Notiuni Generale cu Privire la Lcd

Denumirea de „LCD” reprezintă un acronim corespunzător grupului de termeni „Liquid Crystal Display”, adică „afișaj cu cristale lichide”. LCD-ul este des întâlnit în echipamentele electronice, precum laptop-uri, calculatoare de buzunar, monitoare, ceasuri digitale, cuptoare cu microunde ș.a. . Principalul motiv pentru utilizarea afișajului cu cristale lichide este acela că oferă reale avantaje față de afișajele cu tub catodic, cum ar fi:

– Prezintă o dimensiune compactă;

– Consum redus de energie;

– Nu prezintă distorsiuni geometrice;

– Prezintă un pâlpâit redus, în anumite condiții de iluminare a fundalului;

– Este rezistent;

– Afișajele cu cristal lichid au o durată de viață relativ lungă, cuprinsă între și de ore, moment după care luminozitatea va scădea la jumătate.

Totuși, afișajul cu cristale lichide deține și o serie de dezavantaje:

– Are un raport scăzut de contrast (de aceea a derivat tehnologia TFT);

– Timpuri mari de răspuns ai pixelilor ;

– Unghi de vizualizare limitat;

– Prezintă un preț mai mare ca al tuburilor catodice;

– Majoritatea ecranelor de tip LCD utilizează tehnologia TFT (detalii prezentate în subcapitolul W.4), ceea ce înseamnă că fiecărui pixel îi corespunde un tranzistor. În anumite circumstanțe, există posibilitatea ca aceste tranzistoare să se defecteze și să ducă la apariția pixelilor morți după o anumită perioadă de funcționare sau chiar din timpul fabricației.

– Lumina inegală de fundal poate să creeze distorsiuni de luminozitate.

Multe afișaje de tip LCD sunt reflectorizante, ceea ce înseamnă că utilizează lumina ambientală pentru a ilumina display-ul. Altele, însă, dețin o sursă de iluminare de fundal, denumită „backlight”. Această sursă iluminează afișajul din lateral sau din spate, fiind utilizată în cazul display-urilor de dimensiuni mai mici pentru a favoriza citirea informației în condiții de iluminare scăzute.

Sursa de iluminare poate avea mai multe nuanțe. Afișajele monocrome cu cristale lichide pot avea backlight de culoare galbenă, albastră, verde sau albă, în timp ce backlight-ul din afișajele color pot utiliza o nuanță din toate culorile spectrului.

O sursă de iluminare a fundalului poate proveni din:

– Panouri electroluminiscente – acestea oferă o iluminare uniformă a fundalului, pe întreaga sa suprafață, în timp ce alte tipuri de backlight necesită un dispozitiv care să distribuie acea lumină, să o propage egal.

– Lămpi catodice cu fluorescență la rece;

– Lămpi catodice cu fluorescență la cald;

W.2 Cristale lichide

Spre deosebire de marea majoritate a materialelor, care dețin trei stări de fază, și anume solidă, lichidă și gazoasă, cristalele lichide din componența LCD-ului sunt materiale situate atât într-o stare lichidă, cât și într-o stare moleculară solidă, deci prezintă o a patra stare de fază distinctă. [W1].

Starea de cristal lichid este singura care îmbină două proprietăți fundamentale ale materiei: mobilitatea (corespunzătoare stării lichide) și ordinea (corespunzătoare stării solide). [W3]

De asemenea, moleculele de cristal lichid au tendința de a se „autoaranja” până când vor fi orientate toate în aceeași direcție – a se observa figura W.1.

Fig. W.1 – Structura moleculară a cristalelor lichide

Există mai multe tipuri de cristale lichide, în funcție de simetria structurii cristalelor lichide rezultată din modul de aranjare al moleculelor unele față de altele:

a) Nematice – la cristalele nematice, toate moleculele au axele în aceeași direcție, direcție care se poate schimba la toate, nu doar la o singură moleculă, aplicând câmp electric.

