Microdisplay/LCoS (liquid-crystal-on-silicon)


Nuovi orizzonti per i display a cristalli liquidi

di Roberto Crivello

Una tecnologia innovativa, in fase di sviluppo negli USA, combina i cristalli liquidi con i chip di silicio, per ottenere risoluzioni, visibilità e dimensioni delle immagini sempre più grandi e al tempo stesso riduzioni delle dimensioni del display, del peso e del consumo di potenza. Il tutto amplia il campo di utilizzo dei dispositivi di visualizzazione.

Eccetto che per i display, le dimensioni di quasi tutti i componenti elettronici si riducono sempre di più. I display rappresentano ormai l’aspetto principale per quanto riguarda le dimensioni di molti prodotti, sia relativamente alle misure fisiche sia sotto l’aspetto dei costi.
I progettisti delle generazioni successive di dispositivi elettronici portatili per computer e apparecchi di comunicazioni, prodotti industriali e per i consumatori sono impegnati nell’ottenere risoluzioni, visibilità e dimensioni delle immagini sempre più grandi e al tempo stesso riduzioni delle dimensioni dei display, del peso e del consumo di potenza.

LCoS (liquid-crystal-on-silicon)
Una tecnologia innovativa in fase di sviluppo negli USA, che combina i cristalli liquidi con i chip di silicio, promette di offrire una soluzione per questi problemi e di ampliare il campo di utilizzo dei dispositivi di visualizzazione. Indicata con la sigla LCoS (liquid-crystal-on-silicon), questa nuova tecnologia si basa sulle stesse proprietà fisico-chimiche dalle quali dipende il funzionamento dei display a cristalli liquidi (LCD) convenzionali, ma presenta alcune differenze significative.
Una prima differenza importante tra gli LCD convenzionali e i dispositivi LCoS, detti microdisplay, è che per i backplane di questi ultimi si impiegano chip di silicio i cui lati misurano 1 – 2 centimetri; le dimensioni sono quindi estremamente ridotte rispetto alle lastre di vetro di 250 – 300 millimetri adoperate per gli LCD dei laptop. Numerose società, tra le quali Colorado MicroDisplay Inc., con sede in Boulder, Colorado, sono impegnate nello sviluppo di display basati sulla nuova tecnologia. Le tecnologie di assemblaggio dei microdisplay vengono sviluppate da Hana Microdisplay Technologies Inc., con sede a Twinsburg, Ohio.
Nella figura 1 sono messe a confronto le dimensioni di un microdisplay con quelle di una penna.
Come è possibile osservare le immagini create da un dispositivo le cui dimensioni sono quelle di un chip di silicio? In due modi, che distinguono i principali campi di applicazione dei nuovi display: microdisplay virtuali e a proiezione.

 

Microdisplay figure%201 Microdisplay/LCoS (liquid crystal on silicon)

Fig. 1 – Le dimensioni di un microdisplay
(Fonte: Colorado Microdisplay Inc.)

Microdisplay virtuali e a proiezione
Nei microdisplay virtuali, apposite ottiche ingrandiscono l’immagine originale; l’immagine ingrandita appare all’interno di un viewfinder (un dispositivo simile al mirino delle moderne telecamere) ed è quella osservabile. L’anno scorso, la filiale giapponese di IBM e Olympus Corp. hanno reso noto il prototipo di un computer a cuffia che proietta l’immagine visualizzata da un display LCoS davanti agli occhi.
Nei microdisplay a proiezione, apposite ottiche ingrandiscono e proiettano l’immagine su uno schermo, che può essere lontano, come nel caso di un proiettore multimediale o di una parete (proiezione anteriore), oppure essere installato in un involucro come quello del monitor di un computer o di un ricevitore televisivo (proiezione posteriore).
Il vantaggio principale dei microdisplay consiste nella loro capacità di generare immagini di alta qualità per i dispositivi portatili.
Con una diagonale inferiore a 0,5 pollici (meno di 13 millimetri), un microdisplay può offrire caratteristiche cromatiche e video paragonabili o anche migliori di quelle ottenibili con un televisore o un monitor per PC; inoltre presenta caratteristiche di visibilità superiore: mentre con l’attuale tecnologia di visualizzazione basata sui transistori a film sottile (TFT) occorre tenere i display a un particolare angolo per osservare le immagini, un microdisplay dà la massima libertà di collocazione. Numerose aziende stanno sviluppando sistemi, come quello realizzato da IBM e Olympus, detti “prossimi all’occhio”; in molti di questi sistemi il microdisplay è installato sul lato di una cuffia e l’immagine è proiettata su uno specchio semitrasparente, cosicché quando non si visualizza nessuna immagine è possibile vedere attraverso il display. Quindi sarà possibile leggere la posta elettronica, vedere un film o consultare un manuale ovunque ci si trovi: un microdisplay garantisce sia riservatezza (per esempio se si è seduti in un aeroplano accanto a sconosciuti) sia convenienza: quando un tecnico addetto alla manutenzione dovrà riparare un sistema molto complesso, potrà osservarne gli schemi con un computer a cuffia mentre esegue le riparazioni.
Nella figura 2 è illustrato un dispositivo di visualizzazione prossimo all’occhio.
Un’altra importante differenza è che gli LCD convenzionali degli schermi dei computer sono trasmissivi, ossia la luce proveniente da dietro il backplane viene trasmessa attraverso il display. Ma poiché il silicio non trasmette la luce, per visualizzare le immagini con i microdisplay occorre generare la luce al loro interno (tecnologie a emissione) oppure riflettere e modulare la luce incidente su di essi dall’esterno (tecnologie a modulazione). Quest’ultima soluzione comporta requisiti meno complessi di fabbricazione dei microdisplay.

