الأحداث
LCD (Liquid crystal display)
معنى وخصائص الكريستال السائل:
تعلمنا في حصص الفيزياء بأن للمادة ثلاثة أشكال معروفة هي: الصلبة والسائلةوالغازية. وتكون المادة صلبة لأن الجزيئات المكونة لها تحافظ على تشكيلتها وتبقى فيالمواقع نفسها بالنسبة للجزيئات الأخرى، على عكس جزيئات السوائل إذ أن باستطاعتهاتغيير مواقعها والانتقال إلى أي مكان آخر في السائل. ولكن يمكن لبعض المواد التواجدفي حالة غريبة هي ما بين الصلبة والسائلة، وعندها فإن الجزيئات المكونة لها تنحوللحفاظ على مواقعها كما في المادة الصلبة وفي نفس الوقت أيضاً تتحرك في تنظيماتمختلفة كما هو حال جزيئات المادة السائلة. هذا يعني بأن الكريستال السائل ليسبالمادة الصلبة ولا بالسائلة كذلك، وهو ما أعطاها هذا الاسم المتناقض.
وبناءً على ما تقدّم، يبرز سؤال في غاية الأهمية مفاده هل الكريستال السائل مادةصلبة أم سائلة؟ يبدو واضحاً بأن هذه المادة أقرب إلى السائل منها إلى المادةالصلبة. فكل ما يتطلبه الأمر هو القليل من الحرارة مع المادة المناسبة لتغييرهامن حالتها الصلبة إلى كريستال سائل، وبزيادة الحرارة قليلاً ستتحول تلك إلى سائلحقيقي. وهذا يفسر سبب الحساسية العالية للكريستال السائل تجاه الحرارة وسبب كونهاالمادة المناسبة لصنع موازين الحرارة مثلاً، كما يشرح الحالة الغريبة التي تصاب بهاشاشة حاسب محمول في البرد القارص أو الحر الشديد.
إن الكريستال السائل مادة تتمتع بخواص فيزيائية فريدةفتنتقل حالتها بين السائلة إلى الصلبة، والتحول هذا منوط بالجهد الكهربي الموجّهإليها! فتبدأ بالتميع عند درجة حرارة 145.5° ثم تصبح سائلة عند درجة حرارة مقدارها 178.5°
يشيع استخدام شاشات الكريستال السائل liquid crystal displays, LCD) في كمبيوترات المفكرات notebooks)، والمساعدات الشخصية الرقمية PDA)، إلا أنها تغزو الآن، أسواق الكمبيوترات المكتبية desktops)،
أيضاً. وتَعِد هذه الشاشات المسطحة، بوضوح رائع عند الكثافات النقطية
العالية، كما أنها متوفرة الآن، بقياسات تصل إلى 15 بوصة وتكمن أولى
فوائده، في حجمه الصغير، مقارنة بشاشات CRT التقليدية ذات الحجم الكبير والوزن الثقيل بسبب ضرورة وضع أنبوب الأشعة المهبطية ضمنها أما مراقيب LCDفلا تزيد سماكتها على بضع بوصات وهي بالتالي أخف وزناً بكثير من شاشات CRT وتستهلك طاقة كهربائية أقل بكثير من استهلاك شاشات CRTويكمن عيبها الآخر في أن زاوية الرؤية فيها محدود ولتأمين زاوية رؤيا مثالية لشاشات LCD يجب النظر إليها بشكل عمودي على سطحها، وكلما انحرفنا عن هذا الوضع، باتجاه طرف الشاشة، تزداد صعوبة قرائتها، بالمقارنة مع شاشات CRT كما أن الكثافة النقطية العظمى لشاشات LCD لا تتجاوز 1024768x بيكسل وهذا غير كاف في بعض التطبيقات.
منابع الضوء وانماط الرؤيه :
لا تستطيع شاشات LCD اصدارالضوء كما هو الحال في شاشات CRT ولكنها تحتاج الى مصدر ضوء ويوجد ثلاثة أنماط رؤية viewing modes)):
1- نمط الرؤيه الانعكاسى Reflective
يدخل ضوء الشمس أو ضوء الغرفة إلى شاشة LCD من الأمام ويصطدم بطبقة عاكسة للضوء reflector وأخرى مستقطبة للضوء polarizer متوضعتين في الجزء الخلفي من الشاشة ثم ينعكس هذا الضوء باتجاه المستخدم تستخدم الساعات الرقمية، والآلات الحاسبة، وبعض الأجهزة الإلكترونية الأخرى الشاشات الانعكاسيةلكن لا تكون ظروف الإضاءة الخارجية جيدة دائماً فطوّرت لذلك منابع أخرى للضوءوأنماط أخرىللرؤية.
2- النمط المنقول Trans missive
لا يستخدم الضوء المنعكس، بل يستخدم مصدر اضاءه داخلى بالشاشه فبعض الشاشات تكون جانبية الإضاءة (Edge lit) حيث يوضع منبع ضوئي في طرف شاشة العرض، و لكن معظمها خلفي الإضاءة (backlit) فيكون المنبع الضوئي خلف الشاشة ويتكون المنبع الضوئي، عادة، من أحد الأنواع الثلاثة التالية:
1- التوهج الإلكتروني electroluminescent،
2- ثنائي الباعث الضوئي light-emitting diode, LED
3- فلوريسانت المهبط البارد cold-cathode fluorescent, CCF
وطريقة التوهج الإلكتروني من أكثر هذه الطرق انتشاراً، فيما تمتاز طريقة CCF بأنها تعطي أفضل إنارة جانبية
3- النمط المنعكس المنقول transflective
ويمتاز النمط المنقول بأنه لا يستخدم الضوء المنعكس، بل يعتمد تماماً،
على الإضاءة الجانبية، أو الإضاءة الخلفية. أما النمط المنعكس المنقول transflective فيستخدم الضوء المنعكس عند توفره والإضاءة الخلفية عند الحاجة.
تستخدم أجهزة PDA، مثل جهاز Palm III، النمط المنعكس المنقول transflective).
