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3 FICHA TÉCNICA Alessandro Golombiewski Teixeira Presidente ABDI Mariano Francisco Laplane Presidente CGEE Maria Luisa Campos Machado Leal Diretora Marcio de Miranda Santos Diretor Executivo Miguel Antonio Cedraz Nery Diretor Antonio Carlos Filgueira Galvão Gerson Gomes José Messias de Souza (19/08/2015) Carla Maria Naves Ferreira Diretores Gerente de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação SUPERVISÃO Maria Luisa Campos Machado Leal SUPERVISÃO Marcio de Miranda Santos EQUIPE TÉCNICA DA ABDI Carla Maria Naves Ferreira Gerente de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação EQUIPE TÉCNICA CGEE Liliane Sampaio Rank de Vasconcelos Coordenadora Kátia Regina Araújo de Alencar Zil Miranda Assessora Assessora Especial Kleber de Barros Alcanfôr Rodrigo Rodrigues Assessor Analista Sênior Lilian M. Thomé Andrade Brandão Carlos Venicius Frees Assessora Especialista Setorial Rogério Mendes Castilho Ricardo Gonzaga Martins Assessor Especialista Setorial Simone Rodrigues Neto Andrade Adriana dos Santos Ghizoni Assistente Administrativo Assistente de Projetos
4 COORDENAÇÃO TÉCNICA GERAL Fabio Stallivieri (UFF) COMITÊ TÉCNICO DE ESPECIALISTAS Carlos Achete Ricardo Naveiro (UFRJ) Carlos Azen Rodrigo Sabbatini (UNICAMP) Celso Pinto Saraiva Jorge Britto (UFF) Flavia Carneiro Lopes Dantas COORDENAÇÃO TÉCNICA SETORIAL Paulo Bastos Tigre (UFRJ) Panorama Econômico Marcos Cremona Thebano Emilio de A. Santos Viviane Carvalho Nogueira (CTI) Panorama Tecnológico Victor Pellegrini Mammana
5 SUMÁRIO 1 Introdução... 9 2 Display de Cristal Líquido (LCD)... 11 2.1 Cristal líquido... 11 2.2 Princípio de funcionamento... 13 2.3 Modos de acionamento... 15 2.3.1 Multiplexado de matriz passiva... 15 2.3.2 Multiplexado de matriz ativa... 16 2.4 Unidade de retroiluminação (BLU, backlight unit)... 18 2.5 Tecnologias para aumentar o ângulo de visão em displays de LCD... 23 2.6 Processos de fabricação de AMLCD... 25 2.6.1 Generation (Gen.)... 25 2.6.2 Fabricação do TFT... 27 2.6.4 Fabricação da Célula de AMLCD... 28 2.6.5 Fabricação do módulo de AMLCD... 29 3 Display de OLED (Diodo Orgânico Emissor de Luz)... 30 3.1 Princípio de funcionamento... 30 3.2 Materiais para OLEDs... 32 3.3 Tecnologias para deposição de materiais orgânicos... 34 3.4 Tipos de AMOLED... 38 3.5 OLED x LCD... 41 3.6 OLEDs para Iluminação... 42 4 Display de e-paper... 44 5 Transistor de Filme Fino (TFT)... 46 6 Eletrodos Transparentes e Condutores... 50 7 Displays Flexíveis... 51 8 Japan Display Inc. (JDI)... 55 9 Cenário Brasileiro... 56 10 Considerações Finais... 61 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 63
6 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Matriz das principais tecnologias de displays... 9 Figura 2 - Ilustração dos estados da matéria: sólido, líquido e cristal líquido... 12 Figura 3 - Ilustração das partes que compõem um módulo de LCD... 13 Figura 4 - Ilustração do píxel RGB e seus subpíxeis vermelho (R), verde (G) e azul (B)... 14 Figura 5 - Ilustrações da polarização da luz para um display de fundo claro. (a) Mudança da polarização da luz pelas moléculas de cristal líquido quando o display está desligado; e (b) não alteração da polarização da luz devido ao alinhamento das moléculas de cristal líquido quando o display está ligado... 15 Figura 6 - Ilustração do modo de acionamento multiplexado de matriz passiva... 16 Figura 7 - Ilustração do modo de acionamento multiplexado de matriz ativa... 17 Figura 8 - Distribuição do consumo de energia para um display de LCD... 18 Figura 9 - Mercado de TVs por tecnologia 1... 19 Figura 10 - Ilustração dos BLUs para LCDs: CCFL com montagem convencional e LED com montagem na lateral (edge-lit)... 20 Figura 11 - Ilustração das camadas e filmes ópticos utilizados em um display de LCD... 21 Figura 12 - Espectro do filme óptico da Nanosys e 3M (quantun dot enhancement film (QDEF).. 22 Figura 13 - (a) Componente óptico Color IQ da empresa QD Vision; (b) Ilustração do componente óptico Color IQ no display de LCD... 23 Figura 14 - Comparação do arranjo das moléculas de cristal líquido em displays de LCD com as tecnologias TN, IPS e MVA... 24 Figura 15 - Ilustração comparativa da imagem de displays LCD-TN (direta) e LCD-IPS (esquerda) em ângulo de 45... 25 Figura 16 - Ilustração do tamanho do substrato de vidro para Gen.7, Gen.5 e Gen. 3.5... 26 Figura 17 - Ilustração das etapas de processo envolvidas na fabricação do TFT de silicio amorfo. 27 Figura 18 - Ilustração das etapas de processo envolvidas na fabricação do filtro de cor... 28 Figura 19 - Ilustração da integração do TFT com o substrato que contém o filtro de cor e das etapas de corte e preenchimento dos painéis de AMLCD com cristal líquido... 29 Figura 20 - Ilustração das etapas de processo para fabricação do módulo... 29 Figura 21 - Ilustração da estrtura de um dispositivo OLED simples... 31 Figura 22 - Sistema de glove-box (câmaras de luvas) para fabricação de OLEDs e células solares instalada no laboratório da Divisão de Mostradores de Informação do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI)... 32 Figura 23 - Fórmula química estrutural de materiais utilizados em OLEDs: (a) polímero PFO; (b) pequena molécula Alq 3; e (c) complexo organometálico de Ir 3+... 34 Figura 24 - Ilustração do processo de deposição de materiais orgânicos por evaporação térmica utilizando máscara mecânica para gravação dos píxeis... 35 Figura 25 - Comparação do custo de OLEDs de pequena e grande área obtidos por processos de deposição de materiais em solução e PVD em relação ao custo do LCD... 36 Figura 26 - Protótipo de TV de OLED de 56 polegadas da Panasonic com camadas orgânicas depositadas através da tecnologia de impressão jato de tinta... 36
Figura 27 - Impressora jato de tinta DMP-2831 (FUJIFILM Dimatix) utilizada para a deposição de polímeros na fabricação de dispositivos OLEDs e células solares orgânicas... 37 Figura 28 - Comparação dos métodos de deposição e gravação dos materiais orgânicos em OLEDs... 38 Figura 29 - Características dos AMOLEDs fabricados pelas empresas Samsung e LG... 39 Figura 30 - Primeira TV de AMOLED comercializada no mundo, fabricada pela LG... 40 Figura 31 - Primeira TV de AMOLED 3D "curva" do mundo, fabricada pela LG: (a) vista fronta; (b) vista lateral... 40 Figura 32 - Desenho esquemático da estrutura de displays de LCD e OLED... 41 Figura 33 - Comparação do desempenho de displays de LCD-IPS, AMOLED-RGB e AMOLED- RGBW... 42 Figura 34 - Ilustração da utilização de painéis de OLEDs para iluminação em janelas... 43 Figura 35 - Luminárias de OLED: (a) Airabesc, da OSRAM; e (b) Living Sculpture, da Philips... 44 Figura 36 - Ilustração das microcápsulas de partículas eletroforéticas... 45 Figura 37 - Displays eletroforéticos da E Ink aplicados em (a) relógio; e (b) etiquetas eletrônicas 46 Figura 38 - Ilustração das estruturas (em corte) dos TFTs de: (a) a-si:h; (b) IGZO; e (c) LTPS... 47 Figura 39 - Características requeridas para aplicação de materiais como eletrodos transparentes e condutores em displays, telas de toque, células solares e dispositivos optoeletrônicos... 50 Figura 40 - Vidros "flexíveis" para displays: (a) Willow Glass de 0,1 mm de espessura adequado para processo roll-to-roll (Corning); e (b) Spool de 0,05 mm de espessura da Asahi Glass... 52 Figura 41 - Previsão da evolução (da esqueda para a direita) dos dispositivos baseados em displays flexíveis e-paper (topo) e displays AMOLED (embaixo)... 53 Figura 42 - Protótipos de displays flexíveis: (a) e-paper da Elnk; (b) e (c) celulares com display AMOLED da Samsung; (d) AMOLED da LG; e (e) AMOLED da Sharp... 54 Figura 43 - Ilustração do processo roll-to-roll para fabricação de displays eletroforéticos da SiPix Technology... 55 Figura 44 - Protótipos de displays da JDI apresentados no evento Display Week 2013: (a) AMLCD de 12.2 para aplicação automotiva; e (b) AMOLED de 5.2 com resolução de 423 ppi... 56 7
