LCD – ფიზიკური პრინციპები

თხევად კრისტალიანი დისპლეი.

აბრევიატურით LCD (Liquid Crystal Didplay – დისპლეი თხევად კრისტალებზე) აღინიშნება ინფორმაციის ასახვის მოწყობილობათა ფართო კლასი ( მობილური ტელეფონების, ელექტრონული საათების, კომპიუტერის მონიტორების, ტელევიზორების ეკრანები ), რომელთა მუშაობის პრინციპი ემყარება სინათლის პოლარიზაციის მოვლენას.
სინათლე, ისევე როგორც ზოგადად ყოველგვარი ელექტრომაგნიტური ტალღა, განივ ტალღას წარმოადგენს.
მექანიკაში განივ ტალღებს ისეთ ტალღებს უწოდებენ, რომლებშიც მერხევი ნაწილაკების რხევის მიმართულება ტალღის გავრცელების მიმართულების პერპენდიკულარულია.

მექანიკური ტალღებისაგან განსხვავებით, ელექტრომაგნიტურ ტალღაში ირხევიან არა ნივთიერების ნაწილაკები, არამედ ელეტრული და მაგნიტური ველების დაძაბულობები, ამასთან, ამ დაძაბულობების ვექტორები ტალღის გავრცელების მართობულად არიან მიმართულნი, ანუ, ტალღა განივია.

სურათიდან ჩანს, რომ ელექტრული და მაგნიტური ველების E და H დაძაბულობების ვექტორები ერთმანეთის მიმართაც ურთიერთ მართობული მიმართულებებით ირხევიან, მაგრამ სიმარტივისათვის თავი დავანებოთ მაგნიტური ველის დაძაბულობას და ელეტრომაგნიტური ველის რხევის მიმართულებად მივიღოთ ელექტრული ველის დაძაბულობის მიმართულება.
სიბრტყეს, რომელსაც ქმნიან ელექტრული ველის დაძაბულობის E ვექტორი და ტალღის გავრცელების მიმართულების V ვექტორი, ელექტრომაგნიტური ტალღის პოლარიზაციის სიბრტყე ეწოდება.
ჩვეულებრივ, სინათლის წყაროს მიერ გამოსხივებული სინათლის სხივი არ არის პოლარიზებული. ეს იმას ნიშნავს, რომ სხივი შეიცავს ყველა შესაძლო სიბრტყეებში პოლარიზებულ ტალღებს.
სინათლის ასეთი არაპოლარიზებული სხივიდან შეიძლება გამოვყოთ სასურველ სიბრტყეში პოლარიზებული ტალღა, თუ გამოვიყენებთ სპეციალურ მოწყობილობებს, რომელთაც პოლარიზატორები (პოლაროიდები) ეწოდება. პოლარიზატორები წარმოადგენენ ოპტიკურად ანიზოტროპულ ნივთიერებებს, ანუ ნივთიერებებს, რომელთაც სხვადასხვა მიმართულებით სხვადასხვა ოპტიკური თვისებები გააჩნიათ. ამ მიმართულებებიდან ერთერთი ისეთია, რომ პოლარიზატორის გამჭვირვალობა მაქსიმალურია იმ ტალღებისათვის, რომელთა პოლარიზაციის სიბრტყე ემთხვევა ამ მიმართულებაზე გამავალ სიბრტყეს. პოლარიზატორში გავლის შემდეგ სინათლის სხივში უპირატესად ის ტალღები აღმოჩნდებიან, რომელთა პოლარიზაციის სიბრტყე პოლარიზატორის პოლარიზაციის სიბრტყეს ემთხვევა და, ამრიგად სხივი პოლარიზებული იქნება.

