مقالات

افسون نمایشگر ها ۲ | نمایشگرهای LCD

۲۳_LCD_monitor-New
نوشته شده توسط حسن مهدیان منش

در ادامه بحث مربوط به ساختار نمایشگرها، این بار به سراغ نسل دیگری از آن‌ها، موسوم به LCD می‌رویم. LCD مخفف عبارت Liquid crystal display است که به معنای نمایشگر کریستال مایع می‌باشد. قبل از اینکه بخواهیم چگونگی عملکرد این دسته از نمایشگرها را بررسی کنیم ابتدا به بررسی عبارت “کریستال مایع” می‌پردازیم.

کریستال چیست؟

کریستال از ریشه کلمه یونانی کروستالوس  κρύσταλλος است که به معنای “منجمد شده در اثر سرما” است. یونانیان باستان اعتقاد بر این داشتند که اگر آب به مدت زیادی در دمای پایین نگه‌داشته شود به شکل جامدی درمی‌آید که در دماهای بالاتر نیز پایدار است. معادل فارسی (البته عربی) این کلمه، “بلور” می‌باشد که خود این کلمه نیز در اصل از ریشه کلمه یونانی “برلیس” به معنای زمرد و زبرجد است.
اما تعریف علمی کریستال (یا همان بلور) عبارت است از دسته‌ای از ذرات (اتم، مولکول و یا یون‌ها) که بانظم و ترتیب مشخصی در سه جهت فضا قرارگرفته و یک “شبکه” از ذرات را تشکیل دهند.

۱

با این اوصاف می‌توان گفت که عبارت “کریستال مایع” یک پارادوکس است، زیرا ساختار کریستالی فقط در فاز جامد امکان‌پذیر است و نمی‌توان یک مایع را در یک شبکه کریستالی قرار داد. در اصل بهتر است این مواد را، “مایعات ناهمسانگرد” بنامیم.
کریستال مایع ماده‌ای است که خواص آن چیزی بین مایع معمولی و کریستال‌های جامد است. برای مثال یک کریستال مایع می‌تواند مثل یک مایع معمولی جاری شود اما مولکول‌های آن مثل یک کریستال، جهت‌گیری داشته باشند. وقتی زیر میکروسکوپ و با استفاده از نور قطبیده به کریستال مایع نگاه کنیم، فازهای مختلف کریستال مایع به شکل بافت‌های مجزایی ظاهر خواهند شد. ناحیه‌هایی که روشنایی متفاوت دارند نشانگر این‌اند که مولکول‌های آن نواحی در جهت‌های مختلفی هستند؛ اما درون هر ناحیه مولکول‌ها کاملاً هم‌جهت‌اند.

۲

این مواد به شدت به دما حساس می‌باشند و انواعی از آن‌ها نیز وجود دارد که به جریان الکتریکی نیز حساس‌اند و جهت‌گیری مولکول‌های آن‌ها متناسب با ولتاژ اعمال‌شده تغییر می‌کند. این ویژگی، چیزی است که ما را قادر می‌سازد تا بتوانیم با استفاده از این نوع کریستال‌های مایع، نمایشگر بسازیم، اما چگونه؟ برای فهم این موضوع ابتدا توضیح مختصری در مورد قطبش نور می‌دهیم.
نور، در واقع حاصل یک موج از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است که عمود بر هم نوسان می‌کنند. برای سادگی فرض کنید فقط میدان الکتریکی در کار باشد و بازهم برای ساده‌تر شدن مطلب، “قطبش خطی ” را بررسی می‌نماییم. در آن صورت نور را می‌توان مانند شکل زیر، به شکل یک طناب نوسان کننده در نظر گرفت.

۳

اگر از روبه‌رو به این نور نگاه کنیم میدان الکتریکی را می‌بینیم که در یک‌جهت خاص مدام در حال نوسان است.

۴

در حالت عادی این نوسان در تمام جهت‌ها (از ۰ تا ۱۸۰ درجه) وجود داشته باشد. اگر نوری تولید کنیم که میدان آن فقط در یک‌جهت نوسان کند (مثلاً فقط در راستای محور x ها)، به آن نور، نور قطبیده می‌گویند. قطبش گرها موادی هستند که این کار را انجام می‌دهند. این مواد حاوی مولکول‌هایی هستند که مثل میله‌های زندان، در یک‌جهت خاص کشیده شده‌اند. وقتی نوری به سطح آن‌ها می‌تابد، مؤلفه هم‌راستا با این مولکول‌ها عبور می‌کند و مؤلفه عمود برجهت مولکول‌ها جذب می‌شود و بدین طریق نور عادی به نور قطبیده تبدیل می‌گردد.

