شاشات البلورات السائلة

تعتبر شاشات العرض الوسیلة التی تمکن الانسان من الاستفادة من التکنولوجیا وقد نقصد بشاشات العرض هنا الشاشات بمختلف انواعها فهناک الشاشات التی تعتمد على شعاع الإلکترونی أو الشاشات التی تعتمد شاشت البلازما وکل نوع من هذه الأنواع له فکرة عمل فیزیائیة مختلفة ولکن فی هذا الموضوع سنرکز على شاشات البلورات السائلة. ولهذا فإن شاشات العرض تحیط بنا من کل جانب وتدخل فی ترکیب العدید من الأجهزة الإلکترونیة وتکون بأحجام صغیرة مثل شاشات الساعات أو شاشات ال سی دی او الجوال وقد تکون بأحجام کبیرة مثل شاشات أجهزة الکمبیوتر المحمول أو شاشات التلفزیون التی یصل حجمها إلى 60 انش.
تنوع احجام شاشات البلورات السائلة وتمیزها بصغر سمکها ساهم على انتشارها بشکل کبیر وجعلها تدخل فی العدید من التطبیقات التکنولوجیة.

شاشة من البلورات السائلة کجزء من آلة حاسبة
ربما یتسأل القارىء عن مصطلح البلورات السائلة لانه من الاسم یبدو ان هناک تناقض فی کون البلورات صلبة مثل الکوارتز وکونها بلورات سائلة فما هی هذه المادة التی تجمع الخاصیتین معاً؟ فی هذه المقالة سوف نقوم بشرح ذلک مع توضیح لفکرة عملها کشاشات تعرض الصور والحروف والکلمات.

البلورات السائلة Liquid Crystals

نعلم أن المواد فی الطبیعة اما فی الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازیة. فالحالة الصلبة تکون فیها جزیئات المادة مرتبة باتجاه محدد وفی مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض أی لا تتحرک. أما فی الحالة السائلة فإن جزیئاتها تکون فی حالة حرکة مستمرة ولا یجمعها اتجاه ترتیب محدد. ولکن هناک بعض المواد تکون فی حالة وسطیة أی بین السائل والصلب حیث تحافظ جزیئات المادة فی هذه الحالة على اتجاه ترتیبها کما فی جزیئات المادة الصلبة ولکن فی نفس الوقت تتحرک مثل جزیئات الحالة السائلة، وهذا یعنی أن البلورات السائلة هی لیست حالة صلبة ولیست حالة سائلة ولکن بین الحالتین معا ومن هنا جائت التسمیة بالبلورات السائلة.
إذا هل یمکن ان نعتبر أن البلورات السائلة تتصرف مثل المواد الصلبة أو المواد السائلة؟ فی الحقیقة ان البلورات السائلة اقرب إلى المواد السائلة منها إلى المواد الصلبة. باعتبار ان ارتفاع بسیط فی الحرارة بحولها الى سائل. ولهذا فإن البلورات السائلة حساسة للتغیرات فی درجان الحرارة.

أنواع البلورات السائلة

کما یوجد العدید من المواد السائلة أو العدید من المواد الصلبة، فإن هناک العدید من أنواع البلورات السائلة، تتواجد البلورات السائلة فی عدة اطوار مختلفة تعتمد على درجة الحرارة وطبیعة المواد التی تصنع منها والنوع المخصص لصناعة الشاشات هو من الطور الدوار او المتحرک nematic phase، ویمتاز هذا الطور فی ان البلورات السائلة تتأثر بالتیار الکهربائی. وهناک نوع محدد من البلورات السائلة ذات الطور الدوار یستخدم فی شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوی twisted nematicsویرمز له TN. وعندما تتعرض البلورات ذات الطور الدوار الملتوی إلى تیار کهربی فإنها تصبح غیر ملتویة وتعتمد درجة الإلتواء على شدة التیار الکهربی. تستخدم تکنولوجیا شاشات البلورات السائلة هذه الخاصیة (خاصیة الإلتواء) فی التحکم فی مرور الضوء خلالها.

