L C D

L C D

احتمالا هر روزه از اقلام متفاوتی استفاده می‌کنید که شامل‌ LCD  می‌باشند(1). LCDها در اطراف ما یافت می‌شوند؛ در کامپیوترهای لپ‌تاپ، ساعت‌های دیجیتالی، اجاقهای مایکروویو، دستگاههای پخش CD و دستگاههای الکترونیکی فراوان دیگر، امروزه LCDها متداول شده‌اند به خاطر اینکه اینها نسبت به دیگر تکنولوژی‌های نمایشگرها، برتری و مزیت اساسی دارند؛ برای مثال آنها نازک‌تر، با وضوح بهتر و مصرف برق پایین‌تر نسبت به  CTRها (2) ظاهرشده‌اند.

 چرا LCDهاکریستالهای مایع( liquid crystal ) نامیده می‌شوند؟

            به نظر می‌رسد عنوان کریستال مایع تضادی به همراه داشته باشد؛ عبارت کریستال(crystal) تداعی کننده یک ماده جامد نظیر کوارتز (معمولا به سختی یک سنگ) است، در حالی که مایع متفاوت از کریستال است. در این مطلب خواهید فهمید که چگونه کریستال مایع ترفندهای جالبی می‌زند و پی به تکنولوژی اساسی که باعث می‌شود LCDها کار کنند، خواهیم برد. همچنین خواهید آموخت که چگونه ویژگی‌های عجیب کریستال‌های مایع مورد استفاده واقع می‌شوند تا نوع جدیدی از شاتر(shutter) ایجاد شده و چگونه شبکه‌های این شاترهای ریز، باز و بسته می‌شوند(تا مدلهایی ایجاد نماید که اعداد، کلمات و تصاویر را به نمایش دهند.)

تاریخچه LCD ها

            امروزه به هر کجا که بنگریم LCD ها را می‌بینیم، رشد این تکنولوژی مدت زمانی را سپری نمود. زمان طولانی از زمان کشف کریستالهای مایع به کثرت کاربردهای این وسیله طی شد تا اینکه ما از استفاده این وسیله لذت ببریم.

            کریستالهای مایع اولین بار در سال 1888 توسط یک گیاه‌شناس اطریشی به نام فردریک رینیتزر(Friedrinch Rreinitzer) کشف شد. او مشاهده کرد زمانی که یک ماده شبیه کلستریل را ذوب می‌کند (اسید بنزوئیک کلستریل)، در ابتدا یک مایع تیره بوده و سپس در صورتی که درجه حرارت بالا رود، روشن می‌شود. پس از خنک کردن، مایع قبل از تبلور نهایی به رنگ آبی تبدیل می‌شود.

            از ساخت آزمایشی اولین LCD در سال 1968، مدت 80 سال می‌گذرد. از آن هنگام سازندگان LCD گونه‌های ماهرانه و جالبی از این وسیله را به لحاظ تکنولوژیکی توسعه دادند و LCDها را از لحاظ تکنیکی به سطح بالایی رساندند و روند رو به رشد تکنولوژی ساخت این وسیله همچنان رو به فزونی است.

کریستالهای مایع( liquid crystals)

            همه ما می‌دانیم که ماده دارای سه حالت عمومی است؛ جامد، مایع و گاز. مولکولهای جامدات همیشه و در همان محلی که قرار دارند موقعیت خودشان را نسبت به بقیه حفظ می‌کنند.

            مولکولهای موجود در مایعات برعکس جامدات هستند و قادرند وضعیت خودشان را تغییر دهند و در یک حالت غیر عادی وجود دارند؛ در صورتی که مواد فراوانی هستند که در یک حالت غیر عادی وجود دارند؛ یعنی به نوعی شبیه به یک مایع و نیز شبیه یک جامد! هستند. زمانی که مواد در این حالت قرار می گیرند، مولکولهایشان گرایش دارند که وضعیت خودشان را حفظ نمایند. شبیه مولکولهای موجود در یک جامد. اما به طرف موقعیت‌های متفاوت نیز در حرکت خواهند بود. شبیه مولکولهای موجود در مایع. این توضیحات بدین خاطر ذکر شد که به این نکته اشاره شود که کریستالها هم مایع، جامد و یا مایع هستند.

