Vedelkristallkuvar

Vedelkristallkuvar ehk LCD-kuvar (ingl "Liquid Crystal Display") on kuvar, mille talitlus põhineb vedelkristallides ilmnevatel elektrooptilistel nähtustel.
Vedelkristallid.
Vedelkristallid on piklike molekulidega (pikkus 1–3 nm, läbimõõt 0,5–1,0 nm) orgaanilised ained, mis temperatuuri tõstmisel ei muutu tahkest olekust kohe vedelaks, vaid on laias temperatuurivahemikus ("ca" −10 °C kuni +70 °C) vedelkristallilises olekus. Sel puhul on ainel samaaegselt vedeliku omadused, nagu voolavus, ja kristalli omadused: molekulide korrastatud paigutus ja anisotroopia (füüsikaliste omaduste, sh kristallikihi läbipaistvuse sõltuvus molekulide suunast).
Vedelkristallide erisugustest paigutustüüpidest kasutatakse LCD-seadistes nemaatilise (kreeka k "nema", ’niit’) vaheolekuga aineid. Nemaatilises faasis asetsevad molekulid rööbiti, kuid on juhuslikult suunatud. Elektrivälja abil saab molekule suunata nii, et vedeliku läbipaistvus muutub.
Tööpõhimõte.
LCD-seadises asub vedelkristalliline aine õhukese, umbes 10 µm paksuse kihina kahe klaasplaadi vahel. Selleks et vedelkukihi läbipaistvust saaks elektriväljaga muuta, rakendatakse valguse polariseerimist ja polarisatsioonitasandi pööramist.
Valguse polariseerimiseks on kummagi klaasplaadi välisküljel fooliumist polarisaator, mis laseb talle langevast valgusest läbi ainult valguse seda osa, mis võngub polarisatsioonitasandis. Klaasplaatide sisepinnale on tekitatud ühesuunalise töötlemisega (söövitamisega, harjamisega) rööbitised vaod. Niisugune pind sunnib külgnevaid nemaatilisi kristalliosakesi asetuma ühes kindlas sihis piki pinda. Vastaspinna juures on vagude siht pööratud 90°. Seetõttu peab molekulide suund vedelikus kruvijooneliselt muutuma (väänduma). Seda vedelkristallides toimuvat nähtust tuntakse väändnemaatikana (lühend TN, ingl k sõnadest "Twisted Nematic field effect") ja sellel põhineb paljude LCD-kuvaseadiste talitlus.
Vedelkristallikihi paksus on palju suurem valguse lainepikkusest, seepärast järgib saabuv polariseeritud valgus molekulikogumite väändumist, nii et polarisatsioonitasand kristallist väljumisel osutub valguse võnketasand 90° pööratuks. Selline valgus läbib tagumise polarisaatori takistamatult. 
Niisuguses seisundis on vedelkristallid pildielemendis neutraalolukorras, s.t kui neile ei mõju elektriväli.
Kui elektroodid pingestada, pöörduvad kristallimolekulid piki elektrivälja, nende polarisatsioonitasandit pöörav toime lakkab ja valgus neeldub – kujutiseelement muutub tumedaks.
Kirjeldatud üldpõhimõttel toimivad nii lihtsaimad LCD-näidikud (nt digitaalkellas, kus iga numbrikoht koosneb seitsmest segmendist, nagu kõrvaloleval joonisel) kui ka miljoneist pildielementidest koosnevad aktiivmaatriksid.
Peegelduva valgusega LCD-näidik.
Pingestamata (neutraalses) seadises pääseb polariseeritud valgus takistamatult läbi mõlema polarisaatori, sest polarisatsioonitasandite sihid ühtivad kummalgi pool kristallimolekulide pikitelgedega. Vedelkristallikihi läbinud valgus peegeldub reflektorilt tagasi, nii et numbrid pole nähtavad. Kui aga numbrisegmendid pingestada, s.t luua vedelkristallikihi vastaselektroodide vahele elektriväli, siis nendes kohtades vedelkristall peegelduvat valgust läbi ei lase ja segmendid on mustad. Niisuguste näidikute korral on vajalik piisav välisvalgus. 
