Научная статья на тему 'Современные дисплеи: перспективы миниатюризации'

Современные дисплеи: перспективы миниатюризации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1107
105
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
микродисплей / пиксель / жидкие кристаллы / плазменные панели

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — В. А. Лабунов, П. В. Жагиро, П. С. Кацуба, А. Г. Смирнов

В статье рассмотрено: положение микродисплеев в общей дисплейной классификации и на рынке устройств отображения информации. Основное внимание уделено физическим и технологическим ограничениям на уменьшение элементов изображения для жидкокристаллических, плазменных, светодиодных и микромеханических дисплеев

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODERN DISPLAYS: MINIATURIZATION ASPECTS

The place of microdisplays in display classification and display market is discussed. Specific physical and technological restrictions of main display technologies for microdisplay applications are considered.

Текст научной работы на тему «Современные дисплеи: перспективы миниатюризации»

Доклады БГУИР

2008 № 5 (35)

ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 621.397.46

СОВРЕМЕННЫЕ ДИСПЛЕИ: ПЕРСПЕКТИВЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ

В.А. ЛАБУНОВ, П.В. ЖАГИРО, П.С. КАЦУБА, А.Г. СМИРНОВ.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 29 апреля 2008

В статье рассмотрено: положение микродисплеев в общей дисплейной классификации и на рынке устройств отображения информации. Основное внимание уделено физическим и технологическим ограничениям на уменьшение элементов изображения для жидкокристаллических, плазменных, светодиодных и микромеханических дисплеев.

Ключевые слова: микродисплей, пиксель, жидкие кристаллы, плазменные панели.

Введение

Дисплей, согласно формальному определению, - это устройство, отображающее изменяющуюся графическую информацию. В современном мире основной поток информации человек получает через электронные средства коммуникации, и именно дисплеи являются одним из главных связующих звеньев между ними и человеком.

Далее проводится обзор различных видов дисплеев, рассматриваются существующие физические и технологические ограничения, оценивается потенциал предельно достижимых параметров и характеристик. Основное внимание уделяется микродисплеям, их месту в ряду существующих дисплеев, уже применяемым и еще только разрабатываемым конструкциям, технологиям и приложениям.

Классификация дисплеев

Ежегодно в мире производятся миллиарды дисплеев. Они подразделяются на множество типов, видов и подвидов, связанных с особенностями их конструкций и технологий. Однако, наиболее очевидно их различие по размеру. Классификацию, впрочем, корректнее проводить не по размеру дисплею, а по связанному с ним и назначением дисплея параметру, называемому дистанцией наблюдения (Э). Если рассматривать крупноформатный дисплей слишком близко, то вместо изображения будут видны отдельные пиксели, а если ноутбук поставить в другом конце комнаты, то работать на нем с текстовыми документами будет проблематично. Оптимальная дистанция наблюдения - это расстояние, с которого человек видит на дисплее четкое, но не дискретное изображение, для полноценного просмотра которого ему не надо напрягать зрение или вращать головой (комфортным считается движение глаза в пределах 24° по вертикали и горизонтали, т.е. 34° по диагонали). Оптимальная дистанция наблюдения связана с особенностями человеческого зрения: человеческий глаз перестает различать отдельные точки изображения, которые расположены на расстоянии меньше угловой минуты. Если дистанция наблюдения больше оптимальной, то пиксели сливаются, но изображение размывается и ин-

формационная способность дисплея падает, а если дистанция наблюдения меньше оптимальной, то становится видна дискретная пиксельнай структура.

Соответственно, для нормальной остроты зрения, дистанция наблюдения выражается формулой

О = 3500-А,

где А - линейный размер пикселя.

На рис.1 представлены известные к началу 2008 г. дисплеи с наименьшей и наибольшей дистанцией наблюдения соответственно. Это нанесенная на контактную линзу матрица свето-диодов [1] и попиксельно обновляемый рекламный щит вблизи от аэропорта Хитроу [2].

Увеличение дистанции наблюдения

»

Рис. 1. Дисплей, встроенный в контактную линзу (слева) и вид на ландшафтный дисплей с высоты птичьего полета (справа)

На рис. 2 и в табл. 1 представлены примеры и классификация дисплейных устройств по оптимальной дистанции наблюдения, соответствующей ей площади пикселя, и качеству изображения (разрешения в Мегапикселях).

В зависимости от оптимальной дистанции наблюдения дисплеи подразделяются на:

Ландшафтные/Landscape (дальность наблюдения соизмерима с дальностью горизонта) Ландшафтные дисплеи могут быть видны сразу десяткам тысяч людей. Такие дисплеи применяют на многотысячных концертах, гигантских футбольных аренах и ипподромах. Ранее уже упоминался дисплей вблизи аэропорта Хитроу, который виден только с летящего самолета.

ApxumeKmypHbie/Architectural (дальность наблюдения десятки метров, соизмерима с размерами зданий). К архитектурным дисплеям относятся дисплеи большой площади, которые соизмеримы с размерами зданий, дорог и прочих архитектурных объектов. К ним можно отнести рекламные щиты, информационные табло, гигантские телеэкраны, устанавливаемые на улицах и концертных площадках.

Комнатные/Indoor (дальность наблюдения в диапазоне от соизмеримой с размерами рабочего стола до соизмеримой с размерами комнаты). Самый распространенный вид дисплеев - это всем известные телевизоры (дистанция наблюдения соизмерима с размерами комнаты), мониторы компьютеров, ноутбуки и игровые приставки.

Карманные/НапШгеШ (дальность наблюдения соизмерима с размерами руки, а габариты дисплея соизмеримы с размерами ладони). Это дисплеи сотовых телефонов, цифровых навигаторов, PDA, фотоаппаратов и плееров.

MuKpoducnneu/Microdisplays (для наблюдения изображения необходима оптика). Активные элементы микродисплеев не предназначены для непосредственного рассмотрения человеческим глазом, и отсутствие этого ограничения приводит к появлению специфических конструкций и технологий. В частности, можно указать на целый класс высокоинформативных дисплеев, которые не содержат матрицы пикселей, а формирование изображения осуществляют разверткой светового луча. Соответственно, микродисплеи можно разделить на два больших 6

класса - матричные и сканирующие. Дистанция наблюдения в матричных микродисплеях обычно не превышает нескольких сантиметров, а сами они зачастую выглядят как уменьшенные копии «больших дисплеев». У сканирующих микродисплеев дистанция наблюдения равна нулю, так как они используют коллимированные источники света. И матричные, и сканирущие дисплеи могут использоваться как в проекционных системах, так и в индивидуальных системах, формирующих мнимое (виртуальное) изображение. Соответствующие оптические схемы и конструкции будут подробно рассмотрены во второй части обзора.

