Van TN tot quantumdot: alles over beeldschermtechnologie

We beginnen met de meest fundamentele eigenschap van een monitor: welk type paneel zit erin? Vroeger, toen grote, dikke beeldbuizen nog gemeengoed waren en je monitor een halve meter diep was, werden de nieuwerwetse platte schermen tft-, lcd- of TN-schermen genoemd. In die tijd waren alle drie de termen grotendeels correct, maar duiden ze verschillende onderdelen van een scherm aan. De meeste schermen die in de begintijd van platte schermen verkocht werden, waren inderdaad TN-panelen. De tft-aanduiding wijst naar de manier waarop ze aangestuurd werden en worden, en de term lcd geldt voor veel meer schermtypen dan TN-panelen.

Vloeibare kristallen

Vrijwel alle schermen, behalve de nieuwere oledschermen, werken volgens een polarisatieprincipe. Licht schijnt door een verticaal polarisatiefilter, wordt wel of niet doorgelaten door een laag vloeibare kristallen en bereikt een tweede, horizontaal polarisatiefilter. Het eerste en laatste polarisatiefilter staan dus haaks op elkaar, zodat licht in principe niet wordt doorgelaten. Denk aan de twee glazen van een zonnebril: als je die uit je zonnebril wipt, kun je ze op elkaar leggen en door ze te draaien ten opzichte van elkaar, kun je licht blokkeren.

Polarisatie

De vloeibare kristallen tussen de twee polarisatiefilters, of het equivalent van de zonnebrilglazen, nemen de taak van het draaien van een van beide polarisatiefilters over. Het zou immers niet praktisch zijn het voorste filter daadwerkelijk te draaien om het licht wel of niet door te laten en bovendien zou je dan geen controle over individuele pixels hebben.

De vloeibare kristallen waar een lcd zijn naam aan dankt, kunnen draaien onder invloed van een elektrisch veld. Omdat die vloeibare kristallen niet lukraak gekozen zijn, maar zorgvuldig zijn uitgezocht wegens hun lichtbuigende eigenschappen, wordt het verticaal gepolariseerde licht gedraaid, zodat het door het horizontale filter kan. Als je achter die sandwich van polarisatiefilters, elektrodes en vloeibare kristallen een lichtbron plaatst, kun je dus een 'scherm' donker of licht maken. In sommige gevallen is een spiegelende laag zelfs genoeg, zodat je van invallend licht gebruikmaakt.

TN-werkingsprincipe (Bron: Wikipedia) — TN-werkingsprincipe. Bron: Wikipedia

Met een scherm dat alleen wel of geen licht kan doorlaten, heb je nog geen beeldscherm. Daarvoor moet het laagje vloeibare kristallen opgedeeld worden in kleine segmenten. Een bekend voorbeeld daarvan zijn de oude horloges met lcd die met vier zevensegmentcijfers zijn uitgerust. Door elk segment aan te sturen, kun je de gewenste tijd laten zien. De lcd begint nu daadwerkelijk op een monitor te lijken.

Door de lcd-segmenten kleiner te maken, kun je op pixelniveau regelen hoeveel licht doorgelaten wordt. Met een achtergrondverlichting heb je nu dus een monitor die grijswaarden kan weergeven. De mate waarin elke pixel licht doorlaat, hangt af van het potentiaalverschil tussen de de twee elektrodes waartussen de vloeibare kristallen opgesloten zitten. Bij een TN-scherm, het archetype lcd-monitor, zijn de kristallen als een helix, of spiraal, gerangschikt. Licht dat door de eerste polarisatielaag schijnt, wordt gedraaid door de kristallen waardoor het licht dezelfde polarisatierichting als het tweede filter krijgt. Het gevolg is een lichte of witte pixel. De draaiing van dat spiraal is waar de kristallen hun naam aan ontlenen: TN staat voor twisted nematic, waarbij nematic of nematisch naar een organisatie van de kristallen verwijst waarbij ze als parallelle staafjes geordend zijn.

Als spanning tussen de twee elektroden boven en onder de vloeibare kristallaag wordt aangebracht, rangschikken de kristallen zich in hun nematische oriëntatie, als parallelle staafjes dus. Ze verdraaien dan de polarisatie van het licht niet en dus 'dooft' het voorste polarisatiefilter het licht: een zwarte pixel dus.

De elektrodes worden op glazen, of soms kunsstof, platen aangebracht via een lithografisch procedé. Een van de elektroden moet de structuur van de pixels vormen, terwijl de tweede een grote uniforme elektrode mag zijn. Om ervoor te zorgen dat het fijne maaswerk van pixelelektrodes niet te veel licht wegvangt, wordt bijvoorbeweld indiumtinoxide, of ito, gebruikt. Dat materiaal is in zichtbaar licht zo goed als transparant, zodat zoveel mogelijk licht wordt doorgelaten.

Dat moet ook wel, want we hebben tot dusver alleen maar een scherm dat grijswaarden kan weergeven. Sterker nog, de vroege TN-schermen konden ook alleen maar grijswaarden weergeven. Om ook kleur te kunnen zien, moet een scherm een kleurenfilter krijgen. Dat wordt bereikt door 'simpelweg' de drie primaire kleuren, gescheiden door een raster van zwart, op een substraat van glas aan te brengen. Door de subpixels achter de drie primaire kleurdomeinen van een pixel aan of uit te zetten, kunnen kleuren weergegeven worden.

Dat vergt uiteraard een complex netwerk van elektrodes om al die (sub)pixels aan te sturen. Een lcd-module heeft al die logica meestal al vanaf de paneelfabrikant aan boord, zodat een laptop-, monitor- of smartphonefabrikant zich alleen hoeft te bekommeren om de juiste beelden aan de controllerchip te leveren. Die matrix van elektrodes moet voor een computerscherm actief worden aangestuurd en daar komen de tft's om de hoek kijken. Een actieve matrix houdt in dat elke subpixel een transistor en een condensator krijgt, die de toestand van de pixel actief vasthoudt. Omdat die transistors net als de matrixelektrode in een dunne film worden aangebracht, spreekt met van thin film transistors, en daaruitvolgend van tft-beeldschermen.