سیستم نوری نمایشگرهای کریستال مایع

برای شروع، بیایید با زبانی ساده سیستم نور نمایشگرهای کریستال مایع را بررسی کنیم. LCDها در واقع سیستم‌های نوری-الکترونیکی هستند که اجزای اصلیِ آن شامل یک لایه‌ی کریستالی، دو صفحه شیشه‌ای، دو صفحه‌ی پلاریزه، دو لایه‌ی تراز بندی، جداکننده‌های شفاف، الکترودهای شفاف، فیلم‌های تعویق، یک لایه‌ی بازتاب دهنده یا ترانسفلکتیو، رسانه‌ی رسانا برای برقراریِ اتصال سیستم، و فیلترهای رنگی برای نمایشگرهای رنگی است.
نمایشگرهای کریستال مایع بر خلاف CRT، پلاسما و نمایشگرهای OLED، دارای تکنولوژیِ غیر ساتعی هستند، یعنی نمی‌توانند از خود نور ساتع کنند. بنابراین، برای اینکه سیستم نمایشگر کریستال مایع بتواند کار کرده و اطلاعاتی به کاربر ارائه دهد، یک منبع نور خارجی مورد نیاز است. منبع نور می‌تواند نور موجود دریافتی از نورپردازیِ محیط پیرامون، و یا از نور زمینه‌ی دارای طراحیِ خاص تعبیه شود که به طور مستقیم در پشت شیشه‌ی LCDقرار گرفته و می‌تواند به صورت مکانیکی با LCDترکیب شود تا یک ماژول LCDبوجود آید. در مورد نمایشگرهای کریستالی که تنها با هدف استفاده از شرایط نوریِ بالا طراحی شده‌اند، پلارایزر یا قطب پشتیِ نمایشگر کریستال مایع نیازمند یک لایع انعکاسیِ دیگر است تا بتواند نوری که از پلارایزر و لایه‌ی شیشه‌ای جلویی وارد شده را به سمت مشاهده‌کننده بازتاب دهد. این نوع نمایشگرهای LCDبا عنوان نمایشگرهای بازتاب‌دهنده شناخته می‌شوند.
نمایشگرهای کریستال مایع که تنها به منبع نور تعبیه شده از نور پس‌زمینه خود متکی هستند با عنوان نمایشگرهای انتقال‌دهنده شناخته می‌شوند و هنگامی که مورد استفاده قرار بگیرند همواره نور پس‌زمینه باید روشن و تغذیه شده باشد. نمایشگرهایی که هم انتقال‌دهنده و هم بازتاب‌دهنده هستند، از پلارایزرهای پشتی‌ای استفاده می‌کنند که در ساختار خود ویژگی‌های بازتاب‌دهندگی و شفافیت دارند. عبارتی که برای این نوع نمایشگرها که دارای هر دوی این ویژگی‌ها هستند به کار می‌رود ترانسفلکتیو است، زیرا در واقع ترکیبی از نمایشگر‌های انتقال‌دهنده (Transmissive) و بازتاب‌دهنده (Reflective) هستند که یکجا قرار گرفته‌اند. با ترکیب ویژگی‌های نوریِ نمایشگرهای بازتاب‌دهنده و انتقال‌دهنده، ویژگیِ قابلیت خواندن در شرایط نوریِ بسیار بالا، حتی وقتی که نور پس‌زمینه خاموش باشد، و همچنین در شرایط نوری که نور پیرامون کم است (تنها با روشن کردن نور پس‌زمینه) بدست می‌آید. رایج‌ترین عناصر منتشر کننده‌ی نورِ مورد استفاده برای تولید منبع نور نمایشگرهای LCDدارای نور پس‌زمینه، LEDها هستند. این چراغ‌ها در رنگ‌های مختلفی موجود بوده و رایج‌ترین آن‌ها رنگ‌ها سفید، زرد-سبز و قرمز هستند.
اما چرا به این اجزایِ رسانا و اپتیک نیاز داریم؟ کار آن‌ها و اهمیت نور چیست؟ برای پاسخ به این سوالات، باید طرح شماتیک عناصر تشکیل‌دهنده‌ی یک LCDرا ببینیم.

همانطور که قبلاً نیز اشاره شد، انواع تکنولوژی‌های LCDبسیاری وجود دارند که در خدمت رابط‌های کاربریِ امروزه هستند و تکنولوژی‌هایی که در حال حاضر حضور دارند عبارتند از نمایشگرهای TN، نمایشگرهای STN، نمایشگرهای تراز عمودی، و نمایشگرهای TFT. در ادامه توضیحی از اساس کار تکنولوژی TNکه اساس و پایه سایر تکنولوژی هاست ارائه می‌شود.

نمایشگرهای TN

نمایشگر کریستال مایع TN(بی‌نظم پیچیده) را می‌توان اولین تکنولوژیِ LCDتولید شده در تعداد انبوه برای استفاده از محصولات کاربر محور از جمله ماشین‌حساب، پانل‌های کنترل سطح پایین، ساعت‌های دیجیتال، شمارنده‌ها و دستگاه‌های اندازه‌گیری دانست. نمایشگرهای TNکه به‌خاطر تولید آسان مورد قبول واقع شده‌اند به دلیل نحوه‌ی آرایش مولکول‌های LCمیله‌ای شکل در لایه‌ی کریستال مایع بی‌نظم پیچیده خوانده می‌شوند.

