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Tecnología inorgánica LCD. Guía de tecnología.

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La tecnología LCD (pantalla de cristal líquido) ha recorrido un largo camino desde sus humildes comienzos a principios de la década de los setenta, cuando hizo su primera entrada en escena en las calculadoras y relojes digitales. Actualmente se ha convertido en una tecnología muy extendida en todo tipo de pantallas, desde teléfonos móviles y cámaras digitales, hasta monitores de ordenador y televisores de alta definición.

En su variante denominada polisilicio de alta temperatura (HTPS), la tecnología LCD es la más conocida entre los proyectores digitales. La proyección es una aplicación que impone un reto mayor en el caso de los dispositivos de cristal líquido que en una pantalla de televisión de visión directa. La mayoría de los proyectores digitales utilizan una lámpara de descarga de alta intensidad (lámparas de arco corto) basadas en vapor de mercurio o xenón como principal fuente lumínica para poder proyectar una imagen con brillo. Conseguir con estas lámparas un equilibrio perfecto entre un brillo elevado y un contraste también muy elevado es, desde siempre, un asunto espinoso.
Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología inorgánica LCD la situación ha dado un giro de 180 grados. En el siguiente informe descubriremos en qué consiste y cómo funciona esta tecnología, y cuáles son sus ventajas para las aplicaciones de proyección LCD.

Principios básicos de la tecnología LCD

En primer lugar, hagamos un breve repaso a la composición y teoría de funcionamiento de una pantalla LCD, donde el elemento fundamental es, lógicamente, el propio cristal líquido. Una sustancia que fluye como un líquido, pero se comporta como un cristal, esto es: en las condiciones adecuadas sus moléculas pueden orientarse para formar una estructura ordenada.
En este caso, por “condiciones adecuadas” se entiende la aplicación de un campo eléctrico. En las pantallas LCD, el material de cristal líquido se halla insertado entre dos finas láminas de cristal previamente revestidas de un conductor eléctrico transparente.
Al aplicar tensión en las láminas se produce un cambio de orientación en las moléculas de cristal líquido con forma de barra.
Este cambio en la orientación de las moléculas es relevante ya que altera la polarización de la luz que atraviesa el dispositivo. Técnicamente, la polarización describe la dirección del campo eléctrico en una onda electromagnética. Un dispositivo llamado polarizador lineal admite ondas luminosas cuyos campos eléctricos están orientados de forma aleatoria ─ como suele ser habitual ─ transmitiendo sólo aquellas que oscilan en una dirección concreta. Al colocar dos polarizadores (frontal y trasero) a ambos lados del dispositivo de cristal líquido, con las direcciones de transmisión perpendicularmente orientadas entre sí, la tensión aplicada al dispositivo variará la intensidad de la luz que atraviesa el conjunto (figura 1).

Front polarizer= Polarizador frontal
Alignment layer = Capa de alineación
Rear polarizer = Polarizador trasero
Black= Negro
White= Blanco
LIGHT = LUZ
(Light can’t pass)= La luz no puede atravesar
OFF= OFF
ON= ON
Figura 1 – Mediante la alteración de la polarización los LCD controlan la transmisión de luz

Front polarizer= Polarizador frontal
Alignment layer = Capa de alineación
Rear polarizer = Polarizador trasero
Black= Negro
White= Blanco
LIGHT = LUZ
(Light can’t pass)= La luz no puede atravesar
OFF= OFF
ON= ON
Figura 1 – Mediante la alteración de la polarización los LCD controlan la transmisión de luz

Para visualizar una imagen en un dispositivo, los conductores eléctricos que revisten las láminas de cristal se dividen en una matriz rectangular de píxeles, los cuales son direccionados en filas y columnas de electrodos. Al estimular eléctricamente un electrodo en fila y un electrodo en columna, se activa un transistor de película fina (TFT) situado en el píxel seleccionado que controla la intensidad de la luz que atraviesa el píxel (figura 2).

Figura 2 - Estructura pixelar de un LCD.

Figura 2 – Estructura pixelar de un LCD.

Tres son los elementos empleados en un proyector LCD para formar una imagen a todo color: uno modula la luz roja, otro la luz verde y un tercero se encarga de modular la luz azul. Algunos proyectores LCD recurren a un cuarto elemento para mejorar la saturación del color y la salida luminosa (tecnología 4DColor™ de Christie).

Alineados

Para poder analizar en profundidad la tecnología inorgánica LCD primero es necesario entender cómo están orientadas las moléculas de cristal líquido de los LCD. En un dispositivo twisted nematic (TN) común, las moléculas del cristal líquido más próximas a una de las láminas de cristal están por lo general orientadas (cuando no se aplica tensión) en una dirección concreta, mientras que las moléculas más próximas a la otra lámina están orientadas en dirección perpendicular. Las moléculas rotan progresivamente de una dirección a otra dentro del espacio entre las láminas, provocando una rotación de 90 grados en la polarización de la luz que atraviesa el material de cristal líquido (figura 1).
En un dispositivo LCD común las moléculas más próximas a cada una de las láminas permanecen alineadas en sus correspondientes orientaciones gracias a la presencia de un polímero orgánico aplicado en el cristal en una dirección durante el proceso de fabricación del LCD.
En un LCD inorgánico, el material empleado para las capas de alineación es un óxido de silicio que es evaporado, en vez de aplicarse al cristal por fricción. Este método de fabricación permite un control mucho más estricto de la orientación de las moléculas del cristal líquido y, por consiguiente, una mayor uniformidad en las gradaciones de gris y en los colores en todo el dispositivo LCD.
El cambio de polímero orgánico a material inorgánico presenta otra importante ventaja. Las lámparas de descarga de gran intensidad, tan extendidas entre la gran mayoría de proyectores digitales, emiten una importante cantidad de luz ultravioleta (UV). Por lo general los proyectores incluyen unos filtros en el recorrido de la luz capaces de eliminar los rayos UV antes de que la luz choque contra los LCD. Pero la eficacia de estos filtros no siempre es impecable. Algunos rayos UV se escapan, llegando, con el tiempo, a “quemar”, literalmente, las moléculas orgánicas de una capa de alineación de polímero, desestabilizando la cohesión molecular.
Una capa de alineación inorgánica no absorbe tanta radiación UV, siendo por tanto bastante más resistente a los daños inducidos por radiación ultravioleta. Esto se traduce directamente en un dispositivo mucho más fiable y en una mayor capacidad para soportar unos niveles de luz muy superiores.

Manteniendo la altura

Cuando no se aplica tensión en las láminas de cristal, un píxel en un dispositivo LCD twisted-nematic normal presenta, por lo general, un color blanco. Ante la presencia de tensión las moléculas del cristal líquido comienzan a deshacer el giro rotando la polarización menos de 90 grados, lo que se traduce en una menor cantidad de luz transmitida a través del píxel. Cuando se alcanza una determinada tensión las moléculas se alinean en dirección vertical y el píxel bloquea toda la luz de la que es capaz, generando un negro de la máxima oscuridad posible (figura 3).

Figura 3. Displaying a black…= Visualización de una imagen en negro (tensión activada)TN mode…= Modo TN
Voltaje ON: Black image= Tensión activada: Imagen en negro
Normally white= Normalmente blanco
Voltaje= Tensión
Applied voltaje= Tensión aplicada
Figura 3 - Un LCD twist-nematic común mostrará, por lo general, blancos.

Figura 3. Displaying a black…= Visualización de una imagen en negro (tensión activada)
TN mode…= Modo TN
Voltaje ON: Black image= Tensión activada: Imagen en negro
Normally white= Normalmente blanco
Voltaje= Tensión
Applied voltaje= Tensión aplicada
Un LCD twist-nematic común mostrará, por lo general, blancos.

Desgraciadamente, las variaciones naturales provocan que no todas las moléculas se alinean con precisión en vertical, lo que favorece la dispersión y permite que se escape algo de luz. Debido a este efecto, los niveles de negro que tradicionalmente se conseguían con los LCD no son tan oscuros como los conseguidos por otras tecnologías de proyección, como LCoS (cristal líquido sobre silicio) y DLP®.
La utilización de las capas de alineación inorgánicas facilita, sin embargo, un modo de funcionamiento totalmente diferente. Con este modo, ante la ausencia de tensión, las moléculas de cristal líquido en forma de barra se alinean por completo verticalmente, haciendo que la pantalla se muestre normalmente negra en vez de blanca. Al aplicar tensión las moléculas inician su rotación, permitiendo la entrada de más luz a medida que se incrementa la tensión (figura 4).

Displaying a black…= Visualización de una imagen en negro (tensión desactivada)VA mode…= Modo VA
Voltaje ON: White image= Tensión activada: Imagen en blanco
Normally black= Normalmente negro
Applied voltaje= Tensión aplicada
Transmittance= Transmitancia
Figura 4 - El cristal líquido alineado verticalmente de los paneles inorgánicos es por lo general negro.

Figura 4. Displaying a black…= Visualización de una imagen en negro (tensión desactivada)
VA mode…= Modo VA
Voltaje ON: White image= Tensión activada: Imagen en blanco
Normally black= Normalmente negro
Applied voltaje= Tensión aplicada
Transmittance= Transmitancia
El cristal líquido alineado verticalmente de los paneles inorgánicos es por lo general negro.

El modo normalmente negro permite la producción de un negro aún más intenso y oscuro. No solo es que el estado negro no depende de una tensión analógica, sino que la utilización de capas de alineación inorgánicas, con sus características increíblemente uniformes, garantiza la alineación de las moléculas en dirección vertical sin variación apenas y con una absoluta precisión, reduciendo a la mínima expresión la dispersión y la consiguiente fuga de luz.

Las ventajas

La tecnología inorgánica de alineación y su inherente modo de funcionamiento «verticalmente alineado” (normalmente negro) ofrecen unos beneficios muy ventajosos para las aplicaciones de proyección LCD.
La ventaja más notable es una relación de contraste increíblemente mejorada gracias a unos negros mucho más intensos que habría sido imposible conseguir de otra manera. Ello redunda en una legibilidad mejorada de los gráficos y textos de letra delgada y en unos vídeos con más “gancho”, sobre todo en las escenas más oscuras. Otra ventaja no tan evidente es una intensidad cromática mucho mayor, en especial en los tonos oscuros más próximos al negro.
El aumento de la salida luminosa que permiten las capas de alineación inorgánicas es otra de las mejoras más notables, algo posible por la resistencia, considerablemente mejorada, a los daños producidos por la luz UV. A mayor luz las imágenes son más brillantes y capaces de soportar unos niveles superiores de iluminación ambiental, lo que convierte la proyección en una opción de visualización viable para una amplia variedad de entornos.
Además, una mayor y mejor resistencia a la luz ultravioleta se traduce en una fiabilidad mejorada. Esto significa que, en la práctica, no habrá ya que preocuparse por el número de horas acumulativas de funcionamiento de un proyector LCD.
Resumiendo, gracias a la tecnología LCD inorgánica es posible conseguir unas imágenes más brillantes, unos negros más intensos y una fiabilidad mejorada. Una combinación imbatible.

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