa ciekłych kryształów, filtr barwny RGB, układ podświetlenia oraz sterowniki matrycy.

Przedni i tylny polaryzator odpowiadają za odpowiednie spolaryzowanie światła przechodzącego przez wyświetlacz. Współpracują z warstwą ciekłych kryształów, umożliwiając regulację ilości światła docierającego do każdego piksela. Między dwoma cienkimi szklanymi podłożami znajduje się warstwa ciekłych kryształów, która pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego zmienia swoje właściwości optyczne, kontrolując przepuszczalność światła. Charakter tej zmiany zależy od zastosowanej technologii matrycy, takiej jak TN, IPS lub VA.

Za odwzorowanie kolorów w matrycach aktywnych TFT odpowiada filtr barwny RGB, zbudowany z subpikseli w kolorach czerwonym (Red), zielonym (Green) i niebieskim (Blue). Poprzez odpowiednie sterowanie jasnością poszczególnych subpikseli możliwe jest uzyskanie pełnej gamy wyświetlanych barw.

Ponieważ ciekłe kryształy nie emitują światła, niezbędnym elementem wyświetlacza jest układ podświetlenia (LED Backlight Unit – BLU). Jego zadaniem jest równomierne oświetlenie całej powierzchni matrycy. Patrząc od tylnej części modułu, znajdują się kolejno: warstwa odbijająca (Reflector Sheet), warstwa przewodząca światło (Light Guide Plate) z umieszczonymi na jej krawędzi diodami LED oraz folia dyfuzyjna (Diffuser Sheet), której zadaniem jest równomierne rozproszenie światła na całej powierzchni panelu.

Pracą wyświetlacza sterują dedykowane układy scalone, odpowiedzialne za sterowanie poszczególnymi pikselami oraz komunikację z kontrolerem wyświetlacza. Odbierają one dane obrazu i generują sygnały sterujące dla matrycy LCD.

Podczas pracy światło emitowane przez układ podświetlenia przechodzi kolejno przez tylny polaryzator, warstwę ciekłych kryształów, filtr barwny RGB oraz przedni polaryzator. Regulacja przepuszczalności światła przez warstwę ciekłych kryształów umożliwia wyświetlanie obrazu o odpowiedniej jasności, kontraście i kolorystyce.

 

Jakie są zalety korzystania z wyświetlacza LCD?

Popularność technologii LCD wynika przede wszystkim z korzystnego połączenia jakości obrazu, kosztów produkcji oraz trwałości. W porównaniu z wieloma alternatywnymi technologiami wyświetlacze LCD charakteryzują się długą żywotnością, niewielkim poborem energii oraz wysoką stabilnością parametrów podczas wieloletniej eksploatacji.

Istotną zaletą jest również możliwość produkcji wyświetlaczy o bardzo zróżnicowanych przekątnych, rozdzielczościach i jasnościach, dzięki czemu technologia ta znajduje zastosowanie zarówno w prostych urządzeniach pomiarowych, jak i zaawansowanych panelach operatorskich, systemach medycznych oraz urządzeniach automatyki przemysłowej.

Technologia LCD dzięki stosunkowo prostej konstrukcji oraz niewielkiemu zużyciu energii stała się jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań do wyświetlania obrazu w urządzeniach elektronicznych. Wyświetlacze tego typu znajdują zastosowanie zarówno w elektronice użytkowej, takiej jak telewizory, monitory, laptopy i smartfony, jak i w urządzeniach przemysłowych, medycznych, motoryzacyjnych oraz systemach automatyki. Ich szerokie zastosowanie wynika z możliwości dostosowania parametrów, takich jak rozdzielczość, jasność, kontrast czy kąty widzenia, do wymagań konkretnej aplikacji.

 

Budowa wyświetlacza LCD

Źródło: opracowanie własne

 

Jak orientacja kryształów wpływa na przepuszczalność światła?

Ciekłe kryształy stanowią fazę pośrednią pomiędzy stanem ciekłym i stałym. Łączą cechy obu tych stanów - ich cząsteczki zachowują uporządkowaną orientację charakterystyczną dla ciał stałych, jednocześnie posiadając zdolność przemieszczania się, typową dla cieczy. Właściwości ciekłokrystaliczne wykazują jedynie cząsteczki o anizotropowym kształcie, najczęściej przypominające pręty lub dyski. W zależności od sposobu uporządkowania cząsteczek wyróżnia się kilka faz ciekłokrystalicznych, spośród których największe znaczenie w technologii wyświetlaczy LCD ma faza nematyczna (fot. 4) oraz jej odmiany. W fazie tej cząsteczki są zorientowane w przybliżeniu w jednym kierunku, zachowując jednocześnie swobodę przemieszczania się, co umożliwia zmianę ich właściwości optycznych pod wpływem pola elektrycznego.

 

 

Zmiana uporządkowania cząsteczek ciekłego kryształu w zależności od temperatury.

Źródło: opracowanie własne.

