Óptica - Como funcionam as telas LED
  • Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Óptica - Como funcionam as telas LED


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Nos dois últimos artigos, foi detalhado o funcionamento das telas LCD e os projetores 3LCD, que estão com link abaixo:

Link do artigo sobre telas LCD: Clique aqui!

Link do artigo sobre projetores 3LCD: Clique aqui!

Hoje vamos desvendar o interior dos displays de LED e estudar as variações dessa tecnologia: o OLED, PMOLED, AMOLED e Super AMOLED.

O Display LED (Light-Emitting Diode), é uma evolução dos displays LCD. Como assim? O backlight e o cristal líquido foram substituídos por uma camada de semicondutores, formando LEDs.

Com isso foi possível diminuir o consumo de energia e aumentar a qualidade de imagem, pois em vez de ter uma painel de LEDs brancos ou lâmpadas CCFL, cristais líquidos e a camada de filtros de cores, temos apenas um LED Vermelho, um verde e um azul para cada pixel. Isso permitiu um controle maior da emissão de luz. No caso de smartphones, a redução de consumo de energia é grande, devido a ausência do backlight.

Em pontos de uma imagem onde a cor é preta, as telas LCD deixavam a desejar, pois podia se notar um tom acinzentado devido ao painel de LEDs brancos que iluminavam a tela o tempo todo e apenas o cristal líquido que barrava a passagem da luz de forma não muito precisa. Com o LED, os pontos da imagem onde há a cor preta, os LEDs RGB são simplesmente desligados, fazendo com que a imagem fique mais realista.

O circuito responsável por controlar os LEDs é o mesmo TFT (Thin Film Transistor - Película Fina de Transistores) presente nas telas LCD. A única modificação é que, em vez de cristais líquidos, os eletrodos controlados pelos transistores ativam os LEDs, que neste caso são feitos de semicondutores.

Com as telas de LED também foi possível reduzir a espessura e o peso dos monitores. Mas não é só isso. Com as telas LED vieram termos diferentes que vamos desvendar nos próximos tópicos! Boa leitura!

O Display OLED (Organic Light-Emitting Diode), foi uma alteração nos LEDs comuns para adiciona-los as telas de TV, uma alteração que também possui seu ponto negativo.

Inicialmente, o display OLED foi apoiado por Samsung e pela Sony e atualmente várias empresas investem nessa tecnologia. A tecnologia foi criada em meados dos anos 1980 e depois de décadas de pesquisa, as primeiras telas comercias surgiram por volta de 2004, mas a tecnologia só veio a ser popular nas últimos 7 anos, quando os smartphones começaram a ganhar o mercado.

O elemento químico Carbono é o provável substituto do silício nos chips do futuro, mas nas telas de monitores ele já substituiu e é insubstituível. O carbono consegue emitir uma luz mais forte e utilizando menos energia, o que possibilitou a redução de consumo dos monitores.

Monitores com LEDs feitos de derivados de carbono podem ser dopados de uma forma a emitirem luzes coloridas, possibilitando construir um LED verde, um vermelho e um azul para cada pixel da tela, ou simplesmente criar três LEDs que emitem luz branca e aplicar um filtro de cor RGB em cada pixel. Logicamente, a segunda opção vai requerer um pouquinho mais de energia para criar a luz branca (que é a mistura de todas as cores do espectro visível) para depois, através dos filtros, separar os comprimentos de onda.

Vale lembrar que, em muitas telas, a organização dos filtros de cores ou LEDs, acontece de forma diferente e, tudo isso é explicado num outro artigo do HC que você pode acessar CLICANDO AQUI! Em alguns displays LCD ou OLED há, em cada pixel, um filtro ou LED extra na cor branca, em outros displays, a cor azul e vermelha predominam em cada pixel.

O único problema é que, o carbono é orgânico e se deteriora mais rápido do que outros materiais, fazendo com que os monitores OLED tivessem a vida útil reduzida. No caso de smartphones, em que a tela tende a ficar ligada por curtos períodos de tempo, não há tantos problemas com a redução da vida útil dos materiais orgânicos.

