Come è fatto e come funziona lo schermo LCD di PC portatili, calcolatrici e orologi digitali

L’acronimo LCD sta per Liquid Crystal Display, ovvero display a cristalli liquidi. È una delle tecnologie più usate per realizzare gli schermi dei dispositivi elettronici, come i monitor luminosi usati in ambito pubblicitario o quelli delle partenze nelle stazioni, ma anche i televisori, i cellulari, computer, calcolatrici e orologi digitali. Il vantaggio principale di uno schermo LCD è che sfrutta pochissima energia per funzionare e sfrutta al massimo le particolari proprietà dei cosiddetti cristalli liquidi.

Come è fatto uno schermo LCD

Uno schermo LCD è formato da diversi strati sovrapposti, come in un sandwich. Per capire come funziona possiamo esaminare uno dei più semplici, ossia quello di una classica calcolatrice o di un orologio digitale.

In ordine troviamo:

1. una pellicola filtrante verticale chiamata polarizzatore, perché polarizza la luce che entra;
2. un primo strato di vetro con degli elettrodi, ossia qualcosa che crea un campo elettrico;
3. i cristalli liquidi;
4. un secondo strato di vetro;
5. un secondo polarizzatore, questa volta orizzontale.
6. una superficie riflettente che serve a rimandare la luce allo spettatore.

Questo è il tipo più semplice degli schermi LCD. Vediamo in dettaglio gli elementi che lo compongono e come questi lavorano insieme per restituirci un'immagine sul display.

Cristalli liquidi

In uno schermo LCD i cristalli liquidi sono posizionati tra le due lastre di vetro e sono proprio l'elemento principale. Ma in che senso i cristalli sono liquidi?

I cristalli liquidi sono molecole organiche con delle proprietà molto particolari. Oltre alla fase solida e quella liquida, presentano una fase intermedia tra le due, prendendo alcune caratteristiche dei solidi e altre dei liquidi. Si parla appunto di proprietà liquido-cristalline. Nei solidi le molecole sono posizionate in una gabbia rigida per cui non sono liberi di muoversi; nei liquidi invece le molecole sono disposte in maniera disordinata e libera. I cristalli liquidi sono un po' a metà strada tra i due.

L'ha scoperto lo scienziato Friedrich Reinitzer nel 1888, quando riscaldando e raffreddando questo materiale diventava da opaco a trasparente e viceversa. Questo comportamento bizzarro è dovuto al modo in cui sono posizionate le molecole nella mesofase, ossia in questa fase di mezzo tra liquido e solido.

Le molecole di un cristallo liquido possono infatti essere posizionate in modi diversi. Possiamo avere un orientamento in cui ciascuna molecola è disallineata di qualche grado rispetto a quelle che le circondano ma anche posizionamenti più regolari. Per esempio, nella fase nematica le molecole sono ordinate lungo una direzione preferenziale. Quindi un ordine c'è ma è solo direzionale.
Tutto questo iniziò a diventare più interessante quando fu scoperto che la direzione delle molecole dei cristalli liquidi può essere influenzata dalla presenza di campi elettrici o magnetici. Le molecole possono subire quindi un cambio di direzione e orientarsi nella direzione del campo.

Cerchiamo di capire come questa proprietà viene sfruttata negli schermi LCD.

Filtri polarizzatori

Sappiamo che la luce si propaga secondo onde elettromagnetiche, dove il campo elettrico e quello magnetico oscillano secondo due direzioni ortogonali l'una all'altra.

Esistono particolari filtri, detti polarizzatori, che fanno passare soltanto le onde elettromagnetiche il cui campo elettrico oscilla in una particolare direzione. Per esempio, se la luce passa attraverso un polarizzatore verticale, solo le onde che oscillano lungo quella direzione potranno passare.

In uno schermo LCD ci sono due filtri ottici: ognuno di loro lascia passare la luce solo in una direzione. Se sovrapponiamo i due filtri la luce può passare, ma se ne ruotiamo uno solo di 90° la luce non passa più e vedremo nero. A seconda di come si dispongono le molecole, parallele o perpendicolari al filtro, quest'ultimo farà passare o meno la luce.ì

Come funziona uno schermo LCD

Se si applica una corrente elettrica ai cristalli liquidi uno schermo LCD le loro molecole ruotano; potremo quindi modificare la polarizzazione della luce da verticale a orizzontale e viceversa.

Facciamo un esempio. Se la luce passa attraverso il primo polarizzatore, solo la componente verticale potrà passare. Se si applica però una corrente ai cristalli liquidi, la polarizzazione verrà ruotata e quindi la luce passerà attraverso il secondo polarizzatore (verticale) e arriverà a noi. Il risultato è che vedremo un pixel nero.

Negli schermi ad alta risoluzione ci sono tantissimi pixel, ma se prendiamo uno schermo molto semplice possiamo vederli ad occhio nudo.

Il secondo esempio è il caso opposto. Se non è applicata nessuna corrente, la polarizzazione non verrà modificata e quindi la luce verticale che passa dal primo polarizzatore non riuscirà a passare attraverso il secondo (orizzontale). Questa configurazione è quella in cui non vediamo alcun pixel, o meglio lo vediamo “spento”, perché la luce non riesce a passare e ad arrivare fino a noi.

E quindi ecco come ogni pixel viene acceso o spento. Tutti i pixel formano un puzzle, con pezzi più o meno grandi, che messi insieme ci restituiscono l'immagine che vediamo sul display. Dobbiamo immaginarceli come dei piccoli interruttori, ognuno dei quali “decide” di far passare più o meno luce in quel puntino.

Il colore sugli schermi LCD

Gli schermi LCD sono stati inventati come monocromatici, ma poi si sono evoluti fino a mostrare tante sfumature di colore. Per trasmettere i colori un pixel deve essere diviso in 3 parti e a ognuna di queste deve essere applicato un filtro colorato. Un pixel contiene quindi 3 sotto-pixel (sub-pixel) che contengono i filtri di colore rosso, verde, blu (i famosi RGB).

Controllando la tensione elettrica applicata ai cristalli liquidi, è possibile controllare anche l'intensità di ogni sub-pixel. Per un solo sub-pixel (per esempio solo per quello rosso) si possono ottenere 256 sfumature. Se poi combiniamo i 3 sub-pixel contenuti in un solo pixel possiamo generare 16,8 milioni di colori.

Ed ecco come si generano le immagini sui nostri televisori, computer e cellulari!