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Il blog di Mauro Boscarol sulla gestione digitale del colore dal 1997

Nella serie Periferiche digitali: monitor e stampa

Tecnologie per i monitor: LCD

A scuola ci hanno insegnato che la materia può trovarsi in tre distinti stati (o fasi) di aggregazione: solido, liquido, gassoso. In realtà esistono molte altre fasi della materia, una delle quali è la mesofase, uno stato intermedio tra il solido e il liquido: i cristalli liquidi, scoperti nel 1888 dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer, si trovano in questo stato intermedio.

I cristalli liquidi sono composti organici che hanno sia proprietà dei liquidi sia proprietà dei cristalli: come i liquidi possono essere versati ma come i cristalli mantengono una struttura molecolare ordinata.

Si distinguono quattro diverse mesofasi, a cui corrispondono quattro tipi di cristalli liquidi: nematica (dal greco “tessuto”), smectica (dal greco “sapone”), colesterinica e colonnare. Nei monitor vengono usati prevalentemente cristalli liquidi in fase nematica.

Le molecole nei cristalli liquidi nematici hanno forma allungata e tendono a puntare tutte più o meno nella stessa direzione (in questo assomigliano ai cristalli), ma sono disordinate (in questo assomigliano ai liquidi). È comunque possibile fare in modo che le molecole si allineino lungo una qualunque direzione, ponendoli tra strati di allineamento.


Monitor a cristalli liquidi

I primi esperimenti per la realizzazione di monitor a cristalli liquidi sono stati fatti dalla RCA nel 1968, ma è solo dall’inizio del 21º secolo (cioè più o meno dal 2000) che i monitor LCD a colori sono diventati economicamente accessibili a tutti.

In un pannello a cristalli liquidi ogni subpixel è una minuscola cella alla quale si applica un campo elettrico che regola la quantità di luce che i cristalli liquidi fanno passare attraverso la cella stessa.

Ogni pixel è costituito da tre celle (subpixel) ognuna delle quali è dotata rispettivamente di un filtro rosso (R), verde (G) e blu (B). La matrice (o pannello) è a sua volta costituito da milioni di pixel.

Per esempio una matrice con 1680 pixel di base e 1050 pixel di altezza ha 1 764  000 pixel, corrispondenti a 5  292  000 subpixel. Ad ognuno di questi subpixel viene applicato un campo elettrico che modula il passaggio della luce.

Un monitor a cristalli liquidi è composto dalla matrice e dai dispositivi e circuiti che la controllano (tra questi la retroilluminazione, le interfacce video e altri).

Dalla matrice dipendono la luminanza del bianco e del nero, il rapporto di contrasto, il tempo di risposta, il pitch, l’angolo di visione. Dal controllore della matrice dipendono la retroilluminazione, la cromaticità del bianco e le eventuali lookup table.


Dettagli sui cristalli liquidi

In un monitor a cristalli liquidi ogni subpixel è una minuscola cella costruita come un sandwich: consiste in due  pareti di vetro, una posteriore ed una anteriore, rivestite con due pellicole polarizzanti tra loro perpendicolari così sottili da essere trasparenti. In mezzo stanno le molecole di cristallo liquido parallele alle pareti e disposte su vari livelli.

Quelle del livello anteriore sono però ruotate di un angolo retto rispetto a quelle del livello posteriore e quelle dei livelli intermedi descrivono un’elica lungo lo spessore della cella.

In questa configurazione detta twisted on la luce che attraversa la pellicola posteriore viene polarizzata di 90°, cioè ruotata di un angolo retto e  può attraversare anche la pellicola anteriore. La cella appare del colore della luce.

Se si applica un potenziale tra i due strati metallici le molecole si dispongono perpendicolarmente ad entrambe le pareti. In questa condizione detta twisted off la luce attraversa la pellicola posteriore e non viene modificata dunque non riesce ad attraversare quella anteriore perché  è polarizzata a 90°. La cella appare nera. Applicando un potenziale intermedio solo una parte della luce può attraversare la cella.

In sintesi, applicando un dato potenziale alla cella, si può fare in modo che la cella trasmetta una data quantità di luce, cioè si può modulare la quantità di luce trasmessa.


Illuminazione (tubo fluorescente, Led)

La cella LCD è un elemento passivo e non attivo, cioè non produce luce, ma semplicemente modula la luce che passa attraverso di essa.

La luce che viene trasmessa attraverso la cella può essere la luce esterna riflessa da uno specchio sul fondo della cella, oppure può essere una retroilluminazione (backlight) fornita (tipicamente) da tubi fluorescenti oppure da una serie di LED (light emitting transistors) posti sul retro del pannello.

