Kiekvieną dieną žiūrime į dešimtis LCD ekranų – telefonuose, kompiuteriuose, televizoriuose, automobiliuose. Šie ploni, energiją taupantys ekranai tapo tokia kasdienybės dalimi, kad retai kada susimąstome, kaip jie iš tiesų veikia. O jų veikimo principas yra tikrai įdomus – tai sudėtingas šviesos, elektros ir chemijos šokis, vykstantis mikroskopiniame lygmenyje.
Skystųjų kristalų fenomenas
LCD technologijos širdyje slypi ypatingos medžiagos – skystieji kristalai. Šie junginiai turi unikalų gebėjimą elgtis ir kaip skystis, ir kaip kietoji medžiaga. Normaliai skystųjų kristalų molekulės išsidėsčiusios chaotiškai, bet kai paveikiamos elektros srovės, jos gali išsirikiuoti tam tikra tvarka.
Pats pavadinimas „liquid crystal” atsirado dar 1888 metais, kai austrų botanikas Friedrich Reinitzer pastebėjo, kad cholesterolio esteris turi dvi lydymosi temperatūras. Tarp šių temperatūrų medžiaga buvo drumzlina, bet vis dar tekėjo kaip skystis. Vėliau paaiškėjo, kad tokioje būsenoje molekulės išlaiko tam tikrą orientaciją, nors ir juda laisvai.
Moderniuose LCD ekranuose naudojami nematiniai skystieji kristalai. Jų molekulės prigimtinai linkusios išsirikiuoti spirale, o šis išsidėstymas keičiasi priklausomai nuo taikomo elektrinio lauko stiprumo. Būtent šis gebėjimas kontroliuojamiai keisti orientaciją ir leidžia sukurti vaizdą ekrane.
Ekrano sluoksnių anatomija
LCD ekranas – tai tarsi sumuštinis iš kelių plonutėlių sluoksnių, kur kiekvienas atlieka svarbų vaidmenį. Viskas prasideda nuo apšvietimo šaltinio – paprastai LED lemputėmis apšviečiamos baltos plokštės, kuri užtikrina tolygų šviesos pasiskirstymą po visą ekraną.
Ant šios šviesos šaltinio uždedamas pirmasis polarizacijos filtras. Polarizatorius praleidžia tik tam tikra kryptimi svyruojančias šviesos bangas – galite tai palyginti su grotelėmis, kurios praleidžia tik vertikaliai orientuotus objektus. Šviesa, praėjusi per pirmąjį polarizatorių, svyruoja vienoda kryptimi.
Toliau seka skaidrūs stiklo ar plastiko substratai su plonutėliais skaidriais elektrodais. Tarp šių substratų ir yra įspaustas skystųjų kristalų sluoksnis – vos kelių mikrometrų storio. Kristalai išsidėstę tarp dviejų substratų kaip tarp dviejų stiklinių plokštelių.
Viršuje visą konstrukciją užbaigia antrasis polarizatorius, orientuotas statmenai pirmajam. Normaliai šviesa, praėjusi per pirmąjį polarizatorių, negalėtų prasiskverbti per antrąjį – jie veiktų kaip užraktas šviesai.
Kaip gimsta vaizdas
Štai čia ir prasideda tikroji magija. Kai tarp elektrodų nėra įtampos, skystųjų kristalų molekulės išsidėsto spirale – kaip sukti laiptai. Šviesos bangos, eidamos per šią spiralę, pasisuka 90 laipsnių kampu. Tai reiškia, kad šviesa, praėjusi per pirmąjį vertikalų polarizatorių, pasiekusi antrąjį horizontalų polarizatorių, jau svyruoja horizontaliai ir gali prasiskverbti. Rezultatas – šviesus pikselis.
Kai tarp elektrodų paduodama elektrinė įtampa, skystųjų kristalų molekulės pasisuka ir išsirikiuoja palei elektrinio lauko linijas. Spiralės struktūra suardoma, šviesa nebepasisuka ir negali prasiskverbti per antrąjį polarizatorių. Pikselis tampa tamsus.
Keičiant įtampos stiprumą, galima kontroliuoti, kiek molekulių pasisuks ir kiek šviesos prasiskverbs. Taip gaunami pilkumo atspalviai – nuo visiškai juodo iki ryškiai balto. Šiuolaikiniuose ekranuose galima sukurti 256 ar net daugiau skirtingų ryškumo lygių vienam pikseliui.
Spalvų kūrimo technologija
Patys skystieji kristalai spalvų nekuria – jie tik kontroliuoja šviesos kiekį. Spalvos atsiranda dėka spalvų filtrų, kurie uždedami ant kiekvieno subpikselio. Kiekvienas pikselis iš tiesų susideda iš trijų mažyčių subpikselių: raudono, žalio ir mėlyno (RGB).
Šie spalvų filtrai veikia kaip atrankos mechanizmas – raudonas filtras praleidžia tik raudonos šviesos bangas, žalias – tik žalias ir taip toliau. Kombinuojant skirtingus šių trijų spalvų intensyvumus, galima sukurti milijonus skirtingų spalvų atspalvių.
