كيف تُصنع شاشات العرض LED: عملية التصنيع والتكنولوجيا الموضحة

ما هي شاشة العرض الرقمية LED؟ التعريف الأساسي وميزة الانبعاث الذاتي

شاشة العرض الرقمية LED مقابل LCD/OLED: البنية الأساسية وتوليد الضوء

تعمل الشاشات الرقمية ذات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) بشكل مختلف عن معظم تقنيات العرض الأخرى لأن كل بكسل صغير يُنتج ضوءه الخاص من خلال مكونات شبه موصلة صغيرة. تحتاج لوحات العرض الكريستالية السائلة التقليدية إلى طبقات كريستال سائل خاصة بالإضافة إلى إضاءة LED منفصلة خلفها للتحكم في ما نراه. تولد تقنية OLED الضوء أيضًا بشكل مستقل، لكنها تستخدم مواد عضوية بدلًا من المواد غير العضوية الموجودة في وحدات LED القياسية مثل نيتريد الإنديوم والغاليوم أو فوسفيد الألومنيوم والإنديوم والغاليوم. الطريقة التي تُبنى بها هذه الشاشات LED تمنحها بعض المزايا الحقيقية. فهي قادرة على الوصول إلى مستويات سطوع هائلة تصل إلى حوالي 10,000 نِت للتطبيقات الخارجية، والحفاظ على رؤية جيدة حتى عند مشاهدتها من زوايا شديدة تتجاوز 160 درجة، وبوجه عام تحافظ على اتساق سطوعها مع مرور الوقت دون أن تتلاشى سريعًا كما قد يحدث مع الخيارات الأخرى.

مبدأ الانبعاث الذاتي: كيف تُصدر وحدات البكسل RGB LED الضوء دون الحاجة إلى إضاءة خلفية أو مرشحات

تعمل وحدة البكسل الفرعية للون RGB مثل مصباح صغير خاص بها. يحدث السحر عندما تمر الكهرباء عبر المنطقة الخاصة بالمفصل في الصمام. تلتقي الإلكترونات بالثقوب هناك وتُنتج جسيمات الضوء المُسمّاة الفوتونات من خلال ظاهرة تُعرف بالانبعاث الضوئي الكهربائي. ما الذي يجعل هذا التكوين ممتازًا إلى هذا الحد؟ لا حاجة إلى مكونات إضافية مثل الإضاءة الخلفية أو المرشحات الاستقطابية أو مرشحات الألوان التي تتطلبها الشاشات الأخرى. وهذا يعني أن الشاشة يمكنها التحكم بكل بكسل بشكل فردي. نحصل على مستويات سوداء أعمق لأن البكسلات يمكن أن تنطفئ تمامًا. تبقى الألوان دقيقة أيضًا لأن ليس هناك أي مرشحات تشوّشها. والنتيجة هي جودة صورة أفضل بكثير مقارنةً بتقنيات الشاشات التقليدية.

عملية تصنيع شاشات LED: من رقاقة أشباه الموصلات إلى الوحدة المتكاملة

تصنيع رقائق LED: النمو الطبقي، معالجة الرقاقة، وفرز الشريحة

تبدأ عملية التصنيع بما يُعرف بالنمو الطبقي عبر ترسيب بخار كيميائي معدني عضوي، أو ما يُعرف اختصارًا بـ MOCVD. ويحدث هذا على ركائز من السافير أو كربيد السيليكون، حيث يتم إنشاء طبقات بلورية تحدد في النهاية ما إذا كنا نحصل على ضوء أحمر من مواد AlInGaP، أو درجات لونية خضراء، أو انبعاثات زرقاء مميزة لمركبات InGaN. بعد ذلك تأتي مرحلة العمل بالتحسس الضوئي جنبًا إلى جنب مع تقنيات النقش البلاسما لإنشاء أنماط الدوائر الصغيرة هذه على المقياس الميكروني. ثم تليها مرحلة التشويب التي تساعد في تحسين كفاءة إعادة اتحاد الحاملات داخل المادة. وبمجرد فصل كل شيء إلى وحدات فردية، تقوم الأنظمة الآلية بفحص كل شريحة ميكرو LED بدقة من حيث مستويات السطوع وثبات الطول الموجي. ومع ذلك، لا تنجح في اجتياز فحوصات الجودة سوى الشرائح التي تقع ضمن نطاق تسامح لوني دقيق جدًا وهو ±2 نانومتر. وتُعد هذه المرحلة الفاحصة حاسمة تمامًا، لأنه إذا تسربت شريحة واحدة فقط بإخراج لوني غير دقيق، فقد يتسبب ذلك في حدوث عدم تطابق ملحوظ عندما يتم تركيب هذه المكونات لاحقًا في وحدات عرض أكبر.

