فكرة عمل شاشات البلورات السائلة LCD
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 يتسأل 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 الى 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.
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 احد 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.
Electrods 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 الى 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 ارسال 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.
فكره عمل شاشات LCD
