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Dispositivos optoelectrónicos

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



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



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)

SI

7.1.- DEL DISCO DE NIPKOW A LA TELEVISIÓN ELECTRÒNICA



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.

SI



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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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.

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

1927 : El norteamericano Philo Farnsworth propone un sistema totalmente electrònico basado en un “disector” de imágenes.

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Cathode_ray_Tube.PNG



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.

HACIA LA TELEVISIÓN MODERNA

SI

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.



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.

SI

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.



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

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

Y Y CB

Y

Y CR

Y

SI

Bloques de igual Y, CB y CR



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.



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.



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.



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.



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.

. 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.



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.



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).



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.



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.



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.



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.



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.

El cristal líquido



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.



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.



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.



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.



Estructura de una pantalla TFT-LCD

Cada pixel de color está formado por tres sub-píxeles (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).



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.



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.

Variantes de pantallas LCD

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.



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.

Características de las pantallas LCD

Ventajas



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.

Características de las pantallas LCD



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.



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).



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.



Los polímeros electroluminiscentes PLEDs (Polymer-LED) 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.



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.



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



La estructura de un OLED basado en Moléculas Pequeñas es ligeramente diferente de la basada en polímeros. En la figura se muestran ambas estructuras.



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.



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.



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.



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.

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 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.



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,



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.



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 “pico-proyectores” para dispositivos portátiles.



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).



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.



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.



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.



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.



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).



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.

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS Tema 7 ......LA TELEVISIÓN EN COLOR METAMERISMO: Combinando 3...

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