بنية شاشات LCDتقع جزيئات الكريستال
السائل، بين الحالة السائلة والحالة الصلبة للمادة. ويمكن لمادة الكريستال
السائل أن تنساب مثل السوائل، لكن الجزيئات المستقلة قضيبية الشكل، يمكن أن
تُعطى اتجاهاً معيناً. وتتوضع جزيئات الكريستال السائل بشكل طبيعي، في
تشكيلة متوازية نسبياً وتسمّى هذه الوضعية بالطور الشريطي nematic، وتسمّى جزيئات الكريستال السائل المستخدمة في شاشة العرض، الكريستالات السائلة الشريطية nematicliquid crystals. وتكمن الخطوة الأولى في تقنية LCD،
في الاستفادة من هذه الخاصية، عن طريق التحكم بدقة، بالتراصف المتوازي
لهذه الجزيئات. فبالاعتماد على درجة الحرارة وطبيعة المادة، ينتج الكريستالالسائل عن واحدة من عدة أطوار (مراحل) منفصلة في عملية تعريض المادة للحرارة. وهى :-
اشكال الكريستال السائل
مثلما تتواجد أشكال متنوعة من المواد الصلبة والسائلة، كذلك لدينا ثلاث انواع منالكريستال السائل
1- Semitic 2- Cholesteric 3-Nematic
وسنركز على الكريستال السائل في الطور الخيطي (Nematic Phase) وتحديداً النوع الذي له شكل الخيوط المجدولة (Twisted Nematics) ويرمز لهاختصاراً(TN) حيث إن أحدى خصائص هذه المادة هوتأثرها بالتيار الكهربائي الذي يؤدي عند مروره بها إلى التخفيف من جدلتها (التواءها )بدرجاتمتنوعة حسب قوة التيار. ويتم استخدام هذا الكريستال السائل بالذات في شاشات LCD لأنه يستجيب للتيار الكهربائي بطريقة تجعله يتحكم بمقدار مرور الضوء من خلاله
يبيّن الشكل المرفق بنية شاشة LCD المكونة من عدة طبقات. تقع طبقة جزيئات الكريستال السائل، بين طبقتي تراصف alignment layers،
تحتويان على أخاديد صغيرة، تساعد على تراصف الجزيئات في نموذج معين. وتكون
أخاديد الطبقة الأولى متعامدة مع أخاديد الطبقة الأخرى، وتبقى طبقات
التراصف بعيدة عن بعضها بنسبة ثابتة
وتكون الأخاديد في طبقات التراصف عمودية على بعضها البعض، وتتراصف
نهايات أشرطة الكريستال السائل على طول الأخاديد، فتصبح أشرطة الكريستال
السائل ملتوية. وتساوي زاوية الالتواء، في معظم شاشات الكريستال السائل،
التي تسمّى شاشات الشريط الملتويtwisted nematic, TN)) فإنها تدير الكريستال السائل، بزاوية 90 درجة. أما الشاشات المتطورة، التي تسمّى شاشات الشريط شديد الالتواء super twist nematic)) أو شاشات الشريط مضاعف الالتواء double)super twist nematic)، أو حتى شاشات الشريط ثلاثي الالتواء triple super twist)nematic(فإنها
تدير الكريستال السائل، بزاوية تصل إلى 270 درجة. وكلما كبرت نسبة التواء
الشريط الكريستالي، تتحسن نسبة تباين الضوء على الشاشة
يكون
الضوء عشوائي الاتجاه، عادة، إلا أنه من الممكن إجباره على اتخاذ اتجاه
معين، وهذا الاتجاه في حالتنا، هو اتجاه التواء جزيئات الكريستال السائل.
حيث يمر الضوء في شاشات LCD أيضاً، عبر طبقتي استقطاب polarizing layers))
تتألف كل منهما من مرشح يسمح بمرور الضوء الموجه باتجاه معين. وتتوضع هذه
الطبقات بحيث تكون خطوط الاستقطاب متعامدة مع بعضها البعض، ومتوافقة مع
طبقات التراصف المماثلة لها. وإذا وضعنا طبقتي استقطاب أمام بعضهما في هذه
الطريقة، فإن الضوء سوف يتمكن من المرور عبر الطبقة الأولى، وسيمنع من
المرور عبر الطبقة الثانية، لأن لمرشحي الضوء اتجاهين متعامدين. لكن الضوء
في شاشات LCD يتبع اتجاه التواء جزيئات الكريستال السائل، ليتوافق مع اتجاه مرشح الاستقطاب الثاني، ويتمكّن من المرور
تبقى أشرطة الكريستال السائل ملتوية الشكل، إلى أن يتم تطبيق التيار
الكهربائي عليها فتستقيم بحيث تتراصف نهايتها الأولى مع النهاية الأخرى،
وتصبح عمودية على مستوى الشاشة.كما فى حالة (off state)
وتزود طبقة الإلكترودات المناطق المختارة بالتيار الكهربائي. وتبدو المناطق
التي يطبق عليها التيار داكنة اللون، لأن الضوء المرشح من خلال طبقة
الاستقطاب الأولى، يتبع جزيئات الكريستال السائل المستقيمة، بينما تمنعه
طبقة الاستقطاب الثانية من المرور. أما المناطق التي لا يطبّق عليها التيار
فتبدو مضاءة، لأن الضوء يتبع جزيئات LC الملتوية ويمكنه أن يمر عبر طبقة الاستقطاب الثانيةكما فى حالة
)(on state ونحصل في النتيجة، على نظام يمنع مرور الضوء في بعض الأماكن، ويسمح بمروره في أماكن أخرى، مشكلاً الصورة المطلوبة
كيف تعمل شاشات LCDيظهر الضوء من خلف
الشاشة، إما عن طريق طبقة عاكسة في النمط الانعكاسي أو من منبع ضوئي مدمج
في النمط المنقول). وتقوم طبقة الاستقطاب polarizing layer))
بترشيح الضوء، الذي يمر من خلال طبقة زجاجية، وطبقة إلكترودات شفافة،
وطبقة تراصف، ومن ثَمّ من خلال الكريستالات السائلة ذاتها. وتأتي بعدها
طبقات متممة، مؤلفة من طبقة إلكترودات شفافة، وطبقة تراصف، ثم مرشحات
الألوان، وشريحة زجاجية. ويتألف كل بيكسل في الشاشة الملونة، من جزء أحمر،
وآخر أخضر، وثالث أزرق، بنسب تحدّدها التعليمات التي تتحكم بالكريستالات
السائلة عند كل نقطة، على شبكة الإلكترودات الشفافة. وإذا لم تكن
الكريستالات السائلة مشحونة عند نقطة معينة، فإن الضوء يمر عبر طبقة
الاستقطاب الأمامية. وإذا كانت الكريستالات السائلة مشحونة كهربائياً،
فإنها تمنع مرور الضوء ويتم ترشيح الضوء عبر طبقة استقطاب. وتنشئ طبقتا
التراصف أشرطة من الكريستالات السائلة قضيبية الشكل، والتي تتراصف بشكل
طبيعي جنباً إلى جنب، مسببة إلتواء هذه الأشرطة بزاوية قدرها 90 درجة.
