Un panel LCD de visualización triple direccional de Sharp. Dependiendo de la dirección desde la que lo mires, puedes ver una de tres imágenes diferentes. Ver más imágenes de HDTV. Probablemente utilice elementos que contengan una LCD (pantalla de cristal líquido ) cada día. Están a nuestro alrededor:en computadoras portátiles, relojes digitales, hornos de microondas, reproductores de CD y muchos otros dispositivos electrónicos. Las pantallas LCD son comunes porque ofrecen algunas ventajas reales sobre otras tecnologías de visualización. Son más delgados y livianos y consumen mucha menos energía que los tubos de rayos catódicos (CRT), por ejemplo.
Pero, ¿qué son estas cosas llamadas cristales líquidos? El nombre "cristal líquido" suena como una contradicción. Pensamos en un cristal como un material sólido como el cuarzo, generalmente tan duro como una roca, y un líquido obviamente es diferente. ¿Cómo podría cualquier material combinar los dos?
Aprendimos en la escuela que hay tres estados comunes de la materia:sólido, líquido o gaseoso. Sólidos actúan como lo hacen porque sus moléculas siempre mantienen su orientación y permanecen en la misma posición entre sí. Las moléculas en líquidos son todo lo contrario:pueden cambiar su orientación y moverse en cualquier parte del líquido. Pero hay algunas sustancias que pueden existir en un estado extraño que es como líquido y como sólido. Cuando están en este estado, sus moléculas tienden a mantener su orientación, como las moléculas en un sólido, pero también se mueven en diferentes posiciones, como las moléculas en un líquido. Esto significa que los cristales líquidos no son ni sólidos ni líquidos. Así es como terminaron con su nombre aparentemente contradictorio.
Entonces, ¿los cristales líquidos actúan como sólidos o líquidos o algo más? Resulta que los cristales líquidos están más cerca de un estado líquido que de un sólido. Se necesita una buena cantidad de calor para cambiar una sustancia adecuada de un sólido a un cristal líquido, y solo se necesita un poco más de calor para convertir ese mismo cristal líquido en un líquido real. Esto explica por qué los cristales líquidos son muy sensibles a la temperatura y por qué se usan para hacer termómetros y anillos de estado de ánimo. También explica por qué la pantalla de una computadora portátil puede actuar de forma extraña cuando hace frío o durante un día caluroso en la playa.
Contenido- Cristales líquidos de fase nemática
- Creación de un LCD
- Con retroiluminación frente a reflectante
- Matriz pasiva y activa
- LCD a color
Cristales Líquidos en Fase Nemática
La mayoría de las moléculas de cristal líquido tienen forma de varilla y se clasifican ampliamente como termotrópicas o liotrópicas. Así como hay muchas variedades de sólidos y líquidos, también hay una variedad de sustancias de cristal líquido. Dependiendo de la temperatura y la naturaleza particular de una sustancia, los cristales líquidos pueden estar en una de varias fases distintas (ver más abajo). En este artículo, discutiremos los cristales líquidos en la fase nemática , los cristales líquidos que hacen posibles las pantallas LCD.
Una característica de los cristales líquidos es que se ven afectados por la corriente eléctrica . Un tipo particular de cristal líquido nemático, llamado nemático torcido (TN), está naturalmente torcido. La aplicación de una corriente eléctrica a estos cristales líquidos los desenroscará en diversos grados, según el voltaje de la corriente. Las pantallas LCD usan estos cristales líquidos porque reaccionan de manera predecible a la corriente eléctrica de tal manera que controlan el paso de la luz.
La mayoría de las moléculas de cristal líquido tienen forma de varilla y se clasifican ampliamente como termotrópicas o liotrópico .
Los cristales líquidos termotrópicos reaccionarán a los cambios de temperatura o, en algunos casos, de presión. La reacción de los cristales líquidos liotrópicos, que se utilizan en la fabricación de jabones y detergentes, depende del tipo de disolvente con el que se mezclen. Los cristales líquidos termotrópicos son isotrópicos o nemática . La diferencia clave es que las moléculas en las sustancias de cristal líquido isotrópicas tienen una disposición aleatoria, mientras que las nemáticas tienen un orden o patrón definido.
