نمودار ساختار نمایشگر کریستال مایع

هر پیکسل نمایشگر کریستال مایع از بخش‌های زیر تشکیل شده است: لایه‌ای از مولکول‌های کریستال مایع معلق بین دو الکترود شفاف (اکسید قلع ایندیوم)، و دو فیلتر پلاریزه‌کننده که جهت قطبش آن‌ها در اضلاع خارجی دو طرف عمود بر یکدیگر است. .بدون کریستال مایع بین الکترودها، نوری که از یکی از فیلترهای پلاریزه می گذرد دقیقاً عمود بر پلاریزه دوم قطبی می شود و بنابراین کاملاً مسدود می شود.اما اگر جهت قطبش نوری که از یک فیلتر پلاریزه می گذرد توسط کریستال مایع بچرخد، آنگاه می تواند از فیلتر پلاریزه دیگر عبور کند.چرخش کریستال مایع در جهت قطبش نور را می توان با یک میدان الکترواستاتیک کنترل کرد و در نتیجه کنترل نور را درک کرد.

مولکول های کریستال مایع به راحتی توسط یک میدان الکتریکی خارجی برای تولید بارهای القایی تحت تأثیر قرار می گیرند.مقدار کمی بار به الکترود شفاف هر پیکسل یا زیرپیکسل اضافه می شود تا میدان الکترواستاتیکی ایجاد کند و مولکول های کریستال مایع توسط میدان الکترواستاتیک القا می شوند تا بار الکتریکی ایجاد کنند و پیچ خوردگی الکترواستاتیکی ایجاد کنند. آرایش چرخشی اصلی مولکول های کریستال مایع را تغییر دهید.بزرگی چرخش از طریق نور.زاویه را طوری تغییر دهید که بتواند از فیلتر پلاریزه عبور کند.

قبل از اعمال بار بر روی الکترود شفاف، هم ترازی مولکول های کریستال مایع با هم ترازی سطح الکترود تعیین می شود و سطح شیمیایی الکترود به عنوان دانه ای برای کریستال عمل می کند.در رایج ترین کریستال مایع TN، الکترودهای بالایی و پایینی کریستال مایع به صورت عمودی چیده شده اند.مولکول های کریستال مایع به صورت مارپیچی قرار گرفته اند و نوری که از یکی از فیلترهای پلاریزه می گذرد پس از عبور از تراشه کریستال مایع در جهت قطبش می چرخد ​​تا بتواند از صفحه پلاریزه دیگر عبور کند.بخش کوچکی از نور در طول این فرآیند توسط پلاریزه مسدود می شود و از بیرون خاکستری به نظر می رسد.پس از اعمال بار بر روی الکترود شفاف، مولکول‌های کریستال مایع تقریباً به طور کامل موازی با جهت میدان الکتریکی در یک راستا قرار می‌گیرند، بنابراین جهت قطبش نوری که از فیلتر پلاریزه می‌گذرد چرخانده نمی‌شود، بنابراین نور کاملاً تغییر می‌کند. مسدود.در این مرحله پیکسل سیاه به نظر می رسد.با کنترل ولتاژ، می توان درجه اعوجاج آرایش مولکول های کریستال مایع را برای دستیابی به مقیاس های خاکستری مختلف کنترل کرد.

برخی از نمایشگرهای کریستال مایع در اثر جریان متناوب سیاه می شوند.جریان متناوب اثر مارپیچی کریستال مایع را از بین می برد.هنگامی که جریان خاموش می شود، صفحه نمایش کریستال مایع روشن تر یا شفاف می شود.این نوع نمایشگر کریستال مایع معمولاً در رایانه های نوت بوک و نمایشگرهای کریستال مایع ارزان قیمت استفاده می شود.نوع دیگری از نمایشگر کریستال مایع که اغلب در نمایشگرهای کریستال مایع با کیفیت بالا یا تلویزیون های کریستال مایع در مقیاس بزرگ استفاده می شود این است که وقتی برق خاموش می شود، صفحه نمایش کریستال مایع در حالت مات قرار می گیرد.

