| Скачать .docx | Скачать .pdf |
Реферат: Обзор актуальных на 2009-2010 гг технологий производства электронных дисплеев
ОБЗОР АКТУАЛЬНЫХ НА 2009-2010 ГОД
ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ДИСПЛЕЕВ
Мир не стоит на месте.
Каждый день должен быть лучше,
Чем предыдущий
Коносукэ Мацусита,
Основатель Matsushita Electric и Panasonic
Введение
В данном обзоре рассмотрены основные (массовые) технологии производства электронных дисплеев, актуальные по состоянию на начало 2010 года. Цель данного обзора – сформировать у читателя представление о современных методах изготовления дисплеев, принципах их работы, преимуществах и недостатках, сфере применения, объемах использования в современных устройствах, перспективах и тенденциях развития отрасли. В заключении приводится вывод автора обзора.
Дисплей в общем случае — любая поверхность, отображающая буквенно-цифровую или
графическую информацию, например, экран компьютерного монитора или информационное табло, использующееся в аэропортах.
Следует различать понятия «дисплей» и «компьютерный монитор» (эти два понятия часто путают). Например — электронные часы имеют дисплей для отображения информации (но никак не «монитор»).
LCD-дисплей
Жидкокристаллический дисплей ( ЖК-дисплей , ЖКД , англ. Liquid crystal display, LCD ), также Жидкокристаллический монитор ( ЖК-монитор ) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.
LCD TFT ( англ. Thin film transistor — тонкоплѐночный транзистор ) — разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплѐночными транзисторами. Усилитель TFT для каждого субпиксела применяется для повышения быстродействия, контрастности и чѐткости изображения дисплея .
Сверху: Субпиксел цветного LCD-дисплея.
Жидкокристаллический монитор предназначен для отображения графической информации с компьютера , телевизора, цифрового фотоаппарата, электронного переводчика, калькулятора и пр.
Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развѐртки. Простые приборы ( электронные часы, телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB - триад (трех субпикселей).
На 2008 год в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом ( англ. dither от староанглийского didderen — дрожать — при обработке цифровых сигналов представляет собой подмешивание в первичный сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром).
Устройство ЖК-монитора
Слева: Макрофотография TN+film матрицы монитора NEC LCD1770NX. На белом фоне стандартный курсор Windows
Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через
него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растѐт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражѐнным от подложки (в ЖКдисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.
Технологии
Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA; последняя наиболее распространена в настоящее время. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применѐнный в конкретных разработках.
Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD ( англ. Silicon X-tal
Reflective Display — кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.
Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC ( англ. Plasma Addressed Liquid Crystal — плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества ЖК- (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту и вертикали, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойдѐнную управляемость и качество изображения.
Преимущества и недостатки
В настоящее время ЖК-мониторы являются основным направлением среди технологий производства мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ (мониторы на основе электронно-лучевых трубок). У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого для глаза мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в среднем в 24 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки ( англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно - импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц .
Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности еѐ реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.
С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:
• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чѐткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чѐткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чѐрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жѐстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
• Фактическая скорость смены изображения также остаѐтся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive ( увеличение скорости смены состояния пиксела за счет амплитудного перехода к промежуточному значению: к примеру, перейти от чѐрного (0) к серому (128), мы должны пройти через среднее значение: ярко-белый (255) ) решает проблему скорости лишь частично.
• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаѐтся существенным минусом технологии.
• Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищѐнная стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей . o Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2. Стандарт определяет 4 класса качества LCD-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.
• Вопреки расхожему мнению пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.
Перспективной технологией, которая вероятно заменит ЖК-мониторы, часто считают OLED технологию. OLED-дисплеи будут рассмотрены далее.
Обзор достижений
На сегодняшний день это самая массовая технология производства дисплеев. Однако если брать отдельные отрасли, то, зачастую, LCD дисплеи либо не выигрывают по своим показателям (широкоэкранные телевизоры), либо уже активно вытесняются более современными бурно развивающимися технологиями (всевозможные «гаджеты», с диагональю до 10 дюймов).
