Pantalla de cristal líquido

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, combinadas con polarizadores, para mostrar información. Los cristales líquidos no emiten luz directamente ^{[ 1 ]} , sino que utilizan una retroiluminación o un reflector para producir imágenes en color o monocromáticas ^{[ 2 ]} .

Las pantallas LCD pueden mostrar imágenes arbitrarias (como en una pantalla de ordenador de uso general) o imágenes fijas con poco contenido informativo, que pueden mostrarse u ocultarse: palabras predefinidas, dígitos y pantallas de siete segmentos (como en un reloj digital) son ejemplos de dispositivos con este tipo de pantallas. Utilizan la misma tecnología básica, con la diferencia de que las imágenes arbitrarias se componen de una matriz de píxeles pequeños , mientras que otras pantallas tienen elementos más grandes.

Las pantallas LCD se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo televisores LCD , monitores de computadora , paneles de instrumentos , pantallas de cabina de aeronaves y señalización interior y exterior. Las pantallas LCD pequeñas son comunes en proyectores LCD y dispositivos portátiles de consumo como cámaras digitales , relojes , calculadoras y teléfonos móviles , incluyendo teléfonos inteligentes . Las pantallas LCD han reemplazado a las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) , pesadas, voluminosas y menos eficientes energéticamente, en casi todas las aplicaciones desde finales de la década de 2000 hasta principios de la de 2010.

Las pantallas LCD pueden estar normalmente encendidas (positivas) o apagadas (negativas), según la configuración del polarizador. Por ejemplo, una pantalla LCD de caracteres positivos con retroiluminación tiene letras negras sobre un fondo del color de la retroiluminación, mientras que una pantalla LCD de caracteres negativos tiene un fondo negro con letras del mismo color que la retroiluminación.

Las pantallas LCD no están sujetas al efecto de quemado de pantalla como los tubos de rayos catódicos (CRT). Sin embargo, las pantallas LCD aún son susceptibles a la persistencia de la imagen . ^{[ 3 ]}

Cada píxel de una pantalla LCD suele constar de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes , a menudo de óxido de indio y estaño (ITO), y dos filtros polarizadores (polarizadores paralelos y perpendiculares), cuyos ejes de transmisión son (en la mayoría de los casos) perpendiculares entre sí. Sin el cristal líquido entre los filtros polarizadores, la luz que atraviesa el primer filtro quedaría bloqueada por el segundo polarizador (cruzado). Antes de aplicar un campo eléctrico , la orientación de las moléculas de cristal líquido viene determinada por la alineación en las superficies de los electrodos. En un dispositivo nemático retorcido (TN), las direcciones de alineación superficial en los dos electrodos son perpendiculares entre sí, por lo que las moléculas se disponen en una estructura helicoidal , o torsión. Esto induce la rotación de la polarización de la luz incidente, y el dispositivo aparece gris. Si el voltaje aplicado es suficientemente alto, las moléculas de cristal líquido en el centro de la capa se desenrollan casi por completo y la polarización de la luz incidente no rota al pasar a través de la capa de cristal líquido. Esta luz se polarizará principalmente de forma perpendicular al segundo filtro, quedando bloqueada y haciendo que el píxel aparezca negro. Al controlar el voltaje aplicado a través de la capa de cristal líquido en cada píxel, se puede permitir el paso de luz en cantidades variables, lo que da lugar a distintos niveles de gris. ^{[ 4 ]}

La fórmula química de los cristales líquidos utilizados en las pantallas LCD puede variar. Las fórmulas pueden estar patentadas. ^{[ 5 ]} Un ejemplo es una mezcla de 2-(4-alcoxifenil)-5-alquilpirimidina con cianobifenilo, patentada por Merck y Sharp Corporation . La patente que cubría esa mezcla específica ha expirado. ^{[ 6 ]}

La mayoría de los sistemas LCD a color utilizan la misma técnica, con filtros de color para generar subpíxeles rojos, verdes y azules. Los filtros de color LCD se fabrican mediante un proceso de fotolitografía en grandes láminas de vidrio que posteriormente se pegan con otras láminas de vidrio que contienen una matriz de transistores de película delgada (TFT), espaciadores y cristal líquido, creando varias pantallas LCD a color que luego se cortan entre sí y se laminan con láminas polarizadoras. Se utilizan fotorresistencias (resinas) de color rojo, verde, azul y negro para crear los filtros de color. Todas las resinas contienen un pigmento en polvo finamente molido, con partículas de tan solo 40 nanómetros de diámetro. ^{[ 7 ]} La resina negra es la primera en aplicarse; esto creará una cuadrícula negra (conocida en la industria como matriz negra) que separará los subpíxeles rojos, verdes y azules entre sí, aumentando las relaciones de contraste y evitando que la luz se filtre de un subpíxel a otros subpíxeles circundantes. ^{[ 8 ]} Después de que la resina negra se haya secado en un horno y se haya expuesto a luz ultravioleta a través de una fotomáscara, las áreas no expuestas se lavan, creando una cuadrícula negra. Luego se repite el mismo proceso con las resistencias restantes. Esto llena los agujeros en la cuadrícula negra con sus resistencias de color correspondientes. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Las matrices negras hechas en las décadas de 1980 y 1990, cuando la mayor parte de la producción de LCD a color era para computadoras portátiles, están hechas de cromo debido a su alta opacidad, pero debido a preocupaciones ambientales, los fabricantes cambiaron a fotorresistencia de color negro con pigmento de carbono como material de matriz negra. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Otro método de generación de color utilizado en las primeras PDA a color y algunas calculadoras se realizaba variando el voltaje en una LCD nemática supertrenzada , donde la torsión variable entre placas más espaciadas causa una birrefringencia de doble refracción variable , cambiando así el tono. ^{[ 15 ]} Por lo general, estaban restringidas a 3 colores por píxel: naranja, verde y azul. ^{[ 16 ]}

