Moduli di visualizzazione LCD TFT – Teoria dello schermo TFT TN, caratteristiche speciali del TFT IPS, confronto dei display TFT
Iniziamo dalle basi, rinfrescando le conoscenze sui display TN e LCD in generale; in seguito parleremo dei TFT (transistor a film sottile) e di come si differenziano dai normali display LCD monocromatici. Passeremo poi all’effetto ghosting, per cui non discuteremo solo della tecnologia alla base della costruzione del TFT, ma anche di alcuni fenomeni, come l’effetto ghosting o l’inversione della scala di grigi, che sono importanti da comprendere quando si utilizza un display LCD TFT. Successivamente, esamineremo le diverse tecnologie degli LCD TFT, come TN, IPS, VA, e naturalmente i display LCD trasmissivi e transflettivi, perché anche i display TFT possono essere trasmissivi e transflettivi. Nell’ultima parte parleremo della retroilluminazione.
Cos’è la tecnologia dei display TN TFT
Cominciamo con una breve rassegna della cella a cristalli liquidi più elementare, ovvero il display TN (twisted nematic). Nell’immagine qui sopra, possiamo vedere che la luce può essere trasmessa attraverso la cella o bloccata utilizzando la tensione. Se volete saperne di più sugli LCD monocromatici e sulle basi della tecnologia dei display LCD, seguite questo link. Che cos’è un display LCD TFT e come si differenzia da un display LCD monocromatico? Il TFT è chiamato display attivo. Attivo significa che abbiamo uno o più transistor in ogni cella, in ogni pixel e in ogni subpixel. TFT è l’acronimo di Thin Film Transistor, transistor molto piccoli e sottili che sono incorporati nel pixel, quindi non si trovano da qualche parte all’esterno in un controller, ma sono nel pixel stesso. Ad esempio, in un televisore da 55 pollici, il display TFT contiene milioni di transistor nei pixel. Non li vediamo, perché sono molto piccoli e nascosti, ma se li ingrandiamo, possiamo vederli in ogni angolo di ogni pixel, come nell’immagine qui sotto. 
Nell’immagine qui sopra possiamo vedere i subpixel, che sono i colori di base RGB (rosso, verde, blu) e una parte nera, con i transistor e i circuiti elettronici. Dobbiamo solo sapere che abbiamo pixel e subpixel e che ogni subpixel ha dei transistor. In questo modo il display diventa attivo e viene chiamato display TFT. I display TFT sono solitamente a colori, ma esistono anche display TFT monocromatici, attivi e dotati di transistor, ma privi di colori. I colori del display LCD TFT sono in genere aggiunti da filtri colorati su ciascun subpixel. Di solito i filtri sono RGB, ma esistono anche display LCD RGBW (Red, Green, Blue, White) con subpixel aggiunti senza il filtro (bianco) per rendere il display più luminoso. L’aspetto interessante è che la parte bianca dello schermo RGB e RGBW sembrerà esattamente la stessa da lontano, perché le luci sono miscelate e generano luce bianca, ma quando ci avviciniamo allo schermo, non vedremo affatto la luce bianca. Andando un po’ più a fondo, nella cella TFT c’è una parte interna ben nota a noi dalla lezione sul display LCD monocromatico dell’Università di Riverdi. Abbiamo una cella, cristalli liquidi, polarizzatori, uno strato di ITO (ossido di indio e stagno) per gli elettrodi e un circuito elettronico. Di solito, il circuito elettronico è composto da un transistor e da alcuni condensatori per sostenere lo stato del pixel quando lo si spegne e lo si accende. Nei moduli TFT i pixel sono molto più complicati perché, oltre a costruire la parte in cristallo, è necessario costruire anche una parte elettronica. 
Per questo motivo la tecnologia di produzione degli LCD TFT è molto costosa. Se avete familiarità con l’elettronica, sapete che il transistor è una sorta di interruttore che ci permette di attivare e disattivare i pixel. Poiché è integrato nel pixel stesso, può essere eseguito molto rapidamente e controllato molto bene. Possiamo controllare lo stato esatto di ogni pixel, non solo gli stati ON e OFF, ma anche tutti gli stati intermedi. Possiamo accendere e spegnere la luce delle celle in più fasi. Di solito per i display LCD TFT si tratta di passi a 8 bit per colore, quindi abbiamo 256 passi di luminosità per ogni colore e ogni subpixel. Poiché abbiamo tre subpixel, abbiamo una gamma di colori a 24 bit, il che significa oltre 16 milioni di combinazioni, possiamo, almeno teoricamente, visualizzare sul nostro pannello LCD TFT oltre 16 milioni di colori distinti utilizzando i pixel RGB. 