التغليف والتركيب: هيمنة SMD، وتصميم التحكم الحراري، والمعايرة الآلية

يستمر التغليف من نوع SMD في الهيمنة على السوق بفضل قدرته العالية على توسيع نطاق الإنتاج ومعالجة مشكلات الحرارة. يعتمد التصنيع الحديث على آلات دقيقة جدًا لالتقاط ووضع المكونات، قادرة على تركيب شرائح LED بدقة ميكرونية إما على مواد خزفية أو FR4. ولضمان التشغيل السلس، يلجأ المصنعون غالبًا إلى استخدام لوحات دوائر كهربائية ذات قلب ألومنيوم مع وسادات حرارية خاصة تساعد في الحفاظ على درجات الحرارة التشغيلية تحت السيطرة، حيث يُفضّل أن تبقى أقل من 85 درجة مئوية، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سطوع الضوء مع مرور الوقت. وبعد الانتهاء من التجميع، تأتي خطوة إضافية يقوم فيها النظام الآلي بالتحقق من خصائص اللون لكل ديود ضوئي على حدة، ثم تعديل التيار المار من خلاله بشكل فوري. ويضمن ذلك تجانس الألوان عبر جميع الوحدات، بحيث لا ينتهي الأمر بأي فرق ملحوظ في السطوع أو الظل بين الديودات المجاورة.

تكامل الخزانة: الهندسة الإنشائية، توزيع الطاقة، والختم بتصنيف حماية (IP)

تتناسب الوحدات داخل خزائن ألومنيوم مصممة خصيصًا، وتُصنع بمتانة عالية تكفي للتعامل مع أي ظروف تفرضها الطبيعة. نُخضع هذه الهياكل لبرامج تحليل العناصر المحدودة للتحقق من قدرتها على التحمل عند التعرض لرياح قوية، حتى تلك التي تصل سرعتها إلى 150 كيلومترًا في الساعة. تحتوي أنظمة الطاقة على مكونات احتياطية، وبالتالي تكون هناك تقريبًا لا تقلبات في مستويات الجهد عبر التركيبات الكبيرة. وعند وضعها في الخارج، تأتي هذه الخزائن بتصنيف حماية IP65 بفضل ختم خاص مصنوع من طوقايات مضغوطة ومواد تطرد الماء. ويمنع هذا المزيج دخول جزيئات الغبار ويوقف تسرب الماء إلى الداخل حتى أثناء العواصف الماطرة الشديدة. قبل الشحن، تخضع كل خزانة لاختبارات صارمة تحاكي الظروف القاسية. وتُعرّض لتقلبات حرارية تتراوح بين ناقص 30 درجة مئوية وصولاً إلى 60 درجة مئوية، بالإضافة إلى غمرها كليًا تحت الماء ليوم كامل. وتساعد هذه الاختبارات في ضمان تشغيل موثوق سواء تم تركيبها في ملاعب رياضية ضخمة، أو مراكز نقل مزدحمة، أو في أي مكان آخر تحتاج فيه المعدات إلى الأداء بشكل لا عيب فيه رغم الظروف الصعبة.

