كيف تم اختراع شاشات الكريستال السائل؟ تاريخ تطور تقنية شاشات العرض

كل يوم نشاهد محتوى البث عبر شاشات الأجهزة مثل أجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة. ومع التطور والتحديث المستمر لأجهزة الأجهزة وتكنولوجيا بث الوسائط، تتطور تقنية عرض الشاشة باستمرار أيضًا. اليوم، دعونا نتبع خطى التاريخ ونستعرض المعالم المهمة في تطوير تقنية عرض الشاشة.

1. ظهور CRT

تم رصد أشعة الكاثود لأول مرة في عام 1869 من قبل الفيزيائيين الألمان يوليوس بلوكر ويوهان فيلهلم هيتورف. في عام 1897، اخترع الفيزيائي الألماني كارل فرديناند براون (فاز براون أيضًا بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1909) أنبوب أشعة الكاثود (CRT)، والذي كان يسمى في الأصل أنبوب براون. )، أحد أول شاشات العرض الإلكترونية في العالم.

أنبوب أشعة الكاثود هو أنبوب مفرغ خاص يحتوي على مدفع إلكتروني واحد أو أكثر، والذي يصدر أشعة من الإلكترونات التي تصطدم بشاشة فلورسنت لإنشاء صورة. كانت أجهزة التلفاز القديمة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الصراف الآلي والكاميرات والشاشات وشاشات الرادار جميعها مزودة بأنابيب أشعة الكاثود.

في عام ١٩٠٧، استخدم العالم الروسي بوريس روسينغ (الذي عمل مع مخترع التلفزيون فلاديمير زوريكين) أنبوب أشعة الكاثود لنقل صورة هندسية بسيطة إلى شاشة التلفزيون. وقد جعله عمله الرائد مخترعًا بارزًا في مجال التلفزيون. ومنذ ذلك الحين، استمرت تقنية أنبوب أشعة الكاثود في التطور، وتم تسويقها تجاريًا لأول مرة عام ١٩٢٢. وقبل ظهور تقنيات مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والبلازما وشاشات OLED ، كانت أنابيب أشعة الكاثود تُستخدم كشاشات عرض لمعظم الأجهزة.

طوال منتصف القرن العشرين وأواخره، كانت أنابيب أشعة الكاثود تُستخدم بشكل شائع في أجهزة التلفاز وشاشات الكمبيوتر. وخلال هذا الوقت، استمر المصنعون في تحسين الأداء والدقة. كانت معظم شاشات الكمبيوتر في السبعينيات قادرة فقط على عرض نص أخضر على شاشة سوداء. وبحلول عام 20، أصبحت شاشات Extended Graphics Array (XGA) من IBM قادرة على عرض 1970 مليون لون بدقة 1990 × 16.8 بكسل.

شاشة CRT ملونة مقاس 14 بوصة

2. شاشة البلازما

في عام 1936، وصف المهندس المجري كالمان تيهاني نظام عرض البلازما ذي اللوحة المسطحة في بحثه. وفي عام 1964، طوّر دونالد بيتزر، وإتش. جين سلوتو، وطالب الدراسات العليا آنذاك روبرت ويلسون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين، أول شاشة عرض بلازما أحادية اللون لاستخدامها في نظام حاسوب PLATO.

يعتمد مبدأ انبعاث الضوء في البلازما على حقن غاز خامل أو بخار زئبق في أنبوب زجاجي مفرغ. وبعد تطبيق الجهد، ينتج الغاز تأثير بلازما، وينبعث منه أشعة فوق بنفسجية، ويثير الفوسفور لتوليد ضوء مرئي. ويُستخدم طول وقت الإثارة لإنتاج سطوع مختلف. وفي شاشة البلازما، يتم إنتاج كل بكسل بواسطة ثلاثة بواعث بلازما (أساسية) مختلفة الألوان. ويكون الأمر واضحًا ومميزًا بشكل خاص لأن كل مصباح إضاءة فردي يضيء في نفس الوقت. 

حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت شاشات البلازما هي الخيار الأكثر شعبية لأجهزة التلفاز عالية الدقة ذات الشاشة المسطحة الكبيرة. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن شاشات البلازما عرضة للاحتفاظ بالصورة، وفي الوقت نفسه، بسبب محدودية المواد والبنية، لا يمكن تقليل حجمها، وبالتالي فهي غير مناسبة لأجهزة الكمبيوتر والأجهزة اللوحية والهواتف المحمولة. وهذا هو أيضًا السبب الرئيسي وراء خسارة شاشات البلازما في المنافسة في السوق.

وبحلول عام 2013، تفوقت عليها شاشات LCD منخفضة التكلفة، والتي كانت تنافس في جودة العرض شاشات OLED المسطحة باهظة الثمن ولكن ذات التباين العالي. وفقدت شاشات البلازما كل حصتها في السوق تقريبًا. وانتهى إنتاج شاشات البلازما لسوق التجزئة الأمريكية في عام 2014، وانتهى الإنتاج للسوق الصينية في عام 2016.

شاشة بلازما

3. عصر شاشات الكريستال السائل (LCD)

في عام 1888، اكتشف عالم النبات النمساوي فرينيتزر بالصدفة البلورات السائلة أثناء دراسته لبنزوات الكوليسترول في الجزر، لكن هذا لم يجلب الكثير من الفوائد للبشر لفترة طويلة. ولم يكسر بعض علماء الإلكترونيات الشباب الصمت إلا في ستينيات القرن العشرين.

في عام 1961، كان الباحث الإلكتروني الشاب جورج هايلماير يستعد للدفاع عن أطروحته للدكتوراه في مختبر برينستون التابع لشركة RCA Corporation في الولايات المتحدة. كان تخصصه هو مكونات الميكروويف الصلبة. وهو بارع للغاية في هذا المجال.

ذات يوم أخبره أحد أصدقائه عن أبحاثه الحالية في أشباه الموصلات العضوية، وأثارت موضوعات متعددة التخصصات اهتمامه الشديد. فطلب نصيحة معلمه، وبدعم وتشجيع معلمه، قرر التخلي عن المجال المهني الذي تعلم فيه الكثير ودخل مجالًا جديدًا لا يزال لا يعرف عنه الكثير. فطبق معرفته بالإلكترونيات على الكيمياء العضوية وحقق نتائج سريعة.

سرعان ما أصبح مهتمًا بموضوع جديد آخر - الليزر، وبالتالي تعرف على البلورات مرة أخرى. من أجل دراسة تأثير المجال الكهربائي الخارجي على المجال الكهربائي الداخلي للبلورة، فكر في البلورات السائلة. وضع بلورة سائلة نيماتية مصبغة بين زجاجين موصلين شفافين. عندما يتم تطبيق جهد يبلغ عدة فولت على جانبي طبقة البلورة السائلة، تتغير طبقة البلورة السائلة من الأحمر إلى الشفاف. ولد في مجال الإلكترونيات، أدرك على الفور أن هذا هو تلفزيون بشاشة مسطحة ملونة! أثار حماس أعضاء الفريق وبدأ على الفور في البحث ليلًا ونهارًا، واكتشفوا على التوالي سلسلة من التأثيرات الكهروضوئية للبلورات السائلة، مثل التشتت الديناميكي والانتقال الطوري للبلورات السائلة. ونجح في تطوير سلسلة من أجهزة العرض الرقمية والحروفية، بالإضافة إلى ساعات العرض بالبلورة السائلة وشاشات الجسر وغيرها من المنتجات العملية.

تتكون شاشة الكريستال السائل (LCD) من وضع خلية بلورية سائلة بين ركيزتين زجاجيتين متوازيتين، حيث يُوضع ترانزستور ذو طبقة رقيقة (TFT) على الركيزة الزجاجية السفلية، بينما يُوضع مرشح ألوان على الركيزة الزجاجية العلوية. يتم تدوير هذه الركائز للتحكم في انبعاث الضوء المستقطب من كل بكسل، وذلك لتحقيق غرض العرض.

