Wyświetlacze, monitory, ekrany itp.

Wyświetlacze, monitory, ekrany itp. dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2 Pytania podstawowe 1) Po co robi się wyświetlacze? 2) Jakiego typu wyświetlacze są wytwarzane? 3) Jakie są prognozy rozwoju? 3 Trochę historii * Neony * Lampy katodowe (CRT) * Wyświetlacze lampowe * Diodowe * Ciekłokrystaliczne (czarno-białe i kolorowe) * Plazmowe * Organiczne 1

4 Neony 5 Neony Neon nazwa lamp wyładowczych, opracowanych w 1910 roku (Georges Claude), w zastosowaniu do reklam zewnętrznych. Georges Claude 1870-1960 6 Neony Kolory świecenia neonu zależą od: * składu gazu wewnątrz rury, * koloru szkła (barwionego w masie lub malowanego), * zastosowania odpowiedniego luminoforu. Luminofor stosuje się w rurkach wypełnionych mieszanką neonu, argonu i rtęci. Taka mieszanina gazów zjonizowana wysokim napięciem emituje promieniowanie UV, które wywołuje świecenie luminoforu w wąskim zakresie pasma widzialnego, co obserwowane jest jako światło barwne. Luminofory można łączyć i mieszać, są też luminofory świecące na biało. 2

7 Neony Współcześnie stosuje się niemal wyłącznie: neon, argon oraz ciekłą rtęć. Inne kolory uzyskuje się stosując barwne luminofory: * neon: pomarańczowo-czerwony (z rtęcią w żółtozielonej rurze: zielony), * argon: fioletowy (z dodatkiem rtęci świeci bardziej intensywnie na niebiesko), * hel: biało-różowawy, * hel w żółtej rurze: żółty * krypton: biały * ksenon: niebiesko-fioletowy Prócz gazów szlachetnych stosuje się również: * azot: żółto-różowy * dwutlenek węgla: błękitno-biały 8 NEONY 9 Lampy katodowe CRT (Catode Ray Tube) 3

Lampy katodowe CRT 10 * Elementem wykonawczym (zamieniającym sygnał w obraz) wyświetlacza CRT jest kineskop, czyli próżniowa bańka szklana z działem elektronowym i płaską powierzchnią ekranu. * Wysyłane przez działo elektrony pobudzają do świecenia kolorowe plamki na ekranie, tworząc obraz. * Głównym elementem monitora jest działo emitujące strumień elektronów. Strumień ten uderza w ekran. Działo uwalnia elektrony z katody dzięki termoemisji dlatego właśnie monitor nie jest gotowy do pracy zaraz po włączeniu i musi się nagrzać. * Kolorowy kineskop zawiera trzy działa i każde z nich wysyła swój strumień elektronów. Lampy katodowe CRT 11 Lampy katodowe CRT 12 4

13 Lampy katodowe CRT 14 Wyświetlacze lampowe digitrony 15 Wyświetlacze lampowe Lampa cyfrowa, digitron, wyświetlacz/lampa NIXIE, cyfrowa lampa jarzeniowa szklana lampa elektronowa wypełniona neonem i argonem pod małym ciśnieniem, zawierająca jedną wspólną anodę i wiele katod, które mogą być oddzielnie sterowane. Katody wykonane z cienkiego drutu ustawione są jedna za drugą w sposób widoczny z zewnątrz. Mają one kształt wyświetlanych znaków: najczęściej cyfr 0-9, kropki lub przecinka dziesiętnego, znaków + i -. W razie potrzeby możliwe jest wyświetlanie innych symboli alfanumerycznych np. V, A, %, Hz, μ, p, F itp. 5

16 Wyświetlacze lampowe 17 Wyświetlacze diodowe 18 Wyświetlacze diodowe 6

19 Wyświetlacze plazmowe PDP (Plasma Display Panel) 20 Wyświetlacze plazmowe * Plazma czwarty stan materii. * Występuje np. w łuku wyładowania elektrycznego w gazie (tu: mieszanina głównie neonu i ksenonu). * Każdemu wyładowaniu elektrycznemu towarzyszy silna emisja promieniowania ultrafioletowego i to promieniowanie pobudza końcową, użyteczną luminescencję z odpowiednich luminoforów koloru R, G i B. 21 Wyświetlacze plazmowe 150 Advanced High-Definition Plasma Display firmy Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.'s 7

