eng
Выпуск #8/2016
В.Беляев
Неделя дисплеев 2016: технологии настоящего и будущего. Часть 1. Выставка и научная конференция
Неделя дисплеев 2016: технологии настоящего и будущего. Часть 1. Выставка и научная конференция
Просмотры: 2484
В рамках мероприятий Недели состоялись выставка, научная конференция, обучающие семинары и бизнес-конференция. Были представлены некоторые основные тенденции дисплейных технологий: эффект погруженности, интерактивность, стремление охватить как можно больше сторон жизни, а также поиск технологий, альтернативных жидкокристаллической.
Н
еделя дисплеев началась с заседания Совета директоров (21 мая 2016 года), на котором рассматривались вопросы стратегии и тактики SID, деятельности многочисленных комитетов и региональных отделений, в том числе и российского. Действующим президентом SID стал корейский профессор Йонг-Сеок Ким, сменивший на этом посту Амала Гоша.[1]
КЛЮЧЕВЫЕ ЛЕКЦИИ
Тон и направление таких больших научных мероприятий, как Неделя дисплеев, задаются пленарным заседанием, которое называется Keynotes (Ключевые лекции). Первым с лекцией "Приборы современности и будущего" выступил Стивен Бейтич (Steven Bathiche) – выдающийся ученый компании Microsoft (Distinguished Scientist Microsoft). Тема доклада – интерактивность дисплея, то есть развитие взаимодействия с пользователем с целью расширения функциональных возможностей, улучшения характеристик устройства, облегчения и ускорения работы оператора. Потенциал интерактивности заложен в компонентах и функциях дисплея: клавиатуре, мышке, сенсорной панели, датчиках, голосовом управлении, воспроизведении объемного изображения и эффекте погруженности.
Стивен Бейтич представил несколько технологий, материалов и концепций новых приборов, которые будут востребованы преимущественно в области образования. Один из примеров – стол с интерактивной поверхностью (Surface Table или Sur40) для оптимизации взаимодействия с обучающим устройством (карандашом или ручкой), которое мощнее и лучше клавиатуры. Реализация устройства обеспечит характеристики не хуже, чем у обычной бумаги, а его программное обеспечение – лучше, чем у сенсорных дисплеев. Докладчик показал, что слоистая структура дисплея и сравнительно медленный электрооптический отклик его рабочего тела приводят к рассогласованию положений кончика электронной ручки и формируемой записи или картинки. Этого недостатка лишено новое устройство Microsoft – самый тонкий в мире большой планшет с высоким разрешением (267 точек на дюйм или 10,5 на миллиметр), высоким контрастом (до 1700:1), малым отражением (до 5%), низким параллаксом и небольшими рамками. В новые интерактивные устройства закладывается концепция компьютерных чернил, согласно которой электронная авторучка – первоклассный интерфейс, позволяющий реализовать новое измерение выразительности компьютерной информации. Сочетание современных дисплейных и интерактивных технологий увеличивает диверсификацию устройств и материалов, создает новые возможности функциональности и выразительности. В конце выступления Стивен Бейтич предложил переименовать SID (буквальный перевод "Общество информационных дисплеев") в Society for Interaction Display ("Общество интерактивных дисплеев").
Следующее ключевое выступление – доклад "Возможности мобильных дисплеев и вызовы" Хироюки Осимы (Hiroyuki Ohshima), генерального технического директора компании Japan Display. На Неделе дисплеев в последние годы компания представляет устройства с самыми высокими характеристиками по пространственному разрешению и эксплуатационными параметрами [1]. Сейчас мобильные дисплеи, позволяющие создавать новые приборы, расширять сферу применения и изменять нашу жизнь, стали драйвером развития современных информационных технологий, методов обработки больших массивов данных и основой пятого поколения устройств беспроводной эры. При этом мобильные устройства должны удовлетворять сочетанию жестких требований, предъявляемых производством и потребителями: высокие визуальные характеристики (плотность пикселей, углы обзора, контраст, цветовая гамма, время отклика и т. д.); соответствующий форм-фактор (дисплей занимает почти всю переднюю поверхность устройства, оставляя на его рамку миллиметр или меньше, тонкая конструкция, неплоскостность и/или сгибаемость); низкое энергопотребление; возможность управления механическим касанием.
Заключительный пленарный доклад с амбициозным названием "Критические технические задачи и будущее гибких дисплеев с органическими светодиодами" представил Сунг-Чул Ким, исполнительный вице-президент и глава исследовательского центра компании Samsung Display (дочерней компании Samsung Electronics) из Южной Кореи. Дисплеи – окно, соединяющее нас с миром. Они расширяют возможности и обогащают нашу жизнь. Персональные дисплеи используются одним человеком, домашние и офисные – предоставляют "умные" коммуникации, городские – образуют новые пространства, а виртуальные – создают новый мир с новым жизненным опытом, который не получить в обычной "природной" или "технической" действительности. Персональные устройства стали мобильными, носимыми, содержат встроенные датчики, фиксирующие состояние человека. "Умные" коммуникации позволяют переносить информацию со смартфонов и планшетов на домашние и офисные устройства. В городских условиях информация представлена на дисплеях различного вида и формы, занимающих разные пространства. Виртуальная реальность также приобретает новые формы – дополненная реальность, голографические изображения. И все это обеспечивается дисплеями, которые за короткое время эволюционировали от электронно-лучевых трубок через жидкокристаллические панели к активно матричным панелям с органическими светодиодами (AMOLED), обеспечивающим богатый набор возможностей. Новые конструкции обладают большими функциональными и эксплуатационными возможностями, устройства можно сгибать, скручивать, растягивать, деформировать, можно использовать в автомобилях, рекламе, архитектурных украшениях, виртуальной и дополненной реальности и т. п. С.-Ч.Ким показал, как можно создавать и применять гибкие, но прочные устройства с этой технологией, и в заключение еще раз повторил: "AMOLED должны стать одним из главных решений для будущих дисплеев".
