Pantalla de cristal líquido

Una pantalla de cristal líquido ( LCD ) es una pantalla plana u otro dispositivo óptico modulado electrónicamente que utiliza las propiedades moduladoras de la luz de los cristales líquidos combinados con polarizadores . Los cristales líquidos no emiten luz directamente ^[1], sino que utilizan una luz de fondo o un reflector para producir imágenes en color o monocromáticas . ^{[2] Las} pantallas LCD están disponibles para mostrar imágenes arbitrarias (como en una pantalla de computadora de uso general) o imágenes fijas con poco contenido de información, que se pueden mostrar u ocultar. Por ejemplo: palabras preestablecidas, dígitos yLas pantallas de siete segmentos , como en un reloj digital , son buenos ejemplos de dispositivos con estas pantallas. Usan la misma tecnología básica, excepto que las imágenes arbitrarias están hechas de una matriz de píxeles pequeños , mientras que otras pantallas tienen elementos más grandes. Las pantallas LCD pueden estar normalmente encendidas (positivas) o apagadas (negativas), dependiendo de la disposición del polarizador. Por ejemplo, una pantalla LCD de caracteres positivos con luz de fondo tendrá letras negras sobre un fondo que es el color de la luz de fondo, y una pantalla LCD de caracteres negativos tendrá un fondo negro con letras del mismo color que la luz de fondo. Los filtros ópticos se agregan a las pantallas LCD blancas sobre azules para darles su apariencia característica.

Pantalla reflectante de cristal líquido nemático retorcido .

1. Película de filtro polarizante con eje vertical para polarizar la luz a medida que ingresa.
2. Sustrato de vidrio con electrodos ITO . Las formas de estos electrodos determinarán las formas que aparecerán cuando se encienda la pantalla LCD. Las crestas verticales grabadas en la superficie son lisas.
3. Cristal líquido nemático retorcido.
4. Sustrato de vidrio con película de electrodo común (ITO) con crestas horizontales para alinear con el filtro horizontal.
5. Película de filtro polarizante con eje horizontal para bloquear / pasar la luz.
6. Superficie reflectante para devolver la luz al espectador. (En una pantalla LCD retroiluminada, esta capa se reemplaza o complementa con una fuente de luz).

Los LCD se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidos televisores LCD , monitores de computadora , paneles de instrumentos , pantallas de cabina de aviones y señalización interior y exterior. Las pantallas LCD pequeñas son comunes en los proyectores LCD y en los dispositivos portátiles de consumo, como cámaras digitales , relojes , relojes digitales , calculadoras y teléfonos móviles , incluidos los teléfonos inteligentes . Las pantallas LCD también se utilizan en productos electrónicos de consumo , como reproductores de DVD, dispositivos de videojuegos y relojes . Las pantallas LCD han reemplazado a las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) pesadas y voluminosas en casi todas las aplicaciones. Las pantallas LCD están disponibles en una gama más amplia de tamaños de pantalla que las pantallas CRT y de plasma , con pantallas LCD disponibles en tamaños que van desde pequeños relojes digitales hasta receptores de televisión muy grandes . Los LCD están siendo reemplazados lentamente por OLED , que se pueden hacer fácilmente en diferentes formas y tienen un tiempo de respuesta más bajo, una gama de colores más amplia, un contraste de color y ángulos de visión prácticamente infinitos, un peso más bajo para un tamaño de pantalla dado y un perfil más delgado (porque los OLED usan un solo panel de vidrio o plástico, mientras que los LCD usan dos paneles de vidrio; el grosor de los paneles aumenta con el tamaño, pero el aumento es más notable en los LCD) y un consumo de energía potencialmente menor (ya que la pantalla solo está "encendida" donde es necesario y hay sin luz de fondo). Sin embargo, los OLED son más caros para un tamaño de pantalla dado debido a los materiales electroluminiscentes o fósforos muy costosos que utilizan. También debido al uso de fósforos, los OLED sufren quemaduras en la pantalla y actualmente no hay forma de reciclar las pantallas OLED, mientras que los paneles LCD se pueden reciclar, aunque la tecnología necesaria para reciclar los LCD aún no está muy extendida. Los intentos por mantener la competitividad de las pantallas LCD son las pantallas de puntos cuánticos , comercializadas como SUHD, QLED o Triluminos, que son pantallas LCD con retroiluminación LED azul y una película de mejora de puntos cuánticos (QDEF) que convierte parte de la luz azul en rojo y verde. ofrece un rendimiento similar a una pantalla OLED a un precio más bajo, pero la capa de puntos cuánticos que le da a estas pantallas sus características aún no se puede reciclar.

Dado que las pantallas LCD no usan fósforos, rara vez sufren quemaduras de imagen cuando se muestra una imagen estática en una pantalla durante mucho tiempo, por ejemplo, el marco de la mesa para el horario de vuelo de una aerolínea en un letrero interior. Sin embargo, los LCD son susceptibles a la persistencia de la imagen . ^[3] La pantalla LCD ahorra más energía y se puede desechar de manera más segura que un CRT. Su bajo consumo de energía eléctrica permite su uso en equipos electrónicos alimentados por batería de manera más eficiente que un CRT. En 2008, las ventas anuales de televisores con pantallas LCD excedieron las ventas de unidades CRT en todo el mundo, y la CRT quedó obsoleta para la mayoría de los propósitos.

Características generales

Una pantalla LCD utilizada como panel de notificaciones para viajeros.

