Pantalla de cristal líquit

Archiu:LCD layers.png

Pantalla de cristal líquit

Una pantalla de cristal líquit o LCD (sigla de l'anglés liquid-crystal display), és una pantalla plana i prima formada per un número de píxelés en color o monocroms colocats davant d'una font de llum o reflectora. A sovint s'utilisa en dispositius electrònics de piles, ya que utilisa cantitats molt menudes d'energia elèctrica.

Característiques

Cada píxel d'un LCD típicament consistix en una capa de molèculas alineades entre dos electrodos transparents, i dos filtres de polarisació, els eixos de transmissió de cada u que estan (en la majoria dels casos) perpendiculars entre sí. Sense cristal líquit entre el filtre polarizante, la llum que passa pel primer filtre seria bloquejada pel segon (creuant) polarisador.

La superfície dels electrodos que estan en contacte en els materials de cristal líquit és tractada a fi d'ajustar les molècules de cristal líquit en una direcció en particular. Este tractament sol ser normalment aplicable en una fina capa de polímero que és unidireccionalmente fregada utilisant, per eixemple, un pany. La direcció de l'alliniació de cristal líquit es definix per la direcció de frotación.

Abans de l'aplicació d'un camp elèctric, l'orientació de les molècules de cristal líquit està determinada per l'adaptació a les superfícies. En un dispositiu twisted nematic, TN (un dels dispositius més comuns entre els de cristal líquit), les direccions d'alliniació de la superfície dels dos electrodos són perpendiculars entre sí, i aixina s'organisen les molècules en una estructura helicoidal, o retortillada. Degut a que el material és de cristal líquit birrefringente, la llum que passa a través d'un filtre polarizante es gira per l'hèliç de cristal líquit que passa a través de la capa de cristal líquit, #lo que li permet passar pel segon filtre polarisat. La mitat de la llum incident és absorbida pel primer filtre polarizante, pero per lo demés tot el montage és transparent.

Quan s'aplica un voltage a través dels electrodos, una força de gir orienta les molècules de cristal líquit paraleles al camp elèctric, que distorsiona l'estructura helicoidal (açò es pot resistir gràcies a les forces elàstiques des de que les molècules estan llimitades a les superfícies). Açò reduïx la rotació de la polarisació de la llum incident, i el dispositiu apareix gris. Si la tensió aplicada és lo suficientment gran, les molècules de cristal líquit en el centre de la capa són casi completament desenrolladas i la polarisació de la llum incident no és rotada ya que passa a través de la capa de cristal líquit. Esta llum serà principalment polarisada perpendicular al segon filtre, i per això serà bloquejada i l'pixel apareixerà negre. Pel control de la tensió aplicada a través de la capa de cristal líquit en cada píxel, la llum es pot permetre passar a través de distintes cantitats, constituint-se els diferents tons de gris.

L'efecte òptic d'un dispositiu twisted nematic (TN) en l'estat del voltage és molt manco depenent de les variacions de gruixa del dispositiu que en l'estat del voltage de compensació. Per açò, estos dispositius solen usar-se entre polarisadors creuats de tal manera que semblen lluentes sense tensió (l'ull és molt més sensible a les variacions en l'estat obscur que en el lluent). Estos dispositius també poden funcionar en paralel entre polarisadors, en el cas dels quals la llum i l'obscuritat són estats invertits. La tensió de compensació en l'estat obscur d'esta configuració apareix enrogida per les menudes variacions de gruixa en tot el dispositiu. Tant el material del cristal líquit com el de la capa d'alliniació contenen composts iònics. Si un camp elèctric d'una determinada polaridad s'aplica durant un periodo prolongat, este material iònic és atret cap a la superfície i es degrada el rendiment del dispositiu. Açò s'intenta evitar, ya siga per mig de l'aplicació d'una corrent alterna o per inversió de la polaridad del camp elèctric que està dirigida al dispositiu (la resposta de la capa de cristal líquit és idèntica, independentment de la polaridad dels camps aplicats).

