VÉDELEMI ELEKTRONIKA DR. VERES GYÖRGY HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. ASKED BY STUDENTS I. HOW DOES THE LCD MONITOR WORK? Az elmúlt évek során több alkalommal végrehajtott tantervi korrekciók következtében egyre kevesebb óra jutott az analóg és a digitális elektronikai ismeretek oktatására a Bolyai Karon. Ennek következtében egyes tananyagrészek oktatására nem vagy csak korlátozott terjedelemben van lehetıség. Ezért egy cikksorozatban szeretném hallgatóim és más érdeklıdık számára röviden, a lényeget összefoglalva ismertetni az általam fontosnak vélt ismereteket. Ez a cikk a szakmai körökben közismert LCD-k mőködését, fontosabb jellemzıit foglalja össze. Due to the many modifications made in the curriculum over the past few years, there were fewer lessons available for the teaching of the analog and digital theory at our department Bolyai. Therefore some parts of the lessons had to be excluded or limited from the teaching. In a series of articles, I would like to summarize briefly the basic principles of the theory for those who are either my students or interested in the subject. This article focuses on the operation and main characteristics of the wellknown LCDs in professional fields. Bevezetı Az analóg és a digitális elektronika tananyagának oktatása során az elvárt szakmai kompetenciák teljesítése, valamint a tantervi keretek szabta idıkorlátok miatt nem minden esetben jut idı arra, hogy a tanórai foglalkozások során kitérjünk olyan ismeretek oktatására is, amelyek a szakma iránt érdeklıdı hallgatókban értelemszerően felmerül. Mindenki által közismert, hogy az elektronika dinamikus fejlıdése következtében szinte naponta jelennek meg újabb és újabb elektronikus berendezések, 273
274 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. készülékek, stb., amelyek ma már szinte mindenki számára elérhetık és használhatók. Ezek az eszközök igen gyakran tartalmaznak olyan technikai újdonságokat, amelyek az ún. hétköznapi emberekben, de még az elektronikai szakmában járatos emberekben is sőrőn felveti azt a kérdést, hogy hogy mőködik?, mi a fizikai alapja és a technikai magyarázata az eszköz (például LCD-s televízió, LED-es TV, plazma TV, CD, DVD, Blue ray lemez, stb.) mőködésének? Különösen érthetıen felvetıdnek ezek a kérdések a szakma iránt érdeklıdı és még csak a kezdeti lépések megtételével foglalkozó hallgatóink gondolatvilágában. Az ilyen és hasonló kérdésekre vonatkozóan szeretnék egy cikksorozatot indítani hangsúlyozottan tudományos ismeretterjesztı jelleggel. Ebben az összeállításban a folyadékkristályos monokróm (fekete-fehér) kijelzés mőködésének alapjaival ismerkedhet meg az olvasó. A folyadékkristály fogalma, jellemzıi A folyadékkristályos anyagok szerves vegyületek. A folyadékkristályos anyagokat Friedrich Reinitzer német biokémikus fedezte fel. Ezek az anyagok a folyadékokhoz hasonlóan folyékonyak, bár a molekuláik bizonyos mértékig rendezettek és így a szilárd kristályos testekre jellemzı optikai tulajdonságokkal is rendelkeznek. 1968-ban, Heilmeier amerikai kutató felismerte, hogy az ilyen anyagok jól alkalmazhatók mikroelektronikai eszközökhöz (számok, adatok, képek megjelenítéséhez). Ezután felgyorsultak a folyadékkristályokkal kapcsolatos kutatások. Az elsı folyadékkristályos képernyıt 1968-ban az RCA (Radio Corporation of America) laboratóriumában fejlesztették ki. Az elsı LCD tévét 1972-ben, az amerikai T. Peter Brody alkotta meg (Liquid Crystal Display = folyadékkristályos kijelzı). 1973-ban a Sharp cég megjelent a piacon az elsı LCD-s számológépével. Az általános iskolában három halmazállapotról tanultunk, ezek: a szilárd, a folyékony és a gáz. Negyedik halmazállapot a plazma, ami pozitív ionokból és elektronokból áll, ez az állapot magas hımérsékleten jön létre. Ötödik halmazállapotnak tekinthetjük a folyadékkristályokat, ami bizonyos szerves anyagok két olvadáspontja között alakul ki, megırizve valamit a kristályos és a folyékony tulajdonságból. Ezt a közbensı rész-
