آناتومی گجت: مانیتور و هرآنچه درباره آن بدانید

مطلب حاضر درباره‌ی قطعه‌ای الکترونیکی است که اکنون شما به آن نگاه می‌کنید. قطعه‌ای که شاید روی میز، روی دیوار، چسبیده به کیبورد یا در دستان شما قرار داشته باشد. مانیتور یا نمایشگر از میلیون‌ها قطعه تشکیل می‌شود؛ اما ما به‌عنوان کاربران نهایی تنها به یکی از آن‌ها نگاه می‌کنیم. قطعه‌ای که برخی اوقات رنگ سیاه به خود می‌گیرد و برخی اوقات، ترکیبی از هزاران یا میلیون‌ها رنگ را نمایش می‌دهد. نمایشگرها برخلاف قطعات دیگر کامپیوتر مانند پردازنده‌ی مرکزی و گرافیکی، توجه زیادی را ازسوی کاربران و حتی رسانه‌های سخت‌افزاری دریافت نمی‌کنند؛ اما اهمیت بسیار بالایی در دنیای پردازش دارند.

تقریبا تمامی دستگاه‌های پردازشی برای کارکرد نهایی خود به مانیتور نیاز دارند. درنتیجه قطعا باید شاهد ساختاری پیچیده و حرفه‌ای در داخل آن‌ها باشیم. برای درک این ساختار پیچیده، راهی به جز کالبدشکافی نمایشگر نداریم. با زومیت همراه باشید تا یکی دیگر از تجهیزات مهم و حیاتی دنیای کامپیوتر شخصی را با هم بررسی کنیم.

تصویری با هزاران معنی

نمایی بصری از خروجی سیستم پردازشی، المانی حیاتی برای کل ساختار پردازش محسوب می‌شود. ما امروز در محاصره‌ی همین خروجی‌ها قرار داریم. نمایشگرهایی که به کامپیوتر رومیزی، لپ‌تاپ، تبلت و گوشی‌های هوشمند متصل هستند، ما را احاطه کرده‌اند. در دنیای امروز، تلویزیون‌ها هم حتی حکم کامپیوتر دارند و خروجی پردازشی را به ما نشان می‌دهند. مرسوم‌ترین فناوری که در تمامی این دستگاه‌ها استفاده می‌شود، نمایشگر کریستال مایع (Liquid Crystal Display) یا همان LCD است. تقریبا تمامی مانیتورهای کامپیوتر شخصی، یک LCD دارند.

مانیتوری که در این مطلب بررسی شده است، Hewlett Packard LA2306x است که در سال ۲۰۱۲ به بازار عرضه شد. نمایشگر مذکور در زمان خود یکی از محصولات رده‌بالای اداری بود؛ اما کاربرد گیمینگ زیادی نداشت. در مانیتور حاضر مانند تمامی نمایشگرها، شاهد سطرها و ستون‌هایی از نقطه‌های رنگی هستیم که به پیکسل شناخته می‌شوند. این نقطه‌ها چندین بار در ثانیه تغییر رنگ می‌دهند و ترکیب آن‌ها، خروجی روان تصویر را از کامپیوتر به‌‌همراه دارد.

تعریف دقیق‌تر نمایشگر کامپیوتری، دسته‌بندی آن‌ها را به‌‌صورت twisted nematic, thin film transistor, liquid crystal display یا TN TFT-LCD تفسیر می‌کند. البته نگران این نام‌گذاری‌ها و پیچیدگی‌های مرتبط نباشید. تنها اطلاعاتی که فعلا نیاز داریم این است که با مانیتور ۲۳ اینچی (ابعاد قطری از گوشه تا گوشی) روبه‌رو هستیم که پیکسل‌ها با ۱۹۲۰ ستون و ۱۰۸۰ سطر در آن قرار گرفته‌اند (که به‌عنوان رزولوشن مانیتور شناخته می‌شوند). این نوع از نمایشگر به منبع نوری نیاز دارد تا پیکسل‌ها را قابل دیدن بکند. نمایشگر مورد آزمایش، از ردیف LED سفید در پایین یونیت بهره می‌برد.

پنل‌های TFT LCD به‌قدری پرکاربرد هستند که تولید‌کننده‌ها در سرتاسر جهان (اغلب در چین و تایوان فعال هستند) روزانه هزاران قطعه از آن‌ها را تولید می‌کنند. این نمایشگرها در سه دسته‌ی اصلی TN و IPS و VA یا Twisted nematic و In-plane swithcing و Vertical alignment قرار می‌گیرند. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به مقاله مقایسه‌ی پنل‌های TN، VA و IPS مراجعه کنید. مانیتور مورد بررسی از پنل TN استفاده می‌کند که به‌خاطر ارزان بودن، در بسیاری از محصولات بازار دیده می‌شود.

مانیتور HP حاضر در این مقاله ضخامتی کمتر از ۵۰ میلی‌متر دارد. البته قطعا مانیتورهای امروزی با ضخامت بسیار پایین‌تر در بازار وجود دارند. در نگاهی به پنل پشتی و پس از بازکردن پایه، مجموعه‌ای از برچسب‌ها را در محصول HP می‌بینیم که نشان‌دهنده‌ی هماهنگی آن با استانداردهای صنعتی الکترونیکی و زیست‌محیطی هستند. نکته‌ی مهم اینکه سوراخ‌های اتصال در پشت مانیتور، فاصله‌ی ۱۰۰ میلی‌متری دارند تا با استاندارد انجمن VESA برای اتصال به پایه‌ها یا صفحه‌های دیواری طراحی شده‌اند.