Quan un dispositiu requerix un gran número de píxels, no és viable conduir cada dispositiu directament, aixina cada píxel requerix un número d'electrodos independent. En canvi, la pantalla és multiplexada. En una pantalla multiplexada, els electrodos de la part lateral de la pantalla s'agrupen junt en els cables (normalment en columnes), i cada grup té la seua pròpia font de voltage. Per un atre costat, els electrodos també s'agrupen (normalment en files), en a on cada grup obté una tensió de sumidero. Els grups s'han dissenyat de manera que cada píxel té una combinació única i dedicada de fonts i sumideros. Els circuits electrònics o el software que els controla, activa els sumideros en seqüència i controla les fonts dels píxels de cada sumidero.

Especificacions

Importants factors que es deuen considerar en evaluar una pantalla de cristal líquit:

Resolució

Les dimensions horisontal i vertical són expressades en píxels: les pantalles HD tenen una resolució nativa des de 1280x720 píxels (720p) fins a 3840×2160 pixel (4K UHD).

Ample de punt

És la distància entre els centres de dos píxels adjacents: quant menor siga l'ample de punt, tant menor granularidad tindrà l'image. L'ample de punt sol ser el mateix en sentit vertical i horisontal, pero pot ser diferent en alguns casos.

Tamany

El tamany d'un panel LCD es medix a lo llarc de la seua diagonal generalment expressat en polzades des de 7" fins a 60"(coloquialment cridada àrea de visualisació activa).

Temps de resposta

És el temps que demora un píxel en canviar d'un color a un atre.

Tipo de matriu

Activa, Passiva, Reactiva i Recarregada.

Àngul de visió

És el màxim àngul en el que un usuari pot mirar el LCD, estant desplaçat del seu centre, sense que es perga calitat de visió. Les noves pantalles vénen en un àngul de visió de 178 graus.

Soport de color

Cantitat de colors soportats o gama de colors.

Contrast

La relació entre l'intensitat més lluenta i la més obscura.

Aspecte

És la proporció entre l'esgambi i l'altura.

Ports d'entrada

Per eixemple: Digital Visual Interface (DVI), Video Graphics Array (VGA), LVDS o inclús S-Video i High-Definition Multimèdia Interface (HDMI). Actualment ya s'està manejant en algunes pantalles el port USB que permet la reproducció de fotos, música, i video.

Breu història

1887

Friedrich Reinitzer (1858-1927) va descobrir que esteroles extrets de carlotes són un cristal líquit (és dir, descobrix l'existència de dos punts de fusió i la generació de colors), i va publicar les seues conclusions en una reunió de la Societat Química de Viena sobre el 3 de maig de 1888 (F. Reinitzer: Zur Kenntniss de Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien/Viena) 9, 421-441 (1888)).

1904

Otto Lehmann publica la seua obra Cristals líquits.

1911

Charles Mauguin descriu l'estructura i les propietats dels cristals líquits.

1936

La companyia Marconi Wireless Telegraph patenta la primera aplicació pràctica de la tecnologia, The Liquid Crystal Light Valve.

1960 a 1970

El treball pioner en cristals líquits es va realisar en la década de 1960 pel Royal Radar Establishment de Regne Unit en Malvern. L'equip de RRE va recolzar la llabor en curs per George Gray i el seu equip de la Universitat de Hull, qui finalment va descobrir el Cianobifenilo dels cristals líquits (que tenia unes propietats correctes d'estabilitat i temperatura per a la seua aplicació en els LCD).

1962

La primera gran publicació en anglés sobre el tema: Estructura molecular i propietats dels cristals líquits, pel George W. Gray.