ويلتوي الضوء على طول أشرطة الكريستال السائل، ويمر عبر طبقة استقطاب
ثانية، متوضعة بانزياح قدره 90 درجة عن طبقة الاستقطاب الأولى.
وإذا تلقّت أشرطة الكريستال السائل، الشحنة الكهربائية من طبقة
الإلكترودات، فإن الجزيئات تتراصف بحيث تتوضع النهاية الأولى مع النهاية
الأخرى(اى تصبح كانها خط مستقيم)، مما يسمح للضوء بالمرور بشكل مباشر، بدون التواء. وفي تلك الحالة، يمنع مرشح الاستقطاب الثاني مرور الضوء
تتكون واجهة الشاشة السوداء والتي تنار لعرض الصور منطبقة أو أكثر من النيون، عدد هذه الطبقات يتراوح بين واحدة في الشاشات المنخفضةالسعر إلى أربعة طبقات أو أكثر في الشاشات المرتفعة السعر. تقوم فكرة العرض في هذهالشاشات على إعادة توجيه الضوء في نظام انعكاسات قبل أن يصل إلى لوح العرض، كل هذهالأنعكاسات في الضوء داخلية لا تظهر على سطح العرض فهو معزول بشكل لا يصدق مع صغرسمك الشاشة! في الحقيقة هناك لوحين للعرض، كل لوح يمتد على سطح العرض كاملاً منجهة، إذن لدينا لوحين: داخلي وظاهري. كلٌ منهما مغطى بـ:"مرشح أحمر، أخضر وأزرق (red, green or blue filter (RBG Filter" كل مجموعة منمجموعات RGB خاضعة لتحكم ترانسزتور يعطيها الفولت (الجهدالكهربي) الخاص بها. هذا الفولت هو الذي يسبب انحراف ذرات الكريستال السائل بزوايامختلفة ودقيقة هذه الزوايا تحدد كمية الضوء الذي يظهر على سطح العرض ويكوّن الصورة. إن ترتيب ذرات الكريستال وتحديد حالة الاستقطاب الخاصة بها هي سيدة الموقف هنا،فمهمة ذرات الكريستال هي جعل مسار الضوء ينحرف إلى مرشح Filter استقطاب ليمر من خلاله قبل أن يصل إلى شاشة العرض، فإذارتبت ذرات الكريستال في نفس اتجاه المرشح فهذا يسمح للضوء بمرور من خلالهاوالانحراف، أما لو رتبت بشكل عمودي مع المرشح فهذا يمنع الضوء من المرور وبالتاليتصبح الشاشة سوداء! وتوضح الصورة التالية هذه العملية
ولإنشاء صور ملونة، يتم تطبيق مرشحات الألوان فوق خلايا LCD
المستقلة. وترتب هذه المرشحات، عادة، في خطوط طولية، من ألوان الأحمر
والأخضر والأزرق، كما تستخدم نماذج أخرى من الألوان. ولإنشاء بيكسل أبيض
اللون، تقوم ثلاث خلايا LCD متجاورة ببث الضوء في آن. ويمكن إنشاء ظلال الألوان بعدة طرق، بما في ذلك خفض التوتر الكهربائي المطبق على خلية LCD، لخفض كمية الضوء المرسلة، أو عن طريق إضاءة وإطفاء الشاشة بشكل متكرر وسريع، أو بتوظيف تقنية الاهتزاز الموضعي spatial dithering)، وهي استخدام بيكسلات متجاورة، لتأمين كميات متفاوتة من ألوان الأحمر والأخضر والأزرق
أنظمة LCD:
LCD المسطحة: وهي جيدة للعرض البسيط لإظهار نفس المعلوماتمراراً وتكراراً. وتنتمي شاشات الساعات ومؤقت المايكرويف إلى هذه الفئة. وعلى الرغممن أن الشكل السداسي المشروح سابقاً (A, B, C…) هو الأكثر شيوعاً في هذه الأجهزة،إلا أن أي شكل آخر محتمل. وفيما خص شاشات الحواسب، يوجد نوعان رئيسيان من LCD: القالب الخامل والقالب النشط.
LCD القالب الخامل:
يستخدم هذا النوع شبكة كهربائيةبسيطة لشحن نقطة معينة على الشاشة. ويعتبر بناء شبكة الخطوط عملية بحد ذاتها! فهيتبدأ بطبقتي زجاج تدعيان الأساس، يوضع على أحدهما الأعمدة والآخر الصفوف واللتانتصنعان من مادة شبه موصلة تكون أكسيد الزنك عادة. تتصل الصفوف أو الأعمدة بداراتمدمجة (Integrated Circuits) والتي تقوم بعملية التحكم عندما يتم إرسال شحنةكهربائية عبر عمود أو صف. يجري حصر مادة الكريستال السائل بين الأساسين الزجاجيين،ويتم إضافة طبقة مستقطبة إلى الجانب الخارجي من كل أساس. ولإضاءة نقطة معينة، ترسلالدارة المدمجة شحنة إلى العمود الصحيح لأحد الأساسين وإلى الصف الصحيح في الأساسالآخر. يتقاطع العمود والصف في النقطة المطلوبة مما يسمح للتيار الكهربائي بفكجديلة الكريستال السائل لتلك النقطة.
