TFT LCD

Uma tela de cristal líquido de transistores de película fina (TFT LCD, na sigla em inglês para thin-film-transistor liquid-crystal display) é uma variante de tela de cristal líquido (LCD) que utiliza a tecnologia de transistor de película fina (TFT) para aprimorar qualidades de imagem como capacidade de endereçamento e contraste. Um TFT LCD é um display de matriz ativa (AMLCD), em contraste com os LCDs de matriz passiva ou visores segmentados simples de acionamento direto (cujos segmentos são conectados individualmente a circuitos externos).

Os TFT LCDs são amplamente empregados em televisores, monitores de computador, telefones celulares, consoles de videogame, assistentes pessoais digitais (PDAs), sistemas de navegação, projetores de vídeo, bem como em painéis de instrumentos de automóveis e de motocicletas de médio e alto padrão.

História

Em fevereiro de 1957, John Wallmark, da RCA, depositou um pedido de patente para um MOSFET de película fina. Paul K. Weimer, também vinculado à RCA, desenvolveu em 1962 o transistor de película fina (TFT), uma variante de MOSFET conceitualmente distinta do MOSFET de corpo sólido (bulk) convencional, produzida a partir de filmes finos de seleneto de cádmio e sulfeto de cádmio.

A aplicação de transistores TFT ao acionamento de telas de cristal líquido foi concebida por Bernard J. Lechner, dos Laboratórios RCA, em 1968. Em 1971, Lechner, F. J. Marlowe, E. O. Nester e J. Tults demonstraram uma matriz de exibição de 2×18 elementos acionada por circuito híbrido baseada no modo de espalhamento dinâmico de cristais líquidos. Em 1973, T. Peter Brody, J. A. Asars e G. D. Dixon, nos Laboratórios de Pesquisa da Westinghouse, desenvolveram um TFT de CdSe (seleneto de cádmio) com o qual construíram o primeiro display de cristal líquido funcional com matriz de transistores de película fina (TFT LCD). Brody e Fang-Chen Luo demonstraram a primeira tela plana de cristal líquido com matriz ativa (AM LCD) utilizando transistores de CdSe em 1974, ano em que Brody cunhou formalmente a expressão "matriz ativa".

Por volta de 2013, a maior parte dos dispositivos de exibição eletrônica de alta resolução e alto desempenho já empregava painéis de matriz ativa baseados em tecnologia TFT.

Em meados da década de 2020, os TFT LCDs mantêm posição dominante em volume de mercado, concorrendo com os OLEDs no segmento de alto brilho e contraste e com o papel eletrônico em nichos de consumo ultra-reduzido de energia.

Construção

Diagrama esquemático do arranjo e endereçamento dos pixels.

As telas de cristal líquido utilizadas em calculadoras e equipamentos similares operam com elementos gráficos de acionamento direto; nesses dispositivos, uma tensão elétrica pode ser aplicada diretamente sobre um único segmento condutor sem interferir nos vizinhos. Essa abordagem direta seria impraticável em uma tela gráfica de grandes dimensões, a qual possui centenas de milhares ou milhões de elementos pictóricos (pixels), pois demandaria milhões de conexões elétricas individuais dedicadas para cada uma das três cores primárias (vermelho, verde e azul) de cada pixel. Para solucionar esse problema de escala, os pixels são dispostos e endereçados em um arranjo de linhas e colunas, reduzindo a contagem física de condutores de milhões para alguns milhares. As trilhas condutoras de linha e coluna conectam-se a transistores de comutação — havendo um transistor dedicado para cada subpixel. A condução unidirecional do transistor impede que a carga acumulada no subpixel seja drenada no intervalo entre as taxas de atualização do quadro. Eletricamente, cada pixel atua como um pequeno capacitor, composto por uma camada isolante de cristal líquido contida entre eletrodos condutores e transparentes de óxido de índio e estanho (ITO).

O processo de fotolitografia e corrosão dos circuitos em um TFT LCD guarda semelhança com a fabricação de semicondutores clássicos. No entanto, em vez de se construírem transistores sobre lâminas de silício monocristalino, as estruturas são formadas a partir de películas finas de silício amorfo depositadas sobre placas de vidro. A camada de silício dos painéis TFT LCD é tipicamente sintetizada por processos de deposição química em fase vapor por plasma (PECVD). Os transistores ocupam apenas uma pequena fração da área de abertura de cada pixel; o restante do filme de silício é removido por ataque químico para viabilizar a livre passagem da luz.

O silício policristalino é por vezes empregado em telas que demandam transistores de alto desempenho elétrico, como microtelas de altíssima densidade em visores ópticos e projetores. O silício amorfo continua sendo a base produtiva mais difundida em virtude de seu custo de fabricação muito menor, uma vez que as matrizes de silício policristalino impõem custos mais altos e complexidade produtiva significativamente maior.

Tipos de painel

Nematico torcido (TN)

Display TN ampliado sob microscópio, com os transistores visíveis na parte inferior de cada subpixel.

O display de cristal líquido nemático torcido (TN, do inglês twisted nematic) é uma das tecnologias de painel LCD mais antigas e de menor custo fabril. Os painéis TN oferecem tempos de resposta rápidos e menor rastro visual (ghosting) do que outras variantes de cristal líquido como o IPS, mas sofrem com fidelidade cromática reduzida e ângulos de visão estreitos, em particular no eixo vertical. Ao ser visualizado fora da perpendicular, o painel exibe forte desvio nas cores, que podem se degradar a ponto de sofrer inversão completa da escala de cinza. Monitores modernos incorporam circuitos de compensação de tempo de resposta (RTC / overdrive) para minimizar o rastro de transição; embora displays TN modernos ofereçam desempenho visual substancialmente superior ao de modelos das primeiras gerações, mantêm limitações intrínsecas de ângulo e consistência cromática frente às tecnologias concorrentes.

A maior parte dos painéis TN opera com profundidade de apenas 6 bits por canal RGB (18 bits no total), sendo incapaz de reproduzir de forma nativa os 16,7 milhões de tonalidades do espectro de cores verdadeiras de 24 bits (truecolor). Nesses casos, os painéis simulam a faixa estendida de 24 bits por meio de interpolação espacial (dithering), combinando pixels vizinhos, ou por pontilhismo temporal conhecido como controle de taxa de quadros (FRC), técnica que alterna tons ligeiramente distintos a cada ciclo de atualização de quadro para criar a ilusão de uma cor intermediária. Painéis de 18 bits com FRC são muitas vezes comercializados sob a especificação de "16,2 milhões de cores". Esse processo de modulação pode ser perceptível a usuários sensíveis sob a forma de ruído ou cintilação sutil, em especial em tons escuros. De modo geral, a linearidade e a reprodução de cores em painéis TN são modestas. A cobertura da gama de cores (comumente expressa como percentual do espaço NTSC 1953) depende também do espectro de emissão da lâmpada de retroiluminação: telas antigas cobriam entre 10% e 26% do padrão NTSC, ao passo que painéis dotados de retroiluminação CCFL com fósforos de banda larga ou arranjos de LED RGB alcançam mais de 100% dessa cobertura.

A transmitância óptica de um pixel de LCD não varia linearmente com a tensão aplicada, e normas como o espaço de cor sRGB estabelecem uma função de transferência não linear específica (correção de gama) para mapear o nível de sinal digital à luminância emitida.

In-plane switching (IPS)

A tecnologia de comutação no plano (IPS, do inglês In-plane switching) foi desenvolvida pela Hitachi em 1996 visando superar os estreitos ângulos de visão e a deficiente fidelidade cromática dos painéis TN da época. Sua denominação provém da mecânica operacional: as moléculas de cristal líquido giram no plano paralelo às lâminas de vidro, e não perpendicularmente como no arranjo TN. Essa geometria reduz o espalhamento óptico indesejado da luz incidente, proporcionando ângulos de visão amplos e alta uniformidade de cor sob visada diagonal.

As primeiras iterações do IPS caracterizavam-se por tempos de resposta lentos e razões de contraste modestas, parâmetros que foram sucessivamente contornados em revisões posteriores. Graças aos amplos ângulos de visualização e à neutralidade na reprodução de cores, os painéis IPS tornaram-se o padrão em monitores voltados a artes gráficas, fotografia e produção audiovisual, expandindo-se subsequentemente para o mercado consumidor geral. As patentes de IPS da Hitachi foram posteriormente transferidas à Panasonic.

