display a cristalli liquidi
(Liquid Cristal Display)
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Una tecnologia di fabbricazione dei display che per produrre unÆimmagine
utilizza filtri polarizzati e celle di cristalli liquidi al posto di uno
schermo fosforescente bombardato da un fascio di elettroni (vedi CRT). In
origine questi schermi erano solo monocromatici, ma oggi ne esistono anche
versioni a colori. Per controllare lÆintensità dei punti rossi, verdi e
blu che compongono lÆimmagine, il circuito di controllo modifica la
quantità di carica elettrica applicata a ciascuna cella di cristalli
liquidi. La luce viene innanzitutto polarizzata da un primo filtro, questo
significa che viene orientata su un singolo piano invece di essere diffusa
a 360 gradi come di solito, dopo di che attraversa la cella e viene
deviata in funzione dellÆorientamento assunto dai cristalli liquidi. La
quantità di luce che attraversa la singola cella dipende dalla quantità di
carica elettrica applicata a questÆultima. Se la luce viene deviata dal
proprio percorso originale oltre un certo angolo non riuscirà ad
attraversare un secondo filtro posto prima della maschera verde, rossa o
blu, attraverso cui deve passare per assumere la colorazione voluta. Gli
LCD vengono usati comunemente sui computer portatili.
Tutti i display che usano cristalli liquidi vengono costruiti
sovrapponendo a moÆ di sandwitch sette strati fondamentali. Al centro
cÆè lo strato molle dei cristalli liquidi veri e propri (alcuni micron di
spessore) contenuto tra due sottili lamine di vetro che hanno scanalature
rettilinee sulla superficie interna, quella rivolta verso il cristallo
liquido. Le scanalature sono ricavate depositando sulla superficie interna
del vetro una sottile pellicola trasparente che viene quindi ôarataö con
tecniche di precisione. Le scanalature della lamina superiore sono
perpendicolari rispetto a quelle della lamina inferiore. Di conseguenza i
cristalli, che seguono lÆorientamento delle scanalature incise sulla
superficie a loro più vicina, finiscono per descrivere una spirale che
ruota di 90 gradi, partendo dallÆorientamento logitudinale di una lamina
per arrivare a quello latitudinale dellÆaltra. Il nome assegnato a questo
genere di tecnologia è twisted nematic, vale a dire cristalli nematici
ruotati. La luce che entra da un estremo tende ad attraversare lo strato
di cristallo seguendo lÆorientamento dei vari ôfilamentiö di
questÆultimo. Di conseguenza esce allÆaltro estremo ruotata di 90 gradi.
Se aggiungiamo elettrodi trasparenti sul entrambe le superfici esterne
delle lamine trasparenti potremo applicare un campo elettrico che
costringa i cristalli a orientarsi tutti nella stessa direzione, azzerando
lÆinfluenza di attrazione spontanea esercitata dalle scanalature. Quando
il campo elettrico viene applicato, la luce attraversa il cristallo senza
subire alcuna rotazione. Questa variazione di fatto non è apprezzabile
dallÆocchio e perciò bisogna aggiungere altri due strati composti da un
filtro polarizzatore (del tipo impiegato nelle lenti per occhiali da sole
e in altri apparati). La caratteristica di questi filtri è di far passare
unicamente la luce orientata lungo un asse ben definito. Allineando questo
asse con la direzione delle scanalature incise sul vetro, avremo che la
luce entra esattamente alineata con lo primo strato di cristalli liquidi e
quindi prosegue seguendo la rotazione dei cristalli fino a uscire
allÆaltro estremo perfettamente allineata con il filtro di uscita.
Quando, però, si applica il campo elettrico e il cristallo abbandona la
condizione di riposo per allinearsi lungo una sola direzione, la luce
viene intercettata dal filtro in uscita, rispetto al quale ora è sfasata
di 90 gradi, e lo schermo appare nero o grigio scuro in quel particolare
punto. Potete riprodurre sperimentalmente questo fenomeno nella pratica
senza lÆausilio dei cristalli liquidi: prendete due filtri polarizzati
(magari le lenti di due occhiali Polaroid) e sovrapponetele: la luce
continuerà a passare, anche se attenuata dalla colorazione delle lenti.
Ora ruotate di 90 gradi una delle due lenti così che siano perpendicolari
tra loro e osservate che diventano sempre più scure a mano a mano che vi
avvicinate alla completa rotazione, dopo di che non vedrete più nulla.