ВЫСТАВКА И НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Дисплеи с высоким пространственным и временным разрешением.
Эффект погруженности
Настоящим праздником для специалистов стали демонстрации новых устройств и технологий на выставке и доклады о них на научной конференции. В журнале ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ №8 за 2014 год [1] уже шла речь о создании эффекта погруженности (immersiveness [1]) в пространство, формируемого средствами отображения высокого пространственного и временного разрешения. Эти средства произвольной формы соответствуют конфигурации помещения, в котором находится зритель. В текущем году разрешение увеличилось в два с половиной раза. Если раньше о четырехстах с лишним точках на дюйм говорилось как о выдающемся достижении [1], то на выставке и конференции представители Лаборатории полупроводниковой энергии (Semiconductor Energy Laboratory, г. Канагава, Япония) сообщили об образцах с пространственным разрешением до 1 058 точек на дюйм (41,7 пикселя на 1 мм или размер пикселя до 24 мкм)[2]. Такое высокое пространственное разрешение использовано для создания панели размером 8,34 дюйма (21,2 см) с числом пикселей 10K Ч 4K (10 240 Ч 4 320 = 44,2 мегапикселя). При ее изготовлении применялась технология CAAC-OS или c-axis-aligned crystalline oxide-semiconductor (полупроводниковый кристаллический окисел с ориентацией по с-оси). Это вариант IGZO-технологии с использованием оксидов индия, галлия и цинка. В Лаборатории полупроводниковой энергии изготовили образцы дисплеев на основе жидких кристаллов и органических светодиодов.
Не уступает по характеристикам и дисплей китайской компании XiaMen Tianma Microelectronics с LTPS-транзисторами (низкотемпературный поликремний) в активной матрице. Плотность пикселей на 20% меньше, чем у упомянутого японского образца (847 точек на дюйм или 33,3 на мм), но размер компактнее в полтора раза (5,2 дюйма или 13,2 см по диагонали).
Китайская фирма BOE представила панель Super-Hi-Vision (сверхвысокое видение), 10K Ч 4K. Размер панели по диагонали 82 дюйма (208 см), плотность элементов 135 точек на дюйм (5,3 точек на мм).
Устройства с высоким разрешением показала и японская корпорация Sharp, например 27-дюймовый (68,6 см) дисплей 8К Ч 4К, изготовленный по IGZO-технологии. Новшество корпорации в этой технологии – транзисторы с протравленным каналом на обратной стороне (back-channel etched transistor). Плотность пикселей (326 на дюйм или 12,8 на мм), возможно, и не удивляет, но высокая подвижность носителей заряда в оксидных транзисторах обеспечивает смену кадров в коммерческих панелях до 120 Гц. В тонкопленочных транзисторах (ТПТ) с двойным каналом и использованием материала IZO/AIZTO подвижность составляет 53,2 см 2/В · с. А в канадском университете Ватерлоо и компаниях Christie Digital Systems Canada и DifTek Lasers получили подвижность до 300 см 2/В · с за счет планаризации сфер монокристаллического кремния размером около 800 мкм. Такие технологии позволяют реализовать частоту смены кадров до 240 Гц, что очень важно для дисплеев с последовательным переключением цвета (Юго-Восточный университет, Нанкин, Китай). В Samsung Electronics создали встроенный КМОП-драйвер по технологии 45 нм, который обеспечивает скорость передачи данных 3,24 Гбит/с и сбережение энергопотребления 44%.
Высокая плотность пикселей реализуется и в сенсорных панелях. Так, в упоминавшейся Лаборатории полупроводниковой энергии благодаря небольшому увеличению концентрации цинка разрешение сенсорной панели составляет до 513 точек на дюйм (20,2 на мм).
Функция интерактивности
Наряду с эффектом погруженности, современным дисплеям характерно такое свойство, как интерактивность, которым отличаются так называемые сенсорные дисплеи (тач-скрины). Новые их возможности – управление без касания, реакция на жесты, взгляды. Предлагаются варианты управления устройством электрическими сигналами, генерируемыми мозгом.
Теперь о наиболее ярких экспонатах ведущих мировых фирм. Кроме панелей со сверхвысоким разрешением (рис.1), козырем китайской компании BOE стали дисплеи необычной формы, которые представляют собой произвольно изогнутые пластиковые AMOLED-устройства (рис.2). Большое впечатление произвели панели без рамок, в которые обычно помещается дисплей, а среди них устройства отображения, по форме представляющие собой буквы названия компании (см. рис.2). При этом адресация изображения идет не пофрагментно, а по всей площади дисплея. Такие устройства произвольной формы находят применение на приборных досках автомобилей, что и было продемонстрировано.
