LCD

תת פיקסל של צג LCD צבעוני

LCD (תצוגת גביש נוזלי, ראשי תיבות באנגלית של Liquid Crystal Display) היא טכנולוגיה לבניית צגים דקים העשויים ממספר מקטעים. בדרך כלל, כל מקטע מהווה מרכיב צבע אחד של פיקסל. יתרונותיו העיקריים, העובי הדק וצריכת אנרגיה נמוכה, הפכו את הטכנולוגיה למתאימה לשימוש במכשירים אלקטרוניים ניידים המופעלים באמצעות סוללה. יתרונות נוספים של איכות תמונה, עובי, משקל וגודל תצוגה, נותנים לטכנולוגיה עדיפות גם לייצור צגי מחשב וטלוויזיות.

כל מקטע (או תת-פיקסל) בצג מורכב מאוסף מולקולות הגביש הנוזלי, הנתונות בין שתי אלקטרודות שקופות, ובין שני מקטבים אשר בדרך כלל מצויים בקיטוב אנכי זה לזה. ללא מולקולת הגביש, אור שיעבור דרך אחד המקטבים, ייחסם על ידי השני. מולקולות הגביש מסתדרות בסיבוב כך, שאור שיעבור דרכם ישנה את קיטובו בהדרגה ויוכל לעבור דרך המקטב השני.

מולקולות הגביש הן בעלות צד חיובי וצד שלילי מבחינה חשמלית. כאשר מופעל שדה חשמלי (על ידי מתח באלקטרודות) יסתובבו המולקולות כתוצאה מהכוח האלקטרוסטטי. שינוי זווית המולקולות יגרום לשינוי קיטוב האור, כך שחלק מהאור ייחסם במקטב. רמת המתח המופעל באלקטרודה שולטת על מידת האור העובר.

היסטוריה

הפיתוח הראשוני היה פתרון של תצוגה מונוכרומטית לאור יום של ספרות, בעיקר עבור שעונים דיגיטליים. התצוגה ניצלה את העובדה שאור שעובר בגבישים מסוימים משנה את מישור הקיטוב שלו לפי המתח המופעל על הגביש, והתפתחה בהדרגה לתצוגה המובילה במערכות דיגיטליות, כמסכי מחשב, טלוויזיה, מצלמות ונגני מוזיקה דיגיטליים. טכנולוגיה זו הומצאה והוצגה לראשונה על ידי חברת שארפ היפנית שהיא גם בעלת הפטנט לייצור בטכנולוגיה זו. הדגמים הראשונים שעשו שימוש בטכנולוגיית LCD היו שעונים דיגיטליים ומחשבונים אלקטרוניים שהוצגו על ידי שארפ ב-1973.

שליטה באלקטרודות

שליטה ישירה

שליטה על ידי מטריצה של פיקסלים מול שליטה ישירה במקטע באמצעות Seven Segment Display

בתצורה הפשוטה ביותר, כל אלקטרודה מחוברת ישירות למעגלי הבקרה. צורה זו מתאימה למחשבונים או שעוני יד דיגיטליים, והיא מבוססת בדרך כלל על רכיב אלקטרוני בשם Seven Segment Display, אשר מסוגל להציג כל סיפרה בין 0-9 (ואת הסמלים ההקסדצימלים A-F) באמצעות הדלקה וכיבוי של 7 מקטעים נפרדים (ראו תמונה משמאל). בצג מחשב או טלוויזיה בהם ישנם יותר ממיליון סגמנטים (תת-פיקסלים) לא סביר לשלוט בכל אחד בנפרד ולכן פותחו שתי שיטות להתגבר על כך: מטריצה פסיבית ומטריצה אקטיבית.

