همه چیز درباره ال سی دی ها
در گذشته تلویزیونها جانورانی داغ، سنگین و تشنه مصرف برق بودند که در گوشه اتاق نشیمن قرار می گرفتند. دیگر نه! امروزه تلویزیونها به اندازهای باریک هستند که میتوانند به دیوار آویزان شوند، و کسری از مقدار انرژی مورد نیاز تلویزیونهای قدیمی را استفاده کنند. اکثر تلویزیون های جدید، مانند رایانههای لپتاپ، دارای صفحههای تخت با فناوری ال سی دی (نمایشگرهای کریستال مایع) هستند؛ همان فناوری که سالها در وسایلی مانند ماشین حساب، تلفنهای همراه و ساعتهای دیجیتال استفاده میکردیم. این نمایشگرها چه هستند و چگونه کار میکنند؟ بیایید با شرکت سنابرق که یکی از فروشندگان اینورتر ایرانی می باشد، نگاهی دقیقتر به این موضوع بیندازیم!
ال سی دی ها چه تفاوتی با نمایشگرهای دیگر دارند؟
برای بسیاری از افراد، جذاب ترین نکته در مورد تلویزیون های ال سی دی نحوه ایجاد تصویر نیست، بلکه صفحه تخت و جمعوجور آنهاست. برخلاف تلویزیونهای به سبک قدیم، صفحه ال سی دی به اندازهای صاف است که میتواند روی دیوار آویزان شود؛ به همین دلیل تصویر را به روشی کاملاً متفاوت تولید میکند.
احتمالاً میدانید تلویزیونهای سبک قدیم با فناوری لوله اشعه کاتد (CRT)، با استفاده از سه تفنگ الکترونی تصویر ایجاد میکنند. میتوان آنها را به عنوان سه برس رنگی بسیار سریع و دقیق تصور کرد، که به عقب و جلو میرقصند و در پشت صفحه تصویر متحرکی را نقاشی میکنند که میتوانید هنگام نشستن در مقابل تلویزیون، آن را تماشا کنید.
نمایشگرهای ال سی دی و پلاسما به صورت کاملاً متفاوتی کار میکنند. اگر نزدیک تلویزیون تخت بنشینید، متوجه میشوید که تصویر از میلیونها بلوک کوچک به نام پیکسل (عناصر تصویر) ساخته شده است. هر یک از پیکسلها در واقع یک نور قرمز، آبی، یا سبز جداگانه است که میتواند خیلی سریع روشن یا خاموش شود تا تصویر رنگی متحرک ایجاد شود. پیکسلها در صفحه های پلاسما و ال سی دی به طور کاملاً متفاوتی کنترل میشوند.
در صفحههای پلاسما، هر پیکسل لامپ فلورسنت کوچکی است که به صورت الکترونیکی خاموش یا روشن میشود. در تلویزیون ال سی دی، پیکسلها با استفاده از کریستالهای مایع به صورت الکترونیکی روشن یا خاموش میشوند تا نور قطبیشده را بچرخانند. آنقدرها هم که به نظر میرسد پیچیده نیست! برای درک اینکه چه اتفاقی میافتد، ابتدا باید بفهمیم کریستال مایع چیست؛ سپس باید با دقت بیشتری به نور و نحوه حرکت آن نگاه کنیم.
کریستال مایع چیست؟
ما به این تصور عادت کردهایم که یک ماده معین میتواند در یکی از سه حالت جامد، مایع، یا گاز (حالات ماده) باشد؛ تا اواخر قرن نوزدهم نیز، دانشمندان فکر میکردند این ختم ماجراست. سپس، در سال 1888، یک شیمیدان اتریشی به نام فردریش راینیتزر (1857–1927) کریستالهای مایع را کشف کرد؛ که حالت کاملاً دیگری از ماده هستند، جایی بین مایعات و جامدات. هرچند کریستالها مدت زیادی را در گمنامی به سر بردند، اما در نهایت مشخص شد دارای خواص بسیار مفیدی هستند.
