Liquid Crystal Display (LCD)

Latar Belakang

Liquid crystal display (LCD) terdiri dari kristal cair yang diaktifkan oleh arus listrik. Mereka paling sering digunakan untuk menampilkan satu atau lebih baris informasi alfanumerik di berbagai perangkat:mesin faks, layar komputer laptop, mesin penjawab panggilan, instrumen ilmiah, pemutar CD portabel , jam, dan lain sebagainya. Jenis yang paling mahal dan canggih—tampilan matriks aktif—bahkan digunakan sebagai layar untuk TV berwarna genggam. Akhirnya, mereka dapat digunakan secara luas untuk layar besar, TV definisi tinggi.

Dasar dari teknologi LCD adalah kristal cair, zat yang terbuat dari molekul rumit. Seperti air, kristal cair berbentuk padat pada suhu rendah. Juga seperti air, mereka meleleh saat Anda memanaskannya. Tetapi ketika es mencair, ia berubah menjadi cairan yang jernih dan mudah mengalir. Kristal cair, bagaimanapun, berubah menjadi cairan keruh yang sangat berbeda dari cairan seperti air, alkohol, atau minyak goreng. Pada suhu yang sedikit lebih tinggi, kekeruhan menghilang, dan mereka terlihat seperti cairan lainnya.

Ketika kristal cair adalah padatan, molekul-molekulnya berbaris sejajar satu sama lain. Pada fase keruh antara (cair), molekul-molekul masih mempertahankan orientasi paralel yang kurang lebih ini. Seperti dalam cairan apa pun, molekul-molekulnya bebas bergerak, tetapi mereka cenderung "berbaris" dalam satu arah, memantulkan cahaya dan menyebabkan penampakan keruh. Temperatur yang lebih tinggi cenderung mengagitasi molekul dan dengan demikian membuat cairan menjadi jernih.

Dalam LCD, arus listrik digunakan untuk mengalihkan segmen kristal cair dari fase transparan ke fase keruh, setiap segmen membentuk bagian dari angka atau huruf. Segmen juga dapat berbentuk titik atau piksel kecil, dan dapat diatur dalam baris dan kolom. Mereka dihidupkan dan dimatikan satu per satu untuk memblokir atau membiarkan cahaya terpolarisasi melewatinya. Saat cahaya terhalang, titik gelap tercipta di layar pemantulan.

Ada dua jenis umum LCD:matriks pasif, dan matriks aktif yang lebih baru (AMLCD). Lebih terang dan lebih mudah dibaca, tampilan matriks aktif menggunakan transistor di belakang setiap piksel untuk meningkatkan gambar. Namun, proses pembuatan untuk AMLCD jauh lebih rumit daripada untuk LCD matriks pasif. Sebanyak 50 persen dari yang dibuat sekarang harus dibuang karena ketidaksempurnaan. Satu ketidaksempurnaan sudah cukup untuk merusak AMLCD. Ini membuat mereka sangat mahal untuk diproduksi.

Bahan Baku

LCD yang berfungsi terdiri dari beberapa komponen:kaca tampilan, elektronik penggerak, elektronik kontrol, paket mekanis, dan catu daya. kaca layar —di antara tempat kristal cair berada—dilapisi dengan elektroda baris dan kolom dan memiliki bantalan kontak untuk menghubungkan elektronik penggerak (arus listrik) ke setiap elektroda baris dan kolom. elektronik penggerak adalah sirkuit terpadu yang memasok arus untuk "menggerakkan" elektroda baris dan kolom. mengontrol elektronik juga sirkuit terpadu. Mereka memecahkan kode dan menafsirkan sinyal yang masuk—dari komputer laptop, misalnya—dan mengirimkannya ke elektronik drive. paket mekanik adalah bingkai yang memasang papan sirkuit tercetak untuk drive dan mengontrol elektronik ke kaca tampilan. Paket ini Di semua LCD, kristal cair diapit di antara 2 buah kaca atau plastik transparan yang disebut substrat. Jika kaca digunakan, sering dilapisi dengan silikon dioksida untuk meningkatkan keselarasan kristal cair. Pola elektroda transparan kemudian dibuat dengan menerapkan lapisan oksida timah indium ke kaca dan menggunakan proses fotolitografi atau sablon untuk menghasilkan pola. juga memperkuat dan melindungi kaca layar dan menjangkar seluruh layar ke perangkat menggunakan LCD, baik itu komputer laptop, mesin faks, atau perangkat lain. Akhirnya, catu daya adalah rangkaian elektronik yang mensuplai arus ke LCD. Pembuat peralatan yang menggunakan LCD sering membeli catu daya secara terpisah.

