 شما احتمالا از وسایلی که دارای LCD( صفحه نمایش کریستال مایع) باشند همه روزه استفاده می کنید. آنها اطراف ما هستند در laptop ها ,ساعت های دیجیتالی,اجاق های مایکوویو, cd player ها وبسیاری از وسایل الکترونیکی دیگر. LCD ها به این دلیل رایج هستند که فواید بسیار زیادی نسبت به دیگر تکنولوژی های نمایش دارند.آنها سبکت و نازکتر هستند وانرژی کمتری نسبت به لوله اشعه کاتودی (CRTs ) مصرف می کند .
وحالا این کریستال های مایع چه هستند؟کلمه کریستال مایع مفهوم متناقضی دارد.ما کریستال را به عنوان ماده جامدی چون کوارتز ومعمولا به سختی سنگ می شناسیم ومایع معنای کملا متفاوتی دارد.چگونه ماده ای می تواند هر دو را داشته باشد؟
در این مقاله میآموزیم که کریستال مایع بر این نیرنگ خارق العاده پیروز می شود و همچنین نگاهی می اندازیم به تکنولوژی زیر بنایی که باعث می شود LCD کار کند.
همچنین می آموزید که چگونه از خصوصیات عجیب کریستال مایع برای ساخت نوع جدیدی از شاترها استفاده شده است واینکه چگونه شبکه از این شاتر های نازک برای ایجاد الگو هایی که نمایانگر اعداد ,کلمات و تصاویر باز و بسته می شوند.
کریستال های مایع
در مدرسه آموختیم که سه حالت ماده وجود دارد:جامد ,مایع یا گاز.شکل جامدات ثابت است زیرا مولکول های آنها موقعیت خود را حفظ می کند و در موقعیت مشابه نسبت به دیگر مولکول ها باقی می ماند.مولکولها در مایعات دقیقا مخالف این هستند :آنها می توانند موقعیت خود را تغییر دهند وبه هر جایی در مایع بروند.ولی بعضی مواد هستند که می توانند با حالت عجیبی رفتار کنند نسبتا مایع وجامد.وقتی آنها در این حالت هستند مولکول های آنها میل دارند تا موقییت خود را حفظ کنند مانند ملکول ها در جامدات اما در عین حال نیز موقعیت خود را عوض می کنند مانند مولکول ها در مایعات.این به آن معناست که کریستال های مایع نه مایع هستند نه جامد.
پس آیا کریستال های مایع مانند جامدات رفتار می کنند یا ایعات یا چیز دیگری؟به نظر می رسد که کریستال های مایع بیشتر به حالت مایعات رفتار می کنند تا جامدات.این مواد گرمای نسبتا خوبی برای تبدیل شدن از حالت جامد به مایع نیاز دارند,وهمچنین کمی گرمای بیشتر برای تبدیل کریستال مایع به مایع واقعی نیاز است. این روند توضیح میدهد که چرا کریستال های مایع به دما بسیار حساس هستند و اینکه چرا از آنها در ساخت گرماسنج و mood ring ها استفاده میشود.همچنین توضیح می دهد که چرا صفحه نمایش laptop به صورت خنده داری در هوای سرد یا در یک روز گرم در کنا ساحل رفتار میکند.
فاز نماتیک(nematic) کریستال های مایع
همانطور که مواد جامد و مایع مختلفی وجود دارند ,مواد مختلفی از کریستال های مایع نیز وجود دارند.بسته به دما و ساختار خاص ماده , کریستال های مایع میتوانند در یکی از فاز های متمایز باشند.در این مقاله ما کریستال های مایع را در فاز نماتیک,کریستال های مایعی که کارکرد LCD ها را ممکن میسازند مورد بحث قرار می دهیم.
یکی از خصوصیات کریستال های مایع این است که آنها تحت تاثیر جریان الکتریسیته قرار می گیرند.نوع خاصی از کریستال های مایع نماتیک که به آن نماتیک های تابیده (TN)میگویند,به طور طبیعی تابیده شده هستند.اعمال جریان الکتریسیته به این نوع از کریستال های مایع باعث باز شدن آنها در درجات مختلفی,بسته به ولتاژ اعمالی میشود .LCDها از این کریستال های مایع استفاده میکنند زیرا آنها به شکل قابل پیش بینی سنبت به جریان الکتریسیته واکنش نشان میدهند که میتوان از آن برای کنترل گذرگاه نور استفاده کرد.