8 LISTAS DE TABELAS Tabela 1 - Quadro comparativo das diferentes tecnologias de TFTs: silício amorfo hidrogenado (a- Si:H), silício policristalino de baixa temperatura (LTPS) e óxido de índio, gálio e zinco (IGZO).. 48 Tabela 2 - Migração das linhas de produção de TFTs a-si:h para IGZO das principais fabricantes de displays de AMLCD e AMOLED... 49
9 1 Introdução É indiscutível que atualmente os produtos eletrônicos, de informática e de telecomunicações, sejam de uso profissional ou de consumo, dependam cada vez mais de displays para sua operação. Há uma ampla variedade de tecnologias na área capazes de manipular a cor, o brilho, o contraste e outros detalhes da imagem. Em 2012, a tecnologia de displays de cristal líquido de matriz ativa (AMLCD) dominou o mercado. Neste mesmo ano, a indústria de displays de diodos orgânicos emissores de luz de matriz ativa (AMOLED) teve mais de 90 milhões de unidades vendidas. O mercado para estas duas tecnologias somou mais de US$ 110 bilhões, com aplicações principalmente em televisões de grande área, monitores para desktop, smartphones, tablets e notebooks. As diferentes tecnologias de displays podem ser reunidas em dois grandes grupos, emissivos e não emissivos, de acordo com sua capacidade ou não de emitir luz. A figura 1 apresenta uma matriz com as principais tecnologias. Figura 1- Matriz das principais tecnologias de displays Elaboração da autora. Algumas tecnologias apresentadas na matriz não serão aprofundadas neste texto, uma vez
10 que estas oferecem poucas perspectivas de participação na corrida pelos displays planos com alta resolução de imagem, embora possam atender a alguns nichos de mercado. Essas tecnologias são descritas a seguir. Displays de plasma: esta tecnologia apresenta boas características, e durante muitos anos foi vista como a grande rival da tecnologia de LCDs. Porém, atualmente se encontra em declínio devido a sua aplicação restrita a displays de grande área e à grande ascensão dos displays de LCD. A maior fabricante de displays de plasma, a japonesa Panasonic, anunciou recentemente o fechamento de sua maior fábrica de TVs de plasma, localizada em Shanghai, China. A Panasonic não está abandonando totalmente a produção de displays de plasma, mas irá diminuir sua capacidade de produção frente a uma demanda cada vez menor. O objetivo agora é concentrar esforços na produção de displays de LCD e OLED.1 Displays de diodos emissores de luz (LED): os displays de LED consistem de diodos de materiais inorgânicos e são utilizados principalmente em aplicações de grande área, como outdoors, em estádios e para sinalização. Displays de filme fino eletroluminescente (TFEL): têm estrutura bastante simples, cujo elemento principal consiste de uma fina camada de fósforo. Apresentam algumas características interessantes, tais como funcionamento em condições de temperatura extrema (-60 C a 85 C), baixo custo e possibilidade de obtenção de displays flexíveis. Os displays de TFEL foram muito utilizados no início da indústria de computadores portáteis e, apesar de apresentarem características interessantes, algumas limitações tecnológicas tais como baixo tempo de vida, dificuldade de obtenção de displays de grande área, baixa estabilidade dos fósforos e baixa luminância impediram sua disputa com os displays de alta performance, como o LCD. Displays de emissão de campo (FED): da década de 1990 até meados dos anos 2000, a tecnologia de FEDs foi bastante investigada por empresas como Motorola, Samsung, PixTech, Futaba etc. Tais empresas acreditavam que esta tecnologia poderia ser mais barata do que as tecnologias de LCD e plasma, porém, a grande dificuldade dos FEDs, que culminou com o abandono da tecnologia pela maioria das empresas, foi o escalonamento para produção em massa. 1 <http://online.wsj.com/article/bt-co-20130111-701537.html>. Acesso em: 10 fev. 2013.
11 O texto a seguir apresenta um panorama tecnológico das tecnologias de LCD, OLED e e- paper que estão presentes em inúmeras aplicações de displays (televisões, monitores, tablets, smartphones, notebooks, livros eletrônicos etc.). Também serão apresentados dois elementos fundamentais para os displays e que atualmente se encontram em processo de inovação: os eletrodos transparentes e condutores e os transistores de filme fino (TFT). Por fim, será apresentada a tecnologia que promete revolucionar o mercado nos próximos anos: os displays flexíveis. 2 Display de Cristal Líquido (LCD) 2.1 Cristal líquido A história do cristal líquido se inicia em 1888, quando Friedrich Reinitzer, um pesquisador austríaco da área de botânica, descobriu um estado intermediário da matéria, entre os estados líquido e sólido. Esse estado foi chamado de cristal líquido (figura 2). Um líquido é isotrópico, ou seja, qualquer propriedade física verificada independe da direção da medida. Um sólido cristalino, por outro lado, possui planos de simetria, e portanto é anisotrópico. O cristal líquido combina a anisotropia ótica e elétrica do estado sólido com a fluidez e a mobilidade molecular do estado líquido (Kim e Song, 2009).
12 Sólido Cristal líquido Usado em LCDs Líquido Figura 2 - Ilustração dos estados da matéria: sólido, líquido e cristal líquido Fonte: Ely, Hamanaka e Mammana (2007). A possibilidade da utilização do cristal líquido em displays veio à tona somente por volta de 1968, quando se demonstrou que uma fina camada desse material poderia espalhar a luz quando submetida a uma tensão elétrica. A partir de então, expandiu-se rapidamente a popularidade dos cristais líquidos e dos displays de LCD. O principal incentivo para o desenvolvimento dos LCDs foi o baixo consumo de energia necessário para o controle da transmissão da luz oriunda de uma fonte externa. Entre os diversos tipos de cristais líquidos conhecidos, os nemáticos são os mais importantes para aplicação em displays, devido à sua baixa viscosidade e baixo tempo de resposta a impulsos elétricos (Ely, Hamanaka e Mammana, 2007, p. 1776-1779). Um tipo particular de cristal líquido, chamado nemático torcido (TN), encontra-se naturalmente torcido e a aplicação de uma diferença de potencial neste cristal líquido faz com que suas moléculas alinhem ao campo elétrico, perpendicular ao substrato. Atualmente, a empresa Merck, da Alemanha, é a líder mundial na fabricação de cristais líquidos, fornecendo este material para quase todas as empresas fabricantes de displays de LCD.
