شاشات العرض LCD

أ.م.د محمد حميد حسين
كلية التربية للعلوم الصرفة – قسم لفيزياء

مازال التقدم التكنلوجي في تقدم مستمر وما زال يزودنا بوسائل واجهزة جديدة تفضي على الحياة المزيد من المتعة والراحة. إن شاشات العرض هي إحدى الوسائل التي مكنت الإنسان من مشاهدة الأخبار والأفلام وما يعرض للمشاهد عبر وسائل الإعلام، كما إن شاشات العرض موجودة في العديد من الأجهزة الإلكترونية كشاشات الساعات، السي دي، الهواتف المحمولة، أجهزة اللابتوب أو شاشات التلفزيون بأحجامها المختلفة.
هناك العديد من أنواع شاشات العرض فمنها ما يعتمد في عمله على إطلاق شعاع الكتروني أو لبلازما أو البلورات السائلة، وكل نوع يعمل وفق طريقة عمل فيزيائية تختلف عن الأخرى. وسنركز في مقالتنا هذه على شاشات البلورات السائلة LCD والتي هي اختصارات للكلمات Liquid Crystal Display (1).
تتميز شاشات البلورات السائلة بسمكها القليل، إعطائها لصورة أنقة وأوضح، قلة استهلاكها للطاقة وصغر حجم الشاشة نفسها نسبة للشاشات القديمة ساهم بشكل فعال في انتشارها وساعد في مساهمتها في الكثير من التطبيقات التكنلوجية الحديثة (2).

البلورات السائلة Liquid Crystals
إن للمواد في الطبيعة ثلاثة أطوار (حالات) هي: الحالة الصلبة، السائلة، والغازية. ففي الحالة الأولى (الصلبة) تكون فيها ذرات أو جزيئات المادة مرتبة بشكل منتظم وباتجاه معين وفي مواقع ثابته بالنسبة لبعضها البعض، أي إنها مقيده في مواقعها. أما بالنسبة للحالة السائلة فإن ذراتها أو جزيئاتها تكون قابلة للحركة (غير مقيدة بموقعها وحركتها تكزن انزلاقية) وغير مرتبه بشكل منتظم. أما الحالة الغازية فتكون حركت ذراتها أو جزيئاتها أكثر حرية بالإضافة إلى إنها غير مرتبه أيضاً.
هناك مواد تكون بطور أو حالة وسطية أي بين الحالتين الصلبة والسائلة، حيث إن ذرات أو جزيئات هذه المواد تحافظ على اتجاه ترتيبها كما في الحالة الصلبة بينما نلاحظها تتحرك (غير مقيدة في مواقعها) مثل الحالة السائلة، وخير مثال على هذه المواد هي البلورات السائلة، مما يعني إن البلورات السائلة هي حالة وسطية فهي ليست بالحالة الصلبة ولا بالحالة السائلة ومن هنا جاءت تسميتها بالبلورات السائلة.
إن تصرف البلورات السائلة هو أقرب ما يكون للمواد السائلة منها إلى للمواد الصلبة. نظراً لكون أي ارتفاع ولو بسيط في درجة الحرارة يحول هذه المواد إلى الحالة السائلة، وهذا سبب حساسة البلورات السائلة ضد تغيرات درجات الحرارة، وهذا يفسر أيضًا التصرفات الغريبة للكمبيوتر المحمول في الجو شديد الحرارة والجو شديد البرودة (1، 3).
أنواع البلورات السائلة
هناك العديد من الأنواع للبلورات السائلة، حيث إنها تتواجد بأطوار عديدة ومختلفة تعتمد أطوارها على درجة الحرارة وطبيعة المواد الداخلة في تركيبها. إن النوع الذي تصنع منه شاشات البلورات السائلة يتميز بتأثره بالتيار الكهربائي، ويدعى بالطور الدوار او المتحرك nematic phase وهناك طور خاص من بلورات الطور الدوار تستخدم في صناعة شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوي twisted nematics ويرمز له TN. ويتميز هذا الطور بأنه عند تسليط تيار كهربائية بين طرفيه فإنه يصبح عير ملتوي وتعتمد درجة الالتواء على شدة التيار لكهربائي المسلط، حيث يستفاد من هذه الخاصية في تكنولوجيا شاشات العرض بالتحكم في كمية الضوء الذي يمر من خلالها (1).
إن خاصية تأثر هذه البلورات السائلة بالتيار الكهربي يعطينا قابلية التحكم في كمية الضوء التي يمكن أن تنبعث منها وتشكيل جزيئاتها بشكل قضبان يمكن ترتيبها وتنظيمها بأشكال مختلفة بالحرارة أو المجال المغناطيسي أو التيار الكهربي (3).
الحقائق الواجب توفرها لإنتاج شاشات LCD:
* 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 (1).

