Come scegliere il display del TV: LCD, OLED e oltre

Il display è indubbiamente il componente più qualificante, e più costoso, del televisore, nel quale i fornitori impegnano grandi risorse di sviluppo e di produzione. Dopo l’ultimo decennio in cui i TV hanno visto impiegare prevalentemente tre tipologie di display, LCD-LED, QOLED e OLED, dal 2020 assistiamo all’arrivo di un numero sempre più consistente di nuovi display, mentre altre tecnologie sono prossime ad arrivare fra 2-3 anni. Per orientarci fra le diverse denominazioni, spesso fra loro molto simili, riportiamo la situazione dei display già in uso, raggruppate fra LCD e OLED, e di quelli in lizza per succedere agli OLED.

Il mercato dei display TV 4K/8K per il consumer è in grande fermento con tecnologie sempre più raffinate basate sui Quantum Dots, ormai diffusamente utilizzate nei display LCD con retroilluminazione, e che si stanno affacciando anche nei display con pixel autoilluminanti dove domina finora incontrastata la tecnologia OLED.

Il passaggio a definizioni 4K e 8K spinge verso display sempre più grandi rispondenti a specifiche HDR10 e Dolby Vision, il tutto a prezzi sempre più competitivi.

La spinta del mercato verso nuovi display

La spinta del mercato dei televisori è evidente, solo in Italia nel 2020 ha registrato una crescita in valore del 12%, più della media delle vendite dell’elettronica di consumo (+8,3%), mentre nel 2021 si presenta ancora più dinamico in virtù dei grandi eventi sportivi come Eurocup 2021 e (probabilmente) le Olimpiadi di Tokyo e dello switch off dei televisori a Settembre. Tutti eventi che porteranno molte famiglie a cambiare il televisore di casa scegliendo un modello di ultima generazione, caratterizzati da display da scegliere in una ampia gamma di tecnologie oggi disponibili.

Il ruolo dei Quantum Dots

Protagonisti nell’innovazione dei display sono in Quantum Dots, piccoli cristalli di semiconduttore dello spessore di pochi nanometri, che, illuminati da luce blu, generano un colore quasi monocromatico diverso a seconda della loro dimensione. Sfruttando tali proprietà di fotoluminescenza, vengono utilizzati nei display LCD come filtri di conversione colore della retroilluminazione. Inoltre sfruttando le loro proprietà elettroluminescenti verranno anche utilizzati per realizzare pixel dei colori primari nelle nuove generazioni di display autoilluminanti.

Display LCD con retroilluminazione

Nel pannello LCD ogni pixel è composto da 3 sub-pixel ciascuno dotati dei filtri colore  Red, Green, Blu. Il sub-pixel è costituito da una cella tra due strati di vetro, che a seconda del voltaggio varia l’allineamento delle molecole consentendo, in combinazione con filtri polarizzati, più o meno il passaggio della luce fornita dalla retroilluminazione. Possono essere del tipo IPS (In Plane Switching) con maggiore angolo visivo o VA (Vertical Alignment) che blocca meglio la luce per neri migliori.

Caratteristiche display LCD

Esaminiamo le diverse tipologie di display LCD con retroilluminazione con le denominazioni commerciali utilizzate dai costruttori.

LCD-LED: storicamente prima versione in cui i LED hanno sostituito il tubo fluorescente nella retroilluminazione. I LED a luce bianca sono realizzati con LED blu ricoperti da di resina gialla, meno costosi della combinazione di tre LED distinti RGB, di conseguenza lo spettro evidenzia che la luce blu è pura mentre rosso e verde sono meno distinti, ciò determina prevalenza del blu e impedisce di ottenere colori con un giusto grado di saturazione.

I LED possono essere disposti sul bordo del pannello (edge-light) o distribuiti uniformemente (full-array direct light) per consentire il local dimming per neri più profondi, con risultati tanto migliori quanto maggiore è la densità dei LED. Con il local dimming la luminosità di picco va tuttavia limitata per evitare l’effetto blooming (fioritura) ovvero aloni prodotti da zone molto luminose in aree confinanti scure. I display LCD-LED i sono ormai fuori produzione per diversi produttori.

QLED (=QuantumLED): introdotto da Samsung nel 2017 per pannelli 4K e 8K, struttura simile alla precedente ma con il miglioramento della purezza della retroilluminazione mediante filtro costituito da Quantum Dots, realizzato mediante una pellicola QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) che converte la luce nei tre colori primari RGB eliminando componenti spurie.

