CC BY
63Дисплейная неделя в Сиэтле
Виктор БЕЛЯЕВ, д. т. н.
vic_belyaev@mail.ru Игорь КОМПАНЕЦ, д. ф-м. н.
kompan@sci.lebedev.ru
С 24 по 28 мая 2010 г. в Сиэтле, США, прошла «Дисплейная неделя» (SID'10), организованная Международным дисплейным обществом (Society for Information Display, SID). Главными ее мероприятиями были ежегодный симпозиум и выставка дисплейной техники и технологий.
Введение
Наиболее обсуждаемыми темами и представленными экспонатами были три: трехмерное ТВ, сенсорные панели и твердотельные осветители. Однако остаются весьма актуальными разработки электронной бумаги и гибких дисплеев, а также можно говорить
о возрождении интереса к дисплеям на органических люминесцентных материалах — OLED. Кроме того, в центре внимания были так называемые «зеленые» технологии, призванные улучшить экологические и эргономические аспекты производства дисплейной техники. Планируется, что в 2011 г. к наиболее значимым для обсуждения добавится тема военных дисплеев.
Материалы симпозиума и выставки широко освещались в последних (апрельском и майском) номерах журнала Дисплейного общества “Information Display”, в выпусках-отчетах «Мобильные дисплеи», в ежедневных выпусках «Дисплей Дэйли», а также на двух каналах телевизионных новостей и в местной газете «Сиэтл Таймс».
Открытие и пленарная сессия симпозиума
Открыли пленарную сессию и приветствовали участников симпозиума избранный в 2010 г. новый президент SID Минисами Ананд (Munisamy Anand), генеральный председатель симпозиума Том Фиске (Tom Fiske) и председатель программного комитета Хелдж Ситзен (Helge Seetzen).
C интересными докладами на сессии выступили вице-президент компании Samsung Mobile Display д-р Санг-Су Ким (Sang-Soo Kim), сотрудник авиастроительной компании Boeing Майк Синнет (Mike Sinnett) и сотрудник корпорации Microsoft Стивен Батиш (Steven Bathishe).
Д-р Ким определил основные вехи в развитии дисплейных технологий: монохромная ЭЛТ Зворыкина в 1934 г., цветная ЭЛТ в 1954 г., плазменная панель в 1964 г. и ЖК-панель в 1969 г., а на рубеже тысячелетий — гибкие дисплеи, смартфоны, интерактивные дисплеи и игры. 2010-й можно будет назвать годом выхода на широкую арену
трехмерных, сенсорных и OLED-AMOLED технологий.
С 3М-дисплеями происходит революция: их выпуск в 2012 г. уже составит 13%, или 33 млн единиц, в 2013 г. — около 30%, или 80 млн ед., а в 2015 г. — свыше 40%, или 267 млн приборов.
Аналогичная революция ожидается у дисплеев на основе OLED: если в 2007 г. их было выпущено около 2 млн, в 2008 — 6,5 млн, то в 2009 уже 20 млн, а в 2010 г. производство ожидается на уровне, близком к 100 млн приборов (в основном смарт-дисплеев для мобильных телефонов, ай-фонов, фотокамер и др.). А на 2015 г. прогнозируется, что на основе OLED будут производить уже 53% всех мобильных дисплеев.
Даже в трехмерных дисплеях, подавляющее большинство которых — жидкокристаллические, AMOLED имеет преимущество не только в простоте технологии и яркости, но и в быстродействии, необходимом для лучшего восприятия изображений. Так, в LCD и плазменных панелях из-за длительного послесвечения (миллисекунды) пикселя после его выключения имеют место перекрестные помехи («кросс-ток») вследствие идущего в правый глаз остаточного сигнала для левого глаза (и наоборот). Такого не может быть в приборах на основе OLED, где время послесвечения — микросекунды.
Условия быстрого развития OLED-AMOLED технологий:
• Инновации, приведшие к увеличению светимости до 11 кандел на ампер тока, увеличению быстродействия до 15 кГц и к печатной технологии производства.
• Инвестиции. Например, в 2010 г. Samsung вкладывает $2,2 млрд в технологии производства только 5,5-дюймовых панелей для различных смартфонов, а общие его инвестиции составят в ближайшие годы $20 млрд.
• Уменьшение стоимости производства за счет удешевления материалов и структур.
Хотя сейчас основной рынок для OLED-
AMOLED технологий — компактные (смарт) дисплеи, но уже осваиваются технологии 8-го поколения для производства 46- и 55-дюймовых AMOLED телевизионных панелей. По прогнозу, в 2015 г. выпуск
всех AMOLED-приборов достигнет 600 млн единиц, и, возможно, они составят уже большинство плоских дисплеев.
Майк Синнет посвятил свой доклад отображению роли дисплеев в летательных аппаратах. В Boeing-747 насчитывается около тысячи различного рода переключателей и индикаторов, и без дисплеев, характеризующих сразу целый набор параметров этих приборов и состояний узлов самолета, просто не обойтись. На примере индикаторных панелей в кабинах различных типов самолетов, от «древних» до современных, было прослежено, как менялся облик этих панелей и как дисплеи позволяли облегчить и обезопасить управление самолетами и сделать простым и наглядным выполнение целого ряда процессов (например, от руления по дорожке по дисплейной карте до снижения по глиссаде и посадки самолета). В первую очередь этими приборами, конечно, оснащаются современные тренажеры.
Как и везде, тенденцией в авиации является применение компьютерных дисплеев для уменьшения количества бумажных документов (например, разного рода накладных) и подключение интерактивных дисплеев. Дисплеи устанавливаются на местах пассажиров. Не обходятся без дисплеев диспетчерские службы и подразделения по конструированию самолетов. Безопасность, надежность, емкость и наглядность информации, уменьшение стоимости, предоставление новых удобств для пассажиров, экипажа и служб — необходимые требования для дисплейных применений в авиации.
