4 modalità di visualizzazione LCD comuni: TN, IPS, VA, FFS

La tecnologia LCD si basa sull'effetto di birifrangenza delle molecole dei cristalli liquidi. A seconda dello stato di movimento molecolare, gli LCD sono classificati in quattro modalità principali:

• TN (Twist Nematic)
• IPS (commutazione in piano)
• VA (allineamento verticale)
• FFS (commutazione di campo marginale)

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4 modalità comuni di visualizzazione LCD:

Modalità TN (Twist Nematic)

La modalità TN, comunemente nota nel settore come "soft screen", rappresenta un tipo di pannello precoce e tecnologicamente maturo nei prodotti LCD.

Principio di visualizzazione:

Nessuna tensione applicata: la luce naturale proveniente dalla retroilluminazione attraversa il polarizzatore inferiore, diventando luce polarizzata linearmente. Questa luce entra nella cella a cristalli liquidi. Grazie agli strati di allineamento (PI) presenti sulle superfici interne dei substrati di vetro superiore e inferiore, le molecole di cristalli liquidi ruotano di 90 gradi dal basso verso l'alto.

Mentre la luce polarizzata si propaga attraverso la cellula, la sua direzione di polarizzazione ruota in sincronia con le molecole. Quando questa luce polarizzata raggiunge il polarizzatore superiore, la sua direzione ruota di 90 gradi, allineandosi parallelamente all'asse ottico del polarizzatore superiore. Di conseguenza, la luce viene trasmessa e il display LCD appare luminoso (stato ON).

Tensione applicata (campo elettrico verticale): l'interazione tra l'anisotropia dielettrica dei cristalli liquidi e il campo elettrico applicato interrompe la struttura attorcigliata. Gli assi lunghi delle molecole di cristallo liquido si allineano parallelamente alla direzione del campo elettrico. La direzione di polarizzazione della luce incidente polarizzata linearmente non ruota più. Quando questa luce raggiunge il polarizzatore superiore, la sua direzione di polarizzazione è perpendicolare all'asse ottico del polarizzatore, impedendo la trasmissione della luce. Di conseguenza, il display LCD appare scuro.

In sintesi, i pannelli in modalità TN sono luminosi (ON) in assenza di tensione e scuri (OFF) in presenza di tensione. Poiché il display è normalmente luminoso in assenza di tensione, questa modalità è definita "Normalmente Bianco" (NW).

Limitazione dell'angolo di visione:

La modalità TN si basa su un campo elettrico verticale, che causa l'inclinazione verticale degli assi longitudinali delle molecole di cristalli liquidi. Di conseguenza, crea differenze significative nella lunghezza del percorso ottico quando lo si osserva da diverse angolazioni. Di conseguenza, l'aspetto del display varia notevolmente a seconda della posizione dell'osservatore, con l'immagine più precisa visibile solo frontalmente. Sebbene le pellicole di compensazione dell'angolo di visione possano mitigare parzialmente questo problema, i pannelli TN hanno sempre una direzione di visione ottimale, tipicamente descritta come la posizione ore 6 o ore 12.

Vantaggi :

• Tempo di risposta rapido: I pannelli TN utilizzano in genere una profondità di colore a 6 bit, con conseguente riduzione dei livelli di grigio. In combinazione con il movimento molecolare relativamente semplice, questo consente tempi di risposta dei pixel più rapidi.
• Costo più basso: Il processo di produzione è relativamente semplice, maturo ed economico. Pertanto, la tecnologia TN è adatta per applicazioni che privilegiano i costi rispetto alla qualità dell'immagine finale.
• Consumo energetico inferiore: A parità di luminosità, i pannelli TN generalmente consumano meno energia. Pertanto, sono adatti a dispositivi che richiedono una lunga durata della batteria.

