Visor de cristal líquido - Liquid-crystal display

Ecrã reflector de cristal líquido nemático torcido .
  1. Filme de filtro polarizador com eixo vertical para polarizar a luz conforme ela entra.
  2. Substrato de vidro com eletrodos ITO . As formas desses eletrodos determinarão as formas que aparecerão quando o LCD for ligado. As cristas verticais gravadas na superfície são lisas.
  3. Cristal líquido nemático torcido.
  4. Substrato de vidro com filme de eletrodo comum (ITO) com cristas horizontais para se alinhar com o filtro horizontal.
  5. Filme de filtro polarizador com eixo horizontal para bloquear / passar luz.
  6. Superfície reflexiva para enviar luz de volta ao visualizador. (Em um LCD retroiluminado, esta camada é substituída ou complementada com uma fonte de luz.)

Uma tela de cristal líquido ( LCD ) é uma tela plana ou outro dispositivo ótico modulado eletronicamente que usa as propriedades moduladoras de luz de cristais líquidos combinadas com polarizadores . Os cristais líquidos não emitem luz diretamente; em vez disso, usam uma luz de fundo ou refletor para produzir imagens coloridas ou monocromáticas . Os LCDs estão disponíveis para exibir imagens arbitrárias (como em uma tela de computador de uso geral) ou imagens fixas com baixo conteúdo de informação, que podem ser exibidas ou ocultadas. Por exemplo: palavras predefinidas, dígitos e visores de sete segmentos , como em um relógio digital , são todos bons exemplos de dispositivos com esses visores. Eles usam a mesma tecnologia básica, exceto que as imagens arbitrárias são feitas de uma matriz de pequenos pixels , enquanto outros monitores têm elementos maiores. Os LCDs podem estar normalmente ligados (positivo) ou desligado (negativo), dependendo da disposição do polarizador. Por exemplo, um LCD de caracteres positivos com luz de fundo terá letras pretas em um fundo que é a cor da luz de fundo, e um LCD de caracteres negativos terá um fundo preto com as letras sendo da mesma cor da luz de fundo. Filtros óticos são adicionados ao branco em LCDs azuis para dar a eles sua aparência característica.

Os LCDs são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, incluindo televisores LCD , monitores de computador , painéis de instrumentos , telas de cockpit de aeronaves e sinalização interna e externa. Telas pequenas de LCD são comuns em projetores de LCD e dispositivos portáteis de consumo, como câmeras digitais , relógios , relógios digitais , calculadoras e telefones celulares , incluindo smartphones . Telas de LCD também são usadas em produtos eletrônicos de consumo , como DVD players, videogames e relógios . As telas de LCD substituíram os visores de tubo de raios catódicos (CRT) pesados ​​e volumosos em quase todas as aplicações. As telas de LCD estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos de tela do que os monitores CRT e de plasma , com telas de LCD disponíveis em tamanhos que variam de minúsculos relógios digitais a receptores de televisão muito grandes . Os LCDs estão lentamente sendo substituídos por OLEDs , que podem ser facilmente feitos em diferentes formas e têm um tempo de resposta menor, gama de cores mais ampla, contraste de cores e ângulos de visão virtualmente infinitos, peso menor para um determinado tamanho de tela e um perfil mais fino (porque os OLEDs use um único painel de vidro ou plástico, enquanto os LCDs usam dois painéis de vidro; a espessura dos painéis aumenta com o tamanho, mas o aumento é mais perceptível em LCDs) e potencialmente menor consumo de energia (já que a tela está "ligada" apenas quando necessário e há sem luz de fundo). Os OLEDs, no entanto, são mais caros para um determinado tamanho de tela devido aos materiais eletroluminescentes ou fósforos muito caros que eles usam. Também devido ao uso de fósforos, os OLEDs sofrem queima de tela e atualmente não há como reciclar telas OLED, enquanto os painéis LCD podem ser reciclados, embora a tecnologia necessária para reciclar LCDs ainda não seja difundida. As tentativas de manter a competitividade dos LCDs são monitores de pontos quânticos , comercializados como SUHD, QLED ou Triluminos, que são monitores LCD com retroiluminação LED azul e um filme de realce de pontos quânticos (QDEF) que converte parte da luz azul em vermelho e verde, oferecendo desempenho semelhante a um display OLED a um preço mais baixo, mas a camada de pontos quânticos que dá a esses displays suas características ainda não pode ser reciclada.

Como as telas de LCD não usam fósforo, raramente sofrem queima de imagem quando uma imagem estática é exibida na tela por um longo tempo, por exemplo, a moldura da mesa para um horário de voo em uma placa interna. No entanto, os LCDs são suscetíveis à persistência da imagem . A tela LCD é mais eficiente em termos de energia e pode ser descartada com mais segurança do que um CRT. Seu baixo consumo de energia elétrica permite que ele seja usado em equipamentos eletrônicos alimentados por bateria com mais eficiência do que um CRT. Em 2008, as vendas anuais de televisores com telas de LCD ultrapassaram as vendas de unidades CRT em todo o mundo, e o CRT tornou-se obsoleto para a maioria dos propósitos.

Características gerais

Uma tela LCD usada como painel de notificação para viajantes

Cada pixel de um LCD normalmente consiste em uma camada de moléculas alinhadas entre dois eletrodos transparentes , muitas vezes feitos de óxido de índio-estanho (ITO) e dois filtros polarizadores ( polarizadores paralelos e perpendiculares), cujos eixos de transmissão são (na maioria das os casos) perpendiculares entre si. Sem o cristal líquido entre os filtros de polarização, a luz que passa pelo primeiro filtro seria bloqueada pelo segundo polarizador (cruzado). Antes de um campo elétrico ser aplicado, a orientação das moléculas de cristal líquido é determinada pelo alinhamento nas superfícies dos eletrodos. Em um dispositivo nemático torcido (TN), as direções de alinhamento da superfície nos dois eletrodos são perpendiculares entre si e, portanto, as moléculas se organizam em uma estrutura helicoidal , ou torção. Isso induz a rotação da polarização da luz incidente, e o dispositivo aparece cinza. Se a voltagem aplicada for grande o suficiente, as moléculas de cristal líquido no centro da camada são quase completamente destorcidas e a polarização da luz incidente não é girada conforme ela passa pela camada de cristal líquido. Essa luz será então principalmente polarizada perpendicularmente ao segundo filtro e, portanto, será bloqueada e o pixel aparecerá preto. Ao controlar a voltagem aplicada através da camada de cristal líquido em cada pixel, a luz pode ser permitida a passar em quantidades variáveis, constituindo assim diferentes níveis de cinza.

A fórmula química dos cristais líquidos usados ​​em LCDs pode variar. As fórmulas podem ser patenteadas. Um exemplo é uma mistura de 2- (4-alcoxifenil) -5-alquilpirimidina com cianobifenil, patenteado pela Merck and Sharp Corporation . A patente que cobria aquela mistura específica expirou.

A maioria dos sistemas LCD coloridos usa a mesma técnica, com filtros de cores usados ​​para gerar subpixels vermelhos, verdes e azuis. Os filtros de cores do LCD são feitos com um processo de fotolitografia em grandes folhas de vidro que são posteriormente coladas com outras folhas de vidro contendo uma matriz TFT, espaçadores e cristal líquido, criando vários LCDs coloridos que são então cortados uns dos outros e laminados com folhas polarizadoras. São usados ​​fotoresistentes (resiste) vermelhos, verdes, azuis e pretos. Todas as resinas contêm um pigmento em pó finamente moído, com partículas de apenas 40 nanômetros de diâmetro. A máscara preta é a primeira a ser aplicada; isso criará uma grade preta (conhecida na indústria como matriz preta) que separará os subpixels vermelhos, verdes e azuis uns dos outros, aumentando as taxas de contraste e evitando que a luz vaze de um subpixel para outros subpixels circundantes. Depois que a máscara preta foi seca em um forno e exposta à luz ultravioleta através de uma fotomáscara, as áreas não expostas são lavadas, criando uma grade preta. Em seguida, o mesmo processo é repetido com as resistências restantes. Isso preenche os buracos na grade preta com suas resistências coloridas correspondentes. Outro método de geração de cores usado nos primeiros PDAs coloridos e em algumas calculadoras foi feito variando a voltagem em um LCD nemático supertrançado , onde a torção variável entre placas mais espaçadas causa uma birrefringência de refração dupla variável , alterando assim a tonalidade. Eles eram normalmente restritos a 3 cores por pixel: laranja, verde e azul.

LCD em uma calculadora da Texas Instruments com polarizador superior removido do dispositivo e colocado na parte superior, de forma que os polarizadores superior e inferior sejam perpendiculares. Como resultado, as cores são invertidas.