Questa è la disposizione tipica dei filtri montati su un LCD e lÆunico
motivo per cui la luce attraversa il display è grazie allÆinfluenza del
cristallo che costringe il fascio luminoso a ruotare di 90 gradi lungo il
suo percorso. Quando viene invece applicato il campo elettrico, i
filamenti di cristallo diventano tutti paralleli, di conseguenza la luce
non viene più ruotata e viene bloccata. Per questo motivo i display a
cristalli liquidi vengono anche chiamati LCD shutter, vale a dire
otturatori LCD, prendendo il termine a prestito dalla fotografia. Quando
lÆotturatore di una macchina fotografica si apre, la luce passa e la
pellicola viene impressionata, quando si chiude, il passaggio cessa e
lÆinterno rimane buio.
A seconda del numero di elettrodi che costruiamo nei due strati intermedi,
avremo tanti punti o aree del display che si comporteranno come tanti
otturatori indipendenti, descrivendo nellÆinsieme lettere, numeri o
figure.
I più elementari display LCD, quelli montati sugli orologi, sulle
calcolatrici e sui pannelli di controllo, usano questo genere di struttura
e aggiungono semplicemente su uno dei due lati una superficie riflettente
così che la luce entri dallÆalto e venga riflessa allÆindietro oppure
non venga riflessa, mostrando unÆarea nera o grigia, quando viene
applicata tensione allÆelettrodo corrispondente a quella particolare area.
Poiché gli elettrodi sono costruiti in materiale plastico, è possibile
conferire loro qualsiasi forma a piacimento. La prima forma sperimentata,
che ciascuno di noi conosce, è quella dei sette segmenti allungati che
composti tra loro formano una cifra o una lettera: li si trova in orologi
e calcolatrici e sono gli eredi dei precedenti display LED(tipicamente
rossi o verdi) che li hanno preceduti e che avevano il pregio di emettere
luce e di essere quindi anche visibili al buio, ma che comportavano lo
svantaggio di consumare parecchia corrente (in rapporto alla capacità
delle batterie miniaturizzate usate in un orologio).
Successivamente si è passati a realizzare display con singoli punti,
piuttosto grossolani, ma abbastanza numerosi per tracciare lettere
maiuscole e minuscole, simboli e cifre (li si vede negli apparati
industriali, sui pannelli di controllo incorporati in alcune stampanti o
server, e sono stati anche utilizzati per i monitor computer: chi è
vecchio del mestiere si ricorderà il mitico portatile M10 Olivetti).
Oggi si possono costruire display a specchio con punti tanto piccoli da
poter visualizzare anche immagini grafiche di ragionevole qualità (come
nei computer palmari) oppure figurine che simboleggiano la batteria, il
disco rigido, la spina dellÆalimentatore e altro ancora, nei pannelli di
controllo integrati sopra la tastiera di molti notebook.
La vera svolta nellÆimpiego dei cristalli liquidi come tecnologia di
visualizzazione è arrivata con lÆimpiego del colore. Condizione primaria
per realizzare un oggetto di questo tipo è disporre della
retroilluminazione, cioè una fonte luminosa uniforme e regolabile che si
trovi dietro al pannello LCD e che attraversi questÆultimo per arrivare
fino agli occhi dellÆosservatore. In questo caso non si usa uno specchio
che rifletta la luce che entra nel display dal davanti, bensì
lÆilluminazione arriva da dietro e può essere vista agevolmente anche in
condizioni dÆilluminazione ambientale scarsa. Anzi, a differenza di
quanto avviene con i display a luce riflessa, che si vedono meglio quando
la luce circostante è alta, i monitor retroilluminati perdono di qualità
quando usati allÆaperto o molto vicino a una finestra da cui entra il
sole.
Il colore è ottenuto facendo passare la luce attraverso tre filtri
colorati (rosso, verde e blu, come nella televisione, e sommando in un
singolo punto - pixel - lÆeffetto dei tre punti). A ciascun punto
corrisponde un elettrodo e mediante lÆapertura o la chiusura
dellÆotturatore elettronico corrispondente otteniamo tre punti tutti
oscurati (nero) oppure uno, due o tre punti illuminati, che combinandosi
ci danno un punto con diverse colorazioni (per lo meno 256, anche se ormai
è comune trovare display con 65.536 colori e la tecnologia si sta
spingendo oltre).
UnÆaltra caratteristica di questi display è la dimensione. I primi LCD a
colori per notebook avevano una diagonale di circa 8 pollici e risultavano
perciò decine di volte più grandi dei tradizionali display LCD a striscia
che vediamo sui pannelli di controllo o sulle calcolatrici. Col tempo la
dimensione è cresciuta fino ad arrivare a 14 pollici e già esistono anche
display più grandi. LÆaumento della dimensione ha sollevato il problema
di uniformare la qualità di visualizzazione e di aumentare la risoluzione.