جامدات تودههای منجمد مواد هستند که به تنهایی در جای خود باقی میمانند، و غالباً اتمهای آنها در آرایشی مرتب و منظم به نام کریستال (شبکه بلوری) دستهبندی میشوند. مایعات فاقد نظم موجود در جامدات هستند، و اگرچه در صورتی که آنها را در ظرفی نگه دارید ثابت باقی میمانند، اما وقتی آنها را از ظرف بیرون میریزید، به راحتی جاری میشوند.
حال مادهای را تصور کنید که دارای مقداری از نظم یک ماده جامد، و مقداری از سیالیّت یک مایع باشد؛ مادهای که به دست میآید کریستال مایع است، حالتی بین جامد و مایع. کریستالهای مایع میتوانند در هر لحظه در یکی از چندین “حالات فرعی” (فازهای) احتمالی، جایی در برزخی بین جامد و مایع باشند. به دو فاز مهم کریستال مایع nematic و smectic گفته میشود:
1_ هنگامی که کریستالهای مایع در حالت nematic باشند، کمی شبیه مایعات هستند: مولکولهای آنها می توانند به اطراف حرکت و از یکدیگر عبور کنند، اما همه مولکولها در جهتی یکسان هستند؛ کمی شبیه کبریتهای درون یک جعبه کبریت: میتوانید با تکان دادن آنها را در جعبه حرکت دهید، اما در نهایت همگی در همان جهت اولیه خواهند بود.
2_ اگر کریستالهای مایع را خنک کنید، به حالت smectic تغییر پیدا میکنند. در این حالت مولکولها لایههایی تشکیل میدهند که میتوانند نسبتاً راحت از کنار یکدیگر عبور کنند. مولکولهای موجود در لایهای خاص میتوانند درون آن لایه حرکت کنند، اما نمیتوانند به لایههای دیگر منتقل شوند (کمی شبیه افرادی که در شرکتهای مختلف در طبقههای خاص یک دفتر کار میکنند). در واقع چندین “فاز فرعی” مختلف نیز در حالت smectic وجود دارد، اما در اینجا به جزئیات بیشتری نمی پردازیم.
نور قطبیشده چیست؟
کریستال های مایع nematic ترفند مهمی در آستین دارند. آنها میتوانند ساختاری پیچیده به خود بگیرند، و وقتی جریان برق به آنها وارد شود، دوباره صاف شوند. ممکن است این ترفند خیلی جالبی به نظر نرسد، اما نکته اصلی در نحوه خاموش و روشن شدن پیکسلهای نمایشگرهای ال سی دی است. برای درک اینکه کریستالهای مایع چگونه میتوانند پیکسل ها را کنترل کنند، باید در مورد نور قطبیشده اطلاعات بیشتری داشته باشیم.
نور ماهیت مرموزی دارد. بعضی اوقات، مانند رگبار گلولههای میکروسکوپی حامل انرژی که میتوانیم آنها را در هوا با سرعت بسیار بالا ببینیم، همچون جریانی مداوم از ذرات رفتار میکند. در مواقع دیگر، نور بیشتر شبیه امواج دریاست؛ اما به جای امواج آب که به بالا و پایین حرکت میکند، نور الگویی از امواج انرژی الکتریکی و مغناطیسی است که در فضا مرتعش میشود.
در جریان حرکت نور خورشید، امواج نور مخلوط میشوند، و در هر جهت ممکن ارتعاش میکنند. اما اگر یک فیلتر با شبکهای از خطوط عمودی مانند میلههای زندان در مقابل این امواج قرار دهیم (فقط خیلی نزدیکتر به هم)، میتوانیم جلوی عبور تمامی امواج نور، بهجز موجهایی که در جهت عمودی ارتعاش دارند (فقط امواج نوری که میتوانند از میلههای عمودی عبور کنند) را بگیریم.
از آنجا که بسیاری از حجم اولیه نور خورشید را مسدود میکنیم ، فیلتر ما به طور موثر نور خورشید را کم میکند. عینک آفتابی قطبیشده به این ترتیب کار میکند: جلوی عبور کامل نورهایی که از یک جهت یا صفحه فضایی ارتعاش دارند را میگیرد. نوری که به این طریق فیلتر شده را، نور قطبیشده یا قطبی شده صفحهای مینامند (زیرا فقط میتواند در یک صفحه فضایی حرکت کند).
با داشتن دو عینک آفتابی قطبیشده (عینک آفتابی معمولی جواب نمیدهد)، میتوانید ترفندی هوشمندانه انجام دهید. اگر یک عینک را مستقیماً مقابل دیگری قرار دهید، هنوز باید بتوانید آنطرف عینکها را ببینید. اما اگر یکی از عینکها را به آرامی بچرخانید، و دیگری را ثابت نگه دارید، خواهید دید که نور به تدریج تاریک میشود. وقتی عینکهای آفتابی در زاویه 90 درجه یکدیگر قرار دهید، به هیچ وجه نمیتوانید طرف دیگر عینکها را ببینید.
اولین عینک آفتابی تمامی موجهای نور، به جز موج های عمودی را متوقف میکند. عینک آفتابی دوم نیز دقیقاً همان کار عینک اولی را میکند (منع عبور امواج نور افقی). اگر هر دو عینک در یک جهت قرار بگیرند، مشکلی نیست؛ امواج نور با ارتعاش عمودی، میتوانند از هر دو عبور کنند. اما اگر عینک دوم را 90 درجه بچرخانیم، امواج نوری که از عینک عبور کرده، دیگر نمیتواند از عینک دوم عبور کند. مطلقاً هیچ نوری نمیتواند از دو فیلتر قطبیشده که در زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر هستند عبور کند.
ال سی دی ها چگونه کریستالهای مایع و نور قطبیشده را به کار میبرند؟
یک صفحه تلویزیون ال سی دی با استفاده از همین ترفند عینک آفتابی، پیکسلهای رنگی خود را روشن یا خاموش میکند. در پشت صفحه، نور شدید بزرگی وجود دارد که به سمت بیننده میتابد. در مقابل این نور، میلیونها پیکسل وجود دارد، که هر یک از نواحی کوچکتری به نام زیرپیکسل تشکیل شدهاند که به رنگهای قرمز، آبی یا سبز هستند.
هر پیکسل دارای یک شیشه فیلتر قطبیکننده در پشت خود، و فیلتر دیگری در مقابل خود در زاویه 90 درجه است. این به معنی آن است که پیکسل در حالت معمول تاریک به نظر میرسد. در بین دو فیلتر قطبیکننده کریستال مایع nematic و کوچکی وجود دارد که میتواند به صورت الکترونیکی روشن یا خاموش شود (پیچخورده یا بدون پیچخوردگی).
این کریستال مایع هنگامی که خاموش است، نوری را که از آن عبور میکند 90 درجه میچرخاند، و در نتیجه اجازه میدهد نور از بین دو فیلتر قطبیکننده عبور کند و پیکسل را روشن نشان دهد. با روشن شدن کریستال مایع، نوری که توسط یکی از فیلترهای قطبیکننده مسدود شده است نمیچرخاند، و در نتیجه پیکسل تاریک به نظر میرسد. هر پیکسل توسط یک ترانزیستور جداگانه کنترل میشود، که میتواند در هر ثانیه بارها آن پیکسل را روشن یا خاموش کند.
پیکسلهای رنگی در ال سی دی ها چگونه کار میکنند؟
در پشت تلویزیون نور شدیدی وجود دارد. تعداد زیادی مربع رنگی نیز در جلو روشن و خاموش میشوند. چه چیزی در این بین جریان دارد؟ در ادامه، نحوه روشن یا خاموش کردن هر پیکسل رنگی آورده شده:
پیکسلها چگونه خاموش میشوند
- نور از منبع نور شدیدی از پشت تلویزیون به سمت جلو حرکت میکند.
