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CRISTAL LÍQUIDO Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el Internet y elabora, en MS Word, un
mapa descriptivo de las partes de una pantalla LCD, describe los principios físicos de cada una de las partes.
http://www.ibercajalav.net/img/cristalesLiquidos.pdf
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/sec_6.htm
http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp
Debido a las propiedades tan peculiares de los CRISTALES LÍQUIDOS la investigación actual sigue
demostrando un gran interés por ellos, por lo cual, aunque ya se han encontrado múltiples aplicaciones,
seguirán jugando un papel muy importante en la tecnología moderna.
En la actualidad estamos familiarizados con la expresión LCD para referirnos a las pantallas de los
teléfonos móviles, ordenadores, agendas electrónicas, cámaras de fotografía y vídeos, etc. El material
base de estos dispositivos lo constituyen los cristales líquidos, como el acrónimo inglés nos indica LCD
"Liquid Crystal Display" "Pantallas deCristal Líquido"; es una pantalla delgada y plana formada por un
número de píxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz o reflectora. A menudo
se utiliza en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza cantidades muy pequeñas de energía eléctrica.
A continuación la descripción:
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1) Film de filtro vertical que es el encargado de polarizar la luz que entra.
2) El sustrato de vidrio con electrodos de Óxido. El cual se encarga de determinar las formas negras
que aparecen cuando el monitor se enciende o apaga como tal.
3) Los cantos verticales de la superficie son suaves.
4) Cristales liquidos "Twisted Nematic" (TN).
5) Sustrato de vidrio con film electrodo común (ITO) con los cantos horizontales para alinearse con el
filtro horizontal.
6) Film de filtro horizontal para bloquear/permitir el paso de luz.
Superficie reflectante para enviar devolver la luz al espectador. En un LCD retroiluminado, esta capa es
reemplazada por una fuente luminosa.
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Características
Cada píxel de un LCD típicamente consiste de una capa de moléculas alineadas entre
dos electrodos transparentes, y dos filtros de polarización, los ejes de transmisión de cada uno que están
(en la mayoría de los casos) perpendiculares entre sí. Sin cristal líquido entre el filtro polarizante, la luz que
pasa por el primer filtro sería bloqueada por el segundo (cruzando) polarizador.
La superficie de los electrodos que están
en contacto con los materiales de cristal líquido es tratada a fin de ajustar las moléculas de cristal líquido en
una dirección en particular. Este tratamiento suele ser normalmente aplicable en una fina capa
de polímero que es unidireccionalmente frotada utilizando, por ejemplo, un paño. La dirección de la
alineación de cristal líquido se define por la dirección de frotación.
Antes de la aplicación de un campo eléctrico, la orientación de las moléculas de cristal líquido está
determinada por la adaptación a las superficies. En un dispositivo twisted nematic, TN (uno de los
dispositivos más comunes entre los de cristal líquido), las direcciones de alineación de la superficie de los
dos electrodos son perpendiculares entre sí, y así se organizan las moléculas en una estructura helicoidal,
o retorcida. Debido a que el material es de cristal líquido birrefringente, la luz que pasa a través de un filtro
polarizante se gira por la hélice de cristal líquido que pasa a través de la capa de cristal líquido, lo que le
permite pasar por el segundo filtro polarizado. La mitad de la luz incidente es absorbida por el primer filtro
polarizante, pero por lo demás todo el montaje es transparente.
Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, una fuerza de giro orienta las moléculas de cristal
líquido paralelas al campo eléctrico, que distorsiona la estructura helicoidal (esto se puede resistir gracias a
las fuerzas elásticas desde que las moléculas están limitadas a las superficies). Esto reduce la rotación de
la polarización de la luz incidente, y el dispositivo aparece gris. Si la tensión aplicada es lo suficientemente
grande, las moléculas de cristal líquido en el centro de la capa son casi completamente desenrolladas y la
polarización de la luz incidente no es rotada ya que pasa a través de la capa de cristal líquido. Esta luz será
principalmente polarizada perpendicular al segundo filtro, y por eso será bloqueada y el pixel aparecerá
negro. Por el control de la tensión aplicada a través de la capa de cristal líquido en cada píxel, la luz se
puede permitir pasar a través de distintas cantidades, constituyéndose los diferentes tonos de gris.
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Pantalla LCD en un despertador.
El efecto óptico de un dispositivo twisted nematic (TN) en el estado del voltaje es mucho menos
dependiente de las variaciones de espesor del dispositivo que en el estado del voltaje de
compensación. Debido a esto, estos dispositivos suelen usarse entre polarizadores cruzados de tal
manera que parecen brillantes sin tensión (el ojo es mucho más sensible a las variaciones en el estado
oscuro que en el brillante). Estos dispositivos también pueden funcionar en paralelo entre polarizadores,
en cuyo caso la luz y la oscuridad son estados invertidos. La tensión de compensación en el estado
oscuro de esta configuración aparece enrojecida debido a las pequeñas variaciones de espesor en todo
el dispositivo. Tanto el material del cristal líquido como el de la capa de alineación contienen
compuestos iónicos. Si un campo eléctrico de una determinada polaridad se aplica durante un período
prolongado, este material iónico es atraído hacia la superficie y se degrada el rendimiento del
dispositivo. Esto se intenta evitar, ya sea mediante la aplicación de una corriente alterna o por inversión
de la polaridad del campo eléctrico que está dirigida al dispositivo (la respuesta de la capa de cristal
líquido es idéntica, independientemente de la polaridad de los campos aplicados)
Cuando un dispositivo requiere un gran número de píxeles, no es viable conducir cada dispositivo
directamente, así cada píxel requiere un número de electrodos independiente. En cambio, la pantalla es
multiplexada. En una pantalla multiplexada, los electrodos de la parte lateral de la pantalla se agrupan
junto con los cables (normalmente en columnas), y cada grupo tiene su propia fuente de voltaje. Por
otro lado, los electrodos también se agrupan (normalmente en filas), en donde cada grupo obtiene una
tensión de sumidero. Los grupos se han diseñado de manera que cada píxel tiene una combinación
única y dedicada de fuentes y sumideros. Los circuitos electrónicos o el software que los controla, activa
los sumideros en secuencia y controla las
fuentes de los píxeles de cada sumidero.
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PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO
(LCD: Liquid Crystal Display)
Los dispositivos electroópticos son el elemento fundamental en la construcción de las pantallas de cristal líquido (LCD). El grado de complejidad de su construcción aumenta con la sofisticación del producto final en el que se emplean, desde la simplicidad de la calculadora, hasta la última generación de TFTs del mercado, pero los principios básicos de su funcionamiento son los mismos.
El dispositivo electroóptico se construye, de forma simplificada, tomando dos láminas de vidrio en las que se realizan unas hendiduras de tamaño similar a las moléculas del cristal líquido nemático que se introduce entre ambas. Estas dos láminas al colocarse de forma perpendicular originan una orientación molecular preferente y la aparición de un eje óptico helicoidal dentro del material (Fig. 1). Dicho eje óptico es análogo al que encontramos en las mesofases colestéricas o nemáticas quirales. Por último, tras el segundo polarizador, se coloca un espejo que reflejará la luz que atraviesa el dispositivo llegando a los ojos del espectador.
La aplicación de un campo eléctrico sobre la célula de cristal líquido va a dar lugar a las dos posiciones off / on necesarias para el funcionamiento de las pantallas de cristal líquido. Si el campo eléctrico está desconectado las moléculas de cristal líquido mantienen su orientación preferente y dejan que la luz polarizada (aquella cuyas vibraciones están restringidas a una única dirección en el espacio) atraviese la célula reflejándose en el espejo y dando lugar a una celda transparente (Fig. 2a). Sin embargo, al conectar un campo eléctrico en el dispositivo las moléculas giran y pierden su orientación para colocarse paralelas al campo eléctrico aplicado impidiendo que la luz polarizada atraviese el segundo polarizador, y por tanto no se podrá reflejar en el espejo originando una célula negra (Fig. 2b).
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El siguiente paso en la construcción de una pantalla LCD consiste en agregar a cada una de las células de cristal líquido, como las que se muestran en la figura 2, unos filtros de los colores básicos rojo, verde y azul. Cada una de las células junto con el filtro del color correspondiente se denomina subpíxel y a su vez el subpíxel rojo, el subpíxel verde y el subpíxel azul forman lo que se conoce con el nombre de píxel. Dependiendo de la intensidad del campo eléctrico aplicado sobre la célula se pueden alcanzar distintos niveles de transparencia enlos subpíxeles (se modula la cantidad de luz que atraviesa la célula). Si el valor del campo es máximo las moléculas se alinearán totalmente y la luz no podrá atravesar el segundo polarizador y el subpíxel estará desactivado. Si el campo es nulo, o de un valor mínimo, toda la luz atraviesa el segundo polarizador y el subpíxel será brillante. Entre los dos valores extremos de campo eléctrico se obtendrán las diferentes tonalidades de rojo, verde y azul. Por lo tanto, modificando el voltaje podremos obtener distintas tonalidades en los subpíxeles verdes, en los azules y en los rojos. Debido al minúsculo tamaño de los subpíxeles el ojo humano únicamente puede percibir un punto, es decir, un píxel cuyo color vendrá dado por la mezcla de los colores de los tressubpíxeles (Fig. 3).
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En resumen, si la luz polarizada atraviesa la célula de cristal líquido, por ejemplo, con el filtro rojo el subpíxel rojo estará activo y el ojo observará la tonalidad correspondiente a la cantidad de luz que lo atraviesa. Si la luz polarizada no puede atravesar el segundo polarizador, el subpíxel estará desactivado y el color resultante del píxel que verá nuestro ojo no contendrá al color rojo tal como se observa en la figura 4.
La imagen se forma en la pantalla gracias a la presencia de una multitud de minúsculas células de cristal líquido (tres por cada píxel, Fig. 4). El número de píxeles que contiene una pantalla dependerá de su tamaño y de la resolución final (Fig.5).
Las primeras pantallas de cristal líquido que se comercializaron fueron las llamadas DSTN (Super Twisted Nematic Display) o también denominadas de MATRIZ PASIVA utilizadas hasta hace unos años en los ordenadores portátiles. El sistema de control está formado por una lámina de vidrio cubierta con un óxido de metal transparente el cual opera como un sistema enrejado de filas y columnas de electrodos a través de los que pasa la corriente necesaria para activar y desactivar los píxeles de la pantalla. El sistema de control de los monitores de matriz pasiva tiene un problema de velocidad de respuesta, ésta es muy lenta cuando los cambios en la pantalla o el movimiento de ratón son muy rápidos produciendo borrones o estelas en la pantalla.
Debido a estos problemas, muchas compañías comenzaron a desarrollar la tecnología TFT (Thin Film Transistor) o MATRIZ ACTIVA, en este tipo de pantallas se incorpora una lámina extra de transistores conectados al panel de cristal líquido por lo que cada píxel está controlado de forma independiente eliminando los problemas de sombras y respuesta lenta de los DSTN y mejorando a un nivel muy elevado todas las variables, entre ellas el ángulo de visión.
La tecnología LCD – TFT ha avanzado sustancialmente en los últimos años, actualmente podemos encontrar en el mercado diferentes tiposde pantallas TFT (Fig. 5) según su utilización: TFT – VA (VerticallyAligned) que se utiliza en televisores, TFT – TN (Twisted Nematic) utilizadas en móviles y PDAs y por último las TFT – IPS (In PlaneSwitching) que se utilizan en la tecnología informática.
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Las pantallas LCD – TFT proporcionan al usuario numerosas ventajas como son: menor tamaño (pantallas más delgadas), menor consumo o eliminación del parpadeo. Por ejemplo en un monitor CRT (Tubo de Rayos Catódicos) la imagen se crea mediante barridos horizontales y verticales en la pantalla de fósforo, la pantalla se refresca o re – dibuja un número de veces determinado por segundo, mientras que en el monitor LCD se aplica un campo eléctrico continuo y los píxeles se encienden o apagan de forma independiente. Esta diferencia de funcionamiento supone una reducción de problemas visuales ya que se elimina el parpadeo de las imágenes que causan sobreesfuerzo y fatiga en los ojos y sobre todo un aumento de la calidad de las imágenes, las pantallas poseen una superficie plana por lo que las distorsiones en los extremos se eliminan.
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