Joonis 1. LCD. [4]

LCD ülevaade

Vedelkristallindikaatorite (LCD - Liquid Cristal Display) töö põhineb vedel-kristallides esinevatel elektrooptilistel nähtustel. Vedelkristallindikaatorid ise ei kiirga valgust, vaid tärgid muutuvad nähtavaks langevas või läbivas valguses. LCD ekraane kasutatakse paljudes seadmetes nagu monitorid, televiisorid, seadmete infotablood. Pilt tekitatakse hoopiski poolkristallilises olekus vedeliku abil. Selleks vedelikuks on eriline aine, mille pikkadel ja peenikestel molekulidel on omadus valguslainetuse polarisatsiooni pöörata.

 

LCD tööpõhimõte

Vedelkristall on suletud elektroodidega klaaside vahele, millest kahel pool on ristuvate polaarsustega filtrid. Vedelkristallid on nemaatilises faasis. Elektrilisel teel saab vedelkristalli struktuuri muuta. Tagumist filtrit läbinud valguslained kas läbivad kristallikihi muutumatult või veidi (90 või 270 kraadi) pööratult. Teist filtrit aga ei läbi enam need lained, mis on pööramata, seega nendes kohtades on ekraanil kuvatud mustad laigud. Värvide saamiseks sulatatakse jällegi kokku kolm põhivärvi, neid kõiki eraldi filtreerides, nagu näha joonisel. LCD ise ei kiirga valgust. Kasutatakse fluorestseeruvaid torusid LCD kohal, kõrval või taga. Valge difusioonipaneel LCD taga suunab valguse ringi ja hajutab ühtlaselt laiali. Liikudes edasi läbi filtrite ja vedelkristalli läheb üle poole valgusest kaduma.

1. Tavaline (juhuslike polarisatsioonidega) valgus siseneb ekraani.
2. Vertikaalne polarisaator muudab valguse vertikaalselt polariseerituks.
3. Vedelkristalli läbimine muudab polarisatsioonisuunda (kui pikslit ei läbi vool) 90° võrra (horisontaalseks).
4. Valgus läbib horisontaalpolarisaatori, peegeldub peegelkihilt ja läbib taas horisontaalpolarisaatori.
5. Vedelkristalli läbimine muudab polarisatsioonisuunda (kui pikslit ei läbi vool) 90° võrra (vertikaalseks).
6. Valgus läbib vertikaalpolarisaatori ja väljub ekraanist, muutes vastava ekraaniosa heledaks.

Kui pikslit läbib vool, on selles asuvad vedelkristalli molekulid ühes suunas joondunud ja valgus läbi seda polarisatsioonisuunda muutmata. Sellisel juhul jõuab vertikaalselt polariseeritud valgus horisontaalse polarisaatorini ning ei saa seda läbida ja pikselt paistab tume. Taustvalgustusega süsteem toimib samal põhimõttel; valguse teekond saab lihtsalt alguse ekraani tagumisest osast, kus horisontaalne polarisaator ta polariseerub.

Värvilised vedelkristallekraanid töötavad samadel põhimõtetel, aga iga värviline piksel koosneb punasest, rohelisest ja sinisest alapikslist, mille kombineerimisel erinevatel tugevustel on võimalik näidata erinevaid värve. Valgele taustvalgustusele lisavad värvi värvifiltrid.

Joonis 2. LCD ehitus. [5] [6]

 

Adresseerimine

Passiivne maatriks: passiivsel maatriksil toimub ridade ja veergude juhtimine ridadekaupa. Teatud aja möödudes on vaja kujund uuesti joonistada. Probleemiks on naaber pixelite läbikostmine st naabrid mõjutavad üksteist.

