Lo schermo ai cristalli liquidi (in acronimo LCD, dall'inglese Liquid Crystal Display) è un tipo di display che utilizza le proprietà di modulazione della luce dei cristalli liquidi.
È utilizzato come dispositivo di visualizzazione in una vasta gamma di applicazioni, tra cui televisori LCD, monitor per computer, pannelli di strumenti e nella segnaletica. Piccoli LCD sono comuni anche in diversi dispositivi portatili di consumo, per esempio in fotocamere digitali, orologi e smartphone. I display a cristalli liquidi possono avere dimensioni che variano da poche decine di millimetri a oltre 100 pollici.
Storia
Il primo utilizzo dei cristalli liquidi per un display fu opera di George Heilmeier nel 1965.
A partire dagli anni 2000, la tecnologia LCD, insieme a quella al plasma, ha inizialmente affiancato e poi sostituito in quasi tutte le applicazioni la tecnologia degli schermi con tubo a raggi catodici (CRT), vecchia di quasi un secolo, durante il quale era stata pressoché l'unico sistema di visualizzazione su schermo utilizzato.
Descrizione e funzionamento
L'LCD è basato sulle proprietà ottiche di particolari sostanze denominate cristalli liquidi. Questo liquido è intrappolato fra due superfici vetrose provviste di numerosissimi contatti elettrici con i quali poter applicare un campo elettrico al liquido contenuto. Ogni contatto elettrico comanda una piccola porzione del pannello identificabile come un pixel (o subpixel per i display a colori), pur non essendo questi ultimi fisicamente separati da quelli adiacenti come avviene invece in uno schermo al plasma. Sulle facce esterne dei pannelli vetrosi sono poi posti due filtri polarizzatori disposti su assi perpendicolari tra loro. I cristalli liquidi ruotano di 90° la polarizzazione della luce che arriva da uno dei polarizzatori, permettendole di passare attraverso l'altro.
Prima che il campo elettrico sia applicato, la luce può passare attraverso l'intera struttura e, a parte la porzione di luce assorbita dai polarizzatori, l'apparecchio risulta trasparente. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole del liquido si allineano parallelamente al campo elettrico, limitando la rotazione della luce entrante. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che vi passa attraverso è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore, e viene quindi bloccata del tutto facendo apparire il pixel non illuminato. Controllando la rotazione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può dunque regolare la quantità di luce che può passare. Si noti però che in questo modo un pixel guasto apparirà sempre illuminato. In realtà alcuni tipi di pannelli funzionano all'opposto, cioè sono trasparenti quando accesi e opachi quando spenti per cui un pixel guasto resta sempre "spento".
Nei PC o TV a colori l'unità di misura delle dimensioni del display è comunemente il pollice (un pollice corrisponde a 2,54 cm), ed è la distanza misurata in diagonale tra due angoli opposti del pannello. Le dimensioni variano da 12 a oltre 100 pollici, con risoluzioni che nelle TV vanno da 640 × 480 a 3840 × 2160 pixel e anche oltre per applicazioni speciali.
Una delle caratteristiche principali dei pannelli a cristalli liquidi, rispetto ai precedenti tubi a raggi catodici, è il relativamente basso consumo di energia elettrica, che li rende adatti anche per applicazioni in apparecchiature portatili alimentate da batterie. Gran parte del consumo è attribuibile alla retroilluminazione, che varia anche in base alla tecnologia adottata, per esempio i pannelli LCD con retroilluminazione a LED hanno consumi assai più contenuti rispetto a pannelli di dimensioni simili ma con retroilluminazione a lampade fluorescenti.
Tipi di display Display trasmissivi, riflettivi e transflettivi
I display LCD possono essere usati in due modalità denominate trasmissiva e riflettiva. Quelli di tipo trasmissivo sono illuminati da un lato e vengono visti dall'altro. In pratica una luce viene posizionata sul retro del pannello e i cristalli liquidi agiscono da filtro, facendo passare solo la componente cromatica desiderata. In questo modo si ottengono display molto luminosi, d'altro canto però la fonte di luce può consumare più energia di quella richiesta dal solo display. Hanno generalmente una buona leggibilità in condizioni di scarsa luce ambientale, mentre diventano poco visibili in condizioni di forte illuminazione, risultando più adatti per l'uso in interni.
I display LCD di tipo riflettivo usano la luce presente nell'ambiente, che viene riflessa da uno specchio posto dietro lo schermo; hanno un contrasto più basso rispetto all'LCD trasmissivo, infatti la luce è costretta a passare due volte attraverso il filtro. Il vantaggio principale di questo tipo di display è che l'assenza di una fonte di luce artificiale mantiene i consumi energetici molto bassi. Un piccolo display LCD consuma così poco che può essere alimentato da una semplice cella fotovoltaica. Hanno una buona leggibilità in condizioni di forte illuminazione ambientale, mentre risultano sempre meno leggibili al diminuire dell'illuminazione esterna, un esempio sono le calcolatrici.
I display transflettivi cercano di unire le caratteristiche migliori dei trasmissivi e dei riflettivi. Hanno un semi-specchio posto dietro il display, in grado di riflettere la luce frontale (come i riflessivi), ma di far passare la luce proveniente da un illuminatore posto nella parte posteriore (come i trasmissivi). Questo tipo di display si va diffondendo rapidamente, soprattutto negli apparecchi mobili (telefoni cellulari e computer palmari), per la sua buona leggibilità in tutte le condizioni di luce.
