Presentación de PowerPoint - Universitat Politècnica de Catalunya

Tema 7: Pantallas electrónicas
DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS
Tema 7: PANTALLAS ELECTRÓNICAS
Lluís Prat Viñas
Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Telecomunicació de
Barcelona (ETSETB)
Universitat Politècnica de Catalunya
Dispositivos optoelectrónicos
Tema 7: Pantallas electrónicas
7.- Pantallas electrónicas
7.1.- Del disco de Nipkow a la television electrónica
7.2.- El tubo de rayos catódicos
7.3.- Pantallas de plasma
7.4.- Pantallas de cristal líquido LCD
7.5.- Pantallas OLED
7.6.-Videoproyectores
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Tema 7: Pantallas electrónicas
SI
7.1.- DEL DISCO DE NIPKOW A LA TELEVISIÓN ELECTRÒNICA
UN NUEVO SUEÑO: REGISTRAR Y REPRODUCIR EL MOVIMIENTO
1834: George Horner crea el Zootropo un juguete óptico
para producir imágenes en movimiento.
1876: El francés E. Reynaud crea el praxisnoscopi, un
sistema de dibujos animados: pasando unos 30 dibujos per
segundo el cerebro percibe una imagen en movimiento.
1881: T.A. Edison patenta el Kinetoscopio, un aparato que
permitia ver una película de unos 20 segundos.
1884: Disco de Nipkow: precursor de la televisión.
1895: Los hermanos Lumiere, presentan en Paris el
cinematógrafo (del griego “kinema” = movimento)
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Tema 7: Pantallas electrónicas
EL DISCO DE NIPKOW
1880: Primer artículo en la revista Scientific American
sobre la posibilitat de la televisión. Nace el concepto.
1884: El aleman Paul Nipkow patenta un sistema mecànico
para explorar una imagen línea a línea basado en un disco
perforado.
1900: El ruso Constantin Perskvy propone la palabra
“televisión” a la Exposició Universal de Paris. Buena
acogida.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
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EL PRIMER INVENTOR DE LA TELEVISIÓN: JOHN LOGIE BAIRD
1925: El escocès John Logie Baird hace la primera
demostración de televisió en su laboratorio usando un disco
de Nipkow: 30 lineas i 5 cuadros por segundo.
1926: Primera demostración de imágenes de caras humanas
reconocibles. La pantalla era muy pequeña: unos 6 cm
d’altura por 2 cm de anchura, y de color rojo sobre negro
debido a que usaba una lámpara de neón.
1930: Demostración de televisión en pantalla grande: 1.8 m x
0.9 m. Usando la técnica de punto volador (flying spot)
controlado por espejos.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
LA TELEVISIÓN ELECTRÓNICA
1897: El aleman Karl Ferdinan Braun inventa el tubo
de rayos catòdicos.
1907: El ruso Boris Rosing propone utilizar el tubo de
rayos catòdicos como receptor de televisión.
1908: El escocès A. Campbell Swinton propone utilizarlo
también como emisor: la imagen se proyecta sobre la
cara frontal del tubo que contiene un mosaico de células
fotoeléctricas que son exploradas por el haz electrónico.
1927 : El norteamericano Philo Farnsworth propone un
sistema totalmente electrònico basado en un “disector”
de imágenes.
1923: El estadounidense de origen ruso Vladimir Zworykin
patenta la idea del ionoscopio, la primera cámara de
televisió. El primer prototipo fue presentado el 1929 y
fabricado por la RCA en 1933. Exploraba una imagen a
razón de 120 lineas y 24 cuadros por segundo
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Tema 7: Pantallas electrónicas
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HACIA LA TELEVISIÓN MODERNA
1929: Baird convence a la BBC de hacer transmisiones de televisión.
Comercializa receptores de su sistema y los mejora: 30, 60, 100, 120 y
180 lineas con 12.5 cuadros por segundo.
1932: La BBC inicia la emisión regular de televisión usando el sistema
electromecànico de Baird basado en 30 lineas.
1936: Para decidir el sistema definitivo “de alta definición”, la BBC
acuerda alternar semanalmente el sistema electromecànico de Baird
(240 líneas, 25 cuadros per segundo) y un sistema puramente
electrònico (405 lineas, 50 cuadros per segon).
1936: Primeros juegos olímpicos televisados (Berlín)
1937: Se abandonan los sistemas electromecànicos que no podian
conseguir la fiabilidad y cualidad de los sistemes electrònicos.
1937: El Reino Unido adopta un sistema de 405 líneas, Francia de 455, Alemania y Italia de 441.
1939: Primer servicio público de televivión en New York: 340 líneas y 30 cuadros per segon. Se venden
20.000 televisores en Londres. Suspensión de la TV en Europa por la II Guerra Mundial.
1941: Se adopta el estàndard norteamericano: 525 líneas y 60 cuadros/s.