Pavyzdžiui, norėdami gauti geltoną spalvą, pilnai įjungiame raudoną ir žalią subpikselius, o mėlyną paliekame išjungtą. Violetinei spalvai reikia raudono ir mėlyno, o žalią išjungiame. Baltos spalvos gaunamos įjungiant visus tris subpikselius maksimaliu intensyvumu.
TN, IPS ir VA technologijų skirtumai
Ne visi LCD ekranai veikia vienodai. Per dešimtmečius buvo sukurtos kelios skirtingos technologijos, kurios skiriasi tuo, kaip išdėstomi ir valdomi skystieji kristalai.
TN (Twisted Nematic) ekranai yra seniausia ir paprasčiausia technologija. Juose kristalai normaliai išsidėstę 90 laipsnių spirale, o elektrinė įtampa juos „ištiesina”. Šie ekranai greiti ir nebrangūs, bet turi ribotus žiūrėjimo kampus – spalvos keičiasi žiūrint iš šono. Dėl to TN ekranai populiarūs tarp žaidėjų, kuriems svarbus greitis, bet ne tinka profesionaliam darbui su spalvomis.
IPS (In-Plane Switching) technologijoje kristalai sukasi horizontalioje plokštumoje, o ne keičia orientaciją vertikaliai. Tai užtikrina daug geresnius žiūrėjimo kampus ir tikslesnę spalvų perdavą. IPS ekranai brangesni ir šiek tiek lėtesni, bet idealūs grafikos dizainui, foto redagavimui ir filmų žiūrėjimui.
VA (Vertical Alignment) panelės yra tarsi kompromisas tarp TN ir IPS. Juose kristalai normaliai išsidėstę vertikaliai ir guli horizontaliai, kai paduodama įtampa. VA ekranai pasižymi giliausiu juodos spalvos atspalviu ir geru kontrastu, todėl puikiai tinka filmams žiūrėti tamsiose patalpose.
Apšvietimo evoliucija
Ankstyvieji LCD ekranai naudojo šaltojo katodo fluorescentinius vamzdelius (CCFL) apšvietimui. Šie vamzdeliai buvo išdėstyti ekrano kraštuose arba už viso ekrano ploto. CCFL technologija turėjo nemažai trūkumų – vamzdeliai buvo stori, suvartojo daug energijos ir neužtikrino tolygaus apšvietimo.
LED apšvietimas visiškai pakeitė situaciją. Pirmiausia atsirado Edge-LED sprendimas, kai LED diodai išdėstomi tik ekrano kraštuose, o šviesa paskirstoma per visą ekraną specialiais šviesos vadais. Tai leido sukurti daug plonesnius ekranus ir sumažinti energijos suvartojimą.
Dar didesnį proveržį atnešė Full Array LED apšvietimas, kai LED diodai išdėstomi po visu ekrano plotu. Tai leidžia tiksliai kontroliuoti skirtingų ekrano zonų ryškumą – technologija vadinama „local dimming”. Tamsesnėse vaizdo srityse LED diodai pritamsinama arba visiškai išjungiami, o šviesesnėse – pojungiami. Rezultatas – daug geresnis kontrastas ir gilesni juodos spalvos atspalviai.
Praktiniai patarimai ir ateities perspektyvos
Renkantis LCD ekraną, svarbu suprasti, kokiems tikslams jis bus naudojamas. Žaidimams geriausia rinktis TN arba greitą IPS ekraną su mažu input lag ir aukštu atnaujinimo dažniu. Profesionaliam darbui būtinas IPS ekranas su gera spalvų kalibracijos galimybe ir plačiu spalvų spektru. Filmų mėgėjams puikiai tiks VA ekranas su HDR palaikymu.
Ekrano priežiūra irgi svarbi – LCD panelės jautrios mechaniniams pažeidimams, nes skystųjų kristalų sluoksnis labai plonas. Valant ekraną niekada nenaudokite alkoholio ar kitų agresyvių chemikalų – jie gali pažeisti antiatspindžio dangą. Užtenka šiek tiek sudrėkintos mikropluošto šluostės.
LCD technologijos toliau vystosi – atsiranda Quantum Dot filtrai, kurie leidžia pasiekti dar platesnį spalvų spektrą, mini-LED apšvietimas su tūkstančiais mažyčių zonų, o ateityje laukia ir micro-LED technologija. Nors OLED ekranai vis populiarėja, LCD vis dar išlieka dominuojančia technologija dėl savo patikimumo, ilgaamžiškumo ir palyginti žemos kainos.
Suprasdami LCD ekranų veikimo principus, galime geriau įvertinti šių įrenginių sudėtingumą ir technologinį tobulumą. Kiekvienas pikselis ekrane – tai mažytis technologijos stebuklas, kuriame susijungia fizikos, chemijos ir inžinerijos žinios, kad sukurtų vaizdus, kurie formuoja mūsų skaitmeninę patirtį.