تقنية شاشات الكريستال السائل (الجزء 1)

لا تزال تقنية شاشات الكريستال السائل (LCD)، بفضل متطلبات تصنيعها المنخفضة نسبيًا وتكلفتها المنخفضة، تهيمن على سوق مبيعات شاشات العرض. شاشة LCD هي شاشة عرض سلبية، تتكون من وحدتين رئيسيتين: لوحة الكريستال السائل ووحدة الإضاءة الخلفية. تُصدر وحدة الإضاءة الخلفية ضوءًا أبيض، يتم تعديله لاحقًا من حيث اللون والسطوع لكل بكسل بواسطة لوحة الكريستال السائل، لعرض صورة ملونة متحركة.

تتكون وحدة الإضاءة الخلفية من مصابيح LED وأغشية بصرية. يتم تشتيت الضوء النقطي المنبعث من مصابيح LED وتجانسه بواسطة الأغشية البصرية لتشكيل مصدر ضوء سطحي موحد يُضيء لوحة الكريستال السائل. مصدر الضوء الأبيض هو مزيج من الألوان الأساسية الثلاثة: الأحمر والأخضر والأزرق. بعد مرور الضوء عبر لوحة الكريستال السائل، تتشكل ألوان ودرجات سطوع محددة من خلال العمل المشترك لمفاتيح الكريستال السائل التي تُقابل كل خلية من خلايا البكسل الفرعي. تتكون لوحة 4K كاملة، تضم حوالي 24.88 مليون خلية بكسل فرعي، من إطار واحد.

يوضح الشكل أدناه بنية لوحة الكريستال السائل. بالإضافة إلى الركائز الزجاجية التي تحمل أغشية وظيفية متنوعة، تتكون الطبقات من الأسفل إلى الأعلى من: المستقطب السفلي، ودائرة تشغيل الترانزستور ذي الأغشية الرقيقة (TFT)، وطبقة الكريستال السائل، ومرشح الألوان (CF)، والمستقطب العلوي.

كما يوحي الاسم، فإن البلورات السائلة مواد بلورية ذات خصائص شبيهة بالسوائل، إذ تجمع بين خصائص تدفق السوائل وخصائص البلورات الاتجاهية، مما يمنحها خصائص ميكانيكية وبصرية وكهربائية فريدة. وكما هو موضح في الصورة التالية، تقوم لوحة البلورات السائلة، من خلال التنسيق بين البلورات السائلة والمستقطبين العلوي والسفلي، بتبديل وتعتيم الضوء الساقط من الإضاءة الخلفية، مما يُنتج مستويات سطوع مختلفة (تدرج رمادي). وبالتزامن مع وظيفة مرشح الألوان، تتشكل ألوان ومستويات سطوع مختلفة.

إذن، ما هي التغييرات التي تحدث عندما تدخل الإضاءة الخلفية إلى لوحة الكريستال السائل؟

أولًا، تُجهز الطبقتان العلوية والسفلية للوحة الكريستال السائل بمستقطبات متعامدة. ثم تُقسم المساحة إلى خلايا لا حصر لها وفقًا لدقة البكسل. يُقسم كل بكسل إلى خلايا فرعية حمراء وخضراء وزرقاء. كل خلية، من الأسفل إلى الأعلى، مزودة بقطب كهربائي مستقل، وطبقة كريستال سائل، وطبقة مرشح ألوان. تُشكل المستقطبات العلوية والسفلية، مع الكريستال السائل، "بوابة" تتحكم في حالة تشغيل/إيقاف نفاذ الضوء لتلك الخلية، بالإضافة إلى شدة الضوء المنقول. تختلط شدات الضوء المختلفة المنقولة عبر الخلايا الفرعية الثلاث، بعد مرورها عبر مرشحات الألوان الحمراء والخضراء والزرقاء، بنسب متفاوتة لتشكيل لون الشاشة وسطوع البكسل.

