Pantalla de cristal líquido

Pantalla de cristal líquido retorcido reflectante

1. Película filtrante polarizante con eje vertical para polarizar la luz mientras entra.
2. Sustrato de vidrio con electrodos ITO. Las formas de estos electrodos determinarán las formas que aparecerán cuando se cambie el LCD. Las crestas verticales en la superficie son suaves.
3. Cristal líquido torcido.
4. Sustrato de vidrio con película de electrodo común (ITO) con crestas horizontales para alinearse con el filtro horizontal.
5. Película filtrante polarizante con eje horizontal para bloquear/pasar luz.
6. Superficie reflectante para enviar luz de vuelta al espectador. (En un LCD retroiluminado, esta capa es reemplazada o complementada con una fuente de luz).

Una pantalla de cristal líquido (LCD) es una pantalla plana u otro dispositivo óptico modulado electrónicamente que utiliza las propiedades de modulación de la luz de los cristales líquidos combinadas con polarizadores.. Los cristales líquidos no emiten luz directamente, sino que utilizan una luz de fondo o un reflector para producir imágenes en color o monocromáticas. Las pantallas LCD están disponibles para mostrar imágenes arbitrarias (como en una pantalla de computadora de uso general) o imágenes fijas con bajo contenido de información, que se pueden mostrar u ocultar. Por ejemplo: palabras preestablecidas, dígitos y pantallas de siete segmentos, como en un reloj digital, son todos buenos ejemplos de dispositivos con estas pantallas. Usan la misma tecnología básica, excepto que las imágenes arbitrarias se crean a partir 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 del 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 aspecto característico.

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 los dispositivos de consumo portátiles, como cámaras digitales, relojes, 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 diminutos relojes digitales hasta receptores de televisión muy grandes. Los LCD están siendo reemplazados lentamente por OLED, que se pueden transformar 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 determinado y un perfil más delgado (porque los OLED usan un solo panel de vidrio o plástico, mientras que las pantallas LCD usan dos paneles de vidrio; el grosor de los paneles aumenta con el tamaño, pero el aumento es más notable en las pantallas LCD) y un consumo de energía potencialmente menor (ya que la pantalla solo está "encendida" donde sea necesario y no haya luz de fondo). Sin embargo, los OLED son más caros para un tamaño de pantalla determinado debido a los materiales electroluminiscentes o fósforos muy caros que utilizan. También debido al uso de fósforos, las pantallas OLED se queman y actualmente no hay forma de reciclar las pantallas OLED, mientras que los paneles LCD se pueden reciclar, aunque la tecnología necesaria para reciclar las pantallas LCD aún no está muy extendida. Los intentos de mantener la competitividad de las pantallas LCD son las pantallas de puntos cuánticos, comercializadas como SUHD, QLED o Triluminos, que son pantallas con retroiluminación LED azul y una película de mejora de puntos cuánticos (QDEF) que convierte parte de la luz azul en roja y verde, ofreciendo 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 utilizan fósforos, rara vez sufren quemadura 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 un vuelo de una aerolínea en un letrero interior. Sin embargo, las pantallas LCD son susceptibles a la persistencia de la imagen. La pantalla LCD es más eficiente energéticamente y se puede desechar de manera más segura que una CRT. Su bajo consumo de energía eléctrica permite que se utilice en equipos electrónicos alimentados por batería de manera más eficiente que un CRT. En 2008, las ventas anuales de televisores con pantallas LCD superaron las ventas de unidades CRT en todo el mundo y el CRT se volvió obsoleto para la mayoría de los propósitos.

Características generales

Pantalla LCD utilizada como panel de notificación para viajeros

Cada píxel de una pantalla LCD normalmente consta de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes, a menudo hechos de óxido de indio y estaño (ITO) y dos filtros polarizadores (polarizadores paralelos y perpendiculares), cuyos ejes de transmisión son (en la mayoría de los casos) perpendiculares entre sí. Sin el cristal líquido entre los filtros polarizadores, la luz que atraviesa el 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 y, por lo tanto, las moléculas se organizan en una estructura helicoidal o retorcida. 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. Entonces, esta luz se polarizará principalmente en dirección perpendicular al segundo filtro y, por lo tanto, se bloqueará y el píxel aparecerá negro. Al controlar el voltaje aplicado a través de la capa de cristal líquido en cada píxel, se puede permitir el paso de la luz en cantidades variables, lo que constituye diferentes niveles de gris.

La fórmula química de los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD puede variar. Las fórmulas pueden ser patentadas. 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.

La mayoría de los sistemas LCD en color utilizan la misma técnica, con filtros de color 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 varias pantallas LCD a color que luego se cortan entre sí y se laminan con láminas polarizadoras. Se utilizan fotoprotectores (resistentes) rojos, verdes, azules y negros. Todas las resistencias contienen un pigmento en polvo finamente molido, con partículas de solo 40 nanómetros de ancho. 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 rojo, verde y azul entre sí, aumentando las relaciones de contraste y evitando que la luz se filtre de un subpíxel a otros subpíxeles circundantes. Después de que el protector negro se seque en un horno y se exponga a la luz ultravioleta a través de una fotomáscara, las áreas no expuestas se lavan, creando una cuadrícula negra. Luego se repite el mismo proceso con las resistencias restantes. Esto llena los huecos en la cuadrícula negra con sus correspondientes colores resistivos. Otro método de generación de color utilizado en los primeros PDA a color y algunas calculadoras se realizó variando el voltaje en una pantalla LCD nemática súper retorcida, donde el giro variable entre placas más espaciadas provoca una birrefringencia de doble refracción variable, cambiando así el tono. Por lo general, estaban restringidos a 3 colores por píxel: naranja, verde y azul.

LCD en una calculadora de instrumentos de Texas con polarizador superior eliminado del dispositivo y colocado en la parte superior, de tal manera que los polarizadores superior e inferior son perpendiculares. Como resultado, los colores se invierten.

El efecto óptico de un dispositivo TN en el estado con tensión depende mucho menos de las variaciones en el grosor del dispositivo que en el estado sin tensión. Debido a esto, las pantallas TN con bajo contenido de información y sin retroiluminación generalmente funcionan entre polarizadores cruzados de modo que aparecen brillantes sin voltaje (el ojo es mucho más sensible a las variaciones en el estado oscuro que en el estado brillante). Como la mayoría de las pantallas LCD de la era de 2010 se usan en televisores, monitores y teléfonos inteligentes, tienen matrices de píxeles de alta resolución para mostrar imágenes arbitrarias usando retroiluminación con un fondo oscuro. Cuando no se muestra ninguna imagen, se utilizan diferentes arreglos. Para este propósito, las pantallas LCD TN funcionan entre polarizadores paralelos, mientras que las pantallas LCD IPS cuentan con polarizadores cruzados. En muchas aplicaciones, las pantallas LCD IPS han reemplazado a las pantallas LCD TN, especialmente en los teléfonos inteligentes. 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 hacia las superficies y degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se evita aplicando una corriente alterna o invirtiendo la polaridad del campo eléctrico cuando se direcciona el dispositivo (la respuesta de la capa de cristal líquido es idéntica, independientemente de la polaridad del campo aplicado).

Reloj digital Casio Alarm Chrono con LCD

Las pantallas para una pequeña cantidad de dígitos individuales o símbolos fijos (como en los relojes digitales y las calculadoras de bolsillo) se pueden implementar con electrodos independientes para cada segmento. Por el contrario, las pantallas gráficas variables o completamente alfanuméricas generalmente se implementan 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 direccionar cada píxel en las intersecciones. El método general de direccionamiento de matrices consiste en direccionar secuencialmente un lado de la matriz, por ejemplo, seleccionando las filas una por una y aplicando la información de la imagen del otro lado en las columnas fila por fila. Para obtener detalles sobre los diversos esquemas de direccionamiento de matriz, consulte LCD con direccionamiento de matriz pasiva y matriz activa.

Los LCD, junto con las pantallas OLED, se fabrican en salas limpias tomando prestadas técnicas de 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 lámina 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 del tamaño de las obleas en la fabricación de semiconductores. Los tamaños de vidrio son los siguientes:

Hasta la generación 8, los fabricantes no se ponían de acuerdo sobre un solo tamaño de vidrio madre y, como resultado, diferentes fabricantes usaban tamaños de vidrio ligeramente diferentes para la misma generación. Algunos fabricantes han adoptado hojas 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 se pueden producir 6 en una madre Gen 8.6 vidrio frente a solo 3 en un vidrio madre Gen 8.5, lo que reduce significativamente el desperdicio. El grosor del cristal madre también aumenta con cada generación, por lo que los tamaños de cristal 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 LCD los fabrican empresas 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 experto 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 . Otro informe sobre los orígenes y la historia de LCD desde una perspectiva diferente hasta 1991 ha sido publicado por Hiroshi Kawamoto, disponible en el IEEE History Center. Se puede encontrar una descripción de las contribuciones suizas a los desarrollos de LCD, escrita por Peter J. Wild, en Wiki de Historia de la Ingeniería y la Tecnología.

Antecedentes

En 1888, 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 (Wien) 9, 421–441 (1888)). En 1904, Otto Lehmann publicó su obra "Flüssige Kristalle" (Liquid Crystals). 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 tres tipos (nemáticos, esmécticos 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 Estructura molecular y propiedades de los cristales líquidos. En 1962, Richard Williams de RCA descubrió que los cristales líquidos tenían algunas características electroópticas interesantes y realizó 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 denomina "dominios de Williams" dentro del cristal líquido.

El MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y presentado en 1960. Sobre la base de su trabajo con MOSFET, Paul K. Weimer en RCA desarrolló el transistor de película delgada (TFT) en 1962. Era un tipo de MOSFET distinto del MOSFET a granel estándar.

Década de 1960

En 1964, George H. Heilmeier, que entonces trabajaba en los laboratorios RCA sobre el efecto descubierto por Williams, logró el cambio de colores mediante la realineación inducida por el campo de los tintes dicroicos en un cristal líquido orientado homeotrópicamente. Los problemas prácticos con este nuevo efecto electro-óptico hicieron que Heilmeier continuara trabajando en los efectos de dispersión en cristales líquidos y, finalmente, logró 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 clara a un estado turbio lechoso. Las pantallas DSM podían funcionar en modo transmisivo y reflexivo, pero requerían que fluyera una corriente considerable para su funcionamiento. George H. Heilmeier fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales y se le atribuye la invención de las pantallas LCD. El trabajo de Heilmeier es un hito de IEEE.

A fines de la década de 1960, el Royal Radar Establishment del Reino Unido en Malvern, Inglaterra, llevó a cabo 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 LCD.

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. Lechner, F.J. Marlowe, E.O. Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una pantalla LCD de modo de dispersión dinámica (DSM) de matriz de 18x2 que usaba MOSFET discretos estándar.

Década de 1970

El 4 de diciembre de 1970, Hoffmann-LaRoche en Suiza solicitó la patente del efecto de campo nemático torcido (TN) en cristales líquidos (patente suiza n.° 532 261) con Wolfgang Helfrich y Martin Schadt (que entonces trabajaba para la Central Research Laboratories) enumerados como inventores. 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 digitales de cuarzo 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. En 1971, la compañía de Fergason, ILIXCO (ahora LXD Incorporated), produjo pantallas LCD basado en el efecto TN, que pronto reemplazó a los tipos DSM de baja calidad debido a las mejoras de voltajes operativos más bajos y un 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. 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, prototipó en los Estados Unidos el concepto de panel de pantalla de cristal líquido de transistor de película delgada (TFT) de matriz activa. En 1973, Brody, J. A. Asars y G. D. Dixon en Westinghouse Research Laboratories demostraron la primera pantalla de cristal líquido de transistor de película delgada (TFT LCD). A partir de 2013, todos los dispositivos modernos de visualización electrónica de alta resolución y alta calidad utilizan pantallas de matriz activa basadas en TFT. Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla plana de cristal líquido de matriz activa (AM LCD) en 1974, y luego Brody acuñó el término "matriz activa" en 1975.

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

Década de 1980

En 1983, los investigadores de Brown, Boveri & El Centro de Investigación Cie (BBC), Suiza, inventó la estructura nemática súper retorcida (STN) para pantallas LCD pasivas con direccionamiento de matriz. H. Amstutz et al. figuraron 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, EE. UU. Patente 4.634.229 y muchos países más. En 1980, Brown Boveri inició una empresa conjunta 50/50 con la empresa holandesa Philips, llamada Videlec. 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 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 control de velocidad de video que resolvió el tiempo de respuesta lento de los STN-LCD, lo que permitió imágenes de video de alta resolución, alta calidad y movimiento fluido en STN-LCD. En 1985, los inventores de Philips, Theodorus Welzen y Adrianus de Vaan, resolvieron el problema de controlar STN-LCD de alta resolución utilizando electrónica de control de bajo voltaje (basada en CMOS), lo que permitió la aplicación de paneles LCD de alta calidad (alta resolución y velocidad de video). en productos portátiles que funcionan con baterías, como computadoras portátiles y teléfonos móviles. 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 constaban de la pantalla LCD, el micrófono, los 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 portátiles en Japón. En 1980, el grupo de investigación y desarrollo de Hattori Seiko comenzó a desarrollar televisores de bolsillo LCD en color. 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. Sharp Corporation introdujo el TN-LCD de matriz de puntos en 1983. En 1984, Epson lanzó el ET-10, el primer televisor LCD de bolsillo a todo color. El mismo año, Citizen Watch presentó el Citizen Pocket TV, un televisor LCD en color de 2,7 pulgadas, con el primer TFT LCD comercial. En 1988, Sharp hizo una demostración de una TFT-LCD de 14 pulgadas, de matriz activa, a todo color y de movimiento completo. Esto llevó a Japón a lanzar una industria LCD, que desarrolló LCD de gran tamaño, incluidos monitores de computadora TFT y televisores LCD. Epson desarrolló la tecnología de proyección 3LCD en la década de 1980 y obtuvo la licencia para su uso en proyectores en 1988. El VPJ-700 de Epson, lanzado en enero de 1989, fue el primer proyector LCD compacto a todo color del mundo.

Década 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 fue usar electrodos interdigitales en un sustrato de vidrio solo para producir un campo eléctrico esencialmente paralelo a los sustratos de vidrio. Para aprovechar al máximo las propiedades de esta tecnología de conmutación en el plano (IPS), se necesitaba más trabajo. Después de un análisis exhaustivo, los detalles de realizaciones ventajosas son presentados en Alemania por Guenter Baur et al. y patentados en varios países. El Instituto Fraunhofer ISE en Friburgo, donde trabajaron los inventores, asigna estas patentes a Merck KGaA, Darmstadt, un proveedor de sustancias LC. En 1992, poco después, los ingenieros de Hitachi trabajaron en varios detalles prácticos de la tecnología IPS para interconectar la matriz de transistores de película delgada como una matriz y evitar campos dispersos no deseados entre píxeles.

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 para la implementación de pantallas LCD de gran tamaño con un rendimiento visual aceptable para monitores de computadora de panel plano y pantallas de televisión. En 1996, Samsung desarrolló la técnica de patrones ópticos que permite LCD multidominio. Los diseños multidominio e In Plane Switching siguen siendo los diseños de LCD dominantes hasta 2006. A fines de la década de 1990, la industria de LCD comenzó a alejarse de Japón, hacia Corea del Sur y Taiwán, que luego se trasladaron a China.

2000-2010

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). En el cuarto trimestre de 2007, los televisores LCD superaron a los televisores CRT en ventas mundiales por primera vez. Se proyectó que los televisores LCD representarían el 50% de los 200 millones de televisores que se enviarán a nivel mundial en 2006, según Displaybank. 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, 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 el circuito de conducción desde los bordes de la pantalla hasta el medio entre los píxeles, lo que permite biseles estrechos. Las pantallas LCD se pueden hacer transparentes y flexibles, pero no pueden emitir luz sin una luz de fondo como OLED y microLED, que son otras tecnologías que también se pueden hacer flexibles y transparentes. Se pueden usar películas especiales para aumentar los ángulos de visión de las pantallas LCD.

En 2016, Panasonic desarrolló LCD IPS con una relación de contraste de 1 000 000:1, rivalizando con los OLED. Posteriormente, esta tecnología se puso en producción en masa como pantallas LCD de doble capa, doble panel o LMCL (capa de células de modulación de luz). La tecnología utiliza 2 capas de cristal líquido en lugar de una, y se puede usar junto con una luz de fondo mini-LED y láminas de puntos cuánticos.

Iluminación

Dado que las pantallas LCD no producen luz propia, requieren luz externa para producir una imagen visible. En un tipo transmisivo de LCD, la fuente de luz se proporciona en la parte posterior de la pila de vidrio y se denomina luz de fondo. Las pantallas LCD de matriz activa casi siempre están retroiluminadas. Las pantallas LCD pasivas pueden estar retroiluminadas, pero muchas 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 paralelas como retroiluminación para un televisor LCD de 42 pulgadas (106 cm)

• CCFL: El panel LCD está iluminado ya sea por dos lámparas fluorescentes de cátodo frío colocadas en los bordes opuestos de la pantalla o una serie de CCFLs paralelas detrás de pantallas más grandes. Un difusor (hecho de plástico acrílico de PMMA, también conocido como guía de onda o luz/placa guía) luego extiende la luz uniformemente a través de toda la pantalla. Durante muchos años, esta tecnología se había utilizado casi exclusivamente. A diferencia de los LED blancos, la mayoría de las CCFL tienen una salida espectral incluso blanca que resulta en una mejor gama de color para la pantalla. Sin embargo, las CCFL son menos eficientes energéticamente que los LED y requieren un inversor algo costoso para convertir cualquier voltaje DC que el dispositivo utiliza (normalmente 5 o 12 V) a ♥ 1000 V necesario para encender una CCFL. El espesor de los transformadores del inversor también limita lo delgado que se puede hacer la pantalla.
• EL-WLED: El panel LCD está iluminado por una fila de LEDs blancos colocados en uno o más bordes de la pantalla. Un difusor ligero (placa guía ligera, LGP) se utiliza entonces para difundir la luz uniformemente a través de toda la pantalla, de forma similar a los retroiluminados LCD CCFL iluminados por el borde. El difusor está hecho de plástico PMMA o vidrio especial, PMMA se utiliza en la mayoría de los casos porque es resistente, mientras que el vidrio especial se utiliza cuando el grosor de la LCD es de interés primario, porque no se expande tanto cuando se calienta o se expone a la humedad, lo que permite que los LCD sean de sólo 5mm de espesor. Los puntos cuánticos se pueden colocar en la parte superior del difusor como película de mejora de puntos cuánticos (QDEF, en cuyo caso necesitan una capa que se proteja del calor y la humedad) o en el filtro de color del LCD, reemplazando las resistencias que se utilizan normalmente. A partir de 2012, este diseño es el más popular en monitores de computadora de escritorio. Permite las pantallas más finas. Algunos monitores LCD usando esta tecnología tienen una característica llamada contraste dinámico, inventado por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan Usando PWM (modulación de ancho de pulso, una tecnología donde la intensidad de los LEDs se mantiene constante, pero el ajuste de brillo se logra por variar un intervalo de tiempo de parpadeo estas fuentes de luz de intensidad de luz constante), la retroiluminación se ve simultáneamente al color más brillante Dado que las imágenes de pantalla de ordenador generalmente tienen blanco completo en algún lugar de la imagen, la luz trasera generalmente estará a toda intensidad, haciendo de esta "comida" principalmente un truco de marketing para monitores de computadora, sin embargo para pantallas de televisión aumenta drásticamente la relación de contraste percibida y rango dinámico, mejora la dependencia del ángulo de visualización y reducir drásticamente el consumo de energía de las televisiones LCD convencionales.
• WLED array: El panel LCD está iluminado por una gama completa de LEDs blancos colocados detrás de un difusor detrás del panel. Los LCD que utilizan esta implementación generalmente tendrán la capacidad de apagar o apagar completamente los LEDs 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 dependerá del número de zonas de regulación de la pantalla. Las zonas más atenuantes, más precisas el atenuador, con artefactos menos obvios que son visibles como parches gris oscuro rodeados por las áreas desligadas del LCD. A partir de 2012, este diseño obtiene la mayor parte de su uso de televisores LCD de pantalla grande y a gran escala.
• array RGB-LED: Similar a la matriz WLED, excepto el panel está iluminado por una gama completa de LEDs RGB. Mientras que las pantallas iluminadas con LEDs blancos generalmente tienen una gama de color más pobre que las pantallas iluminadas de CCFL, los paneles encendidos con LEDs RGB tienen gamas de color muy amplio. Esta implementación es más popular en los gráficos profesionales que editan LCDs. A partir de 2012, los LCD de esta categoría suelen costar más de $1000. A partir de 2016 el costo de esta categoría se ha reducido drásticamente y tales televisores LCD obtuvieron los mismos niveles de precio que las anteriores categorías basadas en CRT de 28" (71 cm).
• LEDs monocromos: como LEDs rojos, verdes, amarillos o azules se utilizan en los pequeños LCD monocromáticos pasivos utilizados típicamente en relojes, relojes y electrodomésticos pequeños.
• Mini-LED: Backlighting con Mini-LEDs puede soportar más de mil de zonas de área local de área completa (FLAD). Esto permite negros más profundos y mayor relación de contraste. (No confundirse con MicroLED.)

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, alto rango dinámico televisión o FLAD, atenuación de área local de área completa).

Los sistemas de retroiluminación LCD son altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas como una estructura prismática (hoja de prisma) para obtener la luz en las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadas reflectantes que reciclan la luz polarizada que antes absorbía el primer polarizador de la pantalla LCD (inventada por los investigadores de Philips Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), generalmente lograda utilizando las denominadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. Las versiones mejoradas de la hoja de prisma 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 incluso más luz hacia la pantalla y reduciendo el alias o moiré entre la estructura de la lámina de 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 fabricar los rodillos que se utilizan para imprimir la estructura ondulada en láminas de plástico, produciendo así láminas prismáticas. Se coloca una lámina difusora a ambos lados de la lámina del prisma para que la luz de la luz de fondo sea uniforme, mientras que se coloca un espejo detrás de la placa guía de luz para dirigir toda la luz hacia adelante. La hoja de prisma con sus hojas difusoras se coloca encima de la placa de guía de luz. Los polarizadores DBEF consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxiales que reflejan el antiguo modo de polarización absorbida de la luz. Dichos 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. La combinación de estos polarizadores reflectantes y el control dinámico de retroiluminación LED hace que los televisores LCD actuales sean mucho más eficientes que los televisores CRT, lo que lleva a un ahorro de energía mundial de 600 TWh (2017), equivalente al 10 % de la electricidad. consumo de todos los hogares del mundo o igual a 2 veces la producción de energía de todas las células solares del mundo.

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, portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes y teléfonos móviles. Aunque la tecnología OLED de la competencia se lanza al mercado, estas 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 Los productos basados en OLED, mientras que la eficiencia de las pantallas LCD (y productos como computadoras portátiles, teléfonos móviles y televisores) puede incluso mejorarse al evitar que la luz sea absorbida por los filtros de color de la pantalla LCD. Estas soluciones de filtros de colores reflectantes aún no han sido implementadas por la industria de LCD y no han llegado más allá de los prototipos de laboratorio. Es probable que la industria de LCD las implemente para aumentar la eficiencia en comparación con las tecnologías OLED.

Conexión a otros circuitos

Un conector elastómero rosa apareando un panel LCD a los circuitos de tablero, mostrado junto a un regla de escala centímetro. Las capas conductivas y aislantes de la raya negra son muy pequeñas.

La pantalla de un receptor de televisión estándar, un panel LCD moderno, tiene más de seis millones de píxeles, y todos están alimentados individualmente por una red de cables integrada en la pantalla. Los cables finos, o vías, forman una cuadrícula con cables verticales a lo largo de toda la pantalla en un lado de la pantalla y cables horizontales a lo largo de toda la pantalla en el otro lado de la pantalla. En 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 3 x 1920 en sentido vertical y 1080 en sentido horizontal para un total de 6840 cables en sentido horizontal y vertical. Son tres para rojo, verde y azul y 1920 columnas de píxeles para cada color para un total de 5760 cables que van verticalmente y 1080 filas de cables que van horizontalmente. Para un panel de 28,8 pulgadas (73 centímetros) de ancho, eso significa una densidad de cables de 200 cables por pulgada a lo largo del borde horizontal.

El panel LCD funciona con controladores LCD que se combinan 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 de cinta). Estos mismos principios se aplican también a las pantallas de teléfonos inteligentes que son mucho más pequeñas que las pantallas de TV. Los paneles LCD suelen utilizar vías conductoras metálicas con una capa delgada sobre un sustrato de vidrio para formar el circuito de la celda para operar el panel. Por lo general, no es posible usar técnicas de soldadura para conectar directamente el panel a una placa de circuito separada grabada en cobre. En su lugar, la interfaz se logra utilizando una película conductora anisotrópica o, para densidades más bajas, conectores elastoméricos.

Matriz pasiva

Prototipo de un STN-LCD pasivo-matrix con 540×270 píxeles, Brown Boveri Research, Suiza, 1984

Las pantallas LCD monocromáticas y de matriz pasiva en color posteriores eran estándar en la mayoría de las primeras computadoras portátiles (aunque algunas usaban pantallas de plasma) y en la Nintendo Game Boy original hasta mediados de la década de 1990, cuando la matriz activa en color se convirtió en estándar en todas las computadoras portátiles. El Macintosh Portable, que no tuvo éxito comercial (lanzado en 1989), fue uno de los primeros en utilizar una pantalla de matriz activa (aunque todavía monocromática). Los LCD de matriz pasiva todavía se usan en la década de 2010 para aplicaciones menos exigentes que las computadoras portátiles y los televisores, como las calculadoras económicas. En particular, 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 bajo costo o se necesita legibilidad bajo la luz solar directa.

Comparación entre una pantalla pasiva-matrix en blanco (top) y una pantalla activa-matrix en blanco (bottom). Una pantalla pasiva-matrix se puede identificar cuando el fondo en blanco es más gris en apariencia que la pantalla activa-matrix crujiente, la niebla aparece en todos los bordes de la pantalla, y mientras que las imágenes parecen estar desvaneciendo en la pantalla.

Las pantallas que tienen una estructura de matriz pasiva emplean STN nemático superretorcido (inventado por el Centro de Investigación Brown Boveri, Baden, Suiza, en 1983; se publicaron detalles científicos) o STN de doble capa (DSTN) (el último de los cuales aborda un problema de cambio de color con el primero) y color-STN (CSTN) en el que se agrega color mediante el uso de un filtro interno. Los LCD STN se han optimizado para el direccionamiento de matriz pasiva. Exhiben un umbral más nítido 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 de umbral, como lo descubrió Peter J. Wild en 1972, mientras que los píxeles activados están sujetos a voltajes por encima del umbral (los voltajes según al esquema de manejo "Alt & Pleshko"). Manejar dichas pantallas STN de acuerdo con Alt & El esquema de accionamiento Pleshko requiere voltajes de direccionamiento de línea muy altos. Welzen y de Vaan inventaron un esquema de accionamiento alternativo (un esquema de accionamiento no 'Alt & amp; Pleshko') que requería voltajes mucho más bajos, de modo que la pantalla STN podría controlarse utilizando tecnologías CMOS de bajo voltaje.

Las pantallas 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 son direccionados por los circuitos de fila y columna correspondientes. Este tipo de pantalla se denomina dirección de 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, de 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 de matriz pasiva con demasiados píxeles y controladas de acuerdo con "Alt & Pleshko" esquema de conducción. Welzen y de Vaan también inventaron un esquema de unidad no RMS que permite controlar pantallas STN con velocidades de video y permite mostrar imágenes de video en movimiento suave en una pantalla STN. Citizen, entre otros, obtuvo la licencia de estas patentes e introdujo con éxito en el mercado varios televisores de bolsillo LCD basados en STN.

Las pantallas LCD biestables no requieren una actualización continua. La reescritura solo es necesaria para cambios en la información de la imagen. En 1984, HA van Sprang y AJSM de Vaan inventaron una pantalla de tipo STN que podía funcionar en modo biestable, lo que permitía obtener imágenes de resolución extremadamente alta de hasta 4000 líneas o más usando solo voltajes bajos. Dado que un píxel puede estar encendido o apagado en el momento en que se necesita escribir nueva información en ese píxel en particular, el método de direccionamiento de estas pantallas biestables es bastante complejo, razón por la cual estas pantallas no lo lograron. al mercado. Eso cambió cuando en 2010 "zero-power" Los LCD (biestables) estuvieron disponibles. Potencialmente, el direccionamiento de matriz pasiva se puede usar con dispositivos si sus características de escritura/borrado son adecuadas, como fue el caso de los libros electrónicos que solo necesitan mostrar imágenes fijas. Después de escribir una página en la pantalla, es posible que la pantalla se desconecte y se conserven las imágenes legibles. Esto tiene la ventaja de que dichos libros electrónicos pueden funcionar durante largos períodos de tiempo con solo una batería pequeña.

Las pantallas a color de alta resolución, como los modernos monitores de computadora LCD y los televisores, usan una estructura de matriz activa. Se agrega una matriz de transistores de película delgada (TFT) a los electrodos en contacto con la capa LC. Cada píxel tiene su propio transistor dedicado, lo que permite que cada línea de columna acceda a un píxel. Cuando se selecciona una línea de fila, todas las líneas de columna se conectan a una fila de píxeles y los voltajes correspondientes a la información de la imagen se transmiten a todas las líneas de columna. A continuación, la línea de fila se desactiva y se selecciona la siguiente línea de fila. Todas las líneas de fila se seleccionan en secuencia durante una operación de actualización. Las pantallas con direccionamiento de matriz activa se ven más brillantes y nítidas que las pantallas con direccionamiento de matriz pasiva del mismo tamaño y, en general, tienen tiempos de respuesta más rápidos, lo que produce imágenes mucho mejores. Sharp produce LCD reflectantes biestables con una celda SRAM de 1 bit por píxel que solo requiere pequeñas cantidades de energía para mantener una imagen.

Los LCD de segmento también pueden tener color mediante el uso de Field Sequential Color (FSC LCD). Este tipo de pantallas tienen un panel LCD de segmento pasivo de alta velocidad con retroiluminación RGB. La luz de fondo cambia rápidamente de color, haciéndola parecer blanca a simple vista. El panel LCD está sincronizado con la luz de fondo. Por ejemplo, para hacer que un segmento aparezca rojo, el segmento solo se enciende cuando la luz de fondo es roja, y para hacer que un segmento se vea magenta, el segmento se enciende cuando la luz de fondo es azul y continúa ENCENDIDO mientras la luz de fondo está encendida. se vuelve rojo y se apaga cuando la luz de fondo se vuelve verde. Para que un segmento aparezca en negro, el segmento siempre está encendido. Una pantalla LCD FSC divide una imagen en color en 3 imágenes (una roja, una verde y una azul) y las muestra en orden. Debido a la persistencia de la visión, las 3 imágenes monocromáticas aparecen como una imagen en color. Un LCD FSC necesita un panel LCD con una frecuencia de actualización de 180 Hz y el tiempo de respuesta se reduce a solo 5 milisegundos en comparación con los paneles LCD STN normales que tienen un tiempo de respuesta de 16 milisegundos. Las pantallas LCD FSC contienen un controlador IC Chip-On-Glass que también se puede usar con una pantalla táctil capacitiva.

Samsung presentó las pantallas UFB (Ultra Fine & Bright) en 2002 y utilizó el efecto súper birrefringente. Tiene la luminancia, la gama de colores y la mayor parte del contraste de una pantalla TFT-LCD, pero solo consume tanta energía como una pantalla STN, según Samsung. Se estaba utilizando en una variedad de modelos de teléfonos celulares Samsung producidos hasta finales de 2006, cuando Samsung dejó de producir pantallas UFB. Las pantallas UFB también se utilizaron en ciertos modelos de teléfonos móviles LG.

Tecnologías de matriz activa

Un Casio 1.8 en color TFT LCD, utilizado en las cámaras DSC-P93A de Sony Cyber-shot

Estructura de un LCD de color con un retroiluminado CCFL iluminado

Nemático torcido (TN)

Las pantallas nemáticas torcidas contienen cristales líquidos que se tuercen y desenroscan en diversos grados para permitir el paso de la luz. Cuando no se aplica voltaje a una celda de cristal líquido TN, la luz polarizada pasa a través de la capa LC torcida de 90 grados. En proporción al voltaje aplicado, los cristales líquidos se desenroscan cambiando la polarización y bloqueando el camino de la luz. Al ajustar correctamente el nivel de voltaje, se puede lograr casi cualquier nivel de gris o transmisión.

Conmutación en plano (IPS)

La conmutación en plano es una tecnología LCD que alinea los cristales líquidos en un plano paralelo a los sustratos de vidrio. En este método, el campo eléctrico se aplica a través de electrodos opuestos en el mismo sustrato de vidrio, de modo que los cristales líquidos pueden reorientarse (conmutarse) esencialmente en el mismo plano, aunque los campos marginales inhiben una reorientación homogénea. Esto requiere dos transistores para cada píxel en lugar del único transistor necesario para una pantalla estándar de transistor de película delgada (TFT). La tecnología IPS se usa en todo, desde televisores, monitores de computadora e incluso dispositivos portátiles, especialmente casi todos los paneles LCD de teléfonos inteligentes están en modo IPS/FFS. Las pantallas IPS pertenecen a los tipos de pantalla de la familia de paneles LCD. Los otros dos tipos son VA y TN. Antes de que Hitachi presentara LG Enhanced IPS en 2001 como 17" monitor en Market, los transistores adicionales resultaron en el bloqueo de más área de transmisión, lo que requirió una luz de fondo más brillante y consumió más energía, lo que hizo que este tipo de pantalla fuera menos deseable para las computadoras portátiles. Panasonic Himeji G8.5 estaba usando una versión mejorada de IPS, también LGD en Corea, entonces actualmente el fabricante de paneles LCD más grande del mundo BOE en China también es un panel de TV en modo IPS/FFS.

Cierre de una esquina de un panel LCD IPS

Súper conmutación en plano (S-IPS)

Super-IPS se introdujo más tarde después de la conmutación en plano con tiempos de respuesta y reproducción del color aún mejores.

Controversia M+ o RGBW

En 2015, LG Display anunció la implementación de una nueva tecnología llamada M+, que consiste en la adición de subpíxeles blancos junto con los puntos RGB regulares en su tecnología de panel IPS.

La mayor parte de la nueva tecnología M+ se empleó en televisores 4K, lo que provocó una controversia después de que las pruebas mostraran que agregar un subpíxel blanco en reemplazo de la estructura RGB tradicional reduciría la resolución en aproximadamente un 25 %. Esto significa que un televisor 4K no puede mostrar el estándar completo de televisores UHD. Los medios de comunicación y los usuarios de Internet lo llamaron más tarde "RGBW" Televisores debido al subpíxel blanco. Aunque LG Display ha desarrollado esta tecnología para su uso en pantallas de portátiles, exteriores y teléfonos inteligentes, se hizo más popular en el mercado de televisores debido a la resolución 4K UHD anunciada, pero sigue siendo incapaz de lograr una resolución UHD real definida por la CTA como 3840x2160 píxeles activos con 8 -color de bits. Esto afecta negativamente la representación del texto, haciéndolo un poco más borroso, lo que es especialmente notable cuando se usa un televisor como monitor de PC.

IPS en comparación con AMOLED

En 2011, LG afirmó que el teléfono inteligente LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) tiene un brillo de hasta 700 nits, mientras que el competidor solo tiene IPS LCD con 518 nits y el doble de una pantalla OLED (AMOLED) de matriz activa. con 305 nits. LG también afirmó que la pantalla NOVA es un 50 por ciento más eficiente que las pantallas LCD normales y que consume solo el 50 por ciento de la energía de las pantallas AMOLED cuando produce blanco en la pantalla. Cuando se trata de la relación de contraste, la pantalla AMOLED aún funciona mejor debido a su tecnología subyacente, donde los niveles de negro se muestran como un tono negro y no como un gris oscuro. El 24 de agosto de 2011, Nokia anunció el Nokia 701 y también afirmó tener la pantalla más brillante del mundo con 1000 nits. La pantalla también contaba con la capa Clearblack de Nokia, mejorando la relación de contraste y acercándola a la de las pantallas AMOLED.

Este pixel-layout se encuentra en S-IPS LCDs. Una forma de chevron se utiliza para ampliar el cono de visualización (rango de direcciones de visualización con buen contraste y cambio de color bajo).

Conmutación avanzada de campo marginal (AFFS)

Conocido como cambio de campo marginal (FFS) hasta 2003, el cambio de campo marginal avanzado es similar a IPS o S-IPS y ofrece un rendimiento superior y una gama de colores con alta luminosidad. AFFS fue desarrollado por Hydis Technologies Co., Ltd, Corea (formalmente Hyundai Electronics, LCD Task Force). Las aplicaciones para portátiles que aplican AFFS minimizan la distorsión del color mientras mantienen un ángulo de visión más amplio para una pantalla profesional. El cambio de color y la desviación causados por la fuga de luz se corrigen optimizando la gama de blancos, lo que también mejora la reproducción de blanco/gris. En 2004, Hydis Technologies Co., Ltd otorgó la licencia de AFFS a Hitachi Displays de Japón. Hitachi está utilizando AFFS para fabricar paneles de alta gama. En 2006, HYDIS otorgó la licencia de AFFS a Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Poco después, Hydis introdujo una evolución de alta transmitancia de la pantalla AFFS, llamada HFFS (FFS+). Hydis presentó AFFS+ con legibilidad mejorada en exteriores en 2007. Los paneles AFFS se utilizan principalmente en las cabinas de las pantallas de aviones comerciales más recientes. Sin embargo, ya no se produce a partir de febrero de 2015.

Alineación vertical (VA)

Las pantallas de alineación vertical son una forma de LCD en la que los cristales líquidos se alinean naturalmente de forma vertical con los sustratos de vidrio. Cuando no se aplica voltaje, los cristales líquidos permanecen perpendiculares al sustrato, creando una pantalla negra entre polarizadores cruzados. Cuando se aplica voltaje, los cristales líquidos cambian a una posición inclinada, lo que permite que la luz pase y crea una pantalla en escala de grises dependiendo de la cantidad de inclinación generada por el campo eléctrico. Tiene un fondo negro más profundo, una relación de contraste más alta, un ángulo de visión más amplio y una mejor calidad de imagen a temperaturas extremas que las pantallas nemáticas retorcidas tradicionales. En comparación con IPS, los niveles de negro son aún más profundos, lo que permite una mayor relación de contraste, pero el ángulo de visión es más estrecho, y el color y, especialmente, el cambio de contraste son más evidentes.

Modo fase azul

Las pantallas LCD de modo de fase azul se mostraron como muestras de ingeniería a principios de 2008, pero no se están fabricando en masa. La física de los LCD de modo de fase azul sugiere que se pueden lograr tiempos de conmutación muy cortos (≈1 ms), por lo que posiblemente se pueda realizar un control de color secuencial en el tiempo y los costosos filtros de color quedarían obsoletos.

Control de calidad

Algunos paneles LCD tienen transistores defectuosos, lo que provoca que los píxeles se enciendan o apaguen permanentemente, lo que comúnmente se conoce como píxeles atascados o píxeles muertos, respectivamente. A diferencia de los circuitos integrados (IC), los paneles LCD con algunos transistores defectuosos generalmente aún se pueden usar. Fabricantes' las políticas para el número aceptable de píxeles defectuosos varían mucho. En un momento, Samsung mantuvo una política de tolerancia cero para los monitores LCD vendidos en Corea. Sin embargo, a partir de 2005, Samsung se adhiere al estándar ISO 13406-2 menos restrictivo. Se sabe que otras empresas toleran hasta 11 píxeles muertos en sus políticas.

Las políticas de píxeles muertos a menudo se debaten acaloradamente entre fabricantes y clientes. Para regular la aceptabilidad de los defectos y proteger al usuario final, ISO publicó el estándar ISO 13406-2, que quedó obsoleto en 2008 con el lanzamiento de ISO 9241, específicamente ISO-9241-302, 303, 305, 307:2008 pixel defectos Sin embargo, no todos los fabricantes de LCD cumplen con el estándar ISO y el estándar ISO a menudo se interpreta de diferentes maneras. Es más probable que los paneles LCD tengan defectos que la mayoría de los circuitos integrados debido a su mayor tamaño. Por ejemplo, una LCD SVGA de 300 mm tiene 8 defectos y una oblea de 150 mm tiene solo 3 defectos. Sin embargo, 134 de los 137 troqueles en la oblea serán aceptables, mientras que el rechazo de todo el panel LCD sería un rendimiento del 0%. En los últimos años, se ha mejorado el control de calidad. Un panel LCD SVGA con 4 píxeles defectuosos generalmente se considera defectuoso y los clientes pueden solicitar un cambio por uno nuevo.

Algunos fabricantes, especialmente en Corea del Sur, donde se encuentran algunos de los mayores fabricantes de paneles LCD, como LG, ahora tienen una garantía de cero píxeles defectuosos, que es un proceso de selección adicional que luego puede determinar " Paneles de grado A" y "B". Muchos fabricantes reemplazarían un producto incluso con un píxel defectuoso. Incluso cuando no existan dichas garantías, la ubicación de los píxeles defectuosos es importante. Una pantalla con solo unos pocos píxeles defectuosos puede ser inaceptable si los píxeles defectuosos están cerca unos de otros. Los paneles LCD también tienen defectos conocidos como nublamiento (o menos comúnmente mura), que describe los parches desiguales de cambios en la luminancia. Es más visible en las áreas oscuras o negras de las escenas mostradas. A partir de 2010, la mayoría de los fabricantes de paneles LCD de computadora de marca premium especifican que sus productos no tienen defectos.

"Potencia cero" pantallas (biestables)

El dispositivo biestable cenital (ZBD), desarrollado por Qinetiq (antes DERA), puede retener una imagen sin energía. Los cristales pueden existir en una de dos orientaciones estables ('negro' y 'blanco') y solo se requiere energía para cambiar la imagen. ZBD Displays es una empresa derivada de QinetiQ que fabricó dispositivos ZBD tanto en escala de grises como en color. Kent Displays también ha desarrollado un "sin energía" pantalla que utiliza cristal líquido colestérico estabilizado con polímeros (ChLCD). En 2009, Kent demostró el uso de un ChLCD para cubrir toda la superficie de un teléfono móvil, lo que le permite cambiar de color y mantener ese color incluso cuando se desconecta la alimentación.

En 2004, investigadores de la Universidad de Oxford demostraron dos nuevos tipos de pantallas LCD biestables de potencia cero basadas en técnicas biestables Zenithal. Varias tecnologías biestables, como el 360° BTN y el biestable colestérico, dependen principalmente de las propiedades a granel del cristal líquido (LC) y utilizan un fuerte anclaje estándar, con películas de alineación y mezclas de LC similares a los materiales monoestables tradicionales. Otras tecnologías biestables, p. ej., la tecnología BiNem, se basan principalmente en las propiedades de la superficie y necesitan materiales de anclaje débiles específicos.

Especificaciones

• Resolución La resolución de un LCD se expresa por el número de columnas y filas de píxeles (por ejemplo, 1024×768). Cada pixel se compone generalmente 3 subpixeles, un rojo, un verde y uno azul. Esta había sido una de las pocas características del rendimiento del LCD que se mantuvo uniforme entre diferentes diseños. Sin embargo, hay nuevos diseños que comparten subpixeles entre píxeles y añade Quattron que intentan aumentar eficientemente la resolución percibida de una pantalla sin aumentar la resolución real, a resultados mixtos.
• Ejecución espacial: Para un monitor informático o alguna otra pantalla que se está viendo desde una distancia muy cercana, la resolución se expresa a menudo en términos de campo de puntos o píxeles por pulgada, que es consistente con la industria de impresión. La densidad de visualización varía según la aplicación, con televisores que generalmente tienen una baja densidad para la visualización de larga distancia y dispositivos portátiles que tienen una alta densidad para detalles de cerca. El ángulo de visualización de un LCD puede ser importante dependiendo de la pantalla y su uso, las limitaciones de ciertas tecnologías de visualización significan que la pantalla sólo muestra con precisión en ciertos ángulos.
• Rendimiento temporal: la resolución temporal de un LCD es lo bien que puede mostrar imágenes cambiantes, o la precisión y el número de veces por segundo la pantalla dibuja los datos que se está dando. Los píxeles LCD no destellan entre los marcos, por lo que los monitores LCD no exhiben flicker inducido por el refresco sin importar cuán bajo sea la tasa de actualización. Pero una tasa de refresco más baja puede significar artefactos visuales como fantasmas o escaneos, especialmente con imágenes de movimiento rápido. El tiempo de respuesta individual de píxel también es importante, ya que todas las pantallas tienen cierta latencia inherente al mostrar una imagen que puede ser lo suficientemente grande para crear artefactos visuales si la imagen mostrada cambia rápidamente.
• Rendimiento de color: Hay varios términos para describir diferentes aspectos del rendimiento de color de una pantalla. Gamut de color es la gama de colores que se puede mostrar, y la profundidad de color, que es la finura con la que se divide el rango de color. La gama de colores es una característica relativamente recta hacia adelante, pero rara vez se discute en materiales de marketing excepto a nivel profesional. Tener un rango de color que exceda el contenido que se muestra en la pantalla no tiene beneficios, por lo que las pantallas sólo se hacen para realizar dentro o debajo del rango de una determinada especificación. Hay aspectos adicionales a la gestión de color y color LCD, como punto blanco y corrección gamma, que describen qué color blanco es y cómo los otros colores se muestran en relación con el blanco.
• Relación de brillo y contraste: La relación de contraste es la relación del brillo de un píxel completo a un píxel completo. El LCD en sí es sólo una válvula de luz y no genera luz; la luz viene de una luz trasera que es fluorescente o un conjunto de LEDs. El brillo se indica generalmente como la salida máxima de la luz del LCD, que puede variar enormemente basado en la transparencia del LCD y el brillo de la luz trasera. La luz trasera más brillante permite un mayor contraste y mayor rango dinámico (las pantallas HDR se clasifican en luminancia pico), pero siempre hay un cambio entre el brillo y el consumo de energía.

Ventajas y desventajas

Algunos de estos problemas se relacionan con pantallas completas, otros con pantallas pequeñas como en relojes, etc. Muchas de las comparaciones son con pantallas CRT.

Ventajas

• Muy compacto, delgado y ligero, especialmente en comparación con las pantallas de CRT pesadas y voluminosas.
• Bajo consumo de energía. Dependiendo del brillo y el contenido de la pantalla fija que se muestra, los modelos de retroiluminación CCFT más antiguos suelen utilizar menos de la mitad de la potencia que utilizaría un monitor CRT del mismo área de visualización de tamaño, y los modelos LED retroiluminados modernos utilizan normalmente 10–25% de la potencia que un monitor CRT utilizaría.
• Poco calor emitido durante la operación, debido al bajo consumo de energía.
• No hay distorsión geométrica.
• La capacidad posible para tener poco o ningún flicker dependiendo de la tecnología de retroiluminación.
• Por lo general no hay flicker refrescante, porque los píxeles LCD mantienen su estado entre refrescos (que generalmente se hacen a 200 Hz o más rápido, independientemente de la tasa de actualización de entrada).
• Afilar imagen sin sangrado ni manchado cuando se opera en resolución nativa.
• Emite casi ninguna radiación electromagnética indeseable (en el rango de frecuencia extremadamente bajo), a diferencia de un monitor CRT.
• Se puede hacer en casi cualquier tamaño o forma.
• No hay límite de resolución teórico. Cuando se utilizan varios paneles LCD juntos para crear un único lienzo, cada panel adicional aumenta la resolución total de la pantalla, que se llama comúnmente resolución apilada.
• Se puede hacer en grandes tamaños de más de 80 pulgadas (2 m) diagonal.
• Efecto de enmascaramiento: la rejilla LCD puede enmascarar los efectos de la cuantificación espacial y a escala gris, creando la ilusión de mayor calidad de imagen.
• No afectados por campos magnéticos, incluyendo la Tierra, a diferencia de la mayoría de las TRC de color.
• Como dispositivo inherentemente digital, el LCD puede mostrar nativamente datos digitales desde una conexión DVI o HDMI sin requerir conversión a análogo. Algunos paneles LCD tienen entradas de fibra óptica nativa, además de DVI y HDMI.
• Muchos monitores LCD son alimentados por una fuente de alimentación de 12 V, y si se incorpora en un ordenador puede ser alimentado por su fuente de alimentación de 12 V.
• Se puede hacer con bordes de marco muy estrechos, permitiendo que múltiples pantallas LCD se arrayan lado a lado para componer lo que parece una pantalla grande.