 თუ პოლარიზატორში გასულ სხივს მეორე პოლარიზატორს დავუხვედრებთ იმგვარად, რომ მეორე პოლარიზატორის პოლარიზაციის სიბრტყე პირველის მართობული იქნება, მაშინ მეორე პოლარიზატორი სინათლეს არ გაატარებს.
ელექტრომაგნიტური ტალღების პოლარიზაციას ადგილი აქვს ბუნებაშიც. მაგალითად, სხვადასხვა საგნების ზედაპირებიდან არეკლილი სხივი ნაწილობრივ პოლარიზებულია ამრეკლი ზედაპირის პარალელურ სიბრტყეში. დაცემის კუთხის ზრდასთან ერთად არეკლილი სხივი სულ უფრო მეტად პოლარიზდება და რაღაც კუთხეზე მთლიანად პოლარიზებული ხდება. ამ კუთხეს ბრუსტერის კუთხე ეწოდება.
სხვადასხვა ფილმებიდან ჩვენთვის ასე ნაცნობი მუქი სათვალეები, რომელთაც ვერტმფრენების მფრინავები იყენებენ (ე.წ. პოლაროიდები) სხვა არაფერია, თუ არა პოლარიზატორები, რომელთა საშუალებითაც ხდება სარკულად არეკლილი თვალის მომჭრელი სინათლისაგან მფრინავების მხედველობის დაცვა.
მთელი რიგი ნივთიერებებისა გამოირჩევა იმით, რომ ისინი ახდენენ პოლარიზაციის კუთხის მობრუნებას. თუ გლუკოზის წყალხსნარს დავცემთ პოლარიზებულ სინათლეს, ის პოლარიზაციის კუთხეს საათის ისრის მიმართულებით მოაბრუნებს. ფრუქტოზის წყალხნარი, პირიქით, პოლარიზაციის კუთხეს საათის ისრის ბრუნვის საწინააღმდეგო მიმართულებით აბრუნებს.
შაქრების თვისებას, მოაბრუნოს პოლარიზაციის კუთხე, იყენებენ ხსნარებში შაქრის შემცველობის განსამსაზღვრავ ხელსაწყოებში – სახარიმეტრებში. კალიფორნიის უკიდეგანო ვენახებში  რთველის დაწყების ოპტიმალური დრო კოსმოსიდან დაკვირვებით განისაზღვება სწორედ ამგვარი სახარიმეტრების საშუალებით.
თხევადი კრისტალები წარმოადგენენ ნივთიერებებს, რომლებსაც გააჩნიათ როგორც სითხის დამახასიათებელი თვისება – დენადობა, ისე კრისტალებისთვის დამახასიათებელი თვისება – ანიზოტროპია. ისინი, ისე როგორც სხვა მრავალი ნივთიერება, აბრუნებენ პოლარიზაციის კუთხეს, მაგრამ დამატებით გააჩნიათ კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი თვისება – მათი მოლეკულების ორიენტაცია დამოკიდებულია გარე ელექტრული ველის მიმართულებაზე.
 თუ თხევად კრისტალს მოვათავსებთ ორ ურთიერთ მართობულ პოლარიზატორს შორის, მაშინ ამ სითხის სისქის შერჩევით შეგვიძლია მივაღწიოთ იმას, რომ პოლარიზაციის სიბრტყე 90 გრადუსით მოტრიალდეს და, ამრიგად, სტრუქტურა პოლარიზატორი – თხევადი კრისტალი – პოლარიზატორი გამჭვირვალე იქნება. მაგრამ სურათი რადიკალურად შეიცვლება თუ თხევად კრისტალს ისეთ ელექტრულ ველში მოვათავსებთ, რომელიც სინათლის სხივის გასწვრივ არის მიმართული. ელექტრული ველი გამოიწვევს თხევადი კრისტალის მოლეკულების ველის მიმართულებით მოტრიალებას, პოლარიზაციის კუთხის მობრუნებას აღარ ექნება ადგილი და სისტემა გაუმჭვირვალე გახდება.

თხევად კრისტალიანი დისპლეის თვითოეული პიქსელი სწორედ ამგვარ სტრუქტურას წარმოადგენს. ვინაიდან ფერადი დისპლეის თვითოეული პიქსელი სამი სუბპიქსელისაგან შესდგება (თითო თვითოეულ ფერზე – წითელი, მწვანე, ლურჯი), ამიტომ იგი სამჯერ მეტ ამგვარ სტრუქტურას შეიცავს. თხევად კრისტალებზე მოდებული ძაბვის მართვა ხორციელდება სპეციალური სუბმინიატურული ტრანზისტორების მეშვეობით, რომელებიც TFT (Thin Film Tranzistor) სახელწოდებით არიან ცნობილი. ამით არის განპირობებული ის გარემოება, რომ თხევად კრისტალიან ეკრანებს კიდევ TFT ეკრანებსაც უწოდებენ.