Nestekidenäyttö

Nestekidenäyttö eli LCD (Liquid-Crystal Display) on ohut ja kevyt näyttölaite. Nestekidenäyttöjä käytetään paljon pienissä elektroniikkalaitteissa kuten matkapuhelimissa ja laskimissa. Nestekidenäyttötekniikka on myös korvannut kuvaputkinäyttötekniikan televisioissa ja tietokonenäytöissä.

Heijastava kiertonemaattinen nestekidenäyttö

Pystysuunnassa suodattava kalvo polarisoi sisään tulevan valon.
ITO-elektrodeja lasialustalla. Näiden elektrodien muodot määrittelevät tummat kuviot, jotka näkyvät LCD:n ollessa päällä. Pinnalle etsataan pystysuuntaiset harjanteet, jotta nestekiteet olisivat polarisoidun valon suuntaisia.
Kierrenemaattisia nestekiteitä.
Elektrodikalvo (ITO) lasialustalla, joka kohdistetaan vaakasuuntaiseen suodattimeen vaakasuuntaisten harjanteiden avulla.
Vaakasuunnassa suodattava kalvo estää tai sallii valon läpäisyn.
Heijastava pinta lähettää valon takaisin katsojaa kohti.

Historia

RCA:ssa toiminut George Heilmeierin johtama ryhmä esitteli vuonna 1968 ensimmäisen toimivan nestekidenäytön, joka pohjautui dynaamiseen sirontatilaan (DSM). Heilmeierin yhtiö Optel tuotti useita tähän periaatteeseen perustuvia nestekidenäyttöjä. Vuonna 1969 James Fergason Kentin osavaltionyliopistosta Ohiossa havaitsi nestekiteisiin syntyvän kierrenemaattisen kentän, ja vuonna 1971 hänen yhtiönsä ILIXCO tuotti ensimmäisen tähän ilmiöön perustuvan nestekidenäytön. Tämäntyyppiset näytöt voittivat nopeasti huonolaatuiset DSM-tyyppiset näytöt.

Nestekidenäytön toiminta

Nestekidenäytössä ei ole liikkuvia osia. Se koostuu sähköisesti ohjatusta, valoa polarisoivasta nesteestä, joka on suljettu soluihin kahden läpinäkyvän polarisoivan levyn väliin. Levyjen polarisaatioakselit ovat suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Kuhunkin soluun voidaan johtaa sähköä, jolloin sen sisällä olevaan nesteeseen muodostuu sähkökenttä.

Kun sähkökenttää ei ole, nesteen pitkät ja ohuet molekyylit ovat lepotilassa. Päällys- ja pohjalevyssä olevat harjanteet ohjaavat molekyylejä järjestäytymään levyjen valopolarisaation suuntaisesti. Levyjen välissä molekyylit kiertyvät luonnostaan suoran kulman ääripäästä toiseen. Valo polarisoituu ensin yhdessä levyssä, kiertyy sitten pehmeästi kidemolekyylien muodostamassa portaattomassa jatkumossa, ja lopuksi valo kulkee toisen levyn läpi. Koko yhdistelmä vaikuttaa lähes läpinäkyvältä; vain ensimmäisen polarisaatiolevyn läpäistessään valo himmenee hieman.

Kun soluun muodostetaan sähkökenttä, nesteen molekyylit kääntyvät kentän suuntaisiksi estäen polarisoituneen valon kiertymisen. Kun valo osuu omaa polarisaatiotasoaan vasten kohtisuorasti polarisoivaan levyyn, se absorboituu täysin, ja solu näyttää tummalta.

Nit on luminanssin yksikkö, jota käytetään usein näytön kirkkauden ilmaisemiseen. Näyttöjen tyypillinen arvo on 200–300 nitiä.

Nestekidenäyttöjen huonoja puolia ovat skaalaus sekä rajoittunut katselukulma. Nestekidenäytön kuva heikkenee siirryttäessä pois näytön edestä tai muutettaessa katselukulmaa pystysuunnassa. Aikaisemmin näyttöjen katselukulmat olivat hyvin rajalliset, mutta nykyisissä näytöissä efektiä ei juurikaan huomaa.

Tekniikkansa vuoksi nestekidenäytöissä virkistystaajuudella ei ole samanlaista merkitystä kuin kuvaputkinäytöissä. Taajuus voidaankin säätää mahdollisimman alhaiseksi, esimerkiksi 60 hertsiin, jolla saadaan terävämpi kuva.

