مبدأ عمل شاشات الهيولى (شاشات البلازما في الترجمة الحرفية، من الإنكليزية: Plasma display) يعود إلى العام 1964 في جامعة إلينوي الأمريكية، ولم تكن الفكرة أكبر من شاشة مكونة من نقطة ضوء. تم منذ ذلك الوقت وحتى نهاية الستينات العمل على تطوير شاشة متكاملة من نقط الضوء هذه وهذه الشاشة كانت صغيرة وتعطي صور غير واضحة وكانت فكرة الحصول على شاشة مسطحة وكبيرة وجودة عالية في ذلك الوقت كمشهد من الخيال العلمي، ولكن مع تطور العالم الرقمي تم الوصول إلى شاشات عالية الجودة وتغطي مساحة كبيرة حديثا سمعنا على شاشات تلفزيونية من نوع اخر تسمى شاشات الهيولى plasma flat panel display هذه الشاشات يمكن ان تصل إلى 60 انش (بوصة) أو أكثر وسمكها لا يزيد عن 15 سنتيمتر أو17 سنتيمتر ويمكن تعليقها على الجدار كالصورة هذا بالاضافة إلى العديد من المزايا والخصائص التي تعطي رفاهية ومتعة مشاهدة أكثر من التلفزيونات التقليدية.
وللتعرف أكثر على فكرة عمل هذه الشاشات التي بدأت تنتشر بكثرة يجب اولاً أن نلقى بعض الضوء على فكرة عمل الشاشات التقليدية. فمنذ أكثر من 70 عاماً اعتمدت اجهزة التلفزيون على شاشات الكاثود Cathod ray tube. حيث تتكون شاشات الكاثود من مدفع الكتروني في انبوبة مفرغة وتنطلق الالكترونات المعجلة باتجاه شاشة فسفورية، وباستخدام مجالين كهربيين متعامدين يمكن مسح الشعاع الالكتروني على الشاشة بمعدل يصل إلى 25 مرة في الثانية، تعمل الالكترونات عند سقوطها على ذرات الفسفور المكونة للشاشة على اثارتها مما تجعلها تعطي ضوء لتتخلص من اثارتها. هذا الضوء المنبعث من تلك العناصر الضوئية (ذرات الفسفور) تكون الصورة التي نشاهدها. هذه الصورة التي نحصل عليها من شاشات الكاثود صورة واضحة ومقبولة ولكن حجم الشاشة الكبير مما يعني عمق كبير لجهاز التلفزيون ويصبح الجهاز ثقيل ويشغل حيز كبير من الغرفة الموجود بها.
ماهي الهيولى?
نعلم ان شاشات الكاثود في التلفزيون الملون تعمل من خلال تقسيم الشاشة إلى مربعات صغيزة تسمى البكسل pixel وهو عنصر الصورة ويكون هناك ثلاثة بيكسلات لكل من الالوان الاساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق وتكون موزعة على مساحة الشاشة وعند اصطدام الالكترونات بأي من هذه البكسلات يعطي ضوء بلون البكسل وهذا يكون الصورة.
تعمل شاشات الهيولى بنفس الآلية حيث يوجد يتكون كل بكسل من ثلاث ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق) ولكن لا يوجد الشعاع الالكتروني ولا يوجد الشاشة الفوسفورية انما يتم توليد هذه الالوان الثلاثة في كل بكسل من خلال fluorescent lights ضوء فلورسنت ومن خلال التحكم ودرجة شدة كل ضوء فلورسنت ينتج اللون المطلوب وهذا يحدث على كل بكسلات الشاشة وعندها تتكون الصورة الكاملة.
يتم توليد ضوء الفلورسنت من خلال الهيولى، والهيولى هي غاز متأين حيث تكون ذرات الغاز منزوعة منها الكتروناتها ويصبح الغاز مكون من ايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة الشحنة. وبالطبع هذا الغاز (الهيولى) يحدث في ظروف خاصة مثل أن يكون الغاز داخل مجال كهربي كبير ناتج عن فرق جهد عالي مما يؤدي إلى انجذاب الالكترونات إلى الطرف الموجب والأيونات إلى الطرف السالب فتصطدم الالكترونات مع الايونات مما يؤدي إلى أثارة ذرات الغاز في الهيولى وينتج عن هذه الاثارة تحرر طاقة في صورة فوتونات ضوئية كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي نستخدمها للاضاءة.
يتم في شاشات الهيولى استخدام غاز مكون من ذرات النيون وذرات الزينون وعند اثارة هذا الغاز بالطريقة سابقة الذكر نحصل على فوتونات في مدى الترددات الفوق بنفسجية التي لا ترى بالعين المجردة ولكن هذه الفوتونات تستخدم للاثارة للحصول على فوتونات بترددات في المدى المرئي.
نظرة أعمق في فكرة عمل شاشات الهيولى
تتوزع ذرات النيون وذرات الزينون على ألاف الخلايا المحصورة بين لوحين من الزجاج المنطقة رقم (2) و (6) الموضحة في الشكل. يتصل باللوح الزجاجي الأمامي (2) الكترود يسمى الكترود العرض Display Electrode ويتصل باللوح الزجاجي الخلفي (6)الكترود العنونة Address Electrode. وبالتالي تصبح كل خلية ضوئية (تحتوي على ذرات النيون والزينون) محاطة بالكترود العرض من الامام والكترود العنونة من الخلف.
تحيط مادة عازلة غير موصلة للكهرباء dielectric material الكترود العرض ومغطاة بطبقة واقية من اكسيد الماغنيسيوم لتكون بين الخلية الضوئية ولوح الزجاج الأمامي.
كما هو موضح في الشكل المقابل اللون الأصفر للالكترود الأمامي والخلفي والخلايا ضوئية الموضحة باللون الأزرق ويوجد بجانبها خلية ضوئية خضراء وأخرى حمراء، كذلك موضح الطبقة الواقية الشفافة من MgO.
بنظرة شمولية أكثر نلاحظ في الشكل التالي كيف تترتب الخلايا الضوئية على مساحة الشاشة وتقسم الشاشة إلى وحدات صغيرة تسمى عناصر الصورة وتدعى بكسل وكل بكسل عبارة عن ثلاثة خلايا ضوئية للألوان الأحمر والأخضر والأزرق. ونلاحظ أيضا اشرطة الالكترود (اللون الاصفر) بحيث تكون مرتبة في صفوف متوازية ويكون الكترود العنونة ممدد على طول الخلايا الضوئية ذات اللون الواحد ويكون الكترود العرض ممددا على طول البكسل.وهذا يكون على طول وعرض الشاشة مما يشكل في النهاية شبكة من الالكترود.
النبائط الثنائية باعثة الضوء
النبائط الثنائية باعثة الضوء (Light Emitting Diodes ويرمز لها LED) هي عبارة عن أشباه الموصلات ذات وصلة "p-n"هي تبعث إشعاعا ضوئيا عندما تكون في حالة انحياز أمامي.يمكن توليد عدد من الألوان, أكثرها شيوعا هو الأحمر والأخضر والأصفر والكهرماني.فهي لا تفسد فجأة ولكن تهبط فعاليتها ببطء.تعتمد متطلبات هذه النبائط من مصدر القدرة على المادة المستخدمة في بناء النبيطة الثنائية (وبالتالي على اللون المشع) وهو نموذجيا من 2vإلى 2.5vعند الجهد الأمامي,يكون جهد الانهيار المعاكس نموذجيا بين3v إلى 10v.يمكن أن تستخدم نبائط LEDإما منفردة في صورة مصابيح مبينة,وإما في مجموعات بغرض عرض الأرقام أو الحروف الأبجدية,أو بصورة مشتركة بين هذين النوعين من العرض (العرض الأبجدي العددي).