Не менее интересным и даже более впечатляющим был доклад Стивена Батиша о следующем поколении интерактивных дисплеев, с помощью которых проигрываются виртуальные ситуации не только на игровом столе, но и в пространстве. Такие сенсорные дисплеи с программным обеспечением, позволяющим реализовать широкий набор функций, очень нужны в науке, архитектуре, в проигрывании самых разных ситуаций в управлении и производстве, в обучении и играх. Вспомогательными средствами здесь могут быть видеокамеры, голографические элементы, световые лучи, пространственные модуляторы света и т. п. Каждому положе-
нию головы или руки человека могут соответствовать свои функции, зависящие от приданного программного обеспечения, так что можно неожиданно включать на дисплейном экране любые ситуации. Таким же образом вставляются или снимаются и трансформируются страницы из дисплея мобильного телефона или из компьютерного монитора, связанного с Интернетом. Вводятся и распечатываются газетные страницы с движущимися, увеличиваемыми или уменьшаемыми в размерах изображениями. И многое-многое другое, что затем частично удалось увидеть на выставке.
Трехмерное телевидение
После кинофильма «Аватар» проблемы трехмерного видения, и прежде всего телевидения, оказались в фокусе внимания и ученых, и разработчиков, но особенно — потребителей продукции. Продажи телевизоров, способных передавать трехмерный контент, резко пошли вверх. Но обнаружилось, что его восприятию мешают многие факторы, в том числе медицинский. Поэтому на SID’10 на нескольких секциях обсуждались как очковые, так и безочковые (главным образом, автостереоскопические) методы создания дисплеев для трехмерного видения. Заметим, что преимущество стереодисплея с очками по сравнению с автостереоскопическим дисплеем барьерного или линзового типа — отсутствие ограничения угла обзора и расстояния.
Специальная сессия была посвящена стереодисплеям с поляризационными очками. Известно, что из трех известных очковых методов разделения изображений для левого и правого глаза — спектрального (используются разные цветные фильтры), поляризационного (используются ортогональные поляризации света) и временного (с помощью оптических затворов-переключателей) — поляризационный метод не требует сложных дорогих очков и дает более высокую яркость, поскольку оба изображения наблюдаются глазами одновременно.
Коллектив из LG Display Co. предложил трехмерный телевизионный ЖК-дисплей с разной циркулярной поляризацией изображений для левого и правого глаза (в нижней части рис. 1) в разных частях пикселя и очки с четвертьволновой пластинкой и поляризатором, различающие эти изображения в соседних стеклах (в верхней части рис. 1). При работе в трехмерной моде увеличивается угол наблюдения изображений в вертикальной плоскости. Однако достоинство метода — простые и дешевые очки без электрически управляемого переключения оптического состояния — оборачивается усложнением структуры экрана дисплея и уменьшением яркости, так как в нее для формирования циркулярной поляризации выходного изображения добавляются поляризатор и напыляемый замедлитель.
Использовался 24-дюймовый ЖКД широкого формата со структурой i-PR (in cell black stripe Patterned Retarder, или структурированная фазовая пластина с черной полосой). Метод позволил увеличить яркость панели на 22% и расширить диапазон вертикальных углов обзора до 32° при 7% остаточного изображения при закрытом состоянии одного из световых каналов.
Разработчики из компании Chunghwa Picture Tubes, Ltd. (Тайвань) предложили трехмерную дисплейную систему (с использованием поляризационных очков) на основе 15,6-дюймового ЖК-дисплея, включающего две ЖК-панели с управляющими транзисторными матрицами и два поляризатора, скрещенных по отношению друг к другу (рис. 2). Панели дают изображения для левого и правого глаза одновременно, но с разной поляризацией, и их надо очень точно совмещать во избежание раздвоения изображений. В принципе система обеспечивает высокое разрешение и минимальный кросс-ток, однако имеет еще один недостаток — разную яркость изображений для левого и правого глаза. Кроме того, для уменьшения кросс-тока приходится после одновременных информационных кадров вводить короткий черный кадр.
В Ghent University (Бельгия) изображения для разных глаз разделяются с помощью кубов-расщепителей. Формирование изображений осуществляется одновременно двумя проекторами на основе структуры LCOS, причем для считывания изображений используют
Рис. 1. Структурная схема очков и переключаемой фазовой пластины для 3D телевизионного ЖК-дисплея LG Display
Подсветка Поляризатор 135’ ¿S'^ЖК-паналь с ТПТ Цветной фильтр
Поляризатор 45° Стекло
ЖК-панельсТПТ - Стекло
Рис. 2. Трехмерная дисплейная система Chunghwa Picture Tubes с использованием поляризационных очков
до 6 светодиодов, что дает широкую гамму цветов. Система генерирует стереоскопические изображения с высоким контрастом и низкими перекрестными помехами, но световой выход является довольно низким, несмотря на довольно высокую пропускную способность (20%) всей оптической системы.
Симон А. Бутройд (Simon A. Boothroyd) из Thetalili, Inc. (Канада) продемонстрировал очень легкий и эффективный подход к созданию 3М-проекции с использованием одного призменного расщепителя (рис. 3) и одного проектора на основе микродисплея со структурой LCOS. Этот подход может быть применен к отражающим дисплеям или с источником белого света, или с RGB LED, или с источником лазерного излучения. Предложена схема с двумя панелями и переход от двухмерного к трехмерному (3М) контенту, что обеспечивает изображения для правого и левого глаза с высоким качеством и очень низкими перекрестными помехами для пассивных поляризационных ЗМ-очков.
Рис. 4. Четыре случая кросс-тока в панели, переключающей Р- и S-поляризации: а) левый — мерный; б) левый — белый; в) правый — белый; г) правый — мерный кросс-ток
Система дисплея с активным экраном и пассивными (поляризационными) очками существенно дороже, чем система с активными очками, переключаемыми электрическим напряжением, и дисплеем, поочередно отображающим изображения для левого и правого глаза. Вследствие недостаточного быстродействия ЖК-экрана приходится бороться с кросс-током.
Методы уменьшения кросс-тока
Эти методы рассматривались на отдельной сессии. Коллектив из Samsung доложил результаты моделирования перекрестных помех в очках с ортогональными поляризациями (рис. 4). Поскольку пропускание для P-волны обратно пропорционально пропусканию S-волны, то перекрестные помехи для левого глаза в целом имеют обратные характеристики по отношению к помехам для правого глаза. Таким образом, важно разработать панель быстрого переключения поляризаций, чтобы перекрестные помехи для левого и правого глаза были сбалансированы друг с другом, а также применять оптимальное значение других параметров.
