قصة اختراع شاشة الكريستال السائل LCD

مقدمة عن شاشة LCD:

نستخدم دائمًا الأجهزة المكونة من شاشات الكريستال السائل (LCD) مثل أجهزة الكمبيوتر والساعات الرقمية ومشغلات (DVD وCD)، لقد أصبحت شائعة جدًا وقد حققت قفزة هائلة في صناعة الشاشة من خلال استبدال استخدام أنابيب أشعة الكاثود (CRT) بشكل واضح، تستمد (CRT) طاقة أكبر من شاشة (LCD) وهي أيضًا أكبر وأثقل.

شاشات (LCD) شاشات أرق من شاشات (CRT)، حتى أثناء مقارنة شاشة (LCD بشاشة LED)، يكون استهلاك الطاقة أقل لأنّه يعمل على المبدأ الأساسي لحجب الضوء بدلاً من تبديده، تحتوي شاشة (LCD) أحادية اللون البسيطة على لوحين من المواد المستقطبة مع محلول بلوري سائل محصور بينهما، يتم تطبيق الكهرباء على المحلول وتتسبب في محاذاة البلورات في الأنماط، وتشكل الأرقام أو النص الذي يمكننا قراءته.

ما هي قصة اختراع شاشة الكريستال السائل LCD؟

يعد تاريخ وتطور شاشة الكريستال السائل (LCD) معقدًا إلى حد ما، في أحد المختبرات اكتشف ريتشارد ويليامز في نيوجيرسي أنّ البلورات السائلة أظهرت بعض الخصائص الكهروضوئية المثيرة للاهتمام، أنشأ ويليامز أنماطًا مخططة في طبقة رقيقة من مادة الكريستال السائل عن طريق تطبيق الجهد، يتكون النموذج الناتج من مناطق متوازية طويلة أشار إليها باسم المجالات، كان ذلك في عام 1964م.

خلص ويليامز إلى أنّ المجالات قد تمّ إنشاؤها بسبب طلب سائل من النوع الذي لم يتم التعرف عليه من قبل، أظهرت إمكانية البلورات السائلة كعناصر كهربائية بصرية لأجهزة العرض، في الواقع  كان ويليامز رائدًا  لشاشات الكريستال السائل، يُشار الآن إلى الظاهرة التي اكتشفها ويليامز باسم “مجال ويليامز”.

عدم شيوع البلورات السائلة:

لم تكن البلورات السائلة في شاشات الكريستال شائعة بين العلماء والباحثين في أوائل القرن العشرين؛ في الواقع ظلت المادة عنصرًا للفضول العلمي لما يقرب من 80 عامًا طويلة، تجدر الإشارة إلى أنّ مركز (E. Merck) من دارمشتات بألمانيا باعت بلورات سائلة منذ عام 1907م لأغراض تحليلية.

حتى في أوائل الستينيات، لم يكن هناك سوى عدد قليل من المؤسسات والشركات التي شاركت في البحث عن هذه البلورات السائلة، نادرًا ما وجدت شروط تصميم البلورات السائلة بخصائص فيزيائية معينة، وبطبيعة الحال لم يكن أحد متحمسًا لاستخدامها في منتج تجاري، في النهاية ظلت البلورات السائلة غير معروفة في ذلك الوقت.

جهود جورج هيلماير في شاشات الكريستال:

في عام 1961م، أنهى جورج هيلماير امتحاناته الكتابية والشفوية للحصول على درجة الدكتوراه، رعت مختبرات (RCA) دراساته، في تلك الأيام، كان هناك طلب كبير على المهندسين والعلماء الشباب، قامت مختبرات (RCA) بتوظيف أفضل المواهب وتشجيعها وتمويل تعليم الخريجين وتمكينهم في نفس الوقت من العمل بدوام جزئي في معملهم في مشاريع بحثية معقولة، عمل (Heilmeier) بإخلاص في مجال (Williams).

