كيف تعمل شاشات LED وكيف يتم تصنيعها: توضيح التكنولوجيا

العلم وراء تشغيل شاشات العرض LED

المبدأ الأساسي لإصدار الضوء في شاشات العرض LED

تعمل شاشات LED باستخدام ما يُعرف بالانبعاث الضوئي الكهربائي. ببساطة، هذا يعني أنه عندما تمر الكهرباء عبر مواد شبه موصلة خاصة داخل الشاشة، فإنها تُنتج الضوء بنفسها. والفرق الكبير مقارنة بشاشات LCD هو أن شاشات LCD تحتاج إلى مصدر إضاءة خلفية منفصل، في حين أن كل عنصر ضوئي (LED) في هذه الشاشات يُنتج ضوءه الخاص. ولهذا السبب يمكن لبعض الموديلات المتطورة أن تصل إلى مستويات سطوع تبلغ حوالي 10,000 نِت، مما يجعلها مرئية جدًا حتى تحت أشعة الشمس المباشرة وفقًا لأبحاث DisplayMate الصادرة العام الماضي. وميزة أخرى تنجم أيضًا عن هذا الأسلوب في الإضاءة الذاتية. تُظهر الاختبارات أن شاشات LED تستهلك عادةً نحو 40 بالمئة أقل من الطاقة مقارنة بتقنية LCD التقليدية. كما أنها تعالج الألوان بشكل أفضل بكثير، حيث تغطي ما يقارب كامل نطاق الألوان المعروف باسم DCI-P3، مما يجعل الصور تبدو أكثر حيوية وواقعية عبر مختلف الأجهزة والبيئات.

كيف تُكوّن البكسلات والبكسلات الفرعية الصور المرئية

تُنشئ شاشات LED الحديثة الصور من خلال مجموعات صغيرة من البكسلات الفرعية RGB (الأحمر، الأخضر، الأزرق) التي تشكل كل بكسل نراه. عندما يقوم المصنعون بتعديل شدة إضاءة كل بكسل فرعي بشكل منفصل باستخدام تقنية تُعرف باسم تعديل عرض النبضة، فإنهم ينجحون في الحصول على حوالي 16.7 مليون لون مختلف على الشاشة. وتتجاوز الشاشات عالية الجودة هذا الحد أكثر مع تقنية Micro LED حيث تنخفض المسافة بين البكسلات إلى أقل من 1 مم. توفر هذه الألواح المتقدمة دقة 4K ولكنها تحتوي على ما يقارب ثلاثة أضعاف عدد البكسلات لكل وحدة مساحة مقارنة بشاشات OLED التقليدية وفقًا للبيانات المقدمة في مؤتمر SID عام 2023.

دور المواد أشباه الموصلات في وظائف شاشات LED

نيتريد الغاليوم (GaN) ونيتريد الإنديوم والغاليوم (InGaN) هما المركبان شبه الموصِلين الرئيسيان المستخدمان في بناء مصابيح LED. وتتيح هذه المواد:

• دقة الطول الموجي : ±2 نانومتر تسامح للحصول على إخراج لوني متسق
• الاستقرار الحراري : تشغيل موثوق يصل إلى 125°م
• طول العمر : ما يصل إلى 100,000 ساعة من العمر التشغيلي بسبب تقليل تسرب الإلكترونات (أسبوع أشباه الموصلات المركبة 2024)

تحوّل هياكلها الكمية الطاقة الكهربائية مباشرةً إلى ضوء، وتحقق كفاءة إضاءة أعلى بنسبة 85٪ مقارنة بالحلول القائمة على الفوسفور.

