A folyadék- kristályos kijelzők:



Az LCD (Liquid Crystal Display)működési elve:

A folyadék-kristályos anyagokat Friedrich Reinitzer német biokémikus fedezte fel. Ezek az anyagok a folyadékokhoz hasonlóan folyékonyak, bár a molekuláik bizonyos mértékig rendezettek, és így szilárdnak (kristálynak) is tekinthetők.
Sok, a természetben is előforduló több száz szintetikusan előállított nagymolekulájú szerves vegyület folyadékkristályként is ismert. A természetes folyadékkristályoknak van egy igen nagy hátrányuk, mégpedig az, hogy a folyadék-kristályos állapotukat csak igen keskeny hőmérséklettartományban tartják meg. A folyadék-kristályok makroszkópos méretekben folyékonyak, de mikroszkóp alatt a szilárd testekhez hasonló rendezettséget mutatnak. A folyadék-kristályokat G. Friedel német fizikus 1922-ben a szerkezetük alapján három nagy csoportra osztotta:

Szmektikus folyadék-kristályok. A nevüket a görög szappan szó alapján kapták, mivel a molekulaszerkezete hasonlóságot mutat a szappanéhoz. A vastag, szivar alakú molekulák szorosan, egymással párhuzamosan, a molekulatengelyre merőleges síkú, monomolekuláris rétegekben helyezkednek el. Az egyes rétegekben a molekulák elrendezése véletlenszerű. Amikor a szmektikus anyagot melegítjük, akkor a szilárd halmazállapotból folyadékkristály állapotba kerül. A monomolekuláris rétegek egymáson elcsúszhatnak, de a rétegek megmaradnak. Ha a melegítést folytatjuk, az anyag folyékony halmazállapotba kerül és ekkor már a rétegeken belüli kötések is felbomlanak. Ilyen szmektikus anyag a pazoxibenzonát.

Nematikus folyadék-kristályok. A nevüket a görög fonál szóból kapták, aminek az oka szintén a molekulaszerkezet hasonlósága a fonálhoz. Ezek a folyadék-kristályok a legfontosabbak a kijelzők szempontjából. Szerkezetük kevésbé rendezett, mint a szmektikus anyagoké. Molekuláik pálcika alakúak - fonálszerüek -, a molekuláris tengelyük a folyadék kristályos állapotban egymással párhuzamos. A nematikus anyagok molekulaszerkezelét jól lehet szemléltetni egy doboz fogvájóval. Ebben a dobozban lévő fogvájók egymáson csak a tengelyük irányában képesek elmozdulni, vagy a hossztengelyük körül elfordulni, de a doboz miatt mindvégig párhuzamosak maradnak. Tipikus nematikus folyadékkristályok a petoxibenzilidén-paminobenzonitril, az ansylidén-paminofeni l acetát és a p-anoxiansol.

Koleszterikus folyadék-kristályok. Nevüket onnan kapták, hogy ezek a vegyületek leginkább koleszterol származékok, bár maga a koleszterol nem folyadék-kristály. Szerkezetük szintén réteges tulajdonságokat mutat. A folyadék-kristályt alkotó szerves anyag molekuláris tengelyei egymással és az általuk alkotott monomolekuláris rétegek síkjaival párhuzamosak. Mivel az egy rétegben lévő molekulák molekuláris tengelyei egymással párhuzamosak, ezek a rétegek egy igen vékonyak a koleszterikus folyadék-kristályok esetében. Az egyes keskeny rétegekben elhelyezkedő molekulák tengelyei az egyes síkokban nem tetszőleges irányban helyezkednek el, hanem csak a szomszédos sík által meghatározottan. Ebből következik, hogy az egyes molekularétegek néhány száz réteg után ismét ugyanolyan irányt vesznek fel. A koleszterikus anyagok a fény polarizációs síkját elforgatják.