מטריצה פסיבית

מטריצה פסיבית היא מערך פשוט של אלקטרודות שקופות המונחות על לוחות הזכוכית העוטפות את הגבישים הנוזליים במסך - על לוח זכוכית אחד מולבשות אלקטרודות אופקיות (שורות) ועל האחר מולבשות אלקטרודות אנכיות (טורים). שתי האלקטרודות מחוברות למעגל חשמלי משולב. על מנת להאיר פיקסל מסוים במסך נשלח מטען בשורה ובטור המתאים לפיקסל. כאשר המטענים נפגשים באותו פיקסל הגביש משנה את זוויתו ומאיר את הפיקסל. בדרך זו מוארים הפיקסלים המתאימים על המסך ואנו חוזים בתצוגה בשלמותה. בעיות שנוצרות עקב שימוש בשיטה זו היא זמן תגובה נמוך ומתח לא מדויק שנשלח לאלקטרודות. זמן התגובה הנמוך מתבטא ביכולת המסך לרענן את התצוגה. דוגמה קלאסית לכך היא גרירת העכבר לרוחב המסך וצפיה במין "שובל רפאים" שנוצר עקב אי היכולת לרענן את המסך במהירות מספיקה. הבעייתיות במתח מתבטאת בירידה בחדות של המסך, כיוון שמטען המתח שנשלח מסובב את הגביש באותו הפיקסל, המתח מסובב חלקית גם את הגבישים מסביב לאותו הפיקסל, מה שמביא לירידה בחדות ולתמונות מעט מעורפלות.

מטריצה אקטיבית (TFT)

מטריצה אקטיבית (Thin Film Transistors) היא שיטה בה מסודרים במטריצה קבלים וטרנזיסטורים. על מנת להאיר פיקסל, הקבלים באותה השורה מודלקים, ונשלח זרם לאורך הטור המתאים. כל השורות בהן עובר הזרם לא יאירו, חוץ מהפיקסל המיועד כיוון שהקבל של אותו פיקסל יקבל את הזרם וישמור בטרנזיסטור את המטען, עד מחזור הרענון הבא. בינתיים, המטען בטרנזיסטור מסובב את הגביש בהתאם כך שהפיקסל מאיר. ניתן לשלוט בזרם וכך לא לסובב לגמרי את הגביש אלא רק מעט כך שהפיקסל מאיר בחוזק שונה.

כל צגי ה-LCD מסוג TFT מוארים על ידי תאורה אחורית. יוצא דופן מכלל זה, היא קונסולת משחקי הווידאו הניידת של נינטנדו, הגיימבוי (Gameboy Advance וכן Gameboy Color), שהצג שלה, הינו צג ה-LCD הצבעוני מסוג TFT היחיד בעולם שאיננו מואר בכלל, ותלוי בתאורת הסביבה (כמו בשעונים דיגיטליים ומחשבונים) לצורך יצירת האור והצבע. להבדיל ממסכי ה-TFT LCD הצבעוניים הקיימים בשוק, צבע הגוף של צג קונסולת ה-Gameboy הוא אפור או ירקרק ולא שחור, בדומה לזה של שעונים דיגיטליים.

יצירת האור והצבע

האור שעובר דרך הגביש הנוזלי יכול להגיע מהסביבה, כמו בשעונים דיגיטליים, או על ידי תאורה אחורית מיוחדת. השיטה הפופולרית בימינו היא תאורה פלואורסצנטית קרה (CCFL). שיטה נוספת היא שימוש בלדים בשלושה צבעים כך שיתקבל אור רקע לבן. כדי להפוך את האור הלבן לתצוגה צבעונית נדרשים מסנני צבע (color filters). כדי ליצור צג צבעוני נדרשת שליטה לכל פיקסל בשלושה צבעים לפחות. בדרך כלל הפיקסל מחולק לשלושה מקטעים: אדום, כחול וירוק.

מרחב הצבע שניתן ליצור תלוי במידת הרוויה של כל צבע בסיס. במקרים רבים לא מגיעים צגים המבוססים על CCFL ומסנני צבע לכל מרחב הצבע שמסך מסוג שפופרת קרן קתודית (CRT) מסוגל להציג. (הגדרה מקובלת למרחב של CRT הוא sRGB). שימוש בלדים בשלושה צבעים משפר מצב זה ואף מאפשר הצגת מרחב צבע גדול יותר מ CRT רגיל. תאורת LED מסוג זה, עודנה נדירה ביותר, וצגים בעלי תאורה זו נמצאים בעיקר בשימושים מיוחדים בלבד הדורשים איכות צבע גבוהה מאוד.

רוב צגי ה-LCD בעלי תאורת LED הזמינים כיום בשוק, משתמשים במערכי לדים לבנים אשר נמצאים לרוב בפינות המסך, אך לפעמים גם מאחוריו. לצגים אלו יש מרחב צבע וכן ניגודיות נמוכים באופן משמעותי מזה של צגי LCD עם תאורה פלואורסצנטית קתודה קרה (למעט מסכים עם תאורת LED על כל שטח המסך בעלת יכולת של עמעום מקומי במקרה של ניגודיות דינמית), בשל הספקטרום של ה-LED הלבן, שרחב הרבה יותר ומורכב ברובו מכחול וצהוב, ולא מכל שלושת צבעי היסוד כמו במקרה של תאורה פלואורסצנטית קתודה קרה.