La orientación de las moléculas en la fase nemática se basa en el director . El director puede ser cualquier cosa, desde un campo magnético hasta una superficie que tiene ranuras microscópicas. En la fase nemática, los cristales líquidos se pueden clasificar además por la forma en que las moléculas se orientan entre sí. Esméctico , el arreglo más común, crea capas de moléculas. Hay muchas variaciones de la fase esméctica, como la esméctica C, en la que las moléculas de cada capa se inclinan en un ángulo con respecto a la capa anterior. Otra fase común es la colesterina , también conocido como nemático quiral . En esta fase, las moléculas giran ligeramente de una capa a la siguiente, lo que da como resultado una formación en espiral.
Cristales líquidos ferroeléctricos (FLC) utilizan sustancias de cristal líquido que tienen moléculas quirales en un tipo de disposición esméctica C porque la naturaleza espiral de estas moléculas permite el tiempo de respuesta de conmutación de microsegundos que hace que los FLC sean particularmente adecuados para pantallas avanzadas. Cristales líquidos ferroeléctricos de superficie estabilizada (SSFLC) aplican presión controlada mediante el uso de una placa de vidrio, suprimiendo la espiral de las moléculas para hacer que el cambio sea aún más rápido.
Creación de un LCD
Hay más en la construcción de una pantalla LCD que simplemente crear una hoja de cristales líquidos. La combinación de cuatro hechos hace posibles los LCD:
Una pantalla LCD es un dispositivo que utiliza estos cuatro factores de forma sorprendente.
Para crear un LCD, se toman dos piezas de vidrio polarizado . Un polímero especial que crea ranuras microscópicas en la superficie se frota en el lado del vidrio que no tiene la película polarizadora. Las ranuras deben estar en la misma dirección que la película polarizadora. Luego agrega una capa de cristales líquidos nemáticos a uno de los filtros. Las ranuras harán que la primera capa de moléculas se alinee con la orientación del filtro. Luego agregue la segunda pieza de vidrio con la película polarizadora en ángulo recto a la primera pieza. Cada capa sucesiva de moléculas de TN se torcerá gradualmente hasta que la capa superior esté en un ángulo de 90 grados con respecto a la parte inferior, haciendo coincidir los filtros de vidrio polarizado.
Cuando la luz incide en el primer filtro, se polariza. Las moléculas en cada capa luego guían la luz que reciben a la siguiente capa. A medida que la luz pasa a través de las capas de cristal líquido, las moléculas también cambian el plano de vibración de la luz para que coincida con su propio ángulo. Cuando la luz llega al otro lado de la sustancia de cristal líquido, vibra en el mismo ángulo que la última capa de moléculas. Si la capa final se combina con el segundo filtro de vidrio polarizado, la luz pasará.
Si aplicamos una carga eléctrica a moléculas de cristal líquido, se desenroscan. Cuando se enderezan, cambian el ángulo de la luz que pasa a través de ellos para que ya no coincida con el ángulo del filtro polarizador superior. En consecuencia, ninguna luz puede pasar a través de esa área de la pantalla LCD, lo que hace que esa área sea más oscura que las áreas circundantes.
Construir una pantalla LCD simple es más fácil de lo que piensa. Comience con el sándwich de vidrio y cristales líquidos descrito anteriormente y agréguele dos electrodos transparentes. Por ejemplo, imagine que desea crear la pantalla LCD más simple posible con un solo electrodo rectangular. Las capas se verían así:
La pantalla LCD necesaria para hacer este trabajo es muy básica. Tiene un espejo (A ) en la espalda, lo que la hace reflectante. Luego, añadimos un trozo de vidrio (B ) con una película polarizadora en la parte inferior y un plano de electrodo común (C ) hecho de óxido de indio-estaño en la parte superior. Un plano de electrodo común cubre toda el área de la pantalla LCD. Por encima de eso está la capa de sustancia de cristal líquido (D ). Luego viene otra pieza de vidrio (E ) con un electrodo en forma de rectángulo en la parte inferior y, en la parte superior, otra película polarizadora (F ), en ángulo recto con el primero.
El electrodo está conectado a una fuente de energía como una batería. Cuando no hay corriente, la luz que ingresa por el frente de la pantalla LCD simplemente golpea el espejo y rebota hacia afuera. Pero cuando la batería suministra corriente a los electrodos, los cristales líquidos entre el electrodo del plano común y el electrodo con forma de rectángulo se desenroscan y bloquean el paso de la luz en esa región. Eso hace que la pantalla LCD muestre el rectángulo como un área negra.
Retroiluminado vs reflectante
Tenga en cuenta que nuestra pantalla LCD simple requería una fuente de luz externa . Los materiales de cristal líquido no emiten luz propia. Las pantallas LCD pequeñas y económicas suelen ser reflectantes , lo que significa que para mostrar cualquier cosa deben reflejar la luz de fuentes de luz externas. Mire un reloj LCD:los números aparecen donde pequeños electrodos cargan los cristales líquidos y hacen que las capas se desenrosquen para que la luz no se transmita a través de la película polarizada.
La mayoría de las pantallas de las computadoras se iluminan con tubos fluorescentes incorporados. encima, al lado y, a veces, detrás de la pantalla LCD. Un panel de difusión blanco detrás de la pantalla LCD redirige y dispersa la luz de manera uniforme para garantizar una visualización uniforme. En su camino a través de filtros, capas de cristal líquido y capas de electrodos, mucha de esta luz se pierde, ¡a menudo más de la mitad!
En nuestro ejemplo, teníamos un plano de electrodos común y una sola barra de electrodos que controlaba qué cristales líquidos respondían a una carga eléctrica. Si toma la capa que contiene el electrodo único y agrega algunos más, puede comenzar a construir pantallas más sofisticadas.
Basado en plano común Las pantallas LCD son buenas para pantallas simples que necesitan mostrar la misma información una y otra vez. Los relojes y los temporizadores de microondas entran en esta categoría. Aunque la forma de barra hexagonal ilustrada anteriormente es la forma más común de disposición de electrodos en tales dispositivos, casi cualquier forma es posible. Solo eche un vistazo a algunos juegos portátiles económicos:naipes, extraterrestres, peces y máquinas tragamonedas son solo algunas de las formas de electrodos que verá.
Historial LCDHoy en día, las pantallas LCD están en todas partes, pero no surgieron de la noche a la mañana. Tomó mucho tiempo pasar del descubrimiento de los cristales líquidos a la multitud de aplicaciones LCD que ahora disfrutamos. Los cristales líquidos fueron descubiertos por primera vez en 1888 por el botánico austriaco Friedrich Reinitzer . Reinitzer observó que cuando derretía una curiosa sustancia parecida al colesterol (benzoato de colesterol ), primero se convirtió en un líquido turbio y luego se aclaró a medida que aumentaba su temperatura. Al enfriarse, el líquido se volvió azul antes de finalmente cristalizar. Pasaron ochenta años antes de RCA hizo la primera pantalla LCD experimental en 1968. Desde entonces, los fabricantes de pantallas LCD han desarrollado de manera constante ingeniosas variaciones y mejoras en la tecnología, llevando la pantalla LCD a niveles asombrosos de complejidad técnica. ¡Y todo indica que seguiremos disfrutando de los nuevos desarrollos de LCD en el futuro!
Matriz Pasiva y Activa
Matriz pasiva Las pantallas LCD usan una cuadrícula simple para suministrar la carga a un píxel en particular en la pantalla. ¡Crear la cuadrícula es todo un proceso! Comienza con dos capas de vidrio llamadas sustratos . A un sustrato se le dan columnas y al otro se le dan filas hechas de un material conductor transparente. Suele ser óxido de indio y estaño . Las filas o columnas están conectadas a circuitos integrados ese control cuando se envía un cargo a una columna o fila en particular. El material de cristal líquido se intercala entre los dos sustratos de vidrio y se agrega una película polarizadora al lado exterior de cada sustrato. Para encender un píxel, el circuito integrado envía una carga por la columna correcta de un sustrato y una tierra activada en la fila correcta del otro. La fila y la columna se cruzan en el píxel designado, y eso entrega el voltaje para desenroscar los cristales líquidos en ese píxel.
La simplicidad del sistema de matriz pasiva es hermosa, pero tiene importantes inconvenientes, en particular tiempo de respuesta lento y control de voltaje impreciso . El tiempo de respuesta se refiere a la capacidad de la pantalla LCD para actualizar la imagen mostrada. La forma más fácil de observar un tiempo de respuesta lento en una pantalla LCD de matriz pasiva es mover el puntero del mouse rápidamente de un lado a otro de la pantalla. Notará una serie de "fantasmas" siguiendo el puntero. El control de voltaje impreciso dificulta la capacidad de la matriz pasiva para influir solo en un píxel a la vez. Cuando se aplica voltaje para desenroscar un píxel, los píxeles a su alrededor también se desenroscan parcialmente, lo que hace que las imágenes parezcan borrosas y sin contraste.
Matriz activa Los LCD dependen de transistores de película delgada (TFT). Básicamente, los TFT son pequeños transistores y condensadores de conmutación. Están dispuestos en una matriz sobre un sustrato de vidrio. Para abordar un píxel en particular, se activa la fila adecuada y luego se envía un cargo a la columna correcta. Dado que todas las demás filas que intersecta la columna están apagadas, solo el capacitor en el píxel designado recibe una carga. El capacitor puede retener la carga hasta el próximo ciclo de actualización. Y si controlamos cuidadosamente la cantidad de voltaje que se suministra a un cristal, podemos hacer que se desenrosque solo lo suficiente para permitir que pase algo de luz.
Al hacer esto en incrementos muy pequeños y muy exactos, las pantallas LCD pueden crear una escala de grises . La mayoría de las pantallas actuales ofrecen 256 niveles de brillo por píxel.
LCD a color
Una pantalla LCD que puede mostrar colores debe tener tres subpíxeles con filtros de color rojo, verde y azul para crear cada píxel de color.
A través del cuidadoso control y variación del voltaje aplicado, la intensidad de cada subpíxel puede variar en 256 tonos . La combinación de los subpíxeles produce una posible paleta de 16,8 millones de colores (256 tonos de rojo x 256 tonos de verde x 256 tonos de azul), como se muestra a continuación. Estas pantallas a color requieren una enorme cantidad de transistores. Por ejemplo, una computadora portátil típica admite resoluciones de hasta 1024x768. Si multiplicamos 1.024 columnas por 768 filas por 3 subpíxeles, ¡obtenemos 2.359.296 transistores grabados en el cristal! Si hay un problema con alguno de estos transistores, se crea un "píxel defectuoso" en la pantalla. La mayoría de las pantallas de matriz activa tienen algunos píxeles defectuosos dispersos por la pantalla.
La tecnología LCD está en constante evolución. Actualmente, las pantallas LCD emplean varias variaciones de la tecnología de cristal líquido, incluida la nemática súper retorcida (STN), la nemática retorcida de barrido dual (DSTN), el cristal líquido ferroeléctrico (FLC) y el cristal líquido ferroeléctrico de superficie estabilizada (SSFLC).
Tamaño de visualización está limitada por los problemas de control de calidad que enfrentan los fabricantes. En pocas palabras, para aumentar el tamaño de la pantalla, los fabricantes deben agregar más píxeles y transistores. A medida que aumentan la cantidad de píxeles y transistores, también aumentan la posibilidad de incluir un transistor defectuoso en una pantalla. Los fabricantes de pantallas LCD grandes existentes a menudo rechazan alrededor del 40 por ciento de los paneles que salen de la línea de montaje. El nivel de rechazo afecta directamente el precio de los LCD ya que las ventas de los LCD buenos deben cubrir el costo de fabricación tanto de los buenos como de los malos. Solo los avances en la fabricación pueden conducir a pantallas asequibles en tamaños más grandes.
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