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Cos’è un modulo display OLED, pro e contro degli OLED, schermi PMOLED e AMOLED

Benvenuti all’Università Riverdi. In questa lezione parleremo dei display OLED. I display OLED sono un po’ diversi dai display TFT che vendiamo normalmente e Riverdi non vende display OLED standard. Li vendiamo come moduli personalizzati solo per progetti particolari. Quindi, se avete bisogno di un display OLED per la vostra applicazione, contattateci e sicuramente saremo in grado di trovare una soluzione per voi e di realizzare il display giusto. In ogni caso, poiché condividiamo le conoscenze sui display, oggi abbiamo una lezione universitaria sugli OLED perché è importante capire come funzionano e come usarli e riconoscere questa fantastica tecnologia che esiste e sicuramente in futuro avremo anche display standard basati sulla tecnologia OLED.

Introduzione agli schermi OLED

Nell’immagine qui sopra abbiamo una breve agenda della conferenza. Parleremo delle regole di base, di come vengono costruiti i display OLED e di come si differenziano dai moduli TFT. Poi un po’ di fisica e di regole di applicazione, come utilizzare i display OLED. Parleremo anche degli OLED passivi, vedremo il confronto tra la tecnologia OLED e l’STN, che è un LCD monocromatico, e il VFD, che è il Vacuum Display. Il Vacuum Display è una tecnologia antica, ma sul mercato si possono trovare alcuni display che utilizzano ancora questa tecnologia. Parleremo degli OLED attivi che sono AMOLED e Super AMOLED e infine parleremo delle interfacce per i display OLED.

e riconoscere questa fantastica tecnologia che esiste e sicuramente in futuro avremo anche display standard basati sulla tecnologia OLED.

Che cos’è un display OLED?

OLED è l’abbreviazione di Organic Light Emitting Diode (diodo organico a emissione di luce). È come un LED, ma basato su materiali organici. L’emissione di luce è praticamente la stessa dei LED, solo che i materiali utilizzati sono diversi. Non si tratta di strati a base di silicone, ma di strati a base organica. Come si può vedere, la struttura e la costruzione sono piuttosto semplici; la fisica è quella di qualsiasi diodo LED o laser. Abbiamo la ricombinazione degli elettroni, quindi con la corrente passano agli stati energetici dei livelli superiori e poi passano ai livelli inferiori ed emettono luce. Utilizzando diversi materiali, possiamo generare colori distinti, a differenza di quanto avviene con il TFT.

Come ricorderete dalle nostre sessioni sul TFT, abbiamo detto che il TFT o l’LCD in generale non fanno altro che bloccare la luce della retroilluminazione. Di solito, la retroilluminazione del TFT è bianca. La luce viene bloccata o trasmessa e per ottenere il colore nel TFT è necessario utilizzare filtri colorati. Normalmente, sulla parte superiore dello schermo TFT sono presenti tre filtri di colore, che sono RGB. Per gli schermi OLED il discorso è diverso. Abbiamo un materiale che emette il colore stesso. Quindi, utilizzando materiali diversi, possiamo emettere colori diversi. Se abbiamo un display OLED a colori, che di solito è un display AMOLED, che si può vedere oggi nei telefoni cellulari, nei tablet o anche nei computer portatili o nei televisori, utilizza celle RGB o celle RGBW e poi i colori vengono mescolati. Ricordate che l’OLED emette luce da solo, e non abbiamo alcuna retroilluminazione.

Confronto tra display TFT e display OLED

Nell’immagine qui sopra, si può vedere un semplice confronto tra un display TFT e un display OLED. La prima cosa che si nota sempre è che il display OLED è molto più semplice. Abbiamo meno strati rispetto a un TFT. Come ricorderete dalla lezione sul TFT, è piuttosto complicato. Per prima cosa, abbiamo bisogno di una retroilluminazione, poi di alcuni diffusori, di guide di luce per preparare la luce, di polarizzatori, di un TFT stesso, che è semplificato nell’immagine, e poi di filtri colorati e del polarizzatore superiore. Con gli OLED la costruzione è molto semplice. Per ogni display è necessaria una base come spina dorsale, poi ci sono lo strato di emissione e alcuni strati conduttivi sulla parte superiore e inferiore.

OLED a matrice passiva – PMOLED e OLED a matrice attiva – AMOLED

Un display passivo – PMOLED è molto semplice rispetto a un display monocromatico LCD. Una matrice attiva – L’AMOLED è più simile a un TFT e in più ha dei transistor nelle celle. Ma nella versione semplificata non ci sono transistor, solo semplici strati e non ci sono filtri colorati né retroilluminazione. Quindi, non abbiamo strati posteriori e anteriori, ma solo il centro che emette luce, e questo ci dà un grande vantaggio. Certo, è più semplice, può essere più economico costruire display OLED in serie, ma se non abbiamo una retroilluminazione, cioè se non emettiamo alcuna luce, abbiamo un vero sfondo nero e questo è un enorme vantaggio dei display OLED, dove abbiamo un contrasto in valori molto elevati. I display OLED sono perfetti per ottenere un contrasto elevato. Se non abbiamo luce riflessa o se diminuiamo la luce riflessa, non abbiamo la luce che proviene dalla retroilluminazione, perché non c’è retroilluminazione. Se avete mai visto un display OLED, soprattutto in un negozio di televisori, potreste vedere televisori OLED, di LG o Samsung o di altre marche, e potreste notare che il contrasto è molto elevato e il nero è nero vero. È persino innaturale vederlo. Le aziende utilizzano filmati dimostrativi speciali in cui c’è il cosmo o qualcosa del genere e il sole al centro dello schermo. Si può notare che lo sfondo è nero, ed è nero vero. È diverso da quello dei display TFT. Se avete un display TFT accanto al display OLED, noterete la differenza. Il contrasto nell’OLED è molto più elevato perché non c’è retroilluminazione e non c’è problema con la luce che attraversa il TFT sempre, un po’ ma sempre, questa è la differenza principale.

Quali sono i vantaggi dei display OLED?

Nell’immagine qui sopra sono illustrati i principali vantaggi dei display OLED. Abbiamo un contrasto eccellente, molto elevato. Come si può vedere, lo sfondo è davvero nero ed è così anche nella realtà, non solo nella foto. Nessuna retroilluminazione, alta luminosità, possiamo ottenere una luminosità piuttosto elevata dei pixel in OLED, abbiamo una riproduzione dei colori fantastica, perché non usiamo filtri colorati, siamo in grado di generare colori molto saturi in un’ampia gamma. In genere, gli OLED hanno la più ampia gamma di colori sul mercato e sono davvero superiori a un tipico TFT.

È possibile ottenere questo risultato anche con un TFT, con speciali filtri colorati o filtri Quantum Dot, ma in generale l’OLED è superiore senza alcuno sforzo particolare. Il vero nero è legato al contrasto. I super angoli di visione sono un altro vantaggio rispetto al TFT. Se abbiamo un tipico display TFT, un display TN, di cui abbiamo parlato nelle lezioni precedenti, abbiamo un’inversione della scala di grigi da un angolo di visione. Poi ci sono i display di tipo IPS o MVA, che consentono di vedere un’immagine da tutti gli angoli di visione, ma l’angolo di visione è di 85 gradi o il migliore è di 89 gradi. Nei display OLED abbiamo 89 gradi senza alcuno sforzo perché è come un diodo LED. Emette luce e si vede esattamente allo stesso modo da tutti gli angoli di osservazione. Gli OLED possono essere molto sottili, perché ci sono solo pochi strati, senza retroilluminazione e senza strati frontali, quindi possono essere molto sottili e molto leggeri. Possiamo costruire display OLED su superfici elastiche che possono essere piegate o curvate, come ad esempio i telefoni cellulari pieghevoli Samsung o alcuni televisori LG curvi. Gli OLED hanno un basso consumo energetico. Se abbiamo un LCD o un TFT, abbiamo bisogno di una retroilluminazione. La retroilluminazione consuma molta energia perché la luce viene consumata da tutti gli strati del TFT: i polarizzatori, i filtri colorati, il diffusore; ovunque perdiamo un po’ di energia dalla retroilluminazione, quindi abbiamo bisogno di molta energia per avere un TFT davvero luminoso. Con gli OLED abbiamo solo una luce diretta dai pixel stessi, quindi il consumo di energia può essere basso e inferiore a quello di un tipico LCD. E abbiamo una temperatura di esercizio molto ampia. Con gli OLED possiamo arrivare a -40. Non ci sono problemi meccanici come nel caso degli LCD, dove all’interno della cella sono presenti cristalli liquidi che a basse temperature possono diventare quasi solidi e non possono più muoversi. In genere per i TFT si parla di -20, -30 gradi, in alcuni casi eccezionali di -40, ma per gli OLED non è un problema lavorare anche a -40 gradi. D’altra parte, con le alte temperature bisogna fare attenzione perché la durata degli OLED diminuisce, quindi è necessario verificare le specifiche o contattare i produttori se si richiedono alte temperature per gli OLED. Se si tratta di brevi periodi, allora va bene, ma se il display OLED deve funzionare costantemente a temperature elevate, come 50, 60 o 80 gradi, allora vale la pena di verificare come influirà sulla durata del display OLED.