            بنابراین آیا کریستالهای مایع شبیه جامدات عمل می‌کنند یا مایعات و یا شبیه چیز دیگری؟

            از شواهد بر می‌آید که کریستالهای مایع به حالت مایع نزدیک‌تر هستند تا جامد. آنها مقادی متوسطی از گرما را دریافت کرده تا یک ماده مناسب را از یک حالت جامد به کریستال مایع تبدیل کنند و فقط مقدار بیشتری گرما را جهت تبدیل همان کریستال مایع به حالت مایع واقعی دریافت می‌کنند. به خاطر این که کریستالهای مایع به درجه حرارت بسیار حساس هستند، آنها برای ساختن دماسنجها و ... کاربرد دارند. دلیل اینکه چرا صفحه نمایش یک کامپیوتر لپ‌تاپ در یک هوای سرد یا در خلال یک روز داغ در کنار ساحل به خوبی نمایش می‌دهد، به خاطر همین کریستالها می‌باشد!.

            همانگونه که انواع زیادی از جامدات و مایعات وجود دارد، انواع زیادی از مواد دارای خاصیت کریستال  مایع نیز موجود است. بدلیل حرارت و طبیعت مواد، کریستالهای مایع در چندین حالات متفاوت می‌توانند باشند. در این مطلب درباره حالت نماتیک(nematic) از کریستالهای مایع صحبت خواهیم کرد.

            یک مشخصه از کریستالهای مایع این است که تحت تاثیر جریان الکتریکی قرار می‌گیرند. یک نوع ویژه از کریستال مایع نماتیک، نماتیکهای بهم تابیده (TN)نامیده می‌شود. پراکندن یک جریان الکتریکی به این کریستالهای مایع، آنها را به درجات متنوعی بسته به مقدار ولتاژ جریان، از بهم تابیدگی خارج می‌سازد. LCDها از این کریستالهای مایع استفاده می‌کنند، به خاطر اینکه به جریان الکتریکی به عنوان کنترل گذر نور واکنش نشان می‌دهند.

انواع کریستالهای مایع

            بیشتر مولکولهای کریستال مایع به شکل ترکه هستند(شکل 1) و در گروه‌های ترموتروپیک(thermotropic) و لیتروپیک(lytrotropic) هستند. کریستالهای مایع ترموتروپیک برای تغییرات در درجه حرارت یا در بعضی حالات، در فشار واکنش نشان می‌دهند. واکنش کریستال مایع لیتروپیک که در ساخت صابون و مواد پاک کننده استفاده می‌شود، بستگی به نوع حلالی دارد که مخلوط می‌شوند. کریستالهای مایع ترموتروپیک یا از نوع ایزوتراپیک(isotropic) و یا نماتیک(nematic) هستند. تفاوتهای کلیدی این دو در این است که مولکولها در مواد کریستالهای مایع از نوع ایزوتراپیک در آرایش، بدون ترتیب هستند، در حالی که نماتیک‌ها دارای نظم تعریف شده‌ای بوده ودارای مدل هستند.

            در حال نماتیک، کریستالهای مایع می‌توانند بیشتر در راهی که مولکولها خودشان جهت‌گیری می‌کنند طبقه بندی شوند. سماتیک، لایه‌هایی از مولکولها را ایجاد می‌کند. تعداد فراوانی از حالات سماتیک موجود است، نظیر سماتیک نوع c که مولکولها در یک لایه به یک زاویه‌ای از لایه قبلی زاویه‌دار می‌شوند. حالت متداول دیگر حالت کلستریک (cholestric) می‌باشد که به نماتیک کایرال (chiral nematic) نیز شهرت دارد؛ در این حالت مولکولها تا اندازه‌ای از یک لایه به لایه دیگر منحرف می‌شوند و در یک ساختار مارپیچی شکل می‌گیرند.

