54. טכנולוגיות תצוגה, חלק ב: LCD

הטכנולוגיה הנפוצה ביותר לתצוגת מידע דיגיטלי כיום, הן בהקרנה והן בצגים מבוססת על ראשי התיבות LCD: Liquid Crystal Display ובעברית: תצוגה מבוססת גביש נוזלי. ראשי התיבות הללו שגורים בפי כל כיום אולם דומה כי לא רבים אכן מבינים במה בדיוק המדובר וכיצד אפשרי בכלל גביש נוזלי, שהרי גביש הוא מוצק ונוזל הוא נוזל…

לפני שניגש לבדוק מהו LCD חשוב להבין שכמו לגבי כל טכנולוגיה מבוססת גם לטכנולוגיית LCD יש כבר יורשת שתחליף אותה, סביר להניח בשנים הקרובות. את הטכנולוגיה זו, הנקראת OLED, אסקור בפוסט מס׳ 56.

ואם חשבתם ש-LCD הינה טכנולוגיה חדשה אז טעיתם!

Friedrich Reinitzer, בוטניקאי וכימאי אוסטרי גילה את תכונותיו היחודיות של הגביש הנוזלי כבר בשנת 1888. לצורך הבנת ההתנהגות היחודית של חומר זה שיתף Reinitzer פעולה עם הפיסיקאי הגרמני Otto Lehmann לו היתה גישה למיקרוסקופ שנחשב משוכלל באותה התקופה. היה זה  Lehmann שטבע את המונח ״גביש נוזלי״ לאחר שצפה בחומר המוזר שגילה Reinitzer ואף גילה את ההסבר המדעי לתופעה. הוא היה מועמד לפרס נובל בפיסיקה אולם לא זכה בפרס.

הגביש הנוזלי לא זכה לענין רב מאז  מאחר ולא היה ברור לאילו שימושים יתאים.  מספר מדענים המשיכו לחקור את התופעה לאורך השנים מאז גילוייה ובשנת 1936 רשמה חברת הרדיו Marconi פטנט על שימוש בגביש הנוזלי כשסתום המסוגל להעביר או לחסום אור.

בשנות ה-60 של המאה העשרים נחקר הנושא במעבדות RCA בארה״ב שכבר בשנת 1958 הדגימו את הישום הראשון לשימוש בגביש נוזלי לצורך תצוגת מידע.

בשנת 1970 רשמה החברה השוויצרית Hoffmann LaRoche פטנט על Twisted Nematic Field Effect, התופעה שמאפשרת שימוש בגביש נוזלי לצורך תצוגת מידע כיום.

רק בשנת 1971 הודגם לראשונה אב טיפוס של צג מחשב מבוסס גביש נוזלי. בשנת 2007 עברו לראשונה המכירות של טלוויזיות מבוססות LCD את המכירות של טלוויזיות מבוססות CRT, הטכנולוגיה הוותיקה שקדמה ל- LCD. השימוש בצגי LCD לצרכים מקצועיים בצילום נתקל בתחילה בהתנגדות עזה, כמו כל טכנולוגיה חדשה. כיום, גם אם תתאמצו לא תוכלו לרכוש צגי  CRT חדשים מאחר ואלו כבר אינם מיוצרים מספר שנים ואילו טכנולוגיית ה-LCD הביאה את אפשרויות התצוגה של מידע דיגיטלי לרמות חדשות הן מבחינת האיכות (ראו סקירה של גורמי איכות לתצוגה בפוסט מס׳ 53) והן מבחינת המחיר.

אז מה זה גביש נוזלי? אלו הם חומרים כמעט שקופים שהם פולימרים, כלומר מורכבים משרשראות ארוכות של מולקולות גדולות שלהן תכונות של נוזל ושל מוצק כאחד:

אור העובר דרך גביש נוזלי עוקב אחר סידור המולקולות המרכיבות את הגביש (תכונה של חומר מוצק).

טעינת גביש נוזלי בחשמל משנה את כיוון המולקולות ובהתאם לכך את התנהגותו של אור העובר דרך הגביש הנוזלי (תכונה של נוזל).

המולקולות בגביש נוזלי הן פולימרים: שרשראות ארוכות של אטומים, שקצה אחד שלהן טעון במטען חשמלי חיובי והשני במטען שלילי.

כאשר מניחים למולקולות אלו, הן מסתדרות כך שהשדות החשמליים יבטלו זה את זה והאנרגיה הכוללת של המערך תשאף למינימום.

התוצאה היא מבנה מסודר בו כל המולקולות שוכבות במקביל כמו גפרורים בקופסא.

מולקולות של גביש נוזלי נראות כך:

בניגוד ל- CRT, היוצרת דמות ע"י פליטת אור, טכנולוגיית ה- LCD יוצרת דמות ע"י    העברה של אור ממקור קיים. זהו אחד החסרונות העיקריים של טכנולוגיה זו, בעיקר בכל הנוגע לישומה בהתקנים ניידים מאחר וצריכת החשמל של מקור האור גבוהה יחסית.

התצוגה מתאפשרת ע"י העברה של כמויות משתנות של אור (ממקור אור לבן בעצמה קבועה) דרך הגביש המשמש כמסנן פעיל (משתנה).

הצגת דמות צבעונית מושגת ע"י העברת האור דרך מסנני RGB פשוטים.

כלומר, הגביש הנוזלי משמש כשסתום או ברז הנפתח ונסגר ומעביר או חוסם אור.