إذن، كيف تعمل هذه البوابة المدمجة؟

الإضاءة الخلفية، كالإضاءة الطبيعية، عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مستعرضة. يكون اتجاه اهتزاز الجسيمات عموديًا على اتجاه انتشار الموجة، أي أن اتجاه اهتزاز الضوء يقع دائمًا ضمن المستوى xy، عموديًا على اتجاه الانتشار (المحور z). عندما تصطدم أشعة الإضاءة الخلفية بالمستقطب السفلي للوحة الكريستال السائل، لا يمر إلا الضوء الذي يهتز في نفس اتجاه شبكة المستقطب (اتجاه المحور y)، ليصبح ضوءًا مستقطبًا خطيًا ينتشر باتجاه اهتزاز محدد. كما هو موضح في الشكل 3، عندما لا يكون قطب البكسل على ركيزة الترانزستور الرقيق (TFT) مُفعّلاً، يمر الضوء المستقطب عبر طبقة الكريستال السائل وطبقة ألياف الكربون دون تغيير اتجاه اهتزازه، ويصل إلى المستقطب العلوي. مع ذلك، يكون اتجاه شبكة المستقطب العلوي عموديًا على المحور y (اتجاه المحور x). لذلك، لا يستطيع الضوء المستقطب الذي يهتز في اتجاه المحور y المرور عبر المستقطب العلوي، مما ينتج عنه حالة مظلمة تُرى من أمام الشاشة.

عند تنشيط قطب دائرة الترانزستور الرقيق (TFT)، تدور جزيئات البلورات السائلة. ينحرف اتجاه استقطاب الضوء المستقطب الخارج من المستقطب السفلي بفعل هذه الجزيئات. وبضبط سمك البلورات السائلة وزاوية الدوران بدقة، يمكن تغيير اتجاه اهتزاز الضوء المستقطب بمقدار 90 درجة. عند هذه النقطة، يصبح اتجاه اهتزاز الضوء المستقطب موازيًا للمحور السيني، متوافقًا مع اتجاه محزز المستقطب العلوي، مما يسمح بمروره. أما إذا شكل اتجاه الاهتزاز زاوية مع اتجاه المحزز، فإن مركبة طاقة الموجة الضوئية الموازية لاتجاه المحزز تمر عبر المستقطب، مما يؤدي إلى انخفاض شدة الضوء الأصلية. بتغيير جهد قطب الترانزستور الرقيق، يمكن تعديل زاوية دوران البلورات السائلة، وبالتالي التحكم في شدة الضوء المنقول عبر المستقطب العلوي.

الخصائص الكهروضوئية للبلورات السائلة

لماذا يمكن للمجال الكهربائي أن يتسبب في دوران البلورات السائلة؟ ولماذا يؤدي دوران البلورات السائلة إلى تغيير اتجاه اهتزاز الضوء المستقطب؟

كما هو موضح في الشكل أدناه، تتميز جزيئات البلورات السائلة ببنية قضيبية الشكل، وتمتلك خاصية التباين البلوري. وتُظهر هذه الجزيئات تأثيرات كهروضوئية مختلفة، وثوابت عزل كهربائي، ومعاملات انكسار متباينة على طول محوريها الطويل والقصير. ويمكننا الاستفادة من هذه الخصائص لتغيير شدة الضوء الساقط على كل خلية بكسل، وبالتالي تكوين الألوان وتدرجات الرمادي.