Cristalele lichide din această clasă își manifestă proprietățile de cristal lichid în jurul a , însă de curând s-a reușit coborârea acestei temperaturi la o gamă de , deschizând posibilități în utilizarea practică a acestora.

b) Smectice A – moleculele sunt grupate în straturi, iar axa moleculelor este perpendiculară pe straturi.

c) Smectice C – moleculele cristalelor smectice C sunt grupate în straturi, însă axa moleculelor nu mai este perpendiculară pe planul stratului respectiv.

Aceste trei tipuri de cristale lichide pot fi vizualizate în figura W.2.

d) Colesterice – cristalele lichide de acest tip prezintă moleculele grupate în straturi, molecule cu aceeași direcție aflate chiar în planul stratului respectiv.

În fiecare strat, orientarea moleculelor diferă, unghiul axelor față de o referință descriind o elice.

Structura cristalelor lichide de acest tip poate fi urmărită în figura W.3.

Unele cristale lichide prezintă un singur tip de fază din acestea patru, însă altele pot prezenta și două faze. Tranziția dintre ele are loc la anumite temperaturi, iar fiecare fază este stabilă într-un anumit interval.

Figura W.2 –Structura a trei tipuri de cristale lichide – nematic, smectic A și smectic C

Fig. W.3 – Structura cristalelor lichide de tip colesteric

Cristalele lichide prezintă o serie de proprietăți, și anume:

– Orientarea moleculelor poate fi modificată cu ajutorul unui câmp electric convenabil.

– Dacă avem o placă cu striații rectilinii, la contactul natural cu cristalul lichid, moleculele cu cristal lichid se orientează în lungul acestor striații rectilinii.

– Dacă între două plăci cu striații rectilinii avem cristale lichide, la contactul natural cu fiecare placă, moleculele se orientează în lungul striațiilor.

Atunci când cele două direcții ale striațiilor nu coincid, moleculele din spațiul celor două plăci se orientează progresiv de la o direcție la cealaltă. [W2]

W.3 Lumină naturală și lumină polarizată

Lumina naturală este formată dintr-o undă de câmp electric, notată cu și o undă de câmp magnetic, notată cu . Ansamblul celor două formează o undă de câmp electromagnetic. La această undă electromagnetică, planul în care se găsesc vectorii de câmp electric este perpendicular pe planul în care se găsesc vectorii de câmp magnetic, ca în figura W.4.

Fig. W.4 – Propagarea unei unde electromagnetice

Lumina naturală este emisă în trenuri care conțin câteva lungimi de undă, la fiecare tren schimbându-se planul în care se găsește vectorul de câmp electric, și, implicit, vectorul de câmp magnetic, . Astfel, se spune că lumina nepolarizată este cea care conține vectorul de câmp electric în mai multe planuri.

Lumina polarizată se obține din lumină nepolarizată, utilizând filtre de polarizare. Filtrele de polarizare reprezintă structuri care permit să treacă prin ele doar lumina al cărei câmp electric este orientat într-o singură direcție, ca în figura W.5. Când, însă, lumina trece prin două filtre, primul se va numi polarizor, iar al doilea filtru, analizor.

Fig. W.5 – Trecerea luminii nepolarizate printr-un filtru (polarizor)

Planul luminii polarizate poate fi modificat cu ajutorul cristalelor lichide, în funcție de cum sunt ele orientate, cu ajutorul câmpului electric. Astfel, cum orientarea moleculelor de cristal lichid poate fi schimbată cu un câmp electric, , se poate schimba planul în care este orientată lumina. [W2]

O ilustrare a acestui concept pe un afișor 7 segmente poate fi urmărită în figura W.6. Aici, cristalele lichide sunt dispuse între două plăci de sticlă, fiecare placă dispunând de șapte electrozi pozitivi și negativi, care pot fi alimentați individual. Lumina care trece prin polarizor va lăsa să treacă doar câmpul electric orientat vertical și, când nu este aplicată tensiune asupra electrozilor, cristalele lichide vor schimba orientarea luminii care a trecut prin polarizor, cu . Astfel, lumina va trece și prin al doilea filtru, adică prin analizor, deoarece acesta este orientat perpendicular față de polarizor. Această lumină poate forma unul dintre cele șapte segmente de pe afișor.

