بررسي فن آوريهاي صفحات نمايشگر

Screen Technologies

بررسي فن آوريهاي صفحات نمايشگر
CRT با يك تفاوت سابقه ۱۰۰ ساله در مقايسه با فناوريهاي رقيب ، هنوز يك فناوري نيرومند است اين فناوري مبتني بر قواعدي است كه عموما درك شده اند و موادي را به كار مي گيرد كه بطور عادي در دسترس قرار دارند . نتيجه اين خصوصيات ، نمايشگرهائي با امكان توليد ارزان هستند كه بازدهي فوق العاده اي را ارائه نموده و تصاوير پايداري را با رنگهاي واقعي و وضوح نمايش بالا توليد مي كنند.

با اينحال مهم نيست كه اين فناوري تا چه حد خوب است . بديهي ترين نقايص CRT كاملا شناخت شده هستند .
– اين فناوري الكتريسته بسيار زيادي را مي بلعد .
– طراحي پرتوتك الكتروني آن مستعد عدم تمركز است .

– عدم تقارب واختلاف رنگ در سطح صفحه نمايشگر .
– مدارات الكتريكي High – Voltage و ميدانهاي مغناطيسي قوي آن ، تشعشع الكترومغناطيسي مضري را ايجاد مي كنند .
– وبه سادگي بيش از حد بزرگ است .

حتي با وجود صرف مبالغ هنگفت در زمينه تحقيقات و توسعه CRT توسط آنهائيكه بيشترين توجه را به اين فناوري معطوف كرده اند پيروزي يكي از چندين فناوري نمايشگرهاي Flat panel در يك دوره طولاني ،اجتناب ناپذير است . با اينحال ،اين مسئله بيش از آنچه كه درابتدا تصور مي شد طول كشيده است وارزيابيهاي كنوني حاكي از آن هستند كه به نظر نمي رسد Flat panel ها تا پيش از سال ۲۰۰۴ به بيش از ۵۰ درصد بازار دست يابند .

نمايشگرهاي كريستال مايع
كريستالهاي مايع براي اولين بار در اواخر قرن ۱۹ميلادي توسط يك گياه شناس اطريشي با نام friedrich Reinitzerكشف شدند ، خود عبارت كريستال مايع ( Liquid Crystal) نيز مدت كمي پس از آن توسط يك فيزيكدان الماني به نام Otto Lehmann به آنها اطلاق شد .
كريستالهاي مايع ، مواد نسبتا شفافي هستند كه خصوصيات هر دو نوع مواد جامد و مايع را از خود نشان مي دهند نوري كه از ميان كريستالهاي مايع عبور مي كند ازامتداد مولكولهاي كه آنها را تشكيل مي دهند . پيروي مي كنند ( يك خصوصيت ماده جامد ) در دهه ۶۰ ميلادي كشف شد كه شارژ كريستالهاي مايع با الكتريسته امتداد مولكولي

آنها ودرنتيجه ميسر عبور نور از ميان آنها را تغيير مي دهد ( يك خصوصيت مايعات )
از زمان ظهور آن بعنوان يك رسانه نمايشگر در سال ۱۹۷۱ نمايشگرهاي كريستال مايع به حوزه هاي متنوعي نظير تلويزيونهاي مينياتوري دوربينهاي ويديوئي و عكسبرداري ديجيتال و صفحه نمايشگرهاي كامپيوتر راه يافته اند و امروزه افراد زيادي بر اين باور هستند كه LCD به احتمال قوي همان فناوري جانشين

نمايشگرهاي CRT است . فناوري درگير با اين نمايشگرها از زمان پيدايش خود بطور قابل ملاحظه اي پيشرفت نموده است تا جائيكه محصولات امروزي هيچ شباهتي به ابزارهاي تك رنگ و بد تركيب قديمي ندارند . اين فناوري نسبت به ساير فناوريهاي صفحه تخت داراي سابقه بيشتري بوده و موقعيت ظاهرا بي ترديدي در نت بوكها و هاي دستي دارد كه هر دو قالب مختلف قابل دسترس هستند .