کریستالهای مایع فروالکترونیک (FLC) (4)

از مواد کریستال مایع استفاده می‌کنند که دارای مولکولهای کایرال هستند و در یک نظم سماتیک نوع C هستند. به خاطر اینکه طبیعت مارپیچی از این مولکولها اجازه زمان پاسخ سوییچ میکروثانیه‌ای را می‌دهد، به طور اخص FLCها را برای نمایشگرهای پیشرفته، مناسب می‌سازد. کریستالهای مایع فروالکترونیک با سطح مقاوم(SSFLC) (5) فشار کنترل شده را از طریق استفاده از سطح شفاف بکار می‌گیرد؛ از حالت مارپیچی مولکولها، برای ایجاد سوییچ سریعتر جلوگیری می‌کند.

ایجاد یک LCD ساده

            ترکیب 4 نکته زیر امکان LCDها را فراهم می‌سازد:

* نور می‌تواند پلاریزه شود.

* کریستالهای مایع می‌توانند منتقل شوند و نور پلاریزه شده را تغییر دهند.

* ساختار کریستالهای مایع می‌توانند توسط جریان الکتریکی تغییر یابند.

* مواد شفافی موجودند که قادرند جریان الکتریسیته را هدایت کنند.

یک LCD وسیله‌ای است که این 4 الگو را بکار می‌گیرد. برای ایجاد یک LCD دو بخش شفاف پلاریزه شده باید در اختیار باشد. یک پلیمر خاصی که شیارهای میکروسکوپی در سطح ایجاد می‌کند و در کنار بخش شفافی که فیلم پلاریزه شده بر روی آن نیست، کشیده می‌شود. شیارها بایستی در همان جهتی که فیلم پلاریزه می‌شود، باشند. سپس نوبت افزودن روکشی از کریستالهای مایع نماتیک به یکی از فیلترها می‌باشد. شیارها اولین لایه از مولکولها برای تنظیم کردن (با جهت فیلتر) را سبب می‌شود. سپس دومین قطعه از بخش شفاف با فیلم پلاریزه شده در جهت زاویه راست به اولین قطعه اضافه می‌شود. هر لایه متوالی از مولکولهای TN، بتدریج منحرف می‌شوند تا اینکه فوقانی‌ترین لایه در یک زاویه 90 درجه تا انتها باشد و فیلترهای بخش شفاف پلاریزه شده را به هم جفت می‌کند.

چنانچه نور به اولین فیلتر برخورد کند آن پلاریزه می‌شود و چنانچه نور از میان لایه‌های کریستالهای مایع بگذرد مولکولهای سطح نور ارتعاش پیدا می‌کند و برای جور شدن زاویه‌شان تغییر می‌یابد. در صورتی که نور به دورترین جهت از مواد کریستال مایع برسد آن در همان زاویه (در لایه پایانی مولکولها) مرتعش می‌شوند. اگر آخرین لایه با دومین فیلتر شفاف پلاریزه شده همخوانی داشته باشد نور گذر خواهد کرد.

اگر ما یک شارژ الکتریکی را برای مولکولهای کریستال مایع به کار گیریم آنها از هم باز خواهند شد. زمانی که آنها مرتب شدند زاویه نوری که از میان آنها می‌گذرد تغییر می‌یابد و بنابراین زمانی نمی‌گذرد که با زاویه فیلتر پلاریزه شده فوقانی یک جور در خواهد آمد در نتیجه هیچ نوری از میان ناحیه‌ای ازLCD که آن ناحیه را تیره‌تر از نواحی اطراف می‌کند، عبور نمی‌کند.

ساخت یک LCD ساده، آسان است. این کار می‌تواند با قرارگیری سطح شفاف(شیشه‌ای) و کریستالهای مایع که قبلا به آنها اشاره شده است و با افزودن دو الکترود شفاف به آن آغاز شود. به عنوان مثال تصور کنید که شما می‌خواهید که ساده‌ترین LCD ممکن را فقط با یک الکترود بر روی آن ایجاد کنید. لایه‌ها شبیه شکل 2 خواهند بود.

