Como funcionam os LCDs (telas de cristal líquido)

Discussão em 'Electrónica -- Manuais' iniciado por JeRp, Setembro 17, 2007.

  1. JeRp

    JeRp Old School

    Introdução

    Você provavelmente usa itens que contêm uma LCD (tela de cristal líquido) todo dia. Elas estão por toda parte: em laptops, relógios digitais e relógios de pulso, fornos de microondas, aparelhos de CD e muitos outros aparelhos eletrônicos. As LCDs são comuns porque oferecem algumas vantagens reais sobre outras tecnologias para telas. Elas são mais finas e mais leves e gastam muito menos energia que os tubos de raios catódicos (CRTs)

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    Uma tela simples de LCD de uma calculadora

    Mas por que essas coisas são chamadas de cristal líquido? O nome "cristal líquido" soa como uma contradição. Pensamos em cristais como sendo um material duro como o quartz, geralmente duros como uma rocha, enquanto os líquidos são obviamente diferentes. Como um material pode combinar os dois?

    Neste artigo, você vai descobrir como os cristais líquidos realizam esse incrível truque e vai dar uma olhada na tecnologia por trás das LCDs. Também vai aprender como as estranhas características dos cristais líquidos têm sido usadas para criar um novo tipo de obturador e como as grades desses pequenos obturadores abrem e fecham para formar padrões que representam números, palavras ou imagens.

    Cristais líquidos
    Aprendemos na escola que há três estados comuns da matéria: sólido, líquido ou gasoso. Os sólidos agem dessa maneira porque suas moléculas sempre mantêm sua orientação e ficam na mesma posição em relação umas às outras. As moléculas nos líquidos são justamente o oposto: elas podem mudar sua orientação e se mover para qualquer lugar no líquido. Mas há algumas substâncias que podem existir em um estado peculiar que é líquido e sólido. Quando estão em um desses estados, suas moléculas tendem a manter sua orientação, como as em estado sólido, mas também se movem para posições diferentes, como as em estado líquido. Isso significa que cristais líquidos não são nem sólidos nem líquidos. É por isso que esse nome aparentemente contraditório surgiu.

    Então, os cristais líquidos agem como sólidos, como líquidos ou outra coisa? Acontece que cristais líquidos estão mais próximos do estado líquido que do sólido. É necessário uma grande quantidade de calor para transformar uma substância de cristal sólido para líquido e é necessário apenas um pouco mais de calor para transformar esse mesmo cristal líquido em líquido real. Isso explica porque os cristais líquidos são muito sensíveis à temperatura e porque são usados para fazer termômetros e anéis de humor. Também explica porque uma tela de laptop pode agir de forma estranha no tempo frio ou durante um dia quente na praia.

    Cristais líquidos em fase nemática
    Da mesma maneira que há muitas variedades de sólidos e líquidos, há também uma variedade de substâncias de cristal líquido. Dependendo da temperatura e da natureza particular da substância, os cristais líquidos podem estar em uma das várias fases distintas (veja abaixo). Neste artigo, vamos discutir sobre os cristais líquidos na fase nemática, os cristais líquidos que tornam as LCDs possíveis.

    Uma característica dos cristais líquidos é que são afetados por correntes elétricas. Um tipo particular de cristal líquido nemático, chamado nemático torcido (TN), é naturalmente torcido. A aplicação de uma corrente elétrica nesses cristais líquidos os destorcem em vários graus, dependendo de sua voltagem. As LCDs usam esses cristais líquidos porque eles reagem de maneira previsível a corrente elétrica controlando a passagem de luz.

    Criando uma LCD
    Há muito mais coisas envolvidas no processo de construção de uma LCD do que simplesmente criar uma lâmina de cristal líquido. A combinação de 4 fatores torna as LCDs possíveis:

    * a luz pode ser polarizada (veja Como funcionam os óculos de sol para informações fascinantes sobre polarização);
    * os cristais líquidos conseguem transmitir e mudar a luz polarizada;
    * a estrutura dos cristais líquidos pode ser mudada pela corrente elétrica;
    * existem substâncias transparentes que podem conduzir eletricidade.

    Uma LCD é um aparelho que usa esses 4 fatores de maneira surpreendente!

    Para criar uma LCD são necessários 2 pedaços de vidro polarizado. Um polímero especial que cria ranhuras microscópicas na superfície é friccionado no lado do vidro que não tem o filme polarizador. As ranhuras devem estar na mesma direção do filme polarizador. Adiciona-se então uma camada de cristais líquidos nemáticos a um dos filtros. As ranhuras farão a primeira camada de moléculas se alinhar com a orientação do filme. Então, acrescenta-se o segundo pedaço de vidro com o filme polarizador formando um ângulo reto em relação ao primeiro pedaço. Cada camada sucessiva de moléculas TN (nemáticas torcidas) vai gradualmente se torcer até que a camada mais superior esteja em um ângulo de 90° com a parte inferior, coincidindo com os filtros de vidro polarizado.

    Quando a luz atinge o primeiro filtro, ele é polarizado. Então, as moléculas em cada camada guiam a luz que recebem até a próxima camada. À medida em que a luz passa através das camadas de cristal líquido, as moléculas também mudam o plano de vibração da luz para coincidir com o seu próprio ângulo. Quando a luz alcança o lado mais distante da substância de cristal líquido, ela vibra no mesmo ângulo que a camada final de moléculas. Se a camada final coincidir com o segundo filtro de vidro polarizado, então a luz atravessará.

    Se aplicarmos uma carga elétrica às moléculas de cristal líquido, elas vão se distorcer. Quando se esticam, mudam o ângulo da luz que passa através delas de maneira que ela não coincida mais com o ângulo do filtro polarizador de cima. Conseqüentemente, nenhuma luz consegue passar através dessa área da LCD, o que a torna mais escura que as áreas circundantes.

    Construindo sua própria LCD

    Construir uma LCD simples é mais fácil que você pensa. Você começa com um sanduíche de vidro e cristais líquidos descritos acima e adiciona dois eletrodos transparentes. Por exemplo, imagine que queira criar a LCD mais simples possível somente com um eletrodo retangular. As camadas se pareceriam com isto:

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    A LCD necessária para fazer esse serviço é muito básica. Ela tem um espelho (A) atrás, que a torna refletiva. Então, adicionamos um pedaço de vidro (B) com um filme polarizador no lado de baixo e uma superfície de eletrodo comum (C) feita de óxido de estanho-índio por cima. Uma superfície de eletrodo comum cobre a área inteira da LCD. Em cima disto está a camada da substância de cristal líquido (D). Depois vem outro pedaço de vidro (E) com um eletrodo na forma de retângulo na base e, por cima, um outro filme polarizador (F), formando um ângulo reto em relação ao primeiro.

    O eletrodo está conectado a uma fonte de energia como uma bateria. Quando não há corrente, a luz que entra através da fonte da LCD vai simplesmente bater no espelho e ricochetear de volta para fora. Mas quando a bateria fornece corrente aos eletrodos, os cristais líquidos entre o eletrodo plano comum e o eletrodo com forma retangular se destorcem e impedem a luz de passar nessa região. Isso faz a LCD mostrar o retângulo como uma área negra.

    Iluminação por trás versus refletiva
    Note que nossa LCD simples necessitou de uma fonte de luz externa. Materiais de cristal líquido não emitem luz própria. As LCDs pequenas e baratas são freqüentemente refletivas, o que significa que para mostrar algo elas devem refletir luz a partir de fontes luminosas externas. Dê uma olhada em um relógio de pulso de LCD: os números aparecem onde pequenos eletrodos carregam o cristal líquido e fazem as camadas distorcerem-se para que a luz não seja transmitida através do filme polarizado.

    A maioria das telas de computador é acesa com tubos fluorescentes embutidos sobre, na lateral e, às vezes, atrás da LCD. Um painel de difusão branco atrás da LCD redireciona e distribui a luz de maneira homogênea para assegurar uma exibição uniforme. No seu caminho através dos filtros, as camadas de cristal líquido e eletrodo, muito dessa luz é perdida (freqüentemente mais que a metade).

    Em nosso exemplo, tínhamos uma superfície de eletrodo comum e uma barra de eletrodo simples que controlavam quais cristais líquidos respondiam a uma carga elétrica. Se você pegar a camada que contém o eletrodo simples e acrescentar mais alguns, pode começar a construir telas mais sofisticadas.

    Sistemas de LCD
    As LCDs baseadas em superfície comum são boas para telas simples que precisam exibir as mesmas informações repetidamente. Relógios de pulso e fornos de microondas se enquadram nessa categoria. Embora a forma hexagonal da barra ilustrada anteriormente seja a mais comum para a disposição dos eletrodos em tais aparelhos, quase toda forma é possível. Dê uma olhada em alguns jogos portáteis: cartas de baralho, alienígenas, peixe e máquinas caça-níqueis são apenas algumas das formas de eletrodo que você vai ver.

    Há dois tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz passiva e matriz ativa.

    Matriz passiva
    As LCDs de matriz passiva usam uma grade simples para fornecer a carga para um pixel específico na tela. Criar a grade é um processo complexo. Começa com duas camadas de vidro chamadas substratos. A um dos substratos acrescente colunas e ao outro, linhas, de um material condutor transparente. Este material geralmente é óxido de estanho-índio. As linhas ou colunas são conectadas a circuitos integrados que controlam quando uma carga é enviada para uma coluna ou linha específica. O material de cristal líquido é encaixado entre os dois substratos de vidro e um filme polarizador é adicionado ao lado exterior de cada substrato. Para ativar um pixel, o circuito integrado envia uma carga para a coluna correta de um dos substratos e um fio-terra ativado na linha correta do outro substrato. A linha e a coluna se cruzam no pixel designado e isso libera a voltagem para distorcer os cristais líquidos naquele pixel.

    A simplicidade do sistema de matriz passiva é interessante, mas tem desvantagens significativas, notavelmente o tempo de resposta lento e o controle de voltagem impreciso. O tempo de resposta refere-se à habilidade da LCD de renovar a imagem mostrada. A maneira mais fácil de observar o tempo de resposta lento em uma matriz passiva de LCD é mover o cursor rapidamente de um lado para o outro da tela. Você vai notar uma série de "fantasmas" seguindo o cursor. O controle impreciso da voltagem impede a habilidade da matriz passiva de influenciar somente um pixel (em inglês) de cada vez. Quando a voltagem é aplicada para destorcer um pixel, os pixels ao redor dele também se destorcem parcialmente, o que faz com que as imagens pareçam distorcidas e com falta de contraste.

    Matriz ativa
    As LCDs de matriz ativa dependem de transistores de filme finos (TFT). Basicamente, os TFTs são pequenos transistores e capacitores de mudança. Eles são dispostos em uma matriz sobre um substrato de vidro. Para dirigir-se a um pixel particular, a linha apropriada é ativada e então uma carga é enviada para a coluna correta. Já que todas as outras linhas com que a coluna se cruza estão desativadas, somente o capacitor no pixel designado recebe uma carga. O capacitor é capaz de reter a carga até o novo ciclo de atualização. E se controlarmos com cuidado a quantidade de voltagem fornecida a um cristal, podemos fazê-lo destorcer o suficiente para permitir que alguma luz passe.

    Fazendo isso em pequenos e exatos acréscimos, as LCDs conseguem criar uma escala cinza. A maioria das telas de hoje oferece 256 níveis de brilho por pixel.

    Cor
    Uma LCD que consegue mostrar cores deve ter 3 subpixels com filtros de cor vermelho, verde e azul para criar cada pixel de cor.

    Por meio do controle cuidadoso e da variação da voltagem aplicada, a intensidade de cada subpixel pode variar em 256 tonalidades. A combinação dos subpixels produz uma paleta possível de 16,8 milhões de cores (256 tonalidades de vermelho x 256 tonalidades de verde x 256 tonalidades de azul). Estas telas coloridas necessitam de um enorme número de transistores. Por exemplo, um laptop típico suporta resoluções de até 1,024x768. Se multiplicarmos 1.024 colunas por 768 linhas por 3 subpixels, obtemos 2.359.296 transistores gravados sobre o vidro. Se houver um problema com algum destes transistores, ele cria um "pixel ruim" na tela. A maioria das telas de matriz ativa tem alguns pixels ruins espalhados pela tela.

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    Avanços da LCD
    A tecnologia da LCD evolui constantemente. Hoje, as LCDs empregam diversas variações da tecnologia de cristal líquido, incluindo nemáticos super torcidos (STN), nemáticos torcidos de camada dupla (DSTN), cristal líquido ferroelétrico (FLC) e cristal líquido ferroelétrico estabilizado por superfície (SSFLC).

    O tamanho da tela é limitado pelos problemas de controle de qualidade enfrentados pelos fabricantes. De maneira simples, para aumentar o tamanho da tela, os fabricantes devem adicionar mais pixels e transistores. À medida que aumentam o número de pixels e transistores, também aumentam a chance de incluir um transistor ruim em uma tela. Os fabricantes das LCDs grandes rejeitam freqüentemente cerca de 40% dos painéis que saem da linha de montagem. O nível de rejeição afeta diretamente o preço da LCD uma vez que as vendas de LCDs boas devem cobrir o custo de fabricação das telas boas e ruins. Somente avanços na fabricação podem levar a telas acessíveis em tamanhos maiores.
     
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