Коллектив тайваньской фирмы Chi Mei Innolux Corp. провел оценку кросс-тока в ЗМ-стереодисплее, выполненном по технологии TFT ЖКД. Акцент сделан на измерения серого при кросс-токе. Эксперименты показали, что перекрестные помехи «от серого к серому» намного хуже, чем при переключении от черного к белому и от белого к черному. Кроме того, при переключении «от серого к серому» перекрестные помехи зависят от позиции флэш-подсветки внутри ЖКД. Отсюда следует, что эргономическим параметрам дисплея в будущем нужно уделять больше внимания.
В докладе разработчиков из Samsung Electronics предложен метод измерения стереоскопических перекрестных помех между левым и правым изображениями с произвольными уровнями серого в ореолах
Правильное Темное
закрытое состояние открытое состояние
I III
Светлое закрытое состояние
Рис. 5. Появление ореола в левом канале
(рис. 5). Использовался ЖК-дисплей Т^типа с последовательной сменой цветов, но этот метод пригоден для изучения характеристик и других стереоскопических дисплеев. Продемонстрированы заметные изменения перекрестных помех с разными размерами и контрастами накладываемых изображений (левого и правого). Показана также асимметрия перекрестных помех, ответственных за эффект светлого ореола, и перекрестных помех, ответственных за темные ореолы.
На сессии автостереоскопических дисплеев в докладе японских ученых из Национального института информационных и коммуникационных технологий в г. Киото рассмотрен оригинальный ЗМ-дисплей для настольных задач, обеспечивающий кольцевой просмотр предметов, расположенных над столом. Дисплей использует конической формы оптическое устройство и проекторы, циркулярно установленные ниже стола. На рис. 6 приведены горизонтальная и вертикальная проекции стола со всеми указанными атрибутами. ЗМ-изображения с параллаксом и перспективой можно наблюдать с любого места за столом при правильном выборе направления просмотра.
Рис. 6. ЗМ-дисплей для кольцевого просмотра предметов, расположенных над наблюдателем: а) в вертикальной плоскости; б) в горизонтальной плоскости
Реальное ^^направление луча
1 Клин —
- Кажущееся'•/1 направление-луч a
Рис. 7. Схема подсветки скоростного ЖК-дисплея
Оригинальную разработку, идея которой показана на рис. 7, предложили американские ученые из корпорации Microsoft. Они продемонстрировали подсветку скоростного ЖК-дисплея со сканированием коллимированного пучка света по ЖК-экрану в пределах угла до 16°, так что очки для наблюдения ЗМ-изображений не требуются.
Дисплей с виртуальным изображением изначально обладает способностью излучать свет в том виде, который необходим для последовательного ЗМ-просмотра, причем виртуальное изображение можно извлечь из плоской панели волновода, если она сделана рельефной наподобие слабой дифракционной решетки. Такое устройство может быть использовано для отображения трехмерных изображений, но свет должен быть коллимированным еще до ввода в пластину волновода, так что клин волновода должен иметь определенную конфигурацию. Затем требуется второе коллимирование, что может сделать дисплей громоздким. На рис. 8 показано, как направление излучаемых лучей изменяется от точки ввода в порядке, необходимом для последовательного ЗМ-просмотра.
Пока на практике показана только реализация идеи. Клин был изготовлен из акриловой пластины и имел толщину от 6,2 до 10,8 мм на длине 320 мм (ширина 195 мм). На расстоянии ±30 мм от центра тонкого конца клина располагались слева направо по 3 красных, зеленых и синих светодиода (подсветка). Проекция света, вышедшего из клина и прошедшего через линзу Френеля, наблюдалась на экране. Для создания действующего дисплея нужен быстрый ЖК-экран и технологически выверенные фасеточные зеркала (рис. 8).
Автостереоскопический трехмерный дисплей, реализуемый компанией 3М с помо-
і • I I • м •
и
Многоэлектронная система 4 Стекло
- ЖК-слой L
- Электрод ' Стекло
• •••••••
Ш-
Стекло
■ Многоэлектронная система
■ ЖК-слой
Многоэлектронная
■ система Стекло
Рис. 10. а) Схема переключения направления распространения оптических лучей; б—г) концепция линзы Френеля MED-ЖК: б) линза Френеля; в) объектив MED-ЖК; г) объектив линзы Френеля MED-ЖК-объектива
щью подсветки, формировал разделенные по времени отдельные области просмотра для левого и правого глаза. Полное разрешение достигнуто достаточно быстрым переключением левого и правого изображений, чтобы избежать восприятия мерцаний и кросс-тока, вызывающего усталость.
На рис. 9 показана схема наблюдения изображений, структура киноформ (трехмерных линз), ЖК-панель дисплея, полимерный волновод и «черный» отражатель. Программный продукт обеспечил поочередное синхронизованное включение светодиодной подсветки для левого и правого глаза с целью получения левого и правого изображений. Изображения соответствовали VESA-стандарту.
Тайваньскими учеными из Дисплейного института Национального Chiao Tung университета и Дисплейного технологического центра Индустриального технологического исследовательского института (ITRI) предложен и оптимизирован 2М-3М объектив на основе жидкокристаллической линзы Френеля с мультиэлектродной адресацией (MED-ЖК линза Френеля) и поддержкой записи двухслойных мультиэлектродных структур. При приложении рабочего напряжения на каждом
Таблица 1. Параметры оптимизированной MED-ЖК линзы Френеля
Параметры объектива MED-ЖК Френеля Значение
Шаг линзы 188 мкм
Ширина электрода 5,11 мкм
Ширина щели 2,67 мкм
Зазор ЖК-ячейки 28 мкм
ЖК-материал E7 (Дп = 0,22)
Фокусное расстояние 1 мм
электроде получена резкость объектива MED-ЖК Френеля, аналогичная резкости идеальной линзы Френеля. Более того, линза MED-ЖК Френеля обладает способностью не только хорошо фокусировать, но и быстро (менее чем за 1 с) переключаться в 2М-3М или 3М-2М состояния (рис. 10), а также имеет низкое управляющее напряжение (~3,2 В) и малое фокусное расстояние (1 мм для шага структуры объектива в 188 мкм).
Параметры оптимизированной MED-ЖК линзы Френеля приведены в таблице 1.
Картины последовательной фокусировки MED-ЖК линзы Френеля изображены на рис. 11.
В другой работе тайваньских ученых, уже из компании Chunghwa Picture Tubes, Ltd., 2М-
Фокусирование
Ос 0,2 с 0,4 с 0,6 с 0,8 с 1с
_____________________Время____________________
Рис. 11. Последовательная фокусировка MED-ЖК линзы Френеля
3М-переключение достигается в автостерео-скопическом дисплее на основе 2,4-дюймовой (240x320 пикселей) ЖК-панели при формировании микролинз в слое ЖК толщиной 9 мкм при напряжении ±10 В (схемы на рис. 12).
Еще один 2М-3М переключаемый авто-стереоскопический дисплей, разработанный японскими учеными из Toshiba Corporation, представляет собой 12-дюймовый ЖК-дисплей с лентикулярным растром из GRIN (от англ.: gradient index) ЖК-линзы (рис. 13). Переключение осуществляется в 9 зонах при следующих характеристиках:
• разрешение 3М — 466x350 пикселей и 2М — 1400x1050 пикселей;
• расстояние наблюдения — 500 мм;
• угол наблюдения — 24,5°;
• перекрытие лучей — 0,49;
• напряжение переключения линзы — 4,6 В. Характерные свойства этой разработки:
широкий угол обзора и отличное качество
3М-изображений с мозаичным цветным фильтром RGBRGBRGB и вертикальной линзой. Рекомендуется для использования в мобильных и компьютерных системах.
Наиболее значительным достижением следует считать разработку лазерного авто-стереоскопического многозонного дисплея HELIUM3D (High Efficiency Laser-Based Multiuser Multimodal 3D Display), создание которого финансируется Европейским Союзом. В проекте, которым руководит Университет Де Монтфорт в Великобритании, задействовано восемь партнеров: Philips и Технический университет Эйндховена (Нидерланды), Наньцзин Университет (Китай), Barco (Бельгия), Институт Фраунгофера (Германия), Университет Коч (Турция) и Лондонский университетский колледж.
На рис. 14 приведена схема дисплея. Дисплей имеет лазерный источник с быстрым сканированием, блок формирования
изображений на основе микродисплея типа LCOS и проекционную систему переноса изображений на большой фронтальный экран, включающую модуль контроля зрачков. В блоке Light Engine формируется белая световая полоска 8 мм x 100 мкм, которой сканируют по поверхности LCOS-структуры. Для этого используются 3 лазера: красный (длина волны 640 нм), зеленый (532 нм) и голубой (465 нм). Модуль контроля зрачков представляет собой пространственный модулятор света в виде линейки тесно расположенных узких модуляторов на основе сегнетоэлектрического ЖК, который разделяет изображения для левого и правого глаза для всех пользователей, так как положения их глаз фиксируются в реальном времени с помощью трекера — инфракрасного детектора с обратной связью. Фронтальный экран состоит из 4 слоев: L4, G1, L5 и V1, где слои L4 и L5 — асферические линзы Френеля, V1 — вертикальный диффузор и G1 — суперлинза Габора на основе трех слоев микролинз с разным шагом, формирующая световые пучки для разных глаз (рис. 15).
Методы уменьшения перекрестных помех актуальны и для автостереоскопических дисплеев. В дисплее барьерного типа можно идти по пути снижения светосилы, в дисплее линзового типа (с лентикулярным растром) добавляют пиксельную маску, а коллектив из университета на Тайване предложил метод цифрового подавления оптических перекрестных помех в 3М-дисплее без использования каких-либо дополнительных аппаратных средств. Рассматривалась муль-
Рис. 12. ЖК-линза Chunghwa Picture Tubes: а) в выключенном состоянии; б) во включенном состоянии
2М-режим ЗМ-режим
Ґ Л о /ГТ'Л v
Рис. 13. а) Схема отображения; б) переключение линз автостереоскопического дисплея ^ЫЬа
Рис. 15. Структура суперлинзы Габора
тизональная автостереоскопическая система, использующая лентикулярный ЗМ-дисплей. После цифровой обработки перекрестные помехи в 32-дюймовом 12-плановом авто-стереоскопическом дисплее были снижены с 53,2 до 9,6% в лучшем угле просмотра. Метод полезен для улучшения качества изображения 3М-дисплеев и может быть применен к любой 3М дисплейной технологии, которая использует бинокулярный параллакс, в том числе в 3М-дисплеях с очками-затворами.
Новые ЖК-материалы
Из всего сказанного следует, что многие ограничения трехмерных ЖК-дисплеев обусловлены недостаточным быстродействием ЖК нематического типа, доминирующих в современных приборах. Потому ведется поиск материалов и электрооптических эффектов, обладающих более высоким быстродействием. К перспективным можно причислить электроклинный эффект в нематических ЖК, хотя у него слишком мал температурный интервал, и так называемую
«голубую фазу» на границе перехода нематического и холестерического ЖК, температурный интервал которой удалось недавно существенно расширить.
ЖК в «голубой фазе» позволяет иметь быстрый ЭО отклик, обеспечивающий не только последовательную по времени смену цветов, но и четкую (не размытую быстрым изменением) передачу видеокадра. Не требуется также сложного процесса ориентации ЖК. Кроме того, выключенное состояние — темное, так что угол обзора получается широким и сим-
метричным по разным направлениям. Хотя чистая «голубая фаза» имеет узкий температурный диапазон (всего 1-2 градуса между холестерико-нематической и изотропной фазой), но при стабилизации полимером он существенно расширяется и перекрывает интервал комнатных температур.
