Tecnologia de telas de cristal líquido (Parte 1)

A tecnologia de tela de cristal líquido (LCD), com seus requisitos relativamente menores para fabricação de dispositivos e alta relação custo-benefício, continua a dominar o mercado principal de vendas de painéis de exibição. O LCD é um tipo de tela passiva, com o dispositivo consistindo em dois módulos principais: o painel de cristal líquido e o módulo de retroiluminação. O módulo de retroiluminação emite uma fonte de luz branca, que é então modulada em cor e brilho em cada pixel pelo painel de cristal líquido, exibindo, em última análise, uma imagem colorida em movimento.

O módulo de retroiluminação é composto por LEDs e filmes ópticos. A luz pontual emitida pelos LEDs é difundida e homogeneizada pelos filmes ópticos, formando uma fonte de luz uniforme que ilumina o painel de cristal líquido. A luz branca é uma mistura das três cores primárias: vermelho, verde e azul. Após atravessar o painel de cristal líquido, cores e brilho específicos são formados pela ação combinada dos interruptores de cristal líquido correspondentes a cada subpixel. Um painel 4K completo, composto por aproximadamente 24,88 milhões de subpixels, forma um quadro.

A estrutura do painel de cristal líquido é mostrada na figura abaixo. Além dos substratos de vidro que suportam vários filmes funcionais, as camadas de baixo para cima são: o polarizador inferior, o circuito de acionamento do transistor de película fina (TFT), a camada de cristal líquido, o filtro de cor (CF) e o polarizador superior.

Como o próprio nome sugere, os cristais líquidos são substâncias cristalinas com propriedades semelhantes às de um líquido, possuindo tanto as características de fluxo dos líquidos quanto as propriedades vetoriais dos cristais, o que lhes confere características mecânicas, ópticas e elétricas únicas. Como mostrado na foto a seguir, o painel de cristal líquido, por meio da coordenação entre os cristais líquidos e os polarizadores superior e inferior, realiza ações de comutação e escurecimento na luz incidente da retroiluminação, criando diferentes níveis de brilho (escala de cinza). Combinado com a função do filtro de cor, diferentes cores e níveis de brilho são formados.

Então, que mudanças ocorrem quando a luz de fundo entra no painel de cristal líquido?

Primeiramente, as camadas superior e inferior do painel de cristal líquido são equipadas com polarizadores orientados perpendicularmente entre si. Em seguida, a área é dividida em inúmeras células de acordo com a resolução do pixel. Cada pixel é subdividido em células de subpixel vermelho, verde e azul. Cada célula, de baixo para cima, é equipada com um eletrodo independente, uma camada de cristal líquido e uma camada de filtro de cor. Os polarizadores superior e inferior, juntamente com o cristal líquido, formam um "portão" que controla o estado ligado/desligado da transmissão de luz para aquela célula, bem como a intensidade da luz transmitida. As diferentes intensidades de luz transmitidas através das três células de subpixel, após passarem pelos filtros de cor vermelho, verde e azul, se misturam em proporções variáveis ​​para formar a cor e o brilho da tela do pixel.

Então, como funciona esse portão combinado?

A luz de fundo, semelhante à luz natural, é uma onda eletromagnética transversal. A direção de vibração das partículas é perpendicular à direção de propagação da onda, o que significa que a direção de vibração da luz está sempre dentro do plano xy, perpendicular à direção de propagação (eixo z). Quando os raios de luz de fundo atingem o polarizador inferior do painel de cristal líquido, apenas a luz que vibra na mesma direção da grade do polarizador (direção do eixo y) pode passar, tornando-se luz linearmente polarizada que se propaga com uma direção de vibração específica. Como mostrado na Figura 3, quando o eletrodo do pixel no substrato TFT não está energizado, a luz polarizada passa pela camada de cristal líquido e pela camada de fibra dopada (CF) sem alterar sua direção de vibração e atinge o polarizador superior. No entanto, a direção da grade do polarizador superior é perpendicular ao eixo y (direção do eixo x). Portanto, a luz polarizada que vibra na direção do eixo y não pode passar pelo polarizador superior, resultando em um estado escuro observado na parte frontal da tela.

Quando o eletrodo do circuito TFT é energizado, as moléculas de cristal líquido giram. A luz polarizada que emerge do polarizador inferior tem sua direção de polarização torcida sob a orientação das moléculas de cristal líquido. Com configurações específicas para a espessura do cristal líquido e o ângulo de rotação, a direção de vibração da luz polarizada pode ser torcida exatamente em 90°. Nesse ponto, a direção de vibração da luz polarizada torna-se paralela ao eixo x, alinhando-se com a direção da grade do polarizador superior, permitindo sua passagem. Se a direção de vibração formar um ângulo com a direção da grade, a componente da energia da onda de luz ao longo da direção da grade pode passar pelo polarizador, e a intensidade da luz original é atenuada. Alterando a tensão do eletrodo TFT, o ângulo de rotação dos cristais líquidos pode ser ajustado, controlando assim a intensidade da luz transmitida através do polarizador superior.

Características eletro-ópticas dos cristais líquidos

Por que um campo elétrico pode fazer com que os cristais líquidos girem? E por que a rotação do cristal líquido altera a direção da vibração da luz polarizada?

Como ilustrado na figura abaixo, as moléculas de cristal líquido possuem uma estrutura em forma de bastão e apresentam a anisotropia dos cristais. Elas exibem diferentes efeitos eletro-ópticos, constantes dielétricas e índices de refração ao longo de seus eixos maior e menor. Podemos utilizar essas propriedades para alterar a intensidade da luz incidente em cada pixel, formando assim cores e tons de cinza.

Anisotropia dielétrica de cristais líquidos

A constante dielétrica (ε) das moléculas de cristal líquido difere ao longo de seus eixos maior e menor. Quando a constante dielétrica paralela ao eixo maior é maior que a perpendicular a ele (ε// > ε⊥), o cristal é denominado cristal líquido do tipo positivo, com anisotropia dielétrica positiva, adequado para alinhamento paralelo. Quando ε// < ε⊥, o cristal é denominado cristal líquido do tipo negativo, com anisotropia dielétrica negativa, que só pode ser usado em alinhamento vertical para obter o efeito eletro-óptico desejado. Quando um campo elétrico externo é aplicado, a direção de rotação das moléculas de cristal líquido — paralela ou perpendicular ao campo elétrico — é determinada pela anisotropia dielétrica (positiva ou negativa), que, por sua vez, determina se a luz é transmitida. Atualmente, os cristais líquidos do tipo VA, comumente usados ​​em TFT-LCDs, pertencem principalmente ao tipo com anisotropia dielétrica negativa. Quando energizadas, as moléculas de cristal líquido são polarizadas pelo campo elétrico externo, fazendo com que seus eixos maiores se inclinem em uma direção perpendicular ao campo. A tecnologia IPS geralmente utiliza cristais líquidos do tipo positivo, enquanto alguns painéis ADS Pro utilizam cristais líquidos do tipo negativo.

Birrefringência de Cristais Líquidos

As moléculas de cristal líquido possuem birrefringência e rotação óptica; o índice de refração (n) difere ao longo dos eixos maior e menor. O índice de refração ao longo do eixo maior é nO, e ao longo do eixo menor é nE.

Como os índices de refração são diferentes, as velocidades da luz também são diferentes. Quando os cristais líquidos giram, as velocidades da luz ao longo dos eixos maior e menor diferem, causando uma diferença de fase entre os raios ordinário (O) e extraordinário (E) emergentes em comparação com o estado incidente, resultando em um fenômeno de retardo de fase. Quando o feixe de luz sai do cristal líquido, os vetores de luz O e E recombinam, produzindo uma nova direção de vibração que é rotacionada. Através de um projeto especial do comprimento do caminho óptico e do ângulo de rotação, a diferença de fase entre os raios O e E emergentes pode ser ajustada para 1/2 do comprimento de onda. Isso faz com que a fase da luz emergente gire 90° em relação à luz incidente, permitindo que ela passe pelo polarizador superior. Diferentes ângulos de rotação dos cristais líquidos determinam diferentes diferenças de fase entre os raios O e E, controlando assim a intensidade da luz transmitida.

Tipos de painéis de cristal líquido

Com base no modo de rotação dos cristais líquidos, eles são divididos em três tipos: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) e VA (Vertical Alignment). Dentre eles, os painéis LCD do tipo TN foram os primeiros a serem utilizados, por terem o menor custo. No entanto, devido à sua gama de cores nativa de 6 bits (gama de cores limitada) e aos ângulos de visão muito baixos, eles praticamente desapareceram do mercado de painéis LCD convencionais. Os displays LCD convencionais atuais utilizam principalmente painéis IPS e VA.