1952: Se adopta el estàndar europeo: 625 líneas y 50 cuadros por segundo.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
LA TELEVISIÓN EN COLOR
METAMERISMO: Combinando 3 colores primarios, Rojo (R), Azul (B), y
Verde (G), se puede obtener la misma percepción de color que una radiación
monocromática.
1938: El francès George Valensi propone el principio de dualidad: los
programas de color se han de poder ver en receptores de blanco y negro, y
los programas de blanco i negro deben poderse ver en receptores de color.
1953: Se define en EEUU el estandard compatible NTSC (National
Television System Committee): No se transmiten las 3 primarias
sino combinaciones de ellas:
Luminancia Y = 0.3R + 0.6G + 0.1B
Crominancia CB = B - Y
Crominancia CR = R – Y
En el receptor de blanco y negro, la señal Y (luminancia)
proporciona la imagen.
En el receptor de color, a partir de Y, CB i CR se obtienen las
primarias R, G, y B que actuen sobre 3 cañones independentes.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
LA TELEVISIÓN DIGITAL
720 pìxels/linea x 3 señales/píxel x 8 bits/señal x 625 línias/cuadro x 30 cuadros/segundo = 324
Mbits/s. Cada canal analògico dispone de 6 MHz de ancho de banda. Es decir, unos 12 Mbits/s.
TECNICA DE COMPRESIÓN DE LA SEÑAL: MPEG-2
MPEG = Moving Pictures Experts Groups. Estàndard para comprimir la señal de video teniendo en
cuenta las características de la visión humana. Factor de reducció del ordre de 50.
Compresión a nivel de píxels: 4:2:0
Se transmite la Y de todos los píxels (4), y
1 de cada 2 de señales de croma en
Y
Y
CB
Y
CR
Y
Y
sentido horizontal (2) y vertical (2).
Compresió a nivel de bloques (8 x 8 píxels):
Se eliminan los bloques iguales: Redundància espacial
Compresión a nivel de cuadros:
Se eliminen cuadros iguales: Redundància temporal
Se requiere un decodificador para recuperar el valor de cada pixel
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Bloques de igual Y, CB y CR
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7.2.- EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS
El tubo de rayos catódicos (CRT, Cathode Ray Tube) ha jugado un
papel fundamental en el desarrollo de la ciencia y de la electrónica.
En la década de 1870 diversos experimentos realizados en tubos de
vidrio en los que se había hecho el vacio mostraban que cuando se
calentaba el metal que constituia un electrodo llamado cátodo
surgian unos “rayos” que se dirigían en línea recta hacia al otro
electrodo llamado ánodo que tenia aplicada una tensión positiva
respecto del cátodo. A estos rayos se les llamó “rayos catódicos”.
En 1897 el británico J. J. Thomson demostró que estos rayos catódicos estaban formados por unas
partículas con carga negativa que serian llamadas electrones. Fue la primera prueba de que el
átomo, que se creía entonces indivisible, estaba formado por partículas subatómicas.
El físico aleman Ferdinand Braun inventó en 1897 el osciloscopio utilizando los rayos catódicos.
El tubo de rayos catódicos fue usado como instrumento de medida durante todo el siglo XX y
permitió crear la televisión. Aunque hoy su uso está decayendo se sigue utilizando la
manipulación de un haz de electrones en equipos sofisticados como el microscopio electrónico.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
El funcionamiento del tubo de rayos
catódicos es esencialmente el siguiente:
1.- Un metal calentado por una corriente
eléctrica emite electrones.
2.- Estos electrones son acelerados por
campos eléctricos y/o magnéticos hasta
conseguir que formen un haz muy estrecho
que se hace incidir en una pantalla.
3.- Esta pantalla contiene unos puntos
llamados fósforos, que producen luz brillante
cuando incide el haz de electrones sobre él.
La cantidad de luz que desprende depende de
la velocidad y cantidad de electrones.
4.- El haz de electrones puede ser desviado
en su trayectora mediante tensiones
aplicadas a unas placas de desviación
(horizontal y vertical) o a una bobinas que
crean campos magnéticos.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Aplicaciones
Se ha usado como pantalla de visualización en instrumentación electrónica (ej. osciloscopio),
en televisión (ej. receptor), en computación como monitor, en el radar,...
En el osciloscopio se aplica a las placas de
desviación horizontal una señal en diente de
sierra que provoca que el haz de electrones vaya
barriendo la pantalla de izquierda a derecha con
una velocidad uniforme. La señal que se quiere
visualizar se aplica a las placas de desviación
vertical. En la pantalla se visualiza la señal
vertical en función del tiempo.
En el radar el haz electronico barre la pantalla en
forma de un radio cuyo ángulo aumenta a
velocidad constante. En cada radio se muetran los
ecos recibidos en esta dirección a una distancia
del centro proporcional al tiempo transcurrido
desde la emisión del impulso.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Como receptor de televisión el haz va barriendo la pantalla de
izquierda a derecha a velocidad constante, volviendo
rápidamente al inicio cuando llega al final de linea. A la vez, el
haz se desplaza progresivamente de arriba a abajo, volviendo
inmediatamente arriba al finalizar el cuadro. De esta forma el
haz incide sobre todos los puntos (pixeles) que contiene la
pantalla.
