Gli Oled e il futuro dei display

DISPLAY –

Uno degli effetti della crescente mobilità e interconnessione degli utenti è sicuramente la rivoluzione che si è verificata negli ultimi anni nel campo delle tecnologie di visualizzazione.

L'avvento degli smartphone touch sta profondamente condizionando sia la qualità grafica sia il modo in cui gli utenti interagiscono con gli apparati elettronici. La pura visualizzazione, o la riproduzione ad alta risoluzione delle immagini, non bastano più. Dallo schermo di qualsiasi dispositivo elettronico - indipendentemente dal costo, dalla funzione o dalla complessità - l'utente oggi si aspetta una grafica di altissimo livello, un'interazione diretta con i contenuti e una risposta immediata da parte dell'apparato. Queste funzioni, sicuramente, hanno un forte impatto diretto sul display, chiamato a svolgere funzioni non più di mero output ma anche di sofisticato elemento interattivo. Le immense capacità di controllo e di visualizzazione dei contenuti, associate ai display di nuova generazione, stanno favorendo lo sviluppo non solo delle applicazioni classiche - smartphone, monitor, notebook, tablet, TV eccetera - ma anche di una serie di nuove applicazioni, soprattutto nel mondo della segnalazione (o, per dirla in termini correnti, del "signage"), dei videogiochi, dei prodotti personali, dei sistemi industriali, dell'automobile e così via. Giusto per dare un'idea delle potenzialità, secondo DisplaySearch solo nel settore automotive la domanda di display di piccole e medie dimensioni toccherà - entro il 2016 - i 70 milioni di unità. Sulla porta di un banco frigo del supermercato sotto casa o sul distributore di bibite in ufficio, sarà normale trovare un display touchscreen, rigorosamente a colori e ad alta risoluzione, che potrà essere utilizzato contemporaneamente per gestire l'acquisto, per riprodurre messaggi commerciali e per raccogliere informazioni sulle abitudini di acquisto dell'utente. All'ingresso di qualsiasi negozio di nuova generazione è ormai comune trovare dei totem di benvenuto che offrono la possibilità di orientarsi, di stampare il ticket per l'eliminacode, o di documentarsi in anticipo sulle offerte in corso, concludendo magari l'acquisto dell'articolo esposto nel punto vendita, direttamente su internet. Ogni apparato potrà essere dotato di un display e ogni display sarà chiamato ad adattarsi alle funzioni e ai requisiti fisici dell'apparato su cui è ospitato. In molti casi sarà propri il display a decretare il successo di un prodotto, offrendo degli elementi di valore aggiunto che gli permetteranno di distinguersi dalla concorrenza. Al di là dell'aspetto applicativo, un elemento determinante nell'evoluzione delle tecnologie di visualizzazione sono i materiali. Tutti i grandi produttori stanno lavorando per realizzare delle soluzioni che consentano di ottenere schermi con dimensioni tendenti all'aumento, con risoluzioni sempre maggiori e con costi sempre più abbordabili. Sulla base di queste direttrici, si stanno sviluppando nuove tecnologie e nuove categorie di prodotto, per esempio display capaci di adattarsi a qualsiasi profilo superficiale, schermi trasparenti come vetri, o sofisticati monitor touch che andranno a sostituire tasti e pulsanti.