سوراخ‌های جریان هوایی که در پنل پشتی می‌بینید، جزو استاندارد صنعتی هستند. مانیتورها توان مصرفی بالایی ندارند (حداکثر ۴۲ وات)؛ اما گرم شدن حدودی آن‌ها هم می‌تواند خطرهایی جدی برای پنل LCD ایجاد کند. در سمت چپ پنل پشتی، ورودی منبع تغذیه‌ی AC دیده می‌شود و ورودی‌های تصویر نیز در سمت راست قرار دارند.

مانیتور مورد بررسی از سه نوع اتصال و روش‌های سیگنال‌دهی تصویری پشتیبانی می‌کند. از سمت چپ به راست، پورت‌های DisplayPort v1.2 و DVI-D dual link و VGA را مشاهده می‌کنید. سوکت USB در سمت راست نیز برای انتقال تصویر ویدیویی نیست. این سوکت برای اتصال دو پورت جانبی USB استفاده می‌شود که در مانیتور قرار دارند.

چه تفاوتی بین سه درگاه ورودی مانیتور وجود دارد؟

ورودی VGA را می‌توان ورودی کاملا آنالوگ دانست. به بیان دیگر، اطلاعات درباره‌ی رنگ هریک از پیکسل‌ها، ازطریق پنج ولتاژ مجزا برای نمایش به نمایشگر ارسال می‌شود. درنتیجه اطلاعات ازلحاظ سرعت ممکن برای تغییر کردن و دقت، محدود خواهند بود. درنهایت، مجموع تعداد پیکسل‌هایی که رنگ‌آمیزی می‌شوند و فرکانس به‌روزرسانی نمایشگر هم تفاوت پیدا می‌کند.

ورودی‌های دیگر مانیتور یعنی DisplayPort و DVI-D کاملا دیجیتال هستند. درنتیجه از پیکسل‌های بیشتری پشتیبانی می‌کنند و اطلاعات آن‌ها هم با فرکانس بالاتری به‌روزرسانی می‌شود. به‌خاطر استفاده از سیگنال دیجیتال، داده‌ها امکان فشرده شدن هم دارند و می‌توان داده‌های بیشتری را در زمان مشخص ارسال کرد. همچنین در ساختار دیجیتال امکان رمزنگاری داده‌ها برای امنیت بیشتر هم فراهم می‌شود. از مزیت‌های دیگر ساختار دیجیتال می‌توان به امکان استفاده از فرمت‌های رنگی بیشتر اشاره کرد. 

استفاد از پورت‌های گوناگون در مانیتوری که در مطلب حاضر بررسی می‌شود، در عمل تفاوت چندانی ایجاد نمی‌کند. درواقع فرکانس به‌روزرسانی تصویر و تعداد پیکسل‌ها کاملا در محدوده‌ی پشتیبانی هر سه اتصال قرار دارد. ازطرفی محصول HP کمی هم با محصولات هم‌رده تفاوت دارد. اغلب مانیتورها در آن زمان پورت HDMI را هم به کاربر ارائه می‌کردند. درواقع پورت‌های HDMI و دیسپلی‌پورت دیگر به استانداردی در نمایشگرهای کامپیوتر شخصی تبدیل شده بودند.

آیا تفاوتی بین دیسپلی پورت و HDMI وجود دارد؟ قطعا بله؛ اما اغلب کاربران تفاوت چندانی بین آن‌ها احساس نمی‌کنند. جدیدترین نسخه از استاندارد دیسپلی‌پورت (DisplayPort 2.0) اکنون توسعه یافته است؛ اما هیج کارت گرافیکی هنوز از آن پشتیبانی نمی‌کند و اغلب محصولات، محدود به نسخه‌ی 1.4a هستند. آخرین نسخه‌ی دیسپلی‌پورت در مقایسه با آخرین نسخه‌ی HDMI یعنی 2.0b، از رزولوشن بالاتر و فرکانس به‌روزرسانی سریع‌تر و کیفیت رنگ بهتر بهره می‌برد. البته منظور برتری، در رزولوشن‌های بسیار حرفه‌ای همچون 8K دیده می‌شود. درنتیجه اغلب کاربران درک یا کاربردی از آن نخواهند داشت.

قدرت و کنترل کامل

اکنون نوبت آن رسیده است تا نگاهی به داخل مانیتور داشته باشیم و به‌معنای واقعی آناتومی گجت را بررسی کنیم. برای رسیدن به تصویر پایین، به‌جز بازکردن پنل مانیتور باید لایه‌های محافظتی متعددی هم برداشته می‌شدند.

پنل LCD روی همه‌ی قطعات قرار دارد. برای مشاهده‌ی قطعات الکترونیکی دیگر باید ابتدا آن را بردارید. برد مداری که در سمت راست مشاهده می‌کنید، ورودی اصلی برق را دریافت کرده و آن را به بازه‌ای از ولتاژهای پایین جریان مستقیم تبدیل می‌کند. کابلی که در سمت راست قرار دارد، وظیفه‌ی تأمین برق نمایشگر را برعهده می‌گیرد و کابل‌های کوچک‌تر، کاربرد کنترل عملکرد با دکمه‌های روی پنل را دارند.

با نگاهی عمیق‌تر به برد مداری موجود در مانیتور، متوجه شباهت آن با بردهای موجود در منبع تغذیه می‌شویم. البته همان‌طور که می‌دانیم این برد هم عملکرد مشابهی دارد. برد اضافه‌ای که در بالای تصویر فوق می‌بینید، وظیفه‌ی تأمین نیرو و کنترل قطعات الکترونیکی نمایشگر را برعهده دارد.

