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Tipi di vetro nei display LCD TFT

Benvenuti all’Università Riverdi. In questa lezione parleremo dei diversi tipi di vetro dei display LCD TFT e delle superfici che utilizziamo per proteggere i display, o che possiamo utilizzare per proteggere con il vetro l’intero dispositivo.

Parleremo dei diversi tipi di vetro nei display LCD TFT, poi dei trattamenti superficiali, di cosa facciamo per ottenere diversi parametri delle superfici di vetro, della durezza – importante quando vogliamo proteggere qualcosa, poi della verniciatura del vetro, di come la facciamo e di cosa possiamo ottenere, del tasso IK, di quanto impatto meccanico possiamo imprimere al vetro e se resisterà ancora e infine del vetro stratificato, del perché stratifichiamo il vetro e di cosa possiamo ottenere con questa operazione.

Perché si parla di vetro nei display LCD TFT?

L’aspetto più importante del vetro dei display LCD TFT è la protezione del display, ma non solo. Come si può vedere nelle immagini qui sopra, il vetro è un elemento del design dei dispositivi. I dispositivi sono più belli e possono essere progettati in modo da proteggere non solo il display, ma l’intera superficie del dispositivo, come nel caso della macchina del caffè nell’immagine qui sopra, dove abbiamo un display con una grafica aggiuntiva che copre l’intera parte anteriore del dispositivo. Il vetro è uno dei migliori materiali utilizzati nei dispositivi elettronici per proteggere gli schermi, perché è molto duro e difficile da graffiare. È meccanicamente forte, economico ed eccezionalmente buono in termini di ottica. Nel caso del vetro, il tasso di trasparenza è in genere superiore al 90% o addirittura al 95%. È ampiamente disponibile, conosciamo molte tecniche per produrlo e per prepararlo per alcuni design speciali e avanzati, dato che oggi possiamo modificare la forma del vetro abbastanza facilmente.

Ora parleremo dei tipi di vetro che utilizziamo per proteggere schermi e dispositivi. Nei display LCD TFT utilizziamo principalmente due tipi di vetro: uno è il vetro rinforzato chimicamente, che chiamiamo vetro di tipo CS, l’altro è il vetro temperato termicamente, un vetro indurito che viene sottoposto a temperature elevate per renderlo più resistente. Per i nostri prodotti standard utilizziamo in genere un vetro rinforzato chimicamente per i touch screen. Il nostro spessore standard è di 1,1 millimetri. Questo tipo di vetro è piuttosto resistente rispetto al vetro normale. Rafforzamento chimico significa trattare la superficie con ioni, di solito ioni d’argento. Aumentiamo la resistenza della superficie del vetro, perché di solito il vetro si rompe quando si rompe la superficie. Con il rafforzamento chimico non modifichiamo l’interno del vetro, ma solo la durezza della superficie, il che è sufficiente a rendere il vetro molto più resistente.

Come si può vedere nella tabella precedente, con il rafforzamento chimico possiamo rendere il vetro anche 6 o 8 volte più resistente meccanicamente rispetto a quello normale. Si tratta di un processo molto lungo, che può durare diverse ore, e che richiede una temperatura elevata, pari o superiore a 400 gradi. Il vetro temperato termicamente è un metodo separato per rinforzare il vetro. Utilizziamo una temperatura elevata e un raffreddamento molto rapido per rendere il vetro più resistente. In questo processo abbiamo bisogno di una temperatura più alta, 700 gradi, ma è molto più veloce, richiede solo alcuni minuti, e otteniamo un vetro forte, da 4 a 5 volte più forte del normale vetro float. Il vetro temperato termicamente non è resistente come il vetro temperato chimicamente. È più economico, ma non possiamo usarlo per il vetro sottile. Il vetro più sottile che possiamo temprare termicamente è di 3-4 millimetri. Se il vetro è più sottile, a caldo inizia a galleggiare e la superficie non torna più piatta. Quindi, se abbiamo un vetro spesso, sarebbe più conveniente utilizzare la soluzione a tempera. Ecco perché è più popolare. Per i vetri più sottili utilizziamo un rinforzo chimico, perché non possiamo utilizzare la soluzione di tempra termica.

