Tecnologia dei display a cristalli liquidi (Parte 1)

La tecnologia dei display a cristalli liquidi (LCD), grazie ai requisiti relativamente bassi per la fabbricazione dei dispositivi e all'elevato rapporto costo-efficacia, continua a dominare il mercato principale dei pannelli per display. L'LCD è un display di tipo passivo, costituito da due moduli principali: il pannello a cristalli liquidi e il modulo di retroilluminazione. Il modulo di retroilluminazione emette una sorgente di luce bianca, che viene poi modulata per colore e luminosità in ciascun pixel dal pannello a cristalli liquidi, visualizzando infine un'immagine a colori in movimento.

Il modulo di retroilluminazione è composto da LED e pellicole ottiche. La luce puntiforme emessa dai LED viene diffusa e omogeneizzata dalle pellicole ottiche, formando una sorgente luminosa uniforme che illumina il pannello a cristalli liquidi. La luce bianca emessa è una miscela dei tre colori primari: rosso, verde e blu. Dopo aver attraversato il pannello a cristalli liquidi, i colori e la luminosità specifici vengono generati dall'azione combinata degli interruttori a cristalli liquidi corrispondenti a ciascuna cella subpixel. Un intero pannello 4K, composto da circa 24,88 milioni di celle subpixel, costituisce un singolo fotogramma.

La struttura del pannello a cristalli liquidi è illustrata nella figura sottostante. Oltre ai substrati di vetro che ospitano diverse pellicole funzionali, gli strati, dal basso verso l'alto, sono: il polarizzatore inferiore, il circuito di pilotaggio del transistor a film sottile (TFT), lo strato di cristalli liquidi, il filtro colore (CF) e il polarizzatore superiore.

Come suggerisce il nome, i cristalli liquidi sono sostanze cristalline con proprietà simili a quelle dei liquidi, che possiedono sia le caratteristiche di flusso dei liquidi sia le proprietà vettoriali dei cristalli, conferendo loro caratteristiche meccaniche, ottiche ed elettriche uniche. Come mostrato nella foto seguente, il pannello a cristalli liquidi, grazie al coordinamento tra i cristalli liquidi e i polarizzatori superiore e inferiore, effettua commutazioni e attenuazioni sulla luce incidente proveniente dalla retroilluminazione, creando diversi livelli di luminosità (scala di grigi). In combinazione con la funzione del filtro colore, si ottengono diversi colori e livelli di luminosità.

Quali cambiamenti si verificano quando la retroilluminazione entra nel pannello a cristalli liquidi?

Innanzitutto, gli strati superiore e inferiore del pannello a cristalli liquidi sono dotati di polarizzatori orientati perpendicolarmente l'uno rispetto all'altro. Successivamente, l'area viene suddivisa in innumerevoli celle in base alla risoluzione dei pixel. Ogni pixel è ulteriormente suddiviso in sub-celle rosse, verdi e blu. Ciascuna cella, dal basso verso l'alto, è dotata di un elettrodo indipendente, di uno strato di cristalli liquidi e di uno strato di filtri colore. I polarizzatori superiore e inferiore, insieme ai cristalli liquidi, formano un "gate" che controlla lo stato di accensione/spegnimento della trasmissione luminosa per quella cella, nonché l'intensità della luce trasmessa. Le diverse intensità luminose trasmesse attraverso le tre sub-celle, dopo essere passate attraverso i filtri colore rosso, verde e blu, si mescolano in proporzioni variabili per formare il colore e la luminosità visualizzati dal pixel.

Quindi, come funziona questa porta combinata?

La retroilluminazione, analogamente alla luce naturale, è un'onda elettromagnetica trasversale. La direzione di vibrazione delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, il che significa che la direzione di vibrazione della luce si trova sempre sul piano xy, perpendicolare alla direzione di propagazione (asse z). Quando i raggi di retroilluminazione colpiscono il polarizzatore inferiore del pannello a cristalli liquidi, solo la luce che vibra nella stessa direzione del reticolo del polarizzatore (direzione dell'asse y) può attraversarlo, diventando luce polarizzata linearmente che si propaga con una specifica direzione di vibrazione. Come mostrato in Figura 3, quando l'elettrodo del pixel sul substrato TFT non è alimentato, la luce polarizzata attraversa lo strato di cristalli liquidi e lo strato CF senza cambiare la sua direzione di vibrazione e raggiunge il polarizzatore superiore. Tuttavia, la direzione del reticolo del polarizzatore superiore è perpendicolare all'asse y (direzione dell'asse x). Pertanto, la luce polarizzata che vibra nella direzione dell'asse y non può attraversare il polarizzatore superiore, con conseguente oscurità percepita dalla parte anteriore dello schermo.