В особо отмеченном докладе студента Университета Центральной Флориды (руководитель — проф. Шин-Тсон Ву (Shin-Tson Wu)) предложен низковольтный дисплей с ЖК в «голубой фазе» и профильными электродами (рис. 16). Для размеров частей электрода w1 = 2 мкм, w2 = 1 мкм, h = 2 мкм и l = 4 мкм пик пропускания составляет ~71% (нормирован на пропускание двух параллельных поляризаторов) при Увч = 17 В. Для сравнения, структура IPS с аналогичной планарной ориентацией молекул нематического ЖК с электродом шириной w = 2 мкм и расстоянием между электродами l = 4 мкм при управляющем ВЧ-напряжении около 38 В имеет максимальный коэффициент пропускания около 66,5%.
В итоге за счет оптимизации конфигурации электродов удалось сократить управляющее напряжение до 10 В при поддержании относительно высокого коэффициента пропускания. Этот результат позволил управлять «голубой фазой» с помощью кремниевых тонкопленочных транзисторов (Si-TFT).
Коллектив из Института жидких кристаллов Кентского университета (США) также сообщил о разработке ЖК в «голубой фазе», имеющего широкий температурный диапазон, включая комнатную температуру (диапазон увеличивается по мере уменьшения диэлектрической анизотропии ЖК). Используя конфигурацию IPS-ячейки с размером меж-электродного пространства 10 мкм, получено время оптического отклика 400 мкс.
Большой коллектив разработчиков из Японии на основе ЖК в «голубой фазе» изготовил и продемонстрировал дисплей с активной управляющей матрицей, имеющий следующие технические характеристики:
• Апертура (по диагонали) —
3,4 дюйма (8,6 см).
• Внешний размер панели —
53,8 (по горизонтали) x 91,4 мм.
• Число эффективных пикселей —
540 (по горизонтали) x 960.
• Размер пикселя —
78 (по горизонтали) х х 78 мкм.
• Разрешение —
326 пикселей на дюйм (около 13 на 1 мм).
• Адресация с помощью ТБТ —
1п^а^п-0^е с частотой 240 Гц.
• Режим цветовой — монохроматический.
• Видеосигнальная система — аналоговая
последовательная адресация точки.
Первый ЖК-телевизор высокой четкости
с частотой кадров 240 Гц и с возможностью воспроизводить 3М-изображения представлен компанией Samsung Иейготс*. В очках — оптических затворах — использована черная покадровая вставка, позволившая уменьшить перекрестные помехи до уровня 1%. Для улучшения однородности свечения использована сканируемая светодиодная подсветка, но она пока не в полной мере может поддержать заданную частоту кадров. Видно, что в своих новых разработках компания ориентируется на использование именно ЖК в «голубой фазе», обеспечивающей частоту регенерации кадров 240 Гц в обычном (трехпиксельном) режиме или 80 Гц при последовательной смене цветов. Этому решению в большой степени способствует близость новой технологии к развитой ^-технологии.
Существенно большее быстродействие в ЖК-дисплеях достигается при использовании сегнетоэлектрических материалов смектического типа. К сожалению, технология дисплеев на основе этих материалов более трудоемкая и пока не отработана для больших экранов, однако уровень достигнутых здесь результатов позволяет надеяться на их скорое применение. Так, совместный коллектив ученых Университета науки и технологий Гонконга и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН описал экспериментальный образец дисплея, в котором использована так называемая безгистерезис-ная V-shape мода ЖК с деформированным геликоидом, обладающая временем отклика 100 мкс и обеспечивающая частоту модуляции до 2 кГц при управляющем напряжении
5-10 В. Очевидно, что в таком дисплее является естественной прогрессивная последовательная смена цветов.
В другом докладе сотрудников Физического института им. П. Н. Лебедева РАН описана низковольтная электрооптическая мода в сегнетоэлектрическом ЖК, которая в ячейке апертурой около 1 см2 при напряжении всего ±1-3 В обеспечивает отклик со временем 30-50 мкс и серую безгистерезисную модуляционную характеристику (как в нематических ЖК), причем при ±1,5 В частота полной модуляции света (от максимума к минимуму или наоборот с контрастом более 200:1) составляет 3 кГц, при ±2 В — 6 кГц, а при ±3 В — даже 8 кГц. Такие ЖК-ячейки могут работать в стереоочках, в разного типа светозатворах и микродисплеях на основе структуры FLCOS (а значит, в ТВ и пикопроекторах).
Большие изображения
Еще недавно ТВ и видеоизображения размером около 2 м по диагонали или с разрешением около 2 мегапикселей считались вершиной технической мысли. Но на последней (по номеру) 80-й секции симпозиума замахнулись уже на гигапиксельные изображения! Церемонию инаугурации президента Барака Обамы, снятую на оборудовании для съемки 1,5-гигапиксельного изображения, наблюдали 11 млн человек во всем мире. Один из вариантов набора камер и инструментов для съемки панорам с таким разрешением называется GigaPan. В Sharp Laboratories of America, штат Вашингтон, разработан алгоритм получения гигапиксельных изображений, позволяющий зрителю самому увеличивать детали изображения, показываемого на большом наборном экране, в котором есть модули, следящие за взглядом наблюдателя (рис. 17).
А пока в той же лаборатории предлагается относительно недорогое «железо» и «софт» для SharpWall — наборного экрана с разрешением 10 000x4500 пикселей и размером изображения 177 дюймов (около 4,5 м). Разработанные технологии обеспечивают большую скорость видеопотока, пространственно распределенную в экране звуковую систему, а также настольную систему для дистанционного управления.
Японская компания Sharp старается не отставать от своих американских коллег, предложив пусть не такой большой, но прозрачный 60-дюймовый проекционный экран на основе ЖК, заключенного в полимерную сеть PNLC (Polymer Network Liquid Crystal).
Система, в которой, как и в предыдущих решениях, есть слежение за взглядом, может применяться для информационных дисплеев, цифровых знаков, а также в качестве окна.
Sharp представила еще одну разработку в докладе, отмеченном как выдающийся (distinguished). Отражение от передней поверхности ЖК-панели было понижено до 0,02% в среднем (0,04% в максимуме) за счет создания на ней профиля глаза мотылька (Moth-eye) и использования кругового поляризатора. Нужный профиль получается за счет протравливания анодированного пористого алюминия (рис. 18). С этим материалом, кстати, работают в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники.
На рис. 19 изображение по предложенному техническому решению сравнивается с изображением на обычном ЖК-экране, снабженном обычным линейным поляризатором и слабоотражающим фильтром.
Большие изображения можно получить и с помощью весьма компактного прибора, а именно микродисплея. Ряд докладов был посвящен разработке пикопроекторов на их основе. В этой области особенно преуспели американские компании Microvision, Micron и Syndiant, тайваньская Himax Display, а также известные дальневосточники — Samsung, Sony, Panasonic. Например, для пикопроекторов Syndiant использует разнообразные ЖК-микродисплеи на основе структуры LCOS с затвистованным нематиком, разрешением от 854x480 до 1024x600, размером пикселя от 9,6 до 5,4 мкм и высотой от 7 до 9 мм (рис. 20).
Рис. 19. а) Изображение на обычном ЖК-экране, снабженном обычным линейным поляризатором и слабоотражающим фильтром; б) изображение на ЖК-экране с пленкой, имеющей профиль «глаз мотылька»
Рис. 20. Габариты LCOS-пикопроекторов Syndiant
Съем информации осуществляется с помощью светодиодов и лазерных диодов, обеспечивающих достаточно яркое изображение (около 20 лм) на экране размером порядка
1 м2 (рис. 21).
Хорошо известны и получили большое распространение проекционные дисплеи типа DLP (Digital Light Processing) на основе матрицы микрозеркал, позволяющие проецировать изображения на киноэкран. Такие проекторы, например, широко использовались в различных шоу, рекламных стендах, информационных табло на летней Олимпиаде 2008 г. в Пекине, о чем поведал широкой публике на Ланчеоне киноролик канадского разработчика и бизнесмена Терри Шмидта (Terry Schmidt), представлявшего на Олимпиаде продукцию своей фирмы. Кстати, единичное микрозеркало тоже стало широко использоваться для развертки на большой экран луча светодиода или лазерного диода. Этот метод — основа создания дисплеев растрового типа, в том числе и пикопроекторов.
На SID’10 Sanyo Electric (Япония) представила проекционный DLP-дисплей с мультила-зерным источником света, и доклад этот был признан выдающимся. На рис. 22 изображена оптическая схема проектора и его внешний вид. В проекторе используется по нескольку лазеров в каждом из трех каналов считывания изображений — в красном (640 нм), зеленом (532 нм) и синем (465 нм). Лазерное излучение светосилой в 7 тысяч люмен переносит на экран размером в 100-150 дюймов
Рис. 21. Изображение, формируемое пикопроектором Syndiant
три 0,95-дюймовых DLP-изображения высокой четкости (1920x1080 пикселей). Качество получаемого изображения составляет 170% по стандарту NTSC.
Получению больших изображений способствовало бы более широкое использование лазеров, однако во многих случаях препятствием служит их высокая когерентность. В результате лучи на экране интерферируют и тем самым создают пятнистую структуру (спекл-шум) в изображении. Методы перемешивания лучей в оптических волокнах и трубках — оптических интеграторах — не всегда приемлемы. Поэтому в нескольких докладах предлагались новые подходы к устранению (подавлению) спеклов в изображениях. Например, компания Laser Light Engines (LLE) рассматривала с этой целью
Экран
Сверхширокоугольная проекционная система
ремя DLP
Рис. 22. а) Оптическая схема;
б) внешний вид DLP проекционного лазерного ТВ
удвоение частоты и параметрическую генерацию на нелинейном кристалле (рис. 23), при которой свойство интерференции пропадало. О высокой стоимости и низкой эффективности такого подхода можно не говорить.
Более простым и доступным выглядит метод, изложенный в докладе российскими разработчиками из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. У них лазерный луч проходит через компактную единичную ячейку с сегнетоэлектрическим ЖК, в которой электрическим полем двух разных частот — 450 Гц (амплитуда ±30 В) и 3500 Гц (амплитуда ±20 В) — создаются пространственно мелкомасштабные неоднородности
Рис. 23. Устройство для подавления спеклов компании LLE
Напряжение включено
Напряжение выключено
Рис. 24. Метод подавления спеклов при включении напряжения на ЖК-ячейке
показателя преломления, случайным образом модулирующие по объему ЖК фазу проходящего света и тем самым разрушающие его когерентность. Пример подавления спеклов при включении напряжения на ячейке изображен на рис. 24 в сравнении с исходной (спекловой) картиной изображения сечения лазерного пучка.
Разработчики из Vestfold University College, Норвегия, также применили прием двухчастотного управления, но для отклонения микрозеркала на угол в несколько градусов; частоты были равны 214 Гц (амплитуда 30 В) и 1400 Гц (амплитуда 50 В). После микрозеркала пучок все-таки дополнительно проходил через оптический интегратор.
Какой из рассмотренных методов подавления спеклов окажется наиболее эффективным на практике, например в мощных пикопроекторах или телевизорах растрового и проекционного типа, должно показать ближайшее будущее.
ОЛЕД, ЭЛД, светодиоды
Дисплеи на основе OLED становятся реальным вызовом ЖК-дисплеям в области плоскопанельных технологий благодаря своим свойствам — высокой световой эффективности, яркости, углам обзора и быстродействию. В последние годы происходит также значительное снижение стоимости их разработок и производства. Однако на практике некоторые новые технические решения оказываются сложными по структуре и исполнению. Иллюстрацией этому является белая OLED-панель производства LG Display. Она состоит из двух сложенных в стопку панелей с разными цветами свечения (рис. 25) и обладает очень высокими характеристиками: световая эффективность 30 лм/Вт, яркость 1000 кд/м2 и время жизни при такой яркости — до 130 000 часов.