تنبع جمالية نظام القالب الخامل من بساطته، ولكنه يعاني من مشاكل جوهرية منأهمها بطء زمن الاستجابة والتحكم الغير دقيق بالجهد الكهربائي. ويشير زمن الاستجابةإلى قدرة LCD على تجديد محتويات الشاشة من الصور المعروضة. والطريقة الأسهل لمشاهدةزمن الاستجابة البطيء في LCD ذات قالب خامل هو تحريك مؤشر الفأرة بسرعة على الشاشةمن جانب إلى آخر. سنلاحظ سلسلة من "الخيالات" تتبع المؤشر. ويعيق التحكم غير الدقيقبالجهد الكهربائي قدرة الشاشة على التأثير في نقطة واحدة منها في كل مرة على حده. فعندما يتم تطبيق جهد كهربائي لفك جديلة نقطة واحدة من الشاشة فإن النقاط المحيطةبها هي أيضاً تتعرض جزئياً لفك جدائلها مما يشوش الصور.
LCD القالب النشط:
تعتمد هذه الشاشات على ترانزستوراتضعيفة يجري ترتيبها على قالب من الأساس الزجاجي. ولإضاءة نقطة معينة يجري تفعيلالصف المناسب، ومن ثم يجري إرسال الشحنة الكهربائية إلى العمود الصحيح. وحيث أن كلالصفوف الأخرى المتقاطعة مع العمود خارج نطاق التشغيل فإن المكثف الكهربائي الخاصبالنقطة المطلوبة سيتلقى لوحده الشحنة، ويقوم بحجز الشحنة الكهربائية حتى انقطاعالدارة. وفي حال قمنا بالتحكم بعناية بمقدار الجهد الكهربائي المطبق على الكريستالسنتمكن من فك جديلته بالقدر الكافي فقط للسماح بمرور الضوء. إن عمل ذلك بحرص شديدسيمكّن LCD من إنشاء تدرجات رمادية، ومعظم الشاشات اليوم تحتوي على /256/ مستوى منالسطوع الضوئي في كل نقطة عرض. هذا عن الإضاءة، ولكن ماذا عن
الألوان:
لتتمكن LCD من إظهار الألوانلابد من وجود ثلاثة نقاط عرض فرعية بالألوان الأحمر والأخضر والأزرق. ومن خلالالتحكم الدقيق والتنويع في مقدار الجهد الكهربائي المطبق فإن كثافة كل نقطة عرض قدتبلغ أكثر من /256/ طيف ضوئي (تدرجات لونية). وينتج لدينا باجتماع نقاط العرض حوالي /16.8/ مليون لون (/256/ من تدرجات اللون الأحمر، /256/ من تدرجات اللون الأخضر و /256/ من تدرجات اللون الأزرق). تأخذ هذه الشاشات الملونة عدداً ضخماً منالترانزستورات. على سبيل المثال، يدعم حاسب محمول تدرجات لونية حتى (1.024×768). وفي حال أحصينا حاصل بضرب /1.024/ عمود مع /768/ صف مع /3/ نقاط عرض فرعية سنحصلعلى /2.359.296/ ترانزستور محفور على الزجاج. وفي حال ظهور أي مشكلة بأحد هذهالترانزستورات فإنها تتسبب في "نقطة معتمة" على الشاشة، وتحتوي معظم شاشات القالبالنشط على بعض النقاط المعتمة المبعثرة عبرها.
وأخيراً، لابد لنا من الحديث عن حجم العرض الذي تقدمه هذه الشاشات فهو محدودبمشاكل التحكم بالنوعية التي تواجه المصنّعين. ولزيادة حجم العرض يجب على المصنّعينإضافة نقاط عرض وترانزستورات أكثر مما يعني زيادة فرصة وضع ترانزستورات رديئة فيالشاشة. والمصنّعين الحاليين لشاشات LCD الكبيرة يرفضون حوالي 40% من القطع الناتجةعن خط التجميع. ويؤثر هذا المستوى العالي من رفض القطع على الأسعار حيث أن مبيعات LCD الجيدة يجب أن تغطي تكلفة تصنيع القطع الجيدة والرديئة على حدٍ سواء. ووحدهتطوير عمليات التصنيع قد يقود إلى شاشات بحجم كبير وسعر معقول.
تمتاز هذه الشاشات بالحجم الصغير و الاقتصادية في استهلاك الطاقة بالاضافة الى انهالا تصدر اي اشعاع مؤذي للعين و يمكن لبعض انواعها ان تصل لدقة عرض تضاهي شاشاتالمدفع الالكتروني العادية .
شاشةCRTأم شاشةLCD؟ أيهما الأفضل؟
شاشات lcd
تستهلك قدرا أقل من الطاقة، وقد تستهلك شاشة بقياس 17 إنش حوالي
50 وات من الكهرباء بينما تستهلك شاشة أنبوب الأشعة المهبطية ضعف ذلك وأكثر
أحيانا
كما تجدر الإشارة إلى أن سطوع شاشات الكريستال السائل (ويقاس بوحدة كانديلا/م2 CD/M2) هو دوما ضعف تلك من نوع أنبوب الأشعة المهبطية CRTسيفيدك
ذلك في النهار أو عندما تكون الإضاءة عالية. لكن الطرز الحديثة من هذه
الشاشات لا تزال تعاني من بعض العيوب مثل زمن الاستجابة الذي لا يناسب
الألعاب أو مشاهدة الفيديو.وتلعب عوامل حاسمة في قرار شراء شاشة بتقنية
الكريستال السائل حيث عليك تجنب شراء شاشة لا تلبي حاجاتك الخاصة سواء كانت
في مشاهدة الأفلام أو الألعاب، فقد تحتاج لشاشة بزمن استجابة سريع بصورة
مناسبة لك بزمن استجابة لا يزيد على 20 ميلي ثانية، وبذلك تتجنب ظهور
خيالات تترك أثرها في مشاهد الحركة السريعة في الأفلام والألعاب. كما يجب
عليك الانتباه لزاويا المشاهدة viewing angle، لتعرف فائدتها
عندما لا تكون جالسا بصورة لصيقة بالشاشة. كما يفيدك أن تعرف حال محول
الطاقة سواء كان مدمجا أو يأتي بتصميم لتركيبه من الخارج. كما ننصحك بالحرص
على مزايا تركيب الشاشة وتحريكها باتجاهات متعددة أو بتجهيزات خاصة
لتركيبها على الجدار.