خود نمایشگر از ماده‌ی کریستال مایعی که بین دو صفحه‌ی شیشه‌ای قرار گرفته و با ماده‌ی شفافی به نام ITO(اکسید قلع ایندیوم) پوشیده شده است ساخته شده که با فیبر شیشه‌ای میکروسکوپی یا کُره‌های پلاستیکی از هم جدا شده و لایه‌ی تراز بندی در سطح داخلیِ صفحه‌ی شیشه‌ای قرار گرفته است. دو لایه‌ی پلاریزه به این ساختار اضافه شده است، یکی در قسمت خارجیِ هر یک از صفحه‌های شیشه‌ای. لایه‌ی ترازبندی مالش داده می‌شود تا شیارهای میکروسکوپی ایجاد شوند تا مولکول‌های LCدر فاصله‌ی بین دو شیشه مهار شوند. مالش لایه‌ی ترازبندی طوری انجام می‌شود که شیارهای ایجاد شده بر روی شیشه با شیارهای ایجاد شده صفحه‌ی شیشه‌ای مقابل متعامد (بر هم قائم) باشند و مولکول‌های کریستال مایع مجبور می‌شوند به صورت دسته‌ای در فاصله‌ی 90 درجه‌ای ایجاد شده توسط جداکننده‌های کُروی‌شکل آرایش بیابند. انبوه در هم پیچیده‌ی مولکول‌های LCبه عنوان راهنماهای موجی برای نور پلاریزه‌شده‌ی ورودی به ساختار LCDعمل می‌کنند. به این دلیل است که این ساختار، سلولِ کریستال مایع و یا سلول TNنامیده می‌شود که نام مختص به خودی داشته باشد. حفره‌ی ایجاد شده توسط جداکننده‌های کُرویِ میکروسکوپی به عنوان حفره‌ی سلولی شناخته شده و اندازه‌ی آن حدود 5 الی 6 میکرون است.

نمونه‌ی سمت چپ شماتیک (شکل 1) نشان می‌دهد که اشعه‌ای از نور پلاریزه نشده‌ی انتقال داده شده توسط نور پس زمینه به داخل ساختار LCDوارد شده و با اولین پلارایزر مواجه می‌شود (پلارایزر 1). در اینجا، قسمتی از نور توسط پلارایزر 1 جذب می‌شود و تنها بخشی از نور که با صفحه‌ی پلاریزه‌ی تولید شده توسط پلارایزر اولیه هم‌تراز است از طریق صفحه‌ی شیشه‌ای اول وارد نمایشگر می‌شود.
در این لحظه، نور پلاریزه شده وارد حالت پیچیده‌ی مولکول‌های LCمیله‌ای شکل شده و از طریق ماده‌ی LCحرکت می‌کند و صفحه‌ی پلاریزه‌ی آن نیز به سمت پلارایزر دوم، یعنی پلارایزر 2 می‌چرخد. توجه داشته باشید که مولکول‌های میله‌ای ماده‌ی LCدر مرز اولین صفحه‌ی شیشه‌ای و پلارایزر 1 نیز با صفحه‌ی پلاریزه‌ی تولید شده توسط پلارایزر 1 هم‌آهنگ هستند و بنابراین اشعه‌ی نور پلاریزه شده مجاز است به سفر خود به خارج از صفحه‌ی نمایش ادامه دهد. توجه داشته باشید که این اشعه‌ی نور پلاریزه شده که در جهت چرخش مولکول‌های LC، قبل از مواجه شدن با پلارایزر دوم، 90 درجه پیچش خورده است، اکنون در زاویه‌ی درستی با پلارایزر اول قرار گرفته است (چون با هم متعامد هستند)، که به موجب آن اشعه‌ی نوریِ پلاریزه می‌تواند از سیستم نمایشگر خارج شود.
تا این لحظه، نمایشگر که یک نمایشگر حالت سفید ساده است روشن شده و هیچ تغییری در آن مشاهده نمی‌شود. شماتیک سمت راست شکل 1 آرایش منظم مولکول‌های LCمیله‌ای شکل را نشان می‌دهد که توسط اعمال یک میدان الکتریکی در هم گسیخته‌اند. این القای الکتریکی باعث می‌شود که مولکول‌های LCآرایش خود را بهم بزنند. در این رخداد، اشعه‌ی نوریِ پلاریزه شده توسط پلارایزر اول دیگر نمی‌تواند به پلارایزر دوم برسد و زاویه‌ی صحیح پلاریزه دیگر موجود نیست. بنابراین نمایشگر تیره می‌شود زیرا دیگر نوری نمی‌تواند عبور کند. حذف ولتاژ الکتریکی باعث بازگشت نظم پیچیده‌ی نمایشگر شده و بنابراین نمایشگر دوباره روشن می‌شود. توجه داشته باشید که نظم پیچیده‌ی مولکول‌ها تنها در محل میدان الکتریکی رخ می‌دهد. همین قاعده است که باعث می‌شود نمایشگر‌ها اطلاعات مفیدی را بتوانند تولید و نشان دهند.
با ایجاد بخش‌هایی از نمایشگر که بتوانند در صورت نیاز تیره و روشن شوند، یک دریچه‌ی نور یا دیافراگم نور تشکیل می‌شود و بنابراین می‌توان یک نمایشگر تصویری از آن ساخت. اکسید قلع ایندیوم (ITO) پوشیده در قسمت‌های داخلی هر دو صفحه‌ی شیشه‌ای نمایشگر را می‌توان طوری شکل داد تا الگوهای خاصی از طرح‌های ساده مانند سون سگمنت‌ها نقطه‌های دسیمال، علامت دو نقطه، آیکون‌ها و دیگر نشانه‌ها را ایجاد کرد.