Перспективные дисплейные технологии


PDF версия

Данный обзор создан на основе анализа материалов конференции очередного симпозиума SID'09, проходившего в этом году в Сан-Антонио, шт. Техас. В статье представлены наиболее значимые и перспективные технологии, позволяющие существенно улучшить параметры дисплеев и их эргономику. Снижение потребления дисплейных устройств – главное направление в современных разработках. Особенно эта задача актуальна для мобильных устройств и ноутбуков, где уменьшение потребления позволяет увеличить ресурс работы устройства в автономном режиме без подзарядки аккумуляторов.


ЖК-дисплеи мобильных устройств с переключаемым режимом «отражение-пропускание»

Применение цветных TFT ЖК-дисплеев значительно расширило функциональные возможности мобильных устройств. Однако использование светодиодной подсветки существенно увеличило уровень потребления и снизило ресурс работы от аккумулятора. В большинстве случаев, например при работе в условиях яркой освещенности, можно было использовать режим на отражение и не использовать подсветку. Т.е. оптимальным решением для работы дисплея мобильного устройства является работа как в режиме «на отражение» (внешняя подсветка), так и на пропускание (с задней подсветкой).
При ярком свете лучший контраст обеспечивают ЖК-дисплеи, работающие на отражение. При низком освещении лучшее качество изображения у ЖК-дисплеев с подсветкой в режиме пропускания.
В чем заключается проблема создания дисплеев, работающих в комбинированном режиме? В дисплеях с задней подсветкой, использующих режим «на пропускание», экран в исходном состоянии затемнен в отсутствие напряжения, а у дисплеев в режиме «на отражение» экран светлый. Оптическая схема дисплея определяется ориентацией вектора ЖК-молекул и фильтров-поляризаторов.
В настоящее время разработаны типы ЖК-дисплеев, которые работают в промежуточном, трансфлективном режиме (на полупропускание). Большинство трансфлективных ЖК-дисплеев обеспечивает работу в режимах transmissive (T) and reflective (R) за счет введения локальных зон T и R в каждый пиксел. Оптический режим зон формируется путем создания разной ориентации ЖК-молекул. Однако такой режим уменьшает разрешение экрана и ухудшает четкость изображения. В каждом из режимов работает только половина всех пикселов.

MVA-технология

Для кардинального решения проблемы комбинированного дисплейного режима было предложено использовать MVA-технологию. Изначально эта технология (Multidomen with Vertical Alignment — изменение ориентации нескольких доменов относительно нормали к плоскости матричного слоя) была предназначена для реализации более высоких углов обзора в ЖК-дисплеях. В MVA площадь каждого пиксела разбита на несколько зон-доменов. Для каждой зоны за счет использования ориентирующего покрытия и специальной обработки поверхности создается анизотропная пространственная ориентация осей ЖК-молекул. В итоге для каждого домена возникает некоторый угол рассогласования вектора поляризации ЖК-молекул по отношению к оси поляризующих фильтров. Каждый домен обеспечивает свой угол обзора, а угол обзора экрана формируется комбинацией всех доменов.
MVA в этом приложении используется для решения совсем другой задачи. В предложенном трансфлективном методе STAR (Switchable Transmissive and Reflective) применяются оба режима — T и R без деления пикселов на зоны T/R. Дисплей может переключаться между двумя основными состояниями T и R в соответствии с условиями внешней освещенности (см. рис. 1). При управлении полутонами пикселов для обоих режимов используется только одна гамма-кривая.