1.1.العرض المجزأ :
يستخدم "عرض الأجزاء السبعة " ((seven-segment display المبين في الشكل(1-1-أ) بكثرة في نظم عرض الأرقام,كتلك التي نجدها في الأجهزة والآلات الحاسبة.يمكن توليد أي من الأرقام العشرية العشرة(شكل1-1-ب) أو توليد أحد الحروف الأبجدية(شكل 1-1-ج).
يبين الشكل(1-1-د) رسما تخطيطيا لنظام عرض الأجزاء السبعة.
يبين الشكل (1-1-هـ(أ)) إحدى الطرق البديلة للعرض المجزأ وهو نمط الأجزاء الستة عشر.يمكن بواسطة هذا النوع من العرض توليد كل الحروف الأبجدية والعشرية بالإضافة إلى ماتولده الأنماط الأخرى.يبين الشكل(1-1-هـ(ب)) عددا من الحروف التي يمكن عرضها.
2.1.العرض باستخدام المصفوفات:
يستخدم بكثرة عرض المصفوفة متعددة النقط (dot matrix (displayومن أكثرها شيوعا ما يبينه الشكل(1-2-أ)وهو نظام عرض المصفوفة ذات النقط(5×7)،كما يبين (شكل 1-2-ب) شكلا شائعا آخرا وهو نظام عرض المصفوفة ذات النقط(4×7). يمكن عرض حروف الكود (اسكي ASCII)على شاشة عرض المصفوفة الأبجدية الرقمية (5×7).أسلوب العرض (5×7) المبين في (شكل 1-2-ج) هو صورة مبسطة للأسلوب المبين في (شكل 1-2-أ)، وهو قادر على توليد الأرقام العشرية العشرة إلى جانب عدد محدود من الحروف الأبجدية.يمكن إنتاج شاشات العرض الكبيرة الحجم باستخدام مصفوفة من مصابيح .LED
شاشات العرض باستخدام البلورات السائلة
إن البلورات السائلة هي مواد عضوية مائعة في الحالة المتوسطة بين الصلابة والسيولة.على عكس نبائط LED فإن شاشات العرض باستخدام البلورات السائلة( Liquid Crystal Display ويرمز لها (LCD لا تشع ضوءا، وإنما تعكس أو تنقل الضوء المتوهج.إذا كان مصدر الإضاءة هو الضوء المحيط ،فلا توجد حاجة لمصدر قدرة إضافي، أما إذا كان الضوء المحيط صفرا، فتظهر الحاجة إلى مصدر للضوء. حيث أن درجة تألق شاشة عرض LCD تتوقف على درجة توهج الضوء، فإن الإضاءة المباشرة تحسن من العرض. بصفة عامة، عندما يكون الغرض الرئيسي هو شاشة عرض ذات حجم كبير أو استهلاك منخفض للقدرة، فإن LCD تتفوق على غيرها.
يوجد عدة مئات من مركبات البلورات السائلة, والتي تقسم إلى ثلاث مجموعات، هي nematic)) و((semetic و(cholestric) والمجموعة الأولى هي أكثرها أهمية.هناك نوعان من شاشات عرض البلورات السائلة nematic إحداهما هو نوع البعثرة الديناميكية (dynamic scattering) والذي يسبب انعكاس الضوء، والنوع الآخر يعرف باسم التأثير المجالي (field effect) أو ( (twisted nematicوالذي يسمح بانتقال الضوء. يبين شكل(2-أ) الصورة العامة لبناء شاشة عرض الأجزاء السبعة.
تسال البلورات السائلة بين سطحين من الزجاج (أحدهما قد يكون المرآة)، وعلى هذين السطحين طلاء من مادة شفافة موصلة. يمكن باستخدام هذه الطريقة الحصول على أي شكل من الأشكال المعروضة، ويبين الشكل(2-ب)،(2-ج) المبينات العددية ذات الأجزاء السبعة.يكون القطب الأسفل (b) مشتركاً بين كل الأجزاء ،بينما يتم تنشيط الأجزاء العليا (c) كل على حدا,قد اصطفت مجموعتا الأقطاب فوق بعضها في وحدة العرض.
فكرة عمل شاشات البلورات السائلة
تعتبر شاشات العرض الوسيلة التي تمكن الانسان من الاستفادة من التكنولوجيا وقد نقصد بشاشات العرض هنا الشاشات بمختلف انواعها فهناك الشاشات التي تعتمد على شعاع الإلكتروني أو الشاشات التي تعتمد شاشت البلازما وكل نوع من هذه الأنواع له فكرة عمل فيزيائية مختلفة ولكن في هذا الموضوع سنركز على شاشات البلورات السائلة. ولهذا فإن شاشات العرض تحيط بنا من كل جانب وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الإلكترونية وتكون بأحجام صغيرة مثل شاشات الساعات أو شاشات السي دي او الجوال وقد تكون بأحجام كبيرة مثل شاشات أجهزة الكمبيوتر المحمول أو شاشات التلفزيون التي يصل حجمها إلى 60 انش. تنوع احجام شاشات البلورات السائلة وتميزها بصغر سمكها ساهم على انتشارها بشكل كبير وجعلها تدخل في العديد من التطبيقات التكنولوجية.
شاشة من البلورات السائلة كجزء من آلة حاسبة
ربما يتسائل القارىء عن مصطلح البلورات السائلة لانه من الاسم يبدو ان هناك تناقض في كون البلورات صلبة مثل الكوارتز وكونها بلورات سائلة فما هي هذه المادة التي تجمع الخاصيتين معاً؟ في هذه المقالة سوف نقوم بشرح ذلك مع توضيح لفكرة عملها كشاشات تعرض الصور والحروف والكلمات.
البلورات السائلة Liquid Crystals
نعلم أن المواد في الطبيعة اما في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية. فالحالة الصلبة تكون فيها جزيئات المادة مرتبة باتجاه محدد وفي مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض أي لا تتحرك. أما في الحالة السائلة فإن جزيئاتها تكون في حالة حركة مستمرة ولا يجمعها اتجاه ترتيب محدد. ولكن هناك بعض المواد تكون في حالة وسطية أي بين السائل والصلب حيث تحافظ جزيئات المادة في هذه الحالة على اتجاه ترتيبها كما في جزيئات المادة الصلبة ولكن في نفس الوقت تتحرك مثل جزيئات الحالة السائلة، وهذا يعني أن البلورات السائلة هي ليست حالة صلبة وليست حالة سائلة ولكن بين الحالتين معا ومن هنا جائت التسمية بالبلورات السائلة.
إذا هل يمكن ان نعتبر أن البلورات السائلة تتصرف مثل المواد الصلبة أو المواد السائلة؟ في الحقيقة ان البلورات السائلة اقرب إلى المواد السائلة منها إلى المواد الصلبة. باعتبار ان ارتفاع بسيط في الحرارة بحولها إلى سائل. ولهذا فإن البلورات السائلة حساسة للتغيرات في درجان الحرارة.
