LCD چگونه کار می کند(بخش اول)

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 .

یک صفحه نمایش ساده از یک ماشین حساب

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.

نوار مغناطیسی پشت کارت اعتباری چگونه کار می کند؟

فيوز چيست ؟

دستگاه فتوکپی چگونه کار می کند؟(قسمت سوم)

Fuser

Fuser تماس نهایی را که باعث می شود تا تصویر تونر بر سطح کاغذ دائمی شود را فراهم می آورد. Fuser باید 2 کار را انجام دهد :

- ذوب کردن و فشردن تصویری از تونر بر روی کاغذ
- جلوگیری از تونر ذوب شده و / یا کاغذ از چسبیدن به Fuser

برای انجام این اعمال به لامپ های کوارتزی (quartz tube) و غلتک های پوشیده شده با تفلون(Teflon-coated rollers) نیاز می باشد صفحه کاغذ بین 2 غلتک فرستاده می شود آنگاه غلتک ها به آرامی کاغذ را فشرده کرده تا تونر را به اجزای کاغذ بچسباند در این حین درون غلتک ها لامپ ها روشن هستند که گرمای لازم برای ذوب کردن تونر را فراهم می آورد. چرا تونر بر روی غلتک ها ذوب نمی شود؟ دقیقا به همان شکلی که پوشش نچسب از چسبیدن غذا به ته ظرف شما جلوگیری می کند. تفلون پوشاننده غلتک نیز از چسبیدن کاغذ بر تونر به غلتک ها جلوگیری می کند.

جمع بندی

در دستگاه فتوکپی هدایت نور القاء شده از درام برای ایجاد یک تصویر نهفته به شکل بارهای الکتریکی بر روی سطح درام استفاده می شود این تصویر مرئی شده و به سطح کاغذ با تونر شارژ شده خاص انتقال می یابد در این قسمت نحوه ایجاد یک کپی شرح داده می شود:

1- برای اینکه دستگاه کپی کار خود را به خوبی انجام دهد سطح ماده هادی نور باید در ابتدا با لایه ای از یون های مثبت توسط دسته سیم ها پوشیده شود.

 
قبل از اینکه دکمه Start را فشار دهیم سطح سلنیوم ، ژرمانیوم
 یا سیلیکن حاوی نور درام با بارهای مثبت پوشانده می شود.

2- هنگامی که دکمه Start را فشار می دهید لامپ قوی از سطح دستگاه کپی گذشته و نور را به سطح کاغذی که کپی می کنید می تاباند و درام شروع به چرخیدن می کند هنگامی که نور از سطح سفید کاغذ منعکس می شود آینه ها آنرا به سطح درام هدایت می کنند. همانند یک لباس سیاه در یک روز آفتابی ، نقاط سیاه از کاغذ اصلی نور را جذب می کند و در نتیجه نور به نواحی متناظر بر سطح درام تابانده می شود.

3- در نواحی که نور به درام در حال چرخیدن برخورد می کند انرژی فوتون های نوری باعث جدا شدن الکترونها از اتم های هادی نور می شود

4- بارهای مخالف یکدیگر را جذب می کنند – یون های شارژ شده با بار مثبت که لایه هادی نور را پوشانده اند الکترون های آزاد را جذب می کنند از به هم پیوستن یک یون و یک الکترون یک ذره خنثی ایجاد می شود. ذرات باردار تنها در نواحی که نور به درام برخورد نکرده است باقی می ماند چون به این نواحی نور از کاغذ اصلی تابانیده نشده است – نواحی تاریک از متن و تصاویر صفحه اصلی گرفته شده اند.

این قسمت از فرایند تا اندازه ای مشابه نحوه عکس برداری با دوربین است. شما می دانید که هنگامی که فیلم دوربین عکاسی در معرض نور قرار گیرد انرژی فوتون ها باعث یک واکنش شیمیایی در دانه های نقره ای از جنس هالید(silver halide grains) که سطح فیلم را پوشانده اند می شود. این باعث ایجاد تصویری نگاتیوی (negative image) از چیزی که شما درون صفحه نمایش می بینید می شود. با دستگاه فتوکپی شما در نهایت به تصویر واقعی که از الگوی بارهای مثبت باقیمانده از نور تابانیده شده می رسید در دوربین عکاسی شما مجبورید فیلم را با استفاده از فرایندهای شیمیایی خاص تبدیل کنید و آنرا بر روی کاغذ فتوگرافیک حساس به نور چاپ نمایید ، اما دستگاه فتوکپی تصویری قابل رویت تنها با جوهر خشک ، گرما و کاغذ معمولی ایجاد می کنید.

5- ولتاژ به هسته آلومینیومی درام اعمال می شود از آنجایی که نور باعث رسانا شدن سلنیوم می گردد ، در حین اینکه نور به درام تابانده می شود ، جریان می تواند از لایه هادی نور بگذرد و الکترون های آزاد شده از اتم ها سریعا با الکترونهایی که جریانی را در درام ایجاد کرده اند جایگزین می شوند.

6- نواحی از درام که در معرض نور قرار گرفته اند چرخیده و از غلتک های حاوی مهره های تونر می گذرند ذرات ریز تونر بر سطح درام فشرده می شوند. ذرات پلاستیکی تونر دارای بار منفی هستند و به سطوحی از درام که دارای بار مثبت هستند جذب می شوند.

7- دسته های سیم از سطح کاغذ عبور کرده در نتیجه سطح کاغذ با الکتریسیته شارژ می شود.

8- سطحی از درام که به تازگی با تونر پوشانیده شده است چرخیده و با سطح کاغذ که با بار مثبت شارژ  شده است تماس حاصل می نماید. سطوح الکتریکی پوشاننده سطح کاغذ نیروی کشش قوی تری نسبت به دانه های پوشاننده سطح درام دارند و در نتیجه ذرات تونر در حین گذر درام به سطح کاغذ می چسبند.

9- هنگامی که تمام کاغذ اصلی با استفاده از تونر بر سطح کاغذ ایجاد شد. کاغذ به سمت Fuser پیشروی میکند. جاذبه ضعیف بین ذرات تونر و سطح صفحه کاغذ به سادگی قابل شکسته شدن است برای ثابت کردن تصویر تونر در جای خود بر سطح کاغذ تمام صفحه کاغذ به درون غلتک های دمایی Fuser ارسال می شود. گرما مواد پلاستیکی را در تونر ذوب کرده و رنگینه ها را با کاغذ ترکیب می کند.

وقتی شما به این مرحله می رسید و کپی خود را در مخزن دارید دستگاه کپی برای روند بعدی آماده شده است یعنی سطح درام تمیز شده است و یون های مثبتی آنرا پوشانده اند.

پایان

دستگاه فتوکپی چگونه کار می کند؟(قسمت دوم)