Costruzione LCD
Ogni pixel di un LCD è costituito dalle seguenti parti: uno strato di molecole di cristallo liquido sospeso tra due elettrodi trasparenti (ossido di stagno di indio) e due filtri di polarizzazione con direzioni di polarizzazione perpendicolari l'uno all'altro all'esterno. Se non esiste un cristallo liquido tra gli elettrodi, la direzione di polarizzazione della luce che passa attraverso uno dei filtri polarizzanti sarà completamente perpendicolare al secondo filtro di polarizzazione, quindi è completamente bloccata. Tuttavia, se la direzione di polarizzazione della luce che passa attraverso un filtro polarizzante viene ruotata dal cristallo liquido, può passare attraverso l'altro filtro polarizzante. La rotazione della direzione di polarizzazione della luce da parte del cristallo liquido può essere controllata da un campo elettrostatico, raggiungendo così il controllo della luce.
Le molecole di cristalli liquidi sono molto sensibili all'influenza dei campi elettrici esterni e generano cariche indotte. Quando una piccola quantità di carica viene aggiunta all'elettrodo trasparente di ciascun pixel o sotto-pixel per generare un campo elettrostatico, le molecole del cristallo liquido saranno indotte da questo campo elettrostatico per indurre cariche indotte e generare coppia elettrostatica, che cambia il La disposizione rotazionale originale delle molecole di cristalli liquidi, cambiando così l'ampiezza di rotazione della luce che passa attraverso. Cambia un certo angolo in modo che possa passare attraverso il filtro di polarizzazione.
Prima che la carica venga aggiunta all'elettrodo trasparente, la disposizione delle molecole di cristalli liquidi è determinata dalla disposizione della superficie dell'elettrodo e la superficie chimica dell'elettrodo può essere utilizzata come seme di cristallo. Nel cristallo liquido TN più comune, gli elettrodi superiori e inferiori del cristallo liquido sono disposti verticalmente. Le molecole di cristalli liquidi sono disposti in una spirale e la direzione di polarizzazione della luce che passa attraverso un filtro di polarizzazione ruota dopo aver attraversato il chip liquido, in modo che possa passare attraverso un altro polarizzatore. In questo processo, una piccola parte della luce è bloccata dal polarizzatore e sembra grigia dall'esterno. Dopo aver aggiunto la carica all'elettrodo trasparente, le molecole di cristalli liquidi saranno disposte quasi completamente in parallelo lungo la direzione del campo elettrico, quindi la direzione di polarizzazione della luce che passa attraverso un filtro di polarizzazione non ruota, quindi la luce è completamente bloccato. In questo momento, il pixel sembra nero. Controllando la tensione, il grado di distorsione della disposizione delle molecole di cristalli liquidi può essere controllato per ottenere scala di grigio diverse.
Alcuni LCD diventano neri quando sono esposti alla corrente alternata, che distrugge l'effetto a spirale del cristallo liquido. Quando la corrente viene disattivata, il LCD diventa più luminoso o trasparente. Questo tipo di LCD si trova comunemente su laptop e LCD economici. Un altro tipo di LCD comunemente usato su LCD ad alta definizione o TV LCD di grandi dimensioni è che quando la potenza è disattivata, l'LCD è opaco.
Per salvare la potenza, gli LCD utilizzano un metodo multiplexing. In modalità multiplexing, gli elettrodi a un'estremità sono collegati in gruppi, ogni gruppo di elettrodi è collegato a un alimentatore e gli elettrodi all'altra estremità sono collegati anche in gruppi, ciascun gruppo è collegato all'altra estremità dell'alimentazione fornitura. Il design del raggruppamento garantisce che ogni pixel sia controllato da un alimentatore indipendente. Il dispositivo elettronico o il software che guidano il dispositivo elettronico controlla il display del pixel controllando la sequenza di accensione dell'alimentazione.
Gli indicatori per il test degli LCD includono i seguenti aspetti importanti: dimensione del display, tempo di risposta (velocità di sincronizzazione), tipo di array (attivo e passivo), angolo di visualizzazione, colori supportati, luminosità e contrasto, risoluzione e proporzioni per lo schermo e interfaccia di input (tale come interfaccia visiva e array di visualizzazione video).
Breve storia
Nel 1888, il chimico austriaco Friedrich Renizer scoprì cristalli liquidi e le loro speciali proprietà fisiche.
Il primo LCD operativo si basava sulla modalità di scattering Dynamic (DSM), sviluppato da un team guidato da George Hellmann alla RCA. Hellmann ha fondato Optech, che ha sviluppato una serie di LCD basati su questa tecnologia.