22 Wyświetlacze plazmowe Bardzo istotnym problemem jest zabezpieczenie luminoforów przed degradacją (zniszczeniem) silnym bombardowaniem ciężkimi jonami plazmy. Konieczne jest rozdzielenie plazmy od warstwy luminescencyjnej, czyli oddzielenie obszaru plazmy od obszaru luminoforów w każdym pikselu ekranu PDP. 23 Wyświetlacze plazmowe Pierwsze wyświetlacze plazmowe zademonstrowano w roku 1964 (Donald L. Bitzer, H. Gene Slottow oraz Robert Willson Uniwersytet Urbana- Champaign w Illinois, USA). Lata `70 XX w. pomarańczowe, zielone lub żółte wyświetlacze monochromatyczne. Były lepsze niż CRT: ostry obraz i mała częstotliwość odświeżania. W 1991 r. pierwszy kolorowy wyświetlacz (21, Fujitsu). W 1997 r. rozpoczęto sprzedaż telewizorów plazmowych (Pioneer). Wyświetlacze plazmowe 24 Mieszanina gazów jest zamknięta w komorach. Trzy umieszczone obok siebie komory, każda z luminoforem dla innej składowej barwy (R czerwona, G zielona, B niebieska), tworzą jeden piksel zdolny świecić różnymi kolorami, stanowiącymi złożenie trzech składowych (synteza addytywna). 8

25 Wyświetlacze plazmowe * Komory tworzą macierz i są umieszczone między dwiema szklanymi płytami: czołową, przez którą ogląda się obraz i tylną. * Wszystkie ścianki komory, poza ścianką od strony płyty frontowej są wyłożone luminoforem. * Do przeciwległych ścianek, frontowej i tylnej, są przymocowane elektrody. * Przyłożenie odpowiedniego napięcia elektrycznego do tych elektrod powoduje jonizację gazu w komorze. 26 Wyświetlacze plazmowe 27 Wyświetlacze plazmowe 9

28 Wyświetlacze plazmowe cechy * wysoka jakość odtwarzanego obrazu, zbliżona do CRT * bardzo duży kontrast * bardzo dobre oddanie barw * równomierne podświetlenie * pełny kąt widzenia (typowo 170 bez spadku jasności i czystości obrazu) * płaski ekran * możliwość budowy ekranów dużych rozmiarów (typowe rozmiary: od 37 do 152") 29 Wyświetlacze plazmowe cechy (c.d.) * ekran jest stosunkowo cienki (szczególnie w porównaniu ze swoimi rozmiarami) * najlepsze odwzorowanie czerni (w zakresie głębokości koloru i skali kolorystycznej) spośród wszystkich obecnie technologii płaskich ekranów * mała podatność na zniekształcenia obrazu spowodowane polem magnetycznym 30 Wyświetlacze plazmowe zalety * cienki, łatwy do zamontowania na ścianie * szerszy kąt widzenia niż w LCD, * lepsze oddanie kolorów niż w LCD * lepszy współczynnik kontrastu od LCD * ma większą głębię czerni niż wyświetlacze LCD * deklarowany czas działania dochodzi do 100 000 godzin (2009 rok) * odporniejszy na uszkodzenia mechaniczne od ekranu LCD 10

31 Wyświetlacze plazmowe wady * większa masa niż panele LCD * większe zużycie prądu niż LCD * duże trudności techniczne przy budowie ekranów plazmowych małych rozmiarów (<30") * przy wyświetlaniu obrazu o bardzo dużym kontraście, pojawia się czasami efekt tęczy polegający na zielonych błyskach w czasie szybkiego przełączania z bieli do czerni 32 Wyświetlacze plazmowe wady * migotanie obrazu, widoczne szczególnie podczas wyświetlania jasnych scen * nierównomierne wypalanie luminoforu, zwłaszcza przy wyświetlaniu statycznego obrazu: # aby uniknąć efektu nierównomiernego wypalania wyświetla się na ekranie śnieg lub specjalnie spreparowany obraz przez kilka sekund na godzinę, # wiele telewizorów plazmowych ma specjalną funkcję (np. orbitowanie, w której obraz jest okresowo nieznacznie przesuwany), by ten problem zminimalizować 33 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD 11

