Como foi inventado o display de cristal líquido? A história da evolução da tecnologia de display de tela

Todos os dias, assistimos a conteúdo de streaming por meio de telas de dispositivos como TVs, computadores e celulares. Com o desenvolvimento e atualização contínuos de dispositivos de hardware e tecnologia de mídia de streaming, a tecnologia de exibição de tela também está em constante evolução. Hoje, vamos seguir os passos da história e revisar os marcos importantes no desenvolvimento da tecnologia de exibição de tela.

1. O advento do CRT

Os raios catódicos foram observados pela primeira vez em 1869 pelos físicos alemães Julius Plücker e Johann Wilhelm Hittorf. Em 1897, o físico alemão Karl Ferdinand Braun (Braun também ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1909) inventou o CRT (cathode-ray tube, tubo de raios catódicos), que era originalmente chamado de tubo de Braun. ), um dos primeiros displays eletrônicos do mundo.

Um CRT é um tubo de vácuo especial que contém um ou mais canhões de elétrons, que emitem feixes de elétrons que atingem uma tela fluorescente para criar uma imagem. As primeiras televisões, computadores, caixas eletrônicos, câmeras, monitores e displays de radar tinham CRTs embutidos.

Em 1907, o cientista russo Boris Rosing (que trabalhou com o inventor da televisão Vladimir Zworykin) usou um tubo de raios catódicos (CRT) para transmitir uma imagem geométrica simples para uma tela de TV. O trabalho pioneiro de Rosing também o tornou um importante inventor na área da televisão. Desde então, a tecnologia CRT continuou a evoluir e foi comercializada pela primeira vez em 1922. Antes do advento de tecnologias como LED, plasma e OLED , os CRTs eram usados ​​como telas para a maioria dos dispositivos.

Ao longo de meados do final do século XX, tubos de raios catódicos eram comumente usados ​​em televisores e monitores de computador. Durante esse tempo, os fabricantes continuaram a melhorar o desempenho e a resolução. A maioria dos monitores de computador na década de 20 só conseguia exibir texto verde em uma tela preta. Em 1970, os monitores Extended Graphics Array (XGA) da IBM eram capazes de exibir 1990 milhões de cores em uma resolução de 16.8 x 800 pixels.

Um CRT colorido de 14 polegadas

2. Tela de plasma

Em 1936, o engenheiro húngaro Kálmán Tihanyi descreveu esse sistema de tela plana de plasma em seu artigo. Em 1964, Donald Bitzer, H. Gene Slottow e o então estudante de pós-graduação Robert Willson, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, desenvolveram a primeira tela de plasma monocromática para uso no sistema de computador PLATO.

O princípio de emissão de luz do plasma é injetar gás inerte ou vapor de mercúrio no tubo de vidro a vácuo. Após aplicar voltagem, o gás produz um efeito de plasma, emite raios ultravioleta e excita o fósforo para gerar luz visível. O comprimento do tempo de excitação é usado para produzir brilho diferente. Em um display de plasma, cada pixel é produzido por três emissores de plasma (primários) de cores diferentes. É particularmente claro e distinto porque cada iluminador individual é aceso ao mesmo tempo. 

Até o início dos anos 2000, os displays de plasma eram a escolha mais popular para grandes HDTVs de tela plana. No entanto, deve-se notar que, como o display de plasma é propenso à retenção de imagem e, ao mesmo tempo, devido à limitação de material e estrutura, ele não pode ser reduzido em tamanho, portanto, não é adequado para computadores, tablets e celulares. Esta também é a principal razão pela qual o display de plasma perde na competição de mercado.

Em 2013, foi superado por LCDs de baixo custo, que estavam competindo em qualidade de exibição com displays planos OLED caros, mas de maior contraste. Os displays de plasma perderam quase toda a participação de mercado. A produção de displays de plasma para o mercado de varejo dos EUA terminou em 2014, e a produção para o mercado chinês terminou em 2016.

Display de plasma

3. A era dos displays de cristal líquido (LCD)

Em 1888, o botânico austríaco F·Reinetzer descobriu acidentalmente cristais líquidos enquanto estudava benzoato de colesterol em cenouras, mas isso não trouxe muitos benefícios aos humanos por um longo tempo. Foi somente na década de 1960 que alguns jovens cientistas eletrônicos quebraram o silêncio.

Em 1961, um jovem estudioso de eletrônica, George Heilmeier, estava se preparando para a defesa de sua tese de doutorado no Laboratório de Princeton da RCA Corporation nos Estados Unidos. Sua especialidade eram componentes sólidos de micro-ondas. Ele é muito talentoso nessa área.

Um dia, um amigo dele lhe contou sobre sua pesquisa atual sobre semicondutores orgânicos, e tópicos interdisciplinares despertaram seu grande interesse. Ele buscou o conselho de seu tutor e, com o apoio e o incentivo de seu tutor, ele resolutamente desistiu do campo profissional onde havia aprendido muito e entrou em um novo campo sobre o qual ainda sabia pouco. Ele aplicou seu conhecimento de eletrônica à química orgânica e rapidamente obteve resultados.

Logo, ele se interessou por outro novo tópico --- laser, e assim se familiarizou com cristais novamente. Para estudar o efeito do campo elétrico externo no campo elétrico interno do cristal, ele pensou em cristais líquidos. Ele intercalou um cristal líquido nemático dopado com corante entre dois vidros condutores transparentes. Quando uma voltagem de vários volts é aplicada a ambos os lados da camada de cristal líquido, a camada de cristal líquido muda de vermelho para transparente. Nascido na eletrônica, ele imediatamente percebeu que esta é uma TV de tela plana colorida! Membros da equipe animados e ele imediatamente começaram a pesquisar dia e noite, e eles descobriram sucessivamente uma série de efeitos eletro-ópticos de cristais líquidos, como espalhamento dinâmico e transição de fase de cristais líquidos. E desenvolveu com sucesso uma série de dispositivos de exibição digital e de caracteres, bem como relógios de exibição de cristal líquido, displays de ponte e outros produtos práticos.

A estrutura do LCD consiste em colocar uma célula de cristal líquido entre dois substratos de vidro paralelos, um TFT (transistor de película fina) é disposto no substrato de vidro inferior e um filtro de cor é disposto no substrato de vidro superior. A rotação desses substratos controla a emissão de luz polarizada de cada pixel, atingindo assim o objetivo da exibição.

A RCA Corporation atribui grande importância à sua pesquisa e sempre a classificou como um grande projeto confidencial da empresa. Foi somente em 1968 que ela relatou ao mundo em um relatório de transmissão as últimas conquistas científicas e tecnológicas. Este relatório imediatamente atraiu a atenção dos círculos científicos e tecnológicos japoneses e dos círculos industriais. O Japão combinou os circuitos integrados de larga escala e os cristais líquidos que estavam surgindo naquela época, e tomou o mercado de "eletrônicos pessoais" como guia, rapidamente desenvolveu uma série de produtos comerciais, abriu a situação prática dos displays de cristal líquido e tomou a iniciativa, resultando nisso. Este impulso contribuiu para o crescimento surpreendente da indústria japonesa de microeletrônica.

Nos Estados Unidos, os líderes de alguns departamentos de produção da RCA Company, por um lado, estão limitados aos produtos semicondutores tradicionais, por outro lado, eles enfatizam demais as deficiências dos dispositivos de exibição de cristal líquido incipientes e tentam o máximo para destruir os dispositivos de exibição de cristal líquido sob o pretexto de que o mercado ainda não foi desenvolvido. industrialização. Por esse motivo, os membros da equipe de "cristal líquido" começaram a sair, e a patente para "display de cristal líquido" também foi vendida. Diz-se que em meados da década de 1970, quando o display de cristal líquido formou uma indústria, a RCA Company concluiu tristemente em uma reunião do conselho que a perda da tecnologia de display de cristal líquido na história do desenvolvimento centenário da RCA foi um grande erro.

Embora os displays de cristal líquido existam desde a década de 1970 (comumente encontrados em calculadoras, relógios, relógios e vários eletrodomésticos), eles não ganharam uso generalizado até a década de 1990. Devido ao seu baixo consumo de energia, tamanho pequeno e peso leve, é amplamente utilizado em notebooks. À medida que a tecnologia LCD continua a melhorar, o uso de telas LCD em computadores e televisores está se tornando cada vez mais popular. Em 2007, as TVs LCD ultrapassaram as vendas de TVs CRT em todo o mundo pela primeira vez.

4. De LED para OLED

Em 1962, o engenheiro da General Electric Nick Holonyack inventou o primeiro LED de luz visível do mundo. De 1962 a 1968, Howard C. Borden e Gerald P. Pighini da Hewlett-Packard Company lideraram o trabalho de pesquisa e desenvolvimento de LED. Em fevereiro de 1969, eles introduziram a Calculadora HP Modelo 5082-7000, o primeiro dispositivo LED a usar tecnologia de circuito integrado e o primeiro display LED inteligente do mundo. A comercialização de LEDs pela HP desencadeou uma revolução na tecnologia de display digital e estabeleceu a base para o desenvolvimento da tecnologia de display LED mais tarde.

LED é a abreviação de Light Emitting Diodes, ou seja, "Light Emitting Diode", estritamente falando, também é um tipo de LCD (Liquid Crystal Display). O tradicional CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp, Cold Cathode Fluorescent Lamp, etc.) como fonte de luz de fundo do dispositivo LCD pode iluminar apenas a tela inteira uniformemente e não pode alterar a intensidade da iluminação. Comparados aos CCFLs, os dispositivos LCD com retroiluminação LED podem usar escurecimento local, resultando em melhor contraste e telas mais vívidas, consumindo menos energia.

A maioria dos displays LCD de smartphones e tablets usam LEDs devido à sua versatilidade e menor peso.

Em 1987, com base em pesquisas anteriores, dois químicos da Eastman Kodak, Deng Qingyun e Steven Van Slyke, desenvolveram em conjunto o primeiro dispositivo OLED prático.

OLED (Diodo Orgânico Emissor de Luz) , também conhecido como "Display Eletroluminescente Orgânico" , é um dispositivo que utiliza uma estrutura de filme fino orgânico multicamadas para gerar eletroluminescência, emitindo luz brilhante quando uma corrente elétrica é aplicada. Ao contrário dos LCDs, os OLEDs não necessitam de retroiluminação, podem utilizar um substrato emissor mais leve (em vez dos substratos de vidro usados ​​por LCDs e LEDs) e possuem ângulos de visão mais amplos e resposta mais rápida.

O surgimento da tecnologia OLED representa um grande avanço para a eletroluminescência. Comparadas aos LEDs, as telas OLED são mais finas, leves e flexíveis, sendo comumente utilizadas em telas de TV, monitores de computador e dispositivos como smartphones, smartwatches e consoles de jogos portáteis.

Desde que o iPhone X começou a usar telas OLED , essa tecnologia rapidamente conquistou o mercado global de dispositivos, com o surgimento de telas infinitas, dobráveis ​​e flexíveis, o que impulsionou significativamente o desenvolvimento da tecnologia de telas.

5. A invenção do papel eletrônico

Na década de 1970, Nick Sheridon, da Xerox Parc, desenvolveu o primeiro papel eletrônico do mundo: o Gyricon.

E-paper é uma película fina revestida com tinta eletrônica — um material líquido no qual centenas de microcápsulas com o diâmetro de um fio de cabelo humano são suspensas, cada uma das microcápsulas é composta de partículas carregadas positiva e negativamente. Quando um campo elétrico positivo ou negativo é aplicado a um único eletrodo, partículas coloridas com uma carga correspondente se movem para o topo ou para o fundo da cápsula, dando à superfície do display de e-paper uma determinada cor.

Assim como o OLED, o próprio papel eletrônico emite luz visível, mas mantém o brilho do "papel".

Embora o papel eletrônico tenha sido desenvolvido na década de 1970, ele não se tornou popular até o início dos anos 2000. Seus mais amplamente usados ​​são os leitores eletrônicos, como o nosso Kindle comum, BOOX, etc. Entre outras coisas, ele é usado em etiquetas de preços eletrônicas, sinalização digital e alguns displays de smartphones.

O e-paper

6. Tecnologia DLP

DLP (Digital Light Processing) é a abreviação de processamento digital de luz. Seu princípio de funcionamento é processar digitalmente o sinal de imagem e então projetá-lo através da luz. Esta tecnologia tem fidelidade de imagem extremamente alta e pode projetar uma imagem colorida clara, brilhante e vívida, que é mais usada em sistemas de projetores.

No coração da tecnologia DLP está um semicondutor óptico chamado dispositivo de microespelho digital (DMD), que usa microespelhos feitos de alumínio para refletir a luz e criar imagens. Frequentemente chamados de chips DLP, os DMDs podem conter mais de 2 milhões de microespelhos cada e têm menos de um quinto da largura de um fio de cabelo humano. Os microespelhos são organizados em uma matriz (muito parecido com um mosaico de fotos), com cada microespelho representando um pixel.

O número desses microespelhos corresponde à resolução da tela. A tecnologia DLP 1080p fornece mais de 2 milhões de pixels para resolução real de 1920x1080p. Já existem projetores DLP 8K (usando 3xDLP) no mercado.

O DLP foi desenvolvido originalmente em 1987 pelo físico da Texas Instruments Larry Hornbeck. Em 1997, a Digital Projection introduziu o primeiro projetor DLP. Em 1998, tanto a Texas Instruments quanto a Digital Projection ganharam o Emmy daquele ano para a tecnologia DLP.

Comparados aos dispositivos de plasma e LCD, os dispositivos DLP são mais baratos, têm telas maiores e são mais finos e leves. Talvez você não perceba que a tecnologia DLP está realmente em sua vida. Ela é comum em todos os tipos de projetores (para treinamento, ensino), home theaters, paredes de vídeo, sistemas de projeção em larga escala, como concertos e conferências.

Exibição DLP e projetor DLP

O acima é um marco importante no desenvolvimento da tecnologia de exibição de tela. O desenvolvimento da tecnologia de exibição envolve a fusão de materiais ópticos microestruturados, fabricação avançada, processamento de imagem e outras tecnologias, que não apenas melhoram a resolução da tela dos dispositivos, mas também apresentam vividamente a imaginação humana. A introdução de uma nova geração de novas tecnologias e produtos, especialmente a introdução de produtos contemporâneos de alta tecnologia, é sempre descoberta e concluída por aqueles jovens que são interdisciplinares, intersetoriais e têm espíritos inovadores e pioneiros. A descoberta de uma nova tecnologia e seu desenvolvimento real são baseados na tecnologia de aplicação prática e na demanda do mercado. A tecnologia aplicada é a garantia para o desenvolvimento de indústrias de alta tecnologia, e a demanda do mercado é a força motriz para o desenvolvimento de indústrias de alta tecnologia. Acreditamos que, com o desenvolvimento de dispositivos de hardware e o avanço contínuo da tecnologia, a tecnologia de exibição alcançará mais uma vez avanços inovadores.