الإلكترونيات
انبعاث الضوء الملتوي: تعزيز كفاءة الإلكترونيات المستقبلية
تم اختراع المصابيح لتوفير إضاءة ثابتة وجعلها متاحة للجمهور العام. أدت الأبحاث المستمرة والتجارب لجعلها أكثر توفيرًا إلى تطوير الصمامات الثنائية الباعثة للضوء، أو LED.
LED technology was invented over half a decade ago by scientist Nick Holonyak Jr. while working at General Electric, which referred to it as “the magic one.”
مع استمرار تحسين LED مع مرور الوقت، تصبح أكثر سطوعًا، وأكثر توفيرًا، وأكثر موثوقية، مما أدى إلى اعتمادها على نطاق واسع في إشارات المرور، مستبدلةً المصابيح المتوهجة.
اليوم، تُقصر المصابيح “الصفراء” التقليدية على تطبيقات محددة، بينما تتصدر LED تطبيقات الإضاءة العامة بفضل كفاءتها الطاقية المتفوقة، وعمرها الطويل، وتعدد استخدامها.
بالطبع، لا تتوقف الابتكارات. في الواقع، مهد اختراع LED الطريق أمام OLEDs—الصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء، المعروفة أيضًا باسم الصمامات الكهرضوئية العضوية.
كان ذلك نتيجةً لاستكشاف الباحثين إمكانية استخدام مركبات عضوية بدلاً من المواد غير العضوية لتحقيق نفس تأثير LED، الذي يولد الضوء بتمرير الكهرباء عبر مادة شبه موصلة.
تم بناء أول جهاز OLED في عام 1987 بواسطة العالِمين ستيفن فان سلايك وتشنغ تانغ في شركة إيستمان كوداك.
بينما يستخدم كل من LED و OLED الكهرباء لإنتاج الضوء، تُصدر OLED الضوء باستخدام مواد عضوية. تستخدم هذه الصمامات الثنائية العضوية موادًا قائمة على الكربون، مما يسمح لها بتقديم شاشات أرق، وإعادة إنتاج ألوان أفضل، وأوقات استجابة أسرع مقارنةً بـ LED التقليدية.
وبالتالي، وجدت تقنية OLED طريقها إلى الهواتف الذكية، والتلفزيونات، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية المتقدمة. ومع ذلك، رغم التطور السريع لتقنية OLED، لم تحقق بعد انتشارًا واسعًا.
نظرة على تقنية OLED
الآن، دعونا نلقي نظرة أعمق على OLEDs. الصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء، على عكس LED، هي مصادر ضوء ذات مساحة انتشار لأنها تُصنع على شكل أوراق. بالمقابل، تُعد LED مصادر ضوء مركزة ونقطة صغيرة.
يسمح الضوء المتناثر لـ OLED بأن تُستخدم على مقربة شديدة من سطح المهمة ولا يسبب توهجًا للمستخدم. هذا يعني إمكانية الحصول على الإضاءة المطلوبة بكمية ضوء أقل، مما يجعلها ذات كفاءة عالية.
من ناحية أخرى، تُتيح مرونة OLED تصنيعها بأي شكل تقريبًا، مما يوسع إمكانيات التصميم ويسمح بتجربة إضاءة جديدة.
فيما يتعلق بهيكل OLED، يحتوي هذا الجهاز الصلب على سلسلة من الطبقات الرقيقة القائمة على الكربون بين قطبين موصلين، أنود وكاثود.
يُصدر الجهاز الضوء عندما تُطبق التيارات الكهربائية بين القطبين المتجاورين. لكي يخرج الضوء من الجهاز، يجب أن يكون أحد القطبين شفافًا على الأقل.
من خلال التحكم في مقدار التيار الكهربائي المطبق، يمكن تعديل شدة الضوء المنبعث.
أما بالنسبة إلى لون الضوء، فيحدده نوع المادة المُشعة المستخدمة. على سبيل المثال، يُنتج الضوء الأبيض باستخدام مُشِّعات حمراء وخضراء وزرقاء يمكن ترتيبها بطرق متعددة.
تشمل الأنواع الأخرى من OLEDs الأبيض، الشفاف، المصفوفة النشطة، المصفوفة السلبية، القابلة للطي، وOLED الصادر من الأعلى.
