Съвременни дисплеи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2007

 

Дисплеите се превърнаха в почти задължителен елемент на електронните устройства - индустриални, битови или със специално предназначение. И това е обяснимо, тъй като голяма част от информацията за заобикалящия го свят човек получава чрез зрението си. Нараства не само количеството на произвежданите дисплеи, но непрекъснато се правят технологични подобрения в съществуващите модели. Същевременно се разработват нови видове, целящи подобрение на качеството на изображението, създаване на по-голяма гъвкавост в приложенията, намаляване на консумацията на енергия и на цената.

В статията са дадени многобройните особености в областта на течнокристалните дисплеи, на светодиодните и тези с органични полимери, както и на чувствителните към допир дисплеи.

Течнокристални дисплеи (Liquid Crystal Display) LCD

В тях са съсредоточени най-голямата част от усилията на производители и изследователи поради многото предимства, сред които особено важна е малката консумация на енергия.

Принципът им на действие е добре известен и се основава на променящите се оптични свойства (Nematic) на течните кристали поради различна ориентация на молекулите им. При липса на напрежение върху кристала и съответно на ток през него подредбата на молекулите е като че ли кристалът е усукан (Twisted) – лявата колона на фиг. 1, а при наличието им усукването намалява или изчезва (дясната колона). Чрез поляризационни филтри от двете страни на кристала се осигурява преминаването на светлината без подаване на напрежение (кристалът "свети") и спирането му при наличие на напрежение (кристалът е "изгасен").

В зависимост от начина на преминаване на светлината съществуват 3 вида LCD. В пропускащите (Transmissive Mode), дадени вляво на фиг. 2, има източник на задно осветление - подсветка (Backlight), поради което те могат да работят и на тъмно. Използват се за буквено-цифрова информация, при което цветът на задното осветление зависи от изискванията към конкретната апаратура. Основна тяхна разновидност са пропускащите положителни дисплеи (Transmissive Positive Display), при които течният кристал са самите елементи. С по-малко приложение са пропускащите отрицателни дисплеи (Transmissive Negative Display), в които кристалът е площта между елементите. Пример за последния вид е цветният графичен дисплей DEM128160A на Display Elektronik. Най-голямото приложение на пропускащите дисплеи е в мониторите за компютри, в телевизионни приемници и подвижни телефони, където задното осветление е с бяла светлина. Отражателните (Reflective Mode) LCD (средата на фиг. 2) използват околната светлина, която се отразява от огледалото в задната им страна. Те са най-икономични, което определя основното им приложение в устройства с батерийно захранване и малки размери. Качеството на цветовете не е така добро, както в другите два вида. Пропускащо-отражателните (Transflective Mode) LCD (вдясно на фиг. 2) осигуряват добро качество и консумират по-малко енергия от пропускащите. Тези и някои други предимства обуславят появата на разновидности. Една от тях е Transmissive-Micro-Reflective (TMR), в която делът на отразената светлина е намален. Резултатът са по-естествени и наситени цветове дори при значително околно осветление. Приложенията са главно за неголеми дисплеи, например серията цветни TD015THEB1, TD024THEB2 и TD025THEE5 на Philips с диагонал между 3,8 и 6,4 cm и сериите LTD и LTE за мобилни устройства на Samsung с диагонал между 2,1 и 18 cm. Подобна е технологията Super-Transmissive Natural Light (ST-NTL) на NEC. Други разновидности са Super Transmissive with Reflectivity (STR) и Super Reflective (SR), при които пък е увеличена част от отразената светлина чрез използване на сребро вместо алуминий като отражателна плоскост.

Всички класически дисплеи създават желаното изображение само от едната си страна. Наскоро Samsung пусна на пазара двустранен LCD с диагонал 5,5 cm, който едновременно осигурява различни изображения от двете си страни. Засега основното му приложение е за замяна на двата дисплея в капака на мобилните телефони.

