Il plasma

Posted By on 12 Aprile 2015

Un gas per visualizzare immagini, ovvero la tecnologia del plasma

Nati una quarantina di anni fa, almeno come idea, hanno raggiunto un livello di affidabilità e corretto funzionamento soltanto in tempi recenti. Sono nei sogni di molti utenti, principalmente per le immagini molto brillanti che riescono a produrre (ma anche perché in genere sono esteticamente accattivanti), ma, se di buona qualità, hanno ancora costi superiori a quelli dei loro diretti concorrenti a cristalli liquidi.
Per avere qualche elemento di giudizio in più, rivediamo i principi che sovrintendono al funzionamento dei display al plasma.

Nel numero scorso di Digital Video abbiamo riassunto il principio di funzionamento dei display basati sulla tecnologia dei cristalli liquidi; in questo articolo proseguiamo nell’illustrazione delle tecnologie utilizzate nei pannelli e rivediamo i fondamenti su cui si basano i display al plasma.

Figura 1

Tra i vari sistemi utilizzati nel corso del tempo per produrre luce, visibile o meno, uno dei più “antichi”, diffusamente utilizzato nell’800 per studi di chimica e fisica ma ancora oggi in voga, seppure in maniera tecnicamente più raffinata, si basa sull’effetto che una differenza di potenziale anche relativamente bassa, dell’ordine del centinaio di volt, produce su un sistema gassoso a bassa pressione.
Già alla metà del 1800 un mastro vetraio tedesco, di nome Geissler, costruisce dei tubi riempiti con vari gas a bassa pressione utilizzandoli per dimostrazioni spettacolari, ma bisogna attendere il 1870 perché questo tipo di applicazione raggiunga la sua massima espressione rappresentata dai tubi costruiti da William Crookes. Il fisico inglese, infatti, fabbrica una pompa a vuoto capace di produrre la pressione residua di 10-6 atmosfere necessaria per evidenziare le affascinanti proprietà della scarica nei gas.
Ma al di là delle applicazioni più o meno spettacolari, i tubi a scarica si rivelano strumento determinante nello studio della struttura della materia e, di conseguenza, negli sviluppi che portarono alla nascita della meccanica quantistica ed alla fisica moderna: fu proprio nel tentativo di spiegare le regolarità osservate con tali esperimenti da Lyman, Paschen, Rydberg ed altri, che Rutherford, Bohr e Sommerfeld poterono formulare una teoria dell’atomo di idrogeno in grado di accordarsi con i dati sperimentali e dunque aprire la strada alla comprensione del mondo microscopico. Ma questa è un’altra storia.
La prima applicazione commerciale della scarica nei gas venne introdotta dalla Burroughs, che nel 1955 iniziò la commercializzazione di quelle affascinanti valvole, dette Nixie (figura 1), che con le loro cifre e simboli illuminati hanno rappresentato per anni l’unica forma di visualizzatore disponibile; passano alcuni anni e due ricercatori dell’università dell’Illinois provano ad applicare gli stessi principi ad un display molto più grande di una Nixie. Si deve dunque a Donald Bitzer e Gene Slottow, questi i nomi dei due ricercatori, la nascita del pannello al plasma, o meglio della sua versione pilotata in alternata.
L’idea originale prevedeva la realizzazione di un “sandwich” composto da due lastre di vetro su cui venivano depositati degli elettrodi a forma di “striscia”, così da realizzare una matrice la cui intercapedine veniva riempita con una miscela di Xe e Ne a bassa pressione; applicando una tensione a due degli elettrodi si sarebbe innescata la scarica nella zona dell’incrocio di questi.
L’idea, di per sé semplice, nascondeva un certo numero di insidie e difficoltà, di natura scientifica e tecnica, e la prova di questa constatazione è data dal lungo periodo di tempo impiegato per sviluppare una versione a colori del dispositivo appena realizzato.
L’originale versione del pannello al plasma ideata dai due ricercatori, infatti, generava luce visibile soltanto quasi monocromatica derivante dalla diseccitazione dei livelli atomici e/o molecolari della miscela Ne-Ar (qualcuno ricorda il colore dei display al plasma dei portatili Toshiba?); nella parte bassa della figura 2 è visibile lo spettro di emissione del Ne fortemente virato verso le lunghezze d’onda arancio-rosse.

Figura 2. In questa foto sono rappresentati gli spettri di emissione dell’Ar e del Ne; per questo elemento le lunghezze d’onda sono concentrate, come visibile nella parte bassa della foto, soprattutto nella regione del rosso-arancio. I primi notebook di Toshiba erano equipaggiati con display al plasma che esibivano proprio questa colorazione.

Poiché il processo fondamentale è rappresentato dalla scarica elettrica nel gas, rivediamo adesso i fatti salienti riguardo questa classe di processi.

La scarica elettrica nei gas

Un qualsiasi sistema gassoso, anche in assenza di stimoli elettrici, presenta una piccola conducibilità elettrica dovuta alla ionizzazione naturale generata dai raggi cosmici, dal fondo di radioattività e dalla radiazione UV solare; le cariche liberate da tali processi si presentano sempre in coppie, in ossequio al principio di conservazione della carica.
Sotto l’azione di un campo elettrico, dunque, le coppie ione-elettrone vengono messe in movimento in direzioni opposte: gli ioni positivi vengono attratti dal catodo mentre gli elettroni dall’anodo. Il moto della singola carica, accelerato dal campo elettrico, potrebbe continuare all’infinito se non fosse per gli urti dovuti alla presenza di atomi e ioni sul cammino da essa seguito: incidentalmente osserviamo che gli urti rappresentano il meccanismo fondamentale che presiede alla distribuzione dell’energia nell’intera massa del gas. Dato che la massa dell’elettrone è notevolmente minore di quella del generico ione, circa 2000 volte, ci si può ragionevolmente aspettare che delle due specie cariche siano proprio i primi i responsabili della redistribuzione dell’energia cinetica acquistata dal campo elettrico; in particolare se tale energia è maggiore dell’energia di ionizzazione di una delle specie atomiche presenti, nell’urto si genera una nuova coppia ione-elettrone che, a sua volta, subendo l’azione del campo elettrico può dar luogo ad ulteriori ionizzazioni o eccitazioni atomiche, in una catena di urti successivi che ha come risultato la produzione di atomi in vari stati eccitati.
Come segue dai principi della meccanica quantistica, questi stati eccitati tendono a riportarsi verso l’atomo originale eliminando l’eccesso di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda legata alla energia ε d’eccitazione dalla relazione ε = hν in cui h è la costante di Planck e ν la frequenza della radiazione.
Fissato il sistema gassoso, le caratteristiche della scarica elettrica dipendono da vari parametri, tra cui sicuramente la differenza di potenziale applicata, la pressione della miscela gassosa e la sua temperatura perché:

una maggior differenza di potenziale significa una accelerazione più intensa,
una maggior densità aumenta la probabilità di urto,
una più alta temperatura implica una minor richiesta energetica per arrivare alla ionizzazione.

Tutti questi aspetti vengono di norma compendiati in una relazione che lega la differenza di potenziale applicata al gas e la corrente che in esso fluisce; tale relazione normalmente viene riportata sotto forma di grafico (figura 3) sul quale è possibile identificare tre regioni caratterizzate in maniera specifica; per l’uso nei PDP la zona di funzionamento è quella della cosiddetta “scarica a bagliore” (glow discharge), in cui il gas si trova a pressioni inferiori a quella atmosferica.

Figura 3

Come accennato in precedenza, se come meccanismo di produzione di luce si utilizza soltanto la diseccitazione dei livelli atomici eccitati a causa degli urti o per via termica, si avranno a disposizione soltanto un numero limitato di lunghezze d’onda; questo è quanto avveniva nei primi display al plasma, caratterizzati dalla luminosità rosso-arancio generata dai livelli di bassa eccitazione del Ne.

I fosfori

Da quanto esposto si intuisce che per ottenere un display a colori non si può sfruttare l’emissione generata dalla scarica, ma è necessario escogitare un qualche meccanismo che, a partire da questa, emetta almeno le lunghezze d’onda dei colori primari: un primo indizio verso la soluzione del problema viene dall’osservare che i gas nobili hanno degli spettri di emissione particolarmente ricchi, con lunghezze d’onda nel visibile ma anche in altre porzioni dello spettro elettromagnetico ed in particolare nella zona UV di questo dove l’emissione è per giunta continua.
Il problema originale si traduce quindi nella ricerca di opportuni convertitori UV-visibili, il che pone automaticamente termine alla ricerca dato che i convertitori di questo tipo sono noti da tempo ed appartengono alla categoria dei fosfori.