Международная выставка CES 2010:
состоялась презентация нового монитора SyncMaster PX2370 компании Samsung Electronics :
Толщина: 18 мм. Экран: 23-дюймовый широкоформатный со светодиодной подсветкой, который благодаря технологии Samsung Smart Sensor автоматически отключается в том случае, если пользователя нет рядом. Full HD-разрешение 1920 x 1080 пикселей, время отклика 2 мс (GTG), контрастность 1000:1 (силами технологии MEGA DCR уровень динамической контрастности достигает показателя 5000000:1).
Sharp на выставке CES представила новую серию жидкокристаллических телевизоров AQUOS с LED-подсветкой UltraBrilliant Edge, в которых применена технология увеличения полноты цветовой гаммы. По утверждению компании, она позволяет отображать более триллиона цветов с насыщенными оттенками "Карибского моря" и "желтых подсолнечников". Принцип действия базируется на четырѐх основных цветах вместо трѐх благодаря четырѐхцветному фильтру, добавляющему к красному (R), зелѐному (G) и синему (B) жѐлтый (Y). Эта комбинация расширяет гамму и воспроизводит практически все цвета, которые могут быть различены невооружѐнным глазом. Для обычных же ЖК-панелей такие оттенки, как присущий предметам из меди золотистый, представляют сложность, что не проблема для Sharp AQUOS.
Флагманская серия включает Full-HD-модели с диагоналями экранов 68". Все телевизоры характеризуются частотой обновления экрана 120 Гц благодаря технологии Fine Motion Enhanced, временем отклика 4 мс.
Plasma Display Panel - дисплей
Газоразрядный экран (также широко применяется английская калька « плазменная панель ») — устройство отображения информации , монитор, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора .
Конструкция
Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон. Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трѐх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено высокочастотное напряжение, появится емкостной высокочастотный разряд. В межэлектродном пространстве образуется плазма. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелѐный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объѐм 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.
Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:
• Зелѐный: Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ / BaAl 12 O 19 :Mn 2+
• Красный: Y 2 O 3 :Eu 3+ / Y 0,65 Gd 0,35 BO 3 :Eu 3+
• Синий: BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+
Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелѐного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.
Последней проблемой остаѐтся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трѐх субпикселей. На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона субпикселей, что даѐт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние — в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, — подобно сканированию лучом на ЭЛТ - мониторах.
Преимущества
Плазменные телевизоры способны воспроизводить достаточные глубокие оттенки. Они отличаются исключительной цветопередачей и необычайно высоким уровнем контрастности. Другая отличительная черта плазменных телевизоров – это хорошие показатели времени отклика, глубокая тональность и большие размеры экранов.
Недостатки В связи с выгоранием газа люминофоров, не рекомендуется использовать PDP дисплеи для статических изображений, что делает их невыгодным для применения в качестве компьютерных мониторов.
При работе они сильно нагреваются, поэтому при недостаточном охлаждении подвержены перегревам и поломкам экрана. Так же их работа сильно зависит и от понижения температуры воздуха.
Обзор достижений
На данный момент в мире на потребительском рынке широко представлены и продаются плазменные дисплей с диагональю от 42 дюймов и более (менее не выгодно). Срок службы современной плазмы составляет 20000 часов и более, что вполне хватит человеку для домашнего просмотра на десяток лет.
150" (381 см) плазменная панель Panasonic:
Organic Light-Emitting Diode - дисплей
Это дисплей на основе технологии OLED (органических светодиодов). Органический светодиод — прибор, изготовленный из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока.
В настоящее время такие дисплеи широко применяются в мобильных телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол , MP3 - плееров и т. д.
История
Андрэ Бернаноз (André Bernanose) и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плѐнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960-м исследователи из компании Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя допированный антрацен .
Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как
полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учѐные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле. Они достигли проводимости 1 См / см . К сожалению, это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения.
В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и развитие проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.
Первое диодное устройство было создано в 1980-х компанией Eastman Kodak .
В 1990 году в журнале Nature появляется статья учѐных, в которой сообщается о полимере с зелѐной светимостью и «очень высоким КПД».
Недавно был разработан гибридный светоиспускающий слой, в котором используются непроводящие полимеры с примесью светоиспускающих проводящих молекул. Использование полимера даѐт преимущества в механических свойствах без ухудшения оптических свойств. Светоиспускающие молекулы имеют ту же долговечность, как и в первоначальном полимере.
Принцип действия
Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.
