Secretos de los monitores LCD modernos. Tipos de adaptadores de vídeo ¿En qué consiste la pantalla LCD?

Hay tres opciones principales para implementar tarjetas gráficas:

Tarjetas de expansión. En este caso se supone que se utilizarán tarjetas de expansión independientes con interfaz PCI Express, AGP o PCI. Esto garantiza el máximo rendimiento, una gran capacidad de memoria y compatibilidad con la mayor cantidad de funciones.

Chipset con núcleo gráfico integrado. Estas son las soluciones más asequibles, pero su rendimiento es muy bajo, especialmente cuando se ejecutan juegos 3D y otras aplicaciones con uso intensivo de gráficos. Esto también proporciona resoluciones y frecuencias de actualización más bajas que cuando se usan tarjetas de expansión. Los chipsets integrados más comunes se encuentran en los modelos de portátiles económicos, así como en algunos de sus modelos de gama media;

Procesador con núcleo gráfico integrado (Intel).

Por regla general, los ordenadores de sobremesa que utilizan placas base microATX, FlexATX, microBTX, PicoBTX o MiniITX están equipados con un núcleo gráfico integrado en el chipset fabricado por Intel, VIA Technology, SiS, etc.

Conectores de tarjeta de video

Los adaptadores de vídeo MDA, Hercules, CGA y EGA estaban equipados con un conector D-Sub de 9 pines. Ocasionalmente, también estaba presente un conector de vídeo compuesto coaxial, que permitía enviar una imagen en blanco y negro a un receptor de televisión o monitor equipado con una entrada de vídeo de baja frecuencia.

Conector D-Sub analógico

Los adaptadores de vídeo VGA y posteriores normalmente tenían un solo conector VGA (D-Sub de 15 pines). Ocasionalmente, las primeras versiones de los adaptadores VGA también tenían un conector de generación anterior (9 pines) para compatibilidad con monitores más antiguos. La elección de la salida de trabajo se realizó mediante interruptores en la placa adaptadora de video.

DVI es una interfaz estándar relativamente nueva que se utiliza más comúnmente para la salida de vídeo digital. El puerto DVI viene en dos variedades. DVI-I también incluye señales analógicas que le permiten conectar un monitor VGA mediante un adaptador D-SUB. DVI-D no lo permite.

Conector DVI (variaciones: DVI-I y DVI-D)

Recientemente, se ha generalizado una nueva interfaz doméstica: la interfaz multimedia de alta definición. Este estándar proporciona transmisión simultánea de información visual y de audio a través de un solo cable, está diseñado para televisión y cine, pero los usuarios de PC también pueden usarlo para generar datos de video mediante un conector HDMI. HDMI permite transmitir audio y vídeo protegidos contra copia en formato digital a través de un solo cable; la primera versión del estándar se basó en un ancho de banda de 5 Gb/s, y HDMI 1.3 amplió este límite a 10,2 Gb/s.

Conector HDMI

DisplayPort es una interfaz de vídeo digital relativamente nueva, cuya primera versión fue adoptada por VESA (Video Electronics Standards Association) en la primavera de 2006. Define una nueva interfaz digital universal, libre de licencia y libre de regalías, diseñada para conectar computadoras y monitores, así como otros equipos multimedia.

Dispay Port le permite conectar hasta cuatro dispositivos, incluidos parlantes, concentradores USB y otros dispositivos de entrada/salida. Admite hasta cuatro líneas de datos, cada una de las cuales puede transmitir 1,62 o 2,7 gigabits/s. Admite modos con profundidades de color de 6 a 16 bits por canal de color

Los puertos DVI y HDMI son etapas evolutivas en el desarrollo del estándar de transmisión de señales de vídeo, por lo que se pueden utilizar adaptadores para conectar dispositivos con este tipo de puertos.

La tarjeta de video también puede acomodar entradas y salidas de video compuesto y S-Video.

Conector compuesto

Conectores S-Video de 4 y 7 pines

Arroz. 28 – Conjunto de conectores para la tarjeta de video Palit GeForce GTS 450 Sonic 1Gb DDR5 128bit PCI-E (2xDVI, 1 D-Sub, 1 miniHDMI)

Se acostumbra distinguir tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Pero algunas sustancias orgánicas, cuando se funden en una determinada fase, exhiben propiedades inherentes tanto a los cristales como a los líquidos. Habiendo adquirido la fluidez característica de los líquidos, en esta fase no pierden el orden de moléculas característico de los cristales sólidos. Esta fase bien puede denominarse el cuarto estado de agregación. Es cierto que no debemos olvidar que sólo algunas sustancias lo tienen y sólo en un determinado rango de temperatura.

La orientación espacial de las moléculas de cristal líquido en la llamada posición de reposo se denomina orden del cristal líquido. Según la clasificación de Friedel, existen tres categorías principales de orden de AF: esméctico, nemático y colestérico (Fig. 1).

Las LC esmécticas son las más ordenadas y tienen una estructura más cercana a los cristales sólidos ordinarios. Además de la simple orientación mutua de las moléculas, también tienen su división en planos.

La dirección de orientación preferencial de los ejes largos de las moléculas en los cristales líquidos está indicada por un vector de longitud unitaria, llamado director.

El principal interés son los materiales de orden nemático, que se utilizan en los modernos paneles de cristal líquido de todo tipo (TN, IPS y VA). En nemática, el estado normal es la posición de moléculas con una orientación molecular ordenada en todo el volumen, característica de los cristales, pero con una posición caótica de sus centros de gravedad, característica de los líquidos. Las moléculas en ellos están orientadas relativamente paralelas y a lo largo del eje director se desplazan a diferentes distancias.

Los cristales líquidos con estructura de orden colestérico se parecen a los nemáticos, divididos en capas. Las moléculas en cada capa posterior giran con respecto a la anterior en un cierto ángulo pequeño y el director gira suavemente en espiral. Esta naturaleza estratificada, formada por la actividad óptica de las moléculas, es la característica principal del orden colestérico. A los colestéricos a veces se les llama "nemáticos retorcidos".

El límite entre los órdenes nemático y colestérico es algo arbitrario. El orden colestérico se puede obtener no solo a partir del material colestérico en su forma pura, sino también agregando al material nemático aditivos especiales que contienen moléculas quirales (ópticamente activas). Estas moléculas contienen un átomo de carbono asimétrico y, a diferencia de las moléculas nemáticas, son asimétricas en espejo.

El orden en los cristales líquidos está determinado por las fuerzas intermoleculares, que crean la elasticidad del material LC. Sí, aquí podemos hablar específicamente de propiedades elásticas, aunque su naturaleza es diferente a las propiedades elásticas de los cristales ordinarios, ya que los cristales líquidos aún tienen fluidez. En el estado normal (o fundamental), las moléculas tienden a volver a su "posición de reposo", por ejemplo en un material nemático a una posición con la misma orientación directora.

La elasticidad de los LC es varios órdenes de magnitud menor que la elasticidad de los cristales convencionales y brinda una oportunidad completamente única de controlar su posición mediante influencias externas. Una influencia de este tipo puede ser, por ejemplo, un campo eléctrico.

Ahora echemos un vistazo más de cerca a cómo este campo puede influir en la orientación de las moléculas.

Tomemos una muestra formada por dos placas de vidrio, cuyo espacio entre ellas está relleno con un material nemático. La distancia entre las placas superior e inferior y, en consecuencia, el espesor de la capa de cristal líquido es de varias micras. Para establecer la orientación deseada del director de moléculas en el material, se utiliza un tratamiento especial de la superficie del sustrato. Para hacer esto, se aplica una capa delgada de polímero transparente a la superficie, después de lo cual se le da un relieve a la superficie mediante un frotamiento especial (frotamiento): las ranuras más finas en una dirección. Las moléculas de cristal alargadas de la capa en contacto directo con la superficie están orientadas a lo largo del relieve. Las fuerzas intermoleculares obligan a todas las demás moléculas a adoptar la misma orientación.

La disposición ordenada de las moléculas de cristal líquido determina la anisotropía de algunas de sus propiedades físicas (permítanme recordarles que la anisotropía es la dependencia de las propiedades de un medio de la dirección en el espacio). Los líquidos, con su disposición aleatoria de moléculas, son isotrópicos. Pero los cristales líquidos ya tienen anisotropía, que es una cualidad importante que les permite influir en las características de la luz que los atraviesa.

