Paparan hablur cecair

Paparan hablur cecair atau kristal cecair (liquid crystal display, LCD) ialah sejenis peranti paparan nipis dan leper yang terbentuk daripada mana-mana bilangan piksel warna atau hitam putih yang disusun di hadapan satu sumber atau pemantul cahaya. LCD sering digunakan dalam peranti elektronik janaan bateri kerana menggunakan amaun kuasa elektrik yang sedikit.

Sekilas 

Setiap piksel pada LCD biasanya terdiri daripada satu lapisan molekul dijajarkan di antara dua elektrod lutsinar, dan dua lapisan polarisasi yang paksi-paksi transmisinya (biasanya) tegak lurus antara satu sama lain. Tanpa hablur cecair di antara lapisan polarisasi, cahaya yang melalui lapisan pertama dihalang oleh pengutub (bersilang) yang kedua.

Permukaan elektrod-elektrod yang bersentuhan dengan bahan hablur cecair diproseskan agar dijajarkan dengan molekul-molekul hablur cecair dalam arah yang tertentu. Proses ini biasanya terdiri daripada satu lapisan polimer nipis yang digosokkan searah dengan, contohnya, menggunakan sehelai kain. Arah penjajaran hablur cecair kemudian ditentukan oleh arah gosokan.

Sebelum dikenakan medan elektrik, haluan molekul-molekul hablur cecair ditentukan oleh penjajaran pada permukaan. Dalam sejenis peranti nematik berlingkar (masih peranti hablur cecair yang paling laris), arah penjajaran permukaan pada kedua-dua elektrod adalah tegak lurus antara satu sama lain, maka molekul-molekul itu menyusun dirinya membentuk struktur heliks atau berlingkar. Oleh sebab bahan cecair hablur adalah dwirefringens, cahaya yang melalui satu penyaring pengutub diputarkan oleh heliks hablur cecair semasa melalui lapisan cecair hablur, maka membolehkannya melalui penyaring pengutub kedua. Separuh cahaya tujunya diserap oleh penyaring pengutub pertama, jika tidak seluruh susunannya adalah lutsinar.

Apabila voltan dikenakan merentasi elektrod, satu tork bertindak untuk menjajarkan molekul-molekul hablur cecair agar selari dengan medan elektrik, maka mengganggu struktur heliks (inipun ditahan oleh daya elastik kerana molekul-molekul dipaksa kekal pada permukaan). Ini mengurangkan putaran pengutuban cahaya tuju, maka peranti kelihatan berwarna kelabu. Jika voltan yang dikenakan cukup besar, molekul-molekul hablur cecair di tengah lapisan hampir tidak berlingkar sama sekali manakala pengutuban cahaya tuju tidak diputarkan semasa melalui lapisan hablur cecair. Cahaya ini kemudiannya boleh dikutubkan menjadi lurus tegak dengan penyaring kedua, dan maka itu dihalang dan pikselnya menjadi hitam. Dengan mengawal voltan yang dikenakan merentasi lapisan hablur cecair dalam setiap piksel, cahaya boleh dibenarkan lalu dalam pelbagai amaun, maka terbentuknya tahap-tahap kelabu yang berbeza.

Kesan optik peranti nematik berlingkar dalam keadaan voltan dipasang jauh kurang bergantung pada kelainan-kelainan pada ketebalan peranti berbanding dalam keadaan voltan ditutup. Oleh sebab itu, peranti-peranti ini biasanya dioperasi antara pengutub bersilang agar kelihatan terang tanpa voltan (mata jauh lebih peka terhadap kelainan-kelainan dalam bentuk gelap berbanding bentuk terang). Peranti-peranti ini boleh dikendali antara pengutub selari, yang mana bentuk terang dan gelap disongsangkan. Bagaimanapun, keadaan gelap voltan ditutup dalam konfigurasi ini kelihatan bertompok-tompok kerana kelainan-kelainan ketebalan yang kecil merentasi peranti ini.

Kedua-dua bahan hablur cecair dan lapisan penjajaran mengandungi sebatian-sebatian ionik. Jika satu medan elektrik bagi satu kekutuban tertentu dikenakan untuk jangka masa yang lama, bahan ionik ini akan tertarik pada permukaan lalu menjejaskan prestasi peranti. Ini boleh dielakkan sama ada dengan mengenakan arus ulang-alik atau menyongsangkan kekutuban medan elektrik yang ditetapkan dalam peranti (tindak balas lapisan hablur cecair adalah seiras, tanpa mengira kekutuban medan yang dikenakan).