مقارنة بين تقنية عرض LED وLCD وOLED

مصدر البيانات: معيار تقنية العرض 2023

تتفوق تقنية LED على شاشات LCD من حيث السطوع والتباين والكفاءة في استهلاك الطاقة، مع تجنب عيوب OLED المتعلقة بظاهرة الحرق. ويتيح تصميمها النمطي قابلية توسيع سلسة – من الأجهزة القابلة للارتداء إلى جدران الفيديو بحجم الاستادات – مع الحفاظ على زمن انتقال أقل من 2 مللي ثانية في جميع التكوينات (معايير البث SMPTE 2024)

المواد والمكونات الرئيسية في أنظمة عرض الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

المواد شبه الموصلة الأساسية: نيتريد الغاليوم ونيتريد الإنديوم والغاليوم

نيتريد الغاليوم، أو GaN باختصار، هو الأساس الذي يجعل إنتاج الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الأزرق ممكنًا. وعند خلطه مع الإنديوم لإنشاء سبائك InGaN، يمكن للمصنّعين تعديل كمية الضوء المنبعث عند أطوال موجية مختلفة، ما يعني حصولنا أيضًا على ألوان الخضراء والتركواز الجميلة. ما يُثير الإعجاب حقًا في هذه المواد شبه الموصلة هو قدرتها على تحويل التيار الكهربائي مباشرةً إلى جسيمات ضوئية داخل تلك الآبار الكمية الصغيرة. ومن خلال النظر إلى الأرقام الحديثة من القطاع الصناعي، تُظهر الصمامات الثنائية الباعثة للضوء المستندة إلى GaN الآن معدلات عيب أقل من 100 لكل سنتيمتر مربع. ويُفسر هذا العدد المنخفض من العيوب سبب ظهور شاشات العرض الكبيرة LED بشكل متناسق جدًا من حيث اللون عبر كامل سطحها.

لوحات الدوائر المطبوعة وإدارة الحرارة في تصميم شاشات العرض LED

تلعب لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات المستخدمة في شاشات العرض LED دورًا مهمًا جدًا في الحفاظ على التوصيل الكهربائي بين جميع المكونات، وفي الوقت نفسه إدارة تراكم الحرارة. وعادةً ما تكون هذه اللوحات مزودة بمادة عازلة عالية التردد من نوع FR4، إلى جانب طبقات نحاسية يبلغ وزن كل منها حوالي أونصتين. ويُساعد هذا التركيب على الحفاظ على سلامة الإشارة اللازمة للحصول على أعماق ألوان غنية تصل إلى 16 بت كما نراها في الشاشات الحديثة. وفيما يتعلق بإدارة الحرارة، غالبًا ما يستخدم المصنعون قلوب ألومنيوم يمكنها تحمل معدلات تبديد حراري تقترب من 15 واط لكل سنتيمتر مربع. وعند دمجها مع حلول تبريد نشطة بدلًا من الاعتماد فقط على الأساليب السلبية، تنخفض درجات حرارة التشغيل بنسبة تقارب 40%، ما يعني أن عمر هذه الشاشات يمتد عادةً لأكثر من 70 ألف ساعة قبل الحاجة إلى استبدالها. كما توجد دوائر احتياطية للسلامة مدمجة تضمن استمرار العمل بسلاسة، وتُبقي حالات تعطل البكسلات نادرة جدًا، حيث تقل عن حالة واحدة من كل عشرة آلاف بكسل في التطبيقات الواقعية.

عملية تصنيع شاشات العرض LED خطوة بخطوة

تصنيع الرقائق: الأساس في إنتاج رقائق LED

تبدأ عملية التصنيع باستخدام رقائق من الياقوت أو السيليكون ذات درجة أشباه الموصلات، ويبلغ قطرها عادةً ما بين 4 إلى 8 بوصات. يجب أن تكون هذه الرقائق ناعمة جدًا، وتقريبًا مسطحة على المستوى الذري بعد عملية التلميع. ثم تأتي مرحلة التصوير الضوئي بالتزامن مع تقنيات الحفر الكيميائي التي تُستخدم لإنشاء هياكل البكسل الصغيرة على السطح. تضع هذه الخطوة الأساس الذي سيحدد لاحقًا الخصائص البصرية والسلوك الكهربائي. وجدت دراسة حديثة نُشرت في ورقة علمية حول علوم المواد عام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا - حيث أظهرت أن الرقائق التي لا يتجاوز انحراف سطوحها 5 نانومتر تحقق كفاءة إخراج ضوئي أفضل بنسبة 18 بالمئة مقارنةً بالسطوح الخشنة.

النمو الطبقي والتقنيات المدعمة لتحسين كفاءة الـ LED

تتم عادةً عملية نمو الطبقات البلورية من خلال الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) عند درجات حرارة عالية جدًا تتراوح بين حوالي 1000 درجة مئوية وصولاً إلى نحو 1200 درجة مئوية. هذه الظروف تُكوِّن الوصلات p-n اللازمة لجعل الإشعاع الكهربائي ممكنًا. أما بالنسبة للتحكم الدقيق في لون الإخراج، فإن الشركات المصنعة تضيف بعناية عناصر معينة أثناء الإنتاج. ويُستخدم المغنيسيوم بشكل شائع عندما تُرغب إضاءة زرقاء، في حين أن البريليوم يعمل بشكل أفضل للإصدارات فوق البنفسجية. يساعد هذا الإدخال الدقيق في الحفاظ على دقة الطول الموجي ضمن نطاق ضيق نسبيًا، عادةً ضمن ±2 نانومتر. وقد دفعت التحسينات الحديثة في ما يُعرف بهياكل البئر الكمي المتعددة بالتقنيات خطوة إلى الأمام أكثر. فقد وصلت بعض النماذج المختبرية الآن إلى كفاءة مثيرة للإعجاب تبلغ 220 لومن لكل واط وفقًا لتقرير تصنيع أشباه الموصلات للعام الماضي.

تقطيع الرقائق، والاختبار، والتصنيف لأداء متسق

بعد النمو الطبقي، تُقطع الرقائق إلى رقائق LED فردية (0.1–2.0 مم²) باستخدام شفرات مزودة بنهايات ماسية. تخضع كل رقاقة لاختبار آلي يتضمن:

• توحيد السطوع (تسامح ±5%)
• الجهد الأمامي (المدى من 2.8 فولت إلى 3.4 فولت)
• إحداثيات اللونية (ΔE < 0.005 للصنف المتميز)
  يؤدي الفرز الموجه بالرؤية الآلية إلى معدلات إنتاج تصل إلى 98.7%، مما يضمن الاتساق عبر دفعات الإنتاج (معايير الصناعة 2023).

تقنية التركيب السطحي (SMT) في تجميع شاشات LED

تقوم أنظمة الروبوتات باختيار ووضع رقائق LED على لوحات الدوائر المطبوعة بسرعة تزيد عن 30,000 مكون في الساعة. وتُنشئ عملية لحام إعادة التسخين وصلات بدقة محاذاة تقل عن 10 مايكرومتر، في حين تكشف فحوصات معجون اللحام ثلاثية الأبعاد (SPI) العيوب بدقة تصل إلى 15 مايكرومتر. وتقلل أتمتة تقنية SMT من تكاليف التجميع بنسبة 40% مقارنةً بأساليب التوصيل اليدوية (تحليل التصنيع 2024).

تجميع ألواح الشاشات النمطية LED للاستخدام التجاري

البناء النمطي واعتبارات المسافة بين البكسلات في تخطيط شاشة LED

تُبنى معظم الشاشات التجارية من نوع LED باستخدام ألواح وحداتية، يبلغ قياسها عادةً حوالي 500 في 500 مليمترًا وتصل إلى 1000 في 1000 مليمتر، وتُركَّب معًا دون فواصل. ويُقصد بمصطلح 'المسافة بين البكسلات' (Pixel Pitch) المسافة التي تفصل بين الصمامات الثنائية الضوئية الفردية بعضها عن بعض، وغالبًا ما تتراوح بين 1.5 مليمترًا إلى 10 مليمترات. تعطينا هذه القياسات بشكل أساسي معلومتين: مدى وضوح الصورة وجودتها، والمسافة المثلى التي يجب أن يقف منها المشاهد ليراها بوضوح. فالشاشات ذات المسافات الصغيرة جدًا بين البكسلات، أي أقل من 2.5 مم، تكون الأفضل عند وضع المشاهدين قريبين جدًا منها، كما هو الحال في مراكز التحكم أو استوديوهات البث. وفي المقابل، توفر المسافات الأكبر بين البكسلات توازنًا أفضل من حيث السعر والأداء في الأماكن التي يشاهد فيها الجمهور من مسافات بعيدة، مثل ملاعب الرياضة أو أماكن الحفلات.

