LCD ها چگونه كار مي كنند ؟

احتمالا هر روزه از اقلام متفاوتي استفاده مي‌كنيد كه شامل‌ LCD مي‌باشند(1). LCDها در اطراف ما يافت مي‌شوند؛ در كامپيوترهاي لپ‌تاپ، ساعت‌هاي ديجيتالي، اجاقهاي مايكروويو، دستگاههاي پخش CD و دستگاههاي الكترونيكي فراوان ديگر، امروزه LCDها متداول شده‌اند به خاطر اينكه اينها نسبت به ديگر تكنولوژي‌هاي نمايشگرها، برتري و مزيت اساسي دارند؛ براي مثال آنها نازك‌تر، با وضوح بهتر و مصرف برق پايين‌تر نسبت به CTRها (2) ظاهرشده‌اند.



چرا LCDهاكريستالهاي مايع( liquid crystal) ناميده مي‌شوند؟

به نظر مي‌رسد عنوان كريستال مايع تضادي به همراه داشته باشد؛ عبارت كريستال(crystal) تداعي كننده يك ماده جامد نظير كوارتز (معمولا به سختي يك سنگ) است، در حالي كه مايع متفاوت از كريستال است. در اين مطلب خواهيد فهميد كه چگونه كريستال مايع ترفندهاي جالبي مي‌زند و پي به تكنولوژي اساسي كه باعث مي‌شود LCDها كار كنند، خواهيم برد. همچنين خواهيد آموخت كه چگونه ويژگي‌هاي عجيب كريستال‌هاي مايع مورد استفاده واقع مي‌شوند تا نوع جديدي از شاتر(shutter) ايجاد شده و چگونه شبكه‌هاي اين شاترهاي ريز، باز و بسته مي‌شوند(تا مدلهايي ايجاد نمايد كه اعداد، كلمات و تصاوير را به نمايش دهند.)



تاريخچه LCDها

امروزه به هر كجا كه بنگريم LCDها را مي‌بينيم، رشد اين تكنولوژي مدت زماني را سپري نمود. زمان طولاني از زمان كشف كريستالهاي مايع به كثرت كاربردهاي اين وسيله طي شد تا اينكه ما از استفاده اين وسيله لذت ببريم.

كريستالهاي مايع اولين بار در سال 1888 توسط يك گياه‌شناس اطريشي به نام فردريك رينيتزر(Friedrinch Rreinitzer) كشف شد. او مشاهده كرد زماني كه يك ماده شبيه كلستريل را ذوب مي‌كند (اسيد بنزوئيك كلستريل)، در ابتدا يك مايع تيره بوده و سپس در صورتي كه درجه حرارت بالا رود، روشن مي‌شود. پس از خنك كردن، 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 تكنولوژيكي توسعه دادند و LCDها را از لحاظ تكنيكي به سطح بالايي رساندند و روند رو به رشد تكنولوژي ساخت اين وسيله همچنان رو به فزوني است.





كريستالهاي مايع( liquid crystals)

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

مولكولهاي موجود در مايعات برعكس جامدات هستند و قادرند وضعيت خودشان را تغيير دهند و در يك حالت غير عادي وجود دارند؛ در صورتي كه مواد فراواني هستند كه در يك حالت غير عادي وجود دارند؛ يعني به نوعي شبيه به يك مايع و نيز شبيه يك جامد! هستند. زماني كه مواد در اين حالت قرار مي گيرند، مولكولهايشان گرايش دارند كه وضعيت خودشان را حفظ نمايند. شبيه مولكولهاي موجود در يك جامد. اما به طرف موقعيت‌هاي متفاوت نيز در حركت خواهند بود. شبيه مولكولهاي موجود در مايع. اين توضيحات بدين خاطر ذكر شد كه به اين نكته اشاره شود كه كريستالها هم مايع، جامد و يا مايع هستند.