Вместе с тем компания BOE продолжает развивать и традиционные направления дисплейных технологий, остается верной принципу "сверхвысокая четкость (8К Ч 4К или 4К Ч 2К)". На выставке были представлены панели размером 98 дюймов (2,5 м) с высоким динамическим диапазоном (контраст до миллиона), сверхтонкие панели (толщина 3,8 мм при размере по диагонали 65 дюймов (1,65 м)), небольшая (12,5 дюйма или 32 см) сенсорная панель с 10 точками касания, в том числе и активным карандашом. Разработаны также модули для виртуальной или дополненной реальности и для трехмерного отображения без очков.
На стенде компании Samsung были представлены следующие новинки: панель с очень низким отражением от поверхности, тонкий искривленный дисплей, автомобильные дисплеи с органическими светодиодами, которые отличаются высокой эксплуатационной надежностью. Компания делает ставку на AMOLED (об этом говорилось в одном из пленарных докладов). Они эргономичнее за счет исключения из спектра излучения части синего спектра 435 ± 20 нм, вызывающего деградацию глазных мускулов и смерть клеток сетчатки (данные из плаката на стенде), и реализуют более высокое разрешение для панелей виртуальной реальности.
Большой интерес у посетителей стенда компании Samsung вызвала демонстрация изображений, формируемых цифровым голографическим дисплеем и дисплеем светового поля. Чтобы посмотреть эти изображения без специальных очков, выстраивалась длинная очередь.
Панели по OLED-технологии
На выставке передовых дисплейных достижений другой корейский гигант – компания LG – также демонстрировал в основном разработки панелей с органическими светодиодами (OLED). Были представлены некоторые рекордные образцы: панель 77 дюймов (196 см) с высоким динамическим диапазоном, позволяющим качественно отображать и очень яркие, и очень темные сцены; большие искривленные дисплеи и экран цилиндрической формы шириной около 2,5 м из трех 34-дюймовых (86 см) дисплеев; огромные (до 65 дюймов = 165 см) выпуклые и вогнутые дисплеи для различных пространств с неплоскими поверхностями. Большой интерес посетителей вызвали двусторонний OLED-дисплей и полупрозрачный (точнее, с пропусканием 40%) дисплей, на котором и за которым демонстрировались драгоценности (рис.3). Но специалистам любопытно было увидеть новые модели панелей для ноутбуков и мониторов со сверхвысоким разрешением. Так, для ноутбуков представлены панели размерами 14, 15,6 и 23 дюйма (35,6, 40 и 58 см соответственно), разрешением 3 840 Ч 2160. Последняя модель, кроме клавиатуры и мышки, оснащена и сенсорным управлением. У самой маленькой модели разрешение составляет 315 точек на дюйм или 12 на мм, то есть пиксель размером 80 мкм, что вдвое лучше, чем у традиционных устройств. У мониторов количество пикселей в четыре раза больше (8К Ч 4К) при размере экрана 31,5 дюйма (80 см).
Преимущество устройств с органическими светодиодами перед жидкокристаллическими наглядно демонстрировалось на стенде, в верхней части которого была одна пластина с OLED, а в нижней семь пластин, соответствующих функциональным слоям ЖКД (поляризаторам и оптическим пленкам).
Для сенсорных дисплеев предлагается новая технология (IT или In-Touch), позволяющая осуществить множество касаний на панелях высокого разрешения и искривленной формы.
Дисплеи для промышленных и специальных применений
Основной акцент на стенде японской корпорации Sharp был сделан на дисплеях для промышленных и специальных применений. Компания также показала панели сверхвысокой четкости (рис.4), которые отличались от других прототипов большей яркостью. Разрешение 33 мегапикселя (для сравнения: обычно – 1, в лучшем случае – 2 Мпикселя), яркость 1 100–1 600 кд/м 2 (обычно 150–200 кд/м 2), контраст 100 000 (обычно 200–500).
Рабочая температура многих образцов составляет от –30 до 85°C, а хранения – от –40 до 90°C. Были показаны также приборы различной формы и плоскостности для автомобилей.
На выставке были представлены выпуклые и вогнутые дисплеи (рис.5).
Световая эффективность.
Технология квантовых точек
Введение квантовых точек в модуль подсветки ЖК-дисплея значительно повышает его световую эффективность [1]. В разработке тайваньских университетов (Дальневосточный и Национальный Цинг Хуа) при использовании гигантских квантовых точек с кремниевым композитным материалом достигнута световая эффективность 100 лм/Вт (максимальное ее значение составляет 683 лм/Вт в зеленом цвете и около 300 лм/Вт при усреднении по всему видимому спектру). Световая эффективность дисплея повышается и при использовании оптических пленок. В совместном докладе Института жидких кристаллов из США (г. Кент) и компании ВОЕ описана волноводная структура с ЖК, стабилизированным полимером, которая превращает неполяризованный свет в поляризованный, благодаря чему степень пропускания дисплея повышается с 50 до 83%. Первый показатель (50%) – максимально возможная величина пропускания света параллельными поляризаторами. Рядом с этим стендовым докладом были представлены и доклады МГОУ с участием автора статьи. Их тематика относится к записи голографического изображения непосредственно в слое жидкого кристалла и к оптическим характеристикам композитных материалов с ЖК, а также ЖК со сложной структурой объема и поверхности рабочих слоев ЖК-дисплея. Эти работы вызвали живой интерес участников конференции из Кореи, Японии, США, Бельгии, Китая, Украины, Финляндии и других стран.