Taustavalolliset ja heijastavat näytöt

LCD:tä voidaan käyttää joko taustavalollisena tai heijastavana. Taustavalollinen LCD sisältää taustavalon toisella puolella, ja sitä katsotaan toiselta puolelta. Aktivoidut kiteet näkyvät mustina, kun taas aktivoimattomat kiteet ovat kirkkaita. Tätä tyyppiä käytetään korkean kirkkauden laitteissa, kuten taskutelevisioissa ja kannettavissa tietokoneissa. Lamppu kuluttaa usein näissä laitteissa enemmän energiaa kuin itse LCD.

Heijastavat näytöt, joita käytetään taskulaskimissa ja digitaalikelloissa, nähdään näytön takana olevan peilin ansiosta. Tässä tyypissä on matalampi kontrasti kuin taustavalaistussa näytössä, koska valo ohittaa kaksi kertaa näytön ennen kuin katsoja näkee sen. Hyötynä on se, että energiasyöppöä lamppua ei ole, joten käyttöaika on pitkä. Pieni LCD kuluttaa niin vähän energiaa, että se voi toimia aurinkokennolla.

Puoliläpäisevät LCD:t käyttävät taustavalollisen ja heijastavan tilan yhdistelmää.

Värinäytöt

Nestekiteet, joita LCD:issä käytetään, kääntyvät kaikkiin nähtäviin aallonpituuksiin tasapainoisesti, mutta perus-LCD:hen on tehty lisäyksiä, jotta saataisiin aikaan värinäyttö. Alkuaikojen värinäytöissä kussakin segmentissä oli yksi väri ja väriasteikko jäi karkeaksi.

Värillisessä nestekidenäytössä jokainen pikseli jaetaan kolmeen osaan, punaiseen suodattimeen, vihreään suodattimeen ja siniseen suodattimeen. Pikseli voidaan saada näyttämään kaikki värit vaihtelemalla suhteellista kirkkautta sen jokaisessa kolmessa osassa.

Värikomponentit on järjestetty eri tavoilla, joten ne muodostavat pikseligeometrian, joka sopii näytön käyttötarkoitukseen.

Aktiivi- ja passiivinäytöt

LCD:t, joissa on pieni määrä segmenttejä, kuten digitaalikelloissa ja taskulaskimissa käytetyt, toimitetaan yhdellä sähköisellä kontaktilla jokaista segmenttiä kohden. Sähköinen signaali kullekin segmentille tulee ulkoisesta piiristä. Tällainen passiivinen näyttörakenne tulee epäkäytännölliseksi, kun elementtien määrä lisääntyy.

Keskikokoiset näytöt, joita käytetään esimerkiksi mustavalkoisissa kämmentietokoneissa ja taskutelevisioissa, käyttävät passiivimatriisirakennetta. Tässä näyttötyypissä on yksi sarja kontakteja jokaista riviä ja saraketta kohden, sen sijaan että jokaisella pikselillä olisi omansa. Tämän haittana on kuitenkin se, että vain yhtä pikseliä kerrallaan voidaan ohjata. Muiden pikseleiden pitää muistaa viimeinen tilansa ennen kuin ohjauspiiri antaa uuden käskyn. Tämä näkyy heikentyneenä kontrastina ja huonoina vasteaikoina (häntimisenä) nopeasti liikkuvissa kuvissa. Kun pikseleiden määrä lisääntyy, tämäntyyppinen näyttö tulee vähemmän houkuttelevaksi. Teknologia, jota näissä käytetään on tyypillisesti superkierteinen nematiikka (STN) tai kahden kerroksen versio DSTN, joka korjaa värien hajautumisongelman.

Korkean tarkkuuden värinäytöissä kuten suurissa LCD-tietokonenäytöissä käytetään aktiivimatriisijärjestelmää. LCD-paneeli sisältää polarisoivien arkkien ja nestekiteiden lisäksi TFT-transistorimatriisin. Nämä laitteet säilyttävät jokaisen pikselin sähköisen tilan näytöllä, kun kaikkia muita pikseleitä päivitetään. Tämä menetelmä tarjoaa paljon kirkkaamman ja tarkemman näytön kuin samankokoinen passiivimatriisirakenne. Lisäksi aktiivimatriisinäyttö on nopeampi.

Energiaa kuluttamattomat näytöt

Zenitaalinen bistabiili-järjestelmä, jonka kehitti vuonna 2000 ZBD Displays Limited, voi säilyttää kuvan ilman sähköä, mutta tätä teknologiaa ei vielä ole massatuotannossa. Ranskalainen Nemoptic-yhtiö on kehittänyt toisen energiaa kuluttamattoman näytön, paperinkaltaisen LCD-teknologian, jota on massatuotettu Taiwanissa heinäkuusta 2003. Tämä teknologia on tarkoitettu käytettäväksi matalan energiankulutuksen tuotteissa, kuten sähköisissä kirjoissa ja puettavissa tietokoneissa.

Energiaa kuluttamattomat nestekidenäytöt kilpailevat sähköisen paperin kanssa.