Pantalla de cristal líquidu

Una pantalla de cristal líquidu o LCD (sigla del inglés Liquid Crystal Display) ye una pantalla delgao y plano formada por un númberu de píxeles en color o monocromos asitiaos delantre d'una fonte de lluz o reflectora. De cutiu utilízase en dispositivos electrónicos de piles, yá que utiliza cantidaes bien pequeñes d'enerxía llétrica.

Carauterístiques

Cada píxel d'un LCD típicamente consiste nuna capa de molécules alliniaes ente dos electrodos tresparentes, y dos filtros de polarización, los exes de tresmisión de cada unu que tán (na mayoría de los casos) perpendiculares ente sigo. Ensin cristal líquidu ente'l filtru polarizante, la lluz que pasa pol primer filtru sería bloquiada pel segundu (cruciando) polarizador.

La superficie de los electrodos que tán en contautu colos materiales de cristal líquidu ye tratada con cuenta d'afaer les molécules de cristal líquidu nuna direición en particular. Esti tratamientu suel ser de normal aplicable nuna fina capa de polímeru que ye unidireccionalmente estregada utilizando, por casu, un pañu. La direición de l'alliniación de cristal líquidu definir pola direición de frotación.

Antes de l'aplicación d'un campu llétrico, la orientación de les molécules de cristal líquidu ta determinada pola adautación a les superficies. Nun dispositivu twisted nematic, TN (unu de los dispositivos más comunes ente los de cristal líquidu), les direiciones d'alliniación de la superficie de los dos electrodos son perpendiculares ente sigo, y asina s'entamen les molécules nuna estructura helicoidal, o retorcigañada. Por cuenta de que el material ye de cristal líquidu birrefringente, la lluz que pasa al traviés d'un filtru polarizante xirar pola héliz de cristal líquidu que pasa al traviés de la capa de cristal líquidu, lo que-y dexa pasar pol segundu filtru polarizáu. La metá de la lluz incidente ye absorbida pol primer filtru polarizante, pero otra manera tol montaxe ye tresparente.

Cuando s'aplica un voltaxe al traviés de los electrodos, una fuercia de xiru empobina les molécules de cristal líquidu paraleles al campu llétrico, qu'aburuya la estructura helicoidal (esto puédese aguantar gracies a les fuercies elástiques desque les molécules tán llindaes a les superficies). Esto amenorga la rotación de la polarización de la lluz incidente, y el dispositivu apaez gris. Si la tensión aplicao ye lo suficientemente grande, les molécules de cristal líquidu nel centru de la capa son casi dafechu desenrolladas y la polarización de la lluz incidente nun ye rotada yá que pasa al traviés de la capa de cristal líquidu. Esta lluz va ser principalmente polarizada perpendicular al segundu filtru, y por eso va ser bloquiada y el pixel va apaecer negru. Pol control de la tensión aplicao al traviés de la capa de cristal líquidu en cada píxel, la lluz puede dexase pasar al traviés de distintes cantidaes, constituyéndose los distintos tonos de gris.

L'efeutu ópticu d'un dispositivu twisted nematic (TN) nel estáu del voltaxe ye muncho menos dependiente de les variaciones d'espesura del dispositivu que nel estáu del voltaxe de compensación. Por cuenta de esto, estos dispositivos suelen usase ente polarizadores cruciaos de tal manera que paecen brillantes ensin tensión (el güeyu ye muncho más sensible a les variaciones nel estáu escuru que nel brillante). Estos dispositivos tamién pueden funcionar en paralelu ente polarizadores, y nesi casu la lluz y l'escuridá son estaos invertíos. La tensión de compensación nel estáu escuru d'esta configuración apaez arroxada por cuenta de les pequeñes variaciones d'espesura en tol dispositivu. Tanto'l material del cristal líquidu como'l de la capa d'alliniación contienen compuestos iónicos. Si un campu llétrico d'una determinada polaridá aplicar mientres un periodu enllargáu, esti material iónico ye atraíu escontra la superficie y degrádase el rendimientu del dispositivu. Esto inténtase evitar, yá sía por aciu l'aplicación d'una corriente alterna o por inversión de la polaridá del campu llétrico que ta dirixida al dispositivu (la respuesta de la capa de cristal líquidu ye idéntica, independientemente de la polaridá de los campos aplicaos)

