Этот мир мы придумали сами

Эрнст Долгий
«Экспресс-Электроника», #10/2003

Согласитесь, мы слишком часто слышим громкое слово «революция». То там, то тут наперебой кричат: «Эврика! Свершилось!». Однако и по сей день можно увидеть ископаемых мира высоких технологий, которым суждено остаться на пыльных полках истории вместе с веком прошедшим. Монитор — вот камень нашего преткновения. На глазах пользователя революция уже свершилась — на смену старому ЭЛТ-монитору пришел его потомок — жидкокристаллическая панель. Но эта революция произошла скорее в головах производителей, поскольку до сих пор большинство использует старые мониторы, не планируя их заменять. Впрочем, производители обещают очередную технологическую революцию. Давайте посмотрим зачем она пользователю?

Первая революция в области технологий отображения информации была связана с выходом на рынок мониторов на базе жидкокристаллической технологии, которая и по сей день не исчерпала своих возможностей в плане качества отображения информации. В настоящее время совершенствование жидкокристаллической технологии идет по двум направлениям: улучшение качества отображения и снижение конечной стоимости готовых устройств на ее базе. Именно второе направление и заставляет разработчиков искать новые методики и технологии, ведь стоимость ЖК-технологии вряд ли способна значительно сократиться. В последнее время сразу несколько компаний представили ряд усовершенствований, касающихся не только снижения себестоимости производства, но и улучшения качества изображения ЖК-дисплеев. Так, например, известный производитель компонентов для создания различных устройств отображения — компания Mitsubishi Electric объявила на конференции Windows Hardware Engineering Conference ’2003 о разработке двух новых технологий для производства ЖК-дисплеев — одну для улучшенной передачи динамичных изображений, другую — для более качественной и естественной передачи цветовой палитры.

Первая технология, названная Compression Feed-forward Driving (cFFD), позволяет уменьшить эффект смазывания изображения при просмотре быстро перемещающихся объектов отображаемой картинки. Как известно, снижения этого эффекта добиваются, главным образом, сокращая время отклика. Новая технология основана на управлении ускоряющим напряжением с помощью небольшого буфера памяти в сочетании с собственной технологией сжатия картинки. По сути, это происходит при синхронизации картинки со временем отклика пикселей, когда наиболее динамичные участки видеофрагмента попросту выбрасываются из транслируемого на матрицу изображения, путем снижения контрастности участков картинки, где они располагаются. В результате, описанная методика и дает эффект, схожий с дополнительным сокращением времени отклика. Необходимо отметить, что предложенная технология, несмотря на кажущуюся сложность реализации, уже получила распространение в некоторых новых продуктах компании, поступающих вскоре в продажу.

Вторую известную проблему ЖК-панелей — сложность в устранении различий между передачей разных систем отображения цвета — Mitsubishi предлагает решить при помощи технологии управления цветом Natural Color Matrix (NCM), позволяющей упростить переход от одной системы представления цвета к другой. По мнению специалистов компании, воспроизведение оригинального цвета при обработке изображений в режиме реального времени практически невозможно на уровне программного обеспечения. В связи с этим инженеры Mitsubishi Electric решили создать технологию, которая бы решала данную проблему на аппаратном уровне.

Существуют две технологии обработки цвета: матричная (Matrix Calculation) и трехмерная (3D Look-up Table). Первая использует простой алгоритм, позволяющий обрабатывать цвета быстродвижущихся изображений, однако качество цветопередачи при этом является весьма посредственным. Трехмерная технология 3D Look-up Table обеспечивает хороший уровень цветопередачи, но требует большого объема буферной памяти и очень сложна с точки зрения аппаратной реализации. Новая же технология японских инженеров, являясь попыткой совместить лучшие черты обеих технологий за счет использования шести опорных цветовых осей (R (красный), G (зеленый), B (синий), C (голубой), M (пурпурный) и Y (желтый)) при расчете параметров цвета, позволяет добиться более точной цветопередачи. Новый алгоритм не использует трехмерную систему обработки цвета, из-за чего отпадает необходимость в больших объемах памяти. В результате появляется возможность сделать ЖК-мониторы и проекторы более компактных размеров, с более качественной цветопередачей, даже при отображении динамичных сцен.

Конкурентной разработкой располагает компания Samsung Electronics. Технология, о которой пойдет речь дальше, еще проще в реализации. Корейские разработчики продемонстрировали первую, согласно их заявлению, в индустрии технологию TFT, предполагающую использование четырех цветовых каналов. В дополнение к традиционным красному, зеленому и синему субпикселям в дисплеях, использующих новый метод, добавляется четвертый белый субпиксель. Как отмечают разработчики, подобный подход позволяет добиться увеличения яркости изображения на 30–70% при таком же уровне энергопотребления, что и у нынешних TFT-панелей. На сегодняшний день компанией Samsung разработан обширный набор прототипов TFT-дисплеев на основе новой технологии, начиная с 2-дюймовых устройств с качеством QVGA и заканчивая 17-дюймовыми панелями для телевизоров.

