Monitor per PC in tecnologia LCD - TFT

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Monitor per PC in tecnologia LCD - TFT
ITIS di Santhià Dipartimento di Informatica

• Modulo didattico
• LHardware del P.C.

Ultima revisione 28 gennaio 2005
Autore M. Lanino
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Introduzione
La tecnologia più diffusa, dopo quella Crt
(Cathode Ray Tube), è oggi la Lcd (Liquid Crystal
Display). Impiegata, in particolare nei computer
portatili, gioca anche un ruolo fondamentale nei
proiettori di dati. Inoltre, sta invadendo il
mercato dei desktop monitor e viene utilizzata in
dispositivi a visione oculare.
La tecnologia stessa è più vecchia di quanto si
possa pensare. Le proprietà speciali dei
cristalli liquidi furono scoperte nel 1888 da un
botanico austriaco, F. Renitzer. Ci vollero poi
85 anni prima che tali proprietà venissero
commercialmente sfruttate. La compagnia
giapponese Sharp Electronics ha creato il primo
prodotto nel 1973 un calcolatore elettronico con
un display digitale.
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I cristalli liquidi
Il termine "cristalli liquidi" deriva dal fatto
che le molecole utilizzate sono cristalli, ma
formano un liquido invece di un solido. I
cristalli liquidi hanno tre caratteristiche
importanti

•           Se applichiamo un campo
  elettrico a uno strato di cristalli liquidi,
  questi si orienteranno in relazione ai poli
  positivo e negativo del campo.
•          In assenza di questo, cercheranno di
  allinearsi parallelamente uno all'altro, ma in
  presenza di una superficie con delle sottili
  scanalature lo strato vicino alla superficie si
  allineerà con esse.
•       Una terza caratteristica che rende utili i
  cristalli liquidi fa sì che un loro strato possa
  deviare le onde luminose. Uno strato di cristalli
  liquidi agisce come polarizzatore (è in grado di
  filtrare tutte le onde luminose, tranne quelle
  che sono orientate in una direzione specifica).