O efeito óptico de um dispositivo TN no estado de tensão ligada é muito menos dependente das variações na espessura do dispositivo do que no estado de tensão desligada. Por causa disso, os monitores TN com baixo conteúdo de informação e sem luz de fundo são normalmente operados entre polarizadores cruzados de forma que pareçam brilhantes sem tensão (o olho é muito mais sensível às variações no estado escuro do que no estado claro). Como a maioria dos LCDs da era de 2010 é usada em aparelhos de televisão, monitores e smartphones, eles têm matrizes de pixels de alta resolução para exibir imagens arbitrárias usando iluminação de fundo com um fundo escuro. Quando nenhuma imagem é exibida, diferentes arranjos são usados. Para este propósito, os LCDs TN são operados entre polarizadores paralelos, enquanto os LCDs IPS apresentam polarizadores cruzados. Em muitas aplicações, os LCDs IPS substituíram os LCDs TN, principalmente em smartphones , como iPhones . Tanto o material de cristal líquido quanto o material da camada de alinhamento contêm compostos iônicos . Se um campo elétrico de uma polaridade particular for aplicado por um longo período de tempo, este material iônico é atraído para as superfícies e degrada o desempenho do dispositivo. Isso é evitado aplicando uma corrente alternada ou invertendo a polaridade do campo elétrico conforme o dispositivo é endereçado (a resposta da camada de cristal líquido é idêntica, independentemente da polaridade do campo aplicado).

Um relógio digital Casio Alarm Chrono com LCD

Exibições para um pequeno número de dígitos individuais ou símbolos fixos (como em relógios digitais e calculadoras de bolso ) podem ser implementadas com eletrodos independentes para cada segmento. Em contraste, visores totalmente alfanuméricos ou gráficos variáveis ​​são geralmente implementados com pixels organizados como uma matriz que consiste em linhas eletricamente conectadas em um lado da camada LC e colunas no outro lado, o que torna possível endereçar cada pixel nas interseções. O método geral de endereçamento de matriz consiste em endereçar sequencialmente um lado da matriz, por exemplo, selecionando as linhas uma a uma e aplicando a informação da imagem do outro lado nas colunas linha por linha. Para obter detalhes sobre os vários esquemas de endereçamento de matriz, consulte LCDs endereçados a matriz passiva e matriz ativa .

Os LCDs, junto com os visores OLED , são fabricados em salas limpas, utilizando técnicas de fabricação de semicondutores e usando grandes folhas de vidro cujo tamanho tem aumentado com o tempo. Vários monitores são fabricados ao mesmo tempo e, em seguida, cortados da folha de vidro, também conhecida como vidro-mãe ou substrato de vidro LCD. O aumento no tamanho permite que mais visores ou visores maiores sejam feitos, assim como ocorre com o aumento dos tamanhos de pastilhas na fabricação de semicondutores. Os tamanhos do vidro são os seguintes:

Geração de tamanhos de vidro LCD
Geração Comprimento [mm] Altura [mm] Ano de introdução Referências
GEN 1 200-300 200-400 1990
GEN 2 370 470
GEN 3 550 650 1996-1998
GEN 3.5 600 720 1996
GEN 4 680 880 2000-2002
GEN 4.5 730 920 2000-2004
GEN 5 1100 1250-1300 2002-2004
GEN 5.5 1300 1500
GEN 6 1500 1800-1850 2002-2004
GEN 7 1870 2200 2003
GEN 7.5 1950 2250
GEN 8 2160 2460
GEN 8.5 2200 2500 2007-2016
GEN 8.6 2250 2600 2016
GEN 10 2880 3130 2009
GEN 10.5 (também conhecido como GEN 11) 2940 3370 2018

Até a 8ª Geração, os fabricantes não concordavam com um único tamanho de vidro-mãe e, como resultado, diferentes fabricantes usariam tamanhos de vidro ligeiramente diferentes para a mesma geração. Alguns fabricantes adotaram folhas de vidro mãe Gen 8.6 que são apenas ligeiramente maiores do que Gen 8.5, permitindo que mais LCDs de 50 e 58 polegadas sejam feitos por vidro mãe, especialmente LCDs de 58 polegadas, caso em que 6 podem ser produzidos em uma mãe Gen 8.6 vidro vs apenas 3 em um vidro-mãe Gen 8.5, reduzindo significativamente o desperdício. A espessura do vidro-mãe também aumenta a cada geração, portanto, tamanhos maiores de vidro-mãe são mais adequados para monitores maiores. Um Módulo LCD (LCM) é um LCD pronto para uso com uma luz de fundo. Assim, uma fábrica que fabrica Módulos de LCD não necessariamente fabrica LCDs, apenas pode montá-los nos módulos. Os substratos de vidro LCD são feitos por empresas como AGC Inc. , Corning Inc. e Nippon Electric Glass .

História

As origens e a complexa história das telas de cristal líquido da perspectiva de um insider durante os primeiros dias foram descritas por Joseph A. Castellano em Liquid Gold: A história das telas de cristal líquido e a criação de uma indústria . Outro relatório sobre as origens e a história do LCD de uma perspectiva diferente até 1991 foi publicado por Hiroshi Kawamoto, disponível no IEEE History Center. Uma descrição das contribuições suíças para o desenvolvimento de LCD, escrita por Peter J. Wild, pode ser encontrada no Wiki de História da Engenharia e Tecnologia .

Fundo

Em 1888, Friedrich Reinitzer (1858–1927) descobriu a natureza cristalina líquida do colesterol extraído das cenouras (ou seja, dois pontos de fusão e geração de cores) e publicou suas descobertas em uma reunião da Sociedade Química de Viena em 3 de maio de 1888 ( F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien) 9, 421–441 (1888) ). Em 1904, Otto Lehmann publicou sua obra "Flüssige Kristalle" (Cristais Líquidos). Em 1911, Charles Mauguin fez os primeiros experimentos com cristais líquidos confinados entre placas em camadas finas.

Em 1922, Georges Friedel descreveu a estrutura e as propriedades dos cristais líquidos e os classificou em 3 tipos (nemáticos, esméticos e colestéricos). Em 1927, Vsevolod Frederiks concebeu a válvula de luz eletricamente comutada, chamada de transição Fréedericksz , o efeito essencial de toda a tecnologia LCD. Em 1936, a empresa Marconi Wireless Telegraph patenteou a primeira aplicação prática da tecnologia, "The Liquid Crystal Light Valve" . Em 1962, a primeira grande publicação em inglês Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals foi publicada pelo Dr. George W. Gray . Em 1962, Richard Williams da RCA descobriu que os cristais líquidos tinham algumas características eletro-ópticas interessantes e ele percebeu um efeito eletro-óptico gerando padrões de listras em uma fina camada de material de cristal líquido pela aplicação de uma voltagem. Este efeito é baseado em uma instabilidade eletro-hidrodinâmica formando o que hoje é chamado de "domínios de Williams" dentro do cristal líquido.

O MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico) foi inventado por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs em 1959 e apresentado em 1960. Com base em seu trabalho com MOSFETs, Paul K. Weimer da RCA desenvolveu o fino transistor de filme (TFT) em 1962. Era um tipo de MOSFET distinto do MOSFET padrão em massa.

Década de 1960

Em 1964, George H. Heilmeier , então trabalhando nos laboratórios da RCA no efeito descoberto por Williams, conseguiu a troca de cores por realinhamento induzido por campo de corantes dicróicos em um cristal líquido orientado homeotropicamente. Problemas práticos com este novo efeito eletro-óptico fizeram Heilmeier continuar a trabalhar nos efeitos de espalhamento em cristais líquidos e finalmente na obtenção do primeiro display de cristal líquido operacional baseado no que ele chamou de modo de espalhamento dinâmico (DSM). A aplicação de uma tensão a um display DSM muda a camada de cristal líquido transparente inicialmente transparente para um estado turvo leitoso. Os visores DSM podiam ser operados em modo transmissivo e reflexivo, mas exigiam uma corrente considerável para fluir para sua operação. George H. Heilmeier foi indicado no National Inventors Hall of Fame e creditado com a invenção dos LCDs. O trabalho de Heilmeier é um marco do IEEE .

No final dos anos 1960, um trabalho pioneiro em cristais líquidos foi realizado pelo Royal Radar Establishment do Reino Unido em Malvern , Inglaterra. A equipe da RRE apoiou o trabalho contínuo de George William Gray e sua equipe da Universidade de Hull, que finalmente descobriu os cristais líquidos de cianobifenil, que tinham propriedades corretas de estabilidade e temperatura para aplicação em LCDs.

A ideia de um display de cristal líquido (LCD) baseado em TFT foi concebida por Bernard Lechner da RCA Laboratories em 1968. Lechner, FJ Marlowe, EO Nester e J. Tults demonstraram o conceito em 1968 com um modo de espalhamento dinâmico de matriz 18x2 (DSM ) LCD que usava MOSFETs discretos padrão .