Cada píxel de una pantalla LCD generalmente consta de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes , a menudo hechos de óxido de indio-estaño (ITO) y dos filtros polarizadores ( polarizadores paralelos y perpendiculares), cuyos ejes de transmisión son (en la mayoría de los casos) los casos) perpendiculares entre sí. Sin el cristal líquido entre los filtros polarizadores, la luz que pasa a través del primer filtro sería bloqueada por el segundo polarizador (cruzado). Antes de aplicar un campo eléctrico , la orientación de las moléculas de cristal líquido está determinada por la alineación en las superficies de los electrodos. En un dispositivo nemático retorcido (TN), las direcciones de alineación de la superficie en los dos electrodos son perpendiculares entre sí, por lo que las moléculas se organizan en una estructura helicoidal o se retuercen. Esto induce la rotación de la polarización de la luz incidente y el dispositivo aparece gris. Si el voltaje aplicado es lo suficientemente grande, las moléculas de cristal líquido en el centro de la capa se desenroscan casi por completo y la polarización de la luz incidente no gira a medida que pasa a través de la capa de cristal líquido. Esta luz se polarizará principalmente perpendicular al segundo filtro y, por lo tanto, se bloqueará y el píxel aparecerá en negro. Al controlar el voltaje aplicado a través de la capa de cristal líquido en cada píxel, se puede permitir que la luz pase a través de diferentes cantidades, constituyendo así diferentes niveles de gris.

La fórmula química de los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD puede variar. Las fórmulas pueden patentarse. ^[4] Un ejemplo es una mezcla de 2- (4-alcoxifenil) -5-alquilpirimidina con cianobifenilo, patentada por Merck and Sharp Corporation . La patente que cubría esa mezcla específica expiró. ^[5]

La mayoría de los sistemas LCD en color utilizan la misma técnica, con filtros de color utilizados para generar subpíxeles rojos, verdes y azules. Los filtros de color LCD se fabrican con un proceso de fotolitografía en grandes láminas de vidrio que luego se pegan con otras láminas de vidrio que contienen una matriz TFT, espaciadores y cristal líquido, creando varios LCD en color que luego se cortan entre sí y se laminan con láminas polarizadoras. Se utilizan fotorresistentes (resiste) rojos, verdes, azules y negros. Todas las resistencias contienen un pigmento en polvo finamente molido, con partículas de solo 40 nanómetros de diámetro. La resistencia negra es la primera que se aplica; esto creará una cuadrícula negra (conocida en la industria como matriz negra) que separará los subpíxeles rojos, verdes y azules entre sí, aumentando las relaciones de contraste y evitando que la luz se filtre de un subpíxel a otros subpíxeles circundantes. ^[6] Después de que la capa protectora negra se haya secado en un horno y se haya expuesto a la luz ultravioleta a través de una fotomáscara, las áreas no expuestas se lavan, creando una rejilla negra. Luego se repite el mismo proceso con las resistencias restantes. Esto llena los agujeros en la cuadrícula negra con sus correspondientes resistencias de colores. ^{[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]} Otro método de generación de color utilizado en PDA en color y algunas calculadoras se realizó variando el voltaje en una pantalla LCD nemática súper retorcida , donde la torsión variable entre placas con espacios más ajustados provoca una birrefringencia de doble refracción variable , cambiando así el tono. ^[21] Por lo general, estaban restringidos a 3 colores por píxel: naranja, verde y azul. ^{[22] [ referencia circular ]}

LCD en una calculadora de Texas Instruments con el polarizador superior retirado del dispositivo y colocado en la parte superior, de modo que los polarizadores superior e inferior queden perpendiculares. Como resultado, los colores se invierten.

El efecto óptico de un dispositivo TN en el estado de voltaje encendido depende mucho menos de las variaciones en el grosor del dispositivo que en el estado de voltaje apagado. Debido a esto, las pantallas TN con bajo contenido de información y sin retroiluminación generalmente se operan entre polarizadores cruzados de modo que parezcan brillantes sin voltaje (el ojo es mucho más sensible a las variaciones en el estado oscuro que en el estado brillante). Dado que la mayoría de las pantallas LCD de la era de 2010 se utilizan en televisores, monitores y teléfonos inteligentes, tienen matrices de píxeles de alta resolución para mostrar imágenes arbitrarias mediante iluminación de fondo con un fondo oscuro. Cuando no se muestra ninguna imagen, se utilizan diferentes arreglos. Para este propósito, los LCD TN funcionan entre polarizadores paralelos, mientras que los LCD IPS cuentan con polarizadores cruzados. En muchas aplicaciones, los LCD IPS han reemplazado a los LCD TN, particularmente en teléfonos inteligentes como iPhones . Tanto el material de cristal líquido como el material de la capa de alineación contienen compuestos iónicos . Si se aplica un campo eléctrico de una polaridad particular durante un largo período de tiempo, este material iónico es atraído por las superficies y degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se evita aplicando una corriente alterna o invirtiendo la polaridad del campo eléctrico a medida que se direcciona el dispositivo (la respuesta de la capa de cristal líquido es idéntica, independientemente de la polaridad del campo aplicado).

Un reloj digital Casio Alarm Chrono con LCD

Se pueden implementar pantallas para una pequeña cantidad de dígitos individuales o símbolos fijos (como en relojes digitales y calculadoras de bolsillo ) con electrodos independientes para cada segmento. ^[23] Por el contrario, las pantallas gráficas alfanuméricas o variables completas se implementan generalmente con píxeles dispuestos como una matriz que consta de filas conectadas eléctricamente en un lado de la capa LC y columnas en el otro lado, lo que hace posible abordar cada píxel en el intersecciones. El método general de direccionamiento matricial consiste en direccionar secuencialmente un lado de la matriz, por ejemplo, seleccionando las filas una por una y aplicando la información de la imagen en el otro lado en las columnas fila por fila. Para obtener detalles sobre los diversos esquemas de direccionamiento matricial, consulte LCD direccionados de matriz pasiva y matriz activa .

