A história da descoberta dos cristais líquidos
Você provavelmente ficará surpreso ao saber que cristais líquidos foram descobertos durante pesquisas com plantas. Eles foram conduzidos pelo botânico austríaco Friedrich Reinitzer em 1888. Cientistas descobriram uma substância com estrutura cristalina, que, quando aquecida, se comportava de forma anômala, destruindo os estereótipos existentes da teoria dos três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. O fato é que o austríaco tinha dois pontos de fusão e, portanto, dois estados líquidos diferentes - turvo e transparente. Quando a temperatura atingiu 145,5 ° C, esta substância tornou-se significativamente turva e tornou-se quase fluida, mas apenas até 178,5 ° C a estrutura cristalina não sofreu alterações, mas após ultrapassar este indicador transformou-se mesmo assim em líquida. Reinitzer compartilhou sua incrível descoberta com seu colega, o físico alemão Otto Lehmann. O cientista continuou sua pesquisa e descobriu outra propriedade muito curiosa da substância. Descobriu-se que esse "pseudo-líquido" tinha as propriedades de um cristal, manifestando-se de maneira semelhante em experimentos eletromagnéticos e ópticos. E embora Reinitzer seja justamente considerado o descobridor e uma espécie de pai, o nome "cristal líquido", que mais tarde pegou, foi dado por Lehmann.
Referindo-se ao dicionário técnico, encontramos a seguinte definição do termo "cristal líquido". LC ("cristal líquido") é uma fase em que uma substância está localizada entre um estado muito sólido e praticamente isotrópico (líquido) (mesofase). Ou seja, nesta fase, a substância adquire uma fluidez significativa, ao mesmo tempo que mantém a estabilidade e a estrutura cristalina do arranjo das moléculas em uma ampla faixa de temperatura.
Por quase um século, essa descoberta foi ignorada, sendo apenas um fenômeno natural único. No entanto, tudo mudou em 1963, quando o americano J. Ferguson conseguiu aplicar as propriedades incomuns dos cristais líquidos. Estamos falando sobre a capacidade de uma substância de mudar de cor sob a influência da temperatura - de detectar campos térmicos invisíveis a olho nu. Após a obtenção da patente da invenção, o interesse por cristais líquidos disparou.
Já na década de 70 do século passado, a famosa empresa Radio Corporation of America lançou a primeira tela LCD monocromática de seu tipo, após a qual a tecnologia inovadora começou a atrair cada vez mais o interesse dos fabricantes de eletrônicos de consumo, especialmente relógios de pulso e calculadoras elegantes. Mas o aparecimento de telas coloridas ainda não foi discutido.
O princípio de operação das telas de cristal líquido
A essência do trabalho das matrizes de cristal líquido reside em uma propriedade do fluxo luminoso como a polarização, ou seja, a desigualdade das diferentes direções de propagação de uma onda de luz em um plano. Simplificando, a luz é como se estivesse espalhada no espaço. A luz familiar a todos nós não é polarizada, uma vez que as amplitudes de todas as suas ondas estão em planos. Mas também existem substâncias (polarizadores) que são capazes de direcionar a luz que passa por eles em apenas um plano.
Se considerarmos o princípio de operação da matriz LCD, então, em termos gerais, ela se parece com isso. Colocando 2 polarizadores de forma que seus planos de polarização fiquem em ângulos retos (90 °) entre si, garantiremos que as ondas de luz não possam passar por essas substâncias. No entanto, se colocarmos algo entre eles que pode girar o vetor de polarização da luz no ângulo necessário, então seremos capazes de controlar seu brilho, extinguir e acender a luz como desejarmos.Consideraremos com mais detalhes a implementação desse princípio em vários tipos de matrizes a seguir.
Em uma versão um tanto simplificada, a matriz LCD tem a seguinte estrutura:
* luz de fundo da lâmpada (halogênio);
* para iluminação uniforme - um conjunto de refletores e guias de luz de polímero;
* filtro polarizador;
* placa-substrato (vidro), com contatos aplicados a ela;
* cristais líquidos;
* segundo polarizador;
* mais um substrato com contatos.