În momentul în care se aplică tensiune asupra unuia dintre electrozi, moleculele de cristal lichid se aliniază cu câmpul electric și pierd acel „tipar” de cristale lichide de tip colesteric. Lumina care trece printr-un electrod care este alimentat nu își va schimba planul și, prin urmare, va fi blocată de analizor. Coordonând tensiunea aplicată celor șapte electrozi pozitivi și negativi, pe afișor pot apărea cifre de la 0 la 9. În exemplul din imagine, segmentul din dreapta, sus (segmentul „c”) și cel din stânga, jos (segmentul „f”) sunt alimentate și blochează lumina de la a trece prin ele, afișând cifra 2.

Fig. W.6 – Orientarea moleculelor de cristal lichid în funcție de aplicarea tensiunii pe electrozii pozitivi și negativi, la un afișaj alfanumeric de tip LCD

În televizoare, monitoare etc., există trei celule de cristal lichid pentru fiecare pixel, acestea numindu-se subpixeli. În fața fiecărui subpixel se găsește un filtru de culoare, care permite trecerea luminii roșii, verzi și albastre – a se observa figura W.7.

Schimbarea orientării moleculelor de cristal lichid de tip nematic se va realiza în funcție de valoarea tensiunii care se aplică între acei electrozi transparenți.

Astfel, se consideră doi pixeli; celulelor de cristal lichid ale primului pixel li se va aplica o tensiune mai mică decât celulelor celui de al doilea pixel. Acest lucru înseamnă că schimbarea orientării celulelor de cristal lichid ale primului pixel va fi mai puțin pronunțată, iar câmpul electric, , nu va mai fi chiar vertical, ci cu un anumit unghi față de verticală, iar intensitatea luminii după analizor care se va observa, va fi definită conform relației lui Malus:

,

Unde:

y este intensitatea luminoasă de la ieșirea analizorului;

este intensitatea luminoasă la intrarea analizorului;

reprezintă unghiul făcut de planul câmpului electric și direcția filtrului de polarizare.

Aceasta este modalitatea prin care se creează în LCD punctele mai mult sau mai puțin luminoase. [W2]

Fig. W.7 – Structura unui pixel la LCD

W.4 Prezentarea conceptului de „TFT”

Principial, modul de dispunere al celulelor de cristal lichid se realizează sub forma unei matrici. Pentru a desena pixelii de pe o anumită linie, de exemplu, o linie denumită (matricea având linii), se va aplica semnal pe , iar apoi, succesiv, pe coloanele (matricea având coloane). O asemenea structură poartă denumirea de matrice LCD pasivă.

Celulele de cristal lichid se comportă precum un condensator, unde dielectricul este reprezentat de cristalul lichid, iar la aplicarea unei tensiuni, aceasta nu va ajunge imediat la valoarea tensiunii aplicate, deoarece există un timp de încărcare al „condensatorului”. Până la încărcarea acestuia, celulele nu sunt rotite suficient. Așadar, pentru a grăbi acest proces de încărcare, s-au adăugat amplificatoare de curent. În acest caz, structura poartă denumirea de macrice activă și este ilustrată în figura W.8.

Fig. W.8 – Structura unei matrici active TFT

Amplificatoarele de curent sunt realizate dintr-un tip special de tranzistoare cu efect de câmp. Rețeaua respectivă de tranzistoare este realizată pe suprafața ecranului, într-o peliculă subțire, motiv pentru care LCD-ul se numește de tip TFT (cu matrice activă).

Denumirea de TFT provine de la grupul de termeni „Thin-Film Transistor”, ceea ce înseamnă „peliculă subțire de tranzistoare”. În momentul în care unul dintre aceste tranzistoare este alimentat, moleculele de cristal lichid de deasupra își vor schimba poziția și vor permite trecerea luminii, însă atunci când lumina va ajunge la filtrele de culoare pentru roșu, verde și albastru, doar acea culoare va trece mai departe și se vor forma astfel, diferite nuanțe și intensități de culoare.

