Guia Completo do Display OLED (parte 1) – O que é? Como funciona?

Introdução

O nosso blog já abordou dois dos principais displays existentes no mercado: display LCD (acesse o post aqui) e display de 7 segmentos (acesse o post aqui). Portanto, neste post, abordaremos outro display que está em ascensão tanto em projetos em Arduino como na sua utilização em tecnologias eletrônicas, o display OLED. Seu guia completo será dividido em dois posts, portanto, quando terminar de ler este, já acesse a segunda parte, onde abordaremos como programar um display OLED! Mas antes, precisamos entender o que é e como funciona esse fascinante componente. E aí, vamos nessa?

Breve História

Semicondutores orgânicos foram descobertos em meados da década de 1970 por Alan Heeger, Alan MacDiarmid e Hideki Shirakawa, que dividiram o Prêmio Nobel de Química em 2000 por seu trabalho. O primeiro OLED eficiente – descrito como “um novo dispositivo eletroluminescente … construído usando materiais orgânicos como elementos emissores” – foi desenvolvido por Ching Tang e Steven VanSlyke, que então trabalhavam nos laboratórios de pesquisa da Eastman Kodak, em 1987. Seu trabalho, embora novo, foi baseado em pesquisas anteriores sobre eletroluminescência, que foi relatada pela primeira vez em moléculas orgânicas por um físico francês chamado André Bernanose na década de 1950. Em junho de 2001, Van Slyke e Tang receberam um Prêmio de Inovação Industrial da American Chemical Society por seu trabalho com diodos emissores de luz orgânicos.

Ching Tang e Steven VanSlyke.
Crédito: Printed Electronics Now

A Kodak lançou vários dos primeiros produtos equipados com OLED, incluindo a primeira câmera digital com tela OLED de 2,2 polegadas com 512 por 218 pixels, a EasyShare LS633, em 2003. Desde então, a Kodak licenciou sua tecnologia OLED para muitas empresas, e elas estão ainda pesquisando tecnologia de luz OLED, tecnologia de exibição e outros projetos.

Descrição e Funcionamento

O que é?

Displays OLED são painéis visuais eletrônicos que utilizam diodos emissores de luz orgânicos (ou Organic Light-Emitting Diodes, sigla em inglês para OLED) como sua fonte de iluminação central. OLED é um tipo de tecnologia de display eletroluminescente, em que uma camada de material orgânico gera luz quando as moléculas do diodo são agitadas por uma corrente elétrica.

Tal como acontece com muitos outros tipos de tela, uma matriz OLED pode ser usada para apresentar imagens, texto, vídeo e muito mais em uma tela ou painel de quase qualquer tamanho, e a tecnologia tem sido especialmente prevalente no mercado de entretenimento doméstico de ponta no decorrer dos anos. Graças aos pontos fortes únicos que oferecem em termos de potência e desempenho, atualmente, as telas OLED também estão em uso cada vez mais difundido como ferramentas de exibição de desempenho em todas as indústrias e setores.

Pinout e Características Físicas

Neste post, trabalharemos especificamente com o Display OLED 128×64 0.96″ I2C. O seu pinout é mostrado a seguir.

  • GND: Deve ser conectado ao terra do Arduino;
  • VCC: Fonte de energia do display que deve ser conectada no pino de 5 Volts do Arduino;
  • SCL: Pino serial de clock da interface I2C;
  • SDA: Pino serial de dados da interface I2C.

As especificações do componente estão a seguir.

Tecnologia do DisplayOLED (LED orgânico)
Interface MCUI2C
Tamanho da tela0,96 polegadas de lado a lado
Resolução128×64 pixels
Voltagem operacional3,3 V – 5 V
Corrente operacional20 mA (max)
Ângulo máximo de visibilidade160º
Caracteres por linha21
Número de linhas de caracteres7

Diferença entre LED e OLED

Antes de entender o funcionamento de um OLED, vamos explicar como um simples LED convencional funciona. Considere duas placas de material semicondutor (algo como silício ou germânio), uma ligeiramente rica em elétrons (chamada de tipo n) e outra ligeiramente pobre em elétrons (se preferir, é o mesmo que dizer que é rica em “buracos” onde os elétrons deveriam estar, que é chamado de tipo p). Ao juntar as placas do tipo n e do tipo p, obtém-se uma espécie de “terra de ninguém” neutra se formando na união onde os elétrons e buracos excedentes se cruzam e se cancelam. Em seguida, conecta-se os contatos elétricos às duas placas e liga-as a alimentação. Se a conexão for feita de uma maneira, os elétrons fluem através da junção do lado rico para o pobre, enquanto os “buracos” fluem para o outro lado, e uma corrente flui através da junção e através do seu circuito. Se a mesma conexão for feita da maneira contrária, os elétrons e buracos não se cruzarão; nenhuma corrente flui. O que foi feito aqui é chamado de diodo de junção: uma via eletrônica de mão única que permite que a corrente flua em apenas uma direção.