Сверху: Схема 2х слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)
Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.
Основные направления исследований разработчиков OLED-панелей
Основные направления исследований разработчиков OLED-панелей, где на сегодняшний день есть реальные результаты:
PHOLED
PHOLED (Phosphorescent OLED) — технология, являющаяся достижением Universal Display
Corporation (UDC) совместно с Принстонским университетом и университетом Южной
Калифорнии. Как и все OLED, PHOLED функционируют следующим образом: электрический ток подводится к органическим молекулам, которые испускают яркий свет. Однако, PHOLED используют принцип электрофосфоресценции, чтобы преобразовать до 100 % электрической энергии в свет. К примеру, традиционные флуоресцентные OLED преобразовывают в свет приблизительно 25-30 % электрической энергии. Из-за их чрезвычайно высокого уровня эффективности энергии, даже по сравнению с другим OLED, PHOLED изучаются для потенциального использования в больших дисплеях типа телевизионных мониторов или экранов для потребностей освещения. Потенциальное использование PHOLED для освещения: можно покрыть стены гигантскими PHOLED-дисплеями. Это позволило бы всем комнатам освещаться равномерно, вместо использования лампочек, которые распределяют свет неравномерно по комнате. Или мониторы-стены или окна — удобно для организаций или любителей поэкспериментировать с интерьером. Также к преимуществом PHOLED-дисплеев можно отнести яркие, насыщенные цвета, а также достаточно долгий срок службы.
TOLED
TOLED — прозрачные светоизлучающие устройства TOLED (Transparent and Top-emitting OLED) — технология, позволяющая создавать прозрачные (Transparent) дисплеи, а также достигнуть более высокого уровня контрастности.
Прозрачные TOLED-дисплеи: направление излучения света может быть только вверх, только вниз или в оба направления (прозрачный). TOLED может существенно улучшить контраст, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете.
Так как TOLED на 70 % прозрачны при выключении, то их можно крепить прямо на лобовое стекло автомобиля, на витрины магазинов или для установки в шлеме виртуальной реальности. Также прозрачность TOLED позволяет использовать их с металлом, фольгой, кремниевым кристаллом и другими непрозрачными подложками для дисплеев с отображением вперед (могут использоваться в будущих динамических кредитных картах). Прозрачность экрана достигается при использовании прозрачных органических элементов и материалов для изготовления электродов.
За счѐт использования поглотителя с низким коэффициентом отражения для подложки TOLEDдисплея контрастное отношение может на порядок превзойти ЖКИ (мобильные телефоны и кабины военных самолетов-истребителей). По технологии TOLED также можно изготавливать многослойные устройства(например SOLED) и гибридные матрицы (Двунаправленные TOLED TOLED делает возможным удвоить отображаемую область при том же размере экрана — для устройств, у которых желаемый объѐм выводимой информации шире, чем существующий).
FOLED
FOLED (Flexible OLED) — главная особенность — гибкость OLED-дисплея ( Демонстрация гибкого OLED - дисплея от SONY) . Используется пластик или гибкая металлическая пластина в качестве подложки с одной стороны, и OLED-ячеек и герметичной тонкой защитной пленки — с другой. Преимущества FOLED: ультратонкость дисплея, сверхнизкий вес, прочность, долговечность и гибкость, которая позволяет применять OLED-панели в самых неожиданных местах. (Раздолье для фантазии — область возможного применения OLED весьма велика).
SOLED
Staked OLED — технология экрана от UDC (сложенные OLED). SOLED используют следующую архитектуру: изображение подпикселов складывается (красные, синие и зеленые элементы в каждом пикселе) вертикально вместо того, чтобы располагаться рядом, как это происходит в ЖКдисплее или электронно-лучевой трубке. В SOLED каждым элементом подпиксела можно управлять независимо. Цвет пиксела может быть отрегулирован при изменении тока, проходящего через три цветных элемента (в нецветных дисплеях используется модуляция ширины импульса). Яркостью управляют, меняя силу тока. Преимущества SOLED: высокая плотность заполнения дисплея органическими ячейками, посредством чего достигается хорошее разрешение, а значит, высококачественная картинка.(В SOLED-дисплеях в 3 раза улучшено качество изображения в сравнении с ЖК и ЭЛТ).
Passive/ Active Matrix
Каждый пиксель цветного OLED-дисплея формируется из трех составляющих — органических ячеек, отвечающих за синий, зелѐный и красный цвета. В основе OLED — пассивные и активные матрицы управления ячейками.
Пассивная матрица представляет собой массив анодов, расположенных строками, и катодов, расположенных столбцами. Чтобы подать заряд на определѐнный органический диод, необходимо выбрать нужный номер катода и анода, на пересечении которых находится целевой пиксель, и пустить ток. Используется в монохромных экранах с диагональю 2-3 дюйма (дисплеи сотовых телефонов, электронных часов, различные информационные экраны техники). Активная матрица: как и в случае LCD-мониторов, для управления каждой ячейкой OLED используются транзисторы, запоминающие необходимую для поддержания светимости пикселя информацию. Управляющий сигнал подается на конкретный транзистор, благодаря чему ячейки обновляются достаточно быстро. Используется технология TFT (Thin Film Transistor) — тонкопленочного транзистора.
Создается массив транзисторов в виде матрицы, который накладывается на подложку прямо под органический слой дисплея. Слой TFT формируется из поликристального или аморфного кремния. Также идут разработки O-TFT (Organic TFT) — технологии органических транзисторов.
Сверху: технология струйной печати органического материала на подложку
Сверху: три варианта формирования цветных структур OLED
Преимущества в сравнении c Плазменными дисплеями
• меньшие габариты и вес
• более низкое энергопотребление при той же яркости
• возможность создания гибких экранов
• большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70° C)
Преимущества в сравнении c LCD - дисплеями
• меньшие габариты и вес
• отсутствие необходимости в подсветке
• отсутствие такого параметра как угол обзора — изображение видно без потери качества с любого угла
• мгновенный отклик (на порядок выше, чем у LCD) — по сути полное отсутствие инерционности
• более высокий контраст
• более низкое энергопотребление при той же яркости
• возможность создания гибких экранов
• большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70° C)
Яркость . OLED дисплеи обеспечивают яркость излучения от нескольких кд/м2 (для ночной работы) до очень высоких яркостей — свыше 100 000 кд/м2, причем их яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при более умеренных уровнях яркости до 1000 кд/м2. При освещении LCD-дисплея ярким лучом света появляются блики, а картинка на OLED-экране останется яркой и насыщенной при любом уровне освещенности (даже при прямом попадании солнечных лучей на дисплей).
Контрастность. Здесь OLED также лидер. OLED-дисплеи обладают контрастностью 1000000:1
Углы обзора. Технология OLED позволяет смотреть на дисплей с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения. Энергопотребление. Энергопотребление OLED дисплеев в полтора раза ниже, чем LCD. Энергопотребление PHOLED ещѐ ниже.
Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями с каждым годом растѐт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени человечество увидит расцвет данной технологии.
Трудности
• небольшой срок службы люминофоров некоторых цветов
• как следствие из первого, трудности в создании долговечных полноценных TrueColor (24битный цвет в компьютерной графике ) дисплеев
• дороговизна органики и отсутствие базы технологии по созданию больших матриц
Главная проблема для OLED — время непрерывной работы должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелѐный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства, хотя к 2008 году «синий» OLED всѐ-таки добрался до отметки, перемахнув за 20 тыс. часов непрерывной работы.
При этом для дисплеев телефонов, фотокамер и иных малых устройств достаточно 5 тысяч часов непрерывной работы. Поэтому OLED уже несколько лет успешно используется для них.
Можно считать это временными трудностями становления новой технологии, поскольку разрабатываются новые долговечные люминофоры. Также растут мощности по производству матриц.
Прогнозы рынка
В марте 2009 компания DisplaySearch опубликовала результаты исследования рынка полупроводниковой электроники. Согласно прогнозу аналитиков DisplaySearch, в ближайшие восемь лет следует ожидать стремительного развития массового производства OLED-дисплеев. Присутствие на рынке обильного ассортимента технологических новинок с дисплеями из органических полупроводников будет заметно уже с 2011 года. В этом году такие лидеры OLEDиндустрии, как Philips, GE, Konica Minolta и OSRAM начали постепенно наращивать производственные мощности, догоняя Samsung и Sony.
