Como funcionam os displays de cristal líquido? O que é um LCD? - Explicação técnica detalhada

1. cristal líquido

1.1. O que é LCD

Todos nós sabemos que a matéria tem três estados: sólido, líquido e gasoso. Esses três estados também podem ser chamados de fase sólida, fase líquida e fase gasosa. A maioria das substâncias na natureza apresenta estados sólido, líquido e gasoso com mudanças de temperatura. Como água, sal e substâncias compostas de todos os elementos da tabela periódica. Suas unidades constituintes, como moléculas de água ou átomos de silício, são basicamente como pequenas bolas. À medida que a temperatura diminui ou aumenta, o arranjo das unidades constituintes muda de um arranjo desordenado subsequente para um arranjo limpo e ordenado. Ou seja, da fase líquida para a fase gasosa ou fase sólida. Em cristais, o arranjo ordenado das unidades constituintes significa que cada unidade constituinte está em uma determinada posição, não é fácil de fluir e é organizada regularmente. Contanto que as pessoas conheçam suas regras de arranjo, elas podem começar de uma unidade constituinte e encontrá-las de acordo com a lei. Outra unidade, ordenação espacial estrita. Além do estado sólido, estado líquido e estado sólido que conhecemos, algumas substâncias, no processo de mudança do estado sólido para o estado líquido, não mudam diretamente do estado sólido para o estado líquido, mas dão um estado intermediário. Uma substância em um estado intermediário que parece ser um líquido turvo na aparência. Mas suas propriedades ópticas e certas propriedades elétricas são semelhantes às dos cristais.

É anisotrópico, como características de birrefringência. Conforme a temperatura aumenta, várias substâncias turvas se tornarão líquidos claros e homogêneos conforme a temperatura aumenta. Por outro lado, quando tais substâncias mudam de líquido para sólido, elas também passam por um estado intermediário. Todos os tipos de substâncias que podem ter líquido e cristal em uma determinada faixa de temperatura são chamadas de Cristal Líquido, também conhecido como fase de cristal líquido, mesofase ou fase intermediária, também conhecido como o quarto estado da matéria.

1.2. Origem do cristal líquido

Os cristais líquidos foram descobertos pela primeira vez em 1888 pelo botânico austríaco F. Reinitzer. Ao medir o ponto de fusão de certas substâncias, descobriu-se que certas substâncias (benzoato e ésteres de lipoesteróis) passarão por um estado líquido turvo branco opaco após a fusão e emitirão um brilho colorido e bonito. Tornar-se-ão um líquido claro. Em 1889, o físico alemão O. Lehmann observou esses compostos lipídicos com um microscópio polarizador com um dispositivo de aquecimento projetado por ele na época. Ele descobriu que esse tipo de substância turva branca parece líquida na aparência. No entanto, exibe birrefringência característica de cristais anisotrópicos. Então Lehmann o chamou de "cristal líquido". Esta é a origem do LCD.

Para mais detalhes, consulte este artigo: Como foi inventado o display de cristal líquido? A história da evolução da tecnologia de telas.

1.3. Tipos de LCD:

Com o desenvolvimento da ciência e a melhoria da compreensão das pessoas, descobriu-se que as substâncias de cristal líquido são basicamente compostos orgânicos. Um em cada 200 compostos orgânicos existentes exibe uma fase de cristal líquido. Da perspectiva da composição e das condições físicas para o aparecimento de fases de cristal líquido, os cristais líquidos podem ser divididos em duas categorias: cristais líquidos termotrópicos e cristais líquidos liotrópicos. Quando algumas substâncias orgânicas são aquecidas e dissolvidas, os cristais líquidos são formados devido à destruição da rede cristalina pelo aquecimento, o que é chamado de cristais líquidos termotrópicos, ou seja, algumas substâncias aparecem em fases de cristal líquido devido ao aquecimento, conforme mencionado nos poucos anteriores. Da mesma forma, algumas substâncias orgânicas são colocadas em um determinado solvente, e o cristal líquido formado porque o solvente destrói a rede cristalina é chamado de cristal líquido soluto. É uma fase de cristal líquido que aparece devido a mudanças na concentração da solução. Os mais comuns são água com sabão e assim por diante. Atualmente, a maioria dos materiais de exibição são cristais líquidos termotrópicos. Até agora, mais de 20,000 tipos de cristais líquidos foram descobertos.

Entre os numerosos cristais líquidos, o cristal líquido mais estudado é o cristal líquido unitário composto de moléculas orgânicas simples em forma de bastão, que são mais amplamente utilizadas na tecnologia de exibição. Todos os tipos de moléculas geralmente têm a estrutura mostrada na Figura (1): a molécula O núcleo rígido é composto de dois anéis de benzeno e um grupo funcional no meio, e há grupos alquil mais macios ou outras cadeias moleculares orgânicas mais macias em ambas as extremidades do núcleo. Conforme mostrado na Figura (1), há um epóxi em uma cadeia de fusão A estrutura da resina torna a molécula uma molécula quiral.

De acordo com os diferentes arranjos das moléculas de cristais líquidos, elas podem ser divididas em três categorias: cristais líquidos nemáticos, cristais líquidos colestéricos e cristais líquidos esméticos.

Figura 1)

1.3.1 Cristal líquido nemático:

O centro de gravidade das espécies moleculares do cristal líquido nemático é caótico e desordenado, de modo que pode fluir como um líquido comum, mas os diretores das hastes moleculares são aproximadamente os mesmos, conforme mostrado na Figura (2)

1.3.2 Cristal líquido colestérico:

Nos cristais líquidos colestéricos, a disposição dos centros de gravidade das moléculas é desordenada, mas a orientação das moléculas

Um vetor aponta aproximadamente em uma direção em um plano. em uma direção perpendicular a este plano. O diretor da molécula irá girar para formar uma estrutura helicoidal, como mostrado na Figura (3):

1.3.3 Cristal líquido esmético:

Em cristais líquidos esméticos, as moléculas formam uma estrutura camada por camada. A espessura da camada molecular é aproximadamente o comprimento de uma molécula. As moléculas são dispostas perpendicularmente ao plano da camada molecular, e o centro de gravidade das moléculas é desordenado na camada molecular, formando um fluido bidimensional camada por camada. Conforme mostrado na figura (4)

Figura(2)(3)(4)

Em resumo, os cristais líquidos podem ser divididos aproximadamente nas três categorias acima. Vários tipos de cristais líquidos têm propriedades físicas diferentes devido às suas diferentes estruturas. Devido à faixa de temperatura estável especial do material de cristal líquido com anisotropia termotrópica acima da temperatura ambiente. Somente este tipo de cristal líquido pode ser usado como material de exibição. A estrutura do cristal é tão forte que é facilmente afetada por influências externas, como campos elétricos, campos magnéticos, estresse de temperatura e impurezas adsorvidas. Portanto, é fácil alterar suas propriedades ópticas. Este arranjo molecular fraco de cristais líquidos é a condição-chave para que os cristais líquidos tenham um amplo mercado hoje.

2. Monitor LCD

O cristal líquido tem um momento dipolar fixo, então aplicar um campo elétrico pode mover o eixo das moléculas do cristal líquido, e então o arranjo das moléculas do cristal líquido mudará. Mudando assim suas propriedades ópticas para atingir seu efeito de exibição. Este é o princípio básico do cristal líquido como uma exibição.

2.1. O que é display LCD:

Usando os vários efeitos eletro-ópticos dos cristais líquidos, mudanças nas condições de contorno, como campo elétrico, campo magnético, luz e temperatura, podem ser convertidas em sinais visuais sob certas condições. Isso é chamado de display de cristal líquido, que geralmente é representado por LCD. O cristal líquido foi usado pela primeira vez na fabricação de displays pela RCA Corporation nos Estados Unidos em maio de 1968, e tem sido amplamente usado em campos de display doméstico, industrial e militar, como relógios e relógios, calculadoras, instrumentação, laptops, telefones celulares, pagers, animais de estimação eletrônicos, televisores coloridos de bolso, grandes displays de tela plana e televisores de projeção.

2.2. Vantagens e desvantagens do display de cristal líquido:

A tecnologia de exibição de informações está se tornando cada vez mais importante com o desenvolvimento da socialização de informações, e os displays de cristal líquido têm muitas vantagens em comparação com outros displays; Display plano, tamanho pequeno, peso leve, fácil de transportar; Baixo consumo de energia e baixa tensão de acionamento; Longa vida útil, geralmente mais de 50,000 horas; Não contém raios nocivos e é inofensivo ao corpo humano; Display passivo, não é fácil de ser lavado por luz forte; Fácil de acionar, pode ser acionado diretamente por circuitos integrados de grande escala; Estrutura simples, sem peças mecânicas complicadas; Baixo custo de construção.

Com a ampla aplicação de telas de cristal líquido, as pessoas também podem encontrar algumas desvantagens: como é um componente passivo e não emite luz, ele precisa depender de outras fontes de luz para ser visível no escuro; há ângulos de visão limitados; a velocidade de resposta (30 ms-120 ms) não é tão boa quanto a de outros componentes; a vida não conseguiu se tornar um componente semipermanente.

3. Classificação LCD

3.1 Existem muitos tipos de telas de cristal líquido, que podem ser divididas em telas de visão direta e projeção transmissivas e reflexivas, de acordo com o método de exibição.

3.1.1 O lado norte do LCD transmissivo é equipado com lâmpadas fluorescentes, eletrodos eletroluminescentes e outras fontes de luz. Portanto, ele também pode ser usado em luz ambiente fraca.

3.1.2 O tipo reflexivo é um tipo de folha de alumínio refletora de luz fixada na parte externa do substrato de vidro na parte traseira do LCD para refletir a luz incidente do LCD para exibição. Nos modos TN e STN, um polarizador e um refletor enrugado são fixados no substrato de vidro traseiro. Este tipo reflexivo aproveita ao máximo o baixo consumo de energia de LCDs não luminosos.

3.2 Os LCDs produzidos por efeito fotoelétrico são divididos nos seguintes tipos: TN-LCD, STN-LCD, HTN-LCD, FSTN-LCD e TFT-LCD.

 3.2.1 TN-LCD é um display de cristal líquido nemático torcido. Todos nós sabemos que as moléculas de cristal líquido são basicamente paralelas ao arranjo da placa de base, mas a orientação das moléculas de cristal líquido superior e inferior é torcida, e a torção geral é de 900, TN-LCD é o display mais antigo, mais amplamente utilizado, maior e mais barato. O processo de fabricação do TN-LCD é basicamente maduro, e atualmente é produzido principalmente em Cingapura, Taiwan, China continental e outras regiões. Agora a China é a principal base de produção do TN-LCD. Os LCDs que geralmente vemos em relógios eletrônicos, calculadoras, consoles de jogos, etc. são principalmente TN-LCD.

3.2.2 STN-LCD é a abreviação de Super Twist Liquid Crystal Display. Ou seja, LCD nemático super torcido. É semelhante ao TN-LCD em estrutura, a diferença é que seu ângulo de torção não é 90°, mas entre 180~270, embora seja apenas o ângulo de torção, seu princípio de funcionamento é completamente diferente do TN-LCD. O STN-LCD é um produto de médio porte na produção atual de LCD. Ele tem as características de exibir mais informações do que o TN-LCD e é usado principalmente em vários instrumentos, máquinas de exibição chinesas, blocos de notas, notebooks, etc. O processo de fabricação do STN-LCD é basicamente maduro, mas a tecnologia principal está nas mãos de alguns países, como Japão e Coreia do Sul. Existem mais de dez empresas de fabricação de STN-LCD na China.

3.2.3 HTN-LCD é a abreviação de Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display. Ou seja, um display de cristal líquido nemático altamente torcido. HTN-LCD é similar em estrutura ao TN-LCD e STN-LCD. Só que o ângulo de torção do HTN-LCD é de 100°~120°, entre TN-LCD e STN-LCD. Não há muitos HTN-LCDs atualmente, e seu desempenho está entre TN-LCD e STN-LCD.

3.2.4 FSTN-LCD é a abreviação de Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display. Este filme se refere ao filme de compensação ou filme de retardo, então FSTN-LCD é chamado de filme de compensação super torcido nemático display de cristal líquido. As desvantagens do STN-LCD podem ser superadas por um filme de compensação especialmente tratado.

3.2.5 TFT-LCD é um LCD de matriz ativa com transistores de filme fino, que é o produto de mais alta qualidade no mercado atual de LCD. É usado principalmente em notebooks, TVs LCD, etc. O processo de fabricação de TFT-LCD é relativamente complicado e o preço é relativamente alto. Atualmente, o Japão e a Coreia do Sul são países relativamente maduros no mundo para a produção de TFT-LCD. No meu país, apenas a província de Jilin planeja investir em linhas de produção de TFT-LCD.