يوضح الجدول التالي مقارنة بين نوعينالشاشات السابقي الذكر، ويمكن أن تحدد من خلاله الشاشة الأكثر مناسبة لك اعتماداًعلى نوعية الأعمال التي تقوم بها على كمبيوترك:
معنى وخصائص الكريستال السائل:
تعلمنا في حصص الفيزياء بأن للمادة ثلاثة أشكال معروفة هي: الصلبة والسائلةوالغازية. وتكون المادة صلبة لأن الجزيئات المكونة لها تحافظ على تشكيلتها وتبقى فيالمواقع نفسها بالنسبة للجزيئات الأخرى، على عكس جزيئات السوائل إذ أن باستطاعتهاتغيير مواقعها والانتقال إلى أي مكان آخر في السائل. ولكن يمكن لبعض المواد التواجدفي حالة غريبة هي ما بين الصلبة والسائلة، وعندها فإن الجزيئات المكونة لها تنحوللحفاظ على مواقعها كما في المادة الصلبة وفي نفس الوقت أيضاً تتحرك في تنظيماتمختلفة كما هو حال جزيئات المادة السائلة. هذا يعني بأن الكريستال السائل ليسبالمادة الصلبة ولا بالسائلة كذلك، وهو ما أعطاها هذا الاسم المتناقض.
وبناءً على ما تقدّم، يبرز سؤال في غاية الأهمية مفاده هل الكريستال السائل مادةصلبة أم سائلة؟ يبدو واضحاً بأن هذه المادة أقرب إلى السائل منها إلى المادةالصلبة. فكل ما يتطلبه الأمر هو القليل من الحرارة مع المادة المناسبة لتغييرهامن حالتها الصلبة إلى كريستال سائل، وبزيادة الحرارة قليلاً ستتحول تلك إلى سائلحقيقي. وهذا يفسر سبب الحساسية العالية للكريستال السائل تجاه الحرارة وسبب كونهاالمادة المناسبة لصنع موازين الحرارة مثلاً، كما يشرح الحالة الغريبة التي تصاب بهاشاشة حاسب محمول في البرد القارص أو الحر الشديد.
إن الكريستال السائل مادة تتمتع بخواص فيزيائية فريدةفتنتقل حالتها بين السائلة إلى الصلبة، والتحول هذا منوط بالجهد الكهربي الموجّهإليها! فتبدأ بالتميع عند درجة حرارة 145.5° ثم تصبح سائلة عند درجة حرارة مقدارها 178.5°
يشيع استخدام شاشات الكريستال السائل liquid crystal displays, LCD) في كمبيوترات المفكرات notebooks)، والمساعدات الشخصية الرقمية PDA)، إلا أنها تغزو الآن، أسواق الكمبيوترات المكتبية desktops)،
أيضاً. وتَعِد هذه الشاشات المسطحة، بوضوح رائع عند الكثافات النقطية
العالية، كما أنها متوفرة الآن، بقياسات تصل إلى 15 بوصة وتكمن أولى
فوائده، في حجمه الصغير، مقارنة بشاشات CRT التقليدية ذات الحجم الكبير والوزن الثقيل بسبب ضرورة وضع أنبوب الأشعة المهبطية ضمنها أما مراقيب LCDفلا تزيد سماكتها على بضع بوصات وهي بالتالي أخف وزناً بكثير من شاشات CRT وتستهلك طاقة كهربائية أقل بكثير من استهلاك شاشات CRTويكمن عيبها الآخر في أن زاوية الرؤية فيها محدود ولتأمين زاوية رؤيا مثالية لشاشات LCD يجب النظر إليها بشكل عمودي على سطحها، وكلما انحرفنا عن هذا الوضع، باتجاه طرف الشاشة، تزداد صعوبة قرائتها، بالمقارنة مع شاشات CRT كما أن الكثافة النقطية العظمى لشاشات LCD لا تتجاوز 1024768x بيكسل وهذا غير كاف في بعض التطبيقات.
منابع الضوء وانماط الرؤيه :
لا تستطيع شاشات LCD اصدارالضوء كما هو الحال في شاشات CRT ولكنها تحتاج الى مصدر ضوء ويوجد ثلاثة أنماط رؤية viewing modes)):
1- نمط الرؤيه الانعكاسى Reflective
يدخل ضوء الشمس أو ضوء الغرفة إلى شاشة LCD من الأمام ويصطدم بطبقة عاكسة للضوء reflector وأخرى مستقطبة للضوء polarizer متوضعتين في الجزء الخلفي من الشاشة ثم ينعكس هذا الضوء باتجاه المستخدم تستخدم الساعات الرقمية، والآلات الحاسبة، وبعض الأجهزة الإلكترونية الأخرى الشاشات الانعكاسيةلكن لا تكون ظروف الإضاءة الخارجية جيدة دائماً فطوّرت لذلك منابع أخرى للضوءوأنماط أخرىللرؤية.