Quando l'elettrodo del circuito TFT viene alimentato, le molecole di cristalli liquidi ruotano. La luce polarizzata che emerge dal polarizzatore inferiore subisce una torsione della direzione di polarizzazione sotto la guida delle molecole di cristalli liquidi. Con impostazioni specifiche per lo spessore dei cristalli liquidi e l'angolo di rotazione, la direzione di vibrazione della luce polarizzata può essere ruotata esattamente di 90°. A questo punto, la direzione di vibrazione della luce polarizzata diventa parallela all'asse x, allineandosi con la direzione del reticolo del polarizzatore superiore e consentendone il passaggio. Se la direzione di vibrazione forma un angolo con la direzione del reticolo, la componente dell'energia dell'onda luminosa lungo la direzione del reticolo può attraversare il polarizzatore e l'intensità luminosa originale viene attenuata. Modificando la tensione dell'elettrodo TFT, è possibile regolare l'angolo di rotazione dei cristalli liquidi, controllando così l'intensità della luce trasmessa attraverso il polarizzatore superiore.

Le caratteristiche elettro-ottiche dei cristalli liquidi

Perché un campo elettrico può far ruotare i cristalli liquidi? E perché la rotazione dei cristalli liquidi modifica la direzione di vibrazione della luce polarizzata?

Come illustrato nella figura sottostante, le molecole dei cristalli liquidi hanno una struttura a bastoncino e possiedono l'anisotropia tipica dei cristalli. Presentano effetti elettro-ottici, costanti dielettriche e indici di rifrazione differenti lungo i loro assi maggiore e minore. Possiamo sfruttare queste proprietà per modificare l'intensità della luce incidente su ciascuna cella del pixel, generando così immagini a colori e in scala di grigi.

Anisotropia dielettrica dei cristalli liquidi

La costante dielettrica (ε) delle molecole di cristalli liquidi varia lungo il loro asse maggiore e quello minore. Quando la costante dielettrica parallela all'asse maggiore è maggiore di quella perpendicolare all'asse maggiore (ε// > ε⊥), si parla di cristallo liquido di tipo positivo con anisotropia dielettrica positiva, adatto all'allineamento parallelo. Quando ε// < ε⊥, si parla di cristallo liquido di tipo negativo con anisotropia dielettrica negativa, utilizzabile solo con allineamento verticale per ottenere l'effetto elettro-ottico desiderato. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, la direzione di rotazione delle molecole di cristalli liquidi, parallela o perpendicolare al campo elettrico, è determinata dal fatto che l'anisotropia dielettrica sia positiva o negativa, il che a sua volta determina la trasmissione della luce. Attualmente, i cristalli liquidi di tipo VA comunemente utilizzati nei display TFT-LCD appartengono per lo più al tipo con anisotropia dielettrica negativa. Quando alimentate, le molecole di cristalli liquidi vengono polarizzate dal campo elettrico esterno, causando l'inclinazione dei loro assi longitudinali in una direzione perpendicolare al campo. I pannelli IPS utilizzano comunemente cristalli liquidi di tipo positivo, mentre alcuni pannelli ADS Pro utilizzano cristalli liquidi di tipo negativo.

Birifrangenza dei cristalli liquidi

--- Le molecole dei cristalli liquidi presentano birifrangenza e rotazione ottica; l'indice di rifrazione (n) è diverso lungo l'asse lungo e quello corto. L'indice di rifrazione lungo l'asse lungo è n0, e lungo l'asse corto è nE.

Poiché gli indici di rifrazione sono diversi, anche la velocità della luce è diversa. Quando i cristalli liquidi ruotano, la velocità della luce lungo gli assi maggiore e minore differisce, causando una differenza di fase tra i raggi ordinari (O) e straordinari (E) in uscita rispetto al loro stato incidente, con conseguente fenomeno di ritardo di fase. Quando il fascio di luce esce dal cristallo liquido, i vettori luminosi O ed E si ricombinano, producendo una nuova direzione di vibrazione ruotata. Grazie a una progettazione specifica della lunghezza del percorso ottico e dell'angolo di rotazione, la differenza di fase tra i raggi O ed E in uscita può essere impostata a 1/2 lunghezza d'onda. Ciò fa sì che la fase della luce in uscita ruoti di 90° rispetto alla luce incidente, consentendole di attraversare il polarizzatore superiore. Diversi angoli di rotazione dei cristalli liquidi determinano diverse differenze di fase tra i raggi O ed E, controllando così l'intensità della luce trasmessa.

Tipi di pannelli a cristalli liquidi

In base alla modalità di rotazione dei cristalli liquidi, questi si suddividono ulteriormente in tre tipi: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) e VA (Vertical Alignment). Tra questi, i pannelli LCD di tipo TN sono stati i primi ad essere utilizzati, grazie anche al costo inferiore. Tuttavia, a causa della loro gamma cromatica nativa a 6 bit (gamma cromatica ridotta) e degli angoli di visione molto limitati, sono praticamente usciti dal mercato dei display LCD di uso comune. Gli attuali display LCD di uso comune utilizzano principalmente pannelli IPS e VA.