Svantaggi :

• Angoli di visione limitati: I pannelli TN presentano angoli di visione ridotti, soprattutto in direzione verticale. Sbalzi di colore, riduzione del contrasto, variazioni di luminosità e distorsione dell'immagine sono comuni quando vengono visualizzati fuori asse.
• Riproduzione dei colori più scadente: I pannelli TN standard utilizzano in genere un'interfaccia a 6 bit per subpixel RGB, consentendo solo 64 tonalità per colore (2^6). Questo limita il totale dei colori visualizzabili a 262,144 (64 x 64 x 64), con conseguenti colori meno vivaci e meno accurati e una profondità di colore ridotta rispetto ai pannelli con profondità di bit più elevata.
• Rapporto di contrasto inferiore: I rapporti di contrasto tipici si aggirano intorno a 800:1. Quindi, i neri appaiono meno profondi e i bianchi meno luminosi, riducendo la profondità complessiva dell'immagine, i dettagli e la qualità percepita.

Posizione di mercato:

A causa di queste significative limitazioni, in particolare gli scarsi angoli di visione e le scarse prestazioni cromatiche, i pannelli TN faticano a soddisfare la domanda dei consumatori di display di alta qualità. La loro quota di mercato è diminuita significativamente. Ora si trovano principalmente in prodotti di fascia bassa e sono a rischio di obsolescenza.

Modalità IPS (In-Plane Switching)

La tecnologia IPS è comunemente nota nel settore come "pannello rigido". Rappresenta una tecnologia avanzata per display a cristalli liquidi. Sviluppata originariamente da Hitachi nei primi anni 2000, è stata successivamente promossa e perfezionata da aziende come LG. La tecnologia IPS ha guadagnato una notevole popolarità sul mercato grazie alle sue prestazioni di visualizzazione superiori e all'ampia gamma di applicazioni. Si è affermata come una delle tecnologie di visualizzazione più diffuse oggi.

Principio di visualizzazione:

In assenza di tensione: la luce naturale proveniente dalla retroilluminazione attraversa il polarizzatore inferiore, diventando luce polarizzata linearmente e allineata con l'asse del polarizzatore. In assenza di tensione, le molecole di cristalli liquidi rimangono nel loro stato iniziale e non ruotano il piano di polarizzazione della luce. Di conseguenza, quando questa luce polarizzata raggiunge il polarizzatore superiore, la sua direzione di polarizzazione è perpendicolare all'asse ottico del polarizzatore superiore. Il polarizzatore superiore blocca la luce, facendo sì che il display LCD appaia scuro (stato OFF).

Tensione applicata: Quando viene applicata una tensione, si genera un campo elettrico orizzontale (sul piano). Questo campo fa sì che le molecole di cristalli liquidi ruotino parallelamente ai substrati di vetro. Tale rotazione modifica di 90 gradi la direzione di polarizzazione della luce incidente polarizzata linearmente.

La luce ruotata si allinea ora parallelamente all'asse ottico del polarizzatore superiore, consentendone il passaggio. Di conseguenza, il display LCD appare luminoso (stato ON). Controllando con precisione la tensione applicata, i pannelli IPS regolano l'angolo di rotazione delle molecole dei cristalli liquidi, regolando così la quantità di luce trasmessa per ottenere diversi livelli di grigio e colori.

In sintesi, i pannelli IPS sono scuri (OFF) quando non viene applicata alcuna tensione e luminosi (ON) quando viene applicata una tensione. Poiché il display è normalmente scuro in assenza di tensione, questa modalità è definita "Normalmente Nero" (NB).

Prestazioni dell'angolo di visione:

La modalità IPS utilizza un campo elettrico orizzontale, che fa ruotare gli assi longitudinali delle molecole di cristalli liquidi all'interno del piano dei substrati. Questa progettazione comporta differenze minime nella lunghezza del percorso ottico (ritardo) quando osservati da diverse angolazioni. Di conseguenza, i pannelli IPS non presentano praticamente alcuna variazione significativa nella qualità dell'immagine o nel colore su ampi angoli di visione.

