Este artículo compara estas diferentes tecnologías de visualización y analiza el controlador de píxeles 2T1C para pantallas LCD y el controlador de píxeles 7T1C/2C para pantallas OLED y micro-LED.
Introducción
Este artículo es la primera parte de una serie de dos artículos que tratan sobre las pantallas TFT LCD, OLED y micro-LED en aplicaciones automovilísticas. El artículo compara de forma exhaustiva las características de las pantallas TFT LCD, OLED y micro-LED y las técnicas de los diferentes controladores de píxeles. Además, se analizan la tecnología TFT y las técnicas de alimentación de las pantallas para automóviles.
La primera parte de esta serie se centra en los fundamentos de las pantallas para automóviles, incluidas las tendencias, los retos y la arquitectura de las pantallas. Se presentan los controladores de píxeles para ayudar a comprender la tecnología de alimentación en las pantallas para automóviles.
La segunda parte de esta serie aborda la tecnología de alimentación en las pantallas para automóviles. Se analizan las diferentes tecnologías de pantalla, incluyendo la retroiluminación por bordes y la retroiluminación directa. También se describe brevemente el oscurecimiento local en las pantallas mini-LED.
Tendencias en el habitáculo digital de los automóviles
En los últimos años, la industria automotriz ha evolucionado rápidamente en áreas como la conectividad, la electrificación, la conducción autónoma y la movilidad compartida. Esta evolución ha transformado el diseño del habitáculo para mejorar la experiencia del usuario. La demanda de pantallas más grandes, curvas, con mayor resolución y mayor relación de contraste, así como de nuevos tipos de pantallas para vehículos, es cada vez mayor. Según IHS Markit Automotive Display Market Tracker, en 2018 se vendieron 161,5 millones de paneles de pantalla para automóviles, y se espera que las ventas superen los 200 millones de unidades en 2025.1
Para mejorar la experiencia en el habitáculo, los vehículos modernos cuentan con múltiples tipos de pantallas: el cuadro de instrumentos, la pantalla de información central (CID-Center Information Display), la pantalla de visualización frontal (HUD-Heads up Display), la pantalla del pasajero, la pantalla del retrovisor inteligente, la pantalla del retrovisor lateral y la pantalla de entretenimiento trasera. El cuadro de instrumentos proporciona al conductor información clave, como la velocidad y el estado del indicador de combustible. El HUD proyecta información crucial en el parabrisas. Las pantallas de entretenimiento de los asientos traseros y las pantallas para pasajeros forman parte del sistema de infoentretenimiento, que permite a los pasajeros ver películas o realizar otras actividades de entretenimiento. El sistema de monitorización con cámara digital (CMS-Camera Monitor System) está sustituyendo a los retrovisores exteriores por dos o tres cámaras, y las pantallas de los retrovisores laterales y las pantallas de los retrovisores electrónicos mejoran la percepción visual del conductor del entorno.
Según IHS Markit Automotive Display Market Tracker, el 10 % de los pedidos de paneles de visualización para automóviles en 2018 fueron paneles de 10 pulgadas, y se espera que esta cifra crezca hasta el 18,4 % en 2025.1 En los últimos años, los paneles de visualización de 12,3 pulgadas y más han pasado a ser el tamaño habitual para las pantallas de los cuadros de instrumentos.
Desde que el Tesla Model 3 introdujo una pantalla táctil de 15 pulgadas en 2017, los paneles de visualización para automóviles han tendido a ser más grandes, con mayor resolución, mayores relaciones de contraste y diseños de forma libre. En 2019, el Li Xiang ONE presentó una pantalla de pilar a pilar que incluye dos pantallas de 12,3 y 16,2 pulgadas. En 2023, la serie 3 de BMW introdujo una pantalla táctil curva de 14,9 pulgadas con tecnología de regulación ó atenuación "dimming" , que se extiende desde el lado del conductor hasta la consola central. El prototipo VISION EQXX está equipado con una pantalla de 47,5 pulgadas de pilar a pilar que utiliza tecnología "dimming". La tendencia de las pantallas para automóviles se puede resumir como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Tendencias en las pantallas del habitáculo.2
El HUD de parabrisas completo del prototipo de BMW, Neue Klasse, entrará en producción en 2025. Esta innovadora tecnología HUD permite que todos los pasajeros vean las pantallas en todo el ancho del parabrisas. El borde inferior del parabrisas, con mayor intensidad luminosa y contraste, muestra información relevante para el conductor y los pasajeros. Además, hay una pantalla central de formato libre.3
Arquitectura del panel de la pantalla
Las pantallas LCD TFT de la figura 2, las OLED de la figura 3 y las micro-LED de la figura 4 representan tres tecnologías distintas que revolucionan las capacidades de visualización.
Las pantallas LCD TFT utilizan cristales líquidos intercalados entre dos sustratos de vidrio. El sustrato inferior está incrustado con TFT, mientras que el sustrato superior sirve como filtro de color. Estos cristales líquidos se alinean para modular la rotación de la luz que pasa a través de ellos controlando el flujo de corriente a través de los transistores, lo que provoca cambios en el campo eléctrico. Cada píxel con un color diferente se genera iluminando el filtro de color en proporciones variables.
Figura 2. Estructura de la pantalla LCD TFT.
Por el contrario, las pantallas OLED no requieren retroiluminación gracias a su capacidad autoemisiva. La estructura básica de las OLED consiste en una capa orgánica emisora de luz sobre vidrio de óxido de indio y estaño (ITO). Esta capa orgánica emisora de luz se encuentra entre dos electrodos metálicos de baja función de trabajo: el cátodo superior y el ánodo inferior.
Cuando se aplica un voltaje externo al cátodo y al ánodo, la capa de transporte de electrones (ETL-Electron Transport Layer) y la capa de transporte de huecos (HTL-Hole Transport Layer) inyectan electrones y huecos en la capa orgánica emisora de luz con un volumen y una velocidad controlados. Este proceso hace que los OLED emitan luz. Se puede producir luz roja, verde y azul utilizando diferentes materiales químicos en los OLED. En consecuencia, las pantallas OLED son más finas, más eficientes energéticamente y ofrecen una reproducción del color y un contraste superiores.
Figura 3. Estructura de una pantalla OLED.
Las pantallas micro-LED son un avance reciente que utiliza matrices de LED microscópicos como píxeles individuales. Normalmente, el tamaño del chip de los micro-LED es inferior a 50 µm, lo que los hace prácticamente invisibles al ojo humano. Gracias a su tamaño reducido y a su avanzada tecnología de montaje, las fuentes de iluminación para la luz roja, verde y azul pueden integrarse en un solo píxel, lo que elimina la necesidad de filtros de color y cristales líquidos en las pantallas micro-LED.
Cada micro-LED del píxel emite su propia luz, lo que ofrece un alto brillo, negros profundos y una excelente eficiencia energética. Estas tecnologías representan avances significativos en la innovación de las pantallas, y cada una de ellas ofrece ventajas únicas en términos de estructura y rendimiento. Las pantallas micro-LED son adecuadas para aplicaciones que van desde teléfonos inteligentes y televisores hasta realidad aumentada, dispositivos wearables y pantallas para automóviles.
Figura 4. Estructura de una pantalla micro-LED.
Dado que las pantallas LCD TFT son una tecnología relativamente madura con ventajas económicas destacadas, las pantallas LCD son actualmente la tecnología de pantalla plana dominante en la industria automovilística. Sin embargo, las pantallas OLED y las pantallas micro-LED están llamando cada vez más la atención de los fabricantes de automóviles.
Las pantallas OLED ofrecen excelentes efectos de visualización, bajo consumo energético, alta flexibilidad y un grosor ultrafino. Las pantallas micro-LED están emergiendo como la tecnología de pantallas de próxima generación, ya que permiten diseños de pantallas curvas con mayor brillo y contraste, lo que añade flexibilidad a los diseños de las pantallas del interior de los vehículos.
Sin embargo, las pantallas OLED sufren de retención de imagen, lo que provoca la degradación de los píxeles tras mostrar imágenes estáticas durante mucho tiempo, y su vida útil es más corta que la de las pantallas LCD. Las pantallas micro-LED son caras debido a las dificultades para comercializar su producción en masa.
Las diferencias detalladas entre las pantallas TFT LCD, OLED y micro-LED se resumen en la tabla 1.
Tabla 1. Comparación entre pantallas LCD, OLED y micro-LED3
Las pantallas LCD TFT existentes pueden actualizarse con una fuente de retroiluminación mini-LED (diodo emisor de luz submilimétrico) y tecnología dimming. Los mini-LED son LED convencionales reducidos y sirven de puente hacia los micro-LED. Los LED con dimensiones inferiores a 200 micrómetros se clasifican como mini-LED, mientras que los LED de menos de 100 micrómetros se clasifican como micro-LED.5
Aunque los mini LED pueden servir principalmente como fuente de retroiluminación en las pantallas LCD, mejoran el grosor y el rendimiento del contraste de estas pantallas, al tiempo que ofrecen soluciones rentables.
Controladores de píxeles
Se sintetizan varios colores mezclando los tres colores primarios (rojo, verde y azul). La mezcla de estos tres colores primarios forma un píxel, como se muestra en la figura 5. Cada píxel consta de tres subpíxeles, que se gestionan y combinan en un píxel.
Las pantallas TFT LCD, micro-LED y OLED utilizan diferentes métodos para controlar estos subpíxeles debido a sus distintas tecnologías de visualización y procesos de fabricación. Por ejemplo, el Tesla Model 3 cuenta con una pantalla TFT LCD de 15,4 pulgadas con una resolución de 1920 por 1200 píxeles, lo que da un total de 6,91 millones de subpíxeles.
Figura 5. Píxel.
En una pantalla LCD TFT, el circuito equivalente de un subpíxel, que controla el campo eléctrico a través del cristal líquido, se muestra en la figura 6. Se compone de 1T2C (un transistor, un condensador de cristal líquido y un condensador de almacenamiento). El controlador de puerta proporciona un voltaje positivo, denominado voltaje de puerta alto (VGH-Voltage Gate High), para encender el TFT, y un voltaje negativo, denominado voltaje de puerta bajo (VGL-Voltage Gate Low), para apagar el TFT. La información de la imagen se transmite al controlador de fuente, que carga el condensador de cristal líquido (CLC). El condensador de almacenamiento (CST) actúa como un búfer para evitar la fuga de corriente del CLC. En el artículo “New Driving Structure to Increase Pixel Charging Ratio for UHD TFT-LCDs With High Frame Rate” (Nueva estructura de control para aumentar la relación de carga de píxeles para pantallas TFT-LCD UHD con alta velocidad de fotogramas) se analizan más controladores de píxeles en pantallas LCD TFT.4
La retención de imagen o el parpadeo en las pantallas LCD TFT se debe a la capacitancia parásita (CGD) que existe entre el nodo de la puerta y el nodo de drenaje del TFT. Cuando el contenido de la imagen cambia y el TFT se apaga desde el estado encendido, se produce una caída de tensión en el CLC debido a un divisor de tensión capacitivo entre CGD y CLC||CST. Para mejorar la consistencia del rendimiento del panel, se introduce el voltaje común de la placa base (VCOM) y se ajusta al centro del voltaje del píxel durante el tiempo de transición del píxel.
Figura 6. Un controlador de píxeles convencional.
La topología de los controladores de píxeles más populares en pantallas micro-LED y OLED es similar, pero más compleja que en las pantallas LCD TFT debido al proceso de fabricación y a la integración de los circuitos TFT con los LED en un sustrato de vidrio o poliimida. En consecuencia, los LED de cada píxel se controlan individualmente con su propio brillo.8
Como se muestra en la figura 7, en el artículo «Driving Technologies for OLED Display» (Tecnologías de control para pantallas OLED) se describe un controlador de píxeles sencillo denominado 2T1C (dos transistores y un condensador de almacenamiento).5 En este controlador de píxeles, la señal analógica de emisión del LED se envía al TFT M1. A continuación, el voltaje umbral (VGS) se almacena en (CST), que se utiliza para controlar el TFT M2 en la región de saturación, como se muestra en la figura 8. El TFT M2 de control mantiene los LED a una corriente constante con el voltaje positivo (VDD) y el voltaje del cátodo (VSS). El método de control de la operación de saturación de este controlador de píxeles 2T1C tiene la ventaja de prolongar la vida útil del LED en comparación con la operación en la región lineal del TFT de control.
Figura 7. Un controlador de píxeles 2T1C de OLED o micro-LED.
Figura 8. Características de salida del transistor MOS.
Sin embargo, el controlador de píxeles 2T1C presenta algunas desventajas, entre las que se incluyen el problema Mura y el desplazamiento del voltaje umbral bajo polarización eléctrica. El problema Mura es la irregularidad en el brillo de la uniformidad de una pantalla, causada principalmente por variaciones en el proceso de fabricación, como la densidad de la capa TFT, la uniformidad del voltaje directo del LED y el voltaje umbral, etc. Estos efectos provocan problemas de calidad de imagen. Aunque el mejor proceso de fabricación no puede superar el desplazamiento del voltaje umbral, se han propuesto circuitos de píxeles con métodos de retroalimentación de voltaje y métodos de sobrecompensación del desplazamiento del voltaje umbral para mejorar la calidad de la imagen.
El método de control 7T1C propuesto en el artículo “Image Quality Enhancement in Variable-Refresh-Rate AMOLED Displays Using a Variable Initial Voltage Compensation Scheme” (Mejora de la calidad de imagen en pantallas AMOLED con frecuencia de actualización variable mediante un esquema de compensación de voltaje inicial variable) se muestra en la figura 9.6. Este circuito de píxeles 7T1C tiene tres etapas de funcionamiento, como se muestra en la figura 10: inicialización, compensación y emisión. El TFT M4 se utiliza para la conexión de diodos del TFT M3 de control. Durante la compensación, el voltaje almacenado en CST desde el controlador de fuente mantiene la emisión del LED. Los TFT M1, M6 y M7 se utilizan para evitar que el LED se encienda. Además, en el artículo "A Highly Uniform Luminance and Low-Flicker Pixel Circuit and Its Driving Methods for Variable Frame Rate AMOLED Displays" (Circuito de píxeles con luminancia altamente uniforme y bajo parpadeo y sus métodos de control para pantallas AMOLED con frecuencia de imagen variable) se propuso un circuito de píxeles 7T2C.7
Figura 9. Esquema de un controlador de píxeles 7T1C.
Figura 10. Secuencia de control de los píxeles de compensación 7T1C: (a) inicialización, (b) compensación y (c) emisión.
Actualmente, la tecnología de placas base para pantallas se ha desarrollado a partir de TFT de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) hasta TFT de silicio policristalino de baja temperatura (LTPS) y TFT de silicio policristalino y óxido de baja temperatura (LTPO), que constituyen la tecnología de placas base de próxima generación para la electrónica de consumo. El TFT a-Si:H tiene una baja movilidad de portadores (1 cm2/Vs), lo que da lugar a un gran tamaño de la placa base y a un mayor consumo de energía. El TFT LTPS tiene una movilidad de portadores superior (>50 cm2/Vs), por lo que se aplica en las pantallas OLED. El TFT LTPS suele tener una alta corriente de reposo. Sin embargo, el TFT LTPO tiene una corriente de reposo baja. Por lo tanto, se está considerando el uso de un esquema de píxeles híbridos que combina los TFT LTPS y LTPO en las placas base de las pantallas OLED/micro-LED.
Conclusión
Las pantallas de los vehículos desempeñan un papel cada vez más importante en la experiencia del habitáculo, con unas expectativas cada vez mayores por parte de los consumidores en cuanto a la mejora de la visibilidad, la seguridad y la experiencia del usuario, entre otros aspectos. Las pantallas para automóviles se enfrentan a importantes retos a la hora de ofrecer una calidad de imagen excepcional con alta resolución y relación de contraste, forma libre, gran tamaño y soluciones rentables.
En este artículo se analizan las características de las pantallas TFT-LCD, OLED y micro-LED. Para lograr un mejor rendimiento de la pantalla, el controlador de píxeles de las pantallas OLED y micro-LED es más complejo que el de las pantallas TFT-LCD. Por lo tanto, las pantallas OLED y micro-LED son caras debido a los retos que plantea su comercialización en serie. Las pantallas LCD mini-LED con tecnología de atenuación local sirven de puente hacia las pantallas micro-LED y OLED.
La segunda parte de este artículo se centra en las técnicas de alimentación de las pantallas para automóviles, incluyendo el controlador de retroiluminación, el PMIC de polarización TFT y las funciones de atenuación local.
Referencias
1 You Xiang Stacy Wu. «Perspectivas del mercado de las pantallas para automóviles». 26.º Taller Internacional sobre Pantallas y Dispositivos de Matriz Activa (AM-FPD), IEEE, septiembre de 2019.
2 Robert Prange. «Tendencias en el procesamiento del vidrio para pantallas de automoción». Glastory, diciembre de 2024.
3 «¿Qué son los micro LED, los mini LED y los micro OLED? Explicación de las diferentes tecnologías de pantalla emergentes». LEDinside, agosto de 2021.
4 Chih-Lung Lin, Jui-Hung Chang, Fu-Hsing Chen, Po-Cheng Lai, Yi-Chien Chen y Cheng-Han Ke. «Nueva estructura de conducción para aumentar la relación de carga de píxeles para pantallas TFT-LCD UHD con alta velocidad de fotogramas». IEEE Access, vol. 10, agosto de 2022.
5 Yojiro Matsueda. «Tecnologías de conducción para pantallas OLED». Manual de diodos orgánicos emisores de luz, Springer, 2022.
6 Li Jin Kim, Sujin Jung, Hee Jun Kim, Bong Hwan Kim, Kyung Joon Kwon, Yong Min Ha y Hyun Jae Kim. «Mejora de la calidad de imagen en pantallas AMOLED con frecuencia de actualización variable mediante un esquema de compensación de voltaje inicial variable». Scientific Reports, vol. 12, abril de 2022.
7 Younsik KIM, Kyunghoon Chung, Jaemyung Lim y Oh-Kyong Kwon. «Un circuito de píxeles de luminancia altamente uniforme y bajo parpadeo y sus métodos de control para pantallas AMOLED con frecuencia de fotogramas variable». IEEE Access, vol. 11, 2023.
Acerca del autor
Yujie Bai es ingeniero sénior de aplicaciones en Analog Devices y es responsable del soporte y la aplicación de productos de alimentación para automoción. Yujie se incorporó a Maxim Integrated (ahora parte de ADI) en 2020 y tiene un máster en ingeniería eléctrica por la Universidad de Miami (Ohio).