Crédito: Explain that Stuff

Um LED é um diodo de junção com um recurso adicional: ele produz luz. Cada vez que os elétrons cruzam a junção, eles penetram em buracos do outro lado, liberam energia excedente e emitem um rápido flash de luz. Todos esses flashes produzem o brilho opaco e contínuo pelo qual os LEDs são famosos.

Os OLEDs funcionam de maneira semelhante aos diodos e LEDs convencionais, mas em vez de usar camadas de semicondutores do tipo n e do tipo p, eles usam moléculas orgânicas para produzir seus elétrons e lacunas. Um OLED simples é composto de seis camadas diferentes. Na parte superior e inferior, existem camadas de vidro ou plástico de proteção. A camada superior é chamada de selo e a camada inferior de substrato. Entre essas camadas, há um terminal negativo (às vezes chamado de cátodo) e um terminal positivo (chamado de ânodo). Finalmente, entre o ânodo e o cátodo estão duas camadas feitas de moléculas orgânicas chamadas de camada emissiva (onde a luz é produzida, que fica ao lado do cátodo) e a camada condutora (próxima ao ânodo). A seguir, explicamos em detalhes como o OLED funciona. Vamos lá?

Como funciona?

Assim como um LED, o OLED é um dispositivo semicondutor de estado sólido com espessura de 100 a 500 nanômetros, cerca de 200 vezes menor que um fio de cabelo humano. Os OLEDs podem ter duas ou três camadas de material orgânico; nesta última, exemplificada a seguir, a terceira camada ajuda a transportar elétrons do cátodo para a camada emissiva. Abaixo, há uma representação das camadas do OLED juntamente com uma explicação de suas partes principais.

Camadas do OLED.
Crédito: OLED-info

Substrato (plástico transparente, vidro, folha) – O substrato suporta o OLED.

Ânodo (transparente) – o ânodo remove elétrons (adiciona “buracos” de elétrons) quando uma corrente flui através do dispositivo.

Camada condutora – Esta camada é feita de moléculas de plástico orgânico que transportam “buracos” do ânodo. Um polímero condutor usado em OLEDs é a polianilina.

Camada emissiva – Esta camada é feita de moléculas de plástico orgânico (diferentes da camada condutora) que transportam elétrons do cátodo; é aqui que a luz é produzida. Um polímero usado na camada emissiva é o polifluoreno.

Camadas orgânicas (transporte de elétrons) – Estas camadas são feitas de moléculas orgânicas ou polímeros.

Cátodo (pode ou não ser transparente dependendo do tipo de OLED) – O cátodo injeta elétrons quando uma corrente flui através do dispositivo.

Os OLEDs emitem luz de maneira semelhante aos LEDs, por meio de um processo denominado eletrofosforescência.

O processo é descrito a seguir:

  1. A bateria ou fonte de alimentação do dispositivo aplica uma voltagem ao OLED;
  2. Uma corrente elétrica flui do cátodo para o ânodo através das camadas orgânicas (uma corrente elétrica é um fluxo de elétrons). O cátodo fornece elétrons para a camada emissiva de moléculas orgânicas. O ânodo remove elétrons da camada condutora de moléculas orgânicas. (Isso é o equivalente a dar “buracos” de elétrons à camada condutiva.)
  3. No limite entre as camadas emissiva e condutiva, os elétrons encontram buracos para os elétrons. Quando um elétron encontra um buraco, ele o preenche. Quando isso acontece, o elétron cede energia na forma de um fóton de luz.
  4. O OLED emite luz.
  5. A cor da luz depende do tipo de molécula orgânica na camada emissiva. Os fabricantes colocam vários tipos de filmes orgânicos no mesmo OLED para fazer telas coloridas.
  6. A intensidade ou brilho da luz depende da quantidade de corrente elétrica aplicada: quanto mais corrente, mais brilhante é a luz.