( dual Scan Twisted Nematic) DTSN ارزانقيمت
( Thim film Transistor ) TFT با كيفيت بالاي تصوير

اصول :
LCD يك فناوري انتقالي است نمايشگر به اين ترتيب كار مي كند كه به مقادير مختلفي از نور سفيد پشتي ( backlight) با شدت ثابت ( Fixed – Intensity) اجازه مي دهد تا از ميان يك فيلتر فعال عبور نمايد عناصر قرمز ، آبي و سبز يك پيكسل از طريق فيلتر سازي ساده نور سفيد بدست مي آيند .

اكثر كريستالهاي مايع ، تركيبات الي حاوي مولكولهاي بلند ميله مانند هستند كه در وضعيت طبيعي ، خود را طوري مرتب مي نمايند كه محورهاي بلند آنها با يكديگر تقريبا موازي باشد . امكان كنترل دقيق امتداد اين مولكولها با روان نمودن كريستال مايع در امتداد سطحي با شيارهاي فوق العاده ظريف ، امكانپذير است امتداد مولكولها از شيارهاي سطح پيروي مي كنند در نتيجه اگر شيارها كاملا موازي باشند امتداد مولكولها نيز كاملا موازي مي شود .

مولكولهاي LCD در وضعيت طبيعي خود با شكلي نامرتب به موازات محورهاي بلند خود قرار دارند با اينحال وقتي آنها با سطحي كه شيارهائي در يك جهت ثابت دارد تماس حاصل مي كنند ، بطور موازي در امتداد شيارها مرتب مي شوند .

اولين اصل يك LCD ساندويچ نمودن كريستالهاي مايع در بين دو سطح با شيارهاي ظريف است كه شيارهاي موجود بر روي يك سطح عمود ( با زاويه ۹۰ درجه ) بر شيارهاي موجود بر روي سطح ديگر هستند اگر مولكولها در يك سطح بصورت شمالي – جنوبي و مولكولهاي موجود بر روي سطح ديگر بصورت شرقي و غربي قرار گرفته باشند مولكولهاي ميان آن دو به يك پيچش ۹۰ درجه اي وادار مي شوند . نور از امتداد مولكولها پيروي مي كند . در نتيجه نور نيز هنگام عبور از ميان كريستالهاي مايع ۹۰ درجه چرخش مي كند .

با اينحال هنگاميكه ولتاژي بر روي كريستال مايع اعمال شود مولكولها خود را بصورت عمودي مرتب كرده و به نور امكان مي دهند كه بدون چرخش از ميان آنها عبور نمايد . اصل دوم يك LCD بر خصوصيات فيلترهاي پولاريزه و خود نور تكيه دارد . امواج طبيعي نور در زواياي تصادفي منتشر مي شوند يك فيلتر پولاريزه صرفا يك هدايت موازي با خطوط است در نتيجه يك فيلتر پولاريزه ثانويه باخطهائي كه بصورت عمود با خطوط فيلتر اول قرار گرفته بايد اين نور قبلا پولاريزه شده را كاملا مسدود نمايد نور تنها زماني از ميان فيلتر پولاريزه دوم عبور مي كند كه خطوط آن كاملا با خطوط فيلتر اول موازي باشند يااينكه خود نور براي انطباق با فيلتر دوم چرخيده باشد .

يك نمايشگر كريستال مايع ( Twisted Nematic) TN معمولي شامل دو فيلتر پولاريزه است كه خطوط آنها بصورت عمود نسبت به يكديگر قرار گرفته اند و همانطور كه در بالا توضيح داديم . تمام نوري كه براي عبور از ميان آنها تلاش مي كند را مسدود مي كنند اما درميان اين پولاريزه كننده ها ، كريستالهاي مايع پيچيده ( Twisted) قرار گرفته اند . بنابراين نور توسط فيلتر اول پولاريزه شده توسط كريستالهاي مايع ۹۰ درجه چرخش نموده ونهايتا امكان مي يابد كه كاملا ازميان فيلتر پولاريزه دوم عبور نمايد . با اينحال زمانيكه يك ولتاژالكتريكي بر روي كريستال مايع اعمال مي شود مولكولهاي آن بصورت عمودي مرتب مي شوند وبه نور اجازه مي دهند كه بدون چرخش ا زميان آنها عبور نمايد ، اما اين نور توسط فيلتر پولاريزه دوم مسدود مي شود در نتيجه عدم وجود ولتاژ به معني عبور نور است در حاليكه اعمال ولتاژ معادل است با عدم مشاوره نور در سمت ديگر .