Il risultato è un gamut colore più ampio e fedeltà cromatica perfetta (100% spazio colore DCI-P3), senza tendenze al blu come invece si nota nei display LCD-LED. I QLED Samsung hanno un pannello LCD del tipo VA, che rispetto all’IPS consente un migliore livello del nero pur se con un minore angolo di visione.

NanoCell (LG): introdotti da LG nel 2019 nei display LCD con retroilluminazione dinamica a moduli (celle) di LED e filtro colore Quantum Dots che migliora la purezza dei colori primari. Utilizzano pannelli IPS che permettono un angolo di visione molto ampio. La gamma di TV LG NanoCell comprende otto serie 4K e due 8K. Su tutti c’è il local dimming e sull’86” la retroilluminazione è di tipo Full LED Array.

QLED+miniLED (TCL): combina la tecnologia QLED con quella dei miniLED con dimensioni molto piccole, 50-300 micron contro diversi mm dei LED normali. Ciò consente di creare moduli di retroilluminazione molto sottili, a basso consumo e con decine di migliaia di LED. Ad es.TCL nel TV top di gamma X10 QLED ha oltre 15000 LED blu con 768 zone di controllo (contro 100-200 con LED normali). Con il filtro Quantum Dot si ottiene uno spettro cromatico della retroilluminazione quasi puro e la luminosità di picco è limitata a 1500 nits per evitare effetto blooming. L’accoppiata QLED e miniLED introdotta nel 2020 consente di portare gli schermi LCD su prestazioni in termini di rapporto di contrasto e gamma cromatica mai raggiunti prima e a costi di produzione inferiori a quelli degli OLED.

Neo QLED (Samsung): introdotti nei TV Samsung nel 2021 (Neo QN900 8K QLED, Neo QN800) sono equipaggiati con pannelli MiniLED, che dispongono di circa dieci volte il numero di LED rispetto ai normali QLED. Di conseguenza consentono un local dimming estremamente preciso, oltre a un miglior livello di luminosità, angoli di visuale aumentati e riducono al minimo il blooming, oltre a coprire il 100% nello spazio di colore DCI-P3.

OD Zero Mini LED (TCL): introdotti da TCL nelle nuove famiglie 2021 di TV 4K e 8K, la denominazione è auto-esplicativa poichè viene annullata la OD (Optical Distance) fra lo strato di MiniLED di retroilluminazione, il filtro Quantum Dot e il pannello LCD, riducendo sensibilmente gli aloni luminosi. Si possono controllare un numero più elevato di MiniLED  ottenendo immagini più incisive e con un contrasto più preciso dei singoli pixel.

QNED Mini LED (LG): display LCD con tecnologia Quantum Dots e retroilluminazione realizzata con MiniLED per avere maggiore luminosità e un migliore local dimming. Da non confondere con la tecnologia QNED del tipo autoilluminante su cui sta lavorando Samsung. Utilizzati dal 2021 da LG nei modelli 8K (QNED99 e QNED96) e 4K (QNED91), rappresentano l’evoluzione dei display Nanocell avendo una maggiore densità di Mini LED e una maggior numero di zone controllate. Il top di gamma 8K da 86”è dotato di una retroilluminazione con quasi 30.000 piccolissimi LED e quasi 2500 zone di regolazione indipendenti, con un rapporto di contrasto di 1.000.000:1.

Display con pixel auto-illuminanti

La tecnologia autoilluminante finora usata per produrre display TV consumer è quella OLED (Organic Light Emitting Diode) nella quale lo strato emissivo è una pellicola di sottilissimi strati di polimero organico a base di carbonio, che emette luce in risposta ad una corrente elettrica, e sulla quale viene ricavata la matrice dei pixel attraverso un processo di nano-litografia. Sono sovrapposti tre film con tre matrici di pixel dei colori RGB, fra i quali sono interposti altri strati che formano gli elettrodi, con uno spessore totale che non supera i 300 nanometri. Esistono due principali famiglie di OLED: PMOLED a matrice passiva e AMOLED a matrice attiva (AMOLED). Nei display PMOLED, ciascuna riga viene controllata in modo sequenziale, mentre negli AMOLED il controllo avviene su ogni singolo pixel tramite una matrice di transistor, consentendo una definizione più elevata.

Caratteristiche display con pixel autoilluminanti

OLED (LG): la struttura WRGB (White,Red,Green,Blue) brevettata di LG utilizza tre sottopixel con filtri colorati rosso, verde e blu più un sottopixel bianco, più grande di quelli colorati, che viene acceso nelle scene bianche risparmiando il consumo degli altri tre sottopixel blu, che con la configurazione RGB dovrebbero accendersi insieme per dare il bianco; inoltre vi è un doppio substrato con emettitori blu poiché gli emettitori OLED blu sono meno efficienti e tendono ad invecchiare più precocemente. In tal modo con la struttura WRGB aumenta la durata del display e consente livelli più elevati di luminosità fino a 1000 nits. LG è attualmente l’unico produttore (e fornitore per le altre case come Sony e Panasonic) di pannelli OLED di grandi dimensioni a un costo accettabile, avendo acquisito nel 2009 tutti i brevetti relativici dalla Kodak. Al momento LG produce solo tre dimensioni di pannello OLED per i TV 4K consumer: 55, 65 e 77”.