دمج الخزانات وتوزيع الطاقة في الأنظمة الكبيرة من الشاشات LED

تحتوي الخزانات الحديثة المصنوعة من سبائك الألومنيوم على جميع المكونات الأساسية، بما في ذلك الألواح الوحدوية، ووحدات التزويد بالطاقة، ووحدات المعالجة، وآليات التبريد. يمكن لمعظم الخزانات التي يبلغ حجمها حوالي 960 × 960 مليمتر استيعاب ما بين ثمانية إلى اثني عشر لوحاً مع الحفاظ على مستوى الضجيج أثناء التشغيل أقل من عتبة 65 ديسيبل. وتتمثل إحدى الميزات الذكية البارزة في تصميم الدوائر الكهربائية المتوازية، الذي يسمح للتقنيين بأداء مهام الصيانة على أجزاء من النظام دون الحاجة إلى إيقاف تشغيل النظام بالكامل، مما يجعل هذه الأنظمة أكثر موثوقية بشكل ملحوظ في الواقع العملي. وفيما يتعلق بإدارة الحرارة، فإن الطرازات الأحدث تدمج حلولاً حرارية متقدمة ترفع معدلات تبديد الحرارة بنسبة تتراوح بين 15 إلى 25 بالمئة وفقاً لأبحاث حديثة صادرة في عام 2024. وتنعكس هذه التحسينات في عمر أطول للمكونات، حيث تشير بعض التقارير إلى أن مدى عمر المكونات قد يمتد بنسبة تصل إلى ثلاثين بالمئة.

موازنة شاشات العرض ذات الخطوط الدقيقة مع الكفاءة من حيث التكلفة في التطبيقات الواقعية

توفر وحدات البكسل ذات الملعب 0.9 مم وضوحًا مذهلاً بدقة 4K عند مشاهدتها من مسافة حوالي 3 أمتار، ولكن دعنا نواجه الحقيقة، فبسعر 1200 دولار لكل متر مربع، لا يمكن لمعظم الشركات تحمل تكلفتها بالكامل. ولهذا السبب، وفقًا لتقرير اقتصاديات الشاشات الأحدث لعام 2024، يتجه نحو 78٪ من الشركات حاليًا نحو إعدادات هجينة بديلة. ما تقوم به هذه الشركات هو دمج وحدات عالية الدقة (من P2.5 إلى P3) في المناطق التي ينظر فيها الناس مباشرة إلى الشاشات، مع استخدام ألواح أرخص (من P4 إلى P6) في الزوايا والأطراف. ويقلل هذا الأسلوب التكلفة بنحو 40٪ دون أن يلاحظ أحد أي فرق في جودة الصورة. والأمر المثير للاهتمام أن هذه الحيلة لتوفير التكاليف أصبحت الآن شائعة جدًا، وتظهر في نحو ثلثي جميع تركيبات الإشارات الرقمية التي نراها حاليًا في المتاجر ومراكز النقل.

إلكترونيات القيادة وأنظمة التحكم في الشاشات الحديثة LED

كيف تنظّم دوائر التشغيل (Driver ICs) السطوع ودقة الألوان في وحدات البكسل LED

ترسل دوائر السائق (ICs) في الشاشات الحديثة تيارًا ثابتًا إلى كل بكسل فرعي، مما يساعد على التغلب على المشكلات الناتجة عن تغيرات الجهد وتقلبات درجات الحرارة التي قد تؤثر على الألوان. كما أن هذه الرقائق تعمل بسرعة جيدة، حيث تقوم بمعالجة الإشارات بتردد يبلغ حوالي 25 ميجاهرتز وتدعم 16 بت من تدرج الرمادي. وهذا يعني أنها قادرة على إنتاج ما يشبه 281 تريليون تركيبة لونية مختلفة، ما يمنح الشاشات جودتها البصرية العالية. والأهم من ذلك، أن المعايرة التلقائية المدمجة تحافظ على مظهر الألوان بشكل صحيح حتى بعد سنوات من الاستخدام. وتقاس هذه الخاصية وفق معايير الصناعة كقيمة Delta E أقل من 3، ما يعني عمليًا أن لا أحد سيلاحظ أي انحراف في دقة الألوان طوال عمر الشاشة، الذي غالبًا ما يستمر لما يزيد عن 50,000 ساعة تشغيل.