Richard Williams de RCA va trobar que hi havia alguns cristals líquits en interessants característiques electro-òptiques i es va donar conte de l'efecte electro-òptic per mig de la generació de patrons de bandes en una fina capa de material de cristal líquit per l'aplicació d'un voltage. Este efecte es basa en una inestabilitat hidrodinàmica formada, #lo que ara es denomina "dominis Williams" en l'interior del cristal líquit.

1964

En l'autumne de 1964 George H. Heilmeier, quan treballava en els laboratoris de la RCA en l'efecte descobert per Williams es va donar conte de la conmutación de colors induïda pel reajustament de les tenyides de dicroico en un cristal líquit homeotrópicamente orientat. Els problemes pràctics en este nou efecte electro-òptic varen fer que Heilmeier seguira treballant en els efectes de la dispersió en els cristals líquits i, per últim, la realisació de la primera pantalla de cristal líquit de funcionament sobre la base de lo que ell va cridar la dispersió modo dinàmic (DSM). L'aplicació d'un voltage a un dispositiu DSM canvia inicialment el cristal líquit transparent en una capa lechosa, térbola i estatal. Els dispositius DSM podrien operar en modo transmissió i reflexió, pero requerixen un considerable fluix de corrent per al seu funcionament.

1970

El 4 de decembre de 1970, la palesa de l'efecte del camp twisted nematic en cristals líquits va ser presentada per Hoffmann-LaRoche en Suïssa (Swiss palesa N º 532.261), en Wolfgang Helfrich i Martin Schadt (que treballava per al Central Research Laboratories) a on figuren com a inventors. Hoffmann-La Roche, llavors en llicència de l'invenció li la va donar a la fàbrica suïssa Brown, Boveri & Cie, qui produïa dispositius per a rellonges durant els anys 1970 i també a l'indústria electrònica japonesa que pronte va produir el primer rellonge de polsera digital de cuarzo en TN, pantalles LCD i molts atres productes. James Fergason en Kent State University va presentar una palesa idèntica en els Estats Units del 22 d'abril de 1971. En 1971 la companyia de Fergason ILIXCO (actualment LXD Incorporated) va produir els primers LCD basats en l'efecte TN, que pronte va substituir a la mala calitat dels tipos DSM per les millores en els voltages d'operació més baixos i un menor consum d'energia.

1970 en avant

Una descripció detallada dels orígens i de la complexa història de les pantalles de cristal líquit des de la perspectiva d'una persona interna des dels primers dies ha segut publicat per Joseph A. Castellà en Liquid Gold, The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry. La mateixa història vista des d'una perspectiva diferent s'ha descrit i publicat per Hiroshi Kawamoto (The History of Liquid-Crystal Displays, Proc. IEEE, Vol. 90, N.º 4, abril de 2002), este document està disponible al públic en el IEEE History Center.

El color en els dispositius

En les pantalles LCD de color cada píxel individual es dividix en tres cèlules, o subpíxeles, de color roig, vert i blau, respectivament, per l'aument dels filtres (filtres de pigment, filtres de tenyida i filtres d'òxit de metal). Cada subpíxel pot controlar-se independentment per a produir mills o millons de possibles colors per a cada píxel. Els monitors CRT usen la mateixa estructura de ‘subpíxeles' a través de l'us de fòsfor, encara que el fes d'electrons analògics empleats en CRTs no donen un número exacte de subpíxeles.

Els components de color poden colocar-se en vàries formes geomètriques de píxels, en funció de l'us del monitor. Si el software sap qué tipo de geometria s'està usant en un LCD concret, esta pot usar-se per a aumentar la resolució del monitor a través de la presentació del subpíxel. Esta tècnica és especialment útil per a text anti-aliasing.

Matrius actives i passives dirigides a LCD

Les pantalles LCD en un menut número de sectors, tals com els que s'utilisen en rellonges digitals i calculadores de bojaca, tenen contactes elèctrics individuals per a cada segment. Un circuit extern dedicat suministra una càrrega elèctrica per al control de cada segment. Esta estructura és difícil de visualisar per a alguns dispositius de visualisació.

