LCD, OLED, mikroLED: ekranlar rengi nasıl üretir?

Kısa cevap

Ekranlar rengi iki temel yoldan üretir: LCD'ler arkadaki sürekli yanan bir ışığı her alt pikselde bir renk filtresinden geçirip bir sıvı kristal katmanıyla kısar; OLED ve mikroLED gibi kendi ışığını üreten ekranlarda ise her alt piksel kendi ışığını yakar ya da söndürür. OLED'in gerçek siyahı buradan gelir: siyah bir piksel kısılmış bir ışık değil, hiç yanmayan bir ışıktır. Ama gerçek hayatta ekranın siyahını çoğu zaman odanın ışığı belirler; ekran yüzeyinden yansıyan oda ışığı, iki teknoloji arasındaki farkı küçültür ve en çok koyu tonlardaki ayrıntıyı siler.

İki yol: ışığı kısmak ya da yakmak

EK-01'de bir ekrana büyüteçle bakınca kırmızı, yeşil ve mavi alt piksellerin göründüğünü anlatmıştık. Bu alt piksellerin ışığı nereden geldiği sorusu, ekran teknolojilerini iki aileye ayırır.

Birinci aile ışığı kısar. Sıvı kristal ekranda, yani LCD'de, ekranın arkasında ya da kenarında sürekli yanan bir ışık kaynağı vardır. Bu ışık bir ışık kılavuz levhasından ve birkaç filmden geçer, sonra iki çapraz polarizörün arasına yerleştirilmiş sıvı kristal katmanına ulaşır. Sıvı kristal molekülleri uygulanan gerilimle döner ve ışığın ikinci polarizörden ne kadar geçeceğini ayarlar. Her alt pikselin önündeki renk filtresi de geçen ışığa rengini verir.

İkinci aile ışığı kendisi üretir. RM-05'te tanımlanan OLED ekranlarda her alt piksel, akım geçince ışık veren organik bir katmandır. MikroLED ekranlarda aynı iş, her alt piksel için ayrı ayrı yerleştirilmiş çok küçük inorganik LED'lerle yapılır. Bu ekranlarda arka ışık yoktur: bir alt piksel ne kadar akım alırsa o kadar parlar, hiç almazsa karanlık kalır.

Chen ve arkadaşlarının 2018'deki karşılaştırmalı incelemesi, iki ailenin güçlü yanlarını şöyle özetler: LCD'lerin ömür, maliyet, çözünürlük yoğunluğu ve en yüksek parlaklıkta avantajı vardır; OLED'ler ise kendi ışıklarını ürettikleri için gerçek bir siyah durumuna, hızlı tepki süresine ve esnek ekranlara izin veren çok ince bir yapıya sahiptir.

Siyah neden gri kalır?

Kartın sorusunun cevabı bu mimaride saklıdır: OLED ekranlar neden gerçek siyah gösterebilir? Çünkü OLED'de siyah bir piksel hiç ışık üretmeyen bir pikseldir. LCD'de ise arka ışık hiç sönmez; siyah, sıvı kristalin ışığı olabildiğince engellemesiyle elde edilir ve bu engelleme hiçbir zaman tam değildir. Sıvı kristal malzemesi, yüzey hizalaması ve renk filtreleri ışığın bir kısmının kaçmasına yol açar.

Huang ve arkadaşlarının 2020'deki incelemesine göre bir LCD'nin en parlak beyazı ile en koyu siyahı arasındaki oran, yani ekranın kontrast oranı, sıvı kristal kipine göre yaklaşık 5000:1, 2000:1 ya da 1000:1 düzeyindedir. Bu, 200 birimlik bir beyaz gösteren bir LCD'nin siyahta 0,04 ile 0,2 birim arasında ışık sızdırdığı anlamına gelir. Kendi ışığını üreten ekranlarda ise bu oran, yapıları gereği çok yüksektir. Bu kontrast oranı, WCAG'nin iki renk arasındaki okunabilirlik oranıyla aynı şey değildir; burada ekranın kendi fiziksel sınırını anlatır.

LCD üreticileri bu sınırı aşmak için arka ışığı parçalara böler. Görüntünün koyu bölgelerinin arkasındaki LED'ler kısılır, aydınlık bölgelerinkiler açık kalır.

Mini-LED arka ışıklı LCD'ler bu fikrin çok sayıda küçük LED'le yapılan hâlidir. Bölge sayısı arttıkça LCD, kendi ışığını üreten ekranların siyahına yaklaşır, ama hiçbir zaman piksel düzeyinde karartma yapamaz.

