Monitor per PC in tecnologia LCD - TFT

1. ITIS di Santhià – Dipartimento di Informatica Monitor per PC in tecnologia LCD - TFT Modulo didattico “L’Hardware del P.C.” Ultima revisione 28 gennaio 2005 Autore M. Lanino

2. Introduzione La tecnologia più diffusa, dopo quella Crt(Cathode Ray Tube), è oggi la Lcd (Liquid Crystal Display). Impiegata, in particolare nei computer portatili, gioca anche un ruolo fondamentale nei proiettori di dati. Inoltre, sta invadendo il mercato dei desktop monitor e viene utilizzata in dispositivi a visione oculare. La tecnologia stessa è più vecchia di quanto si possa pensare. Le proprietà speciali dei cristalli liquidi furono scoperte nel 1888 da un botanico austriaco, F. Renitzer. Ci vollero poi 85 anni prima che tali proprietà venissero commercialmente sfruttate. La compagnia giapponese Sharp Electronics ha creato il primo prodotto nel 1973: un calcolatore elettronico con un display digitale.

3. I cristalli liquidi Il termine "cristalli liquidi" deriva dal fatto che le molecole utilizzate sono cristalli, ma formano un liquido invece di un solido. I cristalli liquidi hanno tre caratteristiche importanti: • ·Se applichiamo un campo elettrico a uno strato di cristalli liquidi, questi si orienteranno in relazione ai poli positivo e negativo del campo. • ·In assenza di questo, cercheranno di allinearsi parallelamente uno all'altro, ma in presenza di una superficie con delle sottili scanalature lo strato vicino alla superficie si allineerà con esse. • ·Una terza caratteristica che rende utili i cristalli liquidi fa sì che un loro strato possa deviare le onde luminose. Uno strato di cristalli liquidi agisce come polarizzatore (è in grado di filtrare tutte le onde luminose, tranne quelle che sono orientate in una direzione specifica).

4. Conseguenza Inoltre, se i cristalli nello strato ruotano, le onde luminose seguiranno la rotazione e usciranno dall'altra parte dello strato con un'orientazione differente da quella di entrata. Questi tre attributi, presi complessivamente in considerazione, consentono ai cristalli liquidi di essere utilizzati come un interruttore - o cella - che può sia bloccare che trasmettere luce. La superficie inferiore e quella superiore della cella sono fatte di sottili righe in rilievo, che fanno in modo che le molecole vicine a queste due superfici si allineino in parallelo. Le righe sulle superfici superiore e inferiore sono in diagonale una rispetto all'altra. I cristalli liquidi cercano di allinearsi con entrambe le superfici e quindi ruotano leggermente tra esse. Il risultato è uno strato elicoidale che può far ruotare la luce che passa attraverso di esso. Se si applica un campo elettrico attraverso lo strato di cristalli liquidi, tutte le molecole si allineeranno per eguagliare il flusso del campo, che elimina la rotazione della luce. Ne consegue che la presenza o assenza di corrente elettrica può determinare se la luce verrà trasmessa oppure bloccata.

5. Spieghiamo meglio il funzionamento … A questo proposito si veda la figura a lato, che riporta: In a la sezione di un display a 7 segmenti LCD In b la forma degli elettrodi che lo compongono In c gli andamenti delle tensioni da applicare all’elettrodo comune e ad agli elettrodi di segmento del display nel caso lo si desideri accendere o spegnere il segmento.

6. LCD a matrice passiva Le singole celle di cristalli liquidi sono strette tra due serie di elettrodi. Gli elettrodi sullo strato inferiore sono perpendicolari rispetto a quelli sullo strato superiore. Ne consegue che, attivando una fila e una colonna di elettrodi, verrà generato un campo elettrico attraverso una cella specifica. Le matrici passive creano un'immagine attivando ciascuna fila di elettrodi per volta e, mentre viene selezionata una fila, selezionano una colonna di elettrodi per accendere alcuni pixel in quella fila. Il meccanismo è semplice, e aggiunge un modesto costo alla produzione dello schermo.

