Κατασκευή LCD
Κάθε εικονοστοιχείο μιας οθόνης LCD αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: ένα στρώμα μορίων υγρών κρυστάλλων που αιωρούνται ανάμεσα σε δύο διαφανή ηλεκτρόδια (οξείδιο του κασσίτερου ινδίου) και δύο πολωτικά φίλτρα με κατευθύνσεις πόλωσης κάθετες μεταξύ τους στο εξωτερικό. Εάν δεν υπάρχει υγρός κρύσταλλος μεταξύ των ηλεκτροδίων, η κατεύθυνση πόλωσης του φωτός που διέρχεται από ένα από τα φίλτρα πολωμένου θα είναι εντελώς κάθετη στο δεύτερο πολωτικό φίλτρο, έτσι ώστε να είναι εντελώς μπλοκαρισμένο. Ωστόσο, εάν η κατεύθυνση πόλωσης του φωτός που διέρχεται από ένα φίλτρο πολωμένου περιστρέφεται από τον υγρό κρύσταλλο, μπορεί να περάσει από το άλλο πολωτικό φίλτρο. Η περιστροφή της κατεύθυνσης πόλωσης του φωτός από υγρό κρύσταλλο μπορεί να ελεγχθεί από ένα ηλεκτροστατικό πεδίο, επιτυγχάνοντας έτσι τον έλεγχο του φωτός.
Τα μόρια υγρών κρυστάλλων είναι πολύ ευαίσθητα στην επίδραση των εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων και δημιουργούν επαγόμενες χρεώσεις. Όταν προστίθεται μια μικρή ποσότητα φορτίου στο διαφανές ηλεκτρόδιο κάθε εικονοστοιχείου ή υπο-εικονοστοιχείου για τη δημιουργία ενός ηλεκτροστατικού πεδίου, τα μόρια του υγρού κρυστάλλου θα προκληθούν από αυτό το ηλεκτροστατικό πεδίο για να προκαλέσουν επαγόμενες φορτίες και να δημιουργήσουν ηλεκτροστατική ροπή, τα οποία αλλάζουν το Αρχική περιστροφική διάταξη των μορίων υγρών κρυστάλλων, αλλάζοντας έτσι το εύρος περιστροφής του φωτός που διέρχεται. Αλλάξτε μια συγκεκριμένη γωνία έτσι ώστε να μπορεί να περάσει από το φίλτρο πόλωσης.
Πριν προστεθεί το φορτίο στο διαφανές ηλεκτρόδιο, η διάταξη των μορίων υγρών κρυστάλλων προσδιορίζεται από τη διάταξη της επιφάνειας του ηλεκτροδίου και η χημική επιφάνεια του ηλεκτροδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κρυσταλλικός σπόρος. Στο πιο κοινό υγρό κρύσταλλο ΤΝ, τα άνω και κάτω ηλεκτρόδια του υγρού κρυστάλλου είναι διατεταγμένα κατακόρυφα. Τα μόρια υγρών κρυστάλλων είναι διατεταγμένα σε μια σπείρα και η κατεύθυνση πόλωσης του φωτός που διέρχεται από ένα φίλτρο πόλωσης περιστρέφεται αφού διέρχεται από το υγρό τσιπ, έτσι ώστε να μπορεί να περάσει από έναν άλλο πολωτή. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα μικρό μέρος του φωτός μπλοκάρει από τον πολωτή και φαίνεται γκρι από το εξωτερικό. Αφού προστεθεί το φορτίο στο διαφανές ηλεκτρόδιο, τα μόρια υγρών κρυστάλλων θα τοποθετηθούν σχεδόν εντελώς παράλληλα κατά μήκος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου, οπότε η κατεύθυνση πόλωσης του φωτός που διέρχεται από ένα φίλτρο πόλωσης δεν περιστρέφεται, οπότε το φως είναι εντελώς εντελώς μπλοκαρισμένο. Αυτή τη στιγμή, το εικονοστοιχείο φαίνεται μαύρο. Με τον έλεγχο της τάσης, ο βαθμός παραμόρφωσης της διάταξης των μορίων υγρών κρυστάλλων μπορεί να ελεγχθεί για να επιτευχθούν διαφορετικά γκρι.
Ορισμένες LCDs γίνονται μαύρες όταν εκτίθενται σε εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο καταστρέφει το σπειροειδές αποτέλεσμα του υγρού κρυστάλλου. Όταν το ρεύμα είναι απενεργοποιημένο, η οθόνη LCD γίνεται φωτεινότερη ή διαφανής. Αυτός ο τύπος LCD βρίσκεται συνήθως σε φορητούς υπολογιστές και φτηνές LCD. Ένας άλλος τύπος LCD που χρησιμοποιείται συνήθως σε LCDs υψηλής ευκρίνειας ή μεγάλες τηλεοράσεις LCD είναι ότι όταν η ισχύς είναι απενεργοποιημένη, η οθόνη LCD είναι αδιαφανής.
Προκειμένου να εξοικονομήσετε ενέργεια, οι LCD χρησιμοποιούν μια μέθοδο πολυπλεξίας. Στη λειτουργία πολυπλεξίας, τα ηλεκτρόδια στο ένα άκρο συνδέονται σε ομάδες, κάθε ομάδα ηλεκτροδίων συνδέεται με τροφοδοτικό και τα ηλεκτρόδια στο άλλο άκρο συνδέονται επίσης σε ομάδες, κάθε ομάδα συνδέεται με το άλλο άκρο της ισχύος προμήθεια. Ο σχεδιασμός ομαδοποίησης εξασφαλίζει ότι κάθε εικονοστοιχείο ελέγχεται από ανεξάρτητο τροφοδοτικό. Η ηλεκτρονική συσκευή ή το λογισμικό που οδηγεί την ηλεκτρονική συσκευή ελέγχει την οθόνη του εικονοστοιχείου ελέγχοντας την ακολουθία on/off της τροφοδοσίας.
Οι δείκτες για τη δοκιμή LCDs περιλαμβάνουν τις ακόλουθες σημαντικές πτυχές: μέγεθος οθόνης, χρόνος απόκρισης (ρυθμός συγχρονισμού), τύπος συστοιχίας (ενεργός και παθητικός), γωνία προβολής, υποστηριζόμενα χρώματα, φωτεινότητα και αντίθεση, ανάλυση και αναλογία διαστάσεων οθόνης και διεπαφή εισόδου (τέτοια ως οπτική διασύνδεση και οθόνη βίντεο).
Σύντομη ιστορία
Το 1888, ο αυστριακός χημικός Friedrich Reinizer ανακάλυψε τους υγρούς κρυστάλλους και τις ειδικές φυσικές του ιδιότητες.
Η πρώτη επιχειρησιακή LCD βασίστηκε στη δυναμική λειτουργία σκέδασης (DSM), που αναπτύχθηκε από μια ομάδα με επικεφαλής τον George Hellmann στο RCA. Η Hellmann ίδρυσε την Optech, η οποία ανέπτυξε μια σειρά LCD με βάση αυτή την τεχνολογία.
Τον Δεκέμβριο του 1970, η στριμμένη νηματική επίδραση των υγρών κρυστάλλων ήταν κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στην Ελβετία από τους Sint και Helfrich στα κεντρικά εργαστήρια Hoffmann-le Roque. Ωστόσο, το προηγούμενο έτος, το 1969, ο James Ferguson είχε ανακαλύψει την στριμμένη νηματική επίδραση των υγρών κρυστάλλων στο Πανεπιστήμιο του Κεντ στο Οχάιο των ΗΠΑ και κατέγραψε το ίδιο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις Ηνωμένες Πολιτείες το Φεβρουάριο του 1971. Το 1971, η εταιρεία του (Ilixco ) παρήγαγε την πρώτη οθόνη LCD με βάση αυτή την ιδιότητα, η οποία σύντομα αντικατέστησε την κατώτερη LCD τύπου DSM. Μόλις το 1985 αυτή η ανακάλυψη έγινε εμπορικά βιώσιμη. Το 1973, η Sharp Corporation της Ιαπωνίας το χρησιμοποίησε για πρώτη φορά για να κάνει ψηφιακές οθόνες για ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Στο 2010, οι LCDs έχουν γίνει οι κύριες συσκευές προβολής για όλους τους υπολογιστές.
Αρχή εμφάνισης
Χωρίς τάση, το φως θα κινηθεί κατά μήκος του χάσματος μεταξύ των μορίων υγρών κρυστάλλων και της στροφής 90 μοίρες, οπότε το φως μπορεί να περάσει. Αλλά μετά την προσθήκη τάσης, το φως κινείται ευθεία κατά μήκος του χάσματος μεταξύ των μορίων υγρών κρυστάλλων, οπότε το φως εμποδίζεται από το φίλτρο.