La luz desprendida por un fósforo es proporcional a la
cantidad y velocidad de los electrones incidentes que depende
de las tensiones aplicadas al haz. Variando estas tensiones se
puede iluminar de forma específica cada pixel.
La persistencia del punto de luz en el fósforo y en la retina
humana permite visualizar un cuadro. Si el número de cuadros
varia en razón superior a 30 por segundo nuestro cerebro ve
una imagen en movimiento.
Las imágenes en color se consiguen excitando a la vez tres
fósforos (rojo, verde y azul) en cada pixel mediante tres haces
independientes. La combinación de estos tres colores
primarios permite crear todos los colores.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Para evitar el parpadeo de imagen entre cuadro y cuadro se utiliza
un sistema de barrido de lineas denominado “entrelazado”:
primero se transmiten las lineas impares de un cuadro (campo
impar) y luego las pares (campo par).
En el sistema americano (NTSC) el barrido de una línea tarda
63,5 µs, de los que los últimos 10 µs se dedican al retroceso del
haz al origen de la siguiente línea. Se transmiten 525 líneas y 30
cuadros por segundo. En el sistema europeo (CCIR) la duración
de una línea es de 64 µs, se transmiten 625 líneas por cuadro y 25
cuadros por segundo.
.
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En la figura se muestra que
durante el barrido de la linea la
señal que activa los píxeles
modulando la intensidad del haz
de electrones varia entre un nivel
75 (negro) y un nivel 12,5
(blanco). Durante el tiempo de
retroceso del haz de envian
impulsos de sincronismo.
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7.3.- PANTALLAS DE PLASMA
Las pantallas de plasma (PDP, Plasma Display Panel) son un tipo de
pantallas planas de televisión, normalmente de gran tamaño (mayores
que 30 pulgadas), que contienen en su interior pequeñas celdas que
contienen una mezcla de gases en los que se provoca una descarga
(plasma) para que emitan luz.
El principio de funcionamiento de este tipo de pantallas fue propuesto
por el húngaro K. Tihany en 1936, y la primera pantalla plana de
plasma, de color naranja, se creó en 1964 por D. Bitzer en la
Universidad de Illinois utilizada como monitor de ordenador.
En 1992 Fujitsu desarrolló la primera pantalla en color de 21 pulgadas
y en 1997 Pioneer inició la comercialización de estas pantallas para
equipos de televisión.
Hasta los primeros años de la década de los 2000 las pantallas de
plasma fueron las más populares para sistemas de TV de alta
definición, pero actualmente están sufriendo la competencia de las
pantallas LCD.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
El elemento clave de esta tecnología son las celdas que funcionan de forma similar a un tubo
fluorescente. Cada celda contiene una mezcla de gases que al aplicarle unas determinadas
tensiones se ioniza y crea un plasma. De ahí el nombre de pantalla de plasma.
Se denomina plasma al cuarto estado de agregación de la materia, que se añade a los estados de
gas, líquido y sólido. Es un estado fluido similar al gas pero en el que una determinada
proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente.
Cuando se aplica tensión, los electrodos desprenden electrones
que son acelerados por una tensión positiva aplicada al otro
electrodo. Estos electrones chocan con átomos de los gases
presentes, los cuales se ionizan y se suman a la corriente
inicial. Se dice que se crea un plasma. Entre los gases también
se encuentran átomos de mercurio que son excitados por
choques y al volver al estado inicial emiten un fotón
ultravioleta.
Los átomos de fósforo presentes en las paredes de la celda
absorben los fotones ultravioletas y emiten fotones en el
espectro visible (según el fósforo, en azul, verde o rojo).
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Tema 7: Pantallas electrónicas
En la pantalla de plasma cada pixel de color está formado
por tres subpíxeles, uno azul, otro verde y otro rojo, que
pueden ser accedidos individualmente mediante unos
electrodos organizados por filas y columnas.
La intensidad de luz producida por
cada pixel se controla por la tensión
aplicada a los electrodos del píxel.
La combinación de estos tres
colores primarios permite
reproducir todos los colores del
espectro visible, tal como ocurre en
los televisores de color basados en
el TRC.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Características de las pantallas de plasma (1)
Ventajas
Las pantallas de plasma tienen una alta luminosidad (más de 1000 lumenes/m2) y una
amplia gama de colores.
Presentan una relación de contraste muy alta, hasta ahora mayor que sus competidoras. La
relación de contraste se define como la relación entre el píxel más luminoso y el menos
luminoso de una imagen en un momento dado.
También presentan un “negro” muy profundo, mucho mejor que las otras tecnologías, que
es producido por la ausencia de excitación de los píxeles implicados.