2- النمط المنقول Trans missive
لا يستخدم الضوء المنعكس، بل يستخدم مصدر اضاءه داخلى بالشاشه فبعض الشاشات تكون جانبية الإضاءة (Edge lit) حيث يوضع منبع ضوئي في طرف شاشة العرض، و لكن معظمها خلفي الإضاءة (backlit) فيكون المنبع الضوئي خلف الشاشة ويتكون المنبع الضوئي، عادة، من أحد الأنواع الثلاثة التالية:
1- التوهج الإلكتروني electroluminescent،
2- ثنائي الباعث الضوئي light-emitting diode, LED
3- فلوريسانت المهبط البارد cold-cathode fluorescent, CCF
وطريقة التوهج الإلكتروني من أكثر هذه الطرق انتشاراً، فيما تمتاز طريقة CCF بأنها تعطي أفضل إنارة جانبية
3- النمط المنعكس المنقول transflective
ويمتاز النمط المنقول بأنه لا يستخدم الضوء المنعكس، بل يعتمد تماماً،
على الإضاءة الجانبية، أو الإضاءة الخلفية. أما النمط المنعكس المنقول transflective فيستخدم الضوء المنعكس عند توفره والإضاءة الخلفية عند الحاجة.
تستخدم أجهزة PDA، مثل جهاز Palm III، النمط المنعكس المنقول transflective).
بنية شاشات LCDتقع جزيئات الكريستال
السائل، بين الحالة السائلة والحالة الصلبة للمادة. ويمكن لمادة الكريستال
السائل أن تنساب مثل السوائل، لكن الجزيئات المستقلة قضيبية الشكل، يمكن أن
تُعطى اتجاهاً معيناً. وتتوضع جزيئات الكريستال السائل بشكل طبيعي، في
تشكيلة متوازية نسبياً وتسمّى هذه الوضعية بالطور الشريطي nematic، وتسمّى جزيئات الكريستال السائل المستخدمة في شاشة العرض، الكريستالات السائلة الشريطية nematicliquid crystals. وتكمن الخطوة الأولى في تقنية LCD،
في الاستفادة من هذه الخاصية، عن طريق التحكم بدقة، بالتراصف المتوازي
لهذه الجزيئات. فبالاعتماد على درجة الحرارة وطبيعة المادة، ينتج الكريستالالسائل عن واحدة من عدة أطوار (مراحل) منفصلة في عملية تعريض المادة للحرارة. وهى :-
اشكال الكريستال السائل
مثلما تتواجد أشكال متنوعة من المواد الصلبة والسائلة، كذلك لدينا ثلاث انواع منالكريستال السائل
1- Semitic 2- Cholesteric 3-Nematic
وسنركز على الكريستال السائل في الطور الخيطي (Nematic Phase) وتحديداً النوع الذي له شكل الخيوط المجدولة (Twisted Nematics) ويرمز لهاختصاراً(TN) حيث إن أحدى خصائص هذه المادة هوتأثرها بالتيار الكهربائي الذي يؤدي عند مروره بها إلى التخفيف من جدلتها (التواءها )بدرجاتمتنوعة حسب قوة التيار. ويتم استخدام هذا الكريستال السائل بالذات في شاشات LCD لأنه يستجيب للتيار الكهربائي بطريقة تجعله يتحكم بمقدار مرور الضوء من خلاله
يبيّن الشكل المرفق بنية شاشة LCD المكونة من عدة طبقات. تقع طبقة جزيئات الكريستال السائل، بين طبقتي تراصف alignment layers،
تحتويان على أخاديد صغيرة، تساعد على تراصف الجزيئات في نموذج معين. وتكون
أخاديد الطبقة الأولى متعامدة مع أخاديد الطبقة الأخرى، وتبقى طبقات
التراصف بعيدة عن بعضها بنسبة ثابتة
وتكون الأخاديد في طبقات التراصف عمودية على بعضها البعض، وتتراصف
نهايات أشرطة الكريستال السائل على طول الأخاديد، فتصبح أشرطة الكريستال
السائل ملتوية. وتساوي زاوية الالتواء، في معظم شاشات الكريستال السائل،
التي تسمّى شاشات الشريط الملتويtwisted nematic, TN)) فإنها تدير الكريستال السائل، بزاوية 90 درجة. أما الشاشات المتطورة، التي تسمّى شاشات الشريط شديد الالتواء super twist nematic)) أو شاشات الشريط مضاعف الالتواء double)super twist nematic)، أو حتى شاشات الشريط ثلاثي الالتواء triple super twist)nematic(فإنها
تدير الكريستال السائل، بزاوية تصل إلى 270 درجة. وكلما كبرت نسبة التواء
الشريط الكريستالي، تتحسن نسبة تباين الضوء على الشاشة
يكونالضوء عشوائي الاتجاه، عادة، إلا أنه من الممكن إجباره على اتخاذ اتجاه
معين، وهذا الاتجاه في حالتنا، هو اتجاه التواء جزيئات الكريستال السائل.
