Πως γίνεται η απεικόνιση στις οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD);

Συχνές ερωτήσεις. (Από την ιστοσελίδα HowStuffWorks),  Ιανουάριος 2003

Όλοι μας χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή συσκευές που περιέχουν απεικονειστικές μεθόδους με υγρούς κρυστάλλους. Στους φορητούς μας υπολογιστές αλλά και σε οθόνες υπολογιστών γραφείου, στα ψηφιακά ρολόγια, στους φούρνους μικροκυμάτων, στις συσκευές αναπαραγωγής CD και αλλού. Τα LCD όπως συντομογραφικά αναφέρονται, προσφέρουν μερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνολογίες απεικόνισης. Είναι για παράδειγμα, αρκετά λεπτότερα, ελαφρύτερα και καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια από τους παραδοσιακούς καθοδικούς σωλήνες.

Αλλά τι ακριβώς είναι οι υγροί κρύσταλλοι; Η λέξη "υγρός κρύσταλλος" μοιάζει να έχει κάποια αντίφαση. Σκεφτόμαστε έναν κρύσταλλο ως ένα στερεό σκληρό υλικό ενώ ένα υγρό είναι κάτι ρευστό και συνεπώς τελείως διαφορετικό. Πως μπορεί ένα υλικό να συνδυάζει και τις δύο ιδιότητες;

Υγροί κρύσταλλοι, φως και ηλεκτρισμός

Μαθαίνουμε στο σχολείο ότι υπάρχουν τρεις κοινές καταστάσεις της ύλης. Η στερεή, η υγρή και η αέρια. Ένα υλικό συμπεριφέρεται ως στερεό όταν τα μόριά του έχουν ένα σταθερό προσανατολισμό και συγκεκριμένες θέσεις το ένα ως προς το άλλο. Τα μόρια σ' ένα υγρό μπορούν να προσανατολιστούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και να κινηθούν οπουδήποτε μέσα στο υγρό.

Υπάρχουν όμως μερικές ουσίες οι οποίες μπορούν να υπάρχουν σε μια παράξενη κατάσταση που έχει εν μέρει τις ιδιότητες του στερεού και εν μέρει τις ιδιότητες του υγρού. Όταν βρίσκονται σ' αυτή την κατάσταση, τα μόριά τους είναι στραμμένα προς την ίδια διεύθυνση όπως σ' ένα στερεό, αλλά επίσης μετακινούνται σε διαφορετικές θέσεις του υλικού όπως σ' ένα υγρό. Αυτό σημαίνει ότι οι υγροί κρύσταλλοι δεν είναι ούτε στερεά ούτε υγρά. Στην πράξη οι υγροί κρύσταλλοι έχουν μακροσκοπικές ιδιότητες πιο κοντά προς αυτές ενός υγρού. Χρειαζόμαστε ένα ικανό ποσό θερμότητας για ν' αλλάξουμε την κατάσταση μιας κατάλληλης ουσίας από στερεή σε υγρό κρύσταλλο, αλλά χρειαζόμαστε λίγο μόνο παραπάνω θερμότητα για να μετατρέψουμε τον ίδιο υγρό κρύσταλλο σε πραγματικό υγρό. Αυτό εξηγεί γιατί οι υγροί κρύσταλλοι είναι πολύ ευαίσθητοι με την  θερμοκρασία και γιατί χρησιμοποιούνται συχνά ως θερμόμετρα και δείκτες ψυχολογικής διάθεσης. Εξηγεί επίσης γιατί η οθόνη ενός φορητού υπολογιστή παρουσιάζει μια παράδοξη εμφάνιση σε πολύ ψυχρό περιβάλλον ή σε μια πολύ ζεστή μέρα στην παραλία!

Υπάρχουν πολλοί τύποι υγρών κρυστάλλων. Μια ουσία υγρού κρυστάλλου μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές φάσεις ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη φύση του υγρού κρυστάλλου. (Βλέπε και παρακάτω παράθεμα). Στα LCD, χρησιμοποιούμε σχεδόν αποκλειστικά υγρούς κρυστάλλους με νηματώδη φάση, κι έτσι θ' ασχοληθούμε αποκλειστικά μ' αυτούς.