Cuando un dispositivu rique un gran númberu de píxeles, nun ye vidable conducir cada dispositivu direutamente, asina cada píxel rique un númberu d'electrodos independiente. Sicasí, la pantalla ye multiplexada. Nuna pantalla multiplexada, los electrodos de la parte llateral de la pantalla arrexuntar xunto colos cables (de normal en columnes), y cada grupu tien la so propia fonte de voltaxe. Per otru llau, los electrodos tamién s'arrexunten (de normal en files), onde cada grupu llogra una tensión de sumidoriu. Los grupos diseñáronse de manera que cada píxel tien una combinación único y dedicao de fontes y sumidorios. Los circuitos electrónicos o'l software que los controla, activa los sumidorios en secuencia y controla les fontes de los píxeles de cada sumidoriu.

Especificaciones

Importantes factores que se deben considerar al evaluar una pantalla de cristal líquidu:

Resolvimientu

Les dimensiones horizontal y vertical son espresaes en píxeles: les pantalles HD tienen una resolución nativu dende 1280x720 píxeles (720p) hasta 3840×2160 pixeles (4K UHD).

Anchu de puntu

Ye la distancia ente los centros de dos píxeles axacentes: cuanto menor sía l'anchu de puntu, tanto menor granularidad va tener la imaxe. L'anchu de puntu suel ser el mesmu en sentíu vertical y horizontal, pero puede ser distintu en dellos casos.

Tamañu

El tamañu d'un panel LCD midir a lo llargo de la so diagonal xeneralmente espresáu en pulgaes dende 7" hasta 58"(coloquialmente llamada área de visualización activa).

Tiempu de respuesta

Ye'l tiempu que retrasa un píxel en camudar d'un color a otru.

Tipu de matriz

Activa, pasiva y reactiva.

Ángulu de visión

Ye'l máximu ángulu nel qu'un usuariu puede mirar el LCD, tando movíu del so centru, ensin que se pierda calidá de visión. Les nueves pantalles vienen con un ángulu de visión de 178 graos.

Soporte de color

Cantidá de colores soportaos o gama de colores.

Rellumo

La cantidá de lluz emitida dende la pantalla; tamién se conoz como lluminosidá.

Contraste

La rellación ente la intensidá más brillosa y la más escura.

Aspeutu

La proporción del anchor y l'altor.

Puertos d'entrada

Por casu: Dixital Visual Interface (DVI), Video Graphics Array (VGA), LVDS o inclusive S-Video y High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Anguaño yá se ta remanando en delles pantalles el puertu USB que dexa la reproducción de semeyes, música, y video.

Curtia hestoria

1887

Friedrich Reinitzer (1858-1927) afayó que esteroles estrayíos de cenahories son un cristal líquidu (esto ye, afaya la esistencia de dos puntos de fusión y la xeneración de colores), y publicó les sos conclusiones nuna xunta de la Sociedá Química de Viena sobre'l 3 de mayu de 1888 (F. Reinitzer: Zur Kenntniss de Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien/Viena) 9, 421-441 (1888)).

1904

Otto Lehmann publica la so obra Cristales líquidos.

1911

Charles Mauguin describe la estructura y les propiedaes de los cristales líquidos.

1936

La compañía Marconi Wireless Telegraph patenta la primer aplicación práutica de la teunoloxía, The Liquid Crystal Light Valve.

1960 a 1970

El trabayu pioneru en cristales líquidos realizar na década de 1960 pol Royal Radar Establishment de Reinu Xuníu en Malvern. L'equipu de RRE sofitó'l llabor en cursu por George Gray y el so equipu de la Universidá de Hull, quien finalmente afayó'l Cianobifenilo de los cristales líquidos (que tenía unes propiedaes correutes d'estabilidá y temperatura pa la so aplicación nos LCD).