El efecto óptico de un dispositivo TN en estado de voltaje activado depende mucho menos de las variaciones en el grosor del dispositivo que en estado de voltaje desactivado. Debido a esto, las pantallas TN con bajo contenido de información y sin retroiluminación generalmente funcionan entre polarizadores cruzados, de modo que aparecen brillantes sin voltaje (el ojo es mucho más sensible a las variaciones en el estado oscuro que en el estado brillante). Como la mayoría de las pantallas LCD de la era de 2010 se utilizan en televisores, monitores y teléfonos inteligentes, tienen matrices de píxeles de alta resolución para mostrar imágenes arbitrarias usando retroiluminación con un fondo oscuro. Cuando no se muestra ninguna imagen, se utilizan configuraciones diferentes. Para este propósito, las pantallas LCD TN funcionan entre polarizadores paralelos, mientras que las pantallas LCD IPS cuentan con polarizadores cruzados. En muchas aplicaciones, las pantallas LCD IPS han reemplazado a las pantallas LCD TN, particularmente en teléfonos inteligentes . Tanto el material de cristal líquido como el material de la capa de alineación contienen compuestos iónicos . Si se aplica un campo eléctrico de una polaridad particular durante un período prolongado de tiempo, este material iónico es atraído a las superficies y degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se evita aplicando una corriente alterna o invirtiendo la polaridad del campo eléctrico al interactuar con el dispositivo (la respuesta de la capa de cristal líquido es idéntica, independientemente de la polaridad del campo aplicado).

Las pantallas para un número reducido de dígitos individuales o símbolos fijos (como en los relojes digitales y las calculadoras de bolsillo ) pueden implementarse con electrodos independientes para cada segmento. ^{[ 17 ]} En cambio, las pantallas alfanuméricas completas o gráficas variables suelen implementarse con píxeles dispuestos como una matriz que consta de filas conectadas eléctricamente en un lado de la capa de cristal líquido (LC) y columnas en el otro lado, lo que permite direccionar cada píxel en las intersecciones. El método general de direccionamiento de matriz consiste en direccionar secuencialmente un lado de la matriz, por ejemplo, seleccionando las filas una por una y aplicando la información de la imagen del otro lado en las columnas fila por fila.

El origen y la compleja historia de las pantallas de cristal líquido desde la perspectiva de alguien que trabajaba en ellas durante sus inicios fueron descritos por Joseph A. Castellano en Liquid Gold: The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry . ^{[ 9 ]} Otro informe sobre los orígenes y la historia de las pantallas LCD desde una perspectiva diferente hasta 1991 fue publicado por Hiroshi Kawamoto, disponible en el Centro de Historia del IEEE . ^{[ 18 ]} Una descripción de las contribuciones suizas al desarrollo de las pantallas LCD, escrita por Peter J. Wild , se puede encontrar en la Wiki de Historia de la Ingeniería y la Tecnología . ^{[ 19 ]}

década de 1960

En 1964, George H. Heilmeier , quien trabajaba en los laboratorios de RCA sobre el efecto descubierto por Richard Williams, logró el cambio de colores mediante la realineación inducida por campo de tintes dicroicos en un cristal líquido orientado homeotrópicamente. Los problemas prácticos con este nuevo efecto electroóptico hicieron que Heilmeier continuara trabajando en los efectos de dispersión en cristales líquidos y finalmente lograra la primera pantalla de cristal líquido operativa basada en lo que él llamó el modo de dispersión dinámica (DSM). La aplicación de un voltaje a una pantalla DSM cambia la capa de cristal líquido inicialmente clara y transparente a un estado lechoso y turbio. Las pantallas DSM podían operar en modo transmisivo y en modo reflectivo, pero requerían una corriente considerable para su funcionamiento. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} George H. Heilmeier fue incluido en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores ^{[ 30 ]} y se le atribuye la invención de las pantallas LCD. El trabajo de Heilmeier es un hito del IEEE . ^{[ 31 ]}

