Figura 1: imagem em close de cristais líquidos sob um microscópio
A história dos cristais líquidos começou em 1888, quando Friedrich Reinitzer, um botânico austríaco, estava experimentando um composto chamado Cholesteryl Benzoate, encontrado nas cenouras.Durante sua pesquisa, Reinitzer notou algo incomum.Ao aquecer o complexo, parecia derreter duas vezes.Primeiro, a 294 ° F (145 ° C), a substância derreteu em um líquido nublado.Então, quando a temperatura subiu para 179 ° C (353 ° F), tornou -se um líquido claro.O que tornou isso ainda mais fascinante foi como o líquido nublado interagiu com a luz - poderia refletir a luz polarizada e até mudar sua direção.
Sem saber o que ele estava vendo, Reinitzer perguntou ao físico alemão Otto Lehmann.Sob o microscópio de Lehmann, o líquido nublado mostrou pequenas estruturas que sugeriram que o material tinha qualidades de líquidos e sólidos.Ele fluiu como um líquido, mas também tinha uma estrutura organizada como um sólido.A pesquisa contínua de Lehmann o levou a uma conclusão importante: esse era um novo estado de matéria, que ele chamou de "cristal líquido".
Os cristais líquidos são materiais especiais que têm qualidades de sólidos e líquidos.Eles não são apenas encontrados em laboratórios;Eles também podem ser encontrados em muitas substâncias naturais.Por exemplo, existem cristais líquidos em conchas de besouro, DNA, ossos humanos, madeira e até lodo de lesma.Os cientistas foram fascinados por esses materiais e os estudaram profundamente para descobrir como poderiam ser usados na tecnologia.
Um grande passo à frente no entendimento de cristais líquidos ocorreu no início dos anos 1960, graças ao químico Richard Williams nos Laboratórios RCA.Ele percebeu que, quando aplicou um campo elétrico a uma fina camada de cristais líquidos, os fez formar padrões listrados, que mais tarde foram chamados de "domínios de Williams".Essa descoberta desempenhou um papel importante no desenvolvimento da tecnologia de exibição de cristal líquido (LCD).
Mas havia um problema: os cristais líquidos precisavam de altas temperaturas para funcionar corretamente, o que os tornava difíceis de usar nos dispositivos eletrônicos diários.As altas temperaturas dificultavam trazer essa tecnologia ao mundo real.
Esse desafio acabou sendo superado por George H. Heilmeier, outro cientista da RCA, que trabalhou com os químicos Joel E. Goldmacher e Joseph A. Castellano.Eles descobriram que, alterando a estrutura das moléculas de cristal líquido - especificamente ajustando o número de átomos de carbono - eles poderiam fazer com que os cristais líquidos funcionem à temperatura ambiente.Essa descoberta lhes permitiu criar as primeiras exibições de cristal líquido que poderiam ser usadas na eletrônica diária.
A capacidade de operar à temperatura ambiente possibilitou que a tecnologia de cristal líquido fosse amplamente utilizada.Hoje, os LCDs estão por toda parte - em televisões, monitores de computadores, smartphones e relógios digitais.O desenvolvimento da tecnologia de cristal líquido mostra como o estudo e a solução de problemas podem levar a novas invenções que mudam a maneira como vivemos.
O desenvolvimento precoce da tecnologia de exibição de cristal líquido (LCD) começou com o uso de um método chamado Modo de espalhamento dinâmico (DSM).Esse método funcionou aplicando uma carga elétrica a moléculas de cristal líquido, o que os levou a mudar e espalhar a luz.Essa dispersão da luz criou imagens visíveis, tornando o DSM a base para os primeiros LCDs em funcionamento.Em 1969, a RCA introduziu os primeiros produtos comerciais de LCD, como exibições de publicidade animada, espelhos retrovisores que reduziram o brilho e as leituras da bomba de gasolina.Esses usos iniciais mostraram o que a tecnologia LCD poderia fazer e preparou o terreno para novas melhorias.