Наиболее наглядно преимущества квантовых точек были продемонстрированы в выставочной экспозиции американской компании QD Vision, которая представила технологию IQ (интеллектуальные или "умные" квантовые точки). На одном стенде были размещены четыре панели – первая с органическими светодиодами, вторая с ЖК и подсветкой обычными белыми светодиодами, третья с модулем подсветки, содержащим квантовые точки CdSe, а четвертая с подсветкой, в которой были квантовые точки InP. Под панелями были установлены индикаторы энергопотребления дисплеев.
Другие экспонаты стенда QD Vision, размещенные на корпоративной "Стене славы", демонстрировали на примере телевизоров различных компаний (Hisense, Thomson, Philips и др.) первые в мире образцы дисплеев с квантовыми точками. Они отличаются лучшей цветовой гаммой, изогнутостью, энергоэффективностью, размером до 65 дюймов (165 см), разрешением 3 840 Ч 2 160 пикселей (рис.6).
Другой пример адаптируемости ЖКД к изменяющимся конкурентным условиям – использование блочной светодиодной подсветки. В разработке компании 3М (МММ, в прошлом Minnesota Mining and Manufacturing Company) за ЖК-панелью находятся 384 модуля светодиодной подсветки, которые позволяют регулировать яркость каждого участка изображения, сэкономить до 30% потребляемой энергии и получать контраст десятки тысяч, т. е. передавать все оттенки серого (рис.7).
Новые электрооптические эффекты
для ЖК-дисплеев
Все ЖК-дисплеи используют такое свойство жидкого кристалла, как оптическая анизотропия. При наличии поляризаторов фиксируется изменение пропускания дисплея по мере изменения анизотропии под действием приложенного электронного сигнала. А в разработке корейского университета Чонбук применяется материал на основе оптически изотропного ЖК и акрилового мономера. Степень пропускания устройства меняется под действием электрического поля, приложенного параллельно подложкам дисплея. Это позволяет существенно увеличить пропускание дисплея в открытом состоянии и уменьшить время переключения электрооптического отклика. В другой разработке этого университета используется эффект отражения света от капель, поверхность которых расширяется под действием электрического сигнала. На основе такого эффекта можно создавать дисплеи большого размера без поляризаторов – реализованы апертура до 74%, контраст 29 : 1, время переключения 680 мс.
Еще в одном одном южнокорейском университете Кёнг Хи (Kyung Hee University) на гибкую подложку нанесли тонкопленочные транзисторы, характеристики которых не изменились после 2 000 сгибаний на 60° и 90° при радиусе изгиба 0,47 мм и 0,31 мм соответственно. Эта студенческая работа была признана выдающейся.
Интерес вызвал доклад студентов из университета Центральной Флориды (США) о твист-ячейке толщиной 2 мкм и временем отклика меньше 1 мс, что в 3,6 раза меньше, чем у существующих аналогов. Ячейка применяется для дисплеев с последовательным переключением цвета в проекционных устройствах. Достаточно высокая температура просветления ЖК (102°C) позволяет получать качественное изображение, несмотря на нагрев ячейки.
Электрофоретические материалы
Во многих применениях альтернативой жидким кристаллам стали электрофоретические материалы. Эти материалы и устройства на их основе разрабатываются и производятся американской корпорацией E-Ink ("Электронные чернила"). Кроме традиционных электронных книг на выставке были показаны дисплеи большого размера и разрешения (совместно с компанией Plastic Logic; размер 32 дюйма (81,3 см), 2 560 Ч 1 440 пикселей или 94 точки на дюйм (3,7 на мм)); багажные метки для чемоданов (совместно с фирмой Rimowa, рис.8); большие полноцветные дисплеи (совместно c Global Display Solutions).
Свои идеи цифровых ценников компания E-Ink демонстрировала на стендах в инновационной зоне (см. соответствующий раздел, будет во второй части этой статьи, в следующем номере). Но в выставочном зале тоже были примеры продвижения цифровых дисплейных технологий в торговые залы. Японская компания DNP (Dai Nippon Printing), которая специализируется в технологиях для печати, представила разработку проекционного дисплея для магазинных полок. Сама проекционная схема находится в глубине полки, а на ее торце выводится информация о цене и характеристиках товара (рис.9).
Дисплеи проникают и в игровой бизнес. Компания 3М, занимающаяся методами повышения качества изображения (чаще всего за счет использования специальных пленок), продемонстрировала игровой стол, выполненный в виде большой, горизонтально расположенной сенсорной панели (рис.10). Фишки передвигаются касанием пальца. Но проигрыш настоящий.
Об экспонатах, представленных на выставке "Неделя дисплеев 2016" в разделе "Инновации", читайте в следующем номере журнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В.В. Погружение в суперреальность: По результатам симпозиума SID 2014 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2014. № 6. С. 32–44.
2. Беляев В.В., Чилая Г.С. Жидкие кристаллы в начале XXI века. М.: ИИУ МГОУ, 2015. 136 стр. ISBN 978-5-7017-2415-8.