Il backplane

Quando si parla di materiali, spesso si fa riferimento al componente centrale di un display: il backplane responsabile dell'accensione dei pixel. In un display Lcd, il backplane è composto da una matrice di transistor a film sottile. Questi Tft sono normalmente formati su un sottile strato di silicio depositato su un vetro. Il processo più semplice e diretto per depositare il silicio dà origine a uno strato di silicio amorfo, le cui proprietà consentono di dare vita a Tft piuttosto imponenti, ma con pixel di dimensioni considerevoli - non meno di 0.1245 mm di lato (Fig. 0 ).
Si tratta di dimensioni ormai "superate", soprattutto se si considerano gli 0,077 mm di uno standard di riferimento come il display Retina di Apple. Un modo per produrre transistor più piccoli è di realizzare un backplane utilizzando un unico cristallo di silicio, in pratica il classico wafer utilizzato per i componenti microelettronici. Ottenere wafer con le dimensioni necessarie per lo schermo di un televisore di grandi dimensioni è però molto difficile ed è pertanto necessario ricorrere a un compromesso. La soluzione corrente prevede l'impiego di un processo di "ricottura" laser che riscalda e raffredda uno strato di silicio amorfo per ottenere un substrato organizzato su innumerevoli cristalli regolari (silicio policristallino o polysilicon). Anche qui, però, i limiti fisici del materiale consentono di gestire le dimensioni adatte per gli schermi destinati a cellulari, tablet o monitor, ma non quelle per gli schermi Tv. Negli ultimi anni si è affermata una tecnologia che, invece di utilizzare un backplane in silicio, sfrutta un nuovo materiale denominato Igzo, un ossido metallico composto da indio, gallio e zinco in parti uguali. Oltre ad avere proprietà elettriche che cadono tra il silicio amorfo e il silicio policristallino, l'Igzo è compatibile con le tecnologie manifatturiere attualmente in uso per gli Lcd e offre un'efficienza energetica più elevata. Utilizzando un backplane Igzo (o meglio Caac- Igzo - C-axis aligned crystal Indium gallium zinc oxide), Sharp ha realizzato un Lcd da 6,1 pollici, con una risoluzione di 2560 x 1600 (pari a 498 pixel per pollice), contro i 326 pixel per pollice di uno schermo Retina iPhone di Apple, la quale per il suo nuovo iPhone6 dovrebbe adottare proprio la tecnologia Igzo di Sharp.

I Led organici

La tecnologia Igzo ha permesso non solo di aumentare la risoluzione ma anche di sviluppare i prodotti nella direzione delle dimensioni. Grazie a questa tecnologia infatti è possibile dare vita a backplane più grandi, che possono fornire l'energia necessaria per alimentare dei Led di tipo organico, noti anche come Oled. Data la natura monopolare degli strati di materiale organico, i display Oled conducono corrente solo in una direzione, comportandosi quindi in modo analogo a un diodo; di qui il nome di Oled. Il termine "organico" deriva invece dal fatto che il materiale di substrato è una struttura costituita prevalentemente da carbonio. Nata alla fine degli anni 80, la tecnologia Oled ha beneficiato di un forte impulso a partire dal 2008 in seguito alla costituzione di un consorzio tra Sony, Toshiba e Panasonic per la produzione di schermi. Il materiale organico del substrato è di solito un polimero conduttivo elettroluminescente simile alla plastica oppure un materiale organico non polimerico con peso molecolare relativamente basso. Grazie al drogaggio, lo strato organico è in grado di emettere luce sia bianca (utile per produrre sorgenti di illuminazione) sia rossa, verde o blu. Ogni pixel di un display è costituito da 3 sorgenti affiancate o sovrapposte. Quest'ultima configurazione - recentemente proposta dalla società Universal Display Corporation - permette di raggiungere un notevole incremento della risoluzione. Un display Oled è costituito da vari componenti sovrapposti a strati, per uno spessore totale di circa 0,3 µm. Il primo strato è trasparente e ha funzioni protettive. Su di esso viene deposto uno strato trasparente conduttivo, in pratica un anodo. Successivamente vengono aggiunti gli strati organici: uno di base per l'iniezione delle lacune, tre elettroluminescenti per rosso, verde e blu (che possiamo considerare come un unico strato composto da tanti pixel) e uno per il trasporto degli elettroni. Il tutto viene completato con uno strato riflettente che funge da catodo. La tecnologia Oled prevede due tipi di emissione: dall'alto o dal basso. Ciascuna è basata su strutture differenti, che trattano di conseguenza la luce generata a livello di materiale organico. Con il metodo di emissione dal basso, ottenibile con un processo produttivo più semplice, la luce generata dal materiale organico viaggia verso il basso attraverso il substrato in vetro di backplane Tft. La presenza dei driver opachi dei circuiti sul backplane maschera parzialmente la luce, riducendone la brillantezza. Con l'emissione dall'alto (metodo utilizzato, per esempio, da Sony), la luce passa direttamente allo strato sigillante in vetro senza essere mascherata dai driver, offrendo una visualizzazione più efficiente e consumi inferiori, a fronte però di un processo produttivo più complesso.