По предварительным прогнозам, если отталкиваться от текущего спроса на OLED-компоненты и запланированные объемы производства, то один только рынок OLED освещения принесет производителям порядка $6 миллиардов к 2018 году. Сейчас компании активно работают над снижением производственных издержек технологического процесса выпуска OLED — высокая стоимость органических светодиодов является ключевым препятствием для перехода к массовому производству. Как полагают некоторые аналитики, одним из способов оперативной разработки более эффективных и дешевых способов производства OLED является объединение усилий лидирующих компаний.
Так же по прогнозам ученых: в ближайшие годы на основе OLED могут появиться шторы на окна, стекла-дисплеи (бытовые или автомобильные), и так же цветные-OLED обои; OLED-экраны на каучуковых подложках можно будет встраивать, например, в одежду.
Обзор достижений
Разработки компании Sony
• Компания Sony на выставке электроники CES 2009 представила прототип OLED-телевизора с 21-дюймовым экраном.
• Сентябрь 2009 Компания LG, как и обещала, представила на выставке IFA2009 свой первый серийный OLED-телевизор. Правда, его технические характеристики пока остаются тайной, зато стала известна цена этого устройства. LG попросит за свой 15-дюймовый OLEDтелевизор 2,5 тысячи долларов. В Южной Корее его можно будет купить ближе к Новому году. До США он доберется к февралю-марту 2010 года. Когда его ждать в России — неизвестно.
• 2009, октябрь — компания Sony продемонстрировала прототипы устройств с гибкими OLED-дисплеями на выставке Ceatec Japan 2009. На фото снизу: прототип ноутбука Sony VAIO EL. Вместо стандартного LCD дисплея и клавиатуры со стандартным расположением в этом прототипе используется двойной гибкий OLED дисплей. Для ввода данных используется нижняя часть дисплея, чувствительная к прикосновениям пальцев рук. Толщина гибкого дисплея 0,2 дюйма.
Другие компании
Смартфон Nokia N85, анонсированный в августе 2008 года и поступивший в продажу в октябре 2008 года — первый смартфон от финской компании с AM-OLED дисплеем.
11 марта 2008 года GE Global Research продемонстрировала первый OLED, изготовленный в виде рулона , как главный успех на пути к эффективному по затратам производству коммерческой технологии OLED. Четырѐхлетняя научно-исследовательская работа обошлась GE Global Research и партнѐрам в $13 миллионов.
Chi Mei EL Corp of Tainan (Корпорация Тайнаня) продемонстрировала на конференции в ЛосАнджелесе (20-22 мая 2008 года) 25-дюймовые низкотемпературные прозрачные кремниевые Active Matrix OLED. Компания Samsung SDI, входящая в группу Samsung, способна выпускать 2 миллиона OLEDпанелей ежегодно. Предполагается, в 2010 году компания сможет выпускать 8 миллионов таких панелей. В 2010 она уже презентовала 14" ноутбук Samsung с прозрачным дисплеем (40% прозрачность – в выключенном состоянии)
Южнокорейский производитель электроники LG Electronics сообщил о планах компании по началу коммерческого производства и продаж первого массового 15-дюймового телевизора, созданного по технологии органических светоизлучающих диодов. LG стала первым в мире производителем, освоившим технологию OLED для массового производства.
Корейский оператор KT Telecom заявил об эксклюзивной договоренности с Apple о реализации iPhone с сенсорным OLED-дисплеем. KT Telecom готовится к началу реализации iPhone 4G уже в апреле 2010 года ограниченной партии для корпоративных клиентов. А массовые продажи новой модели начнутся в июне.
iMoD (Mirasol) – дисплеи
Дисплей на основе интерферферометрической модуляции (Interferometric Modulator, IMOD) — технология формирования изображения от компании Qualcomm, в основе которой лежит идея формирования цветного изображения методом интерференции световых волн.
Она представляет собой MEMS -технологию (Micro Electro Mechanic Systems, микро электромеханические системы), специально адаптированную для применения в дисплеях. Создание принципиально новых дисплеев подсказала сама природа. Простейшим iMoD дисплеем являются крылья бабочки.
Формирование цвета пиксела на дисплее
Принцип работы iMoD-дисплея, аналогичен тому, как в результате интерференции дневной свет в тонких крыльях насекомого приобретает определенный оттенок. Пиксель изображения представляет собой микромеханическую систему из тонкой стеклянной пластины и зеркальной мембраны, разделенных воздушным зазором. Величина зазора задается при изготовлении и определяет цвет пикселя. При кратковременной подаче положительного заряда мембрана притягивается к стеклянной пластине, теряя свои зеркальные свойства, и пиксель гаснет. "Открыть" пиксель можно снова подав теперь уже отрицательный заряд. Таким образом, цвет пикселя задается величиной воздушного зазора в матрице.
Преимущества
Преимущества такого дисплея очевидны. Высокая контрастность даже при ярком освещении интерференционный эффект дает такой же результат. Сравнительная независимость работоспособности от внешних воздействий дисплеи могут работать даже при экстремальных температурах. Ну и конечно, малое энергопотребление энергия тратится лишь на перевод пикселя из одного состояния в другое. iMoD-дисплеи потребляют в 3 раза меньше энергии, чем TFTдисплеи.
Недостатки
Примерно одинаковое энергопотребление iMoD-дисплеев в сравнении с современными OLEDдисплеями ставит под вопрос перспективность развития данной технологии.
Среди прочих «особенностей» стоит отметить, что по состоянию на 2008 год данную технологию развивала фактически лишь одна компания.
Обзор достижений
В марте 2009 года на Всемирном мобильном конгрессе компании Qualcomm и Inventec продемонстрировали первый смартфон Inventec V112, оснащенный так называемым Mirasol или IMoD-дисплеем ( Mirasol переводится как «подсолнух» и отражает суть работы дисплея, использующего отраженный свет) . В представленной модели 1,1-дюймовый ImoD-дисплей является двухцветовым, он расположен непосредственно под главным экраном.
И главный экран, и mirasol-дисплей являются сенсорными. Посредством mirasol-дисплея можно осуществлять навигацию по спискам воспроизведения MP3 и входящих звоноков.
E-book от Qualcomm с mirasol-дисплеем появится в 2010 г: компания продемонстрировала прототип нового продукта – электронную книгу с 5,7" цветным дисплеем (на фото ниже), способным отображать информацию при минимальном энергопотреблении. Экран выполнен по технологии Mirasol, использующей MEMS-элементы IMOD из двух проводящих слоѐв.
Так же, среди достижений Qualcomm можно отметить MP3-аудиоплееры, GPS-навигаторы выполненные с дисплеями Mirasol.
E-Ink (EPD) – дисплеи
Электро́нная бума́га ( англ. e-paper, electronic paper display, EPD ; также электронные чернила , англ . e-ink ) — технология отображения информации, разработанная для имитации обычной печати на бумаге. В отличие от традиционных жидкокристаллических плоских дисплеев, в которых используется просвет матрицы для формирования изображения, электронная бумага формирует изображение в отражѐнном свете, как обычная бумага и может показывать текст и графику неопределѐнно долго, не потребляя при этом электрическую энергию и позволяя изменять изображение в дальнейшем. Потенциал технологии крайне велик, и сравним с переходом от зелѐного (электролюминесцентного) дисплея к жидкокристаллическому: интеграция технологии с солнечными элементами создаст в ближайшем будущем такое же массовое, вечное и удобное устройство, как бухгалтерский калькулятор .
Электронная бумага была разработана для преодоления недостатков компьютерных мониторов. Например, от подсветки жидкокристаллических мониторов импульсными газоразрядными лампами человеческий глаз может сильно уставать, в то время как электронная бумага отражает свет, как обычный печатный лист. Угол обзора у неѐ больше, чем у жидкокристаллических плоских дисплеев. Она лѐгкая, надѐжная, а дисплеи на еѐ основе могут быть гибкими.
Предполагаемое применение включает электронные книги, которые могут хранить цифровые версии многих литературных произведений, электронные вывески, наружную и внутреннюю рекламу.
История
Электронная бумага была впервые разработана в Исследовательском Центре компании Ксерокс в
Пало Альто ( англ. Xerox’s Palo Alto Research Center ) Ником Шеридоном ( англ. Nick Sheridon ) в 1970 - х годах. Первая электронная бумага, названная Гирикон ( англ. Gyricon ), состояла из полиэтиленовых сфер от 20 до 100 мкм в диаметре. Каждая сфера состояла из отрицательно заряженной чѐрной и положительно заряженной белой половины. Все сферы помещались в прозрачный силиконовый лист, который заполнялся маслом, чтобы сферы свободно вращались. Полярность подаваемого напряжения на каждую пару электродов определяла, какой стороной повернется сфера, давая, таким образом, белый или чѐрный цвет точки на дисплее.