Es una tecnología adecuada para hacer pantallas grandes (hasta de 3,8 m de diagonal), pero
no para pantallas pequeñas debido a las dificultades tecnológicas para reducir el tamaño de
las celdas.
Tiene un gran ángulo de visión desde la perpendicular a la pantalla.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Características de las pantallas de plasma (2)
Inconvenientes
Las pantallas de plasma tienen un coste de fabricación grande.
Presentan una eficiencia energética peor que sus competidoras, en especial las de LCD.
Pueden consumir del orden de los 400 W.
Solían presentar el efecto de “pantalla quemada” cuando se mostraban imágenes estáticas
durante mucho tiempo. Esto de debía al desgaste de los fósforos implicados que perdían
luminosidad. Actualmente este problema ya ha sido superado.
No trabajan bien en altitudes muy altas debido al diferencial de presión entre los gases de
las celdas y la presión atmosférica.
Fuerte emisión de radiación infrarroja que puede causar interferencias en equipos
electrónicos.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
7.4.- PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO (LCD)
La pantalla de cristal líquido (LCD, Liquid Crystal Display) es una
pantalla plana que utiliza las propiedades de modulación de la luz
que presentan los cristales líquidos. Se usan también en una gran
variedad de aplicaciones, como monitores de ordenadores, relojes,
calculadoras, teléfonos, etc, ya que permiten una gran variedad de
tamaños y presentan una alta eficiencia energética.
Los cristales líquidos fueron descubiertos por el austríaco F. Reinitzer
en 1888 en el colesterol extraido de zanahorias.
El primer dispositivo que permitía el control electrónico de la luz
reflejada por un cristal líquido fue creado en la RCA por G.
Heilmeier en 1964 usando el sistema DMS (Dynamic Scattering
Method).
En 1970 se crearon los sistemas basados en cristales líquidos
nemàticos (TN, Twisted Nematic) que eran más eficientes que el
DMS y INIXCO creó en 1971 el primer reloj basado en este material.
En 1986 NEC comercializó el primer ordenador portatil LCD. En 2002 los monitores LCD
sobrepasaron en ventas a los monitores de tubos de rayos catódicos.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
El cristal líquido
Es un material que, al igual que un líquido, fluye y se adapta a la forma del recipiente,
pero cuyas moléculas, que suelen ser alargadas o en forma de disco, guardan una
cierta ordenación entre sí de forma similar a lo que ocurre en los cristales sólidos.
Hay tres tipos de cristales líquidos: nemáticos, esmécticos y colestéricos. En los
nemáticos las moléculas exhiben una orientación definida de su eje longitudinal pero
desorden entre ellas. En los esmécticos, además de exhibir una orientación definida
estan organizadas en planos paralelos entre sí. En los colestéricos, las moléculas están
organizadas por planos, pero en cada plano el eje de las moléculas es paralelo al
plano en lugar de perpendicular como en los esmécticos.
El tipo de cristal líquido que se utiliza en las pantallas es del tipo nemático
girado (Twisted Nematic, TN). En este caso el cristal líquido se encierra entre
dos placas transparentes paralelas, que con tratamiento adecuado en su
superficie (microsurcos) consiguen que las moléculas del cristal líquido
tengan su eje longitudinal paralelo a la placa siguiendo una dirección
determinada. Las direcciones marcadas por las dos placas son
perpendiculares entre sí lo que provoca que las moléculas giren 90º entre una
placa y la otra.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Una propiedad muy importante del cristal
nemático girado es que hace girar 90º el vector
de polarización de la luz, como si fuese una
guia de ondas.
Cuando se aplica una tensión entre las placas se
crea un campo eléctrico que obliga a las
moléculas a alinearse con el campo de forma
perpendicular a las placas. Se pierde el efecto
de rotación de la polarización de la luz.
El principio de funcionamiento de las pantallas
de cristal líquido se ilustra en la figura: la luz
generada por una fuente se hace pasar por un
polarizador que permite el paso del vector
vertical. Luego atraviesa la capa de cristal
líquido y el vector gira 90º y se hace horizontal.
Finalmente hay un segundo polarizador
horizontal que permite el paso de esta luz.
Cuando la capa de cristal líquido no rota la luz
el segundo polarizador la bloquea.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Matrices pasivas de cristal líquido
Una forma de visualizar caracteres en una pantalla de
cristal líquido es mediante matrices pasivas.
La luz ambiente que ilumina la pantalla puede ser
reflejada por un espejo (reflector) del fondo de la
pantalla o bien puede ser bloqueada en una cierta área
que se verá oscura en la pantalla. La figura ilustra este
comportamiento.
Cuando se aplica tensión a un segmento de un
electrodo transparente de la superficie frontal se
impide la rotación de la luz, que es bloqueada por el
polarizador posterior y no llega al espejo.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Matrices activas de cristal líquido
Las matrices pasivas LCD no son adecuadas para controlar los
píxeles de una pantalla de televisión. Tienen un tiempo de retraso
elevado que dificulta la visualización de movimientos rápidos.