تولي شركة RCA Corporation أهمية كبيرة لأبحاثها وصنفتها دائمًا على أنها مشروع سري رئيسي للشركة. لم يكن حتى عام 1968 أن أبلغت العالم في تقرير إذاعي بأحدث الإنجازات العلمية والتكنولوجية. جذب هذا التقرير على الفور انتباه الدوائر العلمية والتكنولوجية والدوائر الصناعية اليابانية. جمعت اليابان بين الدوائر المتكاملة واسعة النطاق والبلورات السائلة التي كانت ناشئة في ذلك الوقت، واتخذت سوق "الإلكترونيات الشخصية" كدليل، وطورت بسرعة سلسلة من المنتجات التجارية، وفتحت الوضع العملي لشاشات الكريستال السائل، وأخذت زمام المبادرة، مما أدى إلى هذا الزخم ساهم في النمو المذهل لصناعة الإلكترونيات الدقيقة اليابانية.

في الولايات المتحدة، يقتصر قادة بعض أقسام الإنتاج في شركة RCA، من ناحية، على منتجات أشباه الموصلات التقليدية، ومن ناحية أخرى، يبالغون في التأكيد على أوجه القصور في أجهزة العرض البلورية السائلة الناشئة، ويحاولون قصارى جهدهم لتدمير أجهزة العرض البلورية السائلة بحجة أن السوق لم يتطور بعد. التصنيع. لهذا السبب، بدأ أعضاء فريق "البلورة السائلة" في التدفق، وتم بيع براءة اختراع "شاشة الكريستال السائل" أيضًا. يقال أنه في منتصف السبعينيات، عندما شكلت شاشات الكريستال السائل صناعة، خلصت شركة RCA بحزن في اجتماع مجلس الإدارة إلى أن فقدان تقنية شاشة الكريستال السائل في تاريخ تطوير RCA الذي يعود إلى قرن من الزمان كان خطأً فادحًا.

رغم أن شاشات الكريستال السائل كانت موجودة منذ سبعينيات القرن العشرين (توجد عادةً في الآلات الحاسبة والساعات وأجهزة قياس الوقت والأجهزة المنزلية المختلفة)، إلا أنها لم تنتشر على نطاق واسع حتى تسعينيات القرن العشرين. وبسبب استهلاكها المنخفض للطاقة وحجمها الصغير ووزنها الخفيف، فإنها تُستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة. ومع استمرار تحسن تقنية LCD، أصبح استخدام شاشات LCD في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون أكثر وأكثر شعبية. في عام 1970، تجاوزت مبيعات أجهزة تلفزيون LCD مبيعات أجهزة تلفزيون CRT في جميع أنحاء العالم لأول مرة.

4. من LED إلى OLED

في عام 1962، اخترع مهندس شركة جنرال إلكتريك نيك هولونياك أول ضوء LED مرئي في العالم. ومن عام 1962 إلى عام 1968، قاد هوارد سي بوردن وجيرالد بي بيجيني من شركة هيوليت باكارد أعمال البحث والتطوير الخاصة بـ LED. وفي فبراير 1969، قدموا آلة حاسبة HP Model 5082-7000، وهي أول جهاز LED يستخدم تقنية الدوائر المتكاملة، وأول شاشة LED ذكية في العالم. وقد أدى تسويق HP لمصابيح LED إلى إحداث ثورة في تكنولوجيا العرض الرقمية ووضع الأساس لتطوير تقنية شاشات LED لاحقًا.

