DISPLAYS

1. DISPLAYS

2. 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

3. Displays Visione diretta Proiezione CRT Tubi Nixie Flat Panels Emissivi Non emissivi LCD Plasma Display Panels (PDP) Matrice passiva Matrice attiva (TFT) Vacuum Fluorescent Displays (VFD) Elettrolumine-scent (ELD) Field Emission Displays (FED) LED Arrays OLED Arrays

4. 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 l = h c /(E2 - E1)

5. 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

6. Fotoluminescenza trasferimento di energia al materiale per mezzo dell’assorbimento di fotoni esempio di shift di Stokes Eccitazione a l minore (energia del fotone maggiore) Fotoluminescenza a l maggiore (energia del fotone minore) Esempi di applicazione della fotoluminescenza tubi fluorescenti, displays fluorescenti

7. Catodoluminescenza Quando 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)

8. 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 mm) con uno strato di Al (spessore 0.1 mm) 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)

9. Displays a colori 3 cannoni elettronici - fosfori blu: ZnS : Ag - fosfori verdi: ZnxCd1-xS : Cu - fosfori rossi: Y2O2S : Eu,Tb

10. 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)

11. 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)

12. 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.

13. Generazione delle gradazioni di colore nei PDP 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 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.

14. 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

15. 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"

16. 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"

17. Displays Elettro-luminescenti (ELD) Thin Film Elettro-Luminescent Displays 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)

18. Principio di funzionamento: Applicazione di una tensione a.c. (150-200 V) agli elettrodi Eccitazione dei fosfori Emissione luminosa 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

19. 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)

20. FED a colori Tecnologia ancora in fase di sviluppo Es: sono allo studio microcatodi di diamante Vantaggi dei FED: - grandeangolo di vista (160° sia orizzontalmente che verticalmente) - risposta veloce - ottima riproduzione dei colori (paragonabile ai CRT) - basso consumo Controllo dell'intensità luminosa: mediante PCM (essendo difficile controllare l'intensità del flusso di elettroni verso l'anodo) Applicazioni: - strumenti tascabili e computers portatili con piccoli schermi (fino 10'')

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

22. Organic Light-Emitting Diodes (OLED) 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) organic layer(s) - cathode 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)

23. 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)

24. Twisted Nematic Liquid Crystals (TN) 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 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 fra una lamina all'altra le molecole descrivono una spirale che ruota di 90°

25. Twisted Nematic Liquid Crystals (TN) 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

26. 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 • 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

27. 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)

28. 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)

29. Super Twisted Nematic Liquid Crystals (STN) • Per • contrasto migliore su schermi di grandi dimensioni Viene aumentato l'angolo di "torsione" delle molecole: da 90° a 270°

30. Per ottenere: • contrasto ancora maggiore • miglioramento delle resa cromatica Double Super Twisted Nematic Liquid Crystals (DSTN) 2 celle STN sovrapposte aventi rotazioni contrapposte • Per • migliorare ulteriormente la resa cromatica Triple Super Twisted Nematic Liquid Crystals (TSTN) Sono DSTN a cui sono stati aggiunti 2 sottili strati di pellicola con alta rifrazione

31. 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) • Indirizzamento individuale di ciascun pixel 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 righe x colonne (matrice)

32. Indirizzamento dei displays 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) 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

33. Pannello LCD a matrice passiva

34. 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 sfarfallio • Rimedi: • dual scan LCD • Displays a matrice attiva (AMLCD)

35. 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) Dual Scan LCD Displays 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)

36. LCD a matrice attiva (AMLCD) (TFT displays) Matrice passiva • 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 attiva TFT Il transistormantiene la cella nello stato 1 oppure 0 (digitale) fino a quando non viene fornita una nuova informazione

37. Linea dei dati Segnale di scansione Cristallo Liquido memoria Pixel di AMLCD

38. LCD a matrice attiva (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)

39. 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

40. Grandi schermi TV con LCD

41. Video proiettori Formato da 3 pannelli LCD che lasciano passare, rispettivamente, luce rossa, verde, blu. I 3 colori base vengono successivamente riuniti.