Според начина на усукване на течния кристал също има няколко вида LCD. Най-старите, с най-просто устройство, най-малка постояннотокова консумация, ниска цена и все още със значително приложение са Twisted Nematic (TN) LCD. В тях кристалът е усукан на 90° и затова при протичане на ток те не спират изцяло светлината. Резултатът са малки стойности на контраста CR (типично между 10:1 и 100:1), неголям ъгъл на видимост и сравнително големи времена на реакция (средно около 60 ms). Това определя приложения главно като едноцветни дисплеи в измервателни и контролни уреди, часовници, калкулатори и др. Примери са буквеноцифровите дисплеи на фирмите Nely Tech, Shenzhen AV-Display, Truly и Wintek, както и някои модели на Data Modul. Разновидността на последните TN+Film е с увеличен ъгъл на видимост в хоризонтална посока. Голяма серия TN LCD с размери между 80x36 и 182x33 mm има фирмата Powertip Technology. Подобрения в технологията са позволили на AU Optronics да предлага TN цветни дисплеи с диагонал между 31 и 51 cm и времена на реакция от 12 до 25 ms.

Принципна възможност за увеличаване на ъгъла на видимост осигурява по-голямото усукване на кристала. Първата стъпка в тази посока са Higher Twisted Nematic (HTN) LCD с ъгъл 110° и приблизително същите останали параметри и приложения. Сред производителите на буквеноцифрови дисплеи с индустриално предназначение от този тип са Shenzhen AV-Display и Data Modul.

В следващия, значително по-разпространен тип Super TN (STN) LCD усукването вече е между 210 и 270°, което допълнително осигурява по-голям CR и по-малко напрежение за прекратяване на пропускането. Същевременно чрез стойността на това напрежение се контролира качеството на преминаващата светлина, т.е.получават се различни нюанси на сивото. Основните недостатъци са увеличените загуби на светлина и по-голямото време на реакция (типично 200 ms). Независимо от това дисплеите се използват като едноцветни, понякога с означение MSTN (от Monochrom STN), например от Kyocera. Модели на STN се предлагат и от Data Modul, Hitachi, Nely Tech, Optrex, Orient Display, Powertip Technology, Truly, Wintek др.

Черното и бялото в STN LCD може да се окаже съответно леко синкаво и леко жълтеникаво. Това е отстранено чрез прибавяне на втори слой от течен кристал, усукан в обратната посока, което определя наименованието Double STN (DSTN) и увеличава CR и ъгъла на виждане. Поради този слой DSTN са малко по-дебели, тежки и скъпи, но осигуряват по-добро качество, особено цветните. Например Wintek произвежда такива едноцветни дисплеи за контролни табла.

Същите подобрения се осигуряват и чрез нанасяне върху кристала на т.нар. компенсационен филм. Това са Film-compensated STN (FSTN), които са по-тънки и леки от DSTN. Примери са едноцветните графични дисплеи на Display Elektronik с брой на пикселите от 120x32 до 320x240.

По-нататъшно развитие на тези идеи с цел увеличаване на CR, но получило по-ограничено приложение, са двуслойните (Double Film STN) FFSTN и “интелигентните” дисплеи (Intelligent STN) ISTN.

Цветните STN (Color STN) CSTN обикновено са от типа FSTN и се реализират по класически начин – всеки пиксел е съвкупност от 3 субпиксела с червен, зелен и син филтър. Тези дисплеи винаги са матрични с размери до 640x480, диагоналът им е от 5 до 25 cm, а основните приложения са в батерийни устройства. Големи серии от такива дисплеи имат Kyocera (например KCG035QV1AA-G00 с диагонал 8,9 cm и KCG089HV1AA-G00 с диагонал 23 cm), Truly (MCG-G160120DTSW-1N), серията на Powertip Technology с диагонал между 2,5 и 3,8 cm и на Optrex с диагонал от 9,7 до 14,6 cm.

Всички разгледани до тук дисплеи са пасивни и техните матрични разновидности се означават като Passive Matrix. Три са основните недостатъци на тези дисплеи и те определят приложенията им.

l Част от тока през даден елемент неизбежно се отклонява към съседните и те леко се активират. Това ограничава получаването на висок CR, чиято максимална стойност е около 500:1.

l Значителният ъгъл на усукване ограничава ъгъла на видимост.

l Големите времена на реакция водят до размазване на бързо движещи се обекти (след тях остава “опашка”).