1962

La primera gran publicación n'inglés sobre la tema: Estructura molecular y propiedaes de los cristales líquidos, pol George W. Gray.

Richard Williams de RCA atopó qu'había dellos cristales líquidos con interesantes carauterístiques electro-óptiques y diose cuenta del efeutu electro-ópticu por aciu la xeneración de patrones de bandes nuna fina capa de material de cristal líquidu pola aplicación d'un voltaxe. Esti efeutu basar nuna inestabilidá hidrodinámica formada, lo qu'agora se denomina "dominios Williams" nel interior del cristal líquidu.

1964

Na seronda de 1964 George H. Heilmeier, cuando trabayaba nos llaboratorios de la RCA nel efeutu descubiertu por Williams diose cuenta de la conmutación de colores inducida pol reaxuste de los tintes de dicroico nun cristal líquidu homeotrópicamente empobináu. Los problemes práuticos con esti nuevu efeutu electro-ópticu fixeron que Heilmeier siguiera trabayando nos efeutos de la dispersión nos cristales líquidos y, a lo último, la realización de la primer pantalla de cristal líquidu de funcionamientu sobre la base de lo qu'él llamó la dispersión manera dinámica (DSM). L'aplicación d'un voltaxe a un dispositivu DSM camuda primeramente'l cristal líquidu tresparente nuna capa llechienta, turbia y estatal. Los dispositivos DSM podríen operar en modo transmisión y reflexón, pero riquen un considerable fluxu de corriente pal so funcionamientu.

1970

El 4 d'avientu de 1970, la patente del efeutu del campu twisted nematic en cristales líquidos foi presentada por Hoffmann-LaRoche en Suiza (Swiss patente N º 532.261), con Wolfgang Helfrich y Martin Schadt (que trabayaba pal Central Research Laboratories) onde figuren como inventores. Hoffmann-La Roche, entós con llicencia de la invención dar a la fábrica suiza Brown, Boveri & Cie, quien producía dispositivos pa relós mientres los años 1970 y tamién a la industria electrónico xaponesa que llueu produció'l primer reló de pulsera dixital de cuarzu con TN, pantalles LCD y munchos otros productos. James Fergason en Kent State University presentó una patente idéntica nos Estaos Xuníos del 22 d'abril de 1971. En 1971 la compañía de Fergason ILIXCO (anguaño LXD Incorporated) produció los primeres LCD basaos nel efeutu TN, que llueu sustituyó a la mala calidá de los tipos DSM por cuenta de les meyores nos voltaxes d'operación más baxos y un menor consumu d'enerxía.

1972

Más

Una descripción detallada de los oríxenes y de la complexa hestoria de les pantalles de cristal líquidu dende la perspeutiva d'una persona interna dende los primeros díes foi publicáu por Joseph A. Castellán en Liquid Gold, The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry. La mesma historia vista dende una perspeutiva distinta se describió y publicó por Hiroshi Kawamoto (The History of Liquid-Crystal Displays, Proc. IEEE, Vol. 90, Nᵘ4, abril de 2002), esti documentu ta disponible al públicu nel IEEE History Center.

El color nos dispositivos

Nes pantalles LCD de color cada píxel individual estremar en tres célules, o subpíxeles, de color colloráu, verde y azul, respeutivamente, pol aumentu de los filtros (filtros de pigmentu, filtros de tinte y filtros d'óxidu de metal). Cada subpíxel puede controlase independientemente pa producir miles o millones de posibles colores pa cada píxel. Los monitores CRT usen la mesma estructura de 'subpíxeles' al traviés del usu de fósforu, anque'l fexe d'electrones analóxicos emplegaos en CRTs nun dan un númberu exactu de subpíxeles.

Los componentes de color pueden asitiase en delles formes xeométriques de píxeles, en función del usu del monitor. Si'l software sabe qué tipu de xeometría ta usándose nun LCD concretu, ésta puede usase p'aumentar el resolución del monitor al traviés de la presentación del subpíxel. Esta téunica ye especialmente útil pa testu anti-aliasing.

