LCD 

(Liquid Cristal Display)

In generale, si è soliti considerare i materiali nelle loro fasi, o stati, convenzionali: solida e liquida; i cristalli liquidi sono in una fase diversa da entrambe quelle convenzionali e presentano proprietà intermedie, quali libertà di movimento delle molecole (caratteristica dei liquidi) e proprietà fisiche anisotropiche, cioè che variano secondo la direzione (tipiche dei cristalli). In pratica, i cristalli liquidi sono costituiti da materiali organici con molecole grandi e di forma allungata; possiedono inoltre l'interessante caratteristica di modificare le loro proprietà ottiche in presenza o in assenza di un campo elettrico. Due tipici materiali sono il para-Azoxyanisol (PAA) ed il meta-Butylbenzolo (MBBA).

Un display a cristalli liquidi è quindi costituito da un sandwich di lastre di vetro conduttrici che racchiudono un sottilissimo strato di liquido (da 3 a 50  mm ) energicamente sigillato. Ciascuna delle due lastre di vetro è esternamente ricoperta da uno strato polarizzatore orientato diversamente (ad angolo retto) ed internamente da una serie di elettrodi trasparenti. Questi ultimi, oltre a costituire il collegamento elettrico con l'esterno, hanno forma di barretta (per display a segmenti), di punti  (per produrre lettere o immagini) o di particolari disegni (pr impieghi speciali).

Il cristallo liquido accetta preferibilmente un campo elettrico alternato per evitare gli eventuali problemi di tipo elettrico dovuti ad un'alimentazione continua.

All'interno della fase tipica di cristalli liquidi si hanno delle fasi intermedie, dette mesofasi, che prendono il nome di fase nematica (cristalli a forma di filo), smetica e colesterica. Il tipo più comune di display a cristallo liquido è il cosiddetto "twisted nematic" (TN), così chiamato perché utilizza la mesofase nematica; le molecole di cristallo, in assenza di campo elettrico, sono disposte a elica lungo lo spessore dello strato liquido ( la prima e l'ultima molecola hanno tra loro un angolo di 90 gradi).

In questo modo la luce che proviene dal retro viene dapprima polarizzata, poi trasportata dalle molecole ad elica che la ruotano di 90 gradi e la fanno uscire nell'unico modo ammesso dal filtro polarizzatore superiore, permettendo all'utente di vederla.

Quando si attiva il display applicando la tensione gli elettrodi selezionati, le molecole si allineano parallelamente al campo elettrico, annullando così la proprietà rotatoria del piano di polarizzazione. In tal modo la luce, polarizzata dal primo filtro, viene bloccata dal secondo e non raggiunge l'osservatore che vedrà l'immagine relativa all'elettrodo selezionato completamente nera.

L'annerimento delle figure non è di tipo on/off, nel senso che alimentazioni intermedie forniscono intermedie condizioni di rotazione dell'elica e di oscuramento. Questa particolarità permette una completa scala dei grigi abbinata a valori diversi di alimentazione. In questo esempio si è supposto che la luce provenisse dal lato posteriore del display, ma sono possibili altre due soluzioni, come si vede nella figura sotto riportata

Un'altra classe di cristalli liquidi è la colesterica, così chiamata in quanto la sua struttura è stata osservata per la prima volta negli esteri del colesterolo. Lo strato colesterico può essere immaginato come una modifica dello strato nematico, nel quale la fase cristallina è costituita da piani ruotanti come un'elica a passo ampio. A causa di fenomeni di interferenza ottica, i composti colesterici appaiono colorati; l'applicazione di pressioni o campi elettrici fa variare il colore del cristallo, lo stesso effetto si ottiene variando la temperatura.

Il desiderio di migliorare le prestazioni dei display a cristalli liquidi ha portato i costruttori ad intervenire su luminosità, angolo di visuale e colore. Una risposta a quest'ultima caratteristica è stata data dalla tecnologia guest-host (ospitato-ospitante), in cui i cristalli liquidi permettono di ottenere display a colori introducendo  nelle molecole "ospitanti" del cristallo delle molecole "ospitate" aventi caratteristiche dicroiche; ne risulta un materiale che possiede caratteristiche spettrali tali da rappresentare i colori desiderati.

La terza fase dei cristalli liquidi è quella smetica, nella quale le molecole sono orientate in due direzioni diverse e sono bistabili (non è necessario ripristinare periodicamente l'immagine come negli altri due tipi). Possono anche essere pilotati termicamente da una maglia resistiva o da un LASER.

Oggi sono disponibili anche cristalli liquidi di tipo supertwist nematic (STN) dotati di angolo di +/- 40 gradi (quasi il doppio dei primi TN) e di notevole contrasto. A seconda dell'orientamento dei polarizzatori si ottengono figure nere su sfondo giallo o figure bianche su sfondo blu.

Ultimamente stanno evolvendosi anche i cristalli liquidi a matrice attiva, che hanno la particolarità di possedere per ogni figura singolarmente indirizzabile un elemento non lineare, come un diodo o un transistore, realizzato sulla parte inferiore del vetro con  tecnologia thin-film. Questo tipo di tecnica prende il nome di TFT (Thin Film Transistor). La loro applicazione principale riguarda i display a colori, dove le figure indirizzabili sono i pixel, per i televisori extra portatili o computer.

In questo settore, la capacità tipica di dieci anni fa era di mille pixel, mentre oggi si supera il milione e per superfici piuttosto grandi. Per ciò che riguarda i display a cristalli liquidi a colori occorre tener presente che, analogamente a quanto succede nei cinescopi dei CRT (tubi a raggi catodici), ogni punto colorato è prodotto dalla variazione dell'intensità luminosa dei tre colori fondamentali (Red, Green, Blue) posti molto vicini tra loro. I tre colori sono prodotti da altrettanti filtri dei colori fondamentali, attraverso i quali passa la luce prodotta generalmente da un'illuminazione posteriore. Per ogni punto del video, dunque, si tratta di far prevalere uno dei tre colori per creare l'effetto visivo voluto: basta quindi oscurare di più o di meno ogni colore. E' per questo motivo che ad ogni punto colorato che deve accendersi viene abbinata una terna di pixel in cristallo liquido pilotabili separatamente e con diversa intensità. L'insieme di tutti i punti colorati formerà poi l'immagine completa.

Per l'indirizzamento dei singoli pixel, si usa la tecnica a "matrice": due sistemi di linee parallele di elettrodi trasparenti sono sovrapposte con un angolo di 90 gradi; il pixel si attiva nel punto d'intersezione delle due linee alimentate. Quanto descritto è mostrato in figura

Tenuto conto però delle perdite di luce introdotta dai filtri polarizzatori e dai filtri colorati, i colori formati dal display raggiungono la miglior resa sotto luci intense come quella diurna.

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