تکنولوژی های به کار رفته در نمایشگر های کریستال مایع (LCD)

تکنولوژی کریستال مایع یکی از مدعیان اصلی بازار نمایشگرهای مسطح امروزی است که همراه با تکنولوژی هایی مانند پلاسما، اُلِد و تکنولوژی های صدور میدانی جانشین تکنولوژی لامپ اشعه کاتدی به عنوان تکنولوژی غالب دهه های گذشته است. (برای خواندن مطالب مرتبط به پایین صفحه مراجعه کنید.)

 تعمیرات تلویزیون شیراز

 

تکنولوژی ترانزیستور ها در نمایشگر های کریستال مایع (LCD)

دیدیم که در روش آدرس دهی فعال برای افزایش سرعت آدرس دهی و تامین امکان آدرس دهی پانل های بزرگ از ترکیب ترانزیستورها و خازن استفاده می شود. برای ساخت این ترانزیستور ها به طور سنتی از تکنولوژی سیلیکان بی شکل (Amorphous silicon (a-silivon)) استفاده شده است که درواقع، به نوبه خود، از تکنولوژی سلول های خورشیدی به ارث رسیده است. مزیت عمده این روش در سهولت ساخت و هزینه پایین آن و عیب آن در ضریب تحرک پایین الکترون هاست که به کند شدن ترانزیستور ها و در نهایت کند شدن نمایشگر می انجامد. شمائی از ساختمان یک ترانزیستور ساخته شده به این روش را در شکل زیر مشاهده می کنیم. آموزش تخصصی تعمیرات تلویزیون در شیراز

 

با توجه به کندی این ترانزیستور ها و با توجه به کاربرد های آینده که ابعاد بزرگتر و درت تفکیک بیشتری را در نمایشگر ها می طلبد باید کاندید های دیگری را برای ساخت این ترانزیستور ها در نظر بگیریم. یکی از این کاندید ها که از تکنولوژی ساخت آی سی مشتق شده است تکنولوژی پلی سیلیکان (Poly silicon) است. ترانزیستور های ساخته شده به این روش بسیار سریعتر از ترانزیستور های ساخته شده با استفاده از تکنولوژی سیلیکان بی شکل هستند و ضریب تحرک الکترون ها در این روش ده ها برابر از ضریب تحرک الکترون ها در تکنولوژی سیلیکان بی شکل بالاتر است. عیب این روش نیاز به فراوری دمای بالاست که این تکنولوژی را گران‌تر می کند. شمائی از ساختمان یک ترانزیستور اثر میدانی ساخته شده با این روش را در شکل زیر مشاهده می کنیم.

 

روش دیگر پیش رو که می تواند هنوز ده ها برابر سرعت ترانزیستور ها را بالاتر ببرد روش ویفر تک کریستالی سیلیکان است که با توجه به هزینه های بسیار بالاتر استفاده از آن در نمایشگر های کریستال مایع فعلا مطرح نیست.

 

تکنولوژی TN و لزوم پیدایش تکنولوژی های دیگر

تکنولوژی TN اولین تکنولوژی در خانواده نمایشگر های کریستال مایع بود که مورد استفاده قرار گرفته و ساخت این نمایشگر ها را میسر ساخت ولی این تکنولوژی معایبی داشت که رویکرد به تکنولوژی های دیگری در خانواده نمایشگر های کریستال مایع را ناگزیر می ساخت. این معایب بطور خلاصه بقرار زیر بود.

1.       زاویه دید محدود

زاویه دید محدود در این تکنولوژی عمدتا از هندسه قرار گیری مولکول های کریستال مایع به گونه ای می چرخند که نوک آنها به سمت بیننده قرار می گیرد. علاوه بر این در مجموع صفحه سلول با صفحه پانل زاویه ای می سازد بطوریکه تصویر دیده شده در وضعیت هایی که نگاه بیننده عمود بر صفحه تصویر است و یا در یکی از دو جهت زاویه ای با آن می‌سازد متفاوت است. این نکته را می توان در شکل زیر مشاهده کرد.

 

2.       کیفیت نامناسب زنگ

این امر نیز به نوبه خود از هندسه قرار گیری مولکول های کریستال مایع در لایه های مختلف ناشی می شود. درواقع هر یک از این لایه ها پلاریزاسیون نور را اندکی می‌چرخانند و نور خروجی از هر لایه ای علاوه بر انتقال به لایه بعدی به میزان اندکی مستقیما به پانل نمایشی نیز می رسد. به همین دلیل، با اندکی انحراف از وسط صفحه بیننده رنگهای متفاوتی را از صفحه نمایشگر می بیند.