هندسة بكسل العرض LED وعلم الألوان

تخطيط دون بكسلات RGB: الهندسة المنبعثة مباشرة، وتأثير المدى البيني للبكسلات، وتحسين زاوية الرؤية

تتكون البكسلات من دايودات حمراء وخضراء وزرقاء منفصلة يتم ترتيبها بطرق معينة، عادةً ما تكون على شكل سداسيات، لتمكين خلط ضوئي أفضل وتقليل التغيرات المزعجة في الألوان عند الرؤية من زوايا مختلفة. إن المسافة بين البكسلات، والمعروفة باسم البعد البكسيلي (Pixel Pitch) ويُقاس بالميليمترات، تؤثر بشكل كبير على وضوح الصورة ومدى القرب اللازم للمشاهد كي تبدو الصورة واضحة. انظر إلى هذه الأرقام: تحتوي الشاشات ذات التصنيف P1.2 على نحو 694 ألف بكسل لكل متر مربع، في حين لا تتجاوز نماذج P4.8 حوالي 44 ألف بكسل فقط. عندما يجمع المصنعون البكسلات في أنماط سداسية بدلاً من مربعة، تبقى الألوان متسقة حتى عند مشاهدتها من زوايا غير مباشرة. وهذا أمر مفيد جدًا للأشخاص الجالسين قرب جانبي القاعة أو في الصناديق الفاخرة في الخلف. الأفضل من ذلك؟ لا حاجة لطبقات إضافية أو أفلام خاصة لإصلاح مشكلات اللون.

شرح دقة الألوان: مواد أشباه الموصلات (InGaN، AlInGaP)، تغطية النطاق اللوني، وثبات النقطة البيضاء

تكمن أسرار الألوان الدقيقة في صميم علوم المواد. فبالنسبة للدرجات الزرقاء والخضراء، يعتمد المصنعون على طبقات النتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN)، في حين تأتي الألوان الحمراء من فوسفيد الألومنيوم إنديوم الغاليوم (AlInGaP). وقد اختيرت هذه المواد تحديدًا لأنها توفر تحكمًا دقيقًا في أطوال موجات الضوء، وتحافظ على إخراج لوني نقي ونظيف. وعند تنفيذ ذلك بشكل صحيح باستخدام تقنيات النمو البلوري عالية الجودة، يمكن للشاشات أن تصل إلى تغطية مذهلة تبلغ من 90 إلى 110 بالمئة من نطاق ألوان NTSC. وهذا يعادل تقريبًا تحسنًا بنسبة 40 بالمئة مقارنة بأغلب شاشات LCD القياسية. وتتعامل المصانع مع التباين الطبيعي في المواد من خلال عمليات معايرة دقيقة. إذ تتحقق من مدى انحراف نقطة اللون الأبيض عن النقطة المرجعية القياسية D65، ثم تقوم بتعديل التيار الكهربائي لكل ديود على حدة. وهذا يبقي أخطاء الألوان أقل من ΔE<3 عبر كامل نطاق السطوع، الذي يصل حتى 10,000 نيت. وحتى عند التعرض لظروف إضاءة محيطة ساطعة، تحافظ هذه الشاشات على سلامة ألوانها.

المقاييس الرئيسية للأداء التي تحدد جودة شاشة العرض LED

المسافة بين البكسلات، والدقة، ومسافة الرؤية: إرشادات عملية لاختيار شاشات العرض LED الداخلية مقابل الخارجية

يلعب حجم البكسلات في الشاشة دورًا كبيرًا في وضوح الصورة والنوع الأمثل للإعداد المستخدم. عندما نتحدث عن خطوات البكسل الأصغر، فإن الشاشات التي تقل خطوتها عن 2.5 مم تكون ممتازة للاستخدام الداخلي حيث يقف الأشخاص على مقربة، مثل غرف التحكم أو عند إعداد جدران الفيديو في المتاجر. تعمل هذه الشاشات بشكل جيد عندما يكون الأشخاص على بعد يتراوح بين متر واحد وعشرة أمتار. من ناحية أخرى، تركز الخطوات الأكبر التي تتراوح بين P4 وP10 على الحفاظ على السطوع، وزيادة العمر الافتراضي، وتقليل التكلفة للإشارات الخارجية أو الشاشات في الملاعب الرياضية حيث يشاهد الناس من مسافات بعيدة جدًا، غالبًا تزيد عن 100 متر. هناك في الواقع حيلة مفيدة للحفظ: اضرب قياس خطوة البكسل بالميليمتر في 1000 للحصول على الحد الأدنى للمسافة التي يجب أن يقف عندها الشخص بعيدًا عن الشاشة دون رؤية البكسلات الفردية. على سبيل المثال، في شاشة P3، لا أحد يريد رؤية مربعات إذا كان أقرب من ثلاثة أمتار. بالنسبة للإعدادات الداخلية، فإن معظمها يتطلب دقة أعلى من 1920x1080 فقط لكي تظل النصوص مقروءة. أما في الخارج، فيجب أن تكون الشاشات أكثر سطوعًا من 5000 نيت وأن تمتلك نسب تباين جيدة لمكافحة ضوء النهار والضوء المحيط الآخر الموجود حولها.