La anisotropía de la constante dieléctrica se utiliza para controlar la posición de las moléculas. Representa la diferencia

Δε = ε || + ε ⊥ donde ε || constante dieléctrica en la dirección paralela al vector director, ε ⊥ constante dieléctrica en la dirección perpendicular al vector director. El valor de Δε puede ser positivo o negativo.

Tomemos una muestra formada por dos placas de vidrio con una distancia de varias micras entre ellas, rellenas con un material nemático y selladas. Para fijar la orientación deseada del director de moléculas en el material, se utiliza un tratamiento especial de la superficie del sustrato, para ello se aplica una fina capa de polímero transparente a la superficie, luego de lo cual se le da un relieve a la superficie. mediante frotamiento especial: ranuras delgadas en una dirección. Las moléculas alargadas de cristales en la capa en contacto directo con la superficie están orientadas a lo largo del relieve y las fuerzas intermoleculares obligan a todas las demás moléculas a adoptar la misma orientación. Si se crea un campo eléctrico en la muestra, la energía de los cristales líquidos en este campo dependerá de la posición de las moléculas con respecto a la dirección del campo. Si la posición de las moléculas no corresponde a la energía mínima, girarán en el ángulo apropiado. En un material con una constante dieléctrica positiva (anisotropía dieléctrica positiva), las moléculas tenderán a girar en la dirección del campo eléctrico, en un material con una anisotropía dieléctrica negativa, en la dirección del campo. En consecuencia, el ángulo de rotación dependerá de la tensión aplicada.

Deje que el material de la muestra tenga anisotropía dieléctrica positiva, la dirección del campo eléctrico es perpendicular a la orientación inicial de las moléculas (Fig. 2). Cuando se aplica voltaje, las moléculas tenderán a girar a lo largo del campo. Pero inicialmente están orientados según el relieve de las superficies internas de la muestra, creado por frotamiento, y están conectados a ellas mediante una adherencia bastante significativa. Como consecuencia, cuando cambia la orientación del director, surgirán pares en la dirección opuesta. Mientras el campo sea lo suficientemente débil, las fuerzas elásticas mantienen las moléculas en una posición constante. A medida que aumenta el voltaje, a partir de un cierto valor mi c, las fuerzas de orientación del campo eléctrico superan las fuerzas elásticas y comienza a producirse la rotación de las moléculas. Esta reorientación bajo la influencia del campo se denomina transición de Fredericks. La transición de Fredericks es fundamental para la organización del control de cristal líquido; en ella se basa el principio de funcionamiento de todos los paneles LCD.

Se forma un mecanismo viable:

• por un lado, el campo eléctrico obligará a las moléculas de cristal líquido a girar hasta el ángulo deseado (dependiendo del valor del voltaje aplicado);
• por otro lado, las fuerzas elásticas causadas por enlaces intermoleculares tenderán a devolver la orientación original del director cuando se libere la tensión.

Si la orientación inicial del director y las direcciones del campo eléctrico no son estrictamente perpendiculares, entonces el valor umbral del campo mi c disminuye, lo que permite influir en la posición de las moléculas con un campo mucho más pequeño.

Llegados a este punto tendremos que desviarnos un poco de los cristales líquidos para explicar los conceptos de “polarización de la luz” y “plano de polarización”; sin ellos será imposible una mayor presentación.

La luz se puede representar como una onda electromagnética transversal, cuyos componentes eléctricos y magnéticos oscilan en planos mutuamente perpendiculares (Fig. 3).

La luz natural (también llamada naturalmente polarizada o no polarizada) contiene oscilaciones vectoriales. mi, igualmente probable en todas las direcciones perpendiculares al vector k(Figura 4).

La luz parcialmente polarizada tiene una dirección preferencial de oscilación vectorial. mi. Para luz parcialmente polarizada en el campo de una onda luminosa, la amplitud de la proyección E hacia una de las direcciones mutuamente perpendiculares es siempre mayor que hacia la otra. La relación entre estas amplitudes determina el grado de polarización.

La luz linealmente polarizada es luz que tiene una única dirección vectorial. mi para todas las olas. El concepto de luz linealmente polarizada es abstracto. En la práctica, cuando hablamos de luz linealmente polarizada, normalmente nos referimos a luz parcialmente polarizada con un alto grado de polarización.

El plano en el que se encuentra el vector. mi y vector de dirección de onda k, se llama plano de polarización.

Ahora volvamos a la pantalla LCD.

La segunda propiedad física más importante de los cristales líquidos, después de la anisotropía dieléctrica, utilizada para controlar el flujo de luz a través de ellos, es la anisotropía óptica. Los cristales líquidos tienen diferentes valores del índice de refracción de la luz para la dirección de propagación paralela y perpendicular al director. Es decir, la velocidad de propagación del haz de luz paralela o perpendicular al director será diferente; a mayor coeficiente, se sabe que es menor. La anisotropía óptica o anisotropía del índice de refracción es la diferencia entre dos coeficientes:

Δ norte= norte|| + norte⊥ Dónde norte|| índice de refracción para el plano de polarización paralelo al director; norte⊥ índice de refracción para el plano de polarización perpendicular al director.

La presencia en el material de dos significados diferentes para norte|| Y norte⊥ provoca el efecto de birrefringencia. Cuando la luz incide en un material birrefringente, como un nemático, el componente del campo eléctrico de la onda de luz se divide en dos componentes vectoriales, vibrando en el eje rápido y vibrando en el eje lento. Estos componentes se denominan rayos ordinarios y extraordinarios, respectivamente. Las direcciones de polarización de los rayos ordinarios y extraordinarios son mutuamente ortogonales. Y la presencia de ejes "rápidos" y "lentos" en el material se debe a lo mencionado anteriormente: diferentes índices de refracción para los rayos que se propagan respectivamente en paralelo o perpendicular a la dirección del director.

La Figura 5 muestra la propagación de ondas a lo largo de los ejes "rápido" y "lento". Hay que destacar que el eje en este caso no es una recta fija, sino la dirección del plano en el que oscila la onda.

Dado que las velocidades de fase de los haces ordinarios y extraordinarios son diferentes, su diferencia de fase cambiará a medida que se propaga la onda. Cambiar la diferencia de fase de estos componentes ortogonales provoca un cambio en la dirección de polarización de la onda de luz. En la figura, para mayor claridad, la suma de componentes ortogonales está representada por el vector resultante E r. Se puede ver que a medida que la onda se propaga, la dirección del vector gira E r. Por tanto, la adición de ondas a la salida de un material birrefringente producirá una onda con una dirección de polarización cambiada con respecto a la original.

El ángulo de rotación del plano de polarización dependerá de la orientación de las moléculas en el material.

Diseño de paneles

Existen varias tecnologías de paneles LCD. Para ilustrar el diseño en este caso, el TN se muestra como el más común (Fig. 6).

Todos los paneles de cristal líquido para monitores son transmisivos: la imagen que contienen se forma convirtiendo el flujo de luz de una fuente ubicada detrás de ellos. La modulación del flujo de luz se lleva a cabo debido a la actividad óptica de los cristales líquidos (su capacidad para rotar el plano de polarización de la luz transmitida). Esto se implementa de la siguiente manera. Al pasar por el primer polarizador, la luz de las lámparas de retroiluminación se polariza linealmente. Luego atraviesa una capa de cristales líquidos contenida en el espacio entre dos vasos. La posición de las moléculas de LC en cada celda del panel está regulada por el campo eléctrico creado al aplicar voltaje a los electrodos. La rotación del plano de polarización de la luz transmitida depende de la posición de las moléculas. Así, al suministrar a las celdas el valor de voltaje requerido, se controla la rotación del plano de polarización.

Para suministrar voltaje al subpíxel, se utilizan líneas de datos verticales (línea de datos) y horizontales (línea de puerta), que son pistas conductoras de metal depositadas en el sustrato de vidrio interno (más cercano al módulo de retroiluminación). El campo eléctrico, como ya se mencionó, es creado por el voltaje en los electrodos: general y de píxeles. El voltaje utilizado es variable, ya que el uso de un voltaje constante provoca la interacción de los iones con el material del electrodo, la alteración de la disposición ordenada de las moléculas del material LC y conduce a la degradación de la celda. El transistor de película delgada desempeña el papel de un interruptor que se cierra cuando se selecciona la dirección de la celda requerida en la línea de escaneo, permite "escribir" el valor de voltaje requerido y se abre nuevamente al final del ciclo de escaneo, permitiendo que el cargo que se retendrá durante un período de tiempo determinado. La carga se produce con el tiempo t= T.f./norte , Dónde T.f. tiempo de visualización del cuadro en la pantalla (por ejemplo, con una frecuencia de actualización de 60 Hz, el tiempo de visualización del cuadro es 1 s / 60 = 16,7 ms), norte número de líneas del panel (por ejemplo, 1024 para paneles con una resolución física de 1280x1024). Sin embargo, la capacidad inherente del material de cristal líquido no es suficiente para mantener la carga en el intervalo entre ciclos de actualización, lo que debería provocar una caída de voltaje y, como resultado, una disminución del contraste. Por lo tanto, además del transistor, cada celda está equipada con un condensador de almacenamiento, que también se carga cuando se enciende el transistor y ayuda a compensar las pérdidas de voltaje antes del inicio del siguiente ciclo de escaneo.