OLED evo (LG): versione migliorata annunciata al CES 2021 caratterizzata da un picco di luminanza più elevato usata nel 2021 nelle serie LG OLED G1, Sony A90J e Panasonic JZ2000. Rispetto alla versione OLED WRGB di LG è stato aggiunto un terzo substrato con emettitori verdi posto tra i due emettitori blu, che consente di incrementare la luminosità del display (fino a 1300 nits) e anche per ampliare la copertura degli spazi colore. L’altra novità è invece inerente i materiali organici impiegati per i già citati emettitori blu. Prezzi dei TV LG con OLED EVO: 55” 2499 €, 65” 3499 €, 77” 4999 €.

Le nuove alternative all’OLED

 Gli OLED rispetto agli LCD consentono immagini con neri perfetti, ma gli schermi OLED non riescono a raggiungere per tempi prolungati gli stessi livelli di luminosità di quelli a cristalli liquidi. Sono in corso sviluppi per nuove tecnologie dei display autoilluminanti, alternative all’OLED, che consentano maggiori luminosità, per fare fronte, a prezzi competitivi, agli ultimi standard video come HDR-10 e Dolby Vision, che prevedono una gamma colori ancora più ampia e una luminosità di picco fino a 10.000 nits, che nessun display oggi in commercio è in grado di raggiungere.

QD-OLED (Quantum Dot-OLED): tecnologia ad emissione diretta, che Samsung Electronics, Sony, Panasonic e TCL contano di portare in produzione fra 1-2 anni. Il display è costituito da un pannello OLED di solo colore blu, sul quale sono disposte per ciascun pixel delle celle contenenti Quantum Dots per convertire la luce blu nei colori verde e rosso, mentre un filtro colore si occupa del blu, costruendo così la tripletta RGB per ciascun pixel. Si mantengono tutti i benefici dell’OLED (contrasto infinito, nero perfetto, minimi tempi di risposta) mentre la maggiore efficienza di conversione dei Quantum Dot  produce minore riscaldamento dei pixel per ottenere maggiori livelli di luminosità.

QNED (Quantum Nano-Emitting Diode): su cui stanno lavorando Samsung Display e LG, il principio di funzionamento è del tutto simile in questo caso a quello del QD-OLED, in cui la componete emissiva è costituita da Nanorod o Nanowire, ovvero LED accresciuti su un substrato di silicio con la forma di bastoncini di pochi nanometri. Ciascun subpixel viene poi convertito nel relativo colore primario utilizzando i Quantum Dots come nel caso del QD-OLED. In tal modo si otterrebbero efficienze di conversione ancora migliori con conseguente miglioramento della luminosità.

QD-EL (Quantum Dot-Emitting Led): in questo caso vengono infatti utilizzate le proprietà dei punti quantici per realizzare dei veri e propri LED da integrare in una matrice attiva: ogni subpixel del display è costituito da un diodo con Quantum Dots. Teoricamente un display QD-EL potrebbe offrire luminosità di picco di migliaia di nits, tempi di risposta istantanei e rapporto di contrasto infinito. Le aziende insieme con gli istituti di ricerca sono al lavoro per individuare il migliore processo produttivo.

Micro LED: i pixel dello schermo TV sono costituiti da LED, ogni pixel è composto da 20-30 micro LED, rossi, blu e verdi, eventualmente combinati con Quantum Dots. Mentre gli OLED sono realizzati con materiali organici, che possono avere problemi di danneggiamento su immagini statiche molto luminose, i micro LED sono invece realizzati con materiali inorganici che consentono luminosità superiori a 10.000 nits, oltre a garantire gamut prossimo allo spazio Rec.2020, nero perfetto e ampi angoli visivi. Si tratta di display concettualmente semplici, finora utilizzati in ambito commerciale (digital signage) per grandi LED Wall (pareti di LED) di 140”-290” 4/8K realizzati da Samsung (The Wall) e Sony (Cledis= Crystal LED Integrated Structure). Il problema realizzativo per i TV diventa molto impegnativo dovendo scalare la struttura in schermi più piccoli, per i quali le aziende prevedono prodotti fra 3-4 anni.