В активно-матричных OLED (AMOLED) для уменьшения стоимости процесса изготовления и улучшения однородности характеристик используется окись цинка. По этим параметрам AMOLED компланарного типа с оксидом индия, галлия и цинка (IGZO TFT), разработанный в тайваньской компании AU Optronics, превосходит активно-матричные
AI
LÍF
ETL3
R+G EML
HTL2
HIL2
ETL2:L¡
ETL1
B_EML
HTL2
HTL1
HIL1
Anode_ITC
Glass
Рис. 25. Двустопная OLED-панель
с синим и красно-зеленым излучающими слоями
(B_EML и R+G_EML соответственно):
ETLи HTL - слои электронного и дырочного
транспорта соответственно;
HIL — дырочный изолирующий слой
устройства с использованием технологии низкотемпературного поликремния (LTPS). Однако в Samsung Mobile Display разработали и изготовили прототип прозрачного AMOLED именно на основе технологии
LTPS, причем прозрачность экрана достигает 38%. Образец ноутбука показан на рис. 26. На рис. 27 показано, как дисплей выглядит в выключенном и включенном состояниях.
В Сеульском национальном университете эффективность OLED повышают за счет использования наночастиц ZnO в слое для инжекции электронов. Квантовая эффективность достигла значения 8,2%, а эффективность по току — 16,5 кд/А.
ZnO используется и для обычных светодиодов. В совместной китайско-сингапурской разработке предложен малозатратный способ создания светодиодных гетероструктур на основе n-n изотопного гетероперехода в ZnO/Si и ZnO/GaAs с использованием пиролиза. В результате яркость свечения выше, чем у используемых сейчас устройств с гетеропереходом ZnO/p+-Si (GaAs).
Одним из примеров успешного сотрудничества многих европейских стран в одном проекте 7-й рамочной программы Европейского Союза является разработка Light-Rolls для повышения эффективности производства светодиодов, применяемых для освещения и дисплеев. В одной команде заняты специалисты Шотландии, Германии, Испании, Швейцарии, Австрии, Швеции и Румынии. На основе трех производственных методов (3D МЭМС — ми-
Рис. 27. Изображение текста через прозрачный AMOLED-дисплей (внизу он включен)
GaN-диодами:
а) конфигурация чипа с излучением вверх;
б) с излучением в Т0рец световодной пластины РИС. 29. Серебряно-медная шина на тонкой,
с коническими рефлекторами ^ . П-^Т
г гибкой и прозрачной пленке ПЭТ
Рис. 30. Гибкий электролюминесцентный дисплей с встречно-штырьевыми электродами, полученный печатным методом
кроэлектромеханической системы, сборки на гибком чипе, или fluidic chip assembly, и струйной печати) разработана технология непрерывного изготовления светодиодов на полимерной пленке. Примеры валидаторов с использованием синих и зеленых GaN-диодов с различной направленностью свечения приведены на рис. 28. Яркость каждого светодиода — около 100 мкд. На следующем рисунке показана пленка полиэтилентерефталата (ПЭТ) с нанесенной на нее сеткой серебряных и медных шин (рис. 29). Эта разработка авторами противопоставляется решениям на основе органических светодиодов.
Другим примером попытки сопротивления органическим светодиодам со стороны технологий, в которых используются неорганические люминесцентные материалы, является разработка университета Брунела (Brunel), Великобритания. В ней предложено использовать струйную печать для нанесения электродов с серебряными наночастицами в ярком и гибком электролюминесцентном дисплее (рис. 30). Примечательно, что одного из авторов технического решения зовут Джек Сильвер (silver — серебро). Правда, несмотря на подчеркнутое использование неорганического светящегося материала, для подложки и прозрачного встречно-штырьевого электрода применяются полимеры.
цифровая обработка, качество изображения, метрология
В докладе, представленном Школой компьютерных и коммуникационных наук, Швейцария, предложен интересный метод повышения качества фото- и видеоизображения за счет использования цифровых изображений, полученных в ближнем инфракрасном диапазоне. Это позволяет лучше передать рельеф поверхностей, окрашенных в разные цвета, а также уменьшить влияние рассеяния из-за частиц, содержащихся в атмосфере. На рис. 31 показано преимущество такого подхода перед цифровыми методами устранения влияния рассеяния.
Среди многих решений проекционных дисплеев отметим разработку Hewlett-Packard, в которой малозатратным методом квантизации разрешающей способности тонких линий (method to quantify thin line resolvability) получена точность измерения положения субпикселя для измерения перекрытия изображений трех основных цветных пучков проекционного дисплея, не превышающая 0,02.
«Зеленые» технологии
Мы уже писали о признаках, характеризующих «зеленые» технологии: уменьшение энергопотребления, материалоемкости, использования вредных компонентов и т. п. [1]. Это направление становится генеральным в настоящее время, и потому на симпозиуме по дисплеям ему было уделено большое внимание. В докладе Яна Х. Соука (Jun H. Souk) и Сангву Вангбо (Sangwoo Whangbo) из подразделения ЖК-дисплеев компании Samsung Electronics были перечислены «зеленые» ЖК-технологии и показана структура «зеленой» фабрики. ЖК-дисплей должен содержать энергосберегающие компоненты, светодиодную подсветку с локальным затемнением, пленки и подложки с высоким пропусканием, «умную» систему управления. В технологическом ци-
dl.
ИІ àâ£
Рис. 31. Сравнение изображений исходного (слева вверху), полученного при соединении цифровых картинок в видимом и ближнем ИК-диапазоне (справа вверху), обработанного методом Р. Фаттала (R. Fattal) для уменьшения влияния мутности (слева внизу) и методом К. Хе (K. He) для устранения рассеяния (справа внизу)
кле нужно стремиться уменьшить количество процессов, понизить их температуру, стоит использовать методы печати для изготовления цветных фильтров, электродов и т. д. Фабрика должна уменьшить выбросы углекислого газа, отходы, беречь электроэнергию, использовать технологии повторного использования материалов.
В докладе По-Лун Чена (Po-Lun Chen) из AU Optronics сообщалось об аналогичных методах, применяемых на тайваньских фабриках. На рис. 32 показано упрощение производства при применении мето-
Рис. 32. Сравнение процесса нанесения полиимидной ориентирующей пленки на обычном оборудовании и при использовании струйной печати
дов струйной печати для нанесения ориентирующей полиимидной пленки.