Renk nereden gelir: filtreler ve kuantum noktaları

Siyahın yanında öbür soru renktir. Beyaz bir LED arka ışığı, geniş bir tayfa yayılan ışık verir; renk filtreleri bu ışıktan kırmızı, yeşil ve mavi payları keser. Filtrelerin geçirdiği bantlar genişse, üç birincil renk birbirine karışır ve ekranın gösterebildiği renk alanı, yani EK-04'te anlatılan gam, daralır.

Kuantum noktalarının keşfi ve geliştirilmesi 2023 Nobel Kimya Ödülü'ne konu oldu. Nobel Vakfı'nın açıklamasına göre bu parçacıklar bugün QLED teknolojisine dayanan bilgisayar monitörlerini ve televizyon ekranlarını aydınlatıyor. Chen ve arkadaşlarının incelemesi de yeşil ve kırmızı kuantum noktalarının yayılım bantlarının yarı yükseklikteki genişliğinin yalnız 25 nanometre olduğunu ve bu yüzden kuantum noktalı bir LCD'nin bir OLED'den daha geniş bir renk gamına ulaşabildiğini yazar.

Yaşlanma: ekranlar da eskir

Kendi ışığını üretmenin bir bedeli vardır. Organik malzemeler nem ve oksijene karşı duyarlıdır ve zamanla ışık verme güçlerini yitirir; Chen ve arkadaşlarına göre bu sorun özellikle mavi OLED'lerde belirgindir. Bir telefon için iki üç yıllık kullanım süresi sorun yaratmazken, televizyonlarda tüketiciler on yılı aşan bir ömür bekler. LCD'ler ise belirgin bir bozulma olmadan on yılı aşkın süre çalışabilir.

Alt pikseller eşit hızda yaşlanmadığı için, uzun süre ekranda kalan bir durum çubuğu ya da kanal logosu bir iz bırakabilir. Mavi alt piksellerin daha hızlı yaşlanması, zamanla ekranın beyazının da kaymasına yol açabilir. MikroLED ekranlar inorganik malzemeleri sayesinde daha uzun ömür ve çok yüksek parlaklık vaat eder; Huang ve arkadaşlarına göre en büyük güçlükleri, milyonlarca küçük LED'in panele yüksek verimle aktarılması ve kusurların onarılmasıdır.

Örnek — gölgedeki yüz, karanlık odada ve aydınlık odada

Bir fotoğrafta aynı yüzün ışıklı tarafını ve onun yirmide biri parlaklıktaki koyu gölge tarafını düşünelim. Ekranın beyazı 200 birim olsun. Dört durumu karşılaştırıyoruz: siyah seviyesi sıfır olan bir OLED ve 1000:1 kontrastlı bir LCD, önce karanlık bir odada, sonra 300 lükslük aydınlık bir odada. Aydınlık odada ekran yüzeyinin oda ışığının yüzde ikisini yansıttığını varsayıyoruz; bu değer Huang ve arkadaşlarının verdiği aralığın içindedir ve iki ekrana da yaklaşık 1,9 birimlik ek ışık ekler. Tablo, ışıklı taraf ile gölge arasındaki algısal açıklık farkını (ΔL\*) gösterir; fark ne kadar büyükse yüzün biçimi o kadar iyi okunur.

İki sonuç çıkar. Birincisi, karanlık bir odada OLED ile 1000:1 kontrastlı bir LCD arasındaki fark bu yüz tonlarında küçüktür; en koyu tende bile yarım birim kadardır. OLED'in gerçek siyahı, bu gölgeler için değil, çok daha koyu tonlar ve siyah zeminler için belirleyicidir. İkincisi, oda ışığı iki ekranı da aynı ölçüde etkiler ve kaybı eşit dağıtmaz: en açık tende ışık ile gölge arasındaki fark yüzde beş kadar azalırken, en koyu tende yaklaşık dörtte bir oranında azalır. Chen ve arkadaşlarının ortam kontrastı, yani oda ışığı altında algılanan kontrast üzerine yaptığı analiz de aynı yönü gösterir: OLED'in karanlık ortamdaki kontrast üstünlüğü ortam ışığı arttıkça giderek azalır.