Nel dicembre 1970, l'effetto field nematico contorto dei cristalli liquidi fu brevettato in Svizzera da Sint e Helfrich presso il Central Laboratories Hoffmann-Le Roque. Tuttavia, l'anno precedente, nel 1969, James Ferguson aveva scoperto l'effetto field nematico contorto dei cristalli liquidi alla Kent State University in Ohio, negli Stati Uniti, e aveva registrato lo stesso brevetto negli Stati Uniti nel febbraio 1971. Nel 1971, la sua società (Ilixco (Ilixco ) ha prodotto il primo LCD in base a questa proprietà, che presto ha sostituito il LCD di tipo DSM inferiore. Fu solo nel 1985 che questa scoperta divenne commercialmente praticabile. Nel 1973, la Giappone Sharp Corporation lo usò per la prima volta per realizzare display digitali per i calcolatori elettronici. Nel 2010, gli LCD sono diventati i principali dispositivi di visualizzazione per tutti i computer.
Principio di visualizzazione
Senza tensione, la luce si sposterà lungo lo spazio tra le molecole di cristalli liquidi e gira di 90 gradi, in modo che la luce possa passare attraverso. Ma dopo la tensione, la luce si muove dritto lungo lo spazio tra molecole di cristalli liquidi, quindi la luce è bloccata dal filtro.
Il cristallo liquido è un materiale con caratteristiche di flusso, quindi è necessaria solo una forza esterna molto piccola per far muovere le molecole di cristallo liquido. Prendendo il cristallo liquido nematico più comune come esempio, le molecole di cristalli liquidi possono facilmente girare dall'azione del campo elettrico. Poiché l'asse ottico del cristallo liquido è abbastanza coerente con il suo asse molecolare, può produrre effetti ottici. Quando il campo elettrico applicato al cristallo liquido viene rimosso e scompare, il cristallo liquido utilizzerà la propria elasticità e viscosità e le molecole di cristallo liquido torneranno rapidamente allo stato originale prima che il campo elettrico venga applicato.
Display trasmissivi e riflettenti
Gli LCD possono essere trasmissivi o riflettenti, a seconda di dove viene posizionata la sorgente luminosa.
I LCD trasmissivi sono illuminati da una sorgente luminosa dietro lo schermo e visualizzati dall'altro lato (davanti) dello schermo. Questo tipo di LCD viene utilizzato in applicazioni che richiedono un'elevata luminosità, come monitor di computer, PDA e telefoni cellulari. L'illuminazione utilizzata per illuminare l'LCD consuma spesso più potenza del LCD stesso.
LCD riflettenti, comunemente presenti negli orologi elettronici e nei calcolatori, (a volte) illuminano lo schermo riflettendo la luce esterna indietro da una superficie riflettente diffusa dietro l'LCD. Questo tipo di LCD ha un rapporto di contrasto più elevato perché la luce passa attraverso il cristallo liquido due volte, quindi viene tagliato due volte. Non l'uso di un dispositivo di illuminazione riduce significativamente il consumo di energia, quindi i dispositivi alimentati a batteria durano più a lungo. Poiché i piccoli LCD riflettenti consumano così poca potenza che una fotocellula è sufficiente per alimentarli, vengono spesso usati nei calcolatori tascabili.
Gli LCD transflettenti possono essere utilizzati come trasmissivi o riflettenti. Quando c'è molta luce esterna, il LCD funziona come tipo riflettente e quando c'è meno luce esterna, può funzionare come tipo trasmissivo.
Display a colori
La tecnologia LCD cambia anche la luminosità in base alle dimensioni della tensione. Il colore visualizzato da ciascun sotto-elemento LCD dipende dal programma di screening del colore. Poiché il cristallo liquido stesso non ha colore, i filtri a colori vengono utilizzati per produrre vari colori anziché sotto-elementi. Il sotto-elemento può regolare la scala di grigi controllando l'intensità della luce che passa attraverso. Solo pochi visualizzazioni a matrice attiva utilizzano il controllo del segnale analogico e la maggior parte utilizza la tecnologia di controllo del segnale digitale. La maggior parte degli LCD controllati digitalmente utilizzano controller a otto bit, che possono produrre 256 livelli di scala di grigi. Ogni sotto-elemento può mostrare 256 livelli, in modo da poter ottenere 2563 colori e ogni elemento può mostrare 16.777.216 colori. Poiché l'occhio umano non sente la luminosità linearmente e l'occhio umano è più sensibile alle basse variazioni della luminosità, questa cromaticità bit 24- non può soddisfare completamente i requisiti ideali. Gli ingegneri usano la regolazione della tensione degli impulsi per rendere più uniformi le modifiche al colore.
In un LCD a colori, ogni pixel è diviso in tre unità o sotto-pixel e i filtri aggiuntivi sono marcati rispettivamente rosso, verde e blu. I tre sotto-pixel possono essere controllati in modo indipendente, causando migliaia o persino milioni di colori per il pixel corrispondente. I vecchi CRT usano lo stesso metodo per visualizzare i colori. A seconda della necessità, i componenti del colore sono disposti in base a diverse geometrie dei pixel.
