Pannelli LCD dei notebook: come funzionano?

Laptop-Led-Display

Il visualizzatore LCD del monitor del portatile è formato da tante piccole celle composte da una certa quantità di cristallo liquido compresa fra due lamine di vetro; lateralmente l’insieme è delimitato da vetro sigillato o collante epossidico sigillante. Il cristallo liquido è una sostanza chimica a struttura cristallina che a temperatura ambiente si presenta in forma liquida.

Nel lato interno delle superfici di vetro sono realizzati degli elettrodi praticamente trasparenti, che servono ad applicare al cristallo il campo elettrico che permette di orientarlo per comporre immagini e scritte: infatti il cristallo liquido, sottoposto ad un campo elettrico, diventa opaco e non lascia passare la luce dal vetro posto sul retro a quello frontale; quindi sagomando gli elettrodi in modo che abbiano la forma della figura da disegnare, un’opportuna polarizzazione consente di vedere scure le parti che si desidera formino l’immagine.

Il cristallo liquido ha la struttura cristallina di forma elicoidale, è composta da tante strisce sottili sovrapposte, le quali normalmente hanno tutte il medesimo orientamento. Sottoponendo la struttura ad un campo elettrico parallelo all’asse verticale, le strisce ruotano, dalla base al vertice, di 180 gradi; per effetto di ciò, il cristallo da trasparente diventa opaco perché la luce non riesce più ad attraversarlo. Più esattamente, il cristallo liquido è caratterizzato dall’avere le molecole orientate in modo che quando la luce l’attraversa ne segue l’orientamento. Normalmente, transitando per il cristallo liquido, la luce viene ruotata di 90°. Quando lo stesso cristallo subisce gli effetti di un campo elettrico, le sue molecole si dispongono verticalmente e quindi la luce passa senza subire rotazione. All’esterno delle due superfici si trovano due ulteriori strati di filtro, disposti a 90° fra loro, che polarizzano la luce.

In condizioni di riposo, la luce che arriva da dietro passa per il primo filtro e viene polarizzata, transita per il cristallo liquido (dove subisce una rotazione di 90°) e infine attraversa il secondo filtro ed esce dal vetro anteriore. Invece se il cristallo viene sottoposto a una tensione elettrica, la luce polarizzata dal primo filtro transita inalterata per il cristallo liquido e viene bloccata dal secondo filtro, quindi non esce dal display.

I primi LCD grafici erano a matrice passiva ed erano formati da un substrato di vetro con superficie in ossido di metallo molto trasparente, dotato di una griglia di elettrodi necessari ad attivare i singoli elementi dello schermo; sul substrato veniva deposta una pellicola di polimero con una serie di solchi paralleli fatti per allineare le molecole del cristallo liquido. Un secondo strato, analogo, formato da vetro, completo di pellicola di polimero di allineamento, veniva sovrapposto (e dotato di spaziatori per mantenere una distanza uniforme dallo strato inferiore). I due venivano saldati con una resina epossidica ai lati per non far fuoriuscire il cristallo liquido. All’esterno delle due lastre venivano infine applicati gli strati polarizzatori di luce.

Negli LCD grafici l’orientamento degli strati di allineamento varia da 90° a 270°, in funzione della rotazione totale del cristallo liquido compreso fra di essi.
I display LCD sono realizzati secondo tre strutture, che sono la trasmissiva, la riflettiva e la transflettiva; quest’ultima è utilizzata in quelli dei notebook e combina entrambe le precedenti tecniche, ovvero il fondo del display è appoggiato ad un foglio bianco illuminato posteriormente da CCFL o LED; in tal modo all’osservatore giunge sia la luce riflessa, sia quella in arrivo dal retro.
Sviluppati inizialmente per comporre cifre e lettere (usati negli orologi a quarzo e nei visualizzatori dei moderni strumenti di misura e controllo, nonché in tantissime apparecchiature consumer), gli LCD sono poi stati realizzati con la tecnica a matrice di punti per visualizzare immagini. Proprio la realizzazione dei display LCD a matrice di punti ha permesso di avere i monitor dei notebook.