حيث يمر الضوء في شاشات LCD أيضاً، عبر طبقتي استقطاب polarizing layers))
تتألف كل منهما من مرشح يسمح بمرور الضوء الموجه باتجاه معين. وتتوضع هذه
الطبقات بحيث تكون خطوط الاستقطاب متعامدة مع بعضها البعض، ومتوافقة مع
طبقات التراصف المماثلة لها. وإذا وضعنا طبقتي استقطاب أمام بعضهما في هذه
الطريقة، فإن الضوء سوف يتمكن من المرور عبر الطبقة الأولى، وسيمنع من
المرور عبر الطبقة الثانية، لأن لمرشحي الضوء اتجاهين متعامدين. لكن الضوء
في شاشات LCD يتبع اتجاه التواء جزيئات الكريستال السائل، ليتوافق مع اتجاه مرشح الاستقطاب الثاني، ويتمكّن من المرور
تبقى أشرطة الكريستال السائل ملتوية الشكل، إلى أن يتم تطبيق التيار
الكهربائي عليها فتستقيم بحيث تتراصف نهايتها الأولى مع النهاية الأخرى،
وتصبح عمودية على مستوى الشاشة.كما فى حالة (off state)
وتزود طبقة الإلكترودات المناطق المختارة بالتيار الكهربائي. وتبدو المناطق
التي يطبق عليها التيار داكنة اللون، لأن الضوء المرشح من خلال طبقة
الاستقطاب الأولى، يتبع جزيئات الكريستال السائل المستقيمة، بينما تمنعه
طبقة الاستقطاب الثانية من المرور. أما المناطق التي لا يطبّق عليها التيار
فتبدو مضاءة، لأن الضوء يتبع جزيئات LC الملتوية ويمكنه أن يمر عبر طبقة الاستقطاب الثانيةكما فى حالة
)(on state ونحصل في النتيجة، على نظام يمنع مرور الضوء في بعض الأماكن، ويسمح بمروره في أماكن أخرى، مشكلاً الصورة المطلوبة
كيف تعمل شاشات LCDيظهر الضوء من خلف
الشاشة، إما عن طريق طبقة عاكسة في النمط الانعكاسي أو من منبع ضوئي مدمج
في النمط المنقول). وتقوم طبقة الاستقطاب polarizing layer))
بترشيح الضوء، الذي يمر من خلال طبقة زجاجية، وطبقة إلكترودات شفافة،
وطبقة تراصف، ومن ثَمّ من خلال الكريستالات السائلة ذاتها. وتأتي بعدها
طبقات متممة، مؤلفة من طبقة إلكترودات شفافة، وطبقة تراصف، ثم مرشحات
الألوان، وشريحة زجاجية. ويتألف كل بيكسل في الشاشة الملونة، من جزء أحمر،
وآخر أخضر، وثالث أزرق، بنسب تحدّدها التعليمات التي تتحكم بالكريستالات
السائلة عند كل نقطة، على شبكة الإلكترودات الشفافة. وإذا لم تكن
الكريستالات السائلة مشحونة عند نقطة معينة، فإن الضوء يمر عبر طبقة
الاستقطاب الأمامية. وإذا كانت الكريستالات السائلة مشحونة كهربائياً،
فإنها تمنع مرور الضوء ويتم ترشيح الضوء عبر طبقة استقطاب. وتنشئ طبقتا
التراصف أشرطة من الكريستالات السائلة قضيبية الشكل، والتي تتراصف بشكل
طبيعي جنباً إلى جنب، مسببة إلتواء هذه الأشرطة بزاوية قدرها 90 درجة.
ويلتوي الضوء على طول أشرطة الكريستال السائل، ويمر عبر طبقة استقطاب
ثانية، متوضعة بانزياح قدره 90 درجة عن طبقة الاستقطاب الأولى.
وإذا تلقّت أشرطة الكريستال السائل، الشحنة الكهربائية من طبقة
الإلكترودات، فإن الجزيئات تتراصف بحيث تتوضع النهاية الأولى مع النهاية
الأخرى(اى تصبح كانها خط مستقيم)، مما يسمح للضوء بالمرور بشكل مباشر، بدون التواء. وفي تلك الحالة، يمنع مرشح الاستقطاب الثاني مرور الضوء
تتكون واجهة الشاشة السوداء والتي تنار لعرض الصور منطبقة أو أكثر من النيون، عدد هذه الطبقات يتراوح بين واحدة في الشاشات المنخفضةالسعر إلى أربعة طبقات أو أكثر في الشاشات المرتفعة السعر. تقوم فكرة العرض في هذهالشاشات على إعادة توجيه الضوء في نظام انعكاسات قبل أن يصل إلى لوح العرض، كل هذهالأنعكاسات في الضوء داخلية لا تظهر على سطح العرض فهو معزول بشكل لا يصدق مع صغرسمك الشاشة! في الحقيقة هناك لوحين للعرض، كل لوح يمتد على سطح العرض كاملاً منجهة، إذن لدينا لوحين: داخلي وظاهري. كلٌ منهما مغطى بـ:"مرشح أحمر، أخضر وأزرق (red, green or blue filter (RBG Filter" كل مجموعة منمجموعات RGB خاضعة لتحكم ترانسزتور يعطيها الفولت (الجهدالكهربي) الخاص بها. هذا الفولت هو الذي يسبب انحراف ذرات الكريستال السائل بزوايامختلفة ودقيقة هذه الزوايا تحدد كمية الضوء الذي يظهر على سطح العرض ويكوّن الصورة. إن ترتيب ذرات الكريستال وتحديد حالة الاستقطاب الخاصة بها هي سيدة الموقف هنا،فمهمة ذرات الكريستال هي جعل مسار الضوء ينحرف إلى مرشح Filter استقطاب ليمر من خلاله قبل أن يصل إلى شاشة العرض، فإذارتبت ذرات الكريستال في نفس اتجاه المرشح فهذا يسمح للضوء بمرور من خلالهاوالانحراف، أما لو رتبت بشكل عمودي مع المرشح فهذا يمنع الضوء من المرور وبالتاليتصبح الشاشة سوداء! وتوضح الصورة التالية هذه العملية
ولإنشاء صور ملونة، يتم تطبيق مرشحات الألوان فوق خلايا LCD
المستقلة. وترتب هذه المرشحات، عادة، في خطوط طولية، من ألوان الأحمر
والأخضر والأزرق، كما تستخدم نماذج أخرى من الألوان. ولإنشاء بيكسل أبيض
اللون، تقوم ثلاث خلايا LCD متجاورة ببث الضوء في آن. ويمكن إنشاء ظلال الألوان بعدة طرق، بما في ذلك خفض التوتر الكهربائي المطبق على خلية LCD، لخفض كمية الضوء المرسلة، أو عن طريق إضاءة وإطفاء الشاشة بشكل متكرر وسريع، أو بتوظيف تقنية الاهتزاز الموضعي spatial dithering)، وهي استخدام بيكسلات متجاورة، لتأمين كميات متفاوتة من ألوان الأحمر والأخضر والأزرق
أنظمة LCD:
LCD القالب الخامل:
يستخدم هذا النوع شبكة كهربائيةبسيطة لشحن نقطة معينة على الشاشة. ويعتبر بناء شبكة الخطوط عملية بحد ذاتها! فهيتبدأ بطبقتي زجاج تدعيان الأساس، يوضع على أحدهما الأعمدة والآخر الصفوف واللتانتصنعان من مادة شبه موصلة تكون أكسيد الزنك عادة. تتصل الصفوف أو الأعمدة بداراتمدمجة (Integrated Circuits) والتي تقوم بعملية التحكم عندما يتم إرسال شحنةكهربائية عبر عمود أو صف. يجري حصر مادة الكريستال السائل بين الأساسين الزجاجيين،ويتم إضافة طبقة مستقطبة إلى الجانب الخارجي من كل أساس. ولإضاءة نقطة معينة، ترسلالدارة المدمجة شحنة إلى العمود الصحيح لأحد الأساسين وإلى الصف الصحيح في الأساسالآخر. يتقاطع العمود والصف في النقطة المطلوبة مما يسمح للتيار الكهربائي بفكجديلة الكريستال السائل لتلك النقطة.
