کریستال مایع و سیستم های LCD

کریستال مایع و سیستم های LCD

اسلاید 1: موضوع :كريستال مايع و سيستمهاي LCDگرد آورنده:كيومرث ميراستاد ارجمند جناب آقاي مهندس افشه

اسلاید 2: کریستال مایع کریستال مایع ماده‌ای است که به طور فیزیکی دارای خاصیت‌های مواد جامد و مواد مایع هر دو باشد. یکی از خاصیت‌های آن توانایی تغییر موقعیت بسته به ولتاژ اعمالی به آن است. با اینکه مایعات معمولاً همسانگرد (ایزوتروپ) هستند، حدود ۲۰۰ ماده شناخته ‌شده‌اند که در حالت مایع و در دماهایی بالاتر از دمای ذوبشان خواص ناهمسانگرد دارند. معمولاً به این مواد کریستال‌ها(بلورها)ی مایع گفته می‌شود.

اسلاید 3: مایعات ناهمسانگرداصطلاح کریستال مایع یک غلط مصطلح است. زیرا واژهٔ کریستال (بلور) به وجود یک شبکهٔ فضایی خاص اشاره می‌کند اما تشکیل شبکه در مایعات امکان‌پذیر نیست. در این نوع مواد، جهت‌گیری مولکولی خاصی در شرایط مشخص اتفاق می‌افتد بنابراین بهتر است آنها را مایعات ناهمسانگرد بنامیم.

اسلاید 4: تاریخدر سال ۱۸۸۸، یک گیاه‌شناس اتریشی به نام فردریک راینیتزر هنگام کار در دانشگاه آلمانی پراگ، کلسترول را از هویج استخراج می کرد تا فرمول شیمیایی آن را بدست آورد. راینیتزر خواص شیمی-فیزیکی مشتقات مختلف کلسترول را آزمایش کرد. چند تن از محققان و همکاران وی تا پیش از آن، اثرات رنگی متمایزی را هنگام سرد کردن مشتقات کلسترول، دقیقاً بالای نقطه انجماد مشاهده کرده بودند. راینیتزر خودش پدیده‌ای مشابه را در بنزوات کلسترول یافت. ولی رنگ‌ها در نزدیکی نقطه انجماد بنزوات کلسترول، در ویژه ترین شکلشان نبودند. راینیتزر دریافت که بنزوات کلسترول مانند

اسلاید 5: سایر ترکیبات ذوب نمی‌شود، بلکه بطور واضح دو نقطه ذوب دارد. در ۱۴۵٫۵ درجه سانتیگراد ذوب شده و تبدیل به یک مایع کدر می‌شود، و در ۱۷۸٫۵ درجه سانتیگراد دوباره ذوب شده، و مایع کدر به یکباره شفاف می شود. بعلاوه، این پدیده برگشت پذیر بود. راینیتزر برای کمک گرفتن از یک فیزیکدان، در ۱۴ مارس ۱۸۸۸، نامه‌ای به اوتو لهمان نوشت. آنها نامه‌هایی با هم مبادله کردند. لهمان هم بر روی شاره کدر حالت میانی آزمایشاتی انجام داد و گزارش کرد که بلوری شدن را دیده است. راینیتزر هم به همین نتایج دست یافت. مبادله نامه با لهمان در ۲۴ آوریل با انبوهی از سؤالات بی پاسخ به پایان رسید. راینیتزر نتایج خودش را که با نتایج لهمان مطابقت داشت، در۳ مه ۱۸۸۸، در یک نشست در انجمن شیمی وین ارائه داد. تا این زمان راینیتزر سه سیمای متفاوت از کریستال‌های مایع کلستریک را کشف کرده بود. (این نام، بعدها در سال ۱۹۲۲ توسط جرج فریدل به آنها اطلاق شد.)