A finales de la década de 1960, el Royal Radar Establishment del Reino Unido, con sede en Malvern , Inglaterra, llevó a cabo un trabajo pionero sobre cristales líquidos. El equipo del RRE apoyó la labor de George William Gray y su equipo en la Universidad de Hull, quienes finalmente descubrieron los cristales líquidos de cianobifenilo, que presentaban la estabilidad y las propiedades térmicas adecuadas para su aplicación en pantallas LCD. ^{[ 32 ]}

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. ^{[ 33 ]} Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una LCD de modo de dispersión dinámica (DSM) de matriz de 18x2 que utilizaba MOSFET discretos estándar . ^{[ 34 ]}

Las pantallas LCD no producen luz por sí mismas, por lo que requieren luz externa para producir una imagen visible. ^{[ 86 ] [ 87 ]} En una pantalla LCD transmisiva, la fuente de luz se proporciona en la parte posterior del apilamiento de vidrio y se denomina retroiluminación . Las pantallas LCD de matriz activa casi siempre están retroiluminadas. ^{[ 88 ] [ 89 ]} Las pantallas LCD pasivas pueden estar retroiluminadas, pero muchas son reflectantes, ya que utilizan una superficie o película reflectante en la parte posterior del apilamiento de vidrio para aprovechar la luz ambiental. Las pantallas LCD transflectivas combinan las características de una pantalla transmisiva retroiluminada y una pantalla reflectante.

Las implementaciones comunes de la tecnología de retroiluminación LCD son:

• Matriz WLED: El panel LCD se ilumina mediante una matriz completa de LED blancos ubicados detrás de un difusor. Las pantallas LCD que utilizan esta tecnología suelen tener la capacidad de atenuar o apagar completamente los LED en las áreas oscuras de la imagen, lo que aumenta el contraste. La precisión de esta función depende del número de zonas de atenuación. Cuantas más zonas, mayor es la precisión de la atenuación y menor es el efecto halo, que se manifiesta como manchas gris oscuro rodeadas por las áreas sin iluminar de la pantalla LCD. En 2012, este diseño se utilizaba principalmente en televisores LCD de gama alta y pantallas grandes.
• CCFL: El panel LCD se ilumina mediante dos lámparas fluorescentes de cátodo frío colocadas en los bordes opuestos de la pantalla o mediante una matriz de CCFL paralelas detrás de pantallas más grandes. Un difusor (hecho de plástico acrílico PMMA, también conocido como guía de onda o de luz/placa guía ^{[ 90 ] [ 91 ]} ) distribuye la luz uniformemente por toda la pantalla. Durante muchos años, esta tecnología se utilizó casi exclusivamente. A diferencia de los LED blancos, la mayoría de las CCFL tienen una salida espectral de blanco uniforme, lo que resulta en una mejor gama de colores para la pantalla. Sin embargo, las CCFL son menos eficientes energéticamente que los LED y requieren un inversor algo costoso para convertir el voltaje de CC que utiliza el dispositivo (generalmente 5 o 12  V) a ≈1000 V necesarios para encender una CCFL. ^{[ 92 ]} El grosor de los transformadores del inversor también limita el grosor que puede tener la pantalla.

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  EL-WLED: El panel LCD se ilumina mediante una fila de LED blancos colocados en uno o más bordes de la pantalla. A continuación, se utiliza un difusor de luz (placa guía de luz, LGP) para distribuir la luz uniformemente por toda la pantalla, de forma similar a las retroiluminaciones LCD CCFL con iluminación lateral. El difusor está fabricado con plástico PMMA o vidrio especial. El PMMA se utiliza en la mayoría de los casos por su robustez, mientras que el vidrio especial se utiliza cuando el grosor de la pantalla LCD es un factor primordial, ya que no se expande tanto al calentarse o exponerse a la humedad, lo que permite que las pantallas LCD tengan solo 5 mm de grosor. Los puntos cuánticos pueden colocarse sobre el difusor como una película de mejora de puntos cuánticos (QDEF, en cuyo caso necesitan una capa para protegerlos del calor y la humedad) o sobre el filtro de color de la pantalla LCD, sustituyendo las resinas fotorresistentes que se utilizan normalmente. ^{[ 90 ]} A partir de 2012,Este diseño es el más popular en monitores de computadoras de escritorio. Permite las pantallas más delgadas. Algunos monitores LCD que utilizan esta tecnología tienen una función llamada contraste dinámico, inventada por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan ^{[ 93 ].} Usando PWM (modulación por ancho de pulso, una tecnología donde la intensidad de los LED se mantiene constante, pero el ajuste de brillo se logra variando un intervalo de tiempo de parpadeo de estas fuentes de luz de intensidad de luz constante ^{[ 94 ]} ), la retroiluminación se atenúa al color más brillante que aparece en la pantalla mientras que simultáneamente aumenta el contraste LCD a los niveles máximos alcanzables, lo que permite que la relación de contraste de 1000:1 del panel LCD se escale a diferentes intensidades de luz, lo que resulta en las relaciones de contraste de "30000:1" que se ven en la publicidad en algunos de estos monitores. Dado que las imágenes de las pantallas de ordenador suelen tener zonas completamente blancas en algún punto, la retroiluminación suele estar a máxima intensidad, lo que convierte esta "característica" principalmente en una estrategia de marketing para los monitores de ordenador. Sin embargo, en las pantallas de televisión, aumenta drásticamente la relación de contraste percibida y el rango dinámico, mejora la dependencia del ángulo de visión y reduce drásticamente el consumo de energía de los televisores LCD convencionales.
• Matriz de LED RGB: Similar a la matriz WLED, excepto que el panel está iluminado por una matriz de LED RGB . ^{[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]} Mientras que las pantallas iluminadas con LED blancos generalmente tienen una gama de colores más pobre que las pantallas iluminadas con CCFL, los paneles iluminados con LED RGB tienen gamas de colores muy amplias. Esta implementación es más popular en LCD profesionales para edición de gráficos. A partir de 2012, los LCD en esta categoría generalmente costaban más de $1000. A partir de 2016 el costo de esta categoría se ha reducido drásticamente y dichos televisores LCD alcanzaron los mismos niveles de precio que las  categorías anteriores basadas en CRT de 28" (71 cm).
• LED monocromáticos: los LED de color rojo, verde, amarillo o azul se utilizan en las pequeñas pantallas LCD monocromáticas pasivas que se emplean habitualmente en relojes y pequeños electrodomésticos. Los LED azules se pueden utilizar en pantallas LCD con película de mejora de puntos cuánticos o filtros de color de puntos cuánticos. ^{[ 99 ] [ 100 ]}
• Mini-LED: La retroiluminación con Mini-LED puede admitir más de mil zonas de atenuación local de área completa (FLAD). Esto permite negros más profundos y una mayor relación de contraste. ^{[ 101 ]}

Actualmente, la mayoría de las pantallas LCD se diseñan con retroiluminación LED en lugar de la tradicional retroiluminación CCFL, la cual se controla dinámicamente con la información de video (control dinámico de retroiluminación). La combinación con el control dinámico de retroiluminación, inventado por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan, aumenta simultáneamente el rango dinámico del sistema de visualización (también conocido como HDR , televisión de alto rango dinámico o FLAD , atenuación local de área completa ). ^{[ 102 ] [ 103 ] [ 93 ]}

Los sistemas de retroiluminación LCD se vuelven altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas como la estructura prismática (lámina prismática) para obtener la luz en las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadoras reflectantes que reciclan la luz polarizada que antes era absorbida por el primer polarizador de la LCD (inventado por los investigadores de Philips Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), ^{[ 104 ]} generalmente logrado usando las llamadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. ^{[ 105 ]} Las versiones mejoradas de la lámina prismática tienen una estructura ondulada en lugar de una prismática, e introducen ondas lateralmente en la estructura de la lámina mientras también varían la altura de las ondas, dirigiendo aún más luz hacia la pantalla y reduciendo el aliasing o moiré entre la estructura de la lámina prismática y los subpíxeles de la LCD. Una estructura ondulada es más fácil de producir en masa que una prismática usando máquinas herramienta de diamante convencionales, que se usan para hacer los rodillos que se usan para imprimir la estructura ondulada en láminas de plástico, produciendo así láminas prismáticas. ^{[ 106 ]} Se coloca una lámina difusora a ambos lados de la lámina prismática para distribuir uniformemente la luz de la retroiluminación, mientras que se coloca un espejo detrás de la placa guía de luz para dirigir toda la luz hacia adelante. La lámina prismática con sus láminas difusoras se coloca encima de la placa guía de luz. ^{[ 107 ] [ 90 ]} Los polarizadores DBEF consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxialmente que reflejan el modo de polarización absorbido previamente de la luz. ^{[ 108 ]}

Los polarizadores DBEF que utilizan cristales líquidos polimerizados orientados uniaxialmente (polímeros birrefringentes o pegamento birrefringente) fueron inventados en 1989 por los investigadores de Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan y Joerg Brambring. ^{[ 109 ]} La combinación de estos polarizadores reflectantes y el control dinámico de la retroiluminación LED ^{[ 93 ]} hacen que los televisores LCD actuales sean mucho más eficientes que los televisores basados ​​en CRT, lo que conlleva un ahorro energético mundial de 600 TWh (2017), equivalente al 10 % del consumo eléctrico de todos los hogares del mundo o equivalente a 2 veces la producción energética de todas las células solares del mundo. ^{[ 110 ] [ 111 ]}

Una pantalla de televisión LCD estándar de 1080p tiene más de seis millones de subpíxeles, cada uno alimentado individualmente por una red de cables integrada en la pantalla. Estos finos cables, o vías, forman una cuadrícula con cables verticales que recorren toda la pantalla en un lado y cables horizontales en el otro. Cada píxel tiene una conexión positiva en un lado y una negativa en el otro. Por lo tanto, la cantidad total de cables necesarios para una pantalla es de 3 x 1920 en vertical y 1080 en horizontal, lo que da un total de 6840 cables entre ambos. Esto se traduce en tres cables para rojo, verde y azul, y 1920 columnas de píxeles para cada color, lo que suma un total de 5760 cables en vertical y 1080 filas en horizontal. Para un panel de 73 centímetros (28,8 pulgadas) de ancho, esto significa una densidad de cables de 200 cables por pulgada a lo largo del borde horizontal.

El panel LCD se alimenta mediante controladores LCD que se ajustan cuidadosamente al borde del panel LCD en la fábrica. Los controladores se pueden instalar utilizando varios métodos, los más comunes de los cuales son COG (Chip-On-Glass) y TAB ( Tape-automated bonding ). Estos mismos principios también se aplican a las pantallas de teléfonos inteligentes que son mucho más pequeñas que las pantallas de TV. ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]} Los paneles LCD suelen utilizar vías conductoras metálicas finamente recubiertas sobre un sustrato de vidrio para formar el circuito de celdas que opera el panel. Por lo general, no es posible utilizar técnicas de soldadura para conectar directamente el panel a una placa de circuito separada grabada en cobre. En su lugar, la interfaz se realiza utilizando una película conductora anisotrópica o, para densidades más bajas, conectores elastoméricos .

Las pantallas LCD monocromáticas y, posteriormente, las de color de matriz pasiva fueron estándar en la mayoría de los primeros portátiles (aunque algunos usaban pantallas de plasma ^{[ 115 ] [ 116 ]} ) y en la Nintendo Game Boy original ^{[ 117 ]} hasta mediados de la década de 1990, cuando la matriz activa a color se convirtió en el estándar en todos los portátiles. El Macintosh Portable (lanzado en 1989), que no tuvo éxito comercial, fue uno de los primeros en usar una pantalla de matriz activa (aunque seguía siendo monocromática). Las pantallas LCD de matriz pasiva todavía se usan en la década de 2010 para aplicaciones menos exigentes que los ordenadores portátiles y los televisores, como las calculadoras económicas. En particular, se usan en dispositivos portátiles donde se necesita mostrar menos información, se busca el menor consumo de energía (sin retroiluminación ) y un bajo coste, o se necesita legibilidad bajo la luz solar directa.

Las pantallas con estructura de matriz pasiva utilizan STN nemático superretorcido (inventado por el Centro de Investigación Brown Boveri, Baden, Suiza, en 1983; los detalles científicos se publicaron ^{[ 118 ]} ) o tecnología STN de doble capa (DSTN) (esta última resuelve un problema de cambio de color de la anterior), y STN de color (CSTN), en la que el color se añade mediante un filtro de color interno. Las pantallas LCD STN se han optimizado para el direccionamiento de matriz pasiva. Presentan un umbral más nítido de la característica contraste-voltaje que las pantallas LCD TN originales. Esto es importante, porque los píxeles están sujetos a voltajes parciales incluso cuando no están seleccionados. La diafonía entre píxeles activados y no activados debe manejarse adecuadamente manteniendo el voltaje RMS de los píxeles no activados por debajo del voltaje umbral, como descubrió Peter J. Wild en 1972, ^{[ 119 ]} mientras que los píxeles activados están sujetos a voltajes por encima del umbral (los voltajes según el esquema de control "Alt & Pleshko"). ^{[ 120 ]} El control de dichas pantallas STN según el esquema de control Alt & Pleshko requiere voltajes de direccionamiento de línea muy altos. Welzen y de Vaan inventaron un esquema de control alternativo (un esquema de control que no es "Alt & Pleshko") que requiere voltajes mucho más bajos, de modo que la pantalla STN podría controlarse utilizando tecnologías CMOS de bajo voltaje. ^{[ 53 ]} Las pantallas LCD blancas sobre fondo azul son STN y pueden usar un polarizador azul, o birrefringencia, que les da su apariencia distintiva. ^{[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ]}

Las pantallas LCD STN deben actualizarse continuamente mediante pulsos de voltaje alternos de una polaridad durante un fotograma y pulsos de polaridad opuesta durante el siguiente. Los píxeles individuales son direccionados por los circuitos de fila y columna correspondientes. Este tipo de pantalla se denomina de matriz pasiva , ya que el píxel debe conservar su estado entre actualizaciones sin la ayuda de una carga eléctrica constante. A medida que aumenta el número de píxeles (y, por consiguiente, de columnas y filas), este tipo de pantalla se vuelve menos viable. Los tiempos de respuesta lentos y el bajo contraste son típicos de las pantallas LCD de matriz pasiva con demasiados píxeles y controladas según el esquema de control "Alt & Pleshko". Welzen y de Vaan también inventaron un esquema de control sin RMS que permite controlar pantallas STN con velocidades de vídeo y mostrar imágenes de vídeo fluidas en movimiento. Citizen, entre otros, obtuvo la licencia de estas patentes e introdujo con éxito en el mercado varios televisores de bolsillo LCD basados ​​en STN.