A folyadék-kristályok esetében fontos két hőmérsékleti pont megkülönböztetése. Amikor a szilárd halmazállapotból folyadék-kristály halmazállapot jön létre, azt C-N (Crystalline-Nematic) pont, amikor a folyadék-kristály ősből folyékony halmazállapot lép fel, azt pedig N-L (Nematic-Liquid) pontnak nevezzük. A folyadék-kristály a C-N pontnál folyékony halmazállapotúvá válik a szó köznapi értelmében, de a molekulái részben megtartják eredeti rendezett szerkezetüket. Ha az anyagokat vékony, 6-25 mm vastagságban két, a belső oldalukon átlátszó ónoxid vezető réteggel bevont üveglemez közé helyezzük, akkor a vékony rétegben a folyadék-kristályt alkotó szerves anyag molekulái a tengelyükkel a két üveglemezre merőlegesen állnak be. Ebből is következik, hogy annak ellenére, hogy az anyag folyékony halmazállapotú, a molekulák rendezettek. Ha a hőmérsékletet tovább növeljük és elérjük az N-L pontot, a molekularendezettség megszűnik és az anyag valódi folyadékká alakul át. Fontos a kijelzők esetében, hogy két ponton bekövetkező változás megfordítható (reverzibilis) legyen és a folyadék-kristályos anyagra nézve ne okozzon semmilyen kárt.


LCD típusok

Az LCD, mint az az előzőekből már kiderülhetett, nem képesek fénykibocsátásra. Az LCD az információnak megfelelően a fényt vagy átengedik, vagy nem, illetve a ráeső fényt vagy visszaverik, vagy elnyelik. Ebből következik, hogy minden ilyen elven működő kijelzőnek fényforrásra van szüksége, amit vagy a kijelző mögött (transzmissziós LCD) vagy a kijelző előtt (reflexiós LCD) helyezik el. Temészetesen a fényforrás nem látható, akár természetes fény is lehet. A működési elv alapján kétféle LCD típusról beszélhetünk.

- Dinamikus szóráson alapuló LCD kijelzők. A dinamikus szórást 1968-ban fedezték fel. Az ilyen típusú LCD-k karakterei átlátszóak, ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor pedig kifehérednek. Ha a nematikus folyadék-kristályt vékony rétegben két, a belső oldalán vezető réteggel bevont üveglap közé helyezzük, akkor a molekulák beállnak a már említett, az üveglapra merőleges irányba. Ebből következik, hogy a rá eső fényt egyszerűen átengedi. Ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor az elektromos tér hatására a folyadékkristály molekulái az elektromos tér irányába fognak beállni. A folyadék-kristályban az elektromos áram hatására létrejövő ionok a homogén molekulaszerkezetet megváltoztatják. Az ionok, az őket körülvevő molekulákkal együtt fényszóró központokat hoznak létre, ami a rá eső fényt megtöri. Azt a fényszóródást, ami az ionos vezetés miatt jön létre, dinamikus szórásnak nevezik. Az ilyen elven működő LCD-ket váltakozó árammal táplálják annak érdekében, hogy elkerüljék a folyadék-kristály elektrolízisét. A dinamikus szórás elvén működő kijelzők transzmissziós és reflexiós típusúak egyaránt lehetnek. A transzmissziós LCD-k olyan felépítésűek, hogy a kijelzőt néző a fényforrást nem láthatja. Annak érdekében, hogy ez így legyen, a kijelző hátlapját fényterelőkkel látják el, így a fény ferdén felülről fog a kijelzőn áthatolni. A kijelző hátlapja párologtatott alumínium, amely a fény visszaverésért felelős oly módon, hogy a visszavert fény ne kerüljön a megfigyelő szemébe.