Aktiivne maatriks: parima tulemuse saab TFT (Thin Film Transistor) kuvaris (üks LCD alaliik), kus kasutatakse aktiivset maatriksit. Siin on analoogiliselt DRAM-le iga pixeli juures suure mahtuvusega transistor, mis teatud ajaks säilitab pixeli oleku. Tegemist on transistoridega, mis on realiseeritud LCD maatriksil. Probleem on selles, et kilel realiseeritavate transistoride arv on värvi kuvaril kolmekordne pikselite arv. Tehnoloogiliselt tähendab teatud arvudefektsete transistoride olemasolu, et kogu paneel on kõlbmatu. See teeb aga TFT kuvarid suhteliselt kalliks. Pildi kvaliteet on neil väga hea.

Joonis 3. Aktiivne ja passiivne maatriks.[7] [8]

LCD tähtsamad parameetrid

• Ekraani diagonaali pikkus - mõõdetakse tavaliselt tollides, ning tegemist on nähtava ala diagonaaliga (1 toll - 2,54cm).
• Resolutsioon e. maksimaalne lahutusvõime - palju on horisontaal ja vertikaal suunal erinevaid punkte, mida on võimalik muuta.
• Reageerimisaeg - aeg, mis kuulub piksli ühest värvist teisse muutumiseks.
• Kaadrisagedus - näitab, kui tihti ekraan andmeid muudab.
• Kontrast - väljendab monitori musta ja valge värvi erinevust.
• Piksli suurus - pikslite suurus või kaugus ühe piksli keskpunktist teise.
• Pikslitihedus - näitab kui tihedalt pikslid asetsevad.
• Vaatenurk - minimaalne ja maksimaalne vaatenurk.

Vaatenurk (Viewing angle)

Nüüd vaatame erinevate tehnoloogiate vaatenurkade erinevust:

Joonis 4. TN-tehnoloogia vaatenurk.[9]

Joonis 5. IPS-tehnoloogia vaatenurk. [10]

Koondtabel erinevate tehnoloogiate parameetritest:

Tehnoloogia	Vaatenurk (vertikaalne, horisontaalne)	Värvimoonutused	Reageerimisaeg	Kontrastsus
TN	70, 120	On	16…22ms	250:1-300:1
IPS	140, 140	Ei ole	16…25ms	300:1-400:1

Värvus

Värvusmonitorid suudavad kuvada 16 värvist kuni 4 miljardi värvustoonini. Värvusmonitore kutsutakse mõnikord ka RGB monitorideks, kuna nende tööpõhimõte baseerub kolmel eri signaalil -- punane, roheline ja sinine (red, green, blue).

Seega võib monitori poolt esitatavate värvitoonide arv ulatuda must/valgest kuvast kuni 4 miljardi värvitoonini (nn. True Color ehk 32- bitine värv). See parameeter on tihedalt seotud kasutatava graafikastandardiga. Inimsilm eristab tegelikult tunduvalt vähem värvitoone. Iga piksel ekraanil suudab esitata teatud arvu erinevaid värve. Värvide arvu, mida ekraanil näidatakse nimetatakse värvussügavuseks (color depth) ning seda mõõdetakse bittides. Nt. kui iga piksli 3-e erinevat värvi esitada 256 erineva intensiivsusega värvitoonina, (iga värv nõuab 8 bitti) siis saame lõplikult esitatavate värvide arvuks 3 x 8 bit =24 ehk 256x256x256=16,7 milj. värvust.

OLED

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED (inglise keeles organic light emitting diode) on valgusdiood, milles kiirgavaks elektroluminestsentseks kihiks on orgaaniline ühend, mis kiirgab valgust elektri toimel. See orgaanilise pooljuhi kiht asub kahe elektroodi vahel. Üldiselt vähemalt üks elektrood on läbipaistev.

OLED-e kasutatakse enamasti televiisorite ekraanides, arvutite monitorides, väikestes portatiivsetes seadmetes nagu näiteks mobiiltelefonid ja pihuarvutid. Samuti kasutatakse neid valgusallikatena, ent oma varajase arengufaasi tõttu kiirgavad nad tavaliselt vähem valgust pindühiku kohta kui mitteorgaanilised LED valgustid.