Ao mesmo tempo, James Fergason e sua equipe na Westinghouse Electric Corporation estavam progredindo no estudo das propriedades relacionadas ao calor dos cristais líquidos.Sua pesquisa levou a novas idéias, como termômetros e dispositivos de cristal líquido para imagens ópticas.Fergason não parou por aí;Ele iniciou a International Liquid Crystal Company (ILIXCO), que desempenhou um papel importante no mercado de LCD.Um dos produtos notáveis da Ilixco foi o primeiro relógio LCD, um produto que mostrou o quão útil e comercializável a tecnologia LCD poderia ser.
Figura 2: Diagrama de camadas e componentes de um LCD (tela de cristal líquido)
A imagem mostra como uma tela de cristal líquido (LCD) é montada e como funciona para criar imagens em uma tela.Na frente está o painel, que é o quadro que mantém a tela no lugar.Atrás da moldura está o vidro da capa, a camada de proteção que você toca ao usar a tela.Debaixo do vidro da tampa está a superfície da tela, onde as imagens que você vê são formadas.
Abaixo da superfície da tela está o filtro de cores RGB, que divide a luz em peças vermelhas, verdes e azuis.Essas cores se misturam de maneiras diferentes para criar toda a gama de cores na tela.A camada de cristal líquido é encontrada abaixo deste filtro.Os cristais líquidos nessa camada são controlados pela eletricidade, o que muda sua posição para bloquear ou deixar a luz.As camadas polarizadoras ao redor da camada de cristal líquido ajudam a gerenciar a luz que passa.
Na parte traseira da tela está a luz de fundo, que acende a tela.Alguns designs também têm um espelho atrás da luz de fundo para rejeitar a luz na tela, tornando -a mais brilhante.
Os LCDs funcionam controlando como a luz passa por essas camadas para criar imagens.Cada pequeno ponto na tela, chamado pixel, é dividido em três partes menores (subpixels) - um vermelho, um verde e um azul, como mostrado pelo filtro de cores RGB na imagem.Ao ajustar o quão brilhante é cada subpixel, a tela pode mostrar cores diferentes.
A luz de fundo, mostrada na parte traseira da imagem, ilumina as camadas da tela.Os cristais líquidos, influenciados por uma corrente elétrica, decidem quanta luz passa, o que, por sua vez, afeta o brilho e a cor da imagem que você vê.A imagem mostra claramente como cada parte, desde a luz de fundo até o filtro RGB, trabalha juntos para criar a imagem final na tela.
Existem dois tipos principais de tecnologias LCD: matriz passiva e matriz ativa.
Figura 3: Matriz Passiva LCD Pixel Grid
Em uma matriz passiva LCD, os pixels são dispostos em uma grade, com linhas horizontais e verticais cruzando em cada pixel.As linhas verticais são chamadas eletrodos verticais e as linhas horizontais são chamadas eletrodos horizontais.Esses eletrodos são conectados a uma camada de substrato, que suporta a estrutura do LCD.
Quando a eletricidade é aplicada a uma linha e coluna específicas, os eletrodos nesse cruzamento ativam o cristal líquido nesse pixel em particular.O cristal líquido altera seu alinhamento em resposta à carga elétrica, permitindo que a luz passe ou bloqueando -a.Essa luz passa por um filtro de cores para criar a cor desejada.
As camadas do polarizador, uma antes da camada de cristal líquido e outra depois, ajudam a controlar a orientação da luz.À medida que a luz passa por esses polarizadores e a camada de cristal líquido, a imagem começa a se formar.O processo exige que toda a grade seja digitalizada linha por linha, que pode diminuir o tempo de resposta da tela.
Devido a esse método de varredura em linha por fila, os LCDs da matriz passiva tendem a ter tempos de resposta mais lentos.Isso pode levar à borracha nas imagens em movimento rápido, tornando esses displays menos adequados para tarefas que exigem visuais nítidos e de alta qualidade.
Figura 4: Matriz ativa LCD com estrutura de transistor de filme fino (TFT)
Em uma matriz ativa LCD, também conhecida como exibição de transistor de filme fino (TFT), cada pixel na tela possui seu próprio transistor e capacitor.Esses componentes são incorporados ao substrato de vidro e atuam como pequenos interruptores que controlam com precisão o alinhamento dos cristais líquidos em cada pixel.