כאמור לעיל, הגביש הנוזלי מורכב ממולקולות ארוכות בצורת מוט, המסודרות במצבן הטבעי כאשר הן כמעט מקבילות זו לזו.

ניתן לגרום למולקולות להיות מקבילות לחלוטין ע”י מגע עם משטח דק המחורץ בחריצים מיקרוסקופיים מקבילים: מולקולות הגביש הנוזלי מסתדרות עפ"י כיוון החריצים.

כאשר משתמשים בשני משטחים בעלי חריצים בכיוונים ניצבים זה לזה וביניהם שכבת גביש נוזלי, נוצרת במרכז ה"סנדוויץ'" שכבה של מולקולות המסובבות ב-  90 מעלות.

במצב זה עובר אור דרך הגביש.

כאשר מפעילים מתח חשמלי על הגביש סיבוב המולקולות מתבטל והאור נחסם. באמצעות מתח משתנה ניתן לשלוט במידת ההעברה ולהשיג בהירויות שונות.

על מנת לשפר את הביצועים מנצלים תכונה אופטית נוספת:

גביש נוזלי מעביר אור המקוטב בכיוון ציר האורך של המולקולות בלבד. לכן משתמשים במסננים מקטבים, העשויים מלוחות מחורצים: מציבים מסננים מקטבים בניצב זה לזה משני צידי צג ה- LCD. ע"י כך, הפעלת השדה החשמלי "מכבה" את ה- LCD והופכת אותו משקוף לאטום.

צג LCD מורכב ממספר גדול של תאים המכילים גביש נוזלי וטרנזיסטור המשמש כמתג לזרם החשמלי המוזרם אל התא. צג ה- LCD האיכותי ביותר כיום נקרא  TFT-LCD
(Thin Film Transistor). בצג זה כל פיקסל נשלט ע"י טרנזיסטור זעיר שקוף, המשמש כמתג למתח המועבר דרך הגביש, לכל פיקסל בנפרד. הגביש משמש למעשה כ”ברז אופטי": העברת מתח בתא הגביש הנוזלי גורמת לכך שסיבוב המולקולות בהתאם לחריצי המקטב נפסק ולכן מעבר האור נחסם. כמות האור שתעבור תלויה בעצמת המתח החשמלי שיופעל על התא: מתח גבוה יגרום לחסימה כמעט מלאה של האור ואילו מתח נמוך יגרום לחסימה חלקית. כך ניתן לשלוט בכמות האור באמצעות עצמת המתח החשמלי:

צבע נוצר ע״י כך שמעל כל תא מונח מסנן צבעוני בצבעים אדום, כחול וירוק כך שלמעשה כל שלושה תאים (ומעליהם המסננים RGB) מהווים פיקסל אחד:

המערך הכולל נראה כך:

אם נסתכל על צג LCD מקרוב נראה את התמונה הבאה:

בצגים איכותיים מוסיפים מסנן צהוב על מנת לשפר את איכות הצבע:

 קיימים כיום שלושה סוגים עיקריים של צגי LCD:

1. S-IPS:  Super In Plane Switching  סוג זה נחשב לאיכותי ביותר מבחינת איכות                הדמות, דיוק הצבע וזווית הצפייה, אבל הינו גם היקר ביותר. מתאים לשימוש מקצועי בתחומי הגרפיקה והצילום.

2. PVA/MVA: Patterned Vertical Alignment, Multi Vertical Alignment: סוג זה
נחשב כטוב יותר מבחינת איכות הדמות לעומת TN (אולם נחות מה- S-IPS) אך זמני התגובה שלו ארוכים יותר. יחס הקונטרסט טוב יותר מ- S-IPS . מתאים לשימוש מקצועי.

3. TN: Twisted Nematic  סוג זה הינו הנפוץ, הזול והמהיר ביותר אולם הנחות ביותר מבחינת דיוק הצבע, זווית הצפייה ויחס הקונטרסט. מתאים לשימוש ביתי ומשרדי רגיל.

דיון מפורט (מאד) בסוגי הפנלים השונים תוכלו למצוא כאן.

מקורות תאורה לצגי LCD: עד לפני מספר שנים מקור התאורה המקובל בצגי LCD היו שפופרות פלורסנטיות דקות. למקור אור זה איכות ספקטרלית שאינה אופטימלית (ראו פוסט מס׳ 49) וכן צריכת חשמל גבוהה יחסית. עקב כך, הוחלפו השפופרות הפלורסנטיות במקור אור LED (גם כאן, ראו פוסט מס׳ 49) שצורך פחות חשמל והאיכות הספקטרלית שלו דומה לאור יום. זה המקור לכינוי הלא מדוייק ״מסכי LED": הצג הוא עדיין מבוסס LCD אולם מקור התאורה הוא LED. ולכן מדוייק יותר לומר: צג LCD או טלוויזיה LCD עם תאורת LED ולא צג LED.

החלפת מקור התאורה  מ-CCFL ל-LED גם אפשרה לייצר צגים דקים יותר.

למעלה: עקומה ספקטרלית של מקור אור LED. למטה: עקומה ספקטרלית של מקור אור CCFL (שפופרת פלורסנטית).

לפניכם מספר תקלות המופיעות לעיתים בצגי  LCD: בכל המקרים הפתרון היחידי הוא החלפת הפנל (מערך תאי הגביש הנוזלי) מאחר והפנל אטום ולא ניתן לתקנו:

בפוסט הבא אסקור את ישום טכנולוגיית LCD להקרנה ואשווה אותה לטכנולגיית הקרנה נוספת, המתחרה איתה, DLP.