Технология В 1990 - х годах Джозеф Якобсон (Joseph Jacobson) изобрел другой тип электронной бумаги. Впоследствии он основал корпорацию Е-инк ( E Ink Corporation) , которая, совместно с Philips, через два года разработала и вывела эту технологию на рынок.
Принцип действия был следующий: в микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, помещались электрически заряженные белые частички. В ранних версиях низлежащая проводка контролировала, будут ли белые частички вверху капсулы (чтобы она была белой для того, кто смотрит) или внизу (смотрящий увидит цвет масла). Это было фактически повторное использование уже хорошо знакомой электрофоретической ( англ. electrophoretic ) технологии отображения, но использование капсул позволило сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла.
Обычная цветная электронная бумага [4] состоит из тонких окрашенных оптических фильтров, которые добавляются к монохромному дисплею, описанному выше. Множество точек разбиты на триады, как правило, состоящие из трѐх стандартных цветов: голубой, пурпурный и жѐлтый ( CMY ) (в отличие от мониторов ( RGB ) , электронная бумага работает в отражѐнном свете, а не излучающем). Цвета тогда формируются так же, как и в других дисплеях.
Принцип действия моноцветной и многоцветной электронной бумаги использующей светофильтры
Дисплей с гибридным E-Ink/LCD-экраном
О гибридных экранах с функциональностью ЖК и электронной бумаги стало известно в начале 2009 года. Изделия с инновационными экранами уже анонсированы (см. раздел «достижения»). Гибридным экраном будет оснащѐн и планшетный компьютер.
Разрабатываемое Pixel Qi решение является "прозрачно-отражающим" жидкокристаллическим дисплеем. Другими словами, он работает в одном из двух режимов: отражающем, таком как в электронных книгах, требующем внешнего освещения, и собственно излучающем – обычном для любой ЖК-панели, необходимым элементом формирования видимого изображения на которой является подсветка. В первом случае меньше нагрузка на органы зрения и комфорт при чтении текстов, а второй незаменим при просмотре видео или для игр. Как утверждают разработчики, "типичное устройство" может оставаться в автономном режиме до 20 часов без подсветки.
Один из удивительных концептов – HD-телевизор с потребляемой мощностью менее 10 Вт, который может использоваться в сотнях миллионах домов, не имеющих стабильного электропитания. Благодаря экономичному энергопотреблению, такой телевизор можно оснастить аккумулятором и он сможет длительное время работать автономно. Что интересно, цена такого телевизора составит всего $100. Скорее всего, это будут компактные устройства с диагональю 10 дюймов, предназначенные для рынка развивающихся стран, где отсутствие сетевого питания весьма актуально.
Преимущества
Возможность создания ультратонких гибких дисплеев. Именно поэтому технология и получила свое название – электронная бумага.
Картинка тоже смотрится почти как на бумаге (Superior Paper-Like Readability) — отсутствует мерцание, «плавание» изображения, нечеткость символов и линий. Цветопередача картинки, сформированной на E-Ink дисплеях, не зависит от угла зрения на экран.
Состояние пигментных частиц в микрокапсулах очень стабильно. Созданное на электронночернильном экране изображение может устойчиво сохраняться весьма длительное время, вплоть до нескольких недель, не требуя при этом каких–либо затрат энергии. Из этого следует, что дисплеи на электронных чернилах отличаются крайне низким энергопотреблением, а потребляемая такими устройствами мощность во многом зависит именно от частоты изменения картинки на экране.
На фото выше: E-Ink 3-х дюймовый гибкий дисплей с разрешением 160 х 240 пикселей.
И наконец, дешевизна производства. Как сообщается в пресс-релизе Gamma Dynamics, в настоящее время в компании сфокусировали внимание на разработке EFD-устройств себестоимостью производства менее $10 за квадратный фут – это чуть больше $100 за квадратный метр дисплея!