Les menudes pantalles monocrom com les que es troben en els organisadors personals, o velles pantalles d'ordenadors portàtils tenen una estructura de matriu passiva a on ampren tecnologies com la super-twisted nematic (STN) o la de doble capa STN (DSTN), (DSTN corrig el problema del canvi de color de STN), i la STN de color (CSTN) (una tecnologia a on el color s'afig usant un filtre de color intern). Cada fila o columna de la pantalla té un sol circuit elèctric. Els pixel es dirigixen al mateix temps per direccions de fila i de columna. Este tipo de pantalla es denomina matriu passiva–dirigida perque el píxel deu conservar el seu estat entre els periodos de refresc sense beneficiar-se d'una càrrega elèctrica constant. A mida que el número de píxels (i, en conseqüència, columnes i files) s'incrementa, este tipo de pantalla es torna menys apropiada. Temps de resposta molt llents i un contrast prou pobre són típics en les matrius passives dirigides a LCD.

En dispositius de color d'alta resolució com els moderns monitors LCD i televisors utilisen una estructura de matriu activa. Una matriu de thin-film transistors (TFT) s'agrega a la polarisació i als filtres de color. Cada píxel té el seu propi transistor dedicat, que permetrà a cada llínea de la columna accedir a un píxel. Quan una llínea de fila està activada, totes les llínees de la columna estan conectades a una fila de píxels i una correcta tensió d'alimentació és impulsada a totes les llínees de la columna. Quan la llínea de fila es desactiva, la següent llínea de fila és activada. Totes les llínees de la fila s'activen secuencialmente durant una operació d'actualisació. La matriu activa està dirigida a dispositius en una major lluentor i tamany que als que es dirigix la matriu passiva (dirigida a dispositius de menut tamany, i, en general, que tenen temps de resposta més menuts, produint imàgens molt millors).

Tecnologies de matriu activa

Twisted nematic (TN)

Les pantalles twisted nematic contenen elements de cristal líquit en desenrollado i enrollado en diversos graus per a permetre que la llum passe a través d'ells. Quan no s'aplica voltage a una cela de cristal líquit TN, la llum es polarisa per a passar a través de la cèlula. En proporció a la tensió aplicada, les cèlules LC giren fins a 90 graus canviant la polarisació i bloquejant el camí de la llum. Per a ajustar correctament el nivell de la tensió de casi qualsevol nivell de gris o la transmissió que desige conseguir.

In-plane switching (IPS)

In-plane switching és una tecnologia LCD que alinea les celes de cristal líquit en una direcció horisontal. En este método, el camp elèctric s'aplica a través de cada u dels extrems del cristal, pero açò requerix dos transistors per cada píxel en lloc d'un transistor que era lo necessari per a una pantalla estàndar TFT. Açò fa que es produïxca un major bloqueig de l'àrea de transmissió, també requerix una major lluentor de fondo, el qual consumirà més energia, fent este tipo de pantalla menys desijable per als ordenadors portàtils.

Super In-plane switching (S-IPS)

Super-IPS es va introduir més vesprada despuix de la conmutación en pla en temps de resposta i reproducció del color encara millors.

Vertical alignment (VA)

Les pantalles vertical alignment, VA, són una forma de pantalles LCD en les que el material de cristal líquit es troba en un estat vertical eliminant la necessitat dels transistors extres (com en el IPS). Quan no s'aplica voltage, la cela de cristal líquit, seguix sent perpendicular al substrat creant una pantalla negra.