معدل التحديث، وعمق التدرج الرمادي، والتحكم بتعديل عرض النبضات: ضمان حركة خالية من الاهتزاز ومقاطع فيديو بجودة البث

معدل التحديث الذي يُقاس بوحدة الهيرتز (Hz) يحدد وضوح الصور المتحركة على الشاشة. غالبًا ما تُظهر الشاشات التي تقل معدلات تحديثها عن 1920 هيرتز تشويشًا أو ضبابية عند مشاهدة مشاهد مليئة بالإثارة، في حين تتطلب الإعدادات الاحترافية ما لا يقل عن 3840 هيرتز للتعامل مع بث الرياضة الحية أو العمل الاستوديوهاتي دون ظهور تشوهات بصرية. أما بالنسبة لعمق التدرج الرمادي، فهو يشير إلى عدد درجات الألوان بين الأسود والأبيض التي يمكن للشاشة إنتاجها. يوفر النظام ذو 14 بت حوالي 16 ألف مستوى شدة مختلف عبر كل قناة لونية، مما يعني عدم حدوث أي تدرج مرئي ملحوظ في الانتقالات التدريجية من المناطق الداكنة إلى المشرقة. يعمل تعديل عرض النبضة، أو ما يُعرف اختصارًا بـ PWM، عن طريق تشغيل وإطفاء مصابيح LED بسرعة كبيرة جدًا لضبط مستويات السطوع. إذا كانت الترددات منخفضة جدًا، مثل أقل من 1000 هيرتز، فقد يلاحظ البعض وميضًا يؤدي إلى الشعور بعدم الراحة مع مرور الوقت. ولكن عندما تتجاوز الشركات المصنعة تردد 3000 هيرتز، فإنها تحصل على تأثيرات خافتة أكثر نعومة ودعمًا أفضل لمحتوى HDR. وهذا أمر بالغ الأهمية في الأماكن التي تكون فيها جودة الصورة حاسمة تمامًا، مثل منشآت البث التلفزيوني أو المستشفيات التي يعتمد فيها الأطباء على المعلومات البصرية الدقيقة في التشخيص.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هو المدى البيكسل ولماذا يهم؟

يشير المدى البيكسل إلى المسافة بين البيكسلات في شاشة LED الرقمية، ويُقاس بالميليمتر. وهو يؤثر على وضوح الصورة والمسافة المشاهدة المطلوبة لتجنب رؤية البيكسلات الفردية. تكون مدى البيكسل الأصغر مناسبة للتطبيقات الداخلية حيث يكون المشاهدون قريبين، في حين أن المدى الأكبر يكون مثاليًا للإعدادات الخارجية حيث تكون مسافات المشاهدة أطول.

كيف تختلف تقنية LED عن LCD وOLED؟

تتضمن تقنية LED بيكسلات منبعثة ذاتيًا تولد الضوء من خلال مكونات شبه موصلة، على عكس شاشات LCD التي تتطلب إضاءة خلفية وشاشات OLED التي تستخدم مواد عضوية. وهذا يمنح شاشات LED مزايا مثل مستويات سطوع أعلى ودقة ألوان أفضل دون الحاجة إلى مرشحات إضافية.

ما هي بعض مقاييس الأداء الرئيسية لشاشات LED؟

تشمل مقاييس الأداء المهمة لشاشات العرض LED المسافة بين البكسلات، والدقة، ومعدل التحديث، وعمق الدرجات الرمادية، والتحكم بتعديل عرض النبض (PWM). تحدد هذه العوامل وضوح الشاشة، وسطوعها، ودقة الألوان، وقدرتها على عرض التسلسلات الحركية بسلاسة.