أنواع البلورات السائلة
كما يوجد العديد من المواد السائلة أو العديد من المواد الصلبة، فإن هناك العديد من أنواع البلورات السائلة، تتواجد البلورات السائلة في عدة اطوار مختلفة تعتمد على درجة الحرارة وطبيعة المواد التي تصنع منها والنوع المخصص لصناعة الشاشات هو من الطور الدوار او المتحرك nematic phase، ويمتاز هذا الطور في ان البلورات السائلة تتأثر بالتيار الكهربي. وهناك نوع محدد من البلورات السائلة ذات الطور الدوار يستخدم في شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوي twisted nematicsويرمز له TN. وعندما تتعرض البلورات ذات الطور الدوار الملتوي إلى تيار كهربي فإنها تصبح غير ملتوية وتعتمد درجة الإلتواء على شدة التيار الكهربي. تستخدم تكنولوجيا شاشات البلورات السائلة هذه الخاصية (خاصية الإلتواء) في التحكم في مرور الضوء خلالها.
صورة توضح البلورات السائلة عند تكبيرها بواسطة ميكروسكوب
تصنيع شاشة من البلورات السائلة
يختلف الأمر عند الانتقال من تصنيع شريحة لمادة من البلروات السائلة عنه في حالة تصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة. وهناك اربعة حقائق يجب ان تتوفر لانتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.
الحقيقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
الحقيقة الثانية ان البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغير من استقطابه.
الحقيقة الثالثة طبيعة تركيب البلورات السائلة تتغير بتغير التيار الكهربي.
الحقيقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للكهرباء. شرح مبسط على ظاهرة استقطاب الضوء اضغط على الزر
شاشات البلورات السائلة LCD هي عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الاربعة السابقة لتظهر الصورة!
لتصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحين من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البوليمر تحتوي على شرائح ميكروسكوبية (لا ترى بالعين المجردة) تغطي أحد سطحي لوح الزجاج الذي لا يحتوي على شريحة الاستقطاب. يتم ضبط الشرائح الميكروسكوبية لتكون في نفس اتجاه الاستقطاب الشريحة المثبتة على السطح المقابل. تتم بعد ذلك اضافة طبقة رقيقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار. تعمل طبقة الشرائح الميكروسكوبية على توجيه البلورات السائلة لتصطف في اتجاه تلك الشرائح. يتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولكن مع التأكد ان شريحة الاستقطاب عمودية على اتجاه استقطاب الشريحة الأولي. تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوي بعضها فوق بعض من بدوران تدريجي يصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتيب الطلقة الأولى.
عندما يسقط الضوء على الشريحة الزجاجية الأولي فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزيئات البلورات السائلة في كل طبقة على توجيه الضوء إلى الطبقة التي تليها مع تغير مستوى استقطاب الضوء. وعندما يصل الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات البلورات السائلة فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاء جزيئات تلك الطبقة وبالتالي ينفذ الضوء منها.
عند تطبيق مجال كهربي على جزيئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوي وبالتالي فإن الضوء لا يمكن ان ينفذ من الجهة الأخرى.
Light Waves شعاع ضوئي.
Polarized Panels طبقة الزجاج المغطي بشريحة رقيقة من مواد مستقطبة للضوء.
Electrodes طبقة رقيقة من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربي.
Liquid Crystals طبقات جزيئات البلورات السائلة.
الزر على اليسار يعمل على تطبيق مجال كهربي على البلورات السائلة، ففي حالة وجود مجال كهربي لايخرج الضوء ولكن عند فصل المجال الكهربي ينفذ الضوء
بعد ان فهمنا الفكرة الفيزيائية لعلم شاشات العرض التي تعتمد على البلورات السائلة والتي تتلخص في تمرير الضوء وحجبه عن طريق التحكم في ترتيب البلورات السائلة من خلال مجال كهربي. اذا كيف يمكن ان نصنع شاشة بلورات سائلة.
نبدأ بتوفير شريحتين متقابلتين من الزجاج بينهما طبقة من البلورات السائلة ويضاف إليهما طبقتين من مادة شفافة موصلة للكهرباء electrodes. وتكون ترتيب الطبقات كما هو موضح في الشكل التالي:
الطبقة A عبارة عن القاعدة او الطبقة الخلفية وهي مرآة عاكسة لضوء.
الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج عليه طبقة رقيقة تعمل على استقطاب الضوء.
الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصيل التيار الكهربي.
الطبقة D عبارة عن طبفة البلورات السائلة وتكون فوق الطبقة الموصلة تماماً.
الطبفة E طبقة من الزجاج وعليه ايضا طبقة رقيقة من مادة مستقطبة للضوء ولكن في اتجاه عمودي على محور استقطاب الطبقة الأولى.
يوصل الالكترود بمصدر تيار كهربي مثل بطارية وعندما لا يمر تيار فإن الضوء يعبر من الطبقة الاول لشاشة البلورات السائلة سيصل إلى المرآة وينعكس عنها. ولكن عندما يمر التيار الكهربي من خلال الالكترود فإن البلورات السائلة الموجودة بين الالكترود والجهة المقابلة لها والتي تشكل مستطيل ستمنع الضوء من الوصول إلى المرآة مما يظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.
لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجي. حيث أن مادة البلورات السائلة لاتصدر الضوء بنفسها. الشاشات الصغير في الأغلب تكون عاكسة بمعنى انها تعرض الصورة من خلال انعكاس ضوء من مصدر خارجي. فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة في ساعة اليد الرقمية فإن الأرقام تظهر عندما يمر تيار كهربي من خلال الإلكترود إلى مجموعة معينة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطينا صورة الرقم كما في الشكل الموضح أدناه.
أما في شاشات الكمبيوتر المحمول أو الشاشات الحديثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابيح فلوريسنت فوقها أو على الجوانب أو في خلف الشاشة نفسها. وتعمل لوحة تشتيت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزيع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض. وحيث أن الطبقات التي تأتي فوق المصدر الضوئي هي عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتويه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالكترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغيرها يعمل على امتصاص كمية كبيرة من ضوء المصدر الضوئي قد تصل إلى 50%!
في المثال الموضح في عرض الفلاش أدناه نشاهد لوحة الإلكترود وكيف أن إلكترود مفرد يتحكم في استجابة البلورات السائلة من خلال تمرير شحنة كهربية. وإذا تخيلنا أن هناك من يتحكم في إرسال الشحنات الكهربية التي تمر عبر الالكترود فإنه يمكن تكوين صورة من خلال قيام البلورات السائلة بحجب الضوء ومنعه من الوصول إلى الشاشة الخارجية وبالتالي يمكن أن نعرف الآن لماذا تكون معالم الصورة على شاشة البلورات السائلة تكون سوداء.
أنظمة شاشات البلورات السائلة
النظام البسيط يسمى common-plane-based LCD أي شاشة عرض البلورات السائلة ذات القاعدة المشتركة، وهي تستخدم في الحالات التي تتطلب عرض مكرر للمعلومات مثل شاشات الساعات أو شاشات المثبتة على لوحة تحكم فرن الميكروويف.
النظام الأكثر تعقيداً وهو المستخدم في شاشات الكمبيوتر وهناك نظامين هما passive matrix والثاني active matrix.