3. Беляев В.В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 1. От пикселя до гибкой подложки // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес. 2015. № 8 (148). С. 36–47.
4. Беляев В.В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 2. Новые технологии и области применения ЖК-дисплеев // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес 2015. № 10. С. 101–112.
еделя дисплеев началась с заседания Совета директоров (21 мая 2016 года), на котором рассматривались вопросы стратегии и тактики SID, деятельности многочисленных комитетов и региональных отделений, в том числе и российского. Действующим президентом SID стал корейский профессор Йонг-Сеок Ким, сменивший на этом посту Амала Гоша.[1]
КЛЮЧЕВЫЕ ЛЕКЦИИ
Тон и направление таких больших научных мероприятий, как Неделя дисплеев, задаются пленарным заседанием, которое называется Keynotes (Ключевые лекции). Первым с лекцией "Приборы современности и будущего" выступил Стивен Бейтич (Steven Bathiche) – выдающийся ученый компании Microsoft (Distinguished Scientist Microsoft). Тема доклада – интерактивность дисплея, то есть развитие взаимодействия с пользователем с целью расширения функциональных возможностей, улучшения характеристик устройства, облегчения и ускорения работы оператора. Потенциал интерактивности заложен в компонентах и функциях дисплея: клавиатуре, мышке, сенсорной панели, датчиках, голосовом управлении, воспроизведении объемного изображения и эффекте погруженности.
Стивен Бейтич представил несколько технологий, материалов и концепций новых приборов, которые будут востребованы преимущественно в области образования. Один из примеров – стол с интерактивной поверхностью (Surface Table или Sur40) для оптимизации взаимодействия с обучающим устройством (карандашом или ручкой), которое мощнее и лучше клавиатуры. Реализация устройства обеспечит характеристики не хуже, чем у обычной бумаги, а его программное обеспечение – лучше, чем у сенсорных дисплеев. Докладчик показал, что слоистая структура дисплея и сравнительно медленный электрооптический отклик его рабочего тела приводят к рассогласованию положений кончика электронной ручки и формируемой записи или картинки. Этого недостатка лишено новое устройство Microsoft – самый тонкий в мире большой планшет с высоким разрешением (267 точек на дюйм или 10,5 на миллиметр), высоким контрастом (до 1700:1), малым отражением (до 5%), низким параллаксом и небольшими рамками. В новые интерактивные устройства закладывается концепция компьютерных чернил, согласно которой электронная авторучка – первоклассный интерфейс, позволяющий реализовать новое измерение выразительности компьютерной информации. Сочетание современных дисплейных и интерактивных технологий увеличивает диверсификацию устройств и материалов, создает новые возможности функциональности и выразительности. В конце выступления Стивен Бейтич предложил переименовать SID (буквальный перевод "Общество информационных дисплеев") в Society for Interaction Display ("Общество интерактивных дисплеев").
Следующее ключевое выступление – доклад "Возможности мобильных дисплеев и вызовы" Хироюки Осимы (Hiroyuki Ohshima), генерального технического директора компании Japan Display. На Неделе дисплеев в последние годы компания представляет устройства с самыми высокими характеристиками по пространственному разрешению и эксплуатационными параметрами [1]. Сейчас мобильные дисплеи, позволяющие создавать новые приборы, расширять сферу применения и изменять нашу жизнь, стали драйвером развития современных информационных технологий, методов обработки больших массивов данных и основой пятого поколения устройств беспроводной эры. При этом мобильные устройства должны удовлетворять сочетанию жестких требований, предъявляемых производством и потребителями: высокие визуальные характеристики (плотность пикселей, углы обзора, контраст, цветовая гамма, время отклика и т. д.); соответствующий форм-фактор (дисплей занимает почти всю переднюю поверхность устройства, оставляя на его рамку миллиметр или меньше, тонкая конструкция, неплоскостность и/или сгибаемость); низкое энергопотребление; возможность управления механическим касанием.
Заключительный пленарный доклад с амбициозным названием "Критические технические задачи и будущее гибких дисплеев с органическими светодиодами" представил Сунг-Чул Ким, исполнительный вице-президент и глава исследовательского центра компании Samsung Display (дочерней компании Samsung Electronics) из Южной Кореи. Дисплеи – окно, соединяющее нас с миром. Они расширяют возможности и обогащают нашу жизнь. Персональные дисплеи используются одним человеком, домашние и офисные – предоставляют "умные" коммуникации, городские – образуют новые пространства, а виртуальные – создают новый мир с новым жизненным опытом, который не получить в обычной "природной" или "технической" действительности. Персональные устройства стали мобильными, носимыми, содержат встроенные датчики, фиксирующие состояние человека. "Умные" коммуникации позволяют переносить информацию со смартфонов и планшетов на домашние и офисные устройства. В городских условиях информация представлена на дисплеях различного вида и формы, занимающих разные пространства. Виртуальная реальность также приобретает новые формы – дополненная реальность, голографические изображения. И все это обеспечивается дисплеями, которые за короткое время эволюционировали от электронно-лучевых трубок через жидкокристаллические панели к активно матричным панелям с органическими светодиодами (AMOLED), обеспечивающим богатый набор возможностей. Новые конструкции обладают большими функциональными и эксплуатационными возможностями, устройства можно сгибать, скручивать, растягивать, деформировать, можно использовать в автомобилях, рекламе, архитектурных украшениях, виртуальной и дополненной реальности и т. п. С.-Ч.Ким показал, как можно создавать и применять гибкие, но прочные устройства с этой технологией, и в заключение еще раз повторил: "AMOLED должны стать одним из главных решений для будущих дисплеев".