לאחרונה הופיעו מסכים בהם נוצר הצבע על ידי ריבוב זמני בין לדים צבעוניים. באופן עבודה זה, כל פיקסל משנה את רמתו שלוש פעמים במהלך מסגרת (FRAME) אחת. בכל פעם, נדלק LED בצבע אחר בהתאמה. מכיוון שקצב שינוי זה מהיר מתגובת העין, מתקבלת תמונה ללא ריצוד.

עוד שיטה להרחבת תחום הצבעים האפשרי הוא שימוש ביותר משלושה צבעי בסיס.

החל משנת 2009, שמה של טכנולוגיית ה-LCD שובש, והמילה "LED" החליפה את המילה "LCD" לתיאור המסך. הדבר נגרם בעקבות קמפיין פרסומי של חברת סמסונג לטלויזיות LCD עם תאורה מסוג זה שנוצר בשנה זו, אשר השתמש במונח "LED TV" לתיאור סוג הטכנולוגיה שבה יוצרת הטלוויזיה החדשה של סמסונג תמונה, במטרה לעשות את הרושם שהטלוויזיות של סמסונג מבוססות על מצג מסוג דיודה פולטת אור (LED Display), כאשר בפועל מדובר בטלוויזיות עם מצג גביש נוזלי ותאורה אחורית מסוג שונה מזו של רוב טלוויזיות ה-LCD שהיו בשוק באותה התקופה.

ההצלחה המסחררת לה זכה הקמפיין הפרסומי המטעה, גרם לשיבוש שמם של מסכי המחשב והטלוויזיות המשתמשים במצג גבוש נוזלי ל-"LED" (ראשי תיבות של Light Emitting Diode [דיודה פולטת אור]), ולדחיקה הצידה של השם הנכון, "LCD" (ראשי תיבות של Liquid Crystal Display [מצג גביש נוזלי]), בתחום המחשבים והאלקטרוניקה הבידורית. זאת למרות שמסכים אלה אינם משתמשים במצג מסוג דיודה פולטת אור (LED Display: טכנולוגיה המשמשת מסכי ענק לצורכי פרסום חוצות), אלא במצג גביש נוזלי, וכן שמצג מסוג זה הוא עדיין הנפוץ ביותר בשימוש במסכי מחשב ובטלוויזיות.

עקב קמפיין מטעה זה, אשר גרם לרוב החברות, המפרסמים, המשווקים, החנויות והציבור להשתמש במילה LED, לתיאור מסך או טלוויזיה שמשתמשים בטכנולוגיית תצוגה או הקרנה שאיננה מבוססת על LED (ובישראל אף כשם גנרי לכל מכשיר טלוויזיה), הגוף המפקח על אמת בפרסום בבריטניה, ה-ASA (ראשי תיבות של Advertising Standards Authority), פסל את הקמפיין של סמסונג בבריטניה עקב הטעיית הציבור ומידע שקרי בפרסום.