В докладе, представленном Sharp Laboratories of America, показано, какого эффекта можно достичь, используя энергосберегающие технологии в ЖК-телевизорах. Управляя динамическим диапазоном изображения, например с помощью локальной подсветки, можно сберечь до 50% потребляемой энергии, а улучшая качество деталей изображения за счет цифровых методов видеообработки, можно сберечь в среднем еще около 10%.
За внедрением «зеленых» технологий внимательно следят и в немецкой компании Merck, специализирующейся на производстве и продаже материалов для ЖК- и OLED-дисплеев. Там разработали ряд аналитических методов контроля вредных и прочих примесей с точностью до одной частицы на миллион.
Выставка дисплейной техники и технологий
Некоторые направления развития дисплейных технологий, которые не удалось охватить на секционных заседаниях, попробуем описать в этом разделе.
Сенсорные дисплеи
Сенсорные дисплеи (Touchscreen Displays), или экраны с адресацией элементов посредством касания к ним, играют важную роль при интерактивном взаимодействии человека с информационной системой. Сенсорные экраны были представлены на SID’10 многими разработчиками и своими функциональными возможностями произвели настоящий бум.
Стандартная технология изготовления сенсорного экрана основывается на изменении сопротивления или емкости контактного слоя при его нажатии. Для управления адресацией применяется технология поверхностной акустической волны (ПАВ), позволившая использовать дисплеи с большой нагрузкой множеством пользователей. Дисплеи с усовершен-
Рис. 33. Микроконтроллер сенсорного экрана
Microchip Technology
ствованной резистивной технологией также присутствуют на рынке, но они не слишком долговечны в отсутствие обслуживающего персонала. Повышенная стойкость современных Multi-Touch дисплеев, в принципе, позволяет их использовать в смартфонах и в качестве электронных досок (с задней или передней подсветкой) в учебных заведениях и тренировочных центрах для записи информации пальцем или короткой указкой в реальном времени. Но наибольшее применение они находят в интерактивных поисковых системах и в проигрывании самых разных ситуаций в управлении и производстве, в обучении и играх. Движущей силой здесь является развитое мощное программное обеспечение. Технология же настолько усовершенствована, что, по образному выражению одного из разработчиков, можно любую часть обычного дисплея превратить в сенсорную, «просто добавив пару крошечных датчиков».
Компания Elo Touch Systems производит широкий набор сенсорных ЖК-дисплеев с использованием ПАВ. Здесь придумали, как сформировать отражатели и пьезоэлектрические преобразователи на обратной стороне стекла и как потом пройти звуковым волнам по его верхней поверхности.
Microchip Technology, поддерживающая емкостное управление в сенсорном экране,
разработала 16-канальные модули емкостного зондирования и 8-разрядный микроконтроллер (рис. 33), что позволяет разработчикам легко интегрировать блоки в систему, тем самым повышая гибкость дизайна и уменьшая общую стоимость системы.
Один из лидеров рынка сенсорных дисплеев, компания 3М™, выпускает дисплеи с емкостной адресацией от большого числа управляющих сигналов (пальцев) — до 20 в поле с более чем 3300 чувствительными датчиками, имеющими время отклика на касание
6-8 мс, разрешение до 1680x1050 и широкий угол зрения в обе стороны (178°).
Для определения локализации входного сигнала в последние годы стали широко применяться инфракрасные технологии, когда используются ИК-лучи, распространяющиеся близко к поверхности дисплея. Одним из лидеров здесь стала китайская компания IRTOUCH Systems, производящая и поставляющая широкий набор приборов для банков (доля рынка — 70%) и киосков, управления производством и игр. Диапазон размеров экрана — от 6,4 до 100 дюймов, их отличает большая прозрачность и прочность, защита от пыли и антивандальное исполнение (в зависимости от применений).
По оценке DisplayBank, рынок сенсорных дисплеев в 2010 г. составит $3,6 млрд и вырастет на 30% к 2013 г.
Гибкие дисплеи и электронная бумага
Активное развитие гибких дисплеев продолжается. Например, компанией LG Display создан гибкий ЖК-дисплей диагональю в 19 дюймов. Его толщина составляет всего 0,3 мм при весе 130 г. В качестве подложки используется фольга, на которой размещены тонкопленочные транзисторы. Такой дисплей может служить электронной бумагой (рис. 34).
Компания Samsung представила новые разработки электронной бумаги с указанными на рис. 35 параметрами, в которой используется электрофоретический материал компании
Е-шк. Последняя, являясь лидером в этой области, демонстрировала большое разнообразие электронно-бумажных дисплеев (рис. 36).
Гибкие дисплеи с рулонной технологией изготовления получили новое развитие. Sony представила прототип цветного OLED-дисплея, который накручивается на карандаш (рис. 37). Размер дисплея по диагонали — 4,1 дюйма, разрешение 432x240 точек, яркость достигает 100 кд/м2. Для адресации используются органические транзисторы нового типа и новый материал — органический полупроводник реи-ХапШепохапШепе. Дисплей способен выдержать 1000 циклов сворачивания-растяжения при сохранении им полной способности к функционированию.
Заключение
Масштаб всех мероприятий «Дисплейной недели» и достигнутый прогресс в срав-
нении с SID’09 характеризует подготовленная в штаб-квартире SID таблица 2, в которой указано число специалистов, принявших участие в этих мероприятиях.
Таблица 2. Число специалистов, принявших участие в «Дисплейной неделе»
Число участников 2009 2010
Самого симпозиума 1282 2132
Семинаров, учебных лекций и кратких курсов 702 1100
Бизнес-конференции 276 370
Конференции, посвященной рынку дисплеев - 423
Конференции для инвесторов 165 187
Общее число, включая участников и посетителей выставки 3604 5679
На основании данных этой таблицы можно с уверенностью говорить об успехе SID’10.
В заключение можно добавить, что в выставке дисплейной техники и технологий приняли участие около 200 компаний, представивших на площади около 10 000 м2 экспонаты практически по всем объявленным тематическим разделам SID’10, а такие гиганты, как Samsung, LG, Toshiba, Sony, NEC, Hitachi, 3M, Philips, имели развернутые экспозиции с различными типами дисплеев. ■
Литература
1. Беляев В. В. Мировой рынок систем воспроизведения информации в 2008-2009 годы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2009.
№ 5.