4. A estrutura, princípio de funcionamento e principais indicadores técnicos do LCD (tome o TN-LCD como exemplo).

4.1 Estrutura do LCD  

① Polarizador; ② Vidro de substrato; ③ Camada de barreira SIO2; ④ Eletrodo; ⑤ Filme de orientação; ⑥ Estrutura de vedação; ⑦ Eletrodo de transição; ⑧ Cristal líquido;

4.2 Princípio de funcionamento do LCD:

Para entender como os LCDs funcionam, primeiro precisamos entender a luz. Esta é uma onda eletromagnética. Ou seja, o campo eletromagnético se propaga na forma de ondas. A faixa de comprimento de onda da luz visível ao olho humano é aproximadamente entre 380 nanômetros e 780 nanômetros.

Geralmente a luz se propaga ao longo de uma linha reta, e a direção de vibração das ondas de luz é perpendicular à direção de propagação da luz. Para luz natural (como a luz solar), em cada plano perpendicular à direção de propagação da luz, as direções de vibração das ondas de luz são distribuídas aleatoriamente e uniformemente.

Se a direção da vibração da onda de luz for ao longo de uma direção, tal luz é chamada de luz polarizada, e essa direção de vibração é chamada de direção de polarização. O plano formado pela direção de polarização e a direção de propagação da onda de luz é chamado de plano de vibração.

Os polarizadores têm um eixo de polarização fixo. A função do polarizador é permitir que passe somente a luz cuja direção de vibração seja consistente com a direção do seu eixo de polarização. A luz cuja direção de vibração seja perpendicular ao eixo de polarização será absorvida por ele. Dessa forma, quando a luz natural passa pelo polarizador incidente da célula de cristal líquido (chamado de polarizador), somente a luz com a mesma direção de vibração do eixo de polarização do polarizador permanece.

Isto é, luz polarizada linearmente. A luz polarizada passa pela célula de cristal líquido e então sai por um polarizador (chamado de analisador). Desta forma, se a luz passa pelo analisador depende do estado de polarização da luz polarizada linearmente após passar pela célula de cristal líquido. Controlando assim o estado da luz que passa pelo analisador para realizar a exibição.

Especificamente, as moléculas de cristal líquido na célula de cristal líquido do tipo TN formam uma estrutura torcida. Sob certas condições, a polarização da luz incidente girará ao longo da direção de torção das moléculas de cristal líquido. O eixo longo das moléculas de cristal líquido é torcido em 90°, resultando na rotação óptica de 90°. Quando uma certa voltagem é aplicada aos eletrodos nas duas folhas de vidro, as moléculas de cristal líquido são transformadas em um arranjo perpendicular às folhas de vidro superior e inferior, e a estrutura torcida desaparece, resultando em A rotação óptica desaparece, e esse efeito eletro-óptico é chamado de efeito de campo elétrico torcido.

Para um display de cristal líquido preto sobre branco, os polarizadores superior e inferior são colocados ortogonalmente. Ou seja, os eixos de polarização são perpendiculares entre si, e a luz natural incidente se torna luz polarizada plana após passar pelo polarizador. Quando nenhum campo elétrico é aplicado à célula de cristal líquido, a luz polarizada será torcida ao longo da estrutura torcida da molécula em 90°, a direção da vibração se torna consistente com o eixo de polarização do analisador, para que possa passar pelo analisador suavemente, e o display está em um estado transparente neste momento, e está em um estado de não exibição, e o circuito de acionamento adiciona a tensão do sinal de acionamento aos eletrodos relevantes que precisam ser exibidos, a estrutura torcida desta parte das moléculas de cristal líquido desaparece. Potência óptica perdida. A luz polarizada do polarizador vai diretamente para o analisador sem alteração. Porque sua direção de polarização é perpendicular ao eixo do analisador. A luz polarizada não será capaz de passar pelo analisador, de modo que parte do eletrodo que passa a tensão do sinal aparecerá preta, no estado de exibição.

4.3 Principais indicadores técnicos do LCD:

4.3.1 Características de resposta eletro-óptica:

A transmitância relativa de luz do display de cristal líquido muda com a mudança da tensão do sinal externo, que é a característica de resposta eletro-óptica, que é uma das características mais importantes.

4.3.2 Contraste:

O contraste do display de cristal líquido é a razão da transmitância de luz relativa do estado de exibição e do estado sem exibição. Quando o contraste é ≥5, a imagem é nítida.

4.3.3 Perspectiva:

A taxa de contraste do LCD está relacionada ao ângulo de visão (ou seja, o ângulo de visão dos olhos humanos). A característica de que o contraste varia com o ângulo de visão é chamada de característica do ângulo de visão. Indicador de característica do ângulo de visão. Geralmente, um valor mínimo aceitável de contraste é determinado para examinar a faixa do ângulo de visão onde o contraste é maior que esse valor, e essa faixa é chamada de cone do ângulo de visão. Por exemplo, quando a taxa de contraste do LCD = 3 valor do ângulo de visão. Seu ângulo de visão superior é 10°, seu ângulo de visão inferior é 40° e seus ângulos de visão esquerdo e direito são 30°.

O ângulo de visão é o ângulo entre a direção de visão e a normal do dispositivo de exibição. Direção de visão (quadrante do melhor ângulo de visão): Os displays de cristal líquido nemáticos torcidos têm uma direção de visão ótima, e o ângulo de visão frontal geral (ângulo de visão positivo) é determinado a partir do ângulo θ dessa direção.

Uma das desvantagens dos LCDs em comparação com outros displays é sua faixa mais estreita de ângulos de visão. Se o produto da espessura da célula e da anisotropia do índice de refração do cristal líquido for △n*d=0.5 mícron ou algo assim, as características do ângulo de visão do dispositivo serão muito melhoradas. Mas seu ambiente de fabricação é mais exigente.

4.3.4 Tempo de resposta:

LCDs frequentemente exibem imagens em mudança. O tempo de reação do olho humano é da ordem de alguns milissegundos. Portanto, a resposta à mudança da imagem exibida e à mudança da voltagem do sinal não deve ser menor que essa velocidade. O tempo de resposta para descrever as características dinâmicas do display de cristal líquido é geralmente expresso por três constantes, como o tempo de atraso, o tempo de subida e o tempo de descida.

4.3.5 Consumo de energia:

O consumo de energia é a energia consumida pelo trabalho do LCD, geralmente na ordem de microwatts/centímetro quadrado, e o baixo consumo de energia é uma das maiores vantagens do LCD. O consumo de energia do LCD depende da área de exibição, tensão e frequência de acionamento, resistividade do cristal líquido, constante dielétrica e espessura da célula, etc. Entre eles, a resistividade positiva do cristal líquido é fácil de cair bruscamente, pois o cristal líquido é poluído. Portanto, a preservação adequada do cristal líquido é muito importante.

4.3.6 Características de temperatura:

Sabemos que materiais de cristal líquido só exibem um estado de cristal líquido dentro de uma certa faixa de temperatura, e mesmo dentro da faixa de temperatura do estado de cristal líquido, mudanças na temperatura afetarão os parâmetros físicos do material de cristal líquido. Como viscosidade, constante dielétrica e constante elástica, etc.

5. Matérias-primas utilizadas na fabricação de LCDs e processos de fabricação de LCDs.

5.1 As matérias-primas usadas na fabricação de LCD referem-se às matérias-primas retidas no produto após a produção do LCD. Incluem principalmente: cristal líquido de vidro ITO, polarizador, líquido PI, cola de serigrafia (cola de moldura de impressão, cola condutora), cola de vedação, pó de Ni, junta plástica, etc. Em termos gerais, as três principais matérias-primas do LCD são: cristal líquido, vidro ITO e polarizador. Os materiais auxiliares para a fabricação de LCD referem-se às matérias-primas que são usadas no processo de produção e não existem no produto final, como: fotorresistente e diluente, NMP, diluente PI, líquido BC, diluente SiO2, pano abrasivo, isopropanol, etanol, acetona, agente de limpeza, ácido, álcali, etc.

5.2 As matérias-primas acima são as que conhecemos sobre o uso do LCD. Na verdade, o processo de fabricação do LCD e o processo de produção do LCD são o processo de processamento e combinação dessas matérias-primas. O fluxograma do processo específico é o seguinte: Preparação do material; Limpeza e secagem; Colagem; Cozimento frontal; Exposição; Revelação; Esclerodermia; Gravação; Remoção do filme; Filme de alinhamento do revestimento; Pré-secagem e cura; Orientação; Serigrafia; Espalhamento; Encaixe (combinação); Cura; Corte; Enchimento LC; Selagem (dispensação e cimentação); Limpeza; Pequenas rachaduras, limpeza; Redirecionamento (cozimento); Inspeção visual; Inspeção elétrica; Corte e colagem; Inspeção final; Embalagem; Armazenagem