OLED ekraan töötab taustavalguseta ning seetõttu suudab kuvada palju sügavamaid musti värve ning võib olla ka palju õhem ja kergem kui hetkel turul olevad LCD ekraanid. Sarnaselt võivad OLED ekraanid hämarates ruumides saavutada kõrgema kontrastsuse kui tavapärased LCD ekraanid.

OLED ekraane on kahte põhitüüpi: ühed, mis baseeruvad väikestel molekulidel ja teised, mis kasutavad polümeere.

OLED ekraanid võivad kasutada kas passiiv-maatriks (PMOLED) või aktiiv-maatriks pikslite adresseerimise skeeme.

 

Seadme arhitektuur

Alt või pealt kiirgav: Alt kiirgavad seadmed kasutavad läbipaistvat või poolläbipaistvat alumist elektroodi, et valgus läbiks läbipaistva substraadi. Pealt kiirgavad seadmed kasutavad läbipaistvat või poolläbipaistvat pealmist elektroodi, et kiirata valgust. Pealt kiirgavad seadmed sobivad paremini aktiiv-maatriksiga seadmetele, sest neid on kergem ehitada mitte läbipaistva tagataustaga.

Läbipaistvad OLED-id kasutavad läbipaistvaid või poolläbipaistvaid elektroode, et luua seade, mis on nii alt kui ka ülalt kiirgav (ehk läbipaistev). TOLED-idega (transparent OLED) on võimalik tõsta kontrastsust, mis võimaldab vaadata ekraani ka ereda päikse käes. Seda tehnoloogiat on võimalik kasutada, et luua autodele “Heads-up” ekraane, tarku aknaid ja muid reaalsust täiendavaid tooteid.

Kuhi OLED-id kasutavad piksli arhitektuuri, mis asetab punase, rohelise ja sinise piksli üksteise otsa. Selline asetus suurendab värvi skaalat, parandab värvi sügavust ning vähendab pikslite vahesid. Hetkel teistel tehnoloogiatel on RGB pikslid asetatud üksteise kõrvale, mis vähendab potentsiaalset resolutsiooni

Pikslite adresseerimise tehnoloogiad

 

Passiiv-maatriksiga OLED-idel (PMOLED) on ühte pidi väikesed katoodi lõigud ning teist pidi anoodi lõigud, mille vahele jäävad orgaanilised kihid. Need lõigud moodustavad maatriksi ning anoodi ja katoodi ristumiskohad moodustavad pikslid, kust valgus eraldub. Väline vooluring rakendab voolu valitud katoodi ja anoodi lõikudele, millesti siis sõltub, mis pikslid lülitatakse sisse ning mis mitte. Piksli eredus sõltub rakendatud voolutugevusest. PMOLED-e on kerge teha, aga nad tarbivad rohkem voolu kui teist tüüpi OLED-id, mis on põhiliselt põhjustatud välisest vooluringist, ent siiski tarbivad nad vähem voolu kui LCD ekraanid.

Joonis 6. OLED passiiv maatriks.[11]

Aktiiv-maatriksiga OLED-idel (AMOLED) on anoodi ja katoodi kihid ühes tükis, ent anood on kaetud õhukese transisorite kihiga (ing. k thin film transistor (TFT) array), mis moodustab maatriksi. Siin on TFT kiht ise vooluringiks, mis otsustab mis piksel lülitatakse sisse, et moodustada soovitud pilt. AMOLED-id tarbivad vähem voolu kui PMOLED-id, sest TFT kiht vajab vähem voolu kui väline vooluring. AMOLED-id uuendavad pilti kiiremini, mis muudab selle videole paremini sobivamaks.

Joonis 7. OLED aktiiv maatriks. [12]

OLED eelised:

Tulevikus odavam

Kerge ja painduv

Laiem vaatamisnurk ja paranenud heledus

Energiasäästlikumad

Reageerimis aeg

OLED puudused:

Värvitasakaalu probleemid

Eluiga

Siniste OLED-ide effektiivsus

Vaatamine päikese käes

Vee kahju

Voolu tarbimine