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Conseguenza
Inoltre, se i cristalli nello strato ruotano, le
onde luminose seguiranno la rotazione e usciranno
dall'altra parte dello strato con un'orientazione
differente da quella di entrata. Questi tre
attributi, presi complessivamente in
considerazione, consentono ai cristalli liquidi
di essere utilizzati come un interruttore - o
cella - che può sia bloccare che trasmettere
luce.
La superficie inferiore e quella superiore della
cella sono fatte di sottili righe in rilievo, che
fanno in modo che le molecole vicine a queste due
superfici si allineino in parallelo. Le righe
sulle superfici superiore e inferiore sono in
diagonale una rispetto all'altra. I cristalli
liquidi cercano di allinearsi con entrambe le
superfici e quindi ruotano leggermente tra esse.
Il risultato è uno strato elicoidale che può far
ruotare la luce che passa attraverso di esso. Se
si applica un campo elettrico attraverso lo
strato di cristalli liquidi, tutte le molecole si
allineeranno per eguagliare il flusso del campo,
che elimina la rotazione della luce. Ne consegue
che la presenza o assenza di corrente elettrica
può determinare se la luce verrà trasmessa oppure
bloccata.
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Spieghiamo meglio il funzionamento
A questo proposito si veda la figura a lato, che
riporta In a la sezione di un display a 7
segmenti LCD In b la forma degli elettrodi che
lo compongono In c gli andamenti delle tensioni
da applicare allelettrodo comune e ad agli
elettrodi di segmento del display nel caso lo si
desideri accendere o spegnere il segmento.
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LCD a matrice passiva
Le singole celle di cristalli liquidi sono
strette tra due serie di elettrodi. Gli elettrodi
sullo strato inferiore sono perpendicolari
rispetto a quelli sullo strato superiore. Ne
consegue che, attivando una fila e una colonna di
elettrodi, verrà generato un campo elettrico
attraverso una cella specifica. Le matrici
passive creano un'immagine attivando ciascuna
fila di elettrodi per volta e, mentre viene
selezionata una fila, selezionano una colonna di
elettrodi per accendere alcuni pixel in quella
fila. Il meccanismo è semplice, e aggiunge un
modesto costo alla produzione dello schermo.
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LCD a matrice attiva
Come gli schermi a matrice passiva, gli Lcd a
matrice attiva hanno elettrodi trasparenti fatti
di ossido di indio e stagno che scorrono in file
e colonne all'interno della superficie superiore
e di quella inferiore. La differenza con quelli a
matrice passiva consiste nel fatto che la
corrente viene accesa o spenta in ciascuna cella
grazie a un piccolo transistor. I transistor sono
fabbricati sul substrato dello schermo
utilizzando pellicole sottili. È per questo
motivo i display Lcd a matrice attiva vengono
anche chiamati thin-film transitor (Tft).
I transistor possono accendere o spegnere le
celle più rapidamente del sistema a matrice
passiva e con meno interferenze elettriche. Gli
Lcd utilizzano inoltre una retro illuminazione
per illuminare posteriormente lo strato di
cristalli liquidi e creare unimmagine dotata di
buon contrasto. La luce che fuoriesce dalla
matrice di elettrodi risulta purtroppo molto
direzionale e quindi occorre intervenire per
allargare langolo di visione.
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La riproduzione dei colori
Le celle Lcd variano anche la luminosità secondo
la tensione applicata, ma solo gli schermi a
matrice attiva consentono di controllarla pixel
per pixel. Ciascun subpixel di uno schermo Lcd è
utilizzato per produrre luce rossa, verde o blu,
grazie a dei minuscoli filtri colorati. I
subpixel bloccano o trasmettono ai filtri delle
quantità variabili di luce. Un comune schermo
impiega un controllore a 8 bit, che può produrre
256 tonalità. Con ciascun subpixel capace di
produrre 256 tonalità, abbiamo 16.777.216 colori
per pixel. Anche l'intensità di colore a 24 bit
non è ideale, poichè la reazione dell'occhio
umano non è lineare. Per questo gli ingegneri che
si occupano di Lcd regolano le tensioni applicate
a intervalli diversi, in modo che i colori
sembrino più uniformi.
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Ma qualche difettuccio cè
Gli Lcd hanno un netto svantaggio rispetto ai Crt
quando mostrano immagini in rapido movimento come
nel caso di filmati.
Gli Lcd dipendono infatti da un movimento
meccanico (la rotazione dei cristalli), che ha
una sua specifica latenza. L'intervallo di tempo
è formalmente chiamato tempo di risposta ed è
misurato in millisecondi. Gli schermi a matrice
passiva hanno tempi di risposta molto lenti -
circa 150 millisecondi o più - e quindi non sono
adatti per le immagini in movimento come quelle
di filmati. Gli schermi standard a matrice
attiva hanno invece un tempo di risposta minore
di 40 ms, per cui sono in grado di mostrare 25
frame al secondo (fps), infatti in questo caso
ogni frame ha durata 1/25 40 ms. Gli schermi
multidomain sono spesso più veloci, con un tempo
di risposta di 25 ms.
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Il consumo di energia
Gli schermi Lcd a matrice attiva consumano poca
energia, se paragonati ai Crt. I display a
matrice attiva sono diventati lo standard per
applicazioni portatili, ma la tecnologia Lcd
risulta purtroppo inefficiente. Ad esempio, se
abbiamo uno schermo bianco, meno del 10 della
luce che illumina il retro dello schermo dalla
retro illuminazione viene trasmessa sul davanti.
Il resto della luce viene assorbita.
L'inefficienza spinge i produttori di notebook
ad affrontare alcune scelte difficili. Le retro
illuminazioni più intense richiedono più energia
e quindi i portatili eccellenti hanno bisogno di
batterie più grandi per ottenere autonomie
accettabili.
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Una nota dolente
Una delle preoccupazioni principali per i monitor
Lcd è il costo. Se fossero così economici come i
Crt assorbirebbero quasi tutto il mercato dei
display. Purtroppo, gli Lcd di 15-17 pollici in
diagonale, le dimensioni utilizzate più
frequentemente per i monitor da tavolo, costano
all'incirca tre volte di più rispetto ai Crt, con
un'area visiva equivalente. Per i monitor più
grandi la differenza di costo può essere
superiore. Prezzi indicativi 15 ? da 200 a
350 risoluzione 1024x768 da 300 a 400
risoluzione 1280x768 (wide) 17 ? da 350 a 600
risoluzione 1280x1024 19 ? da 450 a 800
risoluzione 1600x1200 o sup. Perché gli Lcd
costano così tanto? Il processo di
fabbricazione è complesso ed ha linconveniente
di non poter testare il display se non a processo
di fabbricazione quasi terminato ciò comporta
grandi moli di scarti di produzione e costi
elevati. In breve mantenere una produzione ad
alto livello è una costante sfida tecnologica che
può essere intrapresa solo da ditte
economicamente solide.
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I problemi di produzione
Uno dei principali fattori di costo è la resa.
Poco importa se siamo in grado di produrre molti
schermi a basso costo se poi dobbiamo eliminarli,
poiché non passano il controllo di qualità. Ci
sono comunque parecchi modi per realizzare
schermi di scarsa qualità. I difetti possono
essere ottici, elettrici o meccanici