- Térvezérléses folyadék-kristályos kijelzők. Az ilyen elven működő kijelzők esetében a kristály fényáteresztő képességét változtatják meg. A folyadék-kristályt fénypolarizátorok közé helyezik és a cella feladata, hogy a rá eső fény polarizációs síkját a térmentes esethez képest 90°-kal elforgassa. A feladat végrehajtásához a kijelzőt alkotó két üveglemez belső felületét egymásra merőlegesen, de az egyes lemezeken párhuzamosan felrovátkolják. Mivel a nematikus folyadék-kristály molekulái a lemezekre merőlegesen állnak be, ezért feszültségmentes esetben a cella 90°-os forgatást fog elvégezni a beeső fény polarizációs síkján. Emennyiben az üveglemezek külső, fényáteresztő és vezető felületére megfelelő nagyságú feszültséget kapcsolunk, akkor a folyadék-kristály molekulái egységesen beállnak az elektromos tér irányába. Ebből az következik, hogy ilyen esetben a cella nem fog fordítani a fény polarizációs síkján. Az ilyen működési elvű kijelző elméletileg egy pusztán feszültséggel vezérelhető fényzár. Ennél a kijelzőnél is találkozhatunk reflexiós és transzmissziós típusokkal. A kijelzőkben ez a fajta a leggyakoribb, amit felhasználnak. A transzmissziós térvezérléses LCD nagyon minimális külső megvilágítást igényel, viszont a megadott kontrasztérték (tulajdonképpen a kijelzett érték léthatósága) csak merőleges leolvasás esetén érvényesek. Ha a transzmissziós kijelzőknél a polarizátorok polarizációs síkja egymásra párhuzamos, akkor fekete alapon fehér számokat kapunk. Amennyiben a két sík egymásra merőleges és a hátsó polarizátor mögött fehér matt felületet helyezünk el, akkor fehér alapon fekete értékeket láthatunk.

A bekapcsolt LCD: A ki kapcsolt LCD:

A fenti folyadék-kristályos kijelző típusok nagyon jól megálltak a helyüket olyan területeken, ahol viszonylag kevés a kijelezni kívánt érték. Ennek oka, hogy annyi folyadék-kristály cellára van szükség, amennyi szegmensből összeállítjuk a kijelzendő értéket. A számítógépes felhasználáshoz olyan kijelzőre van szükség, amit pontunkként lehet vezérelni. Azt, hogy mennyi cellára van szükségünk, a felbontás egyértelműen meghatározza.

LCD főbb típusai, jellemzői

Duat-Scan Twisted Nematic (DSTN) kijelző

A DSTN kijelző több rétegből áll, mint a térvezérléses, vagy a dinamikus szórás elvén működő kijelzők.
A két külső réteg a polarizációs szűrő. Ennek a szerepét már ismerjük. A kijelző két üveglap között helyezkedik el, melyek külső felületén találhatjuk meg a már említett polarizációs szűröket. A két üveglap belső felületén találjuk a folyadék-kristály vezérlésére szolgáló vezetékeket. Mivel a kijelző pontjai tömb alakba (mátrixba) vannak szervezve, az egyik üveglapon a sorok, míg a másik lapon az oszlopok vezérlését megvalósító vezető sínek találhatók.


Ezzel a módszerrel a kijelző minden pontja külön-külön vezérelhető attól függetlenül, hogy melyik sorban, illetve az oszlopban található. A két vezérlő-réteg egy-egy közbenső hordozó rétegen vannak felhordva. A két hordozóréteg között helyezkedik el a folyadék-kristály cellák formájában. A kijelzőben annyi cella található, amennyi a kijelzőn megjeleníthető pontok száma. A fent leírtak az egyszínű, vagyis monokróm kijelzőre érvényesek. Amennyiben színes megjelenítésre van szükségünk, a monitoroknál már megismert színkeverést kell segítségül hívnunk. Minden képpont tulajdonképpen három, egy kék, egy piros és egy zöld pontból áll. A három szín segítségével az összes szín kikeverhető. Természetesen ahhoz, hogy ez így működjön, minden képpontot meg kell háromszorozni. Az egyes színekhez tartozó pontok nagyon közel vannak egymáshoz - csak így lehet biztosítani, hogy a kevert színeket tisztának lássuk -, ezért szükség vagy egy olyan rétegre, ami biztosítja, hogy ezen pontok mindig olyan és csak olyan színűnek látszódjanak, mint amilyennek kell.
A kijelző vezérlése elektromos feszültséggel történik.

