DISPLAYS

Utilizzo dei displays:

- Visualizzazione di numeri (displays a segmenti)

elementi a forma di 8

- Visualizzazione di caratteri (displays a matrice di punti)

elementi disposti su righe e colonne

- Visualizzazione di grafici (displays a matrice di punti)

elementi disposti su righe e colonne

Displays

Visione diretta Proiezione

CRTTubi Nixie

Flat Panels

Emissivi Non emissivi

LCD

Matrice passiva

Matrice attiva (TFT)

Plasma Display Panels (PDP)

Vacuum Fluorescent Displays (VFD)

Elettrolumine-scent (ELD)

Field Emission Displays (FED)LED Arrays

OLED Arrays

LUMINESCENZA

Emissione di radiazione da parte di alcuni materiali (luminescenti) indotta da una fornitura dall’esterno di energia (eccitazione)

Fotoluminescenza: eccitazione mediante fotoni

Catodoluminescenza: eccitazione mediante bombardamento con fascio di elettroni

Elettroluminescenza: eccitazione mediante applicazione di un campo elettrico

Meccanismo fisico della luminescenza

1) eccitazione: transizione fra E1 e E2

2) luminescenza: transizione fra E2 e E1 con emissione di radiazione avente lungh. d’onda

h c /(E2 - E1)

Persistenza della

LUMINESCENZA

Fluorescenza: spengendo l’eccitazione la luminescenza persiste per un tempo pari al tempo di vita della transizione E2-E1

Fosforescenza: la luminescenza persiste per un tempo molto maggiore

Fosfori = materiali che esibiscono fosforescenza

Fotoluminescenza

trasferimento di energia al materiale per mezzo dell’assorbimento di fotoni

esempio di shift di Stokes

Eccitazione a minore (energia del fotone maggiore)

Fotoluminescenza a maggiore (energia del fotone minoreEsempi di applicazione della fotoluminescenza

tubi fluorescenti, displays fluorescenti

CatodoluminescenzaQuando un fascio di elettroni con alta energia (es.>1KeV)

colpisce un solido, una parte di essi penetra nel solido cedendo energia ad altri elettroni

Applicazione schermo dei tubi a raggi catodici (CRT)

Tubo a raggi catodici (CRT)

Gli elettroni sono

- generati per emissione termoionica: riscaldamento di un catodo (ossido di Ba e Sr)

- accelerati e focheggiati su uno schermo da elettrodi a vari potenziali

Griglia controllo: modula l’intensità del fascio

Sistema di deflessione: provoca una scansione dello schermo

Deflessione elettrostatica: placchette di deflessione (oscilloscopi)

Deflessione elettromagnetica: bobine di deflessione (TV)

Schermo: sottile strato di granuli di fosfori (5 m) con uno strato di Al (spessore 0.1 m)

Display TV: 625 righe (Europa), 525 (USA)

Periodo scansione di semiquadri (interallacciati) 1/50 sec

Scansione intero quadro 1/25 sec (Europa), 1/30 sec (USA)

Frequenza di riga: 15625 Hz (Europa)

Displays a colori

3 cannoni elettronici

- fosfori blu: ZnS : Ag

- fosfori verdi: ZnxCd1-xS : Cu

- fosfori rossi: Y2O2S : Eu,Tb

Displays a tubi NIXIE

Tubo a vuoto (catodi - anodo) riempito con gas inerte (Ne) + un po’ di Hg

Anodo: deposito metallico trasparente anteriore

Catodi: a forma di numero, uno per ciascun numero, posti in piani diversi

d.d.p. anodo-catodi: 180 - 200 V dc

il gas vicino al catodo si ionizza e diventa luminescente (colore arancione-rosso)

Origine del nome:

il dispositivo fu etichettato come NIX1 (Numerical Indicator eXperimental n. 1)

(vedi Scientific American, p. 66, June 1973)

Displays al Plasma

PDP (Plasma Display Panels)

Displays alfanumerici: stesso principio dei tubi NIXIE

- sandwich di 2 lastrine di vetro che delimitano uno spessore centrale riempito con Neon (+ Hg)

- anodi trasparenti depositati sulla faccia interna del vetro frontale

- catodi: ciascun simbolo formato da 7 segmenti

Tensiona anodo-catodo = 180-200 V d.c.

il gas si ionizza e diventa luminescente (radiazione visibile monocromatica il cui colore dipende dal tipo di

gas)

PDP (Plasma Display Panels)Displays a matrici di punti: matrice di piccoli tubi fluorescenti

(uno per ciascun pixel) riempiti di gas a bassa pressione (neon, xeno) e rivestiti di fosfori

2 tipi: campo elettrico d.c. oppure a.c.