Таблица 1. Примеры дисплеев различных типов

N Название Размер Площадь пикселя Разрешение Примечание

Лрхитектурные/Architectural

1 Mitsubishi Electric 11x66 M 250 мм2 720x4200 установлен на ипподроме в Токио

2 Daktronics 41x15 M 408 мм2 820x736 установлен на стадионе в Майями

3 К-Системс 8x6 M 625 мм2 320x240 массовое производство, светодиодный

4 Ad Air 120x 160 M -90000 мм2 360x480 попиксельно обновляемый рекламный щит, установлен вблизи аэропорта Хитроу

5 LEDerboard® Display Mitsubishi Electric 1.8x 2.4 M 100 мм2 180x240 могут собираться в крупные блоки

Комнатные/Indoor

6 Samsung LTA570HS 57" diag. 0.42 mm2 1920x1080 ЖК

7 Samsung LTM300M1 30" diag. 0.063 mm2 2560x1600 ЖК

8 Samsung LTN190W1 19" diag. 0.059 „2 mm 1680x1050 ЖК

Карманные/Hcindheld

9 Samsung LTE700WQ 7" diag. 0.04 mm2 800x480 ЖК

10 Samsung LTP283QV 2.8" diag. 0.032 mm2 240x320 ЖК

11 Samsung LTS166QA 1.6" diag. 0.04 mm2 200x160 ЖК

Микродисппеи/Microdisplays

12 Seiko Epson 1.8" diag. 620 MKM2 1440x1024 ЖК, HTSP-технология

13 Sharp 2.6" diag. 1440 MKM2 1280x1024 ЖК, LTPS - технология, Continuous Grain Silicon

14 Kopin 1.5" diag. 144 мим2 2560x2048 монохромный ЖК, «Silicon-on-Glass» - технология

15 Kopin 0.44" diag. 125 мим2 800x600 ЖК, «Silicon-on-Glass» - технология

16 Displaytech - pico 0.75" diag. 361 MKM2 800x600 FLCOS проектор со светодиодными излучателями для сотовых телефонов

17 Displaytech - picó color 0.19" diag. 144 MKM2 320x240 FLCOS проектор, Time-Sequence

18 Texas Instruments XGA 0.7" diag. 196 MKM2 1024x768 Digital Light Processor (DLP)

19 Texas Instruments SXGA 0.9" diag. 196 MKM2 1280x1024 Digital Light Processor (DLP)

1 cm optical systems IP cm

Дктанция набпод*ния 1m naked «ye 10 W

100 m

1km

-quxga 3200*2400

-qsxga 2560*2048

-oxga 2048-1536

-hdtv4 1920*1080 -uxga 1600*1200

-sxga 1280*1024

-xga 1024*768

h-svga 800*600 i-vga 640*480

PAL 352*288

10 ц' 100 и*

1000 if

0.01 mm' 0.1 mm'

handhtld

1

Ппоимь mircan л Indeor»?!^*-

10 mm'

1 cm2 10 cm' 100 cm2 Sim'

ш.шш»

Рис. 2. Классификация дисплейных устройств по оптимальной дистанции наблюдения, соответствующей ей площади пикселя, и качеству изображения

Цена за пиксель и объемы выпуска различных типов дисплеев

На массовые модели дисплеев (комнатные и карманные) цены формируются в результате жесткой конкуренции и поэтому характеризуются сравнительно небольшим разбросом для моделей одного класса. На основании информации компании DisplaySearch, по состоянию на январь 2008 нами были пересчитаны цены за 1 пиксель для массовых моделей дисплеев в зависимости от размера пикселя. Из графика (рис. 3), построенного в полулогарифмическом масштабе, видно, что за исключением провала цен для настольных дисплеев (компьютерных мониторов и ноутбуков), цена пикселя пропорциональна логарифму его размера. Провал связан с тем, что объем выпуска настольных дисплеев значительно превосходит объемы выпуска LCD TV (см. рис. 4)

Для архитектурных дисплеев и NTE-микродисплеев цены являются не столь определенными, характеризуются большим разбросом и плохо поддаются анализу. Как правило, цена за пиксель в этих классах значительно выше цены за пиксель обычных мониторов и телевизоров. Цена значительно выше, даже для таких массовых типов дисплеев, как DLP (Digital Light Processor) матрицы, соответствующие значения указаны только в легенде на рис. 4, так как эти величины не вписываются в масштаб графика.

0.0006

ф а

>- 0.0004

О)

о.

О)

о

0.0002

у = O.OOOILn(x) + 0.0007

0.1 1 pixel area, sq.mm

CLP0.7 XGA <0.0002 »q.imi0.0042Vpix)

DLPO.g SXGA (0.0002 •q.mmO.OOMVp«)

Moble phone 1,8128x160

Moble phone 2.2 240x120

ГОН 1.5 240x320

DVD 10,2 800x480

Notebook PC13.3W WXGA

Notebook PC 15.4W WXGA

LCD Monitor 15 XGA

LCD Monitor 17 SXGA

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

LCD Monitor 22W WSXGA

LCD TV 20 WXGA

LCD TV 42 WXGA

LCO TV 48 FuB HD

POP 42 ED

ГОР 50 «5

trend

Логерифмический (trend)

10

Рис. 3. Цена за пиксель в зависимости от его размера

Рис. 4. Объем выпуска различных типов дисплеев

Физические и технологические ограничения для различных типов дисплеев

Как уже указывалось ранее, во многих случаях микродисплей можно было бы изготовить простым масштабированием существующих конструкций, уменьшив их геометрические размеры, но сохранив высокое разрешение. В определенных пределах такой подход вполне допустим и приводит к успешным результатам. Типичным примером является использование ЖК матриц в сравнительно крупных моделях проекторов. Однако, в целом подобное масштабирование наталкивается на физические и технологические ограничения, заставляя искать альтернативные технические решения и использовать новые физические эффекты.

В данном разделе рассматриваются технологические ограничения, свойственные основным категориям дисплеев, с точки зрения уменьшения их геометрических размеров. Также рассматриваются конкретные конструкции и технологии микродисплеев, созданных на базе соответствующих дисплейных технологий.

Жидкокристаллические дисплеи-управляющая электроника активной матрицы

Основным физическим ограничением при микромасштабировании активно матричных дисплеев является величина площади, занимаемой управляющей электроникой. В случае отражающих дисплеев эта величина непосредственно определяет минимально возможную площадь пикселя, а в случае работающих на просвет дисплеев действуют несколько более жесткие ограничения, связанные с уменьшением числовой апертуры и приводящие к снижению яркости и энергетической эффективности. Числовая апертура - это отношение рабочей (пропускающей) площади элемента отображения к его общей площади. Часть площади пикселя активной матрицы занимают элементы управления (шины питания и управления, МОП транзистор), которые снижают эффективную площадь ячейки. Технологически числовую апертуру увеличивают за счет использования полупроводников с более высокой подвижностью носителей, так как увеличение подвижности позволяет пропорционально уменьшить ширину канала и, соответственно, площадь тонкопленочного транзистора (TFT). На приведенном ниже рис. 5 можно видеть, что при замене аморфного кремния на поликремний числовая апертура улучшается [3]. В табл. 2 приведены подвижности носителей (ц) для основных типов кремния, применяемых в актив-номатричных дисплеях [4].