PRO:

• Angoli di visione eccezionali: i pannelli IPS mantengono immagini nitide e una riproduzione accurata dei colori su ampi angoli di visione, sia orizzontalmente che verticalmente.
• Elevata accuratezza e profondità del colore: i pannelli IPS standard offrono in genere una profondità di colore a 8 bit per subpixel RGB, che consente di visualizzare 256 tonalità per colore (2^8). Questo consente la visualizzazione di un massimo di 16.77 milioni di colori (256 x 256 x 256), facilitando un controllo più preciso sui gradienti di colore e luminosità. Ciò consente una riproduzione cromatica più ricca e sfumata e transizioni più fluide tra aree chiare e scure.
• Durata e longevità: I pannelli IPS offrono generalmente una maggiore durata rispetto agli schermi OLED. Sono meno soggetti alla ritenzione permanente dell'immagine (burn-in) e hanno requisiti di gestione meno rigorosi. Danni fisici minori a uno schermo LCD spesso non ne compromettono la funzionalità, mentre danni a un pannello OLED che consentono l'ingresso di umidità o ossigeno lo rendono in genere inutilizzabile.

Vantaggi :

• Rapporto di contrasto nativo inferiore: rispetto ai pannelli VA, i pannelli IPS presentano generalmente rapporti di contrasto statico inferiori, in genere intorno a 1500:1.
• Perdita di retroilluminazione (IPS Glow): Quando si visualizzano contenuti scuri o neri, può verificarsi una dispersione di luce, spesso visibile come un bagliore. Ciò compromette la purezza dei livelli di nero, influendo negativamente sul contrasto percepito e sulla fedeltà visiva complessiva nelle scene scure.
• Costo maggiore: A causa dei processi di produzione più complessi, i pannelli IPS solitamente hanno prezzi più elevati rispetto ai pannelli TN.

Modalità VA (allineamento verticale)

La modalità VA raggiunge intrinsecamente rapporti di contrasto più elevati rispetto alle modalità di visualizzazione TN e IPS. Questo vantaggio deriva dal fatto che la struttura del pannello VA non richiede l'elaborazione dell'orientamento dello strato di allineamento. Pertanto, è possibile ottenere un contrasto eccezionalmente elevato. Nello stato statico: le molecole dei cristalli liquidi del pannello VA sono allineate verticalmente, mentre le molecole del pannello IPS presentano una pre-inclinazione lungo la direzione di allineamento dello strato PI.

I pannelli in modalità VA rappresentano un'altra importante tecnologia di visualizzazione diffusa. Sono utilizzati principalmente nei televisori di grandi dimensioni e negli schermi curvi. La categoria VA può essere ulteriormente suddivisa in tipologie come MVA, PVA, PSVA e UV2A.

Principio di visualizzazione:

Nessuna tensione applicata: In assenza di tensione, le molecole dei cristalli liquidi si allineano verticalmente. La luce naturale proveniente dalla retroilluminazione attraversa il polarizzatore inferiore, diventando luce polarizzata linearmente. Grazie all'allineamento molecolare verticale, la direzione di polarizzazione di questa luce rimane invariata. Quando raggiunge il polarizzatore superiore, la sua direzione di polarizzazione è perpendicolare all'asse ottico del polarizzatore, bloccando la trasmissione della luce. Di conseguenza, il display LCD appare spento (stato OFF).

Tensione applicata: Quando viene applicata una tensione, si genera un campo elettrico verticale. Questo campo fa sì che le molecole di cristalli liquidi si inclinino rispetto al loro orientamento verticale, allineandosi orizzontalmente rispetto al substrato. Questa inclinazione molecolare ruota di 90 gradi la direzione di polarizzazione della luce incidente polarizzata linearmente.

La luce ruotata si allinea ora parallelamente all'asse ottico del polarizzatore superiore, consentendone il passaggio. Di conseguenza, il display LCD appare luminoso (stato ON). Analogamente agli IPS, i pannelli VA controllano l'angolo di rotazione delle molecole dei cristalli liquidi variando la tensione applicata. In questo modo, è possibile visualizzare diversi livelli di grigio e colori.