Di semua LCD, kristal cair diapit di antara dua potong kaca atau plastik transparan yang disebut substrat . Hanya gelas apa pun tidak akan melakukannya. Jika kaca memiliki banyak natrium atau ion alkali lainnya, mereka dapat pindah ke permukaan kaca, bergabung dengan kelembaban yang ada, dan mengubah pola medan listrik dan penyelarasan kristal cair. Untuk menghilangkannya, pembuat LCD menggunakan kaca borosilikat, yang memiliki sedikit ion, atau mereka menerapkan lapisan silikon dioksida ke kaca. Silikon dioksida mencegah ion menyentuh kelembapan apa pun. Solusi yang lebih sederhana adalah menggunakan plastik daripada kaca. Menggunakan plastik juga membuat tampilan lebih ringan. Namun, plastik murah menyebarkan cahaya lebih dari kaca, dan mereka dapat bereaksi secara kimia dengan zat kristal cair.

Sebagian besar LCD saat ini juga menggunakan sumber cahaya yang berasal dari bagian belakang layar (lampu latar), seperti lampu neon, untuk membuat kristal cair tampak lebih gelap di layar saat dalam fase mendung. Pembuat LCD juga menggunakan lembaran bahan polarizer untuk meningkatkan efek ini.

Manufaktur
Proses

Membuat LCD matriks pasif adalah proses multi-langkah. Permukaan dan kaca belakang layar pertama kali dipoles, dicuci, dan dilapisi dengan silikon dioksida (SiO ₂ ). Selanjutnya, lapisan oksida timah indium diuapkan ke kaca dan diukir ke dalam pola yang diinginkan. Lapisan polimer rantai panjang kemudian diterapkan untuk memungkinkan kristal cair untuk menyelaraskan dengan benar, diikuti oleh resin penyegelan. Spacer selanjutnya dipasang, dan sandwich kaca diisi dengan bahan kristal cair.

Menyiapkan substrat kaca

• 1 Pertama, kedua substrat kaca harus dipotong dengan ukuran yang tepat, dipoles, dan dicuci. Pemotongan dapat dilakukan dengan gergaji berlian atau pencungkil, sedangkan pemolesan melibatkan proses yang disebut pemukulan, di mana kaca ditahan pada roda berputar yang memiliki partikel abrasif yang tertanam di dalamnya. Setelah dicuci dan dikeringkan, substrat dilapisi dengan lapisan silikon dioksida.