3.       کنتراست محدود

امکان مسدود کردن کامل مسیر نور در اینجا وجود ندارد و بنابراین سطح تاریک واقعا تاریک نیست. این امر با توجه به ثابت بودن منبع نور منبع به محدود شدن نسبت کنتراست در این روش می انجامد.

البته گذشته از این معایب این روش محاسنی نیز دارد که با توجه به بعضی کاربردهای خاص به حضور دراز مدت آن در بازار علیرغم عیوب یاد شده منجر شده است. از جمله این محاسن می توان به سرعت پاسخ دهی بالای آن اشاره کرد.

 

تکنولوژی IPS

این تکنولوژی در سال 1996 توسط شرکت هیتاچی ابداع شد و هدف از آن حل دو مشکل عمده در تکنولوژی TN یعنی زاویه دید محدود و کیفیت پایین رنگ بود. تعمیرات تخصصی تلویزیون ال جی شیراز

نام این تکنولوژی از این حقیقت ناشی شده است که در این روش مولکول های کریستال مایع همواره در یک صفحه که موازی صفحه پانل نمایشگر است قرار داشته و با اعمال ولتاژ الکتریکی به اندازه ای متناسب با این ولتاژ می چرخند. چرخش مولکول ها باعث راه یافتن نور از لامپ های فلورسنت داخلی به پانل شده و پیکسل مورد نظر روشن می شود.

 

همانطوریکه مشاهده می شودعامل زاویه دید متفاوت و مخصوص وابستگی این زاویه دید به میزان روشنایی صفحه که در روش TN عامل اصلی دو مسئله زاویه دید محدود و کیفیت پایین رنگ بود، با توجه به وضعیت قرار گرفتن مولکول های کریستال مایع، عملا از بین رفته است. البته طبق معمول بدست آوردن هیچ مزیتی بدون هزینه نیست. در اینجا هزینه پرداخت شده کنتراست پایین تر (که البته در تکنولوژی TN نیز این پارامتر وضعیت مطلوبی نداشت) و سرعت پایین تر پاسخ دهی سلول ها و در نتیجه کندی نمایشگر است که استفاده از آنرا در کاربرد هایی مانند بازی های کامپیوتری با اشکال مواجه می کند.

برای تشریح دلیل پیدایش این مشکلات دوباره آرایش سلول ها را در این تکنولوژی در نظر می گیریم. همانطوری که می بینیم علاوه بر وضعیت متفاوت مولکول های کریستال مایع از نظر قرار گرفتن الکترود ها نیز بین این روش و روش TN تفاوت وجود دارد. در اینجا الکترود ها در یک صفحه قرار می گیرند در حالی که در روش TN الکترود ها در دو صفحه و در روبه روی هم قرار داشتند. استفاده از دو الکترود کدر به جای یک الکترود طبعا فضای کمتری را برای خروج نور از پانل و لومینانس آن باقی می گذارد و کاهش لومینانس علاوه بر اینکه در هر حال خود یک مسئله است با توجه به توانایی محدود در تولید سطوح سیاه رنگ، کاهش کنتراست را نیز به دنبال دارد.

کندی نمایشگر نیز با توجه به وضعیت قرار گیری الکترود ها و شدت میدان الکتریکی تولید شده قابل توضیح است. در واقع قرارگیری دو الکترود صفحه ای در یک صفحه و در کنار هم (به جای دو صفحه ای که در تکنولوژی TN در روبه روی هم قرار داشتند) میدان الکتریکی ضعیف تری تولید می کند که با توجه به وابستگی سرعت پاسخ مولکول ها به شدت میدان الکتریکی، به پاسخ کند نمایشگر می انجامد.

درواثع سرعت پاسخ دهی این روش برای انتقال از وضعیت سفید به سیاه و دوباره به سفید در حدود 60 میلی ثانیه بود که خیلی کند تر از روش پاسخ دهی روش TN بود.

تکنولوژی های دیگری بر مبنای تکنولوژی IPS شکل گرفته است که علاوه بر بهره گیری از مزایای این روش، معایب یاد شده از آن را نداشته باشد. یکی از مهمترین این تکنولوژی ها که توسط شرکت ال جی-فیلیپس (LG-Philips) دنبال می شود تکنولوژی S-IPS است. در این تکنولوژی سرعت پاسخ دهی به بهتر از 25 میلی ثانیه کاهش یافته که به نسبت مساوی بین دو ناحیه انتقال سیاه به سفید و سفید به سیاه تثسیم شده و از این نظر این تکنولوژی بخوبی با تکنولوژی TN رقابت می کند. نمودار زیر نمونه از مقایسه سرعت بین دو تکنولوژی را نشان می دهد.

 

همانطوریکه ملاحظه می شود هرچند سرعت انتقال از سیاهی به سفیدی و نهایتا به سیاهی در دو روش به ترتیب 16 و 25 میلی ثانیه است ولی در سطوح خاکستری میانی تفاوت معنی داری بین دو روش وجود ندارد به این ترتیب سرعت پاسخ دهی روش TN عملا در این تکنولوژی جدید نیز تامین شده است. علاوه بر این کیفیت تولید رنگ در این تکنولوژی خیلی بهتر از روش های مشابه است. مقایسه زاویه دید در این روش را در مقایسه با روش VA که یکی از روشهای رقیب است، در دو شکل پایین می توانیم مشاهده کنیم. در مسئله زاویه دید تغییر دو پارامتر نسبت کنتراست و تغییر رنگ با تغییر زاویه دید مطرح است و از این رو در این دو شکل نیز این دو پارامتر مورد بررسی قرار گرفته اند. در شکل اول تغییرات رنگ با تغییر زاویه دید و در شکل دوم تغییر کنتراست با زاویه دید آمده است.

 

همانطوریکه دیده می شود تغییرات رنگ در یک محدوده تقریبی 90 درجه از هر سمت در این تکنولوژی ناچیز است. علاوه بر این تغییرات نسبت کنتراست در همان محدوده زاویه ای به ازای نسبت کنتراست خاکستری به خاکستری نیز در این تکنولوژی ناچیز است ولی نسبت کنتراست سیاه به سفید در هر حال در محدود زاویه ای فوق تغییرات قابل ملاحظه ای دارد که درواقع به معنی محدود بودن زاویه دید با این معیار و با این تعبیر است. این نسبت ولی از نسبت مشابه در تکنولوژی مورد مقایسه VA بهتر است. نسبت کنتراست در نمایشگر لامپ اشعه کاتدی نیز از هر دو روش فوق بهتر بوده و تغییرات خیلی کمتری دارد.

 

تکنولوژی MVA

این تکنولوژی (MVA: Multi domain Vertical Alignment) در سال 1993 توسط شرکت فوجیتسو و به عنوان مصالحه ای بین دو تکنولوژی IPS و TN ابداع شد. حس این روش در تامین پاسخ دهی 25 میلی ثانیه ای بود که در آن زمان تامین آن توسط روش IPS غیر ممکن و توسط روش TN مشکل بود. از طرف دیگر این روش با تامین زاویه دید 160 تا 170 درجه می توانست با روش IPS رقابت کند و نسبت کنتراست آن به مراتب از هر دو روش فوق بالاتر بود.

نسل قبلی این روش به نام روش SVA (SVA: Single domain Vertical Alignment) یا VA دو سال قبل توسط همین شرکت ابداع شده بود و عیب اصلی این روش در زاویه دید کوچک آن بود. شمائی از آرایش مولکول های کریستال مایع را در دوحالت روشن و خاموش در شکل اولین شکل زیر و در دو حالت نیمه روشن و خاموش در شکل دوم زیر مشاهده می کنید.

 

اگر چنانچه به پیکسل نیمه روشن از بالا نگاه کنیم همه چیز درست به نظر می رسد. درواقع ما مولکول ها را تحت زاویه 45 درجه می بینیم و پیکسل مورد نظر خاکستری به نظر می رسد (همانطوریکه باید باشد). حال اگر چنانچه به پیکسل از سمت راست نگاه کنیم مولکول ها را تحت زاویه 90 درجه خواهیم دید و پیکسل به رنگ سفید یدده خواهد شد و چنانچه از سمت چپ به آن نگاه کنیم خط دید ما به موازات مولکول ها بوده و ما پیکسل مورد نظر را به رنگ تیره خواهیم دید. به این ترتیب این تکنولوژی نه تنها در این حالت، که حالت غالب است، زاویه دید محدودی در اختیار بیننده قرار می داد بلکه پدیده خاص دیده شده نیز بستگی به جهت دید بیننده داشت.

این مسائل با ارائه روش MVA حل شد. در این روش که شماتیک یک پیکسل آنرا در پایان این بند مشاهده می کنید، هر پیکسلی به چندین ناحیه (Domain) تقسیم می شود و این نواحی به صورت سنکرون و هماهنگ با یکدیگر عمل می کنند. در این روش جهت گیری مولکول ها از یک ناحیه به ناحیه دیگر متفاوت است بطوریکه وقتی که یک ناحیه نور را از خود عبور می دهد نواحی مجاور هر یک تا حدی جلوی عبور نور را گرفته و به این ترتیب حالت نیمه روشن و یا خاکستری تولید می شود. برای تولید رنگ سفید و یا انتقال بیشینه نور تمامی مولکول ها به صورت موازی با صفحه پانل قرار می گیرند.