Et kuva oleks nähtav ka pimedas ja kontrast piisav, kasutatakse tagantvalgust, enamasti valgusdioodidega (LED).
Monokromaatilised (must-valged) LCD-näidikud on kasutusel nt kellades, taskukalkulaatorites jm patareitoitega seadmetes. Niisuguse tagantvalgustuseta näidiku energiatarve on sedavõrd väike, et toiteallikaks võib olla väike päikeseelement.
Värviline LCD-ekraan.
Värvilised vedelkristallekraanid töötavad samadel põhimõtetel, aga iga värviline piksel (pildielement) koosneb punasest, rohelisest ja sinisest alampikslist. Selleks on klaasplaatide vahele paigutatud värvifiltrid. Alampikslite erinevate heleduste kombineerimisel on võimalik saada miljoneid värvitoone.
Passiiv- ja aktiivmaatrikskuvar.
LCD-kuvari pikslid moodustavad maatriksi, s.o ridade ja veergude kaupa korrastatud kogumi. Varasema passiivmaatriksi asemel, mis tekitas võrdlemisi lahja ja inertse kujutise, kasutatakse värvikuvarites ja paneelides alates 1999. aastast aktiivmaatrikstehnikat. Siin tüüritakse iga pildielemendi heledust (tegelikult küll läbipaistvust) iga piksli pinnal asuva pisikese kiletransistoriga TFT (lühend ingl k sõnadest "Thin-Film Transistor"); seetõttu nimetatakse aktiivmaatriksiga LCD-kuvareid sageli ka TFT-kuvareiks.
LCD-kuvari ekraani piksleid aktiveeritakse ristuvate rea- ja veeru- tüürelektroodide abil, millele antakse järgemööda tüürsignaalid. Seetõttu saab korraga juhtsignaali üksainus piksel, ülejäänud peavad meeles pidama eelmises kaadris saadud oleku. Seda ülesannet täidabki TFT-väljatransistor, säilitades piksli heledusele vastava elektrilaengu kaadriperioodiks. Võrreldes passiivmaatrikskuvariga, kus transistorlüliti asemel oli ainult kondensaator, tagab TFT-struktuur palju suurema kontrastsuse ja toimekiiruse.
Lihtsates LCD-näidikutes pole tüürmaatriksit vaja, sest iga märk või märgielement (nt digitaalkella iga numbrisegment) saab tüürsignaali otse protsessorikiibist.
Aktiivmaatrikstehnikad.
Eri otstarveteks on välja töötatud ja kasutusel mitmesuguseid LCD-paneelide tehnilisi lahendusi, millest tõusevad esile kolm põhitüüpi: TN, IPS ja MVA. Igal neist on oma tugevad ja nõrgad küljed.
TN-tehnika.
TN- ("Twisted Nematic") tehnika korral on vedelkristalli molekulide väändenurk 90°. Monokroomses (must-valges) maatriksis saadakse halltoonid sel teel, et muudetakse tüürpingega väändenurka vahemikus 0–90°. Värvimaatriksis muudetakse kolme alampiksli läbipaistvust.
TN-paneelidele on omane kiire reageerimine ja väike energiatarve, kuid piiratud vaatenurk (mitte üle 150°), väike kontrastsus ja värviedastuse sõltuvus vaatenurgast.
IPS ja SFT.
IPS- ("In Plane Switching", ’tasapinnal tüüritav’) paneelis asetseva iga piksli mõlemad elektroodid kõrvuti ühes tasapinnas, mis on paralleelne ekraani pinnaga. Kui elektroodidele rakendada tüürpinge, pöörduvad vedelkristallid elektrivälja mõjul ekraani tasapinnas (mitte ei väändu kruvijooneliselt nagu TN-tehnikas). Erinevalt teistest aktiivmaatrikstehnikatest vajab siin iga piksel kaht transistori, mis suurendab mõnevõrra energiatarvet.
