LCD یا Liquid Crystal Display  صفحه نمایش کریستال مایع می باشد

LCD یا Liquid Crystal Display  صفحه نمایش کریستال مایع می باشد.

کریستال های مایع موادی هستند که خواصی بین مایع و جامد دارند. کریستال های مایع به دما حساس هستند و با اندکی حرارت تبدیل به مایع می شوند و با اندکی سرما به حالت اولیه خود بر می گردند. دسته ای از کریستال های مایع هستند که نسبت به جریان الکتریسیته حساس هستند طوری که ملکول های آن در اثر اعمال ولتاژ تغییر زاویه می دهند. نکته جالب این است که وقتی نور وارد کریستال مایع می شود پلاریزاسیون یا قطبیت نور هم جهت با ملکول های کریستال مایع تغییر می کند.

در ساخت LCD  چند مورد اهمیت دارد.

منبع نور

در ابتدا نور توسط منبع نور تابش می شود. منبع نور به دو طریق ایجاد می شود.

CCFL یا Cold Cathode Fluorescence Lamp  که همان لامپ های فلورسنت (مهتابی) می باشند.

LED یا Light Emitting Diode

پلاریزه کردن نور

از دو صفحه پلاریزه افقی و عمودی تشکیل شده است.

صفحه پلاریزه افقی بعد از منبع نور قرار می گیرد و نور را پلاریزه می کند. نور پلاریزه شده وارد کریستال مایع می شود.

صفحه پلاریزه عمودی بعد از منبع نور قرار می گیرد و نور ها را بصورت عمودی پلاریزه می کند. صفحه پلاریزه عمودی بعد از فیلتر های رنگی RGB  قرار می گیرد و به نور های رنگی که هم جهت با جهت پلاریزاسیون این صفحه باشد اجازه عبور می دهد.

کریستال مایع بین دو صفحه پلاریزه افقی و عمودی قرار می گیرد. ملکول های کریستال مایع بوسیله الکترود هایی (ماده‌ای رسانا است که از یک سو به بخش فلزی و از سوی دیگر به بخش غیرفلزی مدار الکتریکی متصل شده و بین آنها ارتباط برقرار می کند) تحریک می شوند و ولتاژ اعمال شده به کریستال باعث می شود که قطبیت نور در راستای جابجایی ملکول های کریستال مایع تغییر کند و به لایه فیلتر های رنگیRGB  برسد.

برای تشکیل 1 پیکسل نیاز به داشتن 3 ساب پیکسل داریم. هر ساب پیسکل یک رنگ (RGB) به خودش می گیرد و در پایان ترکیب 3 ساب پیکسل یک پیکسل را ایجاد می کند.

نور رنگی در پایان بهLCD  می رسد و پیکسل ها روشن می شوند.

لایه کریستال مایع

فیلتری متشکل از رنگ های RGB

صفحهLCD

اما واقعا چه اتفاقی در یک کریستال مایع می افتد.

در ابتدا ملکول های کریستال مایع تحریک نمی شوند. نور از سمت راست به صفحه پلاریزه افقی تابیده می شود.

اشعه های نور هم جهت با ملکول های کریستال مایع از پلاریزه افقی در مبدا تغییر قطبیت می دهند و دارای پلاریزه عمودی می شوند.

در نتیجه نور تابیده شده که قطبیت آن از افقی به عمودی تغییر کرده است، از صفحه پلاریزه عمودی در انتهای مسیر خارج می شوند و صفحه پایانی را روشن می کنند.

حال اگر به دو سر کریستال مایع ولتاژ اعمال کنیم چه اتفاقی می افتد.

مشاهده می شود که با اعمال ولتاژ به کریستال مایع قطبیت ملکول های آن تغییر یافت ، به صفحه پلاریزه افقی نور تابیده می شود.

در نتیجه نور تابیده شده به صفحه پلاریزه عمودی در انتهای مسیر برخورد می کند (نور دارای پلاریزه افقی و صفحه دارای پلاریزه عمودی است) و نمی تواند صفحه پایانی را روشن کند.

