Liquid Crystal Display(LCD) Nedir? LCD ekranlar nasıl çalışır?

Günlük yaşantımızda sık sık LCD(liquid crystal display) kullanan cihazlarla haşır neşir olmaktayız. Bu cihazlara örnek olarak; dizüstü bilgisayarları, dijital kol saatlerini veya cep telefonlarını verebiliriz. LCD, taşınabilir kompakt cihazların temelinde yatan en önemli görüntü teknolojilerden birisidir. Çünkü bu ekranlar çok daha ince, hafif ve az güç harcayan yapıya sahiptir. Bu nedenle de CRT(cathode ray tube) gibi görüntü teknolojilerine nazaran çok daha avantajlıdır.

Peki bu görüntü teknolojisine neden sıvı kristal(liquid kristal) denilmiştir? Bildiğimiz üzere kristal denince aklımıza kaya gibi sert bir madde gelir. Sıvı denince de akışkan bir madde gelir. Peki sıvı kristal denilen bir yapıyı oluşturmak nasıl mümkün olabilir?

Okulda öğrendiğimiz en temel kanuna göre; maddenin üç hali bulunur. Bunlar katı, sıvı ve gaz olarak sıralanır. Katı maddeler şekillerini korurlar çünkü molekülleri yönelimlerini değiştirmezler ve bir kuvvet altında dahi şekilde aynı kalırlar. Sıvı maddelerde ise durum bunun tam tersidir ve moleküller yönelimlerini ve pozisyonlarını korumazlar, dolayısıyla sıvı içerisinde her yere hareket edip konumlarını değiştirebilirler. Fakat bazı yapılar vardır ki bunlar hem katı hem de sıvı gibi davranabilirler. Yapılar bu halde olan olduklarında moleküller katılarda olduğu gibi yönelimlerini korurken, sıvılardaki gibi farklı yerlere hareket edip pozisyonlarını değiştirebilirler. Bu nedenle likit kristal yapılar, ne sıvı ne de katı olarak nitelendirilemezler.

Nematic Fazlı Likit Kristaller
Doğada sadece katı, sıvı ve gaz değil daha birçok ara hal vardır. Likit kristaler sıcaklığa ve maddenin yapısına göre birçok farklı halde bulunabilir. Bu halleren LCD’lerin yapılmasını mümkün kılan likit kristallerin nematic fazıdır. Likit kristallerin en önemli özelliklerinden birisi, elektrik akımından etkilenmeleridir. Nematic likit kristallerin, kıvrık nematic’ler(TN: twisted nematics) adı verilen çeşidi uygulanan akımın gerilimine bağlı olarak düz konuma yani kıvrık olmayan nematic’ler haline gelir.

Likit Kristal Çeşitleri

Likit kristal molekülleri thermotropic ve lyotropic olarak kategorilere ayrılır. Thermotropic likit kristalleri basınç ve en çok sıcaklıkla etkileşime girecek yapıdadır. Sabun ve deterjan üretiminde kullanılan lyotropic likit kristalleri ise, karıştırıldıkları çözücüye bağlı olarak reaksiyona girerler. Thermotropic likit kristalleri ne izotropiktir ne de nematic’tir. İzotropik likit kristal maddelerin yapısı gelişigüzel bir haldedir, buna karşı nematic’ler düzenli bir iç yapı sergilerler.

LCD’yi meydana getirebilmek için başlıca birkaç faktör bulunur;

• Işık polarize olabilmelidir. (Polarize: “Bir ışının titreşimlerini belirli bir yöne çevirme” olarak açıklanır. Bunu biraz daha açmak gerekirse, örneğin fotoğrafçılar makinalarında polarize filtreler kullanırlar; bu filtreler fotoğraflardaki su, kaya vb. gibi yansıtıcı yüzeylerin yansımalarını alır. Bu sayede daha canlı renklere sahip fotoğraflar elde edilir. )
• Likit kristaller polarize ışığı iletebilmeli ve değiştirebilmelidir.
• Likit kristallerin yapısı elektrik akımıyla değişime uğrayabilmelidir.
• Elektriği iletici sayda yapıya sahip olmalıdır.

Bir likit kristal ekran üretmek, aslında düşünülenden çok daha kolaydır. İlk etapta camı ve likit kristalleri bir araya getirip, onlara iki şeffaf elektrod bağlanır. Örnek olarak yapılabilecek en basit LCD’yi hayal edelim ve katmanlarını düşünelim, bunlar;

Katmanları harflerle gösterdiğimizde, (A): En arkadaki yansıtıcı ayna, (B): Ardından ana elektrot düzlemine yerleştirilen yatay polarize cam katmanı, (C): Indium-tin oksit yapısına sahip olan ana elektrot katmanı, (D): Hemen üzerinde likit kristal katmanı, (E): Sonra ekranın dikdörtgen formunu belirleyici bir cam katman daha, (F): Son olarak ilk polarize cam katmanına dik açıda yerleştirilmiş bir diğer polarize cam katman.

LCD katmanlarının üç boyutlu görünümü

LCD’ler görüntülediği bütün pikselleri üç alt piksele ayırıp herbirini RGB renkleriyle tanımlar. RGB renkleri yani kırmızı(red), yeşil(green) ve mavi(blue) ana renklerinden oluşur. Bu renklerin bahsettiğimiz alt piksellerde yapılan farklı varyasyonları sayesinde ara renkler oluşturulur. Üç rengin tam birleşimi beyaz, pikselin ışığı absorbe edip yansıtmaması ise karanlık yani siyah rengi oluşturur.