Display attivi e passivi I display LCD con un numero modesto di segmenti, come quelli usati nelle calcolatrici o negli orologi digitali, sono provvisti di un contatto elettrico per ogni segmento. Il segnale elettrico per controllare ogni segmento è generato da un circuito esterno; questo tipo di struttura diventa improponibile man mano che il numero di segmenti aumenta.
I display di medie dimensioni, come quelli delle agende elettroniche, hanno una struttura a matrice passiva. Questo tipo di struttura ha un gruppo di contatti per ogni riga e colonna del pannello, invece che per ogni pixel. Lo svantaggio è che può essere controllato solo un pixel alla volta, gli altri pixel devono ricordare il loro stato finché il circuito di controllo non si dedica nuovamente a loro. Il risultato è un contrasto ridotto ed una certa difficoltà a visualizzare bene le immagini in rapido movimento; il problema va peggiorando man mano che il numero di pixel aumenta.
Per i display ad alta risoluzione, come per esempio quelli usati nei monitor per computer, si usa un sistema a matrice attiva. In questo caso il display LCD contiene una sottile pellicola di transistor (Thin Film Transistor - TFT). Questo dispositivo memorizza lo stato elettrico di ogni pixel del display mentre gli altri pixel vengono aggiornati; questo metodo permette di ottenere immagini molto più luminose e nitide rispetto agli LCD tradizionali.
La durata media dei display LCD può superare le 50.000 ore; questo dato, unitamente alla notevole e costante riduzione del loro prezzo, rende questa tecnologia una valida alternativa ai display a tubo catodico (ormai quasi abbandonata).
Parametri di un pannello LCD I principali parametri che caratterizzano un display LCD a matrice attiva (TFT) sono contrasto, luminosità (o più propriamente luminanza), linearità dei grigi, angolo di visuale, tempo di risposta e resa cromatica. Inoltre per la televisione, pur non facendo parte del pannello vero e proprio, anche l'elettronica di "scalatura" dell'immagine è fondamentale nel determinare la qualità video.
Contrasto e retroilluminazione Il rapporto fra la luminosità del bianco e la luminosità del nero è definito contrasto. Si tratta quindi di un parametro tipico del pannello, dipendente dalla capacità dei cristalli liquidi di bloccare la luce proveniente dalla retroilluminazione; viceversa, il cosiddetto "contrasto dinamico" non dipende solamente dai cristalli liquidi ma anche dalla retroilluminazione: è infatti il rapporto fra il bianco, misurato con la retroilluminazione alla massima intensità, e il nero, misurato con la retroilluminazione al valore minimo. I valori di contrasto dinamico sono pertanto formalmente molto più alti di quello nativo dei pannelli, mediamente di un rapporto di almeno 1 a 5.
Generalmente i migliori pannelli LCD vantano contrasti nativi dello stesso ordine di grandezza di quelli dinamici dichiarati nei pannelli più vecchi; in genere comunque i contrasti dinamici sono dell'ordine di grandezza delle diverse migliaia a 1, se non delle decine di migliaia a 1, mentre quelli statici solitamente partono da attorno ai 1000:1 a salire. Una immagine che abbia sia parti chiare che scure mette tuttavia in difficoltà un pannello che vanta alti contrasti dinamici in quanto la luminosità della retroilluminazione è unica (quando il pannello non ha la funzione di local dimming, che è presente in alcuni dispositivi con una retroilluminazione a matrice), per cui il reale contrasto sarà quello nativo dei cristalli liquidi e non quello dinamico.
Si è nel tempo sviluppata la tecnologia retroilluminazione a LED, distinguendo due diversi metodi per il loro posizionamento, sensibilmente diversi tra loro: la retroilluminazione "laterale", costituita da LED posti sul bordo del display e controllabili "in blocco", e quella "a tappeto luminoso" (che può avere una risoluzione pari o anche molto inferiore alla risoluzione del pannello LCD), una tecnica più recente, la quale per mezzo di un microprocessore dedicato, permette il cosiddetto "local dimming", una funzione che agisce dinamicamente sulle varie porzioni di retroilluminazione, ottimizzandole in base ad ogni singolo fotogramma in riproduzione, migliorandone pertanto sensibilmente il contrasto. Nel tempo, la corretta dizione "schermo LCD a retroilluminazione LED" viene spesso abbreviata in "schermo a LED", anche se impropria (i LED presenti hanno il "solo" scopo di retro illuminare).
Forti contrasti sono tuttavia necessari solo per l'uso in piena luce del pannello LCD; si rileva infatti che il contrasto realmente percepito dipende anche dall'illuminazione dell'ambiente e dalla finitura superficiale dello schermo (lucido/riflettente od opaco/diffondente). Poiché in ogni caso lo schermo non è un corpo nero e riflette una parte della luce che lo colpisce, la luminanza del nero viene alterata se questi viene colpito da una forte luce ambiente. Viceversa, ad esempio per la visione di un film in un ambiente scuro (il tipico soggiorno alla sera), contrasti elevati sono in genere fastidiosi in quanto le parti di immagine più luminose hanno un effetto abbagliante, riducendo la percezione dei dettagli nelle parti più scure e aumentando l'effetto scia percepito.
Tempi di risposta bianco-nero, grigio-grigio, tempo percepito ed effetto scia