I vantaggi della tecnologia Oled

La tecnologia Oled presenta notevoli vantaggi. Proprio per questo gli Oled si candidano come naturali successori degli Lcd (pur senza scordare che per ora questi rappresentano ancora il 90% del mercato), risolvendo una serie di problemi "genetici" tipici della tecnologia dei cristalli liquidi. Il pixel Oled emette una luce propria mentre gli Lcd lavorano schermando una sorgente luminosa di sottofondo, permanentemente accesa. Il loro comportamento equivale a modulare la velocità di una vettura con l'acceleratore sempre al massimo, agendo esclusivamente sul freno; dal punto di vista energetico questo è ovviamente molto svantaggioso. Al contrario, i pixel dell'Oled possono essere comandati singolarmente e non necessitano di una fonte di illuminazione supplementare. Ciò assicura un comportamento energetico più virtuoso. Un altro vantaggio degli Oled rispetto agli Lcd è l'angolo visivo. L'immagine di un Lcd di tipo standard può essere percepita solo se si osserva lo schermo secondo un angolo molto prossimo alla perpendicolare: negli Oled questo limite cade, e l'immagine può essere percepita praticamente da qualsiasi punto di osservazione. Altri punti di forza degli Oled sono la leggerezza, la maggiore profondità del nero, l'elevato contrasto, la brillantezza dei colori e il tempo di risposta. Al contrario, la tecnologia presenta anche dei limiti. I principali sono il costo del processo produttivo - ancora elevato - e la durata operativa, inferiore rispetto agli attuali display Lcd. Tuttavia, è prevedibile che l'avvento di un'economia di scala possa permettere di ridurre notevolmente i costi di produzione, fino a rendere i display Oled più economici di quelli Lcd o plasma. Sul fronte dei processi, le continue ricerche mirano ad aumentarne la durata della vita operativa, tipicamente nell'ordine delle decine di migliaia di ore di esercizio a causa del fatto che il materiale organico di cui sono composti gli Oled tende a perdere la capacità di emettere luce. In termini applicativi, e in determinate condizioni, i display Oled presentano altri vincoli. Il loro costo elevato si riflette sul prodotto finale: ovviamente è sempre un problema destinato ad azzerarsi con la produzione in volumi, ma per ora un televisore da 55” Oled costa da 4 a 7 volte di più di un prodotto a Led di fascia alta di pari dimensioni. Un altro problema riguarda il fatto che gli schermi possono "impressionarsi", tenendo l'immagine in qualche modo memorizzata temporaneamente o, nei casi più gravi, permanentemente. Il fenomeno, tipico degli schermi Crt e Plasma, non è ancora ben definito ma sicuramente in un'applicazione di "signage" - per esempio un'immagine fissa o un filmato pubblicitario ripetuto - potrebbe causare dei fastidiosi effetti ottici. Ultimo aspetto, sempre legato al fatto che la tecnologia è relativamente nuova, è la disomogeneità della vita dei colori. Secondo alcuni studi, i pixel blu avrebbero una resa inferiore rispetto al rosso e al verde. I dati indicano dal 4% al 20% in meno, con effetti rilevabili già intorno alle 1000 ore di funzionamento. Al di là di questi problemi di gioventù, gli Oled rappresentano sicuramente il futuro dei display e in talune fasce di mercato sono già una realtà. Abbastanza diffusi nei display per dispositivi mobili di fascia alta con schermi di dimensioni relativamente piccole, gli Oled possono ora sfruttare le caratteristiche dei nuovi backplane in ossido metallico, i quali permettono di ottenere pannelli di grande superficie.