به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی، صفحه نمایش کریستال مایع از روش مالتی پلکس شدن استفاده می کند.در حالت مالتی پلکس، الکترودهای یک سر به صورت گروهی به یکدیگر متصل می شوند و هر گروه از الکترودها به یک منبع تغذیه و الکترودهای انتهای دیگر نیز به صورت گروهی متصل می شوند و هر گروه به منبع تغذیه متصل می شود. .از یک طرف، طراحی گروه‌بندی تضمین می‌کند که هر پیکسل توسط یک منبع تغذیه مستقل کنترل می‌شود، و دستگاه الکترونیکی یا نرم‌افزاری که دستگاه الکترونیکی را هدایت می‌کند، نمایش پیکسل را با کنترل دنباله روشن/خاموش منبع تغذیه کنترل می‌کند.

معیارهای تأیید مانیتورهای LCD شامل جنبه های مهم زیر است: اندازه نمایشگر، زمان پاسخ (نرخ همگام سازی)، نوع آرایه (فعال و غیرفعال)، زاویه دید، رنگ های پشتیبانی شده، روشنایی و کنتراست، وضوح و نسبت ابعاد، و رابط های ورودی (مانند رابط های بینایی و آرایه های نمایش ویدئو).

تاریخچه مختصر

در سال 1888، شیمیدان اتریشی، فردریش لاینیتزر، کریستال های مایع و خواص فیزیکی ویژه آنها را کشف کرد.

اولین نمایشگر کریستال مایع قابل اجرا بر اساس حالت پراکندگی پویا (DSM) بود که توسط گروهی به رهبری جورج هلمن از شرکت رادیویی آمریکا توسعه یافت.هلمن Optech را تأسیس کرد، شرکتی که مجموعه ای از نمایشگرهای کریستال مایع را بر اساس این فناوری توسعه داد.

در دسامبر 1970، اثر میدان اسپین نماتیک کریستال های مایع به عنوان یک حق اختراع در سوئیس توسط Zander و Helfrich در آزمایشگاه مرکزی Hoffmann-Leroc ثبت شد.اما در سال 1969 سال قبل، جیمز فرگوسن اثر میدان چرخشی کریستال های مایع را در دانشگاه ایالتی کنت در اوهایو، ایالات متحده کشف کرد و همان حق اختراع را در فوریه 1971 در ایالات متحده به ثبت رساند. در سال 1971، ILIXCO اولین کریستال مایع را تولید کرد. نمایش بر اساس این ویژگی، که جایگزین نمایشگر کریستال مایع ضعیف تر از نوع DSM شد.تنها پس از سال 1985 بود که این کشف ارزش تجاری داشت.در سال 1973، شرکت شارپ ژاپن برای اولین بار از آن برای ساخت نمایشگرهای دیجیتالی ماشین حساب های الکترونیکی استفاده کرد.در دهه 2010، مانیتورهای LCD به دستگاه نمایشگر اصلی برای همه رایانه ها تبدیل شدند.

اصل نمایش

سیستم اطلاعات داخل خودرو برای خودروها

صفحه اطلاعات عملیات خط JR East Yamanote

در غیاب ولتاژ، نور در امتداد شکاف مولکول های کریستال مایع حرکت می کند و 90 درجه می چرخد، بنابراین نور می تواند عبور کند.اما پس از اضافه کردن ولتاژ، نور مستقیماً در امتداد شکاف مولکول‌های کریستال مایع می‌رود، بنابراین نور توسط صفحه فیلتر مسدود می‌شود.

کریستال مایع ماده ای با ویژگی های جریان است، بنابراین تنها نیروی بسیار کمی می تواند برای حرکت مولکول های کریستال مایع اعمال شود.با در نظر گرفتن رایج ترین کریستال مایع نماتیک به عنوان مثال، مولکول های کریستال مایع می توانند به راحتی مولکول های کریستال مایع را با عمل میدان الکتریکی بچرخانند.محور نوری کریستال مایع کاملاً با محور مولکولی آن سازگار است، بنابراین می تواند اثرات نوری ایجاد کند.هنگامی که میدان الکتریکی اعمال شده به کریستال مایع حذف شده و ناپدید می شود، کریستال مایع از خاصیت ارتجاعی و ویسکوزیته خود برای بازیابی مولکول های کریستال مایع بسیار سریع استفاده می کند.حالت قبل از اعمال میدان الکتریکی.

نمایشگرهای انتقالی و بازتابی

نمایشگرهای کریستال مایع بسته به محل قرارگیری منبع نور، می توانند انتقال دهنده یا بازتابنده باشند.

LCD های انتقال دهنده توسط یک منبع نور در پشت یک صفحه روشن می شوند، در حالی که مشاهده در سمت دیگر (جلو) صفحه نمایش است.این نوع LCD بیشتر در برنامه هایی استفاده می شود که به نمایشگرهایی با روشنایی بالا نیاز دارند، مانند مانیتور کامپیوتر، PDA و تلفن های همراه.مصرف برق دستگاه های روشنایی مورد استفاده برای روشنایی نمایشگر کریستال مایع بیشتر از خود نمایشگر کریستال مایع است.

نمایشگرهای کریستال مایع بازتابنده، که معمولاً در ساعت‌های الکترونیکی و ماشین‌حساب‌ها یافت می‌شوند، (گاهی اوقات) نور خارجی را بازتاب می‌دهند تا صفحه نمایش را با یک سطح بازتابنده منتشر در پشت روشن کنند.این نوع LCD نسبت کنتراست بالاتری دارد، زیرا نور دو بار از کریستال مایع عبور می کند، بنابراین دو بار برش داده می شود.استفاده نکردن از وسایل روشنایی مصرف برق را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، بنابراین دستگاه هایی که از باتری استفاده می کنند عمر بیشتری روی باتری خواهند داشت.از آنجایی که نمایشگرهای کریستال مایع بازتابنده کوچک انرژی بسیار کمی مصرف می کنند که یک سلول فتوولتائیک برای تامین انرژی آنها کافی است، اغلب در ماشین حساب های جیبی استفاده می شوند.

نمایشگرهای کریستال مایع انتقالی را می توان به عنوان هر دو نوع انتقال دهنده و بازتابنده استفاده کرد.هنگامی که نور خارجی کافی باشد، نمایشگر کریستال مایع به عنوان یک نوع بازتابنده عمل می کند، و زمانی که نور خارجی کافی نیست، می توان از آن به عنوان یک نوع انتقال نیز استفاده کرد.

نمایش رنگی

ساختار زیر پیکسلی نمایشگر کریستال مایع رنگی

بزرگنمایی پیکسل روی LCD

فناوری LCD همچنین روشنایی را با توجه به مقدار ولتاژ تغییر می دهد و رنگ نمایش داده شده توسط هر عنصر تصویر فرعی LCD به فرآیند غربالگری رنگ بستگی دارد.از آنجایی که کریستال مایع خود رنگ ندارد، از فیلترهای رنگی برای تولید رنگ های مختلف به جای عناصر فرعی استفاده می شود.عناصر زیر تصویر فقط می توانند مقیاس خاکستری را با کنترل شدت نور عبوری تنظیم کنند.فقط تعداد کمی از نمایشگرهای ماتریس فعال از کنترل سیگنال آنالوگ استفاده می کنند و بیشتر فناوری کنترل سیگنال دیجیتال استفاده می شود.اکثر ال سی دی های کنترل دیجیتال از یک کنترلر هشت بیتی استفاده می کنند که می تواند 256 مقیاس خاکستری ایجاد کند.هر عنصر فرعی می تواند 256 سطح را نشان دهد، بنابراین شما می توانید 2563 رنگ و هر عنصر می تواند نشان دهنده 16777216 رنگ باشد.از آنجایی که درک چشم انسان از روشنایی به صورت خطی تغییر نمی کند و چشم انسان به تغییرات در روشنایی کم حساس تر است، این رنگی بودن 24 بیتی نمی تواند به طور کامل نیازهای ایده آل را برآورده کند.مهندسان از روش تنظیم ولتاژ پالس استفاده می کنند تا تغییرات رنگ یکنواخت تر به نظر برسد.

در یک LCD رنگی، هر پیکسل به سه سلول یا زیر پیکسل، با فیلترهای اضافی برای برچسب گذاری قرمز، سبز و آبی تقسیم می شود.سه پیکسل فرعی را می توان به طور مستقل کنترل کرد و پیکسل های مربوطه می توانند هزاران یا حتی میلیون ها رنگ ایجاد کنند.CRT های قدیمی رنگ ها را به همین صورت نمایش می دهند.اجزای رنگ بر اساس هندسه پیکسل های مختلف در صورت نیاز مرتب شده اند.