VÉDELEMI ELEKTRONIKA ben rendezett állapotot mezofázisnak nevezik (mezo görög szó, jelentése: közötti). A folyadékkristályok anizotrop (szabályos) szerkezetőek, és ezért kettısen törı tulajdonságokkal rendelkeznek (kettıs törés: ha a fény úgy halad át átlátszó anyagon, hogy kettéválik). Optikai átlátszóságuk elektromos terekkel csökkenthetı. Az 1. ábrán a kristályos (szilárd) állapotból a folyékony állapotba való átmenet látható a folyadékkristály anyagok esetén. A középsı állapot megfelelı hımérséklettel illetve elektromos térrel érhetı el. A nematikus LC-k (Liquid Crystal) szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tőszerő molekulákból állnak. A molekulák irányítottsága (orientációja) elektromos erıtér segítségével szabályozható. 1. ábra. Ugyanazon anyag három különbözı állapota [1] A folyadékkristály győjtı fogalom. Az egyszerően folyadékkristályos kijelzınek nevezett eszköz számos különbözı fizikai hatáson alapulhat. Az LCD nem képes fénykibocsátásra. Az információnak megfelelıen a fényt vagy átengedi, vagy nem, illetve a ráesı fényt vagy visszaveri, vagy elnyeli. Ebbıl következik, hogy minden ilyen elven mőködı kijelzınek fényforrásra van szüksége, amit vagy a kijelzı mögött (transzmissziós, fényáteresztı LCD) vagy a kijelzı elıtt (reflexiós, fényvisszaverı LCD) helyezik el 2. ábra. Természetesen a fényforrás nem látható, akár természetes fény is lehet. 275
HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. 276 A fény polarizációja 2. ábra. LCD konfigurációk Az elektromágneses hullámoknak az emberi szem által érzékelhetı tartománya a látható fény. A szemünk a fény erısségét a hullámok erısségébıl (intenzitás), a színét pedig kizárólag a hullámok "gyorsaságából", vagyis frekvenciájából állapítja meg. Végezzünk el egy gondolatkísérletet! Egy fémlemezen alakítsunk ki egy valamilyen hosszúságú és például függıleges irányú rést, főzzünk át ezen egy kötelet, a kötél túlsó végét rögzítsük egy fix helyzető tárgyhoz (például falhoz). A kötél innensı végét mozgassuk a hosszanti irányára merılegesen tetszés szerinti irányban, majd fogassuk körbe is. Könnyen belátható, hogy a kötél elemeinek a lemeztıl felénk esı részei összetett mozgást végeznek, míg a kötélnek a lemez túlsó felén lévı elemei a a lemezben kialakított függıleges rés miatt csak egy síkban (jelen esetben függıleges síkban) tudnak mozogni. Nagyon leegyszerősítve így értelmezhetı a fény polarizációjának jelensége, ha a kötél rezgése helyett fénysugárra gondolunk. Létezik olyan anyag, amely csak az egyik irányú (síkú) hullámot engedi át, ezt hívják polarizátornak. Ha tehát egy ilyen kristályszerkezeten halad keresztül a fény, az a beérkezı, két irányban hullámzó (polarizálatlan) fénybıl egy irányban hullámzó (polarizált) fényt csinál. Az említett köteles példához hasonlóan, a rés másik végén csak egyirányú hullámzást fogunk észlelni. A lineáris polarizációs szőrı olyan optikai szőrı, amelyik csak egy bizonyos síkban rezgı fényt enged át magán 3. ábra. Az ábra szerinti polarizátor csak a vízszintes rezgéseket engedi tovább.
