Apesar dos cristais líquidos terem ganho bem mais destaque nos últimos anos com o advento de monitores para
computador e televisão de LCD, eles já estão presentes no mundo eletrônico há algum tempo como nos visores de relógio e calculadora.
Começaremos explicando em 10 passos como funcionam as telas de calculadora e relógios, ou seja, os displays de cristais líquidos monocromáticos (de uma só cor).
Muitas telas de calculadoras e relógios digitais utilizam os cristais líquidos colestéricos (aqueles que podem girar o plano que a luz oscila). Segue abaixo um esquema de montagem destes dispositivos.
(Ilustração do efeito de iluminação ou não iluminação(escuro) de um segmento devido a aplicação ou não de uma tensão entre os eletrodos - placas de vidro. Note que sem tensão as moléculas do cristal líquido torcem o plano de polarização da luz fazendo com que chege no 2º polarizador com polarização horizontal, portando, em condições de atravessar o 2º polarizador, sendo um ponto iluminado. Aplicando-se uma tensão entre as placas de vidro, a estrutura do cristal líquido é destruída e ele perde a capacidade de girar a luz, portanto, ela chega no 2º polarizador com polarização vertical, não podendo atravessá-lo - ponto escuro)
O princípio fundamental de funcionamento das telas de LCD de computadores e televisão é praticamente o mesmo que foi explicado para os visores de calculadoras e relógios (displays monocromáticas), o que muda é a estrutura física. Ou seja, o funcionamento de um televisor LCD ocorre pela combinação de 4 fatores: a polarização inicial da luz; capacidade dos cristais líquidos em transmitir e alterar a polarização da luz; a possibilidade de a estrutura dos cristais líquidos poder ser alterada pela aplicação de um campo elétrico; e a existências dos eletrodos transparentes (as telas de vidro recobertas com o óxido condutor transparente).
Uma tela de cristal líquido consiste de uma série de camadas superpostas. A do fundo é uma placa luminosa, uma camada luminescente que emite luz comum, não polarizada. A seguinte é um filtro polarizador vertical. Sobre ela há uma fina camada de cristal liquido formada por pontos independentes aos quais estão ligados finos eletrodos transparentes (placas de vidro), que não interferem na propagação da luz. Em frente a esta há um novo filtro polarizador, desta vez horizontal e, finalmente, adiante dele, um filtro de cor.
(Esquema simplificado de uma Tela de LCD, note que o filtro de cor nesta figura é vermelho, ou seja, esta seria a representação de apenas um subpixel, mais adiante iremos explicar melhor o que é o sbpixel)
Uma tela de cristal líquido é formada por milhares de minúsculos pontos como foi descrito na seção anterior. O tamanho de cada ponto e o número de pontos dependem de dois fatores: as dimensões e a resolução da tela. Para telas de mesmas dimensões, quanto maior a resolução menor será o tamanho de cada ponto e melhor a qualidade da imagem. Cada um desses pontos é uma “célula de imagem”, em inglês “picture cell”, cuja contração gerou “pixel”, nome pelo qual são conhecidos.
Os monitores de tv ou de computador em geral são compostos de vários pixel's, quanto mais pixel'x maior é a resolução do monitor. O que torna caro o monitor é justamente sua construção devido ao tamanho e dificuldade de construção dos pixel's. Na verdade constrói-se uma grade (ou um circuito, ou seja, linhas e colunas- da mesma forma como se escreve os números nos visores de relógio) com o material condutor transparente na telas de locais.
Para gerar imagens em “tons de cinza” em telas monocromáticas (visores de relógio) basta ajustar a luminosidade do ponto. Isso pode ser feito controlando a tensão aplicada aos eletrodos. Sem tensão os cristais líquidos retorcem a luz em 90º, permitindo toda a sua passagem pelo 2º polarizador e gerando um ponto de máxima luminosidade.
Aplicando-se uma tensão, fazemos com que o cristal líquido perca gradativamente a sua capacidade de girar a luz. Um tensão ligeiramente pequena reduz um pouco o grau da torção, fazendo com que o plano em que a luz polarizada atinge o 2º polarizador forme um pequeno ângulo com a horizontal. Isso faz com que parte da energia luminosa seja absorvida pelo polarizador horizontal e parte seja transmitida, reduzindo a luminosidade do ponto.
Quanto maior a tensão, menor a capacidade do cristal líquido de girar a luz e maior será o ângulo formado pelo plano da luz polarizada e a horizontal, sendo, portanto, maior a quantidade de energia que será retida pelo 2º polarizador e menos luminoso será o ponto. Quando a tensão é suficiente para destruir completamente a estrutura do cristal líquido, ele perde toda a sua capacidade de torcer a luz, e o ponto se apaga.
Assim, variando a tensão, se pode fazer a luminosidade (ou “brilho”) do ponto variar desde seu valor máximo até zero, quando o ponto se “apaga”. Fazendo esse ajuste ponto a ponto (ou pixel a pixel), forma-se a imagem na tela monocromática.
Já no que diz respeito à uma tela de cristal líquido colorida, o princípio de funcionamento é igual ao descrito, porém sua tecnologia de fabricação é mais complexa. Isso porque a imagem continua a ser formada por pixels, ou células de imagens. Porém os pixels agora são pontos coloridos. Para se obter o efeito da cor, faz-se com que cada um deles seja formado por três pontos idênticos aos acima descritos para as telas monocromáticas, porém encobertos por um filtro colorido, vermelho, verde ou azul (cujas iniciais em inglês são “R”, de “red”, “G”, de “green” e “B”, de “blue”, de onde deriva a designação “RGB” usada para telas coloridas).
(Esquema mostrando a diferença dos pixel monocromático e do policromático. Note que nos monitores policromáticos cada pixel da imagem é formado por três subpixel, onde são utilizados filtros vermelho, verde e azul)
Toda cor, não importa sua tonalidade ou matiz, é composta por uma mistura de diferentes intensidades dessas três cores (por isso também conhecidas como as três cores básicas). Então, para gerar um ponto colorido em uma tela de cristal líquido, basta controlar as tensões sobre os eletrodos que regulam a intensidade da luz de cada um dos três pontos que formam um pixel. Com isso se ajusta a intensidade de cada cor básica, gerando exatamente a cor desejada.
Nos equipamentos mais modernos e que exigem uma maior capacidade dos displays, são utilizadas telas de LCD de matriz ativa. Nestas telas há de um filme de transistores atrás da camada de cristal líquido, permitindo que cada pixel seja controlado individualmente, sem interferência no funcionamento dos demais.
Este filme de transistores é conhecido por TFT (Thin-Film Transistors= filme fino de transistores, em português) e sua criação foi crucial para a revolução dos monitores de LCD, que hoje em dia são tão comuns e têm seus preços cada vez mais reduzidos. Existe um transistor TFT para cada sub-pixel que controla a diferença de tensão entre o eletrodo TFT de vidro e o eletrodo no filtro de vidro colorido, ajustando assim o arranjo molecular dos cristais líquidos (como nos esquemas ilustrativos abaixo)
Esquema ilustrativo de uma Tela de LCD
Outro esquema ilustrativo da Tela de LCD: A luz da fonte (1) incide sobre o filtro polaróide (2), que deixa passar apenas a luz polarizada no plano paralelo ao de polarização. Depois de atravessar o vidro (3), a luz chega à matriz (4) de eletrodos (transistores), que armazena os padrões de imagem. A luz polarizada atinge o "sanduíche" de cristal líquido (5), que reproduz os padrões da matriz. Em seguida, cruza a camada de filtros (6), o vidro (7) e alcança o filtro polarizador horizontal (8). Apenas os feixes que conseguem atravessá-lo chegam aos pixels do mostrador (9).
A maior parte dos televisores e computadores utilizam luzes fluorescentes, como fonte de luz externa. A maioria das telas de computador é acesa com tubos fluorescentes embutidos sobre, na lateral e, às vezes, atrás da LCD. Um painel de difusão branco atrás da LCD redireciona e distribui a luz de maneira homogênea para assegurar uma exibição uniforme.
•Outra vantagem é a menor ocupação de espaço e o menor peso que o monitor LCD possui em relação à outros tipos de monitores;
•Devido ao crescente número de horas que os utilizadores passam em frente dos monitores de computador, uma vantagem importante trata-se do fato dos monitores de LCD cansarem menos a vista em comparação com outras tecnologias;
•Hoje em dia, onde tanto se ouve falar, até mesmo a nível político, da poluição crescente em todo o mundo e se refere as energias renováveis como modo de combater este grave problema mundial, é uma importante vantagem sabermos que os monitores LCD tem baixo consumo de energia (consomem menos energia que os monitores CRT e de plasma);
•Esquentam pouco;
•Os utilizadores cada vez mais procuram uma melhor qualidade de serviço, porém o custo do equipamento tem um papel preponderante na escolha de qualquer produto. Os monitores LCD ainsa são bem mais caros que os monitores CRT;
•Os monitores LCD apresentam um menor contraste relativamente aos monitores CRT, tendo como consequência uma degradação visual provocada ao sistema visual humano;
•Os modelos antigos têm longo tempo de resposta, o que gera efeito fantasma. Pixels podem apresentar defeitos, representando pontos escuros ou luminosos na tela;
•Tom preto pouco intenso;
•Os monitores de LCD apresentam um ângulo de visão limitado, em modelos mais antigos, e qualquer desvio de visão causa distorção nas cores e na imagem.
VoltarSe você quiser saber mais, segue abaixo as referências bibliográficas que utilizamos e alguns links interessantes:
Começaremos explicando em 10 passos como funcionam as telas de calculadora e relógios, ou seja, os displays de cristais líquidos monocromáticos (de uma só cor).
Muitas telas de calculadoras e relógios digitais utilizam os cristais líquidos colestéricos (aqueles que podem girar o plano que a luz oscila). Segue abaixo um esquema de montagem destes dispositivos.
(Figura retirada do site:http://www.baixaki.com.br/info/2058-como-funcionam-as-telas-de-lcd-.htm)
- Polarizador na vertical.
- Tela de vidro onde estão gravados, na parte inferior, os diminutos segmentos alongados que formam os números digitais (ou letras). Esses segmentos são formados por óxido metálicos condutores de eletricidade e transparentes.
- Fina camada de cristal líquido colestérico.
- Tela de vidro totalmente recoberta por óxido metálico condutores e transparentes.
- Polarizador na horizontal.
- Espelho.
Telas de Calculadoras e relógios em 10 passos:
- Um feixe de luz não polarizada (que oscila em todas as direções) passa pelo primeiro polarizador(1).
- Este polarizador deixa passar apenas o feixe de luz que oscila no plano vertical.
- O feixe polarizado depois de atravessar um dos segmentos gravados na tela do vidro (2) passa pela fina camada de cristal líquido colestérico (3), o qual pela sua capacidade de girar o plano que a luz oscila, força o feixe a dar várias rotações (ou seja, a luz polarizada na vertical sofre torção em sua direção de polarização à medida que atravessa o cristal, emergindo com sua direção de polarização a 90 graus da direção de incidência, ou seja, emergindo com polarização na horizontal).
- O feixe chega à outra tela de vidro (4) com polarização horizontal.
- O segundo polarizador (5) deixa passar apenas o feixe de luz que oscila no plano horizontal. Como o feixe de luz sofreu rotação no cristal líquido e emergiu com polarização na horizontal, então o polarizador permite a passagem deste feixe de luz.
- O feixe de luz atinge o espelho (6) e é refletido, retornando novamente ao segundo polarizador (5) que permite a sua passagem, pois, o feixe continua oscilando na horizontal.
- O feixe ao atravessar novamente o cristal líquido colestérico (3), sofre várias rotações e emerge com polarização vertical.
- Ao final de todo este percurso, o feixe retorna ao primeiro polarizador, que permite a passagem do feixe de luz, pois, este emergiu do cristal líquido oscilando na vertical. Esse feixe de luz, agora, chega aos olhos do observador, que verá o segmento de onde o feixe emergiu iluminado.
- Quando se aplica uma tensão entre as duas placas de vidro (energia para isso vem das baterias e pilhas) surge um campo elétrico entre elas. Como vimos, na presença de um campo elétrico o cristal líquido colestérico perde a sua capacidade de girar o plano que a luz oscila.
- Ou seja, depois de passar pelo primeiro polarizador o feixe de luz não sofrerá rotações pelo cristal líquido colestérico e continuará oscilando apenas no plano vertical, não podendo, portanto, atravessar o segundo polarizador. Com isso seu percurso é interrompido, o que impede que ele seja refletido pelo espelho e volte para o primeiro polarizador. Então, este segmento é visto escuro pelo observador. Com vários destes segmentos escuros unidos, formam-se os números e as letras nas telas das calculadoras, relógios digitais e outros dispositivos.
(Simulação do efeito de polarização. O feixe de luz incidente não polarizado – oscilando em todas direções- passa pelo polarizador vertical, o qual só deixa atravessar a componente do feixe de luz que oscila na vertical, retendo todas as demais componentes)
(Figura retirada do site:http://br.geocities.com/saladefisica6/ondas/polarizacao.htm
(Esquema ilustrativo de como varia o plano de oscilação da luz ao passar pelo diversos dispositivos)
(Figura retirada do site:http://www.baixaki.com.br/info/2058-como-funcionam-as-telas-de-lcd-.htm e adaptada por Luana L. Mattos)
(Ilustração do efeito de iluminação ou não iluminação(escuro) de um segmento devido a aplicação ou não de uma tensão entre os eletrodos - placas de vidro. Note que sem tensão as moléculas do cristal líquido torcem o plano de polarização da luz fazendo com que chege no 2º polarizador com polarização horizontal, portando, em condições de atravessar o 2º polarizador, sendo um ponto iluminado. Aplicando-se uma tensão entre as placas de vidro, a estrutura do cristal líquido é destruída e ele perde a capacidade de girar a luz, portanto, ela chega no 2º polarizador com polarização vertical, não podendo atravessá-lo - ponto escuro)
(Figura retirada do site: http://www.dsd.com.br/caracteristicas.php?n_id=6&n_idSetor=10, e adaptada por Luana L, Mattos)
E o que acontece na tela da televisão de LCD?
O princípio fundamental de funcionamento das telas de LCD de computadores e televisão é praticamente o mesmo que foi explicado para os visores de calculadoras e relógios (displays monocromáticas), o que muda é a estrutura física. Ou seja, o funcionamento de um televisor LCD ocorre pela combinação de 4 fatores: a polarização inicial da luz; capacidade dos cristais líquidos em transmitir e alterar a polarização da luz; a possibilidade de a estrutura dos cristais líquidos poder ser alterada pela aplicação de um campo elétrico; e a existências dos eletrodos transparentes (as telas de vidro recobertas com o óxido condutor transparente).
(Esquema simplificado de uma Tela de LCD, note que o filtro de cor nesta figura é vermelho, ou seja, esta seria a representação de apenas um subpixel, mais adiante iremos explicar melhor o que é o sbpixel)
(Figura retirada do site: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110060927)
Uma tela de cristal líquido é formada por milhares de minúsculos pontos como foi descrito na seção anterior. O tamanho de cada ponto e o número de pontos dependem de dois fatores: as dimensões e a resolução da tela. Para telas de mesmas dimensões, quanto maior a resolução menor será o tamanho de cada ponto e melhor a qualidade da imagem. Cada um desses pontos é uma “célula de imagem”, em inglês “picture cell”, cuja contração gerou “pixel”, nome pelo qual são conhecidos.
Os monitores de tv ou de computador em geral são compostos de vários pixel's, quanto mais pixel'x maior é a resolução do monitor. O que torna caro o monitor é justamente sua construção devido ao tamanho e dificuldade de construção dos pixel's. Na verdade constrói-se uma grade (ou um circuito, ou seja, linhas e colunas- da mesma forma como se escreve os números nos visores de relógio) com o material condutor transparente na telas de locais.
Para gerar imagens em “tons de cinza” em telas monocromáticas (visores de relógio) basta ajustar a luminosidade do ponto. Isso pode ser feito controlando a tensão aplicada aos eletrodos. Sem tensão os cristais líquidos retorcem a luz em 90º, permitindo toda a sua passagem pelo 2º polarizador e gerando um ponto de máxima luminosidade.
Aplicando-se uma tensão, fazemos com que o cristal líquido perca gradativamente a sua capacidade de girar a luz. Um tensão ligeiramente pequena reduz um pouco o grau da torção, fazendo com que o plano em que a luz polarizada atinge o 2º polarizador forme um pequeno ângulo com a horizontal. Isso faz com que parte da energia luminosa seja absorvida pelo polarizador horizontal e parte seja transmitida, reduzindo a luminosidade do ponto.
Quanto maior a tensão, menor a capacidade do cristal líquido de girar a luz e maior será o ângulo formado pelo plano da luz polarizada e a horizontal, sendo, portanto, maior a quantidade de energia que será retida pelo 2º polarizador e menos luminoso será o ponto. Quando a tensão é suficiente para destruir completamente a estrutura do cristal líquido, ele perde toda a sua capacidade de torcer a luz, e o ponto se apaga.
Assim, variando a tensão, se pode fazer a luminosidade (ou “brilho”) do ponto variar desde seu valor máximo até zero, quando o ponto se “apaga”. Fazendo esse ajuste ponto a ponto (ou pixel a pixel), forma-se a imagem na tela monocromática.
Já no que diz respeito à uma tela de cristal líquido colorida, o princípio de funcionamento é igual ao descrito, porém sua tecnologia de fabricação é mais complexa. Isso porque a imagem continua a ser formada por pixels, ou células de imagens. Porém os pixels agora são pontos coloridos. Para se obter o efeito da cor, faz-se com que cada um deles seja formado por três pontos idênticos aos acima descritos para as telas monocromáticas, porém encobertos por um filtro colorido, vermelho, verde ou azul (cujas iniciais em inglês são “R”, de “red”, “G”, de “green” e “B”, de “blue”, de onde deriva a designação “RGB” usada para telas coloridas).
(Esquema mostrando a diferença dos pixel monocromático e do policromático. Note que nos monitores policromáticos cada pixel da imagem é formado por três subpixel, onde são utilizados filtros vermelho, verde e azul)
(Figura retirada do site: http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/247/37/)
Toda cor, não importa sua tonalidade ou matiz, é composta por uma mistura de diferentes intensidades dessas três cores (por isso também conhecidas como as três cores básicas). Então, para gerar um ponto colorido em uma tela de cristal líquido, basta controlar as tensões sobre os eletrodos que regulam a intensidade da luz de cada um dos três pontos que formam um pixel. Com isso se ajusta a intensidade de cada cor básica, gerando exatamente a cor desejada.
Nos equipamentos mais modernos e que exigem uma maior capacidade dos displays, são utilizadas telas de LCD de matriz ativa. Nestas telas há de um filme de transistores atrás da camada de cristal líquido, permitindo que cada pixel seja controlado individualmente, sem interferência no funcionamento dos demais.
Este filme de transistores é conhecido por TFT (Thin-Film Transistors= filme fino de transistores, em português) e sua criação foi crucial para a revolução dos monitores de LCD, que hoje em dia são tão comuns e têm seus preços cada vez mais reduzidos. Existe um transistor TFT para cada sub-pixel que controla a diferença de tensão entre o eletrodo TFT de vidro e o eletrodo no filtro de vidro colorido, ajustando assim o arranjo molecular dos cristais líquidos (como nos esquemas ilustrativos abaixo)
Esquema ilustrativo de uma Tela de LCD
(Imagem retirada do site: http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/247/37/)
Outro esquema ilustrativo da Tela de LCD: A luz da fonte (1) incide sobre o filtro polaróide (2), que deixa passar apenas a luz polarizada no plano paralelo ao de polarização. Depois de atravessar o vidro (3), a luz chega à matriz (4) de eletrodos (transistores), que armazena os padrões de imagem. A luz polarizada atinge o "sanduíche" de cristal líquido (5), que reproduz os padrões da matriz. Em seguida, cruza a camada de filtros (6), o vidro (7) e alcança o filtro polarizador horizontal (8). Apenas os feixes que conseguem atravessá-lo chegam aos pixels do mostrador (9).
(Imagem retirado do site: http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/cristal-liquido-examine-esse-paradoxo-turma-431296.shtml)
Mas, qual é a fonte de luz?
Os televisores LCD necessitam de uma fonte de luz externa para que seja possível formar a imagem, uma vez que os cristais líquidos não emitem luz própria. Nos LCD passivos usa-se um espelho que reflete a luz ambiente. As LCDs pequenas e baratas são freqüentemente refletivas, o que significa que para mostrar algo elas devem refletir luz a partir de fontes luminosas externas. Dê uma olhada em um relógio de pulso de LCD: os números aparecem onde pequenos eletrodos carregam o cristal líquido e fazem as camadas distorcerem-se para que a luz não seja transmitida através do filme polarizado.A maior parte dos televisores e computadores utilizam luzes fluorescentes, como fonte de luz externa. A maioria das telas de computador é acesa com tubos fluorescentes embutidos sobre, na lateral e, às vezes, atrás da LCD. Um painel de difusão branco atrás da LCD redireciona e distribui a luz de maneira homogênea para assegurar uma exibição uniforme.
Novas Tecnologias
Assim como tudo que envolve tecnologia nesse mundo, o LCD também possui suas inovações. Atualmente, existem diversas variações de telas de cristal líquido sendo utilizadas, como por exemplo o nemáticos super torcidos (STN), nemáticos torcidos de camada dupla (DSTN), cristal líquido ferroelétrico (FLC) e cristal líquido ferroelétrico estabilizado por superfície (SSFLC). Também há os LCD LED, que são assim designados porque a fonte de luz externa, passa a ser obtidas por luzez LED (Light Emitting Diode= Diodo Emissor de Luz) e não por luz fluorescente.
Vantagens e desvantagens:
Vantagens:
•O fato dos monitores LCD terem uma tela realmente plana elimina as distorções das imagens verificadas nas telas que têm uma certa curvatura (por mais pequena que seja), como é o caso nos monitores CRT;•Outra vantagem é a menor ocupação de espaço e o menor peso que o monitor LCD possui em relação à outros tipos de monitores;
•Devido ao crescente número de horas que os utilizadores passam em frente dos monitores de computador, uma vantagem importante trata-se do fato dos monitores de LCD cansarem menos a vista em comparação com outras tecnologias;
•Hoje em dia, onde tanto se ouve falar, até mesmo a nível político, da poluição crescente em todo o mundo e se refere as energias renováveis como modo de combater este grave problema mundial, é uma importante vantagem sabermos que os monitores LCD tem baixo consumo de energia (consomem menos energia que os monitores CRT e de plasma);
•Esquentam pouco;
Desvantagens:
•A principal desvantagem tem a ver com a dificuldade em produzir monitores LCD perfeitos, dado o número elevado de transístores incorporados (mais do que o volume usado pelo processador Pentium), mas, hoje, as empresas já estam dominando a sua produção;•Os utilizadores cada vez mais procuram uma melhor qualidade de serviço, porém o custo do equipamento tem um papel preponderante na escolha de qualquer produto. Os monitores LCD ainsa são bem mais caros que os monitores CRT;
•Os monitores LCD apresentam um menor contraste relativamente aos monitores CRT, tendo como consequência uma degradação visual provocada ao sistema visual humano;
•Os modelos antigos têm longo tempo de resposta, o que gera efeito fantasma. Pixels podem apresentar defeitos, representando pontos escuros ou luminosos na tela;
•Tom preto pouco intenso;
•Os monitores de LCD apresentam um ângulo de visão limitado, em modelos mais antigos, e qualquer desvio de visão causa distorção nas cores e na imagem.
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