LCD 작동 방식

LCD ( 액정 디스플레이 )가 포함된 품목을 매일 사용합니다. 그들은 우리 주변의 모두 -에서 노트북 컴퓨터 , 디지털 시계 및 시계 , 전자 레인지 , CD 플레이어 및 기타 전자 장치. LCD는 다른 디스플레이 기술에 비해 몇 가지 실질적인 이점을 제공하기 때문에 일반적입니다. 예를 들어, 음극선관 (CRT) 보다 더 얇고 가벼우며 훨씬 적은 전력을 소비 합니다.

그러나 이러한 것을 액정이라고 하는 것은 무엇입니까? "액정"이라는 이름은 모순처럼 들립니다. 우리는 수정을 석영과 같은 고체 물질로 생각하고 일반적으로 암석처럼 단단하며 액체는 분명히 다릅니다. 어떤 재료가 어떻게 두 가지를 결합할 수 있습니까?

우리는 학교에서 물질의 세 가지 일반적인 상태, 즉 고체, 액체 또는 기체가 있다는 것을 배웠습니다. 고체 는 분자가 항상 방향을 유지하고 서로에 대해 같은 위치에 있기 때문에 하는 방식대로 작동합니다. 액체 의 분자 는 정반대입니다. 방향을 바꿀 수 있고 액체의 어느 곳이든 이동할 수 있습니다. 그러나 액체와 고체와 같은 이상한 상태로 존재할 수 있는 물질이 있습니다. 이 상태에 있을 때 분자는 고체의 분자처럼 방향을 유지하는 경향이 있지만 액체의 분자처럼 다른 위치로 이동하기도 합니다. 이것은 액정이 고체도 액체도 아니라는 것을 의미합니다. 그렇게 그들은 겉보기에 상반된 이름을 갖게 되었습니다.

그렇다면 액정은 고체나 액체 또는 다른 것과 같은 역할을 합니까? 액정은 고체보다 액체 상태에 더 가깝다는 것이 밝혀졌습니다. 적합한 물질을 고체에서 액정으로 바꾸는 데는 상당한 양의 열이 필요하며, 동일한 액정을 실제 액체로 바꾸는 데는 열이 조금 더 필요합니다. 이것은 액정이 온도에 매우 민감한 이유 와 온도계 와 무드 링 을 만드는 데 사용되는 이유 를 설명합니다 . 또한 랩톱 컴퓨터 디스플레이가 추운 날씨나 더운 날 해변에서 이상하게 작동 하는 이유도 설명합니다 .

내용물

1. 네마틱상 액정
2. LCD 만들기
3. 백라이트 대 반사
4. 수동 및 능동 매트릭스
5. 컬러 LCD

고체와 액체의 종류가 많은 것처럼 액정 물질의 종류도 다양합니다. 온도와 물질의 특정 특성에 따라 액정은 몇 가지 별개의 상 중 하나에 있을 수 있습니다(아래 참조). 이번 글에서는 LCD를 가능하게 하는 액정인 네마틱상의 액정에 대해 알아보겠습니다 .

액정의 특징 중 하나는 전류의 영향을 받는다는 것 입니다. TN( Twisted nematics )이라고 하는 특정 종류의 네마틱 액정 은 자연스럽게 꼬입니다. 이러한 액정에 전류를 가하면 전류의 전압에 따라 다양한 각도로 액정이 풀립니다. LCD는 빛의 통과 를 제어하는 ​​방식으로 전류에 예측 가능하게 반응하기 때문에 이러한 액정을 사용합니다 .

대부분의 액정 분자는 막대 모양이며 열방성(thermotropic) 또는 유방성(lyotropic) 으로 크게 분류됩니다 .

열방성 액정은 온도 또는 경우에 따라 압력의 변화에 ​​반응합니다. 비누 및 세제 제조에 사용되는 이액성 액정의 반응은 혼합되는 용매의 유형에 따라 다릅니다. 열방성 액정은 등방성 또는 네마틱 입니다. 주요 차이점은 등방성 액정 물질의 분자는 배열이 무작위인 반면, 네마틱은 일정한 순서 또는 패턴을 가지고 있다는 것입니다.