اسلاید 6: لهمان فوراً یک مطالعه سیستماتیک را شروع کرد.در ابتدا با بنزوات کلسترول و سپس با ترکیبات مرتبط که آنها هم پدیده دو ذوبی را بطور مشخص نشان می دادند.او با میکروسکوپش هم پلاریزاسیون نور را در این ترکیبات دید و هم رفتار این مواد را در دمای بالا مشاهده کرد. فاز میانی کدر که او دیده بود، یک شاره بود و جاری می‌شد ولی سایر فازها، حالت جامد داشتند. در پایان اوت ۱۸۸۹ او مقاله خودش را برای یک نشریه آلمانی ارائه داد. در ابتدای قرن ۲۰، کریستالهای مایع، بین دانشمندان شناخته شده نبودند. در سال ۱۹۶۹ هانس کلکر موفق شد ماده‌ای را که فاز نماتیک دارد،BBA p-Methoxybenzyliden-p-n-butylanilin))در دمای اتاق سنتز کند. قدم بعدی برای تجاری کردن نمایشگرهای کریستال مایع، سنتز کردن یک ماده شیمیایی پایدار دیگر (cyanobiphenyls) با دمای ذوب پایین توسط جرج گری بود. در سال ۱۹۹۱، زمانی که استفاده از نمایشگرهای کریستال مایع در زندگی روزمره نسبتاً رواج یافته بود، پیر ژیل دوژانس جایزه نوبل فیزیک را برای «کشف روش های گسترده برای مطالعه پدیده های نظم در سیستم‌های ساده‌ای که می‌تواند به شکل‌های پیچیده‌تری از ماده، بخصوص کریستالهای مایع و پلیمرها، تعمیم داده شود» از آن خود کرد.

اسلاید 7: اگر از کاربران رايانه باشيد، احتمالا اسمهايي از قبيل مانيتور فلت و LCD ها را شنيده ايد. لغتهايي که امروزه به قدري باب شده اند که حتي کودکان ۵ ۶ساله هم که گاهي آنها را به زبان مي آورند. آيا صفحه هاي فلت ، LCDو پلاسمايي يکي هستند يا معاني جدايي دارند و ما از روي ناآگاهي آنها را به جاي هم به کار مي بريم؟ واقعيت اين است که اينها معاني متفاوتي هستند که برحسب اشتباه از آنها به صورت جايگزين استفاده مي کيم. احتمالا هر روزه از وسايل متفاوتي استفاده مي کنيم که شامل LCDها هستند.

اسلاید 8: رايانه هاي لپ تاپ ، برخي مانتيورها، ساعتهاي ديجيتالي ، اجاقهاي مايکروويو، دستگاه پخش سي دي و دستگاه هاي الکترونيکي فراوان ديگر شامل LCD ها هستند. براي تشخيص LCD بودن يک صفحه کافي است ، براي چند ثانيه انگشت خود را روي آن صفحه قرار دهيد و حرکت امواج را در ناحيه اطراف دستتان مشاهده کنيد. البته اين کار به هيچ عنوان توصيه نمي شود. چرا که در درازمدت به مانيتور شما آسيب مي رساند. LCD يا Liquid Crystal Display به دليل مزيت هايي از قبيل نازک بودن ، وضوح بيشتر و مصرف برق کمتر متداول شده اند. LCDها يا کريستال هاي مايع اولين بار در سال ۱۹۸۸از سوي يک گياه شناس اتريشي به نام فردريک رينيتز کشف شد. او مشاهده کرد زماني که يک ماده شبيه کلستريل را ذوب مي کند، اين مايع که در ابتدا تيره بوده و با بالا رفتن حرارت ، رنگ آن روشن مي شود پس از خنک کردن ،