Недостатки
В настоящее время дисплеи на основе электронной бумаги имеют большее время обновления по сравнению с ЖК-мониторами, не говоря уже про OLED. Это не позволяет производителям использовать сложные интерактивные приложения (анимированые меню, указатели мыши или скроллинг), которые широко распространены на КПК. Сильнее всего это сказывается на способности электронной бумаги показывать увеличенную версию большого текста или изображения на маленьком экране.
Достижения
На фото Skiff Reader с E-ink 1200х1600 пикселей touch-screen экраном, и магниевым корпусом:
Управление посредством рук
Благодаря магниевому корпусу девайс легко гнется и имеет ударопрочные свойства
Японская компания Toppan Printing совместно с министерством внутренних дел и бюро связи проводят испытания плакатов из электронной бумаги. Сообщается, что мощность плаката размером 3,2 x 1,0 метр составляет 24 ватта:
В своѐм официальном блоге компания Pixel Qi заявила о запуске производства гибридных E-Ink/ LCD 3qi -дисплеев. Они дебютируют в специализированных планшетных компьютерах с поддержкой мультисенсорной технологии. Поставки новых панелей заказчикам стартуют в первом квартале следующего года. Первыми на рынок выйдут модели с диагональю 10 дюймов. Дисплеи 3qi обладают достоинствами традиционной электронной бумаги и при этом являются цветными, поддерживают воспроизведение видео. В режиме e-paper новинки обладают в три раза более высоким разрешением и обеспечивают комфортное чтение книг в электронном формате. Из достоинств этих дисплеев также отмечается высокая читабельность даже в условиях яркого солнечного освещения, очень низкая потребляемая мощность и дешевизна. Дисплеи 3qi ориентированы не только на мобильные компьютеры.
На фото ноутбук с гибридным дисплеем – прекрасная передача изображения даже в яркий солнечный день:
В момент написания данного обзора появилась новость от компании LG Display (15.01.2010). Компания разработала почти такой же крупный экран, как газета.
Размер гибкого экрана – 25 х 40 см, что в переводе на диагональ даѐт 19". Толщина составляет всего 0,3 мм, масса – 130 г. Чтобы достичь таких характеристик, LG Display применила вместо более традиционной стеклянной подложки металлическую фольгу. Это самый большой дисплей из "электронной бумаги", изготовленный южнокорейской компанией. Однако это еще прототип устройства и о скором массовом выпуске речи не идет. В первой половине текущего года планируется начать массовое производство 11,5" решений на базе технологии с фольгой.
Заключение
На сегодняшний день самой массовой и распространенной технологией остается LCD. В сегменте бытовых и промышленных экранов ей нет серьезных конкурентов. LCD используется в компьютерах, телевизорах, по прежнему в телефонах, навигаторах, плеерах; в последние годы вовсю наступала на пятки плазме (PDP), и сегодня в сегменте больших экранов, можно сказать, «урвала» себе место под солнцем. Однако при всей массовости, в узких сегментах не наблюдается столь явного превосходства. В «гаджетах» уже вовсю используют OLED, и уже совсем скоро, возможно в ближайший год, органика заберет здесь себе львиную долю. При этом она, конечно, отдаст часть рынка E-ink экранам (возможно, гибридным E-ink/LCD) и, может быть даже, часть Imod технологии. Что касается домашних кинотеатров – здесь по-прежнему лучше купить «плазму». В пользу органики и электронной бумаги говорит и то, что это еще не освоенные, перспективные технологии, с большим потенциалом для развития и создания гибких дисплеев на годы вперед. LCD и PDP этим похвастаться не могут. Органические диоды же позволят внедрить дисплеи в сферы жизни человека, где доселе не было ничего, либо было, но крайне дорого и плохо доступно. Кроме всего прочего, в последнее время широко растет спрос на 3D анимацию и кинофильмы, что неизбежно будет вести к развитию технологий создания бытовых стереодисплеев (успешные разработки были продемонстрированны еще на CES 2008). Данный фактор конечно будет сильно влиять на рынок и отрасль в целом.
Среди технологий, как наиболее перспективную, сам автор бы выделил технологию OLED. Ну а как будут развиваться технологии – выберет потребитель и покажет время.
Автор обзора – Алешин Егор
Публикация данного материала в любом виде разрешается. Указание на авторство приветствуется.