COMO FUNCIONAN LOS CRISTALES LCD DE UN TV

Algo de Historia sobre los Cristales LCD

La primera descripción de los Cristales LCD en un panel de cristal líquido fue formulada por Heilmeier en 1968. Se basaba en el fenómeno de dispersión dinámica, por el cual la aplicación de una corriente eléctrica a un cristal líquido nemático causaba la división del material en dominios de ejes aleatorios. Al ser estos dominios ópticamente asimétricos, dispersan la luz, volviéndose opacos Esto presentaba un potencial para la creación de paneles electrónicos, aunque quedaba por solventar el problema que presentaba el alto voltaje de saturación en relación al voltaje umbral para el cambio, punto que hacia impracticable el direccionamiento x-y en matrices muy grandes.

matriz pasiva

En 1971, Schadt y Helfrich describieron un nuevo tipo de panel de cristal líquido, los Twisted Nematic (o Nematico retorcido). Este tipo de panel es todavía el dominante en las aplicaciones tecnológicas de hoy en día y permite la creación de paneles con direccionamiento de celdas x-y.

Sin embargo, esta primera implementación de los paneles TN (Twisted Nematics) adolecía de un problema de contraste para matrices de más de diez filas, problema por el cual la relación entre el voltaje de selección y el voltaje de no selección causa que a mayor número de filas aparezcan celdas “parcialmente seleccionadas”, reduciendo la resolución. Este problema recibió un tratamiento general por Alt y Pleshko en 1974, que describieron la relación del voltaje de selección de un punto de una matriz en relación al número de filas multiplexadas. De esta manera, se obtuvo una relación directa entre el número de filas multiplexadas y el contraste del panel.

Se realizaron grandes esfuerzos de investigación durante las décadas de los 70 y 80 para crear paneles de muchas filas que permitieran un contraste suficiente. En 1983 Y. Ishii, S. Kozaki, F. Funada, M. Matsumura y T. Wada consiguieron contrastes con una relación mayor a 10:1 (relación entre voltaje de selección y no selección).

En 1984, cuando se creía que no se podía avanzar más con los paneles TN, la investigación recibió un fuerte impulso con la aparición de los paneles de Supertwisted Birefringent Effect (Efecto Súper retorcido Birrefringente o SBE). En estos paneles se consigue una relación entre transmisión y voltaje que lo convierte en un biestable, ofreciendo paneles de más de cien filas con un gran contraste. Desgraciadamente, la fabricación de dichos paneles es cara y complicada.

El concepto de SBE se usó posteriormente en los paneles Supertwisted Nematic (Nemático Súper retorcido o STN). Estos paneles de fabricación más barata, ofrecen paneles con una buena relación T-V (transmisión-voltaje) si bien el contraste decae rápidamente en función del ángulo de visión.

TFT
A principios de los años 60, P.K. Weimer describió dispositivos que usaban CdS (Cadmium Sulfide o Sulfuro de Cadmio) como material activo (concepto que ya se formuló en los años 30), lo que planteaba las bases de los Thin-Film transistors (Transistores de película plana o TFT). Esta tecnología (descrita más adelante) se pensó en un principio como una alternativa de bajo coste a los transistores de cristal único. Pronto se descubrió que adolecían de bajas velocidades de cambio de estado y de estabilidad. Desde entonces se han usado varios materiales activos tales como el CdSe (Selenido de Cadmio), Te (Teluro), polySi (Polisilicio), a-Si (Silicio amorfo), a-Ge (Germanio amorfo), etc. Entre estos, los más usados han sido el a-Si y el polySi.

tft

Esquema de un transistor TFT

El gran salto en la investigación en la tecnología TFT se dio con las investigaciones de LeComber y su equipo que en 1979 describieron las características de un TFT de a-Si que encajaban perfectamente con los requerimientos de celdas de cristal líquido, con una tensión de estado OFF muy baja y relaciones de ON/OFF muy buenas, sentando así las bases para los paneles TFT-LCD modernos. Es más, los circuitos TFT de a-Si se pueden fabricar a bajas temperaturas (250-350ºC), lo que permite el uso de sustratos de vidrio baratos, posibilitando así la fabricación a gran escala.

CRISTALES LÍQUIDOS (Fundamentos Físicos)

Las moléculas de un LC (Liquid Crystal o cristal líquido) poseen una estructura molecular complicada y suelen tener por lo general forma de barra aplanada o de disco. Los átomos que la componen se sitúan a lo largo del eje de la molécula (en el caso de las “barras”) o en el plano definido por la misma (en elcaso de los “discos”):

Moléculas CL

Distribución atómica en moléculas de cristal líquido.

