آموزش تعمیرات

نمایشگرهای LCD – بررسی اجمالی نمایشگرهای LCD

نمایشگرهای LCD

بررسی اجمالی نمایشگرهای LCD

در این مقاله به بررسی اجمالی نمایشگرهای LCD از جمله تاریخچه، تکنولوژی ساخت، نحوه کارکرد، انواع نمایشگرهای LCD و برخی پارامترهای آن خواهیم پرداخت.

مقدمه

نمایشگرهای LCD ارزان و فراوان شده اند و امروزه می توانید آنها را در هر گوشه و کناری بیابید. از نمایشگرهای بسیار کوچک ماشین حساب ها گرفته تا تلویزیون های چند ده اینچی بسیار بزرگ. تنوع کارکردها و توانایی آنها بسیار گسترده است و به همین دلیل می توان آنها را در انواع ابزارها به کاربرد.

LCD مخفف عبارت “Liquid Crystal Display” به معنای صفحه نمایش کریستال مایع است.

از نظر ساختار، LCD ها چندان پیچیده نیستند. آنها ابزارهایی هستند که از یک اصل ساده برای نمایش کاراکترها یا تصاویر استفاده می کنند.

LCD ها در اصل با سد کردن جریان نور، یا جلوگیری از بازتاب آن، تصاویر را نمایش می دهند.

تاریخچه نمایشگرهای LCD

کریستال مایع را یک گیاه‌شناس اتریشی به نام f-reizzener در سال 1888 میلادی برای اولین بار در حین ذوب جامدی از مشتقات آلی کشف کرد؛ اما اولین LCD را یک کارخانه آمریکایی در سال 1968 ساخت.

در آن سال یکی از کارمندان شرکت rca کشف کرد که جهت نور در یک کریستال مایع تغییر می کند و هنگامی که کریستال مایع به وسیله یک بار الکتریکی تحریک شود از جهت میدان تقلید می کند.

تکنولوژی ساخت LCD هر روز کامل تر می شود؛ و جای بیشتری را در صنایع امروز به خود اختصاص می‌دهد. البته هنوز هم تحقیقات برای ساخت نمونه‌های بهتر و کاراتر این وسیله ادامه دارد.

کریستال مایع چیست؟

اولین سؤالی که ممکن است برای شما پیش بیاید این است که کریستال مایع چیست؟ این نام بیشتر نمایانگر یک تناقض است؛ چون به طور معمول، کریستال باید یک ماده جامد مانند کوارتز باشد، پس کریستال ها باید دارای ماهیتی کاملاً متفاوت از مایعات باشند.

همان طور که همه ما در دبستان و در درس علوم آموخته ایم، مواد می توانند دارای سه شکل متفاوت جامد، مایع، و گاز باشند. مواد جامد به این دلیل دارای شکل ثابتی هستند که یک مولکول در آن ها همیشه در وضعیتی ثابت نسبت به مولکولهای دیگر نیست؛ اما در مایعات، مولکول ها دارای وضعیت ثابتی نیستند و می توانند شکل و جهت قرار گیری خود را تغییر داده و در بین مولکول های دیگر نیز حرکت کنند.

در این میان برخی مواد نیز وجود دارند که می توانند حالتی بین این دو داشته باشند؛ به این مفهوم که با وجود این که جهت مولکولهای آنها همیشه در حالت ثابتی است، اما قادر به حرکت در بین مولکول های دیگر نیز هستند؛ در حقیقت این مواد نه مایع هستند و نه جامد.

کریستال های مایع از جمله همین مواد هستند و به همین دلیل هم نامی چنین مناقض دارند. کریستال مایع ماده ایست بین جامد و مایع؛ اما مولکولهای آن آرایش خاصی نسبت به یکدیگر دارند.

در کریستال مایع مولکولها شکل میله ای بلندی دارند و موقعیت آن ها نا منظم است؛ ولی جهت هر کدام می تواند به وسیله دیگری در یک شکل متعارف تنظیم شود. به همین دلیل کریستال مایع خصوصیاتی شبیه به مایع و جامد داشته و به همین دلیل با چنین اسم متناقضی خوانده می‌شود.

این مواد به شدت به دما حساسند و اندکی حرارت لازم است تا آنها را به مایع واقعی درآورد و یا اندکی سرما تا به حالت معمولی تبدیل شود.

آیا کریستال های مایع دارای خواصی مانند مواد جامد هستند یا مشخصات مواد مایع را دارند؟

در حقیقت حالت کریستال های مایع بیشتر شبیه به مایعات هستند تا جامدات، کریستال های مایع بسیار به حرارت حساس هستند و اندکی گرما میتواند آنها را به مایع تبدیل کند. به دلیل همین حساسیت به حرارت است که از آنها در ابزارهایی مانند حرارت سنج ها استفاده می کنند؛ همچنین به همین دلیل است که صفحه نمایش موبایل شما ممکن است دارای عملکرد متفاوتی در یک صبح سرد زمستانی یا یک روز آفتابی تابستان باشد.

انواع کریستال های مایع

درست مانند جامدات و مایعات، کریستال های مایع نیز دارای انواع متفاوتی هستند.

همچنین ببینید:  مدار مجتمع یا IC چیست؟ - بخش دوم : انواع مدارهای مجتمع

با توجه به حرارت محیط و خواص طبیعی، یک کریستال مایع می تواند دارای عملکردها متفاوتی باشد؛ اما مهمترین نوع کریستال مایعی که امروزه در تمامی نمایشگرهای LCD به کار می رود، Nematic Phase نام دارد(یکی از مهم ترین خواص کریستال مایع این است که تحت تأثیر جریان الکتریکی قرار می گیرد).

یکی دیگر از انواع بسیار رایج کریستال مایع Twisted Nematic) TN) نامیده می شود. شکل قرار گیری مولکول ها در TN در حالت طبیعی، مارپیچی است. اعمال جریان الکتریکی به این نوع از کریستال های مایع سبب می شود تا مولکول های آن از حالت چرخشی خارج شده و به صورت موازی با یکدیگر قرار بگیرند. البته با توجه به ولتاژ اعمال شده، میزان چرخش مولکولها تغییر می کند، به گونه ای که در صورت اعمال سطوح ولتاژی مشخص می توان میزان چرخش آنها را تغییر داد.

تمامی نمایشگرهای LCD از این نوع کریستال های مایع استفاده می کنند؛ زیرا می توان با کنترل میزان چرخش کریستال ها میزان نوع عبوری را نیز تغییر داد. البته کریستال های مایع TN خود به دو دسته حساس به حرارت و حساس به مواد قلیایی تقسیم می شوند.

جهت قرار گیری مولکول ها در نوع حساس به حرارت، با اعمال گرما، در مواردی فشار و در انواع حساس به مواد قلیایی با توجه به ماده ای که با آن ترکیب شده اند، تغییر می کند؛ اما انواع حساس به حرارت که موضوع اصلی بحث ما هستند نیز خود به دو نوع Isotropic و Nematic تقسیم می شوند.

تفاوت Isotropic و Nematic

تفاوت بین این دو نحوه قرارگیری مولکول ها در آن ها است.

در نوع Isotopic مولکول ها به شکل تصادفی قرار گرفته اند، درصورتی که در نوع Nematic شکل قرارگیری آنها منظم است.

جهت قرارگیری مولکول ها در نوع Nematic را می توان با استفاده از یک سازمان دهنده تغییرداد. این سازمان دهنده می تواند هر چیزی مانند یک میدان مغناطیسی تا یک سطح با شیارهای میکروسکوپی باشد. در نوع Nematic ما حتی شاهد وجود انواع دیگری از کریستال های مایع هستیم که در آن جهت قرار گیری یک مولکول با توجه به دیگر مولکول ها تنظیم می شود.

Smectic پر کاربردترین آرایه دربین کریستال ها مایع Nematic است. دراین نوع از کریستال مایع، مولکول ها به صورت لایه ای قرار گرفته اند. انواع Smectic نیز دارای خصوصیت های متفاوتی هستند؛ به عنوان مثال: در کریستالهای مایع Smectic نوع C مولکولهای موجود در هر لایه دارای شیبی با زاویه ای خاص نسبت به مولکول های لایه دیگر قرار قرار گرفته اند.

نوع دیگری از کریستال های مایع Smectic انواع Cholesteric هستند که با نام Chiral Nematic نیز شناخته می شوند. دراین نوع، مولکول های هر لایه نسبت به لایه های دیگر اندکی پیچ خوردگی دارند که در نهایت ساختاری مارپیچی را می سازند.