انواع کریستال های مایع
بیشتر مولکول های کریستال های مایع میله ای شکل هستند و به صورت گسترده ای در یکی از دو گروه گرماگرایی(thermotropic) یا lyotropic طبقه بندی می شوند.
ساختار کریستال های مایع
کریستال های مایع گرما گرا به تغییرات دما واکنش نشان می دهند یا در بعضی مواقع به فشار.واکنش کریستال های مایع lyotropic که در ساخت صابون ها و شوینده ها به کار میروند ,بسته به نوع حلالی است که با آنها آمیخته شده است. کریستال های مایع گرماگرا یا ایزوتوپی(isotropic) یا نماتیک(nematic) هستند.تفاوت کلیدی این است که آرایش مولکول ها در کریستال های مایع ایزوتوپی نا منظم است در حالی که مولکول ها در کریستال های مایع نماتیک ترتیب یا الگوی مشخصی دارند.
موقعیت مولکول ها در فاز نماتیک بر اساس هدایت کننده است.هدایت کننده میتواند هر چیزی باشد از میدان مغناطیسی گرفته تا هر سطحی که شیار های میکروسکوپی در خود داشته باشد.در فاز نماتیک نیز کریستال های مایع میوانند بسته به آرایش مولکول ها نسبت به هم طبقه بندی شوند.Smetic رایج ترین آرایش ,لایه هایی از مولکول ها را ایجاد میکند.انواع مختلفی از فاز Smetic وجود دارد مانند Sematic C که در آن مولکول ها در هر لایه در زاویه خاصی نسبت به لایه قبل کج میشوند.فاز رایج دیگر Cholestric است که همچنین به عنوان Chiral nematic نیز شناخته می شوند.در این فاز مولکول ها به آرامی نسبت به لایه قبل می چرخند تا به شکل حلرونی در آیند.
کریستال های مایع فرو الکتریک( ferroelectric liquid crystals) (FLCs) از کریستال های مایعی استفاده میکنند که دارای مولکول های Chiral در آرایش نوع smetic C هستند زیرا طبیت حلزونی( مارپیچی) این مولکول ها اجازه زمان پاسخ میکرو ثانیه ای سوییچینگ را می دهد که FLC ها را برای صفحه نمایش های پیچیده آماده میسازد.
کریستال های مایع فرو الکتریک که سطح آنها پایدار شده است
(Surface-stabilized ferroelectric liquid crystals) (SSFLCs) فشار کنترل شده ای را با استفاده از صفحه شیشه ای اعمال می کنند که باعث می شود تا حالت مارپیچی (حلزونی) مولکول ها فشرده شده و در نتیجه عمل سوییچینگ با سرعت بیشتری انجام گیرد.
ساخت LCD
فاصله بسیار زیادی بین ساخت LCD و ساخت تنها صفحه از کریستال مایع وجود دارد.از ترکیب 4 واقعیت ساخت LCD ممکن میشود:
-نور باید بتواند پولاریزه (قطبی) شود.
- کریستال مایع میتواند نور پلاریزه شده را انتقال وتغییر دهد.
-ساختار کریستال مایع توسط جریان الکتریسیته تغییر میکند.
-مواد شفافی هستند که می توانند الکتریسیته را هدایت کنند.
LCD دستگاهی است که از این 4 اصل به شکل شگفت آوری استفاده می کند.
برای ساخت LCD دو تکه شیشه پلاریزه شده بردارید.پلیمر خاصی که شیار های میکروسکوپی در سطح ایجاد می کند بر روی سطحی از شیشه که با لایه پلاریزه پوشیده نشده است می مالید .شیار ها باید در همان جهتی باشند که لایه پلاریزه است.سپس پوششی از کریستال مایع نماتیک را ه یکی از فیلتر ها بیفزایید.شیارها باعث می شوند تا اولین لایه از ملکول ها با جهت فیلتر ها مطابقت پیدا کند.آنگاه دومین شیشه را با لا یه پلاریزه با جهت راست به اولین قسمت بیفزایید. هر لایه موفقیت آمیز از مولکول های TN تدریجا میچرخد تا اینکه بالاترین لایه نسبت به پایین ترین لایه زاویه 90 درجه داشته باشد , مطابقت یافتن با فیلتر های شیشه ای پلاریزه شده.