بنابراين آيا كريستالهاي مايع شبيه جامدات عمل مي‌كنند يا مايعات و يا شبيه چيز ديگري؟

از شواهد بر مي‌آيد كه كريستالهاي مايع به حالت مايع نزديك‌تر هستند تا جامد. آنها مقادي متوسطي از گرما را دريافت كرده تا يك ماده مناسب را از يك حالت جامد به كريستال مايع تبديل كنند و فقط مقدار بيشتري گرما را جهت تبديل همان كريستال مايع به حالت مايع واقعي دريافت مي‌كنند. به خاطر اين كه كريستالهاي مايع به درجه حرارت بسيار حساس هستند، آنها براي ساختن دماسنجها و ... كاربرد دارند. دليل اينكه چرا صفحه نمايش يك كامپيوتر لپ‌تاپ در يك هواي سرد يا در خلال يك روز داغ در كنار ساحل به خوبي نمايش مي‌دهد، به خاطر همين كريستالها مي‌باشد!.

همانگونه كه انواع زيادي از جامدات و مايعات وجود دارد، انواع زيادي از مواد داراي خاصيت كريستال مايع نيز موجود است. بدليل حرارت و طبيعت مواد، كريستالهاي مايع در چندين حالات متفاوت مي‌توانند باشند. در اين مطلب درباره حالت نماتيك(nematic) از كريستالهاي مايع صحبت خواهيم كرد.

يك مشخصه از كريستالهاي مايع اين است كه تحت تاثير جريان الكتريكي قرار مي‌گيرند. يك نوع ويژه از كريستال مايع نماتيك، نماتيكهاي بهم تابيده (TN)ناميده مي‌شود. پراكندن يك جريان الكتريكي به اين كريستالهاي مايع، آنها را به درجات متنوعي بسته به مقدار ولتاژ جريان، از بهم تابيدگي خارج مي‌سازد. LCDها از اين كريستالهاي مايع استفاده مي‌كنند، به خاطر اينكه به جريان الكتريكي به عنوان كنترل گذر نور واكنش نشان مي‌دهند.



انواع كريستالهاي مايع

بيشتر مولكولهاي كريستال مايع به شكل تركه هستند(شكل 1) و در گروه‌هاي ترموتروپيك(thermotropic) و ليتروپيك(lytrotropic) هستند. كريستالهاي مايع ترموتروپيك براي تغييرات در درجه حرارت يا در بعضي حالات، در فشار واكنش نشان مي‌دهند. واكنش كريستال مايع ليتروپيك كه در ساخت صابون و مواد پاك كننده استفاده مي‌شود، بستگي به نوع حلالي دارد كه مخلوط مي‌شوند. كريستالهاي مايع ترموتروپيك يا از نوع ايزوتراپيك(isotropic) و يا نماتيك(nematic) هستند. تفاوتهاي كليدي اين دو در اين است كه مولكولها در مواد كريستالهاي مايع از نوع ايزوتراپيك در آرايش، بدون ترتيب هستند، در حالي كه نماتيك‌ها داراي نظم تعريف شده‌اي بوده وداراي مدل هستند.

در حال نماتيك، كريستالهاي مايع مي‌توانند بيشتر در راهي كه مولكولها خودشان جهت‌گيري مي‌كنند طبقه بندي شوند. سماتيك، لايه‌هايي از مولكولها را ايجاد مي‌كند. تعداد فراواني از حالات سماتيك موجود است، نظير سماتيك نوع c كه مولكولها در يك لايه به يك زاويه‌اي از لايه قبلي زاويه‌دار مي‌شوند. حالت متداول ديگر حالت كلستريك (cholestric) مي‌باشد كه به نماتيك كايرال (chiral nematic) نيز شهرت دارد؛ در اين حالت مولكولها تا اندازه‌اي از يك لايه به لايه ديگر منحرف مي‌شوند و در يك ساختار مارپيچي شكل مي‌گيرند.