Os transistores estão conectados a eletrodos verticais e horizontais, conhecidos como linhas de dados e linhas de endereço.Quando a eletricidade flui através dessas linhas, ela ativa os transistores, que por sua vez controlam os cristais líquidos em pixels específicos.O eletrodo de drenagem e o eletrodo de origem no diagrama mostram onde a corrente elétrica entra e sai do transistor.
Essa configuração permite que cada pixel seja controlado individualmente, em vez de digitalizar linha por linha, como nos LCDs de matriz passiva.Como resultado, a tela pode alterar as imagens mais rapidamente e com melhor precisão, levando a imagens mais nítidas e claras, mesmo ao exibir conteúdo em movimento rápido.
Os polarizadores e um difusor são usados para gerenciar a luz proveniente da luz de fundo.Os polarizadores controlam a direção da luz, enquanto o difusor espalha a luz uniformemente pela tela.O filtro de cores ajusta a luz para produzir as cores certas.
Devido a esse controle individual de pixels, os LCDs da matriz ativa são muito mais rápidos e produzem imagens de maior qualidade do que os LCDs da matriz passiva.Isso os torna adequados para displays e dispositivos de alta definição, onde é necessária uma qualidade de imagem clara e nítida.
As telas de cristal líquido (LCDs) vêm de várias formas, cada uma com recursos exclusivos que os tornam mais adequados para tarefas específicas.Os principais tipos incluem Nematic Twisted (TN), comutação no plano (IPS), alinhamento vertical (VA) e comutação avançada de campo marginal (AFFS).Compreender as diferenças entre esses tipos pode ajudá -lo a escolher a tela certa para suas necessidades.
LCDs Nematic Twisted (TN)
Figura 5: Estrutura de exibição LCD Nematic Twisted (TN)
Os monitores nemáticos torcidos (TN) são um tipo de LCD amplamente usado, especialmente em dispositivos mais acessíveis.Essas exibições funcionam torcendo as moléculas de cristal líquido entre as camadas para controlar a luz que passa pela tela.
Em uma tela TN, quando a eletricidade é aplicada aos eletrodos transparentes, faz com que os cristais líquidos torçam, permitindo que a luz passe ou bloqueando -a.Quando os cristais líquidos são torcidos, a luz passa pelos dois polarizadores, resultando em uma tela brilhante ou branca.Quando os cristais não são torcidos, eles bloqueiam a luz, levando a uma tela mais escura ou preta.Esse processo de torção e desvanecimento acontece rapidamente, e é por isso que os painéis da TN são conhecidos por seus tempos de resposta rápidos.Isso os torna adequados para conteúdo em movimento rápido, como videogames, onde é necessária uma redução de desfoque de movimento.
Os displays TN também são mais baratos para produzir, tornando-os comuns em dispositivos econômicos.No entanto, eles têm algumas desvantagens.Os painéis de TN geralmente lutam com a precisão das cores, o contraste e os ângulos de visualização.Se você visualizar a tela do lado ou do ângulo, a imagem poderá parecer desbotada ou lavada.Apesar dessas desvantagens, os painéis da TN permanecem populares devido aos seus rápidos tempos de resposta e acessibilidade.
Figura 6: Comutação no plano (IPS) LCD Exibir estrutura
Em um LCD de comutação no plano (IPS), os cristais líquidos são alinhados lado a lado, paralelo à tela.Eles são colocados entre dois eletrodos transparentes.Quando não há tensão, os cristais líquidos bloqueiam a luz, criando uma tela preta.Quando a tensão é aplicada, os cristais se movem para deixar a luz passar, resultando em uma tela branca.Os polarizadores na parte superior e inferior ajudam a direcionar a luz através dos cristais líquidos para formar a imagem.
A tecnologia de comutação no plano (IPS) foi criada para resolver alguns dos problemas com os painéis TN.Nos displays IPS, os cristais líquidos se movem de um lado para o outro, em vez de torcer, como fazem nos displays TN.Este movimento lado a lado ajuda a tela a mostrar cores com mais precisão e mantém a imagem clara, mesmo quando vista de diferentes ângulos.Por esse motivo, os painéis IPS são comumente usados em dispositivos onde é necessária boa qualidade de imagem, como monitores para design gráfico, fotografia e edição de vídeo.