Ora che sappiamo come funziona il display a cristalli liquidi a film sottile, possiamo imparare alcune cose pratiche, una delle quali è l’effetto fantasma dell’LCD TFT. Sappiamo come viene creata l’immagine, ma cosa succede quando l’immagine rimane sullo schermo per un tempo prolungato e come evitarlo. Negli LCD esiste una cosa chiamata ghosting LCD. Non lo vediamo spesso, ma in alcuni display questo fenomeno esiste ancora. Se alcuni elementi dell’immagine, ad esempio il logo della vostra azienda, rimangono nello stesso punto dello schermo per un lungo periodo di tempo, per un paio di settimane, mesi o un anno, i cristalli memorizzeranno lo stato e in seguito, quando cambieremo l’immagine, potremo vedere un po’ di ghosting di questi elementi. Dipende da molte condizioni, come la temperatura e anche l’immagine visualizzata sullo schermo per lunghi periodi di tempo. Quando si costruisce l’applicazione, si possono utilizzare alcune tecniche per evitarlo, come la variazione molto rapida del contrasto e, naturalmente, evitare di posizionare la stessa immagine nella stessa posizione per un tempo prolungato. 
È possibile che abbiate già assistito a questo fenomeno, poiché è comune a tutte le tecnologie di visualizzazione, e persino aziende come Apple hanno inserito nei loro siti web informazioni sul fatto che gli utenti possono riscontrare questo fenomeno e su come risolverlo. Si tratta del cosiddetto image ghosting o persistenza dell’immagine, da cui non sono esenti nemmeno i display Retina. 
Cos’è l’inversione della scala di grigi nella tecnologia LCD TFT
Un altro problema presente nei display TFT, in particolare nei display LCD TN, è l’inversione della scala di grigi. Si tratta di un fenomeno che modifica i colori dello schermo in base all’angolo di visione, ed è solo unilaterale. Quando si acquista un display TFT a colori, occorre innanzitutto verificare il tipo di tecnologia di cui si tratta. Se si tratta di un display IPS, come la linea di display IPS Riverdi, non dobbiamo preoccuparci dell’inversione della scala di grigi perché gli angoli di visualizzazione saranno tutti uguali e tutti molto elevati, come 80, 85 o 89 gradi. Ma se si acquista un tipo di display più comune o di vecchia tecnologia, come il display TN (twisted nematic), è necessario pensare a dove verrà utilizzato, perché un angolo di visione sarà escluso. A volte può creare confusione e bisogna fare attenzione, poiché molte fabbriche definiscono la direzione di visione dello schermo e la confondono con il lato di inversione della scala di grigi. Nell’immagine qui sopra, è possibile vedere un’ulteriore spiegazione dell’inversione della scala di grigi tratta da Wikipedia. Si dice che alcuni dei primi pannelli e anche gli attuali display TN, hanno l’inversione della scala di grigi non necessariamente verso l’alto o verso il basso, ma può essere qualsiasi angolo, è necessario controllare nella scheda tecnica. Il motivo per cui sono state sviluppate tecnologie come l’IPS (In-Plane Switching), utilizzato nei più recenti display Riverdi, o VA, è stato quello di evitare questo fenomeno. Inoltre, non vogliamo vantarci, ma la definizione di Wikipedia fa riferimento al nostro sito web. 
Sappiamo già che i display TN (twisted nematic) soffrono di inversione della scala di grigi, il che significa che il display ha un lato di visualizzazione in cui il colore dell’immagine cambia improvvisamente. È complicato e bisogna fare attenzione. Nell’immagine qui sopra è riportata una parte delle specifiche di un display LCD TFT TN (twisted nematic), che presenta l’inversione della scala di grigi, e se andiamo a vedere questa tabella, possiamo vedere gli angoli di visione. Sono definiti a 70, 70, 60 e 70 gradi, cioè l’angolo di visione massimo a cui l’utente può vedere l’immagine. Normalmente pensiamo che 70 gradi siano meglio, quindi scegliamo i lati destro e sinistro a 70 gradi, e poi su e giù; se non conosciamo il fenomeno dell’inversione della scala di grigi, possiamo mettere il nostro utente sul lato inferiore, anch’esso a 70 gradi. La direzione di visualizzazione sarà quindi come quella delle ore 6, per cui si parla di display a ore 6. Ma bisogna fare attenzione! Dalle specifiche si evince che questo display è stato definito come un display a ore 12, quindi è preferibile che sia visto da una direzione di ore 12. Ma possiamo notare che le ore 12 hanno un angolo di visione inferiore, pari a 60 gradi. Che cosa significa? Significa che su questo lato non ci sarà alcuna inversione della scala di grigi. Se andiamo a 40, 50, 60 gradi e anche un po’ di più, probabilmente vedremo ancora l’immagine correttamente. Forse con un contrasto inferiore, ma i colori non cambieranno. Se partiamo dal basso, da una direzione a ore 6, dove abbiamo l’inversione della scala di grigi, dopo 70 gradi o meno vedremo un improvviso cambiamento di colore, e naturalmente questo è qualcosa che vogliamo evitare. Per riassumere, quando si acquistano vecchie tecnologie come i display TN e i display, che sono ancora molto popolari, e Riverdi li vende anche, bisogna fare attenzione a dove si posiziona il display. Se si tratta di un dispositivo portatile, si vedrà il display dal basso, ma se lo si appoggia a una parete, si vedrà il display dall’alto, quindi è necessario definirlo durante la fase di progettazione, perché in seguito è solitamente impossibile o costoso cambiare la direzione. 
