Альтернативные и перспективные технологии для мониторов

Традиционно вся гамма оттенков цветных изображений формируется на экранах ЭЛТ-, ЖК-, плазменных, - и других технологий дисплеев при помощи субпикселов трех базовых цветов — красного, зеленого и синего (RGB). Однако некоторые разработчики утверждают, что за счет увеличения количества базовых цветов можно улучшить визуальные характеристики современных дисплеев. Компания SK Display предложила ряд прототипов активно-матричных OLED-дисплеев, в которых изображение формируется субпикселами не трех, а четырех базовых цветов –помимо красного, зеленого и синего применяется еще и белый элемент. По словам разработчиков, использование белых субпикселов позволило увеличить контрастность дисплея и достичь более естественной цветопередачи. Ранее такие решения использовались практически во всех DLP – проекторах ( с одной LCD – панелью). Компания Samsung использовала четырехцветную схему в ряде экспериментальных ЖК-дисплев [ ]. Израильская компания Genoa Color Technologies предложила для расширения цветового охвата дисплеев увеличить количество субпикселов до шести, дополнив базовые цвета RGB желтым, голубым и пурпурным. Очевидно, что такой подход приводит к значительному усложнению (а следовательно, и к удорожанию) дисплейных панелей. Однако, специалисты Genoa Color Technologies считают, что дисплеи с шестицветными пикселами позволят достичь уровня воспроизведения изображения, сопоставимого по качеству с профессиональ-ной кинопленкой.

К недостаткам существующих прототипов полноцветных OLED –дисплеев с размером экрана порядка 15-17 дюймов по диагонали, можно отнести срок службы (он составляет около 2 тыс. часов, а для коммерческого использования необходимо достичь показателя как минимум в 10 тыс. часов). Впрочем, недостаток связан с технологическим несовершенством и будет преодолен в ближайшее время.

Следует отметить интерес к технологии LCoS (Liquid Crystal on Silicon – жидкие кристаллы на кремнии). Исследованиями в области LCoS занимались несколько научных групп, в том числе и отдел разработок Philips. Центральной частью LCoS-устройства является ЖК-матрица (микродисплей), изготовленная на кремниевой подложке (там же расположены и управляющие работой ячеек транзисторы). Однако, в отличие от классической проекционной ЖК-технологии, в данном случае микродисплей работает на отражение. При этом LCoS-технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной ЖК-технологией — в частности пикселы микродисплея LCoS характеризуются меньшим временем реакции, а за счет того, что транзисторы микродисплея расположены под ячейками субпикселов и не препятствуют прохождению света, — и значительно большей апертурой. Рис.5.30. Поясняет суть технологии.

Рис. 5.30. Схема проекционного устройства на базе LCoS

По заявлениям разработчиков, реализация решений на базе технологии LCoS позволяет создавать недорогие и качественные проекционные устройства — в частности мультимедиапроекторы и проекционные телевизоры. Но на сегодняшний день сначала фирма Philips, а затем и Intel объявили о закрытии проекта по разработке технологии LCoS. Причины, скорее всего технологического характера, на устранение которых нужно время и крупные финансовые вложения.

Остановимся на давно заявленной и перспективной технологии FED (Field Emission Display).Их ближайши аналоги SED и NED. Этотехнологии совершенствования электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Так же, как и в ЭЛТ, в FED-дисплеях изображение создается за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. Но есть принципиальное различие. В случае ЭЛТ используются три электронные пушки, лучи каждой из которых при помощи отклоняющей системы последовательно перемещаются по строкам экрана. В FED-дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые конусы диаметром около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. Благодаря использованию множества мельчайших ”холодных” катодов FED-дисплеи при том же размере экрана получаются значительно более тонкими и легкими и обладают более низким энергопотреблением по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. Физическая структура ячейки FED представлена на рис. 5.31. Конструктивные особенности FED-дисплеев позволяют достичь высоких технических и эксплуатационных характеристик. В частности, FED-дисплеи обеспечивают столь же высокую яркость изображения и широкий эффективный угол обзора, что и ЭЛТ-мониторы. При этом FED-технология позволяет добиться более высокого (по сравнению с ЭЛТ) контраста изображения при сохранении столь же высокой точности цветопередачи (параметры выше, чем у ЖК-дисплеев).

Рис. 5.31. Схема физической структуры ячейки FED-дисплея

Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) позволяет обеспечить высокую надежность FED-дисплеев. В отличие от ЖК-мониторов, где выход из строя транзистора, управляющего субпикселом, автоматически означает появление ”мертвого”, или ”залипшего” пиксела на экране, конструкция FED-дисплея позволяет сохранить работоспособность пиксела и его яркость даже при выходе из строя до 20% используемых источников электронов.

Недостатком FED-дисплеев является сложность их производства. По этой причине выпуск подобных дисплеев может быть рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана.

До недавнего времени одним из ведущих разработчиков в области FED была компания Candescent Technologies. Сейчас правообладателем технологии является компания Canon . Canon имеет в своем активе технологию SED (Surface Conduction Electron Emitter Display), схожую с ThinCRT

(торговая марка компания Candescent Technologies для FED – дисплеев).

