احتمالا هر روزه از اقلام متفاوتی استفاده می‌کنید که شامل LCD می‌باشند(1). LCDها در اطراف ما یافت میشوند؛ در کامپیوترهای لپ تاپ، ساعت‌های دیجیتالی، اجاقهای مایکروویو، دستگاههای پخش CD و دستگاه های الکترونیکی فراوان دیگر، امروزه LCDها متداول شده‌اند به خاطر اینکه اینها نسبت به دیگر تکنولوژی‌های نمایشگرها، برتری و مزیت اساسی دارند؛ برای مثال آنها نازک‌تر، با وضوح بهتر و مصرف برق پایین‌تر نسبت به CTR ها (2) ظاهرشده‌اند.
چرا LCDهاکریستالهای مایع( liquid crystal ) نامیده میشوند؟
به نظر می‌رسد عنوان کریستال مایع تضادی به همراه داشته باشد؛ عبارت کریستال(crystal) تداعی کننده یک ماده جامد نظیر کوارتز (معمولا به سختی یک سنگ) است، در حالی که مایع متفاوت از کریستال است. در این مطلب خواهید فهمید که چگونه کریستال مایع ترفندهای جالبی می‌زند و پی به تکنولوژی اساسی که باعث می‌شود LCDها کار کنند، خواهیم برد. همچنین خواهید آموخت که چگونه ویژگی‌های عجیب کریستالهای مایع مورد استفاده واقع میشوند تا نوع جدیدی از شاتر (shutter) ایجاد شده و چگونه شبکه‌های این شاترهای ریز، باز و بسته میشوند(تا مدلهایی ایجاد نماید که اعداد، کلمات و تصاویر را به نمایش دهند.)
تاریخچه LCD ها
امروزه به هر کجا که بنگریم LCD ها را می‌بینیم، رشد این تکنولوژی مدت زمانی را سپری نمود. زمان طولانی از زمان کشف کریستالهای مایع به کثرت کاربردهای این وسیله طی شد تا اینکه ما از استفاده این وسیله لذت ببریم.
کریستالهای مایع اولین بار در سال 1888 توسط یک گیاه‌شناس اطریشی به نام فردریک رینیتزر(Friedrinch Rreinitzer) کشف شد. او مشاهده کرد زمانی که یک ماده شبیه کلستریل را ذوب می‌کند (اسید بنزوئیک کلستریل)، در ابتدا یک مایع تیره بوده و سپس در صورتی که درجه حرارت بالا رود، روشن می‌شود. پس از خنک کردن، مایع قبل از تبلور نهایی به رنگ آبی تبدیل می‌شود.
از ساخت آزمایشی اولین LCD در سال 1968، مدت 80 سال می‌گذرد. از آن هنگام سازندگان LCD گونه‌های ماهرانه و جالبی از این وسیله را به لحاظ تکنولوژیکی توسعه دادند و LCDها را از لحاظ تکنیکی به سطح بالایی رساندند و روند رو به رشد تکنولوژی ساخت این وسیله همچنان رو به فزونی است.
کریستالهای مایع( liquid crystals)
همه ما می‌دانیم که ماده دارای سه حالت عمومی است؛ جامد، مایع و گاز. مولکولهای جامدات همیشه و در همان محلی که قرار دارند موقعیت خودشان را نسبت به بقیه حفظ می‌کنند.
مولکولهای موجود در مایعات برعکس جامدات هستند و قادرند وضعیت خودشان را تغییر دهند و در یک حالت غیر عادی وجود دارند؛ در صورتی که مواد فراوانی هستند که در یک حالت غیر عادی وجود دارند؛ یعنی به نوعی شبیه به یک مایع و نیز شبیه یک جامد! هستند. زمانی که مواد در این حالت قرار می گیرند، مولکولهایشان گرایش دارند که وضعیت خودشان را حفظ نمایند. شبیه مولکولهای موجود در یک جامد. اما به طرف موقعیت‌های متفاوت نیز در حرکت خواهند بود. شبیه مولکولهای موجود در مایع. این توضیحات بدین خاطر ذکر شد که به این نکته اشاره شود که کریستالها هم مایع، جامد و یا مایع هستند.
بنابراین آیا کریستالهای مایع شبیه جامدات عمل می‌کنند یا مایعات و یا شبیه چیز دیگری؟
از شواهد بر می‌آید که کریستالهای مایع به حالت مایع نزدیک‌تر هستند تا جامد. آنها مقادی متوسطی از گرما را دریافت کرده تا یک ماده مناسب را از یک حالت جامد به کریستال مایع تبدیل کنند و فقط مقدار بیشتری گرما را جهت تبدیل همان کریستال مایع به حالت مایع واقعی دریافت می‌کنند. به خاطر این که کریستالهای مایع به درجه حرارت بسیار حساس هستند، آنها برای ساختن دماسنجها و ... کاربرد دارند. دلیل اینکه چرا صفحه نمایش یک کامپیوتر لپ‌تاپ در یک هوای سرد یا در خلال یک روز داغ در کنار ساحل به خوبی نمایش می‌دهد، به خاطر همین کریستالها میباشد!.
همانگونه که انواع زیادی از جامدات و مایعات وجود دارد، انواع زیادی از مواد دارای خاصیت کریستال مایع نیز موجود است. بدلیل حرارت و طبیعت مواد، کریستالهای مایع در چندین حالات متفاوت می‌توانند باشند. در این مطلب درباره حالت نماتیک(nematic) از کریستالهای مایع صحبت خواهیم کرد.