Década de 1970

Em 4 de dezembro de 1970, o efeito de campo nemático torcido (TN) em cristais líquidos foi registrado para patente por Hoffmann-LaRoche na Suíça, ( patente suíça nº 532 261 ) com Wolfgang Helfrich e Martin Schadt (então trabalhando para os Laboratórios de Pesquisa Central ) listados como inventores. A Hoffmann-La Roche licenciou a invenção para o fabricante suíço Brown, Boveri & Cie , seu parceiro na joint venture na época, que produziu telas TN para relógios de pulso e outras aplicações durante a década de 1970 para os mercados internacionais, incluindo a indústria eletrônica japonesa, que logo produziu o primeiros relógios de pulso de quartzo digitais com TN-LCDs e vários outros produtos. James Fergason , enquanto trabalhava com Sardari Arora e Alfred Saupe no Instituto de Cristal Líquido da Kent State University , registrou uma patente idêntica nos Estados Unidos em 22 de abril de 1971. Em 1971, a empresa de Fergason, ILIXCO (agora LXD Incorporated ), produziu LCDs com base no efeito TN, que logo substituiu os tipos de DSM de baixa qualidade devido a melhorias em tensões operacionais mais baixas e menor consumo de energia. Tetsuro Hama e Izuhiko Nishimura, da Seiko, receberam uma patente nos Estados Unidos, datada de fevereiro de 1971, para um relógio de pulso eletrônico que incorpora um TN-LCD. Em 1972, o primeiro relógio de pulso com TN-LCD foi lançado no mercado: o Gruen Teletime que era um relógio de quatro dígitos.

Em 1972, o conceito do painel de tela de cristal líquido do transistor de película fina de matriz ativa (TFT) foi prototipado nos Estados Unidos pela equipe de T. Peter Brody na Westinghouse , em Pittsburgh, Pensilvânia . Em 1973, Brody, JA Asars e GD Dixon do Westinghouse Research Laboratories demonstraram o primeiro display de cristal líquido com transistor de filme fino (LCD TFT). A partir de 2013, todos os dispositivos de exibição visual eletrônicos modernos de alta resolução e alta qualidade usam visores de matriz ativa baseados em TFT . Brody e Fang-Chen Luo demonstraram o primeiro display de cristal líquido de matriz ativa plana (AM LCD) em 1974, e então Brody cunhou o termo "matriz ativa" em 1975.

Em 1972, a norte-americana Rockwell Microelectronics Corp introduziu o uso de displays LCD DSM para calculadoras para comercialização pela Lloyds Electronics Inc, embora estes exigissem uma fonte de luz interna para iluminação. A Sharp Corporation seguiu com displays LCD DSM para calculadoras de bolso em 1973 e, em seguida, displays LCD TN produzidos em massa para relógios em 1975. Outras empresas japonesas logo assumiram uma posição de liderança no mercado de relógios de pulso, como a Seiko e seu primeiro TN- de 6 dígitos Relógio de pulso LCD de quartzo. LCDs coloridos baseados na interação Convidado-Host foram inventados por uma equipe da RCA em 1968. Um tipo particular de LCD colorido foi desenvolvido pela Sharp Corporation do Japão na década de 1970, recebendo patentes para suas invenções, como uma patente de Shinji Kato e Takaaki Miyazaki em maio de 1975, e depois melhorado por Fumiaki Funada e Masataka Matsuura em dezembro de 1975. LCDs TFT semelhantes aos protótipos desenvolvidos por uma equipe da Westinghouse em 1972 foram patenteados em 1976 por uma equipe da Sharp consistindo em Fumiaki Funada, Masataka Matsuura e Tomio Wada, então melhorado em 1977 por uma equipe da Sharp composta por Kohei Kishi, Hirosaku Nonomura, Keiichiro Shimizu e Tomio Wada. No entanto, esses TFT-LCDs ainda não estavam prontos para uso em produtos, pois os problemas com os materiais para os TFTs ainda não foram resolvidos.

Década de 1980

Em 1983, pesquisadores do Centro de Pesquisa Brown, Boveri & Cie (BBC), Suíça , inventaram a estrutura nemática super-torcida (STN) para LCDs endereçados a matriz passiva . H. Amstutz et al. foram listados como inventores nos pedidos de patentes correspondentes depositados na Suíça em 7 de julho de 1983 e 28 de outubro de 1983. As patentes foram concedidas na Suíça CH 665491, Europa EP 0131216, US Patent 4,634,229 e muitos outros países. Em 1980, Brown Boveri iniciou uma joint venture 50/50 com a empresa holandesa Philips, chamada Videlec. A Philips tinha o know-how necessário para projetar e construir circuitos integrados para o controle de grandes painéis LCD. Além disso, a Philips tinha melhor acesso aos mercados de componentes eletrônicos e pretendia usar LCDs em novas gerações de produtos de alta fidelidade, equipamentos de vídeo e telefones. Em 1984, os pesquisadores da Philips, Theodorus Welzen e Adrianus de Vaan, inventaram um esquema de velocidade de vídeo que resolvia o tempo de resposta lento de STN-LCDs, permitindo imagens de vídeo de alta resolução, alta qualidade e movimento suave em STN-LCDs. Em 1985, os inventores da Philips Theodorus Welzen e Adrianus de Vaan resolveram o problema de dirigir STN-LCDs de alta resolução usando componentes eletrônicos de baixa voltagem (baseados em CMOS), permitindo a aplicação de painéis LCD de alta qualidade (alta resolução e velocidade de vídeo) em produtos portáteis alimentados por bateria, como notebooks e telefones celulares. Em 1985, a Philips adquiriu 100% da empresa Videlec AG com sede na Suíça. Posteriormente, a Philips mudou as linhas de produção da Videlec para a Holanda. Anos depois, a Philips produziu e comercializou com sucesso módulos completos (consistindo de tela LCD, microfone, alto-falantes, etc.) em alto volume de produção para a crescente indústria de telefonia móvel.

Os primeiros televisores LCD coloridos foram desenvolvidos como televisores portáteis no Japão. Em 1980, o grupo de P&D de Hattori Seiko começou o desenvolvimento de televisores LCD coloridos de bolso. Em 1982, a Seiko Epson lançou o primeiro televisor LCD, o Epson TV Watch, um relógio de pulso equipado com um pequeno televisor LCD de matriz ativa. A Sharp Corporation lançou o TN-LCD de matriz de pontos em 1983. Em 1984, a Epson lançou o ET-10, a primeira televisão LCD colorida de bolso. No mesmo ano, a Citizen Watch lançou a Citizen Pocket TV, uma TV LCD colorida de 2,7 polegadas, com o primeiro display LCD TFT comercial . Em 1988, a Sharp demonstrou um TFT-LCD full motion de 14 polegadas, matriz ativa, full-color e full motion. Isso levou o Japão a lançar uma indústria de LCD, que desenvolveu LCDs de grande porte, incluindo monitores de computador TFT e televisores LCD. A Epson desenvolveu a tecnologia de projeção 3LCD na década de 1980 e a licenciou para uso em projetores em 1988. O VPJ-700 da Epson, lançado em janeiro de 1989, foi o primeiro projetor LCD compacto e colorido do mundo .

Década de 1990

Em 1990, sob diferentes títulos, os inventores conceberam os efeitos eletro-ópticos como alternativas aos LCDs de efeito de campo nemático torcido (TN- e STN- LCDs). Uma abordagem foi usar eletrodos interdigitais em um substrato de vidro apenas para produzir um campo elétrico essencialmente paralelo aos substratos de vidro. Para tirar o máximo proveito das propriedades desta tecnologia In Plane Switching (IPS), trabalho adicional foi necessário. Após uma análise completa, detalhes de modalidades vantajosas são arquivados na Alemanha por Guenter Baur et al. e patenteado em vários países. O Fraunhofer Institute ISE em Freiburg, onde os inventores trabalharam, atribui essas patentes à Merck KGaA, Darmstadt, um fornecedor de substâncias LC. Em 1992, logo depois disso, os engenheiros da Hitachi elaboraram vários detalhes práticos da tecnologia IPS para interconectar o conjunto de transistores de filme fino como uma matriz e evitar campos indesejáveis ​​entre pixels. A Hitachi também melhorou a dependência dos ângulos de visão otimizando a forma dos eletrodos ( Super IPS ). A NEC e a Hitachi se tornaram os primeiros fabricantes de LCDs endereçados de matriz ativa com base na tecnologia IPS. Este é um marco para a implementação de LCDs de tela grande com desempenho visual aceitável para monitores de computador de tela plana e telas de televisão. Em 1996, a Samsung desenvolveu a técnica de padronização ótica que permite o LCD de vários domínios. Subseqüentemente, o Multi-domain e In Plane Switching permaneceram os designs de LCD dominantes até 2006. No final da década de 1990, a indústria de LCD começou a se afastar do Japão, em direção à Coreia do Sul e Taiwan , que mais tarde mudou para a China.