Evolução da tecnologia IPS (Hitachi)
Denominação Sigla Ano Principal avanço Transmitância /
razão de contraste		 Observações
Super TFTIPS1996Amplos ângulos de visão100/100
(Nível base)		Grande parte dos painéis oferecia suporte nativo a cores de 8 bits por canal. O tempo de resposta inicial situava-se em torno de 50 ms, associado a custos elevados.
Super-IPSS-IPS1998Eliminação do desvio de cor100/137Aprimoramento da estabilidade de cor fora do eixo e otimização dos tempos de transição de pixel.
Advanced Super-IPSAS-IPS2002Maior transmitância luminosa130/250Ampliação da razão de contraste em relação aos painéis S-IPS clássicos.
IPS-ProvectusIPS-Pro2004Alta razão de contraste137/313Desenvolvido pela IPS Alpha Technology; expandiu a gama de cores e o contraste, atenuando o brilho cinzento sob ângulos extremos.
IPS alphaIPS-Pro2008Contraste aprimorado—Nova geração da arquitetura IPS-Pro.
IPS alpha de última geraçãoIPS-Pro2010Alta eficiência óptica—Otimizações estruturais na transmissão e contraste.
Evolução da tecnologia IPS (LG Display)
Denominação Sigla Ano Observações
Horizontal IPSH-IPS2007Aumento da razão de contraste mediante alteração no arranjo do plano de eletrodos. Introdução opcional do filme polarizador Advanced True White (desenvolvido com a NEC) para conferir neutralidade ao ponto de branco em telas profissionais.
Enhanced IPSE-IPS2009Abertura mais ampla para passagem luminosa, viabilizando retroiluminações de menor consumo elétrico. Aumento do ângulo de visualização diagonal e redução do tempo de resposta para patamares de 5 ms.
Professional IPSP-IPS2010Suporte nativo a 1,07 bilhão de cores (profundidade de cor de 10 bits reais por canal, com 1024 níveis por subpixel em vez de 256), voltado a fluxos de cor de alta precisão.
Advanced High Performance IPSAH-IPS2011Precisão cromática calibrada, maior densidade de pixels por polegada (PPI) e transmissão de luz aprimorada para redução do consumo elétrico.

Advanced fringe field switching (AFFS)

Trata-se de uma tecnologia derivada do princípio IPS, desenvolvida pela fabricante sul-coreana Boe-Hydis. Conhecida originariamente como comutação por campo de franja (FFS, do inglês Fringe Field Switching) até 2003, o AFFS utiliza um campo elétrico multidimensional para alinhar as moléculas de cristal líquido, propiciando elevada eficiência luminosa e ampla gama de cores com dispersão reduzida. Desvios cromáticos causados por vazamentos de luz periféricos são corrigidos pela otimização do ponto de branco, favorecendo a gradação de cinzas. A tecnologia foi concebida pela Hydis Technologies Co., Ltd. (antiga divisão de LCD da Hyundai Electronics).

Em 2004, a Hydis licenciou patentes do sistema AFFS para a japonesa Hitachi Displays, que passou a utilizá-lo em suas linhas de painéis avançados. Em 2006, o licenciamento estendeu-se à Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.

Em 2007, a Hydis apresentou o AFFS+, revisão concebida com refletância atenuada para melhor legibilidade em ambientes externos e sob luz solar direta.

Alinhamento vertical multidomínio (MVA)

Introduzida pela Fujitsu em 1998, a tecnologia de alinhamento vertical multidomínio (MVA, do inglês Multi-domain vertical alignment) surgiu como uma solução de compromisso intermediária entre os painéis TN e IPS. O arranjo alcançou tempos de resposta rápidos para sua época, ângulos de visão satisfatórios e elevados níveis de contraste estático (devido ao eficiente bloqueio de luz no estado de repouso dos cristais), à custa de uma menor transmissão luminosa. Painéis MVA modernos oferecem ângulos de visualização amplos (inferiores apenas aos painéis IPS), pretos profundos e tempos de transição reduzidos mediante o uso de tecnologias de compensação de tempo de resposta (RTC). Quando visualizados fora do eixo perpendicular, os painéis MVA exibem desvios de gama e cor, embora em intensidade consideravelmente menor do que os painéis TN.

Diversas variantes industriais derivaram do princípio MVA, destacando-se o P-MVA e o AMVA (desenvolvidos pela AU Optronics), além do S-MVA (produzido pela Chi Mei Optoelectronics).

Alinhamento vertical padronizado (PVA)

A tecnologia de alinhamento vertical padronizado (PVA, do inglês Patterned vertical alignment) foi desenvolvida pela Samsung como alternativa proprietária ao MVA. Painéis PVA convencionais mais econômicos costumam empregar técnicas de pontilhismo e controle de taxa de quadros (FRC), enquanto os painéis Super-PVA (S-PVA) utilizam processamento de cor de no mínimo 8 bits nativos por canal sem simulação temporal. O S-PVA também reduziu substancialmente o brilho parasita de fundo em tons escuros visualizados sob ângulos oblíquos e atenuou o desvio de curva gama. Televisores topo de linha das séries Sony Bravia incorporaram matrizes S-PVA com processamento de cor de 10 bits e suporte ao espaço estendido xvYCC, garantindo tempos de transição curtos com circuitos de sobretensão (RTC).

Advanced super view (ASV)

O sistema Advanced Super View (ASV), também denominado alinhamento vertical axialmente simétrico, foi desenvolvido pela Sharp Corporation. Trata-se de uma variante do modo VA na qual as moléculas de cristal líquido orientam-se perpendicularmente às lâminas de vidro no estado desativado. O subpixel inferior apresenta uma cobertura de eletrodo contínua, ao passo que o superior possui um eletrodo de menor área centrado no elemento.

Quando o campo elétrico é acionado, as moléculas inclinam-se concentricamente em direção ao centro do subpixel; forma-se, como resultado, um arranjo contínuo em formato de cata-vento (CPA, do inglês Continuous Pinwheel Alignment), no qual o ângulo azimutal gira 360 graus de maneira contínua, propiciando ângulos de visão amplos e simétricos em todas as direções.

Plane-to-line switching (PLS)

Desenvolvida pela Samsung Electronics, a tecnologia Super PLS (Plane-to-Line Switching) opera sob princípios análogos aos do sistema IPS, introduzindo aprimoramentos nos ângulos de visão, incremento de 10% na luminância, maior fidelidade de imagem e redução estimada em 15% nos custos de produção. A tecnologia estreou no mercado de monitores para computadores pessoais com o lançamento dos modelos Samsung SyncMaster S27A850 e S24A850 em setembro de 2011.

Tecnologia de célula ou pixel com transistor duplo TFT (DTP)

Documento de patente da arquitetura TFT desenvolvida pela Store Electronic Systems.

A tecnologia de pixel com transistor duplo (DTP, do inglês Dual-Transistor Pixel) é uma solução projetada para telas reflexivas voltadas a aplicações de consumo ultra-reduzido de potência, tais como etiquetas eletrônicas de prateleira (ESL), relógios digitais e instrumentos de medição. O arranjo baseia-se na adição de uma segunda porta de controle na célula individual de TFT para reter o estado de carga do pixel durante intervalos de até 1 segundo sem degradação do quadro exibido e sem sobrecarregar as junções dos transistores. Ao desacelerar a taxa de atualização do display do padrão habitual de 60 Hz para 1 Hz, o sistema DTP atinge uma eficiência energética ordens de magnitude superior à dos painéis ativos convencionais.

Indústria de painéis

Devido aos elevados investimentos de capital exigidos para a construção de linhas fabris de substratos TFT (plantas de gerações avançadas), o mercado global concentra-se em um grupo restrito de fabricantes de equipamentos originais (OEM). A distribuição dos principais fornecedores de vidro matriz e formatos de painel inclui:

Fornecedores de painéis de vidro LCD
Tecnologia Fabricante Observações operacionais Principais montadores / marcas atendidas
IPS-ProPanasonicFoco em televisores LCD (IPS Alpha Technology Ltd.)Panasonic, Hitachi, Toshiba
H-IPS e P-IPSLG DisplayFabricação integrada de matrizes TFT (incluindo TN e IPS) para computadores, celulares, setor automotivo e painéis industriais.LG, Philips, BenQ
S-IPSHannStarMonitores, computadores e displays comerciais.
Chunghwa Picture Tubes, Ltd.
A-MVAAU OptronicsTelevisores, monitores e aplicações industriais.
A-HVAAU OptronicsDisplays de alta densidade e televisores.
S-MVAChi Mei OptoelectronicsProdução de painéis de grande porte.Diversos montadores internacionais.
AASInnoLux CorporationVariante proprietária de alta transmitância.Monitores e televisores globais.
S-PVASamsung DisplayDesenvolvimento e produção em massa de telas VA de alto contraste.Samsung, Sony
AFFSHydisAplicações de alta visibilidade e telas industriais de pequeno e médio porte.Dispositivos médicos e navegação aérea.
ASVSharp CorporationPainéis axiais para televisores e telefonia móvel.Sharp, Sony
MVASharp CorporationTelas para televisores LCD com iluminação traseira por LED.Sharp
HVAChina Star Optoelectronics (CSOT)Matrizes verticais avançadas para linhas de televisores e monitores.TCL

