شما احتمالا از وسایلی که دارای LCD( صفحه نمایش کریستال مایع) باشند همه روزه استفاده می کنید.
آنها اطراف ما هستند در laptop ها ,ساعت های دیجیتالی,اجاق های مایکوویو, cd player ها وبسیاری از وسایل الکترونیکی دیگر. LCD ها به این دلیل رایج هستند که فواید بسیار زیادی نسبت به دیگر تکنولوژی های نمایش دارند.آنها سبکت و نازکتر هستند وانرژی کمتری نسبت به لوله اشعه کاتودی
(CRTs ) مصرف می کند .

وحالا این کریستال های مایع چه هستند؟کلمه کریستال مایع مفهوم متناقضی دارد.ما کریستال را به عنوان ماده جامدی چون کوارتز ومعمولا به سختی سنگ می شناسیم ومایع معنای کملا متفاوتی دارد.چگونه ماده ای می تواند هر دو را داشته باشد؟
در این مقاله میآموزیم که کریستال مایع بر این نیرنگ خارق العاده پیروز می شود و همچنین نگاهی می اندازیم به تکنولوژی زیر بنایی که باعث می شود LCD کار کند.
همچنین می آموزید که چگونه از خصوصیات عجیب کریستال مایع برای ساخت نوع جدیدی از شاترها استفاده شده است واینکه چگونه شبکه از این شاتر های نازک برای ایجاد الگو هایی که نمایانگر اعداد ,کلمات و تصاویر باز و بسته می شوند.

کریستال های مایع

در مدرسه آموختیم که سه حالت ماده وجود دارد:جامد ,مایع یا گاز.شکل جامدات ثابت است زیرا مولکول های آنها موقعیت خود را حفظ می کند و در موقعیت مشابه نسبت به دیگر مولکول ها باقی می ماند.مولکولها در مایعات دقیقا مخالف این هستند :آنها می توانند موقعیت خود را تغییر دهند وبه هر جایی در مایع بروند.ولی بعضی مواد هستند که می توانند با حالت عجیبی رفتار کنند نسبتا مایع وجامد.وقتی آنها در این حالت هستند مولکول های آنها میل دارند تا موقییت خود را حفظ کنند مانند ملکول ها در جامدات اما در عین حال نیز موقعیت خود را عوض می کنند مانند مولکول ها در مایعات.این به آن معناست که کریستال های مایع نه مایع هستند نه جامد.
پس آیا کریستال های مایع مانند جامدات رفتار می کنند یا ایعات یا چیز دیگری؟به نظر می رسد که کریستال های مایع بیشتر به حالت مایعات رفتار می کنند تا جامدات.این مواد گرمای نسبتا خوبی برای تبدیل شدن از حالت جامد به مایع نیاز دارند,وهمچنین کمی گرمای بیشتر برای تبدیل کریستال مایع به مایع واقعی نیاز است. این روند توضیح میدهد که چرا کریستال های مایع به دما بسیار حساس هستند و اینکه چرا از آنها در ساخت گرماسنج و mood ring ها استفاده میشود.همچنین توضیح می دهد که چرا صفحه نمایش laptop به صورت خنده داری در هوای سرد یا در یک روز گرم در کنا ساحل رفتار میکند.

فاز نماتیک(nematic) کریستال های مایع

همانطور که مواد جامد و مایع مختلفی وجود دارند ,مواد مختلفی از کریستال های مایع نیز وجود دارند.بسته به دما و ساختار خاص ماده , کریستال های مایع میتوانند در یکی از فاز های متمایز باشند.در این مقاله ما کریستال های مایع را در فاز نماتیک,کریستال های مایعی که کارکرد LCD ها را ممکن میسازند مورد بحث قرار می دهیم.
یکی از خصوصیات کریستال های مایع این است که آنها تحت تاثیر جریان الکتریسیته قرار می گیرند.نوع خاصی از کریستال های مایع نماتیک که به آن نماتیک های تابیده (TN)میگویند,به طور طبیعی تابیده شده هستند.اعمال جریان الکتریسیته به این نوع از کریستال های مایع باعث باز شدن آنها در درجات مختلفی,بسته به ولتاژ اعمالی میشود .LCDها از این کریستال های مایع استفاده میکنند زیرا آنها به شکل قابل پیش بینی سنبت به جریان الکتریسیته واکنش نشان میدهند که میتوان از آن برای کنترل گذرگاه نور استفاده کرد.

انواع کریستال های مایع
بیشتر مولکول های کریستال های مایع میله ای شکل هستند و به صورت گسترده ای در یکی از دو گروه گرماگرایی(thermotropic) یا lyotropic طبقه بندی می شوند.