2000 a 2010

Em 2007, a qualidade da imagem dos televisores LCD superou a qualidade da imagem das TVs baseadas em tubo de raios catódicos (CRT). No quarto trimestre de 2007, as televisões LCD ultrapassaram as TVs CRT em vendas mundiais pela primeira vez. As TVs LCD foram projetadas para responderem por 50% dos 200 milhões de TVs a serem vendidas globalmente em 2006, de acordo com o Displaybank . Em outubro de 2011, a Toshiba anunciou 2560 × 1600 pixels em um painel LCD de 6,1 polegadas (155 mm), adequado para uso em um computador tablet , especialmente para exibição de caracteres chineses. A década de 2010 também viu a ampla adoção do TGP (Tracking Gate-line in Pixel), que move o circuito de direção das bordas da tela para entre os pixels, permitindo engastes estreitos. Os LCDs podem ser transparentes e flexíveis , mas não podem emitir luz sem uma luz de fundo como OLED e microLED, que são outras tecnologias que também podem ser flexíveis e transparentes. Filmes especiais podem ser usados ​​para aumentar os ângulos de visão dos LCDs.

Em 2016, a Panasonic desenvolveu IPS LCDs com uma taxa de contraste de 1.000.000: 1, rivalizando com os OLEDs. Esta tecnologia foi posteriormente colocada em produção em massa como LCDs de camada dupla, painel duplo ou LMCL (Light Modulating Cell Layer). A tecnologia usa 2 camadas de cristal líquido em vez de uma e pode ser usada junto com uma luz de fundo mini-LED e folhas de pontos quânticos.

Iluminação

Como os LCDs não produzem luz própria, eles exigem luz externa para produzir uma imagem visível. Em um tipo transmissivo de LCD, a fonte de luz é fornecida na parte de trás da pilha de vidro e é chamada de luz de fundo . Os LCDs de matriz ativa quase sempre têm luz de fundo. LCDs passivos podem ser retroiluminados, mas muitos usam um refletor na parte de trás da pilha de vidro para utilizar a luz ambiente. Os LCDs transfletivos combinam os recursos de uma tela transmissiva retroiluminada e uma tela reflexiva.

As implementações comuns da tecnologia de luz de fundo do LCD são:

18 CCFLs paralelos como luz de fundo para uma TV LCD de 42 polegadas (106 cm)
  • CCFL: O painel LCD é iluminado por duas lâmpadas fluorescentes de cátodo frio colocadas em bordas opostas da tela ou por uma série de CCFLs paralelas atrás de telas maiores. Um difusor (feito de plástico acrílico PMMA, também conhecido como onda ou guia de luz / placa de orientação) espalha a luz uniformemente por todo o visor. Por muitos anos, essa tecnologia foi usada quase que exclusivamente. Ao contrário dos LEDs brancos, a maioria dos CCFLs tem uma saída espectral de branco uniforme, resultando em uma melhor gama de cores para a tela. No entanto, os CCFLs são menos eficientes em termos de energia do que os LEDs e requerem um inversor um tanto caro para converter qualquer tensão DC que o dispositivo usa (geralmente 5 ou 12 V) para ≈1000 V necessários para acender um CCFL. A espessura dos transformadores inversores também limita a espessura da tela.
  • EL-WLED: O painel LCD é iluminado por uma fileira de LEDs brancos colocados em uma ou mais bordas da tela. Um difusor de luz (placa de guia de luz, LGP) é então usado para espalhar a luz uniformemente por toda a tela, de forma semelhante às luzes de fundo de LCD CCFL iluminadas pelas bordas. O difusor é feito de plástico PMMA ou vidro especial, PMMA é usado na maioria dos casos porque é resistente, enquanto o vidro especial é usado quando a espessura do LCD é a principal preocupação, porque não se expande tanto quando aquecido ou exposto à umidade, o que permite que os LCDs tenham apenas 5 mm de espessura. Os pontos quânticos podem ser colocados na parte superior do difusor como um filme de realce de pontos quânticos (QDEF, caso em que precisam de uma camada para serem protegidos do calor e da umidade) ou no filtro de cor do LCD, substituindo as resistências normalmente utilizadas . Em 2012, esse design é o mais popular em monitores de computador desktop. Ele permite telas mais finas. Alguns monitores LCD que usam essa tecnologia possuem um recurso chamado contraste dinâmico, inventado pelos pesquisadores da Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer e Adrianus de Vaan Using PWM (modulação por largura de pulso, uma tecnologia onde a intensidade dos LEDs são mantidas constantes, mas o ajuste de brilho é alcançado variando um intervalo de tempo de piscar essas fontes de luz de intensidade de luz constante), a luz de fundo é escurecida para a cor mais brilhante que aparece na tela enquanto aumenta simultaneamente o contraste do LCD para os níveis máximos alcançáveis, permitindo a relação de contraste de 1000: 1 de o painel LCD deve ser dimensionado para diferentes intensidades de luz, resultando nas relações de contraste "30000: 1" vistas na propaganda de alguns desses monitores. Como as imagens da tela do computador geralmente têm branco total em algum lugar da imagem, a luz de fundo geralmente estará em intensidade total, tornando esse "recurso" um truque de marketing para monitores de computador, no entanto, para telas de TV, aumenta drasticamente a relação de contraste percebida e a faixa dinâmica, melhora a dependência dos ângulos de visão e reduz drasticamente o consumo de energia dos televisores LCD convencionais.
  • Matriz WLED: O painel LCD é iluminado por uma matriz completa de LEDs brancos colocados atrás de um difusor atrás do painel. Os LCDs que usam essa implementação geralmente têm a capacidade de escurecer ou desligar completamente os LEDs nas áreas escuras da imagem exibida, aumentando efetivamente a taxa de contraste da tela. A precisão com que isso pode ser feito dependerá do número de zonas de escurecimento da tela. Quanto mais zonas de escurecimento, mais preciso será o escurecimento, com artefatos de floração menos óbvios que são visíveis como manchas cinza escuro cercadas pelas áreas não iluminadas do LCD. A partir de 2012, este design obtém a maior parte de seu uso de televisores LCD de tela grande e sofisticados.
  • Matriz RGB-LED: Semelhante à matriz WLED, exceto que o painel é iluminado por uma matriz completa de LEDs RGB . Enquanto os monitores iluminados com LEDs brancos geralmente têm uma gama de cores mais pobre do que os monitores iluminados com CCFL, os painéis iluminados com LEDs RGB têm gamas de cores muito amplas. Esta implementação é mais popular em LCDs de edição gráfica profissional. A partir de 2012, LCDs nesta categoria geralmente custavam mais de US $ 1.000. A partir de 2016, o custo desta categoria foi drasticamente reduzido e tais televisores LCD obtiveram os mesmos níveis de preço das antigas categorias CRT de 28 "(71 cm).
  • LEDs monocromáticos: como LEDs vermelhos, verdes, amarelos ou azuis são usados ​​nos pequenos LCDs monocromáticos passivos normalmente usados ​​em relógios, relógios e pequenos eletrodomésticos.

Hoje, a maioria das telas LCD está sendo projetada com uma luz de fundo LED em vez da luz de fundo CCFL tradicional, enquanto essa luz de fundo é controlada dinamicamente com as informações de vídeo (controle de luz de fundo dinâmico). A combinação com o controle de luz de fundo dinâmico, inventado pelos pesquisadores da Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer e Adrianus de Vaan, aumenta simultaneamente a faixa dinâmica do sistema de exibição (também comercializado como HDR, televisão de alta faixa dinâmica ou chamado Full-area Local Area Dimming ( FLAD)

  • Mini-LED: a retroiluminação com Mini-LEDs pode suportar mais de mil zonas de dimerização de área local de área total (FLAD). Isso permite pretos mais profundos e maior proporção de contrato. (Não deve ser confundido com MicroLED .)

