Lcd ها چگونه کار مي کنند ؟

[mona_serendipity 4365]

احتمالا هر روزه از اقلام متفاوتي استفاده مي‌کنيد که شامل‌ LCD مي‌باشند(1). LCDها در اطراف ما يافت مي‌شوند؛ در کامپيوترهاي لپ‌تاپ، ساعت‌هاي ديجيتالي، اجاقهاي مايکروويو، دستگاههاي پخش CD و دستگاههاي الکترونيکي فراوان ديگر، امروزه LCDها متداول شده‌اند به خاطر اينکه اينها نسبت به ديگر تکنولوژي‌هاي نمايشگرها، برتري و مزيت اساسي دارند؛ براي مثال آنها نازک‌تر، با وضوح بهتر و مصرف برق پايين‌تر نسبت به CTRها (2) ظاهرشده‌اند.

 

چرا LCDهاکريستالهاي مايع( liquid crystal) ناميده مي‌شوند؟

به نظر مي‌رسد عنوان کريستال مايع تضادي به همراه داشته باشد؛ عبارت کريستال (crystal) تداعي کننده يک ماده جامد نظير کوارتز (معمولا به سختي يک سنگ) است، در حالي که مايع متفاوت از کريستال است. در اين مطلب خواهيد فهميد که چگونه کريستال مايع ترفندهاي جالبي مي‌زند و پي به تکنولوژي اساسي که باعث مي‌شود LCDها کار کنند، خواهيم برد. همچنين خواهيد آموخت که چگونه ويژگي‌هاي عجيب کريستال‌هاي مايع مورد استفاده واقع مي‌شوند تا نوع جديدي از شاتر(shutter) ايجاد شده و چگونه شبکه‌هاي اين شاترهاي ريز، باز و بسته مي‌شوند(تا مدلهايي ايجاد نمايد که اعداد، کلمات و تصاوير را به نمايش دهند.)

 

تاريخچه LCDها

امروزه به هر کجا که بنگريم LCDها را مي‌بينيم، رشد اين تکنولوژي مدت زماني را سپري نمود. زمان طولاني از زمان کشف کريستالهاي مايع به کثرت کاربردهاي اين وسيله طي شد تا اينکه ما از استفاده اين وسيله لذت ببريم.

 

کريستالهاي مايع اولين بار در سال 1888 توسط يک گياه‌شناس اطريشي به نام فردريک رينيتزر(Friedrinch Rreinitzer) کشف شد. او مشاهده کرد زماني که يک ماده شبيه کلستريل را ذوب مي‌کند (اسيد بنزوئيک کلستريل)، در ابتدا يک مايع تيره بوده و سپس در صورتي که درجه حرارت بالا رود، روشن مي‌شود. پس از خنک کردن، مايع قبل از تبلور نهايي به رنگ آبي تبديل مي‌شود.

 

از ساخت آزمايشي اولين LCD در سال 1968، مدت 80 سال مي‌گذرد. از آن هنگام سازندگان LCD گونه‌هاي ماهرانه و جالبي از اين وسيله را به لحاظ تکنولوژيکي توسعه دادند و LCDها را از لحاظ تکنيکي به سطح بالايي رساندند و روند رو به رشد تکنولوژي ساخت اين وسيله همچنان رو به فزوني است.

 

کريستالهاي مايع( liquid crystals)

همه ما مي‌دانيم که ماده داراي سه حالت عمومي است؛ جامد، مايع و گاز. مولکولهاي جامدات هميشه و در همان محلي که قرار دارند موقعيت خودشان را نسبت به بقيه حفظ مي‌کنند.

 

مولکولهاي موجود در مايعات برعکس جامدات هستند و قادرند وضعيت خودشان را تغيير دهند و در يک حالت غير عادي وجود دارند؛ در صورتي که مواد فراواني هستند که در يک حالت غير عادي وجود دارند؛ يعني به نوعي شبيه به يک مايع و نيز شبيه يک جامد! هستند. زماني که مواد در اين حالت قرار مي گيرند، مولکولهايشان گرايش دارند که وضعيت خودشان را حفظ نمايند. شبيه مولکولهاي موجود در يک جامد. اما به طرف موقعيت‌هاي متفاوت نيز در حرکت خواهند بود. شبيه مولکولهاي موجود در مايع. اين توضيحات بدين خاطر ذکر شد که به اين نکته اشاره شود که کريستالها هم مايع، جامد و يا مايع هستند.