13 2.2 Princípio de funcionamento Um módulo de LCD (figura 3) é composto basicamente por uma camada de moléculas de cristal líquido alinhadas perpendicularmente entre dois eletrodos condutores transparentes (vidro recoberto com uma fina camada de óxido de índio e estanho ITO) e dois filtros polarizadores. Além disso, há uma unidade de retroiluminação, ou backlight unit (BLU), e uma série de filmes ópticos (difusores, realçadores de brilho), responsáveis por espalhar a luz da BLU de maneira uniforme por toda a área de visualização do display e extrair a luz da BLU com maior eficiência. As superfícies dos eletrodos que estão em contato com o cristal líquido são tratadas a fim de alinhar as moléculas do cristal líquido numa direção particular. O eletrodo superior contém o filtro de cor e o eletrodo inferior pode conter os transistores de filme fino (TFTs) responsáveis pelo acionamento de cada subpíxel (figura 4). Ao se aplicar uma diferença de potencial entre os eletrodos, um campo elétrico é gerado. Este campo elétrico pode rotacionar as moléculas de cristal líquido, alterando a transmissão de luz. Figura 3 - Ilustração das partes que compõem um módulo de LCD
14 Fonte: Fujifilm (2012). Pixel (RGB) Figura 4 - Ilustração do píxel RGB e seus subpíxeis vermelho (R), verde (G) e azul (B) Fonte: A autora. Subpixels Em um LCD com cristal líquido do tipo TN, as direções de alinhamento na superfície dos dois eletrodos são perpendiculares, e assim as moléculas se organizam em uma estrutura helicoidal. Há displays que, quando desligados, apresentam fundo claro, e outros que apresentam fundo escuro. No primeiro caso, a luz que atravessa o filtro polarizador é rotacionada pela hélice de cristal líquido à medida que esta passa pelas moléculas de cristal líquido, permitindo assim que a luz passe através do segundo polarizador, sem que seja bloqueada (figura 5-a). Quando se aplica uma diferença de potencial entre os eletrodos suficiente para alinhar as moléculas do cristal líquido (distorcendo sua estrutura helicoidal), não ocorre a rotação da luz incidente, de modo que a luz sai perpendicular em relação ao segundo polarizador e, assim, é completamente bloqueada, de modo que o píxel irá aparecer preto (figura 5-b). Ao controlar a tensão aplicada através da camada de cristal líquido em cada píxel, a intensidade de luz pode ser variada, de forma a controlar a iluminação do píxel. Para os displays com fundo escuro, quando estes estão desligados, os polarizadores encontram-se alinhados paralelamente
15 entre si, de modo que, ao se aplicar um campo elétrico adequado, as moléculas de cristal líquido se alinham perpedicularmente ao display e a luz atravessa o segundo polarizador. (a) Figura 5 - Ilustrações da polarização da luz para um display de fundo claro. (a) Mudança da polarização da luz pelas moléculas de cristal líquido quando o display está desligado; e (b) não alteração da polarização da luz devido ao alinhamento das moléculas de cristal líquido quando o display está ligado Fonte: Engineer Guy. Disponível em: <http://www.engineerguy.com/videos/videolcd.htm>. (b) 2.3 Modos de acionamento Os displays de LCD, assim como os de OLED, são displays de matriz (com linhas de varredura e colunas de dados), o que significa que cada subpíxel pode ser acionado de maneira individual. Existem dois modos de acionamento para os displays de LCD e OLED: o multiplexado de matriz passiva e o multiplexado de matriz ativa. 2.3.1 Multiplexado de matriz passiva No LCD de matriz passiva (PMLCD), os subpíxeis estão localizados na intersecção das linhas e colunas (figura 6). Subpíxeis de linhas diferentes não podem ser acionados simultaneamente. Este modo possui uma configuração relativamente simples e de baixo custo, e é utilizado em displays de pequena área com informações em formato de texto e imagens estáticas de baixa resolução. Displays com este modo de acionamento apresentam
16 algumas limitações, tais como: longo tempo de resposta, controle de tensão pouco preciso, baixo contraste e ângulo de visão estreito. Colunas (dados) V aplicada aqui Linhas (varredura) Conexão terra Figura 6 - Ilustração do modo de acionamento multiplexado de matriz passiva Fonte: <http://informatica.hsw.uol.com.br/lcd7.htm>. Acesso em: 21 fev. 2012. 2.3.2 Multiplexado de matriz ativa A expressão matriz ativa se refere ao emprego de um elemento ativo para comandar cada subpíxel do display (figura 7), o que em eletrônica quer dizer um elemento que apresente ganho de corrente, de tensão ou de ambas. LCDs com matriz ativa utilizam uma rede de transistores como chaves para comandar a voltagem aplicada a cada subpíxel individualmente. Idealmente, a matriz ativa de TFTs pode ser considerada como um arranjo de chaves para os píxeis, construído diretamente sobre o display. 2 A configuração deste modo de acionamento é mais complexa, porém permite um controle de tensão e, portanto, de brilho muito preciso, e possibilita a obtenção de displays com amplo ângulo de visão, baixo tempo de resposta, altos contraste e brilho. 2 A. P. Mammana, Curso de Mostradores de Informação (2003).
17 R G TF T Figura 7 - Ilustração do modo de acionamento multiplexado de matriz ativa
18 Fonte: Adaptado pela autora de <http://informatica.hsw.uol.com.br/lcd7.htm>. Acesso em: 21 dez. 2012. 2.4 Unidade de retroiluminação (BLU, backlight unit) A BLU é a fonte luminosa de um display de LCD. Devido às tendências mundiais de consumo de energia racional e consciente, o consumo de energia dos displays é um assunto de permanente discussão. Grandes esforços para diminuir o consumo de energia dos LCDs se concentram na BLU, responsável por 67% do consumo de energia do display de LCD (ver figura 8). Uma solução encontrada é a substituição das lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFLs) por diodos inorgânicos emissores de luz (LEDs). Esta substituição está ocorrendo de maneira acelerada (ver figura 9). Espera-se que, no caso de televisões, em 2015 todos os LCDs tenham suas BLUs iluminadas por LEDs. Muitas TVs atualmente comercializadas como LED-TV não são TVs de LED, e sim TVs de LCD com BLU de LED. Figura 8 - Distribuição do consumo de energia para um display de LCD Fonte: Ely (2012).
19 Figura 9 - Mercado de TVs por tecnologia 1 Fonte: DisplaySearch (2012). Nota: 1 Atente-se para o crescimento das vendas de televisões de LCD com BLU de LED e a extinção de LCD com BLU de CCFL em 2015. Além da diminuição do consumo de energia, a substituição das BLUs de lâmpadas fluorescentes por LEDs oferece muitas vantagens, tais como (Kobayashi e Mikoshiba, 2009): os LEDs cobrem uma gama de cores maior do que as CCFLs; os LEDs têm uma eficiência maior do que as CCFLs, o que é particularmente importante para dispositivos que usam baterias, tais como netbooks, tablets e notebooks; a utilização de LEDs com montagem na lateral (edge-lit, ver figura 10) permite a obtenção de displays muito finos; os LEDs permitem o monitoramento localizado de brilho ao longo de toda a tela; LEDs são fontes de luz ambientalmente corretas, pois não contêm mercúrio. A produção em massa das lâmpadas de LED tem feito seu preço diminuir significativamente ao longo dos últimos anos. Além da aplicação em BLU, as lâmpadas de LED têm penetrado os importantes mercados de iluminação doméstica, automotivo e de iluminação industrial.
20 Figura 10 - Ilustração dos BLUs para LCDs: CCFL com montagem convencional e LED com montagem na lateral (edge-lit) Fonte: Sony. Disponível em: <http://www.sony.com.au/article/306397/product/kdl-40zx1>. Acesso em: 10 fev. 2013. Neste ponto, é importante mencionar que nem toda a luz oriunda da BLU chega até a superfície externa do display. Deste modo, filmes ópticos são inseridos no display de LCD para melhorar sua eficiência de extração da luz, possibilitando a obtenção de displays com maior brilho e menor consumo de energia. Em geral, estes filmes ópticos são chamados de filmes realçadores de brilho (brightness enhancement film BEF) e consistem de folhas de substratos plásticos texturizados. Diversos tipos de texturas já foram investigados, tais como: arranjos de microlentes, texturas piramidais, texturas prismáticas, texturas randômicas, lentes de Fresnel etc. (Semenza, 2011). A figura 11 apresenta uma ilustração das camadas e dos filmes ópticos que compõem um display de LCD.
21 Figura 11 - Ilustração das camadas e filmes ópticos utilizados em um display de LCD Fonte: Semenza (2011). A Vikuiti 3M dominou o mercado de filmes ópticos durante muitos anos, sendo praticamente a única empresa detentora das patentes e da tecnologia de produção de filmes realçadores de brilho. Apesar da migração da indústria de displays para a Ásia, a Vikuiti 3M manteve as fábricas de filmes ópticos nos Estados Unidos, mostrando a importância estratégica do setor. Com a expiração das patentes da 3M e com o aumento expressivo da produção de displays, novas companhias fabricantes de filmes ópticos surgiram no mercado, a maior parte delas localizadas na Ásia. Algumas das empresas fabricantes de filmes ópticos são: Vikuiti 3M Keiwa Gamma Optical Co. MNTech E-Fun Mitsubishi Rayon Doosan Reflexite Toray Advanced Film Co. UBright Optronics Co.