7. LCD a matrice attiva Come gli schermi a matrice passiva, gli Lcd a matrice attiva hanno elettrodi trasparenti fatti di ossido di indio e stagno che scorrono in file e colonne all'interno della superficie superiore e di quella inferiore. La differenza con quelli a matrice passiva consiste nel fatto che la corrente viene accesa o spenta in ciascuna cella grazie a un piccolo transistor. I transistor sono fabbricati sul substrato dello schermo utilizzando pellicole sottili. È per questo motivo i display Lcd a matrice attiva vengono anche chiamati thin-film transitor (Tft). I transistor possono accendere o spegnere le celle più rapidamente del sistema a matrice passiva e con meno interferenze elettriche. Gli Lcd utilizzano inoltre una retro illuminazione per illuminare posteriormente lo strato di cristalli liquidi e creare un’immagine dotata di buon contrasto. La luce che fuoriesce dalla matrice di elettrodi risulta purtroppo molto direzionale e quindi occorre intervenire per allargare l’angolo di visione.

8. La riproduzione dei colori Le celle Lcd variano anche la luminosità secondo la tensione applicata, ma solo gli schermi a matrice attiva consentono di controllarla pixel per pixel. Ciascun subpixel di uno schermo Lcd è utilizzato per produrre luce rossa, verde o blu, grazie a dei minuscoli filtri colorati. I subpixel bloccano o trasmettono ai filtri delle quantità variabili di luce. Un comune schermo impiega un controllore a 8 bit, che può produrre 256 tonalità. Con ciascun subpixel capace di produrre 256 tonalità, abbiamo 16.777.216 colori per pixel. Anche l'intensità di colore a 24 bit non è ideale, poichè la reazione dell'occhio umano non è lineare. Per questo gli ingegneri che si occupano di Lcd regolano le tensioni applicate a intervalli diversi, in modo che i colori sembrino più uniformi.

9. Ma qualche difettuccio c’è… Gli Lcd hanno un netto svantaggio rispetto ai Crt quando mostrano immagini in rapido movimento come nel caso di filmati. Gli Lcd dipendono infatti da un movimento meccanico (la rotazione dei cristalli), che ha una sua specifica latenza. L'intervallo di tempo è formalmente chiamato tempo di risposta ed è misurato in millisecondi. Gli schermi a matrice passiva hanno tempi di risposta molto lenti - circa 150 millisecondi o più - e quindi non sono adatti per le immagini in movimento come quelle di filmati. Gli schermi standard a matrice attiva hanno invece un tempo di risposta minore di 40 ms, per cui sono in grado di mostrare 25 frame al secondo (fps), infatti in questo caso ogni frame ha durata 1/25 = 40 ms. Gli schermi multidomain sono spesso più veloci, con un tempo di risposta di 25 ms.

10. Il consumo di energia Gli schermi Lcd a matrice attiva consumano poca energia, se paragonati ai Crt. I display a matrice attiva sono diventati lo standard per applicazioni portatili, ma la tecnologia Lcd risulta purtroppo inefficiente. Ad esempio, se abbiamo uno schermo bianco, meno del 10% della luce che illumina il retro dello schermo dalla retro illuminazione viene trasmessa sul davanti. Il resto della luce viene assorbita. L'inefficienza spinge i produttori di notebook ad affrontare alcune scelte difficili. Le retro illuminazioni più intense richiedono più energia e quindi i portatili eccellenti hanno bisogno di batterie più grandi per ottenere autonomie accettabili.

11. Una nota dolente … Una delle preoccupazioni principali per i monitor Lcd è il costo. Se fossero così economici come i Crt assorbirebbero quasi tutto il mercato dei display. Purtroppo, gli Lcd di 15-17 pollici in diagonale, le dimensioni utilizzate più frequentemente per i monitor da tavolo, costano all'incirca tre volte di più rispetto ai Crt, con un'area visiva equivalente. Per i monitor più grandi la differenza di costo può essere superiore. Prezzi indicativi: 15’  da 200 a 350 € risoluzione 1024x768 da 300 a 400 € risoluzione 1280x768 (wide) 17’  da 350 a 600 € risoluzione 1280x1024 19’  da 450 a 800 € risoluzione 1600x1200 o sup. Perché gli Lcd costano così tanto? Il processo di fabbricazione è complesso ed ha l’inconveniente di non poter testare il display se non a processo di fabbricazione quasi terminato; ciò comporta grandi moli di scarti di produzione e costi elevati. In breve mantenere una produzione ad alto livello è una costante sfida tecnologica che può essere intrapresa solo da ditte economicamente solide.

12. I problemi di produzione • Uno dei principali fattori di costo è la resa. Poco importa se siamo in grado di produrre molti schermi a basso costo se poi dobbiamo eliminarli, poiché non passano il controllo di qualità. Ci sono comunque parecchi modi per realizzare schermi di scarsa qualità. • I difetti possono essere ottici, elettrici o meccanici: • I problemi elettrici includono difetti nei circuiti pilota e in altri componenti elettrici dello schermo. • I difetti meccanici derivano invece da strati di vetro rotti, dal disallineamento dei connettori elettrici e dello schermo nel suo telaio. • La maggior parte di questi difetti possono essere rilevati solo dopo che è stata iniettata la sostanza a cristalli liquidi e lo schermo è stato sigillato, quando ormai molto tempo e parecchi materiali sono stati investiti nel progetto. • I difetti ottici riguardano i pixel che vengono accesi o spenti. Quelli che vengono accesi sono più visibili di quelli che rimangono sempre spenti. In alcuni casi, un difetto di luminosità viene corretto, eliminando i circuiti di quella specifica cella e trasformandolo in un difetto di oscurità.

13. Come scegliere il modello giusto • Si deve prestare attenzione ai seguenti fattori, che contribuiscono al prezzo finale: • Adesione allo standard ISO 13406-2 classe II e TCO 99 o TCO 2003 • Garanzia di almeno 3 anni • Dotazione di funzionalità multimediali (presenza di speakers e microfono) • Presenza di un Hub USB integrato sulla base del monitor (facilita i collegamenti do mouse e tastiera) • Funzionalità PIVOT (il monitor è ruotabile di 90° in modo da poter essere utilizzato a scelta in modalità Landscape o Portrait) • Presenza dell’ingresso Video digitale DVI oltre al VGA • Robustezza del telaio e della base

14. Altri parametri tecnici • Luminanza – è l’intensità luminosa emessa per unità di superficie. Viene data in Candele al metro quadrato (Cd/m2 = nit). Valori medi da 200 a 400 nit • Rapporto di contrasto – differenza di luminosità fra pixel accesi e pixel spenti definito in forma di rapporto. Più è elevato meglio è. • Valori medi da 200:1 a 450:1 • Risoluzione nativa – E’ la risoluzione per la quale è stato progettato il monitor. Generalmente si ha: 15 pollici 1024x768 • 16-17 pollici 1280x1024 • Colori visualizzabili: i migliori risolvono 16,7 milioni di colori • Angolo di visioneorizzontale e verticale – E’ bene che siano valori elevati.Generalmente si ha: • Angolo orizz. 120-160° • Angolo verticale 80-160°

15. Dimensioni e formato dello schermo Le dimensioni dello schermo sono sempre fornite in POLLICI (in Inglese inch = 2,54 cm). La dimensione dello schermo è data dalla misura della diagonale D del rettangolo. Le misure più utilizzate sono 15’ – 17’ – 19’ – 21’ Il formato di uno schermo può essere di due tipi: 4:3 se vale la proporzione larghezza:altezza = 4 : 3 Usato nei monitor per PC e TV classiche 16:9  se vale la proporzione larghezza:altezza = 16: 9 Usato nei TV wide screen e in monitor per media centre o in certi pc portatili (es. MAC) D D