یک مشخصه از کریستالهای مایع این است که تحت تاثیر جریان الکتریکی قرار می‌گیرند. یک نوع ویژه از کریستال مایع نماتیک، نماتیکهای بهم تابیده (TN)نامیده می‌شود. پراکندن یک جریان الکتریکی به این کریستالهای مایع، آنها را به درجات متنوعی بسته به مقدار ولتاژ جریان، از بهم تابیدگی خارج می‌سازد. LCDها از این کریستالهای مایع استفاده می‌کنند، به خاطر اینکه به جریان الکتریکی به عنوان کنترل گذر نور واکنش نشان می‌دهند.
انواع کریستالهای مایع
بیشتر مولکولهای کریستال مایع به شکل ترکه هستند(شکل 1) و در گروه‌های ترموتروپیک(thermotropic) و لیتروپیک(lytrotropic) هستند. کریستالهای مایع ترموتروپیک برای تغییرات در درجه حرارت یا در بعضی حالات، در فشار واکنش نشان می‌دهند. واکنش کریستال مایع لیتروپیک که در ساخت صابون و مواد پاک کننده استفاده می‌شود، بستگی به نوع حلالی دارد که مخلوط میشوند. کریستالهای مایع ترموتروپیک یا از نوع ایزوتراپیک(isotropic) و یا نماتیک(nematic) هستند. تفاوتهای کلیدی این دو در این است که مولکولها در مواد کریستالهای مایع از نوع ایزوتراپیک در آرایش، بدون ترتیب هستند، در حالی که نماتیک‌ها دارای نظم تعریف شده‌ای بوده ودارای مدل هستند.
در حال نماتیک، کریستالهای مایع می‌توانند بیشتر در راهی که مولکولها خودشان جهت‌گیری می‌کنند طبقه بندی شوند. سماتیک، لایه‌هایی از مولکولها را ایجاد می‌کند. تعداد فراوانی از حالات سماتیک موجود است، نظیر سماتیک نوع c که مولکولها در یک لایه به یک زاویه‌ای از لایه قبلی زاویه‌دار میشوند. حالت متداول دیگر حالت کلستریک (cholestric) میباشد که به نماتیک کایرال (chiral nematic) نیز شهرت دارد؛ در این حالت مولکولها تا اندازه‌ای از یک لایه به لایه دیگر منحرف میشوند و در یک ساختار مارپیچی شکل می‌گیرند.
کریستالهای مایع فروالکترونیک (FLC) (4)
از مواد کریستال مایع استفاده می‌کنند که دارای مولکولهای کایرال هستند و در یک نظم سماتیک نوع C هستند. به خاطر اینکه طبیعت مارپیچی از این مولکولها اجازه زمان پاسخ سوییچ میکروثانیه‌ای را می‌دهد، به طور اخص FLCها را برای نمایشگرهای پیشرفته، مناسب می‌سازد. کریستالهای مایع فروالکترونیک با سطح مقاوم(SSFLC) (5) فشار کنترل شده را از طریق استفاده از سطح شفاف بکار می‌گیرد؛ از حالت مارپیچی مولکولها، برای ایجاد سوییچ سریعتر جلوگیری می‌کند.
ایجاد یک LCD ساده
ترکیب 4 نکته زیر امکان LCDها را فراهم می‌سازد:
* نور می‌تواند پلاریزه شود.
* کریستالهای مایع می‌توانند منتقل شوند و نور پلاریزه شده را تغییر دهند.
* ساختار کریستال های مایع می‌توانند توسط جریان الکتریکی تغییر یابند.
* مواد شفافی موجودند که قادرند جریان الکتریسیته را هدایت کنند.
یک LCD وسیله‌ای است که این 4 الگو را بکار می‌گیرد. برای ایجاد یک LCD دو بخش شفاف پلاریزه شده باید در اختیار باشد. یک پلیمر خاصی که شیارهای میکروسکوپی در سطح ایجاد می‌کند و در کنار بخش شفافی که فیلم پلاریزه شده بر روی آن نیست، کشیده می‌شود. شیارها بایستی در همان جهتی که فیلم پلاریزه می‌شود، باشند. سپس نوبت افزودن روکشی از کریستالهای مایع نماتیک به یکی از فیلترها میباشد. شیارها اولین لایه از مولکولها برای تنظیم کردن (با جهت فیلتر) را سبب می‌شود. سپس دومین قطعه از بخش شفاف با فیلم پلاریزه شده در جهت زاویه راست به اولین قطعه اضافه می‌شود. هر لایه متوالی از مولکولهای TN، بتدریج منحرف میشوند تا اینکه فوقانی‌ترین لایه در یک زاویه 90 درجه تا انتها باشد و فیلترهای بخش شفاف پلاریزه شده را به هم جفت می‌کند.
چنانچه نور به اولین فیلتر برخورد کند آن پلاریزه می‌شود و چنانچه نور از میان لایه‌های کریستالهای مایع بگذرد مولکولهای سطح نور ارتعاش پیدا می‌کند و برای جور شدن زاویه‌شان تغییر می‌یابد. در صورتی که نور به دورترین جهت از مواد کریستال مایع برسد آن در همان زاویه (در لایه پایانی مولکولها) مرتعش میشوند. اگر آخرین لایه با دومین فیلتر شفاف پلاریزه شده همخوانی داشته باشد نور گذر خواهد کرد.
اگر ما یک شارژ الکتریکی را برای مولکولهای کریستال مایع به کار گیریم آنها از هم باز خواهند شد. زمانی که آنها مرتب شدند زاویه نوری که از میان آنها می‌گذرد تغییر می‌یابد و بنابراین زمانی نمی‌گذرد که با زاویه فیلتر پلاریزه شده فوقانی یک جور در خواهد آمد در نتیجه هیچ نوری از میان ناحیه‌ای ازLCD که آن ناحیه را تیره‌تر از نواحی اطراف می‌کند، عبور نمی‌کند.