¿Cómo funciona el LCD?

Para ilustrar de forma exhaustiva cómo funciona el LCD, explicaremos la estructura y, a continuación, la colaboración de cada parte para crear los colores.

I. ¿Qué es la pantalla LCD?

Cita de Wikipedia "Una pantalla de cristal líquido (LCD) es una pantalla plana u otro dispositivo óptico modulado electrónicamente que utiliza las propiedades de modulación de la luz de los cristales líquidos combinados con polarizadores. Los cristales líquidos no emiten luz directamente, sino que utilizan una luz de fondo o un reflector para producir imágenes en color o monocromas."

Hay varios tipos y configuraciones diferentes de pantallas LCD, la mayoría están diseñadas de la misma manera básica con una estructura similar. Pero no todas pueden mostrar el color.

Dado que la pantalla LCD en color es el tipo más popular utilizado en el mercado actual, cuando intentamos responder a la pregunta, partimos de la pantalla en color para revelar "¿cómo crea la pantalla de cristal líquido imágenes en color?

El TFT-LCD es el principal LCD en color, también famoso como pantalla de matriz activa.

Empecemos el viaje.

Para ilustrar de forma exhaustiva el funcionamiento de la pantalla LCD, explicaremos primero la estructura y, a continuación, la colaboración de cada parte para crear la imagen en color.

II. Estructura y 5 capas clave de la pantalla LCD

La pantalla LCD se compone principalmente de 5 unidades

● BLU（Unidad de luz de fondo)

● POL (Polarizador)

● Panel LCD (pantalla de cristal líquido)

● IC（Circuito integrado)

● FPC (Circuito impreso flexible)

A continuación, la figura 2 es el diagrama de la estructura del módulo TFT-LCD. Introduciremos brevemente las principales funciones de cada uno en la pantalla.

(1) BLU（Unidad de retroiluminación）

La unidad de retroiluminación es uno de los componentes clave del LCD. Consiste en múltiples capas de hojas ópticas y la fuente de luz.

La función de la unidad de retroiluminación es suministrar suficiente brillo y distribuir uniformemente la fuente de luz al panel LCD, ya que las moléculas de cristal líquido no pueden emitir luz por sí mismas.

Normalmente, la fuente de luz son las tiras de LED, por lo que también se denomina LED-Backlit.

La calidad de la retroiluminación determina algunas características importantes de la pantalla, como el brillo, la uniformidad de la luz emitida y el nivel de color de la pantalla LCD. En general, el BLU determina en gran medida el efecto luminoso de la pantalla LCD.

(2) POL (Polarizador)

Un polarizador sirve para convertir la luz natural sin polarización en luz polarizada y controlar qué patrones de luz pueden pasar a través del panel LCD

Sin estos filtros, las imágenes visuales generadas por el panel LCD tienen un bajo rendimiento en la relación de contraste.

(3) CI (circuito integrado)

Un circuito integrado (IC) es un dispositivo de chip que consiste en un conjunto de circuitos integrados.

Se utiliza para ajustar y controlar la fase, el valor de pico, la frecuencia y otros parámetros de las señales potenciométricas en el electrodo transparente, para establecer el campo eléctrico de conducción y, finalmente, realizar la información que se muestra en la pantalla.

(4) FPC (placa de circuito impreso flexible)

FPC es la abreviatura de placa de circuito impreso flexible.

Conectando el panel LCD, la FPC puede realizar el principio de funcionamiento del circuito, y emitir la interfaz que la placa base necesita para adaptarse, de modo que el LCD pueda funcionar desde el punto de vista eléctrico.

(5) Panel LCD (pantalla de cristal líquido) / Capa celular

La capa celular es un paquete de cristales líquidos incrustados entre dos sustratos de vidrio, un sustrato de vidrio superior con el filtro de color (CF) y un sustrato de vidrio inferior con la matriz de transistores de película fina (TFT-Array).

También se denomina panel LCD y es una unidad esencial de la pantalla en color.

En el sustrato TFT, puede controlar el voltaje de los píxeles en este lado con precisión. Y es la tensión de los píxeles aplicada al cristal líquido la que controla la torsión del mismo.

En el sustrato CF, un píxel se divide en tres subpíxeles: rojo (R), verde (G) y azul (B).

El cristal líquido (LC), que actúa como una válvula de luz, ajusta la cantidad de luz de los tres colores primarios del RGB que pasa por el sustrato CF, y se puede obtener la visualización del color deseado.

Para crear una imagen, todas las capas anteriores deben colaborar como una orquesta.

III. Funcionamiento de la pantalla LCD

La pantalla LCD es un producto de la optoelectrónica

Podemos comprender de forma general el funcionamiento de la pantalla LCD desde el punto de vista óptico y eléctrico.

(1) Principio de funcionamiento optoelectrónico del LCD

perspectiva óptica

● La luz puede dividirse en diferentes direcciones de polarización.

● Las luces con diferentes direcciones de polarización pasan a través del cristal líquido, y habrá diferentes caminos ópticos.

● Después de que la luz se recombine a través de esta diferencia de trayectoria óptica, cambiará la forma de su polarización.

● Con el polarizador que bloquea la luz en una determinada dirección de polarización, se puede determinar la transmitancia de la luz.

►Perspectiva eléctrica

● Bajo diferentes voltajes, el cristal líquido tendrá diferentes disposiciones.

● Las diferentes disposiciones del cristal líquido provocan diferentes diferencias de recorrido óptico, lo que hace que la transmitancia cambie.

● Para que la señal de vídeo (electricidad) pueda convertirse en una pantalla brillante y oscura (luz).

(2) Proceso de trabajo del LCD

A continuación, vamos a ver cómo cada capa colabora en su interior para hacer la pantalla a color.

▲ Moléculas de cristal líquido

① El cristal líquido utilizado en el TFT-LCD es de tipo TN (Twist Nematic), que se muestra en la figura 3.

② Las moléculas de cristal líquido son elípticas; los cristales líquidos de tipo TN suelen estar conectados en serie a lo largo de la dirección del eje largo, y los ejes largos están dispuestos en paralelo entre sí.

③ Al tocar la superficie acanalada, las moléculas de cristal líquido se alinean paralelamente a lo largo de las ranuras, como se muestra en la figura 4.

④ Cuando el cristal líquido está contenido en el medio de las dos superficies acanaladas (mostradas en la figura 5), y las direcciones de las ranuras son perpendiculares entre sí, la disposición de las moléculas de cristal líquido será:

● Moléculas en la superficie inferior: a lo largo de la dirección "b"

● Moléculas en la superficie superior: a lo largo de la dirección 'a'

● Moléculas en el medio: se genera el efecto de rotación, por lo que las moléculas de cristal líquido giran 90° entre las dos superficies acanaladas.

▲ Efectos de la luz y de las moléculas de cristal líquido

① Cuando la luz linealmente polarizada entra en la superficie acanalada superior, la luz también gira junto con la rotación de las moléculas de cristal líquido, de modo que la luz puede pasar.

② Cuando la luz linealmente polarizada sale de la superficie acanalada inferior, la luz ya ha girado 90°, como se muestra en la figura 6.

▲Polarizador

① Filtra la luz no polarizada (luz general) en luz linealmente polarizada;

② Cuando la luz no polarizada pasa por el polarizador de dirección 'a', la luz se filtra en luz linealmente polarizada paralela a la dirección 'a';

③ La luz polarizada linealmente sigue avanzando(se muestra en la figura 7), y

● si pasa a través del polarizador en la misma dirección (a), la luz pasa;

● si la luz pasa a través del polarizador en la dirección b, la luz se bloquea completamente.

(3) Efecto óptico en la combinación de polarizadores, superficies acanaladas y cristal líquido

Cuando los polarizadores superior e inferior son perpendiculares entre sí：

① si no se aplica la tensión de alimentación, la luz puede pasar, como se muestra en la figura 8.

② si se aplica la tensión de alimentación, la luz queda completamente bloqueada, mostrada en la figura 9. Porque las moléculas de cristal líquido se enderezan de su patrón de hélice y dejan de redirigir el ángulo de la luz, por lo tanto la luz no puede pasar a través del filtro inferior.

(4) Creación de imágenes a través de TFT-LCD

① Scan driver IC (también conocido como Gate driver IC) transmite las señales de escaneo y completa la entrada de la señal de imagen;

② Data driver IC (también conocido como Source driver IC) transmite señales de control de imagen y controla los interruptores del TFT:

● si un subpixel está encendido, el subpixel aparece en negro porque no puede transmitir luz.

● si el subpixel está apagado, el color se muestra porque la luz pasa a través del filtro de color (CF).

③ Después de pasar por el CF, se genera luz roja, verde y azul, y finalmente pasa por el polarizador superior.

④ Con el efecto de síntesis de la luz, se forman y visualizan diferentes colores( Se muestra en la figura 10&11).

Ahora, hemos terminado nuestro viaje sobre cómo funciona un LCD y cómo la pantalla crea una imagen en color.

Si quiere saber más sobre las características específicas del TFT-LCD, puede leer los artículos relacionados: ¿Qué son los LCD de matriz activa y los TFT-LCD?