نکته : بنابراین براحتی می توان کریستال مایع را در معرض جریان الکتریسیته قرار داده و نور را از آن عبور داد و می توان با قرار دادن فیلتر رنگی قبل از صفحه پلاریزه آخری پیکسل های رنگی مورد نظر را ایجاد کرد. دقت کنید که تمام سناریوی بالا برای یک ساب پیکسل انجام می شود. در تکنولوژی رنگ ها درLCD  و جاهای دیگر همیشه 3 رنگ اصلی آبی و قرمز و سبز داریم و از ترکیب این رنگ ها است که رنگ های دیگر ساخته می شوند. حال اگر ولتاژ اعمالی در این سناریو برای رنگ قرمز بود در نتیجه همین سناریو با ولتاژ های مناسب برای رنگ های آبی و سبز نیز انجام می شود.

بنابراین در تکنولوژیLCD  سه ساب پیکسل با رنگ های RGB  داریم و بعد از ساخت ساب پیکسل های رنگی از ترکیب سه رنگ ایجاد شده در 3 ساب پیکسل رنگ یک پیکسل مشخص می شود. و در پایان تمام پیکسل ها بدین صورت ساخته می شوند.

در سمت چپ به کریستال مایع ولتاژ اعمال نشده است و نور های تابیده شده در کریستال مایع هم جهت با ملکول های کریستال مایع تغییر قطبیت داده اند و از صفحه پلاریزه عمودی در انتها خارج شده است.

در سمت راست به کریستال مایع ولتاژ اعمال شده است و نور به صفحه پلاریزه عمودی در انتها برخورد کرده است.

انواع LCD

Active Matrix : از لایهTFT  برای شارژ (اعمال ولتاژ به) یک پیکسل خاص استفاده می شود که باعث می‌شود هر پیکسل از دیگر پیکسل ‌ها مستقل باشد.

Passive Matrix : نوع ساده ای از شبکه ماتریسی می باشد که برای فراهم کردن شارژ (اعمال ولتاژ به) یک پیکسل خاص استفاده می شود. نوعی از آدرس دهی پیکسل‌ها در صفحه ‌نمایش که در آن پیکسل‌ها به هم وابسته هستند و تا زمان نوسازی دوباره، همگی در همان حالت باقی می‌مانند.

سیستم کاری این روش ساده است. این روش از یک الگوی ماتریسی استفاده می کند. در ساخت این نوع LCD  ها از دو لایه شیشه ای ماتریسی استفاده می شود. یکی از لایه ها مسئول ستون ها و لایه دیگر مسئول سطر ها می باشد. سطرها و ستون ها طبق الگوی ماتریسی به مدارات مجتمع در بردLCD  وصل می شوند. سپس این الگوی ماتریسی درون کریستال مایع قرار می گیرد.

برای روشن کردن یک پیکس خاص IC  تصویر در بردRGB  که اطلاعات کاملی از مختصات پیکسل مربوطه دارد ، ولتاژی (مثبت) را به ستون ارسال می شود و سپس در لایه سطر ها Ground  (منفی) در سطر فعال می شود و بدین ترتیب سطر و ستون در یک نقطه همدیگر را قطع می کنند و در نتیجه ولتاژ را از ملکول های کریستال مایع عبور داده و کریستال در آن پیکسل خاص باز یا Untwist  می شود.

نکته : برای بر طرف کردن عیب های روشPassive Matrix  از لایه TFT (Thin Film Transistor) در ساختLCD  ها استفاده شده است. با داشتن یک ترانزیستور و خازن در هر ساب پیکسل می توان مطمئن شد پیکسل های اطراف تحت تاثیر اعمال ولتاژ قرار نخواهند گرفت.

لایهTFT  یک لایه ای شیشه ای از ترانزیستور ها و خازن ها هستند. برای آدرس دهی یک پیکسل خاص ، سطر مناسب روشن شده (منفی) سپس ولتاژ (مثبت) بر ستون صحیح اعمال می شود. از آنجایی که تمام سطرهای دیگری که با آن ستون در تماس اند خاموش هستند تنها خازنی که در پیکسل مورد نظر قرار دارد ولتاژ را دریافت می کند. خازن قادر به نگهداری ولتاژ تا دوRefresh  بعدی می باشد و اگر به اندازه کافی میزان ولتاژ اعمال شده به پیکسل مورد نظر را کنترل کنیم می توانیم کریستال را به اندازه کافی باز کنیم تا نور از آن عبور کند.

مشکلاتی که در روش Passive Matrix  ایجاد می شود به موارد زیر بر می گردد.