Решение на последния проблем е използването във всеки субпиксел по един MOS транзистор (фиг. 3), откъдето е наименованието му тънкослоен транзистор (Thin Film Transistor) TFT. Всички транзистори са върху прозрачен лист в долната част на дисплея, който неизбежно задържа част от светлината. Това обуславя задължителното за тези дисплеи задно осветление. Обикновено те са пропускащи, но има и пропускащо-отразяващи. Задействането на всеки от транзисторите и активиране на субпиксела му се осъществява чрез подаване на напрежение между гейта и сорса му по шините между субпикселите. Този начин на задействане се нарича активна матрица, което определя другото наименование AMTFT LCD. Използваните течни кристали са DSTN или FSTN, което обуславя малките времена на реакция и големите ъгли на видимост. Реално това са единствените LCD, позволяващи получаването на качествени подвижни изображения. Самите TFT са силициеви, като при големите дисплеи са аморфни, а в малките – аморфни или поликристални. За увеличаване на интензитета на отразената светлина компанията Sharp е създала структура с много голям брой миниатюрни отражатели (Micro Reflective Structure) MRS, използвана в серията й дисплеи HR-TFT.

Дотук бяха представени основните видове LCD в зависимост от вида на течния кристал. За тяхната изработка се използват различни технологии. Част от тях е реализацията върху задната стъклена пластина на драйверите за управление на дисплея и евентуално други блокове. За целта са разработени няколко разновидности нискотемпературна технология (Low Temperature Polysilicon) LTPS, при която нагряването е между 300 и 550°С. Най-често то се прави с лазер, който разтопява аморфен силиций и при рекристализацията му се получава желаният полисилиций. Именно това е технологията чип върху стъкло (Chip On Glass) COG, изяснена на фиг. 4. По такава технология е изработен едноцветният дисплей EW32F92 на Еmerging Display Technologies с диагонал 9,7 cm с фирмено наименование Power White, който е с голям CR. Технологията е използвана и в дисплеите с диагонал между 4,6 и 7,2 cm на AU Optronix, в част от висококачествените цветни дисплеи на LG.Philips, в индустриалните и автомобилни дисплеи на Sharp, както и в най-малкия цветен дисплей с диагонал 0,845 cm на Epson. Подобна е технологията чип върху гъвкава основа (Chip On Flex) COF, при която драйверите се монтират върху гъвкава пластина, а тя се прикрепва върху стъклото. Чрез технологията се намалява теглото на дисплея в сравнение с COG и може да се осигури по-малко разстояние между проводящи пътечки и изводите на прибори. Пример за използването на технологията са някои от дисплеите на Data Modul.

Друга група технологии са за изработката на самите течни кристали и целят постигане на определени параметри. Чрез технологията IPS (In Plaque Switching), създадена от Hitachi, се подобрява възпроизвеждането на цветовете на TN LCD и се разширява ъгълът на видимост. Наименованието идва от подреждането на молекулите на кристала в една равнина, успоредно на двете ограничаващи го пластини, при което през него не преминава светлина. При активирането молекулите се завъртат на 90° и светлината преминава. Допълнително предимство е, че при повреда на транзистор в TFT пикселът остава черен и почти незабележим. Пример за използването на технологията са част от дисплеите на Chi Mei Optoelectronics. Допълнителни подобрения са направени с S-IPS и най-новата Enhanced S-IPS, възприета като основна в телевизорите на LG.Philips. При нея времената на реакция са намалени до 5 ms, а ъгълът на видимост достига 178°. При това качеството на цветовете се запазва практически неизменно до ъгли от 80°.

Увеличаване на ъгъла на видимост и CR и намаляване на времената на реакция се постига чрез МVА (Multi-domain Vertical Alignment), създадена от Fujitsu. При нея молекулите на неактивирания течен кристал са перпендикулярни на плочките от двете му страни. Допълнително предимство е възможността за реализация на малки дисплеи с голяма разрешаваща способност. Съществуват и подобрения на технологията като А-МVА и S-МVА. Например AU Optronix използва в своите дисплеи за телевизори и монитори с диагонал между 51 и 118 cm технологиите МVА и А-МVА, а Chi Mei Optoelectronics се е спряла на МVА и S-MVA в част от своите цветни дисплеи. Друга разновидност е РVА (Pattented Vertical Alignment) със същото подреждане на молекулите, но увеличен CR - типичните стойности са между 500:1 и 1200:1 и достигат до 3000:1. Чрез S-PVA се осигурява по-нататъшно намаляване на времената на реакция. Пример за използването на последните две технологии е дисплеят LTM300M1 на Samsung с диагонал 77 cm и време на реакция 6 ms.

Сред новите технологии е Photo Fine Vistarich на Epson, която осигурява ъгъл на видимост 180° от всички посоки и CR 500:1. При това стойностите на последния се запазват големи и при гледане под ъгъл – при ±80° той e 100:1, докато при другите дисплеи той е около 10:1.