Рис. 1. Топология и эквивалентная схема ЖК-ячейки с переключением доминантного режима: dLC — зазор с ЖК-материалом; Cs — запоминающий конденсатор пиксела; CLC1 — емкость первого домена; CLC2 — емкость второго домена; Сp — емкость пассивирующего слоя; Tr — слой отражателя; Dp — толщина пассивирующего слоя; Vdata — шина данных (столбцы)

В схеме управления пикселом присутствуют два транзисторных ключа. Транзистор TFT1 работает в обычном режиме, обеспечивая запись и хранение уровня напряжения управления, а TFT2 задает оптический режим пиксела. Идея состоит в управляемом перераспределении напряжения, запомненного на Cs между емкостями доменов. Эту функцию и выполняет транзистор TFT2. В случае, когда он закрыт, напряжение с обкладки Cs распределяется между последовательно включенными емкостями Cp и CLC2, т.е. напряжение на втором домене меньше, чем на первом. При включении транзистора TFT2 емкость Cp шунтируется, и напряжение на обоих доменах становится одинаковым.
Для этого рассчитывается и задается специальное рассогласование для обоих доменов по отношению к вектору фильтров-поляризаторов. При подаче определенного напряжения смещения можно повернуть оси директоров обоих доменов таким образом, чтобы оптическое состояние доменов стало более темным.
ЖК-ячейка содержит две области для синтеза гамма-кривой. Область 1 непосредственно контактирует с электродом стокового транзистора Т1, а вторая граничит со стоковым электродом транзистора Т2.
При низкой освещенности (Т-режим) Т2 включен и шунтирует конденсатор Сp (емкость в пассивирующем слое). В этом случае напряжение управления полностью прикладывается к обоим электродам пиксела, за счет чего молекулы ЖК поворачиваются на большой угол. Таким образом, устанавливается темное состояние для всех выключенных пикселов.
В условиях высокой внешней освещенности происходит переход в доминантный отражательный режим. Транзистор Т2 выключен. Емкость Сp включена параллельно с емкостью второй зоны пиксела. Угол поворота ЖК-молекул для данной области (домена) уменьшается. Домен работает в R-режиме (светлые пикселы в отсутствие подачи напряжения, Т1 закрыт). Используя дополнительный ключ Т2, можно управлять напряжением и изменять начальный сдвиг ориентации молекул. Ключ Т1 управляет состоянием пиксела, как и в обычном TFT ЖК-дисплее.
Ключ Т2 управляет выбором доминантного состояния — T- или R-режим. Для режима отражения транзистор T2 выключен, поле пикселов светлое. Для режима на просвет (используется подсветка) транзистор Т2 включен, при этом изменяется угол наклона оси директора в домене ячейке таким образом, что ячейки в выключенном состоянии становятся темными. При реализации эта технология не усложняется, улучшается качество и читаемость изображения при ярком внешнем освещении. Кроме того, уменьшается потребление дисплея, поскольку работа с подсветкой не ведется. Переключение режимов производится автоматически от встроенного в мобильное устройство датчика уровня внешней освещенности.

Гибридный трансфлективный дисплей

Для реализации трансфлективного режима работы дисплея в мобильных устройствах была предложена гибридная технология ЖК+OLED. На рисунке 2 показана схема гибридного дисплея, в котором используется интегрированная вертикальная структура, состоящая из ЖК-панели, OLED-панели и фотогальванического модуля (солнечной батареи).

Рис. 2. Структура гибридного дисплея

Солнечная батарея позволяет использовать часть энергии внешнего освещения для питания электроники мобильного устройства. По крайней мере, этой энергии вполне достаточно для электроники ЖК-дисплея. Фотоэлемент является датчиком освещения для автоматического выбора оптимального режима работы, а также фоновым отражателем. OLED-панель прозрачна в выключенном состоянии, и при высокой внешней освещенности работает только ЖК-панель в режиме на отражение. Свет проходит через структуру ЖК-панели, прозрачную OLED-панель, попадает на поверхность фотогальванического элемента, а затем отражается.
На базе ЖК холестерического типа с бистабильным эффектом был разработан прототип устройства, применение которого позволит значительно сократить уровень потребления при отображении статической информации. Структура OLED используется для работы с динамическими изображениями, а также с низким уровнем освещенности. В отдельных режимах с уменьшением энергопотребления OLED-панель работает в качестве задней подсветки ЖК-панели.

Гибридная технология ЖК TFT+e-paper компании Pixel Qi

Компания Pixel Qi продемонстрировала на выставке Computex 2009 дисплеи нового типа — 3qi, предназначенные для портативных компьютеров и устройств для чтения электронных книг. В дисплее нового типа используется гибридная технология обычных ЖК TFT с e-paper. В помещениях с малой освещенностью дисплей работает в режиме обычного ЖК-дисплея с задней подсветкой. При высокой внешней освещенности подсветка отключается, и дисплей переходит в экономичный режим e-paper.
10,1-дюймовый дисплей на базе этой технологии потребляет 2,5 Вт в полноцветном режиме с подсветкой, как лучшие модели TFT ЖК-дисплеи аналогичного формата.
С того времени как Amazon продемонстрировала свое устройство для чтения книг Kindle в ноябре 2007 г., рынок вступил в новую фазу. Вслед за тем Amazon представила еще две модели — Kindle 2 и Kindle DX. Другие компании, например Sony, Samsung, Fujitsu, Foxit, Pixel Qi, также борются за свое место на быстроразвивающемся рынке читающих устройств.
Первый тип дисплея, разработанный Pixel Qi, имеет диагональ 10 дюймов. Он предназначен для нетбуков и устройств для чтения электронных книг. Дисплеи этого типа уже сейчас являются серьезными конкурентами лучших образцов дисплеев типа e-paper, имея к тому же функцию поддержки видеорежима с полными и насыщенными цветами. В режиме e-paper достигнуто разрешение в три раза выше, чем у самых лучших дисплеев данного класса, причем высокое разрешение реализовано без ущерба полноцветной графики с широкой палитрой цветов. Дисплей обеспечивает отличную читаемость даже при ярком солнечном свете. Это устройство стало лауреатом премии Best of Computex на выставке Computex 2009.

Гибридная дисплейная технология для мобильных устройств

Функции мобильного телефона становятся более разнообразными, он все больше выступает в качестве персонального помощника. Дисплейный модуль играет главную роль в пользовательском интерфейсе мобильного телефона. Однако различные применения требуют различных спецификаций от дисплея, чтобы обеспечить сочетание высокой производительности с высокой эффективностью.
Для оптимизации режимов отображения при использовании различных функций мобильного телефона была разработана новая концепция дисплея, который переключается из обычного 2D- в 3D-режим, а также в режим проектора при использовании всего одной ЖК-панели в качестве источника изображения. Дисплей использует источник подсветки с коллимированным пучком света и светорассеивающий диффузор на основе дисперсного полимерного ЖК (PDLC — Polymer Dispersed Liquid Crystal), находящегося позади ЖК-панели, а также переключаемый растровый фильтр. Перед ЖК-панелью устанавливается выдвижной проекционный объектив. В реализации дисплея в сотовом телефоне на его откидной крышке находится выдвижной проекционный объектив. Источник изображения — традиционная ЖК-панель с полимерным дисперсионным диффузором, расположенным между нею и модулем подсветки. Источник подсветки обеспечивает коллимированный поток света. Переключаемый линзовый массив, или параллаксный барьер, расположен над панелью. Объектив автоматически выдвигается при переходе в режим проектора.
В обычном двумерном (2D) режиме крышка откинута, объектив задвинут. При этом PDLC- и растровый фильтры отключены. Их оптические состояния (PDLC-фильтр — диффузное рассеяние излучения задней подсветки, растровый фильтр — прозрачный) обеспечивают работу ЖК-дисплея в режиме пропускания.
В режиме объемного изображения (3D) крышка откинута, объектив задвинут, фильтр PDLC включен и становится прозрачной пленкой; переключаемый растровый фильтр также включен. Для различных групп пикселов он обеспечивает различные углы обзора, формируя объемное изображение. В этом случае дисплей переходит в режим автостереоскопического 3D-дисплея.
В проекционном режиме крышка корпуса закрыта, объектив выдвигается. Фильтр PDLC включен и обеспечивает высокую коллимацию светового потока. Растровый фильтр выключен. Конструкция дисплейного блока показана на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция гибридного дисплея

В качестве источника подсветки дисплея используются массивы светодиодов и высокоэффективный коллиматор
(см. рис. 4). При толщине объектива проектора всего 19 мм обеспечивается проекция изображения размером 180×135 мм (почти размер A4) с расстояния 427 мм.

