จอแสดงผล LCD คืออะไร?

การก่อสร้าง LCD

แต่ละพิกเซลของ LCD ประกอบด้วยส่วนต่อไปนี้: ชั้นของโมเลกุลคริสตัลเหลวที่แขวนอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าโปร่งใสสองตัว (อินเดียมดีบุกออกไซด์) และตัวกรองโพลาไรซ์สองตัวที่มีทิศทางโพลาไรเซชันตั้งฉากกันข้างนอก หากไม่มีผลึกเหลวระหว่างอิเล็กโทรดทิศทางโพลาไรซ์ของแสงที่ผ่านตัวกรองโพลาไรซ์หนึ่งตัวจะตั้งฉากกับตัวกรองโพลาไรซ์ที่สองอย่างสมบูรณ์ดังนั้นจึงถูกบล็อกอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามหากทิศทางโพลาไรเซชันของแสงที่ผ่านตัวกรองโพลาไรซ์หนึ่งจะหมุนโดยคริสตัลเหลวมันสามารถผ่านตัวกรองโพลาไรซ์อื่น ๆ การหมุนของทิศทางโพลาไรเซชันของแสงโดยผลึกเหลวสามารถควบคุมได้โดยสนามไฟฟ้าสถิตซึ่งจะสามารถควบคุมแสงได้

โมเลกุลคริสตัลเหลวมีความอ่อนไหวต่ออิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกและสร้างประจุที่เกิดขึ้น เมื่อมีการเพิ่มประจุจำนวนเล็กน้อยลงในอิเล็กโทรดโปร่งใสของแต่ละพิกเซลหรือพิกเซลย่อยเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าสถิตโมเลกุลของผลึกเหลวจะถูกเหนี่ยวนำโดยสนามไฟฟ้าสถิตนี้เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดประจุและสร้างแรงบิดไฟฟ้าสถิต การจัดเรียงการหมุนแบบดั้งเดิมของโมเลกุลคริสตัลเหลวดังนั้นจึงเปลี่ยนแอมพลิจูดการหมุนของแสงที่ผ่าน เปลี่ยนมุมที่แน่นอนเพื่อให้สามารถผ่านตัวกรองโพลาไรเซชันได้

ก่อนที่จะมีการเพิ่มประจุลงในอิเล็กโทรดโปร่งใสการจัดเรียงของโมเลกุลของผลึกเหลวจะถูกกำหนดโดยการจัดเรียงของพื้นผิวอิเล็กโทรดและพื้นผิวทางเคมีของอิเล็กโทรดสามารถใช้เป็นเมล็ดคริสตัล ในผลึกของเหลว TN ที่พบมากที่สุดขั้วไฟฟ้าบนและล่างของผลึกเหลวจะถูกจัดเรียงในแนวตั้ง โมเลกุลคริสตัลเหลวถูกจัดเรียงเป็นเกลียวและทิศทางโพลาไรเซชันของแสงที่ผ่านตัวกรองโพลาไรเซชันหมุนหลังจากผ่านชิปของเหลวเพื่อให้สามารถผ่านโพลาไรเซอร์อื่นได้ ในกระบวนการนี้ส่วนเล็ก ๆ ของแสงจะถูกบล็อกโดยโพลาไรเซอร์และดูเป็นสีเทาจากภายนอก หลังจากเพิ่มประจุลงในอิเล็กโทรดโปร่งใสโมเลกุลของผลึกเหลวจะถูกจัดเรียงเกือบทั้งหมดในแบบขนานไปตามทิศทางของสนามไฟฟ้าดังนั้นทิศทางโพลาไรเซชันของแสงที่ผ่านตัวกรองโพลาไรเซชันไม่หมุนดังนั้นแสงจึงสมบูรณ์ ถูกบล็อก ในเวลานี้พิกเซลดูเป็นสีดำ โดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าระดับของการบิดเบือนของการจัดเรียงของโมเลกุลคริสตัลเหลวสามารถควบคุมได้เพื่อให้ได้สีเทาที่แตกต่างกัน

LCD บางตัวเปลี่ยนเป็นสีดำเมื่อพวกเขาสัมผัสกับกระแสสลับกันซึ่งทำลายผลของเกลียวของผลึกเหลว เมื่อกระแสถูกปิด LCD จะสว่างขึ้นหรือโปร่งใส LCD ประเภทนี้พบได้ทั่วไปในแล็ปท็อปและ LCD ราคาถูก LCD ประเภทอื่นที่ใช้กันทั่วไปบน LCDS ความละเอียดสูงหรือทีวี LCD ขนาดใหญ่คือเมื่อปิดพลังงาน LCD จะทึบ

เพื่อประหยัดพลังงาน LCDS ใช้วิธีการมัลติเพล็กซ์ ในโหมดมัลติเพล็กซิ่งอิเล็กโทรดที่ปลายด้านหนึ่งเชื่อมต่อเป็นกลุ่มอิเล็กโทรดแต่ละกลุ่มเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและขั้วไฟฟ้าที่ปลายอีกด้านหนึ่งยังเชื่อมต่อกันเป็นกลุ่มแต่ละกลุ่มเชื่อมต่อกับปลายอีกด้านของพลังงาน จัดหา. การออกแบบการจัดกลุ่มทำให้มั่นใจได้ว่าแต่ละพิกเซลจะถูกควบคุมโดยแหล่งจ่ายไฟอิสระ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือซอฟต์แวร์ที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะควบคุมการแสดงผลของพิกเซลโดยการควบคุมลำดับการเปิด/ปิดของแหล่งจ่ายไฟ

ตัวบ่งชี้สำหรับการทดสอบ LCDs รวมถึงแง่มุมที่สำคัญดังต่อไปนี้: ขนาดการแสดงผลเวลาตอบสนอง (อัตราการซิงโครไนซ์) ประเภทอาร์เรย์ (ใช้งานอยู่และพาสซีฟ) มุมการดูสีที่รองรับความสว่างและความคมชัดอัตราส่วนความละเอียดและหน้าจอและอินเทอร์เฟซอินพุต (เช่น เป็นอินเทอร์เฟซภาพและอาร์เรย์แสดงวิดีโอ)

ประวัติย่อ

ในปี 1888 นักเคมีชาวออสเตรีย Friedrich Reinizer ค้นพบผลึกเหลวและคุณสมบัติทางกายภาพพิเศษของพวกเขา

LCD ปฏิบัติการแรกนั้นขึ้นอยู่กับโหมดการกระเจิงแบบไดนามิก (DSM) ซึ่งพัฒนาโดยทีมที่นำโดย George Hellmann ที่ RCA Hellmann ก่อตั้ง Optech ซึ่งพัฒนาแอลซีดีที่หลากหลายตามเทคโนโลยีนี้

ในเดือนธันวาคมปี 1970 ผลกระทบของ Nematic Twisted ของผลึกเหลวได้รับการจดสิทธิบัตรในสวิตเซอร์แลนด์โดย Sint และ Helfrich ที่ Central Laboratories Hoffmann-le Roque อย่างไรก็ตามเมื่อปีก่อนในปี 1969 เจมส์เฟอร์กูสันได้ค้นพบผลกระทบของ Nematic Twisted Nematic Crystals ที่ Kent State University ในโอไฮโอสหรัฐอเมริกาและจดทะเบียนสิทธิบัตรเดียวกันในสหรัฐอเมริกาในเดือนกุมภาพันธ์ 1971 ในปี 1971 บริษัท ของเขา (Ilixco ) ผลิต LCD แรกตามคุณสมบัตินี้ซึ่งในไม่ช้าก็แทนที่ LCD ประเภท DSM ที่ด้อยกว่า จนกระทั่งปี 1985 การค้นพบนี้กลายเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ ในปี 1973 บริษัท ที่คมชัดของญี่ปุ่นใช้เป็นครั้งแรกในการสร้างจอแสดงผลดิจิตอลสำหรับเครื่องคิดเลขอิเล็กทรอนิกส์ ในปี 2010 LCD ได้กลายเป็นอุปกรณ์แสดงผลหลักสำหรับคอมพิวเตอร์ทุกเครื่อง

แสดงหลักการ

หากไม่มีแรงดันไฟฟ้าแสงจะเคลื่อนที่ไปตามช่องว่างระหว่างโมเลกุลคริสตัลเหลวและหมุน 90 องศาเพื่อให้แสงผ่าน แต่หลังจากเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแสงจะเคลื่อนที่ตรงไปตามช่องว่างระหว่างโมเลกุลคริสตัลเหลวดังนั้นแสงจึงถูกบล็อกโดยตัวกรอง

ผลึกเหลวเป็นวัสดุที่มีลักษณะการไหลดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้แรงภายนอกขนาดเล็กมากเพื่อให้โมเลกุลคริสตัลเหลวเคลื่อนที่ การใช้คริสตัลของเหลว nematic ที่พบมากที่สุดเป็นตัวอย่างโมเลกุลคริสตัลเหลวสามารถหมุนได้อย่างง่ายดายโดยการกระทำของสนามไฟฟ้า เนื่องจากแกนแสงของผลึกเหลวค่อนข้างสอดคล้องกับแกนโมเลกุลจึงสามารถสร้างผลกระทบทางแสงได้ เมื่อสนามไฟฟ้าที่ใช้กับผลึกเหลวจะถูกลบออกและหายไปผลึกเหลวจะใช้ความยืดหยุ่นและความหนืดของตัวเองและโมเลกุลคริสตัลเหลวจะกลับสู่สถานะเดิมอย่างรวดเร็วก่อนที่จะใช้สนามไฟฟ้า

จอแสดงผลแบบส่งผ่านและสะท้อนแสง

LCD สามารถส่งผ่านหรือสะท้อนแสงขึ้นอยู่กับว่าแหล่งกำเนิดแสงวางไว้ที่ไหน

LCD แบบส่งผ่านจะส่องสว่างด้วยแหล่งกำเนิดแสงด้านหลังหน้าจอและดูจากอีกด้านหนึ่ง (ด้านหน้า) ของหน้าจอ LCD ประเภทนี้ใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ต้องการความสว่างสูงเช่นจอภาพคอมพิวเตอร์ PDA และโทรศัพท์มือถือ แสงที่ใช้ส่องสว่างจอแอลซีดีมักใช้พลังงานมากกว่า LCD เอง

LCD แบบสะท้อนแสงพบได้ทั่วไปในนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องคิดเลข (บางครั้ง) ส่องสว่างหน้าจอโดยสะท้อนแสงภายนอกกลับจากพื้นผิวสะท้อนแสงแบบกระจายด้านหลัง LCD LCD ประเภทนี้มีอัตราส่วนความคมชัดสูงกว่าเนื่องจากแสงผ่านผลึกเหลวสองครั้งดังนั้นจึงถูกตัดสองครั้ง การไม่ใช้อุปกรณ์ส่องสว่างช่วยลดการใช้พลังงานอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่จะอยู่ได้นานขึ้น เนื่องจาก LCD แบบสะท้อนแสงขนาดเล็กใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยที่โฟโตเซลล์เพียงพอที่จะให้พลังงานพวกเขาพวกเขามักจะใช้ในเครื่องคิดเลขกระเป๋า

LCDs transflective สามารถใช้เป็น transmissive หรือ retrective เมื่อมีแสงภายนอกจำนวนมาก LCD จะทำงานเป็นชนิดสะท้อนแสงและเมื่อมีแสงภายนอกน้อยกว่าก็สามารถทำงานเป็นประเภทการส่งผ่าน

จอแสดงผลสี

เทคโนโลยี LCD ยังเปลี่ยนความสว่างตามขนาดของแรงดันไฟฟ้า สีที่แสดงโดยแต่ละองค์ประกอบย่อย LCD ขึ้นอยู่กับโปรแกรมการคัดกรองสี เนื่องจากคริสตัลเหลวไม่มีสีตัวกรองสีจึงใช้ในการผลิตสีต่าง ๆ แทนที่จะเป็นองค์ประกอบย่อย องค์ประกอบย่อยสามารถปรับระดับสีเทาโดยการควบคุมความเข้มของแสงที่ผ่าน มีเพียงไม่กี่เมทริกซ์ที่ใช้งานอยู่ใช้การควบคุมสัญญาณแบบอะนาล็อกและส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีการควบคุมสัญญาณดิจิตอล LCD ที่ควบคุมด้วยดิจิทัลส่วนใหญ่ใช้ตัวควบคุมแปดบิตซึ่งสามารถสร้างระดับสีเทา 256 ระดับ แต่ละองค์ประกอบย่อยสามารถแสดงได้ 256 ระดับดังนั้นคุณจะได้รับ 2563 สีและแต่ละองค์ประกอบสามารถแสดงสี 16,777,216 สี เนื่องจากดวงตาของมนุษย์ไม่รู้สึกถึงความสว่างเชิงเส้นและดวงตาของมนุษย์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความสว่างต่ำมากขึ้น 24- บิตบิตนี้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในอุดมคติได้อย่างเต็มที่ วิศวกรใช้การควบคุมแรงดันพัลส์เพื่อให้การเปลี่ยนสีดูสม่ำเสมอมากขึ้น
ใน LCD สีแต่ละพิกเซลแบ่งออกเป็นสามหน่วยหรือพิกเซลย่อยและตัวกรองเพิ่มเติมจะถูกทำเครื่องหมายสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงินตามลำดับ พิกเซลย่อยทั้งสามสามารถควบคุมได้อย่างอิสระส่งผลให้มีสีหลายพันหรือหลายล้านสีสำหรับพิกเซลที่สอดคล้องกัน CRT เก่าใช้วิธีเดียวกันในการแสดงสี ขึ้นอยู่กับความต้องการส่วนประกอบสีจะถูกจัดเรียงตามรูปทรงของพิกเซลที่แตกต่างกัน