Estrutura da matriz LCD
Uma vez que cada pixel em matrizes de cores consiste em pontos coloridos em vermelho, verde e azul, tornou-se funcionalmente necessário adicionar um filtro de cor adicional. Cada unidade de tempo, uma das três células da matriz que formam um pixel está ligada ou desligada. Combinando essas posições, podemos obter diferentes tons de cor e, ao ativar os três elementos ao mesmo tempo, veremos o branco.
Em geral, todas as matrizes são divididas em passivas (simples) e ativas. A principal diferença entre eles é que o processo de controle da atividade em matrizes passivas ocorre "pixel a pixel", ou seja, em ordem de célula para célula em uma fileira. O principal problema na produção de telas de cristal líquido por meio desse processo tecnológico é que, simultaneamente ao aumento da diagonal do display, aumentam as distâncias ao longo das quais a corrente é transmitida pelos condutores a cada pixel. Como resultado, durante o tempo até que a carga elétrica alcance o último pixel, o primeiro tem tempo de perder a carga e se apagar. E, em segundo lugar, com o aumento do comprimento dos condutores, o nível da tensão necessária também aumenta, o que leva a um aumento do ruído e da interferência. Isso reduz drasticamente a qualidade da imagem e a precisão das cores. A este respeito, as matrizes passivas são usadas principalmente para telas com uma pequena diagonal que não requerem uma alta densidade de tela.
O resultado da pesquisa foi a invenção de uma nova tecnologia, que hoje é amplamente conhecida pela sigla TFT (Thin Film Transistor), que significa transistor de filme fino. Essa tecnologia reduziu drasticamente o tempo de resposta da matriz, disponibilizando grandes diagonais de tela. A essência da diferença construtiva entre matrizes ativas é que os transistores são conectados a cada célula da matriz separadamente e, sendo isolados uns dos outros, podem criar um campo ao receber o sinal correspondente do centro da lógica - a matriz motorista. Para que a célula seja capaz de suportar por algum tempo a carga recebida, um pequeno capacitor é adicionado a ela, que funciona como uma espécie de capacidade de armazenamento.
Tipos de matrizes
Já em 1973, foi lançada a primeira, com a mais primitiva tecnologia de produção, uma matriz denominada TN (Twisted Nematic). A principal característica dos cristais nemáticos é que eles se alinham um após o outro e formam uma espiral na matriz. O primeiro cristal em uma espiral está sempre localizado no mesmo plano. Isso é conseguido através da aplicação de depressões especiais em substratos de vidro, graças às quais os cristais assumem a posição desejada. O último cristal é instalado em um substrato semelhante com um recesso, que (substrato) está localizado em um ângulo de 90 ° em relação ao primeiro. Todos os outros cristais localizados entre esses dois se alinham um após o outro, conectando-se em uma espiral. Eletrodos são conectados em todas as extremidades da espiral, o que cria um campo elétrico para influenciar o arranjo dos cristais. Na ausência deste último, os cristais líquidos giram um em relação ao outro em 90 ° no plano horizontal entre as duas placas. Nesse caso, o primeiro polarizador está no mesmo plano do segundo polarizador, direcionando assim o eixo de polarização em um plano comum para os dois polarizadores. Assim, todos os três são totalmente iluminados e um pixel branco é formado na tela. Aplique tensão aos eletrodos, a espiral começa a encolher.Tendo atingido o maior valor de voltagem, os cristais são posicionados de forma que não giram a luz polarizada, sendo absorvida pelo segundo polarizador. Isso forma um ponto preto. Ao variar a voltagem, mudamos a posição dos cristais de forma que apenas uma parte da luz polarizada passe pelos filtros, obtendo gradações (tons de cinza).