Os sistemas de luz de fundo do LCD são altamente eficientes pela aplicação de filmes ópticos, como estrutura prismática (folha de prisma) para obter a luz nas direções desejadas do visualizador e filmes de polarização reflexiva que reciclam a luz polarizada que foi anteriormente absorvida pelo primeiro polarizador do LCD ( inventado pelos pesquisadores da Philips Adrianus de Vaan e Paulus Schaareman), geralmente obtido usando os chamados filmes DBEF fabricados e fornecidos pela 3M. Versões aprimoradas da folha de prisma têm uma estrutura ondulada em vez de prismática e introduzem ondas lateralmente na estrutura da folha enquanto também varia a altura das ondas, direcionando ainda mais luz para a tela e reduzindo o aliasing ou moiré entre a estrutura de a folha de prisma e os subpixels do LCD. Uma estrutura ondulada é mais fácil de produzir em massa do que uma prismática usando máquinas-ferramenta de diamante convencionais, que são usadas para fazer os rolos usados ​​para imprimir a estrutura ondulada em folhas de plástico, produzindo assim folhas de prisma. Uma folha difusora é colocada em ambos os lados da folha do prisma para tornar a luz de fundo uniforme, enquanto um espelho é colocado atrás da placa guia de luz para direcionar toda a luz para a frente. A folha do prisma com suas folhas difusoras são colocadas na parte superior da placa guia de luz. Os polarizadores DBEF consistem em uma grande pilha de filmes birrefringentes orientados uniaxiais que refletem o antigo modo de polarização absorvido da luz. Esses polarizadores reflexivos usando cristais líquidos polimerizados orientados uniaxiais (polímeros birrefringentes ou cola birrefringente) foram inventados em 1989 pelos pesquisadores da Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan e Joerg Brambring. A combinação de tais polarizadores reflexivos e controle de luz de fundo dinâmico de LED torna as televisões LCD de hoje muito mais eficientes do que os aparelhos baseados em CRT, levando a uma economia mundial de energia de 600 TWh (2017), igual a 10% do consumo de eletricidade de todas as residências em todo o mundo ou igual a 2 vezes a produção de energia de todas as células solares do mundo.

Devido à camada de LCD que gera as imagens de alta resolução desejadas em velocidades de vídeo intermitentes usando eletrônicos de baixa potência em combinação com tecnologias de luz de fundo baseadas em LED, a tecnologia de LCD se tornou a tecnologia de exibição dominante para produtos como televisores, monitores de mesa, notebooks, tablets, smartphones e telefones celulares. Embora a tecnologia OLED concorrente seja empurrada para o mercado, tais telas OLED não apresentam os recursos de HDR como LCDs em combinação com tecnologias de retroiluminação LED 2D, razão pela qual o mercado anual de tais produtos baseados em LCD ainda está crescendo mais rápido (em volume) do que Produtos baseados em OLED, enquanto a eficiência dos LCDs (e produtos como computadores portáteis, telefones celulares e televisores) pode ainda ser melhorada, evitando que a luz seja absorvida pelos filtros de cores do LCD. Essas soluções de filtros de cores reflexivas ainda não foram implementadas pela indústria de LCD e não foram além dos protótipos de laboratório. Eles provavelmente serão implementados pela indústria de LCD para aumentar a eficiência em comparação com as tecnologias OLED.

Conexão a outros circuitos

Um conector elastomérico rosa acoplando um painel LCD aos traços da placa de circuito, mostrado ao lado de uma régua de escala centimétrica. As camadas condutoras e isolantes na faixa preta são muito pequenas. Clique na imagem para mais detalhes.

Uma tela de receptor de televisão padrão, um moderno painel LCD, tem mais de seis milhões de pixels e todos são alimentados individualmente por uma rede com fio embutida na tela. Os fios finos, ou caminhos, formam uma grade com fios verticais em toda a tela de um lado da tela e fios horizontais em toda a tela do outro lado da tela. Para esta grade, cada pixel tem uma conexão positiva de um lado e uma conexão negativa do outro lado. Portanto, a quantidade total de fios necessária para uma tela 1080p é de 3 x 1920 na vertical e 1080 na horizontal para um total de 6.840 fios na horizontal e vertical. São três para vermelho, verde e azul e 1920 colunas de pixels para cada cor para um total de 5760 fios na vertical e 1080 linhas de fios na horizontal. Para um painel de 28,8 polegadas (73 centímetros) de largura, isso significa uma densidade de fio de 200 fios por polegada ao longo da borda horizontal. O painel LCD é alimentado por drivers LCD que são cuidadosamente combinados com a borda do painel LCD no nível de fábrica. Os drivers podem ser instalados usando vários métodos, os mais comuns dos quais são COG (Chip-On-Glass) e TAB ( colagem automatizada por fita ). Esses mesmos princípios se aplicam também a telas de smartphones que são muito menores do que telas de TV. Os painéis LCD normalmente usam caminhos condutores metálicos finamente revestidos em um substrato de vidro para formar o circuito da célula para operar o painel. Normalmente não é possível usar técnicas de soldagem para conectar diretamente o painel a uma placa de circuito separada gravada em cobre. Em vez disso, a interface é realizada usando um filme condutor anisotrópico ou, para densidades mais baixas, conectores elastoméricos .

Matriz passiva

Protótipo de um STN-LCD de matriz passiva com 540 × 270 pixels, Brown Boveri Research, Suíça, 1984

LCDs monocromáticos e posteriores de matriz passiva colorida eram padrão na maioria dos primeiros laptops (embora alguns usassem telas de plasma) e no Nintendo Game Boy original até meados da década de 1990, quando a matriz ativa colorida tornou - se padrão em todos os laptops. O Macintosh Portable (lançado em 1989), comercialmente malsucedido, foi um dos primeiros a usar um display de matriz ativa (embora ainda monocromático). LCDs de matriz passiva ainda são usados ​​na década de 2010 para aplicações menos exigentes do que laptops e TVs, como calculadoras baratas. Em particular, eles são usados ​​em dispositivos portáteis onde menos conteúdo de informação precisa ser exibido, menor consumo de energia (sem luz de fundo ) e baixo custo são desejados ou a legibilidade sob luz solar direta é necessária.

Uma comparação entre uma tela de matriz passiva em branco (parte superior) e uma tela de matriz ativa em branco (parte inferior). Um display de matriz passiva pode ser identificado quando o fundo em branco é mais cinza na aparência do que o display de matriz ativa mais nítido, neblina aparece em todas as bordas da tela e enquanto as imagens parecem estar desbotando na tela.

Monitores com uma estrutura de matriz passiva estão empregando STN nemático super-torcido (inventado por Brown Boveri Research Center, Baden, Suíça, em 1983; detalhes científicos foram publicados) ou tecnologia STN de camada dupla (DSTN) (a última das quais aborda um problema de mudança de cor com o anterior) e cor-STN (CSTN) em que a cor é adicionada usando um filtro interno. Os LCDs STN foram otimizados para endereçamento de matriz passiva. Eles exibem um limite mais nítido da característica contraste versus voltagem do que os LCDs TN originais. Isso é importante porque os pixels estão sujeitos a tensões parciais mesmo quando não selecionados. A diafonia entre os pixels ativados e não ativados deve ser tratada adequadamente, mantendo a tensão RMS dos pixels não ativados abaixo da tensão limite, conforme descoberto por Peter J. Wild em 1972, enquanto os pixels ativados estão sujeitos a tensões acima do limite (as tensões de acordo ao esquema de unidade "Alt & Pleshko"). Conduzir tais visores STN de acordo com o esquema de drive Alt & Pleshko requer tensões de endereçamento de linha muito altas. Welzen e de Vaan inventaram um esquema de acionamento alternativo (um esquema de acionamento não "Alt & Pleshko") exigindo tensões muito mais baixas, de modo que o display STN pudesse ser acionado usando tecnologias CMOS de baixa voltagem. Os LCDs STN devem ser continuamente atualizados por tensões pulsadas alternadas de uma polaridade durante um quadro e pulsos de polaridade oposta durante o próximo quadro. Pixels individuais são endereçados pelos circuitos de linha e coluna correspondentes. Esse tipo de exibição é chamado de endereçamento de matriz passiva , porque o pixel deve manter seu estado entre as atualizações sem o benefício de uma carga elétrica constante. À medida que o número de pixels (e, correspondentemente, colunas e linhas) aumenta, esse tipo de exibição se torna menos viável. Tempos de resposta lentos e contraste pobre são típicos de LCDs endereçados com matriz passiva com muitos pixels e acionados de acordo com o esquema de acionamento "Alt & Pleshko". Welzen e de Vaan também inventaram um esquema de unidade não RMS que permite acionar telas STN com taxas de vídeo e mostrar imagens de vídeo em movimento suave em uma tela STN. A Citizen, entre outros, licenciou essas patentes e introduziu com sucesso vários televisores de bolso LCD baseados em STN no mercado