این LCD که به آن پرداخته می‌شود ساده و مقدماتی است. در قسمت پشت، یک آینه است(A)، این آینه کار انعکاس نور LCD را بر عهده دارد. بعد از این یک بخش شفاف (B) با فیلم پلاریزه شده بر روی بخش انتهایی و یک سطح الکترود (C) که از اکسیدایندیم ساخته می‌شود، اضافه می‌شود. یک سطح تمام فضای  LCDرا می‌پوشاند. بالای آن لایه‌ای از ماده کریستال مایع است(D)، بعد از این لایه بخش دیگری از سطح شفاف وجود دارد(E)؛ با الکترودی به شکل مستطیلی در بخش انتهایی و در قسمت فوقانیLCD، فیلم پلاریزه شده و دیگری(F) هست که نسبت به اولی در زاویه راست وجود دارد.

الکترود به یک منبع تغذیه وصل می‌شود(شبیه یک باتری)، زمانی که جریانی نباشد، نور از رو به روی LCD وارد می‌شود و به سادگی به آینه برخورد کرده و به حالت اول خویش برمی‌گردد. زمانی که باتری جریان لازم را برای الکترودها فراهم می‌سازد، کریستالهای مایع مابین الکترود سطح مشترک و الکترود مستطیلی شکل، نور را در آن ناحیه، از عبور کردن متوقف می‌کنند. این عمل باعث می‌شود که LCD مستطیل را به صورت یک ناحیه تیره نشان دهد.

توجه داشته باشید که LCD ساده مورد نظر شما به یک منبع نور خارجی نیاز دارد. مواد کریستال مایع هیچ نوری از خودشان ساطع نمی‌کنند. LCDهای کوچک و ارزان غالبا منعکس کننده هستند؛ یعنی چیزی را که نمایش می‌دهند، بایستی نور را از منابع نور خارجی انعکاس دهند. به عنوان نمونه در مورد LCD یک ساعت، اعداد بر روی صفحه نمایش داده می‌شود؛ جایی که الکترودهای کوچک، کریستالهای مایع را شارژ می‌کنند، بنابراین نور از میان فیلم پلاریزه منتقل نمی‌شود.

بیشتر نمایشگرهای کامپیوتر توسط لامپ‌های فلورسنت داخلی، روشنایی تولید می‌کنند؛ کنار، بالا و یا پشت LCD یک سطح انتشار سفید در پشت LCD نور را هدایت کرده و آن را پخش می‌نماید. در این مسیر از میان فیلترها، لایه‌های کریستال مایع و لایه‌های الکترود، مقادیر زیادی از این نور از دست می‌رود (گاهی اوقات بیش از نیمی از آن.)

در این مثال، شما یک سطح الکترود مشترک و یک الکترود دارید که کنترل می‌کند کریستالهای مایع به یک شارژ الکتریکی پاسخ دهد. اگر لایه طوری در اختیار گرفته شود که شامل تعداد بیشتری الکترودهای منفرد باشد می‌توان نمایشگرهای پیشرفته‌تری ساخت.

سیستم LCD      

LCDهای از نوع سطح مشترک یا (common-plane-Based) برای نمایشگرهای معمولی مناسب است؛ نیاز دارد همان اطلاعات را از نو به کرات نمایش دهد. ساعت و تایمرهای مایکروویو در این مجموعه جای دارند. هر چند نمایشگر با نوع الکترود و با فرمت شش ضلعی از قبل برای این نمایشگرها معمول بود و لی تقریبا امکان شناخت با هر شکل دیگری وجود دارد. برای رویت شکلهای الکترودها می‌توانید به کارتهای بازی، ماشینهای مراسلات و… مراجعه کنید.