מבנה השדה החשמלי

שגיאות פרמטריות בתבנית:להשלים
פרמטרי חובה [ נושא ] חסרים

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

שלוש טכנולוגיות מובילות

שגיאות פרמטריות בתבנית:להשלים
פרמטרי חובה [ נושא ] חסרים

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

• Twisted Nematic - TN
• In Plane Switching - IPS
• Vertical Alignment - VA

בצגי ה-LCD המודרניים, המיועדים הן לתעשיית המחשבים והטלוויזיה והן למצגות גרפיות, משתמשים היצרנים בשלוש שיטות ייצור, כאשר הרכיב העיקרי של הצג הוא הפאנל. לכל טכנולוגיה יתרונות וחסרונות משלה, אולם ישנה תמימות דעים בנוגע לאיכות הפאנל. פאנל ה-TN נחשב לנחות מכולם, בכל הקשור באיכות הצבע, זווית הצפייה ורמת הניגודיות. פאנל זה מתאים לרוב המשתמשים, אך לא כל כך לגרפיקאים, הזקוקים לתמונה מדויקת ולרמת צבע הקרובה ככל האפשר למציאות. שתי הטכנולוגיות האחרות, IPS ו-VA, הן איכותיות ויקרות יותר. הן משמשות בדרך כלל את בתי הדפוס, בתי החולים, הגיימרים המושבעים והגרפיקאים. רמת המחיר של צגי ה-TN נמוכה משמעותית מאלו של צגי ה-IPS וה-VA. בפאנל הTN יש 256 אלף צבעים (6 ביט) אבל בעזרת שיטה הנקראת אינטרפולציה ניתן להגיע להפרדת צבעים גבוהה יותר של 16.2 מיליון צבעים לפחות אבל זה עדיין לא יראה טוב בהשוואה לפאנלים האחרים אשר אצלם יש 16.7 מיליון צבעים אמיתיים. לפאנל ה-TN יש יתרונות על פאנל הVA וה-IPS והם שפאנל הTN צורך פחות חשמל והוא זול יותר אולם הוא לא יציג צבעים מדויקים מספיק מה שאומר שלצבע לבן עלולה להיות נטייה לגוון צהבהב וגם צבעי אדום ואפור לא יראו אמיתיים; בנוסף, לצבע השחור לא יהיה גוון טבעי והוא יראה מואר מעט וזליגות האור יהיו בולטות יותר, וגם זוויות הצפייה שלו צרות למדי ומזווית של 160 מעלות יהיה עיוות לצבעים. בעבר פאנל הTN הציג הכי פחות מריחות בניגוד לפאנלים היקרים יותר. מתאים בעיקר למשתמש הממוצע שגולש הרבה באינטרנט.

פאנל הVA (המגיע גם בשמות PVA,S-PVAו-S-VA) מגיע עם 16.7 מיליון צבעים אמיתיים (8 ביט) ומציג תמונה יותר ניגודית וצבעים טבעיים ומדויקים יותר. מתאים לגרפיקאים ולגיימרים.

פאנל IPS (המכונה גם S-IPS וE-IPS) כמו פאנל הVA מגיע עם 16.7 מיליון צבעים במקור (8 ביט) ומציג את התמונה הכי ניגודית והכי מדויקת. מתאים לגרפיקאים ולגיימרים.

שני הפאנלים (VA,IPS) הם יותר יקרים מפאנל ה-TN מה שאומר שמסך בגודל 20" עם פאנל VA או IPS יהיה יותר יקר ממסך בגודל 23" עם פאנל TN וגם צריכת החשמל של שניהם יותר גבוהה.

ייצור

יצרני ה-LCD

את הפאנלים שמהם מורכבים המסכים הדקים מייצרות מספר מצומצם של חברות, שמוכרות אותם לחברות אחרות המייצרות צגים תחת שם המותג שלהן.

בעקבות ירידת המחירים המתמשכת בשנים האחרונות, צצים בשוק מסכים זולים, הנמכרים כ"מותגי מדבקה" [1] ומיוצרים במפעלים גנריים. מפעלים אלו מייצרים לכל חברה ותחת כל שם מותג שדורש המזמין.

תהליך יצור ובקרת איכות

תהליך הייצור של צג ה-LCD מורכב ממספר שלבים. המסך מורכב משני חלקים עיקריים וכן מחלקים נוספים המתווספים אליהם בסוף התהליך. שני חלקים אלה הינם שני חלקי הזכוכיות העיקריים - TFT ו-CF. שניהם מיוצרים בתהליך מבוסס על פוטוליתוגרפיה. שלבי הייצור העיקריים:

1. ייצור ה-TFT
2. ייצור ה-CF
3. שלב ה-Module

ייצור ה-TFT כאמור מבוסס על פוטוליתוגרפיה. בדרך כלל ייצור ה TFT ב 5 שלבים. כל שלב הינו שלב פוטוליתוגרפי (Deposition → PR Coating → Exposure → PR development → Bake → Strip → Etch):

1. Gate
2. Source Drain (SD)/Active
3. Passivation
4. Contact Hole
5. ITO

פרמטרים חשובים

• רזולוציה
• זמן תגובה
• זווית צפייה
• בהירות
• ניגודיות (קונטרסט)
• שחזור צבע
• פיקסלים לא תקינים

טכנולוגיות תצוגה נוספות

• CRT
• DLP
• צג פלזמה
• OLED
• FED,‏ SED

קישורים חיצוניים

• אלכס גרבוב, תגדיל לי בבקשה בעשרה אינצ'ים? עשור של מסכים באתר HWzone,‏ 21 בספטמבר 2011
• הסבר בעברית על גבישים נוזליים