Las líneas de datos verticales y horizontales, mediante cables planos flexibles pegados, se conectan a los chips de control del panel: controladores, respectivamente de columna (controlador de fuente) y de fila (controlador de puerta), que procesan la señal digital proveniente del controlador y generan un voltaje. correspondiente a los datos recibidos para cada celda.

Después de la capa de cristales líquidos, se aplican filtros de color a la superficie interior del panel de vidrio y se utilizan para formar una imagen en color. Se utiliza la síntesis aditiva habitual de tres colores: los colores se forman como resultado de la mezcla óptica de radiación de tres colores básicos (rojo, verde y azul). Una celda (píxel) consta de tres elementos separados (subpíxeles), cada uno de los cuales está asociado con un filtro de color rojo, verde o azul ubicado encima; las combinaciones de 256 valores de tono posibles para cada subpíxel pueden producir hasta 16,77 millones de píxeles. colores.

La estructura del panel (líneas de datos metálicas verticales y horizontales, transistores de película delgada) y las regiones del borde de la celda donde se altera la orientación molecular deben ocultarse bajo un material opaco para evitar efectos ópticos no deseados. Para ello se utiliza la llamada matriz negra, que se asemeja a una fina malla que llena los espacios entre los filtros de color individuales. El material utilizado para la matriz negra es cromo o resinas negras.

El papel final en la formación de imágenes lo desempeña el segundo polarizador, a menudo llamado analizador. Su dirección de polarización se desplaza con respecto a la primera 90 grados. Para imaginar el propósito del analizador, puede retirarlo condicionalmente de la superficie del panel conectado. En este caso, veremos todos los subpíxeles iluminados al máximo, es decir, un relleno blanco uniforme de la pantalla, independientemente de la imagen que se muestre en ella. Debido a que la luz se ha polarizado y cada célula gira el plano de su polarización de manera diferente, dependiendo del voltaje que se le aplica, nada ha cambiado para nuestros ojos todavía. La función del analizador es precisamente cortar los componentes de onda necesarios, lo que le permite ver el resultado requerido en la salida.

Ahora hablemos de cómo se produce este corte de los componentes necesarios. Tomemos como ejemplo un polarizador con una dirección de polarización vertical, es decir transmitir ondas orientadas en un plano vertical.

La Figura 7 muestra una onda que se propaga en un plano que forma un cierto ángulo con respecto a la dirección vertical de polarización. El vector del campo eléctrico de la onda incidente se puede descomponer en dos componentes mutuamente perpendiculares: paralela al eje óptico del polarizador y perpendicular a él. El primer componente, paralelo al eje óptico, pasa, el segundo (perpendicular) queda bloqueado.

Por tanto, resultan obvias dos posiciones extremas:

• una onda que se propaga en un plano estrictamente vertical se transmitirá sin cambios;
• una onda que se propaga en un plano horizontal será bloqueada por no tener componente vertical.

Estas dos posiciones extremas corresponden a la posición completamente abierta y completamente cerrada de la celda. Resumamos:

• Para bloquear lo más completamente posible la luz transmitida por una célula (subpíxel), se requiere que el plano de polarización de esta luz sea ortogonal al plano de transmisión del analizador (dirección de polarización);
• Para la máxima transmisión de luz por parte de una célula, el plano de su polarización debe coincidir con la dirección de polarización;
• Regulando suavemente el voltaje suministrado a los electrodos de la celda, es posible controlar la posición de las moléculas de cristal líquido y, como consecuencia, la rotación del plano de polarización de la luz transmitida. Y así cambiar la cantidad de luz transmitida por la célula.

Dado que el ángulo de rotación del plano de polarización depende de la distancia recorrida por la luz en la capa de cristal líquido, esta capa debe tener un espesor estrictamente constante en todo el panel. Para mantener una distancia uniforme entre los vasos (cuando se les aplica toda la estructura), se utilizan espaciadores especiales.

La opción más sencilla son los llamados espaciadores de bolas. Son perlas de vidrio o polímero transparente de un diámetro estrictamente definido y se aplican a la estructura interna del vidrio mediante pulverización. En consecuencia, están ubicados caóticamente en toda el área de la célula y su presencia afecta negativamente su uniformidad, ya que el espaciador sirve como centro para el área defectuosa y las moléculas están orientadas incorrectamente directamente al lado de ella.

También se utiliza otra tecnología: espaciadores de columnas (espaciadores de columnas, espaciadores fotográficos, espaciadores de postes). Estos espaciadores están situados con precisión fotográfica debajo de la matriz negra (Fig. 8). Los beneficios de esta tecnología son obvios: mayor contraste debido a la ausencia de fugas de luz cerca de los espaciadores, control más preciso de la uniformidad del espacio debido a la disposición ordenada de los espaciadores, mayor rigidez del panel y ausencia de ondulaciones al presionar la superficie.

El panel TN, cuyo diseño se muestra en la Fig. 6, es el más económico de producir, lo que determina su dominio en el mercado de monitores masivos. Además de esto, existen varias otras tecnologías que se diferencian en la ubicación, configuración y material de los electrodos, la orientación de los polarizadores, las mezclas de LCD utilizadas, la orientación inicial del director en el material de cristal líquido, etc. Según la orientación inicial del director, todas las tecnologías existentes se pueden dividir en dos grupos:

1. Orientación plana

Esto incluye todas las tecnologías IPS (S-IPS, SA-SFT, etc.), así como FFS (actualmente AFFS), desarrollado y promovido por Boe HyDis. Las moléculas se alinean horizontalmente, paralelas a la base de los sustratos, en la dirección especificada por el frotamiento, frotándose los sustratos superior e inferior en la misma dirección. Todos los electrodos, tanto de píxeles como comunes, se encuentran en el mismo sustrato de vidrio del panel: el interior, junto con las líneas de datos y los transistores. En las tecnologías IPS, los electrodos comunes y de píxeles están ubicados en paralelo, alternándose entre sí (Fig. 9). Las líneas de campo discurren horizontalmente, pero con un cierto ángulo con respecto a la dirección del roce. Por lo tanto, cuando se aplica un voltaje, las moléculas, que en este caso tienen anisotropía dieléctrica positiva, que tienden a alinearse en la dirección del campo aplicado, giran en el mismo plano en un ángulo dependiendo de su intensidad (de campo). En el caso de FFS, el electrodo común se ubica debajo del píxel con este diseño, el voltaje aplicado a los electrodos genera un campo eléctrico que tiene componentes tanto horizontales como verticales. Si para IPS en los ejes de coordenadas que se muestran en la Fig. 9 el campo se puede caracterizar como E y, entonces para FFS los valores correspondientes se verán así E y Y ez. Esta disposición de líneas de campo permite el uso de materiales LC con anisotropía dieléctrica tanto positiva como negativa. La rotación molecular, similar a IPS, se produce en el mismo plano en la dirección del componente de campo horizontal, pero debido a que hay menos zonas límite, se gira un número significativamente mayor de moléculas, lo que permite reducir el ancho de la rejilla de matriz negra. y lograr una mayor relación de apertura del panel.

Una de las principales ventajas de las tecnologías con orientación plana del director es el cambio de color extremadamente ligero de la paleta cuando cambia el ángulo de visión. Esta estabilidad se explica por la configuración de la espiral que forman las moléculas del material de cristal líquido bajo la influencia del campo, que en este caso tiene una forma simétrica. La Figura 9 muestra esquemáticamente la posición de las moléculas de LC cuando se aplica voltaje a los electrodos; es obvio que el ángulo de rotación máximo se logra en las capas intermedias. Esta heterogeneidad se debe al hecho de que, como ya se mencionó, la orientación de las moléculas en la dirección deseada paralela a la base de los sustratos se obtiene preprocesando (limpiando) sus superficies. Por lo tanto, la movilidad de las moléculas en la capa inmediatamente adyacente al sustrato está limitada por la topografía del sustrato y en las capas cercanas posteriores por las fuerzas intermoleculares. Como resultado, bajo la influencia del campo, las moléculas forman una espiral que recuerda a una cinta con los extremos fijados en un plano y la parte central girada. Existe el concepto de camino óptico, que depende del índice de refracción del medio en el que se propaga el haz y del desplazamiento de fase resultante en la dirección en la que viaja. Los rayos de luz que atraviesan una capa de cristales líquidos tienen diferentes longitudes de trayectoria óptica según el ángulo de transmisión. La forma simétrica de la espiral molecular permite obtener para cada nivel de gris una suma exacta de la longitud del camino óptico en sus mitades superior e inferior; la consecuencia es la ausencia casi total de dependencia de los tonos mostrados de los ángulos de visión. Gracias a esta propiedad, los paneles IPS se utilizan en la gran mayoría de monitores destinados a trabajar con gráficos.

Cuando pasa una onda de luz, la dirección de rotación del vector resultante (ver Fig. 5) repite parcialmente la forma de la curvatura de la espiral formada por las moléculas. Por tanto, la rotación del plano de polarización cuando una onda pasa por la primera parte del material LC se produce en una dirección y por la segunda en la dirección opuesta. El diferente desfase de uno de los componentes de la onda, dependiendo de la tensión aplicada, conduce a que la dirección del vector resultante E r a la salida de la capa de cristal líquido se diferencia de la original, esto permite que una cierta parte del flujo de luz pase a través del analizador. Los planos de transmisión de luz del polarizador y del analizador, como en todas las demás tecnologías, están desplazados entre sí en un ángulo de 90 grados.

Todas las variaciones producidas actualmente (S-IPS, AFFS, SA-SFT) utilizan un diseño de celda de 2 dominios. Para ello se utilizan electrodos en forma de zigzag, que hacen que las moléculas giren en dos direcciones. Las versiones iniciales, denominadas simplemente “IPS” y “FFS”, sin los prefijos “Super” y “Advanced”, eran monodominio, por lo que tenían un cambio de color y ángulos de visión más pequeños (de 140/140 en contraste bajaron a 10: 1 para el primer IPS).

La orientación plana suele incluir la orientación torcida (u orientación torcida). En este caso, la alineación de las moléculas a lo largo de la base de los sustratos también se logra limpiando sus superficies, con la diferencia de que las direcciones de limpieza de los sustratos superior e inferior están desplazadas entre sí. Como resultado de esta alineación en el material nemático, el director forma una hélice que se asemeja a una hélice colestérica; para la correcta formación de la hélice en las mezclas LC se utilizan aditivos especiales que contienen moléculas quirales. La orientación de torsión se utiliza en la tecnología TN (o TN+Film) más utilizada. No tiene sentido describir e ilustrar aquí el diseño del TN; esto se ha hecho repetidamente en numerosos materiales sobre temas similares; podemos decir que es bien conocido.

2. Orientación homeotrópica

MVA y PVA pertenecen a este grupo. El director está orientado perpendicular a la base del sustrato de vidrio; esto se logra mediante el uso de tensioactivos en el recubrimiento del sustrato. Los electrodos generales y de píxeles están ubicados en sustratos opuestos, el campo está orientado verticalmente. Aquí se utilizan materiales de cristal líquido con anisotropía dieléctrica negativa, por lo que el voltaje aplicado hace que las moléculas de LC giren contra las líneas de campo. MVA se caracteriza por la presencia de proyecciones longitudinales microscópicas (protrusión) para preinclinar las moléculas en la parte superior o en ambos sustratos, por lo que la alineación vertical inicial no es completa. Las moléculas alineadas a lo largo de estas protuberancias reciben una ligera preinclinación, lo que permite establecer para cada región (dominio) de la célula una determinada dirección en la que las moléculas girarán bajo la influencia del campo. En PVA no existen tales protuberancias y, en ausencia de voltaje, el director está orientado estrictamente perpendicular a la superficie, y el píxel y los electrodos comunes están desplazados entre sí de modo que el campo creado no es estrictamente vertical, sino que contiene un componente inclinado. (Figura 10).

Las tecnologías con orientación director homeotrópica también incluyen ASV, desarrollado por Sharp. Dentro de un subpíxel, hay varios electrodos de píxeles con forma de cuadrados con bordes redondeados. Los principios básicos son los mismos: el electrodo común se ubica en el sustrato opuesto, las moléculas están orientadas verticalmente en ausencia de campo y se utilizan materiales cristalinos líquidos con anisotropía dieléctrica negativa. El campo creado tiene un componente oblicuo pronunciado y las moléculas, al girar en contra de la dirección del campo, crean una estructura en la que la dirección del director se asemeja a la forma de un paraguas centrado en el centro del electrodo de píxel.

También existe una división de los módulos LCD en tipos según el estado de las celdas en ausencia de voltaje. Normalmente los paneles blancos son aquellos en los que, al tener cero tensión en las celdas, éstas están completamente abiertas, por lo que se reproduce el color blanco en la pantalla. Todos los paneles fabricados con tecnología TN suelen ser de color blanco. Los paneles que bloquean el paso de la luz en ausencia de voltaje se clasifican como normalmente negros (normalmente negros), todas las demás tecnologías pertenecen a este tipo.

Módulo de retroiluminación

...a base de lámparas fluorescentes

Sólo una pequeña parte del flujo luminoso inicial de las lámparas de retroiluminación pasa a través del cuerpo del panel (polarizadores, electrodos, filtros de color, etc.), no más del 3%. Por lo tanto, la luminosidad propia del módulo de retroiluminación debe ser bastante significativa; por regla general, las lámparas utilizadas tienen una luminosidad superior a 30.000 cd/m2.

Para la iluminación se utilizan lámparas fluorescentes de cátodo frío CCFL (sin filamentos catódicos). Una lámpara CCFL es un tubo de vidrio sellado lleno de un gas inerte con una pequeña mezcla de mercurio (Fig. 11). En este caso, los cátodos son electrodos iguales, ya que para el suministro de energía se utiliza corriente alterna. En comparación con las lámparas con cátodo incandescente (caliente), los electrodos CCFL tienen una estructura diferente y son de mayor tamaño. La temperatura de funcionamiento del cátodo es significativamente diferente: 80-150 o C frente a aproximadamente 900 o C para lámparas con cátodo caliente, con una temperatura similar de la lámpara misma: 30-75 o C y 40 o C, respectivamente. El voltaje de funcionamiento para CCFL es de 600-900 V, el voltaje de arranque es de 900-1600 V (los números son bastante arbitrarios, ya que la gama de lámparas utilizadas es muy amplia). La formación de luz se produce durante la ionización del gas y una condición necesaria para su aparición en una lámpara de cátodo frío es un alto voltaje. Por lo tanto, para encender una lámpara de este tipo, es necesario aplicar a los electrodos un voltaje significativamente mayor que el voltaje de funcionamiento durante varios cientos de microsegundos. El alto voltaje alterno aplicado provoca la ionización del gas y la ruptura del espacio entre los electrodos, y se produce una descarga.

La ruptura de la brecha de descarga se produce por las siguientes razones. En condiciones normales, el gas que llena la lámpara es un dieléctrico. Cuando aparece un campo eléctrico, una pequeña cantidad de iones y electrones, siempre presentes en el volumen del gas, comienzan a moverse. Si se aplica un voltaje suficientemente alto a los electrodos, el campo eléctrico imparte una velocidad tan alta a los iones que cuando chocan con moléculas neutras, los electrones se desprenden de ellas y se forman iones. Los electrones e iones recién formados, que se mueven bajo la influencia del campo, también entran en el proceso de ionización, el proceso adquiere un carácter similar a una avalancha. Una vez que los iones comienzan a recibir suficiente energía para eliminar los electrones al golpear el cátodo, se produce una autodescarga. A diferencia de las lámparas de cátodo caliente, donde la descarga es de arco, el tipo de descarga en CCFL es incandescente.

La descarga se mantiene gracias a la llamada caída de potencial catódico. La mayor parte de la caída de potencial (voltaje) en la descarga ocurre en la región del cátodo. Los iones, al atravesar esta brecha con una gran diferencia de potencial, adquieren una energía cinética elevada, suficiente para expulsar electrones del cátodo. Los electrones eliminados, debido a la misma diferencia de potencial, son acelerados de regreso a la descarga, produciendo allí nuevos pares de iones y electrones. Los iones de estos pares regresan al cátodo, son acelerados por la caída de voltaje entre la descarga y el cátodo y nuevamente eliminan los electrones.

La energía de la corriente eléctrica hace que el mercurio de la lámpara pase del estado líquido al gaseoso. Cuando los electrones chocan con los átomos de mercurio, se libera energía debido al regreso de los átomos de un estado inestable a uno estable. En este caso, en la región ultravioleta se produce una radiación intensa; la proporción de radiación ultravioleta es aproximadamente el 60% de la radiación total.

La luz visible se produce mediante una capa de fósforo aplicada a la superficie interior del vidrio. Los fotones ultravioleta liberados por el mercurio excitan los átomos de la capa de fósforo, aumentando el nivel de energía de los electrones. Cuando los electrones vuelven a su nivel de energía original, los átomos del recubrimiento producen energía en forma de fotones de luz visible. El fósforo es el componente más importante de una lámpara, de él dependen las características del espectro de emisión. El espectro CCFL es extremadamente desigual y contiene picos estrechos y pronunciados. Incluso el uso de un recubrimiento de fósforo multicapa (a expensas del brillo máximo) no permite "superar" a los monitores CRT en términos de gama de colores. Por lo tanto, en la producción de un panel, para lograr una gama de colores aceptable, también es necesario seleccionar con precisión filtros de color, cuyas bandas de paso deben corresponder lo más posible a los picos del espectro de emisión de las lámparas.

Lo ideal sería conseguir la máxima gama de colores mediante una combinación de fuentes monocromáticas de colores primarios y filtros de color de alta calidad. Los llamados LED láser pueden reclamar el papel de fuentes de luz "casi monocromáticas", pero la tecnología de producción aún no garantiza la rentabilidad de su uso en módulos de retroiluminación. Por lo tanto, por el momento, la mejor gama de colores se puede lograr mediante módulos de retroiluminación basados ​​​​en paquetes de LED RGB (ver más abajo).

Para generar el voltaje de varios cientos de voltios necesario para el funcionamiento de la lámpara, se utilizan convertidores e inversores especiales. El brillo CCFL se puede ajustar de dos maneras. El primero es cambiar la corriente de descarga en la lámpara. El valor de la corriente de descarga es de 3-8 mA, una parte importante de las lámparas tiene un rango aún más estrecho. Con una corriente más baja, la uniformidad de la luz se ve afectada; con una corriente más alta, la vida útil de la lámpara se reduce significativamente. La desventaja de este método de ajuste es que le permite cambiar el brillo en un rango muy pequeño, mientras que es imposible reducirlo significativamente. Por lo tanto, los monitores con este ajuste, cuando funcionan en condiciones de poca iluminación ambiental, a menudo resultan demasiado brillantes, incluso con brillo cero. Con el segundo método, se genera una modulación por ancho de pulso (PWM) del voltaje que alimenta la lámpara (se controla el ancho, es decir, la duración del pulso; cambiando el ancho de un solo pulso, se regula el nivel de voltaje promedio). Las desventajas de este método a veces se atribuyen a la aparición de parpadeo de la lámpara cuando se implementa PWM a una frecuencia baja de 200 Hz o menos, pero de hecho, el ajuste mediante PWM es el enfoque más razonable, ya que le permite cambiar el brillo. una amplia gama.

Para distribuir uniformemente la luz de las lámparas se utiliza un sistema de guías de luz, difusores y prismas. Hay muchas opciones para organizar la distribución de la luz, una de ellas se muestra en la Fig. 12.

Las más comunes son las soluciones con lámparas ubicadas en los extremos superior e inferior del panel; esta disposición permite reducir significativamente el espesor total del producto. En los módulos de 17 y 19 pulgadas, por regla general, se instalan cuatro lámparas: dos en la parte superior y dos en la parte inferior. En la parte final de la carcasa de dichos paneles hay orificios tecnológicos especiales, por lo que no es necesario desmontar la carcasa para quitar las lámparas (Fig. 13-b). Las lámparas con esta disposición suelen combinarse en bloques de dos piezas (Fig. 13-a).

Otra opción es disponer las lámparas en toda el área de la parte posterior del módulo (Fig. 13-c) esta solución se utiliza en paneles multilámparas con ocho o más lámparas, así como cuando se utilizan paneles en forma de U. CCFL.

La vida útil mínima de las lámparas de los fabricantes de paneles suele especificarse entre cuarenta y cincuenta mil horas (la vida útil se define como el tiempo durante el cual la luminosidad de las lámparas disminuye en un 50%).

...basado en LED

Además de las lámparas fluorescentes, también se pueden utilizar como fuente de luz diodos emisores de luz (LED). Los módulos de retroiluminación basados ​​en LED se construyen sobre LED “blancos” o sobre paquetes de LED de colores primarios (LED-RGB).

La gama de colores más amplia la proporcionan los paquetes de LED RGB. El hecho es que un LED "blanco" es un LED azul con una capa de fósforo amarillo, o un LED ultravioleta con una combinación de una capa de fósforo "rojo", "verde" y "azul". El espectro de los LED “blancos” no está exento de todas las desventajas del espectro de las lámparas fluorescentes. Además, a diferencia de los LED "blancos", el paquete RGB-LED le permite ajustar rápidamente la temperatura de color de la luz de fondo controlando por separado la intensidad del brillo de cada grupo de LED de colores primarios.

Como resultado se consiguen dos objetivos:

• la gama de colores se amplía debido a un espectro de retroiluminación más ideal,
• Se amplían las capacidades de calibración de color: al método estándar basado en tablas de conversión de coordenadas de color para píxeles de imagen, se agrega la capacidad de ajustar el equilibrio de color de la luz de fondo.

La gran pendiente de la característica corriente-voltaje de los LED no permite un ajuste suave del brillo de la radiación en amplios rangos. Pero dado que el dispositivo permite el funcionamiento en modo pulsado, en la práctica, el método de modulación de ancho de pulso se utiliza con mayor frecuencia para ajustar el brillo de los LED (así como para lámparas fluorescentes).

Oleg Medvedev, Maxim Proskurnya

LCD(Pantalla de cristal líquido) o LCD El televisor (de cristal líquido), como se les llama popularmente, es un televisor con pantalla LCD y lámpara retroiluminada. Cristal liquido, significa que la pantalla (monitor) en sí se realiza sobre la base cristales líquidos

LCD TFT(inglés: transistor de película delgada): un tipo de pantalla de cristal líquido que utiliza una matriz activa controlada transistores de película delgada. Se utiliza un amplificador para cada subpíxel (elemento de matriz) para aumentar la velocidad, el contraste y la claridad de la imagen de visualización.

Una pequeña historia:

Cristales líquidos Fueron descubiertos por primera vez por un botánico austriaco. Reinitzer V 1888 g., pero sólo en 1930 -investigadores de una corporación británica Marconi Recibió una patente para su uso industrial, sin embargo, la debilidad de la base tecnológica no permitió el desarrollo activo de esta área en ese momento.

Los científicos lograron el primer avance real Fergeson Y williams de una corporación americana RCA. Uno de ellos creó un sensor térmico a base de cristales líquidos, aprovechando su efecto reflectante selectivo, el otro estudió el efecto de un campo eléctrico sobre cristales nemáticos. Y así, al final 1966 ciudad, corporación RCA demostró un prototipo de monitor LCD - reloj digital. La primera calculadora del mundo. CS10A fue producido en 1964 corporación Afilado, también conocido como, en octubre 1975 año, lanzó el primer reloj digital compacto con pantalla LCD. Desafortunadamente no pude encontrar ninguna foto, pero muchos todavía recuerdan este reloj y esta calculadora.

En la segunda mitad de los años 70, se inició la transición de los indicadores LCD de ocho segmentos a la producción de matrices con direccionamiento (capacidad de control) de cada punto. Entonces, en 1976 año, empresa Afilado lanzó un televisor en blanco y negro con una diagonal de pantalla de 5,5 pulgadas, basado en una matriz LCD con una resolución de 160x120 píxeles.

La siguiente etapa en el desarrollo de la tecnología LCD comenzó en los años 80, cuando comenzaron a utilizarse dispositivos elementos STN con mayor contraste. Luego fueron reemplazados por estructuras multicapa que eliminan errores al reproducir imágenes en color. Casi al mismo tiempo, aparecieron matrices activas basadas en tecnología. TFT a-Si. Primer prototipo de monitor LCD TFT a-Si fue creado en 1982 corporaciones sanyo, toshiba Y Cañón Pues en aquella época nos encantaba jugar con juguetes como estos con pantalla LCD.

Ahora las pantallas LCD han sustituido casi por completo en el mercado a los televisores CRT, ofreciendo al comprador cualquier tamaño: desde portátiles y pequeñas “cocinas” hasta enormes, con diagonales de más de un metro. El rango de precios también es muy amplio y permite a cada uno elegir un televisor según sus necesidades y capacidades económicas.

El diseño del circuito de los televisores LCD es mucho más complejo que el de los televisores CRT simples: piezas en miniatura, placas multicapa, unidades caras... Para aquellos que estén interesados, un televisor con panel LCD sin tapa trasera, y si se quita especial pantallas protectoras, puedes ver otras secciones del circuito, pero es mejor no hacer esto, déjalo en manos de los maestros

Diseño y principio de funcionamiento:

Trabajo pantalla LCD(LCD) se basa en el fenómeno polarización del flujo de luz. Se sabe que el llamado cristales polaroid son capaces de transmitir sólo aquel componente de la luz cuyo vector de inducción electromagnética se encuentra en un plano paralelo al plano óptico de la polaroid. Durante el resto de la emisión de luz, la Polaroid será opaca. Este efecto se llama polarización de la luz.

Muy simple, imagina "luz" en forma de pequeñas bolas redondas, si colocas una rejilla con cortes longitudinales (polarizador) en su camino, luego, después de ella, de las "bolas" solo quedarán "panqueques" planos (luz polarizada). Ahora, si la segunda malla tiene los mismos cortes longitudinales, los panqueques podrán "deslizarse" a través de ella y "brillar" más, pero si la segunda malla tiene ranuras verticales, entonces los "panqueques" ligeros horizontales no podrán lo atravesará y se “atascará”

Cuando se estudiaron sustancias líquidas cuyas largas moléculas son sensibles a los campos electrostáticos y electromagnéticos y son capaces de polarizar la luz, fue posible controlar la polarización. Estas sustancias amorfas fueron llamadas cristales líquidos

Estructuralmente, la exhibición consta de matrices LCD(una placa de vidrio, entre cuyas capas se encuentran cristales líquidos), fuentes de luz para iluminación, arnés de contacto y encuadre ( alojamiento), generalmente de plástico, con una estructura metálica de rigidez.

Cada píxel La matriz LCD consta de capa de moléculas entre dos electrodos transparentes, y dos filtros polarizadores, cuyos planos de polarización son (normalmente) perpendiculares. En ausencia de cristales líquidos, la luz transmitida por el primer filtro queda bloqueada casi por completo por el segundo.

La superficie de los electrodos en contacto con los cristales líquidos está especialmente tratada para orientar inicialmente las moléculas en una dirección. En una matriz TN, estas direcciones son mutuamente perpendiculares, por lo que las moléculas, en ausencia de tensión, se alinean en una estructura helicoidal. Esta estructura refracta la luz de tal manera que el plano de su polarización gira ante el segundo filtro y la luz lo atraviesa sin pérdidas. Aparte de la absorción de la mitad de la luz no polarizada por el primer filtro, la célula puede considerarse transparente, aunque el nivel de pérdida es considerable.

Si se aplica voltaje a los electrodos, las moléculas tienden a alinearse en la dirección del campo eléctrico, lo que distorsiona la estructura del tornillo. En este caso, las fuerzas elásticas contrarrestan esto y, cuando se corta el voltaje, las moléculas vuelven a su posición original. Con una intensidad de campo suficiente, casi todas las moléculas se vuelven paralelas, lo que conduce a una estructura opaca; el grado de transparencia se puede controlar cambiando el voltaje aplicado.

La fuente de luz (retroiluminación de matriz LCD) es lámparas fluorescentes de cátodo frío(Se llaman así porque no es necesario calentar el cátodo emisor de electrones (electrodo negativo) dentro de la lámpara por encima de la temperatura ambiente para que la lámpara se encienda). Así es como se vería una lámpara para un televisor LCD; en la foto de la derecha hay un "conjunto de lámpara en funcionamiento" para un televisor con una pantalla LCD de gran diagonal:

Las propias lámparas (brillo blanco brillante) están ubicadas en lugares especiales. abrazaderas del cuerpo, detrás de ellos - reflector, para reducir las pérdidas de flujo luminoso. Para que la matriz LCD se ilumine de manera uniforme (y no rayada, como están instaladas las lámparas), existe un difusor, que distribuye uniformemente el flujo luminoso en toda su superficie. Desafortunadamente, en este lugar también se produce una pérdida considerable de “brillo” de las lámparas.

Las matrices LCD modernas tienen un ángulo de visión bastante bueno (alrededor de 160 grados) sin pérdida de calidad de imagen (colores, brillo), lo más desagradable que puedes ver en ellas son estos píxeles defectuosos Sin embargo, dado que su tamaño es muy pequeño, uno o dos de estos píxeles "quemados" no interferirán mucho con la visualización de películas y programas, pero en la pantalla de un monitor esto ya puede resultar bastante desagradable.

Ventajas y desventajas:

En comparación con los televisores CRT, los paneles LCD tienen excelente enfoque y claridad, no hay errores de convergencia ni violaciones de la geometría de la imagen, la pantalla nunca parpadea, son más livianos y ocupan menos espacio. Las desventajas incluyen brillo y contraste débiles (en comparación con los CRT), la matriz no es tan duradera como la pantalla de un cinescopio, un conjunto de frenos digitales y fallos con una señal analógica o débil, así como un procesamiento deficiente del material de origen

El "corazón" de cualquier monitor de cristal líquido es la matriz LCD (Liquid Cristall Display). El panel LCD es una estructura compleja de múltiples capas. En la Fig. 2 se muestra un diagrama simplificado de un panel LCD TFT en color.

El principio de funcionamiento de cualquier pantalla de cristal líquido se basa en la propiedad de los cristales líquidos de cambiar (rotar) el plano de polarización de la luz que los atraviesa en proporción al voltaje que se les aplica. Si se coloca un filtro polarizador (polarizador) en el camino de la luz polarizada que pasa a través de los cristales líquidos, al cambiar el voltaje aplicado a los cristales líquidos, se puede controlar la cantidad de luz transmitida por el filtro polarizador. Si el ángulo entre los planos de polarización de la luz que pasa a través de los cristales líquidos y el filtro de luz es de 0 grados, entonces la luz pasará a través del polarizador sin pérdida (transparencia máxima), si es de 90 grados, entonces el filtro de luz transmitir una cantidad mínima de luz (transparencia mínima).

Figura 1. Monitor LCD. Principio de funcionamiento de la tecnología LCD.

Así, utilizando cristales líquidos, es posible producir elementos ópticos con un grado de transparencia variable. En este caso, el nivel de transmisión de luz de dicho elemento depende del voltaje que se le aplica. Cualquier pantalla LCD en un monitor de computadora, computadora portátil, tableta o televisor contiene desde varios cientos de miles hasta varios millones de estas células, de fracciones de milímetro de tamaño. Se combinan en una matriz LCD y con su ayuda podemos formar una imagen en la superficie de una pantalla de cristal líquido.
Los cristales líquidos fueron descubiertos a finales del siglo XIX. Sin embargo, los primeros dispositivos de visualización basados ​​en ellos no aparecieron hasta finales de los años 60 del siglo XX. Los primeros intentos de utilizar pantallas LCD en ordenadores se realizaron en los años ochenta del siglo pasado. Los primeros monitores de cristal líquido eran monocromáticos y tenían una calidad de imagen muy inferior a las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT). Las principales desventajas de las primeras generaciones de monitores LCD fueron:

• - bajo rendimiento e inercia de la imagen;
• - "colas" y "sombras" en la imagen de los elementos de la imagen;
• - mala resolución de imagen;
• - imagen en blanco y negro o en color con poca profundidad de color;
• - etcétera.

Sin embargo, el progreso no se detuvo y, con el tiempo, se desarrollaron nuevos materiales y tecnologías en la fabricación de monitores de cristal líquido. Los avances en la tecnología microelectrónica y el desarrollo de nuevas sustancias con propiedades de cristal líquido han mejorado significativamente el rendimiento de los monitores LCD.

Diseño y funcionamiento de matriz TFT LCD.

Uno de los principales logros fue la invención de la tecnología de matriz LCD TFT: una matriz de cristal líquido con transistores de película delgada (Thin Film Transistors). Los monitores TFT han aumentado drásticamente la velocidad de los píxeles, han aumentado la profundidad del color de la imagen y han logrado deshacerse de las "colas" y las "sombras".
La estructura del panel fabricado con tecnología TFT se muestra en la Fig. 2

Figura 2. Diagrama de estructura de matriz TFT LCD.
Una imagen a todo color en una matriz LCD se forma a partir de puntos individuales (píxeles), cada uno de los cuales generalmente consta de tres elementos (subpíxeles) responsables del brillo de cada uno de los componentes principales del color, generalmente rojo (R). verde (G) y azul (B) - RGB. El sistema de vídeo del monitor escanea continuamente todos los subpíxeles de la matriz y registra un nivel de carga proporcional al brillo de cada subpíxel en los condensadores de almacenamiento. Los transistores de película delgada (Thin Film Transistor (TFT); de hecho, es por eso que la matriz TFT se llama así) conectan los capacitores de almacenamiento al bus de datos en el momento en que la información se escribe en un subpíxel determinado y cambian el capacitor de almacenamiento para conservar la carga. modo por el resto del tiempo.
El voltaje almacenado en el condensador de memoria de la matriz TFT actúa sobre los cristales líquidos de un subpíxel determinado, girando el plano de polarización de la luz que los atraviesa desde la retroiluminación en un ángulo proporcional a este voltaje. Al pasar a través de una celda con cristales líquidos, la luz ingresa a un filtro de luz matricial, sobre el cual se forma un filtro de luz de uno de los colores primarios (RGB) para cada subpíxel. El patrón de posiciones relativas de puntos de diferentes colores es diferente para cada tipo de panel LCD, pero este es un tema aparte. A continuación, el flujo de luz generado de colores primarios ingresa a un filtro polarizador externo, cuya transmitancia de luz depende del ángulo de polarización de la onda de luz que incide sobre él. Un filtro polarizador es transparente a aquellas ondas de luz cuyo plano de polarización es paralelo a su propio plano de polarización. A medida que este ángulo aumenta, el filtro polarizador comienza a transmitir cada vez menos luz, hasta una atenuación máxima en un ángulo de 90 grados. Idealmente, un filtro polarizador no debería transmitir luz polarizada ortogonalmente a su propio plano de polarización, pero en la vida real, una pequeña porción de la luz sí pasa a través. Por lo tanto, todas las pantallas LCD tienen una profundidad de negro insuficiente, lo que es especialmente pronunciado con niveles altos de brillo de retroiluminación.
Como resultado, en una pantalla LCD, el flujo de luz de algunos subpíxeles pasa a través de un filtro polarizador sin pérdida, de otros subpíxeles se atenúa en cierta cantidad y de algunos subpíxeles se absorbe casi por completo. Por lo tanto, al ajustar el nivel de cada color primario en subpíxeles individuales, es posible obtener de ellos un píxel de cualquier tono de color. Y a partir de muchos píxeles de colores, cree una imagen en color de pantalla completa.
El monitor LCD permitió lograr un gran avance en la tecnología informática, haciéndola accesible a un gran número de personas. Además, sin una pantalla LCD sería imposible crear ordenadores portátiles como portátiles y netbooks, tabletas y teléfonos móviles. ¿Pero es todo tan color de rosa con el uso de pantallas de cristal líquido?

Además de la probada tecnología LCD + TFT (transistores de película delgada), existe una tecnología de diodos emisores de luz orgánicos OLED + TFT que se promueve activamente, es decir, AMOLED, OLED de matriz activa. La principal diferencia entre estos últimos es que el papel de polarizador, capa LCD y filtros de luz lo desempeñan LED orgánicos de tres colores.

Básicamente, se trata de moléculas que son capaces de emitir luz cuando fluye una corriente eléctrica y, dependiendo de la cantidad de corriente que fluye, cambiar la intensidad del color, de forma similar a lo que ocurre en los LED convencionales. Al quitar los polarizadores y la pantalla LCD del panel, podemos hacerlo más delgado y, lo más importante, ¡flexible!

¿Qué tipos de paneles táctiles existen?

Dado que actualmente los sensores se utilizan más con pantallas LCD y OLED, creo que sería razonable hablar de ellos de inmediato.

Se da una descripción muy detallada de las pantallas táctiles o paneles táctiles (la fuente alguna vez vivió, pero por alguna razón desapareció), por lo que no describiré todos los tipos de paneles táctiles, me centraré solo en los dos principales: resistivos y capacitivos.

Empecemos por el sensor resistivo. Consta de 4 componentes principales: un panel de vidrio (1), como soporte de todo el panel táctil, dos membranas de polímero transparente con un revestimiento resistivo (2, 4), una capa de microaislantes (3) que separa estas membranas, y 4, 5 u 8 hilos, que se encargan de “leer” el tacto.

Diagrama del dispositivo sensor resistivo

Cuando presionamos un sensor de este tipo con cierta fuerza, las membranas entran en contacto, el circuito eléctrico se cierra, como se muestra en la figura siguiente, se mide la resistencia, que posteriormente se convierte en coordenadas:

El principio de calcular coordenadas para una pantalla resistiva de 4 hilos ()

Todo es extremadamente simple.

Es importante recordar dos cosas: a) los sensores resistivos de muchos teléfonos chinos no son de alta calidad, esto puede deberse precisamente a la distancia desigual entre las membranas o a los microaisladores de mala calidad, es decir, el "cerebro". del teléfono no puede convertir adecuadamente las resistencias medidas en coordenadas; b) dicho sensor requiere presionar, empujar una membrana hacia otra.

Los sensores capacitivos son algo diferentes de los sensores resistivos. Vale la pena mencionar de inmediato que solo hablaremos de sensores proyectivos-capacitivos que ahora se usan en el iPhone y otros dispositivos portátiles.

El principio de funcionamiento de una pantalla táctil de este tipo es bastante sencillo. Se aplica una rejilla de electrodos al interior de la pantalla y el exterior se recubre, por ejemplo, con ITO, un óxido complejo de indio y estaño. Cuando tocamos el vidrio, nuestro dedo forma un pequeño condensador con dicho electrodo, y la electrónica de procesamiento mide la capacitancia de este condensador (suministra un pulso de corriente y mide el voltaje).

En consecuencia, el sensor capacitivo reacciona solo a un toque firme y solo a objetos conductores, es decir, dicha pantalla funcionará cada dos veces si se toca con un clavo, así como con una mano empapada en acetona o deshidratada. Quizás la principal ventaja de esta pantalla táctil sobre una resistiva es la capacidad de crear una base bastante sólida, especialmente vidrio resistente, como Gorilla Glass.

Esquema de funcionamiento del sensor capacitivo de superficie().

¿Cómo funciona una pantalla de tinta electrónica?

Quizás E-Ink sea mucho más simple en comparación con LCD. Una vez más, estamos ante una matriz activa responsable de la formación de imágenes, pero aquí no hay rastros de cristales LCD ni lámparas de retroiluminación, sino conos con dos tipos de partículas: negras con carga negativa y blancas con carga positiva. La imagen se forma aplicando una cierta diferencia de potencial y redistribución de partículas dentro de dichos microconos, esto se demuestra claramente en la siguiente figura:

Arriba hay un diagrama de cómo funciona una pantalla de tinta electrónica, a continuación se muestran microfotografías reales de dicha pantalla en funcionamiento ()

Si esto no es suficiente para alguien, en este vídeo se demuestra el principio de funcionamiento del papel electrónico:

Además de la tecnología E-Ink, existe la tecnología SiPix, en la que solo hay un tipo de partículas y el "relleno" en sí es negro:

Esquema de funcionamiento de la pantalla SiPix ()

Para aquellos que realmente quieran familiarizarse con el papel electrónico "magnético", vayan aquí, una vez hubo un artículo excelente en Prest.

Parte practica

Chinaphone vs teléfono inteligente coreano (sensor resistivo)

Después de un "cuidadoso" desmontaje con destornillador del resto de la placa y la pantalla del teléfono chino, me sorprendió mucho encontrar una mención de un conocido fabricante coreano en la placa base del teléfono:

¡Samsung y el teléfono chino son uno!

Desmonté la pantalla con cuidado y cuidado, para que todos los polarizadores permanecieran intactos, por lo que simplemente no pude evitar jugar con ellos y con el hermano mayor trabajador del objeto que se estaba diseccionando y recordar el taller de óptica:

Así funcionan 2 filtros polarizadores: en una posición el flujo de luz prácticamente no los atraviesa, cuando se gira 90 grados pasa por completo

Tenga en cuenta que toda la iluminación se basa en sólo cuatro pequeños LED (creo que su potencia total no supera 1 W).