ВЫСТАВКА И НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Дисплеи с высоким пространственным и временным разрешением.
Эффект погруженности
Настоящим праздником для специалистов стали демонстрации новых устройств и технологий на выставке и доклады о них на научной конференции. В журнале ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ №8 за 2014 год [1] уже шла речь о создании эффекта погруженности (immersiveness [1]) в пространство, формируемого средствами отображения высокого пространственного и временного разрешения. Эти средства произвольной формы соответствуют конфигурации помещения, в котором находится зритель. В текущем году разрешение увеличилось в два с половиной раза. Если раньше о четырехстах с лишним точках на дюйм говорилось как о выдающемся достижении [1], то на выставке и конференции представители Лаборатории полупроводниковой энергии (Semiconductor Energy Laboratory, г. Канагава, Япония) сообщили об образцах с пространственным разрешением до 1 058 точек на дюйм (41,7 пикселя на 1 мм или размер пикселя до 24 мкм)[2]. Такое высокое пространственное разрешение использовано для создания панели размером 8,34 дюйма (21,2 см) с числом пикселей 10K Ч 4K (10 240 Ч 4 320 = 44,2 мегапикселя). При ее изготовлении применялась технология CAAC-OS или c-axis-aligned crystalline oxide-semiconductor (полупроводниковый кристаллический окисел с ориентацией по с-оси). Это вариант IGZO-технологии с использованием оксидов индия, галлия и цинка. В Лаборатории полупроводниковой энергии изготовили образцы дисплеев на основе жидких кристаллов и органических светодиодов.
Не уступает по характеристикам и дисплей китайской компании XiaMen Tianma Microelectronics с LTPS-транзисторами (низкотемпературный поликремний) в активной матрице. Плотность пикселей на 20% меньше, чем у упомянутого японского образца (847 точек на дюйм или 33,3 на мм), но размер компактнее в полтора раза (5,2 дюйма или 13,2 см по диагонали).
Китайская фирма BOE представила панель Super-Hi-Vision (сверхвысокое видение), 10K Ч 4K. Размер панели по диагонали 82 дюйма (208 см), плотность элементов 135 точек на дюйм (5,3 точек на мм).
Устройства с высоким разрешением показала и японская корпорация Sharp, например 27-дюймовый (68,6 см) дисплей 8К Ч 4К, изготовленный по IGZO-технологии. Новшество корпорации в этой технологии – транзисторы с протравленным каналом на обратной стороне (back-channel etched transistor). Плотность пикселей (326 на дюйм или 12,8 на мм), возможно, и не удивляет, но высокая подвижность носителей заряда в оксидных транзисторах обеспечивает смену кадров в коммерческих панелях до 120 Гц. В тонкопленочных транзисторах (ТПТ) с двойным каналом и использованием материала IZO/AIZTO подвижность составляет 53,2 см 2/В · с. А в канадском университете Ватерлоо и компаниях Christie Digital Systems Canada и DifTek Lasers получили подвижность до 300 см 2/В · с за счет планаризации сфер монокристаллического кремния размером около 800 мкм. Такие технологии позволяют реализовать частоту смены кадров до 240 Гц, что очень важно для дисплеев с последовательным переключением цвета (Юго-Восточный университет, Нанкин, Китай). В Samsung Electronics создали встроенный КМОП-драйвер по технологии 45 нм, который обеспечивает скорость передачи данных 3,24 Гбит/с и сбережение энергопотребления 44%.
Высокая плотность пикселей реализуется и в сенсорных панелях. Так, в упоминавшейся Лаборатории полупроводниковой энергии благодаря небольшому увеличению концентрации цинка разрешение сенсорной панели составляет до 513 точек на дюйм (20,2 на мм).
Функция интерактивности
Наряду с эффектом погруженности, современным дисплеям характерно такое свойство, как интерактивность, которым отличаются так называемые сенсорные дисплеи (тач-скрины). Новые их возможности – управление без касания, реакция на жесты, взгляды. Предлагаются варианты управления устройством электрическими сигналами, генерируемыми мозгом.
Теперь о наиболее ярких экспонатах ведущих мировых фирм. Кроме панелей со сверхвысоким разрешением (рис.1), козырем китайской компании BOE стали дисплеи необычной формы, которые представляют собой произвольно изогнутые пластиковые AMOLED-устройства (рис.2). Большое впечатление произвели панели без рамок, в которые обычно помещается дисплей, а среди них устройства отображения, по форме представляющие собой буквы названия компании (см. рис.2). При этом адресация изображения идет не пофрагментно, а по всей площади дисплея. Такие устройства произвольной формы находят применение на приборных досках автомобилей, что и было продемонстрировано.