بیایید نگاهی عمیق‌تر به این بخش از آناتومی مانیتور داشته باشیم.

در تصویر برد مداری اصلی، اتصال‌های ورودی تصویر را در بالا می‌بینیم و ورودی‌های نیرو و کنترل در سمت راست قرار دارند. خروجی که به پنل LCD متصل می‌شود هم در پایین برد قرار دارد. در سمت چپ هم بخش اتصال به پورت‌های USB اضافه را مشاهده می‌کنید.

تراشه‌ی بزرگی که در وسط برد بالا قرار دارد، به‌نام درایور MStar Semiconductor مخصوص نمایشگر LCD شناخته می‌شود. تراشه‌ی مذکور، خروجی سیگنال تصویری را از کامپیوتر می‌گیرد و مدیریت زمان و چگونگی فعال کردن همه‌ی پیکسل‌های موجود در پنل را برعهده دارد. هر مانیتوری یکی از این تراشه‌ها دارد که در برخی نمونه‌ها پیچیده‌تر است.

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های عملکردی تراشه‌ی اصلی مانیتور به‌نان pixel clock شناخته می‌شود. به بیان ساده، کلاک پیکسل مشخص می‌کند که در هر ثانیه، چه تعداد پیکسل مدیریت و تنظیم شوند. در مانیتور موجود، کلاک پیکسل برابر با ۱۶۵ مگاهرتز برای ورودی دیجیتال و ۲۰۰ مگاهرتز برای سیگنال آنالوگ گزارش می‌شود. همان‌طور که گفته شد، پنل مانیتور رزولوشن 1920x1080 دارد یعنی ۲،۰۷۳،۳۰۰ پیکسل در آن دیده می‌شود. با سرعت کلاک ۱۶۵ مگاهرتز، پیکسل‌ها حداکثر در هر ثانیه حداکثر ۷۹/۶ مرتبه به‌روزرسانی می‌شوند.

اکثر مانیتورها برای حفاظت از تراشه‌ی اصلی و پایین نگه داشتن سطح گرما، در سرعت کلاک پایین‌تر از حداکثر عمل می‌کنند. مانیتور HP مورد آزمایش، به‌صورت معمول فرکانس ۱۲۴ مگاهرتز دارد. نمایشگرهایی که پیکسل‌های بیشتری دارند، به سرعت‌های بیشتر هم نیاز پیدا می‌کنند. به‌عنوان مثال در مانیتور 4K بزرگ، کلاک پیکسل به ۵۰۰ مگاهرتز یا حتی بیشتر می‌رسد.

اکنون که با مفهوم کلی کلاک پیکسل آشنا شدید، بهتر است مفهومی به‌نام نرخ نوسازی یا refresh rate را هم توضیح دهیم. پیش از اینکه پنل‌های LCD به استاندارد دنیای نمایشگرها تبدیل شوند، CRT یا لامپ پرتوی کاتدی در نمایشگرها استفاده می‌شد. این لامپ‌ها پرتو الکترونی را به لایه‌ای از ماده می‌تابانند که در زمان برخورد پرتو، روشن می‌شود.

اکثر لامپ‌های CRT، اشعه را از بالا و سمت چپ نمایشگر شروع می‌کنند. سپس مسیر سطری طی شده و با زاویه‌ی کوچک، برگشت داده می‌شود. درنهایت الگویی موسوم به raster scan طی می‌شود. به محض اینکه الگوی حرکتی به پایان می‌رسد، اشعه غیرفعال می‌شود و مجددا به نقطه‌ی شروع باز می‌گردد. مسیر بازگشتی به‌نام vertical retrace یا refresh شناخته شده و در بازه‌‌ی زمانی بازگشت، تصویر نمایشگر محو می‌شد. کاربر مانیتور، لرزش کوتاه را حس می‌کرد چون بسیاری از نوسازی‌های عمودی در عرض یک ثانیه رخ می‌داد.

پنل‌های LCD عملکردی کاملا متفاوت نسبت به مانیتورهای قدیمی CRT دارند و طبق تعریف و ساختار بالا محو نمی‌شوند. البته فرایند شکل‌دهی به تصویر در آن‌ها روندی مشابه را تکرار می‌کند. قطعا چشمک زدن پنل LCD به‌اندازه‌ی مانیتور CRT قابل احساس نیست؛ اما افزایش فرکانس، همیشه به بهبود تجربه‌ی کاربر می‌‌انجامد.

به‌خاطر اهمیت نرخ نوسازی در تجربه‌ی کاربر، مشخصات همه‌ی نمایشگرها شامل بخشی به‌نام نرخ نوسازی عمودی می‌شود که اغلب آن را با عبارت ساده‌تر نرخ نوسازی یا refresh rate مخصوص هر رزولوشن می‌بینیم. هرچه تعداد پیکسل‌ها کمتر باشد، پنل برای نوسازی تصویر به زمان کمتری نیاز پیدا می‌کند. به همین دلیل، در مانتیورهایی با رزولوشن پایین‌تر، نسبت به رزولوشن‌های عظیم همچون 4K، نرخ نوسازی بالاتری را مشاهده می‌کنیم.