Компания Samsung SDI ведет работу по созданию собственной технологии FED-дисплеев. Принципиальное отличие новой технологии от существующих решений заключается в том, что специалисты используют в качестве электронных микропушек не молибденовые конусы, а углеродные цилиндрические нанотрубки. Подчеркивая конструктивные особенности, такие дисплеи иногда называют NED (nano emissive display).

Наряду с активными работами по совершенствованию конструкции излучающих дисплеев (ЖК, плазменных, FED, OLED и др.) в последнее время исследователи ряда крупных компаний проявляют интерес к отражающим дисплеям. По эксплуатационным качествам отражающие дисплеи схожи с обычной бумагой — не случайно о них часто говорят, как об электронной бумаге.

Наиболее известным разработчиком технологий для создания отражающих дисплеев на данный момент является компания E Ink Corporation, основанная в 1997 году. Специалистам E Ink удалось разработать уникальную технологию для создания монохромных отражающих дисплеев, названную electronic ink (”электронные чернила”).

Структурными элементами отражающих дисплеев на базе электронных чернил являются микрокапсулы, диаметр которых не больше толщины человеческого волоса. Схема микрокапсулы представлена рис. 5.32. Внутри каждой микрокапсулы находится большое количество пигментных частиц двух цветов: положительно заряженные белые и отрицательно заряженные черные, а все внутреннее пространство микрокапсулы заполнено прозрачной жидкостью.

Рис.5.31. Микрокапсула — основной структурный элемент дисплеев на базе ”электронных чернил”

Слой микрокапсул расположен между двумя рядами взаимно перпендикулярных гибких электродов (сверху — прозрачных, снизу — непрозрачных), образующих адресную сетку. При подаче напряжения на два взаимно перпендикулярных электрода в точке их пересечения возникает электрическое поле, под действием которого в расположенной между ними микрокапсуле группируются пигментные частицы. Частицы с одним зарядом собираются в верхней части микрокапсулы, а с противоположным — в нижней. Для того чтобы поменять цвет точки экрана с белого на черный или наоборот, достаточно изменить полярность напряжения, поданного на соответствующую пару электродов. Таким образом, пиксел экрана, соответствующий данной микрокапсуле, окрасится в черный либо в белый цвет; при этом пигментные частицы, сгруппировавшиеся в верхней части микрокапсулы, скроют от взгляда наблюдателя все частицы, сосредоточенные в ее нижней части. Схема структуры дисплея на базе electronic ink приведена на рис. 5.33.

Рис.5.33. Схема структуры дисплея на базе электронных чернил

Описанная модель позволяет создавать монохромные дисплеи с однобитной разрядностью, то есть каждый из пикселов экрана может быть либо белым, либо черным. Если же один управляющий состоянием микрокапсулы электрод заменить двумя, то становится возможным формирование полутонов за счет закрашивания одной половины микрокапсулы в белый цвет, а другой половины — в черный (рис.5.34).

Рис .5.34. Принцип повышения разрешающей способности дисплея за счет увеличения количества управляющих электродов

В качестве подложки для создания дисплея на основе электронных чернил можно использовать практически любые материалы: стекло, пластик, ткань и даже бумагу. А это, в свою очередь, открывает перспективы создания ультратонких гибких дисплеев, максимально близких по своим механическим и оптическим характеристикам к обычной бумаге.

В настоящее время технологически достижимо создание отражающих дисплеев с очень высокой разрешающей способностью. Так, один из созданных учеными прототипов позволяет воспроизводить монохромное изображение с разрешением 400 dpi.

Но, пожалуй, важнейшим достоинством отражающих дисплеев является хорошая читаемость изображения при самых разных условиях освещения — от сумерек до яркого полуденного солнца. Подобно изображению, отпечатанному на бумаге, картинка на экране отражающего дисплея отлично видна под любым углом, причем без потери контраста (рис.5.35).

Рис. 5.35. Изображение на одном из прототипов отражающего дисплея electronic ink

В отличие от излучающих дисплеев, которые постоянно потребляют энергию для свечения экранного изображения, отражающие дисплеи на базе электронных чернил нуждаются в подаче питания лишь в случае изменения картинки, и изображение на экране такого дисплея сохранится даже при полном отключении питания. Вследствие этого энергопотребление отражающих дисплеев на основе электронных чернил, как минимум, на порядок ниже даже по сравнению с наиболее экономичными ЖК-моделями. В качестве достоинств отражающих дисплеев, следует отметить их малую толщину и небольшую массу.

Благодаря максимальной простоте конструкции и использованию стандартных производственных процессов себестоимость изготовления промышленных партий дисплеев на основе ”электронных чернил” значительно ниже по сравнению с аналогичными изделиями, построенными на базе ЖК- и OLED-матриц.