I livelli energetici di una molecola mostrano in generale una struttura grossolana, detta dei livelli elettronici in cui gli stati hanno energie molto diverse tra loro, ulteriormente suddivisa in blocchi di livelli con energie poco differenti e dovuti alle vibrazioni molecolari. L’alta densità di questi stati energetici fa sì che la molecola possa attraversarli semplicemente perdendo piccole quantità di energia negli urti con le atre molecole.

Queste particolari molecole hanno la notevole proprietà di assorbire radiazione elettromagnetica di determinate lunghezze d’onda e restituirla in altre porzioni dello spettro, ma comunque con lunghezza d’onda maggiore; questo comportamento è dovuto alla particolare struttura dei livelli elettronici, che risultano a loro volta composti da molti stati associati alle vibrazioni. La molecola può perciò passare da un particolare stato elettronico ad uno stato vibrazionale associato ad un più alto livello elettronico; da qui, perdendo energia tramite gli urti con altre molecole può raggiungere lo stato vibrazionale fondamentale da cui decade verso lo stato fondamentale emettendo radiazione di lunghezza d’onda maggiore di quella assorbita. Nella figura 4 si vede una rappresentazione schematica del processo.
I fosfori sviluppati inizialmente per essere utilizzati nei CRT sono stati via via adattati ai diversi usi che la tecnologia attuale ha sviluppato; esistono perciò fosfori per lampade fluorescenti, fosfori per diodi LED, fosfori per tubi da proiezione, fosfori per visione notturna e fosfori per PDP. Ogni applicazione ha le sue particolari richieste, in particolare per quanto riguarda il tempo di decadimento degli stati eccitati, cioè la durata dell’emissione luminosa.

Figura 4 – Nella figura sono schematicamente rappresentati due livelli elettronici distinti, le due “buche” S0 ed S1, con la loro struttura di livelli associati a stati di eccitazione dei diversi modi di vibrazione; quando acquista energia dall’esterno la molecola transisce da uno dei livelli vibrazionali dello stato S0 ad uno dei livelli vibrazionali dello stato S1 (frecce rosse), e sia quello individuato dal numero 3. Gli urti con le altre molecole la faranno poi “scendere” verso il livello 2, quindi verso l’1 ed infine arriverà nello stato 0. Ma questo è pur sempre uno stato eccitato, perciò il passo successivo sarà quello di scendere ancora e tornare al livello 0 dello stato S0. Poiché la transizione di eccitazione S0ﬁS1 aveva energia maggiore di quella finale S1ﬁS0, questo meccanismo, detto fluorescenza, realizza la conversione delle lunghezze d’onda.

La struttura ed il funzionamento del pannello

Il funzionamento del nostro pannello inizia ad essere definito e di conseguenza possiamo già immaginare la sua struttura fisica: uno strato di vetro sul quale verranno depositati gli elettrodi, a loro volta ricoperti da uno strato dielettrico e, sopra questo, dai fosfori; uno strato di gas a bassa pressione ed, infine, un secondo strato di vetro con gli elettrodi complementari ai primi.
Indirizzati entrambi gli elettrodi di riga e colonna, l’applicazione di una opportuna differenza di potenziale produrrà la scarica nella miscela gassosa che, a sua volta, darà luogo ad emissione di fotoni UV, i quali assorbiti dalle molecole dei fosfori verranno convertiti in fotoni visibili: la scarica del gas viene dunque utilizzata indirettamente.
Il pannello delineato poco sopra, detto ACM per “Alternative Current Matrix”, è stato effettivamente costruito, ed è anzi quello originariamente sviluppato da Bitzer e Slottow, ma, alla prova dei fatti, si è dimostrato poco efficiente per quanto riguarda la gestione della scarica e per questo è stata sviluppata una diversa geometria; la differenza tra le due è schematicamente indicata nella figura 5 e consiste essenzialmente nella presenza di due elettrodi per ogni cella di scarica.