En estas aplicaciones se usan matrices activas LCD (AMLCD).
Las matrices activas controlan cada pixel de la pantalla a través
de un transistor y un condensador. Cuando se pone tensión en la
linea de “scan” el transistor conduce y carga el condensador
conectado en su drenador con la tensión aplicada en su surtidor
(Data Line). Posteriormente se desactiva la puerta y el transistor
pasa a circuito abierto. La carga del condensador se mantiene
durante un cierto tiempo.
El transistor se realiza con tecnología TFT (Thin Film Transistor)
normalmente depositando silicio amorfo sobre el cristal. El
condensador se realiza depositando un electrodo transparente de
ITO (Indium Tin Oxide) en el substrato del TFT y la otra placa es
la del substrato del filtro de color.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Para crear imágenes de televión se requiere
poder obtener una escala de grises entre el
negro y el blanco. El cristal líquido permite
una transmisión gradual de la luz que es
controlada por la tensión aplicada al cristal
líquido.
El condensador de la matriz activa mantiene la
tensión del pixel durante un tiempo y permite
actualizar la pantalla a un ritmo mucho mayor
que en las pantallas de matriz pasiva.
En la figura inferior se muestra como se
controla una matriz de 3 x 3 píxeles. Se realiza
por líneas, aplicando una tensión de 20V que
activa a ON los transistores de la línea, y una
vez activos carga cada condensador de los
píxeles de la línea a la tensión “Data Line”
correspondiente.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Estructura de una pantalla TFT-LCD
Cada pixel de color está formado por tres subpíxeles (R, G, B). La combinación de estos tres
colores primarios proporciona el color del
pixel.
Una lámpara posterior seguida de un difusor
para uniformizar la iluminación genera la luz
que será enviada hacia fuera atravesando las
diferentes capas de la pantalla.
Esta luz pasa por un primer polarizador
(horizontal), luego atraviesa el cristal (que tiene
microsurcos horizontales para ordenar las
moléculas de CL) y que contiene los TFT y los
electrodos transparentes de ITO de cada pixel.
Luego viene la capa de cristal líquido y a
continuación el otro cristal (con microsurcos
verticales) y el filtro de color, y finalmente el
segundo polarizador (vertidal).
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Tema 7: Pantallas electrónicas
En esta figura se presenta una sección de una pantalla plana mostrando otros detalles,
como los electrodos de ITO entre los que está el cristal líquido y a los que se aplica la
tensión para controlar la transmisión de la luz posterior.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Variantes de pantallas LCD
Pantallas LED-LCD
Estas pantallas utilizan LED’s para generar la iluminación posterior en
lugar de las lámparas fluorescentes habituales (CCFL, Cold Cathode
Fluorescent Lamp). Esta iluminación posterior permite una pantalla más
delgada, un menor consumo de potencia, y un mejor contraste. En
particular, la tecnica “dynamic local dimming” permite iluminar de
forma diferente diversas áreas para aumentar la relación de contrate entre
areas iluminadas y areas oscuras.
Pantallas IPS-LCD
Estas pantalla IPS (In-Plane Switching)
aplican el campo eléctrico al cristal líquido
de forma paralela a la pantalla. Esta técnica
mejoró el ángulo de visión y mejoró la
calidad de color, pero a costa de aumentar
su consumo de energía.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Características de las pantallas LCD
Ventajas
Suelen ser las pantallas que tienen un consumo energético menor. Esto las hace atractivas
para los dispositivos portátiles.
Suelen ser las pantallas de menor peso lo cual también es importante en portátiles
La tecnología TFT-LCD era más indicada para pantallas pequeñas y medianas que para
pantallas grandes. Sin embargo, esta limitación se está superando.
Suelen ser pantallas de alto brillo y alta resolución, aunque actualmente la evolución
tecnológica de las otras tecnologías pone en cuestión esta ventaja.
Suelen presentar una vida útil más elevada que sus competidoras.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Características de las pantallas LCD
Inconvenientes
Suelen tener un contraste peor que las de plasma, ya que no se consigue un negro “profundo”
debido a que el cristal líquido no logra un bloqueo perfecto de la luz. Esta característica está
mejorando en las pantallas LED-LCD.
Solian tener un ángulo de visión inferior a las otras tecnologías, pero es una característica que
también está mejorando en las últimas variantes.
El tiempo de respuesta de las primeras pantallas era inferior al de las pantallas de plasma, lo
que era un inconveniente importante en la calidad de las imágenes de movimientos rápidos,
como los eventos deportivos. En las versiones actuales ha desaparecido en gran parte este
inconveniente.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
7.5.- PANTALLAS OLED
El diodo orgánico emisor de luz (OLED, Organic Light Emitting Diode) es una tecnología
lumínica emergente con la que se empiezan a fabricar pantallas planas de televisión, y con la
posibilidad de realizar pantallas flexibles. También presenta grandes perspectivas de utilización
en sistemas de iluminación de estado sólido (SSL, Solid State Lighting).
La electroluminiscencia en materiales orgánicos fue descubierta
por el francés A. Bernanose en la década de 1950.
H. Shirakawa publicó en 1977 el descubrimiento de alta
conductividad en polimeros orgánicos (premio Nobel 2000).
En 1987 C.W. Tang y S.V.Slyke crearon el primer OLED
operativo.
Pioneer crea en 1997 una pantalla de 260.000 colores
2007: Sony comercializa una TV OLED de 11”.
2011: Samsung y LG anuncian para 2012 pantallas de
TV de 55 pulgadas.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Semiconductores orgánicos
Un semiconductor orgánico es un compuesto orgánico,
basado en átomos de carbono, que presenta propiedades
semejantes a los semiconductores “inorgánicos”.
Los compuestos orgánicos suelen ser aislantes, pero en
algunos casos especiales pueden conducir la electricidad:
los electrones pueden moverse a lo largo de la molécula en
orbitales extendidos (enlaces π), y saltar de molécula a
molécula a traves de mecanismos cuánticos.
Tienen portadores de carga negativos, equivalentes a los
electrones, (electrones π*) y portadores positivos,
equivalentes a los huecos, (electrones π no pareados), y sus
energías se ordenan en bandas similares a los
semiconductores: banda de conducción (LUMO, Lowest
Unoccupied Molecular Orbital ), banda de valencia
(HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) y banda
prohibida. También se pueden dopar para tener exceso de
electrones (dopado N) o de huecos (dopado P).
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Los OLEDs se realizan con dos tipos de semiconductores orgánicos: las moléculas pequeñas
(SM-OLED, Small Molecules) y los polímeros electroluminiscentes, que son cadenas largas.
Los SM-OLED son cristales de moléculas pequeñas orgánicas electroluminiscentes que
contienen orbitales π deslocalizados. Por ejemplo triarilamina TPD, Alq3, NPB, NPD, ...
Presentan alta eficiencia y estabilidad. Su realización implica evaporación térmica en el vacío,
lo que las limita a pantallas pequeñas. Se realizan estructuras multicapa bien definidas.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Los polímeros electroluminiscentes PLEDs (PolymerLED) como el polifenilenovinileno (R-PPV), polifluoreno
(PF), polianilina (PANI:PSS),... Son cadenas orgánicas
largas cuyos orbitales más externos son extendidos a toda
la molécula y presentan bandas de energía.
Su tecnología se realiza a través de disoluciones que es
muy adecuada para pantallas grandes. Previsiblemente
será de muy bajo coste permitiendo el uso de una técnica
derivada de los inyectores de tinta de las impresoras.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Estructura básica
Aunque hay diversas realizaciones, la estructura más utilizada en las pantallas actuales por
tener mayor eficiencia lumínica es la mostrada en la figura: Una estructura de 4 capas entre
dos sustratos. Las capas activas son un electrodo transparente superior (cátodo), una capa de
polímero emisiva, una capa de polímero conductiva, y un electrodo posterior (ánodo). Con
un espesor total de 0,55 µm.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Principio de funcionamiento
La emisión de luz se produce en la capa emisiva de
polímero por una transición de un electrón desde un nivel
alto (nivel LUMO) a un nivel bajo (nivel HOMO).
El cátodo está realizado con un metal que tiene una
función trabajo pequeña, como el bario y el calcio , y que
es capaz de inyectar electrones en el nivel LUMO de la
capa emisiva.
El ánodo está realizado con un metal transparente como el
ITO que tiene una función trabajo elevada y que inyecta
“huecos” a la capa conductiva.
Las capas emisiva y conductiva están
formadas por polímeros orgánicos
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Tema 7: Pantallas electrónicas
La estructura de un OLED basado en Moléculas Pequeñas es ligeramente diferente de la
basada en polímeros. En la figura se muestran ambas estructuras.
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Matrices pasivas en pantallas OLED (PMOLED)
Una forma de activar los diodos orgánicos de las pantallas OLED es mediante matrices
pasivas: se activan los cátodos de una línea aplicando la correspondiente tensión, y las
tensiones aplicadas a los ánodos de los diodos provocaran una determinada corriente en cada
diodo que emitirá más o menos luz.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Matrices activas en pantallas OLED (AMOLED)
Las matrices activas permiten polarizar cada pixel
individualmente de forma parecida a como se hace en las
matrices activas de las pantallas TFT-LCD.
En la figura superior se muestra el circuito de activación de
un OLED. Cuando se activa la línea “select” se conmuta a
ON el transistor T2. A través de este transistor se pasa la
tensión presente en “dataline” al condensador de puerta del
transistor T1, y esta tensión permanece en este condensador
despues que T2 conmute a OFF. La tensión en la puerta de
T1 fija la corriente de drenador de este transistor, que es la
que activa al OLED.