اليوم، تُعد OLED التقنية السائدة لشاشات الهواتف الذكية. ذلك لأن شاشات OLED ليست رقيقة وفعّالة فحسب، بل شفافة، مرنة، وقابلة للطي، وتوفر أفضل جودة صورة. زوايا مشاهدة واسعة ونسبة تباين عالية هي مزايا أخرى لتقنية OLED مقارنةً بالتقنيات التقليدية.
انقر هنا لتتعرف على كيفية ثورة OLED في كاميرات الرؤية الليلية.
الاعتماد المتزايد لتقنية OLED
نمت سوق OLED العالمية بشكل ملحوظ على مدار السنوات العديدة الماضية وستستمر في النمو في السنوات القادمة.
السوق من المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب قدره 13.20٪ بين 2022 و2029، ليصل إلى حجم 104.4 مليار دولار.
المحرك الرئيسي لهذا النمو هو الطلب المتزايد في قطاع الإلكترونيات الاستهلاكية. بالإضافة إلى ذلك، يفتح السوق المتنامي للأجهزة القابلة للارتداء وتكامل شاشات OLED في أجهزة الواقع المعزز والواقع الافتراضي فرص نمو جديدة.
ثم ظهور شاشات OLED المرنة والقابلة للطي، وهو اتجاه جديد مثير، يَعِد بملاءمة شاشة أكبر في شكل مدمج. تتيح هذه الشاشات تصاميم منتجات مبتكرة وتطبيقات لتجارب فريدة.
تجد شاشات OLED أيضًا تطبيقات متزايدة في أنظمة الترفيه داخل السيارات، ولوحات القيادة، وأنظمة الترفيه للمقاعد الخلفية. الطلب المتزايد على السيارات الكهربائية وتكامل أنظمة المساعدة المتقدمة للسائق (ADAS) من المتوقع أن يساهم في نموها في قطاع السيارات.
إلى جانب الشاشات، تمتلك تقنية OLED إمكانات في صناعة الإضاءة، حيث تقدم تجسيد ألوان ممتاز، إضاءة موحدة، والقدرة على إنشاء تصاميم إضاءة فريدة. التركيز المتزايد على حلول الإضاءة الموفرة للطاقة، إلى جانب تطوير ألواح OLED أكبر، يفتح فرص نمو في الإضاءة التجارية، إضاءة العمارة، وتطبيقات الإضاءة الزخرفية.
عامل آخر يدفع نمو سوق OLED هو التقدم المستمر في التكنولوجيا، والذي يشمل مواد أكثر فاعلية، طرق تغليف محسنة، وعمليات تصنيع توفر أداءً محسنًا، خفضًا في التكلفة، وعمرًا أطول.
ومع ذلك، بالرغم من التقدم الكبير في الأداء وانتشارها الواسع في شاشات الهواتف الذكية، لا تزال OLED تواجه العديد من التحديات.
التكلفة هي أحد التحديات الرئيسية في سوق OLED. ارتفاع تكلفة الإنتاج يعود إلى أن شاشات OLED تتطلب مواد عضوية باهظة الثمن وعمليات تصنيع معقدة، مما يجعلها أغلى من التقنيات التقليدية مثل LCD.
مشكلة أخرى تظهر أثناء عملية الإنتاج هي العائد، حيث يمكن لعيب صغير أن يتسبب في عدد كبير من شاشات OLED غير الصالحة. كما أن الاعتماد على مواد عضوية محددة يخلق مشكلة في سلسلة التوريد.
ثم هناك مسألة العمر المحدود لشاشات OLED إلى جانب كفاءة الطاقة، وهو أمر حاسم لتقليل استهلاك الطاقة وتحسين عمر البطارية في الأجهزة المحمولة.
عامل مقيد آخر هو عدم القدرة على تثبيت مُشِّعات زرقاء فعّالة. تواجه تقنية OLED أيضًا منافسة من تقنيات شاشات أخرى، مثل LCD (شاشة الكريستال السائل) التي لا تزال تهيمن على السوق، و micro-LED التي، رغم أنها في مراحلها الأولية من التسويق، تقدم احتمالية لعمر أطول.
بالإضافة إلى ذلك، يجب التغلب على قيود تقنية مثل احتمال حدوث احتراق للصور وعدم تجانس الإضاءة عبر الشاشات الكبيرة، من خلال تحسين مواد الشاشات، والهياكل، وعمليات التصنيع.
يعمل الباحثون بنشاط على معالجة هذه القيود، مع تقدم حديث يُظهر الإمكانات الهائلة لتحسين كفاءة شاشات OLED في التلفزيونات والهواتف الذكية.