22 Hi-Light Tek Co. SABIC Kimoto Tsujiden Recentemente a empresa Nanosys, juntamente com a 3M, lançou um filme óptico de quantum dots (QDs) de nanopartículas de fósforo que convertem a luz azul dos LEDs utilizados como BLU em diferentes comprimentos de onda. Os QDs de diâmetro menor emitem luz em comprimentos de onda menores, próximos ao verde. Já os QDs de diâmetro maior emitem luz em comprimentos de onda maiores, próximos ao vermelho. O filme óptico das empresas Nanosys e 3M, chamado de quantum dot enhancement film (QDEF), apresenta uma mistura de QDs com diâmetro controlado que emitem verde e vermelho. A cor azul vem da BLU de LEDs de nitreto de Gálio (GaN). O diâmetro controlado e bastante reduzido dos QDs, da ordem de 2 a 10 nm, permite a obtenção de cores mais puras e intensas. A figura 12 apresenta o espectro do filme óptico QDEF. Figura 12 - Espectro do filme óptico da Nanosys e 3M (quantun dot enhancement film (QDEF) Fonte: Nanosysinc. Disponível em: <http://www.nanosysinc.com/>. Acesso em: 10 maio 2013. A empresa QD Vision também lançou recentemente um componente óptico baseado em QDs para melhorar a qualidade da cores em displays de LCD. Este componente óptico, chamado de QD vision, consiste de um pequeno tubo de comprimento variável de acordo com o tamanho do display, que contém QDs que emitem luz vermelha e verde (figura 13a).
23 Este tubo é inserido na lateral do display, entre os BLUs de LEDs azuis e o painel de guia de luz (LGP, ver figura 13b). A Sony já está utilizando esta tecnologia em suas TVs de LCD de alta definição da linha Bravia. Estas tecnologias com QDs buscam melhorar a performance de cor das TVs de LCD frente à excelente performance de cor dos displays de OLED. (a) (b) Figura 13 - (a) Componente óptico Color IQ da empresa QD Vision; (b) Ilustração do componente óptico Color IQ no display de LCD Fonte: A autora. 2.5 Tecnologias para aumentar o ângulo de visão em displays de LCD Existem várias tecnologias para aumentar o ângulo de visão (ângulo máximo em que as imagens do display podem ser visualizadas com um desempenho visual aceitável) nos displays de LCD. A tecnologia de chaveamento no plano (in-plane switching IPS) foi desenvolvida pela Hitachi em 1996. Na tecnologia IPS, os eletrodos estão no plano e as moléculas de cristal líquido se movem horizontalmente em relação aos eletrodos, ao invés de perpendicularmente, como nos displays de LCD com cristal líquido TN convencionais. A Hitachi, a Panasonic e a LG são algumas das empresas que utilizam esta tecnologia.
24 Outra tecnologia utilizada para melhorar o ângulo de visão é a tecnologia de alinhamento vertical multidomínio (multidomain vertical alignment MVA). Esta tecnologia foi desenvolvida pela Fujitsu em 1998 e se baseia no alinhamento vertical das moléculas de cristal líquido. Algumas das empresas que usam esta tecnologia são a Fujitsu, a AUO e a Chi Mei. Há uma variedade de configurações associadas a estas duas tecnologias. Estas configurações são desenvolvidas pelos fabricantes de displays e estão em constante evolução. Por exemplo, a AUO desenvolveu a premium MVA (P-MVA) e a Chi Mei e a Fujitsu desenvolveram a tecnologia super MVA (S-MVA). A Samsung desenvolveu as tecnologias patterned vertical alignment (PVA) e super patterned vertical alignment (S- PVA). A figura 14 apresenta uma ilustração comparando o arranjo das moléculas de cristal líquido em displays de LCD com as tecnologias TN, IPS e MVA. Na figura 15, temos a comparação da imagem de displays com tecnologia LCD-TN e LCD-IPS em ângulo de 45. Figura 14 - Comparação do arranjo das moléculas de cristal líquido em displays de LCD com as tecnologias TN, IPS e MVA Fonte: <http://uk.hardware.info/reviews/2582/4/background-display-technologies-currentdisplay-technologies>. Acesso em: 10 jun. 2013.
25 Figura 15 - Ilustração comparativa da imagem de displays LCD-TN (direta) e LCD-IPS (esquerda) em ângulo de 45 Fonte: Blog Why LG TV. Disponível em: <http://whylgtv.lge.com/archives/3508>. Acesso em: 10 jun. 2013. 2.6 Processos de fabricação de AMLCD Os processos de fabricação de displays de LCD são bastante similares aos processos utilizados na indústria de semicondutores. Os processos de deposição de materiais (isolantes, semicondutores e metais), fotolitografia e corrosão são comuns para ambas as indústrias. A grande diferença entre a indústria de displays e a de semicondutores é o substrato utilizado para a fabricação dos TFTs. Na indústria de displays os TFTs são fabricados sobre substratos de vidro, enquanto na indústria de semicondutores o substrato utilizado é o silício. A temperatura de processamento também é bastante inferior para os displays (temperatura máxima entre 300 e 500 C), enquanto para a fabricação de semicondutores a temperatura de processamento pode chegar até 1.000 C. A seguir serão apresentadas as etapas de processo envolvidas na fabricação dos TFTs e do filtro de cor, bem como a integração destas duas camadas. Por fim, serão ilustradas as etapas de processo finais para fabricação do módulo de AMLCD. Todas as etapas de processo são realizadas em salas limpas, com controle dos contaminantes. Este controle é expresso pelo número de partículas por metro cúbico. 2.6.1 Generation (Gen.) Um conceito importante ao se tratar de displays é o termo generation (geração), ou simplesmente Gen. Este termo indica o tamanho do substrato de vidro utilizado na
26 fabricação dos displays. A figura 16 apresenta uma ilustração do tamanho dos vidros Gen. 3.5, Gen. 5 e Gen. 7. Em geral, fábricas de gerações maiores produzem displays para aplicação em grande área (televisões) e fábricas de gerações menores os produzem para smartphones, tablets etc. Como o custo para se aumentar o tamanho do substrato de vidro não é muito grande, o custo por metro quadrado diminui para fábricas de gerações maiores. Por isso, as fábricas de displays estão em um constante processo de aumento do tamanho do substrato de vidro de suas fábricas. Vidros para display não podem conter sódio ou íons alcalinos, pois estes contaminam os materiais e danificam o TFT. No mundo, as principais empresas fabricantes de vidro para displays são a Corning, a Schott e a Asahi Glass. Atualmente a Sharp (Japão) possui uma fábrica que opera com o maior substrato de vidro Gen. 10 ou 2.85 x 3.05 m. Os vidros são processados até a última etapa em seu tamanho original e somente são cortados quando os painéis já estão prontos. A etapa de corte dos painéis é muito importante, e as fábricas procuram otimizar esta etapa para ter um maior aproveitamento dos painéis. Gen 7 (2.25x1.95 m) Gen 5 (1.1 x 1.25 m) Gen 3.5 (0.65 x 0.83 m) Figura 16 - Ilustração do tamanho do substrato de vidro para Gen.7, Gen.5 e Gen. 3.5 Fonte: Imagem adaptada de AUO. Disponível em: <http://www.auo.com/?sn=188&lang=en-us>. Acesso em: 10 dez. 2012.
27 2.6.2 Fabricação do TFT A figura 17 apresenta as etapas de processo envolvidas na fabricação do TFT de silício amorfo hidrogenado (a-si:h). Para outros tipos de materiais, como silício policristalino e óxidos amorfos semicondutores (AOS), há um aumento do número de etapas de processo para fabricação do TFT. A etapa inicial na fabricação do TFT de a-si:h consiste na deposição e gravação do metal do eletrodo de porta (gate electrode). Conforme ilustrado na figura 17, esta etapa consiste de oito processos principais: deposição do metal por deposição química em fase vapor assistida por plasma (PECVD) ou sputtering, limpeza, deposição do fotoresiste por spin coating, exposição, revelação, corrosão, remoção do fotoresiste e inspeção. Esta sequência de processos é realizada para a deposição e gravação de cada uma das camadas do TFT: metal (eletrodo de porta), eletrodo de fonte e dreno, camada de passivação e eletrodo de ITO. Figura 17 - Ilustração das etapas de processo envolvidas na fabricação do TFT de silicio amorfo Fonte: Figura cedida por Daniel den Engelsen. 2.6.3 Deposição e gravação do filtro de cor A figura 18 apresenta os processos envolvidos na fabricação do filtro de cor. O processo inicial consiste na deposição e gravação da black-matrix, utilizada para evitar a perda de luz da BLU. A black-matrix consiste de uma camada metálica; os processos para
28 deposição e gravação são similares aos descritos anteriormente para a fabricação do TFT. Como o filtro de cor consiste de materiais orgânicos em matrizes poliméricas fotossensíveis, estes são depositados e gravados pela sequência de processos: deposição do filtro de cor por spin coating, exposição, revelação e inspeção. Figura 18 - Ilustração das etapas de processo envolvidas na fabricação do filtro de cor Fonte: Figura cedida por Daniel den Engelsen. 2.6.4 Fabricação da Célula de AMLCD Na etapa de fabricação da célula de AMLCD, ocorre a integração do TFT com o substrato que contém o filtro de cor. Após a integração, os painéis são cortados e preenchidos com cristal líquido.