Il primo passo in questo senso è stato di ampliare il grado di torsione
dei cristalli portandolo a 270 gradi. Si parla in questo caso di STN (
SuperTwisted Nematic). La tecnica STN consente di ottenere un contrasto
migliore su schermi di grandi dimensioni, contrasto che viene
ulteriormente migliorato quando si aggiunge una seconda cella STN sopra la
prima facendo in modo che la rotazione delle due sia contrapposta e
risulti un punto completamente bianco. Questa sovrapposizione viene
identificata con la sigla DSTN (Double Super Twisted Nematic) e migliora
anche la resa cromatica dellÆimmagine. I display DSTN sono più pesanti e
corposi degli STN, ma correggono lÆalterazione dei colori che si nota in
questi ultimi. Una terza variante prende il nome di TSTN (Triple Super
Twisted Nematic). Si tratta sempre di DSTN a cui sono stati aggiunti due
sottili strati di pellicola polimerica (plastica) con altro potere di
rifrazione e idonea per costruire display monocromatici di qualità
eccellente oppure per migliorare ulteriormente la resa cromatica dei
display a colori.
La gran parte dei notebook con display a matrice passiva usa la tecnologia
DSTN o TSTN. Si parla di matrice perché lo schermo è suddiviso in una
serie di punti, ciascuno indirizzato separatamente. Dalla combinazione di
punti accesi e spenti si forma lÆimmagine grafica colorata. La sua
formazione assomiglia a quella del quadro televisivo: si traccia una riga
alla volta, aprendo o chiudendo tutti i pixel di quella riga (così che
facciano o meno passare la luce che arriva dalla lampadina di
retroilluminazione), quindi si passa alla riga successiva fino a che si
raggiunge il fondo del display e si ricomincia da capo. Non appena il
campo elettrico viene tolto, lÆimmagine della prima riga appena tracciata
comincia a dissolversi e questa dissolvenza diventa sempre più accentuata
a mano a mano che si scende con le righe successive. LÆunico motivo per
cui lÆimmagine non scompare immediatamente è che i cristalli per DSTN
restano in posizione per qualche tempo anche dopo che il campo elettrico
ha cessato dÆinfluenzarli. Lo svantaggio di questo genere di display è
che lÆimmagine appare abbastanza slavata e tende anche un poco a
sfarfallare (si nota la scansione progressiva verso il basso e
lÆaltrettanto progressiva dissolvenza). Inoltre, poiché i cristalli usati
sono di tipo ôlentoö, al fine di mantenere le informazioni per un certo
tempo, il display a matrice passiva non si presta a visualizzare immagini
in rapido movimento e presenta spesso effetti di striatura orizzontali e
verticali, per il fatto che gli elettrodi di una certa riga o di una certa
colonna sÆinfluenzano tra loro, creando aloni che prolungano le cornici
delle finestre fino ai bordi dello schermo.
Un modo per migliorare il funzionamento di questi oggetti consiste nel
dividere lo schermo in due metà verticali e nellÆeseguire una doppia
scansione contemporanea, costruendo due linee alla vota, una nella metà
superiore e una nella metà inferiore, arrivando solo sino alla fine di
quella metà prima di ricominciare. In questo modo lo schermo viene
rigenerato il doppio delle volte, lÆimmagine risulta più brillante e
meglio definita e lo sfarfallio scompare quasi del tutto. Questo genere di
display viene definito dual scan. Resta pur sempre il problema che
lÆimmagine risulta praticamente invisibile a chi osserva lo schermo con
una leggera angolazione, come potrebbe accadere a uno spettatore che
guarda il nostro lavoro al computer, e la velocità di rigenerazione non è
comunque tale da permettere la visualizzazione dÆimmagini in rapido
cambiamento (il tempo di risposta medio è di 300 millisecondi). Inoltre,
al crescere della risoluzione, si moltiplica anche il numero di linee da
tracciare e perciò, un display dual scan che potrebbe essere abbastanza
nitido alla definizione di 640 x 480 (ogni metà è composta da 240 righe)
diventa subito meno inciso a 800 x 600 punti (si aggiungono 60 righe per
ciascuna metà), una risoluzione ormai abbastanza diffusa anche nei
notebook economici.
Fino a tre anni fa, la gran parte degli utenti di notebook usava display a
matrice passiva. Chi aveva budget limitati lavorava con schermi
monocromatici, chi invece aveva qualche lira in più si concedeva il lusso
del colore. Solo pochi potevano permettersi la nitidezza e la brillantezza
della matrice attiva. Oggi la situazione si va rapidamente trasformando e,
benché la percentuale di utilizzatori di tecnologia DSTN sia ancora
corposa, lÆutente medio cerca di puntare al massimo della qualità, magari
risparmiando sulle dimensioni del display.