 

بنابراين آيا کريستالهاي مايع شبيه جامدات عمل مي‌کنند يا مايعات و يا شبيه چيز ديگري؟

از شواهد بر مي‌آيد که کريستالهاي مايع به حالت مايع نزديک‌تر هستند تا جامد. آنها مقادي متوسطي از گرما را دريافت کرده تا يک ماده مناسب را از يک حالت جامد به کريستال مايع تبديل کنند و فقط مقدار بيشتري گرما را جهت تبديل همان کريستال مايع به حالت مايع واقعي دريافت مي‌کنند. به خاطر اين که کريستالهاي مايع به درجه حرارت بسيار حساس هستند، آنها براي ساختن دماسنجها و ... کاربرد دارند. دليل اينکه چرا صفحه نمايش يک کامپيوتر لپ‌تاپ در يک هواي سرد يا در خلال يک روز داغ در کنار ساحل به خوبي نمايش مي‌دهد، به خاطر همين کريستالها مي‌باشد!.

 

همانگونه که انواع زيادي از جامدات و مايعات وجود دارد، انواع زيادي از مواد داراي خاصيت کريستال مايع نيز موجود است. بدليل حرارت و طبيعت مواد، کريستالهاي مايع در چندين حالات متفاوت مي‌توانند باشند. در اين مطلب درباره حالت نماتيک(nematic) از کريستالهاي مايع صحبت خواهيم کرد.

 

يک مشخصه از کريستالهاي مايع اين است که تحت تاثير جريان الکتريکي قرار مي‌گيرند. يک نوع ويژه از کريستال مايع نماتيک، نماتيکهاي بهم تابيده (TN)ناميده مي‌شود. پراکندن يک جريان الکتريکي به اين کريستالهاي مايع، آنها را به درجات متنوعي بسته به مقدار ولتاژ جريان، از بهم تابيدگي خارج مي‌سازد. LCDها از اين کريستالهاي مايع استفاده مي‌کنند، به خاطر اينکه به جريان الکتريکي به عنوان کنترل گذر نور واکنش نشان مي‌دهند.

 

انواع کريستالهاي مايع

بيشتر مولکولهاي کريستال مايع به شکل ترکه هستند(شکل 1) و در گروه‌هاي ترموتروپيک(thermotropic) و ليتروپيک(lytrotropic) هستند. کريستالهاي مايع ترموتروپيک براي تغييرات در درجه حرارت يا در بعضي حالات، در فشار واکنش نشان مي‌دهند. واکنش کريستال مايع ليتروپيک که در ساخت صابون و مواد پاک کننده استفاده مي‌شود، بستگي به نوع حلالي دارد که مخلوط مي‌شوند. کريستالهاي مايع ترموتروپيک يا از نوع ايزوتراپيک(isotropic) و يا نماتيک(nematic) هستند. تفاوتهاي کليدي اين دو در اين است که مولکولها در مواد کريستالهاي مايع از نوع ايزوتراپيک در آرايش، بدون ترتيب هستند، در حالي که نماتيک‌ها داراي نظم تعريف شده‌اي بوده وداراي مدل هستند.

 

در حال نماتيک، کريستالهاي مايع مي‌توانند بيشتر در راهي که مولکولها خودشان جهت‌گيري مي‌کنند طبقه بندي شوند. سماتيک، لايه‌هايي از مولکولها را ايجاد مي‌کند. تعداد فراواني از حالات سماتيک موجود است، نظير سماتيک نوع c که مولکولها در يک لايه به يک زاويه‌اي از لايه قبلي زاويه‌دار مي‌شوند. حالت متداول ديگر حالت کلستريک (cholestric) مي‌باشد که به نماتيک کايرال (chiral nematic) نيز شهرت دارد؛ در اين حالت مولکولها تا اندازه‌اي از يک لايه به لايه ديگر منحرف مي‌شوند و در يک ساختار مارپيچي شکل مي‌گيرند.