Ora parleremo dell’altra differenza tra questi due metodi di rinforzo del vetro. Sul lato sinistro dell’immagine qui sopra, si può notare la rottura di un vetro temperato chimicamente e sul lato destro la rottura di un vetro temperato termicamente. Il vetro rinforzato chimicamente si rompe come un vetro normale, perché non ne modifichiamo la parte interna. Noi rendiamo più resistente solo la superficie, ma all’interno il vetro è uguale al normale vetro float e si rompe proprio come quest’ultimo. Il vetro temperato termicamente modifica la struttura interna del vetro e si rompe in pezzi molto piccoli. In molti casi è meglio perché è più sicuro per l’uomo, ecco perché di solito si usa il vetro temperato termicamente nelle automobili o in luoghi dove il vetro rotto può ferire le persone.

Un’altra proprietà o tipo di vetro di cui parleremo è Optiwhite e Float. Float è il vetro più comunemente utilizzato nei progetti di architettura, ma anche in molti touchscreen. Il vetro float è il più comune, il più diffuso e il più economico, ma a volte abbiamo esigenze specifiche. A volte abbiamo bisogno di un’ottima riproduzione del colore, soprattutto dei colori chiari e del bianco. Poi usiamo un vetro chiamato Optiwhite. A tal fine è necessario rimuovere il ferro dal vetro. Il vetro float contiene un po’ di ferro che lo rende verde o verdastro. Se guardiamo direttamente attraverso il vetro, potremmo non vederlo, ma se guardiamo da un’angolazione, possiamo vedere il colore verde. Se mettiamo uno sfondo bianco, vedremo anche un po’ questo colore verdastro. Quindi, se ci sono requisiti specifici, utilizziamo Optiwhite, da prendere in considerazione soprattutto se avete uno sfondo bianco. Di solito, l’Optiwhite è un po’ più costoso, quindi vale la pena di verificare con il produttore del display cosa possiamo utilizzare nel nostro caso.

Ora sappiamo come viene prodotto il vetro, come viene rinforzato, come si rompe e quali tipi di vetro abbiamo, Float e Optiwhite. Per continuare, parleremo di trattamenti superficiali diversi dal consolidamento. Gli altri trattamenti che utilizziamo sono antiriflesso, antimpronta, antiriflesso e antibatterico. A proposito del trattamento antiriflesso abbiamo parlato in un altro video del
il contrasto e la luminosità dei display LCD per esterni
. In quel filmato stavo dimostrando quanto la superficie antiriflesso possa aumentare il contrasto in modo significativo. L’antiriflesso è, come dice il nome, un po’ di sfocatura dell’immagine, ma la luce che viene riflessa non è come quella dello specchio, non è più abbagliante.

Nell’immagine qui sopra ci sono esempi di vetro. Una è un po’ sfocata, è antiriflesso, l’altra è chiara, è antiriflesso. In passato, il vetro antiriflesso era più popolare e veniva utilizzato in alcuni dispositivi commerciali, ma in seguito i produttori hanno scoperto che i dispositivi con antiriflesso vengono venduti meno frequentemente di quelli con abbagliamento. È perché come esseri umani pensiamo che ci sia qualcosa di sbagliato in un’immagine un po’ sfocata, anche se i riflessi sono più bassi. Quando siamo in un negozio e guardiamo i telefoni, non vediamo l’immagine chiaramente e pensiamo che ci sia qualcosa di sbagliato e che non vogliamo questo dispositivo. Ecco perché non si vedono più vetri antiriflesso nei prodotti di consumo. Nei prodotti di consumo tutto è abbagliante, può essere antiriflesso o solo normale senza alcun trattamento superficiale. Ma nel mercato professionale a cui lavoriamo, come quello dei dispositivi medici e militari, abbiamo molti progetti in cui utilizziamo trattamenti antiriflesso e antigraffio, entrambe soluzioni per ridurre i riflessi e aumentare il contrasto.

Poi, abbiamo il trattamento anti-impronte. Tutti voi lo avete sul vostro telefono e sapete come funziona. Funziona meglio o peggio, di solito peggio, per cui si vedono molte dita, soprattutto quando l’anti-impronta è collegata al trattamento antiriflesso. Sull’antiriflesso non si vedono le impronte digitali perché è sfocato. Quindi, entrambe le soluzioni presentano vantaggi e svantaggi diversi. Come ultimo trattamento abbiamo le superfici antibatteriche. Esistono anche superfici testate anti-Covidio. Possiamo utilizzarli in alcuni casi speciali, per dispositivi medici o per scopi pubblici. Si tratta di un mercato importante e in crescita, perché ci sono sempre più schermi nei luoghi pubblici, ad esempio nei McDonald’s o in altri luoghi con casse automatiche, dove si toccano gli schermi e si scambiano batteri con altre persone. In questi casi è molto importante avere trattamenti superficiali antibatterici, per questo li offriamo, di solito per schermi più grandi per soluzioni pubbliche.

Parliamo ora della durezza del vetro nei display LCD TFT. Naturalmente, per parlare di durezza dobbiamo misurarla. Per questo esiste la scala Mohs, che prevede 11 diversi livelli di durezza. Come si vede nell’immagine qui sopra, il10 è un diamante e l’1 è un discorso. Di solito si utilizza un vetro con durezza compresa tra 5 e 7. In alcuni casi utilizziamo anche il vetro Gorilla Glass con durezza 9. Viene utilizzato sui nostri telefoni o tablet. Come si può vedere, possiamo ottenere una durezza 7 con il vetro rinforzato chimicamente e di solito 6 con il vetro rinforzato termicamente. Il vetro Gorilla è anche un vetro rinforzato chimicamente, brevettato dall’azienda Corning, ed è il più resistente che si possa ottenere nel vetro di copertura per proteggere lo schermo.

Questa scala riguarda la durezza della superficie: quanto è difficile graffiare la superficie. Come sapete, anche il vetro con durezza 9 può essere graffiato, tutti hanno qualche graffio sul proprio telefono perché questo strato duro è molto sottile, solo 10 micrometri. Se si esercita una forza sufficiente e si infrange questa barriera, si ha un vetro morbido con durezza 6 o addirittura inferiore, per cui si verificano i graffi.

Che cos’è l’inversione della scala di grigi di un LCD TFT?

Ancora due parole sul vetro Gorilla. Ora è disponibile sul mercato la sesta generazione di Gorilla Glass. L’obiettivo dell’azienda Corning e del Gorilla Glass è quello di rendere il vetro il più resistente e il più leggero possibile, perché la maggior parte dei casi si tratta di dispositivi palmari, dove vogliamo che il vetro sia leggero, per questo vogliamo renderlo molto sottile. Ci sono anche altre aziende che producono equivalenti del Gorilla Glass, come Dragontrail di AGC o Xensation di Shott. Non sono molto diffusi, ma in molti telefoni cellulari o tablet presenti sul mercato è possibile trovare questi tipi di vetro.

Parliamo ora del dipinto. Conosciamo i tipi di vetro che utilizziamo nei display LCD TFT, sappiamo come rendere il vetro più resistente, conosciamo i trattamenti superficiali, come rendere il vetro meno riflettente o antimpronta o antibatterico, ma non è sufficiente perché il vetro sarà solo trasparente. Se vogliamo coprirlo, dobbiamo dipingerlo. In genere, dipingiamo il vetro con la tecnica chiamata serigrafia. È la tecnica più diffusa, economica e veloce.

Quando facciamo la stampa serigrafica, abbiamo bisogno di uno schermo per ogni colore, quindi per minimizzare i costi, cerchiamo di ridurre il numero di colori a 2-4, come lo sfondo e il logo colorato. Ogni colore è un processo diverso, dobbiamo aspettare che la pittura precedente si asciughi e poi dobbiamo mettere un altro schermo e stampare un altro colore. Più colori significano un processo più lungo e, naturalmente, un costo maggiore. Certo, possiamo modificare la forma del vetro, possiamo realizzare angoli arrotondati o un design personalizzato del vetro, ma è costoso perché prima si tratta solo di un pezzo rettangolare, poi è necessario passare alla macchina CNC per realizzare la forma corretta del vetro.

