ITVI20090140A1 - Monitor lcd a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto - Google Patents

Description

MONITOR LCD A NOTEVOLE RESISTENZA MECCANICA ED ATTO ALLA VISUALIZZAZIONE DI IMMAGINI AD ELEVATO CONTRASTO

La presente invenzione si riferisce genericamente ad uno schermo o monitor a cristalli liquidi (LCD) con ottima robustezza meccanica, per la visualizzazione di immagini ad elevata luminosità e alto contrasto impiegabile in particolare per applicazioni all’aperto. Più in particolare, l’invenzione riguarda uno schermo LCD per la visualizzazione di immagini, utilizzabile per applicazioni in piena luce del sole (pannelli pubblicitari e di segnalazione, schermi all’interno di veicoli, ecc.) che presenta un ottimo contrasto (riducendo le riflessioni di superficie) ed un’ottima resistenza meccanica, con limitate vibrazioni della superficie TFT e stress termici causati da parziali ombreggiature del sole sullo schermo e/o da problematiche di aerazione interna allo schermo.

Nello specifico, si fa riferimento particolarmente ad uno schermo o monitor del tipo TFT-LCD (“Thin Film Transistor Liquid Crystal Display”), una variante nota dello schermo LCD, utilizzata su schermi di notevoli dimensioni e che quindi impiegano una grande quantità di pixels; i monitor TFT-LCD basano il funzionamento su dei transistori a film sottile di silicio, depositati su un pannello di vetro, ciascuno dei quali comanda individualmente un rispettivo pixel.

La visibilità di uno schermo LCD in piena luce dipende dalla propria luminosità (vale a dire la quantità di energia luminosa emessa dallo schermo) e dalla quantità di energia luminosa ricevuta dal sole; in particolare, dipende dalla quantità di luce riflessa dallo schermo e quest’ultima è a sua volta funzione della differenza tra l’indice di rifrazione dell’aria e l’indice di rifrazione delle superfici, realizzate in vetro o in materiale plastico, impiegate per la costruzione del monitor. Tali superfici sono solitamente costituite dallo schermo vero e proprio, in vetro, ove si visualizzano le immagini e da un pannello esterno protettivo, realizzato normalmente in vetro o in materiale plastico o acrilico.

La riflessione luminosa proveniente dallo schermo costituisce una luminosità dannosa che sommandosi alla quantità di energia luminosa fornita dallo schermo aumenta la luminosità del bianco e dell’immagine nera di sfondo riducendo cosi il rapporto di contrasto ed attenuando tuttavia il nero e gli altri colori, con conseguente notevole riduzione della leggibilità dell’immagine. Le proprietà fisiche della rifrazione che avviene tra il pannello protettivo, lo schermo di visualizzazione delle immagini ed il cuscinetto d’aria esistente tra il pannello e lo schermo determinano le suddette difficoltà di visione e di “leggibilità”.

In particolare, se la quantità di energia luminosa riflessa dallo schermo si avvicina alla quantità di energia luminosa emessa dallo stesso, il contrasto si riduce sino al punto che le immagini sullo schermo non risultano più visibili dall’esterno da parte di un utente.

Per ovviare a tale inconveniente è stata già adottata la soluzione di iniettare tra il pannello protettivo e lo schermo LCD, un materiale di riempimento allo stato fluido, sostanzialmente trasparente ed elastico, quale una resina epossidica o siliconica o gel epossidico. Dopo aver estratto tutta l’aria presente, il materiale di riempimento viene mantenuto all’interno dello spazio esistente tra il pannello protettivo e lo schermo tramite opportune guarnizioni, poste tra lo schermo LCD ed il telaio di supporto di tale schermo; il suddetto materiale di riempimento ha indice di rifrazione similare al vetro di protezione e del pannello TFT; in tal modo, si ottiene un aumento di contrasto delle immagini presenti sullo schermo ed i problemi derivanti dai fenomeni di rifrazione e/o di riflessione interna sono minimizzati, se non del tutto eliminati.

Tuttavia, anche adottando tale soluzione realizzativa, rimangono irrisolti i problemi derivanti dalla presenza del pannello protettivo, che provoca un notevole surriscaldamento con conseguente possibile rottura dello schermo di visualizzazione, soprattutto per quanto riguarda le applicazioni all’esterno.

Infatti, i monitor che vengono utilizzati in piena luce del sole ricevono da esso un’energia sostanzialmente pari a circa 1100 W/m<2>(valore che dipende, come per i pannelli solari, dalla posizione del sole rispetto alla superficie del monitor e dalle condizioni climatiche della zona) energia che viene assorbita dal pannello TFT e trasformata in calore.