نظام الـ passive matrix
يستخدم هذا النظام شبكة بسيطة تمثل عناصر الصورة على الشاشة والتي تعرف بالبكسيل pixel لتزويد عنصر صورة محدد بالشحنة الكهربية. تتركب الشبكة من طبقتين من الزجاج تسمى القاعدة substrate. أحد هاتين القاعدتين يحتوي على مجموعة من أعمدة والقاعدة الزجاجية الثانية تحتوي على مجموعة من الصفوف وكلاً من الاعمدة والصفوف عبارة عن مواد موصلة للكهرباء وفي الأغلب هي indium-tin oxide. يتم توصيل الأعمدة والصفوف بدائرة متكاملة integrated circuits تتحكم في توقيت إرسال الشحنة الكهربية إلى عنوان محدد برقم العامود ورقم الصف الذي يجب أن تصل له الشحنة الكهربية. تكون طبقة البلورات السائلة بين هاتين القاعدتين الزجاجيتين وتثبت طبقة الاستقطاب خرج القاعدتين. ولتشغيل أحد عناصر الصورة pixel يتم إرسال شحنة كهربية عبر الدائرة المتكاملة إلى العمود والصف المحددين لعنصر الصورة فيعملان على التأثير على البلورات السائلة بينهما فتعمل تلك البلورات السائلة على منع الضوء من المصدر الخلفي للشاشة عند تلك الـ pixel.
نظام الـ Active Matrix
تم تطور النظام السابق لتلافي عدة عيوب منها بطء الاستجابة للحركة السريعة خصوصاً إذا قمت بتحريك مؤشر الماوس على الشاشة بسرعة كبيرة فكانت الصورة تظهر حركة المؤشر مع ظهور خيالات لها، ولكن في النظام الجديد الذي يعرف بنظام الـ active matrix فلا يوجد مثل هذا العيب حيث يعتمد نظام العرض هذا على شريحة رقيقة من الترانسيستورات thin film transistors وتختصر بـ TFT، ويظهر هذا الرمز عند وصف مواصفات الشاشة. وببساطة فإن مجموعة كبيرة من التراتسيستورات والمكثفات المتناهية في الدقة مرتبة على شكل شبكة على قاعدة زجاجية substrate. يتم توجيه الشحنة الكهربية ايضا من خلال دوائر متكاملة تربط شبكة الترانسيستورات والمكثفات التي تمثل عناصر الصور وتكون وظيفة المكثفات هو الاحتفاظ بالشحنة لحين دورة المسح refresh cycle. كما انه إذا تم التحكم بدقة بكمية الشحنة التي يجب ان تصل إلى المكثف فيكن التأثير على دورات البلورات السائلة بزواية محددة مما تعمل على حجب الضوء بنسب متفاوتة وتعتمد على كمية الشحنة المرسلة لمكثف البكسيل المحدد. مما تستطيع هذه الشاشات من عرض 256 درجة رمادية متفاوتة بين الأبيض والاسود في حين أن النظام السابق لا يظهر مكونات الصورة إلا بلونين هما اللون الأبيض واللون الأسود.
كيف تظهر البلورات السائلة الألوان
نحصل على الألوان في شاشات البلورات السائلة من خلال استخدام ثلاثة طبقات مرشحة filter للألوان الأساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق. وبتحكم دقيق لكمية الشحنة يمكن الحصول على 256 درجة مختلفة لكل لون، وبدمج كافة الدرجات لكل الألوان يمكن أن نحصل على 16.8 مليون لون مختلف وهي عبارة عن حاصل ضرب 256 درجة للون الأحمر في 256 درجة للون الأخضر في 256 درجة للون الأزرق. كما في الشكل التوضيحي أدناه.
كل هذه الألوان تتطلب عدد هائل من الترانسيستورات، وعلى سبيل المثال فإن شاشة جهاز كمبيوتر محمول تدعم دقة عرض resolution تصل إلى 1024x768. يعني أنها تحتوي على عدد من الترانسيستورات يساوي حاصل ضرب 1024 عمود في 768 صف في 3 لكل لون ليساوي 2،359،296 ترانسيستور على مساحة الشاشة!
أي خلل يحدث لواحد من هذه الترانسيستورات يظهر مباشرة على الشاشة في شكل نقطة معتمة ولهذا تخضع الشاشات من هذا النظام لفحص دقيق قبل استخدامها وتسويقها.
مستقبل شاشات البلورات السائلة
لازالت الأبحاث مستمرة لتطوير هذه التكنولوجيا التي من المتوقع خلال السنوات القليلة القادمة ان تستبدل شاشات الكاثود التقليدية لخفة وزنها وقلة سمكها وقلة استهلاكها للطاقة ووضوح صورتها، وتم عمل الابحاث العلمية على تطوير البلورات السائلة نفسها لتشمل البلورات الدوارة الفائقة super twisted nematics (STN) وكذلك البلورات الدوارة المزدوجة المسح dual scan twisted nematics (DSTN) وغيرها الكثير (اعتمد على التسمية الانجليزية لان الترجمة للمصطلحات غير معربة)، وكذلك يجري البحث العلمي على انتاج شاشات البلورات السائلة بمساحات عرض كبيرة ويجب على القارئ ان يدرك سبب ارتفاع ثمن شاشات البلورات السائلة التي تزيد مساحة العرض عن 40 انش وذلك لصعوبة تصنيعها مع العلم ان الشاركات المنتجة لتلك الشاشات تتلف 50% منها لفشلها بعد عملية التصنيع ولذلك يتم تحميل ثمن التالف على ثمن السليم، وجدير يالذكر ان زيادة مساحة الشاشة يزيد من عرضت وجود كمية كبيرة من الترانسيستورات لا تعمل مما يسبب في استبعاد تلك الشاشات واتلافها
أنواع شاشات العرض :
الشاشة من النوع CRT
الشاشة من النوع LCD
الشاشة من النوع TFT
CRT
شاشات العرض CRT حيث أنها اختصار لـ Cathode Ray Tube وتعني أنبوب أشعة الكاثود. تستخدم في أغلب أجهزة التلفاز، وجدت منذ 60 سنة تقريباً. وخلال هذه المدة الطويلة فإن تقنيات العمل التي تتبعها لم تتغير كثيراً!
فكرة عملها الأساسية هي انطلاق الإلكترونات من خلف الشاشة إلى أن تصل إلى سطح العرض المبطن بطبقة من مادة الفسفور، شدة الانطلاق يسبب أشعاعات مختلفة لكترونات المندفعة، شعاع الإلكترون هذا يمر خلال سلسلة من طبقات مغناطيسية متينة والتي بدورها وضعت بطريقة تسمح لها بتوجيه الإشعاع إلى أماكن مختلفة في سطحالعرض، فحينما تصل هذه الإشعاعات إلى زجاج سطح العرض تصطدم بطبقة الفسفور الموجودة عليها مسببة نقطة متوهجة مؤقتاً، كل نقطة تمثل بكسل واحد في شاشة العرض. إن دقة التحكم بالجهد الكهربائي لكل إلكترون تسمح بتوهج البقعة التي يسببها في السطح توهجاً ساطعاً أو أقل سطوعاً مما يعطي اللونين الأبيض والأسود. قديماً: كان التلفاز الأبيض والأسود يحتوي على مدفع واحد للإلكترونات وطبقة واحدة من الفسفور، بعد ذلك أضيفت عدة مدافع في شاشات العرض من هذا النوع حتى أن طبقات الفسفور أصبحت تلون بنقط متقطعة ومنفصلة!
LCD
هي شاشة عرض مسطحة لا يوجد فيها ظهر مثل CRT وهي مميزة في توفير الكهرباء مفيدة ولكن مضرة للنظر وهي تعمل من خلال مصباح مضيئ على وجه المستخدم وعند إزاحة رؤوسنا تصبح الشاشة و كأن لونها اسود .