อาร์เรย์ที่ใช้งานอยู่และไม่โต้ตอบ

การแสดงผลคริสตัลเหลวที่พบได้ทั่วไปในนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์พกพาที่ประกอบด้วยเซ็กเมนต์จำนวนน้อยแต่ละตัวมีการสัมผัสอิเล็กโทรดเดี่ยว วงจรเฉพาะภายนอกให้ค่าใช้จ่ายสำหรับแต่ละหน่วยควบคุมซึ่งอาจยุ่งยากด้วยหน่วยแสดงผลเพิ่มเติม (เช่นจอแสดงผลคริสตัลเหลว) การแสดงผลคริสตัลของเหลวแบบพาสซีฟอาเรย์สำหรับจอแสดงผลโมโนโครมขนาดเล็กเช่นบน PDAs หรือหน้าจอแล็ปท็อปรุ่นเก่าใช้ Nematic Twisted Super (STN) หรือเทคโนโลยี Nematic Twisted (DSTN) สองชั้น (DSTN แก้ไขปัญหาการเบี่ยงเบนสีของ STN)

แต่ละแถวหรือคอลัมน์บนจอแสดงผลมีวงจรอิสระและตำแหน่งของแต่ละพิกเซลจะถูกระบุด้วยแถวและคอลัมน์ จอแสดงผลประเภทนี้เรียกว่า "อาร์เรย์แบบพาสซีฟ" เพราะแต่ละพิกเซลต้องจดจำสถานะของตัวเองก่อนที่จะอัปเดต ในเวลานี้แต่ละพิกเซลไม่มีการจ่ายประจุที่เสถียร เมื่อจำนวนพิกเซลเพิ่มขึ้นจำนวนแถวและคอลัมน์สัมพัทธ์ก็จะเพิ่มขึ้นและวิธีการแสดงผลนี้ก็ยากที่จะใช้ LCDs ที่ทำด้วยอาร์เรย์แบบพาสซีฟนั้นมีเวลาตอบสนองที่ช้ามากและความคมชัดต่ำ

การแสดงสีความละเอียดสูงในปัจจุบันเช่นจอภาพคอมพิวเตอร์หรือโทรทัศน์เป็นอาร์เรย์ที่ใช้งานอยู่ การแสดงผลคริสตัลของเหลวในภาพยนตร์แบบฟิล์มบางจะถูกเพิ่มเข้าไปในโพลาไรเซอร์และตัวกรองสี แต่ละพิกเซลมีทรานซิสเตอร์ของตัวเองช่วยให้สามารถควบคุมพิกเซลเดี่ยวได้ เมื่อเปิดบรรทัดคอลัมน์บรรทัดแถวทั้งหมดจะเชื่อมต่อกับทั้งแถวของพิกเซลและแต่ละบรรทัดแถวจะถูกขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องบรรทัดคอลัมน์จะถูกปิดและเปิดแถวอีกแถว ในการดำเนินการอัปเดตรูปภาพที่สมบูรณ์บรรทัดคอลัมน์ทั้งหมดจะเปิดในลำดับเวลา การแสดงผลอาร์เรย์ที่ใช้งานขนาดเดียวกันจะสว่างขึ้นและคมชัดกว่าการแสดงอาร์เรย์แบบพาสซีฟและมีเวลาตอบกลับสั้น ๆ

การควบคุมคุณภาพ

แผง LCD บางตัวมีทรานซิสเตอร์ที่มีข้อบกพร่องซึ่งทำให้เกิดจุดมืดและจุดด่างดำถาวร ซึ่งแตกต่างจาก ICS แผง LCD ยังสามารถแสดงผลได้ตามปกติแม้ว่าจะมีพิกเซลที่ไม่ดี นอกจากนี้ยังสามารถหลีกเลี่ยงการทิ้งแผง LCD ที่มีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่ IC มากเนื่องจากพิกเซลที่ไม่ดี ผู้ผลิตแผงมีมาตรฐานที่แตกต่างกันสำหรับการกำหนดพิกเซลที่ไม่ดี