Control de calitat

Alguns panels LCD contenen transistors defectuosos, provocant que els píxels s'encenguen o s'apaguen permanentment, #lo que es denomina comunament píxels atollats o píxels morts, respectivament. A diferència dels circuits integrats, els panels LCD en uns pocs píxels defectuosos encara solen poder utilisar-se. També és prohibitivo econòmicament descartar un panel, en uns pocs píxels defectuosos perque els panels LCD són molt més grans que ICs. Els fabricants tenen normes diferents per a determinar un número acceptable de píxels defectuosos. El número màxim acceptable de píxels defectuosos per a LCD varia en gran mida. En un primer moment, Samsung tenia una política de tolerància zero per als monitors LCD que es venien en Corea. Actualment no obstant, Samsung s'adherix a l'estàndar ISO 13406-2 que resulta menys restrictiu. En atres empreses s'han aplegat a tindre polítiques que toleraven fins a 11 pixel morts. Les polítiques de píxels morts són un debat en el que es troben dos posicions contrapostes les dels fabricants i els clients. Per a regular l'acceptació dels defectuosos i per a protegir a l'usuari final, l'ISO va publicar l'estàndar ISO 13406-2. No obstant no tots els fabricants de LCD s'ajusten a esta normativa i la norma ISO és a sovint interpretada de diferents maneres.

Els panels LCD tenen més provabilitats de tindre defectes que la majoria de ICs, pel seu major tamany. La norma és molt més seguida ara per la feroç competència entre els fabricants i un millor control de calitat. Un panel LCD SVGA en 4 píxels defectuosos és generalment considerat defectuós i els clients poden solicitar un canvi per un nou. Alguns fabricants, en particular en Corea del Sur, a on es troben alguns dels majors fabricants de panels LCD, com a LG, ara tenen "zero píxels defectuosos de garantia" i es pot demanar que se substituïxca el dispositiu per un atre en cas que un píxel siga defectuós. Inclús a on eixes garanties no existixen, l'ubicació de píxels defectuosos és important. Una pantalla en solament uns pocs píxels defectuosos pot ser inacceptable si els píxels defectuosos estan prop uns d'uns atres. Els fabricants també poden relaixar els seus criteris de substitució de píxels defectuosos quan estan en el centre de l'àrea de visualisació.

Els panels LCD també tenen defectes coneguts com mura, el qual té com un menut clavill que provoca menuts canvis en la lluminositat o en el color.

Pantalla de corrent zero (biestable)

El zenithal bistable device (ZBD), desenrollat per QinetiQ (anteriorment DERA), pot mantindre una image sense corrent. Els cristals poden existir en una de les dos orientacions estables (negre i blanc) i la corrent únicament és necessària per a canviar l'image. ZBD Displays és una empresa derivada de QinetiQ la qual fabrica dispositius ZBD tant en escala de grises com en color.

Una empresa francesa, Nemoptic, ha desenrollat un atre paper potencia-zero, de la mateixa manera que la tecnologia LCD s'ha produït en massa des de juliol de 2003. Esta tecnologia està destinada per al seu us en aplicacions tals com electronic shelf labels, llibres electrònics, documents electrònics, periòdics electrònics, diccionaris electrònics, sensors industrials, Ultra Mobile PC, etc. Les pantalles de cristal líquit de potència zero són una categoria de paper electrònic.

Kent Displays també ha elaborat una pantalla de "no corrent" que s'utilisa en els Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Cristals o Polímero Estabilisat de Cristals Líquits Colestéricos (ChLCD). El principal inconvenient a la ChLCD és la seua llenta taxa de refresc, especialment en baixes temperatures.

En 2004 els investigadors de la Universitat d'Oxford varen demostrar també dos nous tipos de LCD de potència zero biestable basats en les tècniques biestables de Zenithal.

Vàries tecnologies biestables, com el 360 ° BTN i el biestable colestérico, depenen principalment de la major part de les propietats del cristal líquit i l'us de l'estàndart de anclaje fort, en l'alliniació de películes i cristal líquit mesclen de manera similar els materials tradicionals monoestables. Atres tecnologies biestables (per eixemple, Binem Technology) es basen principalment en les propietats de la superfície i necessiten mides específiques de la debilitat dels materials de anclaje.