• I problemi elettrici includono difetti nei
  circuiti pilota e in altri componenti elettrici
  dello schermo.
• I difetti meccanici derivano invece da strati di
  vetro rotti, dal disallineamento dei connettori
  elettrici e dello schermo nel suo telaio.
•  
• La maggior parte di questi difetti possono essere
  rilevati solo dopo che è stata iniettata la
  sostanza a cristalli liquidi e lo schermo è stato
  sigillato, quando ormai molto tempo e parecchi
  materiali sono stati investiti nel progetto.
•  
• I difetti ottici riguardano i pixel che vengono
  accesi o spenti. Quelli che vengono accesi sono
  più visibili di quelli che rimangono sempre
  spenti. In alcuni casi, un difetto di luminosità
  viene corretto, eliminando i circuiti di quella
  specifica cella e trasformandolo in un difetto di
  oscurità.

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Come scegliere il modello giusto

• Si deve prestare attenzione ai seguenti fattori,
  che contribuiscono al prezzo finale
•  
• Adesione allo standard ISO 13406-2 classe II e
  TCO 99 o TCO 2003
• Garanzia di almeno 3 anni
• Dotazione di funzionalità multimediali (presenza
  di speakers e microfono)
• Presenza di un Hub USB integrato sulla base del
  monitor (facilita i collegamenti do mouse e
  tastiera)
• Funzionalità PIVOT (il monitor è ruotabile di
  90 in modo da poter essere utilizzato a scelta
  in modalità Landscape o Portrait)
• Presenza dellingresso Video digitale DVI oltre
  al VGA
• Robustezza del telaio e della base
•  

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Altri parametri tecnici

• Luminanza è lintensità luminosa emessa per
  unità di superficie. Viene data in Candele al
  metro quadrato (Cd/m2 nit). Valori medi da 200
  a 400 nit
• Rapporto di contrasto differenza di luminosità
  fra pixel accesi e pixel spenti definito in forma
  di rapporto. Più è elevato meglio è.
• Valori medi da 2001 a 4501
• Risoluzione nativa E la risoluzione per la
  quale è stato progettato il monitor. Generalmente
  si ha 15 pollici 1024x768
• 16-17 pollici 1280x1024
• Colori visualizzabili i migliori risolvono 16,7
  milioni di colori
• Angolo di visione orizzontale e verticale E
  bene che siano valori elevati. Generalmente si
  ha
• Angolo orizz. 120-160
• Angolo verticale 80-160

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Dimensioni e formato dello schermo
Le dimensioni dello schermo sono sempre fornite
in POLLICI (in Inglese inch 2,54 cm). La
dimensione dello schermo è data dalla misura
della diagonale D del rettangolo. Le misure più
utilizzate sono 15 17 19 21
Il formato di uno schermo può essere di due
tipi 43 ? se vale la proporzione
larghezzaaltezza 4 3 Usato nei monitor per
PC e TV classiche 169 ? se vale la proporzione
larghezzaaltezza 16 9 Usato nei TV wide
screen e in monitor per media centre o in certi
pc portatili (es. MAC)
D
D
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Ingressi Video e risoluzione