كريستالهاي درون يك LCD مي توانند بصورت معكوس نيز آرايش يابند ، بطوريكه با اعمال ولتاژ نور كرده و با قطع ولتاژ عبور نيز متوقف گردد . با اينحال از آنجائيكه نمايشگرهاي كامپيوتري با اينترفيسهاي گرافيكي تقريبا هميشه روشن هستند آرايش كريستالها با پيكربندي عبور نور درصورت عدم وجود ولتاژ باعث صرفه جويي در توان مصرفي مي گردد .

قواعد
LCD ها از يك مجموعه قواعد متفاوت در مقايسه بانمايشگرهاي CRT پيروي مي كنند كه مزيتهائي در زمينه هاي اندازه مصرف برق و Flicker ( سوسو زدن ) وهمچنين هندسه عالي ارائه مي نمايند معايب آنها عبارتند از از قيمت بسيار بالاتر
زاويه ديد ضعيفتر وبازدهي رنگ با دقت كمتر .

در حاليكه CRT ها قادر به نمايش دامنه اي از درجات وضوح بوده و آنها را مقياس دهي مي كنند تا براي صفحه نمايش مناسب باشند . يك پانل LCD داراي تعداد ثابتي از سلولهاي كريستال مايع است و مي تواند تنها يك وضوح را با اندازه تمام صفحه با استفاده از يك سلول براي هر پيكسل نمايش دهد .
وضوحهاي پايينتر تنها با بكارگيري قسمتي از صفحه قابل نمايش هستند . براي مثال يك پانل ۷۶۸ × ۱۰۲۴ مي تواند وضوح ۴۸۰ × ۶۴۰ را با استفاده از ۶۶ درصد سطح نمايشگر ارائه نمايد اغلب LCD ها مي توانند تصاوير با وضوح پائين را از طريق فرايندي با نام Rathiomatic Expansion مجددا مقياس دهي كنند تا صفحه

نمايش را پر كنند . با اينحال اين شيوه براي تصاوير Comtiuous -tone نظير عكسها بهتر كار مي كند تا متون وتصاويري با جزئيات ظريف ، كه درچنين مواردي اين شيوه مي تواند باعث بدنمائي ابجكتها بصورت ظهور مصنوعات دندانه دار براي پر كردن پيكسلهاي اضافي شود . بهترين نتايج با LCD هائي بدست مي آيند . كه درهنگام افزايش مقياس تصوير دوباره از آن نمونه برداري كرده وبه اين ترتيب تصوير را درهنگام پر كردن پيكسلهاي اضافي Anti-Aliasing مي نمايند . با اينحال تمام LCD ها توانائي انجام اينكار را ندارند .

در حاليكه ممكن است پشتيباني از وضوحهاي مختلف ،نقطه قوتي براي پانلهاي تخت نباشد . توانائي چرخش نمايشگر از حالت افقي ( Landscape) به حالت عمودي ( portait) يك ويژگي است كه اختصاصا به آنها مربوط مي شود فناوري كه اينكار را انجام مي دهد در اواسط دهه ۹۰ ميلادي در دسترس قرار داشته است واكنون تحت ليسانس توليد كنندگان پيشگام مانيتورها ونت بوكها در سراسر جهان قرار دارد حالت portait بطور اخص براي تعدادي از محبوبترين نرم

افزارهاي كاربردي pc ( نظير واژه پردازي مرور وب DTP ) مناسب بوده و تعداد روز افزوني از پانلهاي LCD با يك پايه مناسب ونرم افزار مورد نياز براي پشتيباني از اين ويژگي عرضه مي شوند در ابتداي سال ۲۰۰۰ ميلادي بسياري از پانلهاي تخت از SXGA بعنوان وضوح ذاتي خود پشتيباني مي كردند نكته جالب SXGA در آن است كه از يك نسبت تصويري استفاده مي كند ( برخلاف ساير وضوحهاي نمايش استاندارد كه داراي نسبت تصويري هستند ) ۱۲۸۰ × ۱۰۲۴ حالتي است كه خصوصا براي مرور وب مناسب مي باشد زيرا بسياري از سايتهاي وب براي يك وضوح افقي ۱۰۲۴ پيكسلي بهينه شده اند .

برخلاف نمايشگرهاي CRT اندازه هاي قطري ( Diagonal) يك LCD با ناحيه قابل رويت آن يكسال است در نتيجه هيچگونه افتي در اينچ سنتي در پشت صفحه نمايشگر ويا با بخاطر انحناي آن وجود ندارد اين تركيب باعث مي شود كه هر LCD
با يك CRT 2 تا ۳ اينچ بزرگتر از خود مطابقت داشته باشد .

از اوايل سال ۱۹۹۹ تعدادي از توليد كنندگان پيشگام مدلهاي TFT 18 اينچي را روانه بازار كرده اند كه قابليت نمايش وضوح ذاتي ۱۰۲۴× ۱۲۸۰ را دارند .
يك CRT داراي سه تفنگ الكتروني كه است كه جريانهاي آنها بايد براي ايجاد يك تصوير شفاف بصورت بدون نقصي همگرا باشند در يك پانل LCD هيچگونه مشكل همگرائي وجود ندارد . زيرا هر يك از سلولها بطور جداگانه روشن وخاموش مي شود اين يكي از دلايلي است كه باعث مي شود متن بر روي نمايشگرهاي LCD كاملا واضح به نظر برسد . نيازي نيست در مورد سرعت نو سازي و flicker در يك پانل LCD نگران باشيد سلولهاي LCD يا روشن هستند ويا خاموش بنابراين

تصويري كه با سرعت نو سازي اندكي بين ۴۰ تا ۶۰ هرتز نمايش داده مي شود .Flicker بيشتري نسبت به يك تصوير با سرعت نو سازي ۷۵ هرتز ايجاد نمي كند .
بطور معكوس اين امكان وجود دارد كه يك يا چند سلول بر روي پانل LCD دچار نقص شوند بر روي يك نمايشگر ۷۶۸ × ۱۰۲۴ سه سلول براي هر پيكسل وجود دارند ( يك سلول براي هر يك از رنگهاي قرمز و سبز و آبي ) كه تعداد آنها درمجموع تقريبا به ۴/۲ ميليون سلول مي رسد شانس كمي وجود دارد كه تمام اين سلولها بي عيب باشند در بيشتر موارد ، تعدادي از آنها دچار رخنه بوده ( ايجاد نقص درخشش ) ويا خاموش هستند ( ايجاد نقص تاريكي ) ممكن است بعضي از خريداران تصور مي كنند كه هزينه بالاي يك نمايشگر بيانگر LCD نمايشگرهاي بي نقصي براي آنها است اما متاسفانه اين تصور صحيح نيست .

نمايشگرهاي LCD داراي عناصر ديگري هستند كه شما نمي توانيد آنها را در نمايشگرهاي CRT بيابيد اين پانلها از طريق لاكپهاي فلورسنتي روشن مي شوند كه در تمام سطح پشت واحد بصورت مارپيچ قرار گرفته اند . گاهي اوقات يك نمايشگر در بعضي از قسمتهاي صفحه نمايش خطوط درخشانتري رانسبت به ساير قسمتها ارائه مي دهد . اين امكان نيز وجود دارد كه سايه ها و يا رگه هائي را مشاهده مي كنيد كه در آنها يك تصوير ترايك ويا روشن خاص بر روي نواحي مجاور خود تاثير مي گذارد . الگوهاي ظريفي نظير تصاوير Dithered نيز مي توانند الگوهاي مواج و يا متداخلي را ايجاد كنند .

مشكل زاويه ديد بر روي LCD ها به اين دليل روي مي دهد كه اين فناوري يك سيستم انتقالي است كه با مدوله نمودن نور عبور كننده از ميان نمايشگر كار ميكند . در حاليكه CRT ها تابنده ( Emissive)هستند در نمايشگرهاي تابنده ماده اي وجود دارد كه نوري را در جلوي نمايشگر مي تاباند كه به آساني از زواياي بزرگتري ديده مي شود در يك LCD نور تابانده شده علاوه بر عبور از پيكسل مورد نظر بطور اريب از ميان پيكسلهاي مجاور عبور كرده وباعث تحريف رنگ مي گردد

تا آغاز هزاره جديد اكثر نمايشگرهاي LCD به يك درگاه آشناي VGA آنالوگ ۱۵ پايه اي متصل شده وازيك مبدل ديجيتال به آنالوگ براي تبديل سيگنال به قالبي كه براي پانل قابل استفاده باشد بهره مي بردند در واقع از آن به بعد VGA بخاطر هزينه اضافي اين سيستمها براي پشتيباني از يك اينترفيس آنالوگ نمايانگر مانعي براي انطباق با فناوريهاي جديد نمايشگرهاي پانل تخت بوده است

با اينحال در اواخر دهه ۹۰ ميلادي چند گروه كاري راه حلهاي اينترفيس ديجيتالي را براي LCD ها پيشنهاد كردند اما بدون دستيابي به پشتيباني گسترده مورد نياز براي استقرار يك استاندارد اين تنگنا نهايتا بوسيله DDWG ( Digital Display Working Group) كه شامل پيشگامان صنعت كامپيوتر نظيرSiliicon image , NEC . IBM . HP , Fujitsu , Compaq Intel مي شود( كه در پائيز سال ۱۹۹۸ با هدف تحويل يك مشخصات قدرتمند جامع و توسعه پذير براي انيترفيس مابين نمايشگرهاي ديجيتال وpc هاي يا بازدهي بالا تشكيل شده بود ، شكسته شد DDWG در بهار سال ۱۹۹۹ اولين نسخه از DVI ( Digital Visual Interface) را به تصويب رساند يك مشخصه جامع كه تعاريف مكانيكي ، الكترونيكي و پروتكلهاي مورد بحث آن براي پشتيباني ديجيتال وضوح بالا ميزانپذير بوده واتصالي رافراهم مي كرد كه هر دو نوع نمايشگرهاي انالوگ و ديجيتال را پشتيباني مي نمايد .

نمايشگرهاي DSTN

يك Passive Matrix LCD معمولي شامل تعدادي لايه است اولين لايه يك ورقه از شيشه است كه با اكسيد فلز پوشانده مي شود ماده مورد استفاد يك ماده بسيار شفاف است . تابا كيفيت يكپارچگي تصوير تداخل نداشته باشد . اين لايه بصورت شبكه اي از الكترودها در سطرها و ستونهاي خود عمل مي كند كه جريان مورد نياز براي فعال نمودن عناصر صفحه نمايش را از خود عبور مي دهند .

بر روي اين لايه يك پوليمر بكار برده مي شود كه داراي يك مجموعه شيارهاي موازي است كه در سراسر آن كشيده شده اند و براي تنظيم مولكولهاي كريستال مايع در جهت مناسب بكار رفته ودر عين حال بستري را فراهم مي نمايد كه مولكولها بر روي آن قرار مي گيرند . اين بخش تحت عنوان لايه Alignment شناخت شده و بر روي صفحه شيشه اي ديگري كه تعدادي Spacer Bead ( وقتي دو ورقه شيشه اي دركنار يكديگر قرار مي گيرند يك فاصله يكنواخت را در ميان آنها حفظ مي كنند )

رانيز حمل مي كند تكرار مي شود .
سپس لبه ها با يك Epoxy مهرو موم ( چسبانده ) مي شوند البته به استثناء شكافي كه در يكي از گوشه ها باقي مي ماند اين شكاف به ماده كريستال مايع امكان مي دهد پيش از آنكه صفحات بطور كامل مهر و موم شوند در بين ورقه ها تزريق گردد درمدلهاي اوليه اين فرايند مستعد خطا بوده وباعث ايجاد پيكسلهاي چسبنده وياگم شده اي مي گرديد كه در آنها ماده كريستال مايع در رسيدن به تمام قسمتهاي صفحه نمايش ناموفق مانده بود .

سپس ، لايه هاي پولاريزه كننده بر روي خارجي ترين سطوح هر ورقه شيشه اي اعمال مي شوند تابا جهت هم ترازي لايه ها انطباق داشته باشند در نمايشگرهاي DSTN ويا Dual scanجهت امتداد لايه ها برحسب مجموع دوران كريستالهاي مايع در بين آنها بين ۹۰ تا ۲۷۰ درجه متغير است يك نور پشتي نيز به اين مجموعه اضافه مي شود كه معمولا در قالب لامپهاي فلورسنت در امتداد لبه هاي پائيني و بالائي پانل نصب مي شود نور اين لامپها بااستفاده از يك منشور وبا راهنماي نور پلاستيكي در سراسر پانل توزيع مي شود .

تصويري كه بر روي صفحه نمايشگر ظاهر مي گردد با عبور اين نور از ميان لايه هاي پانل ايجاد مي شود هنگاميكه ولتاژي در سراسر پانل LCD اعمال نشده است نورBacklight بطور عمودي توسط فيلتر پشتي پولاريزه شده و توسط زنجيره هاي مولكولي در كريستال مايع منكسر مي گردد طوري كه بصورت افقي از فيلتر پولاريزه درجلوخارج شود اعمال يك ولتاژ باعث تنظيم مجدد كريستالها مي گردد به شكلي كه نور نتواند از آنها عبور كند ، اين حالت باعث ايجاد يك پيكسل تاريك مي گردد نمايشگرهاي LCD رنگي به سادگي از فيلتر هاي رنگي قرمز سبز و آبي سنتي بر روي يك عنصر LCD جداگانه استفاده مي كنند تايك پيكسل چند رنگ واحد را ايجاد كنند .

با اينحال واكنش خود LCD با شيوه هدايتpassive Matrix بسيار كند است با محتويات نمايشي كه به سرعت تغيير مي كنند ( نظير ويدئو ويا حركات سريع ماوس) غالبا يك حالت Smearing ايجاد مي شود زيرا نمايشگر نمي تواند تغيير محتويات راتحمل نمايد . بعلاوه هدايت passive Matrix باعث ايجاد سايه مي شود جلوه اي كه در آن يك ناحيه روشن از پيكسلها باعث ايجاد سايه اي بر روي پيكسلهاي خاموش درهمان سطر ويا ستون مي شوند با تقسيم صفحه نمايش به دو قسمت ونوسازي هر يك از آنها بصورت جداگانه ميتوان مشكل سايه ها را به ميزان قاب ملاحظه اي برطرف نمود . همچنين احتمال ارائه بهبودهاي ديگري وجود دارد كه نتيجه چند پيشرفت مستقل ديگر هستند كه براي تقويت نمايشگرهاي passive-Matrix دركنار يكديگر قرار گرفته اند .

در اواخر دهه ۹۰ ميلادي چند پيشرفت تكاملي بطور همزمان باعث افزايش سرعت و كنتراست نمايشگرهايDual-Scan شدند LCD هاي HPD( Hybrid passive Display) كه توسط توشيبا وشارپ توسعه يافته بودند از فرمولاسيون متفاوتي براي ماده كريستال مايع استفاده مي كردند تا با اند كي افزايش در هزينه ها ، بهبودهاي بيشتري را در كيفيت نمايش فراهم نمايند .