کریستال های مایع فروالکتریک (FLC ها) در آرایه ای به همراه مولکول های Smectiv نوع C از کریستال های مایعی که دارای مولکول های Chiral هستند، استفاده می کنند؛ زیرا طبیعت مارپیچی آنها اجازه میدهد که وضعیت قرار گیری مولکول ها را در کسری از ثانیه تغییر دهند. به همین دلیل FLC ها برای استفاده در نمایشگرهای پیشرفته که تصاویر متحرک با نرخ نوسازی بالا را پخش می کنند، بسیار مناسب هستند.

کریستال ها با تثبیت سطحی از فشار کنترل شده بین دو سطح شیشه ای استفاده می کنند تا سرعت سوپیچینگ را باز هم افزایش دهند.

طرز کار نمایشگرهای LCD

کریستالهای مایع، شفاف و هادی الکتریسیته هستند؛ و به راحتی می‌توان آنها را در جریان الکتریسیته قرار داد و نور را از آن عبور داد.

اگر شما یک کریستال مایع را بین دو قطعه شیشه خش داده شده (پلاراید یا پلاریزه) با خطوط عمودی و افقی قرار دهید مولکولهای کریستال مایع پیچ می خورند و سعی می کنند از خطوط روی شیشه تبعیت کنند.

شیشه های پلاراید دارای خاصیتی هستند که اگر دو تکه از آنها روی هم قرار داده شود، نور به راحتی از آن عبور می‌کند؛ اما وقتی یکی از آنها را ۹۰ درجه نسبت به دیگری بچرخانید، دیگر نور رد نمی‌شود.

همچنین ببینید:  تست انواع دیود - آشنایی با انواع دیودها و نحوه آزمایش آنها

این اتفاق به این دلیل روی می‌دهد که هر شیشه نور را فقط در جهت خاص محور خود عبور می‌دهد. یعنی اگر دو شیشه هم محور باشند نور به راحتی عبور می‌کند؛ اما اگر محورها با هم زاویه ۹۰ درجه داشته باشند نور رد نخواهد شد!

برای ایجاد یک پیکسل به وسیله کریستال مایع، لایه های کریستال مایع بین دو قطعه شیشه پلاریزه قرار داده می شود؛ در این حالت می توان شدت نور عبوری درون پیکسل ساخته شده از دو قطعه شیشه پلاریزه و کریستال مایع را کنترل نمود.

به همین ترتیب اگر بین دو شیشه معمولی، کریستال مایع قرار دهیم و درون فضای دو شیشه را به یک میدان الکتریکی متصل نماییم، در حالتی که میدان الکتریکی صفر باشد، کریستال مایع تاب می خورد (می چرخد) و به نور اجازه عبور می دهد؛ ولی در حالتی که بار الکتریکی وجود داشته باشد مولکولهای مایع در یک جهت قرار می گیرند و به نور اجازه عبور نمی دهند.

منبع نور در نمایشگرهای LCD

در نمایشگرهای LCD برای ایجاد روشنایی از فسفر استفاده نمی شود؛ صفحه دائما روشن است؛ و تصویر، با کنترل کردن ماده کریستال مایع درون هر پیکسل، با استفاده از جریان الکتریسیته تشکیل می شود.

نور پس زمینه LCD توسط توسط یک لامپ ولتاژ بالا با زمینه سفید  ایجاد شده و بوسیله یک منعکس کننده، شدت یکسانی پیدا می‌کند. این لامپ در پشت LCD قرارگرفته و جنس آن از CCFL) Cold Cathode Fluorescence Lamp) یا Light Emitting Diode (همان LED) می باشد.

نور سفید بعد از عبور از لایه LCD صفحه اول شیشه پلاریزه شده و اختلاف پتانسیل خاصی نورهای اصلی موجود در نور سفید را جهت می‌دهد؛ و بعد از عبور از فیلترهای آبی، سبز و قرمز، اگر نور حاصل در راستای جهت پلاریزه شیشه دوم بود از آن عبور می‌کند.

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.

ساب پیکسل چیست؟

دقت کنید که تمام سناریوی بالا برای یک ساب پیکسل انجام می شود. در تکنولوژی رنگ ها در LCD 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.

ساب پیکسل

پس در تکنولوژی LCD 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:

مجوعه ساب پیکسل ها

شکل زیر گویای سناریوی بالا می باشد:

مراحل ساخت ساب پیکسل

  • 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 نمایشگرهای LCD

  • 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 صفحه‌نمایش که در آن پیکسل‌ها به هم وابسته هستند و تا زمان نوسازی دوباره، همگی در همان حالت باقی می‌مانند.
  • Actice Matrix
  • از لایه TFT برای شارژ (اعمال ولتاژ به) یک پیکسل خاص استفاده می شود که باعث می‌شود هر پیکسل از دیگر پیکسل ‌ها مستقل باشد.