Os LEDs de Carbono

A estrutura do LED de carbono utiliza dois eletrodos (ânodo e cátodo) e, entre eles, as camadas de material orgânico. São utilizados polímeros ou moléculas de Carbono. Observe a imagem abaixo:

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Veja a imagem da estrutura de um OLED:

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As camadas "Emissive Layer" e "Conductive Layer" são as responsáveis por fazer a emissão de luz. Os displays podem conter várias camadas de emissão e condução para aumentar o brilho e a durabilidade do material.

Para entender melhor o que são polímeros, vou citar um trecho de outro artigo já publicado aqui, no HC:

"Mas qual a composição do polímero? Os polímeros são formados por macromoléculas, estruturas feitas de monômeros. Os monômeros são unidades que se repetem na estrutura do polímero, podendo ser iguais ou diferentes, formando longas cadeias. Os polímeros utilizados em capacitores CPA são sintéticos pois, são feitos de resina de petróleo, carvão mineral ou até mesmo cana-de-açúcar. Esse tipo de polímero pode ser feito sob um processo de poliadição, onde se utiliza unidades de repetição iguais. Estas unidades são colocadas em um reator juntamente com um catalizador que quebra as ligações duplas dos monômeros numa reação em cadeia, e esta reação só termina quando é adicionado um material para encerrar o processo. Outro processo que pode ser utilizado é o de policondensação. Neste processo, monômeros diferentes são adicionados ao reator, onde ocorre a eliminação de moléculas de baixa massa molecular, possibilitando que o restante dos monômeros se unam e formem um polímero específico sem a quebra de duplas ligações. Ao contrário da poliadição, a policondensação é um processo lento e que produz polímeros na faixa de 10.000 g/mol contra 20.000 g/mol da poliadição."

Os materiais orgânicos utilizados não podem ser contaminados com poeira ou umidade, pois os tornam inutilizáveis. Esta sensibilidade dos materiais utilizados torna a camada de vidro superior uma selagem para o display.

Para a produção de displays feitos com materiais derivados do Carbono, se utilizam máscaras FMM (Fine Metal Mask - Máscara de metal fino) num processo de evaporação a vácuo. Este processo é mais complexo, pois exige o dimensionamento das máscaras e muito material é desperdiçado durante a fabricação. Quanto maior o tamanho do display, mais difícil é aplicar as máscaras.

Muitos dos materiais utilizados são solúveis e podem ser depositados na superfície via métodos de impressão utilizando jato de tinta. Esse método estava em estudo na última vez que fiz a pesquisa para criar este artigo.

O Display AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz Orgânico de Matriz Ativa) é apenas uma classificação das telas OLED. É cara de se produzir, mais durável, mais utilizada e usa o mesmo conceito da tela LCD: um circuito TFT (Thin Film Transistor) impresso na camada de vidro inferior (também chamada de substrato) para controlar os subpixels. Uma tensão menor precisa ser utilizada e consequentemente o material orgânico vai sofrer menos. Para relembrar o circuito TFT de um pixel, veja a 'imagem 4', abaixo:

O Display PMOLED (Passive-Matrix Organic Light-Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz Orgânico de Matriz Passiva) é uma classificação de telas OLED. Esta é a menos utilizada, mas ao mesmo tempo é mais barata que a AMOLED.

Displays PMOLED não possuem o capacitor no circuito de alimentação do subpixel, portanto, cada linha de pixels é controlada de forma realmente individual: quando uma linha está sendo alimentada, as outras permanecem desconectadas, pois não há capacitores para armazenarem uma quantidade de energia para manter os pixels ligados até a próxima atualização.

Para amenizar isso, ou seja, evitar que linhas de pixels se apaguem mais rapidamente, os engenheiros optaram por subir o valor de tensão de alimentação dos circuitos para aumentar o brilho e tornar o apagamento dos pixels mais demorado e imperceptível ao olho humano, fazendo com que displays PMOLED sirvam para aparelhos simples de baixa resolução e com tamanhos de no máximo três polegadas. A lógica é: quanto mais linhas de pixels, mais tensão deve ser aplicada.

O aumento de tensão reduziu ainda mais a durabilidade dos compostos de carbono, mas isso não impediu a criação de displays exóticos flexíveis e ou transparentes com a tecnologia PMOLED.