در اغلب موارد، نرخ نوسازی برای رزولوشن به‌صورت ثابت دیده می‌شود؛ اما بسیاری از مانیتورهای جدید، نرخ نوسازی متغیر (VRR) دارند. در این محصولات، تراشه‌ی درایور نمایشگر به‌کمک کمی حافظه‌ی DRAM، براساس خروجی کارت گرافیک، نرخ نوسازی را تنظیم می‌کند و تغییر می‌دهد. فناوری مذکور باید در هر دو بخش نمایشگر و پردازنده‌ی گرافیکی پشتیبانی شود. دو غول اصلی دنیای گرافیک یعنی انویدیا و AMD، فناوری‌های اختصاصی را برای نرخ نوسازی متغیر عرضه کرده‌اند: G-Sync و FreeSync.

چرا به هماهنگی کارت گرافیک و مانیتور نیاز داریم؟ اگر زمانی‌که کارت گرافیک تصاویر جدید را ارسال می‌کند، مانیتور مشغول رندر کردن تصویری دیگر باشد، شاهد پاره شدن (Tearing) تصویر خواهیم بود که به‌هیچ‌وجه جلوه‌ی زیبایی ندارد. با هماهنگ شدن نرخ نوسازی تصویر بین نمایشگر و کارت گرافیک، چنین رخدادی پیش نمی‌آید و مانیتور همیشه تصویر جدید دریافت می‌کند. تنها نقطه‌ی ضعف VRR این است که احتمالا از زمان رندر شدن تصویر تا نمایش روی نمایشگر با کمی تأخیر روبه‌رو خواهیم شد. به‌همین دلیل VRR تنها برای بازه‌ی کوچکی از نرخ‌های نوسازی اجرا می‌شود.

نکته‌ی قابل‌توج در VRR اینکه انویدیا برای فناوری G-Sync از کاربران می‌خواهد که تنها از پورت‌های دیسپلی‌پورت برای تقریبا تمامی مانیتورها استفاده کنند. البته استثناءهایی جزئی هم دیده می‌شود. درمقابل، فناوری FreeSync کمی بازتر به‌نظر می‌رسد و برای بسیاری از مانیتورها، هر دو پورت HDMI و DisplayPort را پشتیبانی می‌کند.

اکنون و پس از آشنایی کلی با فرایندهای نوسازی، نگاه به آناتومی مانیتور را ادامه می‌دهیم. صفحه‌ی LCD که در تصویر پایین می‌بینید، درواقع پنل نمایشگر لپ‌تاپ است؛ اما تفاوت زیادی با پنل‌های موجود در نمایشگرهای مرسوم ندارد. تنها تفاوت آن‌ها را می‌توان در محل قرارگیری بخش‌های الکترونیکی مشاهده کرد. در تصویر زیر، نمایش جلو و پشت پنل را مشاهده می‌کنید.

^{نمای جلو پنل LCD}

^{نمای پشت پنل LCD}

با دقت به پشت پنل LCD متوجه می‌شویم که این پنل در شرکت سامسونگ ساخته شده است. مشخصات جزئی هم نشان می‌دهد که با پنل TFT روبه‌رو هستیم و در زیر فیلم محافظ نیز تراشه‌ی درایور نمایشگر دیده می‌شود. پنل مورد بررسی معیوب است و کالبدشکافی عمیق‌تر آن اشمالی ایجاد نمی‌کند. در تصویر زیر، پس از برداشتن فیلم محافظ تراشه، جزئیات برد را بهتر مشاهده می‌کنید.

با نگاه عمیق‌تر به برد و تراشه، برند آن یعنی WiseView را مشاهده می‌کنیم؛ البته همان‌طور که گفته شد، پنل و تراشه‌های آن در سامسونگ ساخته می‌شوند. در تصویر بالا، به‌جز ورودی سیگنال که پنل را به لپ‌تاپ متصل می‌کند (در سمت راست درایور)، سیم‌های متعددی هم وجود دارند که تراشه را به نمایشگر وصل می‌کنند. در سمت چپ و پایین تراشه، سوکت فلزی را مشاهده می‌کنیم که برای انتقل قدرت به برد الکترونیکی استفاده می‌شود.

تابش نور به پنل نمایشگر

پنل لپ‌تاپی که برای مطالعه‌ی بخش دوم بررسی می‌شود، عمری نزدیک به مانیتور HP مورد مطالعه دارد. البته بخش‌هایی در طراحی آن دیده می‌شوند که عمر بالاتر را نشان می‌دهند. در این پنل به‌جای استفاده از دیودهای LED برای ایجاد نور پس‌زمینه، از لامپ فلورسنت پرتوی کاتدی (CCFL) استفاده می‌شود که در پایین پنل قرار دارد.

برای بررسی عمیق‌تر لامپ کاتدی، باید آن را از بخش پایین پنل جدا کنیم. این لامپ‌‌ها هزینه‌ی تولید پایین‌تری نسبت به LED دارند؛ اما بازدهی آن‌ها نیز پایین‌تر است. نوری که با لامپ‌های کاتدی تابانده می‌شود هم به اندازه‌ی LEDها کیفیت ندارد.

اشعه‌های نور خورشید، کل طیف رنگی را پوشش می‌دهند. با وجود اینکه همه‌ی نورها به یک اندازه پوشش داده نمی‌شوند؛ اما به‌هرحال همگی در میان نور تابیده‌شده از خورشید وجود دارند و نور موسوم به «نور سفید» را ایجاد می‌کنند. لامپ فلورسنت با وجود ظاهر مشابه با نور خورشید، برخی از رنگ‌ها را بسیار قوی‌تر ایجاد می‌کند و سایر آن‌ها در سطوحی ضعیف‌تر تولید می‌شوند. اگر بخواهیم تصویر موجود در مانیتور تا حد امکان طبیعی به‌نظر برسد، باید ضعیف بودن برخی از پرتوهای نوری را در نظر بگیریم و تصویر نمایش داده شده را تنظیم کنیم.