 

کريستالهاي مايع فروالکترونيک (FLC) (4)

از مواد کريستال مايع استفاده مي‌کنند که داراي مولکولهاي کايرال هستند و در يک نظم سماتيک نوع C هستند. به خاطر اينکه طبيعت مارپيچي از اين مولکولها اجازه زمان پاسخ سوييچ ميکروثانيه‌اي را مي‌دهد، به طور اخص FLCها را براي نمايشگرهاي پيشرفته، مناسب مي‌سازد. کريستالهاي مايع فروالکترونيک با سطح مقاوم(SSFLC) (5) فشار کنترل شده را از طريق استفاده از سطح شفاف بکار مي‌گيرد؛ از حالت مارپيچي مولکولها، براي ايجاد سوييچ سريعتر جلوگيري مي‌کند.

 

ايجاد يک LCD ساده

ترکيب 4 نکته زير امکان LCDها را فراهم مي‌سازد:

 

* نور مي‌تواند پلاريزه شود.

* کريستالهاي مايع مي‌توانند منتقل شوند و نور پلاريزه شده را تغيير دهند.

* ساختار کريستالهاي مايع مي‌توانند توسط جريان الکتريکي تغيير يابند.

* مواد شفافي موجودند که قادرند جريان الکتريسيته را هدايت کنند.

 

يک LCD وسيله‌اي است که اين 4 الگو را بکار مي‌گيرد. براي ايجاد يک LCD دو بخش شفاف پلاريزه شده بايد در اختيار باشد. يک پليمر خاصي که شيارهاي ميکروسکوپي در سطح ايجاد مي‌کند و در کنار بخش شفافي که فيلم پلاريزه شده بر روي آن نيست، کشيده مي‌شود. شيارها بايستي در همان جهتي که فيلم پلاريزه مي‌شود، باشند. سپس نوبت افزودن روکشي از کريستالهاي مايع نماتيک به يکي از فيلترها مي‌باشد. شيارها اولين لايه از مولکولها براي تنظيم کردن (با جهت فيلتر) را سبب مي‌شود. سپس دومين قطعه از بخش شفاف با فيلم پلاريزه شده در جهت زاويه راست به اولين قطعه اضافه مي‌شود. هر لايه متوالي از مولکولهاي TN، بتدريج منحرف مي‌شوند تا اينکه فوقاني‌ترين لايه در يک زاويه 90 درجه تا انتها باشد و فيلترهاي بخش شفاف پلاريزه شده را به هم جفت مي‌کند.

 

چنانچه نور به اولين فيلتر برخورد کند آن پلاريزه مي‌شود و چنانچه نور از ميان لايه‌هاي کريستالهاي مايع بگذرد مولکولهاي سطح نور ارتعاش پيدا مي‌کند و براي جور شدن زاويه‌شان تغيير مي‌يابد. در صورتي که نور به دورترين جهت از مواد کريستال مايع برسد آن در همان زاويه (در لايه پاياني مولکولها) مرتعش مي‌شوند. اگر آخرين لايه با دومين فيلتر شفاف پلاريزه شده همخواني داشته باشد نور گذر خواهد کرد.

 

اگر ما يک شارژ الکتريکي را براي مولکولهاي کريستال مايع به کار گيريم آنها از هم باز خواهند شد. زماني که آنها مرتب شدند زاويه نوري که از ميان آنها مي‌گذرد تغيير مي‌يابد و بنابراين زماني نمي‌گذرد که با زاويه فيلتر پلاريزه شده فوقاني يک جور در خواهد آمد در نتيجه هيچ نوري از ميان ناحيه‌اي ازLCD که آن ناحيه را تيره‌تر از نواحي اطراف مي‌کند، عبور نمي‌کند.

 

ساخت يک LCD ساده، آسان است. اين کار مي‌تواند با قرارگيري سطح شفاف(شيشه‌اي) و کريستالهاي مايع که قبلا به آنها اشاره شده است و با افزودن دو الکترود شفاف به آن آغاز شود. به عنوان مثال تصور کنيد که شما مي‌خواهيد که ساده‌ترين LCD ممکن را فقط با يک الکترود بر روي آن ايجاد کنيد. لايه‌ها شبيه شکل 2 خواهند بود.

 

اين LCD که به آن پرداخته مي‌شود ساده و مقدماتي است. در قسمت پشت، يک آينه است(A)، اين آينه کار انعکاس نور LCD را بر عهده دارد. بعد از اين يک بخش شفاف (B) با فيلم پلاريزه شده بر روي بخش انتهايي و يک سطح الکترود © که از اکسيداينديم ساخته مي‌شود، اضافه مي‌شود. يک سطح تمام فضاي LCDرا مي‌پوشاند. بالاي آن لايه‌اي از ماده کريستال مايع است(D)، بعد از اين لايه بخش ديگري از سطح شفاف وجود دارد(E)؛ با الکترودي به شکل مستطيلي در بخش انتهايي و در قسمت فوقانيLCD، فيلم پلاريزه شده و ديگري(F) هست که نسبت به اولي در زاويه راست وجود دارد.

 

الکترود به يک منبع تغذيه وصل مي‌شود(شبيه يک باتري)، زماني که جرياني نباشد، نور از رو به روي LCD وارد مي‌شود و به سادگي به آينه برخورد کرده و به حالت اول خويش برمي‌گردد. زماني که باتري جريان لازم را براي الکترودها فراهم مي‌سازد، کريستالهاي مايع مابين الکترود سطح مشترک و الکترود مستطيلي شکل، نور را در آن ناحيه، از عبور کردن متوقف مي‌کنند. اين عمل باعث مي‌شود که LCD مستطيل را به صورت يک ناحيه تيره نشان دهد.

 

توجه داشته باشيد که LCD ساده مورد نظر شما به يک منبع نور خارجي نياز دارد. مواد کريستال مايع هيچ نوري از خودشان ساطع نمي‌کنند. LCDهاي کوچک و ارزان غالبا منعکس کننده هستند؛ يعني چيزي را که نمايش مي‌دهند، بايستي نور را از منابع نور خارجي انعکاس دهند. به عنوان نمونه در مورد LCD يک ساعت، اعداد بر روي صفحه نمايش داده مي‌شود؛ جايي که الکترودهاي کوچک، کريستالهاي مايع را شارژ مي‌کنند، بنابراين نور از ميان فيلم پلاريزه منتقل نمي‌شود.

 

بيشتر نمايشگرهاي کامپيوتر توسط لامپ‌هاي فلورسنت داخلي، روشنايي توليد مي‌کنند؛ کنار، بالا و يا پشت LCD يک سطح انتشار سفيد در پشت LCD نور را هدايت کرده و آن را پخش مي‌نمايد. در اين مسير از ميان فيلترها، لايه‌هاي کريستال مايع و لايه‌هاي الکترود، مقادير زيادي از اين نور از دست مي‌رود (گاهي اوقات بيش از نيمي از آن.)

 

در اين مثال، شما يک سطح الکترود مشترک و يک الکترود داريد که کنترل مي‌کند کريستالهاي مايع به يک شارژ الکتريکي پاسخ دهد. اگر لايه طوري در اختيار گرفته شود که شامل تعداد بيشتري الکترودهاي منفرد باشد مي‌توان نمايشگرهاي پيشرفته‌تري ساخت.

 

سيستم LCD

LCDهاي از نوع سطح مشترک يا (common-plane-Based) براي نمايشگرهاي معمولي مناسب است؛ نياز دارد همان اطلاعات را از نو به کرات نمايش دهد. ساعت و تايمرهاي مايکروويو در اين مجموعه جاي دارند. هر چند نمايشگر با نوع الکترود و با فرمت شش ضلعي از قبل براي اين نمايشگرها معمول بود و لي تقريبا امکان شناخت با هر شکل ديگري وجود دارد. براي رويت شکلهاي الکترودها مي‌توانيد به کارتهاي بازي، ماشينهاي مراسلات و… مراجعه کنيد.

 

دو نوع اصلي از LCD در کامپيوترها وجود دارد؛ ماتريس غير فعال( passiv matrix) و ماتريس فعال (active matrix) LCD هاي ماتريس غير فعال از يک شبکه ساده، براي تامين شارژ پيکسلهاي موجود بر روي نمايشگر استفاده مي‌کنند. ايجاد شبکه در واقع يک مرحله پردازشي است. آن با دو لايه شفاف آغاز مي‌شود. به يکي از اين لايه‌ها ستونها و به ديگري رديف‌هايي واگذار مي‌شود که از مواد هادي و شفاف ساخته مي‌شود؛ اينها معمولا اکسيداينديم قلع هستند. ستونها و رديفها به مدارات مجتمع(ICها) مرتبط مي‌شوند و زماني که شارژ از ستون يا سطر خارج شود با اين مدارات، کنترل خواهد شد. مواد کريستال مايع مابين دو لايه شفاف ذکر شده قرار خواهد گرفت؛ يک فيلم پلاريزه به بخش خارجي از هر يک از اين لايه اضافه مي‌شود.

 

سادگي سيستم ماتريس غيرفعال جالب است اما نواقصي نيز به همراه دارد؛ از جمله زمان پاسخ کوتاه و کنترل ولتاژ بدون دقت. زمان پاسخ به توانايي LCD براي تازه‌سازي(refresh) نمايش تصوير بر مي‌گردد. راحت‌ترين راه براي مشاهده زمان پاسخ کوتاه در يک LCD ماتريس غير فعال اين است که نشانگر ماوس را به سرعت از سمت صفحه نمايش به سمت ديگر حرکت دهبد؛ در حالتي که اين حرکت انجام مي‌شود به "سايه"هايي که در پي نشانگر ظاهر مي‌شود توجه کنيد. کنترل ولتاژ با عدم دقت از توانايي ماتريس غير فعال جلوگيري مي‌کند و در يک زمان تنها بر يک پيکسل تاثير مي‌گذارد. زماني که ولتاژ براي از هم باز کردن يک پيکسل بکار گرفته مي‌شود، تصاوير پيکسلهاي اطراف نيز تا حدي از هم باز مي‌شود که باعث مي‌شود تصاوير تار به نظر آمده و کنتراست خود را از دست بدهد.

 

LCDهاي ماتريس فعال به TFTها وابسته هستند. اساسا TFTها ترانزيستورها و خازنهاي کوچک سوييچ شونده هستند. آنها در يک ماتريس و بر روي يک لايه شفاف مرتب مي‌شوند. براي آدرس‌دهي يک پيکسل، رديف مناسب سوييچ شده و سپس شارژ به ستون اصلي ارسال مي‌شود. خازن قادر به نگهداري شارژ تازه به دوره تازه‌سازي بعدي مي‌باشد. اگر دقيقا مقدار ولتاژي که براي يک کريستال تامين مي‌شود کنترل گردد، خواهيد توانست آن را از هم باز کنيد(فقط براي گذر مقداري از نور)، بيشتر نمايشگرهاي امروزي در هر پيکسل 256 سطح روشنايي پيشنهاد مي‌کنند.

 

پيشرفت‌هاي LCD

تکنولوژي LCD مدام در حال رشد است. LCDهاي امروزي چندين گونه از تکنولوژي کريستال مايع را بکار مي‌گيرند که شامل اين موارد هستند: (7)STN، (8)DSTN، (10)FLCو (10)SFLC.

 

اندازه نمايشگر محدود به مشکلات کنترل کيفيت(QC) مي‌شود که به سازنده‌هاي آنها برمي‌گردد. جهت افزايش اندازه نمايشگر سازنده‌ها بايستي پيکسلها و ترانزيستورهاي بيشتري به محصول اضافه کنند. چنانچه آنها تعداد پيکسلها و ترانزيستورها را اضافه کنند شانس وجود ترانزيستورهاي با کيفيت پايين را افزايش مي‌دهند. سازندگان بزرگ LCD غالبا در حدود 40 درصد از آنها در خط توليد خود رد مي‌کنند. سطح برگشتي‌ها مستقيما بر روي قيمت LCD اثر گذار خواهد بود؛ چون فروش LCDهاي خوب قيمت ساخت (چه جنس خوب و چه بد آن ) را پوشش مي‌دهد. تنها، پيشرفت در ساخت، به خريد نمايشگر‌هايي که قدرت خريدش براي مشتريان امکان پذير است. در تعداد بسيار زياد منجر مي‌شود.

 

علي ساساني