Estos transistores son TFT (Thin Film Transistors)
depositados sobre un sustrato. La principal ventaja de este
método de activación de la pantalla es que evita los altos
picos de corriente de las pantallas de matriz pasiva. Y esto
lleva consigo a un consumo eléctrico menor.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Arquitecturas de pantallas
Pantallas de emisión frontal (Top-emitting OLED): El sustrato es opaco
o reflexivo. Son los habituales para AMOLEDs.
Pantallas transparentes (TOLEDs, Transparent OLEDs): tienen todos
sus electrodos transparentes. Cuando los OLEDs estan OFF la pantalla
es transparente. Cuando ON la imagen sale por las dos caras. Posible
aplicación en pantallas HUD (Heads Up Displays).
Pantallas OLED plegables (FOLEDs, Foldable OLEDs): Los sustratos
son de plástico o de láminas metalicas. Son muy flexibles, ligeras y
duraderas. Podrian tener aplicación en “ropa inteligente”, en teléfonos
móviles, PDA, …que suelen estropearse por rotura de pantalla.
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Pantallas de píxeles apilados (SOLEDs, Staked
OLEDs): Apilan el oled rojo, el verde y el azul
uno encima de otro. Aumenta la resolución de la
pantalla y mejora la calidad del color
OLEDs de heterounión gradual
(Heterojunction Graded OLEDs): realiza una
sola capa orgánica combinando
gradualmente la composición de la capa
HTM (transport holes material), y de la capa
ETM (electron transport material) y
manteniendo constante la composición de la
capa emisiva. Disminuye el coste de
fabricación y mejora la eficiencia.
OLEDs blancos (White OLEDs): son OLEDS que emiten
luz blanca más brillante, más uniforme y más eficiente que
la emitida por los tubos fluorescentes. Podrian reemplazar
en el futuro a la iluminación con fluorescentes.
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Ventajas de las pantallas OLED
Pantallas más delgadas y flexibles que las LCD y las de plasma
Mayor brillo y contraste, debido en parte a que los OLED emiten luz
Menor consumo. No tienen necesidad de una iluminación posterior permanente. Los
píxeles negros no consumen energía ya que los oled estan apagados.
Mejor visión en ambientes iluminados por ser emisores de luz, y mejor ángulo de
visión.
Nuevas posibilidades al poder ser las pantallas flexibles.
Prometen bajos costes de producción cuando la tecnología madure,
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Inconvenientes pantallas OLED
Tiempos de vida cortos de las capas azules (las rojas y verdes no tienen este problema.
Aunque se anuncian mejoras, actualmente las capas azules duran unas 14.000 horas,
mucho menos que las 60.000 de los LCD .
Degradación con el agua de los materiales orgánicos.
El coste actual es muy elevado, debido a que aun estan casi en fase de investigación.
Mal balance de color debido a la más rápida degradación de la capa azul que las capas
roja y verde.
Sensibilidad a la radiación ultravioleta que degrada los materiales orgánicos.
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7.6.- PROYECTORES DE VIDEO
Un proyector de video es un proyector de imagen que recibe
una señal de video y proyecta la correspondiente imagen en
una pantalla usando un sistema de lentes. Se utilizan en
muchas aplicaciones como presentaciones en conferencias, en
educación, en “home theater”, y en conciertos.
Los principales parámetros de un proyector son su resolución
[SVGA: 800x600, XGA: 1024x768, 720p: 1280x720, o
1080p: 1920x1080 píxels] y la potencia luminosa de salida
requerida (puede variar entre 1500 y 4000 lúmenes
dependiendo del tamaño de la pantalla y de las condiciones de
iluminación de la sala).
Las principales tecnologías utilizadas son: el tubo de rayos
catódicos (en el pasado), proyectores LCD, proyectores DLP,
y proyectores Cristal Líquido sobre silicio (LCoS).
Actualmente está emergiendo la tecnología de “picoproyectores” para dispositivos portátiles.
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PROYECTORES LCD
En la figura se muestra el esquema de un proyector de video LCD. Consiste en una lámpara de
mercurio de alta presión que genera una luz blanca muy intensa. Esta luz es enviada a un espejo
dicroico que permite la transmisión de la radiación roja y refleja las otras longitudes de onda. La
luz reflejada se envía a un segundo espejo dicroico que transmite la luz azul y refleja el resto, del
que se obtiene la luz verde. A través de espejos se envía cada una de estas componentes
luminosas a un núcleo central a través de una pantalla LCD específica para cada color que
genera los píxeles rojos, verdes y azules de la imagen global. Estas imágenes se recombinan en
un prisma que está en el núcleo el cual envía la imagen a la pantalla a través de una lente de
projección.
Este proyector fue inventado
por Gene Dolgoff (patente en
1987).