- یک فیلتر قطبیکننده افقی در مقابل نور، کلیه امواج نور به غیر از امواج ارتعاشی افقی را مسدود میکند.
- فقط امواج نوری که به صورت افقی مرتعش هستند میتوانند از فیلتر عبور کنند.
- یک ترانزیستور با عبور جریان الکتریکی از کریستالهای مایع، پیکسل را خاموش میکند. این باعث صاف شدن کریستالها میشود (در این حالت کریستالها هیچ چرخشی ندارند)، و نور بدون تغییر مستقیماً از آنها عبورمیکند.
- امواج نور در زمان خروج از کریستالهای مایع هنوز بصورت افقی مرتعش هستند.
- یک فیلتر قطبیکننده عمودی در مقابل کریستالهای مایع، کلیه امواج نور به استثنای ارتعاشات عمودی را مسدود میکند. نور ارتعاشی افقی که از کریستالهای مایع عبور کرده بود، نمیتواند از فیلتر عمودی عبور کند.
- در این حالت هیچ نوری به سطح صفحه نمیرسد. به عبارت دیگر، پیکسل مورد نظر تاریک است.
پیکسلها چگونه روشن میشوند
- نور شدید پشت صفحه مثل قبل تابیده میشود.
- فیلتر قطبیکننده افقی جلوی نور، کلیه امواج نور را به غیر از امواج ارتعاشی در جهت افقی را مسدود میکند.
- فقط امواج نوری که به صورت افقی مرتعش هستند میتوانند از آن عبور کنند.
- یک ترانزیستور با قطع عبور جریان الکتریکی از کریستالهای مایع، پیکسل را روشن میکند. این باعث چرخش کریستالها میشود. کریستالهای پیچخورده، امواج نور را هنگام عبور 90 درجه میچرخانند.
- امواج نوری که به صورت افقی به کریستالهای مایع وارد میشوند، به صورت عمودی از آنها خارج میشوند.
- فیلتر قطبیکننده عمودی مقابل کریستالهای مایع کلیه امواج نور را به استثنای ارتعاشات عمودی مسدود میکند. نور ارتعاشی عمودی خارج شده از کریستالهای مایع، اکنون میتواند از فیلتر عمودی عبور کند.
- اکنون پیکسل مورد نظر روشن است. یک فیلتر قرمز، آبی یا سبز به پیکسل رنگ میدهد.
تفاوت میان ال سی دی و پلاسما چیست؟
صفحه نمایش پلاسما شبیه ال سی دی است، اما به روشی کاملاً متفاوت عمل می کند: هر پیکسل در واقع یک لامپ فلورسنت میکروسکوپی است که توسط پلاسما می درخشد. پلاسما نوعی گاز بسیار داغ است که در آن اتمها به منظور تولید الکترونهایی با بار منفی و یونهایی با بار مثبت (الکترون اتمها جدا میشود)، متلاشی میشوند. سپس آزادانه حرکت میکنند و در زمان برخورد با یکدیگر درخششی از نور ایجاد میکنند. میتوان صفحههای پلاسما را در ابعاد بسیار بزرگتر از تلویزیونهای معمولی با فناوری لوله اشعه کاتد ساخت، اما قیمت آنها نیز بسیار بیشتر است.
تاریخچه کوتاهی از ال سی دی
اثر هنری: ریچارد ویلیامز، اصل نمایشگرهای ال سی دی را در حق ثبت اختراع شماره 3،322،485 ایالات متحده عنوان کرد. لایهای از کریستالهای مایع (زرد) بین دو صفحه شفاف (قرمز) زمانی که ولتاژ اعمال شود (آبی) صفحه نمایش را خاموش و روشن میکند. اثر هنری برگرفته از اداره ثبت اختراعات و علائم تجاری ایالات متحده است.