транзистор

Рис.5. Схематические изображения пикселя с TFT на аморфном кремнии (слева), на поликремнии (в центре) и соответствующая электрическая схема (справа)

Особый интерес представляет изменение числовой апертуры при масштабировании активной матрицы. В связи с этим ниже рассматриваются основные факторы, влияющие на размер управляющего транзистора. К ЖК пикселю прикладывается переменное напряжение, чтобы уменьшить электролитические эффекты деградации - в четных кадрах прикладывается положительное напряжение, а в нечетных - такое же по величине напряжение, но обратной полярности [4]. Таким образом, максимальный ток через транзистор составляет

I = 2 С и/(То/М),

где I) - максимальное напряжение, прикладываемое к ячейке, То - длительность кадра, М - число столбцов, С - емкость конденсатора.

Введение дополнительного конденсатора в схему управления связано с тем, что диэлектрическая проницаемость ЖК зависит от его ориентации, может изменяться почти двукратно, и если использовать в качестве накопительного конденсатора только емкость слоя ЖК, напряжение на ячейке будет меняться в процессе переключения. Так как это искажает передачу серой шкалы в схему вводят дополнительный конденсатор, емкость (С) которого в N (обычно несколько десятков) раз превышает емкость (Со) слоя ЖК в пикселе. Емкость Со пропорциональна площади пикселя.

Таблица 2. Подвижность носителей в кремнии

Эскиз структуры Подвижность носителей см2/(В*сек) Допустимая температура Тип подложки

a- Si 0.3-1 -300 С стекло

Low T poly-Si м 50-200 -500 С стекло

High T poly-Si 100-300 - 1000 С кварц

Crystalline Si ш 400 - 1100 С кремний

При неизменных проектных нормах и длине канала максимальный ток определяет ширину канала и, соответственно, площадь управляющего транзистора. Таким образом, относительная площадь управляющего транзистора

STFT/Splxcel ~ N-M-Co/(n-To) ~ М/ц Из этого выражения видно, что увеличение разрешения дисплея ухудшает числовую апертуру, поэтому увеличение разрешающей способности активноматричных ЖК дисплеев сопровождалось переходом от a-Si к poly-Si, характеризующемуся значительно более высокой подвижностью. Попутно при этом была решена проблема контактных площадок и встроенных драйверов (рис. 6).

Рис. 6. Решение проблемы контактных площадок и встроенных драйверов при переходе от a-Si к низкотемпературному poly-Si [3]

В то же время, это выражение показывает, что физическое уменьшение пикселей не влияет на числовую апертуру. Т.е. масштабирование может производиться в рамках существующих технологий и не требует замену базовых'полупроводниковых материалов. Однако в настоящее время mainstream ЖК технологии ориентированы на сравнительно большой размер пикселей, соответствующих наблюдению невооруженным глазом (телевизоры и мониторы) и близких к ним (настольные и стационарные проекторы). При этом строятся фабрики, со все большими размерами подложек (см табл. 3), но практически с неизменным минимальным физическим размером пикселя ~ 0.2 мм. Характерно, что предыдущие генерации не исчезают бесследно, а возрождаются в промышленном оборудовании для развивающихся дисплейных технологий (LTPS, AMOLED).

Таблица 3. Развитие ЖК технологий

Год Поколение Размер подложки /mm

G 2 400x500

1995 G 3 550x670

G 3.5 600x720

G 4 680x880

2001 G5 1100x1250

G 6 1500x1800

2004 G7 1870x2200

2006 G 8 2160x2460

2008 G 9 2400x2800

В то время, как размеры подложек увеличиваются, проектные нормы для управляющих элементов ужесточаются, - в компании Sharp даже считают, что развитие управляющей микроэлектроники на стекле соответствует закону Мура, требующему удвоения количества элементов каждые 18 месяцев. В настоящее время проектные нормы составляют 1-3 мкм, что позволило создать на стекле демонстрационный микропроцессор Z80 с тактовой частотой 3 МГц при напряжении питания 5 В [5]. В ближайшее время Sharp собирается перейти на 0.8 мкм проектные нормы.

Таким образом, нет ни фундаментальных, ни принципиальных технологических ограничений для микроминиатюризации управляющей электроники в рамках концепции "poly-Si on a glass", а получившие распространение технологии изготовления микродисплеев: LCOS (Liquid Crystal On Silicon) и «Silicon-on-Glass» фирмы Kopin Corp., связаны с неготовностью производственников работать с чипами и шинами сверхмалых размеров, типичных для кремниевой микроэлектроники. Вне всякого сомнения, в ближайшем будущем эти технологии будут вытеснены с рынка микродисплеев принципиально более дешевой поликремниевой управляющей электроникой, так как дальнейший потенциал микромасштабирования, который мог бы быть реализован при использовании технологий монокристаллического кремния, упирается в рассматриваемую в следующем подразделе ограниченную разрешающую способность самих жидких кристаллов.

Жидкокристаллические дисплеи - интерференция пикселей

Общим принципиальным ограничением матричных систем является дифракционное пространственное разрешение оптической системы

Угловое разрешение

а = Х/В,

где В - диаметр объектива Пространственное разрешение

а = a-F = A/(B/F) = Х/А , где F - фокусное расстояние объектива, А - апертура объектива

Для красного света (А. = 0.6 мкм) и объектива без иммерсии А~1, получаем минимальный размер пикселя ~ 0.6 мкм. Соответственно, монохромный SVGA дисплей имел бы размер 600 мкм по диагонали. Теоретически, подобное пространственное разрешение может быть получено в AMOLED и SiLED микродисплеях.

В ЖК дисплеях, однако, существует дополнительное ограничение, связанное с ненулевой толщиной слоя ЖК. При толщине слоя ЖК 1...1.5 мкм шаг пикселей должен быть в несколько раз больше - иначе взаимовлияние пикселей будет чрезвычайно сильным. Четкого критерия в этом случае нет, шаг пикселей выбирается исходя из разумного компромисса между уменьшением размеров дисплея и соответствующим ухудшением контраста, цветопередачи и быстродействия. В настоящее время шаг пикселей при использовании технологии «Silicon-on-Glass» приблизился к 7x7 мкм - по-видимому, это предел для монохромных матриц. Для полноцветных матриц (Field-Sequence) при гексагональном расположении пикселей соответствующий шаг пикселей будет около 12 мкм.

Таким образом, при площади монохромного пикселя 100 мкм2 монохромный SVGA ЖК микродисплей будет иметь размер примерно 10 мм (0.4 дюйма по диагонали). Дальнейшее уменьшение физических размеров цветных ЖК микродисплеев будет, скорее всего, связано не столько с уменьшением толщины слоя ЖК, сколько с переходом от пространственного разделения цветов (Field-Sequence), традиционно реализуемого матрицей светофильтров, к временному (Time-Sequence), реализуемому цветной динамической подсветкой. При этом, помимо трехкратного увеличения разрешающей способности достигается еще и трехкратный энергетический выигрыш. Необходимое для Time-Sequence-nponecca формирования цвета быстродействие может быть достигнуто при использовании ферроэлектрических ЖК.

Примеры реализации ЖК микродисплеев

Традиционно микродисплеи изготавливаются на базе ЖК панелей с активной матрицей поликремниевых транзисторов, характеризуемых значительно меньшими геометрическими размерами, высоким быстродействием и лучшими электрическими параметрами, чем транзисторы на аморфном кремнии. Использование поликремниевых транзисторов позволяют решить проблему контактов путем интегрирования управляющих драйверов непосредственно в ЖК панель.