كريستالهاي مايع فروالكترونيك (FLC) (4)

از مواد كريستال مايع استفاده مي‌كنند كه داراي مولكولهاي كايرال هستند و در يك نظم سماتيك نوع C هستند. به خاطر اينكه طبيعت مارپيچي از اين مولكولها اجازه زمان پاسخ سوييچ ميكروثانيه‌اي را مي‌دهد، به طور اخص FLCها را براي نمايشگرهاي پيشرفته، مناسب مي‌سازد. كريستالهاي مايع فروالكترونيك با سطح مقاوم(SSFLC) (5) فشار كنترل شده را از طريق استفاده از سطح شفاف بكار مي‌گيرد؛ از حالت مارپيچي مولكولها، براي ايجاد سوييچ سريعتر جلوگيري مي‌كند.



ايجاد يك LCD ساده

تركيب 4 نكته زير امكان LCDها را فراهم مي‌سازد:

* نور مي‌تواند پلاريزه شود.

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

* ساختار كريستالهاي مايع مي‌توانند توسط جريان الكتريكي تغيير يابند.

* مواد شفافي موجودند كه قادرند جريان الكتريسيته را هدايت كنند.

يك LCD وسيله‌اي است كه اين 4 الگو را بكار مي‌گيرد. براي ايجاد يك LCD دو بخش شفاف پلاريزه شده بايد در اختيار باشد. يك پليمر خاصي كه شيارهاي ميكروسكوپي در سطح ايجاد مي‌كند و در كنار بخش شفافي كه فيلم پلاريزه شده بر روي آن نيست، كشيده مي‌شود. شيارها بايستي در همان جهتي كه فيلم پلاريزه مي‌شود، باشند. سپس نوبت افزودن روكشي از كريستالهاي مايع نماتيك به يكي از فيلترها مي‌باشد. شيارها اولين لايه از مولكولها براي تنظيم كردن (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 مولكولهاي TN، بتدريج منحرف مي‌شوند تا اينكه فوقاني‌ترين لايه در يك زاويه 90 درجه تا انتها باشد و فيلترهاي بخش شفاف پلاريزه شده را به هم جفت مي‌كند.

چنانچه نور به اولين فيلتر برخورد كند آن پلاريزه مي‌شود و چنانچه نور از ميان لايه‌هاي كريستالهاي مايع بگذرد مولكولهاي سطح نور ارتعاش پيدا مي‌كند و براي جور شدن زاويه‌شان تغيير مي‌يابد. در صورتي كه نور به دورترين جهت از مواد كريستال مايع برسد آن در همان زاويه (در لايه پاياني مولكولها) مرتعش مي‌شوند. اگر آخرين لايه با دومين فيلتر شفاف پلاريزه شده همخواني داشته باشد نور گذر خواهد كرد.

اگر ما يك شارژ الكتريكي را براي مولكولهاي كريستال مايع به كار گيريم آنها از هم باز خواهند شد. زماني كه آنها مرتب شدند زاويه نوري كه از ميان آنها مي‌گذرد تغيير مي‌يابد و بنابراين زماني نمي‌گذرد كه با زاويه فيلتر پلاريزه شده فوقاني يك جور در خواهد آمد در نتيجه هيچ نوري از ميان ناحيه‌اي ازLCD كه آن ناحيه را تيره‌تر از نواحي اطراف مي‌كند، عبور نمي‌كند.

ساخت يك LCD ساده، آسان است. اين كار مي‌تواند با قرارگيري سطح شفاف(شيشه‌اي) و كريستالهاي مايع كه قبلا به آنها اشاره شده است و با افزودن دو الكترود شفاف به آن آغاز شود. به عنوان مثال تصور كنيد كه شما مي‌خواهيد كه ساده‌ترين LCD ممكن را فقط با يك الكترود بر روي آن ايجاد كنيد. لايه‌ها شبيه شكل 2 خواهند بود.

