فناوری LCD (ال سی دی) چیست؟

احتمالاً اکنون که این متن را می‌خوانید، چند صفحه LCD در اطراف شما وجود دارد! از تلویزیون و لپ‌تاپ گرفته تا ساعت هوشمند و موبایل، این فناوری به بخشی نامرئی اما حیاتی از زندگی ما تبدیل شده است؛ ولی آیا می‌دانید LCD یا همان نمایشگر کریستال مایع چگونه ظهور کرد؟ چرا با وجود فناوری‌های جدیدی مثل OLED، هنوز هم در بسیاری از دستگاه‌ها از همین فناوری نسبتاً قدیمی استفاده می‌شود؟ در ادامه همراه ما باشید تا با ورود به دنیای کریستال‌های مایع، پاسخ سوالات خود را پیدا کنید.

LCD چیست و چگونه دنیای نمایشگرها را تغییر داد؟

LCD یا نمایشگر کریستال مایع، فناوری است که برای نمایش تصویر از ترکیب مواد آلی و نور استفاده می‌کند. کریستال‌های مایع موادی هستند که خاصیت مایع و جامد را به‌طور همزمان دارند! این مواد تحت تاثیر جریان الکتریکی، چیدمان مولکولی خود را تغییر می‌دهند و میزان عبور نور را تنظیم می‌کنند.

تفاوت اصلی LCD با نمایشگرهای قدیمی مثل CRT، در نازکی و مصرف انرژی پایین‌تر آن‌ها است. همین ویژگی باعث شد تا صنعت نمایشگرهای دیجیتال در ابتدای قرن بیستم و یکم میلادی به‌سرعت به‌سمت فناوری LCD حرکت کند. امروزه، این فناوری در تولید تلویزیون‌، مانیتورهای حرفه‌ای و حتی نمایشگرهای پزشکی نقش کلیدی دارد.

یکی از نقاط قوت LCD، امکان تولید صفحات بزرگ با وضوح بالا است. مثلاً ساخت تلویزیون‌های ۸۵ اینچی با رزولوشن 4K فقط به‌لطف پیشرفت در فناوری LCD ممکن شد. از طرفی، این نمایشگرها به‌دلیل منتشر نکردن امواج مضر، برای حفظ سلامت بینایی بهتر هستند.

البته LCD هم محدودیت‌های خود را دارد. وابستگی کریستال‌های مایع به نور پس‌زمینه باعث می‌شود LCD در نمایش رنگ مشکلی عمیق با مشکل مواجه شود. این مسئله در مقایسه با فناوری‌هایی مانند OLED که نور هر پیکسل مستقل است، بیشتر به چشم می‌آید.

تاریخچه فناوری LCD از آزمایشگاه تا خانه‌ها

سال ۱۹۶۸ است. جورج هالمیر و تیمش در آزمایشگاه RCA در حال آزمایش مواد عجیبی به نام «کریستال مایع» هستند. آن‌ها نمی‌دانند این آزمایش‌ها قرار است روزی دنیا را تغییر دهد. اولین نمایشگر LCD ساخته می‌شود؛ ولی حتی نمی‌تواند یک فیلم کارتونی ساده نمایش دهد! این صفحه‌نمایش اولیه فقط قادر بود اعداد را به‌شکل مات و با سرعت پایین نمایش دهد. بااین‌حال، همین اختراع ساده شروعی بود برای انقلاب نمایشگرهای دیجیتال.

دهه ۱۹۷۰، دوره طلایی LCD بود. اگر قدیمی‌تر باشید، حتماً ساعت‌های دیجیتال قرمز رنگ Casio را به یاد دارید. این ساعت‌ها اولین محصولات مصرفی بودند که از فناوری TN-LCD استفاده می‌کردند. جالب است بدانید قیمت اولین ساعت LCD در سال ۱۹۷۲ حدود ۳۰۰ دلار بود؛ یعنی معادل حقوق ماهانه یک کارگر در آن زمان! ولی همین وسیله لوکس، راه را برای ورود LCD به زندگی روزمره باز کرد.

دیگر پیشرفت بزرگ فناوری ال سی دی در دهه ۱۹۹۰ اتفاق افتاد. شرکت شارپ در سال ۱۹۹۱ اولین تلویزیون LCD 8 اینچی را معرفی کرد. مشکل اصلی قیمت بسیار بالای آن بود که فقط ثروتمندان توانایی خرید آن را داشتند.

قرن بیست و یکم فناوری LED را به اوج خود رساند. سال ۲۰۰۷ دو رویداد مهم همزمان شدند: آیفون با صفحه لمسی LCD خود انقلابی در موبایل‌ها ایجاد کرد، و ال‌جی اولین تلویزیون LCD Full HD را عرضه کرد. با چنین پیشرفت‌هایی دیگر LCD نه یک فناوری آزمایشگاهی که بخشی از زندگی روزمره مردم بود.