Desventajas

• ángulo de visualización limitado en algunos monitores más antiguos o más baratos, causando el color, la saturación, el contraste y el brillo variar con la posición del usuario, incluso dentro del ángulo de visualización previsto.
• Uneven retroiluminación en algunos monitores (más común en los tipos IPS y TN mayores), causando distorsión de brillo, especialmente hacia los bordes ("sangrado de luz trasera").
• Los niveles negros pueden no ser tan oscuros como sea necesario porque los cristales líquidos individuales no pueden bloquear completamente toda la luz trasera de pasar a través.
• Mostrar el movimiento borroso en objetos móviles causados por tiempos de respuesta lentas (con 8 ms) y el seguimiento de los ojos en una pantalla de muestra y posición, a menos que se utilice una retroiluminación atroz. Sin embargo, esta estufa puede causar tensión ocular, como se indica a continuación:
• A partir de 2012, la mayoría de las implementaciones de retroiluminación LCD utilizan la modulación de pulso-anchura (PWM) para disminuir la pantalla, lo que hace que la pantalla sea más aguda (esto no significa visiblemente) que un monitor de CRT a una tasa de refresco de 85 Hz (esto es porque toda la pantalla está estrangulando y apagando en lugar de un punto sostenido de Fósforo de CRT que continuamente escanea a través de la pantalla severa, dejando siempre iluminado Desafortunadamente, muchas de estas personas no saben que su tren ocular está siendo causado por el efecto estrobo invisible de la PWM. Este problema es peor en muchos monitores LED retroiluminados, porque los LEDs se activan y apagan más rápido que una lámpara CCFL.
• Sólo una resolución nativa. Mostrando cualquier otra resolución, ya sea requiere un escalador de vídeo, causando la difunción y los bordes marcados, o ejecutando la pantalla en la resolución nativa usando el mapeo de píxeles 1:1, causando que la imagen no llena la pantalla (imagen redondeada), o para ejecutar los bordes inferiores o correctos de la pantalla.
• Profundidad fija de bits (también llamada profundidad de color). Muchos LCD más baratos son sólo capaces de mostrar 262144 (2¹⁸) colores. Los paneles S-IPS de 8 bits pueden mostrar 16 millones (2²⁴) colores y tienen significativamente mejor nivel negro, pero son caros y tienen tiempo de respuesta más lento.
• Lag de entrada, ya que el convertidor A/D del LCD espera que cada marco sea completamente salida antes de dibujarlo al panel LCD. Muchos monitores LCD hacen post-procesamiento antes de mostrar la imagen en un intento de compensar la mala fidelidad de color, que añade un lag adicional. Además, se debe utilizar un escalador de vídeo cuando se muestren resoluciones no nativas, que añade más tiempo. El escalado y el procesamiento de postes se hacen generalmente en un solo chip en monitores modernos, pero cada función que el chip realiza añade un poco de retraso. Algunas pantallas tienen un modo de videojuego que deshabilita todo o la mayoría de procesamiento para reducir el retraso de entrada perceptible.
• Los píxeles muertos o pegados pueden ocurrir durante la fabricación o después de un período de uso. Un píxel pegado brillará con el color incluso en una pantalla totalmente negra, mientras que un muerto siempre permanecerá negro.
• Sujeto al efecto quemado, aunque la causa difiere de la TRC y el efecto puede no ser permanente, una imagen estática puede causar quemadura en cuestión de horas en pantallas mal diseñadas.
• En una situación constante, la termalización puede ocurrir en caso de mala gestión térmica, en la que parte de la pantalla se ha sobrecalentado y se ve decolorada en comparación con el resto de la pantalla.
• Pérdida de brillo y tiempos de respuesta mucho más lentos en entornos de baja temperatura. En entornos sub-ceros, las pantallas LCD pueden dejar de funcionar sin el uso de calefacción suplementaria.
• Pérdida de contraste en entornos de alta temperatura.

Químicos utilizados

En las pantallas de cristal líquido se utilizan varias familias diferentes de cristales líquidos. Las moléculas utilizadas deben ser anisotrópicas y exhibir atracción mutua. Las moléculas polarizables en forma de varilla (bifenilos, terfenilos, etc.) son comunes. Una forma común es un par de anillos de benceno aromáticos, con un resto no polar (pentilo, heptilo, octilo o alquil oxi) en un extremo y polar (nitrilo, halógeno) en el otro. A veces, los anillos de benceno se separan con un grupo acetileno, etileno, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO o un grupo éster. En la práctica, se utilizan mezclas eutécticas de varios productos químicos para lograr un rango operativo de temperatura más amplio (−10...+60 °C para pantallas de gama baja y −20...+100 °C para pantallas de alto rendimiento). Por ejemplo, la mezcla E7 está compuesta por tres bifenilos y un terfenilo: 39% en peso de 4'-pentil[1,1'-bifenil]-4-carbonitrilo (rango nemático 24..35 °C), 36 % en peso de 4'-heptil[1,1'-bifenil]-4-carbonitrilo (rango nemático 30..43 °C), 16 % en peso de 4'-octoxi[1,1'-bifenil]-4-carbonitrilo (rango nemático 54..80 °C), y 9% en peso de 4-pentil[1,1':4',1-terfenil]-4-carbonitrilo (rango nemático 131..240 °C).

Impacto ambiental

La producción de pantallas LCD utiliza trifluoruro de nitrógeno (NF₃) como fluido de grabado durante la producción de los componentes de película delgada. NF₃ es un potente gas de efecto invernadero, y su vida media relativamente larga puede convertirlo en un contribuyente potencialmente dañino para el calentamiento global. Un informe en Geophysical Research Letters sugirió que sus efectos eran teóricamente mucho mayores que las fuentes más conocidas de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono. Como el NF₃ no era de uso generalizado en ese momento, no se incluyó en los Protocolos de Kioto y se lo ha considerado "el gas de efecto invernadero faltante".

Los críticos del informe señalan que asume que todo el NF₃ producido sería liberado a la atmósfera. En realidad, la gran mayoría de NF₃ se descompone durante los procesos de limpieza; dos estudios anteriores encontraron que solo del 2 al 3% del gas escapa a la destrucción después de su uso. Además, el informe no pudo comparar los efectos del NF₃ con lo que reemplazó, el perfluorocarbono, otro poderoso gas de efecto invernadero, del cual entre el 30 y el 70 % se escapa a la atmósfera en su uso típico.