Matrices actives y pasives empobinaes a LCD

Les pantalles LCD con un pequeñu númberu de sectores, tales como los que s'utilicen en relós dixitales y calculadores de bolsu, tienen contactos llétricos individuales pa cada segmentu. Un circuitu esternu dedicáu suministra una carga llétrica pal control de cada segmentu. Esta estructura ye malo de visualizar pa dellos dispositivos de visualización.

Les pequeñes pantalles monocromu como les que s'atopen n'el organizadores personales, o vieyes pantalles d'ordenadores portátiles tienen una estructura de matriz pasiva onde empleguen teunoloxíes como la super-twisted nematic (STN) o la de doble capa STN (DSTN), (DSTN corrixe'l problema del cambéu de color de STN), y la STN de color (CSTN) (una teunoloxía onde'l color añader usando un filtru de color internu). Cada fila o columna de la pantalla tien un solu circuitu llétricu. Los pixeles diríxense al empar por direiciones de fila y de columna. Esti tipu de pantalla denominar matriz pasiva–empobinada porque'l píxel tien de caltener el so estáu ente los periodos de refrescu ensin beneficiase d'una carga llétrica constante. A midida que el númberu de píxeles (y, arriendes d'ello, columnes y files) amóntase, esti tipu de pantalla vuélvese menos apropiada. Tiempos de respuesta bien lentos y un contraste bastante probe son típicos nes matrices pasives empobinaes a LCD.

En dispositivos de color d'alta resolución como los modernos monitores LCD y televisiones utilicen una estructura de matriz activa. Una matriz de thin-filme transistors (TFT) amestar a la polarización y a los filtros de color. Cada píxel tien el so propiu transistor dedicáu, que va dexar a cada llinia de la columna aportar a un píxel. Cuando una llinia de fila ta activada, toles llinies de la columna tán coneutaes a una fila de píxeles y una correuta tensión d'alimentación ye impulsada a toles llinies de la columna. Cuando la llinia de fila desactivar, la siguiente llinia de fila ye activada. Toles llinies de la fila actívense secuencialmente mientres una operación d'actualización. La matriz activa ta dirixida a dispositivos con un mayor rellumu y tamañu qu'a los que se dirixe la matriz pasiva (dirixida a dispositivos de pequeñu tamañu, y, polo xeneral, que tienen tiempos de respuesta más pequeños, produciendo imáxenes enforma meyores).

Teunoloxíes de matriz activa

Twisted nematic (TN)

Les pantalles twisted nematic contienen elementos de cristal líquidu con desenrollado y endolcáu en diversos graos pa dexar que la lluz pase al traviés d'ellos. Cuando nun s'aplica voltaxe a una celda de cristal líquidu TN, la lluz polarízase pa pasar al traviés de la célula. En proporción a la tensión aplicao, les célules LC xiren hasta 90 graos camudando la polarización y bloquiando el camín de la lluz. P'afaer correutamente'l nivel de la tensión de casi cualquier nivel de gris o la tresmisión que deseye llograr.

In-plane switching (IPS)

In-plane switching ye una teunoloxía LCD qu'allinia les celdes de cristal líquidu nuna direición horizontal. Nesti métodu, el campu llétrico aplícase al traviés de cada unu de los estremos del cristal, pero esto rique dos transistores por cada píxel en cuenta de un transistor que yera lo necesario pa una pantalla estándar TFT. Esto fai que se produza un mayor bloquéu del área de tresmisión, tamién rique un mayor rellumu de fondu, el cuál va consumir más enerxía, faciendo esti tipu de pantalla menos deseable pa los ordenadores portátiles.

Vertical alignment (VA)

Les pantalles vertical alignment, VA, son una forma de pantalles LCD nes que'l material de cristal líquidu atopar nun estáu vertical esaniciando la necesidá de los transistores extras (como nel IPS). Cuando nun s'aplica voltaxe, la celda de cristal líquidu, sigue siendo perpendicular al sustratu creando una pantalla negra.