عدم کنترل دقیق ولتاژ : زمانی که به یک پیکسل خاص ولتاژی اعمال می شود تا کریستال باز شود ، پیکسل های اطراف نیز تحت تاثیر قرار می گیرند و تا اندازه ای باز می شوند. بنابراین تصویر دارای کنتراست و روشنایی کمتری می شود.

زمان پاسخ آرام : اگر اشاره گر موس را حرکت دهید ردی از موس را مشاهده می کنید چون زمانRefresh  تصویر کمی طول می کشد.

این مشکلات در روشActive Matrix  برطرف شده است.

نکته : معمولا نرخRefresh  تصویرLCD  برابر 60 هرتز می باشد. نرخ 60 هرتز به این معنی است که یک پیکسل در ثانیه 60  بار رفرش می شود. یعنی هر ثانیه 60  بار باید پیکسل تحریک (اعمال ولتاژ) شود تا رنگ نهایی ایجاد شود.

مزایای استفاده ازLCD

بسیار سبک و فشرده

مصرف انرژی کمتر

عدم اعوجاج هندسی

معمولا هیچ پرشی درRefresh-Rate  وجود ندارد بدلیل وجود تکنولوژیBacklight

تصاویر واضح بدون لکه در رزلوشن اصلی

امکان نمایش اطلاعات از طریقDVI  وHDMI  بدون نیاز به تبدیل به آنالوگ

ساطع کردن تابش الکترومغناطیسی کمتر در مقایسه باCRT

بدون مشکل سوختن تصویر

امکان ساخت در هر اندازه و شکل

نبود محدودیت رزلوشن از نظر تئوری

اثر ماسکینگ

بسیار نازک تر در مقایسه باCRT

معایب استفاده از LCD

زاویه دید محدود، باعث می شود که رنگ، اشباع و روشنایی و کنتراست در زوایای دید مختلف، متفاوت باشند.

روشنایی پس زمینه ناهموار که باعث اعوجاج روشنایی می شود به خصوص در گوشه ها می شود

بدلیل زمان پاسخ زیاد، دچار لکه و اثر روح بر روی صفحه نمایش در هنگام نمایش اجسام متحرک می شوند. (زمان پاسخ بزرگتر از 8 میلی ثانیه)

در سال 2012، بیشتر نورهای پس زمینه استفاده شده درLCD  ها ازPWM  برای تیره کردن نمایشگر استفاده می کنند که باعث پرش واقعی بیشتری از CRT در نرخ رفرش 85 هرتز می شود. متاسفانه بیشتر مردم نمی دانند که درد چشم هایشان در نتیجه اثر نامرئیPWM  می باشد.

فقط یک رزلوشن اصلی را می توانند دارا باشند. نمایش رزلوشن های دیگر باعث مشکلات تاری و عدم وضوح می شود.

عمق تصویر ثابت

تاخیر ورودی

وجود پیکسل مرده یا گیر کرده

عدم طراحی برای تعویض راحت منبع نور پس زمینه

افت کنتراست در محیط با دمای بالا

نمایش ضعیف در زیر نور مستقیم خورشید

نکته : در اینجا می خواهیم کمی از تکنولوژی های قبل (CRT) و بعد (LED  و OLED) صحبت کنیم.

اولین نسل نمایشگر‌هایی که به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفت، نمایشگر‌هایCRT  یاCathode Ray Tube  بودند که از لوله پرتو کاتدی برای آشکارسازی تصاویر استفاده می‌کردند مانند تلویزیون‌ها و مانیتور‌های قدیمی که امروزه تقریبا منسوخ شده است.

يك مانيتورCRT  قديمي از يك لوله كه شبيه يك بطري شيشه اي بزرگ است استفاده مي كند. سه تفنگ الكتروني در سمت باريك آن قرار دارند که الكترون ها را به سمت صفحه بزرگ مسطحي كه در برابر تماشاگر قرار دارد شليك مي كنند.