No entanto, devido às peculiaridades da tecnologia TN, uma formação clara de sombras é muito problemática e, até agora, a reprodução de cores e contraste corretos é um problema completamente não resolvido deste tipo de matriz LCD.
Outra desvantagem das primeiras matrizes TN eram os ângulos de visão mínimos nos quais a reprodução das cores não era distorcida. A solução para esse problema foi uma camada adicional (filme) em forma de filme especial, que foi sobreposta no topo da matriz, ampliando assim o ângulo de visão. As matrizes TN atuais fornecem uma imagem natural com um ângulo de visão de aproximadamente 100-120 ° horizontalmente. A situação é muito pior com ângulos de visão verticais.
Uma característica específica do TN é também o fato de que a posição do pixel quando a tensão é desconectada é branca. Nesse caso, assim que o transistor de ponto queima (o chamado pixel burnout), um ponto brilhante aparece na tela. E dado o fato de que é extremamente difícil conseguir uma colocação absolutamente precisa de cristais líquidos, é quase impossível obter uma exibição clara da cor preta em matrizes TN.
Para reduzir a taxa de reação das matrizes passivas, foi criada a tecnologia STN (Super Twisted Nematic). Está no fato de que o ângulo entre a normal da frente de uma onda de luz especial e o ângulo do diretor das moléculas de cristal líquido (este é o nome científico das ranhuras mencionadas anteriormente) em substratos de vidro é superior a 200 ° ( lembre-se que em uma matriz TN convencional este ângulo é de 90 °). O resultado de tais manipulações foi um aumento acentuado na velocidade de transição entre estados extremos. Mas também há uma desvantagem na moeda. Tendo alcançado esse efeito positivo, os desenvolvedores tiveram que sacrificar a estabilidade, e agora nas novas matrizes com tecnologia STN torna-se extremamente difícil controlar os cristais nas posições intermediárias. Experimentos mostraram que os cristais eram mais ou menos estáveis em ângulos entre ranhuras na região de 210 °. No entanto, aqui também houve alguns excessos. Os engenheiros da Sharp tentaram eliminar este problema e desenvolveram uma tecnologia chamada DSTN - Dual-Scan Twisted Nematic. Essa tecnologia se baseia na divisão da tela em duas partes separadas, cada uma controlada separadamente. Além do aumento da taxa de transmissão do sinal com o uso do DSTN, também foi destacada a vantagem dessa tecnologia em amenizar distorções de cores. No entanto, sua desvantagem significativa era seu alto peso e alto custo.
Resumindo o resultado intermediário, vamos destacar os prós e contras das matrizes de filmes TN + (levando em consideração todas as modificações) para hoje:
Vantagens:
* alta velocidade de comutação de células;
* baixo custo e preço;
* o menor tempo de resposta entre as matrizes modernas;
Desvantagens:
* qualidade bastante baixa de reprodução de cores;
* ângulos de visão criticamente pequenos;
* contraste muito baixo.
Devido ao baixo custo da tecnologia, a maioria dos monitores LCD produzidos hoje com a diagonal de 17 polegadas mais popular é feita com base em filme TN +. Mas, em geral, para um usuário que não exige muito da qualidade da imagem, não há nada com que se preocupar, já que as telas produzidas com base nessa tecnologia são bastante adequadas para o trabalho diário.
Foi baseado na descoberta de Gunther Baur, feita por ele em 1971. Inicialmente, a tecnologia desenvolvida foi denominada Super-TFT, mas posteriormente, durante a comercialização, passou a ser denominada IPS (In-Plane Switching). Uma característica distintiva da nova tecnologia da TN era a disposição dos cristais: agora eles não eram torcidos em espiral, mas colocados paralelos entre si ao longo do plano da tela.Ambos os eletrodos estão localizados no substrato de vidro inferior. Assim, na ausência de tensão nos eletrodos, a luz não passa pelo segundo filtro de polarização, cujo plano de polarização é perpendicular ao primeiro e, como resultado, IPS fornece contraste significativamente melhor e cor preta natural (e não cinza escuro como em TN). Além disso, os ângulos de visão também aumentaram e agora são 170 ° tanto horizontal quanto verticalmente.
No entanto, nem tudo é tão “doce” com IPS. A tecnologia recém-criada também apresenta desvantagens devido às suas vantagens.
Primeiro, leva muito tempo para girar toda a matriz de cristais paralelos. Isso significa que o tempo de resposta para telas com tecnologia IPS, bem como sua continuação evolutiva S-IPS (Super-IPS) e DD-IPS (DualDomain-IPS), é superior ao do filme TN + e em média 35-25 ms .
Em segundo lugar, os monitores baseados em matrizes IPS aumentaram o consumo de energia. Isso se deve ao arranjo dos eletrodos, que agora se encaixam em um substrato e requerem uma tensão correspondentemente mais alta.
Em terceiro lugar, para "iluminar" suficientemente este painel e, ao mesmo tempo, garantir brilho suficiente da imagem de pixel, lâmpadas muito potentes são necessárias.
Talvez o mais importante, esses painéis são muito mais caros e, não faz muito tempo, eles só podiam ser encontrados em monitores com grandes diagonais.
Como resultado, os monitores baseados em matrizes com tecnologia IPS são a escolha ideal para designers e outros profissionais em áreas onde a qualidade da cor é importante e a velocidade de troca de células não é tão significativa.
No início da década de 90 do século passado, finalmente ficou claro que não era racional lidar com as deficiências do filme TN +, e aumentar a velocidade do S-IPS era completamente irreal. Portanto, a Fujitsu em 1996 começou a desenvolver uma nova tecnologia chamada VA (Vertical Alignment). Mas essa tecnologia não podia ser usada para fins comerciais e, como resultado de seu refinamento, nasceu o MVA (Multi-Domain Vertical Alignment).
Nas novas matrizes, como no IPS, os cristais estão localizados paralelos entre si e formam um ângulo especial de 90 ° em relação ao segundo filtro, de forma que o fluxo de luz não passa pelo segundo e é totalmente absorvido pelo isto. Como resultado, obtemos um ponto preto na tela. Girando os cristais aplicando voltagem, obtemos um pixel luminoso (branco).
O MVA foi desenvolvido para combater as deficiências das primeiras matrizes VA, cuja essência era a mudança brusca na cor da célula ao mudar o ângulo de visão horizontal. Para uma compreensão mais clara desse fenômeno, imagine que os cristais são girados 45 ° e apresentam uma cor vermelha clara. Movendo para o lado, aumentamos o ângulo de visão e vemos uma cor vermelha já mais saturada. Passando para o outro lado, veremos como a cor vai para a parte oposta do espectro e se torna verde. A solução para o problema com a ajuda do MVA está na complicação significativa dos filtros polarizadores. Além disso, triângulos peculiares começaram a ser aplicados ao substrato de vidro, ao contrário dos típicos eletrodos planos usados até então em outros tipos de matrizes.
Com a corrente desligada, tudo é simples - os cristais se alinham perpendicularmente ao substrato e são escurecidos pelo segundo filtro polarizador para que a cor preta fique visível de todos os lados. Quando a corrente está ligada, os cristais são girados no ângulo necessário, alterando a voltagem aplicada e o vetor de polarização da luz é alterado. Mas toda a dificuldade é que esse ângulo fica entre o plano do eletrodo e o cristal. E para ver a cor não distorcida, somos forçados a olhar em um ângulo para que possamos ver apenas uma zona na qual os cristais estão localizados na posição correta. Neste caso, a segunda zona não estará visível.
Como você entende, tal solução complica muito o design dos filtros polarizadores e dos próprios painéis, já que agora cada ponto na tela deve ser duplicado para duas zonas.
O MVA também não é perfeito e tem suas desvantagens. Por exemplo, a nova tecnologia nunca foi capaz de atingir TN em termos de tempo de resposta. Ao mesmo tempo, essa característica em MVA não é mais tão crítica quanto em matrizes IPS e é de cerca de 8 ms. O contraste e o brilho também são significativamente melhores do que S-IPS, atingindo a proporção de 1000: 1. A renderização de cores de matrizes MVA é um cruzamento entre indicadores TN extremamente insatisfatórios e super alta qualidade em matrizes S-IPS (ideal para trabalho sério com impressão e design).
A tecnologia MVA continuou na forma de uma tecnologia chamada PVA, desenvolvida pela Samsung, que não foi mesquinha ao concordar em pagar royalties à Fujitsu. Mas nenhuma mudança fundamental ocorreu. A única diferença significativa foi o aumento do contraste, o que, aliás, também é um resultado positivo para os consumidores.
Comparação dos principais tipos de matrizes LCD
Parâmetros do monitor LCD
Ao escolher um monitor, muitos usuários acreditam erroneamente que o tempo de resposta da célula é uma das métricas mais importantes e, portanto, o filme TN + domina os relatórios de vendas. No entanto, isso está longe de ser o caso, e a maioria dos compradores se engana ao levar em consideração apenas uma característica. Ao escolher um modelo de monitor específico, recomendamos uma abordagem abrangente comparando todas as características do monitor.
Tempo de resposta (reação)
Tempo de reação (medido em milissegundos (ms)) - determina a taxa de mudança dos estados das células da tela, ou seja, o tempo durante o qual a célula do painel de cristal líquido muda de cor, o que afeta a renderização de imagens dinâmicas (filmes, jogos). Este indicador é medido de duas maneiras: como o tempo de transição do preto para o branco e vice-versa (preto para o preto ou tr + tf) e entre a escala de cinza (cinza para cinza ou G-2-G). Os valores do mesmo monitor para esses dois métodos serão muito diferentes (2-3 vezes). Vamos considerar essas técnicas com mais detalhes.
A segunda técnica mede a taxa de mudança na escala de cinza aplicando uma voltagem muito mais baixa à célula para posicionar o cristal na posição desejada para obter a escala de cinza desejada. Como resultado, muito mais tempo é gasto. Os tempos de resposta para a segunda técnica variam dentro de 16 ms - até 27-28 ms.
Não faz muito tempo, surgiram os primeiros modelos de monitores em que esse problema encontrou uma solução completamente lógica. A essência da ideia é fornecer uma voltagem alternada. A voltagem máxima (ou nenhuma) é aplicada à célula e, no momento certo, a voltagem necessária para colocar o cristal em uma determinada posição é fornecida instantaneamente. A complexidade deste processo reside no cálculo muito preciso da tensão necessária com uma frequência que excede a frequência de varredura, bem como o tempo de seu fornecimento.
Dependendo dos resultados do indicador, o tempo de resposta hoje todos os monitores são convencionalmente divididos em 4 grupos: Menos de 4 ms - monitores muito rápidos; 5-8 ms - monitores rápidos; 12-18 ms - modelos universais médios; 20 ms ou mais - monitores não destinados a gráficos dinâmicos.
Contraste
Este indicador caracteriza a proporção máxima do brilho das cores branco para preto da matriz com a mesma intensidade de luz de fundo. Em outras palavras, quanto mais o branco é superexposto e quanto menor o brilho do preto, maior o contraste. Quanto maior o contraste, mais brilhantes são as cores e a imagem parece mais nítida e rica. Este indicador é medido na proporção do branco para o preto e nas características dos monitores é o seguinte, por exemplo: 800: 1, ou seja, brilho da matriz branca - 800 cd / m², preto - 1 cd / m². Relações de contraste de 3000: 1 já estão disponíveis.
Porém, os valores indicados nas características do monitor devem ser acreditados com uma pequena correção, uma vez que este valor é calculado diretamente para a matriz, não para o monitor. As medições são feitas em um estande especial, onde a retroiluminação da matriz é alimentada por uma tensão estritamente padrão.
