Tecnología de pantallas de cristal líquido (Parte 1)

La tecnología de pantallas de cristal líquido (LCD), con sus requisitos relativamente bajos para la fabricación de dispositivos y su alta rentabilidad, sigue dominando el mercado principal de paneles de visualización. Las pantallas LCD son de tipo pasivo y constan de dos módulos principales: el panel de cristal líquido y el módulo de retroiluminación. El módulo de retroiluminación emite una luz blanca que el panel de cristal líquido modula en color y brillo en cada píxel, mostrando finalmente una imagen en movimiento a color.

El módulo de retroiluminación está compuesto por perlas LED y películas ópticas. La luz puntual emitida por los LED se difunde y homogeneiza mediante las películas ópticas para formar una fuente de luz uniforme que ilumina el panel de cristal líquido. La luz blanca es una mezcla de los tres colores primarios: rojo, verde y azul. Tras atravesar el panel de cristal líquido, se generan colores y brillos específicos mediante la acción combinada de los interruptores de cristal líquido correspondientes a cada celda de subpíxel. Un panel 4K completo, compuesto por aproximadamente 24,88 millones de celdas de subpíxel, forma un fotograma.

La estructura del panel de cristal líquido se muestra en la figura siguiente. Además de los sustratos de vidrio que contienen diversas películas funcionales, las capas, de abajo hacia arriba, son: el polarizador inferior, el circuito de control del transistor de película delgada (TFT), la capa de cristal líquido, el filtro de color (CF) y el polarizador superior.

Como su nombre indica, los cristales líquidos son sustancias cristalinas con propiedades similares a las de los líquidos, que poseen tanto las características de flujo de los líquidos como las propiedades vectoriales de los cristales, lo que les confiere características mecánicas, ópticas y eléctricas únicas. Como se muestra en la siguiente fotografía, el panel de cristal líquido, mediante la coordinación entre los cristales líquidos y los polarizadores superior e inferior, realiza acciones de conmutación y atenuación sobre la luz incidente de la retroiluminación, creando diferentes niveles de brillo (escala de grises). En combinación con la función del filtro de color, se forman diferentes colores y niveles de brillo.

¿Qué cambios se producen, entonces, cuando la luz de fondo entra en el panel de cristal líquido?

En primer lugar, las capas superior e inferior del panel de cristal líquido están equipadas con polarizadores orientados perpendicularmente entre sí. A continuación, el área se divide en innumerables celdas según la resolución del píxel. Cada píxel se subdivide en celdas de subpíxeles rojos, verdes y azules. Cada celda, de abajo hacia arriba, está equipada con un electrodo independiente, una capa de cristal líquido y una capa de filtro de color. Los polarizadores superior e inferior, junto con el cristal líquido, forman una "puerta" que controla el estado de encendido/apagado de la transmisión de luz para esa celda, así como la intensidad de la luz transmitida. Las diferentes intensidades de luz transmitidas a través de las tres celdas de subpíxeles, después de pasar por los filtros de color rojo, verde y azul, se mezclan en proporciones variables para formar el color y el brillo de la pantalla del píxel.

Entonces, ¿cómo funciona esta puerta combinada?

La retroiluminación, similar a la luz natural, es una onda electromagnética transversal. La dirección de vibración de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda, lo que significa que la dirección de vibración de la luz siempre se encuentra dentro del plano xy, perpendicular a la dirección de propagación (eje z). Cuando los rayos de retroiluminación inciden sobre el polarizador inferior del panel de cristal líquido, solo la luz que vibra en la misma dirección que la rejilla del polarizador (dirección del eje y) puede atravesarlo, convirtiéndose en luz polarizada linealmente que se propaga con una dirección de vibración específica. Como se muestra en la Figura 3, cuando el electrodo del píxel en el sustrato TFT no está energizado, la luz polarizada atraviesa la capa de cristal líquido y la capa CF sin cambiar su dirección de vibración y llega al polarizador superior. Sin embargo, la dirección de la rejilla del polarizador superior es perpendicular al eje y (dirección del eje x). Por lo tanto, la luz polarizada que vibra en la dirección del eje y no puede atravesar el polarizador superior, lo que resulta en un estado oscuro observado desde el frente de la pantalla.