Ένα χαρακτηριστικό των υγρών κρυστάλλων είναι ότι επηρεάζονται από το ηλεκτρικό ρεύμα. Ένα ιδιαίτερο είδος των νηματοειδών υγρών κρυστάλλων, που μοιάζουν με στριμμένο νήμα (ΤΝ) είναι από φυσικού τους στριφτοί. Όταν σ' αυτούς διαβιβαστεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα, ξεδιπλώνονται κατά διαφορετικό βαθμό, ανάλογα με την ηλεκτρική τάση. Τα  LCD χρησιμοποιούν αυτούς ακριβώς τους υγρούς κρυστάλλους, διότι αντιδρούν τελείως προβλέψιμα στο ηλεκτρικό ρεύμα κατά τρόπο ώστε να ελέγχεται η διέλευση του φωτός. 

 

Τύποι Υγρών κρυστάλλωνΤα πιο πολλά μόρια των υγρών κρυστάλλων είναι ραβδόμορφα και διακρίνονται σε θερμοτροπικά και λυοτροπικά. Η εικόνα ανήκει στον Dr. Oleg Lavrentovich, του Liquid Crystal Institute Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι αντιδρούν σε μεταβολές της θερμοκρασίας ή μερικές φορές της πίεσης. Η αντίδραση των λυοτροπικών υγρών κρυστάλλων, που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία καθαριστικών και σαπουνιών, εξαρτάται από τον τύπο του διαλύτη μέσα στον οποίο είναι διαλυμένοι. Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι έναι είτε ισοτροπικοί είτε νηματοειδείς. Η ουσιαστική διαφορά τους είναι ότι τα μόρια στους ισοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους έχουν τυχαία διάταξη, ενώ στους νηματοειδείς έχουν μια συγκεκριμένη διάταξη.   Ο προσανατολισμός των μορίων στη νηματοειδή φάση βασίζεται στον κατευθυντή. Ο κατευθυντής μπορεί να είναι οτιδήποτε. Από ένα μαγνητικό πεδίο ως μια επιφάνεια που φέρει μικροσκοπικές αυλακώσεις.  Οι σιδηροηλεκτρικοί υγροί κρύσταλλοι (FLC), έχουν μια σπειροειδή νηματοειδή μορφή η οποία επιτρέπει πολύ γρήγορες αποκρίσεις στον προσανατολισμό των μορίων της τάξης του μικροδευτερολέπτου.

Πως είναι φτιαγμένο ένα απλό LCD

Τέσσερις παράγοντες συνδυάζονται για να κάνουν εφικτή την απεικόνιση με υγρούς κρυστάλλους. 

• Το φως μπορεί να πολωθεί

• Οι υγροί κρύσταλλοι μπορούν να επιτρέψουν τη διέλευση και ν' αλλάξουν την πόλωση του φωτός.

• Η δομή των υγρών κρυστάλλων μπορεί να μεταβληθεί με το ηλεκτρικό ρεύμα.

• Υπάρχουν διαφανή υλικά που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Για να δημιουργήσουμε ένα LCD, παίρνουμε δύο πλάκες από πολωτικό γυαλί. ένα ειδικό πολυμερές που δημιουργεί μικροσκοπικά αυλάκια στην επιφάνεια του γυαλιού, τρίβεται από την πλευρά του γυαλιού που δεν έχει το πολωτικό στρώμα. Τα αυλάκια πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένα με την διεύθυνση πόλωσης του πολωτή. Προσθέτουμε τότε μια επικάλυψη νηματοειδών υγρών κρυστάλλων σε ένα από τα φίλτρα. Τα προκατασκευασμένα αυλάκια θα ευθυγραμμίσουν το πρώτο στρώμα των μορίων με τη διεύθυνση του πολωτή. Κάθε διαδοχικό στρώμα από ΤΝ μόρια έχει προσανατολισμό που είναι στραμμένος λίγο σε σχέση με τον προσανατολισμό του προηγούμενου στρώματος. Έτσι φθάνουμε σε ένα στρώμα με γωνία 90⁰  σε σχέση με το αρχικό, και τότε προσθέτουμε την άλλη γυάλινη πλάκα με τη διεύθυνση του πολωτή της επίσης σε γωνία 90⁰ σε σχέση με την πρώτη πλάκα. Έτσι το πρώτο και το τελευταίο στρώμα των υγρών κρυστάλλων ταιριάζουν με τις διευθύνσεις πόλωσης των δύο πολωτικών πλακών.  