Como funciona um LCD usando uma estrutura de matriz ativa

LCDs biestáveis ​​não requerem atualização contínua. A reescrita é necessária apenas para alterações nas informações da imagem. Em 1984, HA van Sprang e AJSM de Vaan inventaram um display do tipo STN que podia ser operado em modo biestável, permitindo imagens de resolução extremamente alta de até 4000 linhas ou mais usando apenas tensões baixas. Uma vez que um pixel pode estar no estado ligado ou desligado no momento em que novas informações precisam ser gravadas naquele pixel em particular, o método de endereçamento dessas telas biestáveis ​​é bastante complexo, uma razão pela qual essas telas não o fizeram ao mercado. Isso mudou quando em 2010 os LCDs de "energia zero" (biestáveis) se tornaram disponíveis. Potencialmente, o endereçamento de matriz passiva pode ser usado com dispositivos se suas características de gravação / apagamento forem adequadas, o que era o caso de e-books que precisam mostrar apenas imagens estáticas. Depois que uma página é gravada no monitor, a energia do monitor pode ser desligada enquanto mantém as imagens legíveis. Isso tem a vantagem de que esses e-books podem ser operados por longos períodos alimentados apenas por uma pequena bateria. Monitores coloridos de alta resolução , como modernos monitores de computador LCD e televisores, usam uma estrutura de matriz ativa . Uma matriz de transistores de película fina (TFTs) é adicionada aos eletrodos em contato com a camada LC. Cada pixel tem seu próprio transistor dedicado , permitindo que cada linha de coluna acesse um pixel. Quando uma linha de linha é selecionada, todas as linhas de coluna são conectadas a uma linha de pixels e as tensões correspondentes às informações da imagem são direcionadas para todas as linhas de coluna. A linha da linha é então desativada e a próxima linha da linha é selecionada. Todas as linhas de linha são selecionadas em sequência durante uma operação de atualização . As telas endereçadas de matriz ativa parecem mais brilhantes e nítidas do que as telas endereçadas de matriz passiva do mesmo tamanho e geralmente têm tempos de resposta mais rápidos, produzindo imagens muito melhores. A Sharp produz LCDs reflexivos biestáveis ​​com uma célula SRAM de 1 bit por pixel que requer apenas pequenas quantidades de energia para manter uma imagem.

Os LCDs de segmento também podem ter cores usando o Field Sequential Color (FSC LCD). Este tipo de tela possui um painel LCD de segmento passivo de alta velocidade com luz de fundo RGB. A luz de fundo muda rapidamente de cor, fazendo com que pareça branca a olho nu. O painel LCD é sincronizado com a luz de fundo. Por exemplo, para fazer um segmento parecer vermelho, o segmento só é LIGADO quando a luz de fundo é vermelha, e para fazer um segmento parecer magenta, o segmento é LIGADO quando a luz de fundo é azul e continua LIGADO enquanto a luz de fundo torna-se vermelho e é DESLIGADO quando a luz de fundo fica verde. Para fazer um segmento parecer preto, o segmento está sempre ligado. Um FSC LCD divide uma imagem colorida em 3 imagens (uma vermelha, uma verde e uma azul) e as exibe em ordem. Devido à persistência da visão , as 3 imagens monocromáticas aparecem como uma imagem colorida. Um LCD FSC precisa de um painel LCD com uma taxa de atualização de 180 Hz, e o tempo de resposta é reduzido para apenas 5 milissegundos quando comparado com os painéis LCD STN normais, que têm um tempo de resposta de 16 milissegundos. Os LCDs FSC contêm um driver CI Chip-On-Glass e também podem ser usados ​​com uma tela de toque capacitiva.

A Samsung introduziu os visores UFB (Ultra Fine & Bright) em 2002, utilizando o efeito superbirrefringente. Ele tem a luminância, a gama de cores e a maior parte do contraste de um LCD TFT, mas consome apenas a mesma quantidade de energia de um display STN, de acordo com a Samsung. Ele estava sendo usado em uma variedade de modelos de telefones celulares Samsung produzidos até o final de 2006, quando a Samsung parou de produzir monitores UFB. Monitores UFB também foram usados ​​em alguns modelos de telefones celulares LG.

Tecnologias de matriz ativa

Um Casio 1.8 em TFT LCD colorido , usado nas câmeras digitais compactas Sony Cyber-shot DSC-P93A
Estrutura de um LCD colorido com retroiluminação CCFL iluminada pelas bordas

Nemático torcido (TN)

Os visores nemáticos torcidos contêm cristais líquidos que se retorcem e destorcem em vários graus para permitir a passagem da luz. Quando nenhuma tensão é aplicada a uma célula de cristal líquido TN, a luz polarizada passa através da camada LC torcida de 90 graus. Em proporção à voltagem aplicada, os cristais líquidos destorcem mudando a polarização e bloqueando o caminho da luz. Ajustando adequadamente o nível de tensão, quase qualquer nível de cinza ou transmissão pode ser alcançado.

Comutação no plano (IPS)

A comutação no plano é uma tecnologia LCD que alinha os cristais líquidos em um plano paralelo aos substratos de vidro. Neste método, o campo elétrico é aplicado através de eletrodos opostos no mesmo substrato de vidro, de modo que os cristais líquidos podem ser reorientados (trocados) essencialmente no mesmo plano, embora os campos marginais inibam uma reorientação homogênea. Isso requer dois transistores para cada pixel em vez do único transistor necessário para uma exibição de transistor de película fina (TFT) padrão. Antes do LG Enhanced IPS ser introduzido em 2009, os transistores adicionais bloqueavam mais área de transmissão, exigindo assim uma luz de fundo mais brilhante e consumindo mais energia, tornando esse tipo de tela menos desejável para notebooks. Atualmente, a Panasonic está usando uma versão aprimorada eIPS para seus produtos de TV LCD de grande porte, bem como a Hewlett-Packard em seu tablet TouchPad baseado em WebOS e seu Chromebook 11.

Comutação Super In-plane (S-IPS)

O Super-IPS foi introduzido posteriormente após a comutação no plano com tempos de resposta e reprodução de cores ainda melhores.

Controvérsia M + ou RGBW

Em 2015, a LG Display anunciou a implementação de uma nova tecnologia chamada M +, que é a adição de subpixel branco junto com os pontos RGB regulares em sua tecnologia de painel IPS.

A maior parte da nova tecnologia M + foi empregada em aparelhos de TV 4K, o que gerou polêmica depois que testes mostraram que a adição de um sub pixel branco em substituição à estrutura RGB tradicional reduziria a resolução em cerca de 25%. Isso significa que uma TV 4K não pode exibir o padrão de TV UHD completo . A mídia e os usuários da Internet mais tarde chamaram isso de TVs "RGBW" por causa do sub pixel branco. Embora a LG Display tenha desenvolvido esta tecnologia para uso em telas de notebooks, exteriores e smartphones, ela se tornou mais popular no mercado de TV devido à anunciada resolução 4K UHD, mas ainda sendo incapaz de alcançar a verdadeira resolução UHD definida pelo CTA como 3840x2160 pixels ativos com 8 -bit color. Isso afeta negativamente a renderização do texto, tornando-o um pouco confuso, o que é especialmente perceptível quando uma TV é usada como monitor de PC.

IPS em comparação com AMOLED

Em 2011, a LG afirmou que o smartphone LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) tem brilho de até 700 nits , enquanto o concorrente tem apenas IPS LCD com 518 nits e uma tela dupla OLED de matriz ativa (AMOLED) com 305 nits . A LG também afirmou que o display NOVA é 50 por cento mais eficiente do que LCDs regulares e consome apenas 50 por cento da energia dos displays AMOLED ao produzir branco na tela. Quando se trata de taxa de contraste, a tela AMOLED ainda tem um desempenho melhor devido à sua tecnologia subjacente, onde os níveis de preto são exibidos como breu e não como cinza escuro. Em 24 de agosto de 2011, a Nokia anunciou o Nokia 701 e também reivindicou a tela mais brilhante do mundo com 1000 nits. A tela também tinha a camada Clearblack da Nokia, melhorando a relação de contraste e aproximando-a das telas AMOLED.

Este layout de pixel é encontrado em LCDs S-IPS. Uma forma de chevron é usada para alargar o cone de visão (gama de direções de visão com bom contraste e baixa mudança de cor).

Comutação avançada de campo marginal (AFFS)

Conhecida como comutação de campo periférico (FFS) até 2003, a comutação avançada de campo periférico é semelhante ao IPS ou S-IPS, oferecendo desempenho superior e gama de cores com alta luminosidade. O AFFS foi desenvolvido pela Hydis Technologies Co., Ltd, Coreia (formalmente Hyundai Electronics, LCD Task Force). Os aplicativos de notebook com aplicação de AFFS minimizam a distorção de cores enquanto mantêm um ângulo de visão mais amplo para uma tela profissional. A mudança e o desvio de cor causados ​​por vazamento de luz são corrigidos pela otimização da gama de brancos, que também melhora a reprodução de branco / cinza. Em 2004, Hydis Technologies Co., Ltd licenciou AFFS para a Hitachi Displays do Japão. A Hitachi está usando AFFS para fabricar painéis de última geração. Em 2006, a HYDIS licenciou AFFS para a Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Pouco depois, Hydis introduziu uma evolução de alta transmitância do display AFFS, chamada HFFS (FFS +). Hydis introduziu o AFFS + com legibilidade externa aprimorada em 2007. Os painéis AFFS são usados ​​principalmente nas cabines dos monitores de aeronaves comerciais mais recentes. No entanto, ele não é mais produzido a partir de fevereiro de 2015.

Alinhamento vertical (VA)

As telas de alinhamento vertical são uma forma de LCDs em que os cristais líquidos naturalmente se alinham verticalmente com os substratos de vidro. Quando nenhuma tensão é aplicada, os cristais líquidos permanecem perpendiculares ao substrato, criando uma tela preta entre os polarizadores cruzados. Quando a tensão é aplicada, os cristais líquidos mudam para uma posição inclinada, permitindo que a luz passe e crie uma exibição em escala de cinza dependendo da quantidade de inclinação gerada pelo campo elétrico. Ele tem um fundo preto mais profundo, uma taxa de contraste mais alta, um ângulo de visão mais amplo e melhor qualidade de imagem em temperaturas extremas do que os tradicionais monitores nemáticos torcidos. Comparado ao IPS, os níveis de preto são ainda mais profundos, permitindo uma relação de contraste mais alta, mas o ângulo de visão é mais estreito, com a cor e especialmente a mudança de contraste sendo mais aparentes.

Modo de fase azul

LCDs no modo de fase azul foram mostrados como amostras de engenharia no início de 2008, mas não estão em produção em massa. A física dos LCDs de modo de fase azul sugere que tempos de comutação muito curtos (≈1 ms) podem ser alcançados, portanto, o controle sequencial de cores pode ser realizado e filtros de cores caros se tornarão obsoletos.

Controle de qualidade

Alguns painéis LCD têm transistores com defeito , causando pixels permanentemente acesos ou apagados, comumente chamados de pixels presos ou pixels mortos, respectivamente. Ao contrário dos circuitos integrados (ICs), os painéis LCD com alguns transistores defeituosos geralmente ainda podem ser usados. As políticas dos fabricantes para o número aceitável de pixels defeituosos variam muito. A certa altura, a Samsung adotou uma política de tolerância zero para monitores LCD vendidos na Coréia. Em 2005, porém, a Samsung aderiu ao padrão ISO 13406-2 menos restritivo . Outras empresas são conhecidas por tolerar até 11 pixels mortos em suas políticas.

As políticas de pixels mortos são frequentemente debatidas acaloradamente entre fabricantes e clientes. Para regular a aceitabilidade de defeitos e proteger o usuário final, a ISO lançou o padrão ISO 13406-2 , que se tornou obsoleto em 2008 com o lançamento do ISO 9241 , especificamente ISO-9241-302, 303, 305, 307: 2008 pixel defeitos. No entanto, nem todo fabricante de LCD está em conformidade com o padrão ISO e o padrão ISO é frequentemente interpretado de maneiras diferentes. Os painéis LCD são mais propensos a apresentar defeitos do que a maioria dos ICs devido ao seu tamanho maior. Por exemplo, um LCD SVGA de 300 mm tem 8 defeitos e um wafer de 150 mm tem apenas 3 defeitos. No entanto, 134 das 137 matrizes no wafer serão aceitáveis, enquanto a rejeição de todo o painel LCD resultaria em um rendimento de 0%. Nos últimos anos, o controle de qualidade foi aprimorado. Um painel LCD SVGA com 4 pixels defeituosos é geralmente considerado defeituoso e os clientes podem solicitar a troca por um novo. Alguns fabricantes, notadamente na Coreia do Sul, onde alguns dos maiores fabricantes de painéis LCD, como a LG, estão localizados, agora têm uma garantia de pixel de defeito zero, que é um processo de triagem extra que pode então determinar "A" - e "B "-grade painéis. Muitos fabricantes substituem um produto mesmo com um pixel defeituoso. Mesmo onde tais garantias não existam, a localização dos pixels defeituosos é importante. Uma tela com apenas alguns pixels defeituosos pode ser inaceitável se os pixels defeituosos estiverem próximos uns dos outros. Os painéis LCD também têm defeitos conhecidos como turvação (ou menos comumente mura ), que descreve as manchas desiguais de mudanças na luminância . É mais visível nas áreas escuras ou pretas das cenas exibidas. A partir de 2010, a maioria dos fabricantes de painéis LCD de computador de marcas premium especificou seus produtos como tendo zero defeitos.

Telas de "potência zero" (biestáveis)

O dispositivo biestável zenital (ZBD), desenvolvido pela Qinetiq (anteriormente DERA ), pode reter uma imagem sem energia. Os cristais podem existir em uma das duas orientações estáveis ​​("preto" e "branco") e a alimentação só é necessária para alterar a imagem. A ZBD Displays é uma empresa subsidiária da QinetiQ que fabrica dispositivos ZBD em tons de cinza e coloridos. Kent Displays também desenvolveu um display "sem energia" que usa cristal líquido colestérico estabilizado com polímero (ChLCD). Em 2009, Kent demonstrou o uso de um ChLCD para cobrir toda a superfície de um telefone móvel, permitindo que ele mude de cor e mantenha essa cor mesmo quando a energia é removida. Em 2004, pesquisadores da Universidade de Oxford demonstraram dois novos tipos de LCDs biestáveis ​​de potência zero baseados em técnicas biestáveis ​​Zenithal. Várias tecnologias biestáveis, como o 360 ° BTN e o biestável colestérico, dependem principalmente das propriedades de massa do cristal líquido (LC) e usam ancoragem forte padrão, com filmes de alinhamento e misturas LC semelhantes aos materiais monoestáveis ​​tradicionais. Outras tecnologias biestáveis, por exemplo , a tecnologia BiNem, são baseadas principalmente nas propriedades da superfície e precisam de materiais de ancoragem fracos específicos.

Especificações

  • Resolução A resolução de um LCD é expressa pelo número de colunas e linhas de pixels (por exemplo, 1024 × 768). Cada pixel é geralmente composto de 3 subpixels, um vermelho, um verde e um azul. Este foi um dos poucos recursos de desempenho do LCD que permaneceu uniforme entre os diferentes designs. No entanto, existem designs mais recentes que compartilham subpixels entre pixels e adicionam Quattron, que tentam aumentar de forma eficiente a resolução percebida de uma tela sem aumentar a resolução real, para resultados mistos.
  • Desempenho espacial: para um monitor de computador ou algum outro monitor que está sendo visto de uma distância muito próxima, a resolução é geralmente expressa em termos de densidade de pontos ou pixels por polegada, o que é consistente com a indústria de impressão. A densidade da tela varia de acordo com a aplicação, com as televisões geralmente tendo baixa densidade para visualização de longa distância e dispositivos portáteis tendo alta densidade para detalhes próximos. O ângulo de visão de um LCD pode ser importante dependendo da tela e de seu uso; as limitações de certas tecnologias de tela significam que a tela só é exibida com precisão em determinados ângulos.
  • Desempenho temporal: a resolução temporal de um LCD é o quão bem ele pode exibir imagens em mudança, ou a precisão e o número de vezes por segundo que o monitor extrai os dados que está sendo fornecido. Os pixels do LCD não piscam entre os quadros, então os monitores LCD não exibem cintilação induzida pela atualização, não importa quão baixa seja a taxa de atualização. Mas uma taxa de atualização mais baixa pode significar artefatos visuais como fantasmas ou manchas, especialmente com imagens em movimento rápido. O tempo de resposta de pixel individual também é importante, pois todos os monitores têm alguma latência inerente à exibição de uma imagem, que pode ser grande o suficiente para criar artefatos visuais se a imagem exibida mudar rapidamente.
  • Desempenho de cores : Existem vários termos para descrever diferentes aspectos do desempenho de cores de uma tela. A gama de cores é a gama de cores que pode ser exibida e a profundidade da cor, que é a finura com a qual a gama de cores é dividida. A gama de cores é um recurso relativamente simples, mas raramente é discutido em materiais de marketing, exceto no nível profissional. Ter uma gama de cores que excede o conteúdo mostrado na tela não traz benefícios, portanto, as exibições só são feitas para funcionar dentro ou abaixo da faixa de uma determinada especificação. Existem aspectos adicionais para a cor do LCD e gerenciamento de cores, como ponto branco e correção de gama , que descrevem a cor do branco e como as outras cores são exibidas em relação ao branco.
  • Relação de brilho e contraste: a relação de contraste é a relação do brilho de um pixel totalmente ativado para um pixel totalmente desativado. O próprio LCD é apenas uma válvula de luz e não gera luz; a luz vem de uma luz de fundo que é fluorescente ou um conjunto de LEDs . O brilho é geralmente definido como a saída máxima de luz do LCD, que pode variar muito com base na transparência do LCD e no brilho da luz de fundo. Em geral, mais brilhante é melhor, mas sempre há uma compensação entre brilho e consumo de energia.

Vantagens e desvantagens

Alguns desses problemas estão relacionados a monitores de tela inteira, outros a monitores pequenos, como em relógios, etc. Muitas das comparações são com monitores CRT.