۵

حال اگر این نور قطبیده را بر قطبش گر دیگری که جهت مولکول‌های آن عمود برجهت مولکول‌های قطبش گر قبلی است بتابانیم تمام نور جذب‌شده و هیچ نوری عبور نمی‌کند.

۶

پس اگر دو قطبش گر که جهت قطبش آن‌ها عمود بر هم (مثلاً یکی در جهت محور x و دیگری در جهت y) است را روی هم قرار دهیم یک سطح کاملاً کدر خواهیم داشت. حال اگر یک قطبش گر دیگر میان این دو قرار دهیم به طوری که در یک‌جهت میانی باشد (مثلاً در زاویه ۴۵ درجه با محور x) خواهیم دید که این سطح نور را از خود عبور می‌دهد (البته با شدت کمتر از حالت عادی).

۷

همین اتفاق در نمایشگرهای LCD می‌افتد، در این نمایشگرها لایه‌ای از کریستال مایع را بین دو سطح قطبش گر که نسبت به هم جهت‌های متعامد دارند قرار می‌دهند. ابتدا نور از قطبش گر اول عبور می‌کند و قطبیده می‌شود (مثلاً در راستای محور x) و سپس به کریستال مایع می‌رسد. اگر کریستال مایع به پتانسیلی متصل نباشد، قطبش نور را ۹۰ درجه تغییر می‌دهد (مثلاً قطبش آن در جهت محور y می‌شود). حال به قطبش گر دوم می‌رسد (که در جهت y قطبیده است)، چون جهت قطبش گر با جهت قطبش نور یکسان است، نور از آن عبور می‌کند، پس در کل یک سطح شفاف داریم؛ اما اگر به کریستال مایع پتانسیلی اعمال شود، جهت‌گیری مولکول‌های آن تغییر کرده و باعث می‌شود قطبش نور، پس از عبور از کریستال مایع تغییری نکند. (همچنان در جهت محور x بماند)، پس در این حالت، وقتی نور به قطبش گر دوم برسد کاملاً جذب می‌شود و هیچ‌چیزی عبور نمی‌کند. پس وقتی به کریستال مایع پتانسیل اعمال می‌کنیم، سطح کدر می‌شود.

۸

بدین روش می‌توان دو نوع نمایشگر کریستال مایع تولید کرد. یک نوع آن بدین شکل است که در انتهای آن یک آینه قرار دارد. نور از بیرون به قطبش گر بیرونی می‌تابد و در یک‌جهت (مثل x) قطبیده می‌شود. اگر فرض کنیم هیچ پتانسیلی به کریستال مایع متصل نیست، قطبش نور ۹۰ درجه می‌چرخد و از قطبش گر انتهایی عبور می‌کند. سپس به آینه برخورد کرده و بازتاب می‌شود. چون قطبش نور هم‌جهت با قطبنده انتهایی است از آن عبور می‌کند. دوباره توسط کریستال مایع ۹۰ درجه می‌چرخد و بالاخره از قطبنده بالایی هم عبور می‌کند. حال اگر به کریستال مایع پتانسیلی اعمال شود، نور از تیغه نمی‌تواند عبور کرده و به آینه برسد. پس یک سایه ایجاد می‌شود. از این نوع نمایشگرها در ساعت‌های دیجیتال و ماشین‌حساب‌ها استفاده می‌شود. این نمایشگرها نیاز به منبع نور خارجی دارند و در محل‌های تاریک غیرقابل استفاده‌اند.

۹

۱۰

دومین نوع نمایشگرهای کریستال مایع بدین صورت‌اند که یک منبع نوری یکنواخت را پشت این تیغه سه لایه قرار دهیم. در حالت عادی اگر پتانسیلی به کریستال مایع اعمال نشود (طبق گفته‌های بالا) تیغه شفاف بوده و نور عبور می‌کند و اگر در یک بخش خاص از تیغه، کریستال مایع را به پتانسیلی متصل کنیم آن بخش تیره می‌شود.

LCD های رنگی

برای تولید یک نمایشگر رنگی باید از ترکیب سه رنگ قرمز، آبی و سبز استفاده کرد. در نمایشگرهای LCD فیلترهای رنگی مختلف در کنار هم به صورت متوالی تکرار می‌شوند. مسلماً هرچه این سلول‌ها کوچک‌تر باشند تصویر باکیفیت‌تر می‌شود (تفکیک‌پذیری آن بیشتر می‌شود).