اسلاید 9: مايع قبل از تبلور نهايي به رنگ آبي تبديل مي شود. از ساخت آزمايشي اولين LCDدر سال ۱۹۸۶، مدت 22سال مي گذرد. از آن هنگام سازندگان LCDها آن را به لحاظ تکنولوژيکي توسعه دادند و LCDها را از لحاظ تکنيکي به سطح بالايي رساندند و روند رو به رشد فناوري ساخت اين وسيله همچنان رو به فزوني است. کريستال هاي مايع بسته به چگونگي تحريک و نحوه آرايش مولکول ها به گروه هاي مختلفي تقسيم مي شوند. اين نوع کريستال ها نسبت به تغيير دما و در بعضي موارد فشار واکنش نشان مي دهند و جهت گيري مولکولها در آنها از الگوي خاصي پيروي مي کند که اغلب يک منشا خارجي جهت دهنده دارد. از شواهد برمي آيد که کريستال هاي مايع به حالت مايع نزديک تر هستند تا جامد. آنها مقادير متوسطي از گرما را دريافت مي کنند تا يک ماده مناسب را از يک حالت جامد به کريستال مايع تبديل کنند و فقط مقدار بيشتري گرما را براي تبديل همان کريستال مايع به حالت مايع واقعي دريافت مي کنند. به خاطر اين که کريستال هاي مايع به درجه حرارت بسيار حساس هستند،

اسلاید 10: انتخاب مناسبي براي کاربرد در دماسنج ها هستند. از اينجا دلايل وضوح صفحه مانيتور کامپيوتر لپ تاپ در يک هواي سرد يا در خلال يک روز داغ در کنار ساحل روشن مي شود. يک LCD وسيله اي است که از ۴ الگو يا واقعيت فيزيکي بهره مي گيرد: اول اين که نور مي تواند قطبيده شود، دوم اين که کريستال هاي مايع مي توانند منتقل شوند و نور قطبيده شده را تغيير دهند. سوم اين که ساختار کريستال هاي مايع مي توانند از سوي جريان الکتريکي تغيير يابند و آخرين مورد اين که مواد شفافي موجودند که قادرند جريان الکتريسيته را هدايت کنند.

اسلاید 11: سيستم LCD دو نوع LCD در رايانه وجود دارد ؛ ماتريس غيرفعال passive matrix و ماتريس فعال LCD .active matrixهاي ماتريس غيرفعال از يک شبکه ساده ، براي تامين شارژ پيکسل هاي موجود روي نمايشگر استفاده مي کنند. ايجاد شبکه درواقع يک مرحله پردازش است که با دو لايه شفاف آغاز مي شود. به يکي از اين لايه ها ستون ها و به ديگري رديف هايي واگذار مي شود که از مواد هادي و شفاف ساخته مي شوند که معمولا از جنس اکسيد قلع هستند. ستونها و رديفها به مدارهاي مجتمع (IC ها) مرتبط مي شوند و زماني که شارژ از ستون يا سطر خارج شود، اين مدارها، کنترل خواهد شد. مواد کريستال مايع مابين دو لايه شفاف قرار خواهد گرفت ، يک فيلم قطبيده به بخش خارجي از هر يک از اين لايه اضافه مي شود. سادگي سيستم ماتريس غيرفعال جالب است اما نواقصي نيز به همراه دارد، از جمله زمان پاسخ کوتاه و کنترل ولتاژ بدون دقت.

اسلاید 12: راحت ترين راه براي مشاهده زمان پاسخ کوتاه در يک LCDماتريس غيرفعال اين است که نشانگر ماوس را بسرعت از سمت صفحه نمايش به سمت ديگر حرکت دهيد. درحالتي که اين حرکت انجام مي شود به حالت سايه هايي که در پي نشانگر ظاهر مي شود، توجه کنيد. کنترل ولتاژ با عدم دقت از توانايي ماتريس غيرفعال جلوگيري مي کند و در يک زمان تنها بر يک پيکسل تاثير مي گذارد. زماني که ولتاژ براي از هم باز کردن يک پيکس به کار گرفته مي شود، پيکس هاي اطراف آن نيز تا حدي از هم باز مي شود که باعث مي شود تصاوير تار به نظر آيد و کنتراست خود را از دست بدهد.