 

Temperatura ma istotny wpływ na fazę ciekłych kryształów, ponieważ wraz ze wzrostem energii cieplnej zmienia się stopień uporządkowania ich cząsteczek. W niskich temperaturach materiał występuje w fazie smektycznej (fot. 1, 2, 3), charakteryzującej się wysokim stopniem uporządkowania. Wraz ze wzrostem temperatury przechodzi do fazy nematycznej (fot. 4), w której cząsteczki zachowują wspólny kierunek orientacji, lecz mogą swobodniej się przemieszczać. Dalszy wzrost temperatury prowadzi do przejścia w fazę izotropową (fot. 5), odpowiadającą zwykłemu stanowi ciekłemu, w którym cząsteczki tracą uporządkowanie orientacyjne (występuje powyżej temperatury klarowania ciekłego kryształu; powyżej tego punktu ekran LCD przestaje działać poprawnie). W technologii LCD wykorzystywana jest przede wszystkim faza nematyczna, gdyż umożliwia zmianę orientacji cząsteczek pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, a tym samym kontrolowanie ilości światła przechodzącego przez wyświetlacz.

Działanie wyświetlaczy LCD opiera się na zdolności ciekłych kryształów do zmiany polaryzacji światła. Warstwa ciekłych kryształów znajduje się pomiędzy dwiema elektrodami oraz dwoma polaryzatorami. Orientacja cząsteczek decyduje o sposobie oddziaływania ze światłem spolaryzowanym, a tym samym o ilości światła przechodzącego przez wyświetlacz. W stanie bez przyłożonego napięcia cząsteczki są ułożone w taki sposób, że zmieniają płaszczyznę polaryzacji światła, umożliwiając jego przejście przez drugi polaryzator. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego ich orientacja ulega zmianie, przez co światło nie zmienia odpowiednio swojej polaryzacji i zostaje częściowo lub całkowicie zablokowane przez drugi polaryzator. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu napięciem doprowadzonym do poszczególnych pikseli możliwe jest regulowanie ilości przepuszczanego światła, a w połączeniu z filtrem barwnym RGB, uzyskanie odpowiedniej jasności, kontrastu oraz pełnokolorowego obrazu.

 

Zasada działania wyświetlacza LCD – wpływ orientacji cząsteczek ciekłego kryształu na przepuszczanie światła

Źródło: opracowanie własne.

 

Opisany mechanizm stanowi podstawę działania wszystkich współczesnych wyświetlaczy LCD. Różnice pomiędzy technologiami matryc, takimi jak TN, IPS czy VA, wynikają przede wszystkim ze sposobu ułożenia oraz zachowania cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego.

 

A jakie ma tutaj znaczenie sterowanie napięciem?

Podstawą działania wyświetlaczy LCD jest sterowanie orientacją cząsteczek ciekłego kryształu za pomocą pola elektrycznego. Każdy piksel matrycy jest połączony z elektrodami, pomiędzy którymi przykładane jest odpowiednie napięcie. Wartość tego napięcia decyduje o ułożeniu cząsteczek ciekłego kryształu, a tym samym o ilości światła przepuszczanego przez dany piksel. Regulacja napięcia nie odbywa się w sposób dwustanowy, lecz ciągły. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wielu poziomów transmisji światła, co pozwala na wyświetlanie różnych poziomów jasności każdego subpiksela. W połączeniu z filtrem barwnym RGB umożliwia to odwzorowanie milionów kolorów oraz płynnych przejść tonalnych.

We współczesnych wyświetlaczach TFT-LCD sterowanie napięciem realizowane jest przez cienkowarstwowe tranzystory (TFT), z których każdy przypisany jest do pojedynczego subpiksela. Tranzystor działa jak elektroniczny przełącznik, ładując pojemność komórki ciekłokrystalicznej do określonego napięcia podczas odświeżania obrazu. Po zakończeniu adresowania napięcie jest utrzymywane do momentu kolejnego cyklu odświeżania, co zapewnia stabilność wyświetlanego obrazu oraz wysoką jakość odwzorowania jasności.

Sposób, w jaki zmiana napięcia wpływa na orientację cząsteczek ciekłego kryształu, zależy od zastosowanej technologii matrycy. W matrycach TN cząsteczki obracają się w kierunku prostopadłym do powierzchni wyświetlacza, w technologii IPS obracają się równolegle do powierzchni szkła, natomiast w matrycach VA w stanie spoczynku są ustawione niemal pionowo i odchylają się po przyłożeniu napięcia. Różnice te wpływają na parametry wyświetlacza, takie jak kąty widzenia, kontrast, czas reakcji oraz odwzorowanie barw.

 

Podsumowanie

Podstawą działania wszystkich wyświetlaczy LCD jest kontrolowanie ilości światła przechodzącego przez warstwę ciekłych kryształów za pomocą pola elektrycznego. Zmiana orientacji cząsteczek wpływa na polaryzację światła, umożliwiając precyzyjne sterowanie jasnością poszczególnych pikseli i tworzenie obrazu. Choć zasada działania wszystkich wyświetlaczy LCD pozostaje taka sama, różnice w sposobie ułożenia oraz ruchu cząsteczek ciekłego kryształu prowadzą do powstania różnych technologii matryc, takich jak TN, IPS i VA. To właśnie ich konstrukcja decyduje o parametrach użytkowych wyświetlacza, takich jak kontrast, kąty widzenia, czas reakcji czy odwzorowanie barw.

 

Aby uzyskać więcej informacji na temat LCD oraz możliwości ich zastosowania w projektowanych urządzeniach, zapraszamy do kontaktu z Dawidem Tutlewskim:  [email protected] / +48 886 223 908.