Apabila sebilangan besar piksel diperlukan untuk paparan, adalah tidak sesuai untuk memacu setiap satu piksel secara terus kerana setiap piksel itu akan memerlukan elektrod-elektrod yang berasingan. Sebaliknya, paparannya dimultipleks. Dalam paparan yang dimultipleks, elektrod-elektrod pada satu sisi paparan dikumpulkan dan diikat bersama (biasanya secara berlajur), dan setiap kumpulan mendapat sumber voltan sendirinya. Di sisi yang lain, elektrod-elektrod turut dikumpulkan (biasanya secara berbaris), dan setiap kumpulan ada satu sink voltan. Kumpulan-kumpulan ini dibentuk agar setiap piksel ada kombinasi sumber dan sink yang unik dan tidak dikongsi. Elektronik, atau perisian yang memacu elektronik kemudian memasang sink-sink mengikut urutan, dan memacu sumber bagi piksel-piksel setiap sink.

Spesifikasi 
Faktor-faktor penting untuk diambil kira apabila menilai sebuah monitor LCD:
 Resolusi: Saiz mengufuk dan menegak diberi dalam kiraan piksel (e.g., 1024x768). Tidak seperti monitor CRT, monitor LCD mempunyai resolusi sokongan asli untuk hasil paparan terbaik.
 Pic bintik: Jarak antara pusat setiap dua piksel yang bersebelahan. Makin kecil saiz pic bintik itu, maka makin kurang ketaranya kegranulan, maka makin jelas imejnya. Pic bintik secara menegak dan secara mendatar biasanya sama kedua-duanya, dan lebih jarang berbeza.
 Saiz boleh dilihat: Saiz sesebuah panel LCD yang diukur pada pepenjuru (lebih khususnya dikenali sebagai kawasan paparan aktif).
 Tempoh tindakbalas: Jangka masa minimum yang diperlukan untuk menukar warna atau kecerahan sebutir piksel. Tempoh tindakbalas juga dibahagi kepada tempoh naik dan turun.
 Jenis matriks: Aktif atau pasif.
 Sudut pemandangan: (lebih khususnya dikenali sebagai arah pemandangan).
 Sokongan warna: Berapa jenis warna yang disokong (lebih khususnya dikenali sebagai gamut warna).
 Kecerahan: Amaun cahaya yang dipancarkan dari paparan (lebih khususnya dikenali sebagai luminans).
 Nisbah beza jelas: Nisbah keamatan kecerahan paling cerah kepada kegelapan paling gelap.
 Nisbah aspek: Nisbah lebar kepada ketinggian (contoh, 4:3, 16:9 atau 16:10).
 Port-port masukan (contoh, DVI, VGA, LVDS, ataupun S-Video dan HDMI).

Sejarah 
 1888: Friedrich Reinitzer (1858-1927) menemui sifat habluran cecair kolesterol yang diekstrak dari lobak merah (iaitu, dua titik lebur dan penghasilan warna) lalu menerbitkan penemuan beliau pada satu mesyuarat Persatuan Kimia Vienna pada 3 Mei 1888 (F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien) 9, 421-441 (1888)).
 1904: Otto Lehmann menerbitkan hasil kerja beliau "Hablur Cecair".
 1911: Charles Mauguin menghuraikan struktur dan sifat-sifat hablur cecair.
 1936: Syarikat Telegraf Wayarles Marconi mempatenkan aplikasi praktikal pertama dengan teknologi ini, iaitu "Injap Cahaya Hablur Cecair".
 1962: Penerbitan Bahasa Inggeris utama yang pertama mengenai subjek "Struktur Molekul dan Sifat-sifat Hablur Cecair", oleh Dr. George W. Gray.
 1962: Richard Williams dari RCA menemui bahawa hablur cecair memiliki beberapa sifat-sifat elektro-optik yang menarik dan merealisasikan satu kesan elektro-optik dengan menjana corak jaluran dalam selapisan bahan hablur cecair nipis melalui pengenaan voltan. Kesan ini berasaskan satu ketidakstabilan elektro-hidrodinamik yang membentuk apa yang dikenali sebagai “domain Williams” dalam hablur cecair.
 1964: Pada musim luruh tahun 1964, George H. Heilmeier yang mengkaji kesan yang ditemui oleh Williams dalam makmal RCA mendapati peralihan warna oleh penjajaran semula pencelup dikroik yang diaruh medan dalam satu hablur cecair yang berorientasikan homeotropik. Masalah-masalah praktikal dengan kesan elektro-optik baru ini mendorong Heilmeier untuk meneruskan kajian pada kesan-kesan serakan pada hablur cecair dan akhirnya merealisasikan paparan hablur cecair boleh guna yang terulung berasaskan apa yang dipanggil beliau sebagai mod serakan dinamik (dynamic scattering mode, DSM). Pengenaan voltan pada paparan DSM mengubah keadaan lapisan hablur cecair dari lutsinar hening menjadi keruh. Paparan DSM boleh dikendali dalam mod pancaran dan pantulan tetapi memerlukan arus yang secukupnya untuk mengalir untuk pengendaliannya. 