Brilho
A luminância é medida em cd / m² (cd / m²). Ele determina o brilho da imagem transmitida, a saturação da imagem em jogos e assistir vídeos. Quanto maior for a potência da luz de fundo, maior será o brilho. Hoje, a maioria dos monitores usa retroiluminação LED, que é capaz de fornecer melhor uniformidade do brilho, e também consumir um mínimo de eletricidade permite que você use ativamente algoritmos para aumentar o contraste dinâmico.
Ângulos de visão
Medido em graus. Os valores máximos que podem ser encontrados hoje são 178 ° / 178 °. Deve-se ter em mente que os ângulos são determinados no centro da matriz e inicialmente olhamos os cantos em ângulo. Para um trabalho confortável, o contraste da imagem não deve ser inferior a 10: 1. Nesse caso, a reprodução de cores desempenha o último papel nesta posição, mesmo se as cores estiverem distorcidas.
Renderização de cores
Antes que o limite de 25ms fosse excedido ao trocar de células usando a técnica preto-branco-preto, todas as matrizes TN exibiam uma cor honesta de 24 bits. No entanto, na corrida das velocidades, a renderização de cores foi vítima da AU Optronics, que decidiu abandonar a cor honesta de 24 bits. Todas as matrizes de filme TN +, começando com uma velocidade de 16 ms, fornecem apenas 262 mil tons (18 bits).
Para aumentar o número de tonalidades possíveis, 2 métodos foram inventados: pontilhamento (misturar pontos com cores diferentes) ou alterar as cores das células sempre que a imagem for atualizada (Controle de taxa de quadros, FRC). O último método é mais progressivo, pois a taxa de quadros não permite que o olho humano capte a mudança de cor em cada quadro. Mas devemos fazer uma reserva de que isso se aplica apenas ao filme TN +. Outros tipos de matriz suportam reprodução total de cores de 24 bits
Perspectivas
Apesar de todos os avanços no campo das matrizes de cristal líquido, seu aperfeiçoamento não parou. Os desenvolvedores de novas tecnologias precisam resolver cada vez mais novos problemas. Portanto, quando a diagonal das telas aumenta, surgem problemas com a colocação de um grande número de transistores no painel de vidro. Tendo feito alguns cálculos complicados, descobrimos que para uma resolução padrão de um monitor de 15 polegadas (1024x768 pixels) é necessário colocar 786.432 pixels na tela. Considerando que cada ponto é formado por 3 pixels de cores diferentes, obtemos um número da ordem de 2,35 milhões, este é o número de transistores que precisam ser colocados em um monitor desta resolução e diagonal.
Obter essa densidade no vidro não é uma tarefa fácil. Portanto, os projetistas precisam encontrar novos materiais e métodos para fabricar transistores. Uma dessas soluções foi o uso de silício cristalino para criar transistores, que até recentemente eram produzidos em silício amorfo e eram limitados em área útil, e também exigiam valores de voltagem bastante elevados.
A dificuldade de se usar o silício cristalino é que para sua deposição são necessárias altas temperaturas (cerca de 900 ° C), que ultrapassam o ponto de fusão do vidro. Para resolver este problema, várias tecnologias têm sido desenvolvidas que permitem a deposição de moléculas de silício a uma temperatura relativamente baixa. O método mais amplamente utilizado é o recozimento a laser. Este método é baseado na fusão de silício amorfo depositado em um substrato de vidro com um excimer laser.
A mobilidade do elétron no silício cristalino é 400 (!) Vezes maior do que no silício amorfo, o que permite reduzir o tamanho do próprio transistor. Além disso, a estrutura cristalina do silício permite que a lógica do driver do painel seja colocada diretamente no próprio cristal.Como resultado, obtemos painéis System on Panel, com um número reduzido de contactos de 4000 a 200 e significativamente menos peso que os tradicionais, que são muito mais fáceis de integrar num monitor, todas estas vantagens reduzem significativamente o consumo de energia eléctrica do painel.
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