صورة توضح البلورات السائلة عند تکبیرها بواسطة میکروسکوب

تصنیع شاشة من البلورات السائلة

یختلف الأمر عند الانتقال من تصنیع شریحة لمادة من البلروات السائلة عنه فی حالة تصنیع شاشة عرض من البلورات السائلة. وهناک اربعة حقائق یجب ان تتوفر لانتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.
• الحقیقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
• الحقیقة الثانیة ان البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغیر من استقطابه.
• الحقیقة الثالثة طبیعة ترکیب البلورات السائلة تتغیر بتغیر التیار الکهربائی.
• الحقیقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للکهرباء.

شرح مبسط على ظاهرة استقطاب الضوء

شاشات البلورات السائلة LCD هی عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الاربعة السابقة لتظهر الصورة .
لتصنیع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحین من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البولیمر تحتوی على شرائح میکروسکوبیة (لا ترى بالعین المجردة) تغطی احد سطحی لوح الزجاج الذی لا یحتوی على شریحة الاستقطاب. یتم ضبط الشرائح المیکروسکوبیة لتکون فی نفس اتجاه الاستقطاب الشریحة المثبتة على السطح المقابل. تتم بعد ذلک اضافة طبقة رقیقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار. تعمل طبقة الشرائح المیکروسکوبیة على توجیه البلورات السائلة لتصطف فی اتجاه تلک الشرائح. یتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولکن مع التأکد ان شریحة الاستقطاب عمودیة على اتجاه استقطاب الشریحة الأولی. تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوی بعضها فوق بعض من بدوران تدریجی یصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتیب الطلقة الأولى.

عندما یسقط الضوء على الشریحة الزجاجیة الأولی فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزیئات البلورات السائلة فی کل طبقة على توجیه الضوء إلى الطبقة التی تلیها مع تغیر مستوى استقطاب الضوء. وعندما یصل الضوء للطبقة الأخیرة من طبقات البلورات السائلة فإنه یکون مستقطب فی نفس اتجاء جزیئات تلک الطبقة وبالتالی ینفذ الضوء منها.
عند تطبیق مجال کهربی على جزیئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوی وبالتالی فإن الضوء لا یمکن ان ینفذ من الجهة الأخرى.
• Light Waves شعاع ضوئی.
• Polarized Panels طبقة الزجاج المغطی بشریحة رقیقة من مواد مستقطبة للضوء.
• Electrods طبقة رقیقة من مادة شفافة موصلة للتیار الکهربی.
• Liquid Crystals طبقات جزیئات البلورات السائلة.
الزر على الیسار یعمل على تطبیق مجال کهربی على البلورات السائلة، ففی حالة وجود مجال کهربی لایخرج الضوء ولکن عند فصل المجال الکهربی ینفذ الضوء
بعد ان فهمنا الفکرة الفیزیائیة لعلم شاشات العرض التی تعتمد على البلورات السائلة والتی تتلخص فی تمریر الضوء وحجبه عن طریق التحکم فی ترتیب البلورات السائلة من خلال مجال کهربائی. اذا کیف یمکن ان نصنع شاشة بلورات سائلة.
نبدأ بتوفیر شریحتین متقابلتین من الزجاج بینهما طبقة من البلورات السائلة ویضاف إلیهما طبقتین من مادة شفافة موصلة للکهرباء electrodes. وتکون ترتیب الطبقات کما هو موضح فی الشکل التالی:

الطبقة A عبارة عن القاعدة او الطبقة الخلفیة وهی مرآة عاکسة لضوء.
الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج علیه طبقة رقیقة تعمل على استقطاب الضوء.
الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصیل التیار الکهربی.
الطبقة D عبارة عن طبقة البلورات السائلة وتکون فوق الطبقة الموصلة تماماً.
الطبفة E طبقة من الزجاج وعلیه ایضا طبقة رقیقة من مادة مستقطبة للضوء ولکن فی اتجاه عمودی على محور استقطاب الطبقة الأولى.
یوصل الالکترود بمصدر تیار کهربائی مثل بطاریة وعندما لا یمر تیار فإن الضوء یعبر من الطبقة الاول لشاشة البلورات السائلة سیصل إلى المرآة وینعکس عنها. ولکن عندما یمر التیار الکهربی من خلال الالکترود فإن البلورات السائلة الموجودة بین الالکترود والجهة المقابلة لها والتی تشکل مستطیل ستمنع الضوء من الوصول الى المرآة مما یظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.
لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجی. حیث أن مادة البلورات السائلة لاتصدر الضوء بنفسها. الشاشات الصغیر فی الأغلب تکون عاکسة بمعنى انها تعرض الصورة من خلال انعکاس ضوء من مصدر خارجی. فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة فی ساعة الید الرقمیة فإن الأرقام تظهر عندما یمر تیار کهربائی من خلال الإلکترود إلى مجموعة معینة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطینا صورة الرقم کما فی الشکل الموضح أدناه.
أما فی شاشات الکمبیوتر المحمول أو الشاشات الحدیثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابیح فلوریسنت فوقها أو على الجوانب أو فی خلف الشاشة نفسها. وتعمل لوحة تشتیت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزیع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض. وحیث أن الطبقات التی تأتی فوق المصدر الضوئی هی عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتویه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالکترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغیرها یعمل على امتصاص کمیة کبیرة من ضوء المصدر الضوئی قد تصل إلى 50% .
فی المثال الموضح فی عرض الفلاش أدناه نشاهد لوحة الإلکترود وکیف أن إلکترود مفرد یتحکم فی استجابة البلورات السائلة من خلال تمریر شحنة کهربیة. وإذا تخیلنا أن هناک من یتحکم فی ارسال الشحنات الکهربیة التی تمر عبر الالکترود فإنه یمکن تکوین صورة من خلال قیام البلورات السائلة بحجب الضوء ومنعه من الوصول إلى الشاشة الخارجیة وبالتالی یمکن أن نعرف الآن لماذا تکون معالم الصورة على شاشة البلورات السائلة تکون سوداء.

أنظمة شاشات البلورات السائلة

النظام البسیط یسمى common-plane-based LCD أی شاشة عرض البلورات السائلة ذات القاعدة المشترکة، وهی تستخدم فی الحالات التی تتطلب عرض مکرر للمعلومات مثل شاشات الساعات أو شاشات المثبتة على لوحة تحکم فرن المیکروویف.
النظام الأکثر تعقیداً وهو المستخدم فی شاشات الکمبیوتر وهناک نظامین هما passive matrix والثانی active matrix.

نظام الـ passive matrix

یستخدم هذا النظام شبکة بسیطة تمثل عناصر الصورة على الشاشة والتی تعرف بالبکسیل pixel لتزوید عنصر صورة محدد بالشحنة الکهربیة. تترکب الشبکة من طبقتین من الزجاج تسمى القاعدة substrate. احد هاتین القاعدتین یحتوی على مجموعة من أعمدة والقاعدة الزجاجیة الثانیة تحتوی على مجموعة من الصفوف وکلاً من الاعمدة والصفوف عبارة عن مواد موصلة للکهرباء وفی الأغلب هی indium-tin oxide. یتم توصیل الأعمدة والصفوف بدائرة متکاملة integrated circuits تتحکم فی توقیت ارسال الشحنة الکهربیة إلى عنوان محدد برقم العامود ورقم الصف الذی یجب أن تصل له الشحنة الکهربیة. تکون طبقة البلورات السائلة بین هاتین القاعدتین الزجاجیتین وتثبت طبقة الاستقطاب خرج القاعدتین. ولتشغیل احد عناصر الصورة pixel یتم ارسال شحنة کهربیة عبر الدائرة المتکاملة إلى العمود والصف المحددین لعنصر الصورة فیعملان على التأثیر على البلورات السائلة بینهما فتعمل تلک البلورات السائلة على منع الضوء من المصدر الخلفی للشاشة عند تلک الـ pixel.