29 Figura 19 - Ilustração da integração do TFT com o substrato que contém o filtro de cor e das etapas de corte e preenchimento dos painéis de AMLCD com cristal líquido Fonte: Figura cedida por Daniel den Engelsen. 2.6.5 Fabricação do módulo de AMLCD A figura 20 mostra as últimas etapas de processo de fabricação do módulo de AMLCD. Nestas últimas etapas, a célula de cristal líquido é limpa antes da aplicação dos polarizadores. Em seguida, as placas de circuito impresso são conectadas e os filmes ópticos são inseridos, assim como as lâmpadas da BLU. Figura 20 - Ilustração das etapas de processo para fabricação do módulo Fonte: Figura cedida por Daniel den Engelsen.
30 3 Display de OLED (Diodo Orgânico Emissor de Luz) 3.1 Princípio de funcionamento Os OLEDs são dispositivos autoemissores de luz que vêm despontando como uma tecnologia promissora para aplicação em displays e, mais recentemente, na área de iluminação. O marco inicial no desenvolvimento dos OLEDs foi o trabalho realizado por pesquisadores da Eastman Kodak. Em 1987, C. W. Tang e S. A. Van Slyke reportaram a bem-sucedida construção de um dispositivo eletroluminescente utilizando pequenas moléculas orgânicas depositadas por evaporação térmica como materiais emissores de luz. O dispositivo apresentou alta eficiência e alto brilho (> 1.000 cd/m 2 ) com uma baixa tensão de acionamento (10 V), mostrando a viabilidade da utilização de semicondutores orgânicos em dispositivos do tipo OLED (Tang e Van Slyke, 1987). A estrutura básica de um dispositivo OLED consiste em um empilhamento de camadas orgânicas de espessura nanométrica (< 100 nm) entre um ânodo, em geral ITO depositado sobre substrato de vidro ou plástico, e um cátodo metálico. As principais camadas orgânicas dos OLEDs são: camada injetora de buracos (HIL), camada transportadora de buracos (HTL), camada emissiva (EML), camada transportadora de elétrons (ETL) e camada injetora de elétrons (EIL). A camada emissiva pode conter materiais emissores de diferentes cores ou a mistura de materiais para obtenção de emissão de luz branca. Para melhorar os processos de injeção e transporte de cargas e obter uma melhor eficiência dos dispositivos, os OLEDs apresentam estruturas com mais de dez camadas orgânicas. A figura 21 apresenta a ilustração da estrutura de um dispositivo OLED simples.
31 Figura 21 - Ilustração da estrtura de um dispositivo OLED simples Fonte: A autora. Todos os processos de deposição e gravação das camadas que compõem um OLED são realizados em ambientes inertes com controle de umidade e oxigênio chamados glovebox, ou câmara de luvas (figura 22). Isto é necessário, pois os materiais orgânicos são muito susceptíveis à degradação quando expostos à umidade. Antes de se retirar um dispositivo OLED da glove-box, este é encapsulado com materiais que apresentam uma taxa de transmissão de vapor de água (WVTR) da ordem de 10-6 g/m 2 /dia (Mullen e Scherf, 2006). A tecnologia para encapsulamento que vem sendo atualmente desenvolvida por empresas e grupos de pesquisa chama-se thin film encapsulation (TFE), e consiste de um sistema multicamadas de materiais inorgânicos e orgânicos depositados de maneira intercalada através de processos de deposição por sputtering ou PECVD. Os materiais inorgânicos, como nitreto de silício (SiN), apresentam WVTR da ordem de 10-6 g/m 2 /dia, porém, quando na forma de filmes finos, podem apresentar defeitos que comprometem sua excelente propriedade de barreira. Deste modo, camadas orgânicas são depositadas com a finalidade de planarizar a superfície e melhorar a qualidade da deposição das camadas inorgânicas. O uso de sistemas multicamadas dificulta a mobilidade e a penetração das moléculas de água através dos defeitos das camadas inorgânicas. 3 3 C-C. Wu, Fundamentals of OLED Technology, Curso ministrado no dia 19/05/2013 durante o evento Display Week 2013, realizado em Vancouver, Canadá.
32 Figura 22 - Sistema de glove-box (câmaras de luvas) para fabricação de OLEDs e células solares instalada no laboratório da Divisão de Mostradores de Informação do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI) Fonte: A autora. Em dispositivos OLEDs simples, com o auxílio de eletrodos condutores, um campo elétrico é aplicado ao material, de forma que elétrons são injetados do cátodo e buracos (ou lacunas), do ânodo. Sob influência de um campo interno, estas cargas positivas e negativas movem-se através do material, indo diretamente ao eletrodo de sinal oposto. Durante essa migração, a probabilidade de encontro destas cargas de sinais opostos é proporcional a sua concentração, e quando isso ocorre há a formação de espécies eletronicamente excitadas denominadas éxcitons. Com o decaimento radiativo do éxciton, ocorre a emissão de luz. 3.2 Materiais para OLEDs Os dois principais tipos de materiais utilizados na fabricação de OLEDs são os polímeros semicondutores e as pequenas moléculas semicondutoras também conhecidas como small molecules. Os polímeros são moléculas bastante grandes (macromoléculas), compostas de unidades estruturais que se repetem várias vezes e, portanto, possuem alta massa molar. Estes materiais são solúveis em solventes orgânicos e podem ser depositados, por exemplo, através de impressoras especiais do tipo jato de tinta (ink-jet). As pequenas moléculas semicondutoras são moléculas com baixa massa molar. Na maioria dos casos, estes materiais são depositados por processos de deposição física em fase vapor (PVD),
33 mas já há pesquisas sendo desenvolvidas para a utilização das pequenas moléculas em processos de deposição de materiais em solução como ink-jet. Até o momento, as pequenas moléculas apresentam melhor performance (eficiência e tempo de vida) e menor custo para aplicação em OLEDs. Desde a última década, materiais baseados em íons de metais de transição (bloco d) e complexos contendo íons de terra rara (bloco f) têm sido utilizados na confecção de OLEDs, com a finalidade de aumentar sua eficiência. Estes materiais, também chamados de materiais fosforescentes, podem ser misturados aos polímeros ou às pequenas moléculas, permitindo a utilização de éxcitons singletos e tripletos, podendo atingir eficiência interna de até 100%, enquanto OLEDs de materiais fluorescentes somente utilizam éxcitons singletos, o que resulta na limitação da eficiência interna a 25%. Outro material também utilizado em OLEDs são os quantum-dots (QDs). Os QDs consistem de cristais semicondutores com diâmetro de apenas alguns nanômetros que possibilitam a obtenção de cores mais puras, devido ao estreitamento da largura da banda de emissão. Em geral, pequenas quantidades de QDs são misturadas às matrizes poliméricas. A figura 23 apresenta três estruturas químicas de materiais utilizados na fabricação de OLEDs o polímero PFO (poli(9,9-di-n-octilfluorenil-2,7-diil)), a pequena molécula Alq3(tris(8-hidroxiquinolinato de alumínio)) e o complexo organometálico Tris[2- fenilpiridinato-c 2,N]iridio(III). Para comprar em escala laboratorial no Brasil, o grama do PFO custa aproximadamente R$ 2 mil, o grama do Alq3 custa R$ 500, enquanto 250 miligramas do complexo de irídio custam cerca de R$ 2,3 mil. 4 Isto se deve aos processos de síntese e purificação, que são muito mais complicados, usados para a obtenção dos complexos organometálicos e polímeros. 4 Dados obtidos em 15 dez. 2012 no site: <http://www.sigmaaldrich.com>.