Inconvenients

La tecnologia LCD encara té alguns inconvenients en comparació a atres tecnologies de visualisació:

Resolució

Encara que els CRT siguen capaços de mostrar múltiples resolucions de vídeo sense introduir artefactes, els LCD produïxen imàgens nítides solament en la seua "resolució nativa", i, a voltes, en les fraccions de la resolució original. En intentar eixecutar panels LCD a resolucions no natives per lo general els resultats en el panel de l'escala de l'image, introduïxen emborronamiento de l'image o bloquejos i, en general, és susceptible a varis tipos de HDTV borrosa. Molts LCD no són capaços de mostrar modos de pantalla de baixa resolució (per eixemple, 320x200), per estes llimitacions d'escala.

Contrast

Encara que els LCD solen tindre més imàgens vibrants i millor contrast "del món real" (la capacitat de mantindre el contrast i la variació de color en ambients lluminosos) que els CRT, tenen menor contrast que els CRTs en térmens de la profunditat dels negres. El contrast és la diferència entre un encés complet (en blanc) i la desactivació de píxels (negre), i els LCD poden tindre "sagnat de llum de fondo" a on la llum (per lo general, vist des de de els cantons de la pantalla) es filtra i les fugues de negre es convertixen en gris. En decembre de 2007, els millors LCD poden acostar-se al contrast de les pantalles de plasma en térmens d'entrega de profunditat de negre, pero la majoria dels LCD seguixen a la saga.

Temps de resposta

• Els LCD solen tindre temps de resposta més llents que els seus corresponents de plasma i CRT, en especial les velles pantalles, creant imàgens fantasmes quan les imàgens es carregaven ràpidament. Per eixemple, quan es desplaça la rata ràpidament en una pantalla LCD, múltiples cursors poden ser vists.

• Algunes pantalles LCD tenen importants aportacions de retart. Si el retart és lo suficientment gran, eixa pantalla pot ser inadequada per a operacions en el rata ràpides i precises (disseny assistit per computadora, videojocs de dispars en primera persona) en comparació als monitors CRT o LCD menuts i en insignificants cantitats de retart d'entrada. Els retarts menuts són a voltes posats de relleu en la comercialisació.

Àngul de visió

Els panels LCD tendixen a tindre un àngul de visió llimitat en relació en les CRT i les pantalles de plasma. Açò reduïx el número de persones que poden cómodament vore la mateixa image - les pantalles d'ordenadors portàtils són un excelent eixemple. Aixina, esta falta de radiació és lo que dona a les LCD el seu reduït consum d'energia en comparació a les pantalles de plasma i CRT. Si ben els ànguls de visió han millorat al punt de que és poc freqüent que els colors siguen totalment incorrectes en l'us normal, a distàncies típiques d'us d'una computadora els LCD encara permeten menuts canvis en la postura de l'usuari, i inclús diferents posicions entre els seus ulls produïxen una notable distorsió de colors, inclús per als millors LCD del mercat.

Durabilitat

Els monitors LCD tendixen a ser més fràgils que els seus corresponents CRT. La pantalla pot ser especialment vulnerable per la falta d'un gros cristal protector com en els monitors CRT. La seua durabilitat depén de la seua freqüència d'us. Els fabricants suministren en el manual de l'usuari un temps de durabilitat de la pantalla, regularment expressat en hores d'us. Pero es pot estendre este temps disminuint els nivells de lluentor de l'image (encara en estudi).

Vore també

• Twisted nematic
• Comparativa de tecnologies de visualisació
• LCD de matriu passiva
• LCD de matriu activa (TFT)

• Pantalla de píxels telescòpics
• Diodo orgànic d'emissió de llum
• Benzoato de colesteril
• TFT

Enllaços externs

• ¿LCD o plasma? Una pregunta sense resposta
• Comparativa entre televisors plasma i televisors LCD