Το υγρό κρύσταλλο είναι ένα υλικό με χαρακτηριστικά ροής, επομένως απαιτείται μόνο μια πολύ μικρή εξωτερική δύναμη για να μετακινηθούν τα μόρια υγρών κρυστάλλων. Λαμβάνοντας το πιο κοινό νηματικό υγρό κρύσταλλο ως παράδειγμα, τα μόρια υγρών κρυστάλλων μπορούν εύκολα να γυρίσουν με τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου. Δεδομένου ότι ο οπτικός άξονας του υγρού κρυστάλλου είναι αρκετά συνεπής με τον μοριακό του άξονα, μπορεί να παράγει οπτικά αποτελέσματα. Όταν το ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται στον υγρό κρύσταλλο αφαιρείται και εξαφανίζεται, ο υγρός κρύσταλλος θα χρησιμοποιήσει τη δική του ελαστικότητα και ιξώδες και τα μόρια υγρών κρυστάλλων θα επιστρέψουν γρήγορα στην αρχική κατάσταση πριν από την εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου.
Μεταδιδόμενες και αντανακλαστικές οθόνες
Τα LCDs μπορούν είτε να μεταβιβαστούν είτε να αντανακλούν, ανάλογα με το πού τοποθετείται η πηγή φωτός.
Τα μεταδιδόμενα LCD φωτίζονται από μια πηγή φωτός πίσω από την οθόνη και παρατηρούνται από την άλλη πλευρά (μπροστά) της οθόνης. Αυτός ο τύπος LCD χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή φωτεινότητα, όπως οθόνες υπολογιστών, PDAs και κινητά τηλέφωνα. Ο φωτισμός που χρησιμοποιείται για να φωτίζει την οθόνη LCD συχνά καταναλώνει περισσότερη ισχύ από την ίδια την οθόνη οθόνης οθόνης.
Οι αντανακλαστικές LCDs, που συνήθως βρίσκονται σε ηλεκτρονικά ρολόγια και αριθμομηχανές, (μερικές φορές) φωτίζουν την οθόνη αντανακλώντας το εξωτερικό φως πίσω από μια διάχυτη αντανακλαστική επιφάνεια πίσω από την LCD. Αυτός ο τύπος LCD έχει υψηλότερη αναλογία αντίθεσης επειδή το φως διέρχεται από τον υγρό κρύσταλλο δύο φορές, οπότε κόβεται δύο φορές. Η μη χρήση μιας συσκευής φωτισμού μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας, επομένως οι συσκευές που τροφοδοτούνται με μπαταρίες διαρκούν περισσότερο. Επειδή οι μικρές αντανακλαστικές LCDs καταναλώνουν τόσο λίγη ισχύ που ένα φωτοκύτταρο είναι αρκετό για να τους τροφοδοτεί, χρησιμοποιούνται συχνά σε υπολογιστές τσέπης.
Τα μεταφραζόμενα LCDs μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως μεταδιδόμενα είτε ως αντανακλαστικά. Όταν υπάρχει άφθονο εξωτερικό φως, η οθόνη LCD λειτουργεί ως αντανακλαστικός τύπος και όταν υπάρχει λιγότερο εξωτερικό φως, μπορεί να λειτουργήσει ως μεταδιδικός τύπος.
Έγχρωμη οθόνη
Η τεχνολογία LCD αλλάζει επίσης τη φωτεινότητα με βάση το μέγεθος της τάσης. Το χρώμα που εμφανίζεται από κάθε υπο-στοιχείο LCD εξαρτάται από το πρόγραμμα ελέγχου χρώματος. Δεδομένου ότι το ίδιο το υγρό κρύσταλλο δεν έχει χρώμα, τα φίλτρα χρώματος χρησιμοποιούνται για την παραγωγή διαφόρων χρωμάτων αντί των υπο-στοιχείων. Το υπο-στοιχείο μπορεί να ρυθμίσει μόνο την κλίμακα του γκρι, ελέγχοντας την ένταση του φωτός που διέρχεται. Μόνο μερικές ενεργές εμφανίσεις μήτρας χρησιμοποιούν αναλογικό έλεγχο σήματος και οι περισσότεροι χρησιμοποιούν την τεχνολογία ψηφιακού σήματος. Οι περισσότεροι ψηφιολογικά ελεγχόμενες LCD χρησιμοποιούν ελεγκτές οκτώ bit, οι οποίοι μπορούν να παράγουν 256 επίπεδα κλίμακας γκρι. Κάθε υπο-στοιχείο μπορεί να παρουσιάσει 256 επίπεδα, ώστε να μπορείτε να πάρετε 2563 χρώματα και κάθε στοιχείο μπορεί να εμφανίσει 16.777.216 χρώματα. Επειδή το ανθρώπινο μάτι δεν αισθάνεται τη φωτεινότητα γραμμικά και το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο στις χαμηλές αλλαγές φωτεινότητας, αυτό 24- bit χρωματικοτικότητα δεν μπορεί να ανταποκριθεί πλήρως στις ιδανικές απαιτήσεις. Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τη ρύθμιση της τάσης παλμών για να κάνουν τις αλλαγές χρώματος να φαίνονται πιο ομοιόμορφες.
Σε μια έγχρωμη οθόνη LCD, κάθε εικονοστοιχείο χωρίζεται σε τρεις μονάδες ή υπο-εικονοστοιχεία και πρόσθετα φίλτρα σημειώνονται κόκκινα, πράσινα και μπλε αντίστοιχα. Τα τρία υπο-εικονοστοιχεία μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα, με αποτέλεσμα χιλιάδες ή και εκατομμύρια χρώματα για το αντίστοιχο εικονοστοιχείο. Τα παλιά CRTs χρησιμοποιούν την ίδια μέθοδο για την εμφάνιση χρωμάτων. Ανάλογα με την ανάγκη, τα συστατικά χρώματος είναι διατεταγμένα σύμφωνα με διαφορετικές γεωμετρίες εικονοστοιχείων.
Ενεργές και παθητικές συστοιχίες
Μια οθόνη υγρών κρυστάλλων που βρίσκεται συνήθως σε ηλεκτρονικά ρολόγια και υπολογιστές τσέπης που αποτελείται από ένα μικρό αριθμό τμημάτων, το καθένα με μία επαφή με ένα μόνο ηλεκτρόδιο. Ένα εξωτερικό ειδικό κύκλωμα παρέχει φορτίο σε κάθε μονάδα ελέγχου, η οποία μπορεί να είναι δυσκίνητη με περισσότερες μονάδες οθόνης (όπως οθόνες υγρών κρυστάλλων). Παθητικές οθόνες υγρού κρυστάλλου συστοιχίας για μικρές μονόχρωμες οθόνες, όπως εκείνες σε PDAs ή παλαιότερες οθόνες φορητού υπολογιστή, χρησιμοποιούν σούπερ στριμμένο nematic (STN) ή σούπερ στριμμένο Nematic (DSTN) τεχνολογία (DSTN) (DSTN).
Κάθε σειρά ή στήλη στην οθόνη έχει ανεξάρτητο κύκλωμα και η θέση κάθε εικονοστοιχείου καθορίζεται επίσης από μια σειρά και στήλη. Αυτός ο τύπος οθόνης ονομάζεται "Passive Array" επειδή κάθε εικονοστοιχείο πρέπει επίσης να θυμάται το δικό του κράτος πριν από την ενημέρωση. Αυτή τη στιγμή, κάθε εικονοστοιχείο δεν έχει σταθερή παροχή φόρτισης. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των εικονοστοιχείων, ο σχετικός αριθμός σειρών και στηλών θα αυξηθεί επίσης και αυτή η μέθοδος εμφάνισης γίνεται πιο δύσκολη στη χρήση. Οι LCD που κατασκευάζονται με παθητικές συστοιχίες χαρακτηρίζονται από πολύ αργούς χρόνους απόκρισης και χαμηλής αντίθεσης.
Οι τρέχουσες οθόνες υψηλής ανάλυσης, όπως οθόνες υπολογιστών ή τηλεοράσεις, είναι ενεργές συστοιχίες. Οι οθόνες υγρού κρυστάλλου με λεπτό φιλμ προστίθενται σε πολωιστές και φίλτρα χρώματος. Κάθε εικονοστοιχείο έχει το δικό του τρανζίστορ, επιτρέποντας τον έλεγχο μεμονωμένων εικονοστοιχείων. Όταν μια γραμμή στήλης είναι ενεργοποιημένη, όλες οι γραμμές γραμμών συνδέονται με μια ολόκληρη σειρά εικονοστοιχείων και κάθε γραμμή σειράς οδηγείται με τη σωστή τάση, η γραμμή στήλης είναι απενεργοποιημένη και η άλλη σειρά είναι ενεργοποιημένη. Σε μια πλήρη λειτουργία ενημέρωσης εικόνων, όλες οι γραμμές στήλης είναι ενεργοποιημένες σε μια χρονική ακολουθία. Οι ενεργές οθόνες συστοιχίας του ίδιου μεγέθους θα εμφανίζονται πιο φωτεινές και πιο έντονες από τις παθητικές οθόνες συστοιχίας και θα έχουν σύντομο χρόνο απόκρισης.