در داخل صفحه اي كه ما به آن نگاه مي كنيم بوسيله لايه نازكي از فسفر به صورت نقطه اي پوشانده شده است. آنها در گروههاي 3 تايي مرتب شده اند قرمز ، سبز و آبي. آنها با يكديگر يك پيكسل را مي سازند. اين نقاط زماني روشن مي شوند كه كه بوسيله الكترونها از طرف تفنگ الكتروني ضربه مي زنند. هر كدام از اين تك نقطه ها بوسيله يك پرتو الكترون ضربه مي خورند. هر چه پرتو الكترون قويتر باشد نقاط نوراني تر مي شوند. اشعه الكتروني بوسيله ميدان مغناطيسي هدايت مي شود كه به اشعه انحنا مي دهند تا دقيقاً به نقطه مطلوب اصابت كنند. هر كدام از سه تفنگ الكتروني بايد بدون وقفه نقطه هاي مقصد را از چپ به راست و خط به خط از بالا به پايين اسكن كنند و اين كار را معمولاً 70 تا 85 بار در ثانيه انجام مي دهند. شدت اشعه هر تفنگ الكتروني براي هر تك نقطه مي تواند تنظيم شود تا رنگ نهايي را ايجاد كند.

تکنولوژی LED  یاLight Emitting Diodes  است که برای نوردهی از چراغ‌هایLED  استفاده می‌کنند. شیوه تولید نور درLED  به این صورت است که الکترون‌ ها فضا ‌های خالی انرژی را پر می‌کنند و حین جابه‌جایی بین تراز‌های انرژی ، انرژی را به صورت فوتون آزاد می‌کنند. رنگ نور تولید شده از هر یک از چراغ‌هایLED  به میزان انرژی فوتون آزاد شده بستگی دارد. صفحاتLED  به جای لامپ های فلوئورسنت کاتدی سرد که در صفحاتLCD  از آنها استفاده می شود، از نور پس زمینه دیود ساطع کننده نوری استفاده می کنند. پس از به کار بردن لایهTFT  درLCD  ها، تقریباً در همه‌ انواع نمایشگر‌ها از این لایه استفاده شد. LED هم از این قاعده مستثنا نیست. از ویژگی‌های نمایشگر‌هایLED  می‌توان به کیفیت تصویر بهتر نسبت به LCD ، کنتراست دینامیک ، باریک بودن ، طیف رنگی گسترده به دلیل استفاده از چراغ‌های LED ، آلودگی زیست محیطی کمتر و طول عمر بیشتر نسبت بهLCD  اشاره کرد. البتهLED  ها گرانتر ازLCD  هستند.

تکنولوژیOLED  یاOrganic Compounds LED  است. البته تفاوت‌هایی دارند اما اساس کار آنها یکسان است. در نمایشگر‌هایOLED  از یک لایه ترکیبات آلی (ترکیبات هیدروکربن دار) استفاده می‌شود و بر خلافLCD  وLED  که به نور پس زمینه احتیاج دارند ، OLED به این نور نیاز ندارد چرا که هر پیکسل خودش به طور مستقل نور تولید می‌کند. یکی از مزیت‌هایOLED  این است که رنگ مشکی حقیقی را نشان می‌دهد. در نمایشگر‌هایLCD  وLED  ، یک نور پس زمینه کلی از پشت به همه‌ پیکسل‌ها تابیده می‌شود و پیکس‌ها رنگ تولیدی خود را روی آن رنگ پس زمینه قرار می‌دهند. وقتی قرار است رنگ مشکی در این نمایشگرها نشان داده شود ، علاوه بر نور پس زمینه ، پیکسل ‌ها رنگ مشکی را هم تولید می‌کنند و وقتی این دو نور با هم ترکیب می‌شوند ، رنگی نزدیک به مشکی تولید می‌شود. به همین دلیل است که درLCD  وLED  هیچ وقت رنگ مشکی، خالص نیست. اما درOLED  به هنگام نمایش رنگ مشکی ، پیکسل‌ها به طور هوشمند خاموش می‌شوند تا اینگونه علاوه بر نمایش رنگ مشکی حقیقی و خالص ، مصرف انرژی هم تا حد زیادی کاهش پیدا کند. برآورد شده که در آینده ساخت نمایشگر‌هایOLED  کم هزینه خواهد بود و جایگزینLCD  وLED  خواهند شد. وزن کم ، انعطاف پذیری ، باریک بود ، زاویه دید بالا ، روشنایی زیاد ، مصرف انرژی کم و سرعت پاسخگویی سریع از ویژگی‌هایOLED  ها است.

نویسنده : مهندس عیسی رشوند