Quali sono gli svantaggi dei display OLED?

Vediamo ora alcuni svantaggi. Nell’industria la tecnologia OLED non è molto utilizzata, a parte i prodotti di consumo. Nei telefoni cellulari, nei tablet e nei computer portatili abbiamo già molti casi d’uso. Nelle applicazioni industriali è un mercato ancora in crescita, ma non molto maturo. Alcuni dei problemi sono legati ai brevetti, per questo stiamo ancora aspettando l’adattamento di massa dei display OLED. Il consumo di energia può essere maggiore, soprattutto se abbiamo uno sfondo completamente bianco e dobbiamo alimentare tutti i pixel e il consumo di energia può essere talvolta superiore a quello del TFT. Quindi, gli svantaggi sono pochi e nel nostro caso sono minimi.

Durata dei display OLED

Nell’immagine qui sopra c’è un grafico del nostro partner Winstar di Taiwan. Come si può vedere, hanno misurato la durata di funzionamento del display OLED. In passato, circa 10 anni fa, ci sono stati problemi con i display OLED. I primi display OLED sul mercato avevano una durata di vita molto breve. Si trattava di 10.000 ore, 10.000 ore e il problema era che la loro luminosità diminuiva anche quando non venivano usati, erano solo sullo scaffale. I primi OLED presentavano molti problemi, ma in seguito il processo è stato migliorato, in particolare da Winstar, che ha lavorato molto per estendere la durata dei display OLED.

Qui abbiamo alcuni calcoli e rapporti in cui Winstar ha utilizzato una temperatura più elevata per accelerare il processo e il risultato del calcolo è di circa 100.000 ore, quindi 100.000 ore che è molto lungo. Per i display TFT industriali abbiamo in genere una durata di 50.000 ore. La durata è calcolata fino a quando il display ha una luminosità pari alla metà di quella iniziale. Quando si dice che il display ha una durata di 50.000 ore non significa che sarà morto dopo 50.000 ore, ma che la luminosità media sarà del 50%. Per gli OLED, il problema si presenterà dopo 100.000 ore, un tempo molto lungo, pari a 15 anni di lavoro continuo 24 ore su 24. Se ogni tanto spegniamo il nostro display OLED, che è il caso d’uso normale nella maggior parte delle applicazioni industriali, possiamo aspettarci che il display funzioni anche per 15 anni. Pertanto, la durata di vita con un buon produttore come Winstar non è più un caso.

Applicazioni corrette dei display OLED

Parliamo ora delle applicazioni dei display OLED. Con il TFT abbiamo una retroilluminazione. Se la retroilluminazione diminuisce di luminosità, l’intero display diminuisce di luminosità. Con gli OLED ogni pixel è una retroilluminazione, emette luce. Se abbiamo molti pixel uno accanto all’altro e li utilizziamo, la luminosità diminuisce in base al tempo di utilizzo. Quindi, se un pixel rimane acceso più a lungo del pixel successivo, il primo pixel avrà una luminosità leggermente inferiore dopo un certo tempo. Nell’immagine qui sopra, si possono notare due pixel spostati. Non si vede una grande differenza tra loro, perché sono spostati di lato. L’occhio umano non è in grado di riconoscere molto bene la luminosità. Non siamo in grado di dire quale sia il livello di luminosità di un elemento separato, ma siamo molto bravi a confrontarlo e quando spostiamo i pixel uno accanto all’altro possiamo vedere chiaramente la differenza tra loro. Nel caso dei display OLED, se abbiamo due pixel uno accanto all’altro, potrebbero esserci dei problemi: dopo qualche tempo alcuni di essi avranno una luminosità leggermente inferiore e si potrà notare la differenza.