Figura 5 – Questa figura rappresenta schematicamente i due diversi tipi di pannello: sulla sinistra la versione ACC, in cui la scarica avviene tra due elettrodi del vetro superiore (elettrodi di mantenimento), nella figura in posizione orizzontale. Nel pannello ACM raffigurato a destra, invece, la scarica interessa l’elettrodo superiore ed inferiore.

Un esame un po’ più approfondito della figura 6, che mostra un esploso di moderno pannello, permette di identificare gli elettrodi A di indirizzo (quelli “affogati” nel vetro posteriore) ricoperti da uno strato dielettrico di spessore pari a 10-30 µm e sopra i quali sono depositati i “canali” che fungono da siti di scarica e per questo sono ricoperti da fosfori; le pareti di questi canali di altezza dell’ordine dei 100 µm determinano lo spessore del gas. La copertura superiore è costituita da una seconda lastra di vetro sulla quale sono depositati gli elettrodi, detti X ed Y, necessari per il mantenimento della scarica e realizzati con una struttura conduttiva trasparente ITO (Indium Tin Oxide). In realtà, poiché questo materiale ha una resistività non nulla si possono generare disomogeneità nel potenziale quando la lunghezza dell’elettrodo sia cospicua, come avviene ad esempio negli attuali pannelli, dove può raggiungere e superare il metro; per ovviare all’inconveniente, sopra lo strato ITO viene deposto uno strato metallico talvolta detto elettrodo “bus”.

Figura 6

Il funzionamento del pannello è governato dall’applicazione di una ben precisa sequenza di tensioni, ordinatamente ai differenti elettrodi, secondo vari schemi di pilotaggio: per illustrare il processo analizzeremo quello riferito al diagramma di temporizzazione in figura 7.

Figura 7

Da questa si vede che nei primi tre µs vengono applicate una tensione di 80 V all’elettrodo di indirizzo A ed una di -210 V all’elettrodo di scansione/scrittura Y; in tale intervallo l’elettrodo di mantenimento X è bloccato a 0 V.
Poiché la cella di scarica è essenzialmente un condensatore, durante questa fase si accumulano cariche positive sulla superficie del dielettrico soprastante l’elettrodo Y ed elettroni dal lato di A; le due distribuzioni di carica devono essere ovviamente uguali. Queste cariche svolgono il fondamentale ruolo di abbassare la differenza di potenziale richiesta per l’innesco della scarica: infatti, quando la tensione su A ed Y passa a 0 V ed X viene alimentato con -210 V, ciò che costituisce il primo impulso di mantenimento, la differenza di potenziale indotta dalla distribuzione di carica si somma a quella applicata dall’esterno, talché viene superata la tensione di breakdown e si innesca la scarica. Al termine di questo primo impulso le cariche precedentemente disposte sopra Y si sono trasferite su X, mentre su Y c’è ora una concentrazione di cariche negative. Da questo momento in poi tutti gli impulsi vengono applicati tra X ed Y e ad ogni nuova scarica si invertono le popolazioni di carica su questi due elettrodi; poiché la carica totale deve essere comunque nulla, cambierà anche la carica su A. Le varie fasi del processo sono illustrate nella figura 8, in cui i coefficienti ai cambiano ad ogni successiva scarica.

Figura 8 – Qui vediamo rappresentata l’evoluzione delle densità di carica e delle tensioni sui tre elettrodi della struttura ACC: l’elettrodo di indirizzamento, quello che nel testo è chiamato A, è raffigurato in alto in posizione orizzontale, mentre i due di mantenimento sono in basso ed “entrano” nel foglio. Di questi, quello a sinistra è l’Y del testo.