Cuando se energiza el electrodo del circuito TFT, las moléculas de cristal líquido giran. La luz polarizada que emerge del polarizador inferior ve su dirección de polarización alterada por la acción de las moléculas de cristal líquido. Con ajustes específicos para el grosor del cristal líquido y el ángulo de rotación, la dirección de vibración de la luz polarizada puede girarse exactamente 90°. En este punto, la dirección de vibración de la luz polarizada se vuelve paralela al eje x, alineándose con la dirección de la rejilla del polarizador superior, lo que permite su paso. Si la dirección de vibración forma un ángulo con la dirección de la rejilla, el componente de la energía de la onda luminosa a lo largo de la dirección de la rejilla puede atravesar el polarizador, y la intensidad de la luz original se atenúa. Al modificar el voltaje del electrodo TFT, se puede ajustar el ángulo de rotación de los cristales líquidos, controlando así la intensidad de la luz transmitida a través del polarizador superior.

Características electroópticas de los cristales líquidos

¿Por qué un campo eléctrico puede hacer girar los cristales líquidos? ¿Y por qué la rotación de los cristales líquidos cambia la dirección de vibración de la luz polarizada?

Como se muestra en la figura siguiente, las moléculas de cristal líquido tienen una estructura alargada y poseen la anisotropía de los cristales. Presentan diferentes efectos electroópticos, constantes dieléctricas e índices de refracción a lo largo de sus ejes mayor y menor. Podemos utilizar estas propiedades para modificar la intensidad de la luz incidente en cada píxel, generando así color y escala de grises.

Anisotropía dieléctrica de cristales líquidos

La constante dieléctrica (ε) de las moléculas de cristal líquido difiere a lo largo de sus ejes longitudinal y transversal. Cuando la constante dieléctrica paralela al eje longitudinal es mayor que la perpendicular a este (ε// > ε⊥), se denomina cristal líquido de tipo positivo con anisotropía dieléctrica positiva, adecuado para la alineación paralela. Cuando ε// < ε⊥, se denomina cristal líquido de tipo negativo con anisotropía dieléctrica negativa, que solo puede utilizarse en alineación vertical para lograr el efecto electroóptico deseado. Al aplicar un campo eléctrico externo, la dirección de giro de las moléculas de cristal líquido —ya sea paralela o perpendicular al campo eléctrico— viene determinada por la anisotropía dieléctrica (positiva o negativa), lo que a su vez determina si se transmite la luz. Actualmente, los cristales líquidos de tipo VA, comúnmente utilizados en las pantallas TFT-LCD, pertenecen mayoritariamente al tipo de anisotropía dieléctrica negativa. Al ser energizadas, las moléculas de cristal líquido se polarizan por el campo eléctrico externo, lo que provoca que sus ejes longitudinales se inclinen en una dirección perpendicular al campo. Los paneles IPS suelen utilizar cristales líquidos de tipo positivo, mientras que algunos paneles ADS Pro utilizan cristales líquidos de tipo negativo.

Birrefringencia de cristales líquidos

Las moléculas de cristal líquido poseen birrefringencia y rotación óptica; el índice de refracción (n) difiere a lo largo de los ejes largo y corto. El índice de refracción a lo largo del eje largo es nO, y a lo largo del eje corto es nE.

Debido a que los índices de refracción son diferentes, las velocidades de la luz también lo son. Cuando los cristales líquidos giran, las velocidades de la luz a lo largo de los ejes largo y corto difieren, lo que provoca una diferencia de fase entre los rayos ordinarios (O) y extraordinarios (E) salientes en comparación con su estado incidente, resultando en un fenómeno de retardo de fase. Cuando el haz de luz sale del cristal líquido, los vectores de luz O y E se recombinan, produciendo una nueva dirección de vibración que está rotada. Mediante un diseño especial de la longitud del camino óptico y el ángulo de rotación, la diferencia de fase entre los rayos O y E salientes se puede ajustar a 1/2 longitud de onda. Esto hace que la fase de la luz saliente gire 90° con respecto a la luz incidente, permitiendo que atraviese el polarizador superior. Los diferentes ángulos de rotación de los cristales líquidos determinan diferentes diferencias de fase entre los rayos O y E, controlando así la intensidad de la luz transmitida.

Tipos de paneles de cristal líquido

Según el modo de rotación de los cristales líquidos, se dividen en tres tipos: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) y VA (Vertical Alignment). Los paneles LCD de tipo TN fueron los primeros en utilizarse, debido a su bajo coste. Sin embargo, debido a su color nativo de 6 bits (gama de colores reducida) y sus ángulos de visión muy limitados, prácticamente han desaparecido del mercado principal de paneles LCD. Actualmente, las pantallas LCD más utilizadas emplean principalmente paneles IPS y VA.