Las pantallas LCD, junto con las pantallas OLED , se fabrican en salas blancas tomando prestadas técnicas de la fabricación de semiconductores y utilizando grandes láminas de vidrio cuyo tamaño ha aumentado con el tiempo. Se fabrican varias pantallas al mismo tiempo y luego se cortan de la hoja de vidrio, también conocida como vidrio madre o sustrato de vidrio LCD. El aumento de tamaño permite fabricar más pantallas o pantallas más grandes, al igual que con el aumento de los tamaños de obleas en la fabricación de semiconductores. Los tamaños de vidrio son los siguientes:

Generacion	Longitud [mm]	Altura [mm]	Año de introducción	Referencias
GEN 1	200-300	200-400	1990	[24] [25]
GEN 2	370	470
GEN 3	550	650	1996-1998	[26]
GEN 3.5	600	720	1996	[25]
GEN 4	680	880	2000-2002	[25] [26]
GEN 4.5	730	920	2000-2004	[27]
GEN 5	1100	1250-1300	2002-2004	[25] [26]
GEN 5.5	1300	1500
GEN 6	1500	1800–1850	2002-2004	[25] [26]
GEN 7	1870	2200	2003	[28] [29]
GEN 7.5	1950	2250		[25]
GEN 8	2160	2460		[29]
GEN 8.5	2200	2500	2007-2016	[30] [31]
GEN 8.6	2250	2600	2016	[31]
GEN 10	2880	3130	2009	[32]
GEN 10.5 (también conocido como GEN 11)	2940	3370	2018 [33]	[34]

Hasta Gen 8, los fabricantes no se pondrían de acuerdo en un solo tamaño de vidrio madre y, como resultado, diferentes fabricantes usarían tamaños de vidrio ligeramente diferentes para la misma generación. Algunos fabricantes han adoptado láminas de vidrio madre Gen 8.6 que son solo un poco más grandes que Gen 8.5, lo que permite fabricar más LCD de 50 y 58 pulgadas por vidrio madre, especialmente LCD de 58 pulgadas, en cuyo caso 6 se pueden producir en una madre Gen 8.6 vidrio frente a solo 3 en un vidrio madre Gen 8.5, lo que reduce significativamente los desechos. ^[31] El grosor del vidrio madre también aumenta con cada generación, por lo que los tamaños de vidrio madre más grandes son más adecuados para pantallas más grandes. Un módulo LCD (LCM) es una pantalla LCD lista para usar con luz de fondo. Por lo tanto, una fábrica que fabrica módulos LCD no necesariamente fabrica LCD, solo puede ensamblarlos en los módulos. Los sustratos de vidrio para LCD son fabricados por compañías como AGC Inc. , Corning Inc. y Nippon Electric Glass .

Historia

Los orígenes y la compleja historia de las pantallas de cristal líquido desde la perspectiva de un conocedor durante los primeros días fueron descritos por Joseph A. Castellano en Liquid Gold: The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry . ^[35] Hiroshi Kawamoto ha publicado otro informe sobre los orígenes y la historia de la LCD desde una perspectiva diferente hasta 1991, disponible en el IEEE History Center. ^[36] Se puede encontrar una descripción de las contribuciones suizas a los desarrollos de LCD, escrita por Peter J. Wild, en el Wiki de Historia de la Ingeniería y la Tecnología . ^[37]

Fondo

En 1888, ^[38] Friedrich Reinitzer (1858-1927) descubrió la naturaleza cristalina líquida del colesterol extraído de las zanahorias (es decir, dos puntos de fusión y generación de colores) y publicó sus hallazgos en una reunión de la Sociedad Química de Viena el 3 de mayo. , 1888 (F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Viena) 9, 421–441 (1888) ). ^[39] En 1904, Otto Lehmann publicó su obra "Flüssige Kristalle" (Cristales líquidos). En 1911, Charles Mauguin experimentó por primera vez con cristales líquidos confinados entre placas en capas delgadas.

En 1922, Georges Friedel describió la estructura y propiedades de los cristales líquidos y los clasificó en 3 tipos (nemáticos, esmecticos y colestéricos). En 1927, Vsevolod Frederiks ideó la válvula de luz conmutada eléctricamente, llamada transición Fréedericksz , el efecto esencial de toda la tecnología LCD. En 1936, la empresa Marconi Wireless Telegraph patentó la primera aplicación práctica de la tecnología, "La válvula de luz de cristal líquido" . En 1962, el Dr. George W. Gray publicó la primera publicación importante en inglés, Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals . ^[40] En 1962, Richard Williams de RCA descubrió que los cristales líquidos tenían algunas características electroópticas interesantes y se dio cuenta de un efecto electroóptico al generar patrones de rayas en una capa delgada de material de cristal líquido mediante la aplicación de un voltaje. Este efecto se basa en una inestabilidad electrohidrodinámica que forma lo que ahora se llama "dominios de Williams" dentro del cristal líquido. ^[41]

El MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, y presentado en 1960. ^{[42] [43]} Basándose en su trabajo con MOSFET, Paul K. Weimer en RCA desarrolló el transistor de película delgada (TFT) en 1962. ^[44] Era un tipo de MOSFET distinto del MOSFET estándar a granel. ^[45]

1960

En 1964, George H. Heilmeier , que entonces trabajaba en los laboratorios de RCA en el efecto descubierto por Williams, logró el cambio de colores mediante la realineación inducida por el campo de colorantes dicroicos en un cristal líquido orientado homeotrópicamente. Los problemas prácticos con este nuevo efecto electroóptico hicieron que Heilmeier continuara trabajando en los efectos de dispersión en cristales líquidos y finalmente el logro de la primera pantalla operativa de cristal líquido basada en lo que él llamó el modo de dispersión dinámica (DSM). La aplicación de un voltaje a una pantalla DSM cambia la capa de cristal líquido transparente inicialmente transparente a un estado turbio lechoso. Las pantallas DSM podían funcionar en modo transmisivo y reflectante, pero requerían una corriente considerable para fluir para su funcionamiento. ^{[46] [47] [48] [49]} George H. Heilmeier fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales ^[50] y se le atribuye la invención de las pantallas LCD. El trabajo de Heilmeier es un hito de IEEE . ^[51]