34 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD W 1888 roku austriacki botanik Friedrich Rheinitzer odkrył substancję o właściwościach ni to cieczy, ni to ciała stałego, którą nazwano ciekłym kryształem (Otto Lehman fizyk niemiecki). Ciekłe kryształy to substancje prawie przezroczyste, mogące przyjmować stan zarówno stały, jak i ciekły. Cząsteczki substancji ciekłokrystalicznych mają wydłużony kształt. Ich rozmieszczenie przestrzenne jest kryterium podziału ciekłych kryształów na trzy zasadnicze typy: nematyczny, smektyczny, cholesteryczny. 35 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD * Jeśli promień światła, przechodzi przez specjalny filtr polaryzacyjny, to ulega uporządkowaniu w ściśle określonej płaszczyźnie, np. w pionie lub poziomie. * Spolaryzowane światło, trafiając następnie na drugi filtr, jest albo wytłumiane (gdy osie polaryzacji obu filtrów są skrzyżowane), albo przechodzi przez niego bez przeszkód (obie płaszczyzny polaryzacji są ustawione równolegle względem siebie). * W latach 60 XX wieku roku odkryto, że pobudzenie napięciem elektrycznym ciekłych kryształów zmienia ich położenie, a co za tym idzie, sposób przenikania przez nie światła. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD działanie Substancja ciekłokrystaliczna jest przełącznikiem zmieniającym polaryzację padającego na nią światła. 36 Przełącznik ma za zadanie odpowiednio przekształcić (skręcić) początkową płaszczyznę polaryzacji światła (lub pozostawić ją bez zmian), zanim dotrze ono do drugiego filtra, tak aby na wyjściu monitora LCD można było obserwować świecące z różną intensywnością punkty (piksele). 12

37 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD 38 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD 39 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD 13

40 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD Podział wyświetlaczy LCD Ze względu na tryb pracy : - transmisyjne, - odbiciowe, - transreflektywne. W zależności od źródła światła : - aktywne, - pasywne lub bierne. 41 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD Wyświetlacze transmisyjne są oświetlane z jednej strony, a powstające na nich obrazy ogląda się od drugiej strony. Stąd aktywne piksele są w takich wyświetlaczach zawsze ciemne, a nieaktywne jasne Wyświetlacze transmisyjne są zwykle stosowane razem z aktywnymi matrycami. Wyświetlacze tego typu są stosowane w wypadku gdy potrzebna jest duża intensywność obrazu, np. w projektorach multimedialnych. 42 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD Wyświetlacze odbiciowe, mają wbudowane na dnie lustro, które odbija dochodzące do powierzchni wyświetlacza światło. Tego rodzaju wyświetlacze mogą pracować wyłącznie w trybie biernym i mają zwykle niezbyt dużą intensywność generowanego obrazu, jednak jest to rekompensowane bardzo małym poborem mocy. Są one najczęściej stosowane w kalkulatorach i zegarkach. 14

43 Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD Wyświetlacze mieszane transreflektywne, które potrafią działać w obu trybach. Tryb odbiciowy jest stosowany, gdy wyświetlacz pracuje przy niedoborze mocy (np. w laptopie pracującym na własnej, prawie wyczerpanej baterii), a tryb transmisyjny, gdy mocy jest odpowiednio dużo. Sterowanie LCD 44 Matryce aktywne zbudowane są z tranzystorów cienkowarstwowych TFT (thin film transistor), które gromadzą i przechowują ładunki elektryczne, zapobiegając ich rozlewaniu na inne piksele. Tranzystor przekazuje odpowiednie napięcie tylko do jednego kryształu, co zmniejsza smużenie i rozmycie obrazu. Sterowanie LCD Wyświetlacze z matrycą bierną bazują na zewnętrznym źródle światła. 45 Wadami wyświetlaczy z matrycą pasywną są : - mała intensywność generowanego obrazu, - brak możliwości pracy w ciemności, - w wypadku wyświetlaczy kolorowych silna zależność wyświetlanych kolorów od barwy zewnętrznego światła, - długi czas odświeżania obrazu, - ograniczona możliwość uzyskania na wyświetlaczu palety barw. 15

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD podsumowanie * Panele LCD stosunkowo tania technologia produkcji. * Lekkie i doskonale sprawdzają się przy wyświetlaniu obrazów nieruchomych (długi czas wygaszania podświetlonego piksela). * Gorszy jest też kontrast obrazu, zawężony kąt dobrej widoczności obrazu. * Zaleta duża rozdzielczość (np. 40 cali 1920*1080). * Ekrany LCD podświetlane diodami LED nagrzewają się mniej niż podświetlane lampami jarzeniowymi. * Słabo widoczny obraz przy silnym oświetleniu zewnętrznym. 46 47 Wyświetlacze organiczne OLED 48 Wyświetlacze organiczne OLED * Wyświetlacze OLED korzystają z organicznych emiterów promieniowania, które są zbudowane z półprzewodzących związków organicznych. 16

Wyświetlacze organiczne OLED * W maju 2007 r. firma Sony pokazała film przedstawiający elastyczny wyświetlacz OLED: przekątna ekranu 2,5 cala oraz rozdzielczość 120 160 pikseli. * W październiku 2007 r. firma Sony zaprezentowała telewizor wykonany w technologii OLED. Telewizor XEL-1 miał przekątną 11 cali, rozdzielczości 960 540 pikseli, kontrast 1.000.000:1 oraz grubość 3 mm. Odbiornik ważył około 2 kg i miał złącze HDMI. Wyświetlacze organiczne OLED 50 Sony XEL-1 OLED TV 37 telewizor OLED firmy Panasonic 51 Wyświetlacze organiczne OLED OLED części składowe: * podłoże wykonane ze szkła lub folii, * anoda (przezroczysta) usuwa elektrony (czyli: wstrzykuje dziury), gdy prąd płynie przez przyrząd, * warstwa organiczna warstwa polimeru lub cząstek organicznych, * warstwa przewodząca warstwa transportu dziur z anody (może być wykonana np. z polianiliny), * warstwa emisyjna warstwa transportująca elektrony z katody (może być wykonana np. z polifluorenu); tu wytwarzane jest światło, * katoda (przezroczysta lub nie) wstrzykuje elektrony, gdy prąd płynie przez przyrząd. 17

Schemat OLED: 1 katoda ( ), 2 warstwa emisyjna, 3 emisja promieniowania, 4 warstwa przewodząca, 5 anoda (+) Wyświetlacze organiczne OLED 52 Przyłożenie napięcia do OLED w kierunku przewodzenia powoduje przepływ elektronów od katody do anody, zatem katoda podaje elektrony do warstwy emisyjnej, a anoda pobiera elektrony z warstwy przewodzącej, innymi słowy anoda podaje dziury elektronowe do warstwy emisyjnej. Warstwa emisyjna jest więc naładowana ujemnie, warstwa przewodząca ma dużo dziur. Oddziaływanie elektrostatyczne przyciąga elektrony i dziury, które ze sobą rekombinują. Dzieje się to w warstwie emisyjnej, gdyż dziury w półprzewodnikach organicznych są bardziej mobilne niż elektrony (odwrotnie niż w wypadku półprzewodników nieorganicznych, tradycyjnych). 53 Wyświetlacze organiczne OLED Podczas rekombinacji elektron, oddając energię, przechodzi na niższy poziom energetyczny, czemu towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widma widzialnego stąd nazwa: warstwa emisyjna. Jako materiał anody zwykle stosowany jest ITO (Indium Tin Oxide) przezroczysty dla światła i z dużą pracą wyjścia, co ułatwia wstrzykiwanie dziur do warstwy transportu. Metale takie jak glin i wapń są często wykorzystywane do tworzenia katod, ponieważ ich praca wyjścia jest nieduża, co sprzyja wstrzykiwaniu elektronów do warstwy polimerowej. 54 Wyświetlacze organiczne OLED Cztery podstawowe techniki wytwarzania: * metody próżniowe: osadzanie (rozpylanie) lub parowanie procesy drogie i nieefektywne, * OVPD (Organic vapor phase deposition) niskociśnieniowa metoda osadzania w reaktorze z przepływem gazu nośnego transportującego odparowane cząsteczki organiczne; tańsza i bardziej efektywna, * nanoszenie na wirówkach stosunkowo duże obszary, ale problem z jednorodnością grubości, * druk strumieniowy natryskiwanie kolejnych warstw OLED-u na podłożach olbrzymia obniżka kosztów i wzrost efektywności; możliwość wytwarzania bardzo dużych ekranów TV (nawet 80 ) lub bilbordów elektronicznych. 18