LCD katmanları bir araya geldiklerinde paneller meydana gelir. Panellerin çalışma mantığı en basit haliyle, üzerindeki özelleşmiş hücrelerin iyon katmanı tarafından şekillendirilmesi ve elektrik akımıyla görüntü oluşturulması şeklindedir. Örneğin, dijital bir saat ekranında her piksel görev yapmaz. Sadece oluşturulması gereken karakterler için çeşitli şekiller oluşturulmuştur ve buraların her biri için bir elektrik devresi atandığından ufak bir sinyalle kolayca görüntü oluşturulur. Bunun daha gelişmişi ise, pasif matris panellerdir ve bunlarda her satır ve sütuna atanmış elektrik devresi sayesinde, o satırda veya sütunda bulunan herhangi bir pikselde renk oluşturulabilir. Bu tip paneller özellikle tepki süreleri ve parlaklık konusundaki eksiklikleri nedeniyle artık kullanılmamaktadır. Günümüzde en çok kullanılanı aktif matris panellerdir. Bu panellerde ince film transistörler(TFT: thin film transistor) kullanılır. TFT ekran olarak da bilinen aktif matris panellerin, pasif matris panellere göre çözünürlük, tepki süresi, kontrast ve görüş açısı konularında üstünlükleri vardır.

LCD’lerin üstün oldukları teknik özellikler:

• Kontrast: Zıtlık oranı olarak da bilinen bu kavram, en parlak ve en koyu renklerin ışıma gücü (luminosity) arasındaki orana verilen addır. Kontrast oranı ne kadar fazla olursa, beyaz ile siyahın arasındaki zıtlık da o kadar fazla olur. Yani beyaz tam beyaz, siyah tam siyah görünür.
• Tüketim: LCD panellerin tüketim miktarları, CRT’lere oldukça azdır. Örneğin 19 inçlik bir CRT Flat monitör ortalama 120 Watt güç tüketirken, 19 inç bir LCD monitör en fazla 40 Watt çekmektedir.
• Görüntü Kalitesi: LCD’lerde kontrast oranının yüksekliği ve nokta aralığının azlığına bağlı olarak CRT’lere göre çok daha keskin ve parlak görüntü elde edilebilmektedir. Görüntü kalitesi üzerinde büyük rol oynayan renk kalitesi olarak da, LCD’ler daha iyi sonuç vermektedir.

LCD’lerin zayıf oldukları teknik özellikler:

• Çözünürlük: LCD’ler sahip oldukları ekran oranı ve piksel sayısına bağlı olarak fabrika çıkışlı olarak belli bir doğal çözünürlüğe sahiptir. Bu çözünürlük dışına çıkıldığında düzen bozulur ve cihaz özel birkaç metod uygulayarak görüntüyü oluşturur. Fakat bu metodların hepsi görüntünün keskinliğini bozar ve LCD’ler doğal çözünürlükleri dışında bulanık ve donuk görüntü verirler.
• Nokta Aralığı: LCD’ler nokta aralığı konusunda CRT’lere nazaran biraz daha kötüdür. Kaliteli CRT monitörlerde nokta aralığı yani her bir piksel arasındaki görüntülenmeyen aralık değeri 0.15mm’lere düşebilmektedir. Fakat bu değer en iyi LCD monitörlerde dahi 0.22mm’den küçük olamamaktadır. Bu nedenle LCD’ler bu konuda iu anlık geridedir. Fakat bu onlar için bir dezavantaj oluşturmamaktadır. Çünkü LCD’lerin sahip olduğu yüksek kontrast oranı sayesinde çok keskin görüntüler elde edilebilmektedir. Bu nedenle nokta aralığı küçük ve yüksek kontrast oranına sahip LCD monitörler en keskin görüntüyü vermektedir.
• Tepki Süresi: Tepki süresi bir komutun alındıktan sonra ekranda görüntülenmesine kadar geçen süre olarak tanımlanabilir. Tepki süresinin düşük olması istenen yerlerde, örneğin; oyun ve filmlerde CRT monitörler avantajlıdır. CRT monitörlerde 0.1ms’nin altında tepki süreleri varken, LCD’lerde bu değer en düşük 1ms seviyelerinde kalmaktadır. Bu özellikle çok hareketli görüntülerde, gölgeleme efektine neden olmaktadır. Literatüre “ghosting” olarak geçen bu olay, hareketli bir görüntünün arkasında onun gölgesi şeklinde ortaya çıkar. Örneğin bir aksiyon filminde hızla hareket eden bir uçağın, arkasında sanki gölgesi varmış gibi bir silüet oluşur. Bu insanın gözünü yoran birşeydir ve LCD’lerde film izleyenlerin gözlerinin kanlanması ve yaşarması bu sebeptendir. Tepki süresi LCD’lerde en düşük 1ms’dir. Ama hiçbir monitör sürekli 1ms’lik tepsi süresi sağlayamazlar. Çünkü bahsi geçen 1ms’lik değer gri tonları arasındaki geçiş süresine bağlı olarak hesaplanır. Siyah-beyaz geçişleri arasında ise bu değer 25-30ms’lere varabilmektedir. Bu nedenle özellikle fps(first person shooter) tarzındaki bilgisayar oyunlarında, profesyonel oyuncular genellikle CRT monitörleri tercih etmektedirler.
• Görüş Açısı: LCD’lerin en dezavantajlı oldukları nokta budur. Önceleri pasif matris panellerde çok az olan görüş açısı, aktif matris TFT panellerde çok daha iyi değerlere kavuşmuştur fakat yine de tatmin edici seviyelerden uzaktır. CRT monitörlerin görüş açısı LCD’lere göre çok daha fazladır. Bu sayede CRT monitörde film izleyen 5 kişinin hepsi aynı hazzı alabilirken, LCD’lerde yandan bakanlar karanlık ve renkleri bozuk görüntüyle izleyebilmektedir.

bilgiustam