Отметим еще одно достижение корейской компании. Не так давно Samsung представила самую большую, по ее утверждению, TFT-панель, в которой применяется технология низкотемпературного поликристаллического кремния (Low Temperature Poly-Silicon — LTPS), — размер ее диагонали составляет 21,3 дюйма. Панель изготовлена с помощью передового метода кристаллизации тонких пленок, известного как Sequential Lateral Solidification, который значительно упрощает размещение управляющих цепей непосредственно на стеклянной подложке, а также заметно снижает стоимость производства. Продемонстрированная панель на базе новой технологии имеет разрешение 1600x1200 RGB-пикселей, поддерживает 16 млн цветов, обеспечивает уровень контрастности 500:1 и отличается широкими углами обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Конкурентная разработка в области компенсации временных задержек и улучшения качества отображения динамичных объектов, несколько отличная от технологии Mitsubishi cFFD имеется и в активе фирмы National Semiconductor. С помощью средств цифровой сигнальной обработки она устраняет задержки между прохождением управляющих сигналов и изменением оптических свойств жидкого кристалла в ячейках, отвечающих в данный момент за воспроизведение полутонов. Упомянутая технология уже применяется компанией HannStar Display при изготовлении 23-дюймовых панелей для ЖК-телевизоров.

Интересным развитием функциональных возможностей ЖК-технологии стала разработка компании Toshiba Matsushita Display Technology, которая оснастила свои ЖК-дисплеи функцией захвата экрана. 3,5-дюймовый Input Display обеспечивает отображение информации с качеством QVGA (320x240). Использование низкотемпературного поликристаллического кремния явилось ключом к новому уровню функциональности устройства. Подвижность жидких кристаллов в LTPS-панелях позволила уменьшить размеры пиксельных транзисторов и разместить рядом с каждым из них оптический сенсор. Благодаря этому панель способна работать как сканер и получать монохромное цифровое изображение поверхности находящегося с ней в контакте объекта с разрешением до 960x240 пикселей. Компания-разработчик рассчитывает в дальнейшем использовать данную технологию в различных решениях для бизнеса и домашнего применения, в частности, в системах безопасности, основанных на распознавании отпечатков пальцев.

Кандидаты в революционеры

Перед тем как перейти к рассказу о новых технологиях, отметим, в настоящей статье речь пойдет лишь о тех из них, что уже используются при создании конечных изделий.

Organic Light Emitting Diode

Первой в этом ряду наиболее перспективных технологических разработок на звание «заместителя ЖК-технологии» стоит признать технологию OLED (Organic Light Emitting Diode), у которой сегодня немало приверженцев. Также необходимо отметить, что уже сегодня множество устройств портативной техники использует именно этот тип матриц, и их качество зачастую поражает. Яркость составляет до 100 000 кд/м2, контрастность 400:1, время реакции 10 мс и угол обзора 160 градусов. Эти показатели выше, чем у лучших на сегодняшний день ЖК-мониторов. Кстати, именно поэтому на данную технологию помимо производителей компьютерной техники обратили внимание и производители телевизоров. Впрочем, важнейшим фактором популярности OLED является себестоимость производства. Подсчитано, что у OLED-мониторов она будет ощутимо ниже, чем у LCD, при условии по-настоящему массового производства первых. Не стоит забывать и о том, что толщина OLED-дисплея меньше, чем у любой другой разработки. Для рабочего стола это, может, уже и не столь актуально, а вот для сотового телефона, ноутбука или КПК — весьма. Еще один плюс технологии — низкое энергопотребление.

Ознакомившись с преимуществами технологии OLED, поговорим о ее физической основе, которая не менее интересна. Сразу отметим, что светодиоды вещь отнюдь не новая. В технике они получили широкое распространение еще в середине XX века, а идея создания первых устройств отображения на базе диодов возникла уже в начале 1980-х годов, но не была реализована из-за отсутствия необходимых материалов. Ситуация изменилась с появлением органических материалов особой группы — так называемых проводящих электролюминесцентных полимеров, которые были впервые получены в 1989 году в Кембриджском университете Ричардом Френдом (Richard H. Friend). Основой для них служат высокомолекулярные соединения с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные связи. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы вследствие участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси; после их ввода появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи. Эти материалы обладают все теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, то есть способны образовывать p-n-переход, и что интересно — при определенных условиях — излучать свет. Это позволило создать комбинированные по принципу действия устройства — излучающие диоды.

Структура OLED-ячейки многослойна. Сверху OLED-панели располагается металлический катод, снизу — прозрачный анод. Между ними — несколько органических слоев, собственно, и составляющих светодиод. Один слой является источником дырок, второй полупроводниковым каналом, третий слой транспортирует электроны и, наконец, в четвертом слое происходит замещение дырок электронами, которое в светоизлучающих полимерах сопровождается световым излучением. Как и ЖК-, OLED-дисплеи бывают активные и пассивные. Разница в их структуре состоит в том, что в активных матрицах в каждый отдельный пиксель к органическому светодиоду добавлен тонкослойный транзистор, регулирующий силу тока, проходящего через ячейку. Между прочим, эта технология позволяет обойтись без обратной подсветки дисплея, необходимой для ЖК-дисплея. Собственно, это и обуславливает рекордно низкое энергопотребление OLED-устройств.

Достижения индустрии OLED впечатляют. Так, еще год назад на выставке CEATEC JAPAN ‘2002 компания Sanyo Electric представила образец 15-дюймового OLED-монитора, самого крупноформатного в мире (по ее заявлению) цветного дисплея данного типа. В нем используются светодиоды белого цвета, изготовленные с применением технологий Eastman Kodak (в декабре 2001 года Kodak и Sanyo основали совместное предприятие SK Display для разработки и выпуска OLED-панелей для потребительской электроники). Продемонстрированный продукт управлялся активной матрицей, имел размеры 1280x720 пикселей и поддерживал 262144 цвета. Следует отметить, что более компактные OLED-панели уже сегодня способны отобрать 65 тыс. цветов, то есть и по показателю цветности не уступают ЖК-собратьям.

Еще одно развитие технологии заключается в том, что японским ученым из компании ELDis (совместное предприятие Sharp, Semiconductor Energy Laboratory и Pioneer) удалось создать первую в мире OLED-панель двойного излучения (double-emission). Данное устройство предназначено для использования в раскладных мобильных телефонах, где оно одновременно исполняет функции внешнего и внутреннего дисплеев, так как изображение на нем можно видеть как с одной, так и с другой стороны. По данным разработчика, применение двухстороннего OLED-дисплея позволит добиться удешевления телефона за счет использования меньшего количества комплектующих.

По большому счету, рынок открыт для новой технологии. По мнению специалистов аналитической фирмы DisplaySearch, к 2005 году оборот на рынке OLED-панелей достигнет $3,3 млрд (в сравнении с $24 млн в нынешнем). В основном они будут применяться в смартфонах, планшетных ПК, электронных книгах и КПК. Высказываются предположения, что их доля в данном сегменте к тому времени достигнет 30–40%. С оптимизмом на перспективы технологии смотрят и производители. Многие из них сегодня строят заводы по созданию OLED-панелей. Так, компания Sanyo Electric к весне будущего года собирается осуществить миграцию основной части (около 60%) своих мощностей по выпуску ЖК-дисплеев на технологии OLED. Активноматричные панели Sanyo изготавливаются на предприятии Torisan — принадлежащей ей дочерней компании. Одна из двух технологических линий этого завода способна производить 380 тыс. 13,3-дюймовых панелей в месяц, мощность второй составляет 160 тыс. 15-дюймовых панелей. Sanyo собирается полностью переоборудовать 13,3-дюймовую линию под выпуск основы для активноматричных OLED-панелей (AMOLED) из низкотемпературного полисиликона. Кроме того, на заводе будет установлено дополнительное оборудование, которое позволит осуществлять полный цикл создания OLED-продуктов. Действия Sanyo отражают стремление японских производителей сохранить лидерство в наиболее совершенных дисплейных технологиях. В настоящее время Япония занимает доминирующую позицию в нише ЖК-мониторов высокого уровня, тогда как в остальных сегментах рынка (активноматричные ЖК-панели, пассивноматричные ЖК- и OLED-устройства) ее теснят Тайвань и Южная Корея.

iFire Thick-film Dielectric ElectroLuminescent (TDEL)

Хотя разработка технологии, ставшей воплощением идеи инженеров компании iFire, началась еще 12 лет назад, аббревиатура TDEL на слуху совсем недавно. Вообще стоит сказать, что, несмотря на полную производственную готовность, не обремененную какими-либо технологическими сложностями, технология TDEL вышла на рынок без принятой в таких случаях помпезности и шума. Среди достоинств новой технологии: высокие показатели яркости и контрастности (около 500 кд/м2 при контрастном соотношении 500:1), которые сравнимы с ЭЛТ-трубками (150 кд/м2, 300:1). Кроме того, TDEL-панелям присущи малая толщина, не превышающая нескольких сантиметров, а также большой угол обзора, достигающий 170 градусов. Другой важный момент заключается в том, что сами по себе TDEL-панели состоят из нескольких твердых тонких слоев и не содержат каких-либо нестойких соединений. Ожидается также, что стоимость их изготовления будет на 30–40% ниже, чем для любого другого типа плоских дисплеев, включая OLED- и традиционные LCD- и PDP-панели.