تنبع جمالية نظام القالب الخامل من بساطته، ولكنه يعاني من مشاكل جوهرية منأهمها بطء زمن الاستجابة والتحكم الغير دقيق بالجهد الكهربائي. ويشير زمن الاستجابةإلى قدرة LCD على تجديد محتويات الشاشة من الصور المعروضة. والطريقة الأسهل لمشاهدةزمن الاستجابة البطيء في LCD ذات قالب خامل هو تحريك مؤشر الفأرة بسرعة على الشاشةمن جانب إلى آخر. سنلاحظ سلسلة من "الخيالات" تتبع المؤشر. ويعيق التحكم غير الدقيقبالجهد الكهربائي قدرة الشاشة على التأثير في نقطة واحدة منها في كل مرة على حده. فعندما يتم تطبيق جهد كهربائي لفك جديلة نقطة واحدة من الشاشة فإن النقاط المحيطةبها هي أيضاً تتعرض جزئياً لفك جدائلها مما يشوش الصور.
LCD القالب النشط:
تعتمد هذه الشاشات على ترانزستوراتضعيفة يجري ترتيبها على قالب من الأساس الزجاجي. ولإضاءة نقطة معينة يجري تفعيلالصف المناسب، ومن ثم يجري إرسال الشحنة الكهربائية إلى العمود الصحيح. وحيث أن كلالصفوف الأخرى المتقاطعة مع العمود خارج نطاق التشغيل فإن المكثف الكهربائي الخاصبالنقطة المطلوبة سيتلقى لوحده الشحنة، ويقوم بحجز الشحنة الكهربائية حتى انقطاعالدارة. وفي حال قمنا بالتحكم بعناية بمقدار الجهد الكهربائي المطبق على الكريستالسنتمكن من فك جديلته بالقدر الكافي فقط للسماح بمرور الضوء. إن عمل ذلك بحرص شديدسيمكّن LCD من إنشاء تدرجات رمادية، ومعظم الشاشات اليوم تحتوي على /256/ مستوى منالسطوع الضوئي في كل نقطة عرض. هذا عن الإضاءة، ولكن ماذا عنالألوان:
وأخيراً، لابد لنا من الحديث عن حجم العرض الذي تقدمه هذه الشاشات فهو محدودبمشاكل التحكم بالنوعية التي تواجه المصنّعين. ولزيادة حجم العرض يجب على المصنّعينإضافة نقاط عرض وترانزستورات أكثر مما يعني زيادة فرصة وضع ترانزستورات رديئة فيالشاشة. والمصنّعين الحاليين لشاشات LCD الكبيرة يرفضون حوالي 40% من القطع الناتجةعن خط التجميع. ويؤثر هذا المستوى العالي من رفض القطع على الأسعار حيث أن مبيعات LCD الجيدة يجب أن تغطي تكلفة تصنيع القطع الجيدة والرديئة على حدٍ سواء. ووحدهتطوير عمليات التصنيع قد يقود إلى شاشات بحجم كبير وسعر معقول.
تمتاز هذه الشاشات بالحجم الصغير و الاقتصادية في استهلاك الطاقة بالاضافة الى انهالا تصدر اي اشعاع مؤذي للعين و يمكن لبعض انواعها ان تصل لدقة عرض تضاهي شاشاتالمدفع الالكتروني العادية .
شاشةCRTأم شاشةLCD؟ أيهما الأفضل؟
شاشات lcd
تستهلك قدرا أقل من الطاقة، وقد تستهلك شاشة بقياس 17 إنش حوالي
50 وات من الكهرباء بينما تستهلك شاشة أنبوب الأشعة المهبطية ضعف ذلك وأكثر
أحيانا
كما تجدر الإشارة إلى أن سطوع شاشات الكريستال السائل (ويقاس بوحدة كانديلا/م2 CD/M2) هو دوما ضعف تلك من نوع أنبوب الأشعة المهبطية CRTسيفيدك
ذلك في النهار أو عندما تكون الإضاءة عالية. لكن الطرز الحديثة من هذه
الشاشات لا تزال تعاني من بعض العيوب مثل زمن الاستجابة الذي لا يناسب
الألعاب أو مشاهدة الفيديو.وتلعب عوامل حاسمة في قرار شراء شاشة بتقنية
الكريستال السائل حيث عليك تجنب شراء شاشة لا تلبي حاجاتك الخاصة سواء كانت
في مشاهدة الأفلام أو الألعاب، فقد تحتاج لشاشة بزمن استجابة سريع بصورة
مناسبة لك بزمن استجابة لا يزيد على 20 ميلي ثانية، وبذلك تتجنب ظهور
خيالات تترك أثرها في مشاهد الحركة السريعة في الأفلام والألعاب. كما يجب
عليك الانتباه لزاويا المشاهدة viewing angle، لتعرف فائدتها
عندما لا تكون جالسا بصورة لصيقة بالشاشة. كما يفيدك أن تعرف حال محول
الطاقة سواء كان مدمجا أو يأتي بتصميم لتركيبه من الخارج. كما ننصحك بالحرص
على مزايا تركيب الشاشة وتحريكها باتجاهات متعددة أو بتجهيزات خاصة
لتركيبها على الجدار.
يوضح الجدول التالي مقارنة بين نوعينالشاشات السابقي الذكر، ويمكن أن تحدد من خلاله الشاشة الأكثر مناسبة لك اعتماداًعلى نوعية الأعمال التي تقوم بها على كمبيوترك:
