• Leonardo Ritter

Óptica: Como funcionam as telas LCD - Parte 1

Atualizado: 16 de nov.

As telas LCD são muito importantes para termos uma interação de qualidade com os dispositivos eletrônicos. Desde sua criação tivemos várias melhorias nesta tecnologia, sendo as principais inovações e o funcionamento destes painéis são mostrados aqui, no Hardware Central!

Imagem 1 - SmartTV Panasonic Viera TC-40CS600B, com tela LCD IPS LED e filtros RGB legado. Esta possui filtro de luz "Glossy" também. Você descobrirá mais sobre estas termos todos ao longo do texto

LCD é a sigla para "Liquid Cristal Display", que em português é "tela de cristal líquido". Ela é composta por várias camadas e todas são listadas abaixo e, posteriormente, dissertadas:

-> Painel de LEDs (ou lâmpadas fluorescentes nas telas mais antigas);

-> Difusor, responsável por distribuir de forma uniforme a luminosidade dos LEDs (ou lâmpadas) sobre a tela;

-> Vidro traseiro, que fica por cima do difusor;

-> Filme transparente com o circuito controlador dos subpixels;

-> Filme de cristal líquido (polo positivo);

-> Filme com os Filtros RGB (ou semelhantes);

-> Vidro dianteiro, completando o sanduíche de camadas;

-> Filtros de luz (cada fabricante adiciona filtros específicos para melhorar a qualidade da imagem).

Agora a explicação de cada parte:

A base para a geração de cores de vários dispositivos reprodutores de imagens digitais é a luz branca, ou seja, atrás de uma tela LCD há uma luz branca. Nas telas LCD de matriz de pixels mais primitivas era utilizado lâmpadas fluorescentes, que consumiam muita energia e esquentavam mais. Com a popularização do LED (Light Emiting Diode - Diodo Emissor de Luz) as telas LCD passaram a ter painéis de LEDs, que são muito mais econômicos que as antigas lâmpadas.

LÂMPADA

As lâmpadas utilizadas em telas LCD de TV e monitores de vídeo mais antigas são do tipo CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio). Estas lâmpadas não possuem filamento, portanto não há um elemento resistivo e o gás utilizado pode ser Neon ou Argônio, juntamente com o vapor de Mercúrio.

A luz é gerada a partir de tensão alternada em alta frequência que ioniza o gás inerte, gerando raios ultravioleta que entram em contato com a película fósforescente presente no lado de dentro do invólucro de vidro da lâmpada.

Estas lâmpadas fluorescentes requerem uma tensão alternada entre 300 e 1300 Volts e frequências entre 40 kHz e 80 kHz para poderem gerar luz. Normalmente, duas lâmpadas já são suficientes para TVs e monitores, porém podem haver exceções, como é o caso desta TV Samsung LN32D550K7GXZD da imagem abaixo:

Imagem 2 - Backlight com quatro lâmpadas fluorescentes CCFL


Para saber mais sobre o funcionamento das lâmpadas fluorescentes, comece lendo o artigo "Óptica - Lâmpadas à descarga".

LED

Os LEDs são de alto brilho e requerem uma tensão muito baixa. Como eles são ligados em série no backlight, a alimentação é feita por tensões entre 150 e 300 Volts contínuos. Existem duas formas de disposição dos LEDs no backlight:

-> Edge-Lit: Todos os emissores de luz ficam nas laterais fornecendo luz para o centro do display. Este modo permite que as telas fiquem mais finas, possibilitando assim sua colocação em espaços menores.

-> Local-dimming (também conhecidas como Full LED ou Direct LED): Os LEDs são dispostos em forma de grade atrás da tela. Proporciona um brilho mais forte.

Os LEDs podem ser controlados de forma individual para que ascendam apenas nos locais necessários de forma que se reproduza uma imagem mais realista (o que encarece o produto, devido ao circuito de controle) ou podem ser controlados de forma unitária.


Para saber mais sobre o funcionamento do LED, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: Com o surgimento das telas com cantos arredondados e entalhe, que agora são muito populares em smartphones, a eficiência do backlight de LEDs melhorou muito sem os cantos de 90°, isto pois os smartphones utilizam displays LCD com iluminação traseira no padrão Edge-Lit para que a tela seja mais fina. Com uma iluminação mais uniforme que os tradicionais displays de cantos quadrados, elas permitiriam que a luz fosse distribuída de forma harmônica entre toda a tela graças à distância entre os diodos emissores de luz. Veja abaixo como fica a iluminação Edge-Lit em telas com cantos arredondados:

Diagrama 1 - Patente da Samsung esboçando a organização dos LEDs ao redor da tela


Para saber amis sobre telas com cantos arredondados, Notch, DewDrop e muito mais, CLIQUE AQUI e leia o texto "Óptica - Complemento sobre Ecrãs e Projetores".

 

Alimentação do Backlight


O circuito que gera a tensão necessária para alimentar as luminárias se chama Inverter, pois ele "inverte" a tensão de entrada para um valor maior. Quando alteramos o brilho da tela, na verdade estamos regulando a tensão que vai para as luminárias traseiras.

Este circuito pode estar na placa da fonte, como é o caso de monitores, porém também pode ser encontrado numa placa separada, como é o caso mostrado na Imagem 3. Em smartphones, tablets, notebooks e outros dispositivos portáteis há poucos LEDs que consomem muito pouca energia, e por isso o circuito de alimentação é muito mais simples, exigindo poucos componentes.


Este inverter é um circuito composto por transformadores e alguns outros componentes responsáveis por gerar a DDP necessária para alimentar as lâmpadas ou LEDs, bem como regular a luminosidade quando alteramos o brilho da imagem nas configurações do televisor. Veja abaixo o inverter do backlight mostrado na Imagem 2:

Imagem 3 - Inverter para lâmpadas CCFL


Perceba na Imagem 3 que há dois transformadores ligados em série, sendo que cada um deles alimenta duas lâmpadas CCFL.

O difusor é necessário para espalhar a luz emitida pelos LEDs (ou lâmpadas) de forma uniforme em toda a tela, sem que haja pontos mais escurecidos entre os emissores, que fazem com que a imagem final tenha distorções devido a falhas na uniformidade da luz branca.

O backlight mostrado na Imagem 2, quando coberto com apenas uma das camadas do difusor, fica desta forma:

Imagem 4 - Camada inferior do difusor de luz


Perceba na Imagem 4 que ainda não está homogênea a distribuição da luz. Com todas as camadas, um difusor de tela LCD fica igual ao da Imagem 5:

Difusor de luz de uma tela LCD

Imagem 5 - Difusor de luz de uma backlight de tela LCD


Difusores de luz não podem absorve-la de forma alguma e normalmente são fabricados utilizado materiais termoplásticos, como por exemplo o Policarbonato (PC) e polímeros com base em poliéster aromático ou semi-aromático (tipo o Polietileno Tereftalato, abreviado "PET"), ou então materiais como o vidro translúcido e difusores holográficos.


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre termoplásticos, comece lendo o artigo "Borracha e Plástico - O que são? - Parte 1".

As chapas de Vidro


Por cima do difusor deve ir uma camada de vidro 100% transparente para que possa ser adicionado sobre ele as demais camadas que compõem a tela. Esta chapa de vidro pode ser chamada de substrato, por ser a base para toda a estrutura que faz o display LCD funcionar.

O substrato possui um polarizador, isto é, ranhuras, ou melhor dizendo, riscos na vertical. A quantidade de riscos depende da resolução (em pixels) da tela. O filtro polarizador aplicado ao substrato também pode ser chamado de "filtro analisador".

Por cima de todas as camadas, vai outra chapa de vidro 100% transparente que será a parte da frente da tela LCD e que também possui um polarizador, isto é, ranhuras, no entanto, na horizontal.


OBSERVAÇÃO: Você entenderá melhor esta questão das ranhuras verticais e horizontais de cada filtro polarizador ao chegar no Diagrama 3 deste texto.


CURIOSIDADE: O vidro da frente da tela LCD pode ser chamado de selo, pois é a proteção de todo o circuito interno, bem como dos filtros e do cristal líquido. Por cima desta camada também podem ter outros filtros de imagem ultra finos, imperceptíveis e específicos para cada modelo de display, afim de dar um "toque final" na qualidade da imagem.

 

Filtros polarizadores


Encontramos aqui um local ideal neste texto para dissertar sobre os filtros polarizadores fixados nas chapas de vidro.


Os filtros polarizadores devem ser compostos por polímeros com alta resistência mecânica e flexibilidade, além de permanecerem transparentes e não ter suas características alteradas por raios UV, provenientes da luz solar.

Um polímero que atende a estas especificações é o Nitrato de Celulose (nitrocelulose) ou Celulóide com plastificante de Cânfora (para diminuir a rigidez do filme), porém este material é muito inflamável e instável quimicamente, causando explosões mesmo sem Oxigênio. Esta característica que o fez ser deixado de lado, em 1951, antes mesmo das telas LCD surgirem.

Na sequência vem o Diacetato de Celulose (DAC), que pode conter Sulfato de Celulose, o que o torna instável, principalmente com umidade relativa. O plastificante utilizado para aumentar a flexibilidade deste filme é o Monocloronaftaleno, que é volátil, portanto, com o tempo, o filme encolhe e perde a flexibilidade.

Em 1930, desenvolveu-se o Acetato-Butirato de Celulose, que possui melhor absorção de água que o DAC, porém apresenta menor transparência no filme.

Em 1948 foi desenvolvida a fórmula do Triacetato de Celulose (TAC), com propriedades ópticas e mecânicas semelhantes às do Nitrato de Celulose. Assim, foram atendidos os requisitos de transparência, resistência mecânica e flexibilidade para a utilização como filtro polarizador.


CURIOSIDADE: O TAC é produzido a partir do Acetato e da Celulose, tendo características parecidas e uma diferença de pelo menos 92% dos grupos hidroxilas acetilados. Por esta razão, o TAC apresenta resistência térmica maior do que a do Acetato de Celulose.

O Triacetato de Celulose é um termoplástico resistente a óleos, graxas, hidrocarbonetos aromáticos e solventes. Possui ótimo brilho e excelente transparência, além de ter facilidade em ser laminado, cortado e dobrado. Sua fórmula molecular é C28 H38 O19, com peso molecular 678, densidade de 1,33 g/cm3 e teor cristalino de 25% a 30%.

 

Filtro Anti-UV


Além de tudo isso, para as LCDs, existe a necessidade de um outro filtro de luz, para que se evite a degradação das moléculas de cristal líquido presentes no interior das telas. Desta forma, juntamente com o filme de Triacetato de Celulose é colocado um filme de Poli (álcool) Vinil, dopado com Iodo, para evitar a passagem de raios UV para a tela.


CURIOSIDADE: Podemos dizer de grosso modo que o Poli (álcool) Vinil, apesar de não estar misturado ao Triacetato de Celulose, é uma espécie de aditivo "Anti-UV". Para saber mais sobre o assunto, CLIQUE AQUI! e leia o tópico "Aditivos Anti-UV".


CURIOSIDADE: O Poli (álcool) Vinil, também referido como Poli (hidroxietileno), sendo abreviado por "PVAl" ou "PVOH", respectivamente, é um termoplástico produzido através do Acetato de Vinila, tendo temperatura de transição vítrea de 358 K e fórmula molecular [CH2-CH-OH]n.

O Poli (álcool) Vinil apresenta uma concentração de Poli (vinil) Acetato (material amorfo) entre 10 e 20%, possuindo também cristalinidade como o Polietileno devido à presença de grupos hidroxilas, causando alguns efeitos hidrofílicos, isto é, solubilidade em água (dependendo do grau de hidrólise) e a temperatura. Também pode ser solúvel em misturas de água e álcool, porém não se dissolve em álcool puro. Como apresenta cristalinidade e alta polaridade, alguns solventes orgânicos podem solubilizá-lo em temperatura ambiente, como o Dietilenotriamina e Trietilenotetramina.

Devido à sua polaridade, este polímero apresenta resistência a óleos, graxas, hidrocarbonetos aromáticos e solventes apolares.

Sua importância na composição dos polarizadores das telas de cristal líquido é a sua adesividade, flexibilidade, resistência à abrasão, permeabilidade a gases e biodegradabilidade, além da já dita proteção "anti-UV".

 

Filtro Anti-Reflexo e Alto Brilho


Quando se trata de telas de notebook, é comum o uso dos termos "Matte" ou "Glossy", porém, outros nomes comerciais do tipo "Truebright", "Truelife", "Xbright" e "Brightview" podem estar presentes. Eles nada mais são do que referências a filtros de superfície de display que maximizam o brilho ou eliminam reflexos.

Ambos são comuns, sendo o "Matte" um nome comum para ecrãs com anti-reflexo, como é o caso do notebook Samsung NP550XDA-KH2BR que será mostrado no tópico "Cristal Líquido". Eliminando reflexos, a luz emanada é absorvida e refratada pelo filtro, limitando-se em um campo de visão estreito. A desvantagem deste método é que uma certa quantidade de luz absorvida é dissipada, reduzindo o brilho e intensidade de cores.

Já os displays "Glossy" exibem imagem com aparência mais nítida e há melhor contraste, como é o caso do notebook Sony VAIO SVE141L11X. Isto pode facilitar a distinção de cores semelhantes afastadas umas das outras. A luz que emana do ecrã passa pelo filtro sem sofrer atenuações, bem pelo contrário. A desvantagem está na capacidade de se criar reflexos na tela quando exposta a um ambiente muito iluminado.

Veja a comparação entre duas telas, uma com filtro Glossy e outra com filtro Matte:

Imagem 6 - Filtro Glossy versus filtro Matte


Estes filtros são de base polimérica assim como os descritos anteriormente neste tópico. Eles podem estar presentes em diversas telas, porém são mais citados no mercado de notebooks. A TV Samsung LN22B450C8, por exemplo, possui uma tela LCD com filtro Matte.

Agora sim, temos a parte mais complexa da tela: O circuito transparente que é gravado sobre a chapa de vidro traseira!

Este circuito tem a responsabilidade de alinhar as moléculas de cristal líquido de forma que elas façam a luz branca, que entrou por entre as ranhuras horizontais do vidro traseiro, passar ou não por entre as ranhuras verticais do vidro dianteiro. Cada pixel é dividido em três subpixels e, para cada subpixel há dois eletrodos. Quando é aplicado uma DDP em um subpixel, as moléculas de cristal líquido ficam alinhadas, tornando impossível (ou quase impossível) a passagem da luz branca. Quando não há DDP, as moléculas não se alinham e a luz vinda do backlight sofre uma torção de 90º, fazendo com que ela seja drenada por entre as ranhuras verticais do vidro dianteiro. Os dois eletrodos de cada subpixel podem ficar um do lado do outro.


CURIOSIDADE: Além dos componentes do circuito que serão descritos nos tópicos seguintes, há todos os condutores que 'guiam' a energia até o cristal líquido e que podem ser feitos de Óxido de Índio dopado com Óxido de Estanho (“Indium Tin Oxide” - ITO). Ideal para este fim pois apresenta condutividade elétrica e uma boa transparência, o ITO é formado de In2O3 e SnO2, sendo enquadrado como semicondutor, onde o Óxido de Estanho está presente entre 10% a 17% em massa.

O ITO apresenta ponto de fusão em aproximadamente 1900°C, com densidade entre 7,12 g/cm3 e 7,16 g/cm3. A mistura desses óxidos combina as características de um sólido com boa condutividade elétrica, resistência à radiação ultravioleta, capacidade de refletir a radiação infravermelha e uma transparência levemente amarelada e que pode chegar perto dos 90%, fatores que variam de acordo com a concentração de Óxido de Estanho.


Ligados nestes condutores, várias tecnologias foram aplicadas. As principais serão estudadas agora:

LCD de matriz passiva

Telas de matriz passiva possuem um circuito muito simples de ser produzido, normalmente apenas chaves que ativam e desativam os pixels. Algumas já possuem subpixels e filtros de cores. As principais tecnologias são explicadas abaixo:

-> TN (Twisted Nematic): Significa "Nematica Torcida". Telas mais antigas e ainda utilizadas em calculadoras, aparelhos de rádio, leitores de CD para automóveis. Estas telas conseguem exibir apenas letras e números e também são conhecidas como "display de sete segmentos". Alguns modelos chegam a ter resoluções de alguns pixels.


-> STN (Super Twisted Nematic): Significa "Nematica Super-Torcida". Criada em 1983, esta foi uma evolução da tecnologia TN, pois permitia que mais linhas e colunas pudessem ser energizadas graças à alterações feitas na movimentação do cristal líquido. Este tipo de LCD foi utilizada em PDAs e telefones celulares antigos, até a popularização do TFT.

O ponto fraco desta tecnologia é que o tempo de resposta do display é mais lento (em torno de 100 milissegundos), fazendo com que haja até mesmo fantasmas na tela (quando o frame anterior sobrepõe o atual gerando um desfoque na imagem devido a lentidão da troca de cores dos pixels). A variação CSTN (Coloração Nematica Super-Torcida) criada pela Sharp Electronics sofria muito com fantasmas pois já utilizava filtro colorido em cada subpixel.

LCD de matriz ativa

Este tipo de tela já utiliza mais componentes para controlar os subpixels, a tornando mais complexa, mas também com maior qualidade de imagem. As principais tecnologias são apresentadas abaixo:

-> TFD (Thin Film Diode): Significa "Diodo de película Fina". Estas telas possuem um circuito composto por um capacitor e um diodo para controlar cada subpixel. Permitiu um controle maior sobre as cores e também a aglomeração de mais pixels na tela. É um aperfeiçoamento das telas STN, mas que logo foi substituído pela tecnologia TFT, Telas TFD são muito utilizadas em telefones antigos, telas de navegação de automóveis e DSCs.

-> TFT (Thin Film Transistor): Significa "Transistor de Película Fina". São as mais utilizadas da atualidade. A diferença para as TFD é que há um transistor para cada subpixel funcionando como uma chave impedindo ou não a passagem de energia. Esta tecnologia permitiu uma evolução na resolução dos displays e também um controle ainda mais preciso sobre as cores exibidas, tornando a imagem ainda mais realista. O tempo de resposta das telas TFT e muito menor se comparado com tecnologias anteriores (em torno de 8 milissegundos ou menos) possibilitando que monitores trabalhem com uma alta taxa de atualização de imagem.

Como esta tecnologia é ainda muito utilizada em smartphones e até mesmo projetores, ela será a mais detalhada neste artigo. Veja abaixo, o circuito de um pixel com tecnologia TFT:

O circuito TFT de um pixel

Diagrama 2 - Pixel de uma tela LCD


Observe que há um par de eletrodos para cada subpixel. Os transistores são de canal "P" (PNP) do tipo MOSFET (efeito de campo) e controlam o ascendimento de cada subpixel. Cada linha horizontal alimenta a base (gate) do transistor de cada subpixel. Cada linha vertical alimenta o source de um transistor de cada pixel. O capacitor armazena uma pequena carga para manter o subpixel excitado enquanto o sistema atualiza os outros. Você entenderá isso melhor na sequencia do texto.

Note que a diferença entre os TFT e TFD é o transistor e o diodo, o restante é igual. Esta película fina é invisível a olho nu, portanto se desmontar um display LCD não é possível ver este circuito.


CURIOSIDADE: Você verá mais adiante, no tópico "Cristal líquido" que as telas mais antigas (TN e STN) utilizam cristal líquido alinhado verticalmente (VA). Já as telas TFD e TFT podem ter tanto o cristal líquido alinhado verticalmente quanto horizontalmente (IPS).

 

Dentro da tecnologia TFT há algumas variações no processo de construção do circuito. Os processos serão explicados abaixo:

-> a-Si: Significa "Amorphous Silicon", ou em Português, Silício Amorfo. A maioria dos displays com menos de 300 pixels por polegada utiliza-se deste material base para a fabricação do circuito TFT, que permite um ângulo de visão maior, menor consumo de energia, uma taxa de atualização alta e se comparado com as outras tecnologias é mais barato e simples de ser produzido.

-> LTPS: Significa "Low Temperature Poly-Silicon", ou em Português, Silício Policristalino de Baixa Temperatura. Se comparado com o a-Sí, a temperatura utilizada no processo de produção desta película é mais alta, mudando completamente suas características elétricas. Circuitos feito a base do LTPS requerem uma corrente mais alta para chaveamento dos transistores, mas devido a alta mobilidade eletrônica do material (cerca de 100 vezes maior que a do a-Sí), a velocidade com que a imagem é atualizada surpreende.

O ponto negativo fica com a complexidade de fabricação, que progride com o aumento da resolução dos displays, fazendo com que os fabricantes tenham que diminuir tamanho do circuito e colocar ainda mais transistores. Display LTPS são utilizados em TVs, monitores, smartphones e notebooks.

-> HTPS: Significa "High Temperature Poly-Silicon", ou em Português, Silício Policristalino de Alta Temperatura. No processo de fabricação a deposição deste material base é muito alta, bem mais que o LTPS, o que altera mais ainda as características elétricas. Esta tecnologia tem especificações melhores que o LTPS e é destinado apenas para projetores 3LCD e LCoS, pois não são telas LCD, e sim chips LCD com apenas um filtro de cor por pixel, e tudo isso é devido ao tamanho.

Projetores 3LCD, como o nome sugere, são compostos por 3 chips LCD, com tamanho de 1 polegada ou até menos, mas com resoluções HD, QHD, FHD e até mesmo 4K. Para saber mais sobre esta tecnologia, CLIQUE AQUI!


-> IGZO: "Indium Gallium Zinc Oxide", ou em Português, Índio, Gálio, Óxido de Zinco. Esta tecnologia, desenvolvida pela Sharp Electronics fornece as características do a-Sí e do LTPS juntos. Conseguiram diminuir o tamanho dos transistores, o que faz eles necessitarem de menos corrente, reduzindo assim o consumo e o backlight não precisa fornecer tanta luz para compensar a barreira feita pelos componentes, pois os transistores são menores e isso faz com que a tela seja mais translúcida. A mobilidade eletrônica é de 20 a 50 vezes maior que a do a-Sí (menos que o LTPS, mas já é melhor).

O resultado é menos energia consumida e a possibilidade de telas com alta densidade de pixels por polegada sem que haja dificuldades grandes no processo de produção. Outra tecnologia incorporada no IGZO é a capacidade de manter o subpixel carregado por um maior período de tempo, aproveitando mais a energia.


OBSERVAÇÃO: Para resumir bem, estes nomes "a-Si" e "Polisilício" definem apenas duas organizações atômicas para o Silício (neste caso, a matéria amorfa e a policristalina), um dos materiais mais comuns para a criação de semicondutores. O processo de passivação do material (que deve ocorrer principalmente no a-Si) não é informado (porém, o uso de Hidrogênio e ou Carbono é relativamente comum na indústria microeletrônica), tampouco elementos químicos utilizados para fazer a dopagem (para criar o material de tipo "n" e o de tipo "p").

Caso queira saber mais sobre o que são semicondutores (Inorgânicos, Orgânicos, Intrínsecos e Extrínsecos) e como funcionam (materiais base, processos de deposição em alta e baixa temperatura e dopagem), basta CLICAR AQUI!

Alinhamento Vertical (VA) e Alinhamento Horizontal (IPS)


O cristal líquido é a peça chave de tudo. As moléculas de cristal são organizadas em bastões e esses bastões reagem se for aplicado um valor de tensão, que normalmente é em torno de 5 Volts.

Ao ser aplicado uma tensão elétrica, eles se alinham com as ranhuras horizontais e a luz vinda do backlight é barrada, pois ela precisa mudar de direção para passar pelas ranhuras verticais da chapa de vidro frontal do display. Quando nenhuma tensão é aplicada, os bastões de cristal líquido ficam livres e "guiam" a luz para fora do display. Veja a demonstração abaixo:

funcionamento do cristal líquido

Diagrama 3


No exemplo acima, observe a chave "S". Veja que quando o circuito está aberto os bastões não estão alinhados, e quando o circuito está fechado os bastões estão alinhados com as ranhuras da chapa de vidro traseira.


OBSERVAÇÃO: Antes de prosseguir com o texto, trago algumas das coisas de que você precisa saber para entender melhor o funcionamento de uma tela LCD:

-> O que é Cristal Líquido?

-> Como são produzidos?

-> Quais as características são levadas em conta para que recebam este nome?

-> Como são classificados?

-> O que é energia de ancoragem do cristal líquido numa tela LCD?


Para saber todas estas respostas, basta CLICAR AQUI!


As telas antigas funcionavam com os bastões de cristal líquido na vertical (Vertical Aligned - VA), como no Diagrama 3, para barrarem a passagem da luz. Esse sistema limita o ângulo de visão a no máximo 160º, ou seja, se você não estiver de frente para o monitor, haverá distorção nas cores da imagem reproduzida.

Este problema foi solucionado com a colocação dos bastões de cristal líquido na horizontal, paralelamente ao substrato com o circuito TFT. Desta forma, o ângulo de visão foi aumentado para 178º. Esta tecnologia é chamada de "In-Plane Switch", ou, simplesmente, IPS.


O IPS foi desenvolvido pela Hitachi em 1996 para melhorar a visualização de imagens numa época onde os TN e STN ainda eram populares, no entanto, só por volta de 2008 que esta tecnologia começou a se popularizar em displays TFD e TFT. Após 2008, a grande maioria das telas LCD TFT e TFD de TVs passaram à integrar a tecnologia IPS.


Mesmo o IPS tendo grande espaço no mercado atual, telas VA ainda são produzidas, havendo duas variantes no mercado:

-> MVA: Sigla para "Multi-domain Vertical Alignment", que em português significa "Alinhamento Vertical Multi-domínio";

-> PVA: Sigla para "Patterned Vertical Alignment", que em português significa "Alinhamento Vertical Padronizado".


CURIOSIDADE: Os ecrãs MVA oferecem um bom ângulo de visão (porém, nem próximo dos IPS), pretos mais intensos e melhor contraste do que os painéis IPS. Além disso, os dispositivos com essa tecnologia costumam ter menor tempo de resposta. Já os do displays PVA podem ser considerados uma evolução do MVA.


CURIOSIDADE: Os caixas eletrônicos dos bancos podem ter uma tela LCD com tecnologia VA, isto pois, apenas quem está na frente do equipamento deve ver as operações sendo executadas. Um display com ângulo de visão limitado é uma questão de segurança e privacidade nestes casos.

Telas de notebook podem contar com um display LCD VA, pois o consumo de conteúdo é individual, diferente de uma TV, onde a imagem pode ser exibida para várias pessoas distribuídas em uma sala, necessitando de um ângulo de visão alto.


A Lucky Goldstar (LG Electronics) implementou a Quantum IPS, onde os filtros de cor RGB são substituídos por nanocristais semicondutores RGB. O cristal presente em cada subpixel possui um dimensionamento específico para deixar passar apenas um comprimento de onda. Essa tecnologia proporciona uma alta fidelidade de cores e um alto contraste.

O primeiro equipamento a utilizar o Quantum IPS foi o smartphone LG G4, lançado por aqui em meados de 2015. Essa foi a aposta da LG para concorrer com o "idolatrado" QLED da rival sul-coreana Samsung.

Veja a comparação de um smartphone com tela LCD TFT IPS e o LG G4 com sua tela LCD TFT QIPS:

LG G$ com tela Quantum IPS

Imagem 7 - O LG G4 é o aparelho de cima. Observe a diferença de qualidade.


CURIOSIDADE: A maioria dos painéis de cristal líquido são do tipo "LCD transmissivo", isto é, a luz do backlight atravessa a tela para atingir o observador, no entanto, existem os painéis do tipo "LCD Reflexivo", onde a luz do backlight incide no ecrã e é refletida, para então ser modulada pela cortina de cristal líquido através do circuito TFT. Exemplos de uso do LCD Reflexivo são nos chips LCoS utilizados em projetores de mesmo nome. Para saber mais sobre os Projetores LCoS, CLIQUE AQUI!

Você deve estar pensando: mas como as imagens se formam na tela se são apenas pontos de luz que funcionam como chaves que interrompem ou não a passagem da luz branca vinda do backlight?


Como a luz branca é a mistura de todas as outras cores existentes, acima do eletrodo do subpixel há um filtro com uma cor do sistema RGB (Red, Green, Blue). Este filtro permite a passagem do comprimento de onda específico desta cor e barra a passagem de todas as outras, portanto, de acordo com o "abre e fecha" do circuito TFT, uma determinada intensidade de luz branca passa pelo cristal líquido e incide no filtro, então um tom de cor é formado.

Como foi dito, um pixel e dividido em três subpixels: um com filtro verde, outro com filtro vermelho e outro com filtro azul. Veja a imagem abaixo:

Filtros de cores no pixel

Diagrama 4


Como os pixels são extremamente pequenos e os subpixels menores ainda, não enxergamos o tom de verde, de vermelho e de azul separados, mas sim misturados, formando uma quarta e única cor. Como as telas são formadas por milhares e milhares de pixels, uma imagem completa pode ser formada se gerado uma cor diferente em cada pixel e, é isso que está acontecendo neste momento na tela do seu aparelho.


Veja abaixo a imagem de uma pequena região da tela de uma TV Samsung UN32J4290AG (tela de 32 polegadas LCD IPS com backlight de LED), datada de 2015, evidenciando a região preta com os bastões de cristal líquido energizados, como mostrou o Diagrama 3:

Imagem 8 - Perceba o uso do padrão RGB legado na geometria dos pixels, com filtros alinhados na horizontal. Note que mesmo barrando a passagem de luz, uma pequena quantidade ainda passa e a cor preta não fica tão 'pura'


Agora, uma pequena região do display de um notebook Samsung NP550XDA-KH2BR (tela LCD VA anti-reflexo com backlight de LED), datado de 2020:

Imagem 9 - Perceba o uso do padrão RGB legado na geometria dos pixels, porém, aqui os filtros são alinhados na vertical. A cor preta tende a ser mais 'pura' devido ao não uso do IPS


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre filtros de cores e Geometria de Pixel, CLIQUE AQUI!


Mas como que é controlada a 'quantidade' de luz branca que passa por cada subpixel para que o filtro possa limitar a luz a um tom de uma cor RGB?


A alimentação do gate dos transistores (telas TFT) ou dos diodos (telas TFD) é feito por sequências de pulsos elétricos que abrem e fecham as chaves (transistores ou diodos), fazendo com que os bastões de cristal líquido fiquem mudando de posição a cada instante e desta forma, modulem a luz branca. São as famosas sequências de 0 e 1 que reinam nos circuitos digitais. Nada de ondas elétricas (sinal analógico) como nas TVs CRT!


OBSERVAÇÃO: No capítulo 2 sobre telas LCD há mais informações sobre a alimentação dos transistores, capacitores, bem como a atualização de imagem no ecrã!


Complicando mais: a maioria dos monitores LCD conseguem atualizar a imagem no mínimo 60 vezes por segundo, ou seja, independente do que você esteja vendo na tela de seu aparelho ele vai estar exibindo no mínimo 60 frames por segundo. Para medir a taxa de atualização de um display é utilizado a unidade de medida Hertz. Taxas de atualização comuns para monitores são 60 Hz, 120 Hz, 144 Hz, 240 Hz e 480 Hz (os últimos três valores são raros devido ao custo e complexidade).

Vou pegar como exemplo uma tela TFT com resolução de 1920x1080 pixels a 60 Hz, isso significa uma matriz de 2.073.600 pontos de luz. Sendo que cada pixel é constituído de três subpixels, o display possui no total 6.220.800 subpixels e cada um com seu par de eletrodos e seu transistor e capacitor. Cada subpixel da tela citada no exemplo tem a cor atualizada 60 vezes por segundo!

A evolução dos televisores está sendo muito rápida nos últimos anos, com as principais marcas do setor criando novas tecnologias a cada ano. Neste texto vou detalhar algumas tecnologias atuais de displays LCD.


Samsung QLED


As telas QLED (Quantum LED - LED Quântico) são recentes, foram apresentadas faz poucos anos pela Samsung. Nestas telas, voltou-se a utilizar backlight e cristal líquido, só que com mais uma camada de cristais construídos em nanoescala e feitos de Seleneto de Cádmio. Vou explicar melhor:


-> 1. É um backlight de LEDs azuis, ao invés de LEDs brancos utilizados nas LCD comuns. Este backlight também tem um difusor para espalhar a luz azul uniformemente. Os LEDs podem estar dispostos de várias formas no backlight: na borda interna, ou cobrindo toda a traseira.


-> 2. Há a camada de vidro (o substrato) com as ranhuras horizontais (chamadas de camada polarizadora, assim como nas telas LCD comuns), onde será depositado o filme de nanocristais e o circuito TFT.


-> 3. Nessas telas, há também três subpixels, porém apenas um nanocristal verde e um vermelho são utilizados, pois a cor azul já é emitida pelos LEDs, sendo então necessário apenas um subpixel transparente para ela. O nanocristal verde e o vermelho são dimensionados para deixar passar apenas um determinado comprimento de onda respectivo à sua cor. A luz, ao passar pelos cristais, é modulada com uma temperatura de cor maior, fazendo com que as cores na tela sejam mais "vivas" e realistas.


Abaixo, você vê como são estes cristais utilizados em telas QLED:

Imagem 10


Lembrando que apenas o verde e vermelho são necessários, e apesar de utilizarem os nanocristais, as telas QLED não excluem a utilização de filtros RGB comuns. Os nanocristais servem apenas para deixar a cor mais viva e a imagem parecer muito mais realista.


-> 4. Ao passar pelos cristais, a luz azul é modulada, gerando a cor final que então vai passar pela camada de cristal líquido, controlada por um circuito em TFT. O circuito TFT vai controlar o posicionamento dos bastões de cristal líquido, fazendo com que eles bloqueiem ou não a passagem de luz. O TFT e o cristal líquido funcionam da mesma forma que nas telas LCD comuns.


-> 5. Por cima de tudo isso é adicionada a camada de vidro (a selagem da tela) com ranhuras verticais (chamadas de camada polarizadora, assim como nas telas LCD comuns). Por cima desta camada de vidro podem ter outros filtros de imagem ultra finos, imperceptíveis e específicos para cada modelo de display, afim de dar um "toque final" na qualidade da imagem.


Veja abaixo, um diagrama de tela QLED fornecido pela Samsung Electronics:

Diagrama 5 - Estrutura de uma tela QLED


Mas qual o motivo de retroceder tanto e lançar uma tela LCD modificada como esta?


Segundo testes de desempenho, as telas "Quantum Dots" possuem uma imagem com cores mais vivas e um brilho muito maior sem deixar a imagem esbranquiçada como nas telas LCD comuns. O contraste também chama atenção, o ângulo de visão é amplo e reflexos na tela não atrapalham a visualização.


Outro ponto positivo é que, o efeito burn-in (quando um ou mais pixels ficam acesos sem trocar de cor por um longo período de tempo e, ao serem apagados ou mudarem de cor, uma mancha aparece) não afeta telas QLED. As únicas coisas que deixam a desejar são:


-> O consumo de energia. As QLEDs consomem um pouquinho mais que as OLEDs.


-> As cores escuras (mais especificamente a cor preta). Devido a iluminação traseira ficar sempre ativa, um pouco de luz pode "vazar" e afetar a reprodução, deixando a cor preta e tons escuros levemente acinzentados, igual como ocorre com telas LCD comuns. Veja uma comparação entre telas OLED e QLED:

Imagem 11 - Diferenças de tons de cor preta no OLED (esquerda) e QLED (direita)


Veja a qualidade da cor de uma TV QLED abaixo:

Imagem 12


Smart TVs QLED são bastante caras (pois ainda não são muito populares no mercado) e estão disponíveis apenas em tamanhos acima de 50'. A tendência é que displays menores sejam produzidos apenas para computadores e as Smart TVs fiquem cada vez maiores e com mais recursos.

Apesar de ter sido apresentada recentemente, a tecnologia de pontos quânticos já vem sendo estudada desde os anos 1990, e a partir de 2010 já surgiram alguns modelos experimentais e comerciais, mas que não vingaram muito. Somente após a Samsung ajustar a tecnologia que tudo mudou e a QLED pode ter um mercado grande nos próximos anos.

Com o passar dos anos, várias modificações desta tecnologia podem ser criadas e lançadas, da mesma forma que aconteceu com os displays OLED, portanto como é algo novo no mercado, sempre que houver alguma alteração feita por alguma fabricante, tudo vai ser documentado nesta página do Hardware Central.


Mais Detalhes sobre o QLED


Agora, alguns detalhes sobre os materiais utilizados na construção dos pontos quânticos:


O Seleneto de Cadmio é tóxico, mais difícil de se encontrar na natureza e menos maleável na criação de cristais quânticos. Atualmente é utilizado o Fosfeto de Índio para a criação destes nano componentes.


Os nanocristais podem vibrar num determinado comprimento de onda com a aplicação de uma luz ou também de uma tensão elétrica. Quando eles vibram numa determinada frequência, uma luz é emitida. Como pode ser visto na 'Imagem 3', o comprimento de onda em que um nanocristal vibra depende de seu tamanho, sendo assim, consequentemente a cor emitida também depende do tamanho.


-> Quanto maior o diâmetro do nanocristal, menos ela vibra e maior o comprimento de onda. Como exemplo, podemos citar o Vermelho e o Infra Vermelho.


-> Quanto menor o diâmetro do nanocristal, mais ele vibra e menor seu comprimento de onda. Como exemplo, podemos citar o Azul e o Violeta.


-> Quanto ás partículas de diâmetros intermediários, será produzida uma cor na faixa de frequências do Amarelo e do Verde.


Existe um segundo modelo de display de pontos quânticos, em que não há filtros de cores, pois os próprios nanocristais fazem este papel. Neste caso também não há necessidade de um nanocristal azul, justamente pelo motivo de o Backlight ser feito de LEDs Azuis.


Um terceiro modelo de display de pontos quânticos é o de nanocristais que trabalham com tensão para emitir luz. Estas telas são compostas por um nanocristal Azul, um Verde e um Vermelho, e todos eles recebem uma sequência de códigos similares aos usados para movimentar os bastões de cristal líquido nas telas LCD e ascender os LEDs de Carbono nas telas OLED. Este modelo de display quântico não necessita de backlight, pois os próprios nanocristais conseguem emitir luz numa faixa de frequência correspondente aos seus respectivos diâmetros.


CURIOSIDADE: Se você voltar ao tópico "Cristal Líquido", verá a dissertação sobre o Quantum IPS da LG Electronics, que também faz uso de nanocristais.


A Sony, em meados de 2013 / 2014 lançou sua linha de TVs Triluminos, que utilizam os "pontos quânticos", ou melhor dizendo, os nanocristais semicondutores. O fabricante Sharp também lançou a linha de telas QLED sob o nome "Spectros".

Resumindo: QLED, Triluminos e Spectros são nomes sinônimos, ou seja, são utilizados para se referir à mesma tecnologia.


Na CES de 2017, LG Electronics e Samsung Electronics "trocaram farpas": a LG apoiando as finas e modernas TVs AMOLED e dizendo que as TVs QLED da Samsung são um retrocesso e conservadoras (pois utilizam backlight e não são tão finas), enquanto a Samsung defendia que as QLEDs são melhores pois as OLEDs tem uma vida reduzida devido aos materiais orgânicos utilizados.


Agora, vamos pra outra tecnologia de tela de cristal líquido:

 

LG QNED e Samsung Neo QLED


O QNED (também chamada de mini-LED) é uma tecnologia recente da LG Electronics. QNED é a sigla para "Quantum Nano Emitting Diode", que em português significa "Nano Diodo Quântico Emissor de Luz".


As QNED eliminam um backlight de poucos LEDs que emitem luz branca em prol de um sistema com Mini-LEDs, sendo cada um deles responsável por alimentar com luz uma pequena área de pixels. Estes pixels possuem uma matriz TFT, bem como nano cristais semicondutores, também conhecidos como pontos quânticos.


Exercício mental: De forma resumida, imagine as telas QLED da Samsung. Agora, elimine o backlight com um punhado de LEDs azuis e o substitua por um outro backlight com uns 30 mil micro-LEDs. Além disso, subdivida este quadro de micro-LEDs em milhares e milhares de zonas controladas de forma individual (chamadas de "zonas dimerizáveis"). Imaginou? Este é o QNED da LG Electronics. Observe a imagem abaixo:

Imagem 13 - LG QNED (ou Mini-LED) comparado com uma matriz comum


A Samsung também tem uma tecnologia chamada QNED, porém funciona completamente diferente do QNED Mini-LED da LG. Para saber mais sobre as telas QLED da Samsung, CLIQUE AQUI!


Veja a comparação entre o sistema de backlight com LEDs e o sistema de backlight com Mini-LEDs:

Diagrama 6 - Comparação entre o LCD LED e o LCD Mini-LED


Atualmente, o concorrente da QNED da LG Electronics é o Neo QLED da Samsung, que também elimina o Backlight com um punhado de LEDs azuis em prol de uma matriz abarrotada de diodos emissores de luz com muitas zonas dimerizáveis.


Qual a vantagem de uma matriz com muitos LEDs e várias zonas de controle individual?

Você já deve ter visto que o problema das telas LCD é a luz sendo emitida o tempo todo e de maneira uniforme, independente de regiões da tela estarem exibindo a cor preta. Este "vazamento de luz" prejudica a formação de cores muito escuras e reduz a qualidade geral da imagem.

Como solução deste problema, backlights de LED divididos em algumas zonas começaram surgir, sendo cada zona controlada de forma individual, permitindo que a luminosidade fosse reduzida em pontos da tela onde cores escuras estivessem sendo reproduzidas. Este sistema ainda era limitado e perdia desempenho para os ecrãs OLED, onde cada pixel emite a própria luz e pode ser simplesmente desligado quando necessário reproduzir a cor preta.

o QNED da LG, bem como a Neo QLED da Samsung reduzem esse abismo de qualidade de imagem entre a tecnologia OLED e a jurássica LCD, porém não elimina o problema. Como dito anteriormente, cada pequeno grupo de pixels é iluminado por um Mini-LED, e cada pequeno grupo de Mini-LEDs tem seu brilho controlado de forma individual.


CURIOSIDADE: Os backlights com milhares de LEDs distribuídos em zonas dimerizáveis são chamados também de FALD, sigla para "Full Array Local Dimming".


OBSERVAÇÃO: A LG Electronics possui autorização para o uso do nome "QNED", no entanto, a Samsung também possui uma tecnologia de mesmo nome, mas que se baseia nas telas OLED, portanto sendo completamente diferente. Então fica o alerta aí pra que não haja confusão.

 

LG NanoCell


Antes do surgimento da tecnologia QNED, em meados de 2020, a LG já tinha lançado as TVs NanoCell. A tecnologia NanoCell também se utiliza de um Backlight de LEDs com centenas de zonas de dimerização, todavia, ainda são menos zonas que as QNED. O principal diferencial das NanoCell é o uso do Nano-IPS (também referido como Quantum-IPS), onde os filtros de cores RGB são nano cristais. Veja os gráficos abaixo:

Gráfico 1 - Comparação entre telas comuns e telas NanoCell


Os nano cristais removem cores opacas indesejadas da imagem, pois operam como um filtro que absorve luz e remove comprimentos de onda indesejados, e isso torna os vermelhos e verdes mais puros.

Geralmente, as cores com comprimento de onda entre 580 e 610 nm passam na tecnologia de TV LCD padrão. Como consequência, isso contribui para a dessaturação das cores vermelha e verde, também conhecido como "sangramento da luz vermelha em verde", e vice-versa.

Com a tecnologia IPS vem também os ângulos de visão amplos, não importa se você está sentado de lado, as cores parecem exatamente as mesmas.

Este artigo explica apenas a estrutura dos ecrãs LCD. Para saber como a imagem é atualizada no display, bem como o funcionamento do circuito presente em TVs / Monitores, veja o Capítulo 2.


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Caso queira mandar uma correção, sugestão ou reclamação, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com

 

FONTES e CRÉDITOS

Texto, desenhos e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Burgoseletrônica; Android Authority; TudoCelular; CanalTech; TecMundo; 3LCD.com; Fegargai Eletrônica; AndroidPIT; Tecnoblog; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas); Desmonte de monitores LCD e Notebooks; InfoWester.

Última atualização: 29 de Maio de 2022.

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