O Display Super AMOLED (Super Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz Orgânico de Matriz Super Ativa) possui as mesmas características do AMOLED comum: os OLEDs e o TFT.

Em telas de smartphones o ângulo de visão é diminuído, a resposta do Touch Screen é demorada, o aparelho é mais pesado e espesso, enfim, estas características "ruins" fizeram os engenheiros da Samsung pensar: Por que não incluir o circuito Touch Screen diretamente na tela AMOLED? E foi assim que surgiu o Super AMOLED.

Com isso, a camada de vidro extra que servia com backplane para a aplicação dos sensores touch foi incluída na camada de vidro superior (a selagem) da tela AMOLED.

Em breve, será feito um artigo explicando o funcionamento do touch screen, aguarde!

As telas QLED (Quantum LED - LED Quântico) são recentes, foram apresentadas a mais ou menos 2 anos pela Samsung. Nestas telas, voltou-se a utilizar backlight e cristal líquido, só que com mais uma camada de cristais construídos em nanoescala feitos de Seleneto de Cádmio. Vou explicar melhor:

1. É um backlight de LEDs azuis, ao invés de LEDs brancos utilizados nas LCD comuns. Este backlight também tem um difusor para espalhar a luz azul uniformemente. Os LEDs podem estar dispostos de várias formas no backlight: na borda interna, ou cobrindo toda a traseira.

2. Há a camada de vidro (o substrato) com as ranhuras horizontais (chamadas de camada polarizadora, assim como nas telas LCD comuns), onde será depositado o filme de nanocristais e o circuito TFT.

3. Nessas telas, há apenas 2 subpixels: um verde e um vermelho, pois a cor azul já é emitida pelos LEDs. Esses dois subpixels são dois nanocristais, dimensionados para deixar passar apenas um determinado comprimento de onda do espectro visível. A luz, ao passar pelos cristais, é modulada com uma temperatura de cor maior, fazendo com que as cores na tela sejam mais "vivas" e realistas.

Abaixo, você vê como são estes cristais utilizados em telas QLED:

Imagem 5

Lembrando que, apenas o verde e vermelho é utilizado, e apesar de utilizarem os nanocristais, as telas QLED não excluem a utilização de filtros RGB comuns. Os nanocristais servem apenas para deixar a cor mais viva e a imagem parecer muito mais realista.

4. Ao passar pelos cristais, a luz azul é modulada, gerando a cor final que então vai passar pela camada de cristal líquido, controlada por um circuito em TFT. O circuito TFT vai controlar o posicionamento dos bastões de cristal líquido, fazendo com que eles bloqueiem ou não a passagem de luz. O TFT e o Cristal líquido funcionam da mesma forma que nas telas LCD comuns.

5. Por cima de tudo isso, é adicionada a camada de vidro (a selagem da tela) com ranhuras verticais (chamadas de camada polarizadora, assim como nas telas LCD comuns). Por cima desta camada de vidro podem ter outros filtros de imagem ultra finos, imperceptíveis e específicos para cada modelo de display, afim de dar um "toque final" na qualidade da imagem.

Veja abaixo, um diagrama de tela QLED fornecido pela Samsung Electronics:

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Mas por que retroceder tanto e lançar uma tela LCD modificada como esta?

Segundo testes de desempenho, as telas "Quantum Dots" possuem uma imagem com cores mais vivas e um brilho muito maior sem deixar a imagem esbranquiçada como nas telas LCD comuns. O contraste também chama atenção, o ângulo de visão é amplo e reflexos na tela não atrapalham a visualização.

Outro ponto positivo é que, o efeito burn-in (quando um ou mais pixels ficam acesos sem trocar de cor por um longo período de tempo e, ao serem apagados ou mudarem de cor, uma mancha aparece) não afeta telas QLED. As únicas coisas que deixam a desejar são:

> O consumo de energia. As QLEDs consomem um pouquinho mais que as OLEDs.