هنگامی که نور با فیلتر اول برخورد میکند آن را پلاریزه می کند.مولکول ها در هر لایه آنگاه نوری راکه دریافت کرده اند را به لایه بعدی هدایت می کنند.هنگامی که نور از لایه کریستال مایع عبور می کند مولکول ها نیز سطح ارتغاشی نور را تغییر می دهند تا با زاویه خود مطابق کنند.هنگامی که نور به سطح دیگر ماده کریستال مایع رسید,با زاویه اخرین لایه از مولکول ها ارتعاش می کند.اگر آخرین لایه با فیلتر شیشه ای پلاریزه شده دوم مطابقت داشت آنگاه نور از میان آن می گذرد.
اگر به ملکول های کریستال مایع شارژ الکتریکی وصل کنند ,آنها باز می شوند! هنگامی که این مو لکول ها صاف شدند,زاویه نوری که از میان آنها می گذرد را تغییر می دهند در نتیجه دیگر دیگر با زاویه فیلتر پلورایز کننده مطابقت ندارد.در نتیجه دیگر نوری نمی تواند از آن ناحیه از LCD بگذرد,که این خود باعث می شود این ناحیه نسبت به دیگر نقاط اطراف آن تیره تر باشد.
ساخت LCD خودتان
ساختن LCD ساده تر از چیزی است که فکر می کنید.شما با ساندویچ شیشه و کریستال مایع همان طور که در بالا اشاره شد شروع می کنید و 2 الکترود شفاف به آن می افزایید.برای مثال فرض کنید می خواهید ساده ترین LCD موجود را طراحی کنید با تنها یک الکترود مسطتیلی بر روی آن.لایه ها چنین خواهند بود:
LCD ای که برای این کار مورد نیاز است بسیار ابتدایی است.آن یک آینه(A) در پشت, که باعث میشود LCD منعکس کننده باشد.آنگاه شیشه ای(B) با لایه پلاریزه در یک انتهای آن ویک صفحه الکترودی(C) رایج که از اکسید ایندیوم-قلع در بالا ی آن تشکیل شده است را می افزاییم.
یک صفحه رایج الکترودی سطح LCD را به طور کامل می پوشاند.در بالای آن یک لایه از کریستال مایع است(D).بعد از آن شیشه دیگری (E) همراه با الکترودی به شکل مستطیل در کف آن ودر بالا, لایه پلاریزه دیگری با زاویه راست نسبت به اولین لایه پلاریزه قرار دارد.الکترود به منبع انرژی ای همچون یک باطری متصل می گردد.هنگامی که هیچ گونه جریانی وجود ندارد,نوری که از بخش جلوی LCD وارد شده است با آینه برخورد کرده و باز تابانیده می شود.اما هنگامی که باطری ها جریان را برای الکترود ها ایجاد می کنند,کریستال مایع بین الکترود صفحه ای و الکترود مستطیل شکل, باز شده (untwist) و مانع از عبور نور در آن ناحیه می شود.این باعث می شود تا LCD مستطیل را به عنوان قسمتی تیره نمایش دهد.
نور پشتی در مقایسه با انعکاسی
توجه داشته باشید که LCD ساده ما نیاز به یک منبع نور خارجی دارد.موادی از نوع کریستال های مایع نوری از خود ساتع نمی کنند.LCD های ساده و ارزان معمولا انعکاسی هستند به این معنا که برای نمایش هر چیزی آنها باید نور را از منبع خارجی منعکس کنند.نگاهی به ساعت LCD بیندازید:اعداد جایی به نمایش در می آیند که الکترود های کوچک کریستال های مایع را شارژ کرده و باعث باز شدن(untwist) آن میشوند,در نتیجه نور نمی توانداز لایه پلاریزه عبور نماید.