 

شکل زیر دو حالت خاموش و نیمه روشن را برای مقایسه با حالت VA آورده است. همانطوریکه ملاحظه می شود اینبار حالت نیمه روشن با ترکیبی از وضعیت قرا گرفتن مولکول ها در نواحی مجاور تولید می شود. بطوریکه تحت هر زاویه ای بیننده به طور متوسط سطح خاکستری و به عبارت دیگر میزان روشنایی ثابتی را می بیند. مانند روش IPS در این روش نیز سلول های غیر فعال نور را عبور نداده و بنابراین سلول های مرده به رنگ تیره دیده می شوند.

 

گرچه تحلیل های اولیه آینده درخشانی را برای این تکنولوژی پیش بینی می کردند ولی این پیش بینی ها هیپگاه محقق نشد و دلیل عمده آن در کندی پاسخ این تکنولوژی (زمان سوئیچ) برای سوئیچ کردن از یک سطح خاکستری به سطح خاکستری دیگر بود. یک منحنی نوعی از این پاسخ را در شکل زیر مشاهده می کنیم.

 

همانطوریکه ملاحظه می شود هرچند زمان سوئیچ کردن از حالت تیر به روشن مناسب بوده و کمتر از 20 میلی ثانیه است ولی این عدد برای سوئیچ کردن به حالت های دیگر خاکستری خیلی زیاد می شود و بنابراین کاربرد های بازی های خانگی و غیره که سرعت بالایی را برای حالت های میانی نیاز دارند نامناسب بوده و همین مسئله دلیل عمده عدم موفقیت این روش است.

 

تکنولوژی PVA

این تکنولوژی توسط شرکت سامسونگ ابداع شده است و ساختار آن کم بیش شبیه MVA است. در این روش نیز رنگ دیده شده بستگی به زاویه دید ندارد. علاوه بر این عیب روش MVA در کد شدن پاسخ به ازای تفاوت کم دو سطح خاکستری بین مقادر اولیه و ثانویه در این روش نیز باقی است. شمائی از آرایش مولکول های کریستال مایع در دو حالت خاموش و روشن در شکل زیر ملاحظه می کنیم. میزان روشن شدن و شدت نور خروجی بستگی به میزان تمایل مولکول ها به وضعیت افقی دارد.

 

علاوه بر این، با توجه به شباهت و نزدیکی دو تکنولوژی MVA و PVA و برای مقایسه این دو تکنولوژی شکلی در آخر این پاراگراف آورده شده است. در این شکل ساختار الکترود ها و وضعیت قرار گیری مولکول ها در حالت روشن، در دو تکنولوژی فوق آورده شده است. همانطوریکه ملاحظه می کنیم این دو تکنولوژی تفاوت هایی به شرح زیر دارند که به تفاوت در عملکرد و هزینه تولید منجر می شود.

 

همانطوریکه ملاحظه می شود ساختار الکترود ها در روش MVA یکپارچه بوده و در روش PVA از اجزاء جدای از هم تشکیل شده است. این ساختار باعث شده است که در روش PVA فرم خطوط میدان الکتریکی محنی شده و برای فرم دادن به وضعیت قرار گیری مولکول ها به ساختار دیگری نیاز نباشد درحالیکه در روش MVA با توجه به یکپارچکی الکترود ها خطوط میدان الکتریکی مستقیم بوده و برای فرم دادن به مولکول ها نیاز به برجستگی های اضافی (Protrusion) می باشد که به پیچیدگی تولید می انجامد. از این نکته که بگذریم در وضعیت قرار گیری مولکول ها در دو روش تفاوت چندانی به چشم نمی خورد و بنابر این انتظار عملکرد کم و بیش یکسانی از نظر زاویه دید و کیفیت رنگ از دو روش داریم.

همانطوریکه گفتیم سرعت پاسخ در این نمایشگر ها به ازای تعریف استاندارد انتقال از سطح سیاه به سفید و برعکس مناسب بوده و برا انتقال های میانی پندان مناسب نیست. نمونه ای از این پاسخ در شکل پایین آورده شده است.

 

نسبت کنتراست در مونیتورهای ساخته شده بر اساس این روش به بیشتر از 1000 به 1 می رسد.

نمونه ای از مشخصات مونیتور LTM201U1 از شرکت سامسونگ، به عنوان نماینده این نمایشگرها، در جدول زیر آمده است.