آرایه های فعال و غیرفعال

نمایشگرهای کریستال مایع که معمولاً در ساعت‌های الکترونیکی و رایانه‌های جیبی استفاده می‌شوند، از تعداد کمی بخش تشکیل شده‌اند و هر بخش دارای یک تماس الکترود است.یک مدار اختصاصی خارجی، بار الکتریکی را برای هر واحد کنترل فراهم می کند، و این ساختار نمایشگر زمانی که واحدهای نمایشگر زیادی وجود دارد (مثلاً نمایشگرهای مایع) می تواند دست و پا گیر باشد.نمایشگرهای تک رنگ کوچک، مانند نمایشگرهای کریستال مایع آرایه غیرفعال روی PDA یا نمایشگرهای رایانه نوت بوک قدیمی، که از فناوری Super Twisted Nematic (STN) یا Dual Layer Super Twisted Nematic (DSTN) استفاده می کنند (DSTN انحراف رنگ STN را تصحیح می کند).

هر سطر یا ستون روی نمایشگر دارای یک مدار مستقل است و موقعیت هر پیکسل نیز با یک سطر و ستون به طور همزمان مشخص می شود.این نوع نمایشگر «آرایه غیرفعال» نامیده می شود، زیرا هر پیکسل نیز باید قبل از به روز رسانی به خاطر سپرده شود.در حال حاضر هیچ منبع شارژ ثابتی برای هر پیکسل وجود ندارد.با افزایش تعداد پیکسل ها، تعداد نسبی سطرها و ستون ها نیز افزایش می یابد.استفاده از این روش نمایش دشوارتر می شود.نمایشگرهای کریستال مایع ساخته شده با آرایه های غیرفعال با زمان پاسخ بسیار آهسته و نسبت کنتراست پایین مشخص می شوند.

نمایشگرهای رنگی با وضوح بالا فعلی، مانند نمایشگرهای رایانه یا تلویزیون، آرایه های فعال هستند.نمایشگرهای کریستال مایع ترانزیستور فیلم نازک به پلاریزرها و فیلترهای رنگی اضافه می شوند.هر پیکسل ترانزیستور مخصوص به خود را دارد که امکان دستکاری یک پیکسل را فراهم می کند.هنگامی که یک خط ستون روشن می شود، تمام خطوط ردیف به یک ستون کامل (ردیف) از پیکسل ها متصل می شوند و هر خط ردیف با ولتاژ صحیح هدایت می شود، این خط ستون خاموش می شود و ستون دیگر (ردیف) روشن خواهد شد.در یک عملیات به‌روزرسانی کامل صفحه، تمام خطوط ستون در سری‌های زمانی باز می‌شوند.نمایشگر آرایه فعال با همان اندازه روشن تر و واضح تر از نمایشگر آرایه غیرفعال به نظر می رسد و زمان پاسخ کوتاه تری دارد.

کنترل کیفیت

برخی از پنل های LCD حاوی ترانزیستورهای معیوب هستند که باعث ایجاد لکه های روشن و تاریک دائمی می شوند.برخلاف IC، پنل LCD همچنان می تواند به طور معمول نمایش داده شود، حتی اگر پیکسل های مرده وجود داشته باشد، که می تواند از هدر رفتن پنل LCD که به دلیل تنها چند پیکسل مرده بسیار بزرگتر از ناحیه آی سی است، جلوگیری کند.سازندگان پنل معیارهای مختلفی برای تعیین پیکسل های مرده دارند.