Kajian peloporan pada hablur cecair dijalani pada akhir 1960-an oleh Royal Radar Establishment di Malvern, UK. Pasukan di RRE menyokong penyelidikan yang berterusan oleh George Gray dan pasukannya di Universiti Hull yang akhirnya menemui hablur cecair cyanobiphenyl (yang memiliki sifat-sifat kestabilan dan suhu yang tepat untuk diaplikasikan dalam LCD).

 1970: Pada 4 Disember 1970, kesan medan nematik berlingkar dalam hablur cecair difailkan untuk dipatenkan oleh Hoffmann-LaRoche di Switzerland, (Swiss patent No. 532 261) apabila Wolfgang Helfrich dan Martin Schadt (yang ketika itu bertuga untuk makmal Penyelidikan Pusat) disenaraikan sebagai pencipta. Hoffmann-La Roche kemudian melesenkan ciptaan itu kepada pengilang Switzerland Brown, Boveri & Cie yang menghasilkan paparan untuk jam tangan pada 1970-an, dan juga kepada industri elektronik Jepun yang kemudian menghasilkan jam tangan kuarza digital yang pertama dengan TN-LCD dan banyak lagi produk lain. James Fergason di Universiti Negeri Kent memfailkan paten yang serupa di AS pada 22 April 1971. Pada tahun 1971, syarikat Fergason ILIXCO (kini LXD Incorporated) menghasilkan LCD pertama yang berteraskan kesan TN, yangkemudian mengatasi jenis DSM yang bermutu rendah kerana peningkatan voltan operasi lebih rendah dan penggunaan kuasa lebih rendah.
 1972: Panel paparan hablur cecair matriks aktif yang pertama dihasilkan di Amerika Syarikat oleh T. Peter Brody.

Huraian terperinci mengenai asal-usul dan sejarah rumit paparan hablur cecair dari sudut pandangan seorang dalam ketika zaman dahulu telah diterbitkan oleh Joseph A. Castellano dalam "Liquid Gold, The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry" .

Sejarah sama yang dilihat dari sudut pandangan berbeza telah dihuraikan dan diterbit oleh Hiroshi Kawamoto (The History of Liquid-Crystal Displays, Proc. IEEE, Vol. 90, No. 4, April 2002), This paper is publicly available at the IEEE History Center.

Paparan warna 
Dalam LCD warna, setiap piksel individu dibahagi kepada tiga sel, atau subpiksel, masing-masing berwarna merah, hijau, dan biru, oleh penyaring warna (penyaring pigmen, penyaring pewarna dan penyaring oksida logam). Setiap subpiksel boleh dikawal secara berasingan untuk menghasilkan ribuan atau jutaan warna yang boleh dipapar untuk setiap piksel. Monitor CRT menggunakan struktur 'subpiksel' yang serupa melalui fosfor, namun the alur elektron analog yang digunakan dalam CRT tidak mengena 'subpiksel' yang tepat.

Komponen warna boleh diwarnakan dalam pelbagai geometri piksel, bergantung pada penggunaan monitor. Jika perisian tahu jenis geometri mana yang digunakan dalam LCD yang diberi, ini boleh digunakan untuk meningkatkan resolusi yang kelihatan pada paparan melalui paparan subpiksel. Teknik ini berguna khususnya untuk anti-aliasing teks.

Untuk mengurangkan pencomotan pada gambar bergerak apabila piksel tidak cukup pantas bergerak balas dengan perubahan warna, pacu lebih piksel juga boleh digunakan.

LCD matriks pasif dan aktif 
LCD yang ada sebilangan kecil segmen, seperti yang digunakan dalam jam tangan digital dan mesin hitung saku, mempunyai sentuhan elektrik individu untuk setiap segmen. Satu litar khusus luaran menyumbang satu cas elektrik untuk mengawal setiap segmen. Struktur paparan ini sukar dibawa bagi lebih daripada sedikit elemen paparan.

Paparan monokrom kecil seperti yang terdapat pada pengelola peribadi atau skrin komputer riba lama, mempunyai satu struktur matriks pasif yang menggunakan teknologi nematik berpintal super (Super-twisted nematic, STN) atau STN dwilapisan (Dual layer STN, DSTN) (DSTN membetulkan masalah anjakan warna dalam STN), dan STN warna (Color STN, CSTN, teknologi yang mana warna ditambah dengan menggunakan penapis warna dalaman). Setiap baris atau lajur paparan mempunyai satu litar elektrik tunggal. Piksel-piksel dialamatkan satu per satu mengikut alamat baris dan lajur. Jenis paparan ini dipanggil alamat matriks pasif kerana pikselnya mesti mengekalkan keadaannya antara tindakan segar semula tanpa manfaat cas elektrik yang kukuh. Apabila bilangan piksel (dan bersama itu, lajur dan baris) bertambah, jenis paparan ini menjadi kurang berkesan. Tempoh sambutan yang amat perlahan serta beza jelas yang rendah adalah kebiasaan dalam LCD matriks pasif.

Paparan warna peleraian tinggi seperti pengawas komputer dan televisyen LCD moden menggunakan struktur matriks aktif. Satu matriks transistor saput nipis (Thin-film transistor, TFT) dibubuh pada penyaring pengutuban and warna. Setiap piksel ada transistor khususnya sendiri, membolehkan setiap garis lajur mencapai satu piksel. Apabila segaris lajur dihidupkan, semua garis lajur dihubungkan dengan sebaris piksel dan voltan yang betul dipacu pada semua garis lajur. Garis baris pula dimatikan dan garis baris seterusnya dihidupkan. Semua garis baris dihidupkan mengikut urutan ketika pengendalian segar semula. Paparan matriks aktif kelihatan "lebih terang" dan "lebih jelas" berbanding paparan matriks pasif yang sama saiznya, dan biasanya lebih cepat tempoh sambutannya, maka terhasilnya imej yang lebih bermutu.

Rujukan

Pautan luar

Tutorial 
  Animated tutorial of LCD technology by 3M

 History and Physical Properties of Liquid Crystals by Nobelprize.org
 Definitions of basic terms relating to low-molar-mass and polymer liquid crystals (IUPAC Recommendations 2001)
 An intelligible introduction to liquid crystals from Case Western Reserve University
 Liquid Crystal Physics tutorial from the Liquid Crystals Group, University of Colorado
 Introduction to liquid crystals  from the Liquid Crystal Technology Group, Oxford University
 Liquid Crystals & Photonics Group - Ghent University (Belgium) , good tutorial
 Liquid crystals Liquid Crystals Interactive Online (not updated since 1999)
 Liquid Crystal Institute Kent State University
 Liquid Crystals a journal by Taylor&Francis
 Molecular Crystals and Liquid Crystals a journal by Taylor&Francis
 Hot-spot detection techniques for ic's 
 What are liquid crystals?  from Chalmers University of Technology, Sweden

Maklumat am 
 How LCDs are made, an interactive demonstration from AUO (LCD manufacturer).
 Development of Liquid Crystal Displays: Interview with George Gray, Hull University, 2004 – Video by the Vega Science Trust.
 History of Liquid Crystals – Presentation and extracts from the book Crystals that Flow: Classic papers from the history of liquid crystals by its co-author Timothy J. Sluckin
 Display Technology, by Geoff Walker in the September 2001 issue of Pen Computing
 Overview of 3LCD technology , Presentation Technology
 LCD Module technical resources and application notes , Diamond Electronics
 LCD Phase and Clock Adjustment, Techmind offers a free test screen to get a better LCD picture quality than the LCDs "auto-tune" function.
 How to clean your LCD screen? The Walyou Blog 
 TFT CentralLCD Monitor Reviews, Specs, Articles and News
 Pictures of lamps for projectors Interlight
 Interfacing Alphanumeric LCD to Microcontroller

Teknologi paparan
Optoelektronik