Fino a una ventina di anni fa gli LCD erano monocromatici e a bassa risoluzione; il settore del personal computing e quello della TV hanno spinto l’industria a studiare display a colori ad alta risoluzione.

Display.indd

Struttura base dell’LCD.

Il problema della risoluzione è stato risolto affinando le tecnologie costruttive allo scopo di ridurre le dimensioni dei punti mentre quello del colore è stato risolto approntando matrici in cui ogni punto è formato da tre sub-pixel, ovvero da tre elementi posti ognuno in corrispondenza di un filtro di colore. In pratica, nel display a colori ogni punto ha un filtro rosso, uno verde e l’altro blu, in linea con una porzione di cristallo liquido; perché il punto diventi rosso si polarizzano le zone del verde e del blu, in modo che la luce corrispondente non passi e che all’osservatore giunga la sola componente rossa. Per far vedere la luce blu si polarizzano verde e rosso e per ottenere il verde si polarizzano rosso e blu. Per ottenere gli altri colori si effettuano opportune combinazioni (ad esempio, il viola si ottiene oscurando solo il verde e lasciando liberi i pixel del rosso e del blu, che possono così essere attraversati dalla luce).Il punto bianco si ottiene lasciando passare la luce da tutti e tre i sub-pixel che lo compongono.

fig 2

Struttura del pannello LCD a colori: si vedono i filtri polarizzatori della luce.

Per aumentare il contrasto, basso perché l’immagine non ha luce propria ma viene retroilluminata, le lamine di vetro che delimitano il cristallo liquido sono sì trasparenti, ma scure e non chiare.
Ciò riduce la luminosità ma dà maggiore risalto, specie alle immagini a colori.

Il display LCD tradizionale è relativamente lento, perché il tempo di rotazione dei cristalli liquidi per effetto della polarizzazione e del ritorno a riposo quando la stessa polarizzazione viene tolta, non è trascurabile; l’effetto si vede sul display quando viene mostrato un oggetto in rapido movimento, che appare seguito da un’ombra.

La velocità di risposta viene definita dal tempo di risposta, ovvero dai seguenti due tempi:

  • tempo di salita, ossia quello impiegato dal cristallo a ruotare dal momento in cui il cristallo riceve la tensione di polarizzazione;
  • tempo di discesa, cioè quello impiegato da una struttura elicoidale a tornare a riposo dopo l’interruzione della tensione di polarizzazione.

 

Tipicamente i tempi sono dell’ordine di una decina di millisecondi (anche se nei pannelli di produzione più recenti si scende anche sotto i 5 ms) quindi un rapido calcolo fatto considerando il numero di punti costituenti un’intera immagine televisiva dà già un’idea della lentezza della visualizzazione.

Per ovviare all’inconveniente, si traccia un quadro intero alla volta e si pilotano insieme tutti i punti di una linea, dando alle colonne i dati corrispondenti.
Comunque, in linea generale un pixel deve poter accendersi e spegnersi entro 1/60 di secondo (a tanto ammonta il tipico periodo di refresh dello schermo a cristalli liquidi) così da garantire la massima fluidità delle immagini in movimento; considerando quanto detto poco fa, ossia che tutti i punti dello schermo vengono accesi insieme, il tempo di risposta non deve superare i 16 ms.
Nei recenti pannelli Full-HD a 100 Hz e 120 Hz il tempo di risposta è ridotto di conseguenza.

La risposta degli LCD con il sistema di pilotaggio a matrice passiva appena descritti risulta molto lenta e non in grado di seguire veloci cambiamenti del contenuto d’immagine rappresentata. Migliori tempi di risposta sono stati ottenuti organizzando lo schermo in due parti ed effettuando il refresh in modo indipendente per ciascuna di esse, questi schermi sono denominati DSTN (Dual Scan Twisted Nematic).