VA, display TFT a colori e tecnologie di visualizzazione IPS TFT
Parleremo ora delle altre tecnologie TFT, che ci permettono di avere angoli di visione più ampi e colori più vividi. La tecnologia di base per i display monocromatici e TFT è la tecnologia nematica ritorta (TN). Come già sappiamo, questo tipo di display presenta un problema di inversione della scala di grigi. Da un lato abbiamo un ritardo maggiore e non otterremo un’immagine chiara. Per questo motivo esistono altre tecnologie come VA (Vertical Alignment), in cui i cristalli liquidi sono organizzati in modo diverso, e un’altra variante della tecnologia TFT: IPS, ovvero In-Plane Switching. I display LCD VA e IPS TFT non hanno problemi di angoli di visione, è possibile vedere un’immagine chiara da tutti i lati. 
Oggi tutti i televisori, i tablet e naturalmente i telefoni cellulari sono IPS o VA. È possibile girarli e vedere l’immagine chiara da tutti i lati. Tuttavia, per le applicazioni su monitor la tecnologia TN è ancora ampiamente utilizzata, perché il monitor si trova solitamente di fronte all’utente e nella maggior parte dei casi lo si guarda direttamente, dall’alto, da sinistra o da destra, ma molto raramente dal basso, per cui l’angolo di visione dell’inversione della scala di grigi può essere posizionato lì. Questa tecnologia è ancora molto pratica perché è accessibile e presenta alcuni vantaggi per i giocatori perché è molto veloce. Oltre alla diversa organizzazione dei cristalli liquidi, anche i subpixel sono organizzati in modo leggermente diverso nei monitor VA e IPS. Se osserviamo più da vicino il display TN, vedremo solo i subpixel con i filtri di colore. Se osserviamo i display VA o IPS, essi presentano subpixel di subpixel. I subpixel vengono suddivisi in parti più piccole. In questo modo è possibile ottenere angoli di visione ancora più ampi e colori migliori per l’utente, ma naturalmente è più complicato e più costoso da realizzare.
Breve sintesi delle tecnologie dei display LCD IPS, VA e TN
L’immagine qui sopra presenta il display TFT di tipo TN e l’inversione della scala dei grigi. Per la tecnologia IPS o VA non c’è questo effetto. L’immagine sarà la stessa da tutti i lati in cui guardiamo, quindi queste tecnologie sono popolari quando abbiamo bisogno di ampi angoli di visione, mentre il TN è popolare quando non ne abbiamo bisogno, come nei monitor. Altri vantaggi della tecnologia dei display IPS sono la precisione dei colori e gli ampi angoli di visione. L’aspetto importante nella pratica, nei nostri progetti, è che i monitor IPS sono meno sensibili alle forze meccaniche. Quando applichiamo una forza meccanica allo schermo, e abbiamo un touch screen a incollaggio ottico, spingiamo il display e comprimiamo le celle. Quando abbiamo un display TN, ogni pressione sulla cella cambia improvvisamente l’immagine, con la linea IPS di TFT con commutazione in-plane, diversa organizzazione dei cristalli, questo effetto è minore. Non è stato completamente rimosso, ma è molto meno evidente. Questo è un altro motivo per cui i display IPS sono molto popolari per gli smartphone e i tablet, quando i touchscreen sono solitamente incollati otticamente. Se volessimo parlare di svantaggi, ci sarebbe un punto interrogativo, in quanto alcuni di essi potrebbero essere veri, altri non si basano su casi reali, su che tipo di display, su che tipo di tecnologia si tratta. A volte il display IPS TFT può avere un consumo energetico maggiore rispetto ad altri, ma in molti casi non è così. Possono essere più costosi, ma non necessariamente. I nuovi pannelli IPS possono costare come i moduli TN, ma la tecnologia IPS ha sicuramente un tempo di risposta più lungo. Anche in questo caso non si tratta di una regola, è possibile realizzare pannelli IPS molto veloci, più veloci dei pannelli TN, ma se si desidera il display più veloce possibile, probabilmente lo schermo TN TFT sarà il più veloce. Ecco perché la tecnologia TN è ancora popolare sul mercato dei giochi. Naturalmente, su Internet si possono trovare molte discussioni su quale tecnologia sia migliore, ma dipende davvero da ciò che si vuole ottenere. 