A finales de la década de 1960, el Royal Radar Establishment del Reino Unido en Malvern , Inglaterra, emprendió un trabajo pionero sobre cristales líquidos . El equipo de RRE apoyó el trabajo en curso de George William Gray y su equipo en la Universidad de Hull, quienes finalmente descubrieron los cristales líquidos de cianobifenilo, que tenían propiedades correctas de estabilidad y temperatura para su aplicación en pantallas LCD.

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. ^[52] Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una dispersión dinámica de matriz de 18x2 LCD de modo (DSM) que utilizaba MOSFET discretos estándar . ^[53]

1970

El 4 de diciembre de 1970, Hoffmann-LaRoche en Suiza solicitó la patente del efecto de campo nemático retorcido (TN) en cristales líquidos ( patente suiza No. 532261 ) con Wolfgang Helfrich y Martin Schadt (que entonces trabajaban para los Laboratorios Centrales de Investigación). ) enumerados como inventores. ^[46] Hoffmann-La Roche autorizó la invención al fabricante suizo Brown, Boveri & Cie , su socio de empresa conjunta en ese momento, que produjo pantallas TN para relojes de pulsera y otras aplicaciones durante la década de 1970 para los mercados internacionales, incluida la industria electrónica japonesa, que pronto produjo los primeros relojes de pulsera de cuarzo digital con TN-LCD y muchos otros productos. James Fergason , mientras trabajaba con Sardari Arora y Alfred Saupe en el Instituto de Cristal Líquido de la Universidad Estatal de Kent , presentó una patente idéntica en los Estados Unidos el 22 de abril de 1971. ^[54] En 1971, la compañía de Fergason, ILIXCO (ahora LXD Incorporated ) , produjo pantallas LCD basadas en el efecto TN, que pronto reemplazó a los tipos de DSM de baja calidad debido a las mejoras de los voltajes operativos más bajos y el menor consumo de energía. Tetsuro Hama e Izuhiko Nishimura de Seiko recibieron una patente estadounidense con fecha de febrero de 1971, para un reloj de pulsera electrónico que incorpora un TN-LCD. ^[55] En 1972, se lanzó al mercado el primer reloj de pulsera con TN-LCD: el Gruen Teletime, que era un reloj con pantalla de cuatro dígitos.

En 1972, el equipo de T. Peter Brody en Westinghouse , en Pittsburgh, Pensilvania, hizo un prototipo del panel de pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada de matriz activa (TFT) en los Estados Unidos . ^[56] En 1973, Brody, JA Asars y GD Dixon de Westinghouse Research Laboratories demostraron la primera pantalla de cristal líquido de transistor de película delgada (TFT LCD). ^{[57] [58]} A partir de 2013^[actualizar], todos los dispositivos de visualización electrónicos de alta resolución y alta calidad modernos utilizan pantallas de matriz activa basadas en TFT . ^[59] Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla plana de cristal líquido de matriz activa (LCD AM) en 1974, y luego Brody acuñó el término "matriz activa" en 1975. ^[52]

En 1972, la North American Rockwell Microelectronics Corp introdujo el uso de pantallas LCD DSM para calculadoras para su comercialización por parte de Lloyds Electronics Inc, aunque esto requería una fuente de luz interna para la iluminación. ^[60] Sharp Corporation siguió con pantallas LCD DSM para calculadoras de bolsillo en 1973 ^[61] y luego pantallas LCD TN producidas en masa para relojes en 1975. ^[62] Otras empresas japonesas pronto tomaron una posición de liderazgo en el mercado de relojes de pulsera, como Seiko y su primer reloj de pulsera de cuarzo TN-LCD de 6 dígitos. Las pantallas LCD en color basadas en la interacción huésped-anfitrión fueron inventadas por un equipo de RCA en 1968. ^[63] Sharp Corporation de Japón desarrolló un tipo particular de pantalla LCD en color en la década de 1970, recibiendo patentes por sus invenciones, como una patente de Shinji Kato y Takaaki Miyazaki en mayo de 1975, ^[64] y luego mejorados por Fumiaki Funada y Masataka Matsuura en diciembre de 1975. ^[65] LCD TFT similares a los prototipos desarrollados por un equipo de Westinghouse en 1972 fueron patentados en 1976 por un equipo de Sharp formado por Fumiaki Funada, Masataka Matsuura y Tomio Wada, ^[66] luego mejorado en 1977 por un equipo de Sharp formado por Kohei Kishi, Hirosaku Nonomura, Keiichiro Shimizu y Tomio Wada. ^[67] Sin embargo, estos TFT-LCD aún no estaban listos para su uso en productos, ya que los problemas con los materiales para los TFT aún no se habían resuelto.