Cea mai cunoscută aplicație a TFT-ului este în LCD-urile de tip TFT, o implementare a tehnologiei LCD – matricea de tranzistoare este înglobată direct în structură, reducând fenomenul de „crosstalk” între pixeli și îmbunătățind stabilitatea imaginii (în acest caz, „crosstalk”-ul este un fenomen care constă în izolarea incompletă între pixeli, ce se traduce prin „îmbinarea” nuanțelor pe care le redau aceștia și crearea unui efect de „ghosting”).

O mare parte din monitoarele și televizoarele de tip LCD utilizează această tehnologie. Panourile TFT sunt utilizate frecvent în radiografia digitală. De asemenea, și afișajele AMOLED („active-matrix organic light emitting diode) conțin un strat TFT.

W.4.1 Tipuri de TFT

Un prim tip de TFT este cel care poartă denumirea de TN („Twisted Nematic” – „cristale lichide de tip nematic răsucite”). Are un preț relativ redus și este cel mai des utilizat în afișaje. Timpul de răspuns al pixelilor este suficient de mic pentru a evita fenomene de „ghosting”. O imagine la microscop a afișajului TN, unde se pot observa și tranzistoarele, este prezentată în figura W.9.

Afișajele TN prezintă, totuși o limitare a unghiului de vizualizare; astfel, în momentul in care nu se privește perpendicular pe display, culorile vor da impresia că se schimbă, mută.

Fig. W.9 – Vizualizare la microscop a afișajului TFT de tip TN

Al doilea tip este reprezentat de IPS („In-Plane Switching”), construit cu scopul reducerii limitării unghiului de vizualizare pe care îl aveau panel-urile TFT. Totuși, și acesta a fost considerat limitat și din cauza acestui fapt a apărut IPS-Pro, care a îmbunătățit atât de considerabil unghiul de vizualizare, încât s-a introdus un nou parametru, denumit HCA („Half Contrast Viewing Angle”), care desemnează unghiul de vizualizare până la punctul în care contrastul a scăzut cu jumătate din valoarea sa maximă. La IPS, acest parametru era de , în timp ce la IPS-Pro ajunge de la , la , însemnând că mai mulți utilizatori pot analiza o imagine afișată pe un astfel de display.

Un alt avantaj al IPS-Pro este contrastul îmbunătățit, cu un raport de , față de , din tehnologia IPS. Contrastul este important în imagistica medicală, la stabilirea unui diagnostic, deoarece în condiții de iluminare scăzută, un contrast mai pronunțat înseamnă că se pot observa mai multe detalii și se pot diagnostica mai ușor un afecțiunile dintr-o radiografie digitală.

De asemenea, un contrast îmbunătățit înseamnă niveluri de negru mai bune. TFT-ul de tip IPS-Pro realizează un nivel de negru mai pronunțat, mai uniform, dar și mai independent din punct de vedere al unghiului de vizualizare. Când se analizează radiografii într-un mediu slab iluminat, se va observa că nivelurile de negru nu sunt uniforme, aceasta fiind o deficiență majoră în tehnologia LCD, însă tehnologia IPS-Pro a reușit să mai diminueze acest neajuns cu acel raport al contrastului de . [traducere, W4]

Dezavantajele sunt consumul de energie de mai mare, timpul mai mare de răspuns și prețul mai ridicat decât la panel-urile TN.

Alte tipuri de TFT:

– AFFS – „Advanced Fringe Field Switching” – altă tehnologie derivată din IPS, oferind o scară largă de nuanțe de culori cu luminozitate crescută;

– MVA – „Multi-domain Vertical Alignment” – prezintă avantajul unui timp de răspuns rapid al pixelilor în perioada în care a fost utilizat, un unghi mare de vizualizare, contrast ridicat, însă toate cu costul luminozității și a reproducerii culorilor. Redarea imaginilor pe acest tip de afișaje este cea mai cursivă și cea mai puțin expusă zgomotului.

– PVA – „Patterned Vertical Alignment” – această tehnologie oferă caracteristici asemănătoare cu afișajele bazate pe tehnologie de tip MVA. Profunzimea negrului este foarte bună, însă zgomotul la redarea imaginilor în mișcare este mai accentuat.

– ASV – „Advanced Super View”;

– PLS – „Plane Line Switching”.