Наилучшие параметры обеспечиваются при использовании высокотемпературного поликремния (HTPS-технология). В настоящее время параметры ЖК панелей этого класса достигли разрешения 1440x1024, размер пикселя 28x22 мкм, апертура 47.5%, диагональ ЖК панели 1.8 дюйма (Seiko Epson). Одним из главных недостатков HTPS-технологии считается необходимость использования дорогих кварцевых подложек.

Более перспективной считается низкотемпературная технология создания поликремниевых транзисторов (LTPS - технология), разработанная фирмой Sharp и использующая техпроцесс Continuous Grain Silicon. На основе этого техпроцесса создана ЖК панель с разрешением 1280x1024, размером пикселей 45x32 мкм при числовой апертуре 63%, диагональ ЖК панели 2.6 дюйма.

В технологии «Silicon-on-Glass», разработанной специалистами фирмы Kopin Corp. (США) (рис. 7), сначала методом ISE (Isolated Silicon Epitaxy) на кремниевой подложке наращивается толстый слой монокремния, в котором стандартными технологическими приемами формируется высокоплотная матрица МОП-транзисторов вместе со строчными и столбцовыми драйверами. Затем этот слой отделяют от кремниевой подложки и переносят на стеклянную подложку. На последней стадии осуществляют сборку ЖК панели. Такая технология позволяет использовать стандартное микроэлектронное оборудование, кремниевые подложки и типовые КМОП процессы, но, в целом, является чрезвычайно дорогой. Одна из последняя разработок фирмы Kopin - микродисплей с диагональю 1.5 дюйма, содержащий 2560x2048 пикселей с интегрированными драйверами столбцов и строк, для нашлемных проекционных устройств.

Следует отметить, что данная технология является чрезвычайно дорогостоющей, и на фоне стремительно дешевеющих макродисплеев и перехода на LTPS технологию, компании

«Активный» спой

—..—* ■ —.—

«АКП»НЫЙ» СЛОЙ

К0ОМНИОв*Й

плктнш Стандартный КМОП-процесс

«Ах-»вмы»>» слой Н* скжгашой подложке

Крвмнжюая гтасттна

Отсповнив «активного» слоя

Перенос активного опоя на стеклянную подножку

Рис.7. Процесс «БИшоп-оп-вЫв» фирмы Корт (слева) и-БУСА 0.44' микродисплей, изготовленный по этой технологии [6] (справа)

Корт тяжело сохранять рентабельность, даже несмотря на значительное увеличение объемов выпуска (в I квартале 2008 по сравнению с анологичным периодом прошлого года продажи микродисплеев выросли с 9 до 17,1 млн долларов, а их доля в обороте компании с 50% до 59% [7]). Изменение курса акций компании представлено на рис. 8.

При изготовлении микродисплеев для проекторов и особенно для рюо-проекторов широко используется технология LCOS (Liquid Crystal on Silicon), так как объемы выпуска пока не велики и использование существующего микроэлектронного оборудования и отлаженных технологий позволяет быстро освоить производство. LCOS микродисплеи представляют собой сверхминиатюрные активно-матричные ЖК дисплеи отражательного типа. От обычных ЖК микродисплеев просветного типа они отличаются тем, что одна из стеклянных подложек с поляроидом заменена на кремниевый кристалл, в котором формируется активная матрица. Для 14

проекторов отражательного типа не требуется прозрачность подложки, поэтому использование кремниевого кристалла не требует специфических дополнительных технологий, подобных техпроцессу «8Шсоп-оп-01а88", однако из соображений совместимости с существующим микроэлектронным оборудованием размер кристалла не должен превышать одного дюйма по диагонали.

PWymitt» iügftmem layer flC тамп»

Custom sitlüM 1С

EiieapiiAnt Coirtuctoi' Flexible eiicuit board

Glass ¡TO cMfcsfl Spacer particle Cwarrac substrate

Die attach itäfttsive

Conductive

Endssai

Рис. 9. Структура и внешний вид микродисплея фирмы Displaytech FLCOS (ferroelectric liquid crystal on silicon display), time-sequence color 0.19' QVGA -320x240 pixels [9]

Помимо изображенного на рис. 9 QVGA микродисплея, в линейке pico-диеплеев фирмы Displaytech представлены также VGA и SVGA модели. FLCOS микродисплей для pico -проектора со светодиодными излучателями для сотовых телефонов имеет размер 11.5x15.3 мм (0.75 дюйма по диагонали) с разрешением 800x600 и шагом пикселей 19 мкм [9].

Особого упоминания заслуживают голографические проекционные микродисплеи. Компания HOLOEYE в 2007 году продемонстрировала голографический проектор, рассчитывающий и генерирующий цифровые голограммы на обычном персональном компьютере (320x240, 30 кадров/с) в реальном времени (рис. 10).

Видеокамера

Контрольное видеоизображение

Освещаемый лазером микродисплей

Контрольное изображение голограммы

Рис. 10. Голографический проектор фирмы НОЬОЕУЕ (слева) и информационная панель на его основе (справа)

Голографические системы могут быть как с амплитудной модуляцией (обычно они базируются на БЬР микродисплеях), так и с фазовой (базируются на ЬСОБ микродисплеях без поляроидов). Одним из основных преимуществ голографических систем является простота оптической схемы - проектор может вообще не иметь линз, а фокусировка на удаленный экран осуществляется программной коррекцией голографической структуры. Другим важным преимуществом является высокоэффективное использование светового потока - голографический принцип позволяет не затенять, а перераспределять свет: например, весь световой поток может

быть сведен в одну яркую точку или линию. Пример информационной панели, реализованной с использованием голографического проектора, приведен на рис. 10 (справа).

Светоизлучающие дисплеи

Светоизлучающие дисплеи имеют наиболее простое конструктивно-технологическое исполнение, поскольку не требуют внешнего источника излучения и сложной оптики. В то же время разработка и производство высокоинформативных светоизлучающих дисплеев сталкивается с труднопреодолимыми технологическими трудностями и нерешенными научными проблемами. Как ухе указывалось ранее, для решения «проблемы выводов» микродисплеи необходимо интегрировать с драйверами и единственно приемлемый с коммерческой точки зрения вариант для мегапиксельных микродисплеев - использование кремния или поликремния. Сами же излучатели могут быть самыми разными. Так, в активно-матричных электролюминесцентных микродисплеях компании Planar Systems используется тонкопленочная технология для последовательного нанесения металлических, диэлектрических и люминофорных слоев поверх активной матрицы, изготовленной фирмой Kopin. Planar Systems продемонстрировала образцы микродисплеев с диагональю 0.7 дюйма и разрешением 640x480 и 1280x1024 пикселей. Основные недостатками подобных дисплеев связаны с высокими рабочими напряжениями (80 В переменного тока), сложностью изоляции высоковольтных сигналов от невыбранных элементов отображения и логики при столь плотном размещении элементов, а также, низкой эффективностью синих люминофоров и соответствующими проблемами при формировании полноцветного изображения [10, 11]. Компании Display Research Labs, Ise Electronics разработали VF (Vacuum Fluorescent)-on-Si микродисплеи, а компании Micron и Motorola - FE (Field Emission) микродисплеи [12]. Использование углеродных нанотрубок является одним из основных направлений развития FE дисплеев и микродисплеев. Применение упорядоченного массива углеродных нанотрубок, локализованных в порах анодного окисла, описанное далее в настоящем журнале, открывает новые возможности по повышению яркости, увеличению срока службы и интеграции с кремниевой подложкой FE светоизлучающих элементов.