Los ochenta

En 1983, investigadores del Centro de Investigación Brown, Boveri & Cie (BBC), Suiza , inventaron la estructura nemática súper retorcida (STN) para pantallas LCD con dirección de matriz pasiva . H. Amstutz y col. fueron enumerados como inventores en las correspondientes solicitudes de patente presentadas en Suiza el 7 de julio de 1983 y el 28 de octubre de 1983. Las patentes se otorgaron en Suiza CH 665491, Europa EP 0131216, ^[68] Patente de EE.UU. 4.634.229 y muchos más países. En 1980, Brown Boveri inició una empresa conjunta 50/50 con la empresa holandesa Philips, llamada Videlec. ^[69] Philips tenía los conocimientos necesarios para diseñar y construir circuitos integrados para el control de grandes paneles LCD. Además, Philips tenía un mejor acceso a los mercados de componentes electrónicos y tenía la intención de utilizar pantallas LCD en las nuevas generaciones de productos de alta fidelidad, equipos de video y teléfonos. En 1984, los investigadores de Philips Theodorus Welzen y Adrianus de Vaan inventaron un esquema de velocidad de video que resolvió el tiempo de respuesta lento de los STN-LCD, permitiendo imágenes de video de alta resolución, alta calidad y movimiento suave en STN-LCD. ^[70] En 1985, los inventores de Philips, Theodorus Welzen y Adrianus de Vaan, resolvieron el problema de la conducción de STN-LCD de alta resolución utilizando electrónica de impulsión de bajo voltaje (basada en CMOS), lo que permite la aplicación de alta calidad (alta resolución y velocidad de video). ) Paneles LCD en productos portátiles que funcionan con baterías, como computadoras portátiles y teléfonos móviles. ^[71] En 1985, Philips adquirió el 100% de la empresa Videlec AG con sede en Suiza. Posteriormente, Philips trasladó las líneas de producción de Videlec a los Países Bajos. Años más tarde, Philips produjo y comercializó con éxito módulos completos (que constan de la pantalla LCD, micrófono, altavoces, etc.) en una producción de alto volumen para la floreciente industria de la telefonía móvil.

Los primeros televisores LCD en color se desarrollaron como televisores de mano en Japón. En 1980, el grupo de investigación y desarrollo de Hattori Seiko comenzó a desarrollar televisores de bolsillo LCD en color. ^[72] En 1982, Seiko Epson lanzó el primer televisor LCD, el Epson TV Watch, un reloj de pulsera equipado con un pequeño televisor LCD de matriz activa. ^{[73] [74]} Sharp Corporation introdujo el TN-LCD de matriz de puntos en 1983. ^[62] En 1984, Epson lanzó el ET-10, el primer televisor LCD de bolsillo a todo color. ^[75] El mismo año, Citizen Watch , ^[76] presentó el Citizen Pocket TV, ^[72] un televisor LCD en color de 2,7 pulgadas, ^[76] con la primera pantalla LCD TFT comercial . ^[72] En 1988, Sharp presentó una pantalla TFT-LCD de 14 pulgadas, de matriz activa, a todo color y de movimiento completo. Esto llevó a Japón a lanzar una industria de LCD, que desarrolló LCD de gran tamaño, incluidos monitores de computadora TFT y televisores LCD. ^[77] Epson desarrolló la tecnología de proyección 3LCD en la década de 1980 y obtuvo la licencia para su uso en proyectores en 1988. ^[78] El VPJ-700 de Epson, lanzado en enero de 1989, fue el primer proyector LCD compacto a todo color del mundo . ^[74]

Decenio de 1990

En 1990, bajo diferentes títulos, los inventores concibieron los efectos electroópticos como alternativas a los LCD de efecto de campo nemático retorcido (LCD TN y STN). Un enfoque consistía en utilizar electrodos interdigitales en un sustrato de vidrio solo para producir un campo eléctrico esencialmente paralelo a los sustratos de vidrio. ^{[79] [80]} Para aprovechar al máximo las propiedades de esta tecnología In Plane Switching (IPS), se necesitaba más trabajo. Después de un análisis exhaustivo, los detalles de las realizaciones ventajosas son presentados en Alemania por Guenter Baur et al. y patentado en varios países. ^{[81] [82]} El Instituto Fraunhofer ISE en Friburgo, donde trabajaron los inventores, cede estas patentes a Merck KGaA, Darmstadt, un proveedor de sustancias LC. En 1992, poco después, los ingenieros de Hitachi elaboraron varios detalles prácticos de la tecnología IPS para interconectar la matriz de transistores de película delgada como una matriz y evitar campos perdidos no deseados entre píxeles. ^{[83] [84]} Hitachi también mejoró aún más la dependencia del ángulo de visión al optimizar la forma de los electrodos ( Super IPS ). NEC e Hitachi se convirtieron en los primeros fabricantes de LCD con direccionamiento de matriz activa basados ​​en la tecnología IPS. Este es un hito en la implementación de LCD de pantalla grande con un rendimiento visual aceptable para monitores de computadora de pantalla plana y pantallas de televisión. En 1996, Samsung desarrolló la técnica de creación de patrones ópticos que habilita LCD multidominio. Posteriormente, la conmutación multidominio y en el plano siguen siendo los diseños de LCD dominantes hasta 2006. ^[85] A finales de la década de 1990, la industria de LCD comenzó a alejarse de Japón, hacia Corea del Sur y Taiwán , ^[77] que luego se trasladó a China.

Década de 2000 a 2010

En 2007, la calidad de imagen de los televisores LCD superó la calidad de imagen de los televisores basados ​​en tubos de rayos catódicos (CRT). ^[86] En el cuarto trimestre de 2007, los televisores LCD superaron a los televisores CRT en ventas mundiales por primera vez. ^[87] Se proyectaba que los televisores LCD representarían el 50% de los 200 millones de televisores que se enviarán a nivel mundial en 2006, según Displaybank . ^{[88] [89]} En octubre de 2011, Toshiba anunció 2560 × 1600 píxeles en un panel LCD de 6,1 pulgadas (155 mm), adecuado para su uso en una tableta , ^[90] especialmente para la visualización de caracteres chinos. La década de 2010 también vio la amplia adopción de TGP (Tracking Gate-line in Pixel), que mueve los circuitos de conducción desde los bordes de la pantalla hasta entre los píxeles, lo que permite biseles estrechos. ^{[91] Las} pantallas LCD pueden hacerse transparentes y flexibles , pero no pueden emitir luz sin una luz de fondo como OLED y microLED, que son otras tecnologías que también pueden hacerse flexibles y transparentes. ^{[92] [93] [94] [95]} Se pueden utilizar películas especiales para aumentar los ángulos de visión de las pantallas LCD. ^{[96] [97]}

En 2016, Panasonic desarrolló LCD IPS con una relación de contraste de 1,000,000: 1, rivalizando con los OLED. Esta tecnología se puso posteriormente en producción en masa como LCD de doble capa, doble panel o LMCL (capa de células moduladoras de luz). La tecnología utiliza 2 capas de cristal líquido en lugar de una, y se puede utilizar junto con una retroiluminación mini-LED y hojas de puntos cuánticos. ^{[98] [99] [100] [101] [102] [103]}

Iluminación

Dado que las pantallas LCD no producen luz propia, requieren luz externa para producir una imagen visible. ^{[104] [105]} En un LCD de tipo transmisivo, la fuente de luz se encuentra en la parte posterior de la pila de vidrio y se denomina luz de fondo . Los LCD de matriz activa casi siempre están retroiluminados. ^{[106] [107]} Los LCD pasivos pueden tener retroiluminación, pero muchos usan un reflector en la parte posterior de la pila de vidrio para aprovechar la luz ambiental. Las pantallas LCD transflectivas combinan las características de una pantalla transmisiva retroiluminada y una pantalla reflectante.

Las implementaciones comunes de la tecnología de retroiluminación LCD son:

18 CCFL en paralelo como retroiluminación para un televisor LCD de 42 pulgadas (106 cm)

• CCFL: el panel LCD está iluminado por dos lámparas fluorescentes de cátodo frío colocadas en los bordes opuestos de la pantalla o una serie de CCFL paralelas detrás de pantallas más grandes. Un difusor (hecho de plástico acrílico de PMMA, también conocido como guía de ondas o de luz / placa de guía ^{[108] [109]} ) distribuye la luz uniformemente por toda la pantalla. Durante muchos años, esta tecnología se había utilizado casi exclusivamente. A diferencia de los LED blancos, la mayoría de los CCFL tienen una salida espectral de blanco uniforme, lo que da como resultado una mejor gama de colores para la pantalla. Sin embargo, los CCFL son menos eficientes energéticamente que los LED y requieren un inversor algo costoso para convertir cualquier voltaje de CC que use el dispositivo (generalmente 5 o 12 V) a ≈1000 V necesarios para encender un CCFL. ^[110] El grosor de los transformadores inversores también limita el grosor de la pantalla.
• EL-WLED: El panel LCD está iluminado por una fila de LED blancos colocados en uno o más bordes de la pantalla. Luego, se usa un difusor de luz (placa de guía de luz, LGP) para distribuir la luz de manera uniforme por toda la pantalla, de manera similar a la retroiluminación LCD CCFL iluminada desde el borde. El difusor está hecho de plástico PMMA o vidrio especial, el PMMA se usa en la mayoría de los casos porque es resistente, mientras que el vidrio especial se usa cuando el grosor de la pantalla LCD es la principal preocupación, porque no se expande tanto cuando se calienta o expuestos a la humedad, lo que permite que las pantallas LCD tengan un grosor de solo 5 mm. Los puntos cuánticos se pueden colocar en la parte superior del difusor como una película de mejora de puntos cuánticos (QDEF, en cuyo caso necesitan una capa para protegerse del calor y la humedad) o en el filtro de color de la pantalla LCD, reemplazando las resistencias que se utilizan normalmente. . ^[108] A partir de 2012, este diseño es el más popular en los monitores de computadoras de escritorio. Permite las pantallas más delgadas. Algunos monitores LCD que usan esta tecnología tienen una característica llamada contraste dinámico, inventada por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan ^[111] Usando PWM (modulación de ancho de pulso, una tecnología donde la intensidad de los LED se mantiene constante, pero el ajuste de brillo se logra variando un intervalo de tiempo de parpadeo de estas fuentes de luz de intensidad de luz constante ^[112] ), la luz de fondo se atenúa hasta el color más brillante que aparece en la pantalla y al mismo tiempo aumenta el contraste de la pantalla LCD a los niveles máximos alcanzables, lo que permite la La relación de contraste de 1000: 1 del panel LCD se escalará a diferentes intensidades de luz, lo que dará como resultado las relaciones de contraste de "30000: 1" que se ven en la publicidad de algunos de estos monitores. Dado que las imágenes de la pantalla de la computadora generalmente tienen un blanco completo en algún lugar de la imagen, la luz de fondo generalmente será de máxima intensidad, lo que hace que esta "característica" sea principalmente un truco de marketing para monitores de computadora, sin embargo, para las pantallas de TV aumenta drásticamente la relación de contraste y el rango dinámico percibidos mejora la dependencia del ángulo de visión y reduce drásticamente el consumo de energía de los televisores LCD convencionales.
• Matriz WLED: el panel LCD está iluminado por una serie completa de LED blancos colocados detrás de un difusor detrás del panel. Las pantallas LCD que utilizan esta implementación generalmente tendrán la capacidad de atenuar o apagar completamente los LED en las áreas oscuras de la imagen que se muestra, aumentando efectivamente la relación de contraste de la pantalla. La precisión con la que se puede hacer esto dependerá del número de zonas de atenuación de la pantalla. Cuantas más zonas de atenuación, más precisa es la atenuación, con artefactos florecientes menos obvios que son visibles como parches de color gris oscuro rodeados por las áreas sin iluminación de la pantalla LCD. A partir de 2012, este diseño obtiene la mayor parte de su uso de televisores LCD de pantalla más grande y de lujo.
• Matriz de LED RGB: similar a la matriz WLED, excepto que el panel está iluminado por una serie completa de LED RGB . Si bien las pantallas iluminadas con LED blancos generalmente tienen una gama de colores más pobre que las pantallas iluminadas con CCFL, los paneles iluminados con LED RGB tienen gamas de colores muy amplias. Esta implementación es más popular en las pantallas LCD de edición de gráficos profesionales. A partir de 2012, las pantallas LCD de esta categoría suelen costar más de $ 1000. A partir de 2016, el costo de esta categoría se ha reducido drásticamente y dichos televisores LCD obtuvieron los mismos niveles de precios que las antiguas categorías basadas en CRT de 28 "(71 cm).
• LED monocromáticos: como los LED rojos, verdes, amarillos o azules se utilizan en las pequeñas pantallas LCD monocromáticas pasivas que se utilizan normalmente en relojes, relojes y pequeños electrodomésticos.

Hoy en día, la mayoría de las pantallas LCD se diseñan con retroiluminación LED en lugar de la retroiluminación CCFL tradicional, mientras que la retroiluminación se controla dinámicamente con la información de video (control dinámico de retroiluminación). La combinación con el control dinámico de retroiluminación, inventado por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan, aumenta simultáneamente el rango dinámico del sistema de visualización (también comercializado como HDR, televisión de alto rango dinámico o denominado atenuación de área local de área completa ( FLAD) ^{[113] [114] [111]}

• Mini-LED: la retroiluminación con mini-LED puede admitir más de mil zonas de atenuación de área local de área completa (FLAD). Esto permite negros más profundos y una relación de contrato más alta. ^[115] (No confundir con MicroLED ).

Los sistemas de retroiluminación LCD se hacen altamente eficientes al aplicar películas ópticas como la estructura prismática (hoja de prisma) para obtener la luz en las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadoras reflectantes que reciclan la luz polarizada que antes absorbía el primer polarizador de la pantalla LCD ( inventado por los investigadores de Philips Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), ^[116] generalmente se logra utilizando las llamadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. ^[117] Las versiones mejoradas de la hoja prismática tienen una estructura ondulada en lugar de prismática, e introducen ondas lateralmente en la estructura de la hoja mientras también varían la altura de las ondas, dirigiendo aún más luz hacia la pantalla y reduciendo el aliasing o muaré entre la estructura de la hoja del prisma y los subpíxeles de la pantalla LCD. Una estructura ondulada es más fácil de producir en masa que una prismática utilizando máquinas herramienta de diamante convencionales, que se utilizan para hacer los rodillos utilizados para imprimir la estructura ondulada en láminas de plástico, produciendo así láminas de prisma. ^[118] Se coloca una hoja difusora a ambos lados de la hoja del prisma para hacer que la luz de la luz de fondo sea uniforme, mientras que un espejo se coloca detrás de la placa de guía de luz para dirigir toda la luz hacia adelante. La hoja de prisma con sus hojas difusoras se colocan encima de la placa de guía de luz. ^{[119] [108]} Los polarizadores DBEF consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxialmente que reflejan el antiguo modo de polarización absorbida de la luz. ^[120] Tales polarizadores reflectantes que utilizan cristales líquidos polimerizados orientados uniaxialmente (polímeros birrefringentes o pegamento birrefringente) fueron inventados en 1989 por los investigadores de Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan y Joerg Brambring. ^[121] La combinación de tales polarizadores reflectantes y el control de retroiluminación dinámica LED ^[111] hacen que los televisores LCD de hoy en día sean mucho más eficientes que los equipos basados ​​en CRT, lo que lleva a un ahorro de energía mundial de 600 TWh (2017), equivalente al 10% de el consumo de electricidad de todos los hogares del mundo o igual a 2 veces la producción de energía de todas las células solares del mundo. ^{[122] [123]}

Debido a la capa LCD que genera las imágenes de alta resolución deseadas a velocidades de video intermitentes utilizando componentes electrónicos de muy baja potencia en combinación con tecnologías de retroiluminación basadas en LED, la tecnología LCD se ha convertido en la tecnología de visualización dominante para productos como televisores, monitores de escritorio, computadoras portátiles, tabletas, smartphones y teléfonos móviles. Aunque la tecnología OLED de la competencia se lanza al mercado, tales pantallas OLED no cuentan con las capacidades HDR que tienen las pantallas LCD en combinación con las tecnologías de retroiluminación LED 2D, razón por la cual el mercado anual de tales productos basados ​​en LCD sigue creciendo más rápido (en volumen) que Productos basados ​​en OLED, mientras que la eficiencia de las pantallas LCD (y productos como computadoras portátiles, teléfonos móviles y televisores) puede incluso mejorarse aún más al evitar que la luz sea absorbida por los filtros de color de la pantalla LCD. ^{[124] [125] [126]} Estas soluciones de filtros de color reflectantes aún no han sido implementadas por la industria de LCD y no han avanzado más que los prototipos de laboratorio. Es probable que sean implementados por la industria de LCD para aumentar la eficiencia en comparación con las tecnologías OLED.

Conexión a otros circuitos

Un conector elastomérico rosa que une un panel LCD a las trazas de la placa de circuito, que se muestra junto a una regla de escala de centímetros. Las capas conductoras y aislantes de la franja negra son muy pequeñas. Haga clic en la imagen para obtener más detalles.