TFT
هي شاشة تسمى TFT وهي لا تختلف عن ال LCD الا بفرق واحد وهي ان الضوء ليس موجهاً وجه لوجه بل على جميع زوايا الشاشة و نلاحظ عند ازاحة رأسنا عنها أكثر من 120 درجة تصبح لون الشاشة مائل إلى السواد.
وللتعرف أكثر على فكرة عمل هذه الشاشات التي بدأت تنتشر بكثرة يجب اولاً أن نلقى بعض الضوء على فكرة عمل الشاشات التقليدية. فمنذ أكثر من 70 عاماً اعتمدت اجهزة التلفزيون على شاشات الكاثود Cathod ray tube. حيث تتكون شاشات الكاثود من مدفع الكتروني في انبوبة مفرغة وتنطلق الالكترونات المعجلة باتجاه شاشة فسفورية، وباستخدام مجالين كهربيين متعامدين يمكن مسح الشعاع الالكتروني على الشاشة بمعدل يصل إلى 25 مرة في الثانية، تعمل الالكترونات عند سقوطها على ذرات الفسفور المكونة للشاشة على اثارتها مما تجعلها تعطي ضوء لتتخلص من اثارتها. هذا الضوء المنبعث من تلك العناصر الضوئية (ذرات الفسفور) تكون الصورة التي نشاهدها. هذه الصورة التي نحصل عليها من شاشات الكاثود صورة واضحة ومقبولة ولكن حجم الشاشة الكبير مما يعني عمق كبير لجهاز التلفزيون ويصبح الجهاز ثقيل ويشغل حيز كبير من الغرفة الموجود بها.
ماهي الهيولى?
نعلم ان شاشات الكاثود في التلفزيون الملون تعمل من خلال تقسيم الشاشة إلى مربعات صغيزة تسمى البكسل pixel وهو عنصر الصورة ويكون هناك ثلاثة بيكسلات لكل من الالوان الاساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق وتكون موزعة على مساحة الشاشة وعند اصطدام الالكترونات بأي من هذه البكسلات يعطي ضوء بلون البكسل وهذا يكون الصورة.
تعمل شاشات الهيولى بنفس الآلية حيث يوجد يتكون كل بكسل من ثلاث ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق) ولكن لا يوجد الشعاع الالكتروني ولا يوجد الشاشة الفوسفورية انما يتم توليد هذه الالوان الثلاثة في كل بكسل من خلال fluorescent lights ضوء فلورسنت ومن خلال التحكم ودرجة شدة كل ضوء فلورسنت ينتج اللون المطلوب وهذا يحدث على كل بكسلات الشاشة وعندها تتكون الصورة الكاملة.
يتم توليد ضوء الفلورسنت من خلال الهيولى، والهيولى هي غاز متأين حيث تكون ذرات الغاز منزوعة منها الكتروناتها ويصبح الغاز مكون من ايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة الشحنة. وبالطبع هذا الغاز (الهيولى) يحدث في ظروف خاصة مثل أن يكون الغاز داخل مجال كهربي كبير ناتج عن فرق جهد عالي مما يؤدي إلى انجذاب الالكترونات إلى الطرف الموجب والأيونات إلى الطرف السالب فتصطدم الالكترونات مع الايونات مما يؤدي إلى أثارة ذرات الغاز في الهيولى وينتج عن هذه الاثارة تحرر طاقة في صورة فوتونات ضوئية كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي نستخدمها للاضاءة.
يتم في شاشات الهيولى استخدام غاز مكون من ذرات النيون وذرات الزينون وعند اثارة هذا الغاز بالطريقة سابقة الذكر نحصل على فوتونات في مدى الترددات الفوق بنفسجية التي لا ترى بالعين المجردة ولكن هذه الفوتونات تستخدم للاثارة للحصول على فوتونات بترددات في المدى المرئي.
نظرة أعمق في فكرة عمل شاشات الهيولى
تتوزع ذرات النيون وذرات الزينون على ألاف الخلايا المحصورة بين لوحين من الزجاج المنطقة رقم (2) و (6) الموضحة في الشكل. يتصل باللوح الزجاجي الأمامي (2) الكترود يسمى الكترود العرض Display Electrode ويتصل باللوح الزجاجي الخلفي (6)الكترود العنونة Address Electrode. وبالتالي تصبح كل خلية ضوئية (تحتوي على ذرات النيون والزينون) محاطة بالكترود العرض من الامام والكترود العنونة من الخلف.
تحيط مادة عازلة غير موصلة للكهرباء dielectric material الكترود العرض ومغطاة بطبقة واقية من اكسيد الماغنيسيوم لتكون بين الخلية الضوئية ولوح الزجاج الأمامي.
كما هو موضح في الشكل المقابل اللون الأصفر للالكترود الأمامي والخلفي والخلايا ضوئية الموضحة باللون الأزرق ويوجد بجانبها خلية ضوئية خضراء وأخرى حمراء، كذلك موضح الطبقة الواقية الشفافة من MgO.
بنظرة شمولية أكثر نلاحظ في الشكل التالي كيف تترتب الخلايا الضوئية على مساحة الشاشة وتقسم الشاشة إلى وحدات صغيرة تسمى عناصر الصورة وتدعى بكسل وكل بكسل عبارة عن ثلاثة خلايا ضوئية للألوان الأحمر والأخضر والأزرق. ونلاحظ أيضا اشرطة الالكترود (اللون الاصفر) بحيث تكون مرتبة في صفوف متوازية ويكون الكترود العنونة ممدد على طول الخلايا الضوئية ذات اللون الواحد ويكون الكترود العرض ممددا على طول البكسل.وهذا يكون على طول وعرض الشاشة مما يشكل في النهاية شبكة من الالكترود.
النبائط الثنائية باعثة الضوء
النبائط الثنائية باعثة الضوء (Light Emitting Diodes ويرمز لها LED) هي عبارة عن أشباه الموصلات ذات وصلة "p-n"هي تبعث إشعاعا ضوئيا عندما تكون في حالة انحياز أمامي.يمكن توليد عدد من الألوان, أكثرها شيوعا هو الأحمر والأخضر والأصفر والكهرماني.فهي لا تفسد فجأة ولكن تهبط فعاليتها ببطء.تعتمد متطلبات هذه النبائط من مصدر القدرة على المادة المستخدمة في بناء النبيطة الثنائية (وبالتالي على اللون المشع) وهو نموذجيا من 2vإلى 2.5vعند الجهد الأمامي,يكون جهد الانهيار المعاكس نموذجيا بين3v إلى 10v.يمكن أن تستخدم نبائط LEDإما منفردة في صورة مصابيح مبينة,وإما في مجموعات بغرض عرض الأرقام أو الحروف الأبجدية,أو بصورة مشتركة بين هذين النوعين من العرض (العرض الأبجدي العددي).
1.1.العرض المجزأ :
يستخدم "عرض الأجزاء السبعة " ((seven-segment display المبين في الشكل(1-1-أ) بكثرة في نظم عرض الأرقام,كتلك التي نجدها في الأجهزة والآلات الحاسبة.يمكن توليد أي من الأرقام العشرية العشرة(شكل1-1-ب) أو توليد أحد الحروف الأبجدية(شكل 1-1-ج).
يبين الشكل(1-1-د) رسما تخطيطيا لنظام عرض الأجزاء السبعة.