۱۱

۱۲

منبع نور

در ابتدا، نور اولیه موردنیاز برای کار نمایشگرهای LCD توسط لامپ‌های پرتوکاتدی سرد و یا لامپ فلورسنت تأمین می‌شد ولی امروزه (در نمایشگرهای با تکنولوژی توسط لامپ‌های پرتوکاتدی سرد و یا لامپ فلورسنت تأمین می‌شد ولی امروزه (در نمایشگرهای با تکنولوژی LED) از لامپ‌های دیود نوری استفاده می‌شود.

یک منبع نور قدیمی کاتد سرد

یک منبع نور قدیمی کاتد سرد

یک منبع نوری با استفاده از یک LED و بهره‌گیری از اثر پخش نور

یک منبع نوری با استفاده از یک LED و بهره‌گیری از اثر پخش نور

یک منبع جدیدتر با استفاده از دو سری LED که کیفیت بهتری دارد

یک منبع جدیدتر با استفاده از دو سری LED که کیفیت بهتری دارد

یک نمونه از منبع نوری صفحه‌نمایش‌های LED، در این نمایشگرها، دیودهای نوری به طور یکنواخت در سرتاسر صفحه قرار دارند و نور یکنواخت‌تری تولید می‌کنند.

یک نمونه از منبع نوری صفحه‌نمایش‌های LED، در این نمایشگرها، دیودهای نوری به طور یکنواخت در سرتاسر صفحه قرار دارند و نور یکنواخت‌تری تولید می‌کنند

همان‌طور که دیده می‌شود در انتهای این منبع نوری، شدت نور تولیدشده از جاهای دیگر صفحه بیشتر است.

مان‌طور که دیده می‌شود در انتهای این منبع نوری، شدت نور تولیدشده از جاهای دیگر صفحه بیشتر است

مزیت‌های LCD

اولین مزیت این نمایشگرها نسبت به CRT حجم کم و سبکی آن‌ها می‌باشد.
میزان مصرف برق این نمایشگرها کمتر است. در نمونه‌های قدیمی آن‌ها میزان مصرف این نوع نمایشگر ۳۰ الی ۵۰ درصد مصرف CRT بوده و در LED ها ۱۰ الی ۲۵ درصد می‌باشد.
نمایشگرهای CRT هنگام کار، گرمای زیادی تولید می‌کنند در حالی میزان تولید گرما در LCD بسیار کم است.
LCD ها کاملاً مسطح هستند و انحنا ندارند، این در حالی است که نمایشگرهای CRT در هر دو جهت افقی و عمودی نیاز به انحنادارند.
LCD ها نیازی به نرخ تازه‌سازی ندارند، زیرا هر نقطه روی این نمایشگرها می‌تواند تا هر زمان دلخواهی به طور ثابت روشن بماند، پس به همین خاطر هم به سخت‌افزار کمتری برای تولید تصاویر نیاز دارند و هم تصویر تولیدشده یک تصویر پایدار است و سوسو نمی‌زند، ازاین‌رو برای چشم ضرر کمتری دارند.
میزان تولید اشعه‌های مضر در LCD (بخصوص در LED) نسبت به CRT بسیار کمتر است.
LCD ها را می‌توان در هر شکل و اندازه تولید کرد.
سازگاری بسیار خوب با داده‌های تصویری دیجیتال دارند.

ضعف‌ها

زاویه دید محدود (بیشتر در مدل‌های قدیمی یا ارزان‌قیمت). این یکی از عمده‌ترین معایب این نمایشگرها است. اگر بخواهید یک تصویر خوب مشاهده کنید باید کاملاً عمود به صفحه‌نمایش نگاه کنید و اگر کمی با صفحه، زاویه بگیرید، رنگ‌ها به هم می‌ریزند و یا اینکه تصویر تیره می‌شود.
در نمایشگرهای LCD جایی از تصویر که باید سیاه باشد کاملاً تیره نیست و مقدار کمی نور تولید می‌کند. این امر به خاطر آن است که کریستال مایع نمی‌تواند قطبش نور را به طور کامل بچرخاند. البته این مشکل نیز در مدل‌های LED اندکی بهتر شده است.
در زیر نور آفتاب دیده نمی‌شوند.
در هنگام استفاده از عینک دودی (چون در این عینک‌ها قطبش گر وجود دارد) به سختی می‌توان با LCD کارکرد.

درباره نویسنده

حسن مهدیان منش

دیدگاه شما چیست