La retroilluminazione con tubi fluorescenti fornisce una luce bianca di determinata cromaticità. Con la tecnologia LED la retroilluminazione è formata da un certo numero (3-40) di LED, ognuno indipendentemente controllabile. In questo modo è possibile agire sulla composizione della luce e ottenere la cromaticità desiderata. Inoltre i LED richiedono minore tensione, durano più a lungo, sono più luminosi e consentono di ottenere un gamut di colore più ampio.

I monitor LCD sono classificati secondo la tecnica utilizzata per applicare il campo elettrico alle singole celle e secondo il tipo di cristalli liquidi all’interno delle celle.


Indirizzamento delle celle (matrice attiva TFT, matrice passiva)

Esistono due tecnologie di applicazione del campo elettrico alle singole celle.

La prima tecnologia è detta a matrice passiva e consiste nel porre davanti al video una serie di elettrodi, cioè conduttori trasparenti disposti a griglia.

La seconda tecnologia utilizza una matrice attiva, cioè l’indirizzamento delle celle avviene alle spalle delle stesse ed è tipicamente realizzato con una matrice di thin film transistors (TFT), uno per ogni cella, sistemati su un substrato di vetro. Le righe della matrice sono a terra e su una colonna viene mandato un potenziale positivo, indirizzando così una singola cella. In questo caso è sufficiente la presenza di una unica lastra trasparente con funzioni di terra.

I cristalli liquidi sono materiali viscosi e richiedono un certo tempo per modificare il loro stato quando si modifica il campo elettrico applicato. Il tempo che una cella impiega per passare dal nero al bianco e di nuovo al nero (in realtà dal 10% al 90% al 10% di luminanza) è chiamato tempo di risposta (response time) e determina la durata del ciclo di refresh. Il tempo di risposta è attorno ai 12-25 ms e determina l’utilizzabilità del pannello nei diversi ambiti applicativi: grafica statica o in movimento.


Tecnologie per i pannelli LCD

I pannelli LCD sono realizzati con le tecnologie TN+film, MVA, PVA, S-PVA e IPS.

Il pannello TN twisted nematic (cristalli liquidi nematici ritorti) è il più comune ed è caratterizzato da un bassissimo consumo ed ha avuto subito applicazione nel campo dei computer portatili. Tra gli svantaggi vi era inizialmente un contrasto piuttosto ridotto e un angolo di visione piuttosto ristretto (circa 20°), dovuti anche alla presenza dello strato di elettrodi trasparenti davanti al video. Ora queste caratteristiche sono state migliorate, l’angolo di visione può arrivare fino a 160° (comunque meno delle altre tecnologie LCD) e il tempo di risposta è molto basso. Nel mercato dei monitor LCD fino a 17” la tecnologia TN+film è quella dominante.

Nel pannello MVA (Multi-domain Vertical Alignment) ogni cella è suddivisa in più parti (domini) entro le quali i cristalli si allineano in modo diverso. L’immagine resta visibile da angoli molto elevati (l’angolo di visione arriva a 170°) e ne guadagna il contrasto diminuendo la fuoriuscita di luce quando le celle sono spente.

PVA (Patterned Vertical Alignment) e S-PVA (Super-PVA) sono varianti di MVA (sviluppate principalmente da Samsung). Offrono un contrasto molto elevato fino a 3000:1.

Nel pannello S-IPS (Super In-Plane Switching) e H-IPS gli elettrodi sono posizionati ai lati, la corrente elettrica viaggia in orizzontale. Aumenta l’angolo di visione, ma viene trasmessa una quantità inferiore di luce ed è necessaria una sorgente luminosa di grande potenza. Sono probabilmente i migliori ma anche i più costosi.


Caratteristiche

I monitor a cristalli liquidi hanno numerosi vantaggi: alta risoluzione, uniformità nello spazio e nel tempo (perché ogni singolo pixel può essere indirizzato separatamente e non viene influenzato dai pixel adiacenti). Inoltre sono sottili (anche meno di un centimetro) e leggeri, necessitano di una potenza elettrica molto bassa, non espongono l’utente ai pericoli dei raggi catodici. A risoluzione nativa forniscono una qualità di immagine eccellente.

Presentano tuttavia anche alcuni difetti: una risoluzione temporale bassa (problemi con le immagini dinamiche); gamut di colore leggermente ridotto rispetto ai monitor CRT (soprattutto a causa del primario blu). A risoluzione non nativa, le immagini in un monitor LCD appaiono meno chiare, meno distinte (blurry).

Inoltre, a causa della complessa costruzione, la probabilità che un monitor abbia un pixel guasto è maggiore per gli LCD che per i CRT.

I principali costruttori di pannelli a cristalli liquidi hanno tutti sede nell’estremo oriente:

Estremo Oriente

Informazioni

Liquid crystal display Wikipedia

TFT LCD Wikipedia

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Mauro Boscarol

13/10/2008 alle 13:59

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