Il livello di luminanza di ciascun pixel è ottenuto variando la tensione applicata al cristallo liquido, così da modulare l’angolo di rotazione e di conseguenza la quantità di luce che transita; ciò permette di ottenere circa 64 livelli per ciascun colore. Per ottenere un maggior numero di sfumature di colore, sono state sviluppate tecniche in base alle quali i livelli vengono modificati nel corso di tre o quattro rinfreschi consecutivi dell’immagine.

In questo modo si ottengono precisioni prossime a 256 livelli (8 bit) per ciascuno dei colori primari, analoghe a quelle TrueColour (24 bit, 16 milioni di colori) fornite dai CRT.

Il display TFT

I primi display LCD avevano una visuale limitata a circa 90°; l’estensione degli angoli di visione orizzontale e verticale permessa dai monitor dei moderni PC portatili è stata ottenuta con la tecnica TFT (TFT è l’acronimo di Thin Film Transistor, ossia transistor a pellicola sottile) che consiste nell’integrare in ogni pixel una terna di transistor, che comandano ciascuno un sub-pixel; per questo il display TFT viene anche detto “a matrice attiva”. La struttura così realizzata consente di comandare sul luogo ogni punto dello schermo, ottenendo uno spessore più ridotto del display (dovuto al fatto che ci sono meno linee di attivazione) e quindi una miglior visuale (perché la luce arriva da una zona meno profonda); inoltre permette una maggior velocità di commutazione del cristallo liquido dalla posizione di oscuramento a quella di passaggio della luce (i tempi di risposta sono anche dell’ordine dei 5 ms).

I TFT sono più leggeri e veloci nel passaggio dei pixel da trasparenti (la luce passa) a opachi (la luce viene bloccata) ma molto più complessi (uno schermo VGA richiede 921 mila transistor, mentre uno XGA da 1.024×768 punti impiega 2.359.000 transistor, per non parlare dei WXGA ecc.).

Le qualità dei TFT sono state inizialmente sminuite da un difetto di visualizzazione dovuto all’imperfezione della tecnica costruttiva, la cui complessità non permetteva di realizzare matrici con il 100 % dei pixel funzionanti: in pratica alcuni punti della matrice apparivano bianchi o colorati perché i transistor corrispondenti non funzionavano e non consentivano l’oscuramento. I pixel o sub-pixel restavano quindi sempre trasparenti e lasciavano passare la luce, apparendo come punti luminosi che disturbavano la visione. Per ovviare a tale inconveniente, circa 10 anni fa venne messo a punto un TFT che utilizzava un nuovo tipo di cristallo liquido in cui le molecole sono allineate verticalmente (VA, vertically-aligned); in tal modo, quando non è applicata alcuna tensione, l’immagine è nera, mentre applicando la polarizzazione le molecole si dispongono orizzontalmente e la luce attraversa il cristallo. Ciò migliora la qualità del nero e l’angolo di visione, che raggiunge i 140° in tutte le direzioni, ma anche il contrasto.

fig 3


Nel pannello LCD TFT, in ogni subpixel è inserito un transistor a effetto di campo che comanda localmente la polarizzazione del cristallo liquido.

Oggi è quindi possibile realizzare TFT a zero pixel difettosi, cioè con i pixel funzionanti al 100%, anche se i produttori forniscono come seconda scelta anche display con uno, due o tre pixel difettosi, perché comunque il miglioramento delle tecnologie permette di aumentare la percentuale dei TFT pienamente funzionanti rispetto a quelli prodotti, ma non di arrivare al 100% di produzione perfetta.

L’evoluzione degli LCD VA è quella chiamata MVA (Multi-domain Vertical Alignment), che determina la rotazione delle molecole di cristallo liquido in più direzioni per ogni cella anziché in una sola direzione come nella tecnologia di base. Così, guardando lo schermo da varie angolazioni, la visione è relativamente uniforme, mentre negli schermi standard varia tra chiaro e scuro in base all’allineamento dell’osservatore rispetto all’orientamento delle molecole. La tecnologia MVA ha portato ad angoli di visione ancora più ampi (160°).