Di fatto, un pannello TFT trattiene quasi la totalità dell’energia ricevuta dal sole, cedendola poi all’ambiente circostante per irraggiamento e/o per convezione; in ogni caso la temperatura del pannello TFT in queste condizioni sale e si stabilizza ad un valore di equilibrio, funzione del punto di equilibrio fra l’energia ricevuta e ceduta dal sistema.

Tuttavia, la tecnologia LCD-TFT tuttora utilizzata per i monitor di certe dimensioni (superiori ai 32 pollici) è stata sviluppata da sempre per applicazioni all’interno (“indoor”), per le quali la massima temperatura di funzionamento in ambiente è tipicamente pari a 50°C e non si hanno condizioni di luce diretta solare continua per diverse ore della giornata.

Dunque i limiti in termini di temperatura massima sostenibile degli schermi LCD-TFT di tipo tradizionale sono fissati a circa 70°C-80°C (da misurarsi sulla superficie del pannello TFT) e per rientrare all’interno di questo valore limite (tenuto conto anche del carico di energia dovuto alla luce diretta solare) è necessario eliminare la temperatura in eccesso utilizzando specifici sistemi di raffreddamento, da installare all’interno della struttura del monitor. In particolare, tali sistemi di raffreddamento non devono produrre interferenze ottiche, così come non devono creare forti sbalzi termici sulla superficie del pannello TFT, che si trasformerebbero in pericolosi stress meccanici della struttura del pannello.

Attualmente al fine di risolvere il suddetto problema relativo al surriscaldamento della superficie frontale del pannello TFT, causata dall’energia proveniente dal sole, si usa di solito aria fresca, proveniente da una sorgente di ventilazione che raffredda la suddetta superficie frontale scorrendo fra il pannello TFT ed il vetro di protezione del monitor.

In questo modo, si deve altresì asportare l’extra temperatura che si forma dal sistema di retroilluminamento o sistema “back light” 17 (come mostrato in dettaglio nella figura 1 allegata, in cui il pannello TFT è indicato genericamente con 10 e la sorgente di ventilazione è indicata con V).

Tuttavia, questa soluzione si dimostra poco efficace, in quanto il pannello TFT è fortemente sollecitato meccanicamente dall’aria fresca per effetto aerodinamico sviluppando forti sbalzi termici che possono trasformarsi in pericolosi stress meccanici per il pannello TFT.

Poiché dal pannello TFT si deve asportare anche l’extra temperatura che si forma dal suo sistema di retroilluminamento 17, tale operazione è resa sempre più difficoltosa per monitor ad alta luminosità, ove si impiegano energie elevate per ottenere una sempre maggiore retroilluminazione.

Esiste infine un notevole inconveniente legato a questa soluzione costruttiva: nel caso in cui manchi alimentazione elettrica al sistema e la sorgente di ventilazione non funzioni, la struttura del monitor in presenza di luce diretta solare e temperatura ambiente significativa, diventa una specie di serra ed il valore di temperatura superficiale del pannello TFT sale a valori distruttivi.

Scopo della presente invenzione è quindi, quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e in particolare, quello di realizzare un monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, dotato di un sistema di raffreddamento dello schermo affidabile ed efficace, senza creare rilevanti sbalzi termici, che si trasformerebbero in pericolosi stress meccanici della struttura.

Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un monitor a cristalli liquidi, di tipo LCD-TFT, a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, che preveda un sistema di raffreddamento dello schermo privo di interferenze ottiche.

Ulteriore scopo dell’invenzione è quello di realizzare un monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, che preveda un sistema di raffreddamento capace di asportare anche l’extra temperatura che si forma dal sistema di retroilluminamento, soprattutto nel caso di impiego di pannelli ad alta luminosità.

Questi ed altri scopi sono conseguiti da un monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica, atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, secondo la rivendicazione 1 allegata; altre caratteristiche tecniche di dettaglio sono riportate nelle rivendicazioni successive.

In modo vantaggioso, la presente invenzione prevede un sistema di raffreddamento dei monitor LCD-TFT ad alta efficienza che scarica energia termica direttamente nell’ambiente esterno e non riceve né è influenzato dalle alte temperature che si possono raggiungere all’interno del pannello TFT.

Inoltre, nel caso in cui manchi l’alimentazione elettrica, il pannello TFT riesce comunque a scaricare l’energia termica verso l’ambiente esterno, evitando di raggiungere livelli di temperatura pericolosi, che possono causarne una rottura irreversibile.

La soluzione tecnica prevista consente infine di ottenere un ottimo contrasto delle immagini sullo schermo, riducendo le riflessioni di superficie ed una notevole robustezza meccanica della struttura, evitando l’insorgere di vibrazioni aerodinamiche sulla superficie del pannello TFT.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue, relativa ad una forma di realizzazione preferita ed esemplificativa ma non limitativa del monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, secondo la presente invenzione e dai disegni annessi, in cui:

- la figura 1 mostra una sezione trasversale di un monitor a cristalli liquidi LCD-TFT di tipo tradizionale, che ne illustra lo schema di funzionamento di principio, secondo l’arte nota; - la figura 2A è una vista prospettica in esploso di un componente del monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica, atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, secondo la presente invenzione;

- la figura 2B è una vista prospettica del componente di cui alla figura 2A, a montaggio ultimato, secondo la presente invenzione;

- la figura 3 mostra una sezione trasversale del monitor a cristalli liquidi a notevole resistenza meccanica, atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, che ne illustra lo schema di funzionamento, secondo la presente invenzione; - le figure 4A e 5A mostrano una vista in sezione schematica di una porzione del monitor di cui alla figura 3, secondo la presente invenzione;

- la figura 4B mostra un ingrandimento del dettaglio indicato con A in figura 4A;

- la figura 5B mostra un ingrandimento del dettaglio indicato con B in figura 5A.

Con particolare riferimento alla figura 1 menzionata, la stessa riporta una modalità nota di raffreddamento della superficie frontale di un pannello TFT 10, montato all’interno di un monitor di tipo tradizionale, dotato di vetro protettivo esterno 11, nel caso in cui il monitor sia impiegato per applicazioni all’esterno con temperatura ambiente significativa, luce diretta proveniente dal sole S ed energia luminosa E direttamente incidente sul pannello TFT 10.

In particolare, il pannello TFT 10 è connesso ad un sistema di retro-illuminazione 17 ed il sistema di raffreddamento, atto ad asportare la temperatura in eccesso dovuta all’energia luminosa incidente E sulla superficie del pannello TFT 10, è basato su un flusso d’aria, realizzato tramite la sorgente di ventilazione e/o condizionamento V, che passa in un canale (largo circa 8-20 mm) creato tra il pannello TFT 10 ed il vetro protettivo 11 del monitor.

Tale soluzione, oltre ad essere poco efficace perché il pannello TFT 10 risulta fortemente sollecitato dall’aria per effetto aerodinamico (che può causare pericolosi stress meccanici), necessita di un’ulteriore canalizzazione, poiché dal pannello TFT 10 si deve asportare anche l’extra temperatura che si forma dal sistema di retro-illuminazione (“back-light”) 17.

Inoltre, questo aspetto aggrava ulteriormente i problemi di dissipazione del calore quando si utilizzano pannelli TFT 10 ad alta luminosità, ove si impiegano alte energie per ottenere una maggiore retroilluminazione.

Infine, nel caso in cui la sorgente di ventilazione V non funzioni a causa di mancanza di energia elettrica, la temperatura della superficie del pannello TFT 10 può salire a valori irrimediabilmente distruttivi.

Per evitare di giungere a tale collassamento ed al fine di aumentare l’efficienza del sistema di raffreddamento, la presente invenzione prevede di scollegare il pannello TFT 10 dal sistema di retroilluminazione 17 e di porre il suddetto pannello TFT 10 fra due vetri 110, 120 (come mostrato nelle figure 2A e 2B allegate), quali quelli tipici di protezione dei monitor, annegando il pannello TFT 10, posto fra i vetri 110, 120 e mantenuto in posizione tramite elementi di supporto 15, all’interno di un materiale siliconico di riempimento 130, che è inserito nell’interstizio che si crea fra i suddetti vetri 110, 120 (mantenuti ad una determinata distanza tra loro per mezzo di opportuni distanziali 14), dopo aver tolto tutta l’aria presente (il tutto è mostrato in dettaglio nelle figure 3, 4A, 4B, 5A e 5B allegate).

Quindi, il pannello TFT 10, completo dei vetri 110, 120, viene nuovamente collegato al sistema di retroilluminazione 17, tramite la scheda di circuito elettronico 16 ed il collegamento elettrico 18, in modo tale che fra il vetro posteriore 120 e la superficie anteriore del sistema di retro-illuminazione 17 si crei un canale 19 ove poter far passare l’aria fresca (frecce A1) proveniente dall’unità di ventilazione V. In tal modo, il materiale di riempimento 130 posto tra i due vetri 110, 120, ove è annegato il pannello TFT 10, si comporta come un ottimo conduttore termico, trasferendo l’energia termica E ricevuta dal pannello TFT 10 da una parte, verso il vetro frontale 110 e l’ambiente esterno e dall’altra parte, verso il vetro 120 e verso il canale di ventilazione 19 presente tra il suddetto vetro 120 e la superficie anteriore del sistema di retro-illuminazione 17 ove si ha un raffreddamento forzato.

La soluzione tecnica adottata aumenta notevolmente l’efficienza di raffreddamento del pannello TFT 10, in quanto il suddetto pannello TFT 10 è in grado di scaricare l’energia termica E anche verso l’ambiente esterno e non riceve né è influenzato dalle alte temperature del sistema di retro-illuminazione 17.

Inoltre, nel caso in cui si verifichi un black-out e manchi l’energia elettrica di alimentazione al sistema di ventilazione V, il pannello TFT 10 riesce comunque a scaricare l’energia termica E verso l’ambiente esterno, evitando di raggiungere livelli di temperatura pericolosi, che possono causare rotture irreversibili. Questa soluzione tecnica comporta altresì numerosi ulteriori vantaggi, quali, per esempio, l’ottimo contrasto delle immagini sullo schermo (in quanto riduce le riflessioni di superficie) ed una notevole robustezza meccanica (in quanto evita le vibrazioni aerodinamiche sulla superficie del pannello TFT).

Inoltre la soluzione adottata, avendo il pannello TFT 10 posto fra 2 vetri 110, 120 permette una uniforme distribuzione dei pesi su tutta la sua superficie, evitando che vi siano elevate pressioni sui bordi del pannello TFT 10 .

Ulteriore vantaggio sta nella riduzione, rispetto alle soluzioni tradizionali, del gap ottico fra la superficie del pannello TFT 10 e la superficie esterna del vetro protettivo 110 (da circa 15-20 mm a circa 5-6 mm) che porta ad un miglioramento dell’aspetto estetico dell’immagine e ad un’attenuazione dei problemi di parallasse se si utilizza un frontale con touch screen. Infine, la struttura complessiva del pannello TFT 10, posto tra i vetri 110, 120 ed annegato nel materiale di riempimento 130, costituisce un notevole volano termico, riducendo al minimo gli stress termici causati da ombreggiature del sole sul pannello 10 e/o problemi per effetti di aerazione.

La struttura secondo l’invenzione consente ulteriormente di trasformare, in modo molto semplice, l’uso del monitor da ambienti interni ad ambienti esterni, alla luce diretta del sole S; in pratica, con l’aggiunta di un kit di ventole e di opportuni filtri anti-polvere, un qualsiasi monitor impiegato per ambienti interni e realizzato secondo l’invenzione può essere trasformato in un prodotto utilizzabile in ambienti esterni, senza prevedere l’impiego di unità di condizionamento e considerando la migliore efficacia dello scambio termico che avviene sul pannello TFT 10. Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del monitor LCD a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi. E’ chiaro infine, che numerose altre varianti possono essere apportate al monitor LCD in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri equivalenti.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Monitor a cristalli liquidi (LCD) a notevole resistenza meccanica ed atto alla visualizzazione di immagini ad elevato contrasto, comprendente almeno un pannello TFT (10), connesso ad almeno un sistema di retro-illuminazione (17) ed atto alla visualizzazione di immagini su uno schermo di grandi dimensioni, ed almeno uno strato trasparente protettivo (11, 110), posto frontalmente allo schermo ed accessibile dall’esterno, caratterizzato dal fatto che detto pannello TFT (10) è situato in una posizione immediatamente prospiciente ad almeno detto strato trasparente protettivo (11, 110).
2. 2. Monitor come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto pannello TFT (10) è posto tra almeno detto strato trasparente protettivo (11, 110) ed almeno un secondo elemento trasparente (120).
3. 3. Monitor come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto pannello TFT (10) è annegato in un materiale fluido (130), che riempie lo spazio esistente tra detti elementi trasparenti (110, 120).
4. 4. Monitor come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che da detto spazio esistente tra gli elementi trasparenti (110, 120) è estratta tutta l’aria presente.
5. 5. Monitor come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto materiale fluido di riempimento (130) comprende un gel e/o una resina epossidica e/o siliconica.
6. 6. Monitor come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che tra almeno uno (120) di detti elementi trasparenti (110, 120) ed una superficie anteriore di detto sistema di retro-illuminazione (17) è ricavato un canale (19), all’interno del quale viene immessa aria proveniente da almeno una unità di ventilazione (V), in modo da attuare un raffreddamento forzato.
7. 7. Monitor come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto materiale fluido di riempimento (130), ove è annegato detto pannello TFT (10), si comporta come un buon conduttore termico, trasferendo energia termica (E) ricevuta da detto pannello TFT (10), da una parte, verso almeno un primo elemento trasparente (110) e verso l’ambiente esterno e dall’altra parte, verso almeno un secondo elemento trasparente (120).
8. 8. Monitor come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere utilizzabile sia per ambienti interni che per ambienti esterni, anche alla luce diretta del sole (S).