Vantagens

  • Muito compacto, fino e leve, especialmente em comparação com telas CRT volumosas e pesadas.
  • Baixo consumo de energia. Dependendo do brilho da tela definida e do conteúdo exibido, os modelos retroiluminados CCFT mais antigos normalmente usam menos da metade da energia que um monitor CRT do mesmo tamanho de área de visualização usaria, e os modelos modernos com retroiluminação LED normalmente usam 10-25% do energia que um monitor CRT usaria.
  • Pouco calor emitido durante a operação, devido ao baixo consumo de energia.
  • Sem distorção geométrica.
  • A possível capacidade de ter pouca ou nenhuma cintilação, dependendo da tecnologia de luz de fundo.
  • Normalmente, nenhuma cintilação da taxa de atualização, porque os pixels do LCD mantêm seu estado entre as atualizações (que geralmente são feitas a 200 Hz ou mais rápido, independentemente da taxa de atualização de entrada).
  • Imagem nítida sem sangramento ou manchas quando operado em resolução nativa .
  • Quase não emite radiação eletromagnética indesejável (na faixa de frequência extremamente baixa ), ao contrário de um monitor CRT.
  • Pode ser feito em quase qualquer tamanho ou forma.
  • Sem limite de resolução teórica. Quando vários painéis LCD são usados ​​juntos para criar uma única tela, cada painel adicional aumenta a resolução total da tela, que é comumente chamada de resolução empilhada.
  • Pode ser feito em tamanhos grandes de mais de 80 polegadas (2 m) na diagonal.
  • Efeito de mascaramento: a grade do LCD pode mascarar os efeitos da quantização espacial e da escala de cinza, criando a ilusão de uma qualidade de imagem superior.
  • Não é afetado por campos magnéticos, incluindo os da Terra, ao contrário da maioria dos CRTs coloridos.
  • Como um dispositivo inerentemente digital, o LCD pode exibir nativamente dados digitais de uma conexão DVI ou HDMI sem a necessidade de conversão para analógico. Alguns painéis LCD têm entradas de fibra ótica nativas , além de DVI e HDMI.
  • Muitos monitores LCD são alimentados por uma fonte de alimentação de 12 V e, se integrados em um computador, podem ser alimentados por sua fonte de alimentação de 12 V.
  • Pode ser feito com bordas de quadro muito estreitas, permitindo que várias telas LCD sejam dispostas lado a lado para formar o que parece ser uma tela grande.

Desvantagens

  • Ângulo de visão limitado em alguns monitores mais antigos ou mais baratos, fazendo com que a cor, saturação, contraste e brilho variem com a posição do usuário, mesmo dentro do ângulo de visão pretendido.
  • Iluminação de fundo irregular em alguns monitores (mais comum em tipos IPS e TNs mais antigos), causando distorção de brilho, especialmente em direção às bordas ("sangramento da iluminação de fundo").
  • Os níveis de preto podem não ser tão escuros quanto o necessário porque os cristais líquidos individuais não podem bloquear completamente a passagem de toda a luz de fundo.
  • Exibir desfoque de movimento em objetos em movimento causado por tempos de resposta lentos (> 8 ms) e rastreamento ocular em uma exibição de amostra e retenção , a menos que uma luz de fundo estroboscópica seja usada. No entanto, esse estroboscópio pode causar cansaço visual, conforme observado a seguir:
  • A partir de 2012, a maioria das implementações de luz de fundo de LCD usa modulação de largura de pulso (PWM) para escurecer a tela, o que faz a tela piscar mais intensamente (isso não significa visivelmente) do que um monitor CRT com taxa de atualização de 85 Hz faria (isso porque a tela inteira é strobing dentro e fora, em vez de um CRT de fósforo sustentada ponto que analisa continuamente através da tela, deixando alguma parte do display sempre aceso), causando severa fadiga ocular para algumas pessoas. Infelizmente, muitas dessas pessoas não sabem que o cansaço visual é causado pelo efeito estroboscópico invisível do PWM. Este problema é pior em muitos monitores retroiluminados por LED , porque os LEDs acendem e apagam mais rápido do que uma lâmpada CCFL .
  • Apenas uma resolução nativa . Exibir qualquer outra resolução requer um escalonador de vídeo , causando manchas e bordas irregulares, ou executando a exibição em resolução nativa usando o mapeamento de pixel 1: 1 , fazendo com que a imagem não preencha a tela ( exibição em caixa-de-letras ) ou saia da parte inferior ou bordas direitas da tela.
  • Profundidade de bits fixa (também chamada de profundidade de cor). Muitos LCDs mais baratos só são capazes de exibir 262144 (2 18 ) cores. Os painéis S-IPS de 8 bits podem exibir 16 milhões (2 24 ) de cores e ter um nível de preto significativamente melhor, mas são caros e têm tempo de resposta mais lento.
  • Atraso de entrada , porque o conversor A / D do LCD espera que cada quadro seja completamente gerado antes de atraí-lo para o painel LCD. Muitos monitores LCD fazem pós-processamento antes de exibir a imagem em uma tentativa de compensar a baixa fidelidade de cores, o que adiciona um atraso adicional. Além disso, um escalonador de vídeo deve ser usado ao exibir resoluções não nativas, o que adiciona ainda mais retardo de tempo. O escalonamento e o pós-processamento geralmente são feitos em um único chip em monitores modernos, mas cada função que o chip executa adiciona algum atraso. Alguns monitores têm um modo de jogos de vídeo que desativa todo ou a maior parte do processamento para reduzir o atraso de entrada perceptível.
  • Pixels mortos ou presos podem ocorrer durante a fabricação ou após um período de uso. Um pixel preso irá brilhar com cor mesmo em uma tela totalmente preta, enquanto um morto sempre permanecerá preto.
  • Sujeito ao efeito de burn-in, embora a causa seja diferente do CRT e o efeito possa não ser permanente, uma imagem estática pode causar burn-in em questão de horas em monitores mal projetados.
  • Em uma situação constante, a termalização pode ocorrer em caso de mau gerenciamento térmico, no qual parte da tela superaqueceu e parece descolorida em comparação com o resto da tela.
  • Perda de brilho e tempos de resposta muito mais lentos em ambientes de baixa temperatura. Em ambientes abaixo de zero, as telas LCD podem parar de funcionar sem o uso de aquecimento suplementar.
  • Perda de contraste em ambientes de alta temperatura.

Químicos usados

Várias famílias diferentes de cristais líquidos são usadas em cristais líquidos. As moléculas usadas devem ser anisotrópicas e exibir atração mútua. Moléculas polarizáveis ​​em forma de bastonete ( bifenilas , terfenilas , etc.) são comuns. Uma forma comum é um par de anéis de benzeno aromáticos, com uma porção não polar (pentil, heptil, octil ou grupo alquiloxi) em uma extremidade e polar (nitrila, halogênio) na outra. Às vezes, os anéis de benzeno são separados com um grupo acetileno, etileno, CH = N, CH = NO, N = N, N = NO ou grupo éster. Na prática, são utilizadas misturas eutéticas de vários produtos químicos, para atingir uma faixa operacional de temperatura mais ampla (−10 .. + 60 ° C para monitores de gama baixa e −20 .. + 100 ° C para monitores de alto desempenho). Por exemplo, a mistura E7 é composta por três bifenis e um terfenil: 39% em peso de 4'-pentil [1,1'-bifenil] -4-carbonitrila (faixa nemática 24 ... 35 ° C), 36% em peso % de 4'-heptil [1,1'-bifenil] -4-carbonitrila (faixa nemática 30..43 ° C), 16% em peso de 4'-octoxi [1,1'-bifenil] -4-carbonitrila (faixa nemática 54..80 ° C) e 9% em peso de 4- pentil [1,1 ': 4', 1 -terfenil] -4-carbonitrila (faixa nemática 131..240 ° C).

Impacto ambiental

A produção de telas LCD usa trifluoreto de nitrogênio (NF 3 ) como fluido de corrosão durante a produção dos componentes de filme fino. O NF 3 é um potente gás de efeito estufa e sua meia-vida relativamente longa pode torná-lo um contribuinte potencialmente prejudicial para o aquecimento global . Um relatório da Geophysical Research Letters sugeriu que seus efeitos eram teoricamente muito maiores do que as fontes mais conhecidas de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono . Como o NF 3 não era amplamente utilizado na época, ele não fazia parte dos Protocolos de Kyoto e foi considerado "o gás de efeito estufa ausente".

Os críticos do relatório apontam que ele assume que todo o NF 3 produzido seria lançado na atmosfera. Na realidade, a grande maioria da NF 3 é decomposta durante os processos de limpeza; dois estudos anteriores descobriram que apenas 2 a 3% do gás escapa da destruição após seu uso. Além disso, o relatório falhou em comparar os efeitos do NF 3 com o que ele substituiu, o perfluorocarbono , outro poderoso gás de efeito estufa, do qual algo em torno de 30 a 70% escapa para a atmosfera em uso normal.

Veja também

Referências

links externos

Informação geral