يبين الشكل (1-1-هـ(أ)) إحدى الطرق البديلة للعرض المجزأ وهو نمط الأجزاء الستة عشر.يمكن بواسطة هذا النوع من العرض توليد كل الحروف الأبجدية والعشرية بالإضافة إلى ماتولده الأنماط الأخرى.يبين الشكل(1-1-هـ(ب)) عددا من الحروف التي يمكن عرضها.
2.1.العرض باستخدام المصفوفات:
يستخدم بكثرة عرض المصفوفة متعددة النقط (dot matrix (displayومن أكثرها شيوعا ما يبينه الشكل(1-2-أ)وهو نظام عرض المصفوفة ذات النقط(5×7)،كما يبين (شكل 1-2-ب) شكلا شائعا آخرا وهو نظام عرض المصفوفة ذات النقط(4×7). يمكن عرض حروف الكود (اسكي ASCII)على شاشة عرض المصفوفة الأبجدية الرقمية (5×7).أسلوب العرض (5×7) المبين في (شكل 1-2-ج) هو صورة مبسطة للأسلوب المبين في (شكل 1-2-أ)، وهو قادر على توليد الأرقام العشرية العشرة إلى جانب عدد محدود من الحروف الأبجدية.يمكن إنتاج شاشات العرض الكبيرة الحجم باستخدام مصفوفة من مصابيح .LED
شاشات العرض باستخدام البلورات السائلة
إن البلورات السائلة هي مواد عضوية مائعة في الحالة المتوسطة بين الصلابة والسيولة.على عكس نبائط LED فإن شاشات العرض باستخدام البلورات السائلة( Liquid Crystal Display ويرمز لها (LCD لا تشع ضوءا، وإنما تعكس أو تنقل الضوء المتوهج.إذا كان مصدر الإضاءة هو الضوء المحيط ،فلا توجد حاجة لمصدر قدرة إضافي، أما إذا كان الضوء المحيط صفرا، فتظهر الحاجة إلى مصدر للضوء. حيث أن درجة تألق شاشة عرض LCD تتوقف على درجة توهج الضوء، فإن الإضاءة المباشرة تحسن من العرض. بصفة عامة، عندما يكون الغرض الرئيسي هو شاشة عرض ذات حجم كبير أو استهلاك منخفض للقدرة، فإن LCD تتفوق على غيرها.
يوجد عدة مئات من مركبات البلورات السائلة, والتي تقسم إلى ثلاث مجموعات، هي nematic)) و((semetic و(cholestric) والمجموعة الأولى هي أكثرها أهمية.هناك نوعان من شاشات عرض البلورات السائلة nematic إحداهما هو نوع البعثرة الديناميكية (dynamic scattering) والذي يسبب انعكاس الضوء، والنوع الآخر يعرف باسم التأثير المجالي (field effect) أو ( (twisted nematicوالذي يسمح بانتقال الضوء. يبين شكل(2-أ) الصورة العامة لبناء شاشة عرض الأجزاء السبعة.
تسال البلورات السائلة بين سطحين من الزجاج (أحدهما قد يكون المرآة)، وعلى هذين السطحين طلاء من مادة شفافة موصلة. يمكن باستخدام هذه الطريقة الحصول على أي شكل من الأشكال المعروضة، ويبين الشكل(2-ب)،(2-ج) المبينات العددية ذات الأجزاء السبعة.يكون القطب الأسفل (b) مشتركاً بين كل الأجزاء ،بينما يتم تنشيط الأجزاء العليا (c) كل على حدا,قد اصطفت مجموعتا الأقطاب فوق بعضها في وحدة العرض.
فكرة عمل شاشات البلورات السائلة
تعتبر شاشات العرض الوسيلة التي تمكن الانسان من الاستفادة من التكنولوجيا وقد نقصد بشاشات العرض هنا الشاشات بمختلف انواعها فهناك الشاشات التي تعتمد على شعاع الإلكتروني أو الشاشات التي تعتمد شاشت البلازما وكل نوع من هذه الأنواع له فكرة عمل فيزيائية مختلفة ولكن في هذا الموضوع سنركز على شاشات البلورات السائلة. ولهذا فإن شاشات العرض تحيط بنا من كل جانب وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الإلكترونية وتكون بأحجام صغيرة مثل شاشات الساعات أو شاشات السي دي او الجوال وقد تكون بأحجام كبيرة مثل شاشات أجهزة الكمبيوتر المحمول أو شاشات التلفزيون التي يصل حجمها إلى 60 انش. تنوع احجام شاشات البلورات السائلة وتميزها بصغر سمكها ساهم على انتشارها بشكل كبير وجعلها تدخل في العديد من التطبيقات التكنولوجية.
شاشة من البلورات السائلة كجزء من آلة حاسبة
ربما يتسائل القارىء عن مصطلح البلورات السائلة لانه من الاسم يبدو ان هناك تناقض في كون البلورات صلبة مثل الكوارتز وكونها بلورات سائلة فما هي هذه المادة التي تجمع الخاصيتين معاً؟ في هذه المقالة سوف نقوم بشرح ذلك مع توضيح لفكرة عملها كشاشات تعرض الصور والحروف والكلمات.
البلورات السائلة Liquid Crystals
نعلم أن المواد في الطبيعة اما في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية. فالحالة الصلبة تكون فيها جزيئات المادة مرتبة باتجاه محدد وفي مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض أي لا تتحرك. أما في الحالة السائلة فإن جزيئاتها تكون في حالة حركة مستمرة ولا يجمعها اتجاه ترتيب محدد. ولكن هناك بعض المواد تكون في حالة وسطية أي بين السائل والصلب حيث تحافظ جزيئات المادة في هذه الحالة على اتجاه ترتيبها كما في جزيئات المادة الصلبة ولكن في نفس الوقت تتحرك مثل جزيئات الحالة السائلة، وهذا يعني أن البلورات السائلة هي ليست حالة صلبة وليست حالة سائلة ولكن بين الحالتين معا ومن هنا جائت التسمية بالبلورات السائلة.
إذا هل يمكن ان نعتبر أن البلورات السائلة تتصرف مثل المواد الصلبة أو المواد السائلة؟ في الحقيقة ان البلورات السائلة اقرب إلى المواد السائلة منها إلى المواد الصلبة. باعتبار ان ارتفاع بسيط في الحرارة بحولها إلى سائل. ولهذا فإن البلورات السائلة حساسة للتغيرات في درجان الحرارة.
أنواع البلورات السائلة
كما يوجد العديد من المواد السائلة أو العديد من المواد الصلبة، فإن هناك العديد من أنواع البلورات السائلة، تتواجد البلورات السائلة في عدة اطوار مختلفة تعتمد على درجة الحرارة وطبيعة المواد التي تصنع منها والنوع المخصص لصناعة الشاشات هو من الطور الدوار او المتحرك nematic phase، ويمتاز هذا الطور في ان البلورات السائلة تتأثر بالتيار الكهربي. وهناك نوع محدد من البلورات السائلة ذات الطور الدوار يستخدم في شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوي twisted nematicsويرمز له TN. وعندما تتعرض البلورات ذات الطور الدوار الملتوي إلى تيار كهربي فإنها تصبح غير ملتوية وتعتمد درجة الإلتواء على شدة التيار الكهربي. تستخدم تكنولوجيا شاشات البلورات السائلة هذه الخاصية (خاصية الإلتواء) في التحكم في مرور الضوء خلالها.