اسلاید 13: LCDهاي ماتريس فعال به TFTها وابسته هستند. اساسا TFTها ترانزيستورها و خازن هاي کوچک سوئيچ شونده هستند. آنها در يک ماتريس و روي يک لايه شفاف مرتب مي شوند. براي آدرس دهي يک پيکسل ، رديف مناسب سوييچ مي شود و سپس شارژ به ستون اصلي ارسال مي شود. خازن قادر به نگهداري شارژ تا به دوره تازه سازي بعدي است. اگر دقيقا مقدار ولتاژي که براي يک کريستال تامين مي شود، کنترل گردد، خواهيد توانست آن را از هم باز کنيد. بيشتر نمايشگرهاي امروزي در هر پيکسل ۲۵۶سطح روشنايي پيشنهاد مي کنند. فناوري LCDها بسرعت در حال رشد است. اندازه نمايشگر محدود به مشکلات کنترل کيفيت مي شود که به سازنده هاي آنها برمي گردد. بتازگي شرکت اپل بزرگترين مانيتور LCDجهان را دراندازه ۳۰اينچي به بازار عرضه کرد که کيفيت تصويري بسيار بالا دارد. پس براي داشتن وضوح و کيفيت قابل توجه ،بايد بهاي زيادي بپردازيم.

اسلاید 14: بدلیل دارابودن مزایای بیشتر نسبت به دیگر فناوری های نمایشی ، کارایی بیشتری دارند. به عنوان مثال آنها، باریک تر، روشن تر و کم مصرف تر از CRT ها (Cathode Ray Tubes) هستند.اما، چه چیزباعث شده که آن ها، کریستال مایع نامیده شوند؟ تناقضی در نامِ (مایع کریستال) وجود دارد.    در تصور ما کریستال، ماده ی جامدی بمانند کوارتز است. که معمولا بمانند سنگ، سخت می باشد. و با یک مایع، کاملا متفاوت است.چطور ممکن است، ماده ای هم مایع باشد، هم جامد ؟ موادی وجود دارند که میتوانند در هر دو حالت باشند، به نوعی هم مایع، هم جامد. وقتی در این حالت هستند، مولکولهایشان تمایل به حفظ حالت جامد را دارند، با این حال به مانند مایعات، مولکول هایشان در حال حرکت هستند. و این بدان معنی است که مایعات کریستالی نه جامدند و نه مایع. پس، مایع کریستالی چگونه عمل میکند.نهایتا اینگونه نتیجه می گیریم : مایع کریستالی به حالت مایع نزدیکتر است تا به جامد.

اسلاید 15:    جالب است بدانید با دادن میزان قابل توجهی گرما به جسم جامد، میتوان آن را به مایع کریستالی مبدل و تنها با دادن کمی حرارت بیشتر میتوان آن را به یک ماده ی کاملا مایع تبدیل کرد .   این امر آشکارا بیانگر این مسئله است که چرا مایعات کریستالی به دما حساسند و چرا از آنها در دما سنج استفاده می شود. همچنین می تواند پاسخ خوبی برای این سئوال باشد که چرا صفحه نمایش کامپیوتر هایِ کیفی در یک روز سرد یا روزی گرم در کنار ساحل، عملکردی عجیب یا به نوعی خنده دار دارد.

اسلاید 16: ساخت یک LCD   برای ساخت یک LCD کارهای بیشتری باید نسبت به ساختِ  صرفاً یک برگه ی کریستال مایع انجام دهیم. ترکیب این چهار اصل، ساخت LCD را ممکن میکند:نور می تواند قطبیده(پولاریزه) شود کریستالهای مایع، می توانند نورِ پولاریزه شده را تغییر و انتقال دهند. ساختار کریستالهای مایع می تواند با جریان الکتریسیته تغییر یابد. مواد شفاف می توانند رسانایی برای الکتریسیته باشند    LCDوسیله ای است که این چهار اصل را بطرز شگفت آوری بکار می گیرد.