В настоящее время лидирующие позиции занимают активноматричные микродисплеи на органических светодиодах, однако соответствующий сектор рынка активно развивается и видоизменяется: в ближайшее время можно ожидать смены лидера и появления новых игроков.

Плазменные панели

Плазменные дисплеи характеризуются высокой яркостью и контрастом, широким углом обзора, насыщенными цветами. Сами по себе разрядные источники света характеризуются высокой энергетической эффективностью, но в плазменной панели длина разряда чрезвычайно мала и весь разряд локализуется в малоэффективной области приэлектродного темного пространства. Однако газоразрядные панели все же остаются сопоставимыми с ЖК панелями по эффективности, т.к. в ЖК дисплеях из-за потерь в поляроидах, светофильтрах и пространственного разделения RGB-ячеек пропускание света составляет всего ~ 5%. Ситуация может радикально измениться в ближайшем будущем, при увеличении быстродействия ЖК и перехода на «Time Sequence" светодиодную подсветку - это даст ЖК панелям дополнительный Зх-кратный выигрыш как по энергетической эффективности, так и по разрешению. Но в настоящее время плазменные панели являются конкурентноспособными и занимают определенную рыночную нишу.

Как видно из рис.11, плазменные панели не содержат полупроводниковых слоев, их матрица, за счет использования особых запоминающих свойств газового разряда, является по сути пассивной. Это позволяет использовать низкотемпературные подложки и существенно удешевляет процесс изготовления по сравнению с активно-матричными ЖК панелями. Однако микромасштабирование плазменных панелей наталкивается на целый ряд существенных ограничений. Одним из главных конструктивных ограничений является проблема контактных площадок. Т.к. матрица не содержит полупроводниковых слоев, она не может быть интегрирована

с драйверами, соответственно, число выводов должно измеряться тысячами, что при сверхмалых размерах матрицы приводит к трудноразрешимым проблемам.

Visible Light ffü

Scan Electrode \

Sustain Electrode /Glass Panel

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

/ VtttSe /

^ X^DIelectrtc Layer

: ^«protection Layer Gas (Ne-Xe) *

Dielectric Layer

Substrate

Data Electrode

Рис. 11. Конструкция и принцип работы плазменной ячейки [13]

Основной же технологической проблемой является необходимость увеличения давления газа при сокращении длины разряда. Обычно панели заполнены неоном с небольшой примесью более тяжелого инертного газа (аргона, ксенона). Такие смеси имеют пологую зависимость напряжения зажигания от длины разрядного промежутка при сравнительно низком рабочем напряжении (рис. 12). Как видно из рис.12, минимальное напряжения разряда имеет место при p0 d ~ 30 Па м.

Рис. 12. Кривые Пашенадля различных газов [14]

Т.е. уже при размере пиксела 300 мкм давление газа должно превышать атмосферное (105 Па). При размере пикселя 30 мкм давление газа должно быть порядка 10 атмосфер, что создает труднопреодолимые технологические и конструктивные препятствия при сборке и эксплуатации устройства. Замена газа с целью уменьшения po-d приводит к повышению рабочего напряжения, снижению стабильности и эффективности функционирования.

Таким образом, микромасштабирование плазменных панелей сопряжено со значительными технологическими и конструктивными трудностями, приводит к снижению эффективности функционирования устройства и, в целом, делает плазменные микродисплеи неконкурентноспособными на рынке.

Инжекционные кристаллические светодиоды

Дискретные светодиоды широко ифпользуются в дисплеях больших форматов, соответствующие примеры были рассмотрены ранеб в разделе «Классификация дисплеев». Безусловно, светодиоды по совокупности параметров являются наилучшими источниками света, однако отсутствие методов их интеграции с высокой плотностью на кремниевой подложке пока не позволяет создавать микродисплеи на их основе.

Кремниевые лавинные светодиоды

В сильных электрических полях в кремнии развивается лавинный пробой с образованием горячего электронного газа. Условия, необходимые для лавинного пробоя можно создать, прикладывая обратное смещение к р-n переходу или диоду Шотки. Горячий электронный газ излучает видимый свет, сталкиваясь с атомами решетки/внедренными атомами, находящимися в области сильного поля либо на расстояниях, соизмеримых с длиной свободного пробега (~7-20 нм) от нее [15]. Использование диода Шотки на основе пористого кремния позволило непосредственно в области сильного поля расположить химически и физически модифицированную поверхность кремния и его нанокристаллиты, что значительно увеличило интенсивность электролюминесценции в видимой области. Светоизлучающие структуры на основе пористого кремния характеризуются большим сроком службы (>10000 часов); непрерывным спектром, позволяющим выделить цвета RGB; невысоким рабочим напряжением (менее 12 В) с крутой ВАХ; малым временем отклика (единицы не); высокой допустимой плотностью рабочего тока (до 8000 А./см2).

Указанные свойства кремниевых светодиодов и совместимость процесса их изготовления со стандартной КМОП технологией позволяют проектировать высокоэффективные и недорогие пассивно-матричные микродисплеи интегрированные с управляющими драйверами.

В этом журнале в статье «Микродисплей светоизлучающего типа на основе нанострук-турированного кремния» рассматриваются базовые принципы, технологии и достижения в исследовании и разработке кремниевых светоизлучающих микродисплеев высокого разрешения.

Органические светодиоды

Органическая электролюминесценция впервые наблюдалась в 1963 на кристаллах антрацена при напряжениях порядка 400 В [16]. Впоследствии была обнаружена жидкофазная низковольтная электролюминесценция (электрохемилюминесценция - electrochemiluminescence) и низковольтная постояннотоковая тонкослойная электрохемилюминесценция. В статье «Electrochemiluminescence: from submicron cells to matrix displays» этого журнала рассматриваются особенности этого физического явления и его применение в дисплейных технологиях. В 1987 Ching W. Tang и Steve Van Slyke создали первый твердотельный органический светодиод (OLED) [17]. Уже первый OLED имел впечатляющие характеристики: 1% внешнюю квантовую эффективность, яркость 1000 кд/м2 и рабочее напряжение ~ 10 В. В 1990 были разработаны полимерные, светодиоды (PLED) на основе PPV (см. рис. 13), они излучали в желто-зеленой области спекра с внешней квантовой эффективностью ~ 0.05% [18].

Первый коммерческий OLED дисплей (панель автомагнитолы) был произведен в 1997 компанией Pioneer Electronics.

На рис. 13 изображена базовая структура OLED. В коммерческих реализациях обычно вводится еще несколько дополнительных слоев, улучшающих функционирование светодиода. Большое количество разнородных, тонких (от субмикронных до нанометровых) слоев резко ограничивает возможности формирования локальных структур, например, вместо типичных в микроэлектронике операций фотолитографии и локального травления приходится использовать операции осаждения сквозь металлические маски или струйную печать.