اين LCD كه به آن پرداخته مي‌شود ساده و مقدماتي است. در قسمت پشت، يك آينه است(A)، اين آينه كار انعكاس نور LCD را بر عهده دارد. بعد از اين يك بخش شفاف (B) با فيلم پلاريزه شده بر روي بخش انتهايي و يك سطح الكترود (C) كه از اكسيداينديم ساخته مي‌شود، اضافه مي‌شود. يك سطح تمام فضاي LCDرا مي‌پوشاند. بالاي آن لايه‌اي از ماده كريستال مايع است(D)، بعد از اين لايه بخش ديگري از سطح شفاف وجود دارد(E)؛ با الكترودي به شكل مستطيلي در بخش انتهايي و در قسمت فوقانيLCD، فيلم پلاريزه شده و ديگري(F) هست كه نسبت به اولي در زاويه راست وجود دارد.

الكترود به يك منبع تغذيه وصل مي‌شود(شبيه يك باتري)، زماني كه جرياني نباشد، نور از رو به روي LCD وارد مي‌شود و به سادگي به آينه برخورد كرده و به حالت اول خويش برمي‌گردد. زماني كه باتري جريان لازم را براي الكترودها فراهم مي‌سازد، كريستالهاي مايع مابين الكترود سطح مشترك و الكترود مستطيلي شكل، نور را در آن ناحيه، از عبور كردن متوقف مي‌كنند. اين عمل باعث مي‌شود كه LCD مستطيل را به صورت يك ناحيه تيره نشان دهد.

توجه داشته باشيد كه LCD ساده مورد نظر شما به يك منبع نور خارجي نياز دارد. مواد كريستال مايع هيچ نوري از خودشان ساطع نمي‌كنند. LCDهاي كوچك و ارزان غالبا منعكس كننده هستند؛ يعني چيزي را كه نمايش مي‌دهند، بايستي نور را از منابع نور خارجي انعكاس دهند. به عنوان نمونه در مورد LCD يك ساعت، اعداد بر روي صفحه نمايش داده مي‌شود؛ جايي كه الكترودهاي كوچك، كريستالهاي مايع را شارژ مي‌كنند، بنابراين نور از ميان فيلم پلاريزه منتقل نمي‌شود.

بيشتر نمايشگرهاي كامپيوتر توسط لامپ‌هاي فلورسنت داخلي، روشنايي توليد مي‌كنند؛ كنار، بالا و يا پشت LCD يك سطح انتشار سفيد در پشت LCD نور را هدايت كرده و آن را پخش مي‌نمايد. در اين مسير از ميان فيلترها، لايه‌هاي كريستال مايع و لايه‌هاي الكترود، مقادير زيادي از اين نور از دست مي‌رود (گاهي اوقات بيش از نيمي از آن.)

در اين مثال، شما يك سطح الكترود مشترك و يك الكترود داريد كه كنترل مي‌كند كريستالهاي مايع به يك شارژ الكتريكي پاسخ دهد. اگر لايه طوري در اختيار گرفته شود كه شامل تعداد بيشتري الكترودهاي منفرد باشد مي‌توان نمايشگرهاي پيشرفته‌تري ساخت.



سيستم LCD

LCDهاي از نوع سطح مشترك يا (common-plane-Based) براي نمايشگرهاي معمولي مناسب است؛ نياز دارد همان اطلاعات را از نو به كرات نمايش دهد. ساعت و تايمرهاي مايكروويو در اين مجموعه جاي دارند. هر چند نمايشگر با نوع الكترود و با فرمت شش ضلعي از قبل براي اين نمايشگرها معمول بود و لي تقريبا امكان شناخت با هر شكل ديگري وجود دارد. براي رويت شكلهاي الكترودها مي‌توانيد به كارتهاي بازي، ماشينهاي مراسلات و… مراجعه كنيد.