LED هو اختصار لـ Light Emitting Diodes، أي "الصمام الثنائي الباعث للضوء"، وهو بالمعنى الدقيق للكلمة أيضًا نوع من شاشات LCD (شاشات الكريستال السائل). يمكن لمصباح CCFL التقليدي (مصباح الفلورسنت الكاثود البارد، ومصباح الفلورسنت الكاثود البارد، وما إلى ذلك) كمصدر للإضاءة الخلفية لجهاز LCD أن يضيء الشاشة بالكامل بشكل موحد ولا يمكنه تغيير شدة الإضاءة. بالمقارنة مع مصابيح CCFL، يمكن لأجهزة LCD ذات الإضاءة الخلفية LED استخدام التعتيم المحلي، مما يؤدي إلى تباين أفضل وشاشات أكثر حيوية مع استهلاك طاقة أقل.

تستخدم معظم شاشات LCD للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية مصابيح LED بسبب تنوعها ووزنها الخفيف.

في عام 1987، وبناءً على الأبحاث السابقة، قام اثنان من الكيميائيين في شركة إيستمان كوداك، وهما دينج تشينج يون وستيفن فان سلايك، بتطوير أول جهاز OLED عملي.

شاشة OLED (الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء) ، والمعروفة أيضًا باسم "شاشة العرض الكهروضوئية العضوية" ، هي جهاز يستخدم بنية غشائية عضوية رقيقة متعددة الطبقات لتوليد الإضاءة الكهربائية، التي تُصدر ضوءًا ساطعًا عند تطبيق تيار كهربائي عليها. على عكس شاشات LCD، لا تتطلب شاشات OLED إضاءة خلفية، ويمكنها استخدام ركيزة باعثة أخف وزنًا (بدلاً من الركائز الزجاجية المستخدمة في شاشات LCD وLED)، كما تتميز بزوايا رؤية أوسع واستجابة أسرع.

يُعدّ ظهور تقنية OLED تطوراً هائلاً في مجال تكنولوجيا الإضاءة الكهربائية. فمقارنةً بتقنية LED، تتميز تقنية OLED بأنها أرق وأخف وزناً وأكثر مرونة، وتُستخدم على نطاق واسع في شاشات التلفزيون وشاشات الكمبيوتر والأجهزة مثل الهواتف الذكية والساعات الذكية وأجهزة ألعاب الفيديو المحمولة.

منذ أن بدأ هاتف iPhone X باستخدام شاشات OLED ، اجتاحت شاشات OLED بسرعة سوق الأجهزة الطرفية العالمية، حيث ظهرت الشاشات الكاملة والقابلة للطي والمرنة واحدة تلو الأخرى، مما ساهم بشكل كبير في تطوير تكنولوجيا العرض.

5. اختراع الورق الإلكتروني

في سبعينيات القرن العشرين، قام نيك شيريدون من شركة زيروكس بارك بتطوير أول ورقة إلكترونية في العالم - جيريكون.

الورق الإلكتروني عبارة عن غشاء رقيق مطلي بالحبر الإلكتروني، وهو مادة سائلة معلقة فيها مئات الكبسولات الدقيقة التي يبلغ قطرها قطر شعرة الإنسان، وتتكون كل كبسولة دقيقة من جزيئات مشحونة إيجابيا وسلبيا. وعندما يتم تطبيق مجال كهربائي موجب أو سالب على قطب كهربائي واحد، تتحرك الجزيئات الملونة ذات الشحنة المقابلة إلى أعلى أو أسفل الكبسولة، مما يعطي سطح شاشة الورق الإلكتروني لونًا معينًا.

مثل OLED، يصدر الورق الإلكتروني نفسه ضوءًا مرئيًا مع الاحتفاظ بلمعان "الورق".

على الرغم من أن الورق الإلكتروني تم تطويره في سبعينيات القرن العشرين، إلا أنه لم يصبح شائعًا حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وأكثر ما يستخدم على نطاق واسع هو أجهزة القراءة الإلكترونية، مثل Kindle وBOOX وما إلى ذلك. ومن بين أشياء أخرى، يتم استخدامه في علامات التسعير الإلكترونية واللافتات الرقمية وبعض شاشات الهواتف الذكية.