. Л1с1аллическ1|11 каюл (Mgo.»Ag„.i, Са/Л1)

сн,

Alq3

TPD

PPV

Рис. 13. Структура OLED и используемых материалов

На рис. 14 изображена диаграмма функционирования OLED [19]. При приложении достаточного по величине напряжения дырки инжектируются из анода на наивысшие занятые молекулярные орбитали (HOMO - highest occupied molecular orbital) органических молекул при-анодного слоя, формируя катион-радикалы. В свою очередь электроны инжектируются из катода на наинизшие незанятые молекулярные орбитали (LUMO - lowest unoccupied molecular orbital) органических молекул прикатодного слоя, формируя анион-радикалы. Анион-радикальные и катион-радикальные состояния мигрируют в электрическом поле, рекомбинируя и излучая свет при столкновениях друг с другом. Материалы и толщины слоев подбираются таким образом, чтобы количество инжектируемых дырок было примерно равно количеству инжектированных электронов, их рекомбинация была возможно более полной, а излучение света -максимально эффективным.

radical anion

Рис. 14. Процесс излучения света в OLED [19]

!

j------------- -.......-

I

g №

Voilage (Volts)

100 1000 10000 Luminance (cd/m )

4 в

Votiaea (V)

Рис. 14. Типовые характеристики современного OLED [20]

Из приведенных на рис.14 типовых характеристик OLED видно, что максимальная яркость стремится к насыщению при ~ 20000 Кд/м2. Уже только это накладывает существенные ограничения на максимальное разрешение пассивной матрицы на основе OLED. Если итоговая яркость экрана должна быть 300 Кд/м2, то максимальное количество строк разложения не должно превышать 20000 Кд/м2 /300 Кд/м2 = 66.

Пассивно-матричные дисплеи невысокого разрешения и малого размера являются основной областью применения OLED (см. рис. 15). Как будет показано далее, это связано с принципиальными ограничениями максимального физического размера OLED дисплеев и технологическими трудностями изготовления активных матриц для OLED. Разрешения, достигаемого в пассивных матрицах, явно недостаточно для построения высокоинформативных дисплеев, поэтому в дальнейшем будут рассматриваться только активно-матричные OLED дисплеи (AMOLED).

Philips: Electrical Shaver

Рис. 15. Пример пассивноматричного OLED дисплея, расположенного на криволинейной поверхности

Так как OLED в отличие от ЖК управляется не напряжением, а током, элементарная ячейка AMOLED должна состоять, по крайней мере, из двух транзисторов (запоминающего и управляющего) и дополнительной токовой шины, питающей OLED. Принципиольная схема ячейки и топологические варианты ее исполнения («top emission» и «bottom emission») приведены на рис. 16.

Supper line Sigriel line

Cathode

Capacitor tine

Switching TFT

Рис. 16. Принципиальная схема (слева), "bottom emission" (в центре) и "top emission" (справа)

топологии AMOLED

Топология "bottom emission", в сравнении с "top emission", обеспечивает лучшую защиту слоя OLED, но при этом ухудшается числовая апертура ячейки из-за частичного экранирования излучения транзисторами и проводящими шинами. В случае формирования полноцветного изображения фильтрами, наносимыми поверх OLED, может использоваться только "top emission" топология. Топологическая реализация AMOLED является технологически очень сложной и требует для изготовления порядка 20 операций фотолитографии. Получить прием-лимый выход годных AMOLED при переходе к микроразмерам можно только при использовании современных микроэлектронных технологий на кремниевых пластинах. Именно по этому пути пошли производители AMOLED микродисплеев компании eMagin и MicroEmissive Display. Очевидно, что при применении непрозрачных кремниевых подложек, возможно использование только технологии "top emission".

Формирование цветов в матрице может быть осуществлено использованием раздельных OLED для каждого цвета ("RGB emitters"), переизлучением света синего светодиода локально нанесенными фотолюминесцентными слоями ("Color Changing Media") и фильтрацией RGB цветов фильтрами из спектра излучения белого светодиода ("RGB filters+white emitter"). Достоинства и недостатки указанных технологий рассмотрены в табл. 4.

Таблица 4. Сравнение технологий полноцветных AMOLED

"RGB emitters" "Color Changing Media" "RGB filters White emitter"

Технология ш г ? Т ill ¡¿'¿Д. r| [tl 1Я п^^Я S, ead

I «sei т

' 1 t ft \

Энергетическая эффективность Высокая 100% Средняя ~ 75% Низкая ~ 30%

Технологичность Низкая (слои OLED) Средняя (слои люминофоров) Высокая (слои фильтров)

Равномерность старения эмиттеров низкая высокая средняя

Прочее Возможна раздельная оптимизация митеров Требуется высокостабильный и эффективный синий эмитер Требуется высокостабильный и эффективный белый эмитер

Из табл. 4 видно, что наиболее технологичный и реализуемый практически во всех выпускаемых моделях AMOLED способ формирования цветов «RGB filters+white emitter», является наименее экономичным из-за потерь энергии в фильтрах. В итоге, подобные AMOLED уступают по экономичности ЖК с «Time-Sequence» формированием цветов.

Как видно из рис.14 яркость 300 Кд/м2 достигается при напряжении ~ 3,5 В и плотности тока Joled = 3 мА/см2. На подводящих шинах (тонкопленочных аноде и катоде) имеет место омическое падение напряжения AU, которое должно быть существенно меньше рабочего напряжения. При равномерном свечении, как дискретного индикатора, так и AMOLED панели, падение напряжения AU определяется размером панели (индикатора) L и поверхностным омическим сопротивлением проводников р :

AU = Jqled L2 р , откуда следует L = [ДЩ Jqled р)]й

В случае AU = 0,5 В и р = 10 Ом/п, характерного для высококачественных слоев ITO, получаем величину максимального размера ~4 см. Если поверх ITO накладывать проводящую сетку, например, на основе тонкослойного алюминия с поверхностным сопротивлением 0.01 Om/d, экранирующую треть активной площади, то максимальный размер составит ~ 60 см. При использовании технологии «RGB filters+White emitter), обладающей низкой энергетической эффективностью, максимальный размер будет всего ~35 см или около 17 дюймов по диагонали.

Таким образом, из-за физических и технологических ограничений AMOLED панели не могут стать реальными конкурентами на массовом рынке мониторов и телевизоров. В области микродисплеев часть этих ограничений снимается, но без сопутствующего массового производства AMOLED в смежных секторах, издержки производства микродисплеев оказываются чрезвычайно большими.

На рис. 17 приведены графики курсов акций компаний, специализирующихся на производстве AMOLED микродисплеев: eMagin (скачок в июле 2007 связан с успешной реструктуризацией $6 млн. долга и переносе его выплаты на 21 декабря 2008) и MicroEmissive Displays (осенью 2007 в Дрездене запущена оснащенная современным кластерным оборудованием фабрика по производству AMOLED микродисплеев).