A polarizációs szűrök rovátkolásai egymásra merőlegesek. Amint azt az ábrán is megfigyelhetjük, a folyadék-kristály két üveglap között található, tehát a polarizációs szűrővel nem lép kapcsolatba. Ahhoz, hogy a folyadék-kristályban a molekulák elforduljanak - a nematikus kristályokra jellemzően -, a két üveglapnak is rovátkoltnak kell lenni. A molekulák természetesen ezekre merőlegesen fognak beállni. A DSTN kijelzőben lévő folyadék-kristály a fény polarizációs síkját 90° és 270° közötti értékkel forgatják el. A K kapcsoló nyitott állásában tehát a molekulák beállnak a hordozó üveg síkjára merőlegesen. A háttérvilágításból származó fény a polarizációs szűrön áthaladva elforgatásra kerül. Ha a K kapcsolót zárjuk, akkor a molekulák tengelyei az elektromos tér irányába fognak beállni, a fényforgatás nem jön létre, tehát a fény nem képes a folyadék-kristályon áthaladni.

A háttérvilágítás tipikus megjelenési formája a hideg-katód fénycsövek, amelyeknek a fényét műanyag terelőkkel és/vagy prizmákkal úgy osztják el, hogy a kijelző hátlapjára egyenletesen vetődjenek.

A DSTN kijelzők sajnos meglehetősen lomha képmegjelenítéssel rendelkeznek. Ezt a jelenséget árnyékosságnak nevezzük és úgy jelentkezik, hogy az előző képet is még látjuk, de természetesen halványabban. Az árnyékosságnak az oka a működési elvből, illetve a felépítésböl adódik. Amikor szeretnénk egy képpontot megjeleníteni, akkor a megfelelő sor- és oszlopvezetékre feszültséget kapcsolunk. Ez azt eredményezi, hogy a képponttal megegyező oszlopban és sorban lévő pontok is kissé gerjesztett állapotba kerülnek, azonban ezeknél az elektromos tér nem akkora, hogy a kristály molekuláit számottevően átrendezze. Ha másik pontot akarunk megjeleníteni, ami ugyanabban a sorban vagy oszlopban található, akkor ott az elektromos tér gyorsabban képes kialakulni, mint ahogyan az előzőén gerjesztett pontban a tér megszűnése miatt a molekulák visszarendeződnének. Ezért látszódik még az előző képkocka egy kissé a következő megjelenítése esetén is.

Az átlagos DSTN LCD kijelzők válaszideje (ami egy adott kép megjelenítéséhez szükséges) kb. 300 ms, ami azt jelenti, hogy egy másodperc alatt valamivel több, mint három kép megjelenítésére van lehetőség. A hosszú válaszidő okozza a kijelző árnyékosságát és alkalmatlanná teszi a teljes képernyős videólejátszást igénylő alkalmazások használatára. Egyes gyártóknak sikerült az elérési időt a felére csökkenteni, de a képernyő frissítése még mindig nem teszi lehetővé a gyors kcpváltásokat igénylő alkalmazások futtatását a megfelelő sebességgel.

A DSTN kijelző már egyre inkább háttérbe szorul, bár még az olcsóbb hordozható számítógépekben még mindig találkozhatunk velük.


Vékony-film tranzisztor (Thin Film Transistor, TFT) kijelző

A technológia felhasználja a tranzisztort, mint kapcsolóelemet. A tranzisztornak van egy nagy hátránya, a vezérléséhez áramra és feszültségre egyaránt szükség van. Ez a kijelzők területén meglehetősen nagy hátrány, mivel a telepes üzem miatt a fogyasztást lehetőleg a minimális értéken kell tartani. A megoldás a térvezérléses tranzisztor (Field Effect Tranzisztor, FET) felhasználása.