Membuat pola elektroda

• 2 Selanjutnya, pola elektroda transparan harus dibuat pada substrat. Hal ini dilakukan dengan melapisi seluruh permukaan kaca depan dan belakang dengan lapisan indium tin oxide yang sangat tipis. Pabrikan kemudian membuat topeng dengan pola yang diinginkan, baik menggunakan proses sablon atau fotolitografi. Mereka mengoleskan masker yang sudah jadi ke kaca yang dilapisi sepenuhnya, dan area indium tin oxide yang tidak diperlukan dihilangkan secara kimiawi.
• 3 Alternatifnya, definisi yang lebih halus dapat dicapai dengan menggunakan kaca yang memiliki lapisan bahan tahan-gores dan peka cahaya (disebut photoresist) di atas film oksida timah indium. Topeng dengan pola yang diinginkan ditempatkan di atas kaca, dan kaca dibombardir dengan sinar ultraviolet. Cahaya ini menyebabkan lapisan resistif yang bersinar kehilangan ketahanannya terhadap etsa, memungkinkan bahan kimia menggerogoti photoresist yang terpapar dan oksida timah indium di bawahnya, sehingga membentuk pola. Photoresist yang tidak perlu yang tersisa kemudian dapat dihilangkan dengan bahan kimia lainnya. Variasi kedua dari film resistif hanya tahan etsa setelah itu terkena sinar ultraviolet; dalam hal ini, topeng negatif dari pola harus digunakan. Terlepas dari metode mana yang digunakan, pola pada dua substrat dirancang untuk tumpang tindih hanya di tempat-tempat tertentu, sebuah desain yang memastikan bahwa strip tipis indium tin oxide yang menyalurkan tegangan ke setiap elemen tidak memiliki elektroda yang diposisikan secara langsung berlawanan yang mungkin muncul saat sel bekerja.

Menerapkan polimer

• 4 Setelah pola elektroda terpasang, substrat harus dilapisi dengan polimer. Polimer memungkinkan kristal cair untuk menyelaraskan dengan benar dengan permukaan kaca. Polivinil alkohol, poliamida, dan beberapa silan dapat digunakan. Poliamida adalah agen yang paling populer, karena polivinil alkohol mengalami masalah kelembaban, dan silan menghasilkan lapisan tipis yang tidak dapat diandalkan.
• 5 Setelah melapisi kaca, produsen kemudian mengoleskan lapisan polimer ke satu arah dengan bahan lembut. Hal ini dapat mengakibatkan alur paralel kecil yang tergores ke dalam polimer, atau mungkin hanya meregangkan lapisan polimer. Bagaimanapun, proses ini memaksa kristal cair untuk berbaring sejajar dengan arah pukulan. Kristal dapat disejajarkan dengan cara lain, dengan menguapkan silikon oksida ke permukaan kaca pada sudut miring. Prosedur ini digunakan untuk membuat sebagian besar jam tangan digital tampilan tetapi tidak nyaman untuk membuat tampilan skala besar. Ini juga tidak menghasilkan sudut kemiringan rendah yang dimungkinkan dengan metode sebelumnya.
• 6 Jika pembuat LCD ingin menyelaraskan kristal cair tegak lurus dengan permukaan kaca, teknik lain digunakan:melapisi kaca dengan bahan amfofilik. Ini adalah bahan yang molekul-molekulnya menunjukkan afinitas terhadap air di satu ujung molekul dan tolakan dari air di ujung lainnya. Salah satu ujungnya—ujung afinitas—melekat pada permukaan kaca sementara ujung lainnya—ujung tolak-menolak—menunjuk ke area kristal cair, menolak kristal cair dan membentuknya menjadi kesejajaran yang tegak lurus dengan permukaan kaca.

Menerapkan sealant dan menyuntikkan
kristal cair

• 7 Sebuah resin penyegel selanjutnya diterapkan pada substrat, diikuti oleh spacer plastik yang akan memberikan sel kristal cair ketebalan yang tepat. Selanjutnya, bahan kristal cair disuntikkan ke area yang sesuai antara dua substrat kaca. Ketebalan sel LCD biasanya dibatasi hingga 5-25 mikrometer. Karena ketebalan yang tepat sangat penting untuk operasi sel dan karena spacer tidak selalu mencapai ketebalan yang seragam, pembuat LCD terkadang memasukkan serat kaca atau manik-manik berukuran tepat ke dalam bahan kristal cair. Manik-manik atau serat tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Mereka membantu menahan sel pada ketebalan yang tepat saat bahan sealant sedang diatur.
• 8 Untuk membuat LCD lebih terlihat, polarisasi ditambahkan. Ini biasanya dibuat dari film polivinil alkohol yang diregangkan yang memiliki yodium di dalamnya dan yang diapit di antara lapisan selulosa asetat. Polarizer berwarna, dibuat menggunakan pewarna, bukan yodium, juga tersedia. Produsen merekatkan polarizer ke kaca menggunakan perekat akrilik dan menutupinya dengan film pelindung plastik. Mereka dapat membuat polarizer reflektif, yang juga digunakan pada LCD, dengan menggabungkan reflektor foil logam sederhana.