55 Wyświetlacze organiczne OLED Schemat procesu wytwarzania przyrządu OLED techniką drukowania strumieniowego Schemat procesu wytwarzania wyświetlacza OLED techniką drukowania strumieniowego z wykorzystaniem dwóch różnych wzorców Wyświetlacze organiczne OLED 56 Architektura pojedynczego piksela stosowanego w wyświetlaczach OLED. Warstwy emitujące światło barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej są nałożone na siebie (w LCD piksele ułożone są koło siebie). 57 Wyświetlacze organiczne OLED Typy wyświetlaczy OLED * Passive-matrix OLED (PMOLED) * Active-matrix OLED (AMOLED) * Polymer LED (PLED) * Transparent OLED (TOLED) * Top-emitting OLED (TEOLED) * Foldable OLED (FOLED) (Flexible OLED) * White OLED (WOLED) 19

58 Zalety wyświetlaczy OLED * organiczne warstwy emitujące są cienkie, lekkie i bardzo elastyczne plus możliwość zastosowania elastycznego podłoża z tworzywa sztucznego (zwijanie ekranu lub naniesienie na tkaninie), * nie wymagają podświetlania same emitują światło: + mniejszy pobór mocy, + brak filtrów polaryzacyjnych, + kontrast 1.000.000:1, + prawdziwa czerń i biel, * łatwe do wytworzenia; mogą być realizowane na dużych powierzchniach, 59 Zalety wyświetlaczy OLED * bardzo duży kąt widzenia (prawie 180 ), * zastosowanie przezroczystego, elastycznego podłoża, umożliwia wyświetlanie obrazu z obu stron, * znacznie krótszy czas reakcji (0,01 ms) w porównaniu z LCD (czas reakcji na poziomie 2-12 milisekund), * prosta budowa, brak podświetlenia oraz mniejsza liczba warstw wyświetlacza szacunkowe koszty masowej produkcji są znacznie mniejsze niż produkcja wyświetlaczy LCD czy paneli plazmowych, * mniejsze zużycie energii i mniejsza liczba elementów ma wpływ na niższy koszt eksploatacji wyświetlaczy OLED. 60 Wady wyświetlaczy OLED * Największym problemem przyrządów OLED jest ograniczona żywotność materiałów organicznych. * W wypadku rozszczelnienia matrycy wyświetlacza, spowodowanego mechanicznym uszkodzeniem, wilgoć może zniszczyć materiał organiczny. * Podobnie jest z promieniowaniem jonizującym, które niszczy strukturę polimeru. * Problemem jest wytwarzanie katod, gdyż typowe metody wytwarzania kontaktów metalicznych (rozpylanie lub parowanie próżniowe) niezbyt się nadają (cząstki wysokoenergetyczne lub temperatura). 20

61 Zalety wyświetlaczy OLED * Większe zużycie energii niż ekranów LCD w czasie wyświetlania białych i jasnych elementów, np. podczas przeglądania stron internetowych lub dokumentów w edytorze tekstu. * Rozwój technologii jest ograniczony patentami posiadanymi przez firmę Eastman Kodak, żądającą nabycia licencji przez inne firmy. 62 Telewizor OLED 55 firmy LG Firma LG zaprezentowała w 2014 r. na targach CES2013 LG 55EA980 pierwszy model zakrzywionego telewizora OLED o przekątnej 55 cali. Miał grubość zaledwie 4,3 mm i ważył 17 kg. O mniejszej wadze zdecydowała m. in. ramka wzmocniona włóknem węglowym. Telewizor ma zapewniać żywe barwy i realistyczną głębię obrazu. Dodatkowo efekt ma wzmocnić wspomniane zakrzywienie w stronę widza, które oddaje doświadczenia z kina IMAX. 63 TV OLED 55 Firma LG zaprezentowała na targach CES 2013 LG 55EA980 pierwszy model zakrzywionego telewizora OLED o przekątnej 55 cali. Miał grubość zaledwie 4,3 mm i waży 17 kg. O mniejszej wadze zdecydowała m. in. ramka wzmocniona włóknem węglowym. Telewizor ma zapewniać żywe barwy i realistyczną głębię obrazu. Dodatkowo efekt ma wzmocnić wspomniane zakrzywienie w stronę widza, które oddaje doświadczenia z kina IMAX. Przedsprzedaż na rodzimym rynku w Korei, ma ruszyć w maju, a cena telewizora ma wynosić ok. 13 500 dolarów. 21

64 Zastosowanie technologii OLED 65 Zastosowanie technologii OLED 66 I tyle na temat wyświetlaczy 22