La matrice è composta da tante celle (pixel) ciascuna comandata da un transistor ad effetto di campo (MOSFET) del quale il gate è collegato al circuito di pilotaggio delle righe ed il source a quello delle colonne. Per attivare un subpixel, si forniscono gli opportuni segnali (livelli logici) alla riga (gate) e alla colonna (source) del transistor corrispondente; per controllare un pixel si attiva una riga e le tre colonne (segnali RGB) del pixel stesso. I valori di ampiezza delle tensioni di polarizzazione fornite ai transistor delle celle determinano la percentuale di trasmissione della luce del retroilluminatore attraverso il pannello e i filtri rosso, verde, blu, quindi la tonalità cromatica del punto corrispondente.

Gli elettrodi gate e source di ogni subpixel sono usati in condivisione sulle righe (le linee gate) e sulle colonne (le linee dati) della matrice, ma ciascun subpixel può essere indirizzato individualmente senza interferire con quelli vicini. Il funzionamento di un LCD si basa sulla scansione progressiva delle linee gate applicando, per ciascuna riga dell’immagine, i segnali opportuni alle linee dati.

In un display a 16 milioni di colori, ogni subpixel può essere pilotato da un segnale che ha 256 possibili valori. A ciascuno di essi corrisponde un valore dell’intensità di luce che attraversa il subpixel, dalla quasi totale opacità del cristallo liquido alla sua massima trasparenza, filtrata dallo schermo colorato del subpixel.

Retroilluminazione degli LCD La retroilluminazione (backlight) dei pannelli LCD dei notebook può essere ottenuta in vari modi, ovverosia con un foglio elettroluminescente applicato dietro, con una lampada CCFL (a catodo freddo) che diffonde la luce posteriormente mediante una lastra di plexiglass, oppure con LED che illuminano sempre la lastra di plexiglass.
Il foglio elettroluminescente funziona come il neon e rispetto a questo ha il vantaggio di poter essere posizionato direttamente dietro l’LCD, quindi di illuminare con uniformità occupando pochissimo spazio; invece quando si retroillumina con dei tubi fluorescenti questi devono essere collocati lungo uno o due lati dell’LCD e la loro luce deve essere distribuita mediante una lastra di plexiglass spessa 3÷5 mm: in pratica si sfrutta il fatto che illuminando lateralmente questa lastra la luce si diffonde uniformemente (a meno che non vi siano distorsioni nel materiale) più o meno in tutta la superficie, che appare quindi illuminata.
La tecnica a foglio elettroluminescente è stata presto abbandonata perché i fogli avevano una durata limitata rispetto a quella dei tubi fluorescenti.
Il tubo o lampada a neon, è una lampadina a scarica ma del tipo a catodo freddo: consta di un tubetto sottile di vetro riempito di gas inerte (neon o miscele di neon e xeno) le cui pareti interne sono rivestite di fosfori; dentro il tubo, ad un’estremità o alle due estremità opposte si trovano due elettrodi. Applicando una tensione sufficientemente alta, tra questi scocca una scarica elettrica, dovuta alla ionizzazione del gas contenuto nel tubo; il fenomeno si propaga rapidamente al resto del gas e determina la produzione di fotoni (particelle di luce) nell’ultravioletto, che investendo i fosfori fanno loro produrre luce bianca. Per l’innesco della scarica si usano gli inverter, che producono tensioni anche di 200 volt.
Oggigiorno ai CCFL si preferisce la soluzione a diodi luminosi, con file di LED bianchi al loro posto, ad illuminare lateralmente la lastra di plexiglass. Il controllo dei LED si realizza con regolatori di corrente a bassa tensione, che però consumano una discreta potenza. Il principale vantaggio dell’adozione dei LED è che il sistema di retroilluminazione dura molto più degli altri appena descritti, potendo funzionare anche per 50÷70.000 ore, corrispondenti a 15÷20 anni, ovviamente a patto che non si guasti prima il circuito regolatore. Inoltre i LED non implicano i problemi di smaltimento dei rifiuti elettronici legati alle lampade a fluorescenza, le quali contengono due elementi inquinanti pericolosi: i fosfori (nel rivestimento interno dei tubi) e il mercurio (quest’ultimo nei catodi). Proprio la presenza di mercurio è la ragione principale dell’abbandono dei pannelli con CCFL.

fig 4

Struttura di un modello display LCD TFT per notebook.

