จอแสดงผล LCD ทำงานอย่างไร?

ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคสมัยใหม่จอ LCDเทคโนโลยียังคงเป็นหนึ่งในโซลูชั่นจอแสดงผลแบบแบนที่เติบโตเต็มที่ คุ้มค่า และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด หลังจากการอัพเกรดซ้ำๆ มานานหลายทศวรรษ ตั้งแต่อุปกรณ์ควบคุมทางอุตสาหกรรม เครื่องมือวัดยานยนต์ และเครื่องใช้ในครัวเรือน ไปจนถึงอาคารผู้โดยสารเชิงพาณิชย์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ผลิตภัณฑ์ LCD ครอบคลุมสถานการณ์ทางอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานต่ำและช่องแสดงผลเชิงพาณิชย์ที่มีความละเอียดสูง

LCD เป็นเทคโนโลยีการแสดงผลแบบปรับแสงแบบพาสซีฟโดยใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคคริสตัลเหลว คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของจอแสดงผล LCD คือวัสดุคริสตัลเหลวไม่สามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้ รูปภาพบนหน้าจอ ข้อความ และการเปลี่ยนแปลงสีทั้งหมดเกิดขึ้นได้โดยการปรับการส่งผ่านของแสงพื้นหลังภายนอก ผ่านการจัดเรียงตามลำดับการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลผลึกเหลวภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า โหมดควบคุมแสงแบบพาสซีฟนี้จะกำหนดการสิ้นเปลืองพลังงานต่ำ ความเสถียรสูง และอายุการใช้งานที่ยาวนานของจอ LCD และยังสร้างความแตกต่างพื้นฐานระหว่างจอ LCD และเทคโนโลยีจอแสดงผลแบบเรืองแสงในตัวเอง

โครงสร้างส่วนประกอบหลักของระบบจอแสดงผล LCD มาตรฐาน

ระบบการทำงานที่สมบูรณ์ของจอแสดงผล LCD ประกอบด้วยชิ้นส่วนโครงสร้างออปติคัลหลายชั้นและส่วนประกอบการขับขี่แบบอิเล็กทรอนิกส์ จากล่างขึ้นบน ส่วนใหญ่ประกอบด้วยยูนิตแบ็คไลท์ โพลาไรเซอร์ส่วนล่าง พื้นผิวแก้วที่มีอิเล็กโทรด ITO ชั้นคริสตัลเหลว ชั้นฟิลเตอร์สี (จอ LCD สีเท่านั้น) โพลาไรเซอร์ด้านบน และแผ่นฝาครอบป้องกัน

หน่วยแบ็คไลท์

เนื่องจากเป็นอุปกรณ์แสดงผลแบบพาสซีฟจอ LCDขึ้นอยู่กับหน่วยแบ็คไลท์โดยสิ้นเชิงเพื่อให้แหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้เสถียรและสม่ำเสมอ หน่วยแบ็คไลท์ตั้งอยู่ที่ด้านล่างของโครงสร้างการแสดงผลทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง แผ่นนำแสง แผ่นกระจายแสง ฟิล์มสะท้อนแสง และฟิล์มเพิ่มความสว่าง ผลิตภัณฑ์ LCD ในยุคแรกๆ ใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์แคโทดเย็น CCFL เป็นแหล่งกำเนิดแสง ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ LCD กระแสหลักสมัยใหม่ใช้โซลูชันแบ็คไลท์ LED ซึ่งมีข้อดีคือ ใช้พลังงานน้อยลง ปริมาณน้อยลง อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และความสม่ำเสมอในการส่องสว่างที่สูงขึ้น

ชุดประกอบโพลาไรเซอร์

โพลาไรเซอร์เป็นส่วนประกอบทางแสงที่สำคัญที่ควบคุมการส่งผ่านแสง และแบ่งออกเป็นโพลาไรเซอร์ด้านล่างและโพลาไรเซอร์ด้านบน ซึ่งติดอยู่กับพื้นผิวด้านนอกของซับสเตรตกระจกด้านล่างและด้านบนตามลำดับ แสงธรรมชาติเป็นแสงที่ไม่มีโพลาไรซ์ที่มีการสั่นหลายทิศทาง โพลาไรเซอร์ด้านล่างสามารถกรองแสงสั่นสะเทือนที่ผิดปกติทั้งหมด และเก็บเฉพาะแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นในทิศทางเดียว ทำให้แสงตกกระทบที่ได้มาตรฐานสำหรับชั้นคริสตัลเหลว

แกนแสงของโพลาไรเซอร์ด้านบนและด้านล่างถูกตั้งค่าไว้ในสถานะแนวตั้งแบบไขว้ในสถานะเริ่มต้น ซึ่งเป็นโครงสร้างออปติคัลหลักสำหรับการควบคุมสวิตช์ไฟ

ชั้นเซลล์คริสตัลเหลว

ชั้นเซลล์คริสตัลเหลวเป็นชั้นการทำงานหลักของจอแสดงผล LCD ซึ่งเกิดขึ้นจากการปิดผนึกวัสดุคริสตัลเหลวระหว่างสองชั้นของพื้นผิวกระจกโปร่งใสบางเฉียบ ด้านในของพื้นผิวกระจกทั้งสองถูกชุบด้วยอิเล็กโทรดนำไฟฟ้า ITO โปร่งใสและฟิล์มปรับตำแหน่ง ฟิล์มจัดเรียงตำแหน่งสามารถจำกัดทิศทางการจัดเรียงเริ่มต้นของโมเลกุลคริสตัลเหลว ทำให้โมเลกุลคริสตัลเหลวมีการจัดเรียงแบบบิดสม่ำเสมอในสถานะไร้แรงดันไฟฟ้า ทั่วไปโครงสร้างผลึกเหลว TN (Twisted Nematic)ที่นำมาใช้โดยผลิตภัณฑ์ LCD กระแสหลักสามารถสร้างโครงสร้างบิด 90 องศาของโมเลกุลคริสตัลเหลวระหว่างพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง ซึ่งเป็นโครงสร้างการสลับแสงแบบคลาสสิกของจอ LCD แบบดั้งเดิม