ساختار کریستال های مایع

کریستال های مایع گرما گرا به تغییرات دما واکنش نشان می دهند یا در بعضی مواقع به فشار.واکنش کریستال های مایع lyotropic که در ساخت صابون ها و شوینده ها به کار میروند ,بسته به نوع حلالی است که با آنها آمیخته شده است. کریستال های مایع گرماگرا یا ایزوتوپی(isotropic) یا نماتیک(nematic) هستند.تفاوت کلیدی این است که آرایش مولکول ها در کریستال های مایع ایزوتوپی نا منظم است در حالی که مولکول ها در کریستال های مایع نماتیک ترتیب یا الگوی مشخصی دارند.
موقعیت مولکول ها در فاز نماتیک بر اساس هدایت کننده است.هدایت کننده میتواند هر چیزی باشد از میدان مغناطیسی گرفته تا هر سطحی که شیار های میکروسکوپی در خود داشته باشد.در فاز نماتیک نیز کریستال های مایع میوانند بسته به آرایش مولکول ها نسبت به هم طبقه بندی شوند.Smetic رایج ترین آرایش ,لایه هایی از مولکول ها را ایجاد میکند.انواع مختلفی از فاز Smetic وجود دارد مانند Sematic C که در آن مولکول ها در هر لایه در زاویه خاصی نسبت به لایه قبل کج میشوند.فاز رایج دیگر Cholestric است که همچنین به عنوان Chiral nematic نیز شناخته می شوند.در این فاز مولکول ها به آرامی نسبت به لایه قبل می چرخند تا به شکل حلرونی در آیند.
کریستال های مایع فرو الکتریک( ferroelectric liquid crystals) (FLCs) از کریستال های مایعی استفاده میکنند که دارای مولکول های Chiral در آرایش نوع smetic C هستند زیرا طبیت حلزونی( مارپیچی) این مولکول ها اجازه زمان پاسخ میکرو ثانیه ای سوییچینگ را می دهد که FLC ها را برای صفحه نمایش های پیچیده آماده میسازد.
کریستال های مایع فرو الکتریک که سطح آنها پایدار شده است
(Surface-stabilized ferroelectric liquid crystals) (SSFLCs) فشار کنترل شده ای را با استفاده از صفحه شیشه ای اعمال می کنند که باعث می شود تا حالت مارپیچی (حلزونی) مولکول ها فشرده شده و در نتیجه عمل سوییچینگ با سرعت بیشتری انجام گیرد.

ساخت LCD


فاصله بسیار زیادی بین ساخت LCD و ساخت تنها صفحه از کریستال مایع وجود دارد.از ترکیب 4 واقعیت ساخت LCD ممکن میشود:
-نور باید بتواند پولاریزه (قطبی) شود.
- کریستال مایع میتواند نور پلاریزه شده را انتقال وتغییر دهد.
-ساختار کریستال مایع توسط جریان الکتریسیته تغییر میکند.
-مواد شفافی هستند که می توانند الکتریسیته را هدایت کنند.
LCD دستگاهی است که از این 4 اصل به شکل شگفت آوری استفاده می کند.
برای ساخت LCD دو تکه شیشه پلاریزه شده بردارید.پلیمر خاصی که شیار های میکروسکوپی در سطح ایجاد می کند بر روی سطحی از شیشه که با لایه پلاریزه پوشیده نشده است می مالید .شیار ها باید در همان جهتی باشند که لایه پلاریزه است.سپس پوششی از کریستال مایع نماتیک را ه یکی از فیلتر ها بیفزایید.شیارها باعث می شوند تا اولین لایه از ملکول ها با جهت فیلتر ها مطابقت پیدا کند.آنگاه دومین شیشه را با لا یه پلاریزه با جهت راست به اولین قسمت بیفزایید. هر لایه موفقیت آمیز از مولکول های TN تدریجا میچرخد تا اینکه بالاترین لایه نسبت به پایین ترین لایه زاویه 90 درجه داشته باشد , مطابقت یافتن با فیلتر های شیشه ای پلاریزه شده.
هنگامی که نور با فیلتر اول برخورد میکند آن را پلاریزه می کند.مولکول ها در هر لایه آنگاه نوری راکه دریافت کرده اند را به لایه بعدی هدایت می کنند.هنگامی که نور از لایه کریستال مایع عبور می کند مولکول ها نیز سطح ارتغاشی نور را تغییر می دهند تا با زاویه خود مطابق کنند.هنگامی که نور به سطح دیگر ماده کریستال مایع رسید,با زاویه اخرین لایه از مولکول ها ارتعاش می کند.اگر آخرین لایه با فیلتر شیشه ای پلاریزه شده دوم مطابقت داشت آنگاه نور از میان آن می گذرد.
اگر به ملکول های کریستال مایع شارژ الکتریکی وصل کنند ,آنها باز می شوند! هنگامی که این مو لکول ها صاف شدند,زاویه نوری که از میان آنها می گذرد را تغییر می دهند در نتیجه دیگر دیگر با زاویه فیلتر پلورایز کننده مطابقت ندارد.در نتیجه دیگر نوری نمی تواند از آن ناحیه از LCD بگذرد,که این خود باعث می شود این ناحیه نسبت به دیگر نقاط اطراف آن تیره تر باشد.


ساخت LCD خودتان

ساختن LCD ساده تر از چیزی است که فکر می کنید.شما با ساندویچ شیشه و کریستال مایع همان طور که در بالا اشاره شد شروع می کنید و 2 الکترود شفاف به آن می افزایید.برای مثال فرض کنید می خواهید ساده ترین LCD موجود را طراحی کنید با تنها یک الکترود مسطتیلی بر روی آن.لایه ها چنین خواهند بود:


LCD ای که برای این کار مورد نیاز است بسیار ابتدایی است.آن یک آینه(A) در پشت, که باعث میشود LCD منعکس کننده باشد.آنگاه شیشه ای(B) با لایه پلاریزه در یک انتهای آن ویک صفحه الکترودی(C) رایج که از اکسید ایندیوم-قلع در بالا ی آن تشکیل شده است را می افزاییم.

ادامه دارد...