La matrice attiva offre notevoli vantaggi. Innanzi tutto la luminosità è
molto maggiore e lÆangolo di visione si estende a 45 gradi e oltre,
consentendo anche agli spettatori vicini di vedere quel che compare sul
monitor del computer. ╚ possibile visualizzare immagini in rapido
movimento senza scie o discontinuità (il tempo di risposta è di 50
millisecondi invece di 300 millisecondi) e senza sfarfallio, di
conseguenza questa tecnologia può anche essere utilizzata per i computer
convenzionali (al posto del tubo a raggi catodici, ingombrante e poco
salutare) oppure come schermo per le nuove televisioni ultra piatte. Il
contrasto è superlativo (150 o 200 a 1 contro il 30 a 1) perciò si ha un
distacco tra nero e bianco persino migliore di un tubo a raggi catodici e
il testo diventa facilmente leggibile. I due soli inconvenienti sono il
prezzo, peraltro tendenzialmente in calo grazie al miglioramento dei
processi produttivi, e il consumo, che richiede lÆimpiego di batterie più
capienti e più costose.
Il principio di funzionamento è molto simile a quello di un display LCD
con matrice passiva di tipo base (TN - Twisted Nematic). Anche qui abbiamo
una fonte di retroilluminazione che genera una luce bianca che viene
filtrata attraverso due filtri polarizzatori perpendicolari tra di loro e
tre filtri colorati (rosso, verde e blu) posti a strisce alternate una
vicina allÆaltra così da formare gruppi di tre sub-pixel la cui somma
genera un singolo pixel (punto luminoso) variamente colorato. LÆunico
cambiamento è nella matrice degli elettrodi che pilotano le singole celle
( i singoli sub-pixel). Invece di avere soltanto coppie di elettrodi che
ricevono tensione ciclicamente a mano a mano che il display viene
rigenerato, qui si aggiunge un transistor di memoria per ciascuna cella.
Il transistor è un componente elettronico capace di memorizzare
unÆinformazione digitale (0 oppure 1). Perciò, una volta che riceve
lÆinformazione, il transistor la memorizza mantenendo la cella in quello
stato fino a quando una nuova informazione viene fornita. Di conseguenza è
possibile usare uno strato di cristalli più sottile e fluido visto che, a
differenza di quel che accade nei display DSTN, non dobbiamo più contare
sullÆinerzia del singolo cristallo per mantenere visibile lÆimmagine
quando lo schermo viene ridisegnato (o semplicemente rinfrescato) una riga
per volta. Il transistor è collocato sul dorso della lastra trasparente
(vetro) sul retro del display. Per questo motivo deve essere a sua volta
trasparente e non impedire il passaggio della luce. La materia utilizzata
per fabbricarlo è un film (pellicola) sottile di materiale plastico, da
cui il nome TFT, Thin Film Transistor Ç transistor a film sottile. Lo
strato è talmente sottile da essere nellÆarco del decimillesimo di
millimetro e del centimillesimo di millimetro, cioè da un decimo a un
centesimo di micron. Per realizzare uno spessore tanto ridotto è
necessario un processo produttivo molto preciso e controllato, e diventa
quasi impossibile evitare difetti visto anche il numero di transistor che
bisogna distribuire sulla matrice del display. Un tipico schermo a colori
con una risoluzione SuperVGA usa 800 x 600 x 3 colori = 1.440.000
transistor individuali. Diventa perciò normale avere, anche nei display
più pregiati, un certo numero di transistor difettosi che compaiono nella
forma di un puntino (pixel) che rimale sempre illuminato di un certo
colore oppure sempre nero (partecipa solo in parte alla visualizzazione
dellÆimmagine, del testo o della grafica riprodotti sullo schermo).
Secondo i propri parametri di qualità, ciascun produttore definisce il
numero di sub-pixel difettosi ammissibile in una determinata area. Diciamo
che, per un display SVGA, si possono accettare fino a dieci o quindici
difetti e che la distanza minima ammissibile tra due difetti è di 5
millimetri. Se il numero di difetti supera la ventina oppure ci sono
interi grappoli di punti difettosi riuniti insieme, il display va scartato
e bisogna chiedere al fornitore o al rivenditore di sostituirlo. Chiunque
può eseguire questo controllo a occhio nudo, portando sullo schermo uno
sfondo completamente nero, completamente bianco, completamente verde,
completamente blu e completamente rosso.
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