اسلاید 17: برای ساخت یک LCD دو تکه شیشه ی پولاریزه شده بردارید. یک پلیمر مخصوص که شیارهای میکروسکوپی در سطح ایجاد میکند، را روی سطحی از شیشه که پوسته ی پولاریزه ندارد بسایید. شیارها باید در امتداد و در موازاتِ پوسته ی پولاریزه باشد. سپس، لایه ای از مایع کریستالی Nematic را به یکی از صافی ها اضافه کنید. شیار ها باعثِ هم ردیف شدنِ اولین لایه ی مولکولها با جهت صافی میشوند. سپس دومین تکه ی شیشه را به گوشه ی راست پوسته ی پولاریزه ی قسمت اول اضافه کنید.   سلسله وار، هر لایه ی ملکولهای TN، آرام آرام حول محور خود دوران میابد تا زمانی که بالاترین لایه 90 درجه از پایین، منطبق با صافی شیشه ی پولاریزه شود.

اسلاید 18:    بمحض برخورد نور به نخستین صافی، آن صافی، پولاریزه میشود. سپس مولکولهای هر لایه، نور دریافتی را به لایه ی بعدی خود انتقال می دهند. هنگامی که نور از کریستال مایع هر لایه در حال گذر است، مولکولها جهش نور را، جهتِ تطابق با زاویه ی خود با ایجاد لرزش تغییر می دهند. وقتی نور به بخشِ دورِ ماده ی کریستال مایع می رسد، همان گوشه را به عنوان آخرین لایه ی مولکولی، به ارتعاش در می آورد. اگر آخرین لایه با دومین صافی شیشه ی پولاریزه همخوانی داشته باشد، سپس، نور از آن قسمت میگذرد. اگر ما به مولکولهای کریستال مایع، بار الکتریکی دهیم، آنها از هم باز میشوند. بمحض اینکه آنها ترتیب خود را از دست دهند، زاویه ای که نور از آن رد میشد را تغییر می دهند و بالطبع دیگر با زاویه ی صافی پولاریزه ی بالا، همخوانی نخواهد داشت.

اسلاید 19:    نتیجتاً هیچ نوری از آن قسمتِ LCD رد نمیشود و این امر باعث تیره شدن آن ناحیه نسبت به نواحی اطراف میشود.ساخت یک LCD ساده، ساده تر از آن چیزی است که شما فکر میکنید. شما با یک شیشه و کریستال مایع که در بالا توضیح داده شد شروع میکنید و دو عدد الکترود رسانا(شفاف) به آن اضافه می کنید. بعنوان مثال تصور کنید که شما میخواهید ساده ترین نوع ِ LCD را که فقط از الکترودی مستطیل شکل تشکیل شده است، بسازید. لایه هایش احتمالا به این شکل خواهند بود:    LCDیک آینه  در قسمت عقب دارد که باعث خاصیت بازتابی آن میشود. سپس ما تکه ای از شیشه را با یک پوسته ی پولاریزه در پایین به آن می افزاییم. و یک صفحه معمولی الکترود که از اکسیدِ Indium-tin در بالای آن استفاده شده، می گذاریم. این صفحه ی معمولی الکترود، تمام سطح LCD را پوشش میدهد. بالای آن، لایه ای از ماده ی کریستال مایع وجود دارد. بعد، تکه ی دیگری از شیشه بهمراه الکترود دیگری بشکل چهارگوش در قسمت پایین قرار میگیرد. و در قسمت بالا  پوسته ی پولاریزه ی دیگری در گوشه ی راستِ  اولی، قرار میدهیم. الکترود به منبعِ قدرتی، بمانند باطری متصل می گردد. وقتی که جریانی وجود ندارد، نوری که از روبه روی LCD وارد میشود، مستقیما به آیینه برخورد کرده و بسرعت، خارج می شود.اما وقتی که باطری، جریان لازم را به الکترود می دهد، مایع کریستال بینِ سطح الکترود ِ معمولی  و  الکترود مستطیل شکل، شروع به واتابیدن و انسداد نور در آن ناحیه از خروج آن جلوگیری میکند. و  این باعث میشود که LCD بخش مستطیل شکل ر بصورت سیاه نمایش دهد.

