LCD چیست و چگونه کار می کند

معرفي

شما احتمالاً از وسايلي كه شامل يك LCD (نمايشگر كريستال مايع) در هر روز استفاده مي‌كنيد. همه آنها در اطراف ما هستند. براي مثال در كامپيوترهاي Laptop (كيفي) و ساعتهاي ديجيتالي و مايكروفر و سي‌دي پليمر و خيلي از وسائل الكترونيكي ديگر. LCDها معمولاً زيادي و كمي زيادي نسبت به صفحه نمايش‌هاي ديگر دارند. براي مثال آنها معمولاً داراي ضخامت كمتر و روشنتر هستند. و انرژي كمتري نسبت به لوله‌هيا اشعه كاتدي (CRT) هستند.

اما يك سئوال پيش مي‌آيد كه كريستال مايع چيست؟ نام كريستال مايع ممكن است باعث ايجاد اشتباه شود. چون ما فكر مي‌كنيم كه كريستال يك جسم جامد مثل كوارتز (نوعي سنگ) است كه معمولاً با سختي بسيار زياد و مايع بودن يك تناقض آشكار است و چگونه يك ماده مي‌تواند هر دو خاصيت را دارا باشد.

در اينجا شما متوجه خواهيد شد كه چگونه كريستال مايع يك تكنيك شگفت‌آور را در خود جاي داده است و اين يك تكنيك اساسي در ساختن LCDهاست. شما همينطور خواهيد فهميد كه چگونه ماهيت متضاد و متناقص نماي كريستال مايع مي‌تواند براي توليد يك نوع شاتر دوربين و چگونه شبكه‌هاي اين شاتر بسيار كوچك مي‌تواند شيءي كه نشان‌دهنده شماره يا كلمه يا عكس است را باز و بسته كند.

كريستال مايع

ما مي‌دانيم كه معمولاً 3 نوع حالت از مواد در طبيعت وجود دارد (جامد، مايع، گاز). جامدات بعلت حركت بسيار كوتاه مولكولهايش مي‌باشد و تقريباً ثبات و پايداري در جاي خودشان را وانمود مي‌كند كه اين اثر را بر مولكولهاي ديگر نيز تحميل مي‌كنند.

مايعات

مولكولها در مايعات برخلاف جامدات مي‌توانند جهت خود را تغيير داده و به هر طرف در مايع حركت كنند. اما آنها موادي هستند كه مي‌توانند در يك حالت شكل‌پذير بسته به نوع مايع و ظرف آن تغيير حالت دهند. اين بدين معني مي‌باشد كه كريستال نه مايع است و نه جامد و به اين علت است كه نامي متغير و متناقض را داراست.

پس آيا كريستال‌هاي مايع مانند جامدات و مايعات عمل مي‌كند يا چيزي ديگر؟ شواهد و قراين بر اين است كه كريستال‌هاي مايع از نظر خواص به مايعات نزديكتر نسبت به جامدات هستند. براي تبديل از يك ماده در حالت جامد به كريستال مايع مقداري گرما نياز است و مقدار گرماي ناچيز بيشتري براي تبديل به مايع نياز است.

در اينجا به توضيح اين نكته خواهم پرداخت كه چرا كرييستال مايع اينقدر به دما حساس هستند و چرا از آنها براي ساختن ترمومتر و انگشتر و جواهرات استفاده مي‌شود و همينطور توضيح خواهم داد كه چرا كامپيوترهاي كيفي در دماي پايين زيباتر و جالب‌تر عمل مي‌كنند.

مرحله بلورسازي كريستال مايع

همينطور كه تنوع زيادي در مايعات و جامدات وجود دارد در كريستال مايع نيز تنوعات فراوان وجود دارد بسته به دما و خصوصيات طبيعي يك ماده كريستال‌هاي مايع مي‌توانند در فازهاي متفاوت باشند. در مورد كريستال مايع به فاز بلور بحث خواهيم كرد كريستال مايعي كه LCD را مي‌سازد.

يكي از خصوصيات كريستال مايع اين است كه بوسيله جريان الكتريكي تأثير مي‌پذيرند. يك نوع خاص از بلور كريستال مايع كه TN ناميده مي‌شود به صورت طبيعي تابيده شده است. بوسيله عبور جريان الكتريكي بر اين كريستال‌هاي مايع تا دماي تغيير، انعطاف‌پذير خواهد شد. البته بستگي به ولتاژ و جريان نيز دارد. LCDها از اين نوع كريستال مايع استفاده مي‌كنند چون آنها اساساً به جريان الكتريكي واكنش نشان مي‌دهند تا كنداتور را كنترل كنند

.

اكثر مولكولهاي كريستال مايع ميله‌اي شكل مي‌باشند و عموماً گرماگرای یا لیوتراپیک مي‌باشند كه در ساخت صابون‌ها و شوينده‌ها استفاده مي‌شود و بسته به نوع حلال آنها با هم مخلوط مي‌شوند. كريستال مايع گرماگراي يا ايزوتوپ هستند يا حالت آبگونه‌ را دارا مي‌باشند. تفاوت در مولكولهاي كريستال مايع ايزوتوپ در نوع آرايش آنهاست. درصورتي كه دو نوع آبگونه داراي محدوده شخصي است جهت ملكولها در فاز مايع تا حد كمي از هادي پيروي مي‌كنند و هر كدام جهت خاص خود را دارايند. بلور متورق (برگي) از معمولترين تركيبي است كه بر روي رويه‌هاي مولكولها در فاز ايجاد شده است. چون در فاز مايع مولكولهاي در لايه‌هاي خاص جهت خاصي را مي‌پذيرند. البته تنوعات زيادي در فاز برگي وجود دارد. از قبيل نوع C كه مولكولها در آن از هر لايه كج شده و در لبه لايه قبلي قرار مي‌گيرند.

فاز معمول ديگر فازي وابسته به فاز مايع و حالت مارپيچي شكل مي‌باشد. و اين فاز كه مولكولها كمي از يك لايه به لايه‌اي ديگر مي‌پيچند. درنتيجه يك حالت حلزوني شكل پديد مي‌آيد. كريستال‌هاي مايع فروالكتريك از مواد كريستال مايع كه خاصيت مارپيچي شكل را دارا مي‌باشد استفاده مي‌كنند. در نوع متورق C از ترتيب چون طبيعت مارپيچي اين مولكولها باعث تغيير ميكروثانيه‌اي عمل متقابل مي‌شود كه در نتيجه باعث بوجود آمدن كريستال‌ مايع فروالكتريك شده كه خصوصاً مناسب براي نمايشگرهاي حرفه‌اي مي‌باشد. سطوح ثابت شده كريستال‌هاي مايع فروالكتريك فشار كافي را براي استفاده از بشقاب‌هاي شيشه‌اي بكار مي‌برد. حذف مولكولهاي مارپيچي براي شكل‌گيري تغيير بسيار با سرعت انجام مي‌پذيرد.

 

ايجاد يك LCD

چندين اصل براي ساختن يك LCD كه براحتي ورقه‌اي از كريستال‌ مايع را خلق مي‌كند به هم كمك مي‌كنند. تركيب چهار اصلي ساختن LCD را ممكن مي‌سازد.

1- نور توانايي و خصوصيت قطبي شدن را داراست (براي مثال عينك‌هاي آفتابي)

2- كريستال‌هاي مايع قادر به انتقال و تغييرات قطبي نور مي‌باشد.

3- ساختار كريستال مايع مي‌تواند بوسيله جريان الكتريكي تغيير كند.

4- موادي وجود دارند كه مي‌توانند براحتي الكتريسيته را هدايت كنند.

LCD وسيله‌اي است كه ساختار شگفت‌انگيزي از اين 4 اصل استفاده كرده است.

براي خلق يك LCD دو قطعه شيشه قطبيده شده استفاده مي‌شود. يك پليمر خاص كه در سطحي كه كشيده شده بر طرفي از لايه‌ي شيشه كه قطبيده نشده است شيار ميكروسكوپي را مي‌سازد.

شيارها بايد جهت متشابه‌اي بر لايه قطبيده داشته باشد. سپس پوششي كه از كريستال مايع آبگونه بر روي يكي از فيلترها اضافه مي‌شود. شيارها باعث مي‌شود كه اولين لايه مولكولها با جهت فيلترها هم‌راستا شود. سپس دومين قطعه شيشه بالايي قطبي شده را با زاويه صحيح و دقيق به اولين قطعه اضافه مي‌كنند. هر لايه متوالي و پياپي از قطار مولكولها، كم‌كم پيچيده مي‌شود تا بالاترين لايه كه با زاويه 90 درجه تا پايينترين حالت آن تابيده مي‌شود كه در تماس با فيلترهاي شيشه‌اي قطبيده مي‌باشد. هنگامي كه نور به اولين فيلتر برخورد مي‌كند آن قطبيده مي‌شود. سپس مولكولها را در هر لايه هدايت مي كنند. نوري را كه از لايه قطبي دريافت مي‌كنند. هنگامي كه نور از ميان لايه‌ها كريستال مايع گذشت مولكولهاي همچنين صفحات لرزنده نور را خيز مي‌دهند. تا اينكه به زاويه‌هاي صفحه خود نيز برخورد كند. بالاخره هنگامي كه نور به آخرين سطح از كريستال مايع رسيد سپس در زاويه‌اي متشابه در لايه‌ي آخر به ذره درمي‌آيد و مي‌ماند. اگر صفحه آخر با دومين شيشه قطبيده تماس پيدا كند سپس نور عبور مي‌كند.

 

حال اگر ما انرژي الكتريكي را بر صفحات كريستال مايع بكار بريم ديگر آنها نمي‌پيچند يعني به صورت مارپيچي درنمي‌آيند. هنگامي كه آنها به صورت مستقيم درآمدند زاويه نور عبوري از ميان آنها را تغيير مي‌دهند تا اينكه ديگر حتي به زاويه فيلتر قطبيده به دلايلي تماس پيدا نمي‌كند. درنتيجه هيچ نوري در منطقه LCD عبور نمي‌كند كه باعث تاريكتر شدن آن منطقه نسبت به مناطق ديگر مي‌شود.

يك LCDساده بسازيد.

ساختن LCD ساده، ساده‌تر از آن چيزي است كه شما فكر مي‌كنيد. شما با فشرده‌سازي شيشه و كريستال مايع كه در قسمت قبلي توضيح داده شده آغاز مي‌كنيد و دو الكترود مشخص و شفاف را در آن قرار مي‌دهيد. براي مثال تصور كنيد شما مي‌خواهيد كه ساده‌ترين صورت ممكن LCD را بسازيد فقط با يك الكترود مستطيلي در آن لايه‌ها اينطور بنظر مي‌‌رسند

البته LCD اي كه اينكار را انجام مي‌دهد خيلي ابتدائي است. يك قطعه شيشه(A) در قسمت پشت دارد كه باعث بازتابي انعكاسي مي‌شود. سپس اين قطعه شيشه را كه با غشاء قطبي (B) در قسمت كف و الكترود مسطح معمولي (C) كه از اكسيدقلع و اينديوم ساخته شده را در قسمت بالا قرار مي‌دهيم و يك الكترود عادي مسطح در قسمت باقي‌مانده LCD را بپوشانيم. در اين لايه نيز يك لايه از كريستال مايع قرار مي‌گيرد(D). سپس يك قطعه ديگر را با يك الكترود مستطيلي شكل (E) در كف و يك غشاء قطبي ديگر در سقف (F)، هم زاويه بالاي اولي قرار مي‌دهيم.

الكترود در LCD مانند باتري به صورت قدابي به يك منبع انرژي متصل مي‌شود. هنگامي كه جريان وجود ندارد فور حدودي از روبروي LCD كه به صفحه برخورد مي‌كند و مستقيماً باز تابش مي‌كند اما هنگامي كه يك باتري جريان را تأمين مي‌كند، كريستال مايع واقع در ميان الكترود مسطح و الكترود مستطيلي نور را به اصطلاح مي‌گشايد و پخش مي‌كند و ضمن اين كار باعث خروج نور از اين ناحيه مي‌شود. اين كار باعث مي‌شود كه LCD مستطيل را همانند يك منطقه سياه نشان دهد. البته همينطور كه ذكر شد اين امر در LCDهاي ساده اتفاق مي‌افتد.

نور زمينه در مقابل بازتاب انعكاسي

يك نكته را بايد اينجا متذكر شويم كهLCD ساده با نياز به يك منبع نور خارجي دارد. كريستال مايع اين خصوصيت را دارد كه هيچ نوري را از خود عبور نمي‌دهد. LCD هاي كوچك و ارزان معمولاً بازتاب‌كننده نور هستند بدين‌معني كه هر چيزي را كه از منبع نور خارجي دريافت مي‌كنند به نمايش مي‌گذارند.

 

اگر به نمايشگر ساعت كامپيوتري نگاه كنيد. شماره‌ها در جايي كه الكترودهاي كوچك كريستال مايع را شارژ مي‌كنند پديدار مي‌شود و لايه طوري مرتب مي‌كنند تا اينكه نور از سطح غشاء قطبي خارج نشده و عبور نكنند.

نمايشگر اكثر كامپيوترها براساس لامپ‌هاي فلورسنت و نور منعكس‌كننده از روي آن ساخته شده‌اند. علاوه بر اين مانيتورهاي بعضي مانيتورهاي LCD نيز از اين قاعه مستثني نيستند.

يك قطعه پخش‌كننده در پشت LCD براي يكنواخت كردن نمايش و تضمين بر اين يكنواختي نور را دوباره انتشار و پخش مي‌كند در مسير راه نور از ميان فيلترها و كريستال‌هاي مايع و لايه‌هاي الكتروني بسياري از طيف‌هاي نور از بين مي‌روند. مي‌توان گفت حتي تا نيمي از اين طيف‌ها از بين مي‌روند.

در مثال ما، يك قطعه الكترود لايه‌اي سطح و يك الكترود ميله‌اي ساده داشتيم كه وظيفه كنترل بر كريستالهاي مايع واكنش‌دهنده در مقابل نيروي الكتريكي را برعهده داشتند. اگر شما اين لايه‌اي را كه شامل تك‌الكترود مي‌باشد. را برداريد و كمي المان ديگر اضافه كنيد يك نمايشگر پيشرفته خواهد داشت (به همين راحتي).

سيستم‌هاي LCD

LCDهايي كه داراي صفحه مسطح معمولي هستند براي نشان دادن ساده خوب و قابل قبول هستند كه فقط براي نشان دادن مكرر اطلاعات استفاده شوند مانند بوردهاي تبليغاتي. همينطور ساعتهاي كامپيوتري و مايكروفرها در اين طبقه قرار مي‌گيرند اگر چه اشكال شش‌گوشه كه حالتي شبيه مستطيل دارند كه از قبل طراحي مي‌شوند. معمولترين حالت الكترودهاست كه به صورت خاصي در اين چنين ابزاري قرار مي‌گيرد (البته هر نوع شكلي ممكن است) كافي است فقط به بعضي از بازي‌هاي كامپيوتري دستي كه ارزان هستند نگاه بياندازيد. بازيهاي كارت، جورچين اشكال هندسي، ماهي و از اين چنين اشكال است كه در چنين صفحات ديده مي‌شود.

در نوع اصليLCD در كامپيوترها استفاده مي‌شود. ماتريس فعال،‌ ماتريس غيرفعال

در قسمت‌هاي بعدي در مورد اين دو قسمت بيشتر توضيح خواهم داد.

تاريخچه LCD

امروزه LCDها در همه جا يافت مي‌شوند. البته همه اينها يك شبه جوانه نزده‌اند. طبق تحقيقات محققان گفته مي‌شود كه در زمان كشف كريستال مايع تا ساخت LCD هاي امروزه كه از آنها لذت مي‌بريد مدت زيادي مي‌گذرد كريستال مايع اولين بار در سال 1888 توسط بوتانيت و فردريچ وينترز كشف شد.

رينترز مشاهده كرد هنگامي كه دو ماده عجين كلسترول مانند (نيتروات كلستريل ) را گداخت. در ابتدا به صورت مايع پف كرده شبيه شده بود ولي با افزايش دما اين پف و ابر كنار مي‌رفت.

هنگام سرد شدن مايع به رنگ آبي تغيير كرد قبل از اينكه به صورت كريستال درآيد. 80 سال بعد RCA (Conteral African Republic) اولين LCD آزمايشي را ساخت. از آن زمان شركتهاي LCD به صورت مداول تغييراتي در LCD ايجاد كردند و باعث پيشرفت اين صنعت شده‌اند و باعث شدند كه امروزهLCD تبديل به يك سطح شگفت‌انگيري و پيچيده‌اي از تكنولوژي تبديل شود و پيش‌بيني مي‌شود كه در آينده نيز اين صنعت پيشرفت‌هاي پيشگيري داشته باشد.

Matrix passive (ماتريس غيرفعال)

LCDهاي ماتريس غيرفعال از شبكه ساده‌اي براي تأمين انرژي و پركردن پيكسل‌هاي خاص بر روي نمايشگر استفاده مي‌كنند. خلق يك شبكه در جاي خود يك پيشرفت به حساب مي‌آيد. در شروع از دو صفحه شيشه‌اي كه سفره ناميده مي‌شوند تشكيل مي‌شود. يك سفرة تشكيل ستون و ديگري تشكيل سطر را مي‌دهد، كه از يك ماده هادي شفاف ساخته مي شوند كه معمولاً اكسيد قلع- اينيديوم مي‌باشد. اين دو صفحه ستون و سطر به يك مدار مختلط متصل مي‌شوند كه كنترل صفحات را هنگامي كه انرژي و همينطور دستورالعمل به سطر و ستون اعمال مي‌شود. كريستال مايع بين دو صفحه شيشه‌اي فشرده مي‌شود و غشاء قطبيده شده كه قبلاً در مورد آن توضيح داده شد در قسمت بيروني دو صفحه قرار مي گيرد و به آنها متصل مي‌شود. براي روشن كردن يك پيكسل. مدار مختلط يك فرمان را به ستون صحيحي از صفحه اول و سطري از صفحه دوم مي‌فرستند.

سطر و ستون يعني در پيكسل شخص متقاطع مي‌شوند و ولتاژ موردنياز را دريافت كرده تا روشن‌سازي و فعال كردن كريستال مايع در آن پيكسل انجام گيرد. (يعني به زبان ساده ابتدا ستون خاصيي فعال فعال شده و سپس آن سطر خاص نيز فعال مي‌شود و در تقاطع اين ستون و سطح كريستال مايع فعال مي‌شود (البته توسط مدار و ولتاژ خاصي)).

سادگي و بي‌آلايشي سيستم  ماتریس غیر فعال بسیار زیباست.

ولي يك اشكال و ايراد مهم دارد كه سرعت پاسخ بسيار ضعيف است و كنترل ولتاژ مبهم را نيز داراست. البته زمان پاسخ (واكنش) اشاره به توانLCD در روشن ساختن تصوير و نمايشگر دارد.

راحت ترين راه براي مشخص كردن سرعت پايين اين نوع LCDها اين است كه اشاره‌اي را از يك نقطه به نقطه ديگر از صفحه حركت دهيد سپس واكنش ضعيف نمايشگر را خواهيد ديد.

كنترل ولتاژ ضعيف و مبهم باعث مي‌شود كه فقط نمايشگر بتواند يك پيكسل را در يك لحظه از زمان نشان دهد و ايراد ديگر كنترل ضعيف ولتاژ اين است كه هنگامي كه يك پيكسل در يك زمان روشن مي‌شود پيكسل‌هاي هم‌جوار آن نيز به طور كم رنگي روشن مي‌شوند و باعث مي‌شوند تصوير تيره و کنتراست(وضوح) پائين ظاهر شوند.

LCD ماتريس فعال

اين نوع LCDها از نوارهاي نازك ترانزيستور تشكيل شده‌اند كه در اصطلاح(TFT) خوانده مي‌شوند اساساً TFT ها خازن‌ها و ترانزيستورها را تعويض مي‌كنند (سوئيچ مي‌كنند) كه به صورت ماتريس و بر روي لايه شيشه‌اي مرتب شده و مستقرند. براي فرمان به يك پيكسل خاص ابتدا رديف خاصي فعال مي‌شود. سپس ستون مربوطه در اين رديف را روشن مي‌كند و انرژي را به آن مي‌فرستند. تا زماني كه پيكسل‌هاي ديگر خاموشند فقط خازن در آن پيكسل خاص بار دريافت مي‌كند. خازن قادر به نگهداري بار الكتريكي تا زماني كه سيكل عوض نشود را داراست.

و اگر ولتاژ مصرفي موردنياز براي يك كريستال با دقت كنترل شود مي‌تواند مقداري پرتو را كه كافي و موردنياز است تأمين كند. با دقت زياد مي‌توان پيكسل را به رنگ خاكستري تا رنگ كبود تغيير داد. اكثر نمايشگرها امروزه داراي 256 سطح روشنايي در هر پيكسل مي‌باشند.

رنگ‌ها Colors

يك LCD را كه رنگ‌ها را به نمايش مي‌گذارد از سه پيكسل نوعي كه از فيلترهايي به رنگ قرمز، آبي و سبز تشكيل شده‌اند، هر رنگ را در پيكسل به نمايش بگذارند. با تأمين ولتاژ موردنياز و دقت كافي، هر پيكسل فرعي مي‌تواند 256 نوع رنگ متفاوت با تغييراتي را ترتيب دهد. با تركيب پيكسل‌هاي فرعي مي‌توان 8/16 ميليون رنگ را تشكيل داد (256 رنگ براي قرمز*256 رنگ براي آبي* 256 رنگ براي سبز) براي ايجاد اين نمايشگرهاي رنگي به تعداد بسيار زيادي ترانزيستور نيازمنديم. براي مثال يك كامپيوتر كيفي معمولي و فوتي تا حد 768*1024 را تأمين مي‌كنند. اگر 1024 ستون را با 768 سطر بار پيكسل فرعي ضرب مي‌نماييم چيزي حدود 298/359/2 ترانزيستور را شامل خواهد شد. اگر مشكلي براي هر يك از اين ترانزيستور پيش بيايد. نمايشگر، با مشكل مواجه خواهد شد و تصوير را در جاهايي نامفهوم نشان خواهد داد. اكثر LCDهاي ماتريس فعال داراي كمي پيكسل‌هاي مورددار به صورت پراكنده مي‌باشد.

LC D هاي پيشرفته

تكنولوژي LCD هر روزه و به طور مداوم در حال پيشرفت مي‌باشد.LCDها امروزه از انواع مختلف كريستال مايع تشكيل شده‌اند كه شامل شماتيك‌هاي پارالل، دودويي و دي‌الكتريك (STN)، (DSTN)، (FLC) و (SSFLC) مي‌باشد. اندازه نمايشگر بوسيله مشكلات كنترل كيفيت محدود شده است. براي افزايش اندازه نمايشگر كارخانه‌ها و شركتهاي سازنده بايد تعداد پيكسل‌هاي بيشتر و همچنين تعداد ترانزيستوريهاي بيشتري را در آن قرار دهيم. با افزايش پيكسل و ترانزيستور در نمايشگر شانس وجود ترانزيستور خراب افزايش پيدا مي‌كند. شركتهاي سازنده LCDهاي بزرگ اغلب 40 درصد قطعاتي را كه از خطوط توليد خارج مي‌شود را رد مي‌كنند. اين درصد مستقيماً بر روي قيمت LCD هاي كيفيت بالا تأثير مي‌گذارند بعلت اينكه هزينه مصرفي تشكيل LCDهاي خوب و بد را بر روي LCDهاي خوب حساب مي‌كنند. پس فقط پيشرفت در صنعت ساخت LCD و كارخانجات آن مي‌تواند ساخت LCDهاي بزرگ را آسان كند.

براي اطلاعات بيشتر مي‌‌توانيد به منابع زير رجوع كنيد.

چگونه تلويزيون‌هاي پروجكشن كار مي‌كنند؟

چگونه ساعتهاي ديجيتال كار مي‌كنند؟

چگونه مانيتورهاي كامپيوتر كار مي‌كنند؟

چگونه عينك‌هاي آفتابي كار مي‌كنند؟

چگونه نور كار مي‌كنند؟

          ترجمه و تصحیح : محمد رضا برزگران