Рис. 17. Биржевые котировки акций компаний eMagin [8 "EMAN"] (вверху) и MicroEmissive Displays [21, "MED"] (внизу)

MEMS (Micro ElectroMechanical System) дисплеи

MEMS (Micro Electromechanical System) - это создаваемые с использованием микроэлектронных технологий устройства, содержащие механически перемещаемые элементы. Как правило, такие устройства создаются на кремниевой подложке и наряду с микроэлектромеханическими датчиками и (или) актюаторами содержат сопутствующие электронные схемы управления и (или) обработки сигналов. Для создания дисплея виртуальной реальности или проектора соответствующее MEMS устройство дополняется источником светового излучения и оптическими элементами..

Наиболее конструктивно простым дисплейным MEMS устройством является качающееся микрозеркало. Затем следует линейный модулятор света, причем для построения дисплея он должен быть дополнен системой развертки, например тем же качающимся зеркалом. Наиболее же конструктивно сложным изделием является матрица модуляторов. Как правило, все эти системы могут работать не только в видимой области спектра, но и во всем диапазоне от дальнего инфракрасного излучения до дальнего ультрафиолета. Столь широкий спектральный диапазон позволяет реализовывать на MEMS не только дисплеи высокого разрешения, но также системы высокоскоростной безмасочной фотолитографии, высококачественной лазерные принтеры, широкополосные системы телекоммуникации и обработки сигналов.

MEMS дисплеи с качающимися микрозеркалами

Основными разработчиками систем с качающимися зеркалами являются немецкий институт Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS) и американская компания Microvision, сотрудниющами друг с другом [22].

На рис. 18 изображена структура и фотография микрозеркальной системы разработки Fraunhofer IPMS. Размер зеркала составляет единицы квадратных миллиметров, а частота развертки - десятки килогерц [23]. В Дрездене Fraunhofer IPMS имеет современные микроэлектронное оборудование, чистые технологические площади, обученный персонал и может выпускать до миллиона MEMS микрозеркал в год. Оба подвеса 2D зеркала в разработке Fraunhofer IPMS имеют электростатическое управление, а в разработке Microvision - внутренний подвес имеет электростатическое управление, а наружный - электромагнитное.

Компания Microvision использует лазеры для формирования полноцветного изображения, однако в настоящее время, единственным техническим решением, обеспечивающим требуемую световую мощность (10-20 Люмен для пико проекторов) и эффективность при малых габаритах является применение лазеров, излучающих в инфракрасном диапазоне на длинах волн 1064 и 1550 нм и системы нелинейной конверсии спектров. Красный цвет (631 нм) получают при сложении излучений обоих лазеров 1064 и 1550 нм, зелёный (532 нм) - удвоением частоты излучения 1064 нм, а синий (448 нм) - сложением излучения 1064 нм и удвоенной частоты излучения 1550 нм. Для получения изображения высокого разрешения лазеры должны иметь быстродействующее управление: частота модуляции при передаче мелких деталей может достигать сотен МГц.

Примеры дисплеев компании Microvision приведены на рис. 19. Следует отметить, что качающиеся микрозеркала практически не используются в офисных проекторах (со световым потоком более 1000 Люмен) из-за чрезмерной тепловой нагрузки на зеркало. Компания Microvision производит также Near-to-Eye (NTE) микродисплеи на основе качающихся микрозеркал, но из-за дороговизны используемых источников излучения, они находят лишь военное применение.

Рис. 18. Структура 2В микрозеркала (слева), микрозеркала в керамическом корпусе (в центре) и монохромного пико-проектора размером 17x7x5 мм (справа) [24]

Рис. 19. Пико-проектор (слева) и автомобильный проектор на лобовое стекло (справа) [25]

MEMS дисплеи с решеткой световых затворов

При использовании линейки модуляторов света (решетки световых затворов) можно создать проектор с 1D дополнительной низкоскоростной разверткой и немодулируемыми лазерными источниками света. Соответствующая технология, получившая название Grating Light Valve (GLV), была разработана Дэвидом Блумом (David Bloom) в Станфордском университете. В настоящее время GLV устройства серийно производятся компанией Silicon Light Machines (US). Основу системы составляет решетка микрополосок, которые под действием электростатических сил могут менять свое состояние из отжатого в прижатое и возвращаться обратно под действием сил упругости (см. рис. 20). Если соседние полоски находятся в одинаковом состоянии, то они отражают свет, как плоское зеркало. Если же они находятся в различных состояниях (отличающихся по глубине на четверть длины волны), световые волны отражаются в проти-вофазе и взаимно гасят друг друга. Схема полноцветного GLV дисплея приведена на рис. 21.

Рис. 20. Структура (слева) и микрофотография (справа) решетки световых затворов (справа) [26]

Wavelength multiplex

RGB lasei

sources

Line: (1080 channels)

I I I

k

Fourier Filter

Scanner

Screen

Рис. 21. Структура MEMS дисплея с решеткой световых затворов [26]

По GVL технологии построен 20 Мегапиксельный (4096x5120) проектор для авиатренажёра, установленного в центре подготовки военных пилотов США [27]. Период решётки составляет 3,7 мкм, длина полосок -200 мкм. Полоски дифракционной решётки состоят из плёнки нитрида + оксида кремния толщиной 100 нм, покрытых сверху слоем алюминием толщиной 30 нм. Полоски образуют микроконденсаторную структуру с общим электродом, расположенным на подложке под мостиками-полосками. К каждой полоске подходит свой сигнал управления. Под действием электростатических и упругих сил полоска может менять свое состояние за ~100 не. Частота кадровой развёртки - 2 кГц. Модулятор имеет только бинарные состояния, поэтому формирование градаций серого осуществляется кодо-импульсным методом. С учетом того, что физиологическое время усреднения цвета ~ 100 мс, фактически это позволяет достичь TrueColor глубины цвета. Проблема выводов решается использованием гибридной технологии с формированием на базовой подложке кристалла GVL, межсоединений и 8-ми схем управления, монтируемых методом перевернутого кристалла.

MEMS матрицы модуляторов света

Использование вместо линейки матрицы затворов позволяет сформировать изображение без дополнительной системы развертки. Такое решение имеет неоспоримые преимущества, но является наиболее конструктивно и технологически сложным.

В 1987 году L. Hornbeck изобрел микромеханическое мультизеркальное устройство с цифровым управлением - матрицу жестких зеркал, имеющих всего два устойчивых положения. Коммерческие продажи начались в 1995 году. В настоящее время лидирующее положение на рынке подобных устройств занимает компания Texas Instruments, производящая MEMS DLP (Digital Light Processor) микродисплеи с годовым объемом выпуска, приближающимся к 10 млн.

Базовый элемент DLP представляет собой алюминиевое микрозеркало, которое крепится к жесткой подложке, через подвижные пластины соединенной с основанием матрицы. По углам пикселя размещены электроды, соединенные с ячейками статической памяти (CMOS SRAM). Под действием электрического поля подложка с зеркалом принимает одно из двух положений, отличающихся точно на ±12° благодаря ограничителям, расположенным на основании матрицы (см. рис. 22). Эти положения зеркала соответствуют отражению поступающего светового потока либо в объектив, либо в специальный светопоглотитель, обеспечивающий эффективный отвод тепла и минимальное рассеяние света.

