eng
Средства отображения информации – один из самых стабильных и быстроразвивающихся сегментов мирового рынка электронных изделий. Практически ежемесячно появляются новые технические решения, в которых удачно сочетаются современные достижения оптики, электроники и технологии. Поэтому, рассказывая о дисплеях, невозможно ограничиться только проблемами электроники. Об этом свидетельствуют доклады и экспонаты 32-го симпозиума Общества информационных дисплеев (SID), состоявшегося в июне 2001 года в центре Кремниевой Долины, г. Сан-Хоcе, шт. Калифорния.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
По-прежнему большое внимание участников симпозиума привлекали новые разработки в области ЖК-устройств. Особый интерес вызвало сообщение консалтинговой компании DisplaySearch о сформировавшемся новом, пока небольшом, но быстро развивающемся рынке плоских ЖК-телевизоров. В I квартале 2001 года было выпущено 141,5 тыс. таких телевизоров на сумму 150 млн. долл. По оценкам фирмы, в I квартале 2003 года объем их производства достигнет 673 тыс. шт., а продажи – 460 млн. долл., причем цены за этот период снизятся с 1060 до 700 долл. Средний размер ЖК-экрана телевизора сейчас равен 14,7" (37 см), в 2003 году он увеличится на 2 см. На этом рынке сегодня доминирует корпорация Sharp, на долю которой приходится 88,6% продаж ЖК-телевизоров. Но интерес к ним проявляют многие крупнейшие производители ЖК-дисплеев. Так, компанией LG Philips LCD создан самый большой на сегодняшний день ТПТ ЖК-модуль для цифрового телевизора. Размер SXGA-экрана (1280х1024 пиксела) по диагонали 29", или 74 см (687х421 мм), яркость 450 кд/м2, насыщенность цвета 70%.
В области активно-матричных ЖК-дисплеев сегодня наблюдается стойкая тенденция к изготовлению как можно большего числа компонентов ЖКД из легко обрабатываемых органических материалов с хорошими оптическими и электрофизическими характеристиками. При этом разработки зачастую проводятся в рамках совместных международных программ. Пример подобного сотрудничества – работы лаборатории Epson-Cambridge, учрежденной лабораторией Кавендиша в Кембридже (Великобритания) и японской компанией Seiko Epson. Лабораторией совместно с учредителями был представлен АМ ЖКД с полимерным тонкопленочным транзистором, формируемым с высоким разрешением на подложке струйным принтером. Создание такого транзистора оказалось возможным благодаря достаточно высокой подвижности носителей заряда – до 0,02 см2 . В-1. с-1.
Еще одна проблема, которой сегодня уделяется особое внимание при разработке новых АМ ЖКД, – совершенствование методов адресации. Одним из наиболее интересных изделий, показанных на симпозиуме, стала 15" (38 см) АМ ЖК-панель XGA-формата (1024х768 пикселов) для мультимедийных приложений. Новый метод управления с опережающим питанием (Feedforward Driving), разработанный специалистами компаний Advanced Display и Mitsubishi, позволяет получать время переключения менее 20 мс для любых уровней серого. Ранее с уменьшением интенсивности формируемых на экране дисплея элементов время переключения пиксела из одного оптического состояния в другое возрастало. Следует отметить, что по насыщенности цвета дисплей не уступает ЭЛТ.
Интерес вызвала и система управления воздушным транспортом с повышенной надежностью, созданная бельгийско-американской компанией BarcoView на основе большого квадратного АМ ЖКД фирмы Samsung с размером экрана по диагонали 28" (71 см) и информационной емкостью 2048х2048 пикселов. Время жизни люминесцентных ламп подсветки превышает 30 тыс. ч (более трех лет). Четыре варианта механического крепления устройства позволяют устанавливать дисплей на любую платформу. Особое внимание уделено проблеме уменьшения акустического шума вентилятора.
Однако следует отметить "драматическую" эрозию цен на АМ ЖКД с ТПТ. По данным DisplaySearch, в I квартале 2001 года мощности по производству АМ ЖКД были загружены всего на 77% и цены на дисплеи для ноутбуков упали на 42%. Это, наряду с 18%-ным сокращением продаж пассивно-матричных ЖКД, привело к тому, что после 70%-ного роста продаж плоскопанельных дисплеев в 1999 году и 26%-ного роста в 2000-м впервые ожидается их 5%-ное уменьшение (до 22,8 млрд. долл.) в 2001-м.
Не прекращаются разработки ЖКД на кремнии (LCoS), продажи которых в 2003 году, по оценкам консалтинговой группы MacLaflin, составят 1,6 млрд. долл. На формирующийся сейчас рынок LCoS-дисплеев, а следовательно, и на рынок проекторов на их основе, несомненно, повлияет заключенное в ходе проведения симпозиума соглашение между американским разработчиком LCoS-устройств – компанией SpatialLight – и японским производителем световых устройств (light engines) на базе таких микродисплеев – фирмой Fuji Photo Optical. В микродисплеях компании SpatialLight использованы электрооптические эффекты в гомеотропно (вертикально) ориентированных ЖК. Размер их экрана по диагонали – 0,71–0,97" (18–24,6 мм), информационная емкость – 1280х1024 пикселов.
На выставке, проходившей одновременно с симпозиумом, корпорация Сolorado Microdisplays представила усовершенствованный компактный виртуальный дисплей на основе LCoS-матрицы*. Это – монокль размером 46,5х38х25,5 мм и массой 35 г, содержащий согласованную с параметрами глаза оптическую схему. Схема формирует полноцветное (18 бит на каждый цвет) SVGA-изображение (800х600 пикселов) на расстоянии 2 м от пользователя. Светодиодные рассеиватели света подсветки потребляют всего 220 мВт при яркости 125 кд/м2. Такими моноклями были оснащены кибершлемы и телефонные трубки компании Kopin.
Компания JVC сообщила о создании усилителя яркости изображений (ILA) на основе отражательных LCoS-матриц размером 0,9" (2,3 см) SXGA-стандарта. А это значит, что размер пиксела равен всего 13,5 мкм! Чтобы уменьшить тепловые потери при управлении высокими световыми потоками, надо увеличивать коэффициент отражения. JVC удалось повысить его на 15–20%, доведя до 80–85% в видимом диапазоне спектра.
ПРОЕКЦИОННЫЕ ДИСПЛЕИ
Согласно прогнозу динамики наращивания производства и продаж проекционных систем, подготовленному фирмой Stanford Resources, мировое потребление проекционных дисплеев различных видов за период 2000–2006 годы возрастет более чем в два раза – с 3,3 млн. до 7,2 млн. шт., а объем продаж – с 11 млрд. до 18 млрд. долл. В 2000 году на долю систем бытового назначения приходилось 69% продаж по количеству и 51% по объему. Доля проекторов делового назначения составила 25% по количеству и 36% по объему.
Конкуренцию ЖКД, доминирующим сегодня на рынке проекторов для конференц-залов и учебных аудиторий, в ближайщем будущем могут составить цифровые световые процессоры (Digital Light Processor, DLP, или ЦСП). Это связано с появившейся возможностью управления проекторами через локальные сети и пересылки им файлов ПК, а также с ростом применения беспроводных соединений. В результате в ближайшее время применение ЦСП может существенно расшириться, особенно в системах для селекторных совещаний.
Все популярнее становятся сверхпортативные проекторы, продажи которых за период 2000–2006 годы возрастут с 0,8 млн. до 2,8 млн. штук. В 1999 году вслед за ЦСП-проекторами массой 2,5 кг появились аналогичные ЖК-устройства, а в 2000-м были выпущены ЦСП-проекторы массой 1,5 кг со световым потоком 1200 ANSI лм.
В 1993 году фирма Philips впервые показала возможность реализации полноцветного проекционного дисплея на базе одной ЖК-панели и вращающейся прямоугольной призмы, в котором положение линейных световых пучков разного цвета определяет угол поворота линзы. На выставке 2001 года Philips демонстрировала тыльный (rear) проекционный дисплей с одной панелью и оптическим устройством сведения трех основных цветов с системой призм в каждом RGB-канале.
Вызов этому варианту проектора бросила фирма Unaxis Optics, представившая на выставке цветной диск ColorDisc, предназначенный для ЦСП фирмы Texas Instruments. Диск выполнен в виде насаженной на ось вращения прозрачной пластины с нанесенными на нее по спирали полосами красного, зеленого и синего цвета. Частота вращения диска – 60–180 Гц. В системе реализована также восстановительная световая трубка (Recapture Light Tunnel), преобразующая световой пучок круглого сечения в пучок прямоугольного сечения, что позволяет максимально использовать исходное излучение дугового источника. Метод получения цветного проекционного изображения, названный последовательным восстановлением цвета (Sequential Color Recapture), – вариант метода последовательного формирования цветового поля (Field Sequential Color). Он заключается в прохождении светового пучка через полосы разного цвета и последующем его отражении от соответствующей строки ЦСП.
Для разработчиков проекционной аппаратуры на основе ЖК-микродисплеев, например LCoS, несомненный интерес представляет выполненный специалистами фирмы Samsung термический анализ оптического узла проектора, в который входят источник света (металл-галогенная лампа), ИК-фильтр, интеграторы света, два поляризационных расщепителя света (ПРС), поляризационная полуволновая пластина, дихроичная призма и зеркало. Анализ показал, что температура ПРС и второго интегратора достигает 180–190°С, первого интегратора – 346°С, а ИК-фильтра – даже 453°С. И при этом градиент температуры каждого узла значителен. Кварцевая трубка лампы разогревается до 1187°С, в то время как температура ее рефлектора благодаря конвекционному охлаждению равна 43°С.
Эффект термического двулучепреломления вызывает деполяризацию светового пучка и, следовательно, ухудшение качества изображения. Учеными ITRI (Исследовательского института промышленной технологии, Тайвань) была предложена программа анализа термических эффектов в узлах проекционных приборов, позволяющая численно оценивать механические напряжения, вызываемые неоднородными термическими свойствами элементов оптического узла.
Качество проецируемого изображения в мультимедиа- и настольных, так называемых overhead (поверх головы), проекторах определяют не только оптические, но и электронные компоненты. Немецкая компания Liesegang разработала семейство контроллеров LEHK для обработки сигналов цифровых проекционных дисплеев. Разрядность выходных RGB-сигналов – 24 бита, частота – до 150 МГц. Применение контроллеров позволяет корректировать различные искажения типа “бочка”, “трапеция”, а главное – вводить в “окно” на мониторе картинки, передаваемые телекамерами или из Интернета.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОДИОДНЫЕ ДИСПЛЕИ
История и перспективы развития органических светодиодных дисплеев (ОСДД или OLED) были рассмотрены в докладе специалиста фирмы Universal Displays Джея К.Мэхона. Первый образец на низкомолекулярном материале был создан в 1989 году на фирме Eastman Kodak. С тех пор световая эффективность ОСД достигла 4–20 лм/Вт (в зависимости от длины волны излучения). Для триплетных эмиттеров получена 100%-ная внутренняя квантовая эффективность. Первый коммерческий ОСДД был выпущен японской компанией Pioneer в 1997 году и нашел применение в сотовых телефонах фирмы Motorola. А сегодня компания Universal Displays уже запустила пилотную линию по производству гибких ОСДД (FOLED) с информационной емкостью 128х64 пиксела (размер пиксела 400х500 мкм) и яркостью 100 кд/м2 на пленках термостойкого ПЭТ толщиной всего 0,18 мм! Яркость светового излучения ОСДД лежит в необычайно широком диапазоне – от 1 до 100000 кд/м2. При яркости 100 кд/м2 ресурс светодиодов составляет 5–10 тыс. часов. Энергопотребление диодов с АМ-управлением – всего 65 мВт, что наряду с малым размером (50 мм) позволяет использовать их в беспроводных телефонах.
Отделение дисплейных изделий фирмы Kodak демонстрировало три устройства с индикаторами на основе разработанных ею ОСД – полноцветный экран для воспроизведения видеоинформации сотовых телефонов фирм Motorola и Sanyo, многоцветные дисплеи для автомобильных радиоприемников и стереомагнитофонов, сверхтонкие АМ-экраны без подсветки. По утверждению разработчиков, сравнение ОСД-экрана телефона и ЖК-экрана аналогичных размеров оказалось явно не в пользу последнего.
Гибкость американских компаний в области наукоемкого бизнеса, их способность быстро переключаться на новейшие разработки можно проиллюстрировать на примере компании Three-Five Systems (TFS), основанной в 1985 году для поставки стандартных светодиодных ламп и дисплеев. Сегодня компания – лидер среди американских фирм-производителей ЖК-модулей и подсистем. Не прекращая выпуск дисплеев прямого видения, она создала Brilliant-микродисплеи – отражательные модули на основе LCoS-технологии. Первые образцы имели 800 столбцов (SVGA-стандарт), сейчас компания поставляет матрицы с 1920 столбцами (WUXGA). Более того, TFS основала с компанией Dupont совместное предприятие Three-D OLED по разработке и производству излучающих дисплеев для разнообразных портативных устройств. Триада успеха компании – “Создать, сделать, продать”. Первая ее часть осуществляется в технологическом центре TFS, вторая – на заводах в США, Китае и Филиппинах и третья – через региональные офисы в Америке и крупную торговую компанию Mitsui, Япония.
Несомненный интерес заказчиков больших светодиодных панелей для рекламы и шоу-бизнеса, устанавливаемых в крупных городах мира, должна представлять разработка компании Unisplay S.A. В предлагаемой системе оператор контролирует на экране обычного СД-монитора изображение удаленной панели на органических светодиодах, т.е. экран и светодиодная панель выполнены по различным технологиям. До сих пор создание такой системы сдерживало рассогласование светового излучения светодиодных дисплеев двух типов по яркости и цвету как в начале работы, так и по истечении некоторого времени (из-за деградации люминофоров). Компания разработала систему автономного согласования яркости и цвета светодиодных экранов, изготовленных по разным технологиям и эксплуатируемых при разных условиях среды.
Доклады симпозиума показали, что сегодня ОСДД уже могут составить серьезную конкуренцию АМ ЖКД на рынке экранов для ноутбуков и ПК. Впечатляет 1,08” (2,7 см) АМ ОСД-дисплей VGA-стандарта фирмы IBM, изготовленный на кремниевой подложке. Удивителен не сам дисплей, а то, что он – часть встроенного в корпус часов компьютера, не только не уступающего, но и превосходящего по ряду характеристик некоторые современные настольные машины. В дисплей входят процессор ARM7, 8-Мбайт ДОЗУ, 8-Мбайт флэш-память, сенсорный экран и порты связи. Работает он с ОС Linux.
В Гонконге группой профессора Х.Квока создан АМ ОСДД на поликремниевых ТПТ. Пиковая яркость дисплея достигает 27 000 кд/м2, световая эффективность – 10 лм/Вт, рабочая яркость – 150 кд/м2 с однородностью 5% и рассеянием энергии до 20 мВт.
Компания Sony сообщила о выпуске рекордно большого АМ ОСДД с размером по диагонали 13" (33 см) для настольных мониторов и телевизоров, а компания Matsushita предложила новую конструкцию подложки для ОСДД с тонкой пленкой силикоаэрогеля, наносимого золь-гель-методом. Благодаря чрезвычайно низкому показателю преломления пленки (1,01–1,10) устраняются волновые эффекты, ухудшающие качество изображения, а световая эффективность ОСДД может достигать 40–80 лм/Вт! Все возможные конструкции ТПТ для управления яркостью светодиодов – на кристаллическом, поли- и аморфном кремнии, а также органических материалах – были рассмотрены в докладе ученых корпорации Sarnoff.
ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДИСПЛЕЕВ
Говоря о впечатляющих достижениях в области средств отображения информации, в особенности ЖКД и ОСДД, нельзя не отметить, что в значительной степени они обусловлены разработками новых оптических компонентов, позволяющих повысить яркость дисплея, улучшить его угловые и спектральные характеристики.
В первую очередь следует остановиться на достижениях в области совершенствования поляризаторов. Обычно модулирующие свет поляроиды располагают с внешней стороны стеклянных подложек ЖК-ячеек. Учитывая низкую механическую прочность органических пленок с внедренными дихроичными молекулами, а также ухудшение их характеристик в условиях высокой влажности, ЖК-ячейки с поляроидами должны быть защищены с внешней стороны дополнительными стеклянными или твердыми полимерными пластинами. Из-за этого реальная толщина ЖК-дисплея увеличивается на 1–2 мм. В начале 90-х годов в Зеленограде П.Лазаревым, Ю.Бобровым, В.Быковым и др. было обнаружено, что тонкие ориентированные пленки лиотропных ЖК обладают таким сильным дихроизмом, что для поляризации падающего света достаточно пленки толщиной 50-100 нм, т.е. почти в тысячу раз меньше, чем у традиционных поляризаторов. Тогда и возникла идея располагать такие поляризаторы с внутренней стороны ЖК-ячеек. Для реализации этой идеи в Сан-Франциско была основана международная компания Optiva с офисами в Москве, Европе, Японии, Гонконге и на Тайване. Сейчас эта технология по достоинству оценена специалистами. На ее основе можно изготавливать ЖК-дисплеи малой информационной емкости, а также окна для домов и автомобилей, поскольку цена подложки с таким поляризационным покрытием такая же, что и у обычных стекол.
Компания Moxtek описала поляризаторы ProFlux, выполненные полностью из неорганических материалов, что повышает их стойкость к многим экстремальным воздействиям. Поляризаторы составлены из полосок проводников или полупроводников шириной до 65 нм. При прохождении через такую систему свет поляризуется, причем одна из компонент не поглощается, как в обычных поляризаторах, а отражается. Эта особенность делает микропроволочные поляризаторы весьма перспективными для применения в проекционных системах с высокими световыми потоками. Отличительные особенности поляризаторов – очень широкий спектральный диапазон, большая угловая апертура и отсутствие деполяризации.
В области проводящих покрытий интерес представляют работы бельгийского отделения компании AGFA по совершенствованию фольги ОРГАКОН – прозрачного органического токопроводящего материала на основе полиэфиров. Для формирования рисунка на подложке компания предложила использовать трафаретную печать для непосредственного нанесения пассивирующих слоев или фоторезиста на полимерный токопроводящий слой. На основе этой технологии уже созданы гибкие дисплеи со светящимися электролюминесцентными пленками. В отделении также предложены новые полимерные микроспейсеры – элементы, задающие толщину ЖКД. Их достоинства – согласование по показателю преломления с ЖК, благодаря чему они невидимы, и возможность производства спейсеров сверхмалых размеров (около 1 мкм и менее) для микродисплеев и сегнетоэлектрических ЖКД.
Обширная технологическая база по вакуумному осаждению на полимерные пленки противоотражающих покрытий с коэффициентом отражения менее 1% в видимом диапазоне при коэффициенте пропускания 92% и мутности 1,5%, а также по производству прозрачных токопроводящих покрытий на основе окиси индия-олова (ITO) с возможностью управления пропусканием и сопротивлением покрытия в широких пределах позволила американской компании CPFilms создать пленки для перьевого ввода информации в персональные цифровые помощники, пейджеры и сотовые телефоны. После
60-кратного проведения по покрытию стальной щеткой с нагрузкой 200 г на нем не остается царапин.
Для создания легких и гибких дисплеев необходимо наносить прозрачные токопроводящие покрытия на полимерные подложки. Электрические и оптические параметры проводящих полимеров не всегда отвечают требованиям, поэтому были предприняты попытки использовать для этого хорошо отработанный метод вакуумного осаждения ITO. Однако решение одной проблемы порождает новые: из-за различной механической упругости полимера и твердого ITO-покрытия в местах соприкосновения со спейсерами в покрытии возникали трещины. В ходе обсуждения этой проблемы на симпозиуме выяснилось, что механизм этого явления давно изучен в Москве, на химическом факультете МГУ и в Институте синтетических полимерных материалов РАН.
Большой выбор подсветок, легко стыкующихся с ЖКД и позволяющих считывать информацию при солнечном освещении, предложила компания BrightView Technologies. Системы подсветки фирмы прозрачны и, чтобы получить чрезвычайно высокую яркость на выходе, могут собираться в стопку. Они выполнены на основе запатентованного вращателя расходящегося угла (Divergent Angle Rotator), позволяющего увеличить диапазон углов обзора с ±25° (для двулучепреломляющих пленок) до ±40–45°. Специальный светофильтр обеспечивает работу подсветок как днем, так и ночью. Выпущена система подсветки, коллимирующая световой пучок в одном или двух направлениях.
Корейский институт электронных технологий и недавно образованная компания Wooyoung демонстрировали 18” (46 см) безртутную люминесцентную лампу-подсветку с яркостью 5600 кд/м2 и однородностью излучения 92%. Толщина лампы 6,3 мм, масса 1,5 кг.
Привлекли внимание миниатюрные люминесцентные лампы, выпускаемые компанией LCD Lighting и предназначенные для подсветки АМ ЖКД для авиационных систем (как гражданского, так и военного назначения). Лампы имеют разнообразную, порой очень причудливую, форму диаметром 6–25 мм и длиной до 2,5 метров!
На выставке было представлено множество новейших компонентов управления формой и направлением распространения светового пучка. Понятие “Оптика Френеля” включает в себя решение множества задач геометрической и поляризационной оптики, а Fresnel Optics – компания, специализирующаяся на разработке и выпуске изделий с оптическими микроструктурированными поверхностями. Такие поверхности, например, присущи чрезвычайно тонким и, соответственно, компактным и легким линзам прожекторов и современных настольных проекционных устройств. Компания ведет также разработки полимерных интеграторов света, изменяющих форму светового пучка с минимальными потерями яркости, противоотражательных микроструктур типа “глаз мухи”, сверхтонких (толщина около 0,1 мм) увеличительных стекол для микродисплеев. Кроме традиционных проекционных устройств и дисплеев, продукция компании используется также в системах проецирования изображения на ветровое стекло автомобиля или самолета, в дорожных светофорах, видоискателях и фокусирующих системах фотокамер, тренажерах и играх и даже фотовольтаических концентраторах солнечной энергии для солнечных батарей.
Хотелось бы также отметить разработанную в Институте оптики, точной механики и физики Китая ЖК-линзу Френеля с изменяемым фокусным расстоянием.
Интересны световые диффузоры с преобразованием формы пучка (Light Shaping Diffusers) фирмы Physical Optics Technology. Их поверхности – это рельефные голограммы с хаотичной непериодической структурой, которая действует как набор беспорядочно расположенных (рандомизированных) микролинз. Рассеяние света не зависит от длины и когерентности волны. Световому пучку точечного источника можно придать круглое (угловой размер по полуширине 0,5–80°) или эллиптическое сечение (угловой размер малой оси 0,2–35°, большой 10–95°). После прохождения через диффузор с эллиптическим преобразованием приблизительно прямоугольное сечение излучения нити накала приобретает идеально круглую форму. Такие элементы находят самое широкое применение: от устройств подсветки ЖКД и гомогенизации излучения светодиодов до систем технического зрения, проекционных систем прямого и тыльного изображений. Одновременное использование рандомизированной поверхности и призмы Френеля позволяет не только рассеивать пучок, но и смещать его на заданный угол. Покрытие микробороздок пленкой металла приводит к увеличению яркости подсветки с 8 000 до 15 000 кд/м2. Диффузор использован в ранее упоминавшихся моноклях CyberDisplay фирм Colorado Microdisplays и Kopin для формирования однородного изображения. Такие монокли уже становятся частью сотовых телефонов и пейджеров. Интересно и такое необычное применение диффузоров, как определители глубины – приборы, облегчающие рыбакам поиск рыбы.
Корея обгоняет Японию и на рынке ТПТ ЖКД
По данным аналитической фирмы Display Research, Южная Корея в третьем квартале 2001 года может выйти на первое место по объему продаж ТПТ ЖКД на мировом рынке. Во втором квартале Япония еще несколько опережала Корею – 41,5% против 40,9 %. Но в третьем квартале изделия японских фирм могут быть потеснены дисплеями тайваньских производителей, доля продаж которых, по сравнению со вторым кварталом, увеличится с 17,3 до 20,9%. В результате, даже не изменив свою долю, Корея станет лидером на рынке. Это связано с тем, что Тайвань благодаря сильному отечественному рынку ИС драйверов для ЖК-дисплеев производит устройства высших моделей, тогда как японские фирмы вынуждены сосредотачивать усилия на выпуске более дешевых устройств низших моделей.
В третьем квартале этого года ведущий поставщик ТПТ ЖКД – Samsung (20% рынка), за ней следуют LG-Philips (17%), Hitachi (8%), Sharp (8%), Acer (6%) и Chimi (6%).
e-inSITE.net
По-прежнему большое внимание участников симпозиума привлекали новые разработки в области ЖК-устройств. Особый интерес вызвало сообщение консалтинговой компании DisplaySearch о сформировавшемся новом, пока небольшом, но быстро развивающемся рынке плоских ЖК-телевизоров. В I квартале 2001 года было выпущено 141,5 тыс. таких телевизоров на сумму 150 млн. долл. По оценкам фирмы, в I квартале 2003 года объем их производства достигнет 673 тыс. шт., а продажи – 460 млн. долл., причем цены за этот период снизятся с 1060 до 700 долл. Средний размер ЖК-экрана телевизора сейчас равен 14,7" (37 см), в 2003 году он увеличится на 2 см. На этом рынке сегодня доминирует корпорация Sharp, на долю которой приходится 88,6% продаж ЖК-телевизоров. Но интерес к ним проявляют многие крупнейшие производители ЖК-дисплеев. Так, компанией LG Philips LCD создан самый большой на сегодняшний день ТПТ ЖК-модуль для цифрового телевизора. Размер SXGA-экрана (1280х1024 пиксела) по диагонали 29", или 74 см (687х421 мм), яркость 450 кд/м2, насыщенность цвета 70%.
В области активно-матричных ЖК-дисплеев сегодня наблюдается стойкая тенденция к изготовлению как можно большего числа компонентов ЖКД из легко обрабатываемых органических материалов с хорошими оптическими и электрофизическими характеристиками. При этом разработки зачастую проводятся в рамках совместных международных программ. Пример подобного сотрудничества – работы лаборатории Epson-Cambridge, учрежденной лабораторией Кавендиша в Кембридже (Великобритания) и японской компанией Seiko Epson. Лабораторией совместно с учредителями был представлен АМ ЖКД с полимерным тонкопленочным транзистором, формируемым с высоким разрешением на подложке струйным принтером. Создание такого транзистора оказалось возможным благодаря достаточно высокой подвижности носителей заряда – до 0,02 см2 . В-1. с-1.
Еще одна проблема, которой сегодня уделяется особое внимание при разработке новых АМ ЖКД, – совершенствование методов адресации. Одним из наиболее интересных изделий, показанных на симпозиуме, стала 15" (38 см) АМ ЖК-панель XGA-формата (1024х768 пикселов) для мультимедийных приложений. Новый метод управления с опережающим питанием (Feedforward Driving), разработанный специалистами компаний Advanced Display и Mitsubishi, позволяет получать время переключения менее 20 мс для любых уровней серого. Ранее с уменьшением интенсивности формируемых на экране дисплея элементов время переключения пиксела из одного оптического состояния в другое возрастало. Следует отметить, что по насыщенности цвета дисплей не уступает ЭЛТ.
Интерес вызвала и система управления воздушным транспортом с повышенной надежностью, созданная бельгийско-американской компанией BarcoView на основе большого квадратного АМ ЖКД фирмы Samsung с размером экрана по диагонали 28" (71 см) и информационной емкостью 2048х2048 пикселов. Время жизни люминесцентных ламп подсветки превышает 30 тыс. ч (более трех лет). Четыре варианта механического крепления устройства позволяют устанавливать дисплей на любую платформу. Особое внимание уделено проблеме уменьшения акустического шума вентилятора.
Однако следует отметить "драматическую" эрозию цен на АМ ЖКД с ТПТ. По данным DisplaySearch, в I квартале 2001 года мощности по производству АМ ЖКД были загружены всего на 77% и цены на дисплеи для ноутбуков упали на 42%. Это, наряду с 18%-ным сокращением продаж пассивно-матричных ЖКД, привело к тому, что после 70%-ного роста продаж плоскопанельных дисплеев в 1999 году и 26%-ного роста в 2000-м впервые ожидается их 5%-ное уменьшение (до 22,8 млрд. долл.) в 2001-м.
Не прекращаются разработки ЖКД на кремнии (LCoS), продажи которых в 2003 году, по оценкам консалтинговой группы MacLaflin, составят 1,6 млрд. долл. На формирующийся сейчас рынок LCoS-дисплеев, а следовательно, и на рынок проекторов на их основе, несомненно, повлияет заключенное в ходе проведения симпозиума соглашение между американским разработчиком LCoS-устройств – компанией SpatialLight – и японским производителем световых устройств (light engines) на базе таких микродисплеев – фирмой Fuji Photo Optical. В микродисплеях компании SpatialLight использованы электрооптические эффекты в гомеотропно (вертикально) ориентированных ЖК. Размер их экрана по диагонали – 0,71–0,97" (18–24,6 мм), информационная емкость – 1280х1024 пикселов.
На выставке, проходившей одновременно с симпозиумом, корпорация Сolorado Microdisplays представила усовершенствованный компактный виртуальный дисплей на основе LCoS-матрицы*. Это – монокль размером 46,5х38х25,5 мм и массой 35 г, содержащий согласованную с параметрами глаза оптическую схему. Схема формирует полноцветное (18 бит на каждый цвет) SVGA-изображение (800х600 пикселов) на расстоянии 2 м от пользователя. Светодиодные рассеиватели света подсветки потребляют всего 220 мВт при яркости 125 кд/м2. Такими моноклями были оснащены кибершлемы и телефонные трубки компании Kopin.
Компания JVC сообщила о создании усилителя яркости изображений (ILA) на основе отражательных LCoS-матриц размером 0,9" (2,3 см) SXGA-стандарта. А это значит, что размер пиксела равен всего 13,5 мкм! Чтобы уменьшить тепловые потери при управлении высокими световыми потоками, надо увеличивать коэффициент отражения. JVC удалось повысить его на 15–20%, доведя до 80–85% в видимом диапазоне спектра.
ПРОЕКЦИОННЫЕ ДИСПЛЕИ
Согласно прогнозу динамики наращивания производства и продаж проекционных систем, подготовленному фирмой Stanford Resources, мировое потребление проекционных дисплеев различных видов за период 2000–2006 годы возрастет более чем в два раза – с 3,3 млн. до 7,2 млн. шт., а объем продаж – с 11 млрд. до 18 млрд. долл. В 2000 году на долю систем бытового назначения приходилось 69% продаж по количеству и 51% по объему. Доля проекторов делового назначения составила 25% по количеству и 36% по объему.
Конкуренцию ЖКД, доминирующим сегодня на рынке проекторов для конференц-залов и учебных аудиторий, в ближайщем будущем могут составить цифровые световые процессоры (Digital Light Processor, DLP, или ЦСП). Это связано с появившейся возможностью управления проекторами через локальные сети и пересылки им файлов ПК, а также с ростом применения беспроводных соединений. В результате в ближайшее время применение ЦСП может существенно расшириться, особенно в системах для селекторных совещаний.
Все популярнее становятся сверхпортативные проекторы, продажи которых за период 2000–2006 годы возрастут с 0,8 млн. до 2,8 млн. штук. В 1999 году вслед за ЦСП-проекторами массой 2,5 кг появились аналогичные ЖК-устройства, а в 2000-м были выпущены ЦСП-проекторы массой 1,5 кг со световым потоком 1200 ANSI лм.
В 1993 году фирма Philips впервые показала возможность реализации полноцветного проекционного дисплея на базе одной ЖК-панели и вращающейся прямоугольной призмы, в котором положение линейных световых пучков разного цвета определяет угол поворота линзы. На выставке 2001 года Philips демонстрировала тыльный (rear) проекционный дисплей с одной панелью и оптическим устройством сведения трех основных цветов с системой призм в каждом RGB-канале.
Вызов этому варианту проектора бросила фирма Unaxis Optics, представившая на выставке цветной диск ColorDisc, предназначенный для ЦСП фирмы Texas Instruments. Диск выполнен в виде насаженной на ось вращения прозрачной пластины с нанесенными на нее по спирали полосами красного, зеленого и синего цвета. Частота вращения диска – 60–180 Гц. В системе реализована также восстановительная световая трубка (Recapture Light Tunnel), преобразующая световой пучок круглого сечения в пучок прямоугольного сечения, что позволяет максимально использовать исходное излучение дугового источника. Метод получения цветного проекционного изображения, названный последовательным восстановлением цвета (Sequential Color Recapture), – вариант метода последовательного формирования цветового поля (Field Sequential Color). Он заключается в прохождении светового пучка через полосы разного цвета и последующем его отражении от соответствующей строки ЦСП.
Для разработчиков проекционной аппаратуры на основе ЖК-микродисплеев, например LCoS, несомненный интерес представляет выполненный специалистами фирмы Samsung термический анализ оптического узла проектора, в который входят источник света (металл-галогенная лампа), ИК-фильтр, интеграторы света, два поляризационных расщепителя света (ПРС), поляризационная полуволновая пластина, дихроичная призма и зеркало. Анализ показал, что температура ПРС и второго интегратора достигает 180–190°С, первого интегратора – 346°С, а ИК-фильтра – даже 453°С. И при этом градиент температуры каждого узла значителен. Кварцевая трубка лампы разогревается до 1187°С, в то время как температура ее рефлектора благодаря конвекционному охлаждению равна 43°С.
Эффект термического двулучепреломления вызывает деполяризацию светового пучка и, следовательно, ухудшение качества изображения. Учеными ITRI (Исследовательского института промышленной технологии, Тайвань) была предложена программа анализа термических эффектов в узлах проекционных приборов, позволяющая численно оценивать механические напряжения, вызываемые неоднородными термическими свойствами элементов оптического узла.
Качество проецируемого изображения в мультимедиа- и настольных, так называемых overhead (поверх головы), проекторах определяют не только оптические, но и электронные компоненты. Немецкая компания Liesegang разработала семейство контроллеров LEHK для обработки сигналов цифровых проекционных дисплеев. Разрядность выходных RGB-сигналов – 24 бита, частота – до 150 МГц. Применение контроллеров позволяет корректировать различные искажения типа “бочка”, “трапеция”, а главное – вводить в “окно” на мониторе картинки, передаваемые телекамерами или из Интернета.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОДИОДНЫЕ ДИСПЛЕИ
История и перспективы развития органических светодиодных дисплеев (ОСДД или OLED) были рассмотрены в докладе специалиста фирмы Universal Displays Джея К.Мэхона. Первый образец на низкомолекулярном материале был создан в 1989 году на фирме Eastman Kodak. С тех пор световая эффективность ОСД достигла 4–20 лм/Вт (в зависимости от длины волны излучения). Для триплетных эмиттеров получена 100%-ная внутренняя квантовая эффективность. Первый коммерческий ОСДД был выпущен японской компанией Pioneer в 1997 году и нашел применение в сотовых телефонах фирмы Motorola. А сегодня компания Universal Displays уже запустила пилотную линию по производству гибких ОСДД (FOLED) с информационной емкостью 128х64 пиксела (размер пиксела 400х500 мкм) и яркостью 100 кд/м2 на пленках термостойкого ПЭТ толщиной всего 0,18 мм! Яркость светового излучения ОСДД лежит в необычайно широком диапазоне – от 1 до 100000 кд/м2. При яркости 100 кд/м2 ресурс светодиодов составляет 5–10 тыс. часов. Энергопотребление диодов с АМ-управлением – всего 65 мВт, что наряду с малым размером (50 мм) позволяет использовать их в беспроводных телефонах.
Отделение дисплейных изделий фирмы Kodak демонстрировало три устройства с индикаторами на основе разработанных ею ОСД – полноцветный экран для воспроизведения видеоинформации сотовых телефонов фирм Motorola и Sanyo, многоцветные дисплеи для автомобильных радиоприемников и стереомагнитофонов, сверхтонкие АМ-экраны без подсветки. По утверждению разработчиков, сравнение ОСД-экрана телефона и ЖК-экрана аналогичных размеров оказалось явно не в пользу последнего.
Гибкость американских компаний в области наукоемкого бизнеса, их способность быстро переключаться на новейшие разработки можно проиллюстрировать на примере компании Three-Five Systems (TFS), основанной в 1985 году для поставки стандартных светодиодных ламп и дисплеев. Сегодня компания – лидер среди американских фирм-производителей ЖК-модулей и подсистем. Не прекращая выпуск дисплеев прямого видения, она создала Brilliant-микродисплеи – отражательные модули на основе LCoS-технологии. Первые образцы имели 800 столбцов (SVGA-стандарт), сейчас компания поставляет матрицы с 1920 столбцами (WUXGA). Более того, TFS основала с компанией Dupont совместное предприятие Three-D OLED по разработке и производству излучающих дисплеев для разнообразных портативных устройств. Триада успеха компании – “Создать, сделать, продать”. Первая ее часть осуществляется в технологическом центре TFS, вторая – на заводах в США, Китае и Филиппинах и третья – через региональные офисы в Америке и крупную торговую компанию Mitsui, Япония.
Несомненный интерес заказчиков больших светодиодных панелей для рекламы и шоу-бизнеса, устанавливаемых в крупных городах мира, должна представлять разработка компании Unisplay S.A. В предлагаемой системе оператор контролирует на экране обычного СД-монитора изображение удаленной панели на органических светодиодах, т.е. экран и светодиодная панель выполнены по различным технологиям. До сих пор создание такой системы сдерживало рассогласование светового излучения светодиодных дисплеев двух типов по яркости и цвету как в начале работы, так и по истечении некоторого времени (из-за деградации люминофоров). Компания разработала систему автономного согласования яркости и цвета светодиодных экранов, изготовленных по разным технологиям и эксплуатируемых при разных условиях среды.
Доклады симпозиума показали, что сегодня ОСДД уже могут составить серьезную конкуренцию АМ ЖКД на рынке экранов для ноутбуков и ПК. Впечатляет 1,08” (2,7 см) АМ ОСД-дисплей VGA-стандарта фирмы IBM, изготовленный на кремниевой подложке. Удивителен не сам дисплей, а то, что он – часть встроенного в корпус часов компьютера, не только не уступающего, но и превосходящего по ряду характеристик некоторые современные настольные машины. В дисплей входят процессор ARM7, 8-Мбайт ДОЗУ, 8-Мбайт флэш-память, сенсорный экран и порты связи. Работает он с ОС Linux.
В Гонконге группой профессора Х.Квока создан АМ ОСДД на поликремниевых ТПТ. Пиковая яркость дисплея достигает 27 000 кд/м2, световая эффективность – 10 лм/Вт, рабочая яркость – 150 кд/м2 с однородностью 5% и рассеянием энергии до 20 мВт.
Компания Sony сообщила о выпуске рекордно большого АМ ОСДД с размером по диагонали 13" (33 см) для настольных мониторов и телевизоров, а компания Matsushita предложила новую конструкцию подложки для ОСДД с тонкой пленкой силикоаэрогеля, наносимого золь-гель-методом. Благодаря чрезвычайно низкому показателю преломления пленки (1,01–1,10) устраняются волновые эффекты, ухудшающие качество изображения, а световая эффективность ОСДД может достигать 40–80 лм/Вт! Все возможные конструкции ТПТ для управления яркостью светодиодов – на кристаллическом, поли- и аморфном кремнии, а также органических материалах – были рассмотрены в докладе ученых корпорации Sarnoff.
ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДИСПЛЕЕВ
Говоря о впечатляющих достижениях в области средств отображения информации, в особенности ЖКД и ОСДД, нельзя не отметить, что в значительной степени они обусловлены разработками новых оптических компонентов, позволяющих повысить яркость дисплея, улучшить его угловые и спектральные характеристики.
В первую очередь следует остановиться на достижениях в области совершенствования поляризаторов. Обычно модулирующие свет поляроиды располагают с внешней стороны стеклянных подложек ЖК-ячеек. Учитывая низкую механическую прочность органических пленок с внедренными дихроичными молекулами, а также ухудшение их характеристик в условиях высокой влажности, ЖК-ячейки с поляроидами должны быть защищены с внешней стороны дополнительными стеклянными или твердыми полимерными пластинами. Из-за этого реальная толщина ЖК-дисплея увеличивается на 1–2 мм. В начале 90-х годов в Зеленограде П.Лазаревым, Ю.Бобровым, В.Быковым и др. было обнаружено, что тонкие ориентированные пленки лиотропных ЖК обладают таким сильным дихроизмом, что для поляризации падающего света достаточно пленки толщиной 50-100 нм, т.е. почти в тысячу раз меньше, чем у традиционных поляризаторов. Тогда и возникла идея располагать такие поляризаторы с внутренней стороны ЖК-ячеек. Для реализации этой идеи в Сан-Франциско была основана международная компания Optiva с офисами в Москве, Европе, Японии, Гонконге и на Тайване. Сейчас эта технология по достоинству оценена специалистами. На ее основе можно изготавливать ЖК-дисплеи малой информационной емкости, а также окна для домов и автомобилей, поскольку цена подложки с таким поляризационным покрытием такая же, что и у обычных стекол.
Компания Moxtek описала поляризаторы ProFlux, выполненные полностью из неорганических материалов, что повышает их стойкость к многим экстремальным воздействиям. Поляризаторы составлены из полосок проводников или полупроводников шириной до 65 нм. При прохождении через такую систему свет поляризуется, причем одна из компонент не поглощается, как в обычных поляризаторах, а отражается. Эта особенность делает микропроволочные поляризаторы весьма перспективными для применения в проекционных системах с высокими световыми потоками. Отличительные особенности поляризаторов – очень широкий спектральный диапазон, большая угловая апертура и отсутствие деполяризации.
В области проводящих покрытий интерес представляют работы бельгийского отделения компании AGFA по совершенствованию фольги ОРГАКОН – прозрачного органического токопроводящего материала на основе полиэфиров. Для формирования рисунка на подложке компания предложила использовать трафаретную печать для непосредственного нанесения пассивирующих слоев или фоторезиста на полимерный токопроводящий слой. На основе этой технологии уже созданы гибкие дисплеи со светящимися электролюминесцентными пленками. В отделении также предложены новые полимерные микроспейсеры – элементы, задающие толщину ЖКД. Их достоинства – согласование по показателю преломления с ЖК, благодаря чему они невидимы, и возможность производства спейсеров сверхмалых размеров (около 1 мкм и менее) для микродисплеев и сегнетоэлектрических ЖКД.
Обширная технологическая база по вакуумному осаждению на полимерные пленки противоотражающих покрытий с коэффициентом отражения менее 1% в видимом диапазоне при коэффициенте пропускания 92% и мутности 1,5%, а также по производству прозрачных токопроводящих покрытий на основе окиси индия-олова (ITO) с возможностью управления пропусканием и сопротивлением покрытия в широких пределах позволила американской компании CPFilms создать пленки для перьевого ввода информации в персональные цифровые помощники, пейджеры и сотовые телефоны. После
60-кратного проведения по покрытию стальной щеткой с нагрузкой 200 г на нем не остается царапин.
Для создания легких и гибких дисплеев необходимо наносить прозрачные токопроводящие покрытия на полимерные подложки. Электрические и оптические параметры проводящих полимеров не всегда отвечают требованиям, поэтому были предприняты попытки использовать для этого хорошо отработанный метод вакуумного осаждения ITO. Однако решение одной проблемы порождает новые: из-за различной механической упругости полимера и твердого ITO-покрытия в местах соприкосновения со спейсерами в покрытии возникали трещины. В ходе обсуждения этой проблемы на симпозиуме выяснилось, что механизм этого явления давно изучен в Москве, на химическом факультете МГУ и в Институте синтетических полимерных материалов РАН.
Большой выбор подсветок, легко стыкующихся с ЖКД и позволяющих считывать информацию при солнечном освещении, предложила компания BrightView Technologies. Системы подсветки фирмы прозрачны и, чтобы получить чрезвычайно высокую яркость на выходе, могут собираться в стопку. Они выполнены на основе запатентованного вращателя расходящегося угла (Divergent Angle Rotator), позволяющего увеличить диапазон углов обзора с ±25° (для двулучепреломляющих пленок) до ±40–45°. Специальный светофильтр обеспечивает работу подсветок как днем, так и ночью. Выпущена система подсветки, коллимирующая световой пучок в одном или двух направлениях.
Корейский институт электронных технологий и недавно образованная компания Wooyoung демонстрировали 18” (46 см) безртутную люминесцентную лампу-подсветку с яркостью 5600 кд/м2 и однородностью излучения 92%. Толщина лампы 6,3 мм, масса 1,5 кг.
Привлекли внимание миниатюрные люминесцентные лампы, выпускаемые компанией LCD Lighting и предназначенные для подсветки АМ ЖКД для авиационных систем (как гражданского, так и военного назначения). Лампы имеют разнообразную, порой очень причудливую, форму диаметром 6–25 мм и длиной до 2,5 метров!
На выставке было представлено множество новейших компонентов управления формой и направлением распространения светового пучка. Понятие “Оптика Френеля” включает в себя решение множества задач геометрической и поляризационной оптики, а Fresnel Optics – компания, специализирующаяся на разработке и выпуске изделий с оптическими микроструктурированными поверхностями. Такие поверхности, например, присущи чрезвычайно тонким и, соответственно, компактным и легким линзам прожекторов и современных настольных проекционных устройств. Компания ведет также разработки полимерных интеграторов света, изменяющих форму светового пучка с минимальными потерями яркости, противоотражательных микроструктур типа “глаз мухи”, сверхтонких (толщина около 0,1 мм) увеличительных стекол для микродисплеев. Кроме традиционных проекционных устройств и дисплеев, продукция компании используется также в системах проецирования изображения на ветровое стекло автомобиля или самолета, в дорожных светофорах, видоискателях и фокусирующих системах фотокамер, тренажерах и играх и даже фотовольтаических концентраторах солнечной энергии для солнечных батарей.
Хотелось бы также отметить разработанную в Институте оптики, точной механики и физики Китая ЖК-линзу Френеля с изменяемым фокусным расстоянием.
Интересны световые диффузоры с преобразованием формы пучка (Light Shaping Diffusers) фирмы Physical Optics Technology. Их поверхности – это рельефные голограммы с хаотичной непериодической структурой, которая действует как набор беспорядочно расположенных (рандомизированных) микролинз. Рассеяние света не зависит от длины и когерентности волны. Световому пучку точечного источника можно придать круглое (угловой размер по полуширине 0,5–80°) или эллиптическое сечение (угловой размер малой оси 0,2–35°, большой 10–95°). После прохождения через диффузор с эллиптическим преобразованием приблизительно прямоугольное сечение излучения нити накала приобретает идеально круглую форму. Такие элементы находят самое широкое применение: от устройств подсветки ЖКД и гомогенизации излучения светодиодов до систем технического зрения, проекционных систем прямого и тыльного изображений. Одновременное использование рандомизированной поверхности и призмы Френеля позволяет не только рассеивать пучок, но и смещать его на заданный угол. Покрытие микробороздок пленкой металла приводит к увеличению яркости подсветки с 8 000 до 15 000 кд/м2. Диффузор использован в ранее упоминавшихся моноклях CyberDisplay фирм Colorado Microdisplays и Kopin для формирования однородного изображения. Такие монокли уже становятся частью сотовых телефонов и пейджеров. Интересно и такое необычное применение диффузоров, как определители глубины – приборы, облегчающие рыбакам поиск рыбы.
Корея обгоняет Японию и на рынке ТПТ ЖКД
По данным аналитической фирмы Display Research, Южная Корея в третьем квартале 2001 года может выйти на первое место по объему продаж ТПТ ЖКД на мировом рынке. Во втором квартале Япония еще несколько опережала Корею – 41,5% против 40,9 %. Но в третьем квартале изделия японских фирм могут быть потеснены дисплеями тайваньских производителей, доля продаж которых, по сравнению со вторым кварталом, увеличится с 17,3 до 20,9%. В результате, даже не изменив свою долю, Корея станет лидером на рынке. Это связано с тем, что Тайвань благодаря сильному отечественному рынку ИС драйверов для ЖК-дисплеев производит устройства высших моделей, тогда как японские фирмы вынуждены сосредотачивать усилия на выпуске более дешевых устройств низших моделей.
В третьем квартале этого года ведущий поставщик ТПТ ЖКД – Samsung (20% рынка), за ней следуют LG-Philips (17%), Hitachi (8%), Sharp (8%), Acer (6%) и Chimi (6%).
e-inSITE.net
Отзывы читателей