بیشتر نایشگر های کامپیوتری توسط لامپ های فلورسنت داخلی آنها که در بالا ,کنار و یا پشت LCD انها قرار دارد روشن می شوند.صفحه ی سفید پخش کننده در پشت LCD نور را به صورت یکنواخت پخش می کند تا نمایشگر یکریختی داشته باشیم.در ین گذر از فیلتر ها , لایه هایکریستال مایع ولایه های الکترودی بیشتر این نور گم می شود, معمولا نیمی از آن!
در مثال ما یک صفحه الکترودی و یک میله الکترودی داریم که مشخص می کند کدام کریستال مایع به شارژ پاسخ داده است.اگر لایه حاوی تنها یک الکترود ساده را برداشته وبا چندین لایه دیگر جایگزین کنیم آغاز به ساخت LCD های پیچیده کرده ایم.
سیستم های LCD
LCD های بر پایه صفحات برای ننمایشگر هایی مناسب هستند که می خواهند اطلاعات یکسانی را بارها نمایش دهند.ساعت ها و زمان سنج های مایکرو ویو در این رده بندی قرار می گیرند.با اینکه نوع شش گوشه الکترودها که قبلا به نمایش گذارده شد رایج ترین نوع مورد استفاده در این دستگاه ها می باشد,با این حال هر نوع شکلی امکان پذیر است.دو نوع اصلی از LCD ها موجود است:active matrix و passive matrix.در بخش های آینده با دو نوع آشنا می شوید.
تاریخچه LCD
اموزه LCD ها را هر طرف که نگاه کنیم می بینیم اما آنها یک شبه به وجود نیامدند.زمان بسیار زیادی از کشف کریستال مایع تا انبوه برنامه های LCD که ما امروزه لذت می بریم به طول انجامید.کریستال مایع نخستین بار در سال 1988 توسط گیاه شناس اطریشی Friedrich Reinitzer کشف شد. Reinitzerمشاهده کرد که هر گاه یک ماده کلسترول مانند نادر(cholesteryl benzoate)را ذوب می کند,ابتدا تبدیل به مایعی کدر شده و سپس با افزایش دما واضح می شود.در حین سرد سدن مایع ابتدا آبی رنگ شده و د نهایت تبدیل به کریستال می شود.80 سال بعد RCA نخستین LCD تحقیقاتی را در سال 1968 ساخت.از آن آن زمان سازندگان LCD به صورت ثابت انواع مبتکرانه وپیشرفته آن را توسعه دادند و این تکنولوژی را به سطوح پیچیده آن رسانیدند.
Passive matrix
LCD های passive matrix از نوع ساده ای از شبکه برای فراهم کردن شارژ برای یک پیکسل خص بر روی نمایشگر استفاده می کنند. ساخت شبکه خود روندی مجزاست!این روند با دو لایه شیشه ای به نام سفره(substrates) آغاز می شود. یکی از سفره ها مسئول ستون ها ودیگری مسئول سطر هایی است که از مواد هادی شفاف تشکیل شده اند.که کعکولا از جنس اکسید ایندیوم پوشیده شده با قلع است. سطر ها ستون ها به مدارات مجتمی متصل هستند که مشخص می کند چه زمان ولتاژ باید در یک سطر یا ستون خاص قرار گیرد.کریستال مایع در بین دو سفره قرار می گیرد و لایه پلاریزه شده نیز به سطح خارجی هر یک ازسفره ها افزوده می شود. برای روشن کردن یک پیکسل مدارات مجتمع ولتاژی در ستون صحیح یکی از سفره ها ارسال می کنند ودر سفره دیگر ground در سطر صحیح فعال می شود.
سطر وستون در پیکسل خاص همدیگر را قطع می کنند ودر نتیجه ولتاژ را عبور داده و کریستال مایع را در آن پیکسل باز (untwist)می کنند.
سادگی passive matrix زیباست اما معایب مهمی دارد چون زمان پاسخ آرام و کنترل ولتاژ نا دقیق.زمان اجرای LCD به توانایی آن در refresh کردن تصویری که نمایش می دهد باز می گردد.ساده ترین راه برای مشاهده رمان پاسخ آرام در LCD های passive matrix حرکت دادن اشاره گر موس از یک طرف صفحه نمایش به طرف دیگر آن است.در این حالت شما ردی از موس را به دنبال اشاگر مشاهده می کنید.کنترل ولتاژ نا دقیق مانع از passive matrix در تاثیر گذاری بر تنها یک پیکسل در هر زمان می شود.هنگامی که ولتاژ اعمال می شود تا یک پیکسل را باز کند,پیکسل های اطراف آن نیز تا اندازه ای باز می شوند که باعث می شوند تا تصویر ریشدار و با کنتراست پایین به نظر آید.