Control calidable

Dellos paneles LCD contienen transistores defectuosos, provocando que los píxeles enciéndanse o s'apaguen permanentemente, lo que se denomina comúnmente píxeles apexaos o píxeles muertos, respeutivamente. A diferencia de los circuitos integraos, los paneles LCD con unos pocos píxeles defectuosos inda suelen poder utilizase. Tamién ye prohibitivu económicamente refugar un panel, con unos pocos píxeles defectuosos porque los paneles LCD son muncho más grandes que ICs. Los fabricantes tienen normes distintes pa determinar un númberu aceptable de píxeles defectuosos. El númberu máximu aceptable de píxeles defectuosos pa LCD varia en gran midida. Nun primer momentu, Samsung tenía una política de tolerancia cero pa los monitores LCD que se vendíen en Corea. Anguaño sicasí, Samsung xuntar al estándar ISO 13406-2 que resulta menos restrictivu. N'otres empreses llegar a tener polítiques que toleraben hasta 11 pixeles muertos. Les polítiques de píxeles muertos son un alderique nel que s'atopen dos asities contrapuestes les de los fabricantes y los veceros. Pa regular l'aceptación de los defectuosos y pa protexer al usuariu final, la ISO publicó l'estándar ISO 13406-2. Sicasí non tolos fabricantes de LCD afacer a esta normativa y la norma ISO ye de cutiu interpretada de distintes maneres.

Los paneles LCD tienen más probabilidaes de tener defectos que la mayoría de ICs, por cuenta del so mayor tamañu. La norma ye muncho más siguida agora por cuenta de la feroz competencia ente los fabricantes y un meyor control calidable. Un panel LCD SVGA con 4 píxeles defectuosos ye xeneralmente consideráu defectuosu y los veceros pueden solicitar un cambéu por unu nuevu. Dellos fabricantessobremanera en Corea del Sur, onde s'atopen dalgunos de los mayores fabricantes de paneles LCD, como LG, agora tienen "cero píxeles defectuosos de garantía" y puede pidise que se sustituya'l dispositivu por otru en casu de qu'un píxel sía defectuosu. Inclusive onde eses garantíes nun esisten, l'allugamientu de píxeles defectuosos ye importante. Una pantalla con solamente unos pocos píxeles defectuosos pue ser inaceptable si los píxeles defectuosos tán cerca unos d'otros. Los fabricantes tamién pueden relaxar los sos criterios de sustitución de píxeles defectuosos cuando tán nel centru del área de visualización.

Los paneles LCD tamién tienen defectos conocíos como mura, el cuál tien como un pequeñu resquiebru que provoca pequeños cambeos na lluminosidá o nel color.

Pantalla de corriente cero (biestable)

El zenithal bistable device (ZBD), desenvueltu por QinetiQ (enantes DERA), puede caltener una imaxe ensin corriente. Los cristales pueden esistir nuna de los dos orientaciones estables (negru y blancu) y la corriente namái ye necesaria pa camudar la imaxe. ZBD Displays ye una empresa derivada de QinetiQ la cuál fabrica dispositivos ZBD tantu n'escala de grises como en color.

Una empresa francesa, Nemoptic, desenvolvió otru papel potencia-cero, al igual que la teunoloxía LCD producióse en masa dende xunetu de 2003. Esta teunoloxía ta destinada pal so usu n'aplicaciones tales como electronic shelf labels, llibros electrónicos, documentos electrónicos, periódicos electrónicos, diccionarios electrónicos, sensores industriales, Ultra Mobile PC, etc. Les pantalles de cristal líquidu de potencia cero son una categoría de papel electrónicu.

Kent Displays tamién ellaboró una pantalla de "non corriente" que s'utiliza nos Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Cristales o Polímeru Estabilizáu de Cristales Líquidos Colestéricos (ChLCD). El principal inconveniente a la ChLCD ye la so lenta tasa de refrescu, especialmente con baxes temperatures.

En 2004 los investigadores de la Universidá d'Oxford demostraron tamién dos nuevos tipos de LCD de potencia cero biestable basaos nes téuniques biestables de Zenithal.