Ποιοτικός έλεγχος
Ορισμένα πάνελ LCD περιέχουν ελαττωματικά τρανζίστορ που προκαλούν μόνιμα φωτεινά και σκοτεινά σημεία. Σε αντίθεση με το ICS, τα πάνελ LCD μπορούν ακόμα να εμφανίζουν κανονικά ακόμη και αν υπάρχουν κακά εικονοστοιχεία. Αυτό μπορεί επίσης να αποφύγει να απορρίψει τα πάνελ LCD που είναι πολύ μεγαλύτερα από την περιοχή IC λόγω μερικών κακών εικονοστοιχείων. Οι κατασκευαστές πάνελ έχουν διαφορετικά πρότυπα για τον προσδιορισμό των κακών εικονοστοιχείων.
Τα πάνελ LCD είναι πιο πιθανό να έχουν ελαττώματα από τα συμβούλια IC λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους τους. Για παράδειγμα, ένα {{0}} ιντσών SVGA LCD έχει 8 κακά εικονοστοιχεία, ενώ ένα 6- ιντσών έχει μόνο 3 ελαττώματα. Ωστόσο, 3 ελαττώματα σε ένα δίσκο που μπορούν να χωριστούν σε 137 ICS δεν είναι πολύ κακά, αλλά η απόρριψη του πίνακα LCD σημαίνει 0% έξοδο. Λόγω του έντονου ανταγωνισμού μεταξύ των κατασκευαστών, έχουν αυξηθεί τα πρότυπα ελέγχου ποιότητας. Εάν η οθόνη LCD έχει τέσσερα ή περισσότερα κακά εικονοστοιχεία, είναι ευκολότερο να ανιχνευθεί, οπότε ο πελάτης μπορεί να ζητήσει αντικατάσταση. Η θέση του κακού εικονοστοιχείου στον πίνακα LCD δεν είναι επίσης αμελητέα. Οι κατασκευαστές συχνά χαμηλότερα πρότυπα επειδή τα εικονοστοιχεία που έχουν υποστεί κατεστραμμένη βρίσκονται στο κέντρο της οθόνης. Ορισμένοι κατασκευαστές παρέχουν εγγύηση μηδενικού κακού εικονοστοιχείου.
Κατανάλωση ενέργειας
Η Active Matrix LCD χρησιμοποιεί λιγότερη ισχύ από τα CRTs. Στην πραγματικότητα, έχουν γίνει η τυπική οθόνη για φορητές συσκευές, από PDAs σε φορητούς υπολογιστές. Αλλά η τεχνολογία LCD εξακολουθεί να είναι υπερβολικά αναποτελεσματική: ακόμη και αν γυρίσετε την οθόνη λευκή, λιγότερο από το 10% του φωτός που εκπέμπεται από την πηγή φωτός φόντου περνάει από την οθόνη. Το υπόλοιπο απορροφάται. Έτσι, οι νέες οθόνες στο πλάσμα χρησιμοποιούν τώρα λιγότερη ισχύ από τα LCD της ίδιας περιοχής.
Τα PDA, όπως το Palm και το Compaqipaq, χρησιμοποιούν συχνά ανακλαστικές οθόνες. Αυτό σημαίνει ότι το φως του περιβάλλοντος εισέρχεται στην οθόνη, διέρχεται από το πολωμένο στρώμα υγρού κρυστάλλου, χτυπά το αντανακλαστικό στρώμα και στη συνέχεια αντανακλά πίσω για να εμφανίσει την εικόνα. Εκτιμάται ότι το 84% του φωτός απορροφάται σε αυτή τη διαδικασία, επομένως χρησιμοποιείται μόνο το ένα έκτο του φωτός, το οποίο, αν και εξακολουθεί να υπάρχει περιθώριο βελτίωσης, αρκεί για να προσφέρει την αντίθεση που απαιτείται για ορατό βίντεο. Οι μονόδρομες προβληματισμοί και οι ανακλαστικές οθόνες καθιστούν δυνατή τη χρήση οθονών LCD με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού.
Οθόνη μηδενικής ισχύος
Το 2000 αναπτύχθηκε μια οθόνη μηδενικής ισχύος που δεν χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια όταν βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, αλλά αυτή η τεχνολογία δεν είναι επί του παρόντος διαθέσιμη για μαζική παραγωγή. Η Nemoptic, μια γαλλική εταιρεία, ανέπτυξε μια άλλη τεχνολογία LCD με λεπτόκοκκο φιλμ, η οποία παράγει μαζική παραγωγή στην Ταϊβάν τον Ιούλιο του 2003. Οι LCD της μηδενικής ισχύος ανταγωνίζονται επίσης με ηλεκτρονικό χαρτί.