Array attivi e passivi
Un display di cristalli liquidi si trova comunemente in orologi elettronici e computer tascabili che consiste in un piccolo numero di segmenti, ciascuno con un singolo contatto di elettrodo. Un circuito dedicato esterno fornisce carica a ciascuna unità di controllo, che può essere ingombrante con più unità di visualizzazione (come display di cristalli liquidi). Display di cristalli liquidi a array passivo per piccoli display monocromatici, come quelli su PDA o schermi di laptop più vecchi, usano la tecnologia Nematic Super Twisted (STN) o SUPER TWISTED NEMATIC (DSTN) (DSTN corregge il problema della deviazione del colore di STN).
Ogni riga o colonna sul display ha un circuito indipendente e la posizione di ciascun pixel è anche specificata da una riga e una colonna. Questo tipo di display si chiama "array passivo" perché ogni pixel deve anche ricordare il proprio stato prima di aggiornare. Al momento, ogni pixel non ha una fornitura di addebito stabile. All'aumentare del numero di pixel, aumenterà anche il numero relativo di righe e colonne e questo metodo di visualizzazione diventa più difficile da usare. Gli LCD realizzati con array passivi sono caratterizzati da tempi di risposta molto lenti e basso contrasto.
Gli attuali visualizzazioni di colore ad alta risoluzione, come monitor di computer o televisori, sono array attivi. I display di cristalli liquidi a transistor a film sottile vengono aggiunti a polarizzatori e filtri a colori. Ogni pixel ha il proprio transistor, che consente il controllo a singolo pixel. Quando viene attivata una linea di colonna, tutte le linee di riga sono collegate a un'intera riga di pixel e ogni linea di riga viene guidata con la tensione corretta, la linea di colonna viene spenta e l'altra riga è attivata. In un'operazione di aggiornamento dell'immagine completa, tutte le righe delle colonne sono attivate in una sequenza temporale. I display di array attivi della stessa dimensione appariranno più luminosi e nitidi dei display di array passiva e hanno un breve tempo di risposta.
Controllo di qualità
Alcuni pannelli LCD contengono transistor difettosi che causano macchie permanenti luminose e scure. A differenza dei circuiti integrati, i pannelli LCD possono comunque visualizzare normalmente anche se ci sono pixel cattivi. Ciò può anche evitare di scartare i pannelli LCD molto più grandi dell'area IC a causa di alcuni pixel cattivi. I produttori di pannelli hanno standard diversi per determinare pixel cattivi.
I pannelli LCD hanno maggiori probabilità di avere difetti rispetto alle schede IC a causa delle loro dimensioni maggiori. Ad esempio, a {{0}} pollice svga lcd ha 8 pixel cattivi, mentre un wafer 6- pollici ha solo 3 difetti. Tuttavia, 3 difetti su un wafer che possono essere suddivisi in 137 IC non sono molto negativi, ma scartare il pannello LCD significa output dello 0%. A causa della forte concorrenza tra i produttori, sono stati sollevati standard di controllo di qualità. Se un LCD ha quattro o più pixel cattivi, è più facile da rilevare, quindi il cliente può richiedere una sostituzione. Anche la posizione del pixel cattivo nel pannello LCD non è trascurabile. I produttori spesso riducono gli standard perché i pixel danneggiati sono al centro del display. Alcuni produttori forniscono una garanzia a pixel zero.
Consumo energetico
I LCD a matrice attivi utilizzano meno potenza dei CRT. In effetti, sono diventati il display standard per dispositivi portatili, dai PDA ai laptop. Ma la tecnologia LCD è ancora troppo inefficiente: anche se si trasforma lo schermo bianco, meno del 10% della luce emessa dalla sorgente di luce di sfondo passa attraverso lo schermo; Il resto è assorbito. Quindi i nuovi display al plasma ora usano meno potenza rispetto agli LCD della stessa area.
I PDA, come Palm e CompaqiPAQ, usano spesso display riflettenti. Ciò significa che la luce ambientale entra nel display, passa attraverso lo strato di cristallo liquido polarizzato, colpisce lo strato riflettente e quindi si riflette di nuovo per visualizzare l'immagine. Si stima che l'84% della luce sia assorbito in questo processo, quindi viene utilizzato solo un sesto della luce, che, sebbene ci sia ancora spazio per il miglioramento, sia sufficiente per fornire il contrasto richiesto per il video visibile. La riflessione a senso unico e i display riflettenti consentono di utilizzare display LCD con un consumo di energia minimo in diverse condizioni di illuminazione.
Display a potenza zero
Nel 2000 è stato sviluppato un display a potenza zero che non utilizza l'elettricità quando è in modalità standby, ma questa tecnologia non è attualmente disponibile per la produzione di massa. Nemoptic, un'azienda francese, ha sviluppato un'altra tecnologia LCD a film sottile a potenza zero, prodotta in serie a Taiwan nel luglio 2003. Questa tecnologia è rivolta a dispositivi mobili a bassa potenza come e-book e computer portatili. Gli LCD a potenza zero competono anche con la carta elettronica.