ส่วนประกอบการขับขี่และการควบคุม

การปรับการจัดเรียงที่แม่นยำของโมเลกุลคริสตัลเหลวไม่สามารถแยกออกจากการขับเคลื่อนที่แม่นยำของวงจรมืออาชีพ ซึ่งเป็นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลักของโมดูล LCM. ระบบขับเคลื่อนประกอบด้วย IC ขับเคลื่อน วงจรควบคุมไทม์มิ่ง วงจรสแกนแถวและคอลัมน์ และวงจรประมวลผลสัญญาณ หน่วยพิกเซลแต่ละหน่วยของแผง LCD สอดคล้องกับวงจรควบคุมอิสระ ด้วยการสแกนแถวและคอลัมน์ ระบบจะป้อนสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปยังแต่ละพิกเซลแบบเรียลไทม์ ทำให้มีการควบคุมความสว่างที่เป็นอิสระของแต่ละพิกเซล

กลไกการทำงานที่สมบูรณ์ของจอแสดงผล LCD

ขั้นตอนการทำงานของจอ LCDคือวงจรต่อเนื่องของการสร้างแสง โพลาไรเซชัน การปรับสนามไฟฟ้า การคัดกรองการส่งผ่านแสง และการฟื้นฟูภาพ กระบวนการทั้งหมดขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงโฟโตอิเล็กทริกทางกายภาพโดยสมบูรณ์ โดยไม่มีปฏิกิริยาทางเคมี ดังนั้นกระบวนการแสดงผลจึงมีเสถียรภาพและการทำซ้ำสูง ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์เชิงลึกทีละขั้นตอนของหลักการทำงานของจอแสดงผล LCD ร่วมกับคุณลักษณะทางแสงและทางไฟฟ้า

เอาต์พุตแหล่งกำเนิดแสงและการประมวลผลโพลาไรซ์

ประการแรก แหล่งกำเนิดแสง LED ของชุดแบ็คไลท์จะปล่อยแสงที่มองเห็นได้กระจายสม่ำเสมอ หลังจากถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและสะท้อนกลับด้วยแผ่นนำแสงและแผ่นกระจายแสง แหล่งกำเนิดแสงบนพื้นผิวที่มั่นคงจะถูกสร้างขึ้นและทำหน้าที่บนโพลาไรเซอร์ด้านล่าง โพลาไรเซอร์ด้านล่างจะกรองแสงธรรมชาติที่ไม่มีโพลาไรซ์และแปลงเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นในทิศทางเดียว ในเวลานี้ แสงมีทิศทางการสั่นสะเทือนเดียว ซึ่งวางรากฐานสำหรับการปรับผลึกเหลวในภายหลัง

สถานะไร้แรงดันไฟฟ้า: การส่งผ่านแสงและการสร้างพิกเซลที่สว่าง

เมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนถูกจ่ายให้กับอิเล็กโทรด ITO ของหน่วยพิกเซลบางตัว โมเลกุลคริสตัลเหลวในเซลล์คริสตัลเหลวจะรักษาการจัดเรียงบิด 90 องศาเริ่มต้นภายใต้ข้อจำกัดของฟิล์มการจัดตำแหน่ง เมื่อแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นผ่านชั้นผลึกเหลวที่บิดเบี้ยว ทิศทางโพลาไรเซชันของแสงจะหมุน 90 องศาพร้อมกันกับการจัดเรียงโมเลกุล หลังจากการหมุน ทิศทางโพลาไรเซชันของแสงจะสอดคล้องกับแกนแสงของโพลาไรเซอร์ด้านบนอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นแสงจึงสามารถทะลุผ่านโพลาไรเซอร์ด้านบนและแผ่นป้องกันได้อย่างราบรื่น และในที่สุดก็แสดงสถานะที่สว่างบนหน้าจอ

สถานะที่ใช้แรงดันไฟฟ้า: การปิดกั้นแสงและการสร้างพิกเซลสีเข้ม

เมื่อระบบป้อนแรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนเฉพาะให้กับอิเล็กโทรดพิกเซล สนามไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นระหว่างพื้นผิวกระจกด้านบนและด้านล่าง เมื่อขับเคลื่อนด้วยแรงสนามไฟฟ้า โมเลกุลผลึกเหลวที่บิดเบี้ยวจะค่อยๆ เบี่ยงเบนและจัดเรียงในแนวตั้งตามทิศทางของสนามไฟฟ้า ในเวลานี้ โครงสร้างบิดเบี้ยวของชั้นคริสตัลเหลวหายไป และโมเลกุลคริสตัลเหลวสูญเสียความสามารถในการหมุนทิศทางโพลาไรเซชันของแสง แสงโพลาไรซ์เชิงเส้นที่ส่องผ่านชั้นคริสตัลเหลวจะคงทิศทางการสั่นสะเทือนเดิม ซึ่งตั้งฉากกับแกนลำแสงของโพลาไรเซอร์ด้านบนอย่างสมบูรณ์ แสงถูกบังไว้อย่างสมบูรณ์และไม่สามารถทะลุผ่านได้ และพิกเซลจะแสดงสถานะเป็นสีดำล้วน