تعزيز كفاءة OLED باستخدام أشباه الموصلات اللولبية
طور باحثون من جامعة كامبريدج وجامعة إيندهوفن التقنية أشباه الموصلات العضوية التي تُصدر ضوءًا مستقطبًا دوارًا عن طريق تحفيز الإلكترونات على التحرك بنمط حلزوني.
تحقق ذلك من خلال معالجة تحدٍ دام عقودًا في مجال أشباه الموصلات العضوية، والذي لا يمكنه فقط تحسين كفاءة شاشات OLED بل أيضًا يمهد الطريق لتقنيات الجيل القادم مثل السبينترونيك والحوسبة الكمومية.
أشار البحث المنشور في مجلة Science1 إلى الاهتمام الكبير بإدخال اللزوجة إلى مواد أشباه الموصلات لتحقيق توهج مستقطب دوار قوي (CPL)، وهو منخفض في OLED الحالية.
تستخدم أنظمة OLED الفعّالة الحالية جزيئات مُشِّعة معزولة مكانيًا في مضيف، مما ينتج CPL ضعيف.
بينما سُعِيَ إلى تحقيق CPL عالي، لم تكن متوافقة مع هياكل أجهزة OLED المُحسّنة. ومع ذلك، نجح الباحثون مؤخرًا في إنشاء شبه موصل عضوي يحفّز الإلكترونات على التحرك بنمط حلزوني.
كان ذلك بفضل طريقة جديدة لإنشاء أفلام رقيقة ومتجانسة ذات بنى نانوية فوق جزيئية لولبية تعتمد على جزيئات التريازاتروكسين. هذه الطريقة مناسبة تمامًا لتصنيع OLED وتظهر CPL أخضر عالي.
“هذا اختراق حقيقي في صنع شبه موصل لولبي. من خلال تصميم التركيب الجزيئي بعناية، ربطنا اللولبية للتركيب بحركة الإلكترونات، وهذا لم يحدث من قبل بهذا المستوى.”
– البروفيسور بيرت مايجر من جامعة إيندهوفن للتقنية.
يُصدر شبه الموصل اللولبي المطور ضوءًا مستقطبًا دوارًا، مما يعني أن الضوء يحمل معلومات عن “اليدوية” للإلكترونات.
المسألة هي أن معظم أشباه الموصلات غير العضوية لها بنية داخلية متماثلة، لذا تتحرك الإلكترونات دون اتجاه مفضَّل.
في الطبيعة، عادةً ما تكون الجزيئات ذات بنية لولبية، إما يسرى أو يمنى. الجزيئات اللولبية (مثل الحمض النووي) هي صور مرآة لبعضها البعض، وتلعب اللولبية دورًا رئيسيًا في العمليات البيولوجية. ومع ذلك، يصعب استغلالها والتحكم فيها إلكترونيًا.
لذا، لإنشاء شبه موصل لولبي، استلهم الباحثون من الطبيعة. دفعوا أكوام الجزيئات شبه الموصلة لتشكيل أعمدة حلزونية مرتبة يمنى أو يسرى.
تُظهر هذه أشباه الموصلات اللولبية واعدة في تقنية الشاشات، حيث تُهدر المنتجات الحالية الكثير من الطاقة بسبب طريقة تصفية الضوء عبر الشاشات. بالمقابل، يُصدر شبه الموصل اللولبي المطور الضوء بطريقة طبيعية يمكنها تقليل هذه الخسائر، مما يجعل الشاشات أكثر سطوعًا وكفاءةً في استهلاك الطاقة.
“عندما بدأت العمل مع أشباه الموصلات العضوية، شكك الكثيرون في إمكاناتها، لكن الآن هي تهيمن على تقنية الشاشات. على عكس أشباه الموصلات الصلبة غير العضوية، توفر المواد الجزيئية مرونة هائلة — مما يسمح لنا بتصميم هياكل جديدة تمامًا، مثل LED اللولبية. إنه كأنك تلعب بمجموعة ليغو تحتوي على كل الأشكال التي يمكنك تخيلها، وليس مجرد طوب مستطيل.”
المادة المستخدمة كأساس شبه الموصل هي التريازاتروكسين (TAT)، التي تتجمع لتشكل رصًا حلزونيًا (حلزونياً) يتكون من ست جزيئات في كل دورة. يتيح ذلك للإلكترونات الالتفاف على طول هيكله، مما يساعد في الحصول على CPL الملاحظ.
عند تعرضه للضوء فوق البنفسجي، يُصدر TAT المُجمّع ذاتيًا “ضوءًا أخضرًا ساطعًا مع استقطاب دوار قوي”. أشار المؤلف المشارك ماركو بروس من جامعة إيندهوفن للتقنية إلى أن هذا التأثير كان صعبًا الحصول عليه في أشباه الموصلات—حتى الآن.
“بنية TAT تسمح للإلكترونات بالتحرك بكفاءة مع تأثيرها على طريقة انبعاث الضوء.”
– بروس
مكّن تغيير طرق تصنيع OLED الباحثين من استخدام TAT بنجاح في OLEDs المستقطبة دوارًا (CP-OLEDs)، التي أظهرت سطوعًا ملحوظًا، كفاءة، ومستويات استقطاب عالية.
أظهر الدراسة أن OLEDs حققت كفاءات كمية خارجية تصل إلى 16٪ واختلافات توهج كهربائي أقل من أو ما يعادل 10٪.
“لقد أعدنا أساسًا الوصفة القياسية لصنع OLEDs كما نفعل في هواتفنا الذكية، مما يسمح لنا بحجز بنية لولبية داخل مصفوفة مستقرة غير متبلورة. هذا يوفر طريقة عملية لإنشاء LED مستقطب دوار، وهو ما كان يفتقر إليه المجال طويلاً.”
إلى جانب الشاشات، فإن التطور الأخير له أيضًا تداعيات على الحوسبة الكمومية والسبينترونيك، حيث يُستخدم الزخم الزاوي (أو السبين) المتأصل للإلكترونات لتخزين ومعالجة المعلومات لتوفير أنظمة حوسبة أسرع وأكثر أمانًا.
فيما يتعلق بالتطبيق العملي، قد يبدأ هذا الاختراق في رؤية تطبيقاته التجارية في تقنية الشاشات خلال السنوات 3 إلى 5 القادمة، بينما قد تتطور التطبيقات في السبينترونيك والحوسبة الكمومية خلال العقد القادم.
شركة مبتكرة
Universal Display Corporation (OLED )
Universal Display Corporation (UDC) هي رائدة في تطوير وتسويق تقنيات OLED للاستخدام في شاشات اللوحات المسطحة، الإضاءة، والإلكترونيات العضوية. كما أنها مورد رئيسي للمواد العضوية والتقنيات لشاشات OLED والإضاءة.
تأسست قبل نحو ثلاثة عقود، وتهدف UDC إلى إنشاء الجيل التالي من الشاشات. تُستخدم تقنياتها وموادها المملوكة في منتجات OLED التجارية حول العالم، بما في ذلك الهواتف الذكية، الساعات الذكية، الأجهزة اللوحية، التلفزيونات، وأكثر. أبرز الأمثلة هي تلفزيونات OLED من LG وسلسلة Galaxy من Samsung. تمتلك UDC أكثر من 6,000 براءة اختراع صادرة ومعلقة عالميًا.
تتخصص الشركة في البحث، التطوير، وتسويق مواد OLED الفسفورية (PHOLED)، التي توفر كفاءة أعلى وأداء محسّن.
برأس مال سوقي يبلغ 7.425 مليار دولار، تُتداول أسهمها بسعر 156.41 دولارًا أمريكيًا في وقت كتابة هذا، بارتفاع 6.98٪ منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي 4.65، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) هي 33.64، بينما عائد السهم هو 1.15٪.
(OLED )
قبل شهر، أعلنت نتائجها المالية، والتي كشفت عن إيرادات قدرها 162.3 مليون دولار في الربع الرابع من عام 2024، مقارنةً بـ 158.3 مليون دولار في نفس الربع من عام 2023.
ارتفعت إيرادات مبيعات المواد إلى 93.3 مليون دولار خلال هذه الفترة بسبب الطلب المتزايد على مواد المُشِّع الخاصة بالشركة. ساهمت عوائد الترخيص والرسوم في إيرادات بقيمة 64.4 مليون دولار، والتي انخفضت بسبب تقليل التعديلات المتراكمة.
في الربع الرابع، بلغت تكلفة مبيعات المواد 34.2 مليون دولار بسبب زيادة حجم المواد، وبلغ إجمالي هامش الربح 77٪. كان الدخل التشغيلي 52.5 مليون دولار، وصافي الدخل 46.0 مليون دولار أو 0.96 دولار للسهم المخفّف.
