Monitor per PC in tecnologia LCD

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
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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’

17’
19’


da
da
da
da
200
300
350
450
a
a
a
a
350
400
600
800
€
€
€
€
risoluzione
risoluzione
risoluzione
risoluzione
1024x768
1280x768 (wide)
1280x1024
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.
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.
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
Altri parametri tecnici
o 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
o 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
o Risoluzione nativa – E’ la risoluzione per la quale è stato progettato il
monitor. Generalmente si ha:
15 pollici
1024x768
16-17 pollici
1280x1024
o Colori visualizzabili: i migliori risolvono 16,7 milioni di colori
o Angolo di visione orizzontale e verticale – E’ bene che siano valori
elevati. Generalmente si ha:
Angolo orizz.
120-160°
Angolo verticale
80-160°
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
D
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
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)
Quelle per monitor di grandi dimensioni:
SVGA  800x600 pixel (formato 4:3)
1600 x 1024
XGA  1024x768 pixel (formato 4:3)
1600 x 1200
SXGA  1280x1024 pixel (formato 4:3)
WXGA  1280x768 pixel (formato 16:9)
1920 x 1200
1920 x 1440
2048 x 1536
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
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?
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
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
Utilizzi previsti
Consumer
Applications
•Stereo vision
systems
•Entertainment
systems
•Pocket organizers
•Mobile computers
•Cell phones
Military Applications
Commercial &
Industrial Applications
•Night vision/Avionics
•Instrumentation and
test equipment
•Digital battlefield
•Naval
systems/Navigation
•Large area computing
•Manufacturing systems
•Mission training
•Medical imaging
•Maintenance and
repair
•Telecommunications
•Situation awareness
•Remote maintenance
•Process control
•Stereo vision