Delles teunoloxíes biestables, como'l 360 ° BTN y el biestable colestérico, dependen principalmente de la mayor parte de les propiedaes del cristal líquidu y l'usu del estándar de anclaje fuerte, cola alliniación de películes y cristal líquidu entemecen de manera similar los materiales tradicionales monoestables. Otres teunoloxíes biestables (por casu, Binem Technology) básense principalmente nes propiedaes de la superficie y precisen midíes específiques de la debilidá de los materiales de anclaje.

Inconvenientes

La teunoloxía LCD inda tien dellos inconvenientes en comparanza con otres teunoloxíes de visualización:

Resolvimientu

Anque los CRT sían capaces d'amosar múltiples resolvimientos de videu ensin introducir artefautos, los LCD producen imáxenes nítidas solamente na so "resolución nativu", y, dacuando, nes fracciones de la resolución orixinal. Al intentar executar paneles LCD a resolvimientos non nativos polo xeneral los resultaos nel panel de la escala de la imaxe, introducen emborronamiento de la imaxe o bloqueos y, polo xeneral, ye susceptible a dellos tipos de HDTV borrosa. Munchos LCD nun son capaces d'amosar maneres de pantalla de baxa resolución (por casu, 320x200), por cuenta de estes llimitaciones d'escala.

Contraste

Anque los LCD suelen tener más imáxenes vibrantes y meyor contraste "del mundu real" (la capacidá de caltener el contraste y la variación de color n'ambientes lluminosos) que los CRT, tienen menor contraste que los CRTs en términos de la fondura de los negros. El contraste ye la diferencia ente un encendíu completu (en blancu) y la desactivación de píxeles (negru), y los LCD pueden tener "sangráu de lluz de fondu" onde la lluz (polo xeneral, vistu dende de les esquines de la pantalla) penerar y les fugues de negru convertir en gris. N'avientu de 2007, los meyores LCD pueden averase al contraste de les pantalles de plasma en términos d'entrega de fondura de negru, pero la mayoría de los LCD siguen a la zaga.

Tiempu de respuesta

Los LCD suelen tener tiempos de respuesta más lentos que los sos correspondientes de plasma y CRT, cuantimás les vieyes pantalles, creando imagen fantasma cuando les imáxenes cargábense rápido. Por casu, cuando se mueve'l mur rápido nuna pantalla LCD, múltiples cursores pueden ser vistos.

Delles pantalles LCD tienen importantes aportaciones de retrasu. Si'l retrasu ye lo suficientemente grande, esa pantalla puede ser desaparente pa operaciones col mur rápides y precises (diseñu asistíu por ordenador, videoxuegos de disparos en primer persona) en comparanza colos monitores CRT o LCD pequeños y con insignificantes cantidaes de retrasu d'entrada. Los retrasos pequeños son dacuando puestos de relieve na comercialización.

Ángulu de visión

Los paneles LCD tienden a tener un ángulu de visión llindáu en rellación coles CRT y les pantalles de plasma. Esto amenorga'l númberu de persones que pueden cómodamente ver la mesma imaxe - les pantalles d'ordenadores portátiles son un escelente exemplu. Asina, esta falta de radiación ye lo que da a les LCD el so amenorgáu consumu d'enerxía en comparanza coles pantalles de plasma y CRT. Magar los ángulos de visión ameyoraron al puntu de que ye pocu frecuente que los colores sían totalmente incorreutos nel usu normal, a distancies típiques d'usu d'un ordenador los LCD inda dexen pequeños cambeos na postura del usuariu, ya inclusive distintes posiciones ente los sos güeyos producen una notable distorsión de colores, inclusive pa los meyores LCD del mercáu.

Durabilidá

Los monitores LCD tienden a ser más fráxiles que los sos correspondientes CRT. La pantalla puede ser especialmente vulnerable por cuenta de la falta d'un gruesu cristal proteutor como nos monitores CRT. El so durabilidá depende de la so frecuencia d'usu. Los fabricantes suministren nel manual del usuariu un tiempu de durabilidá de la pantalla, regularmente espresáu n'hores d'usu. Pero puede estendese esti tiempu menguando los niveles de rellumu de la imaxe (inda n'estudiu).

Ver tamién

Referencies

Enllaces esternos