اگر در پنل‌های نمایشگر از LED برای تاباندن نور اصلی استفاده کنیم، مشکل تنظیم کردن نورها از بین می‌رود. لامپ‌های LED توانایی تولید پرتوهای نوری را دارند که شباهت و نزدیکی زیادی به نور خورشید خواهند داشت. شرکت‌هایی همچون توشیبا، سرمایه‌گذاری‌های عظیمی انجام داده‌اند تا لامپ‌های LED را با نزدیک‌ترین مشخصات به نور خورشید تولید کنند؛ اما هنوز تا عرضه‌ی عمومی و تجاری آن‌ها فاصله‌ی زیادی در پیش داریم.

منبع نوری مانیتور، روشنایی کلی پنل نمایشگر را هم تنظیم می‌کند که اغلب با واحدی به‌نام نیت اندازه‌‌گیری می‌شود. البته در استاندارد اندازه‌گیری SI از واحدی موسوم به cd/m2 استفاده می‌شود؛ اما هر دو واحد، مقداری برابر دارند یعنی هر یک نیت با یک cd/m2 برابر می‌شود. مانیتور HP مورد آزمایش، حداکثر روشنایی ۲۵۰ نیت دارد که باتوجه‌به عمرش، مقدار قابل‌قبولی به شمار می‌رود. پنل لپ‌تاپی سامسونگ نیز روشنایی ۱۸۵ نیت دارد.

مقادیر بالاتر روشنایی، به‌معنای بهتر بودن بازه‌ی کنتراست بین نور روشن و تیره خواهد بود. درنتیجه برای محصولات جدیدتر با کیفیت بالاتر، به حداکثر روشنایی بیشتری نیاز داریم. به‌عنوان مثال برای ارائه‌ی فناوری‌های حرفه‌ای همچون HDR، به حداکثر روشنایی هزار نیت یا بالاتر نیاز پیدا خواهیم کرد.

اکثر مانیتورها و تلویزیون‌های LCD امکان تنظیم دمای تصویر را نیز به کاربر می‌دهند. البته فراموش نکنید که با تنظیم این دما، قطعا اتفاقی در خود پنل ازلحاظ سرما یا گرما رخ نمی‌دهد! درواقع با تنظیم دمای نور، شما چگونگی و ظاهر نور خورشید را در ساعت‌های متفاوت روز، کپی و شبیه‌سازی می‌کنید. بخش دما، مرتبط با این حقیقت می‌شود که سطح خورشید برای رسیدن به چنین نوری، باید چه مقدار گرم یا سرد باشد.

با استفاده از LED می‌توان دمای نور را بهتر تنظیم کرد. البته نوع LED مورد استفاده در پنل نمایشگر هم تأثیر زیادی بر عملکرد و خروجی در بخش دمای نور دارد. صرف‌نظر از نوع نور پس‌زمینه که برای پنل LCD استفاده می‌شود، درنهایت باید نور در کل نمایشگر توزیع شود. در پنل لپ‌تاپی مورد مطالعه، برای پخش کردن نور در همه‌ی بخش‌های نمایشگر، از لایه‌ی ضخیمی از پلیمر به‌نام صفحه‌ی هدایت نور (Light Guide Plate) استفاده می‌شود.

پس از حذف تمامی لایه‌های محافظ و پوشش‌ها از پنل، می‌توانیم ساختار داخلی آن را بهتر مشاهده کنیم. لایه‌ی بالایی در تصویر بالا، پشت نمایشگر را نشان می‌دهد که عموما با یک لایه‌ی پلاستیک سفید پوشیده می‌شود. لایه‌ی پلیمری که برای پخش کردن نور در سطح پنل کاربرد دارد، تقریبا نیمی از ضخامت کل پنل را اشغال می‌کند.

لایه‌ی پایینی، همان نمایشگر کریستالی است. در بخش‌های میانی نیز صفحه‌های متعددی از جنس مواد گوناگون را مشاهده می‌کنیم. صفحه‌ها وظیفه‌ی پخش کردن بیشتر نور را برعهده دارند. هر صفحه، نوری که توسط لایه‌ی پلیمری پخش شده بود را بیشتر پخش می‌کند. در مجموع، علاوه بر لایه‌ی پلیمری، سه لایه‌ی دیگر برای پخش کردن نور استفاده می‌شوند.

درنهایت، کل نور پخش‌شده و شکسته‌شده به لایه‌های خارجی نمایشگر LCD می‌رسد. لایه‌های خارجی، ترکیبی از مواد و بخش‌های متنوع هستند. لایه‌ی اولی با ضخامت بسیار پایین از جنس شیشه است و وظیفه‌ی قطبی کردن نور تابانده شده از CCFL یا LED را برعهده دارد.

قطبی کردن، امواج را مجبور می‌کند تا محدود به صفحه‌ی لرزش (صفحه‌ی قطبیت)، حرکت کنند. تصویر متحرک زیر، نمایی تصویری از شکست و بازتاب پرتوها را نشان می‌دهد. البته این تصویر، نمایی واقعی از رخدادهای پیش‌آمده در مانتیور را نمایش نمی‌دهد.

لایه‌ی پایانی LCD نیز از جنس شیشه است و نور را قطبی می‌کند. صفحه‌ی قطبیت یا لرزش لایه‌های بیرونی و داخلی، زاویه‌ی ۹۰ درجه را با هم تشکیل می‌دهند. به‌صورت عادی، این پیکربندی باعث می‌شود تا نور امکان عبور از پنل را نداشته باشد و تقریبا با صفحه‌ای سیاه روبه‌رو باشیم.

در بین دو لایه‌ای که قطبی کردن نور را برعهده دارند، چند لایه‌ی ساندویچی دیگر دیده می‌شود. آن‌ها شامل هزاران بخش کوچک می‌شوند که با ترکیبی مخصوص پر شده‌اند. ترکیب مذکور، همان کریستال مایع است. این لایه‌ها هم وظیفه‌ی قطبی کردن نور را برعهده می‌گیرند. در فناوری LCD مورد آزمایش، مولکول‌های کریستالی ساختار پیچیده شده را ایجاد می‌کنند که به‌نام twisted nematic شناخته می‌شود و نور را به‌نوعی می‌چرخاند. 

در توضیح خلاصه‌ی مراحل بالا، نور از لامپ‌های CCFL یا LED تا رسیدن به صفحه‌ی خارجی پنل و خروج از نمایشگر، ابتدا پخش و شکسته و درنهایت قطبی و چرخانده می‌شود. درنهایت ما پنل سفید را مشاهده می‌کنیم و برای ایجاد نور کاملا سیاه، ولتاژ الکتریکی به کریستال‌ها تابنده می‌شوند تا صفحه‌ی قطبیت خود را تغییر دهند. وقتی صفحه‌ی قطبیت زاویه‌ی ۹۰ درجه پیدا کند، نور امکان عبور ندارد و صفحه‌ای تاریک ایجاد می‌شود.

اندازه‌ی ولتاژی که برای چرخاندن صفحه‌ی قطبیت استفاده می‌شود، سطح تاریک یا روشن بودن پنل را مشخص می‌کند. ازآنجاکه هزاران قطعه و بخش شامل کریستال مایع در پنل وجود دارد، کنترل کردن همه‌ی آن‌ها به مجموعه‌ی قابل‌توجه از اتصال‌‌های جریانی و کنترلی نیاز پیدا می‌کند. با نگاهی عمیق‌تر به پنل مورد مطالعه، جریان‌‌های متعدد اتصالی و کنترلی را مشاده می‌کنیم که در لبه‌ی پنل دیده می‌شوند.

جریان‌های کنترلی و اتصالی، به استفاده از تعداد زیادی روبان به درایور نمایشگر متصل می‌شوند. منظور از روبان، مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر هستند. هریک از آن‌ها شامل تراشه‌ی بلند نازک می‌شود که وظایف سیگنال‌دهی را برعهده می‌گیرد. کانکتورها با هدف کاهش هزینه‌ها به برد اصلی چسبانده می‌شوند. همین صرفه‌جویی در هزینه باعث می‌شود تا کل ساختار بردها و پنل، بسیار شکننده باشد.

ترکیب روبان‌های اتصالی و سیگنال‌دهی، مجموعه‌ای را تشکیل می‌دهد که درنهایت به پیکسل‌های تکی متصل می‌شوند. پیکسل، همان بخش‌های کوچکی هستیم که گفتیم شامل کریستل مایع هستند. اگر پنل خالی را جلوی نور بگیریم، به‌خوبی می‌توان این کریستال‌های مجزا را مشاهده کرد.

اگر به‌طور دقیق به تصویر بالا نگاه کنید، متوجه نکته‌ی مهمی می‌شوید. ظاهرا هریک از پیکسل‌ها، رنگ‌های متعددی را نشان می‌دهند. درواقع همین اتفاق هم می‌ابتد. هر پیکسل در نمایشگر، از سه زیرپیکسل ساخته می‌شود که فیلتر رنگی روی آن‌ها اعمال شده است. فیلترهایی که باعث ایجاد رنگ‌های قرمز و سبز و آبی می‌شوند (RGB).

استاندارد RGB از مدت‌ها پیش به‌عنوان استانداردی در رنگ‌بندی تلویزیون‌ها و مانیتورها شناخته می‌شود. این استاندارد، ترکیب لازم و کافی را برای ساختن انواع رنگ طبیعی دراختیار ما قرار می‌دهد. 

ترکیب‌بندی مورد استفاده برای زیرپیکسل‌های رنگی به‌نام «نوار عمودی» یا Vertical Strip شناخته می‌شود. اغلب مانیتورهای واید از همین پیکربندی استفاده می‌کنند. دیگر نمایشگرهای LCD، مثلا آن‌هایی که در گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شوند، از آرایه‌ای افقی یا زاویه‌دار بهره می‌برند. درواقع پیکربندی رنگ‌ها وابستگی زیادی به تنظیم نهایی مانیتور یا نمایشگر دارد (همان حالت‌های Portrait یا Landscape).

همان‌طور که به یاد دارید، در این مطلب مانیتور TFT-LCFD شامل پنل ترانزیستوری فیلم نازک بررسی می‌شود. در فناوری مذکور، یک لایه‌ی سیلیکونی میکروسکوپی وجود دارد که به‌خاطر ضخامت بسیار پایین، امکان عبور نور از آن وجود دارد. برای هر زیر پیکسل، یک ترانزیستور تکی وجود دارد که در فیلم گنجانده شده است. این ترانزیستور، وظیفه‌ی نهایی اعمال جریان برای جرخاندن کریستال‌ها را برعهده می‌گیرد.