Καθώς το φως συναντάει το πρώτο πολωτικό φίλτρο, πολώνεται. Τα μόρια σε κάθε στρώμα οδηγούν το φως που παραλαμβάνουν στο επόμενο στρώμα. Καθώς το φως περνάει μέσα από τα διαδοχικά στρώματα των υγρών κρυστάλλων αλλάζει επίσης το επίπεδο πόλωσής του ώστε να ταιριάζει με την διεύθυνση κάθε στρώματος. Όταν το φως φτάνει στην άλλη πλευρά των στρωμάτων υγρών κρυστάλλων, το επίπεδο πόλωσής του είναι το ίδιο με την κατεύθυνση των μορίων του τελικού στρώματος. Αν το τελικό στρώμα ταιριάζει με το επίπεδο πόλωσης του δεύτερου πολωτικού φίλτρου, τότε το φως θα περάσει μέσα από το φίλτρο. 

Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να φτιάξουμε το απλούστερο δυνατό LCD, με ένα μόνο ορθογώνιο ηλεκτρόδιο σ` αυτό. Τα διαδοχικά στρώματα θα είναι όπως στην παρακάτω εικόνα. 

Ένας καθρέφτης (A) στο πίσω μέρος δίνει στο LCD την ανακλαστική ιδιότητα. Στη συνέχεια μια γυάλινη πλάκα (B) μ` ένα πολωτικό στρώμα στο κάτω μέρος της, και ένα συνηθισμένο επίπεδο ηλεκτρόδιο (C) φτιαγμένο από οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου. Ένα συνηθισμένο ηλεκτρόδιο καλύπτει όλη την επιφάνεια του LCD. Πάνω από αυτό είναι το στρώμα των υγρών κρυστάλλων (D). Στη συνέχεια έρχεται μια άλλη πλάκα γυαλιού (E) μ` ένα ηλεκτρόδιο σχήματος ορθογωνίου, στο κάτω μέρος της, και πάνω σ` αυτό ένα άλλο πολωτικό φίλτρο (F), σε ορθή γωνία με το πρώτο.

Το ηλεκτρόδιο συνδέεται με μια ηλεκτρική πηγή πχ. μια μπαταρία. Όταν δεν υπάρχει ρεύμα, το φως που έρχεται από το δεξιό (μπροστινό) μέρος του LCD, χτυπάει απλά στον καθρέφτη, ανακλάται και επιστρέφει προς τα πίσω. Όταν όμως η μπαταρία εφαρμόζει τάση στα ηλεκτρόδια, οι υγροί κρύσταλλοι μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων αποσυστρέφονται, και εμποδίζουν τη διέλευση του φωτός από αυτή την περιοχή. Αυτό κάνει το LCD να εμφανίζει το ορθογώνιο ηλεκτρόδιο ως μια μαύρη περιοχή. 

Το απλό LCD που παρουσιάσαμε απαιτεί μια εξωτερική πηγή φωτισμού. Τα υλικά των υγρών κρυστάλλων δεν εκπέμπουν φως από μόνα τους. Σ΄ ένα ρολόι χειρός πχ. οι αριθμοί εμφανίζονται εκεί όπου τα μικρά ηλεκτρόδια φορτίζουν τους υγρούς κρυστάλλους και κάνουν τα διάφορα στρώματα να αποσυστρέφονται ούτως ώστε το φως δεν διαδίδεται μέσω των πολωτικών φίλτρων. Οι περισσότερες LCD οθόνες των υπολογιστών, έχουν λάμπες φθορισμού επάνω, στα πλάγια και μερικές φορές πίσω από την οθόνη των υγρών κρυστάλλων. Μια άσπρη επιφάνεια πίσω από το LCD διαχέει το φως ομοιόμορφα ώστε να έχουμε μια ομοιόμορφα φωτισμένη οθόνη. Κατά την πορεία του μέσα από φίλτρα, υγρούς κρυστάλλους και ηλεκτρόδια, αρκετό από το φως (συχνά πάνω από το μισό) απορροφάται και χάνεται.  

Στο παράδειγμα που αναφέραμε παραπάνω, χρησιμοποιήσαμε ένα επίπεδο ηλεκτρόδιο και ένα απλό ραβδόμορφο ορθογώνιο ηλεκτρόδιο, τα οποία έλεγχαν ποιοι υγροί κρύσταλλοι αποκρίνονταν στο ηλεκτρικό πεδίο. Αν στο στρώμα που περιέχει το ορθογώνιο ηλεκτρόδιο προσθέσουμε και άλλα ηλεκτρόδια, μπορούμε να πετύχουμε πιο εξεζητημένες απεικονίσεις. 

Ηλεκτρόδια τύπου Κοινού επιπέδου, Παθητικής Μήτρας και Ενεργού Μήτρας

Τα LCD με κοινό επίπεδο ηλεκτρόδιο είναι καλά για απεικονίσεις όπου χρειάζεται να εμφανίζεται ξανά και ξανά η ίδια πληροφορία, και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως ρολόγια χειρός, ή ενδείξεις χρόνου σε φούρνους μικροκυμάτων. 

Στους υπολογιστές όμως χρησιμοποιούνται κυρίως δύο τύποι LCD. Οι τύποι με παθητική μήτρα και με ενεργητική μήτρα. 

Τα LCD με παθητική μήτρα χρησιμοποιούν ένα απλό πλέγμα για να εξασφαλίσουν το φορτίο σ' ένα συγκεκριμένο πίξελ της οθόνης. Η δημιουργία του πλέγματος γίνεται ως εξής. Αρχίζει με δύο στρώματα γυαλιού που λέγονται υποστρώματα. Το ένα υπόστρωμα περιέχει στήλες και το άλλο γραμμές φτιαγμένες από διαφανές αγώγιμο υλικό. Οι γραμμές και οι στήλες συνδέονται με ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποία ελέγχουν πότε ένα φορτίο στέλνεται σε μια συγκεκριμένη γραμμή ή σε μια στήλη. Το υλικό του υγρού κρυστάλλου μπαίνει ανάμεσα στα δύο υποστρώματα σαν σάντουϊτς, και ένα πολωτικό φίλτρο προστίθεται στην εξωτερική πλευρά κάθε υποστρώματος. Για να φωτίσουμε ένα συγκεκριμένο πίξελ, το ολοκληρωμένο κύκλωμα στέλνει ένα φορτίο στη σωστή στήλη του ενός υποστρώματος ενώ γειώνεται η κατάλληλη σειρά του άλλου υποστρώματος. Η σειρά και η στήλη τέμνονται στο επιθυμητό πίξελ, και έτσι εξασφαλίζεται η απαραίτητη διαφορά δυναμικού για να αποσυστραφούν οι υγροί κρύσταλλοι στο πίξελ αυτό.  

Η απλότητα του συστήματος παθητικής μήτρας έχει και κάποια σημαντικά μειονεκτήματα. Ειδικότερα έχει αργούς χρόνους απόκρισης και όχι και τόσο μεγάλη ακρίβεια στον έλεγχο της διαφοράς δυναμικού. Ο χρόνος απόκρισης αναφέρεται στην δυνατότητα του LCD να ανανεώνει την εικόνα επί της οθόνης. Ο πιο απλός τρόπος να αντιληφθούμε την αργή απόκριση μιας οθόνης LCD με παθητική μήτρα είναι να κουνήσουμε τον κέρσορα με το ποντίκι, γρήγορα από τη μια άκρη της οθόνης στην άλλη. Θα παρατηρήσουμε μια σειρά από "είδωλα" να ακολουθούν τον κέρσορα.. Ο μη ακριβής έλεγχος της τάσης επηρεάζει τη δυνατότητα να φωτίζεται μόνο ένα πίξελ κάθε φορά. Όταν εφαρμόζεται τάση για να αποσυστρέψει ένα πίξελ, τα γειτονικά πίξελ αποσυστρέφονται εν μέρει επίσης, πράγμα που κάνει την εικόνα θολή και χωρίς έντονο κοντράστ. 