A causa del campo elettrico applicato, in ciascun pixel si crea un plasma di ioni ed elettroni che collidono con gli atomi di gas

Quando gli atomi di gas decadono dal livello di energia “eccitato” allo stato originario, emetteno radiazione UV

La radiazione UV eccita i fosfori depositati sul tubo (fosfori dello stesso tipo di quelli dei CRT).

Il campo elettrico è tenuto leggermente al di sotto della soglia di scarica in modo tale da avere on/off aggiungendo (o no) una relativamente bassa tensione all’elettrodo di address.

Nei CRT ciò avviene mediante modulazione dell’intensità di ciascuno dei 3 fasci elettronici;

Nei PDP ciò avviene applicando un campo modulato ad impulsi all’elettrodo di addressing

Poichè la risposta dell’occhio è lenta, l’intensità viene integrata

Modulando la larghezza degli impulsi si possono ottenere 256 (28) combinazioni di colore per ogni subpixel.

Poichè ogni pixel è formato da 3 subpixel, si ha la possibilità di ottenere 256x256x256 = 16.777.216 colori.

PDP a colori: come nei CRT, ciascun pixel è formato da 3 subpixels, ciascuno con un diverso fosforo (rosso, verde o blu).

Ogni subpixel deve essere controllato separatamente (in intensità) in modo da ottenere combinazioni diverse dei 3 colori fondamentali

Generazione delle gradazioni di colore nei PDP

Vacuum Fluorescent Displays (VFD)

Piccoli tubi a vuoto concettualmente simili a triodi

3 elettrodi: - Catodo (filamento)

- Anodo (fosforo)

- Griglia di controllo

• Catodo: filo di tungsteno rivestito di ossidi

• Griglia: maschera di sottili fili metallici

• Anodi: segmenti (punti, simboli, ecc.) conduttori sui quali sono depositati fosfori

Principio di funzionamento:

Tensione positiva applicata a griglia e anodo (tip. 10-200V) : gli elettroni emessi dal catodo sono accelerati

Gli elettroni accelerati eccitano, mediante collisione, i fosfori dell’anodo che emettono radiazione luminosa

L’intensità luminosa può essere regolata mediante regolazione della tensione applicata alla griglia

Se la tensione applicata alla griglia (o anche all’anodo) è negativa, il display è spento

Pilotaggio dei displays VFD

a) Static Drive

- anodi: ciascun segmento è connesso separatamente ad un pin

- griglia: unica (copre tutti i caratteri)

vantaggi: sono sufficienti basse tensioni (10-15 V) per illuminare il display

svantaggi: necessità di un maggior numero di connessioni e di IC di pilotaggio

b) Multiplex drive (dynamic drive)

vantaggi: usato di solito perchè minimizza il numero di connessioni e di drivers

anodi: i segmenti corrispondenti di ciascun carattere sono connessi insieme. Indirizzamento sequenziale dei dati

griglia: ciascun carattere ha la sua griglia. Ciascuna griglia controlla non solo controlla il flusso di elettroni, ma anche la selezione del carattere nel ciclo di multiplexing "time share"

Multiplexing nei VFD

Esempio pratico• Visualizzazione del numero 21

a) visualizzaazione del carattere 1:

time slot T1:

griglia G1 ON ; altre griglie OFF

segmento Pb ON; segmento Pc ON ; altri segm. OFF

b) visualizzaione del carattere 2:

time slot T2:

griglia G2 ON ; altre griglie OFF

segmenti Pa, Pb, Pg, Pe, Pd = ON ; segm. Pc, Pf = OFF

c) griglie G3 - Gn = OFF

La scansione delle griglie viene ripetuta usualmente con una frequenza > 100Hz. (frequenza alta: no flicker, a causa della persistenza dell'immagine dell'occhio umano)

La luminosità è determinata dal tempo di "duty cicle"

Displays Elettro-luminescenti (ELD)

Principio di funzionamento: sottile film di materiale elettroluminescente (fosfori; ZnS, ZnSe, ZnSMn, ecc.) impacchettato tra due lastrine di vetro su cui sono depositati internamente due elettrodi (deposito metallico trasparente)

Thin Film Elettro-Luminescent Displays

Caratteristiche degli ELD:

solo luce monocromatica

I fosfori possono essere mischiati con pigmenti per dare luce monocromatica di colore blu-verde, giallo, arancio, rosso, bianco

Nel caso di luce bianca possono essere utilizzati filtri colorati

Resistenti a shock, vibrazioni, temperatura, umidità

Eccellente visibilità: elevato contrasto, largo angolo di vista

Applicazioni:

displays per

- strumentazione industriale, medica, militare

- retroilluminazione di pannelli LCD (telefoni cellulari, orologi, pannelli per automobili)

non utilizzati in computers e consumer electronics

Eccitazione dei fosfori

Applicazione di una tensione a.c. (150-200 V) agli elettrodi

Emissione luminosa

Principio di funzionamento:

Field Emission Display (FED)

Dispositivi a vuoto con funzionamento simile ai CRT (chiamati anche "flat CRT"):

- emissione ("fredda") di elettroni da parte di un catodo per effetto di un campo applicato

- gli elettroni emessi collidono su un materiale fluorescente depositato sull'anodo

Il catodo è composto da una matrice (migliaia per ogni pixel) di microscopiche punte metalliche o di semiconduttore(es. molibdeno) dalle quali gli elettroni possono essere estratti facilmente mediante una d.d.p. (attualmente anche 12 V)

Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati verso l'anodo mediante opportune griglie (gate addressing)

Vantaggi dei FED:

- grandeangolo di vista (160° sia orizzontalmente che verticalmente)

- risposta veloce

- ottima riproduzione dei colori (paragonabile ai CRT)

- basso consumo

FED a colori

Applicazioni:

- strumenti tascabili e computers portatili con piccoli schermi (fino 10'')

Tecnologia ancora in fase di sviluppo

Es: sono allo studio microcatodi di diamante

Controllo dell'intensità luminosa:

mediante PCM (essendo difficile controllare l'intensità del flusso di elettroni verso l'anodo)

Possibile realizzare grandi pannelli (segnaletica, pannelli per stadi, ecc.). Pixels di 10 mm.

Displays con LEDs

Introdotti sul mercato intorno al 1967

Solitamente emettono luce di colore rosso (GaAsP); attualmente disponibili anche nei colori verde, giallo, blu

Caratteristiche:

- grandeluminosità

- tempi di commutazione brevi (pochi nsec)

Organic Light-Emitting Diodes (OLED)

Il processo di elettroluminescenza da materiali organici è essenzialmente lo stesso di quello dei materiali inorganici (giunzione p-n), con la differenza che l'emissione (ricombinazione elettroni-lacune) avviene fra i livelli di energia delle molecole e non fra i livelli di energia degli atomi.

Per questi livelli si parla di Highest Occupied Molecular Orbital (OMO) (analogo della banda di valenza) e di Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) (equivalente della banda di conduzione)

I materiali organici utilizzati non hanno, praticamente cariche libere; le cariche (elettroni-lacuna) che si ricombinano durante il funzionamento, sono iniettate nel materiale organico dagli elettrodi di contatto (catodo e anodo) quando è applicata ad essi una polarizzazione diretta

- il catodo (iniettore di elettroni), che corrisponde al semiconduttore di tipo n, è costituito da un metallo avente bassa funzione di lavoro

- l'anodo (iniettore di buche), che è l'equivalente del semiconduttre di tipo p, è costituito da un metallo avente alta funzione di lavoro: generalmente un sottile (100 nm) deposito di ITO (ossido di Indio e Stagno)

Un OLED è composto da uno o più strati di materiali organici impacchettati tra 2 elettrodi, uno dei quali è trasparente per la radiazione emessa

anode (ITO)

cathode

+

-organic layer(s)

Cristalli liquidi (LC)

1888 - Scoperta dei Cristalli Liquidi (LC): composti organici con molecole di tipo allungato (bastoncini) scoperti dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer

1968 - Primo LCD sperimentale, realizzato da RCA

PAA (p-Azoxyanisol)

MBBA (m-Butylbenzolo)

tipi di LC: Nematici, Smectici, colesterici

nei LCD usati i Nematici (Twisted Nematici)

Twisted Nematic Liquid Crystals (TN)

fra una lamina all'altra le molecole descrivono una spirale che ruota di 90°

Cristalli Nematici Ruotati (Twisted Nematic: TN):

sandwich di vari strati (tipicamente 7, corrispondenti ad uno spessore di alcuni micron) di LC fra due sottili lamine di vetro con scanalature perpendicolari l'una all'altra

Nei cristalli nematici le molecole normalmente sono disposte con gli assi abbastanza paralleli.

E' possibile allineare le molecole in modo preciso depositando i cristalli su una lamina avente piccole scanalature parallele

Se il cristallo è attraversato da un raggio luminoso, il piano di polarizzazione della luce ruota seguendo l'allineamento delle molecole

Applicando una d.d.p. al cristallo liquido, le molecole si dispongono verticalmente: il piano di polarizzazione della luce non ruota

Twisted Nematic Liquid Crystals (TN)

2) campo elettrico applicato (mediante elettrodi trasparenti)

• si annulla l'effetto di allineamento dei cristalli dovuto alle scanalature sulle lamine i cristalli si orientano tutti nella stessa direzione

• la luce attraversa il cristallo senza subire rotazione non passa dal secondo filtro polarizzatore

Principio di funzionamento di un LCD

1) in assenza di campo elettrico

La luce

• viene polarizzata da un primo filtro polarizzatore

• attraversa il cristallo seguendo l'orientamento delle molecole (rotazione di 90°)

• attraversa i secondo filtro polarizzatore

Funzionamento di un LCD

Displays a luce riflessa (non più usato) : la luce ambiente che attraversa il cristallo è riflessa da uno specchio

Displays a trasmissione: il display è retrollluminato

Varie forme visualizzate:

segmenti, cifre lettere, figure, matrici di punti

(dipende dalla forma degli elettrodi trasparenti)

Displays a colori

• display retrolluminato da luce bianca

• ciascun pixel è formato da 3 sub-pixels con filtri rispettivamente rosso, verde, blu

Caratteristiche:

• I CRT possono funzionare "full screen" con varie risoluzioni (es; 640x480; 1024x768; 1280x1024)

I pannelli LCD funzionano "full screen" per un'unica risoluzione (dipende dal numero di pixels)

es: un pannello 1024x768 può funzionare con risoluzione 640x480 usando solo il 66% dello schermo

Tuttavia, la maggior parte dei pannelli sono capaci di "rescaling" per le immagini a bassa risoluzione (rathiomatic expansion)

In tal caso, per evitare aloni nelle immagini ad alto dettaglio, occorrono sistemi "anti-aliasing" (non tutti i pannelli li hanno)

Viene aumentato l'angolo di "torsione" delle molecole:

da 90° a 270°

Per

• contrasto migliore su schermi di grandi dimensioni

Super Twisted Nematic Liquid Crystals (STN)

Double Super Twisted Nematic Liquid Crystals (DSTN)

2 celle STN sovrapposte aventi rotazioni contrapposte

Per ottenere:

• contrasto ancora maggiore

• miglioramento delle resa cromatica

Triple Super Twisted Nematic Liquid Crystals (TSTN)

Sono DSTN a cui sono stati aggiunti 2 sottili strati di pellicola con alta rifrazione

Per

• migliorare ulteriormente la resa cromatica

Indirizzamento dei displays

Indirizzamento: processo con il qualei i pixels vengono accesi o spenti

Diretto : la tensione viene applicata separatamente ad ogni pixel mediante un proprio circuito di pilotaggio.

Conviene per displays con pochi pixels (es. displays con 7 segmenti)

Multiplex : ciascun elemento e' individuato da una riga e da una colonna; la tensione viene applicata a tutta la riga e a tutta la colonna.

Conviene per displays con molti pixels (matrici)

• Indirizzamento individuale di ciascun pixel

• Indirizzamento righe x colonne (matrice)

Commento:

nelle matrici con molti pixels l'uso dell'indirizzamento mediante multiplex riduce la complessità del circuito (non è necessario un circuito di pilotaggio per ciascun pixel)

Esempio:

Matrice con 10 x 10 pixels

• indirizzamento diretto : necessari 100 circuiti di pilotaggio

• multiplexing : necessari 20 circuiti di pilotaggio (uno per ciascuna riga, uno per ciscuna colonna)

Indirizzamento dei displays

Gli LCD richiedono tensioni di pilotaggio AC con componente continua praticamente nulla.

Infatti un funzionamento prolungato con tensione DC può causare reazioni elettrochimiche con conseguente riduzione del tempo di vita

Le frequenze di pilotaggio tipiche vanno da 30 Hz a 100 Hz

Pannello LCD a matrice passiva

Tipi di matrici

• Displays a matrice passiva (PMLCDs)

In un display a matrice, l'immagine si forma riga per riga

Es:

• Si abilita la prima riga applicando un segnale di ON

• Si applicano i segnali dati (ON o OFF) sequenzialmente sulle colonne

• Si disabilita la prima riga (OFF) e si abilita abilita la seconda (ON)

• Si applicano i segnali dati (ON o OFF) sequenzialmente sulle colonne

• ecc. fino alla scansione dell'intero quadro

Quando la tensione è rimossa da una riga per applicarla alla successiva, i pixels "accesi" della prima riga si comportano come condensatori che si scaricano (le molecole del cristallo liquido tornano lentamente al loro originario orientamento). Ciò significa che, quando vengono tracciate le righe successive, le prime cominciano lentamente a dissolversi

Ciò può provocare, specialmente nei grandi schermi, uno sfarfallioRimedi:

• dual scan LCD

• Displays a matrice attiva (AMLCD)

Dual Scan LCD Displays

Scansione dei displays:

Problema;

Si traccia una riga alla volta.

Tracciata una riga, quando, si passa alla successiva, la prima comincia a dissolversi.

L'immagine tende a sfarfallare (specie per grandi schermi)

Possibile rimedio:

Dual Scan

lo schermo è idealmente diviso in 2 metà

Si esegue una doppia scansione contemporanea nelle 2 metà (2 linee alla volta: una nelle metà superiore, una nelle metà inferiore)

LCD a matrice attiva (AMLCD)

(TFT displays)

Il transistor mantiene la cella nello stato 1 oppure 0 (digitale) fino a quando non viene fornita una nuova informazione

• un circuito sample-and-hold (es. TFT - Thin Film Transistor), che mantiene la tensione durante la scansione dell'intero quadro, viene attaccato a ciascun pixel (o sub-pixel RGB)

Matrice passiva

Matrice attiva

TFT

Cristallo

Liquido

Linea dei dati

Segnale di scansione

memoria

Pixel di AMLCD

Vantaggi rispetto ai LCD a matrice passiva (PMLCD):

• assenza di sfarfallio

• luminosità molto maggiore

• contrasto maggiore (150-200 a 1, invece di 30 a 1)

• angolo di visione maggiore (fino a 45°)

• visualizzazione di immagini veloci (tempo di risposta 50 msec invece di 300 msec)

Svantaggi:

• prezzo (facilità di pixel difettosi tutto il display deve essere scartato)

LCD a matrice attiva (AMLCD)

Difetti nei TFT displays

I transistors devono essere trasparenti per non impedire il passaggio della luce (pellicola trasparente: 1/10 - 1/100 di micron)

Alto numero di pixels

Es. Super VGA 800 x 600 x 3 = 1.440.000 TFT

Quasi impossibile evitare difetti (puntini sempre illuminati o sempre bui)

A seconda del numero di difetti esistono vari standard di qualità

Normalmente, per SVGA, sono accettabili fino a 10-15 difetti con distanza minima fra due di essi di 5 mm

Se il numero di difetti è maggiore di circa 20, oppure se ci sono grappoli di difetti, il display va scartato

Un esame del display si può effettuare con:

sfondo nero

sfondo bianco

sfondo verde

sfondo blu

sfondo rosso

Grandi schermi TV con LCD

Video proiettori

Formato da 3 pannelli LCD che lasciano passare, rispettivamente, luce rossa, verde, blu.

I 3 colori base vengono successivamente riuniti.