وبعد جهود كبيرة، اقترح بوضع جهاز يسحب كمية صغيرة من التيار الكهربائي، أقل من ميكرو واط من الطاقة لكل سنتيمتر مربع، وكان قادرًا على تبديل اللون بجهد أصغر بكثير من تلك الموجودة في شاشات (CRTs)، أي أقل من 10 فولت لخليط صبغة الكريستال السائل مقابل أكثر من 1000 فولت لـ(CRTs)، وقد تجلى ذلك في خريف عام 1964م، تنبأ (Heilmeier) بأنّ تلفزيون ملون بشاشة مسطحة بحجم الجدار كان على مقربة من الزاوية، ومع ذلك فقد استغرق الأمر حوالي ربع قرن حتى تتحقق فكرته.

عندما عرض (Heilmeier) هذا التأثير داخل المختبر، أصبح الناس هناك متحمسين حقًا، سمع فلاديمير زوركين، عن التجربة دعا (Heilmeier) إلى مكتبه لمعرفة سبب حماسة الناس في (RCA) شرح هيلميير بالتفصيل عم فكرته، قدّم زوركين ردًا رائعًا لهيلماير: ربما تعثرت، ولكن لكي تتعثر، يجب أن تعمل جاهدًا لتحقق غايتك.

وجد (Heilmeier) طريقة فعالة للغاية للتحكم في انعكاس الضوء بالوسائل الإلكترونية، جعل وقت الصعود من 1-5 ثانية، جنبًا إلى جنب مع الفولتية التشغيلية للتيار المستمر في نطاق (10 – 100) فولت الوضع الجديد جذابًا جدًا للتطبيقات مثل المؤشرات الأبجدية الرقمية، حقق أول شاشة عرض بلورية سائلة تشغيلية، كان هذا في الواقع أول دليل لإظهار أنّ ما يسمّى بالمواد الغامضة المسماة بالبلورات السائلة، تم إدخال (Heilmeier) في قاعة مشاهير المخترعين الوطنية وكان له الفضل في اختراع شاشات الكريستال السائل.

في مايو 1968م، عقدت (RCA) مؤتمرًا صحفيًا وأعلنت عن فخر اكتشاف نوع جديد تمامًا من شاشات العرض الإلكترونية والذي كان مختلفًا بشكل كبير عن شاشات (CRT) التقليدية، كانت الشاشة الجديدة خفيفة الوزن وتستهلك القليل جدًا من الطاقة الكهربائية وكانت وأنيقة، استحوذ المؤتمر على اهتمام المجتمعات الصناعية والعلمية في جميع أنحاء العالم.

أدّى هذا الإعلان إلى تطوير الساعات الرقمية في الولايات المتحدةواليابانوألمانيا بالإضافة إلى العمل على حاسبات الجيب في اليابان، في نفس الوقت أدّى أيضًا إلى مزيد من العمل البحثي في ​​سويسرا والمملكة المتحدة وألمانيا، على وجه التحديد لإنتاج مواد بلورية سائلة جديدة ستكون مناسبة للاستخدام في تطبيقات العرض المختلفة.

عيوب شاشة LCD من Heilmeier:

استخدمت شاشة (LCD) التي طورها (Heilmeier ما أسمّاه (DSM) حيث يتم تطبيق شحنة كهربائية تعيد ترتيب الجزيئات مما يؤدي إلى تشتت الضوء، كان أداء تصميم (DSM) ضعيفًا ويبدو أنّه متعطش جدًا للطاقة؛ في النهاية تمّ استبدال هذا التصميم بنسخة محسّنة كثيرًا اخترعها جيمس فيرجاسون في عام 1969م.

نسخة محسنة من شاشات الكريستال السائل بواسطة James Fergason:

كان جيمس فيرجاسون، المدير المساعد في معهد الكريستال السائل التابع لجامعة ولاية كينت، يصنع جهاز فحص سرطان الثدي يعتمد على الكريستال السائل في الستينيات، خلال هذا الوقت قام بالاكتشاف الذي شكل أساس أفضل اختراع له، في عام 1969م، استخدم (Fergason) اكتشافه “تأثير المجال النيماتيكي الملتوي” للبلورات السائلة لتوجيه التيار عبر البلورات بشكل فعال، مما أدّى في النهاية إلى عروض توفر تباينًا ممتازًا وعمرًا طويلاً بأقل طاقة.