نمایشگرهای Passive Matrix

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. سطر ها و ستون ها طبق الگوی ماتریسی به مدارات مجتمع در بورد LCD وصل می شوند. سپس این الگوی ماتریسی درون کریستال مایع قرار می گیرد.

5

برای روشن کردن یک پیکس خاص، IC تصویر در بورد RGB که اطلاعات کاملی از مختصات پیکسل مربوطه دارد، ولتاژی (مثبت) را به ستون صحیح ارسال می کند؛ سپس در لایه سطرها Ground (منفی) در سطر صحیح 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.

همچنین ببینید:  راهنمای خرید لامپ LED - نکات مهم پیش از خرید لامپ LED

مشکلات روش Passive Matrix

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 زمان Refresh تصویر کمی طول می کشد.

اما این مشکلات در روش Actice Matrix برطرف شده است.

نمایشگرهای Active Matrix

برای برطرف کردن عیب های روش Passive Matrix از لایه TFT مخفف Thin Film Transistor در ساخت LCD 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.

6

لایه TFT یک لایه ای شیشه ای از ترانزیستور ها و خازن ها هستند. در این نمایشگرها 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 دو Refresh 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.

بد پیکسل چیست؟

هر نمایشگر LCD که قادر به نمایش رنگ باشد باید دارای سه زیر پیکسل با فیلترهای رنگی قرمز, سبز و آبی 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؛ که این رنگ ها نیاز مند تعداد زیادی ترانزیستور و خازن هستند.

برای مثال یک نمایشگر 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 و خازن 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.

Refresh Rate چیست؟

تعداد دفعاتی که باید پیکسل ها در هر ثانیه تحریک (اعمال ولتاژ) شوند تا رنگ نهایی ایجاد شود را Rerresh Rate یا نرخ نوسازی تصویر می گویند.

معمولا Rerresh Rate تصویر در نمایشگرهای LCD برابر 60 هرتز می باشد. نرخ 60 هرتز به این معنی است که یک پیکسل در ثانیه 60 بار رفرش می شود.

در بخش بعد این مقاله مزایا و معایب نمایشگرهای LCD را بررسی خواهیم نمود.

موفق و پیروز باشید…

برچسب ها

مدیر سایت

من سید سجاد فخری، از بچگی عاشق الکترونیک بودم و عاشق کارهای عملی هستم. حتما نظرات خودتون رو در آخر نوشته ها اعلام کنید. مطمئن باشید در کوتاه ترین زمان به دیدگاههای شما پاسخ داده میشه.

مطالب زیر را هم بخوانید

4 دیدگاه

  1. سلام ، نباشید
    شما در ورژن قبلی سایتتون یه آموزش اتوماسیون صنعتی بود که برای خرید گذاشته بودید اما الان نیست ، می خواستم بدونم اون محصول و دیگه نمی فروشید ؟
    چون من دوستم قصد خریدشو داره
    باتشکر

  2. سلام مهندس ..
    بسیار بسیار لذت بردم از خوندن این مقاله و میتونم بگم خیلی آموزنده بود و بسیار سپاسگذارم…
    فقط یه نکته هست که مطمعنم به خوبی واقف هستید و احتمالا در این مقاله فراموش کرده باشید، عرض میکنم:
    در مبحث رنگها ما ترکیب سه رنگ اصلی زرد ، آبی و قرمز ، رو داریم که در تشکیل رنگهای دیگر نقش دارن و همچنین در مبحث نورها ما سه نور اصلی قرمز ، سبز و آبی رو داریم که در تشکیل نورهای دیگه نقش دارن…
    درک من از مقاله زیبای شما این بود که صفحه های فیلتر RGB نور سفیدی که در پس زمینه هست رو به مقادیر لازم در هر پیکسل فیلتر میکنن…
    چون بحث ترکیب نورها بود گفتم شاید لازم باشه اشاره ای به ترکیب رنگها هم بشه که بعضی از دوستان رنگ زرد رو متوجه بشن که در نور سبز استفاده میشه…
    موفق و پیروز باشید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن

بلوک تبلیغ حذف شد

با غیرفعال کردن بلوک تبلیغات از ما حمایت کنید.