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PROYECTORES DLP (Digital Light Processing)
Los proyectores DLP se basan en un chip MEMS
(Micro Electro Mechanical System) denominado
DMD (Digital Micromirror Device) formado por
tantos microespejos como píxeles tiene la imagen en
la pantalla (puede superar el millón).
Cada espejo tiene dos posiciones: ON y OFF
dependiendo de su inclinación que es controlada por
la tensión aplicada a cada espejo. En la posición ON
transmite el pixel a la pantalla reflejando la luz que
incide sobre el, y en la posición OFF bloquea su
transmisión.
Una luz blanca es generada por una
lámpara y la envia al DMD a través
de una “rueda de color” que gira a
gran velocidad y que contiene los tres
colores primarios: rojo, verde y azul.
Su salida se envia al DMD, y se
proyecta su imagen en la pantalla.
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Los espejos pueden conmutar de ON a OFF mas de 1000 veces por
segundo. El brillo del píxel se controla mediante la duración de los
tiempos en que está en ON.
Un sistema alternativo a la rueda de color es mediante 3 chips DMD:
mediante espejos dicroicos la luz blanca se separa en los tres primarios
(como en los proyectores LCD) y cada color se envia a un DMD
específico. Sus salidas se recombinan para dar la imagen en la pantalla.
Este proyector fue desarrollado por Larry Hornbeck de Texas Instruments
y esta tecnología es propiedad de esta empresa.
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PROYECTORES LCoS (Liquid Cristall on Silicon)
En las figuras adjuntas se muestra el esquema general
de este sistema de proyección. La luz generada por
una lámpara se divide en tres componentes, roja, azul
y verde, mediante un sistema de espejos dicroicos.
La componente roja se envia a un chip LCoS cuya
salida es la componente de este color de la imagen
final. Lo mismo se hace con las componentes azul y
roja. Finalmente las tres componentes se recombinan
en un prisma que envia a la pantalla a través de un
sistema de lentes la imagen final.
En la figura inferior se muestran los dos
polarizadores (rectángulos blancos) que se requieren
en un sistema de cristal líquido y que son externos al
chip LCoS.
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El chip LCoS funciona en forma reflexiva: cuando el
pixel de cristal líquido deja pasar la luz que incide
sobre él, ésta se refleja en un “espejo” posterior y
vuelve a salir por la superficie frontal. Cuando el
cristal líquido bloquea la transmisión de la luz, no hay
reflexión.
En la figura inferior se muestra la estructura del
LCoS. Nótese que los polarizadores son externos al
chip, y que éste está formado por un electrodo
transparente en la superficie frontal y una capa
reflexiva después del cristal líquido.
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COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTINTAS TECNOLOGÍAS
La fuerte competencia entre las diferentes tecnologías suele hacer obsoletas las ventajas e
inconvenientes que presentaba cada tecnología hace unos años. Cada tecnología ha ido
superando sus limitaciones iniciales. El gran beneficiario de esta superación es el usuario final
del producto.
Algunas características que han caracterizado en el pasado las diferentes tecnologías han sido:
Proyectores LCD: mejor gama de color que la DLP pero peor contraste. Necesidad de filtros de
aire para evitar el efecto del polvo sobre los paneles LCD. Pixelación de la imagen por espacios
de separación entre píxels (efector screendoor).
Proyectores DLP: Mayor contraste y más ligeros que LCD. No requiere filtros de aire por estar
el DMD sellado. Efecto arco iris (rainbow effect) debido a la aparición secuencial de colores en
la pantalla por la rueda de color. Efecto “dithering” debido a que la escala de grises se consigue
regulando el tiempo ON de los espejos que conmutan rápidamente entre ON y OFF.
Proyectores LCoS: no suele presentar efectos de pixelación en la imagen como en los LCD ni
efecto arco iris como en los DLP. Tiene peor contraste que en los DLP. Las lámparas del
sistema LCoS suelen tener una vida menor (1000 – 1500 horas).
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PICO PROYECTORES
El pico proyector (tambien denominado hand held projector) es una tecnología emergente (la
primera demostración pública fue en 2006) para permitir que dispositivos portátiles puedan
proyectar imagenes en una pantalla (o pared). Actualmente se consiguen proyectar imágenes de
hasta 50 pulgadas sobre una pared, aunque presentan una calidad deficiente bajo iluminación
habitual.
El principal reto de esta nueva tecnología es que el proyector debe alimentarse desde la batería
del dispositivo portátil que suele ser de baja capacidad. Por estos, las soluciones que se ensayan
consisten en substituir la lámpara por LEDs o láseres que tienen un bajo consumo de potencia.
Las realizaciones actuales de pico proyectores
se basan en las tres tecnologías de
videoproyectores: LCD, DLP y LCoS, con
LEDs o láseres como fuente de iluminación, y
con rueda de color o tres dispositivos.
También está en fase experimental un sistema
basado en láser que genera la imagen punto a
punto como ocurría en los antiguos tubos de
rayos catódicos.
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