Luego busqué el sensor durante mucho tiempo, creyendo sinceramente que sería un casquillo bastante grueso. Resultó todo lo contrario. Tanto en los teléfonos chinos como en los coreanos, el sensor consta de varias láminas de plástico, que están muy bien pegadas al cristal del panel exterior:

A la izquierda está el sensor del teléfono chino, a la derecha está el sensor del teléfono coreano

El sensor resistivo del teléfono chino está fabricado según el esquema "cuanto más simple, mejor", a diferencia de su homólogo más caro de Corea del Sur. Si me equivoco, corrígeme en los comentarios, pero a la izquierda de la imagen hay un sensor típico de 4 pines y a la derecha hay un sensor de 8 pines.

Pantalla LCD del teléfono chino

Dado que la pantalla del teléfono chino todavía estaba rota y el coreano solo sufrió daños leves, intentaré hablar sobre la pantalla LCD usando el ejemplo del primero. Pero por ahora no lo romperemos por completo, sino que miremos bajo un microscopio óptico:

Micrografía óptica de las líneas horizontales de la pantalla LCD de un teléfono chino. La fotografía superior izquierda tiene cierto engaño a nuestra visión debido a los colores “incorrectos”: la fina franja blanca es el contacto.

Un cable alimenta dos líneas de píxeles a la vez, y el desacoplamiento entre ellos se realiza mediante un "error eléctrico" completamente inusual (foto inferior derecha). Detrás de todo este circuito eléctrico se encuentran unas pistas de filtrado, pintadas con los colores correspondientes: rojo (R), verde (G) y azul (B).

En el extremo opuesto de la matriz en relación al lugar donde está conectado el cable, puede encontrar un desglose de color similar, números de pista y los mismos interruptores (si alguien pudiera aclarar en los comentarios cómo funciona esto, ¡sería genial! ):

Habitaciones-habitaciones-habitaciones...

Así es como se ve una pantalla LCD en funcionamiento bajo un microscopio:

Eso es todo, ahora ya no veremos esta belleza, la aplasté en el sentido literal de la palabra y, después de sufrir un poco, "dividí" una de esas migajas en dos trozos de vidrio separados, que forman la parte principal. de la pantalla...

Ahora puedes ver las pistas de filtro individuales. Hablaré de las “manchas” oscuras que tienen un poco más adelante:

Micrografía óptica de filtros con manchas misteriosas...

Y ahora un pequeño aspecto metodológico respecto a la microscopía electrónica. Rayas del mismo color, pero bajo el haz de un microscopio electrónico: ¡el color ha desaparecido! Como dije antes (por ejemplo, en el primer artículo), para un haz de electrones es completamente "blanco y negro" si interactúa con una sustancia coloreada o no.

Parecen las mismas rayas, pero sin color...

Echemos un vistazo al otro lado. En él se encuentran transistores:

En un microscopio óptico - en color...

Y un microscopio electrónico: ¡imagen en blanco y negro!

Esto se ve un poco peor en un microscopio óptico, pero el SEM permite ver los bordes de cada subpíxel; esto es bastante importante para la siguiente conclusión.

Entonces, ¿qué son estas extrañas áreas oscuras? Pensé durante mucho tiempo, me devané los sesos, leí muchas fuentes (quizás la más accesible fue Wiki) y, por cierto, por eso retrasé la publicación del artículo el jueves 23 de febrero. Y ésta es la conclusión a la que llegué (quizás me equivoque, ¡corrígeme!).

La tecnología VA o MVA es una de las más sencillas y no creo que a los chinos se les haya ocurrido nada nuevo: cada subpíxel debe ser negro. Es decir, la luz no lo atraviesa (se da un ejemplo de pantalla que funciona y que no funciona), teniendo en cuenta que en el estado "normal" (sin influencia externa) el cristal líquido está desorientado y no da Para la polarización “necesaria”, es lógico suponer que cada subpíxel independiente tiene su propia película LCD.

Por lo tanto, todo el panel se ensambla a partir de pantallas micro-LCD individuales. La nota sobre el borde de cada subpíxel individual encaja aquí de forma orgánica. Para mí, ¡esto se convirtió en una especie de descubrimiento inesperado justo cuando estaba preparando el artículo!

Lamenté haber roto la pantalla del teléfono coreano: después de todo, tenemos que mostrarles algo a los niños y a aquellos que vienen a nuestra facultad de excursión. No creo que hubiera nada más interesante que ver.

Además, por motivos de autocomplacencia, daré un ejemplo de la "organización" de píxeles de dos fabricantes líderes de comunicadores: HTC y Apple. El iPhone 3 fue donado por una persona amable para una operación indolora, y el HTC Desire HD es en realidad mío:

Microfotografías de la pantalla HTC Desire HD

Una pequeña nota sobre la pantalla de HTC: no miré específicamente, pero ¿podría esta franja en el medio de las dos microfotos superiores ser parte del mismo sensor capacitivo?

Microfotografías de la pantalla del iPhone 3

Si mi memoria no me falla, entonces HTC tiene una pantalla superLCD, mientras que el iPhone 3 tiene una pantalla LCD normal. En el iPhone 4 ya está instalada la llamada Retina Display, es decir, una pantalla LCD en la que ambos contactos para cambiar el cristal líquido se encuentran en el mismo plano, In-Plane Switching - IPS.

Espero que pronto se publique un artículo sobre el tema de comparar diferentes tecnologías de visualización con el soporte de 3DNews. Por ahora, solo quiero señalar el hecho de que la pantalla de HTC es realmente inusual: los contactos en subpíxeles individuales están ubicados de una manera no estándar, de alguna manera en la parte superior, a diferencia del iPhone 3.

Y finalmente, en esta sección agregaré que las dimensiones de un subpíxel para un teléfono chino son 50 por 200 micrómetros, HTC es de 25 por 100 micrómetros y el iPhone es de 15-20 por 70 micrómetros.

Tinta electrónica de un famoso fabricante ucraniano

Comencemos, quizás, con cosas banales: "píxeles", o más bien las células que son responsables de formar la imagen:

Micrografía óptica de la matriz activa de una pantalla de tinta electrónica.

El tamaño de dicha celda es de unos 125 micrómetros. Dado que estamos mirando la matriz a través del vidrio sobre el que está aplicada, les pido que presten atención a la capa amarilla en el "fondo": esto es un baño de oro, del que luego tendremos que deshacernos.

¡Adelante a la tronera!

Comparación de “entradas” horizontales (izquierda) y verticales (derecha)

Entre otras cosas, se descubrieron muchas cosas interesantes sobre el sustrato de vidrio. Por ejemplo, marcas de posición y contactos que, aparentemente, están destinados a probar la pantalla en producción:

Micrografías ópticas de marcas y almohadillas de prueba.

Por supuesto, esto no sucede a menudo y suele ser un accidente, pero a veces las pantallas se rompen. Por ejemplo, esta grieta apenas perceptible, de menos de un cabello humano de espesor, puede privarte para siempre de la alegría de leer tu libro favorito sobre Foggy Albion en el sofocante metro de Moscú:

Si las pantallas se rompen, significa que alguien lo necesita... ¡Yo, por ejemplo!

Por cierto, aquí está el oro que mencioné: un área lisa en la "parte inferior" de la celda para un contacto de alta calidad con la tinta (más sobre ellos a continuación). Quitamos el oro mecánicamente y aquí tenéis el resultado:

Tienes muchas agallas. ¡Veamos cómo son! (Con)

Debajo de una fina película dorada se esconden los componentes de control de la matriz activa, si se le puede llamar así.

Pero lo más interesante, por supuesto, es la propia “tinta”:

Micrografía SEM de tinta en la superficie de la matriz activa.

Por supuesto, es difícil encontrar al menos una microcápsula destruida para mirar dentro y ver partículas de pigmento “blancas” y “negras”:

Micrografía SEM de la superficie de la “tinta” electrónica

Micrografía óptica de "tinta"

¿O todavía hay algo dentro?

O una esfera destruida o arrancada del polímero de soporte.

El tamaño de las bolas individuales, es decir, una especie de análogo de un subpíxel en la tinta electrónica, puede ser de sólo 20 a 30 micrones, lo que es significativamente menor que las dimensiones geométricas de los subpíxeles en las pantallas LCD. Siempre que una cápsula de este tipo pueda funcionar con la mitad de su tamaño, la imagen obtenida en pantallas de tinta electrónica de buena calidad y de alta calidad es mucho más agradable que en una pantalla LCD.

Y de postre, un vídeo sobre cómo funcionan las pantallas E-Ink bajo un microscopio.