ورقة E

6. تقنية دي إل بي

DLP (معالجة الضوء الرقمية) هو اختصار لمعالجة الضوء الرقمية. ومبدأ عملها هو معالجة إشارة الصورة رقميًا ثم عرضها من خلال الضوء. تتمتع هذه التقنية بدقة صورة عالية للغاية ويمكنها عرض صورة ملونة واضحة ومشرقة وحيوية، والتي تُستخدم غالبًا في أنظمة العرض.

في قلب تقنية المعالجة الرقمية للضوء (DLP) يوجد أشباه موصلات بصرية تسمى جهاز المرايا الدقيقة الرقمية (DMD)، والذي يستخدم مرايا دقيقة مصنوعة من الألومنيوم لعكس الضوء لإنشاء الصور. غالبًا ما يشار إلى أجهزة المرايا الدقيقة الرقمية (DMDs) باسم شرائح المعالجة الرقمية للضوء (DLP)، ويمكن أن تحتوي على أكثر من 2 مليون مرآة دقيقة لكل منها، ويبلغ عرضها أقل من خُمس عرض شعرة الإنسان. يتم ترتيب المرايا الدقيقة في مصفوفة (مثل فسيفساء الصور)، حيث تمثل كل مرآة دقيقة بكسلًا.

يتوافق عدد هذه المرايا الدقيقة مع دقة الشاشة. توفر تقنية DLP 1080p أكثر من 2 مليون بكسل للحصول على دقة 1920x1080p حقيقية. توجد بالفعل أجهزة عرض DLP بدقة 8K (تستخدم 3xDLP) في السوق.

تم تطوير تقنية DLP في الأصل في عام 1987 بواسطة الفيزيائي لاري هورنبيك من شركة Texas Instruments. وفي عام 1997، قدمت شركة Digital Projection أول جهاز عرض بتقنية DLP. وفي عام 1998، فازت كل من شركة Texas Instruments وشركة Digital Projection بجائزة Emmys لهذا العام عن تقنية DLP.

بالمقارنة بأجهزة البلازما وLCD، فإن أجهزة DLP أقل تكلفة، ولديها شاشات أكبر، وهي أنحف وأخف وزنًا. ربما لا تدرك أن تقنية DLP موجودة بالفعل في حياتك. فهي شائعة في جميع أنواع أجهزة العرض (للتدريب والتدريس)، والمسارح المنزلية، وجدران الفيديو، وأنظمة العرض واسعة النطاق مثل الحفلات الموسيقية والمؤتمرات.

شاشة عرض DLP وجهاز عرض DLP

إن ما سبق يمثل معلماً مهماً في تطوير تكنولوجيا عرض الشاشة. يتضمن تطوير تكنولوجيا العرض دمج المواد البصرية الدقيقة والتصنيع المتقدم ومعالجة الصور وغيرها من التقنيات، والتي لا تعمل فقط على تحسين دقة شاشة الأجهزة، بل إنها تقدم أيضاً خيال الإنسان بشكل واضح. إن تقديم جيل جديد من التقنيات والمنتجات الجديدة، وخاصة تقديم المنتجات عالية التقنية المعاصرة، يتم اكتشافه وإكماله دائماً من قبل هؤلاء الشباب الذين هم متعددو التخصصات، ومتعددو الصناعات، ولديهم روح مبتكرة ورائدة. إن اكتشاف التكنولوجيا الجديدة وتطويرها الحقيقي يعتمدان على تكنولوجيا التطبيق العملي وطلب السوق. التكنولوجيا التطبيقية هي الضمان لتطوير الصناعات عالية التقنية، وطلب السوق هو القوة الدافعة لتطوير الصناعات عالية التقنية. نعتقد أنه مع تطوير الأجهزة والتقدم المستمر للتكنولوجيا، ستحقق تكنولوجيا العرض مرة أخرى اختراقات مبتكرة.