نظام الـ Active Matrix

تم تطور النظام السابق لتلافی عدة عیوب منها بطء الاستجابة للحرکة السریعة خصوصاً إذا قمت بتحریک مؤشر الماوس على الشاشة بسرعة کبیرة فکانت الصورة تظهر حرکة المؤشر مع ظهور خیالات لها، ولکن فی النظام الجدید الذی یعرف بنظام الـ active matrix فلا یوجد مثل هذا العیب حیث یعتمد نظام العرض هذا على شریحة رقیقة من الترانسیستورات thin film transistors وتختصر بـ TFT، ویظهر هذا الرمز عند وصف مواصفات الشاشة. وببساطة فإن مجموعة کبیرة من الترانسیستورات والمکثفات المتناهیة فی الدقة مرتبة على شکل شبکة على قاعدة زجاجیة substrate. یتم توجیه الشحنة الکهربیة ایضا من خلال دوائر متکاملة تربط شبکة الترانسیستورات والمکثفات التی تمثل عناصر الصور وتکون وظیفة المکثفات هو الاحتفاظ بالشحنة لحین دورة المسح refresh cycle. کما انه إذا تم التحکم بدقة بکمیة الشحنة التی یجب ان تصل إلى المکثف فیکن التأثیر على دورات البلورات السائلة بزوایة محددة مما تعمل على حجب الضوء بنسب متفاوتة وتعتمد على کمیة الشحنة المرسلة لمکثف البکسیل المحدد. مما تستطیع هذه الشاشات من عرض 256 درجة رمادیة متفاوتة بین الأبیض والاسود فی حین أن النظام السابق لا یظهر مکونات الصورة إلا بلونین هما اللون الأبیض واللون الأسود.

کیف تظهر البلورات السائلة الألوان

نحصل على الألوان فی شاشات البلورات السائلة من خلال استخدام ثلاثة طبقات مرشحة filter للألوان الأساسیة وهی الأحمر والأخضر والأزرق. وبتحکم دقیق لکمیة الشحنة یمکن الحصول على 256 درجة مختلفة لکل لون، وبدمج کافة الدرجات لکل الألوان یمکن أن نحصل على 16.8 ملیون لون مختلف وهی عبارة عن حاصل ضرب 256 درجة للون الأحمر فی 256 درجة للون الأخضر فی 256 درجة للون الأزرق. کما فی الشکل التوضیحی أدناه.

کل هذه الألوان تتطلب عدد هائل من الترانسیستورات، وعلى سبیل المثال فإن شاشة جهاز کمبیوتر محمول تدعم دقة عرض resolution تصل إلىx768 1024یعنی أنها تحتوی على عدد من الترانسیستورات یساوی حاصل ضرب 1024 عمود فی 768 صف فی 3 لکل لون لیساوی 2,359,296 ترانسیستور على مساحة الشاشة .
أی خلل یحدث لواحد من هذه الترانسیستورات یظهر مباشرة على الشاشة فی شکل نقطة معتمة ولهذا تخضع الشاشات من هذا النظام لفحص دقیق قبل استخدامها وتسویقها.

مستقبل شاشات البلورات السائلة

لازالت الأبحاث مستمرة لتطویر هذه التکنولوجیا التی من المتوقع خلال السنوات القلیلة القادمة ان تستبدل شاشات الکاثود التقلیدیة لخفة وزنها وقلة سمکها وقلة استهلاکها للطاقة ووضوح صورتها، وتم عمل الابحاث العلمیة على تطویر البلورات السائلة نفسها لتشمل البلورات الدوارة الفائقة( super twisted nematics) (STN) وکذلک البلورات الدوارة المزدوجة المسح dual scan) twisted nematics) (DSTN) وغیرها الکثیر (اعتمد على التسمیة الانجلیزیة لان الترجمة للمصطلحات غیر معربة)، وکذلک یجری البحث العلمی على انتاج شاشات البلورات السائلة بمساحات عرض کبیرة ویجب على القارئ ان یدرک سبب ارتفاع ثمن شاشات البلورات السائلة التی تزید مساحة العرض عن 40 انش وذلک لصعوبة تصنیعها مع العلم ان الشرکات المنتجة لتلک الشاشات تتلف 50% منها لفشلها بعد عملیة التصنیع ولذلک یتم تحمیل ثمن التالف على ثمن السلیم، وجدیر بالذکر ان زیادة مساحة الشاشة یزید من وجود کمیة کبیرة من الترانسیستورات لا تعمل مما یسبب فی استبعاد تلک الشاشات واتلافها.

المصدر : تحقیق راسخون