In sintesi, i pannelli VA sono spenti (OFF) quando non c'è tensione e luminosi (ON) quando c'è tensione. Poiché il display è normalmente spento in assenza di tensione, questa modalità è definita "Normalmente Nero" (NB).

Prestazioni dell'angolo di visione:

Come i pannelli TN, la modalità VA utilizza un campo elettrico verticale, che causa l'inclinazione verticale degli assi longitudinali delle molecole di cristalli liquidi. Tuttavia, i pannelli VA impiegano in genere una struttura a doppio dominio che compensa le differenze di percorso ottico a diversi angoli di visione. Questa progettazione riduce significativamente le variazioni nella qualità dell'immagine e nel colore quando vengono visualizzati da diverse direzioni rispetto ai pannelli TN tradizionali.

PRO:

• Alto rapporto di contrasto: I pannelli VA raggiungono in genere rapporti di contrasto statico di 3000:1 o superiori. Questo si traduce in neri più profondi e bianchi più luminosi. Possono quindi migliorare la profondità dell'immagine, la dimensionalità e la resa dei dettagli sia nelle scene scure che in quelle luminose.
• Ampi angoli di visione: Sebbene gli angoli di visione siano generalmente leggermente più stretti rispetto a quelli dei pannelli IPS, la tecnologia VA offre comunque angoli di visione significativamente più ampi e stabili rispetto ai pannelli TN.
• Buona riproduzione dei colori: Come i pannelli IPS standard, i pannelli VA offrono in genere una profondità di colore di 8 bit per subpixel RGB (256 tonalità per colore). Questo consente la visualizzazione di circa 16.77 milioni di colori. Si otterrà quindi una rappresentazione cromatica ricca e ragionevolmente accurata.

PRO:

• Tempi di risposta più lenti: rispetto ai pannelli TN e ad alcuni pannelli IPS a risposta rapida, i pannelli VA presentano generalmente tempi di risposta dei pixel più lenti, in particolare nelle transizioni grigio-grigio. Questo può causare sfocature o artefatti ghosting nei contenuti in rapido movimento.
• Consumo energetico più elevato: I pannelli VA spesso richiedono tensioni di pilotaggio più elevate per ottenere l'inclinazione molecolare necessaria, con conseguente consumo energetico relativamente più elevato durante il funzionamento rispetto ai pannelli TN e ad alcune varianti IPS.
• Potenziali problemi di uniformità: Ottenere una perfetta uniformità dello schermo può essere difficile con i pannelli VA. Si potrebbero riscontrare problemi come lo spostamento del colore. Questo può essere più evidente rispetto ad altre tecnologie, soprattutto fuori asse.

Modalità FFS (commutazione di campo marginale)

FFS è una tecnologia brevettata di proprietà di Hydis, azienda sudcoreana. La tecnologia FFS si è evoluta come estensione avanzata della tecnologia IPS ad ampio angolo di visione. La modalità FFS genera un campo elettrico marginale tra gli elettrodi dei pixel sullo stesso piano. Questo campo consente alle molecole di cristalli liquidi situate sia tra gli elettrodi che direttamente sopra di essi di ruotare all'interno di un piano parallelo ai substrati. Questo meccanismo migliora significativamente la luminosità del pannello e la qualità dell'immagine.

La tecnologia FFS supera la bassa efficienza di trasmissione intrinseca degli IPS convenzionali. Raggiunge un'elevata trasmissione mantenendo ampi angoli di visione ed evitando allo stesso tempo l'effetto mura comune in alcune implementazioni IPS. Pertanto, è possibile ottenere immagini più realistiche e una riproduzione dei colori quasi fedele all'originale. Il suo principio di funzionamento fondamentale, come quello degli IPS, si basa su un campo elettrico orizzontale.