Τα LCD με ενεργή μήτρα βασίζονται σε τρανζίστορς λεπτού στρώματος (TFT). Βασικά τα TFT είναι μικροσκοπικά τρανζίστορς και πυκνωτές που κάνουν τη δουλειά διακοπτών. Τοποθετούνται με μορφή μιας μήτρας πάνω σ' ένα γυάλινο υπόστρωμα. Για να προσδιορίσουμε ένα συγκεκριμένο πίξελ, καθιστούμε αγώγιμη την κατάλληλη σειρά και στη συνέχεια στέλνουμε ένα φορτίο στη σωστή στήλη. Επειδή όλες οι άλλες γραμμές που τέμνει η συγκεκριμένη στήλη δεν άγουν, φορτίζεται μόνο ο πυκνωτής στο πίξελ που στοχεύουμε. Ο πυκνωτής έχει την ικανότητα να κρατήσει το φορτίο του έως τον επόμενο κύκλο ανανέωσης της απεικόνισης. Και αν ελέγχουμε προσεκτικά την τάση που εφαρμόζουμε στον υγρό κρύσταλλο, μπορούμε να τον κάνουμε να αποσυστραφεί μόνο εν μέρει, τόσο όσο χρειάζεται για ν' αφήσει να περάσει μερική ποσότητα από το φως. Με τον τρόπο αυτόν, δηλαδή με ακριβείς μικρές αυξήσεις της τάσης, τα LCD μπορούν να δημιουργήσουν όλη την κλιμακα των γκρι αποχρώσεων. Οι περισσότερες οθόνες σήμερα διαθέτουν 256 επίπεδα λαμπρότητας για κάθε πίξελ.  

Και το χρώμα πως δημιουργείται;

Ένα  LCD για να μπορεί να εμφανίσει χρώματα πρέπει να διαθέτει τρία  υποπίξελ με κόκκινο, πράσινο, και μπλε χρωματικά φίλτρα για να χρωματίζεται κάθε πίξελ. 

Όπως εξηγήσαμε παραπάνω, με προσεκτικό έλεγχο και μικρές μεταβολές της τάσης, η ένταση φωτός καθενός υποπίξελ, μπορεί να κυμαίνεται σε 256 διαφορετικές τιμές. Συνδυάζοντας τα υποπίξελ παράγεται μια παλέτα από 16,8 εκατομμύρια χρώματα. (256 αποχρώσεις του κόκκινου Χ 256 αποχρώσεις του πράσινου Χ 256 αποχρώσεις του μπλε). Αυτές οι οθόνες χρειάζονται ένα πελώριο αριθμό από τρανζίστορς. Για παράδειγμα΄μια τυπική οθόνη φορητού υπολογιστή, υποστηρίζει ανάλυση μέχρι 1024Χ768. Αν πολλαπλασιάσουμε 1024 στήλες επί 768 γραμμές επί 3 υποπίξελ, παίρνουμε 2.359.296 τρανζίστορς χαραγμένα πάνω σε μια πλάκα γυαλιού. 

Το μέγεθος της οθόνης περιορίζεται από την ποιότητα που επιβάλλει ο κατασκευαστής κατά τον έλεγχο ποιότητας των οθονών. Για να το θέσουμ πιο απλά, ο κατασκευαστής για να αυξήσει το μέγεθος της οθόνης πρέπει να προσθέσει και άλλα πίξελ και τρανζίστορ.Καθώς αυξάνει ο αριθμός των τρανζίστορς, αυξάνει και η πιθανότητα να βρεθούν αρκετά από αυτά ελαττωματικά επί της οθόνης. Οι κατασκευαστές των οθονών μεγάλου μεγέθους, απορρίπτουν περίπου το 40% των οθονών που βγάζει η γραμμή παραγωγής, ως ελαττωματικές. Το επίπεδο απόρριψης επηρεάζει ευθέως την τιμή της οθόνης, διότι η πώληση των καλών οθονών πρέπει να γίνει σε τέτοια τιμή ώστε να καλυφθεί το κόστος και των απορριφθέντων. Μόνο η βελτίωση των μεθόδων κατασκευής θα κάνει πιο προσιτές τις οθόνες μεγαλύτερου μεγέθους.