التباين العازل للبلورات السائلة

يختلف ثابت العزل الكهربائي (ε) لجزيئات البلورات السائلة على طول محوريها الطويل والقصير. عندما يكون ثابت العزل الكهربائي الموازي للمحور الطويل أكبر من نظيره العمودي عليه (ε// > ε⊥)، تُسمى بلورة سائلة من النوع الموجب ذات تباين عزل كهربائي موجب، وهي مناسبة للمحاذاة المتوازية. أما عندما يكون ε// < ε⊥، فتُسمى بلورة سائلة من النوع السالب ذات تباين عزل كهربائي سالب، والتي لا يمكن استخدامها إلا في المحاذاة العمودية لتحقيق التأثير الكهروضوئي المطلوب. عند تطبيق مجال كهربائي خارجي، يتحدد اتجاه دوران جزيئات البلورة السائلة - سواء كان موازيًا أو عموديًا على المجال الكهربائي - بناءً على ما إذا كان تباين العزل الكهربائي موجبًا أم سالبًا، وهو ما يحدد بدوره نفاذية الضوء. حاليًا، تنتمي معظم البلورات السائلة من النوع VA، الشائعة الاستخدام في شاشات TFT-LCD، إلى نوع تباين العزل الكهربائي السالب. عند تنشيطها، تستقطب جزيئات البلورات السائلة بفعل المجال الكهربائي الخارجي، مما يؤدي إلى ميل محاورها الطويلة في اتجاه عمودي على المجال. تستخدم شاشات IPS عادةً بلورات سائلة موجبة، بينما تستخدم بعض شاشات ADS Pro بلورات سائلة سالبة.

الانكسار المزدوج للبلورات السائلة

تتميز جزيئات البلورات السائلة بخاصية الانكسار المزدوج والدوران البصري؛ حيث يختلف معامل الانكسار (n) على طول المحورين الطويل والقصير. معامل الانكسار على طول المحور الطويل هو nO، وعلى طول المحور القصير هو nE.

بسبب اختلاف معاملات الانكسار، تختلف سرعات الضوء. عند دوران البلورات السائلة، تختلف سرعات الضوء على طول المحورين الطويل والقصير، مما يُحدث فرقًا في الطور بين الأشعة العادية (O) وغير العادية (E) الخارجة مقارنةً بحالتها عند السقوط، مُنتجًا ظاهرة تأخر الطور. عند خروج شعاع الضوء من البلورة السائلة، تتحد متجهات الضوء O وE، مُنتجةً اتجاه اهتزاز جديد مُدار. من خلال تصميم خاص لطول المسار البصري وزاوية الدوران، يُمكن ضبط فرق الطور بين الأشعة O وE الخارجة على نصف طول موجي. هذا يُؤدي إلى دوران طور الضوء الخارج بمقدار 90 درجة مقارنةً بالضوء الساقط، مما يسمح له بالمرور عبر المُستقطِب العلوي. تُحدد زوايا الدوران المختلفة للبلورات السائلة فروقًا مختلفة في الطور بين الأشعة O وE، وبالتالي التحكم في شدة الضوء النافذ.

أنواع ألواح الكريستال السائل

استنادًا إلى نمط دوران البلورات السائلة، تُقسم شاشات LCD إلى ثلاثة أنواع: TN (البلورات السائلة الملتوية)، وIPS (التبديل داخل المستوى)، وVA (المحاذاة الرأسية). كانت شاشات TN من أوائل الشاشات استخدامًا، وكانت الأقل تكلفة. مع ذلك، ونظرًا لألوانها المحدودة (6 بت) ونطاق ألوانها الضيق وزوايا رؤيتها الضيقة جدًا، فقد اختفت تقريبًا من سوق شاشات LCD السائدة. تستخدم شاشات LCD السائدة حاليًا بشكل أساسي شاشات IPS وVA.

