Una pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada ( TFT LCD ) es un tipo de pantalla de cristal líquido que utiliza tecnología de transistor de película delgada para mejorar las cualidades de la imagen, como la direccionabilidad y el contraste. [1] Una pantalla LCD TFT es una pantalla LCD de matriz activa , a diferencia de las pantallas LCD de matriz pasiva o las pantallas LCD simples de accionamiento directo (es decir, con segmentos conectados directamente a la electrónica fuera de la pantalla LCD) con unos pocos segmentos.
Las pantallas LCD TFT se utilizan en televisores , monitores de computadora , teléfonos móviles , sistemas de videojuegos , asistentes digitales personales , sistemas de navegación , proyectores , [2] y tableros de instrumentos en algunos automóviles y en motocicletas de gama media a alta .
En febrero de 1957, John Wallmark de RCA presentó una patente para un MOSFET de película delgada . Paul K. Weimer , también de RCA , implementó las ideas de Wallmark y desarrolló el transistor de película delgada (TFT) en 1962, un tipo de MOSFET distinto del MOSFET estándar. Estaba elaborado con finas películas de seleniuro de cadmio y sulfuro de cadmio .
La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. En 1971, Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron una pantalla matricial de 2 por 18 impulsada por un circuito híbrido que utiliza el modo de dispersión dinámica de las pantallas LCD. [3] En 1973, T. Peter Brody , JA Asars y GD Dixon en Westinghouse Research Laboratories desarrollaron un TFT de CdSe ( seleniuro de cadmio ), que utilizaron para demostrar la primera pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada (TFT LCD) de CdSe. . [4] [5] Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla plana de cristal líquido de matriz activa (AM LCD) utilizando TFT de CdSe en 1974, y luego Brody acuñó el término "matriz activa" en 1975. [3]
En 2013, la mayoría de los dispositivos de visualización electrónicos modernos de alta resolución y alta calidad utilizaban pantallas de matriz activa basadas en TFT. [6] [7] [4] [8] [9] [10]
A partir de 2024, las pantallas TFT LCD siguen siendo dominantes, pero compiten con OLED por pantallas de alto brillo y alta resolución, y compiten con el papel electrónico por pantallas de bajo consumo.
Las pantallas de cristal líquido utilizadas en calculadoras y otros dispositivos con pantallas igualmente simples tienen elementos de imagen accionados directamente y, por lo tanto, se puede aplicar fácilmente un voltaje en un solo segmento de este tipo de pantallas sin interferir con los otros segmentos. Esto no sería práctico para una pantalla grande , porque tendría una gran cantidad de elementos de imagen (colores) ( píxeles ) y, por lo tanto, requeriría millones de conexiones, tanto arriba como abajo para cada uno de los tres colores (rojo, verde). y azul) de cada píxel. Para evitar este problema, los píxeles se abordan en filas y columnas, lo que reduce el recuento de conexiones de millones a miles. Los cables de columna y fila se conectan a interruptores de transistores , uno para cada píxel. La característica de paso de corriente unidireccional del transistor evita que la carga que se aplica a cada píxel se agote entre actualizaciones de la imagen de una pantalla. Cada píxel es un pequeño condensador con una capa de cristal líquido aislante intercalada entre capas conductoras transparentes de óxido de indio y estaño (ITO) .
El proceso de diseño del circuito de un TFT-LCD es muy similar al de los productos semiconductores. Sin embargo, en lugar de fabricar los transistores a partir de silicio , que se forma en una oblea de silicio cristalino , se fabrican a partir de una fina película de silicio amorfo que se deposita sobre un panel de vidrio . La capa de silicio para los TFT-LCD normalmente se deposita mediante el proceso PECVD . [11] Los transistores ocupan sólo una pequeña fracción del área de cada píxel y el resto de la película de silicio se elimina para permitir que la luz pase fácilmente a través de ella.
El silicio policristalino se utiliza a veces en pantallas que requieren un mayor rendimiento TFT. Los ejemplos incluyen pequeñas pantallas de alta resolución, como las que se encuentran en proyectores o visores. Los TFT basados en silicio amorfo son, con diferencia, los más comunes debido a su menor coste de producción, mientras que los TFT de silicio policristalino son más costosos y mucho más difíciles de producir. [12]
La pantalla nemática retorcida (TN) es una de las tecnologías de pantalla de cristal líquido más antiguas y, a menudo, más baratas. Las pantallas TN tienen tiempos de respuesta de píxeles rápidos y menos manchas que otros tipos de pantallas LCD como las pantallas IPS , pero adolecen de una mala reproducción del color y ángulos de visión limitados, especialmente en la dirección vertical. Cuando se ve en un ángulo que no es perpendicular a la pantalla, los colores cambiarán, a veces hasta el punto de invertirse por completo. Los productos de consumo modernos y de alta gama han desarrollado métodos para superar las deficiencias de la tecnología, como las tecnologías RTC (compensación del tiempo de respuesta/sobremarcha) . Las pantallas TN modernas pueden verse significativamente mejor que las pantallas TN más antiguas de décadas antes, pero en general las TN tienen ángulos de visión inferiores y colores deficientes en comparación con otras tecnologías como IPS.
La mayoría de los paneles TN pueden representar colores usando sólo seis bits por canal RGB, o 18 bits en total, y no pueden mostrar los 16,7 millones de tonos de color ( truecolor de 24 bits ) que están disponibles usando colores de 24 bits. En cambio, estos paneles muestran colores interpolados de 24 bits utilizando un método de tramado que combina píxeles adyacentes para simular el tono deseado. También pueden utilizar una forma de tramado temporal llamada Frame Rate Control (FRC), que alterna entre diferentes tonos con cada nuevo cuadro para simular un tono intermedio. A veces se anuncia que estos paneles de 18 bits con tramado tienen "16,2 millones de colores". Estos métodos de simulación de color son perceptibles para muchas personas y muy molestos para otras. [13] FRC tiende a ser más notable en tonos más oscuros, mientras que el tramado parece hacer visibles los píxeles individuales de la pantalla LCD. En general, la reproducción del color y la linealidad en los paneles TN son deficientes. Las deficiencias en la gama de colores de la pantalla (a menudo denominada porcentaje de la gama de colores NTSC 1953 ) también se deben a la tecnología de retroiluminación. Es común que las pantallas más antiguas oscilen entre el 10% y el 26% de la gama de colores NTSC, mientras que otros tipos de pantallas, que utilizan formulaciones de fósforo LED o CCFL más complicadas o retroiluminación LED RGB, pueden extenderse más allá del 100% de la gama de colores NTSC. una diferencia que el ojo humano puede ver fácilmente.
La transmitancia de un píxel de un panel LCD normalmente no cambia linealmente con el voltaje aplicado, [14] y el estándar sRGB para monitores de computadora requiere una dependencia no lineal específica de la cantidad de luz emitida en función del valor RGB .
Hitachi Ltd. desarrolló la conmutación en plano (IPS) en 1996 para mejorar el ángulo de visión deficiente y la mala reproducción del color de los paneles TN en ese momento. [15] [16] Su nombre proviene de la principal diferencia con los paneles TN, que las moléculas de cristal se mueven paralelas al plano del panel en lugar de perpendiculares a él. Este cambio reduce la cantidad de dispersión de luz en la matriz, lo que le da a IPS sus característicos ángulos de visión amplios y una buena reproducción del color. [17]
Las iteraciones iniciales de la tecnología IPS se caracterizaron por un tiempo de respuesta lento y una relación de contraste baja, pero las revisiones posteriores han mejorado notablemente estas deficiencias. Debido a su amplio ángulo de visión y reproducción precisa del color (casi sin cambios de color fuera de ángulo), IPS se emplea ampliamente en monitores de alta gama dirigidos a artistas gráficos profesionales, aunque con la reciente caída de precio se ha visto en la corriente principal. mercado también. Hitachi vendió la tecnología IPS a Panasonic.
Se trata de una tecnología LCD derivada del IPS de Boe-Hydis de Corea. Conocida como conmutación de campo marginal (FFS) hasta 2003, [21] la conmutación de campo marginal avanzada es una tecnología similar a IPS o S-IPS que ofrece un rendimiento superior y una gama de colores con alta luminosidad. El cambio de color y la desviación causados por la fuga de luz se corrigen optimizando la gama de blancos, lo que también mejora la reproducción de blanco/gris. AFFS es desarrollado por Hydis Technologies Co., Ltd, Corea (formalmente Hyundai Electronics, LCD Task Force). [22]
En 2004, Hydis Technologies Co., Ltd otorgó la licencia de su patente AFFS a Hitachi Displays de Japón. Hitachi utiliza AFFS para fabricar paneles de alta gama en su línea de productos. En 2006, Hydis también otorgó la licencia de su AFFS a Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.
Hydis introdujo AFFS+ que mejoró la legibilidad en exteriores en 2007. [ cita necesaria ]
Logró una respuesta de píxeles que fue rápida para su época, amplios ángulos de visión y alto contraste a costa del brillo y la reproducción del color. [ cita necesaria ] Los paneles MVA modernos pueden ofrecer amplios ángulos de visión (solo superados por la tecnología S-IPS), buena profundidad de negro, buena reproducción y profundidad del color y tiempos de respuesta rápidos debido al uso de tecnologías RTC ( compensación del tiempo de respuesta ). [ cita necesaria ] Cuando los paneles MVA se ven fuera de la perpendicular, los colores cambiarán, pero mucho menos que en los paneles TN. [ cita necesaria ]
Existen varias tecnologías de "próxima generación" basadas en MVA, incluidas P-MVA y AMVA de AU Optronics , así como S-MVA de Chi Mei Optoelectronics .
Los paneles de PVA menos costosos suelen utilizar dithering y FRC , mientras que los paneles super-PVA (S-PVA) utilizan al menos 8 bits por componente de color y no utilizan métodos de simulación de color. [ cita necesaria ] S-PVA también eliminó en gran medida el brillo fuera de ángulo de los negros sólidos y redujo el cambio gamma fuera de ángulo. Algunos televisores LCD Sony BRAVIA de alta gama ofrecen compatibilidad con colores xvYCC y 10 bits, por ejemplo, la serie Bravia X4500. S-PVA también ofrece tiempos de respuesta rápidos utilizando tecnologías RTC modernas. [ cita necesaria ]
Sharp desarrolló una súper vista avanzada, también llamada alineación vertical simétrica axialmente . [23] Es un modo VA en el que las moléculas de cristal líquido se orientan perpendicularmente a los sustratos en el estado apagado. El subpíxel inferior tiene electrodos cubiertos continuamente, mientras que el superior tiene un electrodo de área más pequeña en el centro del subpíxel.
Cuando el campo está activado, las moléculas de cristal líquido comienzan a inclinarse hacia el centro de los subpíxeles debido al campo eléctrico; como resultado, se forma una alineación continua de molinete (CPA); el ángulo azimutal gira 360 grados continuamente dando como resultado un excelente ángulo de visión. El modo ASV también se llama modo CPA. [24]
Una tecnología desarrollada por Samsung es Super PLS, que guarda similitudes con los paneles IPS, tiene ángulos de visión más amplios, mejor calidad de imagen, mayor brillo y menores costos de producción. La tecnología PLS debutó en el mercado de pantallas para PC con el lanzamiento de los monitores Samsung S27A850 y S24A850 en septiembre de 2011. [25]
La tecnología de celda o píxel de transistor dual TFT es una tecnología de pantalla reflectante para uso en aplicaciones de muy bajo consumo de energía, como etiquetas electrónicas para estantes (ESL), relojes digitales o medición. DTP implica agregar una puerta de transistor secundaria en una única celda TFT para mantener la visualización de un píxel durante un período de 1 segundo sin pérdida de imagen o sin degradar los transistores TFT con el tiempo. Al reducir la frecuencia de actualización de la frecuencia estándar de 60 Hz a 1 Hz, DTP pretende aumentar la eficiencia energética en múltiples órdenes de magnitud.
Debido al alto costo de construcción de fábricas de TFT, existen pocos proveedores importantes de paneles OEM para paneles de visualización grandes. Los proveedores de paneles de vidrio son los siguientes:
Los dispositivos de visualización externos para el consumidor, como un TFT LCD, cuentan con una o más interfaces analógicas VGA , DVI , HDMI o DisplayPort , y muchos cuentan con una selección de estas interfaces. Dentro de los dispositivos de visualización externos hay una placa controladora que convertirá la señal de video mediante mapeo de color y escalado de imagen , generalmente empleando la transformada de coseno discreto (DCT) para convertir cualquier fuente de video como CVBS , VGA , DVI , HDMI , etc. en digital. RGB en la resolución nativa del panel de visualización. En una computadora portátil, el chip gráfico producirá directamente una señal adecuada para la conexión a la pantalla TFT incorporada. Generalmente se incluye un mecanismo de control para la luz de fondo en la misma placa controladora.
La interfaz de bajo nivel de los paneles de visualización STN , DSTN o TFT utiliza una señal TTL de 5 V de un solo extremo para pantallas más antiguas o TTL 3,3 V para pantallas ligeramente más nuevas que transmite el reloj de píxeles, sincronización horizontal , sincronización vertical , rojo digital, verde digital, azul digital en paralelo. Algunos modelos (por ejemplo, el AT070TN92) también cuentan con señales de activación de entrada/pantalla , dirección de escaneo horizontal y dirección de escaneo vertical.
Las pantallas TFT nuevas y grandes (>15") a menudo usan señalización LVDS que transmite el mismo contenido que la interfaz paralela (Hsync, Vsync, RGB), pero colocarán bits de control y RGB en varias líneas de transmisión en serie sincronizadas con un reloj cuya velocidad es igual a la velocidad de píxeles. LVDS transmite siete bits por reloj por línea de datos, seis bits son datos y un bit se utiliza para señalar si los otros seis bits necesitan invertirse para mantener el equilibrio de CC. tienen tres líneas de datos y, por lo tanto, solo admiten directamente 18 bits por píxel . Las pantallas de lujo tienen cuatro o cinco líneas de datos para admitir 24 bits por píxel ( color verdadero ) o 30 bits por píxel respectivamente. Los fabricantes de paneles están reemplazando lentamente LVDS con DisplayPort interno y DisplayPort integrado. , que permiten reducir seis veces el número de pares diferenciales. [ cita necesaria ]
La intensidad de la luz de fondo generalmente se controla variando unos pocos voltios CC, generando una señal PWM , ajustando un potenciómetro o simplemente fija. Éste, a su vez, controla un inversor CC-CA de alto voltaje ( 1,3 kV ) o una matriz de LED . El método para controlar la intensidad del LED es pulsarlos con PWM, lo que puede ser una fuente de parpadeo armónico. [ cita necesaria ]
El panel de visualización desnudo solo aceptará una señal de video digital con la resolución determinada por la matriz de píxeles del panel diseñada en el fabricante. Algunos paneles de pantalla ignorarán los bits LSB de la información de color para presentar una interfaz consistente (8 bits -> 6 bits/color x3). [ cita necesaria ]
Con señales analógicas como VGA, el controlador de pantalla también necesita realizar una conversión de analógico a digital de alta velocidad . Con señales de entrada digitales como DVI o HDMI, es necesario reordenar los bits antes de enviarlos al reescalador si la resolución de entrada no coincide con la resolución del panel de visualización.
Los cristales líquidos se someten constantemente a pruebas de toxicidad y ecotoxicidad para detectar cualquier peligro potencial. El resultado es que:
Las declaraciones son aplicables a Merck KGaA así como a sus competidores JNC Corporation (anteriormente Chisso Corporation) y DIC (anteriormente Dainippon Ink & Chemicals). Los tres fabricantes han acordado no introducir en el mercado ningún cristal líquido mutagénico o altamente tóxico. Cubren más del 90 por ciento del mercado mundial de cristal líquido. La cuota de mercado restante de los cristales líquidos, producidos principalmente en China, se compone de sustancias más antiguas y sin patentes de los tres principales productores mundiales, cuya toxicidad ya ha sido probada por ellos. Como resultado, también pueden considerarse no tóxicos.
El informe completo está disponible en línea en Merck KGaA. [29]
La retroiluminación CCFL utilizada en muchos monitores LCD contiene mercurio , que es tóxico.
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