34 (a) (b) (c) Figura 23 - Fórmula química estrutural de materiais utilizados em OLEDs: (a) polímero PFO; (b) pequena molécula Alq3; e (c) complexo organometálico de Ir 3+ Fonte: A autora. Moléculas orgânicas eletroluminescentes de derivados de dicianobenzenos têm sido investigadas para a utilizacão em OLEDs, devido a sua capacidade de conversão dos estados não radiativos tripletos em estados radiativos singleto, com o consequente aumento da eficiência dos OLEDs. Estas moléculas são chamadas de thermally activated delayed fluorescence (TADF), e são tão eficientes quanto os materiais fosforescentes, mas com potencial de apresentar um custo mais baixo que os materiais fluorescentes (Uoyama et al., 2012, p. 234-238). 3.3 Tecnologias para deposição de materiais orgânicos Atualmente, a totalidade dos displays de matriz ativa de OLED (AMOLED) comercialmente disponíveis são fabricados através de PVD de pequenas moléculas orgânicas, utilizando-se máscaras mecânicas para gravação dos píxeis. Há um grande esforço sendo realizado para se obterem AMOLEDs através de processos de deposição de materiais em solução, com a finalidade de diminuir o alto custo dos processos de fabricação de AMOLEDs por PVD. Este alto custo se deve ao uso de câmaras com alto vácuo, desperdício de material depositado nas paredes da câmara de PVD e nas máscaras mecânicas, e uso de máscaras mecânicas para gravação dos píxeis. Além disso, a sucessiva introdução e retirada das máscaras mecânicas da câmara de PVD pode resultar na introdução de partículas contaminantes na câmara. Estas partículas podem gerar defeitos nos AMOLEDs, além de contribuírem para diminuição do tempo de vida. Um outro aspecto negativo do processo de PVD para obtenção de AMOLEDs está relacionado com a
35 dificuldade de escalonamento do processo de PVD, que requer a fabricação de câmaras de alto vácuo com dimensões muito grandes, além da utilização de máscaras mecânicas também muito grandes. A figura 24 apresenta uma ilustração do processo de deposição dos materiais orgânicos por PVD (evaporação térmica) utilizando máscara mecânica para gravação dos píxeis. Figura 24 - Ilustração do processo de deposição de materiais orgânicos por evaporação térmica utilizando máscara mecânica para gravação dos píxeis Fonte: <http://www.sinto-sp.co.jp/en/application/oled.html>. Os problemas associados ao pior desempenho dos OLEDs preparados por técnicas de deposição de materiais solúveis, como os OLEDs poliméricos, têm sido intensivamente atacados através da melhora das propriedades dos materiais. Deste modo, há uma grande expectativa da entrada deste tipo de AMOLED no mercado. Seu custo deve ser mais baixo do que os dos OLEDs obtidos por PVD de pequenas moléculas, e o escalonamento para grandes áreas deve ser mais fácil (figura 25). Recentemente, a Panasonic apresentou um protótipo de TV de OLED de 56 polegadas (resolução 4K (3840x2160)) em que todas as camadas orgânicas foram depositadas através da tecnologia de impressão jato de tinta (inkjet), conforme se vê na figura 26. A figura 27mostra uma impressora jato de tinta utilizada para deposição de polímeros ou outros materiais solúveis para fabricação de dispositivos OLEDs e células solares orgânicas.
36 Figura 25 - Comparação do custo de OLEDs de pequena e grande área obtidos por processos de deposição de materiais em solução e PVD em relação ao custo do LCD Fonte: Feehery et al. (2007). Figura 26 - Protótipo de TV de OLED de 56 polegadas da Panasonic com camadas orgânicas depositadas através da tecnologia de impressão jato de tinta Fonte: PCWorld (2013).
37 Figura 27 - Impressora jato de tinta DMP-2831 (FUJIFILM Dimatix) utilizada para a deposição de polímeros na fabricação de dispositivos OLEDs e células solares orgânicas Fonte: A autora. Uma outra técnica de deposição dos materiais orgânicos em OLEDs baseia-se na aplicação de laser para a transferência e gravação dos materiais orgânicos. A técnica laser induced thermal imaging (LITI) foi desenvolvida pela Samsung em conjunto com a 3M. Nesta técnica, os materiais orgânicos são previamente depositados (podem ser utilizadas diferentes técnicas, como evaporação térmica ou spin coating) em uma película plástica juntamente com outras duas camadas intermediárias (estas camadas irão converter a radiação do laser em calor). Em seguida, é realizado o alinhamento óptico do laser e do substrato que receberá as camadas orgânicas. A película plástica com o material orgânico e as camadas intermediárias é então laminada sobre o substrato e realiza-se a gravação e transferência do material orgânico com o laser. A película plástica é então descartada. Esta técnica permite a obtenção de OLEDs com alta resolução. A figura 28 apresenta uma comparação das diferentes técnicas para deposição e gravação dos materiais orgânicos em OLEDs.
38 Figura 28 - Comparação dos métodos de deposição e gravação dos materiais orgânicos em OLEDs Fonte: Semenza (2013) 3.4 Tipos de AMOLED As empresas coreanas Samsung e LG dominam o mercado de AMOLEDs atualmente. A principal diferença entre os OLEDs fabricados por essas empresas encontrase na estrutura do píxel. A LG utiliza um sistema de OLED branco com filtro de cor (WRGB) para definir o padrão de cores RGB. Já a Samsung utiliza um sistema com os subpíxeis nas cores RGB, e portanto não utiliza filtro de cor. Ambos os sistemas apresentam vantagens e desvantagens. A figura 29 apresenta um quadro-resumo dos tipos de AMOLED fabricados pela LG e pela Samsung.
39 Figura 29 - Características dos AMOLEDs fabricados pelas empresas Samsung e LG Fonte: Kwon (2013) Até o momento, a tecnologia da LG parece mais madura, uma vez que esta empresa saiu na frente na corrida dos displays de grande área de AMOLED, com o início das vendas na Coreia do Sul de sua TV de 55 polegadas em fevereiro de 2013 pelo preço de US$ 10 mil (figura 30). Em breve, a LG deverá iniciar as vendas da primeira TV de AMOLED 3D curva de 55 polegadas (figura 31). O display curvo promove uma melhor experiência visual. O preço para a Coreia do Sul foi estimado em US$ 13,5 mil.
40 Figura 30 - Primeira TV de AMOLED comercializada no mundo, fabricada pela LG Fonte: A autora. (a) (b) Figura 31 - Primeira TV de AMOLED 3D "curva" do mundo, fabricada pela LG: (a) vista fronta; (b) vista lateral Fonte: A autora.
41 3.5 OLED x LCD A estrutura dos displays de OLED é mais simples que a daqueles de LCD, pois, como os displays de OLED são autoemissores de luz, não necessitam de BLU e filmes polarizadores (figura 32). Portanto, os de OLED têm potencial para apresentar um custo de fabricação mais baixo. A fina espessura do display, a alta razão de contraste, o baixo tempo de resposta e o amplo ângulo de visão são vantagens comuns dos displays de AMOLEDs em relação aos de AMLCDs. Displays de AMOLED de grande área ainda precisam ser otimizados com relação ao tempo de vida e consumo de energia. A figura 33 apresenta uma comparação do desempenho de displays de AMLCD com tecnologia IPS, AMOLED branco com filtro de cor (RGBW) e AMOLED RGB. Figura 32 - Desenho esquemático da estrutura de displays de LCD e OLED Fonte: Nogueira (2012).