دو نوع اصلي از LCD در كامپيوترها وجود دارد؛ ماتريس غير فعال( passiv matrix) و ماتريس فعال (active matrix) LCD هاي ماتريس غير فعال از يك شبكه ساده، براي تامين شارژ پيكسلهاي موجود بر روي نمايشگر استفاده مي‌كنند. ايجاد شبكه در واقع يك مرحله پردازشي است. آن با دو لايه شفاف آغاز مي‌شود. به يكي از اين لايه‌ها ستونها و به ديگري رديف‌هايي واگذار مي‌شود كه از مواد هادي و شفاف ساخته مي‌شود؛ اينها معمولا اكسيداينديم قلع هستند. ستونها و رديفها به مدارات مجتمع(ICها) مرتبط مي‌شوند و زماني كه شارژ از ستون يا سطر خارج شود با اين مدارات، كنترل خواهد شد. مواد كريستال مايع مابين دو لايه شفاف ذكر شده قرار خواهد گرفت؛ يك فيلم پلاريزه به بخش خارجي از هر يك از اين لايه اضافه مي‌شود.

سادگي سيستم ماتريس غيرفعال جالب است اما نواقصي نيز به همراه دارد؛ از جمله زمان پاسخ كوتاه و كنترل ولتاژ بدون دقت. زمان پاسخ به توانايي LCD براي تازه‌سازي(refresh) نمايش تصوير بر مي‌گردد. راحت‌ترين راه براي مشاهده زمان پاسخ كوتاه در يك LCD ماتريس غير فعال اين است كه نشانگر ماوس را به سرعت از سمت صفحه نمايش به سمت ديگر حركت دهبد؛ در حالتي كه اين حركت انجام مي‌شود به "سايه"هايي كه در پي نشانگر ظاهر مي‌شود توجه كنيد. كنترل ولتاژ با عدم دقت از توانايي ماتريس غير فعال جلوگيري مي‌كند و در يك زمان تنها بر يك پيكسل تاثير مي‌گذارد. زماني كه ولتاژ براي از هم باز كردن يك پيكسل بكار گرفته مي‌شود، تصاوير پيكسلهاي اطراف نيز تا حدي از هم باز مي‌شود كه باعث مي‌شود تصاوير تار به نظر آمده و كنتراست خود را از دست بدهد.

LCDهاي ماتريس فعال به TFTها وابسته هستند. اساسا TFTها ترانزيستورها و خازنهاي كوچك سوييچ شونده هستند. آنها در يك ماتريس و بر روي يك لايه شفاف مرتب مي‌شوند. براي آدرس‌دهي يك پيكسل، 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 كه براي يك كريستال تامين مي‌شود كنترل گردد، خواهيد توانست آن را از هم باز كنيد(فقط براي گذر مقداري از نور)، بيشتر نمايشگرهاي امروزي در هر پيكسل 256 سطح روشنايي پيشنهاد مي‌كنند.



پيشرفت‌هاي LCD

تكنولوژي LCD مدام در حال رشد است. LCDهاي امروزي چندين گونه از تكنولوژي كريستال مايع را بكار مي‌گيرند كه شامل اين موارد هستند: (7)STN، (8)DSTN، (10)FLCو (10)SFLC.

اندازه نمايشگر محدود به مشكلات كنترل كيفيت(QC) مي‌شود كه به سازنده‌هاي آنها برمي‌گردد. جهت افزايش اندازه نمايشگر سازنده‌ها بايستي پيكسلها و ترانزيستورهاي بيشتري به محصول اضافه كنند. چنانچه آنها تعداد پيكسلها و ترانزيستورها را اضافه كنند شانس وجود ترانزيستورهاي با كيفيت پايين را افزايش مي‌دهند. سازندگان بزرگ LCD غالبا در حدود 40 درصد از آنها در خط توليد خود رد مي‌كنند. 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 كه قدرت خريدش براي مشتريان امكان پذير است. در تعداد بسيار زياد منجر مي‌شود.