Como se muestra en la figura, los paneles de visualización IPS tienen moléculas de cristal líquido dispuestas horizontalmente. Los electrodos de píxeles positivo y negativo se encuentran en el mismo plano horizontal sobre el sustrato TFT. Cuando no está energizado, la luz polarizada que pasa a través del polarizador inferior atraviesa el cristal líquido sin cambiar su dirección de polarización. En este momento, la dirección de vibración de la luz polarizada es perpendicular a la dirección de la rejilla del polarizador superior, y la luz no puede pasar. Cuando se energiza, debido a la presencia del campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido giran dentro del plano horizontal (conmutación en el plano). Debido a la birrefringencia, la luz polarizada se descompone en dos rayos de luz con velocidades diferentes. Al salir del cristal líquido, estas dos luces polarizadas tienen una diferencia de fase y se recombinan en un nuevo tipo de luz polarizada. Esta luz polarizada pasa luego a través del filtro de color, y la luz de cada celda de subpíxel presenta los colores rojo, verde y azul. La luz polarizada que penetra el filtro de color llega al polarizador superior. Tras ser desviada por el cristal líquido a un nuevo ángulo, la luz de cada subpíxel tiene un ángulo de rotación diferente. Los componentes de luz polarizada con ángulos distintos respecto a la rejilla del polarizador superior la atraviesan, generando colores rojo, verde y azul de distinta intensidad en cada celda de subpíxel. Estos tres colores de intensidad variable se mezclan para formar el píxel de color deseado. Los colores de 24 883 200 celdas de subpíxel (3840 × 2160 × 3) se combinan para formar los colores de 8 294 400 píxeles (3840 × 2160), creando un fotograma de una imagen con resolución 4K. Los cristales líquidos, al variar con el campo eléctrico a una frecuencia específica, modifican continuamente el ángulo de vibración de la luz polarizada, formando fotograma tras fotograma y, finalmente, logrando la visualización de vídeo.

El principio de funcionamiento de las pantallas VA es el mismo que el de los paneles IPS. Como se muestra en la Figura 6, la disposición de las moléculas de cristal líquido difiere de la de los paneles IPS. En las pantallas VA, las moléculas de cristal líquido están alineadas verticalmente, y los electrodos de píxeles positivos y negativos se distribuyen en los planos superior e inferior, respectivamente, creando un campo eléctrico en dirección vertical.

Cuando no se aplica voltaje a los electrodos, las moléculas de cristal líquido se alinean perpendicularmente a los sustratos superior e inferior. La luz polarizada linealmente que pasa a través del polarizador inferior se propaga paralela al eje longitudinal de las moléculas de cristal líquido, por lo que su estado de polarización no cambia y no puede pasar a través del polarizador superior. El panel observado por el ojo humano se encuentra en estado oscuro. Cuando no se aplica voltaje o se aplica un voltaje bajo, la luz polarizada pasa a lo largo del eje longitudinal de las moléculas de cristal líquido. Debido a la birrefringencia de los cristales líquidos, la luz polarizada a lo largo del eje longitudinal prácticamente no se desvía, por lo que no puede pasar a través del polarizador superior, lo que resulta en un rendimiento de estado oscuro muy negro, una alta relación de contraste y una excelente nitidez de imagen. Cuando se aplica voltaje a los electrodos, las moléculas de cristal líquido giran bajo la acción del campo eléctrico vertical, con sus ejes longitudinales inclinándose en una dirección perpendicular al campo eléctrico. Los componentes de la luz polarizada linealmente incidente que entra en el cristal líquido experimentarán un retardo de fase dentro de la capa de cristal líquido. Tras salir de la capa de cristal líquido, los componentes de la luz polarizada se recombinan y su estado de polarización cambia. La dirección de vibración de la luz polarizada de cada celda de subpíxel finalmente se desplaza a diferentes ángulos según el voltaje establecido. Tras pasar por el filtro de color y el polarizador superior, se obtienen subpíxeles de diferentes intensidades. Los subpíxeles rojo, verde y azul, con diferentes proporciones de intensidad, se mezclan para formar el color de píxel deseado, creando finalmente un fotograma completo para su visualización.