За намаляване на времената на реакция се използват и различни видоизменения в управлението. Например ODC (Over Driving Circuit) работи с увеличено напрежение на дисплеите и се използва от LG.Philips.

Интегрираният контролер, често срещан при пасивните LCD дисплеи, обикновено отсъства при TFT дисплеите с диагонал над 3,5” и трябва да се реализира чрез допълнителни външни схеми. В този аспект интерес представлява разработената от Ampire 5,7” QVGA фамилия TFT дисплеи с вграден контролер и едно захранващо напрежение, който улеснява разработчиците в прехода от монохромни LCD към цветни TFT дисплеи.

Светодиодни (LED) дисплеи

Светодиодите едва ли се нуждаят от представяне. Всички съществуващи цветове се използват в реализацията на едноцветни дисплеи, включително новите сини и бели LED. В цветните дисплеи пикселите се реализират на същия принцип, както в цветната телевизия. Буквеноцифровите дисплеи се използват отдавна и интересни новости в тях няма. Сравнително малко са матричните дисплеи, например едноцветният LED-128G032-1 на Vishay с 128x32 пиксела. Примери за цветни дисплеи са A040CN01 на AU Optronics с 160x234 пиксела и някои модели на Display Elektronik.

Най-многобройните приложения са за големи екрани за помещения и на открито. Характерен пример са моделите TR2006R на Toshiba с ъгъл на видимост 170°, диагонали между 54 и 960 cm и формати 4:3 и 16:9. Специфична тяхна особеност е, че могат да се огъват на неголям ъгъл. Подобни са TR2010E, TRV2013E и TR2015X с диагонали до 20 метра и консумация до 160 kW.

Органични светоизлъчва-щи прибори (Organic Light Emitting Device) OLED

Те се основават на излъчването на видима светлина с определен цвят от молекулите на определени органични материали, когато през тях протича ток. За разлика от LED тук цялата светлина преминава през материала без да се абсорбира. Това означава по-голяма ефективност на преобразуването и съответно излъчване при значително по-малък ток. Резултатът е интензитет на светлината около 40 lm/W (колкото флуоресцентна лампа) при напрежение 5 V. Тя може да е червена, зелена, синя и бяла при време на реакция под 1 ms, т.е. могат да се реализират цветни дисплеи за подвижни изображения. Към това се прибавят ъгълът на видимост до 165°, малкото тегло, простата и евтина конструкция и изработка, преминаването на околната светлина през изключения OLED. Основните недостатъци засега са експлоатационния срок от около 10 000 h, трудностите за реализация на структури с голяма разделителна способност и за производство на големи дисплеи.

Използваните органични материали могат да са с малки или големи молекули, като приборите на основа на последните често се наричат светоизлъчващи полимери (Light Emitting Polymer) LEP.

В зависимост от конструкцията съществуват две разновидности на OLED, като основната е дадена на фиг. 5. Излъчването от нея е в една посока поради непрозрачния катод. Примери за такива дисплеи са 1.02” OLED на Powertip Technology със 128x64 пиксела. В прозрачните OLED (Transparent OLED) – TOLED, анодът и катодът са прозрачни и излъчването е в двете посоки при същия коефициент на пропускане на светлината, както при обикновеното стъкло. Това позволява приложения като дисплеи за наблюдаване от двете страни, които се залепват върху прозорци (на жилища, офиси и автомобили) и са напълно прозрачни в неработещо състояние. Вече е съществува и наименование - интелигентни прозорци (Smart Window).

За реализацията на цветни пиксели също има два начина. Класическият е разполагане един до друг на червен, зелен и син субпиксели, а управлението се подобрява чрез прибавяне на TFT към всеки субпиксел. Това са AMOLED, пример за какъвто е 2” OLED на Powertip Technology с 176ґ220 пиксела. Другият начин е технологията SOLED (от Stacked OLED), в която субпикселите са един над друг и могат да се управляват независимо. Последното улеснява получаването на желан цвят и интензитет на изображенията. Засега тази технология е на етап лабораторни модели.

Във фосфоресциращите OLED (Phosphorescent OLED) PНOLED излъчването на светлината е вследствие фосфоресценция в материали с малки молекули. Те също са на ниво лабораторни модели, като поради очакваната ниска цена и около 4 пъти по-голям коефициент на преобразуване ще са възможни приложения не само в дисплеи, но и за реализация на осветителни тела.