Estas propiedades tienen una importancia capital en el comportamiento de los LC.

Se dice que un LC es un material anisotrópico. Las moléculas de un cristal líquido están orientadas a lo largo de un mismo eje o director. El nivel de orden y posicionamiento de las mismas determina la fase del LC. Cuanto mayor sea el alineamiento con el director, más anisotrópico será el material, y cuanto menos alineamiento exista, más isotrópico será, siendo en su extremo un líquido.
En función del ordenamiento de las moléculas, podemos distinguir tres tipos (o fases) de LC: nemáticos, esmécticos y colestéricos.

Nemáticos

nemática

Disposición de las moléculas en una fase nemática

La fase nemática se caracteriza por mostrar un orden en la orientación de sus moléculas y un desorden en la posición de los centros de masas de las mismas. De esta manera, el movimiento de las mismas esta limitado a la rotación alrededor del eje común, movimiento lateral o deslizamiento paralelo al citado eje.

Esmécticos

esmectica

Disposición de las moléculas en una fase esméctica

Al igual que la fase nemática, la fase esméctica presenta ordenación en sus moléculas, pero esta es mucho mayor. Se ordenan en capas planas y paralelas entre sí, a la manera de “pisos”.

Esta ordenación es la que se da en las pompas de jabón, de ahí el nombre esméctico, que en griego quiere decir jabón.

Colestéricos

coleresterica

Estructura por capas de una fase colestérica

Los LC colestéricos presentan ordenación por capas al igual que en caso anterior aunque con una diferencia fundamental: los ejes moleculares se orientan paralelamente al plano de la capa. De esta manera, cada capa presenta una orientación longitudinal de sus moléculas.
Debido a la estructura molecular, existe una diferencia de ángulo entre las orientaciones longitudinales de las capas, de manera que eje de orientación describe una trayectoria helicoidal al pasar de un plano a otro.

Polarización y efecto Freedericksz

Como hemos visto, las disposición molecular de los LC forma un eje de orientación de las mismas. Este eje, al que nos hemos referido como director (conocido como eje óptico), determina una serie de propiedades ópticas de los LC .
De esta manera, al incidir luz blanca sobre un LC con determinado ángulo respecto al eje óptico, se obtendrá luz de color (color que será función del ángulo antes descrito). Una gran ventaja que presentan los LC es la posibilidad, debido a la debilidad de la fuerzas de interacción molecular, de modificar a voluntad la orientación del eje óptico.

Polarización
Al igual que los LC, ciertos cristales sólidos poseen un eje óptico que les confieren una serie de propiedades de aplicación tecnológica. De uso en los paneles LCD son los polarizadores.

La luz, como onda electromagnética, esta compuesta de un campo eléctrico y un campo magnético que oscilan transversalmente a la dirección de propagación de la misma. En un rayo de luz natural, las diferentes ondas que lo componen (al oscilar a diferentes longitudes y fases) provocan que no haya una dirección determinada del campo eléctrico resultante. Se dice en este caso que la luz no esta polarizada.
Pues bien, los polarizadores “filtran” la luz de manera que solo dejan pasar aquellas ondas que se correspondan con ángulo especifico de vibración. La luz que pasa al otro lado es luz polarizada y sólo contendrá ondas de un determinado ángulo.

polarizadores

Ejemplos de polarización

Efecto Freedericksz
Al ser las moléculas de un LC dipolos eléctricos, la aplicación de un campo eléctrico externo provoca cambios en el material. El primer fenómeno observado de esta índole es el efecto Freedericksz (descubierto en 1943 por el científico ruso de mismo nombre), por el cual al aplicar un campo eléctrico a un LC nemático, las moléculas del mismo orientan su eje principal (o largo) paralelamente o perpendicularmente al campo aplicado en función de si el momento bipolar de la misma esta orientado en la dirección del eje principal o no. Al tratarse de un LC, la reorientación de unas moléculas “empujan” a las demás, aún aplicando un campo eléctrico pequeño, de manera que todas quedas orientadas en la misma dirección, cambiando así el eje óptico.

Freedericksz

Efecto Freedericksz

Fundamentos tecnológicos

La pieza clave en esta tecnología, la que permite la existencia de la misma, son los LC y en particular la fase nemática, que al ser más “desordenada” es la que permite una mayor manipulación del eje óptico.

El fundamento básico de los LCD consiste en una fina capa de LC (por lo general nemático) entre dos placas de vidrio unidas a sendos polarizadores. El la parte inferior se sitúa una fuente de luz que puede ser un simple espejo (en el caso de los LCD’s reflectivos), una fuente activa como pueda ser un halógeno (en el caso de los LCD’s transmisivos) o una combinación de ambos (en el caso de los LCD’s transreflectivos). Podemos distinguir las siguientes arquitecturas de LCD: Twisted Nematics, Supertwisted Birifrengent Effect, Super Twisted Nematics y Dual Super Twisted Nematics.

Direccionamiento

Hemos visto como funciona una celda (o píxel) LCD, pero no sabemos como funciona un panel entero, esto es, como hacer que se “enciendan” y se “apaguen” los diferentes componentes. El uso de comillas es intencionado ya que, como veremos en el siguiente apartado, los elementos de un LCD no emiten luz, sólo dejan o no que pase esta.

Directo

Direc_directoEl método de direccionamiento más sencillo y en principio simple es el de direccionamiento directo, cada elemento del panel tiene unas conexiones que regulan su tensión individualmente. Este método es apropiado para LCD de pocos elementos, como pueda ser una calculadora o un reloj digital.

Sin embargo, resulta impracticable para paneles con más elementos, como puedan ser matrices, al complicarse en gran manera el cableado de los elementos.

Matriz pasiva

matriz pasiva

Esquema del funcionamiento de una matriz pasiva

Como hemos visto, el direccionamiento directo cuando los elemento se multiplican resulta difícil y poco eficiente. Para solventar este problema, se implementa una matriz pasiva, que consiste en unas filas de electrodos transparentes situados por encima y debajo de la capa LCD.

Cada capa de electrodos esta situada perpendicularmente con respecto a la otra, de manera que cada fila de una capa se “intersecta” con la otra en un píxel LCD.

Los píxeles se activan enviando un impulso de control a toda una fila y se suma o resta el voltaje de una columna. Si el voltaje resultante es suficiente, el píxel se activa, volviéndose opaco. El píxel tiene un corto tiempo de carga en el cual se vuelve opaco. Al eliminar la tensión, el LC actual como un condensador en descarga, tardando un tiempo en volverse transparente. Transmitiendo estos impulsos a un ratio adecuado (normalmente 60hz) se consigue el efecto de permanencia (al igual que un CRT).

Este tipo de direccionamiento tiene la desventaja que a mayor densidad de filas y columnas, se crea un efecto campo que activa parcialmente los píxeles circundantes a uno activo, creando un efecto de “imagen fantasma”. Otro problema reside en el tiempo de descarga de las celdas, que ante cambios muy rápidos (como el movimiento de un puntero), se produzca un efecto de “rastro”.

Matriz activa

matriz activa

Esquema del funcionamiento de una matriz activa

Si bien en una matriz pasiva el direccionamiento se produce por el cruce de tensiones por encima y debajo del LC, en una matriz activa el direccionamiento se produce por completo por debajo del LC, estando la parte superior cubierta con un electrodo continuo. El direccionamiento se produce mediante una matriz de TFT o LED, donde cada semiconductor direcciona un píxel.

En estas matrices, los transistores se pueden activar individualmente, provocando el efecto Freedericksz en cada píxel sin afectar a los circundantes. Este tipo de matrices no sufren las limitaciones de las pasivas (efecto fantasma y rastro), pero requieren una retroiluminación mayor ya que el TFT no es muy transparente y absorbe parte de la luz.

Iluminación

Un píxel de LC se activa y desactiva e incluso se activa “parcialmente” (graduando el voltaje aplicado entre el estado ON y el estado OFF), este no puede generar luz por si mismo, sólo deja pasar la luz o no. Para poder ver la actividad de un píxel es necesaria una fuente de luz, que se sitúa en la parte posterior del LCD. En los LCD actuales distinguimos tres tipos de iluminación: reflectiva, transmisiva y transreflexiva.

Reflectivo
Es el más sencillo de los métodos de iluminación y el más usado en los paneles más simples, como puedan ser los de calculadoras o relojes. Consiste en la colocación de un espejo o superficie reflectante, de esta manera la luz que nos permite ver el panel es producto de la reflexión de la luz ambiente en el fondo del LCD. Tiene la ventaja de no necesitar una fuente de tensión y por tanto no influye en el consumo del aparato. Como desventaja, depende fuertemente de la luz ambiental y del ángulo de incidencia de la misma.

Transmisivo
La iluminación transmisiva es la usada en los paneles LCD modernos. Consiste en colocar una fuente de luz blanca (un halógeno o un LED) en la parte posterior del LCD. Proporciona un buen contraste y definición independientemente de la luz ambiente. La fuente de luz ha de ser muy homogénea, si no, pueden aparecer sombras que desvirtúen la imagen y el color.