مكونات شاشات LCD:

تتركب شاشات LCD من الأجزاء التالية (4):
⦁ طبقة ضوء الخلفية (Backlight)، إن مبدأ عمل هذه الشاشات هو تسليط ضوء خلف الشاشة (ساطع وقوي) وذلك باستعمال الدايود الباعث للضوء LED، بعدها تبدأ مكونات الشاشة بمنع أو إمرار الضوء حسب الحاجة لتظهر الصورة بالشكل النهائي المطلوب.
إن توزيع أضواء الخلفية لا يأخذ نمط موحد، ففي الشاشات الباهظة الثمن يكون توزع الأضواء خلف الشاشة، بينما يكون في الشاشات الرخيصة تكون جانبية موضوعة على بعض أو جميع حواف الشاشة مع استخدام طبقة عاكسة.
⦁ طبقة مشتتة للضوء مهمتها توزيع الضوء الساقط عليها، وهي تعمل قدر الإمكان أي يكون توزيعه بشكل متساوٍ على جميع نقاط الشاشة بحيث لا توجد نقاط مضاءة أكثر من بقية النقاط داخل الشاشة.
⦁ فلتر خلفي (رأسي أو أفقي) يحجب أو يمنع مرور الموجات الضوئية العمودية على أتجاه استقطابه، فعندما تكون جهة أستقاب الفلتر رأسي فإنه يمرر الضوء المستقطب أفقياً، بينما يمر الضوء المستقطب رأسياً إذا كان أتجاه استقطاب الفلتر أفقياً.
إن الضوء الصادر من طبقة LEDيكون غير مستقطب أي إن أمواجه تتكون من مجالين كهربائي ومغناطيسي متعامدين على بعضهما ويدوران حول محور تقدم الموجة. وعند مرور هذا الضوء خلال مستقطب فإن أتجاه استقطابه يحدد نوع استقطاب الضوء النافذ منه، أي إنه يسمح للأمواج الموازية لاتجاه استقطابه إلى حد معين بالنفاذ من حلاله ويمنه الباقي من النفاذ.
كما يوجد في الجهة المقابلة فلتر آخر مستقطب بعكس الفلتر الخلفي (رأسياً أو أفقياً). لذا فإنه من المنطقي أن لا يمر أي ضوء من خلال هذين الفلترين كون استقطابهما متعامد على الآخر، حيث تكون الشاشة سوداء تماماً (او قريبة جداً من اللون الأسود).
⦁ طبقة من الترانزستورات (TFT) بشكل أفقي وعمودي مهمتها التحكم بكمية وموقع الضوء الذي سيسقط على طبقة السائل الكريستالي.
المصفوفة السلبية والنشطة (Passive and Active matrix):
المصفوفة السلبية للشاشات LCD:
لكي يتم معرفة موقع البيكسل الذي سيضيئ من الشاشة تم وضع شبكة الكترونية من الترانزستورات على طبقتين من الزجاج تسمى بالركائز “substrates”، حيث تعطيننا إحدى الطبقتين الترانزستورات المرتبة بشكل أعمدة والأخرى تعطينا المرتبة بشكل صفوف. تُصنع الركائز من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربائي تعرف بأكسيد القصدير والإنديوم (indium-tin-Oxide) ويتم ربط كل من ترانزستورات الصفوف والأعمدة إلى دائرة خارجية متكاملة (Integrated circuit) للتحكم في إضاءة البكسلات.
تستخدم المصفوفة السلبية والتي تعتبر من النوع البسيط جداً والذي يستهل التعامل معه تعاني من بعض المشاكل في العرض لحدوث بعض الأخطاء في استجابة الشاشة البطيئة لتغيرات العرض (1، 3).
المصفوفة النشطة للشاشات LCD:
لمعالجة مشكلة تأخر استجابة الشاشة لتغيرات العرض تم صنع شريحتين من الترانزستورات والتي هي عبارة عن مجموعة من المفاتيح الصغيرة أو المكثفات تم ترتيبها بشكل مصفوفة على لوح من أكسيد القصدير والإنديوم وهي تعمل بنفس طريقة المصفوفة السلبية. إن وجود المكثف في المصفوفة النشطة يعمل على خزن الشحنة الكهربية داخله لفترة زمنية قصيرة وذلك ما يتم ملاحظ عند إقطاع التيار الكهربائي فجأة عن الشاشة، حيث تبقى النقطة التي كانت مضاءة تقريباً لفترة ثانيتين أو ثلاثة لحين افراغ المكثف لشحنته المخزونة.
⦁ لوح من الكريستال السائل والمتكونة من عدة طبقات داخلية يتم التحكم بكل طبقة منها على حدة وبالتالي يمكن تغيير استقطابها بين الطبقتين الأولى والأخيرة (1، 3).
إن الفكرة من وضع السائل الكريستالي في المنتصف، هو وضع فلتر ثالث بحيث يكون أتجاه استقطابه مائل وغير متعامدة مع أي من الفلترين السابقين ليسمح بنفوذ المزيد من الضوء مقارنة باستخدام الفلترين فقط. وبتغيير زاوية استقطاب السائل الكريستالي (الفلتر الثالث) يمكن السيطرة على كمية الضوء النافذ. فعندما يسقط الضوء على الفلتر الأول فإنه يقوم باستقطاب الضوء حسب اتجاه استقطاب الفلتر، ثم يسقط الضور النافذ من الفلتر الأول على السائل الكرستالي والذي تعمل جزيئاته داخل كل طبقة من طبقات اللوح الكريستالي على توجيه الضوء النافذ منها إلى الطبقة التالية مع تغيير في مستوى استقطاب السائل الكريستالي. وعندما وصول الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات اللوح الكريستالي فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاه جزيئات الطبقة الأخيرة مما يسمح بنفوذ الضوء منها (4، 5).
⦁ فلتر لوني مقسم إلى بكسلات (Pixels) وأجزاء بكسل (Sub-Pixel) ملونة.
البكسلات وإنتاج الألوان
إن ترتيب الفلاتر الثلاثة السابقة بالطريقة أعلاه يجعل من الممكن التحكم بزاوية استقطاب كل كريستالة سائلة على حده، وبالتالي فمن الممكن جعل الضوء ينفذ منها في أماكن ولا ينفذ (يختفي) من أحرى. وبالتالي يمكن رسم صورة على الشاشة باللونين الأبيض والأسود.
ولجعل الصورة المعروضة على الشاشة ملونة نحتاج إلى تقنية جديدة. إن شاشة العرض مقسمة إلى نقاط صغيرة تدعى بالبكسل (Pixel) هي وحدة قياس دقة وخصائص الصورة المعروضة بالشاشة، وكل بكسل يتألف من ثلاثة أجزاء أساسية تدعى , Sub-Pixelكل واحدة منها مسؤولة عن إظهار واحد من الألوان الأساسية لثلاثة فقط من نظام RGB (أحمر – أخضر – أزرق)، وبتطبيق قيم مختلفة لكل من الألوان الأساسية يمكن الحصول على أي لون من ألوان الطيف الأساسية، أي الحصول على صور ملونة.
بما إن الكريستالات السائلة يمكن التحكم بها بشكل فردي، فمن الممكن السيطرة على كمية الضوء الساقط على كل Sub-Pixel، مما يعني السيطرة على لون وكمية الضوء لكل بكسل، وبالنتيجة الحصول على صورة ملونه وبالتدريجيات اللونية المختلفة (4، 5).
⦁ فلتر أمامي (أفقي أو رأسي) متعامد مع الفلتر الخلفي، ويمنع الضوء بشكل معاكس له.