Tipi di retroilluminazione dei display LCD TFT
Vediamo ora i tipi di retroilluminazione a LED. Come vediamo qui, nell’immagine precedente, abbiamo quattro tipi distinti. I pannelli TFT più comuni, il 95 o 99% di quelli presenti sul mercato, sono del tipo LCD trasmissivo, in cui la luce deve provenire dal retro. Se ricordate la lezione sui display LCD monocromatici, per i display LCD trasmissivi è necessario che i LED siano sempre accesi. Se li spegnete, non vedrete nulla. Come per i display LCD monocromatici, ma meno popolare per i display TFT, abbiamo il tipo di display LCD transflettivo. Non sono molto diffusi perché di solito i display TFT transflettivi hanno una scarsa luminosità dei colori e non sono molto pratici da usare. È possibile vedere lo schermo, ma l’applicazione è limitata. Alcuni display a cristalli liquidi transflettivi sono utilizzati in ambito militare, in applicazioni in cui il consumo di energia è fondamentale; in questo caso è possibile spegnere la retroilluminazione e accettare una qualità dell’immagine inferiore, pur continuando a vedere l’immagine. Il consumo di energia e il risparmio energetico sono molto importanti in alcuni tipi di applicazioni, per le quali è possibile utilizzare dispositivi di visualizzazione transflettivi. La tecnologia LCD di tipo riflettente non viene quasi mai utilizzata nei TFT. Esiste una tecnologia chiamata Low Power Reflective Displays (LPRD) che viene utilizzata nei TFT, ma non è molto diffusa. Infine, abbiamo una variante dei display riflettenti con luce frontale, in cui aggiungiamo la luce frontale al display riflettente e abbiamo l’immagine anche senza luce esterna. 
Qualche parola sui display riflettenti a bassa potenza (LPRD). Questo tipo di display utilizza la luce ambientale per riflettere e produrre alcuni colori. I colori non sono perfetti, non sono perfettamente nitidi, ma questa tecnologia sta diventando sempre più popolare perché permette di avere display a colori in applicazioni alimentate a batteria. Ad esempio, uno smartwatch potrebbe essere un caso per questa tecnologia, oppure una bicicletta o uno scooter elettrico, dove non solo possiamo avere un display LCD monocromatico standard ma anche un display a colori TFT LCD senza retroilluminazione; possiamo vedere l’immagine anche in 
forte luce solare e non abbiamo bisogno di retroilluminazione. Pertanto, questo tipo di tecnologia LCD a matrice attiva sta diventando sempre più popolare quando si tratta di display LCD per esterni che necessitano di un basso consumo energetico. 
Nell’immagine qui sopra sono riportati alcuni esempi di come funzionano i display LCD trasmissivi e riflettenti alla luce del sole. Se abbiamo un’immagine semplice, come un disegno in bianco e nero, su un display LCD trasmissivo, anche con una luminosità di 1000 candele, l’immagine sarà probabilmente di qualità inferiore rispetto a un display LCD riflettente; se abbiamo la luce del sole, abbiamo riflessi di luce molto forti sulla superficie dello schermo. Abbiamo parlato del contrasto in modo più dettagliato nella lezione sui display leggibili alla luce del sole. Per questo motivo, i display LCD riflettenti sono una soluzione migliore per le applicazioni all’aperto rispetto ai display LCD trasmissivi, per i quali è necessaria una retroilluminazione molto forte, pari o superiore a 1000 candele, per essere realmente visibili all’esterno. 
Per mostrare come è costruita la retroilluminazione dei display LCD, abbiamo scattato la foto qui sopra. È possibile vedere la retroilluminazione sul bordo, con i LED sul piccolo PCB sul bordo e un diffusore che distribuisce la luce sull’intera superficie dello schermo LCD. 
Oltre alla retroilluminazione, abbiamo una cosa che viene chiamata “frontlight”. È simile alla retroilluminazione, anch’essa utilizza i LED per diffondere la luce, ma la luce frontale deve essere trasparente poiché dietro c’è il display. Nell’esempio dell’immagine qui sopra possiamo vedere un display e-paper. Anche il display e-paper è una variante del display TFT, ma non è LCD (a cristalli), è una tecnologia diversa, ma il retro del display è lo stesso ed è riflettente. L’esempio che vedete è quello del lettore di eBook Kindle 4. Utilizza un display e-paper e una luce frontale, in modo da poter leggere gli eBook anche di notte.
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