Разгледаните дотук OLED се реализират върху твърда (обикновено стъклена) подложка. За разлика от тях гъвкавите OLED (Flexible OLED) FOLED използват огъваща се подложка, като разликите между двете са дадени на фиг. 6.

Това позволява реализацията на огъващи се дисплеи, наример е цветният на Toshiba с 800x600 пиксела, диагонал 21 cm и дебелина 0,4 mm. На основата на FOLED са създадени лабораторни модели на дисплеи за електронен вестник (e-paper Display) с една страница, чието съдържание се променя.

Практическите им приложения засега са под формата на малки дисплеи, главно за мобилни телефони, MP3 плейъри и др. подобни. Примери са TOD9M0014GGP-W-T-L3 на Truly с диагонал 2,4 cm, OLM-O150GNG-02 на Varitronix с диагонал 3,8 cm, дисплеите на Osram (между 6,9 cm и 16,6 cm), някои дисплеите на AU Optronics и тези за командни табла и автомобили на Optrex. Проблемът с малките размери е на път да бъде преодолян - през април 2007 г. бяха представени телевизионни приемници с OLED екрани с диагонал 28 и 69 cm от Sony и с 54 cm от Samsung. Надеждите на двете фирми са за започване на редовно производство до края на годината, но вси още при твърде висока цена. Телевизор с екран също 54 cm представи и Toshiba, която смята да реализира такъв с диаметър 77 cm през 2009 г.

Структурата на един пиксел на LEP е дадена на фиг. 7 при дебелина на слоевете около 30 микрометра. Напрежението се прилага между горните електроди и прозрачния електрод, като достига до излъчващия слой през малкото съпротивление на пропускащия слой. И тук има материали за излъчване на трите основни цвята и съответно е възможно реализирането на цветни дисплеи. Особено привлекателно е, че един от методите за нанасяне на слоевете е подобен на печатането с принтер, което е предпоставка за ниска цена. В момента много фирми, сред които Philips и Epson, работят върху опитни образци, които вероятно скоро ще се появят на пазара. Основната очаквана област на приложение на LEP са устройствата с батерийно захранване.

Чувствителни на допир дисплеи (Touch Screen)

Реализират се чрез поставяне върху обикновен дисплей на прозрачна пластина (Touch Panel), която променя електрическите си параметри в мястото на докосване. Сред специфичните им параметри е времето на реакция с типични стойности няколко десетки ms. В резистивните чувствителни на допир дисплеи (Resistive Touch Screen) RTS върху пластинката има два успоредни проводящи слоя с фино надупчен сепаратор между тях. В двата вертикални края на RTS са поставени дълги електроди с приложено напрежение Ux, а в хоризонталните – други два с напрежение Uy. При натиск (сила около 100 g/cm2) се получава електрически контакт между слоевете в някоя от дупките, протичат токове Ix и Iy, по които контролер определя мястото на докосване. Издръжливостта на RTS към външни въздействия (осигуряват няколко десетки милиона задействания) ги прави подходящи за индустриални приложения. Подобни дисплеи предлагат Data Modul, Fujitsu (диагонал между 7,5 и 43 cm, например N010-0551-T744), Orient Display и Wintek, а Kyocera има цветни LCD дисплеи с диагонал между 12 и 23 cm (например KCG075VG2BG-G00).

Още по-издръжливи са капацитивните чувствителни на допир дисплеи (Capacitive Touch Screen), осигуряващи около 108 задействания. При тях върху изолационен слой е натрупан малък електрически заряд и при докосване с пръст на определено място този заряд се изтегля. В четирите ъгъла на дисплея има електронни схеми, които заедно с контролера регистрират мястото на докосването.

При инфрачервените чувствителни на допир дисплеи (Infrared Touchscreen) ITS в съседни стени на пластината на екрана са поставени инфрачервени светодиоди, а в срещулежащите – фототранзистори. При докосване на пластината част от лъчите се прекъсват и специален контролер регистрира пресечната им точка. При повече такива точки контролерът определя средата им. Пример за ITS е ITP-5038SDE-1 на Vishay с диагонал 15 cm, който е с 99 вертикални и 75 хоризонтални лъча и време на реакция 50 ms.

Стефан Куцаров




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top