네마 틱상에서 분자의 배향은 기반으로 감독 . 디렉터는 자기장에서 미세한 홈이 있는 표면에 이르기까지 무엇이든 될 수 있습니다. 네마틱 단계에서 액정은 분자가 서로에 대해 배향하는 방식에 따라 더 분류할 수 있습니다. 멕틱 가장 일반적인 배열은, 분자 층을 생성한다. 각 층의 분자가 이전 층에서 비스듬히 기울어지는 smectic C와 같은 smectic 단계의 많은 변형이 있습니다. 또 다른 일반적인 단계는 키랄 네마틱 이라고도 하는 콜레스테릭 단계입니다 . 이 단계에서 분자는 한 층에서 다음 층으로 약간 비틀어 나선형을 형성합니다.

강유전성 액정 (FLC)은 스멕틱 C 유형 배열의 키랄 분자를 갖는 액정 물질을 사용합니다. 그 이유는 이러한 분자의 나선 특성이 마이크로초 스위칭 응답 시간을 허용하여 FLC를 고급 디스플레이에 특히 적합하게 만들기 때문입니다. 표면 안정화 강유전성 액정 (SSFLC)은 유리판을 사용하여 제어된 압력을 적용하여 분자의 나선형을 억제하여 스위칭을 훨씬 더 빠르게 만듭니다.

LCD를 만드는 데는 단순히 액정 시트를 만드는 것 이상의 것이 있습니다. 4가지 사실의 조합으로 LCD가 가능해집니다.

LCD는 이 네 가지 사실을 놀라운 방식으로 사용하는 장치입니다.

LCD를 만들려면 두 개의 편광 유리를 사용 합니다. 표면에 미세한 홈을 만드는 특수 폴리머를 편광 필름이 없는 유리 면에 문지릅니다. 홈은 편광 필름과 같은 방향이어야 합니다. 그런 다음 필터 중 하나에 네마틱 액정 코팅 을 추가 합니다. 홈은 분자의 첫 번째 층이 필터의 방향과 정렬되도록 합니다. 그런 다음 편광 필름이 있는 두 번째 유리 조각을 첫 번째 조각에 직각 으로 추가합니다. TN 분자의 각 연속 층은 맨 위 층이 편광 유리 필터와 일치하여 맨 아래에 90도 각도가 될 때까지 점차적으로 뒤틀릴 것입니다.

빛이 첫 번째 필터에 닿으면 편광됩니다. 그런 다음 각 층의 분자는 받은 빛을 다음 층으로 안내합니다. 빛이 액정층을 통과할 때 분자도 빛의 진동면을 변경하여 자신의 각도에 맞춥니다. 빛이 액정 물질의 반대쪽에 도달하면 최종 분자층과 같은 각도로 진동합니다. 최종 레이어가 두 번째 편광 유리 필터와 일치하면 빛이 통과합니다.

우리는 적용하면 전하 액정 분자가 꼬인 것이 풀리다에 있습니다. 곧게 펴면 통과하는 빛의 각도가 변경되어 더 이상 상단 편광 필터의 각도와 일치하지 않습니다. 결과적으로 LCD의 해당 영역을 통해 빛이 통과할 수 없으므로 해당 영역이 주변 영역보다 어둡게 됩니다.

간단한 LCD를 만드는 것은 생각보다 쉽습니다. 위에서 설명한 유리와 액정의 샌드위치로 시작하여 두 개의 투명 전극을 추가합니다. 예를 들어, 직사각형 전극이 하나만 있는 가장 단순한 LCD를 만들고 싶다고 상상해 보십시오. 레이어는 다음과 같습니다.

이 작업을 수행하는 데 필요한 LCD는 매우 기본적입니다. 뒷면에 거울( A )이 있어 반사됩니다. 그런 다음 바닥면에 편광 필름이 있는 유리( B ) 조각을 추가하고 상단에 인듐-주석 산화물로 만들어진 공통 전극 평면( C )을 추가합니다. 공통 전극면은 LCD의 전체 영역을 덮습니다. 그 위에는 액정 물질( D ) 층이 있습니다. 다음으로 바닥에 직사각형 모양의 전극 이 있는 또 다른 유리 조각( E )이 있고, 위에 첫 번째 편광 필름과 직각으로 또 다른 편광 필름( F )이 있습니다.

전극은 배터리 와 같은 전원에 연결됩니다 . 전류가 없을 때 LCD 전면을 통해 들어오는 빛은 단순히 거울에 부딪히고 곧바로 반사됩니다. 그러나 전지가 전극에 전류를 공급하면 공통평면 전극과 직사각형 모양의 전극 사이에 있는 액정이 풀어져 그 영역의 빛이 통과하는 것을 차단한다. 그러면 LCD에 사각형이 검은색 영역으로 표시됩니다.

우리의 간단한 LCD에는 외부 광원이 필요했습니다 . 액정 물질 은 자체적으로 빛 을 방출하지 않습니다 . 작고 저렴한 LCD는 반사 형인 경우가 많습니다. 즉, 무엇이든 표시하려면 외부 광원의 빛을 반사해야 합니다. LCD 시계를 보십시오. 작은 전극이 액정을 충전하고 층을 풀어서 빛이 편광 필름을 투과하지 않도록 하는 위치에 숫자가 나타납니다.

 

대부분의 컴퓨터 디스플레이는 LCD 위, 옆, 뒤에서 내장형 형광등 으로 켜져 있습니다. LCD 뒤에 있는 흰색 확산 패널은 빛을 고르게 분산시켜 균일한 디스플레이를 보장합니다. 필터, 액정층 및 전극층을 통과하는 과정에서 이 빛의 많은 부분이 손실됩니다. 종종 절반 이상입니다!

이 예에서는 전하에 반응하는 액정을 제어하는 ​​공통 전극 평면과 단일 전극 막대를 사용했습니다. 단일 전극을 포함하는 레이어에 몇 개를 더 추가하면 보다 정교한 디스플레이를 구축할 수 있습니다.

공통 평면 기반 LCD는 동일한 정보를 계속해서 표시해야 하는 단순한 디스플레이에 적합합니다. 시계와 전자레인지 타이머가 이 범주에 속합니다. 앞에서 설명한 육각 막대 모양이 이러한 장치에서 가장 일반적인 형태의 전극 배열이지만 거의 모든 모양이 가능합니다. 저렴한 휴대용 게임을 살펴보십시오. 카드 놀이, 외계인 , 물고기 및 슬롯 머신 은 여러분이 보게 될 전극 모양의 일부일 뿐입니다.

LCD의 역사

오늘날 LCD는 우리가 보는 모든 곳에 있지만 하룻밤 사이에 생겨난 것은 아닙니다. 액정의 발견에서 오늘날 우리가 즐겨 사용하는 다양한 LCD 응용 분야에 이르기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 액정은 1888년 오스트리아 식물학자 프리드리히 라이니처(Friedrich Reinitzer)에 의해 처음 발견되었습니다 . Reinitzer는 흥미로운 콜레스테롤 유사 물질( 콜레스테릴 벤조에이트 ) 을 녹였을 때 처음에는 탁한 액체가 되었다가 온도가 상승함에 따라 맑아 지는 것을 관찰했습니다 . 냉각 시 액체는 최종적으로 결정화되기 전에 파란색으로 변했습니다. RCA 이전 80년1968년에 최초의 실험용 LCD를 만들었습니다. 그 이후로 LCD 제조업체는 기술에 대한 독창적인 변형과 개선을 꾸준히 개발하여 LCD를 놀라운 수준의 기술적 복잡성으로 끌어 올렸습니다. 그리고 우리가 앞으로 계속해서 새로운 LCD 개발을 즐길 것이라는 모든 조짐이 있습니다!

수동 매트릭스 LCD는 단순한 그리드를 사용하여 디스플레이의 특정 픽셀에 전하를 공급합니다. 그리드를 만드는 것은 꽤 과정입니다! 기판 이라고 하는 두 개의 유리 층으로 시작합니다 . 한 기판에는 열이 제공되고 다른 기판에는 투명 전도성 재료로 만들어진 행이 제공됩니다. 이것은 일반적으로 인듐 주석 산화물 입니다. 행 또는 열이 집적 회로에 연결됨특정 열이나 행으로 요금이 전송되는 시기를 제어합니다. 두 개의 유리 기판 사이에 액정 물질을 끼우고 각 기판의 바깥쪽에 편광 필름을 추가합니다. 픽셀을 켜기 위해 집적 회로는 한 기판의 올바른 열 아래로 전하를 보내고 다른 기판의 올바른 행에서 활성화된 접지를 보냅니다. 행과 열 은 지정된 픽셀에서 교차 하며 해당 픽셀에서 액정을 풀기 위한 전압을 전달합니다.

수동 매트릭스 시스템의 단순 아름다운이지만, 중요한 단점, 특히이 느린 응답 시간 과 부정확 한 전압 제어를 . 응답 시간은 표시된 이미지를 새로 고치는 LCD의 기능을 나타냅니다. 수동 매트릭스 LCD에서 느린 응답 시간을 관찰하는 가장 쉬운 방법은 마우스 포인터를 화면의 한 쪽에서 다른 쪽으로 빠르게 이동하는 것 입니다. 포인터 다음에 일련의 "고스트"가 표시됩니다. 부정확한 전압 제어 는 한 번에 하나의 픽셀 에만 영향을 미치는 수동 매트릭스의 능력을 방해합니다 . 한 픽셀을 풀기 위해 전압이 가해지면 주변 픽셀도 부분적으로 풀려 이미지가 흐릿하고 대비가 부족해 보입니다.

능동 매트릭스 LCD는 박막 트랜지스터 (TFT) 에 의존합니다 . 기본적으로 TFT는 작은 스위칭 트랜지스터와 커패시터 입니다. 그들은 유리 기판에 매트릭스로 배열됩니다. 특정 픽셀을 처리하기 위해 적절한 행이 켜진 다음 전하가 올바른 열로 전송됩니다. 열이 교차하는 다른 행은 모두 꺼지므로 지정된 픽셀의 커패시터만 전하를 받습니다. 커패시터는 다음 재생 주기까지 전하를 유지할 수 있습니다. 그리고 수정에 공급되는 전압의 양을 주의 깊게 제어하면 약간의 빛이 통과할 수 있을 정도로만 수정을 풀 수 있습니다.

매우 정확하고 아주 작은 증분으로 이 작업을 수행함으로써 LCD는 그레이 스케일을 생성할 수 있습니다 . 오늘날 대부분의 디스플레이는 픽셀당 256단계의 밝기를 제공합니다.

색상을 표시할 수 있는 LCD에는 각 색상 픽셀을 생성하기 위해 빨강, 녹색 및 파랑 색상 필터 가 있는 3개의 하위 픽셀 이 있어야 합니다 .

인가된 전압의 세심한 제어와 변화를 통해 각 하위 픽셀의 강도는 256 개 이상의 음영 범위를 가질 수 있습니다 . 하위 픽셀을 결합하면 아래와 같이 1680만 색상의 팔레트가 생성됩니다 (256개의 빨간색 음영 x 256개의 녹색 음영 x 256개의 파란색 음영). 이러한 컬러 디스플레이에는 엄청난 수의 트랜지스터가 필요합니다. 예를 들어 일반적인 랩톱 컴퓨터는 최대 1,024x768의 해상도 를 지원합니다 . 1,024개의 열에 768개의 행과 3개의 서브픽셀을 곱하면 유리에 2,359,296개의 트랜지스터가 에칭됩니다! 이러한 트랜지스터에 문제가 있으면 디스플레이에 "불량 픽셀"이 생성됩니다. 대부분의 활성 매트릭스 디스플레이에는 화면 전체에 몇 개의 불량 픽셀이 흩어져 있습니다.

LCD 기술은 끊임없이 발전하고 있습니다. 오늘날 LCD는 STN(Super twisted nematics), DSTN(dual scan twisted nematics), FLC(강유전성 액정) 및 SSFLC(표면 안정화 강유전성 액정)를 비롯한 다양한 액정 기술을 사용합니다.

디스플레이 크기 는 제조업체가 직면한 품질 관리 문제로 인해 제한됩니다. 간단히 말해서 디스플레이 크기를 늘리려면 제조업체는 더 많은 픽셀과 트랜지스터를 추가해야 합니다. 픽셀과 트랜지스터의 수가 증가함에 따라 디스플레이에 불량 트랜지스터가 포함될 가능성도 높아집니다. 기존 대형 LCD 제조업체는 종종 조립 라인에서 나오는 패널의 약 40%를 거부합니다. 좋은 LCD의 판매는 좋은 것과 나쁜 것을 모두 제조하는 비용을 커버해야 하기 때문에 거부 수준은 LCD 가격에 직접적인 영향을 미칩니다. 제조의 발전만이 더 큰 크기의 저렴한 디스플레이로 이어질 수 있습니다.

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