Comando della retroilluminazione
Nei vecchi notebook la retroilluminazione veniva accesa insieme al computer, ma poi, per esigenze di risparmio energetico e quindi per aumentare la durata della batteria, l’accensione dell’alimentatore o inverter di comando veniva gestita dal chipset, allo scopo di spegnerla o moderarla quando il PC non viene usato.
Il comando della retroilluminazione con power-saving operato dal chipset si effettua in due modi:

  • sospendendo il segnale di sincronismo; in questo caso l’inverter DC/AC lavora in dipendenza del chipset, nel senso che non genera il segnale di clock (non ha oscillatore) ma viene attivato da quello mandato dal chipset;
  • mediante un livello logico (/EN, ossia Enable) che attiva l’oscillatore dell’inverter o lo disattiva.

Il modulo di controllo dei display per notebook comprende un convertitore DC/DC che fornisce i vari livelli di tensione continua per controllare i cristalli liquidi, il circuito di controllo e quelli di pilotaggio delle colonne e delle righe, un invertitore DC/AC che fornisce l’alta tensione per alimentare le lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) che provvedono alla retroilluminazione.
Nel caso dei display LCD con retroilluminazione LED, c’è in più il convertitore DC/DC (si vede dall’induttore su nucleo che appare sulla scheda elettronica) per alimentare i LED.
Nei notebook con retroilluminazione a LED o a CCFL, tipicamente la scheda madre invia, mediante il connettore del monitor, i segnali dati per il display vero e proprio e quelli per il controllo della retroilluminazione, oltre, naturalmente, alle alimentazioni, che di solito sono due: 5 Vcc per la logica (controller della matrice, alimentatore per i cristalli liquidi ecc.) e da 12 a 20 V per l’alimentazione della retroilluminazione. In alcuni notebook del passato, i connettori erano due distinti, uno per i dati e uno per il comando della retroilluminazione.
Per quanto riguarda il comando della retroilluminazione, la relativa connessione riporta di solito (ma non sempre) questi contatti:

  •  alimentazione positiva (12÷20 Vcc della retroilluminazione (inverter per CCFL o DC/DC per i LED);
  •  massa comune alimentazione e segnali;
  • Enable, ossia livello logico che abilita l’accensione della retroilluminazione;
  •  clock per governare lo stadio finale dell’inverter;
  •  PWM, ossia segnale modulato nella larghezza degli impulsi, che permette di modulare la potenza delle lampade o dei LED della retroilluminazione e quindi, oltre che di variare la luminosità, consente di abbassarla in standby o quando richiesto dal modo di risparmio d’energia.

Nei computer portatili di una decina d’anni fa era facile trovare varie soluzioni, ognuna adottata da una o più marche; oggi invece si tende a standardizzare, tanto che nei moderni notebook, di norma, i contatti che arrivano all’inverter DC/AC o al circuito di controllo della retroilluminazione a LED, sono solo quattro, ossia positivo d’alimentazione, massa comune, Enable e PWM. Il segnale di Enable comanda l’accensione o lo spegnimento, mentre il PWM determina la variazione di luminosità. L’inverter o circuito di comando del LED è sempre alimentato, ma con l’Enable disattivato non assorbe elettricità ed è come se fosse spento; l’enable permette proprio di spegnere l’inverter o il circuito di alimentazione della retroilluminazione a LED quando il sistema operativo impone la modalità di risparmio energetico.