La struttura con tre elettrodi per cella permette dunque l’innesco della scarica con valori di tensione “ragionevoli”, e siccome la sezione di pilotaggio del pannello è quella che rappresenta il maggior costo nella costruzione del componente permette di contenere i costi di produzione.
Il metodo di pilotaggio descritto non è certo l’unico, ma a parte le variazioni nella sequenza delle operazioni, come avviene ad esempio nel pilotaggio a doppia scansione, in cui il pannello è diviso in due parti che vengono indirizzate separatamente e che per questo raggiunge livelli di luminosità più elevati, il principio di funzionamento resta lo stesso.
Uno schema che però merita di essere citato è quello sviluppato da Fujitsu e denominato Alis: in realtà più che di uno schema in questo caso si deve parlare di struttura del pannello, dato che gli elettrodi di mantenimento non sono più disposti a coppie separate tra loro, ma piuttosto sono equispaziati (figura 9). Con questa disposizione, e con lo schema di indirizzamento correlato, la scarica può avvenire tra una qualsiasi coppia di elettrodi adiacenti raddoppiando il numero di siti di scarica e quindi, di fatto, la risoluzione: infatti nella prima metà dell’intervallo di campo vengono indirizzate ed accese le righe di scarica di posto dispari, mentre nella seconda metà quelle di posto pari. Il sistema, insomma, funziona in maniera analoga al televisore interlacciato. I vantaggi che una tale architettura porta riguardano l’aumento di luminosità, di risoluzione e di durata dei fosfori. Qualunque sia la modalità di pilotaggio, per il corretto funzionamento del sistema tutte le tensioni applicate devono mantenersi entro i limiti fissati dalla soglia per l’innesco della scarica, inferiormente, ed in alto dal minimo valore di indirizzamento valido per tutte le celle. Questo secondo parametro nasce dalla diversità intrinseca delle singole celle; tale diversità fa sì che alcune di esse possano essere “caricate” con una tensione inferiore a quella di altre, e questo implica che con una tensione applicata maggiore del limite superiore tutte le celle siano caricate anche se non espressamente indirizzate.

Figura 9 – Nella struttura Alis sviluppata da Fujitsu, gli elettrodi di mantenimento sono disposti a distanze fisse; questo consente di innescare la scarica tra due qualsiasi di essi purché adiacenti, e realizza una sorta di interlacciamento del pannello. Il beneficio principale riguarda la maggiore luminosità, la maggior durata ed il costo inferiore.

Mantenere le tensioni entro i limiti descritti significa poter utilizzare l’effetto memoria associato alla presenza delle distribuzioni di carica sugli elettrodi delle celle precedentemente indirizzate: in tal caso, infatti, applicando a tutte le celle una tensione di mantenimento inferiore al valore massimo (ed al breakdown), si illumineranno soltanto quelle indirizzate come deve essere.
Fino a questo punto abbiamo capito come fare per accendere selettivamente le celle desiderate, non sappiamo però ancora modulare la loro luminosità, il che rende il sistema praticamente inutile; il problema è che il processo di scarica è del tipo a soglia, ovvero si innesca oppure no, e non ammette stati intermedi. Per ovviare a questo inconveniente sono stati sviluppati vari metodi il più noto dei quali, adottato praticamente da tutti i produttori di pannelli, viene detto ADS (Address Display Separated) e si basa sulla constatazione che la luminosità osservata è una media della luminosità su tutte le scariche di mantenimento. È allora sufficiente variare il numero e la durata degli impulsi di mantenimento per ottenere l’effetto desiderato. Nella tecnica ADS, allora, il singolo campo televisivo, che nel PAL ha durata pari a 20 ms, viene suddiviso in otto sub-campi in ciascuno dei quali si definiscono tre fasi temporali distinte: una fase di eliminazione delle cariche eventualmente rimaste da precedenti scariche, una fase di indirizzamento ed una fase finale di scariche di mantenimento.

Ciascun sub-campo è associato ad un peso binario che determina la durata degli impulsi di mantenimento durante questo sub-campo: così nel primo segmento gli impulsi durano 1 unità di impulso (qualunque essa sia), nel secondo, che ha peso 1, durano 2 unità di impulso e così via secondo la progressione 2n con n=0,1,…,7. La totalità dei sub-campi perciò equivale a 256 livelli di luminosità come richiesto da un pannello True Color, capace cioè di visualizzare 16,7 milioni di colori, visto che 2563 = 16,7·106.

Un aspetto negativo di questa tecnica ADS è rappresentato dalla non uniformità temporale degli otto sub-campi dovuta alla diversa durata della fase di scarica in ciascuno di essi, disuniformità che in opportune condizioni produce artefatti; si consideri infatti un pannello che stia visualizzando immagini in movimento: i sub-campi illuminati più a lungo, in tal caso, produrranno immagini maggiormente estese nello spazio, dando così luogo a quegli artefatti che vengono detti “falsi contorni”. Per limitare questo tipo di inconveniente sono comunque stati proposti vari metodi.
Quello degli artefatti non è però l’unico aspetto negativo della tecnica ADS, un altro importante argomento essendo quello del tempo utile per la scarica di mantenimento: il problema nasce dal fatto che in ciascuno dei sub-campi vengono indirizzate tutte le linee del pannello, il che significa che ognuna di esse viene indirizzata otto volte per ciascun campo televisivo e allora, detti N il numero di linee e τ il tempo impiegato dall’indirizzamento della singola cella (che appartiene ad una determinata linea), per l’intero campo viene speso un tempo pari a T=8·N·τ.

Ora, se come nel diagramma di temporizzazione visto sopra si assume per l’indirizzamento una durata pari a τi = 3 µs, si trova che per un monitor VGA 640×480 T = 11,52 ms, il che significa che restano soltanto circa 8 ms per la scarica di mantenimento; dato che dalla durata della scarica di mantenimento dipendono varie grandezze tra cui la luminosità, lo schema ADS sembra essere un ostacolo alla costruzione di pannelli con una elevata luminosità.

Osservazioni sparse

Dalla descrizione data fin qui si intuiscono alcuni dei punti di debolezza dei pannelli al plasma, tra i quali ricordiamo:

una efficienza luminosa che nel migliore dei casi arriva a 1,4 lm/W, contro un valore circa tre volte maggiore raggiunto nei CRT,
un meccanismo di modulazione della luminosità complesso e che ha bisogno di ulteriori interventi per funzionare in maniera almeno decente,
una efficienza ancora piuttosto bassa che, in tempi come gli attuali in cui il risparmio energetico inizia ad essere (non è mai troppo tardi!) un argomento importante, non è certamente un bel biglietto da visita.

L’ultimo punto è piuttosto importante visto che un pannello al plasma durante il funzionamento assorbe dalla rete elettrica una media di 300÷400 W e di questi ne vengono utilizzati per l’emissione di luce soltanto il 40% circa.
Continuando possiamo citare il degrado delle proprietà dei fosfori, che porta ad una riduzione della capacità emissiva di circa il 10% in 5000 ore; e ancora la differenza nei tempi di decadimento dei fosfori blu e verde, che comporta la presenza di bande colorate sui fronti anteriore e posteriore delle immagini in movimento (l’effetto è ben visibile ad esempio con i titoli scorrevoli orizzontalmente quando le lettere sono bianche).
Per alcuni di questi aspetti si sono trovati dei parziali rimedi, dove il parziale nasce dalla constatazione che essi riducono l’importanza ma non eliminano il problema, quali la suddivisione del vetro posteriore in celle anziché canali: questo permette di controllare in maniera un po’ più precisa la scarica elettrica e dunque migliorare l’efficienza di conversione, oltre a rendere i colori più puri (i fotoni UV generati all’interno di un canale possono sconfinare nei canali adiacenti provocando l’emissione di luce con lunghezza d’onda non richiesta. In tal caso i colori risultano “impastati” e la risoluzione peggiora). Tra le forme utilizzate ricordiamo il cosiddetto “waffle” (figura 10), che altro non è se non una “scatoletta” rettangolare, e la Delta (figura 11) riportate entrambe nelle figure.

Figura 10

Figura 11

Conclusioni

La tecnologia del plasma ha compiuto un percorso di perfezionamento sicuramente notevole e, soprattutto negli ultimi anni, i progressi tecnici e scientifici derivati da un impegno di ricerca a 360 gradi hanno messo in evidenza le questioni che maggiormente dovranno essere analizzate nella ricerca di un display efficiente, fedele ed economico.
Nel frattempo altri contendenti, leggi SED di Toshiba annunciati per la prossima estate, si affacciano sulla scena promettendo meraviglie. Staremo a vedere.

di Giancarlo Corsi

Bibliografia

E. Frattaroli, “La tecnologia degli schermi al plasma”, Digital Video 52, dicembre 2003
http://www.du.edu/~jcalvert/phys/dischg.htm
S. Flügge (edited by), Handbuch der Physik/Encyclopedia of Physics band/volume XXI – Electron-emission • Gas discharges I, Springer-Verlag 1956, first chapter of the article Secondary effects by P.F. Little

da Digital Video n. 86 gennaio 2007