К недостаткам дисплеев на базе ”электронных чернил”. Так, эти устройства пока позволяют воспроизводить лишь монохромные (1- или 2-битные) изображения и характеризуются очень большим временем реакции пикселов (от 0,5 до 1 с). По этой причине использовать их можно только для вывода статичных изображений. Кроме того, содержащиеся в микрокапсулах пигментные частицы со временем выцветают под воздействием солнечных лучей.

В подавляющем большинстве современных дисплеев и проекционных систем изображение формируется на промежуточной поверхности (экране). Однако необходимость наличия экрана (в том или ином виде) в ряде случаев является серьезным препятствием на пути дальнейшей миниатюризации дисплеев. И один из вариантов решения этой проблемы — системы, позволяющие проецировать изображение непосредственно на сетчатку глаза (Virtual Retinal Display, VRD). Главные преимущества VRD-систем — это компактность и возможность формировать изображение, целиком занимающее поле зрения наблюдателя, причем без необходимости использования какой-либо промежуточной поверхности (экрана). В VRD-системах используется модулированный луч, который проецируется непосредственно на сетчатку глаза и при помощи системы развертки построчно формирует изображение. На данный момент развитие VRD-систем сдерживается отсутствием технологической базы, позволяющей создавать конкурентоспособные решения, приемлемые в плане габаритов, массы и стоимости. По словам исследователей, стратегической целью работ по развитию данной технологии является создание стереоскопических полноцветных VRD-систем, позволяющих формировать изображение с разрешением порядка 12 мегапикселов (3000Ѕ4000) и частотой обновления не менее 80 Гц. Чтобы стать действительно мобильной, подобная проекционная система должна свободно умещаться на дужке обычных очков. Существующие прототипы способны проецировать двумерные монохромные изображения с разрешением SVGA (800Ѕ600 пикселов); при этом дисплейный модуль получается слишком тяжелым и громоздким, чтобы его можно было использовать в качестве мобильного устройства. Однако микроминиатю-ризация – это задачи технологии и на сегодняшний день они решаемы.

Следует обратить внимание на появление технологии QDLED (Quantum Dot LED - светодиоды на ” квантовых точках”). ”Квантовой точкой” ученые называют особую полупроводниковую структуру, которая ограничивает движение электронов в пространстве (сразу в трех измерениях). Применительно к светодиодам на ”квантовых точках”, один из материалов (селенид кадмия) образует ” ядро”, а другой материал (сульфид цинка) используется в качестве ”ограничивающей оболочки” Объектом ”ограничения” являются электроны, которые при переходе с высокого энергетического состояния на более низкое испускают фотоны, за счет чего и образуется свечение точки. Механизм изменения цвета свечения светодиода прост – необходимо лишь изменить размеры ”квантовой точки”, что приведет к изменению длины волны света. Рассчитав необходимые размеры полупроводниковой структуры возможно создать светодиоды красного, оранжевого, желтого, или зеленого цветов. Особенность реализации – высочайшая яркость - до 9000 Кд/кв. м. (яркость большинства современных дисплеев не превышает значения в 500 Кд/кв. м.); широкий диапазон цветов; невысокая стоимость производства. Предполагаемая область использования – от мобильных телефонов до крупноформатных телевизионных панелей [22, 31] .

В заключение сравним две массовых технологии LCD и OLED.

Сегодня ЖК-технология занимает доминирующее положение на рынке массовых электронных дисплеев. Однако, видно, что ближайшим конкурентом ЖК-дисплеев являются устройства на базе OLED. Даже нынешние, весьма несовершенные в техническом плане прототипы OLED-дисплеев по целому ряду параметров значительно выигрывают по сравнению с ЖК-дисплеями. Как только разработчикам удастся увеличить срок службы OLED-дисплеев до приемлемого (с точки зрения коммерческого использования) значения, первенство в массовости ЖК-дисплеям придется уступить. Многоцветные OLED-дисплеи небольшого размера (от 1 до 2,5дюймов) широко применяются в мобильных телефонах, портативных цифровых плеерах и других устройствах. Полноцветные дисплейные панели на базе OLED с размером экрана 15-19 дюймов для использования в портативных ПК, компьютерных мониторах и бытовых телевизорах, серийно производятся с 2007-2008 года.

Если рассматривать дисплейные панели с большим размером экрана (30 дюймов и больше), то и здесь происходят изменения: FED-дисплеи начинают теснить позиции плазменных панелей. Говорить о серьезной конкуренции FED- и ЖК-дисплеев с размером экрана 30-40 дюймов пока рано: судя по всему, сложность технологического процесса не позволит существенно сократить ценовой разрыв, являющийся основным преимуществом ЖК-технологии. Однако, с появлением на рынке 20-, 30- и 40-дюймовых OLED-дисплеев, позиции ЖК-технологии могут быть серьезно ослаблены.

Появление на коммерческом рынке отражающих дисплеев на базе ”электронных чернил” служит стартовым импульсом к развитию нового сегмента портативных электронных устройств, предназначенных для чтения различных электронных изданий (книг, газет, журналов и т.п.).

Поиск по сайту: