Come funziona il display LCD TFT?

Che cos'è un LCD TFT?

A TFT LCD , o un display a cristalli liquidi a transistor a film sottile, è una delle forme di tecnologia di visualizzazione in più rapida crescita oggi. Il transistor a film sottile (TFT) è un tipo di dispositivo a semiconduttore utilizzato nella tecnologia dei display per migliorare l'efficienza, la compattezza e il costo del prodotto. Insieme alle sue proprietà di semiconduttore, il display LCD TFT è un display a matrice attiva, che controlla i pixel individualmente e attivamente anziché passivamente, favorendo i vantaggi di questo dispositivo a semiconduttore.

Maggiori informazioni sulla tecnologia TFT si possono trovare qui:

Poiché accoppiato con la tecnologia a schermo piatto, in particolare i display a cristalli liquidi (LCD), I display TFT sono cresciuti ampiamente in popolarità per schermi e monitor LCD come monitor di computer e smartphone. Con questo sviluppo, il tubo a raggi catodici, altrimenti noto come CRT, iniziò a cadere nel passato quando l'LCD più leggero e meno ingombrante prese il sopravvento nel campo dei display. I moderni display ad alta risoluzione e qualità utilizzano principalmente la tecnologia TFT all'interno degli LCD.

 

Struttura di TFT LCD

Il display LCD TFT è costruito con tre livelli chiave. Due strati di sandwich sono costituiti da substrati di vetro, sebbene uno includa TFT mentre l'altro ha un filtro di colore RGB, o rosso verde blu. Lo strato tra gli strati di vetro è uno strato di cristalli liquidi.

 

Fig.1: Un diagramma visivo dei diversi strati e componenti utilizzati in un display LCD TFT.

I Strato di substrato in vetro TFT è lo strato più profondo o più arretrato del circuito stampato di un dispositivo. È fatto di silicio amorfo, un tipo di silicio con una struttura non cristallina. Questo silicio viene quindi depositato sul vero substrato di vetro. I TFT in questo livello sono accoppiati individualmente a ciascun sub-pixel (fare riferimento a Architettura di un pixel TFT sotto) dall'altro strato di substrato del dispositivo e controllano la quantità di tensione applicata ai rispettivi sub-pixel. Questo strato ha anche elettrodi di pixel tra il substrato e lo strato di cristalli liquidi. Gli elettrodi sono conduttori che incanalano l'elettricità dentro o fuori qualcosa, in questo caso i pixel.

A livello della superficie si trova l'altro substrato di vetro. Proprio sotto questo substrato di vetro è dove risiedono i pixel e i sub-pixel effettivi, formando il filtro colore RGB. Per contrastare gli elettrodi dello strato precedentemente citato, questo strato superficiale presenta controelettrodi (o comuni) sul lato più vicino ai cristalli liquidi che chiudono il circuito che viaggia tra i due strati. In entrambi questi strati di substrato, gli elettrodi sono più frequentemente realizzati in ossido di indio e stagno (ITO) perché consentono trasparenza e hanno buone proprietà conduttive.

I lati esterni dei substrati di vetro (più vicini alla superficie o più vicini al retro) hanno strati filtranti chiamati polarizzatori. Questi filtri lasciano passare solo determinati fasci di luce se sono polarizzati in un modo specifico, il che significa che le onde geometriche della luce sono appropriate per il filtro. Se non polarizzata correttamente, la luce non passa attraverso il polarizzatore che crea uno schermo LCD opaco.

Tra i due strati di substrato si trovano cristalli liquidi. Insieme, le molecole di cristalli liquidi possono comportarsi come un liquido in termini di movimento, ma mantiene la sua struttura come un cristallo. Ci sono una varietà di formule chimiche disponibili per l'uso in questo strato. Tipicamente, i cristalli liquidi sono allineati per posizionare le molecole in un certo modo per indurre comportamenti specifici di passaggio della luce attraverso la polarizzazione delle onde luminose. Per fare ciò, deve essere utilizzato un campo magnetico o elettrico; tuttavia, con i display, affinché un campo magnetico sia utilizzabile, sarà troppo forte per il display stesso, e quindi vengono utilizzati campi elettrici, che utilizzano una potenza molto bassa e non richiedono corrente.

Prima di applicare un campo elettrico ai cristalli tra gli elettrodi, l'allineamento dei cristalli avviene secondo uno schema attorcigliato di 90 gradi, consentendo a una luce adeguatamente polarizzata sui cristalli di passare attraverso il polarizzatore di superficie nella modalità "bianco normale" di un display. Questo stato è causato da elettrodi appositamente rivestiti in un materiale che orienta la struttura con questa specifica torsione.

Tuttavia, quando viene applicato il campo elettrico, la torsione viene interrotta mentre i cristalli si raddrizzano, altrimenti noto come riallineamento. La luce che passa può ancora passare attraverso il polarizzatore posteriore, ma poiché lo strato di cristallo non polarizza le luci per passare attraverso il polarizzatore superficiale, la luce non viene trasmessa alla superficie, quindi un display opaco. Se la tensione viene ridotta, solo alcuni cristalli si riallineano, consentendo il passaggio di una quantità parziale di luce e creando diverse sfumature di grigio (livelli di luce). Questo effetto è chiamato effetto nematico contorto.

Fig.2: A sinistra c'è lo strato di cristalli liquidi attorcigliati in cui la luce polarizzata passa liberamente; a destra è dopo che il campo elettrico è stato caricato nello strato, riallineando completamente gli orientamenti della molecola in modo che la luce non sia polarizzata e non possa passare attraverso il polarizzatore superficiale.

 

I effetto nematico contorto è una delle opzioni più economiche per la tecnologia LCD e consente anche un rapido tempo di risposta dei pixel. Ci sono ancora alcuni limiti, però; la qualità della riproduzione del colore potrebbe non essere eccezionale e gli angoli di visualizzazione o la direzione in cui si guarda lo schermo sono più limitati.

Una soluzione a questi limiti è stata data attraverso la commutazione in-plane (IPS) dei cristalli liquidi. Invece di allineare i cristalli perpendicolarmente agli elettrodi, IPS li allinea in modo parallelo. La luce è quindi più snella all'interno della matrice. Ci sono stati problemi iniziali come tempi di risposta lenti, ma recentemente questi problemi sono stati per lo più risolti, rendendo i vantaggi di migliori angoli di visualizzazione e riproduzione dei colori maggiori dei difetti. È, tuttavia, una tecnologia più costosa rispetto ai dispositivi nematici intrecciati.

Fig.3:La riga superiore caratterizza la natura dell'allineamento nell'utilizzo dell'IPS e la qualità degli angoli di visualizzazione. La riga inferiore mostra come viene utilizzato il nematico ritorto per allineare i cristalli e come gli angoli di visualizzazione ne sono influenzati.

La luce che passa attraverso il dispositivo proviene dalla retroilluminazione che può illuminare la parte posteriore o laterale del display. Poiché l'LCD non produce luce propria, deve utilizzare la retroilluminazione nel Modulo LCD. Questa sorgente luminosa si presenta più comunemente sotto forma di diodi emettitori di luce, meglio conosciuti come LED. Recentemente, i LED organici (OLED) sono entrati anche in uso. Tipicamente bianca, questa luce, se polarizzata correttamente, passerà attraverso il filtro colore RGB dello strato di substrato superficiale, visualizzando il colore segnalato dal dispositivo TFT.

 

 

Guida LCD TFT

Se si fa riferimento al primo paragrafo sotto "Evoluzione dei TFT" nell'ultimo articolo, "La storia dei display a transistor a film sottile”, ci sarà una spiegazione di base del transistor ad effetto di campo (FET). Il TFT è una forma di FET e quindi segue anche il principio guida dei FET. In sostanza, se viene applicata una tensione al gate di un TFT, la corrente del segnale può essere controllata o modificata. Questa corrente, chiamata tensione di pilotaggio, sul pannello LCD basato su TFT scorre quindi dalla sorgente al drenaggio e trasmette un segnale al suo sub-pixel, consentendo il passaggio della luce.

 

 

Architettura di un pixel TFT

All'interno di un LCD, ogni pixel può essere caratterizzato dai suoi tre sub-pixel. Questi tre sub-pixel creano la colorazione RGB di quel pixel complessivo. Questi sub-pixel agiscono come condensatori o unità di accumulo elettrico all'interno di un dispositivo, ciascuno con i propri strati strutturali e funzionali indipendenti come descritto in precedenza. Con i tre sub-pixel per pixel, è possibile miscelare colori di quasi tutti i tipi dalla luce che passa attraverso i filtri e il polarizzatore a diversa luminosità in base all'allineamento dei cristalli liquidi.

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