¿Cómo funcionan las pantallas de cristal líquido? ¿Qué es una pantalla LCD? - Explicación técnica detallada

1. cristal líquido

1.1 ¿Qué es LCD?

Todos sabemos que la materia tiene tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Estos tres estados también pueden llamarse fase sólida, fase líquida y fase gaseosa. La mayoría de las sustancias en la naturaleza presentan estados sólido, líquido y gaseoso con los cambios de temperatura. Como el agua, la sal y las sustancias formadas por todos los elementos de la tabla periódica. Sus unidades constituyentes, como las moléculas de agua o los átomos de silicio, son básicamente como pequeñas bolas. A medida que la temperatura disminuye o aumenta, la disposición de las unidades constituyentes cambia de una disposición desordenada posterior a una disposición ordenada y ordenada. Es decir, de fase líquida a fase gaseosa o fase sólida. En los cristales, la disposición ordenada de las unidades constituyentes significa que cada unidad constituyente está en una posición determinada, no es fácil que fluya y está dispuesta de manera regular. Siempre que las personas conozcan sus reglas de disposición, pueden comenzar desde una unidad constituyente y encontrarlas de acuerdo con la ley. Otra unidad, el ordenamiento espacial estricto. Además del estado sólido, el estado líquido y el estado sólido que conocemos, algunas sustancias, en el proceso de cambio de estado sólido a estado líquido, no cambian directamente de estado sólido a estado líquido, sino que dan un estado intermedio. Sustancia en estado intermedio que parece un líquido turbio, pero sus propiedades ópticas y ciertas propiedades eléctricas son similares a las de los cristales.

Es anisotrópico, como las características de birrefringencia. A medida que aumenta la temperatura, varias sustancias turbias se convertirán en líquidos claros y homogéneos a medida que aumenta la temperatura. Por el contrario, cuando dichas sustancias cambian de líquido a sólido, también pasan por un estado intermedio. Todo tipo de sustancias que pueden tener tanto estado líquido como cristal en un cierto rango de temperatura se denominan Cristal Líquido, también conocido como fase de cristal líquido, mesofase o fase intermedia, también conocido como el cuarto estado de la materia.

1.2. Origen del cristal líquido

Los cristales líquidos fueron descubiertos por primera vez en 1888 por el botánico austríaco F. Reinitzer. Al medir el punto de fusión de ciertas sustancias, se descubrió que ciertas sustancias (benzoatos y ésteres de liposteroles) pasarán a un estado líquido turbio blanco opaco después de fundirse y emitirán un brillo colorido y hermoso. Se convertirán en un líquido transparente. En 1889, el físico alemán O. Lehmann observó estos compuestos lipídicos con un microscopio polarizador con un dispositivo de calentamiento diseñado por él en ese momento. Descubrió que este tipo de sustancia turbia blanca parece un líquido en apariencia. Sin embargo, exhibe birrefringencia característica de los cristales anisotrópicos. Por eso Lehmann lo denominó "cristal líquido". Este es el origen del LCD.

Para más detalles, consulte este artículo: ¿Cómo se inventó la pantalla de cristal líquido? La historia de la evolución de la tecnología de pantallas.

1.3. Tipos de LCD:

Con el desarrollo de la ciencia y la mejora de la comprensión de las personas, se ha descubierto que las sustancias de cristal líquido son básicamente compuestos orgánicos. Uno de cada 200 compuestos orgánicos existentes exhibe una fase de cristal líquido. Desde la perspectiva de la composición y las condiciones físicas para la aparición de fases de cristal líquido, los cristales líquidos se pueden dividir en dos categorías: cristales líquidos termotrópicos y cristales líquidos liotrópicos. Cuando algunas sustancias orgánicas se calientan y disuelven, se forman cristales líquidos debido a la destrucción de la red cristalina por el calentamiento, lo que se denomina cristales líquidos termotrópicos, es decir, algunas sustancias aparecen en fases de cristal líquido debido al calentamiento como se mencionó en los pocos anteriores. De manera similar, algunas sustancias orgánicas se colocan en un determinado disolvente, y el cristal líquido formado debido a que el disolvente destruye la red cristalina se denomina cristal líquido de soluto. Es una fase de cristal líquido que aparece debido a cambios en la concentración de la solución. Los más comunes son el agua jabonosa, etc. Actualmente, la mayoría de los materiales de exhibición son cristales líquidos termotrópicos. Hasta ahora, se han descubierto más de 20,000 tipos de cristales líquidos.

Entre los numerosos cristales líquidos, el cristal líquido más estudiado es el cristal líquido unitario compuesto por moléculas orgánicas simples en forma de varilla, que son las más utilizadas en la tecnología de visualización. Todo tipo de moléculas suelen tener la estructura que se muestra en la Figura (1): la molécula El núcleo rígido está compuesto por dos anillos de benceno y un grupo funcional en el medio, y hay grupos alquilo más suaves u otras cadenas moleculares orgánicas más suaves en ambos extremos del núcleo. Como se muestra en la Figura (1), hay un epoxi en una cadena de fusión La estructura de resina hace que la molécula sea una molécula quiral.

Según las diferentes disposiciones de las moléculas de cristal líquido, se pueden dividir en tres categorías: cristales líquidos nemáticos, cristales líquidos colestéricos y cristales líquidos esmécticos.

Figura 1)

1.3.1 Cristal líquido nemático:

El centro de gravedad de las especies moleculares del cristal líquido nemático es caótico y desordenado, de modo que puede fluir como un líquido ordinario, pero los directores de las barras moleculares son aproximadamente los mismos, como se muestra en la Figura (2).

1.3.2 Cristal líquido colestérico:

En los cristales líquidos colestéricos, la disposición de los centros de gravedad de las moléculas es desordenada, pero la orientación de las moléculas

Un vector apunta aproximadamente en una dirección en un plano, en una dirección perpendicular a este plano. El director de la molécula rotará para formar una estructura helicoidal, como se muestra en la Figura (3):

1.3.3 Cristal líquido esméctico:

En los cristales líquidos esmécticos, las moléculas forman una estructura de capas. El espesor de la capa molecular es aproximadamente igual a la longitud de una molécula. Las moléculas están dispuestas perpendicularmente al plano de la capa molecular y el centro de gravedad de las moléculas está desordenado en la capa molecular, formando un fluido bidimensional de capas. Como se muestra en la imagen (4)

Figura(2)(3)(4)

En resumen, los cristales líquidos se pueden dividir aproximadamente en las tres categorías anteriores. Los distintos tipos de cristales líquidos tienen diferentes propiedades físicas debido a sus diferentes estructuras. Debido al rango de temperatura estable especial del material de cristal líquido con anisotropía termotrópica por encima de la temperatura ambiente, solo este tipo de cristal líquido se puede utilizar como material de visualización. La estructura cristalina es tan fuerte que se ve fácilmente afectada por influencias externas como campos eléctricos, campos magnéticos, estrés térmico e impurezas adsorbidas. Por lo tanto, es fácil cambiar sus propiedades ópticas. Esta débil disposición molecular de los cristales líquidos es la condición clave para que los cristales líquidos tengan un amplio mercado en la actualidad.

2. Monitor LCD

El cristal líquido tiene un momento dipolar fijo, por lo que la aplicación de un campo eléctrico puede mover el eje de las moléculas del cristal líquido y, a continuación, la disposición de las moléculas del cristal líquido cambiará. De este modo, se modificarán sus propiedades ópticas para lograr su efecto de visualización. Este es el principio básico del cristal líquido como pantalla.

2.1 ¿Qué es una pantalla LCD?

Utilizando los diversos efectos electroópticos de los cristales líquidos, los cambios en las condiciones límite, como el campo eléctrico, el campo magnético, la luz y la temperatura, se pueden convertir en señales visuales bajo ciertas condiciones. Esto se denomina pantalla de cristal líquido, que normalmente se representa mediante LCD. El cristal líquido fue utilizado por primera vez en la fabricación de pantallas por RCA Corporation en los Estados Unidos en mayo de 1968, y ha sido ampliamente utilizado en los campos de visualización domésticos, industriales y militares, como relojes, calculadoras, instrumentación, computadoras portátiles, teléfonos móviles, buscapersonas, mascotas electrónicas, televisores de bolsillo en color, pantallas planas de gran tamaño y televisores de proyección.

2.2. Ventajas y desventajas de la pantalla de cristal líquido:

La tecnología de visualización de información se está volviendo cada vez más importante con el desarrollo de la socialización de la información, y las pantallas de cristal líquido tienen muchas ventajas en comparación con otras pantallas; Pantalla plana, tamaño pequeño, peso ligero, fácil de transportar; Bajo consumo de energía y bajo voltaje de conducción; Larga vida útil, generalmente más de 50,000 horas; No contiene rayos dañinos y es inofensivo para el cuerpo humano; Pantalla pasiva, no es fácil de lavar con luz fuerte; Fácil de conducir, puede ser impulsado directamente por circuitos integrados a gran escala; Estructura simple, sin piezas mecánicas complicadas; Bajo costo de construcción.

Con la amplia aplicación de la pantalla de cristal líquido, las personas también pueden encontrar algunas desventajas: dado que es un componente pasivo y no emite luz, necesita depender de otras fuentes de luz para ser visible en la oscuridad; hay ángulos de visión limitados; la velocidad de respuesta (30 ms-120 ms) no es tan buena como la de otros componentes; la vida no ha podido convertirse en un componente semipermanente.

3. Clasificación de LCD

3.1 Existen muchos tipos de pantallas de cristal líquido, que pueden dividirse en pantallas transmisivas y reflectantes de visión directa y de proyección según el método de visualización.

3.1.1 El lado norte de la pantalla LCD transmisiva está equipado con lámparas fluorescentes, electrodos electroluminiscentes y otras fuentes de luz, por lo que también se puede utilizar en condiciones de luz ambiental tenue.

3.1.2 El tipo reflectante es una especie de lámina de aluminio que refleja la luz y se adhiere al exterior del sustrato de vidrio en la parte posterior de la pantalla LCD para reflejar la luz incidente en la pantalla LCD. En los modos TN y STN, se adhieren un polarizador y un reflector arrugado al sustrato de vidrio posterior. Este tipo reflectante aprovecha al máximo el bajo consumo de energía de las pantallas LCD no luminosas.

3.2 Las pantallas LCD producidas por efecto fotoeléctrico se dividen aproximadamente en los siguientes tipos: TN-LCD, STN-LCD, HTN-LCD, FSTN-LCD y TFT-LCD.

 3.2.1 TN-LCD es una pantalla de cristal líquido nemático trenzado. Todos sabemos que las moléculas de cristal líquido son básicamente paralelas a la disposición de la placa base, pero la orientación de las moléculas de cristal líquido superior e inferior está trenzada y la torsión general es de 900. TN-LCD es la pantalla más antigua, más utilizada, más grande y más barata. El proceso de fabricación de TN-LCD es básicamente maduro y, actualmente, se produce principalmente en Singapur, Taiwán, China continental y otras regiones. Ahora China es la principal base de producción de TN-LCD. Las pantallas LCD que normalmente vemos en relojes electrónicos, calculadoras, consolas de juegos, etc. son en su mayoría TN-LCD.

3.2.2 STN-LCD es la abreviatura de Super Twist Liquid Crystal Display. Es decir, LCD nemático supertrenzado. Es similar al TN-LCD en estructura, la diferencia es que su ángulo de torsión no es de 90°, sino entre 180~270, aunque es solo el ángulo de torsión, su principio de funcionamiento es completamente diferente al del TN-LCD. STN-LCD es un producto de gama media en la producción actual de LCD. Tiene las características de mostrar más información que TN-LCD, y se utiliza principalmente en varios instrumentos, máquinas de visualización chinas, blocs de notas, computadoras portátiles, etc. El proceso de fabricación de STN-LCD es básicamente maduro, pero la tecnología principal está en manos de unos pocos países como Japón y Corea del Sur. Hay más de diez empresas de fabricación de STN-LCD en China.

3.2.3 HTN-LCD es la abreviatura de Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display (pantalla de cristal líquido nemático de alta torsión). Es decir, una pantalla de cristal líquido nemático de alta torsión. La HTN-LCD tiene una estructura similar a la TN-LCD y a la STN-LCD. La única diferencia es que el ángulo de torsión de la HTN-LCD es de 100°~120°, entre la TN-LCD y la STN-LCD. Actualmente no hay muchas HTN-LCD y su rendimiento se sitúa entre la TN-LCD y la STN-LCD.

3.2.4 FSTN-LCD es la abreviatura de Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display (pantalla de cristal líquido nemático de supertorsión con película). El término película se refiere a la película de compensación o película de retardo, por lo que FSTN-LCD se denomina pantalla de cristal líquido nemático de supertorsión con película de compensación. Las desventajas de STN-LCD se pueden superar con una película de compensación con tratamiento especial.

3.2.5 TFT-LCD es una pantalla LCD de matriz activa con transistores de película fina, que es el producto de más alta calidad en el mercado actual de pantallas LCD. Se utiliza principalmente en ordenadores portátiles, televisores LCD, etc. El proceso de fabricación de TFT-LCD es relativamente complicado y el precio es relativamente alto. En la actualidad, Japón y Corea del Sur son países relativamente maduros en el mundo en la producción de TFT-LCD. En mi país, solo la provincia de Jilin planea invertir en líneas de producción de TFT-LCD.

4. La estructura, el principio de funcionamiento y los principales indicadores técnicos del LCD (tome TN-LCD como ejemplo).

4.1 Estructura de la pantalla LCD  

① Polarizador; ② Vidrio de sustrato; ③ Capa de barrera de SIO2; ④ Electrodo; ⑤ Película de orientación; ⑥ Marco de sellado; ⑦ Electrodo de transición; ⑧ Cristal líquido;

4.2 Principio de funcionamiento de la pantalla LCD:

Para entender cómo funcionan las pantallas LCD, primero debemos entender qué es la luz. Esta es una onda electromagnética. Es decir, el campo electromagnético se propaga en forma de ondas. El rango de longitud de onda de la luz visible para el ojo humano está aproximadamente entre 380 nanómetros y 780 nanómetros.

Por lo general, la luz se propaga a lo largo de una línea recta y la dirección de vibración de las ondas de luz es perpendicular a la dirección de propagación de la luz. En el caso de la luz natural (como la luz solar), en cada plano perpendicular a la dirección de propagación de la luz, las direcciones de vibración de las ondas de luz se distribuyen de manera aleatoria y uniforme.

Si la dirección de vibración de la onda de luz es en una dirección, dicha luz se denomina luz polarizada y esta dirección de vibración se denomina dirección de polarización. El plano formado por la dirección de polarización y la dirección de propagación de la onda de luz se denomina plano de vibración.

Los polarizadores tienen un eje de polarización fijo. La función del polarizador es permitir que pase únicamente la luz cuya dirección de vibración sea coherente con la dirección de su eje de polarización. La luz cuya dirección de vibración sea perpendicular al eje de polarización será absorbida por él. De esta manera, cuando la luz natural pasa a través del polarizador incidente de la celda de cristal líquido (llamado su polarizador), solo permanece la luz con la misma dirección de vibración que el eje de polarización del polarizador.

Es decir, luz polarizada linealmente. La luz polarizada pasa a través de la celda de cristal líquido y luego sale a través de un polarizador (llamado analizador). De esta manera, el hecho de que la luz pase a través del analizador depende del estado de polarización de la luz polarizada linealmente después de pasar a través de la celda de cristal líquido. De esta manera, se controla el estado de la luz que pasa a través del analizador para realizar la visualización.

En concreto, las moléculas de cristal líquido de la celda de cristal líquido de tipo TN forman una estructura retorcida. En determinadas condiciones, la polarización de la luz incidente rotará a lo largo de la dirección de torsión de las moléculas de cristal líquido. El eje largo de las moléculas de cristal líquido se tuerce 90°, lo que da como resultado una rotación óptica de 90°. Cuando se aplica un cierto voltaje a los electrodos de las dos láminas de vidrio, las moléculas de cristal líquido se transforman en una disposición perpendicular a las láminas de vidrio superior e inferior, y la estructura retorcida desaparece, lo que da como resultado la desaparición de la rotación óptica, y este efecto electroóptico se denomina efecto de campo eléctrico retorcido.

Para una pantalla de cristal líquido en blanco y negro, los polarizadores superior e inferior se colocan ortogonalmente. Es decir, los ejes de polarización son perpendiculares entre sí y la luz natural incidente se convierte en luz polarizada plana después de pasar a través del polarizador. Cuando no se aplica ningún campo eléctrico a la celda de cristal líquido, la luz polarizada se torcerá a lo largo de la estructura torcida de la molécula en 90°, la dirección de vibración se vuelve consistente con el eje de polarización del analizador, por lo que puede pasar a través del analizador sin problemas, y la pantalla está en un estado transparente en este momento, y está en un estado sin pantalla, y el circuito de accionamiento agrega el voltaje de la señal de accionamiento a los electrodos relevantes que deben mostrarse, la estructura torcida de esta parte de las moléculas de cristal líquido desaparece. Pérdida de potencia óptica. La luz polarizada del polarizador va directamente al analizador sin cambios. Porque su dirección de polarización es perpendicular al eje del analizador. La luz polarizada no podrá pasar a través del analizador, por lo que la parte del electrodo por donde pasa el voltaje de la señal aparecerá negra, en estado de visualización.

4.3 Principales indicadores técnicos del LCD:

4.3.1 Características de respuesta electroóptica:

La transmitancia de luz relativa de la pantalla de cristal líquido cambia con el cambio del voltaje de la señal externa, que es la característica de respuesta electroóptica, que es una de las características más importantes.

4.3.2 Contraste:

El contraste de la pantalla de cristal líquido es la relación entre la transmitancia de luz relativa del estado de visualización y el estado sin visualización. Cuando el contraste es ≥5, la imagen es nítida.

4.3.3 Perspectiva:

La relación de contraste de la pantalla LCD está relacionada con el ángulo de visión (es decir, el ángulo de visión del ojo humano). La característica de que el contraste varía con el ángulo de visión se denomina característica del ángulo de visión. Indicador de la característica del ángulo de visión. Generalmente, se determina un valor mínimo aceptable de contraste para examinar el rango del ángulo de visión donde el contraste es mayor que este valor, y este rango se denomina cono del ángulo de visión. Por ejemplo, cuando la relación de contraste de la pantalla LCD = 3 valores del ángulo de visión, su ángulo de visión superior es de 10°, su ángulo de visión inferior es de 40° y sus ángulos de visión izquierdo y derecho son de 30°.

El ángulo de visión es el ángulo entre la dirección de visualización y la normal del dispositivo de visualización. Dirección de visualización (cuadrante del mejor ángulo de visión): las pantallas de cristal líquido nemático trenzado tienen una dirección de visualización óptima y el ángulo de visión frontal general (ángulo de visión positivo) se determina a partir del ángulo θ de esta dirección.

Una de las desventajas de las pantallas LCD en comparación con otras pantallas es su rango más estrecho de ángulos de visión. Si el producto del espesor de la celda y la anisotropía del índice de refracción del cristal líquido es △n*d=0.5 micrones aproximadamente, las características del ángulo de visión del dispositivo mejorarán considerablemente. Pero su entorno de fabricación es más exigente.

4.3.4 Tiempo de respuesta:

Las pantallas LCD suelen mostrar imágenes cambiantes. El tiempo de reacción del ojo humano es del orden de unos pocos milisegundos. Por lo tanto, la respuesta al cambio de la imagen mostrada y al cambio de voltaje de la señal no debe ser inferior a esta velocidad. El tiempo de respuesta para describir las características dinámicas de la pantalla de cristal líquido se expresa generalmente mediante tres constantes, como el tiempo de retardo, el tiempo de subida y el tiempo de bajada.

4.3.5 Consumo de energía:

El consumo de energía es la energía que consume el LCD, generalmente en el orden de microvatios/centímetro cuadrado, y el bajo consumo de energía es una de las mayores ventajas del LCD. El consumo de energía del LCD depende del área de visualización, el voltaje y la frecuencia de accionamiento, la resistividad del cristal líquido, la constante dieléctrica y el espesor de la celda, etc. Entre ellos, la resistividad positiva del cristal líquido es fácil de caer bruscamente a medida que el cristal líquido se contamina. Por lo tanto, la conservación adecuada del cristal líquido es muy importante.

4.3.6 Características de temperatura:

Sabemos que los materiales de cristal líquido solo exhiben un estado de cristal líquido dentro de un cierto rango de temperatura, e incluso dentro del rango de temperatura del estado de cristal líquido, los cambios de temperatura afectarán los parámetros físicos del material de cristal líquido, como la viscosidad, la constante dieléctrica y la constante elástica, etc.

5. Materias primas utilizadas para la fabricación de pantallas LCD y procesos de fabricación de pantallas LCD.

5.1 Las materias primas utilizadas en la fabricación de LCD se refieren a las materias primas retenidas en el producto después de que se produce el LCD. Incluyen principalmente: cristal líquido de vidrio ITO, polarizador, líquido PI, pegamento de serigrafía (pegamento para marcos de impresión, pegamento conductor), pegamento de sellado, polvo de Ni, junta de plástico, etc. En términos generales, las tres materias primas principales de LCD son: cristal líquido, vidrio ITO y polarizador. Los materiales auxiliares para la fabricación de LCD se refieren a las materias primas que se utilizan en el proceso de producción y que no existen en el producto final, como: fotorresistencia y diluyente, NMP, diluyente PI, líquido BC, diluyente SiO2, tela abrasiva, isopropanol, etanol, acetona, agente de limpieza, ácido, álcali, etc.

5.2 Las anteriores son las materias primas que conocemos sobre el uso de LCD. De hecho, el proceso de fabricación de LCD y el proceso de producción de LCD son el proceso de procesamiento y combinación de estas materias primas. El diagrama de flujo del proceso específico es el siguiente: Preparación del material; Limpieza y secado; Pegado; Horneado frontal; Exposición; Revelado; Esclerodermia; Grabado; Eliminación de la película; Película de alineación del revestimiento; Presecado y curado; Orientación; Serigrafía; Extensión; Ajuste (combinación); Curado; Corte; Relleno de LC; Sellado (dispensación y cementado); Limpieza; Pequeñas grietas, limpieza; Redirección (horneado); Inspección visual; Inspección eléctrica; Corte y pegado; Inspección final; Embalaje; Almacenamiento