Dalam rakitan jam tangan LCD biasa, area yang diarsir digores secara kimiawi untuk membentuk pola elektroda. Segmen dihidupkan dan dimatikan satu per satu untuk memblokir atau membiarkan cahaya terpolarisasi melewatinya. Ketika arus listrik diterapkan ke segmen, cahaya diblokir dan titik gelap dibuat di layar pemantulan.

Perakitan akhir

• 9 Setelah film polarizer dipasang, unit dibiarkan menua. Akhirnya, rakitan layar kaca jadi dipasang ke papan sirkuit yang berisi elektronik kontrol dan penggerak. Kemudian, seluruh paket siap dipasang ke perangkat menggunakan LCD—komputer laptop, mesin faks, jam, dll.

Pembuatan LCD Matriks Aktif

Proses yang digunakan untuk membuat LCD matriks aktif (AMLCD) cukup mirip dengan yang digunakan untuk LCD matriks pasif, meskipun lebih kompleks dan lebih sulit. Secara umum, langkah-langkah SiO ₂ pelapisan, aplikasi oksida timah indium, dan etsa fotoresist digantikan oleh sejumlah langkah lain.

Dalam kasus AMLCD, setiap komponen LCD harus diubah agar berfungsi dengan baik dengan transistor film tipis dan elektronik yang digunakan untuk meningkatkan dan memperjelas gambar LCD. Seperti saudara matriks pasif mereka, tampilan matriks aktif adalah sandwich yang terdiri dari beberapa lapisan:film polarisasi; film penghalang natrium (SiO ₂ ), substrat kaca yang menggabungkan matriks hitam, dan film penghalang natrium kedua; filter warna dan mantel filter warna yang terbuat dari akrilik/uretan; elektroda transparan; film orientasi yang terbuat dari poliamida; dan bahan kristal cair aktual yang menggabungkan spacer plastik/kaca untuk menjaga ketebalan sel LCD yang tepat.

Kontrol Kualitas

LCD—khususnya untuk tampilan komputer laptop—-dibuat dalam kondisi yang sangat terkontrol di lingkungan ruangan yang bersih untuk memaksimalkan hasil. "Kamar bersih" memiliki perangkat penyaringan udara khusus yang dirancang untuk menjaga semua partikel debu keluar dari ruangan, dan pekerja di dalam ruangan harus mengenakan pakaian khusus. Meskipun demikian, banyak LCD harus dibuang karena ketidaksempurnaan. Ini terutama berlaku untuk AMLCD, yang saat ini memiliki tingkat penolakan sekitar 50 persen. Untuk meminimalkan tingkat penolakan, setiap perangkat aktif diperiksa dan diperbaiki sebanyak mungkin. Selain itu, rakitan matriks aktif diperiksa segera setelah langkah etsa fotoresist dan sekali lagi setelah bahan kristal cair disuntikkan.

Masa Depan

Masa depan jelas dengan LCD matriks aktif, meskipun tingkat penolakan saat ini sangat tinggi dan proses pembuatannya sangat mahal. Perbaikan bertahap diharapkan dalam proses pembuatan AMLCD, dan pada kenyataannya perusahaan sudah mulai menawarkan peralatan inspeksi dan perbaikan yang dapat memotong tingkat penolakan saat ini dari 50 persen menjadi sekitar 35 persen.

Tetapi dorongan nyata untuk teknologi manufaktur LCD mungkin datang dari semua uang yang dikeluarkan perusahaan untuk proses penelitian dan pengembangan di layar besar, tampilan AMLCD untuk teknologi televisi definisi tinggi yang telah lama ditunggu-tunggu.