Come mostrato in figura, i pannelli IPS presentano molecole di cristalli liquidi disposte orizzontalmente. Gli elettrodi positivi e negativi dei pixel si trovano sullo stesso piano orizzontale del substrato TFT. Quando non è alimentato, la luce polarizzata che attraversa il polarizzatore inferiore percorre il cristallo liquido senza cambiare direzione di polarizzazione. In questo caso, la direzione di vibrazione della luce polarizzata è perpendicolare alla direzione del reticolo del polarizzatore superiore e la luce non può attraversarlo. Quando viene alimentato, a causa della presenza del campo elettrico, le molecole di cristalli liquidi ruotano sul piano orizzontale (commutazione in-plane). A causa della birifrangenza, la luce polarizzata si scompone in due raggi luminosi con velocità diverse. Uscendo dal cristallo liquido, queste due luci polarizzate presentano una differenza di fase e si ricombinano in un nuovo tipo di luce polarizzata. Questa luce polarizzata attraversa quindi il filtro colore, con la luce proveniente da ciascuna cella sub-pixel che rappresenta i colori rosso, verde e blu. La luce polarizzata che attraversa il filtro colore raggiunge il polarizzatore superiore. Essendo stata ruotata dal cristallo liquido ad un nuovo angolo, la luce proveniente da ciascun sub-pixel ha un diverso angolo di rotazione. Le componenti della luce polarizzata che hanno angoli diversi rispetto al reticolo del polarizzatore superiore passano attraverso, generando colori rosso, verde e blu di diversa intensità da ciascuna cella sub-pixel. Questi tre colori di intensità variabile si mescolano per formare il pixel colorato desiderato. I colori provenienti da 24.883.200 celle sub-pixel (3840 * 2160 * 3) si combinano per formare i colori di 8.294.400 pixel (3840 * 2160), creando un fotogramma di un'immagine con risoluzione 4K. I cristalli liquidi, variando con il campo elettrico a una specifica frequenza, modificano continuamente l'angolo di vibrazione della luce polarizzata, formando fotogramma dopo fotogramma e realizzando infine la visualizzazione video.

Il principio di funzionamento dei display VA è lo stesso dei pannelli IPS. Come mostrato in Figura 6, la disposizione delle molecole di cristalli liquidi differisce da quella dei pannelli IPS. Nei display VA, le molecole di cristalli liquidi sono allineate verticalmente e gli elettrodi positivi e negativi dei pixel sono distribuiti sui piani superiore e inferiore, creando un campo elettrico in direzione verticale.

Quando non viene applicata alcuna tensione agli elettrodi, le molecole di cristalli liquidi sono allineate perpendicolarmente ai substrati superiore e inferiore. La luce polarizzata linearmente che attraversa il polarizzatore inferiore si propaga parallelamente all'asse maggiore delle molecole di cristalli liquidi, quindi il suo stato di polarizzazione non cambia e non può attraversare il polarizzatore superiore. Il pannello osservato dall'occhio umano si trova in uno stato scuro. Quando non viene applicata alcuna tensione o viene applicata una tensione bassa, la luce polarizzata passa lungo l'asse maggiore delle molecole di cristalli liquidi. A causa della birifrangenza dei cristalli liquidi, la luce polarizzata lungo l'asse maggiore non devia sostanzialmente, quindi non può attraversare il polarizzatore superiore, con conseguente resa dello stato scuro molto scuro, elevato rapporto di contrasto ed eccellente nitidezza dell'immagine. Quando viene applicata una tensione agli elettrodi, le molecole di cristalli liquidi ruotano sotto l'azione del campo elettrico verticale, con i loro assi maggiori inclinati in una direzione perpendicolare al campo elettrico. Le componenti della luce polarizzata linearmente incidente che entra nel cristallo liquido subiscono un ritardo di fase all'interno dello strato di cristalli liquidi. Dopo aver attraversato lo strato di cristalli liquidi, i componenti della luce polarizzata si ricombinano e lo stato di polarizzazione della luce cambia. La direzione di vibrazione della luce polarizzata proveniente da ciascuna cella sub-pixel compie infine una rotazione completa ad angoli diversi a seconda della tensione impostata. Dopo aver attraversato il filtro colore e il polarizzatore superiore, si ottengono colori sub-pixel di diversa intensità. I ​​colori sub-pixel rosso, verde e blu con diversi rapporti di intensità si mescolano per formare il colore del pixel impostato, creando infine un frame completo per la visualizzazione.