 

Microdisplay figure%202 Microdisplay/LCoS (liquid crystal on silicon)

Fig. 2- Un dispositivo di visualizzazione prossimo all’occhio
(Fonte: Hana Microdisplay Technologies Inc.)

Vantaggi
Un grande vantaggio per la tecnologia LCoS è la possibilità di sfruttare le tecnologie evolute del silicio. Per due motivi: primo, per fabbricare i display piatti convenzionali occorrono attrezzature speciali per lo spostamento delle grandi lastre di vetro sulle quali vengono depositati i TFT e altri circuiti. Sono necessari quindi enormi investimenti da parte di qualunque società che voglia inserirsi nel settore dei display.
Ma un’azienda che impieghi la tecnologia LCoS non ha bisogno di uno stabilimento di produzione. Poiché il processo di fabbricazione dei circuiti di cui sono composti i backplane si basa sui convenzionali processi di fabbricazione dei chip di silicio, un’azienda può progettare i circuiti e rivolgersi a un qualsiasi stabilimento di produzione di chip di silicio per la fabbricazione di questi ultimi.
Il secondo vantaggio della tecnologia LCoS è l’ampia gamma disponibile di strumenti di progettazione CAD dei circuiti integrati, che permette di progettare un nuovo backplane nell’arco di pochi mesi qualora occorra costruire un microdisplay con risoluzione diversa.
Presso lo stabilimento Hana, molte delle fasi del processo di fabbricazione dei microdisplay sono simili a quelle del processo di fabbricazione degli LCD convenzionali, ma le dimensioni su cui si lavora sono molto più piccole. I chip di silicio contenenti i circuiti integrati per il backplane vengono costruiti con le tecniche standard impiegate nei tipici stabilimenti di produzione. Una volta trasferiti allo stabilimento Hana, i chip da 300 mm con i singoli circuiti integrati vengono rivestiti con uno strato di polimide; con un altro strato di polimide si rivestono lastre di vetro da 300 mm. Successivamente, in ciascuno degli strati di polimide vengono praticate strette scanalature che servono a fissare i cristalli liquidi.
I wafer di silicio e di vetro vengono disposti l’uno sopra l’altro, con i lati di polimide rivolti l’uno verso l’altro e con le scanalature praticate sulle due superfici a un angolo tra di loro tipicamente compreso fra 45 e 100 gradi, e vengono tagliati in piastrine sottilissime, di dimensioni dell’ordine di quelle dei chip. Infine, si introduce il cristallo liquido fra i due strati e si chiude ermeticamente il sistema.
Hana completa anche i microdisplay con l’involucro impiegando le tecniche normalmente usate per i dispositivi a semiconduttore, permettendo così di eseguire le connessioni elettriche con il backplane di silicio. Successivamente i microdisplay vengono spediti ai clienti Hana, che aggiungono le ottiche e i circuiti d’interfaccia e di pilotaggio. Riguardo a questi ultimi esistono due approcci per lo schema di pilotaggio: binario o analogico. L’approccio binario è interamente digitale sino all’interno del display: i pixel vengono fatti commutare tra lo stato on e quello off senza livelli di grigio intermedi, che invece vengono ottenuti mediante tecniche TDM (Time Division Multiplexing).
L’approccio analogico è digitale sino al display e successivamente incorpora uno schema di pilotaggio analogico per generare immagini video di alta qualità cromatica e con alta frequenza di refresh. Nella relazione CMD White Paper: Which Microdisplay is Right for Your Application?”, Colorado MicroDisplay afferma che i microdisplay binari digitali richiedono un’interfaccia più complessa e funzionante a velocità più alta, con conseguenti aumenti dei costi e del consumo di potenza per migliorare la resa cromatica, mentre i microdisplay analogici sono ideali quando occorre una gamma completa di colori.

Come eliminare i difetti
Il problema maggiore nella fase di fabbricazione dei microdisplay è l’eliminazione dei difetti. Poiché l’immagine può essere ingrandita di fattori compresi tra 20 e 100, anche gli eventuali difetti vengono ingranditi, cosicché risultano visibili difetti dell’ordine dei micrometri che invece in un normale display piatto, osservato direttamente senza apparecchi d’ingrandimento, non sono visibili dall’occhio umano. Per risolvere il problema delle impurità si fa ricorso a molte delle tecniche e degli strumenti impiegati nel settore dei dispositivi a semiconduttori, nel quale è pure importantissimo eliminare i difetti.
Uno degli obiettivi principali delle società impegnate nello sviluppo dei microdisplay è quello di ridurre i costi e al tempo stesso aumentare la resa e l’affidabilità. Il metodo migliore a tal fine appare quello della “fabbricazione senza usare stabilimenti” consistente, come accennato in precedenza, nel progettare i circuiti dei backplane, procurarsi i chip di silicio presso una ditta specializzata e impiegare la tecnologia LCoS per costruire i microdisplay.