แผง LCD มีแนวโน้มที่จะมีข้อบกพร่องมากกว่าบอร์ด IC เนื่องจากขนาดที่ใหญ่กว่า ตัวอย่างเช่น A {{0}} นิ้ว SVGA LCD มี 8 พิกเซลที่ไม่ดีในขณะที่ A 6- นิ้วเวเฟอร์มีข้อบกพร่องเพียง 3 ข้อ อย่างไรก็ตามข้อบกพร่อง 3 ข้อเกี่ยวกับเวเฟอร์ที่สามารถแบ่งพาร์ติชันเป็น 137 ICS นั้นไม่ได้แย่มาก แต่การทิ้งแผง LCD หมายถึงเอาต์พุต 0% เนื่องจากการแข่งขันที่ดุเดือดในหมู่ผู้ผลิตจึงมีการเพิ่มมาตรฐานการควบคุมคุณภาพ หากจอแอลซีดีมีพิกเซลที่ไม่ดีสี่ตัวหรือมากกว่านั้นจะตรวจจับได้ง่ายขึ้นดังนั้นลูกค้าสามารถขอเปลี่ยนได้ ตำแหน่งของพิกเซลที่ไม่ดีในแผง LCD ก็ไม่ได้เล็กน้อย ผู้ผลิตมักจะลดมาตรฐานเนื่องจากพิกเซลที่เสียหายอยู่ในใจกลางของจอแสดงผล ผู้ผลิตบางรายให้การรับประกันพิกเซลที่ไม่ดีเป็นศูนย์

การใช้พลังงาน

LCD เมทริกซ์ที่ใช้งานใช้พลังงานน้อยกว่า CRT ในความเป็นจริงพวกเขาได้กลายเป็นจอแสดงผลมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์พกพาจาก PDAs ไปยังแล็ปท็อป แต่เทคโนโลยี LCD ยังคงไม่มีประสิทธิภาพเกินไป: แม้ว่าคุณจะเปลี่ยนหน้าจอสีขาวน้อยกว่า 10% ของแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงพื้นหลังผ่านหน้าจอ ส่วนที่เหลือจะถูกดูดซึม ดังนั้นการแสดงพลาสมาใหม่จึงใช้พลังงานน้อยกว่า LCDS ในพื้นที่เดียวกัน

PDAs เช่น Palm และ CompaqIPAQ มักจะใช้จอแสดงผลแบบสะท้อนแสง ซึ่งหมายความว่าแสงรอบข้างเข้าสู่จอแสดงผลผ่านชั้นคริสตัลเหลวโพลาไรซ์กระทบชั้นสะท้อนแสงจากนั้นสะท้อนกลับออกมาเพื่อแสดงภาพ คาดว่า 84% ของแสงถูกดูดซึมในกระบวนการนี้ดังนั้นมีเพียงหนึ่งในหกของแสงที่ใช้ซึ่งแม้ว่าจะมีที่ว่างสำหรับการปรับปรุงก็เพียงพอที่จะให้ความคมชัดที่จำเป็นสำหรับวิดีโอที่มองเห็นได้ การสะท้อนทางเดียวและจอแสดงผลสะท้อนแสงทำให้สามารถใช้จอแสดงผล LCD ที่มีการใช้พลังงานน้อยที่สุดภายใต้สภาวะแสงที่แตกต่างกัน

จอแสดงผลพลังงานศูนย์

ในปี 2000 มีการพัฒนาจอแสดงผลแบบไม่มีพลังงานซึ่งไม่ได้ใช้ไฟฟ้าเมื่ออยู่ในโหมดสแตนด์บาย แต่เทคโนโลยีนี้ไม่สามารถใช้งานได้ในปัจจุบันสำหรับการผลิตจำนวนมาก Nemoptic บริษัท ฝรั่งเศสได้พัฒนาเทคโนโลยี LCD แบบฟิล์มบาง ๆ ที่ไม่มีพลังงานซึ่งผลิตขึ้นมาเป็นจำนวนมากในไต้หวันในเดือนกรกฎาคม 2546 เทคโนโลยีนี้มีเป้าหมายที่อุปกรณ์มือถือที่มีกำลังต่ำเช่น e-books และคอมพิวเตอร์พกพา แอลซีดีที่ไม่มีพลังงานยังแข่งขันกับกระดาษอิเล็กทรอนิกส์