معالجة الإشارات ومعدلات التحديث في شاشات LED عالية الأداء

تُعالج شاشات العرض LED من الفئة العليا إشارات 12G-SDI بمعدلات تحديث تزيد عن 3840 هرتز، مما يلغي ضبابية الحركة في المحتوى سريع الحركة. ويُحسّن التدرج الزمني العمق الظاهري للبت دون زيادة متطلبات النطاق الترددي. وتمكّن معمارية المعالجة الموزعة من مزامنة أكثر من 2000 وحدة بانحراف ساعي أقل من 0.01°، مما يضمن محاذاة مثالية في جدران الفيديو الواسعة.

إدارة التوازن بين متطلبات الدقة واستهلاك الطاقة

يُعد دعم 33 مليون ديود باعث للضوء (LED) قابل للتحكم بشكل فردي في شاشة بدقة 4K تحديًا كبيرًا من حيث استهلاك الطاقة. ويواجه المهندسون هذا التحدي من خلال ثلاث استراتيجيات رئيسية:

1. تعديل الجهد الديناميكي الذي يقلل من استهلاك الطاقة في المناطق غير النشطة من الشاشة
2. تقنيات عرض دون البكسل التي تحافظ على الحدة الظاهرية باستخدام عدد أقل بنسبة 25٪ من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الفعلية
3. أساليب هجينة للطاقة تجمع بين التنظيم المركزي والموزع

تتيح هذه الابتكارات لشاشات ذات درجة عرض 2.5 مم العمل بسطوع 800 نيت بينما تستهلك أقل من 450 واط/م²— وهو تحسن بنسبة 40٪ مقارنة بالتصاميم السابقة (معايير هندسة الشاشات 2023).

الأسئلة الشائعة

ما المقصود بالانبعاث الضوئي الكهربائي في تقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)؟

الانبعاث الضوئي الكهربائي هو المبدأ الذي تنبعث فيه المواد أشباه الموصلة للضوء عندما يمر التيار الكهربائي من خلالها، مما يسمح لكل صمام ثنائي باعث للضوء (LED) في الشاشة بإنتاج ضوءه الخاص دون الحاجة إلى إضاءة خلفية منفصلة.

كيف تعمل البكسلات الفرعية RGB في شاشات LED؟

تدمج البكسلات الفرعية RGB في شاشات LED الألوان الحمراء والخضراء والزرقاء بدرجات شدة مختلفة لإنشاء طيف واسع من الألوان، مما يتيح توليد 16.7 مليون تباين لوني.

لماذا تعد GaN وInGaN مهمتين في شاشات LED؟

تُعد GaN وInGaN مواد شبه موصلة حيوية توفر تحكمًا دقيقًا في الطول الموجي واستقرارًا حراريًا ممتازًا وعمر تشغيل طويل الأمد في شاشات LED.

ما فوائد شاشات LED مقارنة بشاشات LCD وOLED؟

تُقدِّم عروضات LED سطوعًا وتناقضًا وكفاءة في استهلاك الطاقة وعمرًا أطول مقارنةً بعروضات LCD وOLED، دون خطر حدوث ظاهرة الحرق المتأصلة في عروضات OLED.

كيف يؤثر تباعد البكسل على جودة شاشة LED؟

يُحدد الملعب البكسل دقة الصورة والمسافة المثلى للعرض، حيث تكون الملاعب الأصغر مناسبةً للعرض القريب، بينما تُستخدم الملاعب الأكبر للعرض عن بُعد.

ما الدور الذي تؤديه دوائر التشغيل (IC) في عروضات LED؟

تحدد دوائر التشغيل التيار الكهربائي لكل بكسل فرعي، مما يضمن دقة لونية وسطوعًا متسقين على الرغم من تقلبات الجهد والتغيرات في درجة الحرارة.