Soluzioni all'avanguardia

Recentemente Sony ha presentato un prototipo di televisore Oled 4K (3840 x 2160 pixel) da 56 pollici basato su Tft su ossido. LG ha invece dimostrato un display da 55 pollici da 1920x1080-pixel, già in commercio, mentre Samsung segue a ruota con un prodotto Oled da 55 pollici, realizzato però su substrato non in polisilicio né in Igzo. All'orizzonte si stanno affacciando anche gli Oled plastici, caratterizzati da una proprietà unica: la flessibilità. LG Display ha presentanto un prototipo da 5 pollici per dispositivi mobili, con caratteristiche di infrangibilità e con spessore e peso ridottissimi. La stessa LG ha utilizzato per il suo nuovissimo G Flex (che, come suggerisce il nome, ha un'originale forma curva) un Oled a 720p da 6 pollici. Negli Oled plastici, il substrato in vetro è sostituito da un substrato flessibile in Pet o in materiali simili. Lo strato organico viene fabbricato per deposizione utilizzando metodi assimilabili alla stampa a getto d'inchiostro, consentendo così di sviluppare produzioni "a rotativa" molto più economiche e veloci. Il potenziale associato agli Oled plastici nelle applicazioni mobili è enorme proprio in virtù della resistenza a urti e cadute, della leggerezza e soprattutto della flessibilità. Tali caratteristiche permettono di realizzare prodotti quali "carta elettronica" (su cui riprodurre tratti grafici ad altissima risoluzione), prodotti da applicare a superfici curve o soluzioni da "indossare": e non è fantascienza. La caratteristica della flessibilità è interessante anche nelle applicazioni di illuminazione, dove può essere sfruttata con profitto per soddisfare la creatività di architetti e designer. Prototipi di Oled flessibili sono stati presentati anche da Sony, la quale ha dimostrato una soluzione arrotolabile addirittura su una matita, quindi con un angolo di curvatura molto stretto. Ovviamente anche gli Oled flessibili hanno dei vincoli. Questi sono legati principalmente ai differenti coefficienti di espansione dei materiali che si manifestano sotto forma di stress meccanico in caso di curvature o di salti di temperatura importanti. Tali stress compromettono la luminosità del dispositivo. Se sottoposto a sollecitazioni eccessive, il materiale utilizzato per l'anodo trasparente - composto da ossido indio stagno (Ito) - può fratturarsi, pregiudicando l'intero apparato. La ricerca sta sperimentando nuovi materiali, per esempio i nanotubi in carbonio, le cui caratteristiche sono molto più adatte a sopportare deformazioni rilevanti. Per i dispositivi flessibili Oled l'incapsulamento rappresenta un'ulteriore sfida. I materiali in un Oled sono sensibili all'aria e all'umidità, che portano alla degradazione dei materiali stessi nonché all'attenuazione degli stati di eccitazione delle molecole. I metodi di incapsulamento flessibili non sono generalmente una efficace barriera per l'aria e l'umidità quanto il vetro degli Oled standard, pertanto la ricerca si sta indirizzando verso lo sviluppo di nuove soluzioni capaci di coniugare robustezza e doti di flessibilità.

La trasparenza

Le proprietà dei materiali che compongono gli Oled permettono di realizzare dei pannelli trasparenti (Toled), già utilizzati in numerose applicazioni. Benché le dimensioni attualmente siano limitate a pochi pollici, i Toled avrebbero delle applicazioni interessanti in molti campi. Un esempio che promette grandi volumi è rappresentato dai display a sovrimpressione (detti display Head Up o Hud) annegati nei parabrezza dei veicoli. Su questo display possono essere riprodotte informazioni essenziali legate allo stato del mezzo, ma soprattutto pittogrammi e indicazioni di navigazione o di allarme (per esempio la segnalazione di un veicolo fermo sulla carreggiata) che possono comparire solo in caso di pericolo. Applicazioni simili si hanno nel mondo dell'aeronautica, dove i display head up sono equipaggiati sui vetri dei cupolini o sugli schermi dei caschi dei piloti da caccia. Altro esempio applicativo per i display trasparenti sono gli optical head-mounted display (Ohdm), rappresentati per eccellenza dai futuribili Google Glass. Questi prodotti apriranno la strada a una serie di innovazioni applicative la cui portata è difficile da prevedere. Un'altra applicazione è legata al mondo del retail, dove i display trasparenti si prestano per essere sfruttati come elemento informativo e punto di raccolta informazioni. Espositori, vetrine, totem informativi e così via diventeranno dei terminali interattivi che permetteranno di dialogare con il consumatore (per esempio nelle applicazioni di "realtà aumentata"), sfruttando la trasparenza per non mascherare i prodotti retrostanti. Attualmente varie società si stanno concentrando sui TOled: due di queste - Futaba e la coreana Neoview Kolon - offrono piccole produzioni di moduli a matrice passiva da massimo 2,4 pollici. Un primo esempio concreto realizzato con Oled trasparenti è un telefono di Lenovo (S-800), dotato di pannello Qvga di Futaba. Un altro prodotto è lo smartphone Nexian Glaze M-9090, equipaggiato con un pannello da 2,4 pixel di Neoview Kolon, ma non mancano i primi prototipi di videogiochi, di Pc o di monitor con schermo trasparente, questi ultimi proposti da Samsung. A chi vuole sperimentare, 4D Systems propone in modulo equipaggiato con Oled trasparente ed elettronica di controllo. Il modulo microOled Goldelox 2 dispone di un display da 2 pollici a matrice passiva (Passive Matrix Transparent Oled - PMTOled) da 128x165 pixel (65K colori) totalmente trasparente e visibile da entrambi i lati. Dotato di un processore grafico embedded Goldelox il modulo offre una serie di dotazioni di comunicazione e di I/O quali un connettore per scheda micro-SD, due pin di input/output pin di uso generale con supporto per protocollo Dallas 1-Wire, ingresso analogico, e capacità di generazione di suoni. Il mercato si sta muovendo anche sul fronte dei display a matrice attiva. La tecnologia Amoled (Active matrix Oled) è una soluzione per schermi piatti fabbricati su substrati di plastica flessibile. Nel caso di display a matrice attiva, la struttura di transistor è integrata direttamente nel display. Tale struttura è composta da almeno due transistor per ciascun pixel, uno dei quali si occupa di caricare o scaricare un condensatore, mentre il secondo provvede ad alimentare il livello necessario di corrente, e quindi a bilanciarlo per il necessario funzionamento del singolo pixel. Questi transistor sono connessi in sequenza alle linee anodiche e catodiche e sono in grado di tenere attivo ciascun pixel fino al periodo di scansione successivo. Oltre a garantire una velocità di refresh più elevata, adatta per la riproduzione video - questo permette di evitare le correnti elevate necessarie per gli Oled a matrice passiva. I display Oled a matrice attiva sono più complessi e quindi più costosi dei display che non utilizzano tale tecnologia, ma offrono immagini più luminose e definite rispetto a quelli di tipo passivo. Gli schermi Amoled prevedono una frequenza di aggiornamento maggiore rispetto ai semplici schermi Oled e i loro consumi sono significativamente inferiori, caratteristica che permette agli schermi Amoled di essere applicati nei dispositivi elettronici portatili, dove il consumo elettrico grava sulla durata della batteria. In questo settore Samsung ha lanciato degli smartphone Galaxy equipaggiati con schermo Super Amoled da 5 pollici con risoluzioni Full HD di 1920 x 1080 pixel. Tra le varianti Amoled, spicca la Super Amoled, termine coniato da Samsung per segnalare la presenza di un digitalizzatore integrato (e non applicato successivamente) per rilevare i tocchi sullo schermo. La tecnologia Super Amoled presenta inoltre un tasso di riflessione cinque volte inferiore rispetto all' Amoled in condizioni di luce solare. Samsung ha utilizzato la Super Amoled nel suo Galaxy S III, mentre Apple si è orientata per i suoi display Retina, verso la tecnologia IPS (In-plane switching), basata su Lcd e capace di garantire accurate riproduzioni visibili da tutti gli angoli.

Oled o Lcd?

Benché il mercato dei display piatti sia ancora dominato dagli Lcd con una quota del 90%, la tecnologia Oled è prevista in rapida crescita. Secondo la società di ricerche DisplaySearch, il fatturato dei display Oled crescerà a quasi 6 miliardi di dollari nel 2015. Mentre gli Oled a matrice passiva manterranno la propria quota, gli Oled a matrice attiva saranno i protagonisti di una crescita vertiginosa grazie allo sviluppo delle numerose applicazioni legate agli smartphone e all'avvento dei nuovi notebook con schermo tattile. Quello che sorprende infatti è la rapidissima diffusione delle tecnologie tattili, trend inaugurato in modo massiccio da Apple e Samsung con l'introduzione di tablet e smartphone. L'industria "touch" continuerà ad evolvere penetrando le applicazioni più popolari; nel solo 2013, le soluzioni touch per Pc sono cresciute del 703% rispetto all'anno precedente. I prodotti Ogs (One-glass solution) sino ad ora hanno mantenuto la leadership ma le nuove tecnologie emergenti a basso costo guadagneranno sempre più terreno. Oltre ai display con funzioni tattili integrate, non vanno dimenticate altre soluzioni "alternative", quali il controllo gestuale, l'optical imaging, l'infrarosso e la guida d'onda. Tali tecnologie si rivelano utili laddove non è possibile o non è applicabile un contatto diretto con uno schermo - come nei televisori - o in particolari contesti quali ad esempio gli ambienti pericolosi o le sale operatorie. Comunque si consideri la questione, in futuro i display saranno chiamati a coprire un ruolo sempre più importante, decretando il molti casi il successo o l'insuccesso di un prodotto
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