• Un Monitor di qualità deve presentare almeno due
  tipi di ingressi
• ingresso analogico VGA (1 o 2)
• Ingresso digitale DVI-D o Ingresso
  digitale/analogico DVI-I

Le risoluzioni oggi più utilizzate per monitor e
TV CRT o LCD-TFT di piccole dimensioni (15
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VGA ? 640x480 pixel (formato 43) SVGA ? 800x600
pixel (formato 43) XGA ? 1024x768 pixel
(formato 43) SXGA ? 1280x1024 pixel (formato
43) WXGA ? 1280x768 pixel (formato 169)
Quelle per monitor di grandi dimensioni 1600 x
1024 1600 x 1200 1920 x 1200 1920 x 1440 2048 x
1536
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TCO
La certificazione TCO pone ai produttori di
monitor vincoli rigidi per quanto concerne
ergonomia ed emissioni, allo scopo di garantire
lutente finale degli adeguati standard di
salute, sicurezza e comfort. Lassociazione
Svedese che definisce le norme TCO è attiva dal
1980. La norma più famosa è la TCO99, mentre la
più recente è la TCO2003. Rispetto alla TCO99 la
TCO2003 è molto più restrittiva, in quanto il
monitor ed il produttore devono rispondere a
molti requisiti, eccone alcuni

• uniformità dei colori e luminosità
• linearità e stabilità dellimmagine
• uso di basse percentuali di materiali nocivi o
  pericolosi
• protezione da danni accidentali
• bassi consumi e basse emissioni
  elettromagnetiche
• obbligo per il produttore di smaltimento e
  riciclaggio dei materiali di scarto

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Il futuro dei display
Il futuro dei display sembra oggi che vada
ricercato nella tecnologia OLED (Organic Light
Emitting Diode). Scoperti per la prima volta nel
1985, i materiali OLED sono in grado di emettere
luce se stimolati dal passaggio di corrente
elettrica. Organizzando in modo opportuno
diversi tipi di molecole di questi materiali è
possibile ottenere display a colori, in quanto
ciascun materiale OLED ha una sua frequenza di
emissione, cioè emette un preciso colore.
Problemi tecnologici attualmente li sta dando
lemissione del Blu. Quali sono le
caratteristiche dei materiali OLED?
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Caratteristiche dei materiali OLED

• Sono facili da realizzare, in quanto potranno
  essere depositati sul substrato utilizzando
  tecniche simili alla stampa a getto di inchiostro
•      E possibile depositare i materiali OLED
  anche su substrati flessibili, questo significa
  che si potranno costruire display a foglio
  arrotolabile, oppure che aderiscono a vestiti o a
  superfici curve.
•      Sono più luminosi degli LCD
•      Hanno maggiore efficienza energetica (quasi
  10 volte in più), quindi consumano meno le
  batterie
•   Hanno un angolo di visione più ampio
•      Permettono una frequenza di refresh più
  elevata, quindi sono più adatti a riprodurre il
  video rispetta agli LCD

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Un prototipo di display OLED

• Color 800 (x 3) x 600 pixels microdisplay
• Highly Integrated Design       clock recovery,
        serial interface registers,
        levels adjustment,       drivers and
        pixel array
• VESA compatible Analog R,G,B inputs
• Up to 256 gray shades
• Built-in stereovision control
• 2-wire serial interface
• 15 x 15 µm color pixel (Stripe)
• 43 Image aspect ratio
• 15 mm (0.59") image diagonal
• gt 100 cd/m2 front luminance
• Low power consumption Less than 300 mW at
  nominal video modes
• -35C to 70C operating temperature
• Rigid board carrier

eMagin Corporation OLED display
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Utilizzi previsti

• Consumer Applications
• Stereo vision systems
• Entertainment systems
• Pocket organizers
• Mobile computers
• Cell phones

• Military Applications
• Night vision/Avionics
• Digital battlefield
• Naval systems/Navigation
• Mission training
• Maintenance and repair
• Situation awareness

• Commercial Industrial Applications
• Instrumentation and test equipment
• Large area computing
• Manufacturing systems
• Medical imaging
• Telecommunications
• Process control
• Remote maintenance
• Stereo vision