للسنة الكاملة، أبلغت الشركة عن إجمالي إيرادات قدرها 647.7 مليون دولار، بزيادة 12.36٪ عن العام السابق. وشمل ذلك 365.4 مليون دولار من مبيعات المواد، التي تكلفت 137 مليون دولار، و266.8 مليون دولار من عوائد الترخيص والرسوم.
كان الدخل التشغيلي 238.8 مليون دولار، بينما كان صافي الدخل 222.1 مليون دولار أو 4.65 دولار للسهم المخفّف في عام 2024 مقارنةً بـ 203 مليون دولار أو 4.24 دولار للسهم المخفّف في عام 2023.
كما أبلغت UDC عن تكاليف إعادة هيكلة قدرها 8.9 مليون دولار مرتبطة بإغلاق موقع OVJP في كاليفورنيا المخطط له.
عند الحديث عن “عام قياسي من الأداء المالي القوي”، أشار بريان ميلارد، نائب الرئيس ومدير الشؤون المالية في UDC، إلى النمو والتقدم الذي شهدته صناعة OLED.
تقوم الشركات بتوسيع خرائط منتجاتها، وتستثمر صانعي اللوحات الرائدون في مصانع جديدة لتلبية الطلب المتزايد، خاصةً في أسواق تكنولوجيا المعلومات والسيارات الناشئة، وفقًا لميلارد، مضيفًا:
“نعتقد أن دورة الإنفاق الرأسمالي الجديدة هذه ستمهد الطريق لسعة OLED جديدة ذات معنى، ومنتجات OLED جديدة، ومستخدمين جدد لتقنية OLED.”
بالنسبة لهذا العام، تتوقع UDC أن تكون إيراداتها بين 640 مليون و700 مليون دولار، مشيرةً إلى أن “صناعة OLED لا تزال في مرحلة يمكن للعديد من المتغيرات أن تؤثر بشكل كبير على النتائج.”
كما أعلنت الشركة عن توزيع نقدي قدره 0.45 دولار للسهم للربع الأول من عام 2025، يدفع في 31 مارس 2025 لجميع المساهمين.
“بصفتنا رائدًا وقائدًا في النظام البيئي، نحن في موقع جيد لمواصلة دعم عملائنا وتمكين الصناعة من خلال محفظتنا المتوسعة من المواد الفسفورية ذات الكفاءة العالية والأداء العالي وتقنيات OLED.”
– المدير المالي ميلارد
آخر الأخبار عن Universal Display Corporation
الخلاصة
لقد حسّن تطور الصمامات الثنائية الباعثة للضوء بشكل كبير تقنية الشاشات والإضاءة. في هذا التقدم، جلبت تقنية OLED لنا فوائد جودة صورة أفضل، وتصميم أرق وأخف وزنًا، ومرونة، وابتكار.
بينما تقدمت تقنية OLED كثيرًا منذ بداياتها، لا تزال تواجه تحديات من حيث الكفاءة والتكلفة. وبالتالي، تمثل التطورات الأخيرة في أشباه الموصلات اللولبية لحظة محورية في تطورها.
إن القدرة على التحكم في حركة الإلكترونات وإصدار ضوء مستقطب دوار بكفاءة عالية قد تُحدث تحولًا كبيرًا في تقنية الشاشات. كما سيفتح ذلك أبوابًا لإمكانات جديدة في الحوسبة الكمومية والسبينترونيك.
مع توقع تطبيقات تجارية لهذا الابتكار في الأفق، قد يعيد هذا البحث تعريف طريقة عمل الإلكترونيات ويقود إلى أجهزة إلكترونية أكثر كفاءة في الطاقة وعالية الأداء في المستقبل القريب.
الدراسات المشار إليها:
1. Chowdhury, R., Preuss, M. D., Cho, H.-H., Thompson, J. J. P., Sen, S., Baikie, T. K., Ghosh, P., Boeije, Y., Chua, X. W., Chang, K.-W., Guo, E., van der Tol, J., van den Bersselaar, B. W. L., Taddeucci, A., Daub, N., Dekker, D. M., Keene, S. T., Vantomme, G., Ehrler, B., Meskers, S. C. J., Rao, A., Monserrat, B., Meijer, E. W., & Friend, R. H. (2025). Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films. Science, 387(6739), 1175–1181. https://doi.org/10.1126/science.adt3011