Если говорить о преимуществах TDEL-технологии перед OLED, то, по словам разработчиков, они заключаются в том, что образцы продуктов на базе первой соответствуют по показателям отображения палитры жестким требованиям европейских и американских телевизионных стандартов. Хотя сегодня индустрия и проявляет значительный интерес к OLED-технологии, пока не существует образцов техники на базе этой технологии, обладающих сколько-нибудь приемлемым для повседневного использования качеством цветопередачи. Да, технология OLED все чаще применяется в мобильных телефонах, но в них используется ограниченная по цветопредставлению палитра. Также стоит отметить, что время отзыва TDEL-пикселов не превышает 2 мс, чего вполне достаточно для качественного воспроизведения видео (у лучших LCD- и OLED-панелей этот показатель составляет 10 мс и более).

Обратимся к физическим принципам работы Thick-film Dielectric ElectroLuminescent. Суть действия электролюминесцентных панелей заключается в приложении электрического поля к многослойной структуре из двух электродов (полупрозрачного и алюминиевого) и слою диэлектрика, на который нанесен слой люминесцентного фосфора. Последний излучает свет под воздействием электромагнитного поля. Обычно фосфор состоит из какого-либо полупроводника, играющего роль генератора «разогретых» электронов, и излучающих центров с поглотителями, в роли которых выступают атомы марганца, теллура или меди. Напряжение, необходимое для возбуждения люминесценции, столь велико, что пробивание тонкого слоя фосфора неизбежно. Поэтому обычно конструкция включает в себя два слоя диэлектрика, изолирующих фосфор от прямого контакта с электродами. Прибегнув к нанесению толстого слоя диэлектрика, сотрудникам iFire удалось увеличить надежность конструкции, что позволило масштабировать IEL-технологию на дисплеи большого формата и повысить их яркость.

Несмотря на полную производственную готовность технологии, перед специалистами из iFire не раз вставали сложнейшие, и, казалось бы, неразрешимые проблемы по доведению разработки до приемлемого потребительского уровня. Так, на первых порах технология казалась лишь уделом монохромных систем. Использовавшиеся вначале смеси наиболее ярких неорганических фосфоров — ZnS и SrSCe — характеризовались излучением широкого спектра длин волн, однако не позволяли получить чистый свет с заданной длиной волны. Первое, что пришло в голову ученым для решения указанной проблемы, использование цветных фильтров, которые успешно применяются в ЖК-технологии. Впрочем, в сфере неорганических электролюминесцентных тонкопленочных панелей такое ухищрение желаемого эффекта не принесло. Поэтому разработки продолжились.

Вторым шагом на пути достижения качественной цветопередачи стало использование фосфоров двух типов — белого и голубого свечения. Интересно, что необходимость совмещения этих крайне неустойчивых компонентов привела к прорыву в области неорганических фосфорсодержащих элементов. Для их совмещения ученые еще больше усложнили многослойную структуру. И новые матрицы теперь создавались путем обратной литографии таким образом, что несовместимые слои фосфора находились в разных слоях TDEL-матрицы.

В 2001 году техника литографического совмещения слоев фосфора дала положительные результаты — прототипы новых панелей по качеству цветопередачи «дотянулись» до ЭЛТ-устройств. В новых панелях применялся новый фосфор зеленого (SrSCe) и голубого (BaAl2S4Eu) свечения, а также фильтры для имитации красного цвета. Сегодня образцы TDEL-дисплеев демонстрируют превосходное качество цветопередачи. Перспективными областями применения этой технологии принято считать устройства самого широкого круга. TDEL-панели могут быть использованы при производстве широкоформатных телевизоров, экранов мобильных телефонов, не говоря уже о мониторах для десктопов. Впрочем, на пути внедрения технологии оказалась неожиданная преграда: конкуренция между TDEL и OLED настолько велика, что многие производители просто-таки теряются в выборе.

И у TDEL, и у OLED есть свои приверженцы. К примеру, в 2004 году компания TDK планирует приступить к массовому выпуску панелей на основе неорганических электролюминесцентных материалов, в которых собирается применять технологию, разработанную iFire Technology. По сообщению производителя, дисплеи нового типа будут иметь меньшую толщину, чем широко используемые сегодня ЖК-панели, а также весьма высокое качество отображения. Прототип 4,25-дюймового пассивноматричного неорганического электролюминесцентного дисплея TDK продемонстрировала на последней выставке CEATEC JAPAN. Прототип имел разрешение 240x180, размер пикселя у него составлял 0,11x0,33 мм. По утверждению компании, экспериментальный образец обладает наибольшей среди панелей своего типа яркостью — 200 кд/кв. м.