صورة توضح البلورات السائلة عند تكبيرها بواسطة ميكروسكوب
تصنيع شاشة من البلورات السائلة
يختلف الأمر عند الانتقال من تصنيع شريحة لمادة من البلروات السائلة عنه في حالة تصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة. وهناك اربعة حقائق يجب ان تتوفر لانتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.
الحقيقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
الحقيقة الثانية ان البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغير من استقطابه.
الحقيقة الثالثة طبيعة تركيب البلورات السائلة تتغير بتغير التيار الكهربي.
الحقيقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للكهرباء. شرح مبسط على ظاهرة استقطاب الضوء اضغط على الزر
شاشات البلورات السائلة LCD هي عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الاربعة السابقة لتظهر الصورة!
لتصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحين من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البوليمر تحتوي على شرائح ميكروسكوبية (لا ترى بالعين المجردة) تغطي أحد سطحي لوح الزجاج الذي لا يحتوي على شريحة الاستقطاب. يتم ضبط الشرائح الميكروسكوبية لتكون في نفس اتجاه الاستقطاب الشريحة المثبتة على السطح المقابل. تتم بعد ذلك اضافة طبقة رقيقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار. تعمل طبقة الشرائح الميكروسكوبية على توجيه البلورات السائلة لتصطف في اتجاه تلك الشرائح. يتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولكن مع التأكد ان شريحة الاستقطاب عمودية على اتجاه استقطاب الشريحة الأولي. تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوي بعضها فوق بعض من بدوران تدريجي يصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتيب الطلقة الأولى.
عندما يسقط الضوء على الشريحة الزجاجية الأولي فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزيئات البلورات السائلة في كل طبقة على توجيه الضوء إلى الطبقة التي تليها مع تغير مستوى استقطاب الضوء. وعندما يصل الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات البلورات السائلة فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاء جزيئات تلك الطبقة وبالتالي ينفذ الضوء منها.
عند تطبيق مجال كهربي على جزيئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوي وبالتالي فإن الضوء لا يمكن ان ينفذ من الجهة الأخرى.
Light Waves شعاع ضوئي.
Polarized Panels طبقة الزجاج المغطي بشريحة رقيقة من مواد مستقطبة للضوء.
Electrodes طبقة رقيقة من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربي.
Liquid Crystals طبقات جزيئات البلورات السائلة.
الزر على اليسار يعمل على تطبيق مجال كهربي على البلورات السائلة، ففي حالة وجود مجال كهربي لايخرج الضوء ولكن عند فصل المجال الكهربي ينفذ الضوء
بعد ان فهمنا الفكرة الفيزيائية لعلم شاشات العرض التي تعتمد على البلورات السائلة والتي تتلخص في تمرير الضوء وحجبه عن طريق التحكم في ترتيب البلورات السائلة من خلال مجال كهربي. اذا كيف يمكن ان نصنع شاشة بلورات سائلة.
نبدأ بتوفير شريحتين متقابلتين من الزجاج بينهما طبقة من البلورات السائلة ويضاف إليهما طبقتين من مادة شفافة موصلة للكهرباء electrodes. وتكون ترتيب الطبقات كما هو موضح في الشكل التالي:
الطبقة A عبارة عن القاعدة او الطبقة الخلفية وهي مرآة عاكسة لضوء.
الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج عليه طبقة رقيقة تعمل على استقطاب الضوء.
الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصيل التيار الكهربي.
الطبقة D عبارة عن طبفة البلورات السائلة وتكون فوق الطبقة الموصلة تماماً.
الطبفة E طبقة من الزجاج وعليه ايضا طبقة رقيقة من مادة مستقطبة للضوء ولكن في اتجاه عمودي على محور استقطاب الطبقة الأولى.
يوصل الالكترود بمصدر تيار كهربي مثل بطارية وعندما لا يمر تيار فإن الضوء يعبر من الطبقة الاول لشاشة البلورات السائلة سيصل إلى المرآة وينعكس عنها. ولكن عندما يمر التيار الكهربي من خلال الالكترود فإن البلورات السائلة الموجودة بين الالكترود والجهة المقابلة لها والتي تشكل مستطيل ستمنع الضوء من الوصول إلى المرآة مما يظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.
لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجي. حيث أن مادة البلورات السائلة لاتصدر الضوء بنفسها. الشاشات الصغير في الأغلب تكون عاكسة بمعنى انها تعرض الصورة من خلال انعكاس ضوء من مصدر خارجي. فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة في ساعة اليد الرقمية فإن الأرقام تظهر عندما يمر تيار كهربي من خلال الإلكترود إلى مجموعة معينة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطينا صورة الرقم كما في الشكل الموضح أدناه.
أما في شاشات الكمبيوتر المحمول أو الشاشات الحديثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابيح فلوريسنت فوقها أو على الجوانب أو في خلف الشاشة نفسها. وتعمل لوحة تشتيت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزيع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض. وحيث أن الطبقات التي تأتي فوق المصدر الضوئي هي عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتويه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالكترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغيرها يعمل على امتصاص كمية كبيرة من ضوء المصدر الضوئي قد تصل إلى 50%!
في المثال الموضح في عرض الفلاش أدناه نشاهد لوحة الإلكترود وكيف أن إلكترود مفرد يتحكم في استجابة البلورات السائلة من خلال تمرير شحنة كهربية. وإذا تخيلنا أن هناك من يتحكم في إرسال الشحنات الكهربية التي تمر عبر الالكترود فإنه يمكن تكوين صورة من خلال قيام البلورات السائلة بحجب الضوء ومنعه من الوصول إلى الشاشة الخارجية وبالتالي يمكن أن نعرف الآن لماذا تكون معالم الصورة على شاشة البلورات السائلة تكون سوداء.
أنظمة شاشات البلورات السائلة
النظام البسيط يسمى common-plane-based LCD أي شاشة عرض البلورات السائلة ذات القاعدة المشتركة، وهي تستخدم في الحالات التي تتطلب عرض مكرر للمعلومات مثل شاشات الساعات أو شاشات المثبتة على لوحة تحكم فرن الميكروويف.
النظام الأكثر تعقيداً وهو المستخدم في شاشات الكمبيوتر وهناك نظامين هما passive matrix والثاني active matrix.
نظام الـ passive matrix
يستخدم هذا النظام شبكة بسيطة تمثل عناصر الصورة على الشاشة والتي تعرف بالبكسيل pixel لتزويد عنصر صورة محدد بالشحنة الكهربية. تتركب الشبكة من طبقتين من الزجاج تسمى القاعدة substrate. أحد هاتين القاعدتين يحتوي على مجموعة من أعمدة والقاعدة الزجاجية الثانية تحتوي على مجموعة من الصفوف وكلاً من الاعمدة والصفوف عبارة عن مواد موصلة للكهرباء وفي الأغلب هي indium-tin oxide. يتم توصيل الأعمدة والصفوف بدائرة متكاملة integrated circuits تتحكم في توقيت إرسال الشحنة الكهربية إلى عنوان محدد برقم العامود ورقم الصف الذي يجب أن تصل له الشحنة الكهربية. تكون طبقة البلورات السائلة بين هاتين القاعدتين الزجاجيتين وتثبت طبقة الاستقطاب خرج القاعدتين. ولتشغيل أحد عناصر الصورة pixel يتم إرسال شحنة كهربية عبر الدائرة المتكاملة إلى العمود والصف المحددين لعنصر الصورة فيعملان على التأثير على البلورات السائلة بينهما فتعمل تلك البلورات السائلة على منع الضوء من المصدر الخلفي للشاشة عند تلك الـ pixel.