Viene calcolato e il valore di soglia del contrasto in cui è possibile vedere la differenza tra due pixel vicini è chiamato coefficiente di Weber.

Nell’immagine qui sopra, abbiamo un esempio reale. Se abbiamo un display OLED e normalmente abbiamo un orologio che mostra l’ora, abbiamo le frecce spostate e il cerchio e per la maggior parte del tempo abbiamo questa immagine, dopo alcuni mesi o anni di utilizzo potremmo avere una situazione in cui la luminosità del cerchio diminuisce un po’. Naturalmente, questa immagine è stata preparata appositamente per mostrarla con forza, le frecce avranno una luminosità un po’ più alta, ma comunque un po’ più bassa del normale, lo sfondo che non è stato usato così spesso. Questo è un aspetto che potremmo vedere sui display OLED dopo qualche tempo. Il caso d’uso in questo caso è la commutazione dei colori. Possiamo cambiare lo sfondo in modo negativo, per un’ora abbiamo un orologio come nell’immagine, e per un’altra ora accendiamo lo sfondo e poi spegniamo l’orologio stesso, in modo da cercare di mantenere i pixel in stato ON nello stesso momento. Nella maggior parte dei casi non è molto importante, non c’è bisogno di preoccuparsi, ma se si hanno informazioni sulle 24 ore in qualche punto del display, si potrebbe voler spostare di tanto in tanto e utilizzare l’intero display per tutto il tempo di utilizzo. Un altro modo è quello di implementare un controllore che utilizzi una scala di grigi. Questo è più complicato; dobbiamo calcolare il tempo dei pixel in cui sono stati accesi e aumentare la luminosità in quest’area per mantenere la luminosità del display sempre uguale.

PMOLED – Display OLED a matrice passiva

Nell’immagine qui sopra, abbiamo un esempio reale. Se abbiamo un display OLED e normalmente abbiamo un orologio che mostra l’ora, abbiamo le frecce spostate e il cerchio e per la maggior parte del tempo abbiamo questa immagine, dopo alcuni mesi o anni di utilizzo potremmo avere una situazione in cui la luminosità del cerchio diminuisce un po’. Naturalmente, questa immagine è stata preparata appositamente per mostrarla con forza, le frecce avranno una luminosità un po’ più alta, ma comunque un po’ più bassa del normale, lo sfondo che non è stato usato così spesso.

Questo è un aspetto che potremmo vedere sui display OLED dopo qualche tempo. Il caso d’uso in questo caso è la commutazione dei colori. Possiamo cambiare lo sfondo in modo negativo, per un’ora abbiamo un orologio come nell’immagine, e per un’altra ora accendiamo lo sfondo e poi spegniamo l’orologio stesso, in modo da cercare di mantenere i pixel in stato ON nello stesso momento. Nella maggior parte dei casi non è molto importante, non c’è bisogno di preoccuparsi, ma se si hanno informazioni sulle 24 ore in qualche punto del display, si potrebbe voler spostare di tanto in tanto e utilizzare l’intero display per tutto il tempo di utilizzo. Un altro modo è quello di implementare un controllore che utilizzi una scala di grigi. Questo è più complicato; dobbiamo calcolare il tempo dei pixel in cui sono stati accesi e aumentare la luminosità in quest’area per mantenere la luminosità del display sempre uguale.

Confronto tra display OLED, STN e VFD

Vediamo ora il confronto tra il tipico OLED passivo, il display LCD monocromatico STN e il VFD Vacuum Fluorescent Display, che è una vecchia tecnologia. Come si può vedere nell’immagine qui sopra, la struttura dell’OLED è molto semplice: un solo strato, il vetro di base, e questo è tutto. Nell’STN abbiamo molti strati, abbiamo bisogno della retroilluminazione, abbiamo bisogno dei polarizzatori, abbiamo bisogno di altri strati, quindi è molto più complicato. L’OLED è molto semplice, può essere molto sottile e qui sotto abbiamo una foto di come appare.

OLED vs STN vs VFD

Possiamo vedere OLED, STN e VFD da diverse angolazioni. Il display OLED è il vincitore, ha il miglior contrasto e i migliori angoli di visione, quindi è un display perfetto dal punto di vista ottico. Come si può notare, sul display STN da alcune angolazioni non si riesce nemmeno a vedere l’immagine. La situazione sarà simile se passiamo ai display TFT. Per questo motivo è necessario utilizzare tecnologie come l’IPS per vedere l’immagine da tutti gli angoli di visione. Per l’OLED abbiamo proprio così, senza alcuno sforzo.

AMOLED – Display OLED a matrice attiva

Il tipo di OLED successivo al PMOLED è l’AMOLED. AMOLED significa Active Matrix OLED (OLED a matrice attiva). Allo stesso modo, passando dai display monocromatici STN ai display TFT, fino ai display LCD attivi con gli LCD, aggiungiamo transistor in ogni pixel. Quindi, lo strato di substrato, la spina dorsale del display AMOLED è praticamente la stessa del TFT. Abbiamo transistor che accendono e spengono i pixel, ma non abbiamo cristalli liquidi. Al posto dei cristalli liquidi mettiamo strati organici che emettono luce e accendiamo e spengo i diodi su di essi. La tecnologia è quindi simile a quella dei TFT ed è per questo che l’investimento in utensili e la produzione di un nuovo display sono così costosi, in quanto sono paragonabili a quelli dei TFT.

Nell’immagine qui sopra sono rappresentati alcuni dei primi dispositivi che erano sul mercato oltre 10 o 15 anni fa con i display AMOLED e l’esempio dei moderni OLED elastici. Questo è il futuro e speriamo di vedere in futuro un display completamente pieghevole o arrotolabile.

Che cos’è il display Super AMOLED?

Poi c’è il Super AMOLED. I primi Super AMOLED erano chiamati…

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così, grazie al touch in-cell. Normalmente abbiamo strati OLED che emettono la luce, ma non abbiamo il tocco, dobbiamo aggiungerlo. Nel caso del TFT si tratta di uno strato aggiuntivo, ma con il Super AMOLED possiamo inserire il touch screen nelle celle. Aggiungiamo altri connettori, aggiungiamo gli elettrodi di rilevamento e abbiamo il sensore tattile nel display. Questo è più efficiente dal punto di vista dei costi. Se sappiamo che il nostro display OLED sarà sempre utilizzato con uno schermo tattile, come nel caso dei telefoni cellulari o dei tablet, allora l’aggiunta di questo elemento riduce il costo, basta aggiungere il vetro di copertura e laminarlo.

Cos'è il display Super AMOLED

Interfacce nei display OLED

Ora sappiamo molto su PMOLED, AMOLED e Super AMOLED. Parliamo di interfacce. Abbiamo una lezione separata sulle interfacce dei display che potete trovare qui, ma ora ci concentriamo solo sui display OLED. Per i display OLED a matrice passiva si utilizzano in genere interfacce I2C, SPI o le vecchie interfacce parallele, perché sono lente, sono interfacce generiche e richiedono una memoria nel display stesso. Abbiamo solo inviato semplici informazioni sull’accensione e lo spegnimento dei pixel e talvolta sulla scala di grigi. Se passiamo agli AMOLED, abbiamo bisogno di un video da un display e di tutti i colori, ecc., quindi abbiamo molte informazioni da inviare e le interfacce sono come MIPI, DSI o RGB per alcuni casi d’uso industriali. La maggior parte dei display AMOLED a colori presenti sul mercato sarà dotata di MIPI, che è uno standard per i telefoni cellulari e i tablet o anche per i computer portatili e quindi dobbiamo inviare un nuovo fotogramma 50 o 100 volte al secondo, lo stesso vale per l’interfaccia LVDS.

Interfacce nei display OLED

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