> As cores escuras, mais especificamente, a cor preta que, devido a iluminação traseira ficar sempre ativa, um pouco de luz pode "vazar" e afetar a reprodução, deixando a cor preta e tons escuros levemente acinzentados. Veja uma comparação entre telas OLED e QLED:

Imagem 7 - Diferenças de tons de cor preta no OLED (esquerda) e QLED (direita)

Veja a qualidade da cor de uma TV QLED abaixo:

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Smart TV's QLED são bastante caras (pois ainda não são muito populares no mercado) e estão disponíveis apenas em tamanhos acima de 50''. A tendência é que display's menores sejam produzidos apenas para computadores e as Smart TV's fiquem cada vez maiores e com mais recursos.

Apesar de ter sido apresentada recentemente, a tecnologia de pontos quânticos já vem sendo estudada desde os anos 1990 e, a partir de 2010 já surgiram alguns modelos experimentais e comerciais, mas que não vingaram muito. Somente após a Samsung ajustar a tecnologia que tudo mudou e a QLED pode ter um mercado grande nos próximos anos.

Com o passar dos anos, várias modificações desta tecnologia podem ser criadas e lançadas, da mesma forma que aconteceu com os displays OLED, portanto como é algo novo no mercado, sempre que houver alguma alteração feita por alguma fabricante, tudo vai ser documentado nesta página do Hardware Central.

CURIOSIDADES

Agora, alguns detalhes sobre os materiais utilizados na construção dos pontos quânticos:

O Seleneto de Cadmio é Tóxico, mais difícil de se encontrar na natureza e menos maleável na criação de cristais quânticos. Atualmente é utilizado o Fosfeto de Índio para a criação destes nano componentes.

Os nanocristais podem vibrar num determinado comprimento de onda com a aplicação de uma luz ou também de uma tensão elétrica. Quando eles vibram numa determinada frequência, uma luz é emitida. Como pode ser visto na 'Imagem 5', o comprimento de onda em que um nanocristal vibra depende de seu tamanho, sendo assim, consequentemente a cor emitida também depende do tamanho.

> Quanto maior o diâmetro do nanocristal, menos ela vibra e maior de comprimento de onda. Como exemplo, podemos citar o Vermelho e o Infra Vermelho.

> Quanto menor o diâmetro do nanocristal, mais ele vibra e menor seu comprimento de onda. Como exemplo, podemos citar o Azul e o Violeta.

> Quanto ás partículas de diâmetros intermediários, será produzida uma cor na faixa de frequências do Amarelo e do Verde.

Existe um segundo modelo de display de pontos quânticos, em que não há filtros de cores, pois os próprios nanocristais fazem este papel. Neste caso também não há necessidade de um nanocristal azul, justamente pelo motivo de o Backlight ser feito de LED's Azuis.

Um terceiro modelo de display de pontos quânticos, é o de nanocristais que trabalham com tensão para emitir luz. Estas telas são compostas por um nanocristal Azul, um Verde e um Vermelho, e todos eles recebem uma sequência de códigos similares aos usados para movimentar os bastões de cristais líquido nas telas LCD e ascender os LED's de Carbono nas telas OLED. Este modelo de display quântico não necessita de backlight, pois os próprios nanocristais conseguem emitir luz numa faixa de frequência correspondente aos seus respectivos diâmetros.

Agora, uma breve dissertação sobre as telas Quantum IPS:

A tecnologia IPS, sempre muito destacada nos produtos da LG Electronics, já teve uma variação chamada "Quantum IPS". A alteração estava nos filtros RGB utilizados nas telas LCD que foram substituídos por nanocristais semicondutores iguais aos das TV's QLED. O primeiro a utilizar esta tecnologia foi o smartphone LG G4, lançado por aqui em meados de 2015. Essa foi a aposta da LG para concorrer com o "idolatrado" QLED da rival sul-coreana, a Samsung.

Veja a comparação de um smartphone com tela LCD TFT IPS e o LG G4 com sua tela LCD TFT QIPS:

Imagem 9 - O aparelho de cima é o G4 (com QIPS).

A Sony, em meados de 2013 / 2014 lançou sua linha de TV's Triluminos, que utilizam os "pontos quânticos", ou melhor dizendo, os cristais semicondutores utilizados nas recentes TV's QLED da Samsung. A fabricante Sharp, chama a tecnologia QLED de "Spectros". Resumindo: QLED, Triluminos, Spectros são nomes sinônimos, ou seja, são utilizados para se referir a mesma tecnologia.