Tipos de OLEDs

Como descrito acima, uma tela OLED é composta por uma matriz de OLEDs individuais que podem ser ativados e desativados de forma rápida e altamente coordenada para apresentar uma imagem. Isso é conhecido como ‘direcionar’ a imagem, e existem vários métodos para direcionar um display OLED, todos os quais representam pequenos ajustes e alterações na tecnologia OLED básica.

Displays PMOLED

PMOLEDs (passive-matrix OLED) têm tiras de cátodo, camadas orgânicas e tiras de ânodo. As tiras de ânodo são dispostas perpendicularmente às tiras de cátodo. As interseções do cátodo e do ânodo constituem os pixels onde a luz é emitida. O circuito externo aplica corrente a tiras selecionadas de ânodo e cátodo, determinando quais pixels são ligados e quais pixels permanecem desligados. Novamente, o brilho de cada pixel é proporcional à quantidade de corrente aplicada.

PMOLED.
Crédito: HowStuffWorks

PMOLEDs são fáceis de produzir, mas consomem mais energia do que outros tipos de OLED, principalmente devido à energia necessária para o circuito externo. PMOLEDs são mais eficientes para texto e ícones e são mais adequados para telas pequenas (2 a 3 polegadas na diagonal), como as que são encontras em telefones celulares e MP3 players. Mesmo com o circuito externo, os OLEDs de matriz passiva consomem menos energia da bateria do que os LCDs que atualmente alimentam esses dispositivos.

Displays AMOLED

AMOLEDs (active-matrix OLED) têm camadas completas de cátodo, moléculas orgânicas e ânodo, mas a camada do ânodo se sobrepõe a uma matriz de transistor de filme fino (TFT) que forma uma matriz. O próprio array TFT é o circuito que determina quais pixels são ativados para formar uma imagem.

AMOLED.
Crédito: HowStuffWorks

Os AMOLEDs consomem menos energia do que os POLEDs porque a matriz TFT requer menos energia do que os circuitos externos, portanto, são eficientes para monitores grandes. AMOLEDs também têm taxas de atualização mais rápidas adequadas para vídeo. Os melhores usos para AMOLEDs são monitores de computador, TVs de tela grande ou outdoors eletrônicos.

Aplicações

As telas OLED são usadas principalmente em dispositivos digitais, como sistemas de televisão de ponta, monitores de computador, sistemas de bolso, como telefones Android, reprodutores de mídia, câmeras digitais, consoles de jogos portáteis e minitelas. Esses tipos de aplicativos exigem alta confiabilidade e legibilidade. Os OLEDs se adaptam, pois consomem menos energia e fornecem uma tela de alta qualidade. A tecnologia OLED atual oferece notável fidelidade de cores, alta eficiência e estabilidade de operação.

Os produtos disponíveis em diferentes categorias estão listados abaixo.

Celulares

Desde o ano de 2016, muitos telefones celulares foram introduzidos com tela OLED, incluindo Samsung A8 +, Gionee S11S e M7 plus, Oppo A79 e R11 plus, OnePlus 5T, Google Pixel 2 e iPhone X.

Crédito: Farol News

TV OLED

A tecnologia de exibição de TV evoluiu de LED para OLED e QLED. No momento, todas as empresas estão trabalhando em telas OLED para tornar seus produtos inteligentes. Os modelos de TV OLED incluem B&O BeoVision Eclipse, Panasonic EZ950 e EZ1000, Sony XBR-A1E Bravia, Signage 65EE5PC, etc. Algumas empresas como a LG até categorizaram seus monitores de TV em tela OLED plana, tela OLED curva e papel de parede OLED.

Crédito: TechTudo

Câmeras digitais

O uso de displays OLED em telas de câmeras digitais ou visores eletrônicos está aumentando. A primeira câmera OLED foi a Kodak LS633 em 2003. Hoje, há uma série de modelos OLED disponíveis, como Canon Power Shot G1 X Mark III, Fujifilm GFX 50S e X-T2, Sony a99 Mark II e HX80, etc.