کریستال‌های مایع چطور تصویر می‌سازند؟

ساختار اصلی LCD از لایه‌های متعددی تشکیل شده است. دو لایه شیشه‌ای، لایه کریستال مایع و یک منبع نور پس‌زمینه مهم‌ترین بخش‌های این ساختار هستند. وقتی جریان الکتریکی به کریستال‌ها می‌رسد، ساختار مولکول‌ها و در نتیجه میزان عبور نور تغییر می‌کند.

نور پس‌زمینه از فیلترهای رنگی قرمز، سبز و آبی عبور می‌کند. ترکیب این رنگ‌ها در پیکسل‌های مجاور، میلیون‌ها رنگ مختلف می‌سازند. سرعت تغییر حالت کریستال‌ها آنقدر بالاست که چشم انسان تصاویر را به صورت پیوسته می‌بیند. مثلاً کریستال‌های یک نمایشگر 60 هرتزی، 60 بار در ثانیه تغییر می‌کنند!

یکی از چالش‌های مهندسی در فناوری LCD، کنترل نور پس‌زمینه است. در مدل‌های پیشرفته، از تکنولوژی Local Dimming استفاده می‌شود که نور مناطق تاریک تصویر را کاهش می‌دهد. این فناوری کنتراست را بهتر می‌کند، ولی هزینه تولید را هم افزایش می‌دهد.

توجه کنید که کریستال‌های مایع به خودی خود نور تولید نمی‌کنند. به‌همین‌دلیل، کیفیت نور پس‌زمینه تاثیر مستقیمی بر وضوح رنگ‌ها دارد. در نمایشگرهای پیشرفته از سیستم‌های نورپردازی Full-Array LED با صدها دیود مجزا استفاده می‌شود تا یکنواختی نور تضمین شود.

نقاط قوت و معایب فناوری LCD

مانند هر فناوری دیگری، LCD در کنار نقاط قوت، معایبی هم دارد. مهم‌ترین مزیت این فناوری مصرف انرژی پایین است. یک تلویزیون ال سی دی 55 اینچی حدود ۱۰۰ وات برق مصرف می‌کند، درحالی‌که مدل‌های پلاسما با همان اندازه تا ۵۰۰ وات انرژی نیاز دارند.

ازسوی‌دیگر، طول عمر بالای نمایشگرهای LCD آن‌ها را به گزینه‌ای ایدئال برای استفاده در تابلوهای تبلیغاتی و سیستم‌های نظارتی تبدیل کرده است.

همان‌طور که گفتیم، LCDها معایبی هم دارند. مشکل تاخیر در پاسخگویی (Response Time) در مدل‌های ارزان‌قیمت ممکن است باعث ایجاد سایه در تصاویر شود. این مشکل برای گیمرها یا در تماشای مسابقات ورزشی آزاردهنده است. البته که فناوری‌هایی مثل Overdrive تا حدی این مشکل را حل کرده‌اند؛ اما هنوز به پای فناوری OLED نمی‌رسند.

کاربردهای فناوری LCD در زندگی روزمره

قبلاً به این موضوع اشاره کردیم که فناوری LCD در بخش قابل‌توجهی از فعالیت‌های روزمره ما حضور دارد. مثلاً در صنعت پزشکی، LCDها نقش مهمی ایفا می‌کنند. در ساخت نمایشگر دستگاه‌های سونوگرافی، مانیتورهای علائم حیاتی و حتی تجهیزات جراحی رباتیک از نمایشگرهای LCD استفاده می‌شود.

صنعت خودروسازی هم به شدت به فناوری LCD وابسته است. ال‌سی‌دی‌های کوچک خودروهای مدرن اطلاعاتی مثل سرعت، مصرف سوخت و مسیریابی را نشان می‌دهند.

در فضای عمومی هم فناوری LCD در تابلوهای اطلاعاتی فرودگاه‌ها، ایستگاه‌های مترو و مراکز خرید حضور دارد. مقاومت این نمایشگرها در برابر نور مستقیم خورشید و تغییرات دما، آن‌ها را برای استفاده در محیط‌های بیرونی ایدئال می‌کند.

LCD در مقابل LED و OLED؛ کدام یک بهتر است؟

ابتدا به این نکته توجه کنید که LED در واقع نوعی LCD است! تفاوت اصلی این دو در منبع نور پس‌زمینه است. LCDهای معمولی از لامپ‌های CCFL استفاده می‌کنند، درحالی‌که LEDها از دیودهای نوری برای نورپردازی بهره می‌برند. این تغییر باعث کاهش ضخامت و بهبود کنتراست می‌شود.

در سمت دیگر داستان فناوری کاملاً متفاوت OLED قرار دارد. در این فناوری، هر پیکسل به‌طور مستقل نور تولید می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود رنگ مشکی عمیق‌تر و مصرف انرژی کمتر شود. در ضمن نمایشگرهای OLED انعطاف‌پذیر هستند و در طراحی نمایشگرهای منحنی نیز کاربرد دارند.

مصرف انرژی نمایشگرهای OLED بسته به محتوای نمایشی تغییر می‌کند. در تصاویر تاریک، انرژی کمتری مصرف می‌شود، درحالی‌که LCDها همیشه نور پس‌زمینه را روشن نگه می‌دارند. مشکل اصلی نمایشگرهای OLED سوختن پیکسل است که در صورت نمایش طولانی‌مدت تصاویر ثابت ایجاد می‌شود.

آیا جایگزینی برای فناوری LCD در راه است؟

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری OLED و MicroLED، کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند LCD تا سال‌ها در بازار حضور داشته باشد. توسعه‌دهندگان LCD با معرفی فناوری‌هایی مثل Mini-LED و Quantum Dot، سعی در کاهش فاصله کیفیتی با OLEDها دارند.

Mini-LEDها با استفاده از هزاران دیود نوری کوچک، کنترل دقیق‌تری روی نور پس‌زمینه دارند. این فناوری کنتراست ال‌سی‌دی را افزایش می‌دهد و قیمت آن هم نسبت به OLED مقرون‌به‌صرفه‌تر است.

بااین‌حال چالش اصلی LCD در رقابت با فناوری‌های جدید، کاهش هزینه‌های تولید است. بسیاری معتقدند فناوری LCD در نهایت به بازار محصولات میان‌رده و اقتصادی محدود خواهند شد؛ اما با توجه به حجم بالای تولید و زیرساخت‌های موجود، این روند ممکن است دهه‌ها طول بکشد.

تاثیر LCD بر محیط‌زیست: دوست یا دشمن طبیعت؟

تولید LCDها اگرچه نسبت به فناوری‌های قدیمی مانند CRT سبزتر است؛ ولی چالش‌های محیط زیستی خاص خود را دارد. ساخت لایه‌های شیشه‌ای و استفاده از مواد شیمیایی مانند ایندیم در فرایند تولید، نیازمند استخراج منابع معدنی است. این فعالیت‌ها گاهی منجر به تخریب اکوسیستم‌های محلی می‌شود.

از طرفی، مصرف انرژی پایین LCDها در طول عمر مفیدشان به کاهش انتشار کربن کمک می‌کند. مسئله بازیافت نمایشگرهای LCD نیز همیشه مطرح بوده است. مواد سمی مانند جیوه در لامپ‌های CCFL قدیمی وجود دارد که در صورت دفع ناصحیح، خاک و آب‌های زیرزمینی را آلوده می‌کنند. خوشبختانه در مدل‌های جدید LED، این خطر تا حد زیادی رفع شده است.

LDC چطور ساخته می‌شود؟ از شن تا صفحه نمایشگر

فرایند ساخت LCD با تبدیل شن به شیشه آغاز می‌شود. سیلیس موجود در شن پس از ذوب در دمای ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد، به ورقه‌های شیشه‌ای فوق‌نازک تبدیل می‌شود. این ورقه‌ها بادقت برش می‌خورند تا پایه نمایشگرها ساخته شود.

در مرحله بعد، لایه‌ای از اکسید ایندیم قلع (ITO) روی شیشه رسوب می‌دهند. این لایه شفاف وظیفه انتقال جریان الکتریکی به کریستال‌های مایع را برعهده دارد. برای دقت بیشتر از فناوری فوتولیتوگرافی استفاده می‌شود که مشابه روش ساخت پردازنده‌های کامپیوتری است.

سپس، لایه کریستال مایع بین دو صفحه شیشه‌ای تزریق می‌شود. این مرحله در محیط خلاء انجام می‌گیرد تا از تشکیل حباب هوا جلوگیری شود. هر نمایشگر بالغ بر ۲ میلیون پیکسل دارد که هرکدام باید به‌طور مجزا کنترل شوند. این فرایند نیازمند بسیار بالا و استفاده از تجهیزات رباتیک است.

نمایشگرهای ال‌سی‌دی تحت تست‌های سختگیرانه‌ای قرار می‌گیرند. آزمایشاتی مانند قرارگیری در دمای سرد و گرم، بررسی مقاومت در برابر رطوبت و تست ضربه از جمله این مراحل هستند. تنها نمایشگرهایی که تمام استانداردها را داشته باشند به خط مونتاژ محصولات نهایی می‌روند.

سخن پایانی

فناوری LCD نماد پیشرفت تدریجی،  اما پیوسته فناوری است. از روزی که تنها قادر به نمایش چند رقم ساده بود تا امروز که تصاویر 8K را با دقت رنگ خیره‌کننده نشان می‌دهد، این فناوری مسیر طولانی و پرچالشی را طی کرده است. شاید در آینده فناوری‌های جدیدتری ظهور کنند؛ اما تأثیر LCD بر صنعت الکترونیک و زندگی روزمره ما برای همیشه در تاریخ ثبت خواهد شد.