Na CES de 2017, LG Electronics e Samsung Electronics "trocaram farpas": a LG apoiando as finas e modernas TV's AMOLED e dizendo que as TVs QLED da Samsung são um retrocesso e conservadoras (pois utilizam backlight e não são tão finas), enquanto a Samsung defendia que as QLEDs são melhores pois as OLEDs tem uma vida reduzida devido aos materiais orgânicos utilizados.

O Display P-OLED (Plastic-Organic Light-Emitting Diode) é uma modificação feita nas telas AMOLED e PMOLED para ficarem dobráveis.

As telas, normalmente são feitas de vidro, são rígidas, ou seja, não é possível dobra-las. Pensando nisso, as fabricantes decidiram utilizar plásticos ao invés de duas camadas de vidro. Desta forma, foi possível aumentar a elasticidade do display, reduzindo a chance de danos num impacto e também criar telas curvas, como por exemplo, as telas de alguns smartphones (normalmente os mais caros) que possuem bordas curvas.

Estes plásticos são feitos de materiais orgânicos também, só que, utilizam cadeias poliméricas maiores do que as cadeias utilizadas nos OLEDs do circuito interno do display.

Nas telas AMOLED ou PMOLED que utilizam a tecnologia P-OLED, tanto a camada inferior (o substrato) quanto a camada superior (a de selagem do display) são feitas a base de plástico.

Por último, devemos mostrar também as vantagens das telas OLED, e não só o seu funcionamento!

> Além de cores mais realistas em relação ao LCD, o OLED proporciona um maior ângulo de visão. Como assim? Se você não estiver exatamente de frente para a TV, você vai continuar enxergando a imagem sem nenhuma distorção de cor. Você pode estar no canto da sala e olhar para a TV que a imagem ficará (quase) idêntica a se você estivesse de frente para o display;

> Como foi dito acima, as cores escuras e sombras ficam mais realistas pois, cada pixel pode ser controlado individualmente, sem a necessidade de uma luz de fundo acesa a todo tempo;

> O contraste é altíssimo e o brilho também, se comparado com as TV's LCD;

> A atualização dos subpixels é muito mais rápida devido a sensibilidade deles, o que torna a exibição de imagem muito mais suave e fluída. Monitores OLED também possuem as mesmas taxas de atualização de monitores LCD (60Hz, 75Hz, 120Hz, 144 Hz ou valores superiores);

> Monitor bem mais fino. Não há backlight, consequentemente o consumo de energia é menor. Observe a imagem abaixo:

Imagem 10

Perceba que, os displays de P-OLED (Plastic OLED) conseguem ser ainda mais finos e até mais resistentes. A tecnologia OLED foi, sem dúvidas, uma grande evolução na tecnologia.

Lembrando que, nos desenhos e explicações, foram destacadas apenas as partes principais do display. É válido lembrar que, sobre o vidro (a camada de selagem da tela) há o polarizador (com ranhuras verticais) e ainda podem ter outros filtros de imagem ultra finos, imperceptíveis e específicos para cada modelo de display, afim de dar um "toque final" na qualidade da imagem.

Essas são as principais evoluções da tecnologia OLED! Outras tecnologias já estão em desenvolvimento ou estão sendo lançadas, como por exemplo, a QLED, que foi descrita de uma forma bem simplificada neste artigo e ainda tem uma longa vida pela frente, e a mLED, que foi apresentada pela Samsung Electronics na CES 2018 e será documentada futuramente aqui, no Hardware Central!

Caso você tenha algum conteúdo relevante para complementar as explicações deste artigo, ou relatar um equívoco, ou uma dúvida, sinta-se a vontade para mandar um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.

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FONTES e CRÉDITOS

Texto: Leonardo Ritter

Imagens: Leonardo Ritter; Tech Tudo; TecMundo; OLEDinfo; Google Imagens.

Fontes: OLEDinfo; TecMundo; TechTudo; AndroidPit; CNET; Oficina Da Net; Mundo Educação; Guia Do Hardware; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!); Burgos Eletrônica (You Tube).

Ultima atualização: 05 de Outubro de 2019.


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