Las pantallas LCD biestables no requieren actualización continua. La reescritura solo es necesaria para cambios en la información de la imagen. En 1984, HA van Sprang y AJSM de Vaan inventaron una pantalla tipo STN que podía funcionar en modo biestable, lo que permitía imágenes de altísima resolución de hasta 4000 líneas o más utilizando solo bajos voltajes. ^{[ 124 ]} Dado que un píxel puede estar en estado encendido o apagado en el momento en que se necesita escribir nueva información en ese píxel en particular, el método de direccionamiento de estas pantallas biestables es bastante complejo, razón por la cual estas pantallas no llegaron al mercado. Eso cambió en 2010 cuando se comercializaron las pantallas LCD de "consumo cero" (bisestables). Potencialmente, se puede utilizar el direccionamiento de matriz pasiva con dispositivos si sus características de escritura/borrado son adecuadas, como fue el caso de los libros electrónicos que solo necesitan mostrar imágenes fijas. Después de escribir una página en la pantalla, esta puede desconectarse de la alimentación manteniendo las imágenes legibles. Esto tiene la ventaja de que dichos libros electrónicos pueden funcionar durante largos períodos de tiempo con una batería pequeña.

Las pantallas en color de alta resolución , como los monitores y televisores LCD modernos, utilizan una estructura de matriz activa . Se añade una matriz de transistores de película delgada (TFT) a los electrodos en contacto con la capa de cristal líquido (LC). Cada píxel tiene su propio transistor dedicado , lo que permite que cada línea de columna acceda a un píxel. Cuando se selecciona una línea de fila, todas las líneas de columna se conectan a una fila de píxeles y se aplican voltajes correspondientes a la información de la imagen a todas las líneas de columna. A continuación, se desactiva la línea de fila y se selecciona la siguiente. Todas las líneas de fila se seleccionan secuencialmente durante una operación de actualización . Las pantallas con direccionamiento de matriz activa ofrecen imágenes más brillantes y nítidas que las pantallas con direccionamiento de matriz pasiva del mismo tamaño, y generalmente tienen tiempos de respuesta más rápidos, lo que produce imágenes de mucha mejor calidad. Sharp fabrica pantallas LCD reflectantes biestables con una celda SRAM de 1 bit por píxel que requiere poca energía para mantener la imagen. ^{[ 125 ]}

Las pantallas LCD de segmentos también pueden tener color mediante la tecnología de color secuencial de campo (FSC LCD). Este tipo de pantallas cuenta con un panel LCD de segmentos pasivo de alta velocidad con retroiluminación RGB. La retroiluminación cambia de color rápidamente, lo que hace que parezca blanca a simple vista. El panel LCD está sincronizado con la retroiluminación. Por ejemplo, para que un segmento aparezca rojo, este se enciende solo cuando la retroiluminación es roja; para que aparezca magenta, se enciende cuando la retroiluminación es azul, permanece encendido mientras la retroiluminación se vuelve roja y se apaga cuando se vuelve verde. Para que un segmento aparezca negro, este permanece siempre encendido. Una pantalla FSC LCD divide una imagen en color en tres imágenes (una roja, una verde y una azul) y las muestra en orden. Debido a la persistencia de la visión , las tres imágenes monocromáticas aparecen como una sola imagen en color. Una pantalla LCD FSC necesita un panel LCD con una frecuencia de actualización de 180  Hz, y el tiempo de respuesta se reduce a solo 5 milisegundos en comparación con los paneles LCD STN normales que tienen un tiempo de respuesta de 16 milisegundos. ^{[ 126 ] [ 127 ]} Las pantallas LCD FSC contienen un circuito integrado controlador Chip-On-Glass que también se puede usar con una pantalla táctil capacitiva. Esta técnica también se puede aplicar en pantallas destinadas a mostrar imágenes, ya que puede ofrecer una mayor transmisión de luz y, por lo tanto, un potencial de reducción del consumo de energía en la retroiluminación debido a la omisión de filtros de color en las pantallas LCD. ^{[ 128 ]}

Samsung presentó las pantallas UFB (Ultra Fine & Bright) en 2002, que utilizaban el efecto superbirrefringente. Ofrecen la misma luminancia, gama de colores y casi el mismo contraste que una pantalla TFT-LCD, pero consumen tan poca energía como una pantalla STN, según Samsung. Se utilizaron en varios modelos de teléfonos móviles Samsung hasta finales de 2006, cuando la compañía dejó de fabricar pantallas UFB. Estas pantallas también se utilizaron en algunos modelos de teléfonos móviles LG.

Algunos paneles LCD tienen transistores defectuosos , lo que provoca que algunos píxeles permanezcan encendidos o apagados, conocidos comúnmente como píxeles atascados o píxeles muertos , respectivamente. A diferencia de los circuitos integrados (CI), los paneles LCD con algunos transistores defectuosos suelen seguir siendo utilizables. Las políticas de los fabricantes sobre el número aceptable de píxeles defectuosos varían considerablemente. En un momento dado, Samsung mantuvo una política de tolerancia cero para los monitores LCD vendidos en Corea. ^{[ 144 ]} A partir de 2005,Samsung se adhiere al estándar ISO 13406-2, menos restrictivo . ^{[ 145 ]} Se sabe que otras empresas toleran hasta 11 píxeles muertos en sus políticas. ^{[ 146 ]}

Las políticas sobre píxeles muertos suelen ser objeto de intensos debates entre fabricantes y clientes. Para regular la aceptabilidad de los defectos y proteger al usuario final, la ISO publicó la norma ISO 13406-2 , que quedó obsoleta en 2008 con la publicación de la ISO 9241 , específicamente la ISO-9241-302, 303, 305, 307:2008 sobre defectos de píxeles. Sin embargo, no todos los fabricantes de LCD cumplen con la norma ISO, y esta suele interpretarse de diferentes maneras. Los paneles LCD son más propensos a tener defectos que la mayoría de los circuitos integrados debido a su mayor tamaño. ^{[ 147 ]}

Muchos fabricantes reemplazarían un producto incluso con un solo píxel defectuoso. Incluso cuando no existen tales garantías, la ubicación de los píxeles defectuosos es importante. Una pantalla con solo unos pocos píxeles defectuosos puede ser inaceptable si estos se encuentran muy cerca unos de otros. Los paneles LCD también suelen presentar un defecto conocido como nubosidad , efecto de pantalla sucia o, con menos frecuencia, mura , que consiste en zonas de luminancia desiguales en el panel. Es más visible en las áreas oscuras o negras de las escenas mostradas. ^{[ 148 ]} A partir de 2010,La mayoría de los fabricantes de paneles LCD para ordenadores de marcas premium especifican que sus productos no tienen defectos.

El dispositivo biestable cenital (ZBD), desarrollado por Qinetiq (anteriormente DERA ), puede mantener una imagen sin alimentación eléctrica. Los cristales pueden existir en una de dos orientaciones estables ("negro" y "blanco") y solo se requiere alimentación para cambiar la imagen. ZBD Displays es una empresa derivada de QinetiQ, que fabricaba dispositivos ZBD tanto en escala de grises como en color. Kent Displays también ha desarrollado una pantalla "sin alimentación" que utiliza cristal líquido colestérico estabilizado con polímero (ChLCD). En 2009, Kent demostró el uso de un ChLCD para cubrir toda la superficie de un teléfono móvil, lo que le permitía cambiar de color y mantenerlo incluso cuando se interrumpía la alimentación. ^{[ 149 ]}

En 2004, investigadores de la Universidad de Oxford demostraron dos nuevos tipos de LCD biestables de potencia cero basados ​​en técnicas biestables cenitales. ^{[ 150 ]} Varias tecnologías biestables, como la BTN de 360° y la colestérica biestable, dependen principalmente de las propiedades volumétricas del cristal líquido (LC) y utilizan un anclaje fuerte estándar, con películas de alineación y mezclas de LC similares a los materiales monoestables tradicionales. Otras tecnologías biestables, por ejemplo , la tecnología BiNem, se basan principalmente en las propiedades de la superficie y necesitan materiales de anclaje débil específicos.