L’altra tecnica di stampa che utilizziamo oggi è la stampa a getto. È come una normale stampante che si usa in ufficio. È possibile stampare tutti i colori, anche i dipinti. Questo processo è lungo e costoso, quindi è riservato ad applicazioni speciali, ma possiamo farlo se è necessario.

https://youtu.be/2aph02TMeyk

Ora parleremo della protezione meccanica dagli impatti. È diverso dalla durezza superficiale di cui abbiamo parlato prima. Nell’immagine qui sopra, abbiamo il test e la scala per misurare la resistenza meccanica del vetro, ovvero quanta energia possiamo applicare al vetro prima che si rompa. Si misura in tasso IK. Il tasso IK è una scala in cui abbiamo diversi livelli e diverse energie che aumentano. Ad esempio, se vogliamo testare l’IK 9, dobbiamo prelevare una massa di 5 chilogrammi da un’altezza di 200 millimetri. La massa viene mantenuta al di sopra del vetro testato utilizzando un elettromagnete, poi la lasciamo cadere e vediamo se si rompe o meno. In caso contrario, il test è ovviamente superato.

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Se il vetro non ha superato il test, possiamo provare a cambiare il tipo di vetro da temperato termicamente a rinforzato chimicamente o passare a un vetro più spesso.

L’ultimo punto di questo articolo è il vetro stratificato. La stratificazione del vetro è dovuta a diversi motivi. Innanzitutto, cos’è il vetro stratificato. Il vetro stratificato consiste nell’inserire la pellicola all’interno di due lastre di vetro. Questo processo è costoso, richiede pressione, temperatura, tempo e un ambiente eccezionalmente pulito, perché quando laminiamo insieme due lastre di vetro, dobbiamo essere sicuri che non vi entrino particelle. Questo tipo di processo deve essere eseguito in una camera bianca, quindi è costoso, ma come si vede nell’immagine qui sopra, anche se il vetro si rompe, continua a resistere grazie alla pellicola laminata all’interno.

La stratificazione del vetro è dovuta principalmente a due motivi. Uno è la resistenza meccanica e l’impatto. Lo usiamo anche nelle nostre case. Molte finestre utilizzate al giorno d’oggi sono antivandaliche, cioè con vetro stratificato, e sono straordinariamente resistenti. L’altro motivo per cui si stratifica il vetro è inserire all’interno una pellicola con alcune proprietà, di solito per bloccare la luce UV o IR. IR significa infrarossi, quindi calore, e UV significa ultravioletti, lunghezza d’onda corta, estremamente pericolosi per l’elettronica. Quando abbiamo un’applicazione esterna, alcuni clienti vogliono proteggere i display, i touchscreen o i display e-paper anche dai raggi UV. Poi usiamo il vetro stratificato e, come si può vedere nel grafico qui sopra, la pellicola a taglio IR e la pellicola a taglio UV sono entrambe trasparenti per la luce visibile. Possiamo vedere tutto attraverso di loro, ma ciò che è più alto e ciò che è più basso viene tagliato dalle pellicole UV e IR. Il più delle volte utilizziamo solo pellicole a taglio UV, perché i raggi UV sono più pericolosi, ad esempio fanno ingiallire i sensori delle pellicole per i touchscreen capacitivi o possono diminuire il contrasto dei display TFT (Thin Film Transistor) danneggiando il polarizzatore o i filtri colorati. La pellicola IR viene utilizzata in alcune applicazioni per proteggere il display dal calore. Se lo aggiungiamo, possiamo diminuire la temperatura della superficie del display. In un altro video abbiamo parlato di High-TN, ovvero di cristalli liquidi che possono lavorare a temperature molto elevate. Per questo tipo di cristalli liquidi, di solito non è necessario diminuire la temperatura della superficie perché possono arrivare a 100 o 110 gradi, mentre i display normali possono funzionare fino a 50 o 70 gradi di temperatura massima. L’uso della pellicola IR cut può risolvere il problema dell’annerimento e dell’aumento eccessivo della temperatura del display.