Вместе с тем компания BOE продолжает развивать и традиционные направления дисплейных технологий, остается верной принципу "сверхвысокая четкость (8К Ч 4К или 4К Ч 2К)". На выставке были представлены панели размером 98 дюймов (2,5 м) с высоким динамическим диапазоном (контраст до миллиона), сверхтонкие панели (толщина 3,8 мм при размере по диагонали 65 дюймов (1,65 м)), небольшая (12,5 дюйма или 32 см) сенсорная панель с 10 точками касания, в том числе и активным карандашом. Разработаны также модули для виртуальной или дополненной реальности и для трехмерного отображения без очков.
На стенде компании Samsung были представлены следующие новинки: панель с очень низким отражением от поверхности, тонкий искривленный дисплей, автомобильные дисплеи с органическими светодиодами, которые отличаются высокой эксплуатационной надежностью. Компания делает ставку на AMOLED (об этом говорилось в одном из пленарных докладов). Они эргономичнее за счет исключения из спектра излучения части синего спектра 435 ± 20 нм, вызывающего деградацию глазных мускулов и смерть клеток сетчатки (данные из плаката на стенде), и реализуют более высокое разрешение для панелей виртуальной реальности.
Большой интерес у посетителей стенда компании Samsung вызвала демонстрация изображений, формируемых цифровым голографическим дисплеем и дисплеем светового поля. Чтобы посмотреть эти изображения без специальных очков, выстраивалась длинная очередь.
Панели по OLED-технологии
На выставке передовых дисплейных достижений другой корейский гигант – компания LG – также демонстрировал в основном разработки панелей с органическими светодиодами (OLED). Были представлены некоторые рекордные образцы: панель 77 дюймов (196 см) с высоким динамическим диапазоном, позволяющим качественно отображать и очень яркие, и очень темные сцены; большие искривленные дисплеи и экран цилиндрической формы шириной около 2,5 м из трех 34-дюймовых (86 см) дисплеев; огромные (до 65 дюймов = 165 см) выпуклые и вогнутые дисплеи для различных пространств с неплоскими поверхностями. Большой интерес посетителей вызвали двусторонний OLED-дисплей и полупрозрачный (точнее, с пропусканием 40%) дисплей, на котором и за которым демонстрировались драгоценности (рис.3). Но специалистам любопытно было увидеть новые модели панелей для ноутбуков и мониторов со сверхвысоким разрешением. Так, для ноутбуков представлены панели размерами 14, 15,6 и 23 дюйма (35,6, 40 и 58 см соответственно), разрешением 3 840 Ч 2160. Последняя модель, кроме клавиатуры и мышки, оснащена и сенсорным управлением. У самой маленькой модели разрешение составляет 315 точек на дюйм или 12 на мм, то есть пиксель размером 80 мкм, что вдвое лучше, чем у традиционных устройств. У мониторов количество пикселей в четыре раза больше (8К Ч 4К) при размере экрана 31,5 дюйма (80 см).
Преимущество устройств с органическими светодиодами перед жидкокристаллическими наглядно демонстрировалось на стенде, в верхней части которого была одна пластина с OLED, а в нижней семь пластин, соответствующих функциональным слоям ЖКД (поляризаторам и оптическим пленкам).
Для сенсорных дисплеев предлагается новая технология (IT или In-Touch), позволяющая осуществить множество касаний на панелях высокого разрешения и искривленной формы.
Дисплеи для промышленных и специальных применений
Основной акцент на стенде японской корпорации Sharp был сделан на дисплеях для промышленных и специальных применений. Компания также показала панели сверхвысокой четкости (рис.4), которые отличались от других прототипов большей яркостью. Разрешение 33 мегапикселя (для сравнения: обычно – 1, в лучшем случае – 2 Мпикселя), яркость 1 100–1 600 кд/м 2 (обычно 150–200 кд/м 2), контраст 100 000 (обычно 200–500).
Рабочая температура многих образцов составляет от –30 до 85°C, а хранения – от –40 до 90°C. Были показаны также приборы различной формы и плоскостности для автомобилей.
На выставке были представлены выпуклые и вогнутые дисплеи (рис.5).
Световая эффективность.
Технология квантовых точек
Введение квантовых точек в модуль подсветки ЖК-дисплея значительно повышает его световую эффективность [1]. В разработке тайваньских университетов (Дальневосточный и Национальный Цинг Хуа) при использовании гигантских квантовых точек с кремниевым композитным материалом достигнута световая эффективность 100 лм/Вт (максимальное ее значение составляет 683 лм/Вт в зеленом цвете и около 300 лм/Вт при усреднении по всему видимому спектру). Световая эффективность дисплея повышается и при использовании оптических пленок. В совместном докладе Института жидких кристаллов из США (г. Кент) и компании ВОЕ описана волноводная структура с ЖК, стабилизированным полимером, которая превращает неполяризованный свет в поляризованный, благодаря чему степень пропускания дисплея повышается с 50 до 83%. Первый показатель (50%) – максимально возможная величина пропускания света параллельными поляризаторами. Рядом с этим стендовым докладом были представлены и доклады МГОУ с участием автора статьи. Их тематика относится к записи голографического изображения непосредственно в слое жидкого кристалла и к оптическим характеристикам композитных материалов с ЖК, а также ЖК со сложной структурой объема и поверхности рабочих слоев ЖК-дисплея. Эти работы вызвали живой интерес участников конференции из Кореи, Японии, США, Бельгии, Китая, Украины, Финляндии и других стран.