Bu hesap, koyu tenli yüzlerin ekranda en kolay kaybolan ayrıntılar olduğunu gösterir. Onları korumanın yolu yalnız ekran teknolojisini seçmek değil, yansımayı azaltmak da olabilir: mat yüzey, loş oda ya da ekranın ışık kaynaklarına göre konumu.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. LCD, sürekli yanan bir arka ışığı renk filtreleri ve sıvı kristal katmanıyla kısar; OLED ve mikroLED ise her alt pikselin kendi ışığını üretir.
2. OLED'in gerçek siyahı, siyah pikselin hiç yanmamasından gelir; LCD'nin siyahı sızan ışıkla sınırlıdır, kontrast oranı kipe göre yaklaşık 1000:1 ile 5000:1 arasındadır ve yerel karartma bu sınırı kısmen aşar.
3. Kuantum noktaları dar bantlı birincillerle renk gamını genişletir; OLED'lerde yaşlanma ve kalıcı iz, mikroLED'de üretim güçlüğü başlıca sorunlardır ve aydınlık odada yüzey yansıması koyu tonlardaki ayrıntıyı en çok siler.

Kendini sına

1. (Kolay) Bir LCD'de rengi ve parlaklığı hangi üç öğe belirler?
2. (Kolay) Kuantum noktaları ekranlarda ne işe yarar?
3. (Orta) OLED ekranlar neden gerçek siyah gösterebilir?
4. (Orta) Yerel karartma nedir ve sınırı nedir?
5. (Zor) Tabloda karanlık odadaki OLED–LCD farkı neden küçüktür ve aydınlık odada neden en koyu ten en çok kaybeder?
6. (Zor) OLED'lerde kalıcı iz neden oluşur ve ekranın beyaz dengesini nasıl etkileyebilir?

Cevaplar

1. Sürekli yanan arka ışık, ışığın ne kadar geçeceğini ayarlayan sıvı kristal katmanı ve her alt pikselin önündeki renk filtresi («İki yol: ışığı kısmak ya da yakmak»).
2. Mavi ışığı dar bantlı kırmızı ve yeşile çevirerek birincil renkleri daha saf hâle getirir ve renk gamını genişletir («Renk nereden gelir: filtreler ve kuantum noktaları»).
3. Çünkü OLED'de her alt piksel kendi ışığını üretir ve siyah bir piksel hiç ışık üretmez. LCD'de ise arka ışık hiç sönmez ve sıvı kristal ışığı tam olarak engelleyemediği için siyah biraz aydınlık kalır («Siyah neden gri kalır?»).
4. Arka ışığın bağımsız kısılabilen bölgelere ayrılmasıdır; koyu alanların arkasındaki ışık azaltılır. Bölge sayısı sınırlı olduğu için piksel düzeyinde karartma yapılamaz ve parlak nesnelerin çevresinde hâle oluşabilir («Siyah neden gri kalır?»).
5. Yüz gölgeleri, LCD'nin sızdırdığı ışıktan çok daha parlaktır; bu yüzden sızan ışık onları az etkiler. Aydınlık odada yüzeyden yansıyan ışık her tona aynı miktarda eklenir; en koyu tenin kendi ışığı az olduğu için bu ek ışık onun ışık–gölge farkının daha büyük bir payını yer ve fark yaklaşık dörtte bir azalır («Örnek — gölgedeki yüz, karanlık odada ve aydınlık odada»).
6. Organik malzemeler kullanıldıkça ışık verme güçlerini yitirir; aynı görüntü uzun süre aynı yerde kalırsa o bölgedeki alt pikseller öbürlerinden farklı hızda yaşlanır ve iz bırakır. Mavi alt pikseller daha hızlı yaşlandığı için zamanla beyazın rengi de kayabilir («Yaşlanma: ekranlar da eskir»).

Kaynaklar

• Chen, H.-W., Lee, J.-H., Lin, B.-Y., Chen, S. ve Wu, S.-T., «Liquid crystal display and organic light-emitting diode display: present status and future perspectives», Light: Science & Applications, 7(3), 17168, 2018.
• Huang, Y., Hsiang, E.-L., Deng, M.-Y. ve Wu, S.-T., «Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: present status and future perspectives», Light: Science & Applications, 9, 105, 2020.
• NobelPrize.org, «The Nobel Prize in Chemistry 2023», basın bildirisi.

Sonraki adım

Siyahı derinleştirmek, bir ekranın gösterebileceği parlaklık aralığının yalnız bir ucudur; öbür uç, gün ışığına yaklaşan parlak vurgulardır. EK-06 bu aralığı ele alır: nitin ne olduğunu, ton eşlemenin ve PQ ile HLG eğrilerinin nasıl çalıştığını ve bir ekranın HDR etiketi taşımasının iyi HDR gösterdiği anlamına gelip gelmediğini tartışır. Alt piksellerin dizilimi için EK-01'e bak.