Active Matrix
LCD های active matrix به ترانزیستورهای لایه ای نازک (TFT)وابسته اند. اصولا TFT ها ترانزیستورها یا خازن های ریز هستند.آنها در یک ماتریس بر روی سفره شیشه ای گرد آمده اند.برای آدرس دهی یک پیکسل خاص ,سطر مناسب روشن شده,وآنگاه ولتاژ بر ستون صحیح اعمال می گردد.از آنجایی که تمام سطر های دیگری که با با آن ستون در تماس هستند خاموشند,تنها خازنی که در پیکسل مورد نظر قرار دارد ولتاژ را دریافت می کند.خازن قادر به نگهداری ولتاژ تا دور refresh بعدی می باشد.و اگر ما میزان ولتاژ اعمال شده به کریستال را کنترل کنیم ,می توانیم آن را به اندازه کافی باز کرده تا نور از آن عبور کند.
با انجام این عمل ,افزایش بسیار اندک ,LCD ها قادر به ساخت متمایز کننده رنگ های سیاه و سفید(gray scale) هستند.اکثر نمایشگر های امروزی 256 سطح از روشنایی را برای هر پیکسل ارائه می کنند.
LCD رنگی
LCD ای که قادر به نمایش رنگ باشد باید دارای سه زیر پیکسل با فیلترهای رنگی قرمز,سبز وآبی برای ساخت هر کدام از پیکسل های رنگی باشد.
تحت کنترل دقیق و تنوع ولتاژ اعمالی,شدت هر یک از زیر پیکسل ها بین 256 سایه گوناگون است.ترکیب زیر پیکسل ها جعبه رنگی با 16.8 ملیون رنگ(256 سایه از رنگ قرمز * 256 سایه از رنگ سبز * 256 سایه از آبی)را می سازد ,مطابق شکل.این رنگ ها نیاز مند تعداد زیادی ترانزیستور هستند.برای مثال,کامپیوتر تاشو شفافیت 1024*768 را پشتیبانی می کند.اگر ما 1024 ستون را در 768 سطر در 3 زیر پیکسل ضرب کنیم,به 2,359,296 ترانزیستور می رسیم که بر روی شیشه قرار گرفته است!اگر مشکلی در رابطه با هر یک از این ترانزیستورها پیش آید,یک "پیکسل بد" بر روی صفحه نمایش ایجاد می کند.اکثر active matrix ها تعدادی پیکسل بد که بر روی صفحه نمایش پخش شده اند دارند.
پیشرفت های LCD
تکنولوژی LCD به صورت ثابت در حال نمو می باشد. LCD ها اکنون شامل چندین گونه از تکنولوژی کریستال مایع می باشند,شامل super twisted nematics (STN), dual scan twisted nematics (DSTN), ferroelectric liquid crystal (FLC) و surface stabilized ferroelectric liquid crystal (SSFLC).
اندازه صفحه نمایش به خاطر مشکلات کنترل کیفی که سازندگان با آن مواجه هستند محدود است.زیرا برای افزایش اندازه ,سازندگان باید پیکسل و ترانزیستور بیشتری را اضافه کنند. و افزودن تعداد پیکسل و ترانزیستور بیشتر باعث بالا رفتن شانس ایجاد ترانزیستور بد در صفحات نمایش می شود.سازندگان LCDهای بزرگ اغلب 40 درصد جعبه رنگ های خط تولید را پس می زنند.تعداد خرابی مستقیما بر قیمت LCD تاثیر میگذارد زیرا فروش LCD های خوب باید هزینه هر دو نوع خوب و بد را پوشش دهد. تنها پیشرفت در ساخت LCD ها امکان خرید صفحات نمایش بزرگ را فراهم می کند.
 برگرفته از : www.persialearn.com
|
ویندوز 