فردریش رینیتزر، دانشمند گیاهشناس اتریشی، هنگام مطالعه مادهای شیمیایی به نام کلسترول بنزوات، کریستالهای مایع را کشف میکند؛ و عنوان میکند که کریستال مایع دارای دو حالت متمایز است، جامد و مایع، که هر کدام دارای نقطه ذوب خاص خود هستند.
با توجه به کارهای رایینیتزر، شیمیدان و فیزیكدان آلمانی، اتو لمان، اصطلاح «کریستالهای مایع» (در اصل، «کریستالهای روان» یا «fliessende Krystalle» به زبان آلمانی) را عنوان، و تحقیقات دقیقتری با استفاده از نور قطبیشده انجام میدهد. اگرچه فعالیتهای او نامزد دریافت جایزه نوبل شد، اما هیچگاه برنده این جایزه نشد.
ریچارد ویلیامز در شرکت RCA شروع به تحقیق در مورد ویژگیهای نوری کریستالهای مایع nematic کرد. او اختراع پیشگامانه ال سی دی خود (ثبت اختراع ایالات متحده 3،322،485) را در 9 نوامبر 1962 ثبت کرد، و سرانجام بعد از تقریباً پنج سال در 30 می 1967، حق اختراع به او اعطا شد.
مهندسان شرکت RCA مانند جورج هیلمایر، با استفاده از پژوهشهای نظری پیشین، به امید ایجاد تلویزیونهای ال سی دی، اولین نمایشگرهای الکترونیکی کاربردی را تولید کردند.
شرکت RCA به طور علنی در کنفرانسی مطبوعاتی از فناوری ال سی دی رونمایی کرد، و باعث شد روزنامه نیویورک تایمز تولید محصولاتی مانند «یک صفحه نازک تلویزیونی را که میتواند مانند یک نقاشی روی دیوار اتاق نشیمن آویزان شود« را پیش بینی کند.
دانشمند فرانسوی Pierre-Gilles de Gennes تحقیقات پیشگامانهای در مورد تغییر حالات کریستالهای مایع انجام میدهد، که منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیک در همان سال به او شد.
ولفگانگ هلفریچ ال سی دی های nematic پیچخورده را بر مبنای نور قطبیشده در شرکت RCA تولید میکند، اما این شرکت با تردید در موفقیت این فناوری از توسعه آنها اجتناب میکند. در دانشگاه ایالتی کنت، جیمز فرگاسن نسخهای دیگر از همان ایده را توسعه داده و ثبت میکند. امروزه، اعتبار اختراع ال سی دی های مدرن، مشترکاً به هلفریش، همکار او مارتین شادت و فرگاسن داده میشود.
شرکت RCA با عدم موفقیت در تجاریسازی ال سی دی، فناوری خود را به شرکت Timex میفروشد، كه فناوری ال سی دی را برای اولین بار در ساعتهای مچی دیجیتال مورد استفاده قرار میدهد.
شارپ از اولین ماشین حساب جیبی ال سی دی (مدل EL-805) رونمایی کرد.
به وجود آمدن نمایشگرهای STN (nematic فوق پیچخورده)، با پیکسلهایی بسیار بیشتر که تصاویری با وضوح بالاتر ارائه میدهند.
100 سال پس از کشف کریستالهای مایع، شرکت Sharp هنگام تولید اولین تلویزیون رنگی 14 اینچی با نمایشگر ال سی دی TFT (ترانزیستور فیلم نازک)، شیپور مرگ تلویزیونهای دارای فناوری لوله اشعه کاتود را به صدا در میآورد.
دانشمندان حوزه نور، پژوهشهایی در زمینه ال سی دی هایی با بهرهوری بالاتر و رنگهای غنیتر، بر مبنای فناوری نقطههای کوانتومی انجام میدهند.
مقاله پیشنهادی: اینورتر صنعتی ایرانی
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.