Crédito: Mercado Livre

Dispositivos Wearable

Os dispositivos wearable incluem ferramentas multifuncionais que usam tecnologias de detecção avançadas, como reconhecimento de comando de voz, reconhecimento de gestos e reconhecimento de rosto e impressão digital. A tecnologia OLED traz vantagens de fator de forma de tela mais fina e curva para dispositivos vestíveis. Alguns dos dispositivos wearable com telas OLED são Xiaomi Mi Band 2, MIO Slice, KIGO Watch, STARVR, Fitbit Alta, etc.

Crédito: Pinterest

Painéis de luz OLED

A tecnologia OLED permite painéis de luz de grandes áreas. Os visores OLED podem ser usados ​​para fazer painéis de luz flexíveis, transparentes e com cores ajustáveis. Os painéis OLED emitem luz difusa, muito próxima da luz natural do sol. Painéis de luz OLED de várias empresas incluem IKEA Vitsand, SKK Gooseneck, Ascend, Acuity Brands Olessence e Nomi, etc.

Crédito: OLEDWorks

Vantagens e Desvantagens

O LCD é atualmente o monitor preferido em dispositivos pequenos e também é popular em TVs de tela grande. LEDs regulares geralmente formam os dígitos em relógios digitais e outros dispositivos eletrônicos. Os OLEDs oferecem muitas vantagens em relação aos LCDs e LEDs:

  • As camadas orgânicas de plástico de um OLED são mais finas, mais leves e mais flexíveis do que as camadas cristalinas de um LED ou LCD;
  • Como as camadas emissoras de luz de um OLED são mais leves, o substrato de um OLED pode ser flexível em vez de rígido. Os substratos OLED podem ser de plástico em vez de vidro usado para LEDs e LCDs;
  • Os OLEDs são mais brilhantes do que os LEDs. Como as camadas orgânicas de um OLED são muito mais finas do que as camadas de cristal inorgânico correspondentes de um LED, as camadas condutoras e emissivas de um OLED podem ter várias camadas. Além disso, LEDs e LCDs requerem vidro para suporte, e o vidro absorve alguma luz. OLEDs não requerem vidro;
  • Os OLEDs não exigem iluminação de fundo como os LCDs (consulte Como funcionam os LCDs). Os LCDs funcionam bloqueando seletivamente as áreas da luz de fundo para fazer as imagens que você vê, enquanto os OLEDs geram luz eles próprios. Como os OLEDs não precisam de luz de fundo, eles consomem muito menos energia do que os LCDs (a maior parte da energia do LCD vai para a luz de fundo). Isso é especialmente importante para dispositivos operados por bateria, como telefones celulares;
  • Os OLEDs são mais fáceis de produzir e podem ser feitos em tamanhos maiores. Como os OLEDs são essencialmente plásticos, eles podem ser feitos em folhas grandes e finas. É muito mais difícil crescer e depositar tantos cristais líquidos;
  • Os OLEDs têm grandes campos de visão, cerca de 170 graus. Como os LCDs funcionam bloqueando a luz, eles têm um obstáculo de visualização inerente de certos ângulos. Os OLEDs produzem sua própria luz, portanto, têm um alcance de visualização muito mais amplo.

OLED parece ser a tecnologia perfeita para todos os tipos de monitores, mas também apresenta alguns problemas:

  • Vida útil – Enquanto os filmes OLED vermelhos e verdes têm uma vida útil mais longa (46.000 a 230.000 horas), os orgânicos azuis atualmente têm vida útil muito mais curta (até cerca de 14.000 horas);
  • Fabricação – Até o momento, os processos de fabricação dessa tecnologia são caros;
  • Água – A água pode danificar facilmente os OLEDs.

Considerações Finais

A partir do que foi abordado neste post, é possível concluir que a utilização do Display OLED é de extrema importância em vários projetos com o Arduino. Aqui, aprendemos sobre seu funcionamento e suas principais aplicações.

Para finalizar seu aprendizado sobre displays OLED, acesse a segunda parte do nosso guia, onde explicamos como programar o display!

Por fim, espero que essa pequena explicação tenha fomentado sua curiosidade e que, a partir dela, você possa explorar todas as possibilidades deste componente.

Quer aprender um pouco mais sobre displays e suas aplicabilidades? Acesse nossos posts relacionados abaixo!

Referências

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Ricardo Lousada
Ricardo Lousada
Graduando em Engenharia de Controle e Automação pela UFMG. Ocupo meu tempo aprendendo cada vez mais sobre eletrônica e programação, áreas que mais gosto. Meus hobbies são cinema e livros.
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