• Resolución La resolución de una pantalla LCD se expresa mediante el número de columnas y filas de píxeles (por ejemplo, 1024 × 768). Cada píxel suele estar compuesto por tres subpíxeles: uno rojo, uno verde y uno azul. Esta era una de las pocas características del rendimiento de las pantallas LCD que se mantenía uniforme entre los diferentes diseños. Sin embargo, existen diseños más recientes que comparten subpíxeles entre los píxeles e incorporan la tecnología Quattron , que intenta aumentar de forma eficiente la resolución percibida de la pantalla sin incrementar la resolución real, con resultados dispares.
• Rendimiento espacial: En un monitor de ordenador u otra pantalla que se visualiza a corta distancia, la resolución se suele expresar en términos de paso de punto o píxeles por pulgada, lo cual es habitual en la industria de la impresión. La densidad de la pantalla varía según la aplicación: los televisores suelen tener una densidad baja para una visualización a larga distancia, mientras que los dispositivos portátiles tienen una densidad alta para apreciar detalles a corta distancia. El ángulo de visión de una pantalla LCD puede ser importante dependiendo de la pantalla y su uso; las limitaciones de ciertas tecnologías de visualización implican que la pantalla solo muestra la información con precisión desde determinados ángulos.
• Rendimiento temporal: la resolución temporal de una pantalla LCD indica qué tan bien puede mostrar imágenes cambiantes, o la precisión y la cantidad de veces por segundo que la pantalla dibuja los datos que recibe. Los píxeles de la pantalla LCD no parpadean entre fotogramas, por lo que los monitores LCD no presentan parpadeo inducido por la frecuencia de actualización, sin importar cuán baja sea esta. ^{[ 151 ]} Pero una frecuencia de actualización más baja puede significar artefactos visuales como imágenes fantasma o desenfoque, especialmente con imágenes en movimiento rápido. El tiempo de respuesta de cada píxel también es importante, ya que todas las pantallas tienen cierta latencia inherente al mostrar una imagen, la cual puede ser lo suficientemente grande como para crear artefactos visuales si la imagen mostrada cambia rápidamente.
• Rendimiento del color : Existen varios términos para describir diferentes aspectos del rendimiento del color de una pantalla. La gama de colores es el rango de colores que se pueden mostrar, y la profundidad de color, que es la finura con la que se divide el rango de colores. La gama de colores es una característica relativamente sencilla, pero rara vez se discute en los materiales de marketing excepto a nivel profesional. Tener un rango de color que exceda el contenido que se muestra en la pantalla no tiene beneficios, por lo que las pantallas solo se fabrican para funcionar dentro o por debajo del rango de una especificación determinada. ^{[ 152 ]} Hay aspectos adicionales del color LCD y la gestión del color, como el punto blanco y la corrección gamma , que describen qué color es el blanco y cómo se muestran los otros colores en relación con el blanco.
• Brillo y relación de contraste: La relación de contraste es la proporción entre el brillo de un píxel completamente encendido y uno completamente apagado. La pantalla LCD en sí misma es solo una válvula de luz y no genera luz; la luz proviene de una retroiluminación que puede ser fluorescente o un conjunto de LED . El brillo generalmente se indica como la salida de luz máxima de la pantalla LCD, que puede variar considerablemente según la transparencia de la pantalla y el brillo de la retroiluminación. Una retroiluminación más brillante permite un mayor contraste y un rango dinámico más alto ( las pantallas HDR se clasifican según la luminancia máxima), pero siempre existe una compensación entre el brillo y el consumo de energía.

Algunos de estos problemas se refieren a pantallas completas, otros a pantallas pequeñas como las de los relojes, etc. Muchas de las comparaciones se hacen con pantallas CRT.

En las pantallas de cristal líquido se utilizan diversas familias de cristales líquidos. Las moléculas empleadas deben ser anisotrópicas y presentar atracción mutua. Son comunes las moléculas polarizables en forma de varilla ( bifenilos , terfenilos , etc.). Una forma habitual consiste en un par de anillos de benceno aromáticos, con un grupo no polar (pentilo, heptilo, octilo o oxialquilo) en un extremo y un grupo polar (nitrilo, halógeno) en el otro. En ocasiones, los anillos de benceno se separan mediante un grupo acetileno, etileno, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO o éster. En la práctica, se utilizan mezclas eutécticas de diversos compuestos químicos para lograr un rango de temperatura de funcionamiento más amplio (de -10 a +60  °C para pantallas de gama baja y de -20 a +100  °C para pantallas de alto rendimiento). Por ejemplo, la mezcla E7 está compuesta por tres bifenilos y un terfenilo: 39 % en peso de 4'-pentil[1,1'-bifenilo]-4-carbonitrilo (rango nemático 24-35  °C), 36 % en peso de 4'-heptil[1,1'-bifenilo]-4-carbonitrilo (rango nemático 30-43  °C), 16 % en peso de 4'-octoxi[1,1'-bifenilo]-4-carbonitrilo (rango nemático 54-80  °C) y 9 % en peso de 4 -pentil[1,1':4',1- terfenilo]-4-carbonitrilo (rango nemático 131-240  °C). ^{[ 168 ]}

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• Desarrollo de pantallas de cristal líquido: Entrevista con George Gray, Universidad de Hull, 2004 – Vídeo de Vega Science Trust.
• Timothy J. Sluckin , Historia de los cristales líquidos , una presentación y extractos del libro Cristales que fluyen: Artículos clásicos sobre la historia de los cristales líquidos .
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• Desmontaje de un monitor LCD – engineerguyvideo en YouTube
• Historia y propiedades físicas de los cristales líquidos por Nobelprize.org. Archivado el 30 de agosto de 2009 en Wayback Machine .
• ¿Qué es una pantalla IPS? Archivado el 26 de mayo de 2022 en Wayback Machine desde Newhaven Display
• Cómo se fabrican las pantallas TFT-LCD, por AUO. Archivado el 8 de marzo de 2021 en Wayback Machine .
• Cómo se fabrican las pantallas LCD LTPS (polisilicio de baja temperatura), por AUO. Archivado el 6 de junio de 2021 en Wayback Machine .