WD 1 1 1 3 ЗБ 9-

TEXAS IHSJS S10?6-740i CHIPVQRKS

.........— " "ill r -il'^llilii • T . . . . ..:.

^ .....

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

f ¿»faqp^v« - a^f *

v>f К

~ i zsyzsr-r^rV^sadSs»» its-

082018 S.0 kV XS.00K 6.001'

Рис. 22. Вид на БЬР матрицу зеркал (слева вверху), вид на пиксель без зеркала (слева внизу)

и структура пикселя (справа) [28]

Технология изготовления кристалла является достаточно сложной [29]. DLP микросхема S1076-7402 XGA содержит 1024x768 микрозеркал с шагом 13.7 мкм , каждое из каторых сформировано поверх 5-ти транзисторной ячейки памяти. Используется 0.6 мкм КМОП процесс на р-/р+ эпитаксиальных кремниевых подложках. Схема содержит пять уровней металлизации: три для КМОП и два для MEMS. Разварка производится в керамический корпус, имеющий оптическое окно прозрачное в диапазоне от 275 до 2750 нм. Время переключения зеркала ~ 4 мкс, время успокоения зеркала ~ 15 мкс. Формирование градаций серого осуществляется кодо-импульсным методом, при частоте смены кадров 60 Гц достигается TrueColor глубина цвета.

Пико-проекторы (Pico projectors)

Появление спроса на пико-проекторы (встраиваемые в мобильные устройства или дополняющие их миниатюрные и экономичные проекторы). Наличие пико-проектора, даже способного работать лишь с небольшой экранной площадью (обычно не более формата А4, в то время как офисные проекторы работают с форматами АО и более) и небольшим световым потоком 10 Люмен, в то время как у офисных проекторов 1000 Люмен и более) значительно расширяет функциональные и потребительские возможности сотовых телефонов, портативных компьютеров и цифровых плееров.

По оценкам рыночных аналитиков, приемлемая цена для пико-проекторов в настоящее время составляет ~ $400 и предполагается ее снижение в ближайшие годы до ~ $200. Аналитики считают, что уже в 2008 году 0.0008% сотовых телефонов будет комплектоваться внешним пико-проектором; в 2009 - 0.038%, а 0.0007% - встроенным; в 2010 - 0.1% внешним и 0.034% встроенным; в 2011 - 0.18% внешним и 0.09% встроенным [30]. С учетом того, что годовой вы-

пуск сотовых телефонов уже давно перевалил за миллиард (см. рис. 4), уже в ближайшие годы выпуск пико-проекторов будет исчисляться миллионами.

Компании Texas Instruments и Microvision ожесточенно конкурируют, пытаясь захватить этот сегмент рынка. Microvision предлагает качающееся зеркало и RGB-лазеры, основу цены в этом наборе составляют лазеры. Texas Instruments предлагает пико-проектор на основе своего DLP со светодиодными источниками излучения и миниатюрной проекционной оптикой, основу цены в этом наборе составляет DLP микросхема. Если же для уменьшения размеров Texas Instruments также будет использовать лазеры, цена устройства вырастет почти вдвое. Лидер пока еще не определился, но ставки очень высоки (см. рис. 23).

Рис. 23. Биржевые котировки акций компании Microvision [8 "MVIS"] (В марте 2008 компания продемонстрировала прототип пико-проектора на CTIA Wireless 2008)

Заключение

Микродисплеи имеют свою рыночную нишу, которая динамично расширяется. Однако лидирующие дисплейные технологии (жидкокристаллические, плазменные и OLED) имеют ряд существенных физических и технологических ограничений при микромасштабировании. В настоящее время лидирующей технологией для микродисплеев является использование микроэлектромеханических систем, но для многих применений они пока еще чрезмерно дороги.

MODERN DISPLAYS: MINIATURIZATION ASPECTS

V.A. LABUNOV, P.V. JAGUIRO, P.S. KATSUBA, A.G. SMIRNOV

Abstract

The place of microdisplays in display classification and display market is discussed. Specific physical and technological restrictions of main display technologies for microdisplay applications are considered.

Литература

1. http://www.eurekalert.org/pub_releases/20to8-01 /uow-clwO 11708.php.

2. http://www.ad-air.com/gallery.

3. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/lcd/tech/ltps.htm.

4. Willem den Boer Liquid crystal displays. Elsevier, 2005.

5. http://www.eetimes.com/showArticle.jhtmlysessionid=l?articleID=22102939.

6. http://optics.org/cws/article/industry/32411.

7. Kopin Reports First Quarter 2008 Financial Results

http://phx.coфorate-ir.net/phoenix.zhtml?c=93548&p=irol-newsArticle&ID=1140758&highlight=

8. http://www.nasdaq.com

9. http://www. laserfocusworld.com/display_article/73171/12/none/none/Feat/Semiconductor-manufacturing-techniques-for-ferroelectric-liquid-crystal-microdisplay.

10. Смирнов А., Пархомчук А., Матюшенок Д., Гореликов С. // Электронные компоненты. 2001. N 2. С. 6-14.

11. Смирнов А., Пархомчук А., Матюшенок Д., Гореликов С. // Электронные компоненты. 2001. N 3. С. 5-9.

12.Могеаи О., CurtJ., Leroux Т. // Proceedings of SPIE. Vol. 4207. P. 20-31

13. SID, Eurodisplay. 2007, Tutorials, p. 5.

14. Гуртовник А.Г., Точинский Е.Г., Яблонский Ф. М. Электровакуумные приборы и основы их конструирования. М., 1988.

15. Jaguiro P.; Ferrari A.; LazaroukS. //Proceedings Electrochemical Society. 1998. PV-29. P. 194-205.

16. Pope M„ Kallman H., Magnante P. II J. Chem. Phys. 1963. Vol. 38. P. 2042-2043. M.TangC.W., VanSlykeS.A. //Appl. Phys. Lett. 1987. Vol. 51. P. 913-915.

18.Burroughes J., Bradley D., Brown A., Marks R., Mackay K., Friend R., Burns P., Holmes A. //Nature. 1990. Vol. 347. P. 539-541.

19. Kraft A., Grimsdale A., Holmes A. II Angew. Chem. Int. Ed. 1998. Vol. 37. P. 402-428.

20. www.ewh. ieee.org/soc/cpmt/presentations/cpmt0401 a.pdf

21. http://www.Iondonstockexchange.com

22. http://www.ipms.fraunhofer.de/de/y2006/pr_06101 lmicro.shtml

23. http://www.ipms.fraunhofer.de/common/products/MSD/msm-e.pdf

24.http://www.ipms.fraunhofer.de/common/products/SAS/Systeme/laseфrojektionsmodul-e.pdf

25. http://www.microvision.com/pico_projector_displays/index.html

26. TrisnadiJ., Carlisle С:, Monteverde R. II SPIE Procedings. 2004. Vol. 5348. P. 52-64

27. Самарин A. // Современная электроника. 2007. N. 7. С. 14-19

28. http://www.dlp.com/tech/default.aspx

29. http://www.eetasia.com/ART_8800416404_480700_NT_a5fd45ee.htm

30. http://insightmedia.info/emailblasts/2007-pico-projector.htm

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.