No entanto, os monitores IPS geralmente têm um tempo de resposta mais lento do que os painéis TN, o que significa que a imagem pode levar mais tempo para ser atualizada.Eles também são mais caros de produzir.Além disso, os painéis IPS às vezes podem mostrar um leve brilho nas bordas quando vistos de certos ângulos, especialmente em ambientes escuros.Apesar dessas desvantagens, a tecnologia IPS é amplamente utilizada porque fornece melhor precisão de cores e clareza de imagem consistente de diferentes ângulos de visualização.
Figura 7: Estrutura de exibição LCD de alinhamento vertical (VA)
Em um LCD de alinhamento vertical (VA), as moléculas de cristal líquido ficam na vertical quando a tela está desligada, o que bloqueia a luz.Quando a tela está ligada, essas moléculas se inclinam para permitir que a luz passe.Essa mudança no alinhamento das moléculas entre os estados desligados e nos estados cria as imagens na tela.Os polarizadores colocados acima e abaixo das camadas de cristal líquido guiam a luz na direção certa para formar a imagem quando as moléculas inclinam.
Os LCDs de alinhamento vertical (VA) oferecem um meio termo entre as tecnologias TN e IPS.Nos painéis VA, as moléculas de cristal líquido se alinham verticalmente quando a tela está desligada e inclinada quando está ligada, permitindo que a luz passe.As exibições VA oferecem melhor contraste, o que significa que produzem negros mais profundos e cores mais vibrantes em comparação com os painéis TN e IPS.Isso os torna uma boa escolha para assistir filmes ou jogar em quartos escuros.
No entanto, enquanto os painéis do VA fornecem melhor precisão de cores e ângulos de visualização mais amplos do que os painéis TN, eles não correspondem ao desempenho dos monitores IPS nessas áreas.Os painéis VA também tendem a ter tempos de resposta mais lentos que os painéis TN, mas geralmente são mais rápidos que os painéis IPS.Esse equilíbrio de recursos torna os painéis VA uma opção versátil para muitos usuários.
Figura 8: LCDs avançados de comutação de campo de Fringe (AFFS) em comparação com IPs (comutação no plano)
Na tecnologia avançada de comutação de campo marginal (AFFS), o campo elétrico interage com os cristais líquidos de maneira diferente em comparação com os monitores IPS mais antigos.Nos displays IPS, os cristais líquidos são alinhados paralelos à tela e, quando um campo elétrico é aplicado, esses cristais se transformam em controlar como a luz passa pela tela.A luz passa por camadas como polarizadores e vidro, e a maneira como os cristais líquidos são dispostos determina quanta luz passa, afetando o brilho e a cor da tela.
O AFFS torna esse processo melhor alterando a aplicação do campo elétrico.Em vez de usar o método tradicional, o AFFS aplica o campo elétrico de maneira mais uniforme e precisamente através dos cristais líquidos.Esse método reduz o vazamento de luz e fornece melhor controle sobre os cristais líquidos, levando a cores mais precisas e brilho consistente na tela.Isso resulta em uma tela que mostra cores mais vívidas e imagens mais claras, com uma diferença mais forte entre áreas claras e escuras.
O uso de camadas de vidro, polarizadores e analisadores na tecnologia AFFS melhora ainda mais a luz que passa pela tela, certificando -se de que a imagem final não seja apenas mais brilhante, mas também de cor mais precisa.Esse controle preciso da luz e da cor faz do AFFS exibir uma boa escolha para usos de ponta, onde a qualidade da imagem é o foco principal.
Quando falamos sobre a tecnologia de exibição, o LCD (Liquid Crystal Display) existe há muito tempo.No entanto, opções mais recentes como OLED (diodo emissor de luz orgânico) e QLED (LED quântico) estão se tornando mais comuns porque oferecem melhor desempenho em algumas áreas.Para entender o que cada uma dessas tecnologias faz bem e onde elas podem ficar aquém, é útil ver como elas funcionam e o que trazem para a mesa.
Figura 9: Estrutura de um LCD (tela de cristal líquido) com componentes -chave
As telas LCD são compostas por várias camadas que trabalham juntas para criar as imagens que você vê.Começa com uma luz de fundo que brilha luz branca através das diferentes camadas.Os filtros polarizados são colocados na frente e nas costas para controlar como a luz se move.A camada de cristal líquido no meio não produz luz por conta própria;Em vez disso, age como pequenas persianas que podem bloquear ou deixar a luz passar.Os cristais líquidos são controlados por uma camada de TFT (transistor de filme fino), que decide quais partes da tela devem ser brilhantes ou escuras.A camada de filtro de cores adiciona cores vermelhas, verdes e azuis à luz, criando toda a gama de cores que você vê na tela.Por fim, a tela é coberta por uma camada de vidro que protege as partes internas.
Os LCDs têm sido a tecnologia mais usada para telas há muitos anos.Eles trabalham usando uma luz de fundo que brilha através de uma camada de cristais líquidos.Esses cristais não criam sua própria luz, mas agem como pequenas persianas, bloqueando ou permitindo que a luz passe.Uma das vantagens dos LCDs é que elas estão mais baratas e amplamente disponíveis.Eles também usam o poder com eficiência.No entanto, em comparação com as novas tecnologias de tela, os LCDs têm algumas desvantagens.Por exemplo, eles não têm tanto contraste, o que significa que a diferença entre as partes mais sombrias e claras da imagem não é tão clara.Como os LCDs dependem de uma luz de fundo, eles não podem mostrar negros verdadeiros - áreas negras na tela podem parecer mais cinza escuro, porque alguma luz sempre passa.
Figura 10: Estrutura de uma tela OLED (Diodo emissor de luz orgânico)
Na tecnologia OLED, cada pixel é composto de camadas orgânicas colocadas entre um condutor transparente e um cátodo de metal.Quando uma corrente elétrica flui através dessas camadas, elas se iluminam por conta própria.Isso significa que cada pixel pode ser controlado individualmente, incluindo a capacidade de desligar completamente, o que cria negros profundos.O substrato de vidro fornece suporte e estrutura para as camadas.
OLED é um passo em relação à tecnologia LCD.Em uma tela OLED, cada pixel pode iluminar por si só quando a eletricidade percorre nele.Isso permite que as telas OLED desligueem completamente os pixels específicos ao exibir preto, levando a negros muito mais escuros e melhor contraste.É por isso que as telas OLED são conhecidas por suas imagens nítidas e vibrantes.
As telas OLED também são mais finas e mais flexíveis que os LCDs, o que permitiu novos designs, como telas curvas ou dobráveis.Mas, as telas OLED têm algumas desvantagens.Eles geralmente são mais caros de produzir, o que significa que os dispositivos que os usam também custam mais.Além disso, as telas OLED podem sofrer de queimaduras, onde uma imagem estática deixada na tela por muito tempo pode deixar uma imagem duradoura e fantasma.Apesar dessas questões, a capacidade de mostrar negros profundos e cores brilhantes faz do OLED uma escolha popular para telas de ponta.
Figura 11: Estrutura de uma tela QLED
Na tecnologia QLED, uma camada especial de pequenas partículas chamadas pontos quânticos é colocada entre a luz de fundo do LED e a tela.Esses pontos quânticos ajudam a melhorar a cor e o brilho, tornando a tela mais vibrante e precisa.A camada de óxido suporta a estrutura, enquanto a camada auto-emitida e a camada de QD (DOT quântico) trabalham juntos para aprimorar a luz que passa pela tela, criando a imagem final com cores ricas, especialmente perceptíveis em ambientes bem iluminados.
QLED é uma tecnologia desenvolvida principalmente pela Samsung e é uma atualização do LCD, em vez de uma tecnologia completamente nova como o OLED.As telas QLED usam uma camada especial de pequenas partículas chamadas pontos quânticos que ficam entre a luz de fundo do LED e a tela.Esses pontos quânticos melhoram a cor e o brilho, tornando as telas QLED melhor em mostrar cores mais brilhantes e precisas, especialmente em salas bem iluminadas.