VÉDELEMI ELEKTRONIKA 3. ábra. Lineáris polarizációs szőrı [2]. A monokróm LCD mőködési elve A folyadékkristályos kijelzı lelke egy folyadékkristály réteg, melyen polarizált fény halad keresztül. Az LCD megjelenítıkben a kristályos tulajdonságokat mutató folyadék vékony rétegét egymástól 10..20 µm távolságra levı, plánparalel üveglemezek közé zárják, amelyeken vákuumgızöléssel létrehozott átlátszó fém mintázatra kapcsolt vezérlıfeszültség hozza létre azt a villamos térerısséget, amely a megjeleníteni kívánt képnek megfelelı geometriai elrendezésben létrehozza a polarizáció kívánt eloszlását, ezt polarizáló szőrık teszik láthatóvá. A rendszer elıtt (vagy mögött) elhelyezkedı fényforrás fénye elıször áthalad egy polárszőrın, melynek következtében polarizálódik (a fény rezgései csak egy síkban vannak jelen). Az ember szabad szemmel nem tudja megkülönböztetni egymástól a polarizált és a nem polarizált fényt. Egy kicsit konkrétabban: az üveg hordozólemezeket elıször egy vékony, elektromosan vezetı, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxid) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI),,rendezı'' réteget alakítanak ki 4. ábra. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerően két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erık hatására az egész LC-hasáb azonos irányítottságú lesz. 277
HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. 4. ábra. Az LCD kijelzık elvi felépítése [3] A folyadékkristályok általában hosszú, egyenes, pálcika (tő) alakú molekulák, amelyek szívesen sorakoznak fel egymás vagy bármi más mellé, amit maguk körül találnak. Ha egy folyadékkristály-réteget barázdás üveglapok közé teszünk, akkor a molekulák a barázdák mentén helyezkednek el. Ha az egyik lapot 90 fokkal elforgatjuk, a laphoz közeli molekulák újra elrendezıdnek, és merılegesek lesznek a másik laphoz közeli molekulákra. A két lap (polarizátor és analizátor) között a kristályrács többi része negyedfordulatnyi csavart ír le. Az így kapott lapka a rajta áthaladó fény polarizációs síkját 90 fokkal elforgatja 5. ábra 278 5. ábra. A kijelzıkben használt polarizátor elrendezés [3]
VÉDELEMI ELEKTRONIKA A kijelzıben az elıállított polarizált fény áthalad a folyadékkristályt tartalmazó rétegen, melyet két elektród között található. Külsı feszültség nélküli esetben az áthaladás közben a polarizált fény síkja 90 fokkal elfordul a folyadékkristállyal való kölcsönhatás hatására. A felsı polarizátoron átjutó fényt a folyadékkristály elforgatja (innen ered a Twisted Nematic, TN megnevezés), így a fény az alsó szőrın átjut, és világos képpontot kapunk 6. ábra (bal oldali kép). 6. ábra. Feszültség hatása a folyadékkristályra [2] Ha feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályos rétegre, akkor a polarizált fény síkja nem fordul el. A folyadékkristályon áthaladó polarizált fény egy újabb polárszőrıre esik (ez az elızıre merıleges), ezen a fény nem tud áthaladni, mivel a fény polarizációs síkja az alsó polarizációs szőrı rovátkáira merıleges síkban érkezik. Tehát ha a folyadékkristályos réteg egy részére feszültséget kapcsolunk, a fény nem jut át és a kijelzı ezen a részén sötétséget észlelünk. Mivel statikus állapotban a villamos térerısség elvileg önmagában elegendı az anizotróp (térbeli iránytól függı) állapot fenntartásához, a kijelzı nagyon kis teljesítménnyel mőködtethetı, csupán a kijelzett kép megváltoztatásához van szükség teljesítményre. 279
HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. Az 6. ábrán bemutatott jelenséget részletesebben mutatja a 7. és 8. ábra. Alapesetben (elektromos tér hiányában 7. ábra) a molekulák úgy állnak be, hogy a lemezekhez érintkezı felületük polarizációja megegyezzen a lemez barázdáival. Ezért rovátkolják a lemezeket Ebben az állapotban a belsı polarizátor által polarizált fényt a kristály fokozatosan elforgatja úgy, hogy a másik lemezhez érve már át tudjon jutni a "résen". Ezt az állapotot azért nevezzük bekapcsolt állapotnak. mert ebben az esetben a kijelzın áthalad a fény, tehát világít. 280 7. ábra. Az LCD kijelzı mőködése bekapcsolt állapotban [4] A kijelzıkben használt folyadékkristályok molekuláinak egyik vége egy kissé pozitív, a másik egy kissé negatív töltéső Ha feszültséget kapcsolunk a kijelzı elektródáira, az elektromos tér hatására a folyadékkristály molekulák az elektromos térnek megfelelı helyzetet veszik fel, azaz az elektromos tér irányában párhuzamosan átrendezıdnek és a folyadékkristály réteg már nem forgatja el az áthaladó fény polarizációs síkját 8. ábra. Az átmenı fényre leárnyékolást jelent, a beérkezı fény anélkül halad át a folyadékkristályon, hogy az elforgatná a polarizációs síkot, ezért nem tud áthatolni a második polarizációs szőrın. Az eredmény: az elektródák által lefedett felületen a kijelzı elfeketedik és sötét lesz a kijelzı. Ha a feszültséget lekapcsoljuk, a rács visszatér az elızı állapotba.