Una pantalla de receptor de televisión estándar, un panel LCD moderno, tiene más de seis millones de píxeles, y todos son alimentados individualmente por una red de cables incrustada en la pantalla. Los cables finos, o caminos, forman una cuadrícula con cables verticales en toda la pantalla en un lado de la pantalla y cables horizontales en toda la pantalla en el otro lado de la pantalla. A esta cuadrícula, cada píxel tiene una conexión positiva en un lado y una conexión negativa en el otro lado. Entonces, la cantidad total de cables necesarios para una pantalla de 1080p es de 3 x 1920 en vertical y 1080 en horizontal para un total de 6840 cables en horizontal y vertical. Eso es tres para rojo, verde y azul y 1920 columnas de píxeles para cada color para un total de 5760 cables en vertical y 1080 filas de cables en horizontal. Para un panel de 28,8 pulgadas (73 centímetros) de ancho, eso significa una densidad de cable de 200 cables por pulgada a lo largo del borde horizontal. El panel LCD está alimentado por controladores LCD que se emparejan cuidadosamente con el borde del panel LCD en el nivel de fábrica. Los controladores se pueden instalar utilizando varios métodos, los más comunes son COG (Chip-On-Glass) y TAB ( Unión automatizada con cinta ). Estos mismos principios se aplican también para pantallas de teléfonos inteligentes que son mucho más pequeñas que las pantallas de TV. ^{[127] [128] [129] Los} paneles LCD suelen utilizar vías conductoras metálicas con revestimiento fino sobre un sustrato de vidrio para formar el circuito de la celda para operar el panel. Por lo general, no es posible utilizar técnicas de soldadura para conectar directamente el panel a una placa de circuito grabada en cobre separada. En cambio, la interconexión se logra utilizando una película conductora anisotrópica o, para densidades más bajas, conectores elastoméricos .

Matriz pasiva

Prototipo de STN-LCD de matriz pasiva con 540 × 270 píxeles, Brown Boveri Research, Suiza, 1984

Las pantallas LCD monocromáticas y posteriores de color de matriz pasiva eran estándar en la mayoría de las primeras computadoras portátiles (aunque algunas usaban pantallas de plasma ^{[130] [131]} ) y la Nintendo Game Boy original ^[132] hasta mediados de la década de 1990, cuando la matriz activa en color se convirtió en estándar. en todas las laptops. El Macintosh Portable, que no tuvo éxito comercialmente (lanzado en 1989), fue uno de los primeros en utilizar una pantalla de matriz activa (aunque todavía monocromática). Las pantallas LCD de matriz pasiva todavía se utilizan en la década de 2010 para aplicaciones menos exigentes que las computadoras portátiles y los televisores, como las calculadoras económicas. En particular, estos se utilizan en dispositivos portátiles donde se necesita mostrar menos contenido de información, se desea el menor consumo de energía (sin luz de fondo ) y el bajo costo o se necesita legibilidad bajo la luz solar directa.

Una comparación entre una pantalla de matriz pasiva en blanco (arriba) y una pantalla de matriz activa en blanco (abajo). Se puede identificar una pantalla de matriz pasiva cuando el fondo en blanco tiene una apariencia más gris que la pantalla de matriz activa más nítida, aparece niebla en todos los bordes de la pantalla y las imágenes parecen desvanecerse en la pantalla.

Las pantallas que tienen una estructura de matriz pasiva están empleando tecnología STN nemática súper retorcida (inventada por el Centro de Investigación Brown Boveri, Baden, Suiza, en 1983; se publicaron detalles científicos ^[133] ) o tecnología STN de doble capa (DSTN) (la última de que aborda un problema de cambio de color con el primero) y color-STN (CSTN) en el que el color se agrega mediante el uso de un filtro interno. Las pantallas LCD STN se han optimizado para el direccionamiento de matriz pasiva. Presentan un umbral más agudo de la característica de contraste frente a voltaje que las pantallas LCD TN originales. Esto es importante, porque los píxeles están sujetos a voltajes parciales incluso cuando no están seleccionados. La diafonía entre píxeles activados y no activados debe manejarse adecuadamente manteniendo el voltaje RMS de los píxeles no activados por debajo del voltaje umbral como lo descubrió Peter J. Wild en 1972, ^[134] mientras que los píxeles activados están sujetos a voltajes por encima del umbral ( las tensiones según el esquema de accionamiento "Alt & Pleshko"). ^{[135] El} manejo de tales pantallas STN de acuerdo con el esquema de manejo Alt & Pleshko requiere voltajes de direccionamiento de línea muy altos. Welzen y de Vaan inventaron un esquema de impulsión alternativo (un esquema de impulsión que no era "Alt & Pleshko") que requería voltajes mucho más bajos, de modo que la pantalla STN podría funcionar utilizando tecnologías CMOS de bajo voltaje. ^{[71] Los} LCD STN deben actualizarse continuamente alternando voltajes pulsados ​​de una polaridad durante un cuadro y pulsos de polaridad opuesta durante el siguiente cuadro. Los píxeles individuales se direccionan mediante los circuitos de fila y columna correspondientes. Este tipo de pantalla se llama direccionado por matriz pasiva , porque el píxel debe conservar su estado entre actualizaciones sin el beneficio de una carga eléctrica constante. A medida que aumenta el número de píxeles (y, en consecuencia, columnas y filas), este tipo de visualización se vuelve menos factible. Los tiempos de respuesta lentos y el contraste deficiente son típicos de las pantallas LCD direccionadas a matriz pasiva con demasiados píxeles y controladas de acuerdo con el esquema de unidad "Alt & Pleshko". Welzen y de Vaan también inventaron un esquema de manejo sin RMS que permite manejar pantallas STN con velocidades de video y que permite mostrar imágenes de video en movimiento suave en una pantalla STN. ^[70] Citizen, entre otros, obtuvo la licencia de estas patentes e introdujo con éxito en el mercado varios televisores LCD de bolsillo basados ​​en STN. ^[136]

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Cómo funciona una pantalla LCD con una estructura de matriz activa