 

Az egyszerűség kedvéért csak egyféle FET működésével foglalkozunk, a többi típus is hasonlóképpen működik. A FET félvezető eszköz, p- és n-csatomás félvezető anyagokból épül fel. Ezek jellegzetessége, hogy a p-csatornás anyagban több a pozitív, az n-csatornás anyagban pedig több a negatív töltéshordozó. Ha ezeket a félvezetőket egymás mellé tesszük szorosan, akkor a két réteg között megindulnak a negatív és pozitív töltések és egy keskeny sávban létrehoznak egy tőltés nélküli réteget. Az n-csatorna két végén találjuk az S (source, forrás) és a D (drain, nyelő) kivezetéseket. Az áram ezen két elektróda között folyik abban az esetben, ha rájuk feszültséget kapcsolunk. A két p-csatornát összekötjük és kivezetjük, ez lesz a G (gáté, kapu) elektróda. A kapura kapcsolt feszültség nagyságától függően a két p-csatorna között lévő töltésmentes (kiürített) réteg vagy kiszélesedik vagy lecsökken. Minél szélesebb a kiürített réteg, annál kevesebb töltés képes átáramolni az n-csatornán, tehát annak megnövekszik az ellenállása. Ha a kapura kapcsolt feszültség elér egy értéket, akkor a két kiürített réteg összeér, tehát a FET lezár, a forrás és a nyelő között áram nem tud folyni. Mivel a két G elektróda között nem folyik áram (vagy legalábbis csak nagyon kicsi), ezért a FET áram nélkül vezérelhető ellenállás. Ha viszont az áram nulla, akkor a FET teljesítmény nélkül vezérelhető! Ha a FET-et kiegészítjük még egy kapuval, akkor a két kapu ÉS kapcsolatban képes a tranzisztort nyitni, illetve zárni. Ez azt jelenti, hogy a FET csak akkor vezérelhető, ha mindkét gate lábára a megfelelő feszültséget kapcsoljuk.

A FET-ek nagyon jól miniatürizálhatok, lehetőség nyílik arra, hogy egy vékony rétegbe készítsek el ezeket, így tulajdonképpen egy filmet képeznek. Az ilyen FET-ekct, mivel tulajdonképpen ezek is tranzisztorok, vékony-film tranzisztoroknak (Thin Film Transistor, TFT) nevezzük.

Az összes FET forrás és nyelő vezetéke össze van kapcsolva, az oszlop, valamint a sorvezetékekre pedig az egyik, illetve a másik gate lábat kapcsoljuk. A vezérlővczetékeken áram nem folyik, tehát a vezérlés plusz teljesítményfelvétellel nem jár.

Egyes gyártók felhasználták a TFT technológiát a színes folyadékkristályos kijelzőikhez. A képernyő egy aktiv mátrix, ami tranzisztorokból van felépítve. Ez a mátrix csatlakozik az LCD panelhez. Minden tranzisztor egy LCD pont meghajtását képes elvégezni. Az eddig elmondottakból már kiderülhetett, hogy miben más a TFT és a DSTN kijelző. A DSTN kijelzőnél a vezérlövezetékek közvetlenül a folyadék-kristály molekulákat rendezik át. A TFT esetében a vezérlés csak a tranzisztorok kinyitását, illetve zárását végzi el. A tranzisztor így egy kapcsoló, ami közvetlenül a folyadék-kristály cellát vezérli. Természetesen ez utóbbi megoldás sokkal gyorsabb reagálású kijelzőt eredményez. A TFT kijelző tipikus váíaszolási ideje 25 ms alatt van, ami lehetővé teszi 40 kép megjelenítését percenként. Mivel a szemünk a másodpercenkénti 25 képváltást már folyamatosnak érzékeli, ezért a TFT kijelző már alkalmas Leljes képernyő videofilmek lejátszására is.
A fent elmondottak az egyszínű, tehát monokróm kijelzőkre érvényesek. A kijelző felbontása meghatározza a tranzisztorok számát is, mivel minden ponthoz külön-külön tranzisztor tartozik. Amennyiben színes megjelenítésre is szükségünk van, akkor a pontok számát meg kell háromszorozni. Ha ezek a pontok megfelelően közel vannak, ezek egy pontnak fognak látszódni. A három pont az RGB színkeverési eljárásnak megfelelően piros, zöld és kék színű. A pont színét az additív színkeverésnek megfelelően a három pont együttesen határozza meg. Az ilyen kijelzőkben háromszor annyi tranzisztorra van szükség, mint amennyi a kijelző felbontása.