امتلك المخترع جيمس فيرجاسون بعض براءات الاختراع الأساسية في شاشات الكريستال السائل في الولايات المتحدة التي تم تسجيلها في أوائل السبعينيات في عام 1971م، بما في ذلك رقم براءة الاختراع الأمريكية الرئيسية (3731986) لأجهزة العرض التي تستخدم تعديل ضوء الكريستال السائل، وأنشأ (Fergason) شركته الخاصة (ILIXCO أو International Liquid Crystal Company) في عام 1968م، لتصنيع شاشات الكريستال السائل.

في عام 1972م، أنتجت الشركة الدولية للكريستال السائل (ILIXCO) المملوكة لجيمس فيرجاسون أول ساعة (LCD) حديثة مبنية على أساس جيمس فيرجسون، كانت شاشات الكريستال السائل الملتوية الملتوية أفضل بلا شك من عروض التشتت الديناميكي السابقة، وسرعان ما أصبحت شائعة.

كان أول عملائه هم شركة (Bulova Watch) وشركة (Gruen Watch) التي وظفت التكنولوجيا لتسويق ساعات (LCD) الأولى التي استخدمت هذه التقنية، بحلول نهاية العقد استخدمت معظم الساعات الرقمية في العالم هذا النوع من شاشات (LCD) شهدت شاشات الكريستال السائل تطورًا هائلاً عامًا بعد عام، وتجاوزت المبيعات السنوية لأجهزة التلفزيون المزودة بشاشات (LCD).

تطورات مهمة لشاشات الكريستال السائل:

في عام 1970م، تمّ اكتشاف طريقة تشغيل (twisted-nematic)، والتي أعطت (LCD) أول نجاح تجاري، زودت الشركات المصنعة لشاشات الكريستال السائل شاشات صغيرة الحجم للمنتجات المحمولة مثل الساعات الرقمية وحاسبات الجيب.

في عام 1988م، عرضت شركة (Sharp Corporation) شاشة كاملة الحركة بالألوان الكاملة النشطة ذات المصفوفة النشطة باستخدام صفيف (TFT) (ترانزستور بغشاء رقيق)، من خلال ملاحظة ذلك أطلقت اليابان صناعة حقيقية لشاشات الكريستال السائل، تم توفير شاشات كبيرة الحجم لأول مرة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية ثم إلى أجهزة استقبال التلفزيون، في النصف الثاني من التسعينيات، انتقلت الصناعة إلى كوريا وتايوان.

أحداث مهمة في شاشة LCD:

في القرن التاسع عشر كانت شاشة (LCD) بداية غير عادية لِعالم نبات نمساوي، على الرغم من أنّ شاشة (LCD) بدأت بداية مختلفة وغير مستقرة، إلا أنّ تطورها استمر من النجاحات المبكرة مثل آلة حاسبة الجيب إلى المعلم الرئيسي لشاشة تلفزيون مسطحة يمكن تعليقها على الحائط، يمتد أصل وتطوير شاشات الكريستال السائل إلى المراكز الصناعية الرئيسية في العالم بما في ذلك الولايات المتحدة واليابان وأوروبا.

تمت ملاحظة البلورات السائلة من قبل عالم النبات النمساوي، فريدريك راينتسر، في عام 1888م، اكتشف مادة غريبة بين الحالة الصلبة والحالة السائلة، عند درجة حرارة 145 درجة مئوية، ذابت وربما أصبحت بيضاء ولزجة، عندما زادت درجة الحرارة إلى 179 درجة مئوية، أصبحت واضحة، كانت المادة التي اكتشفها هي الكوليسترول بنزوات.

فيما يتعلق بهذا، كتب رسالة إلى أوتو ليمان، أستاذ الفيزياء في جامعة كارلسروه التقنية بألمانيا في 14 مارس 1889م، في الرسالة كتب بالتفصيل عن نقطتي الانصهار، درس ليمان المادة بشكل شامل واكتشف أنّ السائل يظهر تأثير انكسار مزدوج، وهو أحد خصائص البلورة، نظرًا لأنّ المادة لها خصائص كل من السائل والبلور، أطلق عليها (Lehmann) اسم (fliessende krystalle) وكان الاسم المكافئ للكريستال السائل.