Hitachi loodud IPS-tehnika analoog on NEC-firmal SFT ("Super Fine TFT").
Nendele tehnikatele on iseloomulik lai vaatenurk nii rõht-, püst- kui ka diagonaalsihis (160–178°) ja lühike reaktsiooniaeg (5 ms ringis).
MVA.
Firma Fujitsu esitas 1996. aastal oma VA-aktiivmaatriksit: piksli väljalülitatud olekus paiknevad vedelkristallid teise polarisaatori suhtes risti (VA – "Vertical Alignement", ’vertikaalne joondus’) ja järelikult ei saa valgus ristsuunalisi polarisaatoreid läbida. Pingestamisel väändub kristallide suund kuni 90° ja piksli läbipaistvus vastavalt suureneb.
VA-tehnika edasiarendus MVA ("Multi-Domain Vertical Alignment", 1996) sisaldab TN- ja IPS-tehnika tugevaid külgi. Tulemuseks on lai vaatenurk, sügav must (ristvaates) ja kiire valgelt mustale üleminek tänu spetsiaalsele kiirendustehnikale. MVA puudusteks S-IPS-tehnikaga võrreldes on detailide kadumine pildi tumedates kohtades ja värvitasakaalu ning kontrastsuse sõltuvus vaatenurgast – kui see ületab 30° ristsihist, muutuvad veidi värvitoonid ja ka must muutub tumehalliks.
MVA analoogid ja täiustatud versioonid teistelt firmadelt:
MVA/PVA-maatrikseid võib nii hinna kui ka parameetrite poolest lugeda kompromissiks TN- ja IPS-tehnikate vahel.
PLS.
PLS ("Plane-to-Line Switching") on IPS-tehnika edasiarendus Samsungilt (2011), mis pakub paremat pikslite läbipaistvust (või sama heleduse juures väiksemat energiakulu), ka puudub mõnedele IPS-paneelidele omane kilgendusnähtus.
Reaktsioonaeg ja vaatenurk.
Pildielementide sisse- ja väljalülitamiseks ja seega kaadri ülesehitamiseks kulub teatav aeg. LCD-telerite kaadrisagedusel 50 või 60 Hz on kaadri kestus vastavalt 1/50 või 1/60 sekundit, s.o 20 või 16,7 millisekundit.
LCD-paneelide inertsust iseloomustavad tootjad üldiselt reaktsiooniajaga, mis kulub üleminekuks mustalt valgele või üleminekuks ühelt hallväärtuselt teisele (GTG, "grey-to-grey"). Reaalse värvikujutise korral kestavad üleminekud siiski märksa kauem – IPS-paneelidel kuni kaks korda, MVA-paneelidel veelgi veidi rohkem. Sellest lähtudes võib rahuldavaks lugeda paneeli reaktsiooniaega 6–8 ms.
LCD-kuvarite puuduseks oligi esialgu pikslite pikk reaktsiooniaeg (16 ms või rohkem) ja sellest tulenevad moonutused, seda eriti kiire liikumise edasiandmisel. Täiustatud paneelitehnoloogiaga on see näitaja viidud väärtuseni 4–6 ms; veelgi suurem reageerimiskiirus (1–2 ms) saavutatakse enamasti mõne muu parameetri, nt vaatenurga arvel.
LCD-kuvarite sagedasema puudusena tuuakse esile ka kitsast vaatenurka, milles värviedastus on püsiv ja musta tase hea. Mitmete tehniliste täiustustega on praegusaegsete kuvarite vaatenurk viidud tootjaandmete kohaselt kuni 178 kraadini. MVA-paneelidel on siiski märgata teatavat värvitooni ja kontrastsuse muutust juba palju väiksema nurga all.
Tagantvalgustus.
LCD-pildielemendid ise valgust ei kiirga (erinevalt nt plasmapaneeli pikslitest). LCD-elemendid (nende värvifiltritega alampikslid) muutuvad nähtavaks ainult neid läbiva valguse arvel. Läbiv valgus absorbeerub vähemal või suuremal määral vedelkristallides, millest jääb mulje, nagu helendaksid pildielemendid ise. LCD-paneelides annavad valgust LCD-maatriksi taga asetsevad valgusallikad.
Valgus peab jagunema üle kogu ekraani pinna võimalikult ühtlaselt. Seda saavutatakse lampide suure arvuga ja nende valguse hajutamise teel difuusorpinna abil. Värvipikslite valgustus peab sisaldama kõiki põhivärvusi.
Valgusallikateks olid LCD-kuvarites pikka aegaluminofoorlambid, alates 2010. aastast on neid aga kuvari- ja teleripaneelides hakanud asendama leedlambid. LED-tagantvalgustusega paneeli nimetatakse vahel ka LED-ekraaniks; see aga on eksitav, sest tegelikus LED-ekraanis loovad valgusdioodid pildielementidena ise kujutise (niisuguseid LED-paneele kasutatakse peamiselt suurte reklaam- ja infotabloodena; teleriekraanidena on välja töötatud ja edasiarendamisel OLED-paneelid).
CCFL-tagantvalgustus.
Luminofoorlampidest kasutatakse tagantvalgustuseks külmkatoodiga ehk huumlahenduskatoodiga luminofoortorusid (lühend CCFL, "Cold Cathode Fluorescent Lamp"). Niisugune toru erineb tavalisest luminofoortorust selle poolest, et elektroodidel puudub hõõgniit. Külmkatoodtorus kutsub huumlahenduse esile elektroodide (katoodi ja anoodi) vahele rakendatav kõrge pinge; seda tekitab vaheldi ja ferriittrafoga elektroonikalülitus või piesoelektriline kõrgepingetrafo (sülearvutites). Elektronide emissiooni külmkatoodilt kutsub esile järsk pingelang katoodi vahetus läheduses. Kütteniitide ja starteri puudumine suurendab oluliselt töökindlust ja kiirendab süttimist. Võimsustarve on siiski võrdlemisi suur. Valguse ühtlaseks jaotamiseks peavad torud paiknema LCD-maatriksist teatud kaugusel ning arvestades ka torude endi läbimõõtu, ei saa paneeli paksust vähendada alla 35 mm.
LED-tagantvalgustus.
Leedlampide paigutuse järgi eristatakse äärevalgustust ("edge LED") maatriksvalgustust ("full array").
Äärevalgustuse korral paiknevad valgusdioodid ainult ekraani äärtes. Sellise paneeli saab küll valmistada väga õhukesena, kuid valgustus pole päris ühtlane ja kontrastsus pole samuti kõige parem.
Maatriksvalgustuse korral on suur hulk valgusdioode jaotatud ühtlaselt kogu ekraani pinna ulatuses. Kõige kallimates paneelides kasutatakse RGB-maatriksit, mille iga valguspunkt koosneb kolmest valgusdioodist (valge valgus saadakse punase, rohelise ja sinise valguse kombinatsioonina). Niisuguste punktide valgust muudetakse kontrastsuse suurendamiseks vastavalt pildipiirkondade heledusele.
Valgusdioodide eeliseid:
Kvantpunktdioodidega tagantvalgustus.
Valgusallikatena kasutatakse kvantpunktdioode ehk QD-dioode, kusjuures iga pildielemendi alampikslit valgustab eraldi diood (R, G, B). Niisugust tagantvalgustust kasutab QLED-ekraanitehnoloogia. 
Ajaloost.
Vedelkristallide väändnemaatilise nähtuse avastas USA teadlane Ohio ülikoolis 1969. aastal ja juba 1971. aastal tootis tema firma esimesed sellel nähtusel põhinevad näidikud. LCD-kuvaseadised olid esialgu kasutusel kellades ja kalkulaatorites, seejärel näidikuna ka paljudes muudes patareitoitega elektronriistades, nt mobiiltelefonides, mõõteriistades, süle- ja pihuarvuteis. Arvutikuvareina ja teleriekraanidena hakkasid LCD-paneelid kineskoope välja tõrjuma alates sajandivahetusest.