42 Figura 33 - Comparação do desempenho de displays de LCD-IPS, AMOLED-RGB e AMOLED-RGBW Fonte: Ukai (2013). 3.6 OLEDs para Iluminação OLEDs com emissão de luz branca apresentam grande potencial para aplicação como fontes de iluminação. A fabricação dos OLEDs para iluminação é mais simples do que a fabricação de displays, pois lâmpadas de OLED não necessitam de TFTs. Empresas como Philips, Novaled, Osram e muitas outras têm investido no desenvolvimento de OLEDs para iluminação. Os OLEDs ainda apresentam tempo de vida e eficiência inferiores aos LEDs, mas destacam-se pela liberdade de forma, fina espessura e flexibilidade. Estas características permitem imaginar um futuro no qual as janelas de casas serão substituídas por painéis de OLEDs brancos que, quando desligados, proporcionarão visibilidade da área externa e, quando ligados, fornecerão iluminação para o ambiente interno e ao mesmo tempo proporcionarão privacidade em relação ao ambiente externo (figura 34). Os OLEDs com emissão de luz branca também poderão ser utilizados como BLU em displays de LCD, além de outras inúmeras aplicações. Muitas luminárias de OLED já foram desenvolvidas e estão sendo comercializadas, porém, devido ao alto custo,
43 até o momento o segmento atendido pelos OLEDs é o mercado de alto luxo, como hotéis de alto padrão. A figura 35 apresenta luminárias de OLED. Figura 34 - Ilustração da utilização de painéis de OLEDs para iluminação em janelas Fonte: Osram (2013). (a)
44 (b) Figura 35 - Luminárias de OLED: (a) Airabesc, da OSRAM; e (b) Living Sculpture, da Philips Fonte: Osram (2013); Philips (2013). 4 Display de e-paper Os displays conhecidos como e-paper, que consistem em um conjunto de tecnologias que procuram imitar a aparência da tinta no papel, têm dominado o nicho de mercado de livros eletrônicos (e-books). Este tipo não emite luz e não possui BLU, gerando um grande conforto visual ao usuário em qualquer condição de iluminação. Outras de suas vantagens estão relacionadas ao baixo consumo de energia, baixo custo de fabricação e possibilidade da obtenção de displays flexíveis. Até o momento, a tecnologia de e-paper mais madura é a da E-Ink. Trata-se de um display eletroforético (EPD) com modo de acionamento vertical. Nesta tecnologia, partículas eletroforéticas pretas e brancas com tamanho de dezenas de micrometros são eletricamente carregadas com cargas de sinais opostos (Bert e D Smet, 2003, p. 103-110 e 223-230). Essas partículas são microencapsuladas e se encontram dispersas em fluido transparente (Comiskey et al., 1998, p. 253; Park et al., 2006, p. 644-648). Quando aplicado um campo elétrico, as partículas se movimentam em uma determinada direção, dependendo de sua carga. Essa movimentação cria regiões com maior ou menor densidade de partículas, consequentemente aumentando ou diminuindo o contraste nessas regiões (figura 36). Mesmo quando não está sendo aplicado um campo elétrico, as partículas
45 continuam eletricamente carregadas, e deste modo só há consumo de energia quando é necessário mudar o conteúdo a ser visualizado no display. Apesar de possuírem matriz ativa, observa-se que estes displays ainda apresentam limitações, tais como o longo tempo de resposta, a dificuldade de exibição de vídeos e a dificuldade de se obter displays coloridos. Existem vários produtos no mercado baseados nesta tecnologia, sendo o livro eletrônico Amazon Kindle o mais conhecido. Figura 36 - Ilustração das microcápsulas de partículas eletroforéticas Fonte: E-Ink (2012). Além da aplicação em livros eletrônicos (e-books), estes displays apresentam muitas outras aplicações, em etiquetas eletrônicas, celulares, relógios, placas de sinalização, partituras eletrônicas, cartões inteligentes etc. A figura 37 mostra alguns exemplos de aplicações de displays eletroforéticos. Outras tecnologias de e-paper são: eletrocrômica, eletrocinética, electrowetting e MEMs-IMOD.
46 (a) (b) Figura 37 - Displays eletroforéticos da E Ink aplicados em (a) relógio; e (b) etiquetas eletrônicas Fonte: A autora. 5 Transistor de Filme Fino (TFT) O elemento fundamental nos displays de matriz ativa, ou seja, aqueles que exibem imagens em alta definição, com capacidade de exibição de vídeo, coloridos e de grande área, é o TFT. Os transistores são responsáveis pelo acionamento de cada subpíxel individualmente. Os principais materiais para fabricação de TFTs utilizados atualmente são o a-si:h, o silício policristalino obtido a baixa temperatura (LTPS) e o AOS, sendo o mais conhecido o óxido de índio, gálio e zinco (IGZO). A figura 38 apresenta desenhos das estruturas destes tipos de TFTs, podendo-se observar que a estrutura do TFT de LTPS é bastante complexa se comparada com o a-si:h e o IGZO, que apresentam estruturas bastante semelhantes. Os TFTs de IGZO ainda se encontram em fase de desenvolvimento, mas têm apresentado resultados promissores que atendem as tendências tecnológicas das novas gerações de displays: displays de ultra alta definição, displays de grande área, displays 3D, displays flexíveis e transparentes.
47 (a) (b) (c) Figura 38 - Ilustração das estruturas (em corte) dos TFTs de: (a) a-si:h; (b) IGZO; e (c) LTPS Fonte: Latin Display; IDRC International Display Research Conference (2012). A tabela 1 apresenta um quadro-resumo com as principais características dos TFTs de diferentes materiais. Atualmente, a maioria dos displays AMLCD emprega a-si:h como material semicondutor no TFT, em virtude de sua boa uniformidade em grandes áreas e baixo custo de fabricação. Porém, no caso de AMLCDs de maior definição, não é possível utilizar TFTs de a-si:h, devido à sua baixa mobilidade eletrônica (~1 cm 2 /Vs). Para displays de AMOLED, os TFTs de a-si:h também não são adequados, pois o display de AMOLED é acionado por corrente e requer alta mobilidade eletrônica e boa estabilidade elétrica para seu funcionamento, o que até o momento não foi possível com TFTs de a- Si:H. Nestes casos, uma das opções é a utilização de TFTs de LTPS, cuja mobilidade eletrônica varia de 10 a 500 cm 2 /Vs. Além disso, TFTs de LTPS apresentam excelente estabilidade elétrica. Para a obtenção deste tipo de TFT, o silícioa amorfo é cristalizado através de processos que envolvem a utilização de lasers. Este tipo de equipamento tem um custo muito elevado e o processo de cristalização do silício ainda não apresenta boa
48 uniformidade para grandes áreas. Este é um dos fatores que tem dificultado a obtenção de displays de AMOLED de grande área. Tabela 1 - Quadro comparativo das diferentes tecnologias de TFTs: silício amorfo hidrogenado (a-si:h), silício policristalino de baixa temperatura (LTPS) e óxido de índio, gálio e zinco (IGZO) a-si:h LTPS IGZO Tamanho do substrato de vidro (generation) Gen. 8 (2160 mm x 2460 mm) Gen. 8 (Samsung) Gen 8 (Sharp) Mobilidade eletrônica Baixa ~ 1 cm 2 /Vs Alta 10-500 cm 2 /Vs Média 1-40 cm 2 /Vs Uniformidade Alta Baixa Alta Custo/rendimento Baixo/alto Alto/baixo Baixo/alto Temperatura de processamento ~ 250 o C > 250 o C Temperatura ambiente a ~300 o C Tipos de display LCD LCD, OLED LCD, OLED Desafios Baixa mobilidade e baixa estabilidade Baixa uniformidade, escalonamento e custo elevados Baixa estabilidade da tensão de limiar (Vth) e reprodutibilidade Fonte: Adaptado de Kamiya, Nomura e Hosono (2010); NPD DisplaySearch (2012). Desde 2004, AOS tais como o óxido de zinco e estanho (ZTO) e IGZO têm demonstrado serem excelentes alternativas para TFTs da próxima geração de displays de
49 matriz ativa. TFTs de IGZO apresentam desempenho superior ao a-si:h, baixa temperatura de processamento e transparência próxima a 90% na faixa do espectro visível. Além disso, os TFTs de AOS podem ser fabricados utilizando os mesmos equipamentos da indústria atual de TFTs dea-si:h com pequenas modificações. Muitas empresas têm divulgado planos para converter suas linhas de produção de TFTs de a-si:h em TFTs de IGZO, conforme mostra a tabela 2. Tabela 2 - Migração das linhas de produção de TFTs a-si:h para IGZO das principais fabricantes de displays de AMLCD e AMOLED Fonte: Display Search (2012). Apesar das inerentes vantagens dos TFTs de AOS, ainda existem questões importantes a serem abordadas, como a reprodutibilidade dos transistores e a baixa estabilidade da tensão de limiar (threshold voltage, Vth). Para aplicação em displays de AMOLED, as dificuldades são ainda maiores, uma vez que o circuito de acionamento dos displays de OLED é mais complexo que o dos displays de LCD e requerem mais de um transistor por subpíxel. O transistor responsável pelo controle da corrente é bastante sensível a variações de Vth. Pequenas variações de Vth levam a distorções significativas nas imagens exibidas pelos displays (BNP Paribas, 2012, p. 1-16).
50 6 Eletrodos Transparentes e Condutores Como já mencionado nas seções que tratam sobre o princípio de funcionamento de displays de LCD e OLED, os eletrodos transparentes e condutores são um elemento comum não só em vários tipos de displays, mas também em telas de toque, células solares e outros dispositivos optoeletrônicos. A figura 39 apresenta algumas características requeridas destes eletrodos para tais aplicações. Figura 39 - Características requeridas para aplicação de materiais como eletrodos transparentes e condutores em displays, telas de toque, células solares e dispositivos optoeletrônicos Fonte: Displaybank (2012). Atualmente, a tecnologia mais adotada consiste no filme de ITO fabricado por PVD (sputtering). No entanto, filmes de ITO apresentam limitações em relação à flexibilidade e, além disso, o índio é um metal raro, podendo apresentar problemas de esgotamento de recursos. Há uma demanda crescente por eletrodos transparentes e condutores, de modo que o desenvolvimento de novos materiais com menor custo, maior flexibilidade e melhor relação entre transparência e condutividade têm sido alvo de muitas empresas e grupos de pesquisa. Eletrodos baseados em materiais orgânicos (como polímeros condutores) têm sido desenvolvidos, mas muitos desafios ainda precisam ser vencidos com relação ao comprometimento da transparência com o aumento da condutividade e a baixa durabilidade. Até o momento, os materiais mais promissores para aplicação em eletrodos são o grafeno, nanotubos de carbono e nanofios de prata (Displaybank, 2012; Kim et al., 2009, p. 706-710).
51 O Brasil apresenta uma grande iniciativa para o desenvolvimento de pesquisas em grafeno, com a criação de um centro de pesquisas dedicado ao estudo do grafeno e suas aplicações nas áreas química, engenharia de materiais e fotônica. Trata-se do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno e Nanomateriais (MackGraphe), em operação desde 2013 e cuja sede própria está sendo construída nas dependências da Universidade Presbiteriana Mackenzie e tem a inauguração prevista para o ano de 2015. O Centro conta com investimentos da própria universidade, da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) (Barros, 2013, p. 52-54; Matsu, 2014).. 7 Displays Flexíveis Displays flexíveis são aqueles que podem ser fabricados em substratos plásticos, folhas metálicas flexíveis ou até mesmo em folhas de vidro muito finas (figura 40), conferindo-lhes diversas características, como espessura bastante fina, baixo peso, possibilidade de dobrar e enrolar sem perder sua funcionalidade (Crawford, 2005, p. 1-9). (a)
52 (b) Figura 40 - Vidros "flexíveis" para displays: (a) Willow Glass de 0,1 mm de espessura adequado para processo roll-to-roll (Corning); e (b) Spool de 0,05 mm de espessura da Asahi Glass Fonte: A autora. A figura 41 apresenta uma tendência da evolução em cinco fases dos dispositivos baseados em displays flexíveis do tipo e-paper e AMOLED. De acordo com Ruiqing Ma e colaboradores (Ma. Hack e Brown, 2010, p. 8-14), em um primeiro momento os displays apresentam baixo consumo e, embora ainda sejam feitos em vidro, são leves e delgados. Em uma segunda fase, o substrato de vidro é substituído por materiais flexíveis, tornando os displays mais leves, inquebráveis e conferindo-lhes uma flexibilidade limitada. Em uma terceira fase, os displays tornam-se dobráveis, devido à utilização de substratos mais flexíveis e delgados. O fato de os displays tornarem-se dobráveis abre novas oportunidades de aplicação como, por exemplo, a utilização de displays de OLED totalmente coloridos com mapas em roupas de militares. Em uma quarta fase, tornam-se mais flexíveis ainda, podendo ser enrolados e tornando-se bastante compactos. Em uma fase final, adquirem uma grande flexibilidade, de modo que podem ser conformados de qualquer maneira, como o papel. Cada uma das fases da evolução dos displays flexíveis apresenta uma gama enorme de possibilidades de aplicação.
53 Figura 41 - Previsão da evolução (da esqueda para a direita) dos dispositivos baseados em displays flexíveis e-paper (topo) e displays AMOLED (embaixo) Fonte: Ma, Hack e Brown (2010). Muitas empresas têm demonstrado protótipos de displays flexíveis, incluindo a Samsung, LG, Plastic Logic, Bridgestone, E Ink, Fujitsu, Sharp e outras. A figura 42 mostra alguns protótipos. O processo de fabricação contínuo por rolos (roll-to-roll) é parecido com a tecnologia off-set utilizada para a impressão de jornais e revistas e apresenta-se como uma tecnologia chave para a obtenção de displays flexíveis com menor custo e maior rendimento. De maneira geral, no processo de fabricação contínuo por rolos, uma linha contínua de processos é alimentada por uma bobina de substrato plástico adequado para a fabricação de displays, e rolos com padrões pré-gravados transferem estruturas para os substratos flexíveis. Ao final da linha de produção, têm-se muitos metros ou quilômetros de displays flexíveis, que são então cortados no tamanho adequado. Esta tecnologia deve revolucionar a indústria em um futuro não muito distante. A figura 43 mostra uma ilustração do processo roll-to-toll para fabricação de displays eletroforéticos desenvolvido pela empresa SiPix, que em 2012 foi comprada pela E Ink.
54 (a) (b) (c) (d) (e) Figura 42 - Protótipos de displays flexíveis: (a) e-paper da Elnk; (b) e (c) celulares com display AMOLED da Samsung; (d) AMOLED da LG; e (e) AMOLED da Sharp Fonte: E Ink, Oled-Info; Autora (2013).
55 Figura 43 - Ilustração do processo roll-to-roll para fabricação de displays eletroforéticos da SiPix Technology Fonte: <http://www.printedelectronicsworld.com/articles/on-a-roll-why-e-ink-is-still-theleader-in-e-paper-00005183.asp?sessionid=1>. Acesso em: 10 jun. 2013. 8 Japan Display Inc. (JDI) No início de 2012, as empresas japonesas Sony, Toshiba e Hitachi, juntamente com a empresa de inovação ligada ao governo japonês, a Innovation Network Corporation of Japan, se uniram, criando a Japan Display Inc. (JDI). A Innovation Network Corporation of Japan fez um investimento de U$ 2,6 bilhões e detém 70% de participação na joint venture. As demais empresas detêm aproximadamente 10% de participação (cada). O objetivo da JDI é fabricar displays de LCD e OLED de área pequena e média, com foco em aplicações para smartphones, tablets, câmeras digitais, equipamentos automotivos e industriais. Atualmente, a JDI lidera o mercado mundial de displays de AMLCD de área pequena e média. Mais recentemente, a JDI decidiu investir em uma linha piloto para a fabricação de displays de OLEDs com TFTs de LTPS. Em 31 de julho de 2014, a JDI, juntamente com as empresas Sony, Panasonic e Innovation Network Corporation of Japan, formaram uma nova empresa chamada JOLED, cujo foco é em OLEDs de área média. A JOLED será lançada oficialmente em janeiro de 2015. A vasta experiência da Sony em OLEDs será de extrema importância nesta nova empreitada da JDI.
56 Na última edição do evento Display Week, da Society for Information Displays (SID), realizado em maio de 2013 no Canadá, a JDI apresentou uma série de protótipos de até 15 polegadas de displays AMLCD de alta definição com TFT de LTPS e tecnologia de toque incell (figura 44-a). Também foi apresentado um protótipo de display de AMOLED de 5,2 polegadas com alta resolução (423 ppi) (figura 44-b). (a) (b) Figura 44 - Protótipos de displays da JDI apresentados no evento Display Week 2013: (a) AMLCD de 12.2 para aplicação automotiva; e (b) AMOLED de 5.2 com resolução de 423 ppi Fonte: A autora. 9 Cenário Brasileiro Com o fim da era dos displays de tubos de raios catódicos (CRTs), e o consequente fechamento das fábricas, o Brasil passou a realizar somente a montagem final (back-end) dos displays de LCD e plasma. Porém, nos últimos anos tem-se observado um grande interesse no estabelecimento de uma fábrica de displays no país. A China, um dos países que lidera a fabricação de displays de LCD, adotou uma estratégia de longo prazo (30 anos) para alcançar a liderança neste setor. O apoio do governo foi o fator determinante para o sucesso desta estratégia. Este apoio se deu através