Come funziona l'LCD?

Come funziona l'LCD?

Se hai familiarità con i display, dai computer portatili agli orologi digitali, molto probabilmente sei entrato in contatto con l'LCD, abbreviazione di display a cristalli liquidi. Gli schermi LCD e le tecnologie LCD sono aumentati in importanza negli ultimi decenni, in particolare superando il precedente popolare tubo a raggi catodici (CRT), poiché le complessità sotto la superficie del display sono migliorate in termini di qualità ed efficienza.

Maggiori informazioni sulla tecnologia LCD si possono trovare qui:

Cosa sono i cristalli liquidi?

Pannelli LCD possono essere classificati come display a schermo piatto. Ciò che li distingue dalle altre tecnologie di visualizzazione è lo strato di materiale a cristalli liquidi all'interno. In questo strato sottile, le molecole di cristalli liquidi sono allineate tra due substrati di vetro. Sulle superfici interne di ciascuno di quei substrati giacciono degli elettrodi che controllano i portatori di carica come gli elettroni che poi interagiscono con i cristalli liquidi, creando un campo elettrico che li attraversa; questo, a sua volta, può modificare l'allineamento dei cristalli, modificando anche il comportamento complessivo delle molecole. Sui lati opposti del substrato vengono utilizzati dei polarizzatori per controllare i livelli di passaggio della luce, influenzando l'immagine complessiva del display.

Come funzionano i display a cristalli liquidi?

A differenza dei monitor CRT, i monitor LCD non possono illuminarsi da soli e quindi richiedono una fonte di luce: la retroilluminazione. Questa retroilluminazione è più frequentemente costituita dai noti LED che stanno per diodi emettitori di luce. Proveniente dalla retroilluminazione, la luce viene spostata attraverso il polarizzatore posteriore e il substrato posteriore, nei cristalli liquidi. Ora, le onde luminose possono comportarsi in vari modi. La retroilluminazione utilizzata nei display LCD può essere la retroilluminazione a LED (Light Emitting Diode) o la retroilluminazione CCFL (lampada fluorescente a catodo freddo). La retroilluminazione a LED utilizza meno energia che diventa più popolare, mentre CCFL ha un costo inferiore per i display LCD di grandi dimensioni come i televisori LCD di grandi dimensioni. Recentemente, la tecnologia dei punti quantici viene utilizzata per aumentare il contrasto LCD.

Gli elettrodi sono i fattori di controllo del comportamento dei cristalli liquidi e quindi anche del comportamento della luce. Conducendo o non conducendo una corrente nello strato di cristallo, la luce può o meno essere in grado di passare attraverso i cristalli liquidi in modo tale da consentire il passaggio attraverso il polarizzatore. A causa di questo ruolo, gli elettrodi negli LCD sono spesso realizzati in ossido di indio e stagno (ITO). ITO ha buone proprietà conduttive e può anche creare un elettrodo trasparente che è essenziale per l'aspetto dei display oggi.

Il modo in cui gli elettrodi influenzano l'allineamento dei cristalli liquidi può variare a seconda del metodo di allineamento utilizzato (nematic intrecciati, multi-dominio, commutazione nel piano). Ad esempio, i cristalli liquidi nematici ritorti sono orientati in torsione quando non è presente un campo elettrico che poi polarizza la luce che passa attraverso lo strato; quando gli elettrodi applicano il campo per intero, la torsione si raddrizzerà, non polarizzando più la luce, e quindi non passa luce. In ciascuno di questi tipi di allineamento, gli elettrodi sono posizionati in modo diverso all'interno della struttura, alterando le proprietà del display, come l'ampiezza dell'angolo di visione, il consumo energetico e il tempo di risposta. Nonostante questi diversi metodi di allineamento, lo scopo dello strato di cristalli liquidi rimane lo stesso: polarizzare la luce in modo che la luce polarizzata passi attraverso la superficie del display. Polarizzando la luce trasmessa dalla retroilluminazione, le molecole di cristalli liquidi giocano un ruolo nella quantità di luce che passa attraverso i filtri polarizzatori, che sia tutta, nessuna o una quantità parziale.

 

Per i display a colori, c'è un passaggio aggiuntivo tra la polarizzazione e l'interazione con il polarizzatore. Dopo la polarizzazione nello strato di cristallo, la luce passa attraverso un filtro colorato RGB (rosso verde blu). I display LCD funzionano utilizzando singoli pixel per visualizzare immagini, in movimento o fermi. Ogni pixel visualizzerà un colore mescolato dal filtro colore RGB con il filtro di ogni colore associato a uno dei pixel secondari del pixel. I sub-pixel sono dove viene determinato il grado di luce, influenzando così il grado di risalto del rispettivo colore. Con i gruppi di sub-pixel combinati sotto un pixel, i colori RGB si mescoleranno in un certo modo per creare un colore di pixel che funzionerà poi con altri pixel per creare finalmente l'immagine vista sul dispositivo di visualizzazione.

A differenza dei CRT, il burn-in dei display LCD è recuperabile.

 

Come è fatto uno schermo LCD?

Per costruire un LCD, vengono preparati i due substrati di vetro. Su un substrato, ITO viene tipicamente depositato per formare uno strato trasparente ma conduttivo (lo strato di elettrodo). Il silicio viene quindi depositato sopra lo strato ITO insieme alle parti del transistor. Sull'altro livello, il filtro colore è realizzato utilizzando punti colorati RGB. Il cristallo liquido viene quindi fatto cadere in piccole quantità nelle celle a transistor costituite dal primo foglio e viene utilizzato come collante quando i due substrati di vetro vengono uniti, allineando esattamente le celle a transistor con i filtri colorati. Infine, il film polarizzatore viene aggiunto su entrambi gli strati

Quali sono i tipi e gli usi di LCD?

Dallo sviluppo del primo LCD, le tecnologie a matrice che organizzano la comunicazione tra i pixel e il segnale generale al display si sono evolute per consentire display a risoluzione più elevata, più veloci e più nitidi. Prima dello sviluppo della matrice attiva, veniva utilizzata la matrice passiva. Il LCD a matrice passiva non utilizzava circuiti di pilotaggio attivi per mantenere le informazioni sui pixel e quando un'immagine doveva essere rinfrescata, solo allora veniva inviato un segnale. Ciò ha comportato visualizzazioni lente e macchiate quando le immagini mostrate cambiavano o si muovevano. Tuttavia, l'ingresso di display a matrice attiva ha rivoluzionato il settore degli schermi. Le immagini in movimento erano ora molto più chiare e potevano rispondere più velocemente alle immagini che cambiano, consentendo visualizzazioni di qualità migliore. A causa della manutenzione attiva e indipendente dei circuiti di pilotaggio all'interno di ciascun pixel, gli LCD a matrice attiva (AMLCD) si sono rivelati estremamente attraenti per i consumatori, diventando così la tecnologia dominante per schermi ad alta risoluzione come monitor di computer, TV e smartphone.

Gli AMLCD sono più frequentemente costruiti con transistor a film sottile (TFT). I transistor in un LCD TFT consentono il mantenimento attivo del segnale all'interno di un pixel senza interferenze con i pixel vicini, rendendoli una parte essenziale della maggior parte degli AMLCD. Ogni pixel è un piccolo condensatore con uno strato di cristalli liquidi isolanti racchiusi tra strati ITO conduttivi trasparenti.

 

Come accennato in precedenza, esistono vari modi per allineare lo strato di cristalli liquidi e ciascuna di queste tecniche crea un diverso tipo di LCD. Ad esempio, il LCD TN, essendo una delle opzioni più economiche ma anche più veloci, è diventato molto utile nei display da gioco dove c'è una richiesta di frequenze di aggiornamento grafico e tempi di risposta rapidi.

La tecnologia LCD ha trovato impiego anche nell'industria automobilistica (cruscotti dell'auto e display) e nell'industria medica (imaging radiologico).

 

Confronto della tecnologia LCD: allora e ora

Come accennato in precedenza, gli LCD si basano su una retroilluminazione per illuminare il display e i suoi pixel. Questo è stato il caso dal primo LCD creato negli anni '1960. Per decenni dopo, i display erano piuttosto limitati in termini di dimensioni e risoluzione. I colori non erano così dinamici.

Negli anni '1980 sono stati realizzati display su larga scala, come il primo LCD TFT a colori da 14 pollici. Da allora, la tecnologia ha continuato a crescere rapidamente fino a diventare ciò che vediamo oggi, con la varietà di smartphone e schermi TV migliorati.

Negli ultimi anni, il LED organico (OLED) è cresciuto in modo significativo nella sua natura espositiva e nelle sue potenzialità. I display OLED hanno vantaggi che gli LCD non hanno. Usando piccole molecole o polimeri, l'OLED non necessita di retroilluminazione; piuttosto, ogni pixel ha le sue capacità di produzione di luce organica. Ciò non solo riduce lo spessore dell'OLED rispetto all'LCD, ma consente anche neri più profondi e rapporti di contrasto più elevati. Strutturalmente, oltre alla retroilluminazione, però, i due display sono simili, in quanto entrambi possono utilizzare sia matrici passive che attive, entrambi spesso includono strati TFT, ed entrambi possono essere resi trasparenti. L'OLED ha un altro vantaggio rispetto all'LCD quando si tratta di struttura; senza la retroilluminazione, può essere reso flessibile, consentendo display più nuovi e avanzati come negli smartphone pieghevoli.

 

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