اسلاید 20: مهم ترین فاکتور هایی که برای ارزیابی یکLCD باید در نظر گرفت.   Resolution: اندازه عمودی و افقی آن به صورت پیکسل بیان می شود . بر خلاف نمایشگر های CRT ، LCDها توانایی دادن بهترین رزولوشن را بر اساس بهترین تصویر  دارند.   Dot Pitch: فاصله بین مرکز دو پیکسل مجاور می باشد . هر چقدر سایز آن کوچکتر باشد ، دانه دانه ظاهر شدن کاهش میابد. DOT PITCH ممکن است که هم عمودی ،و هم افقی باشد.   Viewable size: سایز یک نمایشگر بر اساس قطر آن اندازه گیری می شود   Response time:کوتاهترین زمان ممکن برای تغییر رنگ یا روشنایی یک پیکسل.   Color support:نشان می دهد که نمایشگر چه نوع رنگ هایی را پوشش می دهد.   Brightness: مقدار روشنایی که از نمایشگر ساتع می شود.   Contrast Ratio: نسبت شدت روشنایی روشن ترین نقطه به تاریک ترین نقطه.

اسلاید 21: دماسنج دیجیتال با نمایشگر کریستال مایعمقاله ویژه این  هفته به تشریح مدار و نحوه ساخت یک دماسنج ( ترمومتر ) دیجیتال مربوط می شود. این مدار دارای کاربرد و جذابیتهای فراوان می باشد و قابلیت ارائه به عنوان پروژه دانشجویی و یا در در کنار مجموعه ای از وسایل دیگر با کمی چاشنی ابتکار می تواند طرحی جهت ارائه به جشنواره خوارزمی باشد.این مدار با دقت قابل قبولی دمای محیط را بر روی نمایشگر کریستال مایع ( در صورت تمایل می توانید از نمایشگر ال ای دی استفاده نمایید ) نشان می دهد. برای سنسور حسگر حرارت این مدار می توانید از آی سی S8100 استفاده نمایید که قابلیت اندازه گیری دماهایی بین -40 تا +100 درجه سانتیگراد را دارد. همچنین می توانید از دیود 1S1588 استفاده نمایید که در این صورت مدار شما قابلیت اندازه گیری دما از -20 تا +150 درجه سانتیگراد را دارا خواهد بود.

اسلاید 22: در این مدار آی سی  ICL7136  به کار گرفته شده است که ولتاژ رسیده از دیود حسگر حرارت را را اندازه گیری می نماید.برای نمایش اطلاعات از یک نمایشگر کریستال مایع  3/5 رقم  به شماره SP521PR استفاده شده است. که با ارزش ترین رقم آن تنها امکان نمایش عدد یک را دارد. در صورت نیاز می توانید با کمی تغییر در مدار از نمایشگرهای  ال ای دی  و نظیر آنها نیز استفاده نمایید. انرژی مصرفی  آی سی  ICL7136 بسیار اندک بوده به گونه ای که دماسنج دیجیتال شما می تواند حدود 3 ماه به صورت پیوسته تنها با یک باتری 9 ولت به خوبی دمای محیط را اندازه گیری نماید. توجه داشته باشد که برای آیسی و نمایشگر مدار حتماً از سوکت استفاده مایید.شکل PCB  ( نقشه مدارچاپی ) ترمومتر دیجیتال به صورت زیر است. دقت کنید که به خاطر واضح شدن نقشه تصویر بزرگتر از اندازه واقعی برد است. برای بدست آوردن اندازه واقعی می توانید اندازه آی سی را مبنای کار خود قرار دهید.