Наиболее наглядно преимущества квантовых точек были продемонстрированы в выставочной экспозиции американской компании QD Vision, которая представила технологию IQ (интеллектуальные или "умные" квантовые точки). На одном стенде были размещены четыре панели – первая с органическими светодиодами, вторая с ЖК и подсветкой обычными белыми светодиодами, третья с модулем подсветки, содержащим квантовые точки CdSe, а четвертая с подсветкой, в которой были квантовые точки InP. Под панелями были установлены индикаторы энергопотребления дисплеев.
Другие экспонаты стенда QD Vision, размещенные на корпоративной "Стене славы", демонстрировали на примере телевизоров различных компаний (Hisense, Thomson, Philips и др.) первые в мире образцы дисплеев с квантовыми точками. Они отличаются лучшей цветовой гаммой, изогнутостью, энергоэффективностью, размером до 65 дюймов (165 см), разрешением 3 840 Ч 2 160 пикселей (рис.6).
Другой пример адаптируемости ЖКД к изменяющимся конкурентным условиям – использование блочной светодиодной подсветки. В разработке компании 3М (МММ, в прошлом Minnesota Mining and Manufacturing Company) за ЖК-панелью находятся 384 модуля светодиодной подсветки, которые позволяют регулировать яркость каждого участка изображения, сэкономить до 30% потребляемой энергии и получать контраст десятки тысяч, т. е. передавать все оттенки серого (рис.7).
Новые электрооптические эффекты
для ЖК-дисплеев
Все ЖК-дисплеи используют такое свойство жидкого кристалла, как оптическая анизотропия. При наличии поляризаторов фиксируется изменение пропускания дисплея по мере изменения анизотропии под действием приложенного электронного сигнала. А в разработке корейского университета Чонбук применяется материал на основе оптически изотропного ЖК и акрилового мономера. Степень пропускания устройства меняется под действием электрического поля, приложенного параллельно подложкам дисплея. Это позволяет существенно увеличить пропускание дисплея в открытом состоянии и уменьшить время переключения электрооптического отклика. В другой разработке этого университета используется эффект отражения света от капель, поверхность которых расширяется под действием электрического сигнала. На основе такого эффекта можно создавать дисплеи большого размера без поляризаторов – реализованы апертура до 74%, контраст 29 : 1, время переключения 680 мс.
Еще в одном одном южнокорейском университете Кёнг Хи (Kyung Hee University) на гибкую подложку нанесли тонкопленочные транзисторы, характеристики которых не изменились после 2 000 сгибаний на 60° и 90° при радиусе изгиба 0,47 мм и 0,31 мм соответственно. Эта студенческая работа была признана выдающейся.
Интерес вызвал доклад студентов из университета Центральной Флориды (США) о твист-ячейке толщиной 2 мкм и временем отклика меньше 1 мс, что в 3,6 раза меньше, чем у существующих аналогов. Ячейка применяется для дисплеев с последовательным переключением цвета в проекционных устройствах. Достаточно высокая температура просветления ЖК (102°C) позволяет получать качественное изображение, несмотря на нагрев ячейки.
Электрофоретические материалы
Во многих применениях альтернативой жидким кристаллам стали электрофоретические материалы. Эти материалы и устройства на их основе разрабатываются и производятся американской корпорацией E-Ink ("Электронные чернила"). Кроме традиционных электронных книг на выставке были показаны дисплеи большого размера и разрешения (совместно с компанией Plastic Logic; размер 32 дюйма (81,3 см), 2 560 Ч 1 440 пикселей или 94 точки на дюйм (3,7 на мм)); багажные метки для чемоданов (совместно с фирмой Rimowa, рис.8); большие полноцветные дисплеи (совместно c Global Display Solutions).
Свои идеи цифровых ценников компания E-Ink демонстрировала на стендах в инновационной зоне (см. соответствующий раздел, будет во второй части этой статьи, в следующем номере). Но в выставочном зале тоже были примеры продвижения цифровых дисплейных технологий в торговые залы. Японская компания DNP (Dai Nippon Printing), которая специализируется в технологиях для печати, представила разработку проекционного дисплея для магазинных полок. Сама проекционная схема находится в глубине полки, а на ее торце выводится информация о цене и характеристиках товара (рис.9).
Дисплеи проникают и в игровой бизнес. Компания 3М, занимающаяся методами повышения качества изображения (чаще всего за счет использования специальных пленок), продемонстрировала игровой стол, выполненный в виде большой, горизонтально расположенной сенсорной панели (рис.10). Фишки передвигаются касанием пальца. Но проигрыш настоящий.
Об экспонатах, представленных на выставке "Неделя дисплеев 2016" в разделе "Инновации", читайте в следующем номере журнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В.В. Погружение в суперреальность: По результатам симпозиума SID 2014 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2014. № 6. С. 32–44.
2. Беляев В.В., Чилая Г.С. Жидкие кристаллы в начале XXI века. М.: ИИУ МГОУ, 2015. 136 стр. ISBN 978-5-7017-2415-8.
3. Беляев В.В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 1. От пикселя до гибкой подложки // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес. 2015. № 8 (148). С. 36–47.
4. Беляев В.В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 2. Новые технологии и области применения ЖК-дисплеев // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес 2015. № 10. С. 101–112.
Отзывы читателей