Interface elétrica

Monitores e aparelhos de exibição comerciais baseados em telas TFT LCD incorporam portas de entrada analógicas e digitais padronizadas, como VGA, DVI, HDMI ou DisplayPort. No interior do chassi do monitor, uma placa controladora (scaler) recebe o sinal de vídeo de entrada e efetua o processamento de conversão cromática e redimensionamento de escala — geralmente mediante algoritmos baseados na transformada discreta de cosseno (DCT) — convertendo formatos de vídeo como vídeo composto, VGA ou HDMI no padrão digital RGB correspondente à resolução nativa do painel de cristal líquido. Em computadores portáteis, a própria unidade de processamento gráfico (GPU) gera diretamente sinais compatíveis com o conector da tela interna. Os circuitos de regulação da retroiluminação costumam residir na mesma placa controladora.

Em nível de circuito impresso e barramento interno, telas dos tipos STN, DSTN ou painéis TFT de pequeno porte empregam sinalização paralela TTL com níveis lógicos de 5 V (em telas antigas) ou 3,3 V (em painéis mais recentes), transmitindo de forma síncrona o sinal de relógio (pixel clock), sincronismo horizontal (HSync), sincronismo vertical (VSync) e os barramentos digitais das componentes vermelha, verde e azul em linhas dedicadas. Algumas matrizes industriais integram ainda linhas de habilitação de exibição (data enable) e seletores de direção de varredura horizontal e vertical.

Painéis TFT de maiores dimensões (tipicamente superiores a 15 polegadas) utilizam interfaces seriais diferenciais de baixa tensão (LVDS), que transmitem os sinais de controle e os dados cromáticos empacotados em múltiplos canais seriais sincronizados a um sinal de relógio correspondente à taxa de pixel. A interface LVDS transmite sete bits por ciclo em cada linha de dados, sendo seis bits de carga útil e um bit de sinalização para controle de balanceamento em corrente contínua (DC balance). Displays econômicos costumam dispor de três canais diferenciais de dados (suportando diretamente 18 bits de profundidade de cor por pixel); painéis de maior qualidade dispõem de quatro ou cinco pares de dados para atender profundidades de 24 bits (truecolor) ou 30 bits por pixel, respectivamente. Fabricantes de telas têm substituído progressivamente o padrão LVDS por protocolos como o Embedded DisplayPort (eDP) e interfaces DisplayPort internas, reduzindo substancialmente o número de vias e conexões no chicote de cabos.

A intensidade da retroiluminação é regulada por variação linear de tensão contínua, modulação por largura de pulso (PWM) ou por redes resistivas, circuito que comanda um inversor de alta tensão (para lâmpadas de catodo frio CCFL) ou o driver de alimentação de uma matriz de diodos emissores de luz (LED). O chaveamento por pulsos PWM em retroiluminações por LED pode provocar oscilações harmônicas de cintilação (flicker).

O painel de cristal líquido aceita exclusivamente fluxos digitais formatados estritamente na resolução física delimitada pela sua matriz geométrica de subpixels. Alguns painéis descartam os bits menos significativos (LSB) da informação de cor para harmonizar barramentos de entrada distintos (por exemplo, truncando 8 bits para 6 bits por canal).

Ao lidar com entradas analógicas como o padrão VGA, a placa controladora executa a digitalização por meio de um conversor analógico-digital (ADC) de alta velocidade. Com sinais digitais como DVI ou HDMI, os dados binários são decodificados e organizados pelo escalonador para conformar a imagem às dimensões exatas da matriz de pixels.

Segurança e toxicidade

As formulações químicas de cristal líquido são submetidas a ensaios ecotoxicológicos para a determinação de eventuais riscos ambientais e biológicos. Os dados consolidados demonstram que:

Essas diretrizes de conformidade aplicam-se à Merck KGaA e a fabricantes como a JNC Corporation (antiga Chisso) e a DIC (antiga Dainippon Ink & Chemicals), empresas que subscreveram compromissos setoriais para banir a síntese de compostos mutagênicos ou de toxicidade aguda severa, cobrindo mais de 90% do suprimento mundial de misturas de cristais líquidos. A parcela remanescente da produção, sediada predominantemente na China, utiliza formulações de domínio público previamente desenvolvidas e testadas por esses fabricantes, enquadrando-se em padrões equivalentes de controle.

As lâmpadas de retroiluminação do tipo fluorescente de cátodo frio (CCFL), empregadas amplamente em monitores fabricados até o início da década de 2010, contêm vapores de mercúrio, elemento altamente tóxico que exige descarte e reciclagem ambientalmente controlados.

Ver também

Referências

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Ligações externas

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