Differenza fondamentale rispetto all'IPS:

Nella IPS convenzionale, l'applicazione di tensione ruota principalmente le molecole di cristalli liquidi situate tra gli elettrodi. In modalità FFS, l'applicazione di tensione ruota le molecole di cristalli liquidi sia tra gli elettrodi che direttamente sopra gli elettrodi, a causa del campo di frangia generato.

PRO:

• Elevato rapporto di trasmittanza/apertura: la tecnologia FFS utilizza elettrodi trasparenti, massimizzando il rapporto di apertura dei pixel. Ciò aumenta significativamente la trasmittanza del pannello rispetto agli IPS standard.
• Ampi angoli di visione: l'ottimizzazione del campo elettrico marginale amplia ulteriormente le prestazioni dell'angolo di visione stabile oltre gli IPS standard.
• Minore consumo energetico: la maggiore trasmittanza si traduce direttamente in una minore luminosità della retroilluminazione richiesta per ottenere la stessa luminanza sullo schermo, riducendo così il consumo energetico complessivo.

PRO:

• Costi di produzione più elevati: la produzione FFS prevede processi relativamente complessi che richiedono attrezzature ad alta precisione e un rigoroso controllo di processo. Pertanto, richiede costi di produzione più elevati rispetto ai sistemi IPS o TN di base.
• Compromesso sul tempo di risposta: pur eccellendo in termini di trasmittanza e angoli di visione, i pannelli FFS possono talvolta presentare tempi di risposta leggermente più lenti rispetto ai pannelli TN ottimizzati o ad alcune varianti IPS avanzate. Ciò può influire sulla nitidezza delle immagini in rapido movimento, causando potenzialmente una leggera sfocatura.

Confronto riassuntivo delle modalità TN, IPS, VA e FFS:

Caratteristica	Modalità TN	Modalità IPS	Modalità VA	Modalità FFS
Angoli di visualizzazione	Molto stretto	Eccellente (il più ampio)	Molto buono (ampio)	Eccellente (molto ampio)
Rapporto di contrasto	Basso (~800:1)	Moderato (~1000-1500:1)	Alto (3000:1+)	Buono (simile all'IPS)
Profondità di colore	Tipicamente 6 bit (262K)	Tipicamente 8 bit (16.7 M)	Tipicamente 8 bit (16.7 M)	Tipicamente 8 bit (16.7 M)
Tempo di risposta	Più veloce	Buono (varianti IPS veloci)	Il più lento (soprattutto GtG)	Moderato (può essere più lento)
Livello nero	Povero (grigiastro)	Buono (alcuni IPS Glow)	Eccellente (il più profondo)	Buone
Trasmissione	Buone	Moderato	Moderato	Alto (migliore)
Consumo di energia	Minimo	Moderato	Più elevato	Basso (a causa dell'elevata trasmittanza)
Costo	Minimo	Da moderato ad alto	Moderato	Più elevato
Utilizzi comuni	Monitor di fascia bassa, budget	Monitor di fascia medio-alta, tablet,	TV, monitor curvi	Smartphone e tablet di fascia alta
	computer portatili, pannelli più vecchi	smartphone, professionali		monitor premium
Forza chiave	Velocità, costo	Angoli di visione, colore Acc.	Contrasto, neri profondi	Trasmittanza, angoli di visione
Debolezza chiave	Angoli di visione, colore	Contrasto, IPS Glow, costo	Tempo di risposta, uniformità	Costo, tempo di risposta
Normalmente	Bianco (NO)	Nero (NB)	Nero (NB)	Nero (NB)
Campo elettrico	Verticale	Orizzontale	Verticale	Frangia (derivata orizzontalmente)

Conclusione:

In qualità di produttori professionali di schermi LED , non solo realizziamo display LED di alta qualità, ma vantiamo anche una profonda conoscenza dei display LCD. Se state progettando un videowall LCD, potete contattarci per ottenere la soluzione migliore.