به دلیل اندازه بزرگتر، پنل های LCD بیشتر از بردهای مدار آی سی در معرض نقص هستند.به عنوان مثال، یک LCD 12 اینچی SVGA دارای 8 پیکسل مرده است، در حالی که یک ویفر 6 اینچی تنها دارای 3 نقص است.با این حال، 3 ضایعات روی یک ویفر که می توان آن را به 137 آی سی تقسیم کرد، خیلی بد نیست و دور انداختن این پنل LCD به معنای 0% خروجی است.با توجه به رقابت شدید بین تولید کنندگان، استاندارد فعلی کنترل کیفیت بالا رفته است.اگر صفحه LCD دارای چهار یا بیشتر پیکسل مرده باشد، تشخیص آن آسان تر است، بنابراین مشتریان می توانند یک پیکسل جدید را درخواست کنند.محل پیکسل های مرده صفحه نمایش LCD نیز قابل چشم پوشی نیست.سازندگان اغلب استانداردها را با از بین بردن پیکسل ها در ناحیه مرکزی نمایشگر پایین می آورند.برخی از تولیدکنندگان ضمانت پیکسل صفر را ارائه می دهند.

مصرف برق

نمایشگرهای کریستال مایع ماتریس فعال نسبت به CRT ها توان الکتریکی کمتری دارند.در واقع، این صفحه نمایش استاندارد برای دستگاه های قابل حمل، از PDA گرفته تا رایانه های نوت بوک شده است.اما راندمان فناوری LCD هنوز خیلی کم است: حتی اگر صفحه نمایش را به رنگ سفید نمایش دهید، کمتر از 10٪ از نور ساطع شده از منبع نور پس زمینه از صفحه نمایش عبور می کند و بقیه جذب می شود.بنابراین، مصرف برق فعلی نمایشگر پلاسما جدید کمتر از نمایشگر کریستال مایع همان ناحیه است.

PDA هایی مانند Palm و CompaqiPAQ اغلب از نمایشگرهای بازتابنده استفاده می کنند.این بدان معنی است که نور محیط وارد صفحه نمایش می شود، از لایه کریستال مایع قطبی شده عبور می کند، به لایه بازتابنده برخورد می کند و برای نمایش تصویر به عقب منعکس می شود.تخمین زده می شود که 84 درصد از نور در این فرآیند جذب می شود، بنابراین تنها یک ششم نور فعال است، که اگرچه هنوز نیاز به بهبود دارد، اما برای ایجاد کنتراست مورد نیاز برای ویدیوی بصری کافی است.نمایشگرهای بازتابی و انعکاسی یک طرفه امکان استفاده از نمایشگرهای کریستال مایع با حداقل مصرف انرژی را در شرایط نوری مختلف فراهم می کنند.

نمایشگر قدرت صفر

1. پلاریزه کننده نور فرودی را در جهت عمودی قطبی می کند.

2. الکترودهای شفاف با اکسید قلع ایندیم (ITO) روی بسترهای شیشه ای.شکل الکترود شفاف نشانی رنگ تیره را بدون عبور نور پس از روشن کردن قدرت نمایشگر کریستال مایع تعیین می کند.نوارهای عمودی بر روی زیرلایه حک می شوند، به طوری که جهت هم ترازی کریستال های زیر مایع در همان جهت نور فرودی قطبی شده باشد.

3. نماتیک پیچ خورده (TN) کریستال مایع.

4. زیرلایه شیشه ای با یک فیلم الکترود شفاف مشترک (ITO)، نوارهای افقی روی بستر حک می شوند، به طوری که جهت تراز کریستال مایع افقی می شود.

5. قطبش انحراف افقی، که می تواند مانع عبور نور شود یا اجازه عبور دهد.

6. سطوح بازتابنده نور را به ناظر منعکس می کنند.

در سال 2000، یک صفحه نمایش با توان صفر ساخته شد که در حالت آماده به کار نیازی به برق ندارد، اما این فناوری در حال حاضر در تولید انبوه نیست.یکی دیگر از فناوری‌های LCD نازک با توان صفر توسط Nemoptic فرانسه توسعه داده شد که در ژوئیه 2003 در تایوان تولید انبوه شد. این فناوری دستگاه‌های تلفن همراه کم مصرف مانند کتاب‌های الکترونیکی و لپ‌تاپ‌ها را هدف قرار می‌دهد.ال سی دی های صفر قدرت نیز با کاغذ الکترونیکی رقابت می کنند.

TFT-LCD

مقالات اصلی: نمایشگرهای کریستال مایع ترانزیستوری لایه نازک و TFT

TFT-LCD مخفف Thin film transistor fluid crystal display (نمایشگر کریستال مایع ترانزیستور فیلم نازک) است.