كما هو موضح في الشكل، تحتوي شاشات IPS على جزيئات من الكريستال السائل مرتبة أفقيًا. تقع أقطاب البكسل الموجبة والسالبة على نفس المستوى الأفقي على ركيزة الترانزستور الرقيق (TFT). عندما لا تكون الشاشة مُشغّلة، يمر الضوء المستقطب عبر المستقطب السفلي عبر الكريستال السائل دون تغيير في اتجاه الاستقطاب. في هذه الحالة، يكون اتجاه اهتزاز الضوء المستقطب عموديًا على اتجاه شبكة المستقطب العلوي، ولا يمكن للضوء المرور. عند تشغيل الشاشة، وبسبب وجود المجال الكهربائي، تدور جزيئات الكريستال السائل ضمن المستوى الأفقي (تبديل داخل المستوى). نتيجةً للانكسار المزدوج، يتحلل الضوء المستقطب إلى شعاعين ضوئيين بسرعتين مختلفتين. عند خروجهما من الكريستال السائل، يكون لهذين الشعاعين المستقطبين فرق في الطور، ثم يتحدان لتكوين نوع جديد من الضوء المستقطب. يمر هذا الضوء المستقطب بعد ذلك عبر مرشح الألوان، حيث يُظهر الضوء الصادر من كل خلية بكسل فرعية الألوان الأحمر والأخضر والأزرق. يصل الضوء المستقطب الذي يخترق مرشح الألوان إلى المستقطب العلوي. بعد أن يُحوّل البلورات السائلة الضوء إلى زاوية جديدة، يصبح لكل بكسل فرعي زاوية دوران مختلفة. تمر مكونات الضوء المستقطب ذات الزوايا المختلفة بالنسبة لشبكة المستقطب العلوي، مما ينتج عنه ألوان الأحمر والأخضر والأزرق بدرجات سطوع متفاوتة من كل خلية بكسل فرعي. تمتزج هذه الألوان الثلاثة ذات درجات السطوع المختلفة لتكوين البكسل الملون المطلوب. تتحد ألوان 24,883,200 خلية بكسل فرعي (3840 × 2160 × 3) لتكوين ألوان 8,294,400 بكسل (3840 × 2160)، مما يُنشئ إطارًا واحدًا من صورة بدقة 4K. تعمل البلورات السائلة، بتغيرها مع المجال الكهربائي بتردد محدد، على تغيير زاوية اهتزاز الضوء المستقطب باستمرار، مُشكّلةً إطارًا تلو الآخر، وصولًا إلى عرض الفيديو.

مبدأ عمل شاشات VA مماثل لمبدأ عمل شاشات IPS. وكما هو موضح في الشكل 6، يختلف ترتيب جزيئات الكريستال السائل عن شاشات IPS. ففي شاشات VA، تصطف جزيئات الكريستال السائل عموديًا، وتتوزع أقطاب البكسل الموجبة والسالبة على المستويين العلوي والسفلي، مما يُنشئ مجالًا كهربائيًا في الاتجاه العمودي.

عند عدم تطبيق جهد كهربائي على الأقطاب، تصطف جزيئات البلورات السائلة عموديًا على الركيزتين العلوية والسفلية. ينتشر الضوء المستقطب خطيًا المار عبر المستقطب السفلي موازيًا للمحور الطولي لجزيئات البلورات السائلة، لذا لا تتغير حالة استقطابه ولا يمكنه المرور عبر المستقطب العلوي. تكون اللوحة التي تراها العين البشرية في حالة مظلمة. عند عدم تطبيق جهد كهربائي أو تطبيق جهد منخفض، يمر الضوء المستقطب على طول المحور الطولي لجزيئات البلورات السائلة. نظرًا لانكسار الضوء المزدوج في البلورات السائلة، لا ينحرف الضوء المستقطب على طول المحور الطولي بشكل أساسي، وبالتالي لا يمكنه المرور عبر المستقطب العلوي، مما ينتج عنه أداءً عاليًا في حالة الظلام، ونسبة تباين عالية، ووضوح صورة ممتاز. عند تطبيق جهد كهربائي على الأقطاب، تدور جزيئات البلورات السائلة تحت تأثير المجال الكهربائي العمودي، حيث تميل محاورها الطولية في اتجاه عمودي على المجال الكهربائي. ستتعرض مكونات الضوء المستقطب خطيًا الساقط الداخل إلى البلورات السائلة لتأخر طوري داخل طبقة البلورات السائلة. بعد خروج الضوء المستقطب من طبقة البلورات السائلة، تتحد مكوناته، ويتغير استقطابه. ينحرف الضوء المستقطب من كل خلية فرعية في البكسل بزوايا مختلفة وفقًا للجهد المُحدد. بعد مروره عبر مرشح الألوان والمستقطب العلوي، نحصل على ألوان فرعية للبكسل بدرجات شدة متفاوتة. تمتزج ألوان البكسل الفرعية الأحمر والأخضر والأزرق بنسب شدة مختلفة لتكوين لون البكسل المطلوب، مما يُشكل في النهاية إطارًا كاملًا للعرض.