نظام الـ Active Matrix
تم تطور النظام السابق لتلافي عدة عيوب منها بطء الاستجابة للحركة السريعة خصوصاً إذا قمت بتحريك مؤشر الماوس على الشاشة بسرعة كبيرة فكانت الصورة تظهر حركة المؤشر مع ظهور خيالات لها، ولكن في النظام الجديد الذي يعرف بنظام الـ active matrix فلا يوجد مثل هذا العيب حيث يعتمد نظام العرض هذا على شريحة رقيقة من الترانسيستورات thin film transistors وتختصر بـ TFT، ويظهر هذا الرمز عند وصف مواصفات الشاشة. وببساطة فإن مجموعة كبيرة من التراتسيستورات والمكثفات المتناهية في الدقة مرتبة على شكل شبكة على قاعدة زجاجية substrate. يتم توجيه الشحنة الكهربية ايضا من خلال دوائر متكاملة تربط شبكة الترانسيستورات والمكثفات التي تمثل عناصر الصور وتكون وظيفة المكثفات هو الاحتفاظ بالشحنة لحين دورة المسح refresh cycle. كما انه إذا تم التحكم بدقة بكمية الشحنة التي يجب ان تصل إلى المكثف فيكن التأثير على دورات البلورات السائلة بزواية محددة مما تعمل على حجب الضوء بنسب متفاوتة وتعتمد على كمية الشحنة المرسلة لمكثف البكسيل المحدد. مما تستطيع هذه الشاشات من عرض 256 درجة رمادية متفاوتة بين الأبيض والاسود في حين أن النظام السابق لا يظهر مكونات الصورة إلا بلونين هما اللون الأبيض واللون الأسود.
كيف تظهر البلورات السائلة الألوان
نحصل على الألوان في شاشات البلورات السائلة من خلال استخدام ثلاثة طبقات مرشحة filter للألوان الأساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق. وبتحكم دقيق لكمية الشحنة يمكن الحصول على 256 درجة مختلفة لكل لون، وبدمج كافة الدرجات لكل الألوان يمكن أن نحصل على 16.8 مليون لون مختلف وهي عبارة عن حاصل ضرب 256 درجة للون الأحمر في 256 درجة للون الأخضر في 256 درجة للون الأزرق. كما في الشكل التوضيحي أدناه.
كل هذه الألوان تتطلب عدد هائل من الترانسيستورات، وعلى سبيل المثال فإن شاشة جهاز كمبيوتر محمول تدعم دقة عرض resolution تصل إلى 1024x768. يعني أنها تحتوي على عدد من الترانسيستورات يساوي حاصل ضرب 1024 عمود في 768 صف في 3 لكل لون ليساوي 2،359،296 ترانسيستور على مساحة الشاشة!
أي خلل يحدث لواحد من هذه الترانسيستورات يظهر مباشرة على الشاشة في شكل نقطة معتمة ولهذا تخضع الشاشات من هذا النظام لفحص دقيق قبل استخدامها وتسويقها.
مستقبل شاشات البلورات السائلة
لازالت الأبحاث مستمرة لتطوير هذه التكنولوجيا التي من المتوقع خلال السنوات القليلة القادمة ان تستبدل شاشات الكاثود التقليدية لخفة وزنها وقلة سمكها وقلة استهلاكها للطاقة ووضوح صورتها، وتم عمل الابحاث العلمية على تطوير البلورات السائلة نفسها لتشمل البلورات الدوارة الفائقة super twisted nematics (STN) وكذلك البلورات الدوارة المزدوجة المسح dual scan twisted nematics (DSTN) وغيرها الكثير (اعتمد على التسمية الانجليزية لان الترجمة للمصطلحات غير معربة)، وكذلك يجري البحث العلمي على انتاج شاشات البلورات السائلة بمساحات عرض كبيرة ويجب على القارئ ان يدرك سبب ارتفاع ثمن شاشات البلورات السائلة التي تزيد مساحة العرض عن 40 انش وذلك لصعوبة تصنيعها مع العلم ان الشاركات المنتجة لتلك الشاشات تتلف 50% منها لفشلها بعد عملية التصنيع ولذلك يتم تحميل ثمن التالف على ثمن السليم، وجدير يالذكر ان زيادة مساحة الشاشة يزيد من عرضت وجود كمية كبيرة من الترانسيستورات لا تعمل مما يسبب في استبعاد تلك الشاشات واتلافها
أنواع شاشات العرض :
الشاشة من النوع CRT
الشاشة من النوع LCD
الشاشة من النوع TFT
CRT
شاشات العرض CRT حيث أنها اختصار لـ Cathode Ray Tube وتعني أنبوب أشعة الكاثود. تستخدم في أغلب أجهزة التلفاز، وجدت منذ 60 سنة تقريباً. وخلال هذه المدة الطويلة فإن تقنيات العمل التي تتبعها لم تتغير كثيراً!
فكرة عملها الأساسية هي انطلاق الإلكترونات من خلف الشاشة إلى أن تصل إلى سطح العرض المبطن بطبقة من مادة الفسفور، شدة الانطلاق يسبب أشعاعات مختلفة لكترونات المندفعة، شعاع الإلكترون هذا يمر خلال سلسلة من طبقات مغناطيسية متينة والتي بدورها وضعت بطريقة تسمح لها بتوجيه الإشعاع إلى أماكن مختلفة في سطحالعرض، فحينما تصل هذه الإشعاعات إلى زجاج سطح العرض تصطدم بطبقة الفسفور الموجودة عليها مسببة نقطة متوهجة مؤقتاً، كل نقطة تمثل بكسل واحد في شاشة العرض. إن دقة التحكم بالجهد الكهربائي لكل إلكترون تسمح بتوهج البقعة التي يسببها في السطح توهجاً ساطعاً أو أقل سطوعاً مما يعطي اللونين الأبيض والأسود. قديماً: كان التلفاز الأبيض والأسود يحتوي على مدفع واحد للإلكترونات وطبقة واحدة من الفسفور، بعد ذلك أضيفت عدة مدافع في شاشات العرض من هذا النوع حتى أن طبقات الفسفور أصبحت تلون بنقط متقطعة ومنفصلة!
LCD
هي شاشة عرض مسطحة لا يوجد فيها ظهر مثل CRT وهي مميزة في توفير الكهرباء مفيدة ولكن مضرة للنظر وهي تعمل من خلال مصباح مضيئ على وجه المستخدم وعند إزاحة رؤوسنا تصبح الشاشة و كأن لونها اسود .
TFT
هي شاشة تسمى TFT وهي لا تختلف عن ال LCD الا بفرق واحد وهي ان الضوء ليس موجهاً وجه لوجه بل على جميع زوايا الشاشة و نلاحظ عند ازاحة رأسنا عنها أكثر من 120 درجة تصبح لون الشاشة مائل إلى السواد.
افضل الخدمات والعروض الرائعة نوفرها لكم من مراكز صيانة جنرال اليكتريك حصل الان على افضل الخدمات الرئعة باسعار مناسبة
ردحذفاستمتع الان بكافة خدمات الصيانة الرائعة التى نوفرها من توكيل جروندنج واحصل على الصيانة باقل التكاليف وباسعار مناسبة
ردحذفتعتبر صيانة سيمنس من افضل الصيانات ومن افضل المراكز التى تقوم بصيانة الاجهزة المنزلية بكفاءة عالية احصل الان على صيانة سيمنس باقل الاسعار
ردحذف