دو نوع اصلی از LCD در کامپیوترها وجود دارد؛ ماتریس غیر فعال( passiv matrix) و ماتریس فعال (active matrix) LCD  های ماتریس غیر فعال از یک شبکه ساده، برای تامین شارژ پیکسلهای موجود بر روی نمایشگر استفاده می‌کنند. ایجاد شبکه در واقع یک مرحله پردازشی است. آن با دو لایه شفاف آغاز می‌شود. به یکی از این لایه‌ها ستونها و به دیگری ردیف‌هایی واگذار می‌شود که از مواد هادی و شفاف ساخته می‌شود؛ اینها معمولا اکسیدایندیم قلع هستند. ستونها و ردیفها به مدارات مجتمع(ICها) مرتبط می‌شوند و زمانی که شارژ از ستون یا سطر خارج شود با این مدارات، کنترل خواهد شد. مواد کریستال مایع مابین دو لایه شفاف ذکر شده قرار خواهد گرفت؛ یک فیلم پلاریزه به بخش خارجی از هر یک از این لایه اضافه می‌شود.

سادگی سیستم ماتریس غیرفعال جالب است اما نواقصی نیز به همراه دارد؛ از جمله زمان پاسخ کوتاه و کنترل ولتاژ بدون دقت. زمان پاسخ به توانایی LCD برای تازه‌سازی(refresh) نمایش تصویر بر می‌گردد. راحت‌ترین راه برای مشاهده زمان پاسخ کوتاه در یک LCD ماتریس غیر فعال این است که نشانگر ماوس را به سرعت از سمت صفحه نمایش به سمت دیگر حرکت دهبد؛ در حالتی که این حرکت انجام می‌شود به "سایه"هایی که در پی نشانگر ظاهر می‌شود توجه کنید. کنترل ولتاژ با عدم دقت از توانایی ماتریس غیر فعال جلوگیری می‌کند و در یک زمان تنها بر یک پیکسل تاثیر می‌گذارد. زمانی که ولتاژ برای از هم باز کردن یک پیکسل بکار گرفته می‌شود، تصاویر پیکسلهای اطراف نیز تا حدی از هم باز می‌شود که باعث می‌شود تصاویر تار به نظر آمده و کنتراست خود را از دست بدهد.

LCDهای ماتریس فعال به TFTها وابسته هستند. اساسا TFTها ترانزیستورها و خازنهای کوچک سوییچ شونده هستند. آنها در یک ماتریس و بر روی یک لایه شفاف مرتب می‌شوند. برای آدرس‌دهی یک پیکسل، ردیف مناسب سوییچ شده و سپس شارژ به ستون اصلی ارسال می‌شود. خازن قادر به نگهداری شارژ تازه به دوره تازه‌سازی بعدی می‌باشد. اگر دقیقا مقدار ولتاژی که برای یک کریستال تامین می‌شود کنترل گردد، خواهید توانست آن را از هم باز کنید(فقط برای گذر مقداری از نور)، بیشتر نمایشگرهای امروزی در هر پیکسل 256 سطح روشنایی پیشنهاد می‌کنند. 

پیشرفت‌های LCD

تکنولوژی LCD مدام در حال رشد است. LCDهای امروزی چندین گونه از تکنولوژی کریستال مایع را بکار می‌گیرند که شامل این موارد هستند: (7)STN،  (8)DSTN ، (10) FLC و (10)SFLC .

اندازه نمایشگر محدود به مشکلات کنترل کیفیت(QC) می‌شود که به سازنده‌های آنها برمی‌گردد. جهت افزایش اندازه نمایشگر سازنده‌ها بایستی پیکسلها و ترانزیستورهای بیشتری به محصول اضافه کنند. چنانچه آنها تعداد پیکسلها و ترانزیستورها را اضافه کنند شانس وجود ترانزیستورهای با کیفیت پایین را افزایش می‌دهند. سازندگان بزرگ LCD غالبا در حدود 40 درصد از آنها در خط تولید خود رد می‌کنند. سطح برگشتی‌ها مستقیما بر روی قیمت LCD اثر گذار خواهد بود؛ چون فروش LCDهای خوب قیمت ساخت (چه جنس خوب و چه بد آن ) را پوشش می‌دهد. تنها، پیشرفت در ساخت، به خرید نمایشگر‌هایی که قدرت خریدش برای مشتریان امکان پذیر است. در تعداد بسیار زیاد منجر می‌شود.