 

                               а)
                               б)
Рис. 4. Структура модуля подсветки с коллимированным светом
Технология Pixtronix DMS™

Дисплейная технология Pixtronix DMS™ (Digital Micro Shutter — цифровой микрозатвор) обеспечивает изображение очень высокого качества за счет уникальной оптической архитектуры и метода, который базируется на микрозатворах MEMS, сформированных на подложке с активно-матричной TFT-структурой адресации. Для синтеза полутонового цветного изображения используется последовательная по времени модуляция по цветам. В настоящее время разработаны и испытаны прототипы дисплеев для мобильных приложений. Дисплей обеспечивает широкую цветовую палитру с представлением цветов 24 бит и контраст более 500:1. Углы обзора составляют 170°. Потребляемая мощность сравнима с потреблением аналогичных по размеру TFT ЖК-дисплеев. Горизонтальный контрастный угол сравним с этим параметром у OLED-дисплеев, т.е. насыщенность цветов при изменении углов наблюдения сохраняется. DMS-технология обеспечивает параметры, близкие к параметрам OLED-дисплеев при потребляемой мощности даже несколько меньшей, чем у ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой (см. рис.  5).

Рис. 5. Структура DMS-дисплея содержит MEMS на TFT-подложке и светодиодную RGB-подсветку

В отличие от схемы Microsoft Research, для повышения эффективности использования светового потока в этом случае не используются массив микролинз, а световой поток неколлимированный, что значительно удешевляет конструкцию модуля. Рекуперация света обеспечивается за счет оптимальной схемы отражения в световоде.
Для повышения коэффициента рекуперации света используется специальная форма отражателя в нижней стенке световода. При отражении свет фокусируется преимущественно в зоны апертур затворов. При использовании данной схемы коэффициент пропускания дисплейной структуры Pixtonix составляет около 60%. Для сравнения, коэффициент пропускания ЖК-дисплеев мобильных устройств — не более 8%. Достигнутое быстродействие затворов на тестовых структурах составляет 1440 Гц. Для сравнения, в типовых микродисплеях LCOS с цветовой покадровой модуляцией максимальная частота кадровой развертки 450—540 Гц. Чем выше частота кадровой развертки, тем меньше проявляются артефакты, связанные с применением цветокадровой модуляции.
На рисунке 6 показана топология актуатора и затвора Pixtronix.

Рис. 6. Конструкция микрозатворов DNS-структуры

На выставке SID’09 демонстрировался прототип QVGA-дисплея с диагональю 2,5 дюйма. При изготовлении прототипа использовались технологии LTPS-PMOS и LTPS-CMOS, а также матрица адресации с транзисторами на аморфном кремнии. Прототип полностью поддерживает видеорежим 60 Гц. Яркость дисплея — 170 нит. MEMS-структура формируется на стеклянной подложке. Все процессы создания электромеханической матрицы микрозатворов совместимы с процессами AMLCD. Технология обеспечивает плотность пикселов 100…300 dpi.
В отличие от микрозеркальных актуаторов, используемых в DMD-технологии TI, актуаторы DNS не склонны к «залипанию», поскольку в них используется симметричная схема возбуждения подвижного затвора. Это, кстати, обеспечивает и больший уровень быстродействия, чем у микрозеркал DMD. Кристаллы драйверов управления строками и столбцами монтировались непосредственно на подложку активной матрицы. Скорость переключения оптического затвора — около 100 мкс.

Лазерный проектор со спиральной разверткой для мобильных устройств

Микропроектор со спиральной лазерной разверткой впервые демонстрировался на выставке предыдущего симпозиума SID’08. Тогда была готова модель, работающая только в монохромном режиме. В этом году на выставке SID’09 демонстрировался уже цветной вариант микропроектора со спиральной разверткой, разработанный на факультете инженерной механики Вашингтонского университета.
Микропроектор имеет две исключительные особенности, которые отличают его в ряду подобных устройств с механической разверткой луча. Первая — уникальные размеры: головка сканера имеет форму цилиндра диаметром всего 1,07 мм и длиной 13 мм! Вторая ключевая особенность конструкции сканера — спиральная развертка луча, а если точнее, по спирали Архимеда. При таких малых размерах обеспечивается довольно широкий угол сканирования — около 100°. В других устройствах для достижения такого широкого угла потребовалась бы дополнительная оптика и приличный пространственный объем.
Конструкция микропроектора показана на рисунке 7.