Transreflectivo
El método Transreflectivo es una combinación de los dos anteriores. Incorpora una capa reflectiva pero también una fuente de luz que puede estar tanto detrás del reflector (teniendo este un cierto grado de transparencia) como bordeando la capa de LC (y aprovechando así el reflector). Ejemplos de este uso son las pantallas iluminadas de los teléfonos móviles o de ciertas consolas portátiles (como la GameBoy Advance SP).

GENERACIÓN DEL COLOR

El último paso que nos queda por explicar es la generación del color. Hemos visto como que un píxel LC no solo se “enciende” y “apaga” si no que también puede adquirir valores intermedios dando lugar a una escala de grises. Si bien los elementos LC presentan propiedades ópticas como la difracción que dan lugar a colores, estas no son adecuadas (por el poco control que se puede ejercer sobre las mismas) para la generación del color.

Teoría del color

Para poder generar color en LCD, se recurre a la teoría del color y a formulas y usadas en otras tecnologías de representación.

Como ya sabemos, la luz blanca es la suma de todas las longitudes de onda que la componen, esto es, de los diferentes colores. Por tanto, al “sumar” colores obtenemos luz blanca. Es lo que se dice la teoría aditiva del color. Bastan tres colores primarios (rojo, verde y azul) para que mediante la combinación de diferentes intensidades de los mismos obtengamos todo el espectro de colores. Esta es la manera en la que se generan los colores en los monitores CRT, cuando un haz de electrones incide sobre un fósforo de uno de estos tres colores. Cuando se iluminan tres elementos consecutivos RGB (Red, Green, Blue) a diferentes intensidades, obtenemos un píxel de color.

Pues bien, en los LCD’s se aplica exactamente el mismo principio, salvo que lo que se “ilumina” para cada color primario es un píxel LC. Delante de cada uno de esto se halla un filtro de color que “colorea” (valga la redundancia) la cantidad de luz que ha dejado pasar el píxel LC. La combinación de tres píxeles da como resultado un píxel de color.

En un panel de matriz activa, esto implica que para cada subpíxel hace falta un LED. Si tomamos como ejemplo un monitor que tiene una resolución de 1280×1024, esto representa un total de 3.932.160 LED que son direccionados individualmente.

Máscaras de color

Para la generación del color se emplean tres tipos de máscaras de color diferentes: por tiras, de mosaico y en delta.

Tiras

Los subpíxeles se ordenan por filas en una disposición RGB, de manera que los colores están agrupados por columnas. Son de fabricación y diseño muy simples, presentando una mezcla de color pobre y de poca resolución.

Mascara tiras

Máscara de color por tiras

Mosaico
Se distribuyen los subpíxeles de cada color en diagonal por la matriz, de manera que un subpíxel de un color esta rodeado a derecha e izquierda y por encima y por debajo de subpíxeles de color diferente. El diseño de la matriz es simple, pero su fabricación es complicada. Presentan un buen comportamiento general de mezcla de color y resolución.

Mascara mosaicos

Máscara de color de mosaico

Delta
Los subpíxeles se agrupan en filas en una disposición RGB, pero con la particularidad que cada fila esta desplazada lateralmente medio subpíxel con respecto a la superior. De esta manera, cada subpíxel se halla en el centro de un hexágono cuyos vértices ocupan subpíxeles de color diferente al suyo. El diseño y fabricación de la matriz son complicados, pero es el que ofrece mejores características de color y resolución.

Mascara delta

Máscara de color en delta

OLED (Organic Light Emitting Diode)

La tecnología OLED, desarrollada por los laboratorios Kodak es la siguiente frontera en las tecnologías de representación.
Esta tecnología se basa en los estudios de C.W. Tang y S.A. Van Slyke de compuestos orgánicos que actúan como diodos electro luminiscentes, de manera que en aplicación de un campo eléctrico, estos compuestos emiten luz.
A diferencia de la tecnología LCD, que es “pasiva” en cuanto a luz se refiere (necesita de fuentes externas de luz), la tecnología OLED es “activa”, esto es, cada elemento de la misma es emisor de luz. Esto presenta una serie de ventajas tales como un contraste y color difícilmente igualados incluso por tecnologías CRT como un bajo consumo, la capacidad de incorporarlos a polímeros blandos (obteniendo así paneles enrollables, por ejemplo) como de conseguir transparencias (imprescindible para los sistemas emergentes de “visualización enriquecida”, por los cuales se “añade” información a lo que esta observando el usuario).