Como mostrado na figura, os painéis de tela IPS possuem moléculas de cristal líquido dispostas horizontalmente. Os eletrodos de pixel positivo e negativo estão no mesmo plano horizontal no substrato TFT. Quando não energizado, a luz polarizada que passa pelo polarizador inferior atravessa o cristal líquido sem alteração na direção da polarização. Nesse momento, a direção de vibração da luz polarizada é perpendicular à direção da grade do polarizador superior, e a luz não consegue atravessá-lo. Quando energizado, devido à presença do campo elétrico, as moléculas de cristal líquido giram dentro do plano horizontal (comutação no plano). Devido à birrefringência, a luz polarizada se decompõe em dois raios de luz com velocidades diferentes. Ao sair do cristal líquido, esses dois raios de luz polarizados apresentam uma diferença de fase e se recombinam em um novo tipo de luz polarizada. Essa luz polarizada então passa pelo filtro de cores, com a luz de cada célula subpixel apresentando as cores vermelha, verde e azul. A luz polarizada que penetra o filtro de cores atinge o polarizador superior. Após ser deformada pelo cristal líquido para um novo ângulo, a luz de cada subpixel passa a ter um ângulo de rotação diferente. Os componentes da luz polarizada que possuem ângulos diferentes em relação à grade do polarizador superior atravessam o cristal, resultando em cores vermelha, verde e azul com diferentes intensidades em cada célula do subpixel. Essas três cores de intensidade variável se misturam para formar o pixel colorido desejado. As cores de 24.883.200 células de subpixel (3840 x 2160 x 3) se combinam para formar as cores de 8.294.400 pixels (3840 x 2160), criando um quadro de uma imagem com resolução 4K. Os cristais líquidos, variando com o campo elétrico em uma frequência específica, alteram continuamente o ângulo de vibração da luz polarizada, formando quadro após quadro, até que a imagem seja exibida.

O princípio de funcionamento dos displays VA é o mesmo dos painéis IPS. Como mostrado na Figura 6, a disposição das moléculas de cristal líquido difere da dos painéis IPS. Nos displays VA, as moléculas de cristal líquido estão alinhadas verticalmente e os eletrodos de pixel positivo e negativo estão distribuídos nos planos superior e inferior, criando um campo elétrico na direção vertical.

Quando nenhuma tensão é aplicada aos eletrodos, as moléculas de cristal líquido estão alinhadas perpendicularmente aos substratos superior e inferior. A luz linearmente polarizada que passa pelo polarizador inferior propaga-se paralelamente ao eixo longitudinal das moléculas de cristal líquido, portanto seu estado de polarização não se altera e ela não consegue passar pelo polarizador superior. O painel observado pelo olho humano encontra-se em estado escuro. Quando nenhuma ou baixa tensão é aplicada, a luz polarizada passa ao longo do eixo longitudinal das moléculas de cristal líquido. Devido à birrefringência dos cristais líquidos, a luz polarizada ao longo do eixo longitudinal praticamente não se desvia, portanto, não consegue passar pelo polarizador superior, resultando em um estado escuro muito escuro, alta taxa de contraste e excelente nitidez da imagem. Quando uma tensão é aplicada aos eletrodos, as moléculas de cristal líquido giram sob a ação do campo elétrico vertical, com seus eixos longitudinais inclinando-se em uma direção perpendicular ao campo elétrico. Os componentes da luz linearmente polarizada incidente que entram no cristal líquido sofrem retardo de fase dentro da camada de cristal líquido. Após sair da camada de cristal líquido, os componentes da luz polarizada recombinam-se e o estado de polarização da luz muda. A direção de vibração da luz polarizada de cada célula subpixel completa uma oscilação para diferentes ângulos, de acordo com a tensão definida. Após passar pelo filtro de cor e pelo polarizador superior, obtêm-se cores subpixel de diferentes intensidades. As cores subpixel vermelha, verde e azul, com diferentes proporções de intensidade, misturam-se para formar a cor do pixel definida, criando finalmente um quadro completo para exibição.