Mis on vedelad kristallid ja kuidas neid süüakse?

 (11)
Mis on vedelad kristallid ja kuidas neid süüakse?
---

LCD ekraanid ümbritsevad meid igalpool — alljärgnevalt ülevaade, kuidas vedelate kristallide abil meile pilti näidatakse.

Usun, et enamik lugejaid on kooliajast tuttavad aine kolme olekuga — tahke, vedel ja gaasiline (ning eritingimustes plasma). Võtame kasvõi vee: alla 0°C on ta kristalne tahke aine, 0° ja 100° vahel on ta vedelik ning edasi gaas. Kristalses olekus on iga aine molekulid (või aatomid) kindlalt ruumiliselt orienteeritud ja paika naelutatud, vedelikus võivad nad aga vabalt kogu aine ruumalas ümber paikneda. Selgem kui seebivesi, on ju?

Nüüd aga räägime juba pikemat aega vedelatest kristallidest. Kes ei tea, kus ja mis — palun: LCD monitorid, LCD telerid. See lühend pärineb inglise keelest — Liquid Crystal Display. Esmalt tundub vedelkristall väga vastuolulise nimena nagu palav külmus vms. Kuidas nad töötavad ja kust see “suur teadus” pärineb, püüamegi lühidalt teile tutvustada.

Veidi ajalugu

Vedelkristallide (edaspidi VK) esmaavastamise au kuulub Austria päritolu Praha Saksa Ülikooli botaanikule Friedrich Reinitzerile, kes aastal 1888 (ehk 120 aastat tagasi) uuris kolesterooli. Olles eraldanud puhta olluse, valmistas ta ka mitmeid selle ühendi derivaate ning määras nende olulisi füüsikalisi omadusi.

Uurides kolesteroolbensoaati avastas ta aga oma üllatuseks, et see “korralik” kristalne aine ei omagi ühte ja ainsat sulamispunkti nagu kombeks on, vaid sulab “kaks korda” — algul 145,5°C juures häguseks vedelikuks ning 178,5°C juures “korralikuks” selgeks vedelikuks. Jahtudes toimus sama vastupidises järjekorras.

Oma avastust jagas ta saksa füüsiku Otto Lehmanniga, kes viis läbi nende kummaliste ainete põhjaliku uurimise, kaasates meie jaoks oluliste omaduste avastamisele viinud polariseeritud valgust ja mikroskoopiat. Ta avastas VK omaduse muuta valguse polarisatsiooni ning nende võime säilitada teatavat ruumilist korrapära ka nn VK olekus.

Meenutagem, et tavalise valguse nn võnketasand on ruumiliselt orienteerimata ja suvalistes suundades. Teatud filtrite — polarisaatorite abil aga saab sundida tema võnketasandi ainult ühte suunda. Kui nüüd asetada sellise polariseeritud valguse ette teine filter, mille polarisatsioonitasand on 90° nurga all, siis valgus enam neid kahte filtrit ei läbi (kuigi iseenesest on nad ju “läbipaistvad”). Tavaliselt on tegemist pikemate (suurusjärgus 20…25Å) molekulidega.

Lihtsaima ettekujutuse VK olemusest saate, kui manate ette pildi hambaorkidest nende purgis — purki loksutades pole ühegi tiku asukoht kindel, kuid nende omavaheline suund on määratud ja antud purgi tingimustes pole neid ristseliti kuidagi võimalik sundida.

Sama kehtib VK molekulide suhtes — nad on küll suutelised liikuma ja koguni keerukamaid manöövreid ette võtma (välismõjurite nagu elektri-, magnet- vm väli toimel), kuid muis oludes püüavad nad oma paigutust rangelt jälgida. Aga kogu see VK teooria ja praktika jäi ligi 80 aastaks vaid nö “puhtaks teaduseks” — praktilist rakendust VK-dele polnud.

Vedelad kristallid astuvad areenile

Kui VK on läbinud nn “teise sulamispunkti”, astub ta isotroopsesse faasi ehk samastub täielikult tavalise vedelikuga. Nende kahe sulamispunkti vahele jääb aga nn nemaatiline (nematic) faas, kus molekulid säilitavad teatava organiseerituse.

Meile pakub huvi selle olukorra erijuht ehk keerdunud VK-d (TN, Twisted Nematics). Need VK molekulid “ajavad” ennast välise elektrivälja toimel vähem või rohkem sirgu, muutes samaaegselt ka valguse polarisatsioonitasandit. Seda efekti kasutatigi esmakordselt RCA laborites aastal 1968 loomaks esimest eksperimentaalset VK ekraani — LCD-d.

Esimeste pääsukestena lendasid maailma nn passiivmaatriksekraanid, mis kasutasid taustapeeglilt tagasipeegeldunud valgust (mäletate ehk 20…25 aasta taguseid elektronkellasid jms).

Ekraani tagumiseks baasiks on peegeldav kiht, sellele kantakse läbipaistev elektrit juhtiv materjal (näiteks indium-tina-oksiid), sellele omakorda polarisaator. Siis tuleb pärast väikest vahemikku teine polarisaator 90-kraadise pööratusega, selle kantud läbipaistev elektrijuht ning viimaks väline klaasekraan.

Selle “võileiva” vahele viiakse VK-materjal. VK molekulid orienteeruvad piki ülipeenelt kriimustatud ekraanide praokesi. Ning VK-kihi keskosas pöörduvad nad sujuvalt samuti 90-kraadise nurga võrra, kuna nad orienteerivad ka üksteist.

Esimeses filtris polariseeritud valguse võnketasand pöördub samuti sujuvalt VK-d läbides 90 kraadi ja valgus läbib ka teist filtrit. Kui nüüd aga anda elektroodidele pinge, siis võtavad VK molekulid voolu toimel vertikaalasendi ega muuda enam polariseeritud valguse tasandit ning valgus enam teist polarisaatorit ei läbi. Kujutise saamiseks ekraanile oli vajalik ühest elektroodist moodustada ekraanielemendid. Erinevatele elementidele pinget andes sai moodustada mitmeid kujundeid — numbreid, tähti ja muud. Kui aga sooviti kasutada LCD-d arvutiekraanina, oli vajalik juba hoopis suurem hulk ekraanielemente. Siin moodustati elektrijuhtidest vertikaalsed ja horisontaalsed võrestikud, mille abil sai luua suvalisi ekraanipilte.

Twisted Nematic (TN) VK-de kasutuselevõtuga lisandus uus omadus displeide loomiseks. Voolu toimel keerduvad need VK-d lahti sõltuvalt voolu tugevusest ning seoses sellega muutub ka valguse polarisatsioonitasand suuremal või vähemal määral. Ja teist filtrit läbib vähem või rohkem valgust. See annab juba võimaluse halltoonide loomiseks.

Kuna VK-d ise valgust ei genereeri, siis on vajalik eraldi valgusallika olemasolu. Kõige esimesed LCD-d kasutasid selleks välist peegeldunud valgust, kuid selline ekraan oli väga tuhm ning ei võimaldanud kasutamist vähevalgustatud või pimedas ruumis. Abiks tuli eredate luminestsentslampide kasutuselevõtt, mis paiknesid ekraani taga ning mille valgusvoogu juhtiski VK.

Kasutusel on kahte tüüpi ekraane: esimestel läbib valgus VK molekulide normaalolekus (so voolu puudumisel) mõlemat polaroidi ja ekraani antud piksel on maksimaalselt ere, teisel puhul on filtrite võnketasapinnad üksteisega risti ning valgus neid ei läbi ja piksel on must. Voolu juhtimisel VK kihti toimub molekulide lahtikeerdumine ning ekraan siis vastavalt tumeneb või helendub vastava piksli ees.

Maailma vallutab TFT

Vanemate tehnoloogiate (STN, Super Twisted Nematics ja DSTN, Dual-Scan TN) suureks puuduseks oli nende aeglus — reaktsiooniaeg jäi suurusjärku 300ms ehk saavutatav kaadrisagedus umbes 3FPS. Samuti jäid passiivmaatriksekraanide värvid plassimateks ja kahvatumateks kui CRT-de puhul. Kuna erinevaid nn halltoone oli passiivmaatriksi puhul võimalik kasutada 64, siis andis see kokkuvõtteks 64x64x64 = 262144 ehk 18-bitise värvipildi. Suureks hüppeks edasi oli nn aktiivmaatriksite (TFT) kasutuselevõtt. TFT (Thin Film Transistor) korral pole ekraanielementide moodustamiseks enam vaja keerukat elektrijuhtide võrestikku, vaid igale ekraanielemendile vastab üks (või mitu) transistori, mis kiletaoliselt paiknevad VK kihi all.

Aktiivmaatriksite kasutuselevõtt viis kohe ekraanide reaktsiooniaja üle kümnekordsele vähenemisele, kaasajal on see aga eritehnoloogiate abil viidud juba 2…5ms vahemikku. Ka TFT saabudes pole tehnoloogid loorbereile mõnulema jäänud ning arendustöö käib kogu aja intensiivselt edasi.

Peamised probleemid, millele lahendusi otsitakse, on vaatenurga suurendamine, reaktsiooniaja lühendamine ja loomulikult tootmiskulude vähendamine, et laiematele massidele pakkuda TFT võlusid.

Vaatenurga suurendamiseks töötati Hitachi algatusel välja IPS ( In-Plane Switching ehk Super-TFT), mis lubas viia selle juba 160 kraadini ja üle. Reaktsiooniaeg kukkus sellistel ekraanidel juba alla 30ms. Fujitsu pakkus samaks otstarbeks välja MVA lahenduse (Multi-Domain Vertical Alignment) ning Samsung PVA lahenduse (Patterned Vertical Alignment), millel baseeruvad kaasaja kiireimad TFT ekraanid.

Kõigist nendest tehnoloogiatest on praeguseks välja arenenud uusimad ja parimad, nimeks (ei või olla) kõigil loomulikul SUPER! S-IPS, S-MVA ja S-PVA! Loomulikult on esimeste isenditega võrreldes edasiminek uskumatu ja ega “super” polegi just kohatu.

LCD maailma trikid

Esimese asjana räägime kontrastist. Algselt lihtne asi — ekraani valgeima valge ja mustima musta luminentside suhe. Kuna ka nn 100% “kinnikeeratud” olekus kumab LCD-ekraan ikkagi valgust läbi, ongi must-punkt eriti oluline. Kuidas aga kontrasti tõsta, kui me musta mustaks ei saa?

Loomulikult valgele vunki juurde andes. Kuid normaalseks ekraani luminentsiks tuleb lugeda 250…300 nitti (cd/m2) — üle selle tuleb monitori vaadata mitme meetri kauguselt või “põletate silmad läbi”.

Eredust nupust alla kruttides on aga kõik tootja lubatud kontrastid kadunud nagu Merko aktsiad Talse tuhka. Nüüd on nn Static Contrast (SC) hinnangule lisandunud Dynamic Contrast (DC), kusjuures kasutatakse ära trikke lambivõimsuste vähendamise ja muuga. Reaalsuses aga võivad 20 000:1 DC ja 1000:1 SC pildikastid olla samas kategoorias, kuid…. klient ostab ju “numbreid”.

Teine laks seisab reaktsiooniaja taga. VK pole ikkes härg, kellele “stiimuliga saba alla andes” saame kiiremat kapakut — füüsika seab ikkagi molekulidele oma piirid. Ja on seda keerdumist parendatud, ent kuskil on piir ees.

Sundimaks VK-sid end kokku või lahti kruttima anname neile peale elektrivälja, pinge. Ja mida suurem pinge, seda kiiremini ja kaugemale nad end ka krutivad. Oletame, et 0…255 skaalas on meil vajaliku värvi, nt 180 saamiseks vaja pinget X volti ja sellega keerab VK end paika 10ms jooksul.

Uus “salajane” tehnoloogia aga keerab sel puhul pinge vastavaks 220-le ja loomulikult keerutab see molekul end vajalikust punktist, 180, läbi juba 5ms-ga. Siis venib ta 180 peale tagasi veel 5ms — ja reaalselt õige värvi kuvamiseks kuluv aeg on ikka sama (VK füüsikaline piir) ehk teinekord veidi suuremgi.

Aga kes märkab kiires shooteris kolli vere värvi muutust oranžikamaks või punakamaks? Peaasi, et kiirelt voolaks! Seega, ärge muretsege, kui kvaliteetmonitori tootja teatab oma “spekkides” reaktsiooniajast 8ms — pole see halb kuskilt! Ja peale selle — suurem osa LCD monitore tegutseb värskendussagedusel 60Hz ehk kiiremat reaktsiooniaega kui 16ms (1000/60) ei suuda ta nagunii kuvada.

Kolmandana mainiks vaatenurka. Kui olete odavamat läptoppi kaenud väikese nurga alt, avastate, et värvid on mööda või lausa “negatiivis”. Siin ongi tegu kiirete ja odavamate TN+Film ekraanimaatriksite puudusega — õiget värvi näitavad nad vaid väga kitsas vaatenurga vahemikus. IPS, PVA ja MVA koos Super uuendustega on teinud siin küll suurepärase sammu edasi.

Samas, mis on see vaatenurk? See on siiani ISO poolt standardiseerimata ja osad firmad loevad selleks vaatenurka, mil kontrast langeb lubatult 10:1-le, teised 5:1-le. Igatahes, olete te vaadanud kasvõi 50:1 kontrastiga pilti? Kui pole, tehke seda ja unustage kogu firma reklaam — astuge poodi ja nõudke sisselülitamist. Siis liigutage pead sellises ulatuses, nagu te tööd tehes võiksite teha, ja kui olete rahul, siis ekraan sobib.

Rääkida oleks siin veel palju — luminets, värvigamut, liidesed jne, kuid kõike ühte loosse ei mahu ja arvatavasti pöördume mõningate punktide juurde tulevikus põhjalikumalt tagasi.

Rohkem põnevaid digi- ja tehnikauudiseid leiab tehnoloogiaajakirjast Maatriks.