اگر با دقت به توضیحات بالا نگاه کنیم، متوجه پیچیدگی و ابعاد بسیار کوچک هریک از بخش‌های موجود در پنل‌های نمایشگر می‌شویم. بخش‌های بسیار ریزی که در اتصال‌هایی خارق‌العاده، انتقال جریان و سیگنال را برعهده می‌‌گیرند. در پنل سامسونگ مورد آزمایش، ۶،۲۲۰،۸۰۰ زیرپیکسل دیده می‌شوند. فراموش نکنید که این تعداد زیرپیکسل در مساحتی به‌اندازه‌ی ۷۱۰ سانتی‌متر مربع گنجانده شده‌اند. به بیان دیگر، هر زیرپیکسل، مساحتی به اندازه‌ی ۰/۰۰۱۱ میلی‌متر مربع را پوشش می‌دهد. به‌علاوه، فراموش نکنید که با پنلی ساخت هفت سال پیش روبه‌رو هستیم و در پنل‌های حرفه‌ای با رزولوشن 4K امروزی، ابعادی بسیار ریزتر را مشاهده می‌کنیم.

آخرین لایه‌ی مانیتور LCD، صفحه‌ی محافظ است که اغلب از جنس شیشه ساخته می‌شود. پوشش نازک پلیمر هم روی شیشه‌ی مذکور قرار می‌گیرد که وظیفه‌ی کاهش بازتاب نور را برعهده دارد (anti-glare). لایه‌ی محافظ باید به‌اندازه‌ی کافی سخت باشد تا در برابر شکنندگی و خش، مقاومت کند.

همان‌طور که می‌دانید، پنل‌های نمایشگر الزاما نباید تخت باشند. تلویزیون‌ها و مانیتورهای خمیده، خصوصا انواع مخصوص بازی، شعاع مشخصی از خمیدگی دارند که فناوری آن‌ها را پیچیده‌تر هم می‌کند. دلیل طراحی و ساخت مانیتورهای خمیده را باید در افزایش حس عمق در تصویر جست‌وجو کرد. البته احساس نهایی عمق در تصویر، وابستگی زیادی به محل نشستن کاربر و محتوای درحال پخش در مانیتور دارد.

در تصویر بالا، سه نوع خمیدگی مرسوم‌تر پنل را مشاهده می‌کنیم. خط مشکی، پنل تخت را نشان می‌دهد. خطوط آبی و سبز قرمز نیز پنل‌هایی با خمیدگی‌های 1800R و 1500R و 1000R را نمایش می‌دهند. اعدادی که در تعریف پنل‌های خمیده استفاده می‌شود، درواقع شعاع میلی‌متری دایره‌ای است که پنل در آن جای می‌گیرد. درنهایت باید بدانید که تولید پنل‌های خمیده هزینه‌های بیشتری دارد و اغلب قیمت آن‌ها نیز از نمونه‌های معمولی بیشتر خواهد بود.

با وجود کیفیت و کارایی بالای پنل‌های LCD، نقاط ضعفی در این فناوری دیده می‌شود. منبع نور پس‌زمینه که به‌نام بک‌لایت شناخته می‌شود، یکی از مشکلات را ایجاد می‌کند. شاید تصور کنید که منبع نور همیشه روشن است، چون کریستال‌های مایع، نور را مسدود می‌کنند. درواقع اینگونه نیست و کریستال‌ها به‌سرعت خاموش و روشن می‌شوند تا کیفیت رنگ نهایی به حداکثر برسد. متأسفانه، پالس‌های خاموش و روشنی که در پیکسل‌ها ایجاد می‌شود، کمی لرزش را در نمایشگر به‌همراه دارد که برای برخی از افراد، خوشایند نیست. همچنین به‌خاطر همین رخداد، تصاویر متحرک با کمی حالت مات دیده می‌شوند. در مجموع، مانیتورهایی که کیفیت بالاتری دارند، در نرخ‌های بسیار بالا خاموش و روشن می‌شوند تا چالشی از بابت لرزش نداشته باشند. در فناوری‌های پیشرفته‌تر هم پالس پیکسل‌ها با نرخ نوسازی عمودی هماهنگ می‌شود که در محتوای بازاریابی آن را با عبارت motion blur reduction می‌بینیم.

مشکل دیگر پنل‌های مورد مطالعه این است که نور پس‌زمینه شاید از لبه‌های پنل LCD یا حتی بین پیکسل‌ها درز کند. البته مجددا مانیتورهای با کیفیت بالاتر با هدف جلوگیری هرچه بیشتر از درز نور ساخته می‌شوند. نکته‌ی مهم‌تر پنل‌های TFT-LCD اینکه خصوصا در نمونه‌های TN، تعداد بیت‌هایی که یک نور را نمایش می‌دهند، محدود می‌شود.

محدودیت تعداد بیت‌ها در نمایش هر رنگ، به سیستم مورد استفاده برای انتقال داده‌ی تصویر وابسته است. به‌عنوان مثال، پنل سامسونگ مورد مطالعه، از سیستم LVDS برای انتقال رنگ‌های قرمز و سبز و آبی استفاده می‌کند. این سیستم سرعت بالا و مصرف توان پایین دارد. البته نمونه‌ای که در پنل مورد آزمایش می‌بینیم، تنها ۶ بیت رنگ ارائه می‌کند. این تنظیمات، از هشت یا ۱۰ بیت رنگی که در تراشه‌‌های گرافیکی مرسوم می‌بینیم، کمتر است.

برای مشکل بالا، راهکاری به‌نام کنترل نرخ فریم یا FRC وجود دارد که رنگ‌ها را در فریم‌های پشت سر هم، می‌چرخاند. درنتیجه این تصور ایجاد می‌شود که بازه‌ای بزرگ از رنگ‌ها نمایش داده شده‌اند. اکثر پنل‌های TN امروزی از ساختار هشت بیتی LVDS بهره می‌برند. البته برخی از آن‌ها هنور از FRC هم استفاده می‌کنند تا با ادعای عرضه‌ی رنگ ۱۰ بیتی، روی بازاریابی محصول هم تمرکز داشته باشند.

ساختاری پیچیده‌تر از چرخش کریستال‌ها

پنل‌های نمایشگر TFT-LCD به‌نوعی صنعت نمایشگر را در اشغال خود در آورده‌اند. این پنل‌ها در انواع نمایشگر از مانیتورهای کامپیوتر شخصی تا تلویزیون، گوشی هوشمند، تبلت، نمایشگر خودرو و بسیاری موارد دیگر، کاربرد دارند. البته همه می‌دانیم که TFT-LCD تنها فناوری نمایشگری موجود در بازار نیست.

تلویزیون‌ها و مانیتورها برخی اوقات به‌نام نمایشگر LED معرفی می‌شوند. البته استفاده از نام LED در آن‌ها بدین معنا است که به‌جای CCFL، از LED برای تابش نور استفاده می‌کنند. مانیتورهای کاملا LED از آرایه‌ای از دیودها برای نوردهی به پیکسل‌ها بهره می‌برند. البته چنین مانیتورهایی اغلب برای نمایشگرهایی با هدف نمایش اطلاعات بسیار زیاد استفاده می‌شوند و مصرف توان بسیار بالایی هم دارند.

پنل‌های OLED (نام کامل Organic LED) با ساختار نوردهی LED برای هر پیکسل، راهکارهایی مناسب هستند. نمایشگرهایی که از این پنل‌ها استفاده می‌کنند، بیشتر در گوشی‌های هوشمند دیده می‌شوند. البته تلویزیون‌های حرفه‌ای هم اخیرا از فناوری بهره می‌برند. نمایشگرهای LED و OLED توانایی تولید رنگ بسیار حرفه‌ای دارند و نسبت به پنل‌های LCD، رنگ مشکی بسیار طبیعی‌تر و عمیق‌تری هم تولید می‌کنند. دلیل کیفیت و سرعت بالاتر نیز این است که پنل‌های LED و OLED هیچ نور پس‌زمینه‌ای ندارند و خود پیکسل‌ها، نور را ایجاد می‌کنند. درنتیجه سرعت تغییر رنگ آن‌ها نیز نسبت به تغییر زاویه‌ی کریستال‌های مایع در نمایشگر، بسیار بیشتر خواهد بود. البته پنل‌های مذکور، نقاط ضعفی هم دارند. آن‌ها به‌اندازه‌ی پنل‌های LCD روشن نیستند و دوام بالایی هم ندارند. با گذشت زمان و فرسوده شدن پنل‌ها، مشکلاتی در نمایش تصویر پیش می‌آید که حتی شاید به ثابت ماندن تصویر در بخشی از پنل (موسوم به burn-in) ختم شود.

شرکت‌هایی همچون سونی، ال‌جی و سامسونگ برای حل چالش‌های موجود در پنل‌های OLED، فناوری جدیدی به‌نام microLED را معرفی می‌کنند. فناوری جدید به‌صورت خلاصه شبیه به منابع نوری به‌نظر می‌رسد که در اطراف خود مشاهده می‌کنیم؛ اما تفاوت اصلی آن‌ها در ابعاد بسیار کوچک‌ترشان دیده می‌شود. آزمایش‌ها و نمونه‌های اولیه نشان می‌دهد که microLED توانایی فعالیت روشن‌تر و همچنین دوام بیشتر را نسبت به OLED دارد. همچنین بهره‌وری و کارایی آن‌ها نیز در سطوح بالاتری دیده می‌شود. البته هنوز تا رسیدن به مرحله‌ی تجاری و عرضه‌ی عمومی پنل‌ها، چالش‌های تولیدی زیادی وجود دارند.

حدود ۲۰ سال پیش، مانیتورهای LCD فقیمت‌های بسیار زیادی داشتند. البته پس از مدتی با افزایش فروش و کاهش هزینه‌های تولید، قیمت‌ها مسیر کاهش شدید را طی کردند. آناتومی بالا نشان داد که چرا قیمت پنل‌های LCD گران بوده است. ما با ساختاری بسیار پیچیده با جزئیات زیاد روبه‌رو شدیم که از هزاران قطعه‌ی ریز و شکننده تشکیل می‌شود. بالاخره امروز به مرحله‌ای رسیده‌ایم که پنل‌ها با کیفیت بسیار بالا و قیمت‌های مقرون‌به‌صرفه‌تر تولید و فروخته می‌شوند.

مانیتورهای امروزی میلیون‌ها پیکسل را در خود جای می‌دهند و نرخ نوسازی بسیار بالایی هم دارند. طراحی آن‌ها به بلوغ نسبی رسیده است و شاهد عرضه‌ی محصولاتی با فریم‌ها و پایه‌های بسیار جذاب هستیم. درنهایت امروز فناوری نمایشگرها به‌حدی بالغ به‌نظر می‌رسد که شاید در تصمیم‌گیری بعدی برای ارتقا کامپیوتر شخصی، درنظرگرفتن خرید مانیتور، جذاب‌تر و معقول‌تر باشد.