Рис. 7. Структура лазерного проектора и форма сигналов управления

Механическая развертка лазерного луча, проходящего через оптоволокно от трех лазеров, осуществляется с помощью миниатюрного пьезопривода. При развертке источник света работает в импульсном режиме и обеспечивает подсветку только светящихся пикселов. При этом на электронный блок привода расходуется небольшая доля энергии; собственно привод потребляет ее очень мало, поскольку механические подвижные детали очень малы и невелика амплитуда их перемещения. В качестве источников могут использоваться лазерные светодиоды или твердотельные лазеры, которые имеют довольно большую эффективность излучения — 10—20%. Кантилевер сканера крепится к торцу трубки пьезопривода. Внутри нее проходит оптоволокно, через которое передается модулированный поток света от лазерного светодиода. Светоизлучающий кончик волокна выполняет движение по спирали. Сигнал изображения, поступающий в обычном формате растровой развертки, буферизуется в ОЗУ. Для модуляции лазерного светодиода формируется другой выходной видеопоток данных, представленных уже в полярных координатах.
Для управления пьезоприводом на одну систему электродов подаются сигналы синуса, на другую — косинуса. Малые размеры и малое потребление микропроектора обеспечивают идеальное решение для использования его в мобильных устройствах. На рисунке 8 показан вариант размещения микропроектора в корпусе мобильного устройства.
Отсутствие подвижных частей гарантирует высокую надежность и долговечность сканера. Проекционная система может синтезировать изображение с разрешением, эквивалентным 500 строкам обычной развертки и с кадровой частотой 30 Гц. Возможны и другие режимы развертки — 240 строк/60 Гц и 1000 строк/15 Гц, что позволяет отображать неподвижные изображения с высоким разрешением или просматривать видео с реальной кадровой разверткой.
Качество полученного изображения можно оценить по рисунку 9.

Рис. 8. Размещение элементов лазерного проектора в корпусе мобильного устройства
Рис. 9. Изображение, сформированное спиральным микропроектором
МЕМS-ключи вместо транзисторов в AMOLED

Как известно, одним из важных элементов схемы управления матрицей AMOLED являются ключевые элементы, коммутирующие ток через OLED-светодиод. Они должны обеспечивать достаточное быстродействие, пропускать большие токи (несколько мА), иметь малые токи уточки, а технология их формирования должна обеспечивать высокую однородность параметров по всей площади экрана (см. рис. 10).

Рис. 10. Типовая схема ячейки адресации AMOLED

Технология их формирования должна быть простой, недорогой и обеспечивать стабильную воспроизводимость параметров транзисторов.
В настоящее время используются транзисторные ключи на аморфном кремнии a-Si и на поликремнии p-Si. Поликремниевый слой получают методом лазерного отжига пленки аморфного кремния. Пока этот процесс довольно сложен, трудоемок и недешев. Технология формирования матрицы транзисторов на аморфном кремнии в настоящее время хорошо отлажена и обеспечивает стабильные и однородные по площади параметры транзисторов.
Поликремний обеспечивает лучшие токовые передаточные характеристики, чем аморфный кремний, однако в процессе производства очень трудно обеспечить высокую однородность характеристик, что приводит к заметной разнояркостности элементов и зон экрана. Для решения этой проблемы были опробованы различные альтернативные решения. В качестве одного из вариантов реализации ключевых токовых элементов были предложены даже MEMS-ключи.
Для хорошо отлаженного в настоящее время формирования MEMS-компонентов используются те же технологические процессы, что и для обычных микросхем. Главное преимущество предложенной концепции управления — высокая однородность и стабильность параметров MEMS-ключей. Они имеют малое сопротивление во включенном состоянии и могут коммутировать большие токи. Разброс сопротивлений пренебрежительно мал. Время переключения ключей вполне достаточное для обеспечения коммутации в заданном временном интервале (см. рис. 11).

Рис. 11. Принцип работы MEMS-ключа

На рисунке 12 схематично изображены фазы управления OLED-пикселом на основе MEMS-ключа. Рассмотрим их подробнее.
T1 — фаза записи данных в элемент памяти (конденсатор) в процессе выборки строки. Ключ SW1 открыт, MEMS-ключ SW2 разомкнут.
Т2 — фаза хранения данных и управление током OLED-светодиода. Ключ SW1 закрыт, SW2 — замкнут.
T3 — фаза разряда. Конденсатор разряжается и размыкает ключ SW2.
Т4 — фаза сохранения выключенного состояния. Прохождение тока через светодиод блокируется. Ключ SW1 закрыт и SW2 разомкнут.

Рис. 12. Фазы управления OLED-пикселом на основе MEMS-ключа (режим ШИМ-модуляции)

Для управления яркостью используется метод ШИМ. Сопротивление замкнутого MEMS-ключа около 20 Ом. Ключ способен пропускать токи до 15 мА. Время переключения ключа около 5 мкс. Потребление тока происходит только в режиме переключения, и оно незначительно по сравнению с остальной схемой управления и матрицей OLED.
У этой технологии только один недостаток — для электростатического управления MEMS-ключом требуются высокие уровни напряжений 30…50 В, однако в серийно производимых MEMS-приборах также используется электростатическое управление с амплитудами сигналов в диапазоне 30…70 В.
В результате был изготовлен прототип дисплейного устройства с MEMS-ключами. Следует признать, что пока эта технология по стоимости реализации еще недозрела для использования в серийном производстве.

Заключение

Дисплейные технологии продолжают развиваться и совершенствоваться. Основные векторы их развития — снижение потребления дисплеев, увеличение уровня интеграции и широкое использование гибридных технологий. Продолжается внедрение технологий объемного изображения и проекционных технологий в секторе мобильных устройств.
Доминирующие позиции на рынке по-прежнему удерживают ЖК-дисплеи. Последние достижения демонстрируют высокий потенциал этой технологии как в секторе большеформатных дисплеев, так и в секторе мобильных устройств. Проекционные технологии на основе MEMS имеют хорошие перспективы, но они пока не достигли уровня, пригодного для серийного выпуска продукции с их использованием.

Литература
1. Jiun-Haw Lee, Tien-Lung Chiu, and Kai-Hsiang Chuang, Yi-Hsin Lin, Shin-Tson Wu. “Digest SID’09 Smart Transflective Display Integrated with PDLC and OPV-embedded-OLED”.
2. Hsin-Hsuan Huang and Cheng-Huan Chen, Yu-Cheng Lai , Yu-Cheng Chang , Yi-Pai Huang and Han-Ping D. Shieh, Chih-Wen Chen “Digest SID’09. Direct View and Projection Switchable Mobile Display”.
3. Brian T. Schowengerdt, Cameron M. Lee, Richard S. Johnston, C. David Melville, and Eric J. Seibel “Digest SID’09 1-mm Diameter, Full-color Scanning Fiber Pico Projector”.
4. Jignesh Gandhi, Je Hong Kim, Nesbitt Hagood, Lodewyk Steyn, John Fijol, Tim Brosnihan, Stephen Lewis, Gene Fike, Roger Barton, Mark Halfman, Richard Payne “Digest SID’09 High Image Quality of Ultra-Low Power Digital Micro-Shutter Based Display Technology”.
5. Jun-Bo Yoon, Jeong Oen Lee, Hyun-Ho Yang, and Weon Wi Jang. “Digest SID’08: A Novel Use of MEMS Switches in Driving AMOLED”.
6. Zhibing Ge, Xinyu Zhu, Thomas X. Wu, Shin-Tson Wu, Wang-Yang Li Chung-Kuang Wei. “Digest SID’09 Switchable Transmissive and Reflective LCD for Mobile Displays”.

 

 

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *