Επιλέγοντας μια νέα τηλεόραση Θεματική ενότητα: Φυσική Επίπεδο: Δευτεροβάθμια εκπαίδευση Διάρκεια: Εννέα 45-λεπτα μαθήματα Σχεδιασμός: Διονύσης Αποστολίδης Περίληψη Η ακολουθία των δραστηριοτήτων σχετίζεται με τη χρήση φωτό-ηλεκτρικών υλικών, υγρών κρυστάλλων και πλάσματος στην κατασκευή οθονών και εμπλέκει τους μανθάνοντες σε μια διαδικασία συλλογής δεδομένων ώστε να επιλέξουν την καταλληλότερη τηλεόραση. Οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες, συλλέγουν και αξιολογούν πληροφόρηση που αφορά σε διάφορους τύπους οθονών, κατασκευαστικά χαρακτηριστικά καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης τους. Αναμένεται ότι οι μαθητές θα επιλέξουν την καταλληλότερη τηλεόραση χρησιμοποιώντας τη στρατηγική της βελτιστοποίησης. Ίδρυμα/Οργανισμός: Ερευνητική Ομάδα Μάθησης στις Φυσικές και Περιβαλλοντικές Επιστήμες, Πανεπιστήμιο Κύπρου Χώρα: Κύπρος Ερευνητική Ομάδα Μάθησης στις Φυσικές και Περιβαλλοντικές Επιστήμες Πανεπιστήμιο Κύπρου
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή.. 3 2. Προαπαιτούμενες γνώσεις... 4 3. Παιδαγωγικό περιεχόμενο 5 4. Γνώσεις περιεχομένου.. 6 4.1. Βασικά χρώματα... 6 4.2. Τηλεοράσεις CRT.... 8 4.3. Οθόνες Πλάσματος... 9 4.3.1. Τι είναι το πλάσμα;.... 9 4.4. Οθόνες Υγρών Κρυστάλων (LCD).. 12 4.4.1. Δημιουργία χρώματος 16 4.4.2. Οθόνες TFT... 16 4.5. Κβαντικές κουκκίδες.... 17 4.6. Τεχνικά χαρακτηριστικά οθονών.. 19 5. Περιεχόμενο. 22 6. Σχέδια Μαθήματος.... 22 6.1. Σχέδιο μαθήματος 1... 22 6.2. Σχέδιο μαθήματος 2... 23 6.3. Σχέδιο μαθήματος 3... 25 6.4. Σχέδιο μαθήματος 4... 26 6.5. Σχέδιο μαθήματος 5... 27 6.6. Σχέδιο μαθήματος 6... 29 6.7. Σχέδιο μαθήματος 7... 30 6.8. Σχέδιο μαθήματος 8... 31 7. Φύλλα εργασίας... 33 1
7.1 Φύλλο εργασίας 1.. 33 7.2. Φύλλο εργασίας 2..... 34 7.3. Φύλλο εργασίας 3..... 35 7.4. Φύλλο εργασίας 4..... 36 7.5. Φύλλο εργασίας 5..... 37 7.6. Φύλλο εργασίας 6..... 38 7.7. Φύλλο εργασίας 7..... 39 7.8. Φύλλο εργασίας 8..... 42 7.9. Φύλλο εργασίας 9..... 44 8. Βιβλιογραφία 45 2
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεταξύ των τεχνολογιών που επικρατούν στο χώρο των οθονών, η ευρύτερα διαδεδομένη είναι αυτή του καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube, CRT) που αποτελεί μέχρι σήμερα τη βάση για τις περισσότερες κατασκευές τηλεοπτικών συσκευών. Οι οθόνες CRT χρησιμοποιήθηκαν και στο χώρο των μόνιτορ για υπολογιστές, αφού το χαμηλό τους κόστος ωθούσε πολλούς χρήστες υπολογιστών να τις προτιμούν. Σε εφαρμογές όμως που απαιτούν μικρό όγκο, δεν αποδεικνύονται και τόσο εύχρηστες. Σε αυτές τις περιπτώσεις τη λύση δίνουν άλλες τεχνολογίες που προσφέρουν μικρό όγκο και ταυτόχρονα περιορισμένο βάθος. Διάφορες υβριδικές αλλά και πρωτοποριακές τεχνολογίες έχουν κάνει την εμφάνιση τους τα τελευταία χρόνια στο χώρο της προβολής, ωστόσο καμιά από αυτές δεν φαίνεται να έχει επικρατήσει. Στο μέλλον πάντως δεν αποκλείεται να ακούμε ολοένα και πιο συχνά για οθόνες πολυμερών εκπομπής φωτός (Light Emitting Polymers, LEP), κβαντικών κουκκίδων, εκπομπής πεδίου (Field Emitting Display, FED) και συνδυασμού υγρών κρυστάλλων και πλάσματος (Plasma Addressed Liquid Crystal, PALC). Το μόνο σίγουρο είναι ότι η τεχνολογία, όπως και αν ονομάζεται, έχει θέσει ως στόχο τη μεγάλη επίπεδη εικόνα σε συνδυασμό με το μικρό βάθος των οθονών προβολής. Βέβαια, το κριτήριο της μικρής τρίτης διάστασης, δεν είναι από μόνο του αρκετό για να καθορίσει τις εξελίξεις και τις τεχνολογίες. Πάνω απ όλα σημασία έχει η ποιότητα της εικόνας, καθώς αυτή είναι συνήθως η πρώτη απαίτηση από μια οθόνη γενικής χρήσης. Ασφαλώς, δεν θα πρέπει να ξεχνάμε και τον παράγοντα κόστος που καθορίζει την εμπορικότητα των προϊόντων. Πρόσθετα, οι νέες τεχνολογίες μας παρέχουν πολύ καλή εργονομία στις τηλεοράσεις, όπως είναι ο όγκος και η καλαισθησία τους. Πρέπει όμως να ληφθεί σοβαρά υπόψη η μικρότερη ακτινοβολία που εκπέμπουν, καθώς και η σταθερότητα της εικόνας λόγω γρηγορότερης σάρωσης που έχουν ως προς τις οθόνες CRT, ώστε ο θεατής να 3
παρακολουθεί πιο ξεκούραστα και ευχάριστα. Οι νέες τηλεοράσεις έχουν περισσότερα λειτουργικά πλεονεκτήματα, μεγαλύτερες οθόνες προβολής και είναι περισσότερο οικονομικές από τις παλαιότερες. Το διδακτικό υλικό σχεδιάστηκε στο πλαίσιο της επιλογής της καταλληλότερης τηλεόρασης. Μέσα από τις δραστηριότητες οι μαθητές θα είναι σε θέση να αξιολογούν τα χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων οθονών και να επιλέγουν σύμφωνα με συγκεκριμένα κριτήρια. Μετά το τέλος της διδακτικής παρέμβασης αναμένεται ότι οι μανθάνοντες (α) θα εκτιμήσουν τη σημασία της εισαγωγής κριτηρίων σε μια διαδικασία λήψης απόφασης, και (β) θα αναπτύξουν επιχειρήματα στα οποία θα στηρίζουν την απόφαση τους σχετικά με μια νέας τηλεόρασης. 2. ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Το διδακτικό υλικό απευθύνεται σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, οι οποίοι αναμένεται να έχουν προαπαιτούμενες γνώσεις φυσικής σε θέματα: Οπτικής (σύνθεση χρωμάτων, φωτεινότητα, πόλωση φωτός) Ηλεκτρισμού (αγώγιμα υλικά, τάση, ηλεκτρικό ρεύμα) Αγωγιμότητας αερίων Ατομικής Φυσικής (διέγερση ατόμου, αποδιέγερση, φωτόνιο, ακτινοβολία, ορατό φάσμα, φθορισμός φωσφορισμός) 4
3. ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ Η διδακτική προσέγγιση που ακολουθείται σε αυτή την παρέμβαση χρησιμοποιεί αρχές της συνεργατικής διερώτησης. Σύμφωνα με τον Bray και τους συνεργάτες του (Bray, Lee, Smith, & Yorks, 2000), η συνεργατική διερώτηση αποτελεί μια «συστηματική διαδικασία αναστοχασμού και συνεργασίας μεταξύ ομάδων μαθητών που έχουν ως στόχο την επίλυση παρωθητικών ερωτημάτων». Προσεγγίσεις που βασίζονται στη διερώτηση παρέχουν τη δυνατότητα εισαγωγής πολλών διαφορετικών πτυχών επιστημονικής γνώσης που δεν εντάσσονται απαραίτητα στο πλαίσιο των παραδοσιακών Αναλυτικών προγραμμάτων, αλλά περιλαμβάνουν και θέματα κοινωνικό-επιστημονικού περιεχομένου. Το σενάριο στο οποίο βασίζεται η συγκεκριμένη διδακτική παρέμβαση, βοηθά τους μαθητές να: 1. Διερευνήσουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά των τηλεοράσεων ώστε να αναπτύξουν επιχειρήματα που θα πείσουν τους γονείς τους για την αγορά μια νέας τηλεόρασης. 2. Επιλέξουν την καταλληλότερη τηλεόραση χρησιμοποιώντας τη στρατηγική της βελτιστοποίησης (Baron, 2000). Η μέθοδος της βελτιστοποίησης αποτελεί μια χρήσιμη συλλογιστική στρατηγική που χρησιμοποιείται για τη λήψη απόφασης και επιτρέπει την αναγνώριση της βέλτιστης εναλλακτικής επιλογής, μέσα από σύνθεση πληροφοριών και τοποθέτησης βαρύτητας, στο σύνολο των προς εξέταση κριτηρίων. Η διερεύνηση των τεχνικών χαρακτηριστικών των τηλεοράσεων περιλαμβάνει τρεις διαφορετικούς τύπους οθονών (CRT, PLASMA, and LCD). Οι μανθάνοντες εκτός από το διδακτικό υλικό θα έχουν στη διάθεση τους και συμπληρωματικό υλικό που θα αφορά στα ακόλουθα: Σύνθεση χρωμάτων. Επεξήγηση τεχνικών όρων. Επιπλέον, μέσα από σχετικές ιστοσελίδες οι μανθάνοντες θα έχουν τη δυνατότητα να συγκρίνουν τους διάφορους τύπους οθονών, να λάβουν ανατροφοδότηση αλλά και να αναθεωρήσουν τις απόψεις τους σχετικά με τα απαραίτητα χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτει μια τηλεόραση. 5
Ο εκπαιδευτικός αναμένεται να έχει υποστηρικτικό ρόλο επιβλέποντας την εξέλιξη των μαθητών στις διαδικασίες λήψης απόφασης και να παρέχει ανατροφοδότηση σχετικά την εύρεση/καταγραφή πληροφοριών αλλά και την εφαρμογή της στρατηγικής της βελτιστοποίησης. 4. ΓΝΩΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ 4.1. Βασικά χρώματα Τα χρώματα αποτελούν μια κωδικοποίηση του ανθρώπινου νευρικού συστήματος για να διακρίνει τα μήκη κύματος (ή τις συχνότητες) του φωτός που προσπίπτουν στο αισθητήριο όργανο της όρασης. Τα μήκη κύματος που διεγείρουν τον ανθρώπινο οφθαλμό κυμαίνονται από 4000 Å (400 nm) μέχρι 7.000 Å (700 nm). Στην εικόνα 1 φαίνεται σε γενικές γραμμές η χρωματική κωδικοποίηση του ανθρώπινου οφθαλμού στα ορατά μήκη κύματος. Τα χρώματα του ορατού φάσματος Χρώμα Περιοχή μηκών κύματος (nm) Περιοχή συχνοτήτων (Hz) Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Ιώδες (Μωβ) ~ 630 700 nm ~ 590 630 nm ~ 560 590 nm ~ 500 560 nm ~ 440 500 nm ~ 400 440 nm ~ 476 429 x10 12 Hz ~ 510 476 x10 12 Hz ~ 535 510 x10 12 Hz ~ 600 535 x10 12 Hz ~ 680 600 x10 12 Hz ~ 750 680 x10 12 Hz Εικόνα 1: Το ορατό φάσμα Όταν δύο ακτινοβολίες με διαφορετικά μήκη κύματος προσπέσουν στο μάτι, η ανθρώπινη όραση συνθέτει τα χρώματα δημιουργώντας καινούρια. Για παράδειγμα, αν μια φωτεινή πηγή φαίνεται ότι εκπέμπει κίτρινο χρώμα μπορεί να έχει μήκη κύματος στην περιοχή από 560 nm έως 590 nm ή να εκπέμπει ταυτόχρονα κόκκινες 6
και πράσινες ακτινοβολίες που όταν συντίθενται δίνουν το κίτρινο χρώμα. Για τη δημιουργία των χρωμάτων δεν είναι απαραίτητα όλα τα μήκη κύματος του ορατού φωτός, αλλά μόνο ορισμένα από αυτά. Με άλλα λόγια, στηριζόμενοι σε κάποια χρώματα τα οποία ονομάζουμε βασικά ή πρωτογενή μπορούμε να συνθέσουμε τα υπόλοιπα. Τα βασικά χρώματα που χρησιμοποιούμε για τη σύνθεση των χρωμάτων δεν είναι ίδια σε όλες τις εφαρμογές. Οι διαφορές σχετίζονται με το τρόπο που παράγεται το φως που φτάνει στο μάτι, αλλά και με το επιθυμητό οπτικό αποτέλεσμα. Το φως που βλέπουμε μπορεί να προέρχεται από απευθείας εκπομπή (π.χ. οθόνη), από απορρόφηση που οφείλεται σε ανάκλαση ή από απορρόφηση καθώς αυτό διέρχεται μέσα από ημιδιαφανή χρωματιστά υλικά. Κατά την εκπομπή του φωτός τα μήκη κύματος «αθροίζονται» για τη δημιουργία του χρωματικού αποτελέσματος, ενώ κατά την απορρόφηση του φωτός από τα υλικά, τα μήκη κύματος «αφαιρούνται» και δημιουργούν το χρωματικό αποτέλεσμα. Παράλληλα η αντίληψη του φωτός από τον άνθρωπο εξαρτάται και από χαρακτηριστικά όπως η λαμπρότητα, η απόχρωση και η χρωματική καθαρότητα. Με άλλα λόγια η αίσθηση του χρώματος είναι μία πολύπλοκη ανθρώπινη διαδικασία. Για τη διευκόλυνση της περιγραφής και της αναπαραγωγής των χρωμάτων δημιουργήθηκαν τα λεγόμενα χρωματικά μοντέλα. Κάθε ένα από αυτά βασίζεται σε συγκεκριμένα βασικά (πρωτογενή) χρώματα. Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι σπάνια δύο εφαρμογές φτάνουν στο ίδιο χρωματικό αποτέλεσμα ακόμη και στην περίπτωση που χρησιμοποιούν το ίδιο χρωματικό μοντέλο. Μία εικόνα φαίνεται διαφορετική σε οθόνες από διαφορετικό κατασκευαστή και δύο κόκκινες μπογιές από διαφορετικό κατασκευαστή δίνουν διαφορετικό κόκκινο χρώμα. Η οθόνη της τηλεόρασης και του υπολογιστή λειτουργεί με τρία βασικά χρώματα: Κόκκινο Πράσινο Μπλε. Με συνδυασμό αυτών των χρωμάτων μπορούμε να δημιουργήσουμε τα δευτερογενή χρώματα ως εξής: Κίτρινο: Κόκκινο + Πράσινο. Γαλάζιο: Πράσινο + Μπλε. Μωβ: Μπλε + Κόκκινο. 7
Εικόνα 2: Τα βασικά χρώματα. Από τους συνδυασμούς των πρωτογενών ή των δευτερογενών χρωμάτων μπορούμε να δημιουργήσουμε όλους τους δυνατούς χρωματισμούς. Τα τρία πρωτογενή χρώματα όταν συνδυαστούν δίνουν το λευκό. Λευκό: Κόκκινο + Πράσινο + Μπλε. Λευκό δίνουν επίσης και οι συνδυασμοί ενός πρωτογενούς και του αντίθετού του δευτερογενούς (συμπληρωματικά χρώματα). Λευκό: Κόκκινο + Γαλάζιο. Λευκό: Πράσινο + Μωβ. Λευκό: Μπλε + Κίτρινο. 4.2. Τηλεοράσεις CRT Σε μια τηλεόραση CRT, ένα πυροβόλο ηλεκτρονίων εκτοξεύει μια δέσμη ηλεκτρονίων, μέσα σε ένα γυάλινο αερόκενο σωλήνα. Τα ηλεκτρόνια χτυπούν σε άτομα φωσφορίζουσων ουσιών τα οποία βρίσκονται στο επίπεδο μπροστινό μέρος του σωλήνα και τα διεγείρουν. Κατά την αποδιέγερση των ατόμων που φωσφορίζουν εκπέμπεται ορατό φως και ασθενής ακτινοβολία Χ. Για να εμφανιστεί εικόνα στην οθόνη, θα πρέπει η δέσμη ηλεκτρονίων να σαρώσει όλη την επιφάνειά της, γραμμή προς γραμμή. Τότε, ανάλογα με το ποσό διεγείρεται ο φώσφορος κάθε βασικού χρώματος, δημιουργείται η οπτική πληροφορία επί της οθόνης. 8
Εικόνα 3: Η τηλεόραση CRT Η τηλεοπτική εικόνα παράγεται από το φωτισμό που εκπέμπεται από τα διαφορετικά τμήματα της φωσφορίζουσας επικάλυψης της οθόνης. Κάθε στοιχειώδης περιοχή της οθόνης περιέχει φωσφορίζοντες κόκκους που αντιστοιχούν στα τρία βασικά χρώματα, πράσινο, μπλε και κόκκινο. Για να αναπαράγει ένας τηλεοπτικός δέκτης το σωστό χρώμα για κάθε έγχρωμη περιοχή του ειδώλου, πρέπει να του δοθούν οι πληροφορίες του βασικού χρώματος και η ισχύς του. 4.3. Οθόνες πλάσματος (Plasma screens) Τα προηγούμενα 80 χρόνια, η μεγάλη πλειοψηφία των τηλεοράσεων έχει σχεδιαστεί με βάση τη τεχνολογία των σωλήνων καθοδικών ακτίνων (CRT ). Σήμερα όμως υπάρχει και η οθόνη πλάσματος με μια διαφορετική τεχνολογία. Οι τηλεοράσεις αυτού του τύπου, έχουν μεγάλες οθόνες αλλά το πάχος τους είναι μόλις 15cm. 4.3.1. Τι είναι το πλάσμα; Στις συμβατικές τηλεοράσεις ένα μεγάλο πλήθος από φωσφορίζουσες κουκκίδες (pixels), φωτοβολούν σύμφωνα με τις εντολές που παίρνουν από το σήμα video. Στα περισσότερα συστήματα υπάρχουν τρία βασικά χρώματα σε κάθε pixel της οθόνης, πράσινο, μπλε και κόκκινο και με σύνθεση αυτών των χρωμάτων σε διάφορες εντάσεις, παράγεται όλο το χρωματικό φάσμα. Η βασική ιδέα για την απεικόνιση πλάσματος είναι να σχηματιστεί η εικόνα από το φως που εκπέμπουν μικροσκοπικές πηγές μέσω του φαινομένου του φθορισμού. Το 9
κεντρικό στοιχείο στο φαινόμενο αυτό είναι ένα πλάσμα, δηλαδή αέριο που αποτελείται από ευκίνητα ιόντα, και από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε πλάσμα μέσα από το οποίο περνάει ηλεκτρικό ρεύμα, τα αρνητικά φορτισμένα σωμάτια, κινούνται προς τις περιοχές του πλάσματος με θετικό φορτίο, ενώ τα θετικά φορτισμένα σωμάτια, κινούνται προς τις αρνητικά φορτισμένες περιοχές. Εικόνα 4: Εκπομπή φωτός 1. Μια σύγκρουση με ένα σωμάτιο διεγείρει το άτομο. 2. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα ηλεκτρόνιο να μεταπηδήσει σε μια τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας. 3. Όταν το άτομο αποδιεγερθεί και το ηλεκτρόνιο επιστρέψει στο αρχικό του The procedure of depiction ενεργειακό επίπεδο, ελευθερώνει την επιπλέον ενέργεια υπό μορφή φωτονίου. Κατά τις μετακινήσεις αυτές, τα σωματίδια συγκρούονται συνεχώς το ένα με το άλλο. Οι συγκρούσεις διεγείρουν τα άτομα του αερίου στο πλάσμα σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες, και όταν τελικά αυτά αποδιεγείρονται εκπέμπουν ορατό φως (Εικόνα 4). Τα άτομα των στοιχείων Ξένον και Νέον, τα οποία χρησιμοποιούνται στις οθόνες πλάσματος, εκπέμπουν κυρίως φωτόνια της περιοχής του υπεριώδους όταν αποδιεγείρονται. Τα φωτόνια αυτά είναι αόρατα στο μάτι, αλλά μπορούν με τη σειρά τους να προκαλέσουν νέες διεγέρσεις οι οποίες οδηγούν τελικά σε εκπομπή ορατού φωτός. Τα αέρια Ξένον και Νέον σε μια τηλεόραση πλάσματος περιέχονται σε 10
εκατοντάδες χιλιάδες στοιχεία (cells), που είναι τοποθετημένα μεταξύ δύο γυάλινων πλακών. Επιμήκη ηλεκτρόδια είναι επίσης εμφυτευμένα σαν σάντουιτς μεταξύ των πλακών και στις δύο πλευρές των στοιχείων. Τα ηλεκτρόδια διεύθυνσης βρίσκονται πίσω από τα στοιχεία κατά μήκος της οπίσθιας γυάλινης πλάκας. Τα διαφανή ηλεκτρόδια απεικόνισης τα οποία περιβάλλονται από ένα μονωτικό διηλεκτρικό υλικό και καλύπτονται από προστατευτικό στρώμα οξειδίου του μαγνησίου, τοποθετούνται πάνω από τα στοιχεία, κατά μήκος της μπροστινής γυάλινης πλάκας. Και τα δύο σύνολα ηλεκτροδίων εκτείνονται κατά μήκος και πλάτος ολόκληρης της οθόνης. Τα ηλεκτρόδια απεικόνισης είναι διατεταγμένα σε οριζόντιες σειρές κατά μήκος της οθόνης και τα ηλεκτρόδια διεύθυνσης είναι διατεταγμένα σε κατακόρυφες στήλες σχηματίζοντας ένα βασικό πλέγμα. Για να ιονιστεί το αέριο σε ένα συγκεκριμένο στοιχείο, ο υπολογιστής που ελέγχει τη συσκευή, φορτίζει τα ηλεκτρόδια που τέμνονται στο στοιχείο. Αυτή η διαδικασία φόρτισης γίνεται χιλιάδες φορές σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου, φορτίζοντας κάθε στοιχείο με τη σειρά. Όταν τα τεμνόμενα ηλεκτρόδια φορτιστούν (με μια διαφορά δυναμικού μεταξύ τους), ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω του αερίου του στοιχείου. Το ρεύμα αυτό δημιουργεί μια γρήγορη ροή φορτισμένων σωματιδίων, η οποία διεγείρει τα άτομα του αερίου. Κατά την αποδιέγερσή που ακολουθεί, εκπέμπονται φωτόνια με υπεριώδη συχνότητα. Τα υπεριώδη φωτόνια που ελευθερώνονται αλληλεπιδρούν με φωσφορίζουσες ουσίες που βρίσκονται ως επικάλυψη, στα εσωτερικά τοιχώματα των στοιχείων. Οι φωσφορίζουσες ουσίες είναι ουσίες που εκπέμπουν φως όταν επάνω τους προσπέσει άλλο φως. Όταν ένα υπεριώδες φωτόνιο χτυπήσει ένα φωσφορίζον