Outra vantagem das telas QLED é que elas têm menos probabilidade de sofrer de queimaduras em comparação com OLEDs, o que significa que eles podem durar mais tempo sem mostrar marcas de imagens estáticas.No entanto, como as telas QLED ainda precisam de uma luz de fundo, elas não conseguem alcançar os negros profundos e o alto contraste das telas OLED.
Mesmo quando tecnologias mais recentes como OLED e QLED se tornam mais comuns, as exibições de cristal líquido (LCDs) ainda são amplamente utilizadas porque custam menos para produzir e usar energia com mais eficiência.Os LCDs melhoraram muito com o tempo, dando -nos as telas nítidas, brilhantes e coloridas que vemos em muitos dispositivos hoje.Eles funcionam usando cristais líquidos para controlar a luz de uma luz de fundo, o que cria as imagens que vemos.Enquanto os OLEDs oferecem negros mais profundos e um contraste melhor, os LCDs usam menos energia para imagens brilhantes, tornando -as uma boa opção para dispositivos como laptops que precisam salvar a duração da bateria.
Olhando para o futuro, a tecnologia LCD deve continuar melhorando com novas idéias como Mini-LED e luz de fundo liderada por micro, que tornam as telas mais brilhantes com melhores cores e contraste.Além disso, os LCDs flexíveis e transparentes podem levar a novos usos em itens como dispositivos vestíveis e janelas inteligentes.Além das telas, os cristais líquidos também podem ser usados em outros tipos de eletrônicos, o que significa que eles provavelmente continuarão a desempenhar um papel na futura tecnologia.
O crescimento da tecnologia de cristal líquido é uma história incrível de descoberta, criatividade e melhoria contínua.Desde a surpreendente descoberta de Friedrich Reinitzer de cristais que derreterem em dois estágios até o uso generalizado de LCDs em muitos dispositivos, os cristais líquidos mudaram a maneira como vemos e usamos a tecnologia.Enquanto tecnologias de exibição mais recentes como OLED e QLED trazem novos recursos interessantes, os LCDs continuam sendo usados porque ainda estão melhorando e são uma boa opção para muitos tipos de telas.Ao olharmos para o futuro, há muito potencial para que os cristais líquidos sejam usados de novas maneiras, garantindo que eles continuem desempenhando um grande papel em nossa experiência visual.Seja nas telas que usamos todos os dias ou em novas tecnologias que ainda estão por vir, a história dos cristais líquidos está longe de terminar e eles continuarão refletindo a criatividade e a curiosidade que impulsionam o progresso humano.
Os cristais líquidos são criados projetando e produzindo moléculas orgânicas especiais com recursos específicos.Essas moléculas geralmente têm uma forma rígida, semelhante a uma haste, com peças flexíveis.Quando combinados sob as condições certas, como a temperatura e a concentração certas, as moléculas se alinham de uma maneira que lhes permita agir como um líquido e um sólido, formando um estado de cristal líquido.
Os cristais líquidos controlam principalmente como a luz passa por eles.Nos monitores, eles ajudam a criar imagens alterando seu alinhamento quando uma corrente elétrica é aplicada.Os cristais líquidos também são usados em sensores, termômetros e dispositivos ópticos, porque podem alterar suas propriedades quando expostos a coisas como temperatura ou campos elétricos.
Um cristal líquido é um material que se comporta como um líquido e um sólido, onde as moléculas são mais ordenadas do que em um líquido, mas menos ordenadas do que em um sólido.
Os cristais líquidos podem fluir como um líquido enquanto ainda mantêm alguma ordem, semelhante a um sólido.Eles podem mudar seu alinhamento quando expostos a correntes elétricas ou mudanças de temperatura, o que muda a maneira como interagem com a luz.Eles também têm a capacidade de dividir a luz em duas vigas que se movem em velocidades diferentes.
Os cristais líquidos são usados principalmente em telas de exibição, como as encontradas em TVs, computadores e smartphones.Eles também são usados em dispositivos de imagem médica, termômetros, lentes ajustáveis e interruptores ópticos.Os cristais líquidos também podem ser encontrados em alguns sensores e materiais avançados que alteram suas propriedades com base em diferentes condições.
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