VÉDELEMI ELEKTRONIKA 8. ábra. Az LCD kijelzı mőködése kikapcsolt állapotában [4] Az eddig ismertetett módszerrel egyszerő, monokróm háttér-világításos LCD-kijelzı készíthetı. Ha a lapka mögé fényvisszaverı réteg kerül, akkor a kijelzı háttérvilágítás nélkül mőködhet, de ilyenkor a kapott kép kontrasztja már jelentısen gyengül, és sötétben nem használható. Egy monokróm, hétszegmenses kijelzı felépítése, mőködése A numerikus kijelzık egy részénél az egyes számjegyeket ún. hétszegmenses kijelzıkkel jelzik ki 9. ábra. 9. ábra. Egy hétszegmenses kielzı elem [5] 281
HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. A kijelzendı számjegy megjelenítésekor az egyes szegmenseket különféle módokon (LED-es, izzólámpás, stb.) lehet aktíválni. Jelen esetben a folyadékkristályos megjelenítést vizsgáljuk. A folyadékkristályos számkijelzı szerkezeti delépítését a 10. ábra mutatja és ugyancsak ezen ábra segítségével követhetjük a kijelzı mőködését is. 10. ábra. Egy hétszegmenses kijelzıelem szerkezeti felépítése [6], [9] 282
VÉDELEMI ELEKTRONIKA Mint korábban láttuk a folyadékkristály két párhuzamos üveglap között helyezkedik el. Az ábra szerinti egyik üveglapra egy összefüggı, közös elektródát, a másik üveglapra pedig az optikailag szintén átlátszó szegmenselektródákat viszik fel a folyadékkristály felıli oldalra (más megoldású lerendezések is léteznek) fémgızöléssel (lásd a 4. ábra esetén ITO). Az üveglapokra helyezik el a térben egymásra merıleges barázdáltságú polárszőrıket is. Ez egy reflexiós típusú kijelzı, ami azt jelenti, hogy a kiejlzés felıli oldalró beesı természetes vagy merterséges megvilágításból származó fénysugár és a visszavert fénysugár halad át a folyadékkristályon, ezért a kijelzı mögött a kontrasztosabb megjelenítés céljából még egy fényvisszaverı fém tükröt is elhelyeznek. A hét szegmens elektródát, a tizedes pontot (lásd 9. ábra DP) valamint a másik üveglapon elhelyezkedı közös elektródát kivezetik és ezekre kívülrıl feszültség kapcsolható. Egy erre a célra kifejlesztett speciális dekódoló - meghajtó áramkör segítségével a kijelzendı karaktertıl függıen a közös elektróda és a megfelelı szegmens elektródák közé feszültséget (nulla egyenközepő, négyszögimpulzus soroaztot) kapcsolunk. Ennek következtében létrejön az az állapot, amit a 8. ábrával kapcsolatban korábban tanulmányoztunk és a folyadékkristály réteg már nem forgatja el az áthaladó fény polarizációs síkját a kiválasztott szegmenseket sötét színben látjuk, azaz kirajzolódik a megjeleníteni kívánt karakter. Az üveglapra felvitt, átlátszó fémréteg (ITO) kiképzésétıl függıen a számok mellett, betőket, rajzokat is meg lehet jeleníteni a kijelzın. 283
HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. Felhasznált irodalom 1. http://muveszet-tudomany.hu/magyar/tudomany/foly-krist.html 2. www.inf.u-szeged.hu/projectdirs/bohusoktat/regi/.../lcd.doc 3. http://www.komal.hu/cikkek/2003-12/lezerdioda/lezerdioda.h.shtml 4. krea.bke.hu/arc/e7_2010.pdf 5. Kovács Csongor: Elektronikus áramkörök, General Press Kiadó, Budapest 6. www.sulinet.hu/tart/fncikk/kidc/0/.../index.htm 7. www.habo.umszki.hu/files/hw3.pdf 8. http://www.muszakiak.com/index2.php?option=com_content&do_pd f=1&id=157 9. Informatika és ipari elektronika, Mőszaki könyvkiadó, Budapest, 1997. 422 p. 284