مزايا شاشات LCD :
⦁ تحتاج إلى حيز قليل لاستخدامها، فهي تشغل مساحة أقل بكثير من الشاشات التقليدية.
⦁ توفير الطاقة: على الرغم من أن حجم استهلاك الطاقة في شاشات الـ LCD يتناسب طردياً مع حجمها، إلا أنّها وبشكل عام تمتاز بأنّها شاشات موفرة للاستهلاك الكهربائي.
⦁ السطوع: فتمتاز شاشات الـ LCD بسطوعها العالي مقارنة بسابقتها من نوع الـ CRT، وجدير بالذكر أنّ هذا السطوع الجيد يجعل من شاشات الـ LCD خياراً مناسباً لاستخدامها في الأماكن التي يوجد فيها إضاءة عالية. مريحة للعينين: فشاشات الـ LCD تقلل الإصابة بإجهاد العينين وذلك ينتج من أن شاشات الـ LCD تُنتج عدد أقل من الومضات بمقارنة بشاشات الـ CRT مما يجعلها أكثر راحة لعيني المستخدم.
⦁ ضعف زمن الاستجابة، ذلك يعني أنّها ستكون سيّئة في اللقطات السريعة سواء في الأفلام، أو الألعاب، أو المباريات (2، 6).

عيوب شاشات LCD :
⦁ تسرب الإضاءة الخلفية “Backlight Bleeding”.
⦁ عدم تعمّق اللون الأسود.
⦁ ضعف زاوية الرؤية، وذلك يعني أنّ الشاشة لا تبدو واضحة إلا في حالة النظر إليها بشكل مستقيم، وظهور تشوّهات في صورة الشاشة عند النظر إليها من زاوية أخرى.
⦁ عمرها الافتراضي قليل مقارنة بشاشات LED .
⦁ ضعف زمن الاستجابة، ذلك يعني أنّها ستكون سيّئة في اللقطات السريعة سواء في الأفلام، أو الألعاب، أو المباريات (2، 6).

نصائح تتعلق بشاشات LCD :
⦁ لا تستخدم في الأماكن ذات الإضاءة المنخفضة نظراً لشدّة إضاءتها وضعف اللون الأسود. ويُنصح باستخدامها في الأماكن ذات الإضاءة العالية.
⦁ ينصح باستخدامها كشاشة لجهاز الحاسوب، بينما لا تصلح للاستخدام في الألعاب ذات السرعات العالية أو لمشاهدة أفلام الحركة والمباريات السريعة (2، 6).

المراجع:
⦁ http://www.mawhopon.net/?p=3149
⦁ https://mawdoo3.com/%D8%A7%D9%84%D9%81%D8%B1%D9%82_%D8%A8%D9%8A%D9%86_%D8%B4%D8%A7%D8%B4%D8%A9_lcd_%D9%88_led
⦁ https://www.thaqafnafsak.com/2012/10/posts-16.html
⦁ https://tech247.me/how-does-lcd-work/
⦁ https://electronics.howstuffworks.com/lcd.htm
⦁ https://mawdoo3.com/%D9%85%D9%85%D9%8A%D8%B2%D8%A7%D8%AA_%D8%B4%D8%A7%D8%B4%D8%A7%D8%AA_lCD