• Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Óptica - Como funcionam as telas LED

Atualizado: há 6 horas


TV OLED da LG Electronics

Imagem 1


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

Link do Capítulo 1 sobre telas LCD: Clique aqui!

Link do artigo sobre projetores 3LCD: Clique aqui!

Neste artigo será estudado o interior dos displays de LED e as variações dessa tecnologia: o OLED, PMOLED, AMOLED e Super AMOLED.

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

Com isso foi possível diminuir o consumo de energia e aumentar a qualidade de imagem, pois em vez de ter um painel de LED's 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 deixam a desejar, pois pode se notar um tom acinzentado, e isso se deve ao painel de LEDs brancos que iluminam a tela o tempo todo e apenas o cristal líquido que barra a passagem da luz de forma não muito precisa. Com o LED, os pontos da imagem onde há a cor preta 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 Orgânicos.

Com as telas de LED também foi possível reduzir a espessura e a massa dos monitores. Mas não é só isso, pois surgiram também termos diferentes que vamos desvendar nos próximos tópicos deste texto.

O Display OLED (Organic Light-Emitting Diode) foi uma alteração nos LEDs comuns e que acabou por ser útil nas telas de equipamentos eletrônicos do nosso dia-a-dia. Vamos dissertar um pouco sobre a história dos OLEDs.


O efeito da eletroluminescência (EL) em materiais orgânicos foi primeiramente relatado na década de 1950. Já em meados de 1960, foi registrada por pesquisadores da Dow Chemical a primeira patente envolvendo dispositivos elétricos utilizando materiais orgânicos semicondutores, e em ambos os relatos a EL foi obtida em altas tensões e corrente alternada (CA). Em 1962, Pope e outros pesquisadores relataram o efeito novamente, porém, agora em corrente continua (DC) e a tensão necessária para se obter essa emissão de luz ficava por volta de 400 V.

Devido à necessidade de aplicação de elevadas tensões e à baixa eficiência quântica, esse tipo de material acabou não despertando maiores interesses naquela época. Apenas 8 anos mais tarde, em 1969, surgiu um avanço mais significativo nessa área, quando foi demonstrado a utilização de um catodo que facilitava a injeção de elétrons dentro da camada constituída pelo material eletroluminescente, aumentando assim, significativamente, a eficiência dos dispositivos.

Somente em 1975, quando Partridge apresentou a construção do primeiro dispositivo orgânico eletroluminescente baseado em polímeros, utilizando como camada EL o poli(vinil carbazol) (abreviado PVK) e como catodo um metal alcalino, foram obtidos dispositivos poliméricos emissores de luz (PLEDs) operando em tensões mais baixas, tornando assim essa nova classe de materiais um pouco mais atrativa para a pesquisa e para a indústria.

Outro relato importante ocorreu em 1977, quando Shirakawa e outros pesquisadores apresentaram trabalhos utilizando poliacetileno dopado quimicamente com Iodo, produzindo um filme com a aparência de uma folha metálica dourada, cuja condutividade elétrica era significativamente aumentada (cerca de doze vezes) chegando a valores superiores a 103 S cm-¹.

É possível notar, então, já nessa época, duas direções bem definidas nas pesquisas de PLEDs, uma voltada para a construção dos dispositivos propriamente ditos, com estudos dos eletrodos utilizados, e outra voltada ao desenvolvimento de polímeros para utilização como material emissor EL.

No final da década de 1980 e início da década de 1990 foi onde surgiram os maiores avanços na tecnologia de PLEDs, com a publicação dos trabalhos de Tang e Van Slyke, apresentando dispositivos multicamadas contendo um anodo, um óxido transparente condutivo (TCO) de Estanho e Indio (popularmente conhecido como ITO) depositado sobre o substrato de vidro, e um catodo, feito a base de uma liga metálica de Magnésio.

Burroughes e outros pesquisadores, em 1990, e Heeger, em 1991, reportaram a fabricação de um PLED com apenas uma camada de material EL, utilizando para isso o polímero conjugado poli(p-fenilenovinileno), abreviado PPV, e o poli[2-metoxi-5-(2-etilhexiloxi)-1,4-fenilenovinileno)], abreviado MEH-PPV.

Ainda na década de 90, uma série de novos polímeros conjugados foi sintetizada, visando, exclusivamente à fabricação de LEDs, sendo eles pertencentes às classes dos politiofenos e polifenilenos, e dentre os mais pesquisados em 2013, figuram os polifluorenos. Entretanto, um dos principais problemas encontrados nessa década, e que ainda persistem até os dias de hoje é sintetizar polímeros com bons rendimentos e, principalmente, com elevado grau de pureza.

Visando justamente esse ponto, pesquisadores da Dow Chemical passaram a utilizar e modificar uma rota sintética amplamente conhecida como reação de Suzuki. Essas modificações tornaram possível a síntese de polímeros, sendo principalmente os derivados de fluorenos, com altas massas molares, baixo grau de polidispersividade, elevados rendimentos e, principalmente, com significativos aumentos na pureza, tornando mais viável o processo de síntese e, consequentemente, a fabricação de novos PLEDs.


Inicialmente, o display OLED foi apoiado por Samsung e pela Sony e atualmente várias empresas investem nessa tecnologia. As primeiras telas comercias surgiram por volta de 2004, no entanto a tecnologia só veio a ser popular nesta última década, quando os smartphones ganharam o mercado.


CURIOSIDADE: 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 pode ser acessado CLICANDO AQUI! Em alguns displays LCD e em muitos displays 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.


CURIOSIDADE: A LG Electronics não faz muitos ecrãs OLED RGB sem um LED branco. O componente branco ajuda a reduzir o estresse nos OLEDs RGB provocado por altas luminosidades, aumentando assim a longevidade de todo o painel, o tornando também mais eficiente. Na verdade, os OLEDs coloridos, especialmente os azuis, apresentam sérios problemas com isso, pois eles lutam para alcançar picos de alto brilho e acabam por ter vida curta.

Caso veja a nomenclatura "W-OLED" em algum equipamento, não se assuste, "W" é "White" (Branco) e refere-se ao LED branco somado a cada trio de supixels RGB.


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 LED's de Carbono


A estrutura do LED de Carbono utiliza dois eletrodos (ânodo e cátodo) e, entre eles, as camadas de Semicondutor Orgânico. Para saber mas sobre Semicondutores Orgânicos e Inorgânicos, CLIQUE AQUI!

Existem duas classificações para os compostos orgânicos utilizados nestes componentes. Observe a imagem abaixo:

Ano de invenção de cada tipo de OLED: com moléculas ou polímeros

Imagem 2

→ P-OLEDs: São feitos de polímeros. Para saber mais sobre estes materiais, CLIQUE AQUI!;


→ OLEDs ou SM-OLEDs: São feitos de moléculas pequenas, isto é, compostos orgânicos de baixo peso molecular quando comparadas aos polímeros, e que em geral são conjugados com ligações simples “σ” ou duplas “π”.


Veja a imagem da estrutura de um OLED ou P-OLED:

Estrutura do OLED

Diagrama 1


Os displays podem conter várias camadas de emissão e condução para aumentar o brilho e a durabilidade do material. Para saber em detalhes o funcionamento dos LEDs orgânicos, leia o artigo "Óptica - LED: Como funciona".


CURIOSIDADE: Outra coisa que devemos entender é que existe um termo semelhante, denominado “P-OLED” e que se refere aos modelos de telas feitos sobre um substrato de polímero, isto é, um laminado de plástico, tornando a tela flexível e mais maleável em relação aos modelos de telas construídas sobre substratos de vidro. Essas telas com substratos poliméricos serão detalhadas no fim deste texto.


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 ou plástico que envolve a matriz de LED's 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. Em meados de 2011 esse método já podia ser utilizado, porém ainda precisava ser lapidado para ser viável em grandes painéis OLED.


Apesar de todos esses avanços na área de Eletrônica Orgânica, ainda existem alguns fatores que limitam a sua utilização em larga escala, sendo o principal deles o tempo de vida, que com o uso continuo levam, por exemplo, displays PLEDs a diminuição da sua eficiência e a um gradual aumento nas suas tensões de polarização, além dos já conhecidos problemas nos processos de degradação e foto-degradação que ainda não foram completamente entendidos.

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 o diagrama abaixo:

Circuito de alimentação de um pixel

Diagrama 2 - Circuito TFT das telas LCD


O circuito das telas AMOLED podem utilizar a tecnologia a-Sí, IGZO ou LTPS. TFTs IGZO são mais baratas de fabricar e capazes de oferecer densidade de pixels muito maior do que TFTs LTPS. Com IGZO a mobilidade de elétrons é substancialmente maior, o que o torna mais fácil de utilizar para tamanhos menores de ecrã sem perda de desempenho.

Para saber mais sobre o circuito TFT, TFD e sobre as tecnologias a-Sí, LTPS, HTPS e IGZO, leia o artigo sobre telas LCD que foi linkado no início deste texto.


Combinando as melhores partes da tecnologia LTPS e da IGZO, a Apple criou o LTPO (Low-Temperature Polycrystalline Oxide).

O principal benefício do LTPO é reduzir o consumo de energia variando a taxa de atualização. O LTPO foi introduzido com o Apple Watch Série 4, porém apenas no Apple Watch Serie 5 foi visível o benefício do equipamento de oferecer uma experiência de exibição sempre ativa sem matar completamente a vida útil da bateria.

Uma tela LTPO é eficiente pois permite que a taxa de atualização seja alterada dinamicamente sem a necessidade de um controlador adicional entre a GPU e a tela. Se você está interagindo com o aparelho, a taxa de atualização aumenta. Se estiver ocioso, como por exemplo exibindo uma imagem estática, o sistema só precisa atualizar a tela mais ou menos uma vez por segundo, ou seja, a taxa de atualização pode bater incríveis 1 Hz de frequência, consequentemente reduzindo o consumo de energia.

Com o LTPO também é possível que displays de smartphones possam atingir frequências de 120 Hz sem aumentar drasticamente o consumo de bateria, isto pois, de acordo com a demanda de uso do aparelho, a taxa de atualização pode ser retraída para 60 Hz ou até menos, como dito anteriormente.


CURIOSIDADE: Embora o LTPO seja uma tecnologia desenvolvida pela Apple (da qual detém as patentes), a Samsung também trabalha em cima de uma tecnologia de tela semelhante que não exige o pagamento de royalties pra nenhuma rival. A versão da Samsung é conhecida como Óxido Híbrido de Silício Policristalino (HOP).

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 massudo e espesso, enfim, estas características "ruins" fizeram os engenheiros da Samsung bolarem uma maneira de 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 substrato superior (a selagem) da tela AMOLED.

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

A tecnologia QD-OLED (Quantum Dots - Organic Light-Emitting Diode) é um sistema que se baseia em um pixel formado por OLEDs azuis com filtro de cor feito de pontos quânticos verde e vermelho.


Leia o artigo "Óptica: Como funcionam as telas LCD - Parte 1" para saber mais sobre os Pontos Quânticos.


Veja o diagrama abaixo:

Diagrama 3 - Estrutura de um pixel QD-OLED


Perceba que a camada QDCC (Conversão de Cor de Ponto Quântico) possui um cristal verde e um vermelho responsáveis por deixar passar apenas o comprimento de onda da luz verde e vermelha, respectivamente. Um cristal azul é desnecessário, tendo em vista que os OLEDs já emitem a cor azul. Perceba que esta tecnologia é um híbrido entre as QLEDs e as OLEDs.

Este sistema se utiliza de um circuito TFT também.


Com a evolução constante da tecnologia, a Samsung criou a tecnologia QNED, sigla para "Quantum Nanorod Emitting Diode", que em português significa "Diodo Nano Bastão Quântico Emissor de Luz". Continue lendo para conhecer melhor esta tecnologia.


Tecnologia QNED


As QNED da Samsung são feitas utilizando-se da mesma arquitetura mostrada no Diagrama 4, porém os LEDs não são orgânicos, mas sim baseados em materiais como por exemplo o GaN (Nitreto da Gálio). Outra mudança é estrutura dos LED's, que agora são em formato de nano bastões azuis. Com um núcleo único e nanoestrutura tridimensional, os nano bastões acionados pelo circuito TFT podem oferecer relações de aspecto e eficiências quânticas superiores em comparação com outras plataformas disponíveis atualmente. Veja a comparação entre uma matriz de LEDs planos e uma matriz de LEDs nano bastão:

Diagrama 4 - Comparação entre uma matriz planar e uma matriz de nano bastões tridimensionais.


OBSERVAÇÃO: Acima temos a "p-GaN" (Camada de Semicondutor GaN Positivo), "InGaN" (Camada intrínseca de semicondutor GaN) e a "n-GaN" (Camada de semicondutor GaN Negativa).


A fabricante Samsung apresenta o complexo método de produção, que se baseia em criar pixels QNED usando um jato de tinta para pulverizar os nano bastões dispersos em uma solução onde será formada a matriz de pixels. Por sua vez, os pixels são alinhados automaticamente com a ajuda de um campo elétrico.

A Samsung vem estudando a tecnologia QNED desde 2016, com o registro de mais de uma dezena de patentes em questão de apenas um ano, no entanto esta demora no lançamento se deve ao fato dos nano bastões serem um pouco mais difíceis de manipulação, já que são "pintados" dentro do ecrã, e isso acaba exigindo mais cuidado na hora de realizar a passagem do campo elétrico, pois um erro na manipulação poderia fazer com que subpixels entrassem em curto-circuito.

Um dos fatores mencionados pela Samsung é a eliminação do efeito burn-in. Para saber mais sobre este efeito nas telas, leia o artigo sobre o funcionamento dos televisores de Plasma.


OBSERVAÇÃO: A LG Electronics também registrou o nome QNED para uso em seus televisores LCD Mini-LED, porém o funcionamento desta tecnologia é completamente diferente da QNED da Samsung. Leia o artigo "Óptica: Como funcionam as telas LCD - Parte 1" para saber mais sobre o LG QNED Mini-LED.

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

As telas normalmente são feitas com substrato de vidro, o que as tornam 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 obviamente são feitos de materiais orgânicos também, ou seja, cadeias poliméricas.

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:

-> Além de cores mais realistas em relação ao LCD, o OLED proporciona um maior ângulo de visão. 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 o tempo todo;

-> O contraste é altíssimo e o brilho também, se comparado com as TVs 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:

Diferenças na espessura de tV's LCD, OLED e P-OLED

Diagrama 6 - Comparação entre tecnologias


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.


Como é possível notar, as telas AMOLED são bastante utilizadas em smartphones. Hoje em dia quase todos os modelos de smartphones com tela LCD ou OLED possuem a famosa "tela infinita", cantos arredondados e Notch / DewDrop. É interessante saber as diferenças entre a matriz de pixels de uma tela retangular com cantos formando um ângulo de 90° para uma tela retangular com cantos arredondados. Para saber mais sobre, leia o artigo "Óptica - Complemento Sobre Ecrãs e Projetores".


Lembrando que nos desenhos e explicações, foram destacadas apenas as partes principais do display. É válido lembrar que sob 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. A mLED também é algo recente, sendo 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: 01 de Agosto de 2021.

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