άτομο που βρίσκεται στο στοιχείο, προκαλεί διέγερση ενός ηλεκτρονίου του σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη. Κατά την αποδιέγερση που ακολουθεί και πάλι, ελευθερώνεται ενέργεια, αυτή τη φορά υπό μορφή ορατού φωτονίου. Οι φωσφορίζουσες ουσίες σε μια οθόνη πλάσματος έχουν επιλεγεί ώστε να εκπέμπουν έγχρωμο φως των τριών βασικών χρωμάτων. Κάθε εικονοστοιχείο (pixel) αποτελείται από τρία ξεχωριστά στοιχεία (subpixel), το καθένα διαφορετικού χρώματος φωσφορίζουσας ουσίας. Κάθε στοιχείο ενός pixel έχει φωσφορίζουσα ουσία που εκπέμπει ένα χρώμα, εκ των τριών βασικών χρωμάτων, κόκκινο πράσινο μπλε. Τα χρώματα αυτά συνθέτονται και σχηματίζουν το συνολικό χρώμα του συγκεκριμένου pixel. Μεταβάλλοντας τους παλμούς του ρεύματος που περνούν μέσα από τα διάφορα στοιχεία, το σύστημα ελέγχου μπορεί να 11
αυξήσει ή να ελαττώσει την ένταση του χρώματος σε κάθε ένα από αυτά. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται εκατοντάδες διαφορετικοί συνδυασμοί του κόκκινου, πράσινου και μπλε χρώματος. Έτσι το σύστημα ελέγχου μπορεί να παράγει σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα σε όλο το φάσμα. 4.4. Οθόνες Υγρών Κρυστάλλων (LCD) Μια ακόμα τεχνολογία είναι αυτή της χρήσης υγρών κρυστάλλων για την πόλωση του φωτός και τη δημιουργία εικόνας, (Liquid Crystal Display). Τις συναντάμε σε κινητά τηλεφωνά, ψηφιακά ρολόγια, χρονόμετρα, όργανα μετρήσεων, βιντεοκάμερες και όπου η χρήση μικρής, ελαφριάς χωρίς μεγάλες απαιτήσεις ως προς την απεικόνιση οθόνης είναι αναγκαία. Η λέξη "υγρός κρύσταλλος" μοιάζει να έχει κάποια αντίφαση. Σκεφτόμαστε έναν κρύσταλλο ως ένα στερεό σκληρό υλικό ενώ ένα υγρό είναι κάτι ρευστό και συνεπώς τελείως διαφορετικό. Πώς μπορεί ένα υλικό να συνδυάζει και τις δύο ιδιότητες; Υπάρχουν τρεις κοινές καταστάσεις της ύλης: η στερεή, η υγρή και η αέρια. Ένα υλικό συμπεριφέρεται ως στερεό όταν τα μόριά του έχουν σταθερό προσανατολισμό και συγκεκριμένες θέσεις μεταξύ τους. Τα μόρια σε ένα υγρό μπορούν να προσανατολιστούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και να κινηθούν οπουδήποτε μέσα στο υγρό. Υπάρχουν όμως μερικές ουσίες οι οποίες μπορούν να υπάρχουν σε μια παράξενη κατάσταση που έχει εν μέρει τις ιδιότητες του στερεού και εν μέρει τις ιδιότητες του υγρού. Όταν βρίσκονται σε αυτή την κατάσταση, τα μόριά τους είναι στραμμένα προς την ίδια διεύθυνση όπως σε ένα στερεό, αλλά ταυτόχρονα μετακινούνται σε διαφορετικές θέσεις του υλικού όπως σε ένα υγρό. Αυτό σημαίνει ότι οι υγροί κρύσταλλοι δεν ανήκουν ούτε στα στερεά ούτε στα υγρά. Στην πράξη, οι υγροί κρύσταλλοι έχουν μακροσκοπικές ιδιότητες πιο κοντά προς αυτές ενός υγρού. Χρειαζόμαστε ένα ικανό ποσό θερμότητας για να αλλάξουμε την κατάσταση μιας ουσίας από στερεή σε υγρό κρύσταλλο, αλλά χρειαζόμαστε λίγο μόνο παραπάνω θερμότητα για να μετατρέψουμε τον ίδιο υγρό κρύσταλλο σε πραγματικό υγρό. Αυτό εξηγεί γιατί οι υγροί κρύσταλλοι είναι πολύ ευαίσθητοι με τη θερμοκρασία και γιατί χρησιμοποιούνται συχνά ως θερμόμετρα και δείκτες ψυχολογικής διάθεσης. Εξηγεί 12
επίσης γιατί η οθόνη ενός φορητού υπολογιστή παρουσιάζει μια παράδοξη εμφάνιση σε πολύ ψυχρό περιβάλλον ή σε μια πολύ ζεστή μέρα στην παραλία! Υπάρχουν πολλοί τύποι υγρών κρυστάλλων. Στις οθόνες LCD, χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά υγροί κρύσταλλοι με νηματώδη φάση. Ένα χαρακτηριστικό των υγρών κρυστάλλων είναι ότι επηρεάζονται από το ηλεκτρικό ρεύμα. Ένα ιδιαίτερο είδος των νηματοειδών υγρών κρυστάλλων, που μοιάζουν με στριμμένο νήμα (ΤΝ) είναι από φυσικού τους στριφτοί. Όταν σε αυτούς διαβιβαστεί ηλεκτρικό ρεύμα, ξεδιπλώνονται κατά διαφορετικό βαθμό, ανάλογα με την ηλεκτρική τάση. Στις LCD χρησιμοποιούνται αυτοί ακριβώς οι υγροί κρύσταλλοι διότι αντιδρούν τελείως προβλέψιμα στο ηλεκτρικό ρεύμα κατά τρόπο ώστε να ελέγχεται η διέλευση του φωτός. Τα πιο πολλά μόρια των υγρών κρυστάλλων είναι ραβδόμορφα και διακρίνονται σε θερμοτροπικά και λυοτροπικά. Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι αντιδρούν σε μεταβολές της θερμοκρασίας ή μερικές φορές της πίεσης. Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι είναι είτε ισοτροπικοί είτε νηματοειδείς. Η ουσιαστική διαφορά τους είναι ότι τα μόρια στους ισοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους έχουν τυχαία διάταξη, ενώ στους νηματοειδείς έχουν μια συγκεκριμένη διάταξη. Ο προσανατολισμός των μορίων στη νηματοειδή φάση βασίζεται στον κατευθυντή. Ο κατευθυντής μπορεί να είναι οτιδήποτε. Από ένα μαγνητικό πεδίο ως μια επιφάνεια που φέρει μικροσκοπικές αυλακώσεις. Οι ακόλουθοι παράγοντες είναι απαραίτητοι ώστε να γίνει εφικτή η απεικόνιση με υγρούς κρυστάλλους: Το φως να μπορεί να πολωθεί. Οι υγροί κρύσταλλοι να μπορούν να επιτρέψουν τη διέλευση και να αλλάξουν την πόλωση του φωτός. Η δομή των υγρών κρυστάλλων να μπορεί να μεταβληθεί με το ηλεκτρικό ρεύμα. Να υπάρχουν διαφανή υλικά που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. 13
Στις οθόνες LCD οι υγροί κρύσταλλοι τοποθετούνται μεταξύ δύο γυάλινων επιφανειών, οι οποίες είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη. Πάνω σε αυτές δημιουργούνται κατάλληλα αυλάκια, τα οποία είναι παράλληλα μεταξύ τους πάνω σε κάθε πάνελ, αλλά με κάθετες διευθύνσεις ανάμεσα στα δύο πάνελ. Οι κρύσταλλοι, που εφάπτονται με τα πάνελ, λόγω της παχύρρευστης φύσης τους παίρνουν τη διεύθυνση αυλακώσεων και αφού τα δύο πάνελ είναι κάθετα μεταξύ τους, οι κρύσταλλοι περιστρέφονται κατά 90 ο και αποκτούν ελικοειδή μορφή. Εξαιτίας του υγρού κρυστάλλου η φάση του φωτός που περνά μέσα από αυτόν αλλάζει κατά 90 ο, κάτι που εμείς δεν το αντιλαμβανόμαστε. Αν τοποθετήσουμε όμως ένα ζευγάρι πολωτικών φίλτρων έξω από τα δύο γυάλινα πάνελ με κάθετη μεταξύ τους πόλωση, τότε λόγω της αλλαγής φάσης ο δεύτερος πολωτής επιτρέπει τη διέλευση του φωτός διαμέσου του. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικό πεδίο στους υγρούς κρυστάλλους, λόγω της διπολικής τους φύσης, προσανατολίζονται σύμφωνα με το πεδίο. Αν το τελευταίο έχει κατάλληλη μορφή και διεύθυνση, είναι δυνατόν να τους προσανατολίσει με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην μεταβάλουν τη φάση του φωτός που διέρχεται από το εσωτερικό τους. Επομένως η φάση του φωτός που θα περάσει μέσα από τον πρώτο πολωτή θα παραμείνει ίδια και όταν περάσει μέσα από τον κρύσταλλο, έτσι ο δεύτερος πολωτής θα απαγορεύσει τη διέλευση του φωτός. Όταν η διάταξη φωτίζεται από την πίσω πλευρά χωρίς να εφαρμόζεται στους υγρούς κρυστάλλους κάποιο ηλεκτρικό πεδίο, η οθόνη φωτίζεται λόγω της στροφής φάσης που οφείλεται στους υγρούς κρυστάλλους. Αντίθετα, με τη χρήση κατάλληλων πεδίων για τον προσανατολισμό υγρών κρυστάλλων είναι δυνατόν να απορροφάται το φως της πίσω πλευράς με αποτέλεσμα η οθόνη να φαίνεται σκοτεινή. Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να φτιάξουμε την απλούστερη LCD, με ένα μόνο ορθογώνιο ηλεκτρόδιο. Τα διαδοχικά στρώματα θα είναι όπως στην παρακάτω εικόνα. 14
Εικόνα 5: Αναπαράσταση οθόνης υγρών κρυστάλλων. Ένας καθρέφτης (A) στο πίσω μέρος δίνει στην LCD την ανακλαστική ιδιότητα. Στη συνέχεια τοποθετείται μια γυάλινη πλάκα (B) με ένα πολωτικό στρώμα στο κάτω μέρος της και ένα συνηθισμένο επίπεδο ηλεκτρόδιο (C) φτιαγμένο από οξείδιο ινδίου - κασσιτέρου. Ένα συνηθισμένο ηλεκτρόδιο καλύπτει όλη την επιφάνεια της LCD. Πάνω από αυτό είναι το στρώμα των υγρών κρυστάλλων (D). Στη συνέχεια έρχεται μια άλλη πλάκα γυαλιού (E) με ένα ηλεκτρόδιο σχήματος ορθογωνίου, στο κάτω μέρος της, και πάνω σε αυτό ένα άλλο πολωτικό φίλτρο (F), σε ορθή γωνία με το πρώτο. Το ηλεκτρόδιο συνδέεται με μια ηλεκτρική πηγή, π.χ. μια μπαταρία. Όταν δεν υπάρχει ρεύμα, το φως που έρχεται από το δεξιό (μπροστινό) μέρος της LCD, χτυπάει απλά στον καθρέφτη, ανακλάται και επιστρέφει προς τα πίσω. Όταν όμως η μπαταρία εφαρμόζει τάση στα ηλεκτρόδια, οι υγροί κρύσταλλοι μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων εμποδίζουν τη διέλευση του φωτός από αυτή την περιοχή με αποτέλεσμα να εμφανίζεται το ορθογώνιο ηλεκτρόδιο ως μια μαύρη περιοχή. Επιπλέον, απαιτείται μια εξωτερική πηγή φωτός. Τα υλικά των υγρών κρυστάλλων δεν εκπέμπουν φως από μόνα τους. Οι περισσότερες LCD οθόνες των υπολογιστών, έχουν λάμπες φθορισμού. Στο πιο πάνω παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε ένα επίπεδο ηλεκτρόδιο και ένα απλό ραβδόμορφο ορθογώνιο ηλεκτρόδιο, τα οποία έλεγχαν ποιοι υγροί κρύσταλλοι αποκρίνονταν στο ηλεκτρικό πεδίο. Αν στο στρώμα που περιέχει το ορθογώνιο ηλεκτρόδιο προσθέσουμε και άλλα ηλεκτρόδια, μπορούμε να πετύχουμε πιο εξεζητημένες απεικονίσεις. 15
4.4.1. Δημιουργία χρώματος Μια οθόνη LCD για να μπορεί να εμφανίσει χρώματα πρέπει να διαθέτει τρία sub pixels με κόκκινο, πράσινο, και μπλε χρωματικά φίλτρα για να χρωματίζεται κάθε pixel. Με προσεκτικό έλεγχο και μικρές μεταβολές της τάσης, η ένταση φωτός καθενός sub pixel, μπορεί να κυμαίνεται σε 256 διαφορετικές τιμές. Συνδυάζοντας τα sub pixel παράγεται μια παλέτα από 16,8 εκατομμύρια χρώματα. (256 αποχρώσεις του κόκκινου Χ 256 αποχρώσεις του πράσινου Χ 256 αποχρώσεις του μπλε). Αυτές οι οθόνες χρειάζονται ένα πελώριο αριθμό από τρανζίστορς. Για παράδειγμα, μια τυπική οθόνη φορητού υπολογιστή, υποστηρίζει ανάλυση μέχρι 1024Χ768. Αν πολλαπλασιάσουμε 1024 στήλες επί 768 γραμμές επί 3 sub pixels, παίρνουμε 2.359.296 τρανζίστορς χαραγμένα πάνω σε μια πλάκα γυαλιού. Το μέγεθος της οθόνης περιορίζεται από την ποιότητα που επιβάλλει ο κατασκευαστής κατά τον έλεγχο ποιότητας των οθονών. Για να μπορέσει ο κατασκευαστής να αυξήσει το μέγεθος της οθόνης, πρέπει να προσθέσει περισσότερα pixels και τρανζίστορ. 4.4.2. Οθόνες TFT Οι οθόνες TFT (Thin Film Transistor) βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας με τις LCD, με μια όμως παραλλαγή. Εκτός από τα συνήθη στρώματα των LCD, οι TFT διαθέτουν και ένα στρώμα τρανζίστορ υπό μορφή λεπτού φιλμ. Στις μονόχρωμες TFT σε κάθε εικονοστοιχείο αντιστοιχεί ένα τρανζίστορ, ενώ στις έγχρωμες κάθε εικονοστοιχείο διαθέτει τρία τρανζίστορ, ένα για κάθε βασικό χρώμα. Στην πραγματικότητα, τα τρανζίστορ της οθόνης δεν είναι διακριτά στοιχεία, αλλά εντάσσονται σε ένα λεπτό στρώμα που μοιάζει με ολοκληρωμένο κύκλωμα μεγάλων διαστάσεων. Το στρώμα των τρανζίστορ υπάρχει για να διατηρεί την πληροφορία της εικόνας ανάμεσα σε δύο διαδοχικές ανανεώσεις της, ώστε η εικόνα να παραμένει όπως ορίζουν τα ηλεκτρόδια που την ελέγχουν τη στιγμή που ανανεώνεται η πληροφορία. 16
Το πάνελ των TFT μοιάζει πολύ με έναν ενεργό πίνακα (Active Matrix), κάθε στοιχείο του οποίου αποτελεί ένα pixel. Τα τρανζίστορ των TFT έχουν το χαρακτήρα διακοπτών δύο καταστάσεων που επιτρέπουν ή όχι την ανανέωση της πληροφορίας. Κάτι αντίστοιχο επιτυγχάνεται και στις LCD με την αύξηση των στρωμάτων των υγρών κρυστάλλων, αυτό όμως αυξάνει το κόστος κατασκευής τους και τις κάνει ασύμφορες οικονομικά. 4.5. Κβαντικές κουκκίδες Οι κβαντικές κουκκίδες είναι φθορίζοντα νανοσωμάτια σε διάφορα χρώματα ενός ημιαγώγιμου υλικού που ονομάζονται και ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι. Το μέγεθος του νανοκρύσταλλου είναι της τάξης μερικών έως εκατοντάδων νανομέτρων και οι κβαντικές κουκκίδες περιορίζουν τα ηλεκτρόνια, τις οπές, ή τα ζεύγη των ηλεκτρονίων-οπών (που λέγονται και εξιτόνια) σε μηδενικές διαστάσεις της τάξης του μήκους κύματος de Broglie των ηλεκτρονίων. Αυτός ο περιορισμός, οδηγεί σε ιδιαίτερα κβαντοποιημένα ενεργειακά επίπεδα και στην κβαντοποίηση του φορτίου σε μονάδες του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Εικόνα 6: Κβαντικές κουκκίδες. Κβαντικές κουκκίδες από σεληνιούχο κάδμιο φωσφορίζουν σε διαφορετικό χρώμα ανάλογα με το μέγεθος τους. Οι κβαντικές κουκκίδες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τις οπτικές εφαρμογές λόγω της θεωρητικά υψηλής κβαντικής απόδοσης τους. Οι κβαντικές κουκκίδες έχουν προταθεί επίσης ως εφαρμογές ενός qubit για την κβαντική επεξεργασία των πληροφοριών. Επειδή οι κβαντικές κουκκίδες έχουν ιδιαίτερα ενεργειακά επίπεδα, όπως ένα άτομο, καλούνται μερικές φορές "τεχνητά άτομα". Τα ενεργειακά επίπεδα μπορούν να ελεγχθούν αλλάζοντας το μέγεθος και τη μορφή της κβαντικής κουκκίδας καθώς και το βάθος του δυναμικού. Όπως στα 17
άτομα, τα ενεργειακά επίπεδα μικρών κβαντικών κουκκίδων μπορούν να εξεταστούν με τεχνικές οπτικής φασματοσκοπίας. Ένα από τα κυριότερα οπτικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μικρών κβαντικών κουκκίδων είναι ο χρωματισμός. Ενώ το υλικό από το οποίο φτιάχνεται μια κβαντική κουκκίδα είναι σημαντικό, σημαντικότερο από την άποψη του χρωματισμού είναι το μέγεθος της. Όσο μεγαλύτερη είναι η κουκκίδα, τόσο περισσότερο προς το ερυθρό άκρο του φάσματος φθορίζει. Όσο μικρότερη είναι η κουκκίδα, τόσο περισσότερο φως προς το μπλε άκρο του φάσματος εκπέμπει. Ο χρωματισμός σχετίζεται άμεσα με τα ενεργειακά επίπεδα της κβαντικής κουκκίδας. Οι μεγαλύτερες κβαντικές κουκκίδες έχουν περισσότερα ενεργειακά επίπεδα που διαχωρίζονται από μικρότερα ενεργειακά διαστήματα. Αυτό επιτρέπει στις κβαντικές κουκκίδες να απορροφούν φωτόνια που περιέχουν λιγότερη ενέργεια, δηλ. εκείνα προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Πρόσφατα άρθρα έχουν αρχίσει να προτείνουν ότι η μορφή της κβαντικής κουκκίδας μπορεί επίσης να είναι ένας παράγοντας που δίνει το ιδιαίτερο χρώμα, αλλά μέχρι τώρα δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες. Η δυνατότητα να συντονιστεί το μέγεθος των κβαντικών κουκκίδων είναι συμφέρουσα, καθώς όσο μεγαλύτερες είναι και όσο προς το κόκκινο μετατοπισμένο είναι το χρώμα των κβαντικών κουκκίδων, τόσο λιγότερες είναι οι κβαντικές ιδιότητες. Το μικρό μέγεθος της κβαντικής κουκκίδας μας επιτρέπει να εκμεταλλευθούμε αυτές τις κβαντικές ιδιότητες, στα λέιζερ, στις έγχρωμες οθόνες, στα φωτοβολταϊκά συστήματα και στη βιοαπεικόνιση. Οι κβαντικές κουκίδες είναι ημιαγωγικοί νανοκρύσταλλοι, που συγκρατούν επιλεκτικά ή ελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Αντίθετα από τις παραδοσιακές οθόνες LCD, που πρέπει να φωτιστούν από πίσω για να εκπέμψουν φως,οι κβαντικές κουκίδες παράγουν το δικό τους φως. Ανάλογα με το μέγεθός τους μπορούν "να συντονιστούν" για να εκπέμψουν οποιοδήποτε ορατό χρώμα. Επίσης, τα χρώματα που παράγουν δεν είναι μόνο μονοχρωματικά αλλά και συνδυασμός πολλών άλλων χρωμάτων. Εκτός από τη χρησιμοποίηση τους για εξαιρετικά λεπτές, επίπεδες, φωτεινές οθόνες, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε ποικίλες άλλες εφαρμογές για τη μέτρηση μηκών κύματος για επιστημονικούς σκοπούς, να παράγουν μήκη κύματος ορατά μόνο για ρομποτικά μάτια ή για μικροσκοπικούς επιστημονικούς εξοπλισμούς. Το μόνο 18
μειονέκτημα τους είναι ότι η παραγωγή τους στοιχίζει πάρα πολύ, τουλάχιστον 2.000 δολάρια το γραμμάριο, εξ αιτίας ενός ακριβού διαλύτη (δεκαοκτάνιο) που χρησιμοποιείται για την παρασκευή τους. Τελευταία όμως στο Πανεπιστήμιο Rice επιστήμονες κατάφεραν να αντικαταστήσουν το πανάκριβο διαλυτικό με ένα άλλο φθηνότερο κατά 80%. 4.6. Τεχνικά χαρακτηριστικά οθονών Ο πίνακας που ακολουθεί παρουσιάζει τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των οθονών που επηρεάζουν τόσο την ποιότητα όσο και τις ιδιότητες τους. Format Μέγεθος οθόνης Φωτεινότητα (σε cd/m² ) Αντίθεση Σχέση εικόνας (πλάτος / ύψος). Υπάρχουν σε δύο μεγέθη: το κλασικό φόρματ 4/3 και το φόρματ 16/9. Στην πρώτη περίπτωση, το φόρματ είναι προσαρμοσμένο σε όλα τα προγράμματα, ενώ το φόρματ 16/9 προορίζεται για το σινεμά και επιτρέπει την απόλυτη απόλαυση των ταινιών σας σε DVD. Το μέγεθος της οθόνης μετριέται σε ίντσες ή εκατοστά (1 ίντσα αντιστοιχεί σε 2,45 εκατοστά). Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η τιμή, τόσο πιο μεγάλη είναι η επιφάνεια της τηλεόρασής σας. Για απόλυτη άνεση, η απόσταση μεταξύ χρήστη και τηλεόρασης πρέπει να είναι 3 φορές μεγαλύτερη του μεγέθους της οθόνης. Η φωτεινότητα εκφράζεται σε dc/m² και αντιστοιχεί στη λαμπρότητα των λευκών τόνων. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η τιμή, τόσο πιο φωτεινή και φυσική είναι η εικόνα. Η αντίθεση καθορίζει τη διαφορά ανάμεσα στο πιο φωτεινό λευκό και το πιο βαθύ μαύρο που προβάλλουν στην οθόνη LCD. Για παράδειγμα, μια αναλογία αντίθεσης 1500:1 δηλώνει πως η πιο καθαρή εικόνα 19