16. Ingressi Video e risoluzione • Un Monitor di qualità deve presentare almeno due tipi di ingressi: • ingresso analogico VGA (1 o 2) • Ingresso digitale DVI-D o Ingresso digitale/analogico DVI-I Le risoluzioni oggi più utilizzate per monitor e TV CRT o LCD-TFT di piccole dimensioni (15’ – 17’) sono le seguenti: VGA  640x480 pixel (formato 4:3) SVGA  800x600 pixel (formato 4:3) XGA  1024x768 pixel (formato 4:3) SXGA  1280x1024 pixel (formato 4:3) WXGA  1280x768 pixel (formato 16:9) Quelle per monitor di grandi dimensioni: 1600 x 1024 1600 x 1200 1920 x 1200 1920 x 1440 2048 x 1536

17. TCO La certificazione TCO pone ai produttori di monitor vincoli rigidi per quanto concerne ergonomia ed emissioni, allo scopo di garantire l’utente finale degli adeguati standard di salute, sicurezza e comfort. L’associazione Svedese che definisce le norme TCO è attiva dal 1980. La norma più famosa è la TCO99, mentre la più recente è la TCO2003. Rispetto alla TCO99 la TCO2003 è molto più restrittiva, in quanto il monitor ed il produttore devono rispondere a molti requisiti, eccone alcuni: • uniformità dei colori e luminosità • linearità e stabilità dell’immagine • uso di basse percentuali di materiali nocivi o pericolosi • protezione da danni accidentali • bassi consumi e basse emissioni elettromagnetiche • obbligo per il produttore di smaltimento e riciclaggio dei materiali di scarto

18. Il futuro dei display Il futuro dei display sembra oggi che vada ricercato nella tecnologia OLED (Organic Light Emitting Diode). Scoperti per la prima volta nel 1985, i materiali OLED sono in grado di emettere luce se stimolati dal passaggio di corrente elettrica. Organizzando in modo opportuno diversi tipi di molecole di questi materiali è possibile ottenere display a colori, in quanto ciascun materiale OLED ha una sua frequenza di emissione, cioè emette un preciso colore. Problemi tecnologici attualmente li sta dando l’emissione del Blu. Quali sono le caratteristiche dei materiali OLED?

19. Caratteristiche dei materiali OLED Sono facili da realizzare, in quanto potranno essere depositati sul substrato utilizzando tecniche simili alla stampa a getto di inchiostro E’ possibile depositare i materiali OLED anche su substrati flessibili, questo significa che si potranno costruire display a foglio arrotolabile, oppure che aderiscono a vestiti o a superfici curve. Sono più luminosi degli LCD Hanno maggiore efficienza energetica (quasi 10 volte in più), quindi consumano meno le batterie Hanno un angolo di visione più ampio Permettono una frequenza di refresh più elevata, quindi sono più adatti a riprodurre il video rispetta agli LCD

20. Un prototipo di display OLED • Color 800 (x 3) x 600 pixels microdisplay • Highly Integrated Design:       clock recovery,       serial interface & registers,       levels adjustment,       drivers and       pixel array • VESA compatible Analog R,G,B inputs • Up to 256 gray shades • Built-in stereovision control • 2-wire serial interface • 15 x 15 µm color pixel (Stripe) • 4:3 Image aspect ratio • 15 mm (0.59") image diagonal • > 100 cd/m2 front luminance • Low power consumption: Less than 300 mW at nominal video modes • -35°C to +70°C operating temperature • Rigid board carrier eMagin Corporation OLED display

21. Utilizzi previsti • Consumer Applications • Stereo vision systems • Entertainment systems • Pocket organizers • Mobile computers • Cell phones • Military Applications • Night vision/Avionics • Digital battlefield • Naval systems/Navigation • Mission training • Maintenance and repair • Situation awareness • Commercial & Industrial Applications • Instrumentation and test equipment • Large area computing • Manufacturing systems • Medical imaging • Telecommunications • Process control • Remote maintenance • Stereo vision