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 TFT LCD es una LCD de matriz activa , a diferencia de las LCD de matriz pasiva o las LCD simples, de accionamiento directo (es decir, con segmentos conectados directamente a la electrónica fuera de la LCD) con unos pocos segmentos.
Las pantallas LCD TFT se utilizan en televisores , monitores de ordenador , teléfonos móviles , sistemas de videojuegos, asistentes digitales personales, sistemas de navegación, proyectores [2] y en tableros de algunos automóviles y en motocicletas de gama media y alta .
En febrero de 1957, John Wallmark de RCA presentó una patente para un MOSFET de película fina . Paul K. Weimer , también de RCA , implementó las ideas de Wallmark y desarrolló el transistor de película fina (TFT) en 1962, un tipo de MOSFET distinto del MOSFET estándar. Estaba hecho con películas delgadas 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 de matriz de 2 por 18 impulsada por un circuito híbrido utilizando el modo de dispersión dinámica de las LCD. [3] En 1973, T. Peter Brody , JA Asars y GD Dixon en Westinghouse Research Laboratories desarrollaron una TFT de CdSe ( seleniuro de cadmio ), que utilizaron para demostrar la primera pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada de CdSe (TFT LCD). [4] [5] Brody y Fang-Chen Luo demostraron la primera pantalla de cristal líquido de matriz activa plana (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 LCD TFT seguirán 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 que se utilizan en calculadoras y otros dispositivos con pantallas igualmente sencillas tienen elementos de imagen controlados directamente y, por lo tanto, se puede aplicar fácilmente un voltaje a un solo segmento de este tipo de pantallas sin interferir con los otros segmentos. Esto sería poco práctico para una pantalla grande , porque tendría una gran cantidad de elementos de imagen (color) ( píxeles ), y, por lo tanto, requeriría millones de conexiones, tanto superiores como inferiores para cada uno de los tres colores (rojo, verde y azul) de cada píxel. Para evitar este problema, los píxeles se direccionan 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 drene 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 una pantalla 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 película delgada de silicio amorfo que se deposita sobre un panel de vidrio . La capa de silicio para las pantallas TFT-LCD se deposita normalmente mediante el proceso PECVD . [11] Los transistores ocupan solo 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 de TFT. Algunos ejemplos incluyen pequeñas pantallas de alta resolución como las que se encuentran en proyectores o visores. Las TFT basadas en silicio amorfo son, con diferencia, las más comunes, debido a su menor coste de producción, mientras que las TFT de silicio policristalino son más costosas 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, con frecuencia, más baratas. Las pantallas TN tienen tiempos de respuesta de píxeles rápidos y menos manchas que otros tipos de LCD como las pantallas IPS , pero sufren una reproducción de color deficiente y ángulos de visión limitados, especialmente en la dirección vertical. Cuando se miran 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 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 anteriores, pero en general, las TN tienen ángulos de visión inferiores y un color deficiente en comparación con otras tecnologías como IPS.
La mayoría de los paneles TN pueden representar colores utilizando sólo seis bits por canal RGB, o 18 bits en total, y no pueden mostrar los 16,7 millones de tonos de color ( color verdadero de 24 bits ) que están disponibles utilizando el color de 24 bits. En su lugar, 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 llamado Control de velocidad de fotogramas (FRC), que alterna entre diferentes tonos con cada nuevo fotograma 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 algunas. [13] El FRC tiende a ser más perceptible 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 tengan entre un 10% y un 26% de la gama de colores NTSC, mientras que otros tipos de pantallas, que utilizan formulaciones de fósforo CCFL o LED 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 .
La conmutación en el plano (IPS) fue desarrollada por Hitachi en 1996 para mejorar el ángulo de visión deficiente y la reproducción de color deficiente de los paneles TN de 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 ángulos de visión amplios característicos y una buena reproducción de color. [17]
Las primeras iteraciones de la tecnología IPS se caracterizaban por un tiempo de respuesta lento y una baja relación de contraste, 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), la tecnología IPS se utiliza ampliamente en monitores de alta gama destinados a artistas gráficos profesionales, aunque con la reciente caída de precio también se ha visto en el mercado general. La tecnología IPS fue vendida a Panasonic por Hitachi.
Se trata de una tecnología LCD derivada de IPS de Boe-Hydis de Corea. Conocida como conmutación de campo de flecos (FFS) hasta 2003, [21] la conmutación avanzada de campo de flecos 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 desarrollada por Hydis Technologies Co., Ltd, Corea (anteriormente Hyundai Electronics, LCD Task Force). [22]
En 2004, Hydis Technologies Co., Ltd. otorgó la licencia de su patente AFFS a la empresa japonesa Hitachi Displays. 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 requerida ]
Los paneles MVA modernos pueden ofrecer ángulos de visión amplios (superados solo por la tecnología S-IPS), buena profundidad de negros, buena reproducción y profundidad de color y tiempos de respuesta rápidos debido al uso de tecnologías RTC ( Response Time Compensation ). [ cita requerida ] Cuando los paneles MVA se ven fuera de la perpendicular, los colores cambiarán, pero mucho menos que en el caso de los paneles TN. [ cita requerida ]
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 PVA menos costosos a menudo utilizan tramado 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 requerida ] S-PVA también eliminó en gran medida el brillo fuera de ángulo de los negros sólidos y redujo el cambio de gamma fuera de ángulo. Algunos televisores LCD Sony BRAVIA de alta gama ofrecen compatibilidad con color de 10 bits y xvYCC, por ejemplo, la serie Bravia X4500. S-PVA también ofrece tiempos de respuesta rápidos utilizando tecnologías RTC modernas. [ cita requerida ]
La supervisión avanzada, también llamada alineación vertical simétrica axial , fue desarrollada por Sharp . [23] Es un modo VA donde las moléculas de cristal líquido se orientan perpendicularmente a los sustratos en el estado apagado. El subpíxel inferior tiene electrodos cubiertos de forma continua, 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 en rueda dentada (CPA); el ángulo azimutal gira 360 grados continuamente, lo que da como resultado un excelente ángulo de visión. El modo ASV también se denomina modo CPA. [24]
Una tecnología desarrollada por Samsung es Super PLS, que tiene 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 píxeles o celdas de transistores duales TFT es una tecnología de pantalla reflectiva para su uso en aplicaciones de consumo de energía muy bajo, como etiquetas electrónicas para estanterías (ESL), relojes digitales o medidores. La DTP implica agregar una compuerta de transistor secundaria en la celda TFT única para mantener la visualización de un píxel durante un período de 1 s 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, la DTP afirma aumentar la eficiencia energética en varios órdenes de magnitud.
Debido al elevado coste de construcción de fábricas de TFT, hay pocos proveedores importantes de paneles OEM para pantallas de gran tamaño. Los proveedores de paneles de vidrio son los siguientes:
Los dispositivos de visualización externos para el consumidor, como una pantalla LCD TFT, cuentan con una o más interfaces analógicas VGA , DVI , HDMI o DisplayPort , y muchos de ellos 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 discreta (DCT) para convertir cualquier fuente de video como CVBS , VGA , DVI , HDMI , etc. en RGB digital a 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. Por lo general, 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 de 3,3 V para pantallas un poco más nuevas que transmiten el reloj de píxeles, la sincronización horizontal , la sincronización vertical , el rojo digital, el verde digital y el azul digital en paralelo. Algunos modelos (por ejemplo, el AT070TN92) también cuentan con señales de habilitación de entrada/visualización , dirección de escaneo horizontal y dirección de escaneo vertical.
Las pantallas TFT nuevas y de gran tamaño (>15") suelen utilizar señalización LVDS que transmite el mismo contenido que la interfaz paralela (Hsync, Vsync, RGB) pero colocará los bits de control y RGB en una serie de 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, con seis bits siendo datos y un bit utilizado para indicar si los otros seis bits deben invertirse para mantener el equilibrio de CC. Las pantallas TFT de bajo costo a menudo tienen tres líneas de datos y, por lo tanto, solo admiten directamente 18 bits por píxel . Las pantallas de alta gama 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 una reducción de seis veces el número de pares diferenciales. [ cita requerida ]
La intensidad de la retroiluminación se controla generalmente variando unos pocos voltios de CC, generando una señal PWM , ajustando un potenciómetro o simplemente de forma fija. Esto a su vez controla un inversor de CC-CA de alto voltaje ( 1,3 kV ) o una matriz de LED . El método para controlar la intensidad de los LED es pulsarlos con PWM, lo que puede ser una fuente de parpadeo armónico. [ cita requerida ]
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 la fabricación. 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 requerida ]
Con señales analógicas como VGA, el controlador de pantalla también debe 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 posibles peligros. El resultado es que:
Las afirmaciones son aplicables tanto a Merck KGaA 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 con efectos tóxicos o mutagénicos agudos. Abarcan más del 90 por ciento del mercado mundial de cristales líquidos. La cuota de mercado restante de cristales líquidos, producidos principalmente en China, está formada por sustancias más antiguas y sin patente de los tres principales productores mundiales, cuya toxicidad ya ha sido comprobada por ellos. Por ello, también pueden considerarse no tóxicos.
El informe completo está disponible en línea en Merck KGaA. [29]
Las retroiluminaciones CCFL utilizadas en muchos monitores LCD contienen mercurio , que es tóxico.
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