Электронные дисплеи

 

Так выглядит изображение на экране  
электрофоретического дисплея

Основными недостатками дисплеев на базе электронных чернил являются большое время переключения пикселов (0,5-1 с) и ограниченное количество воспроизводимых оттенков (серийно выпускаемые модули позволяют отображать 4 либо 16 оттенков серого). 

 

Прототип гибкого дисплея на базе электронных  
чернил (фото Plastic Logic)

В настоящее время технология электронных чернил, позволяющая создавать монохромные отражающие дисплеи, находится на начальной стадии коммерциализации. Основной сферой применения подобных дисплеев являются устройства для чтения электронных книг, бюджетные модели аудиоплееров и мобильных телефонов, информационные табло в общественных местах (магазинах, вокзалах, остановках общественного транспорта и т.д.). На протяжении уже нескольких лет выпускаются устройства для чтения электронных книг, оснащенные дисплеями на базе электронных чернил компании E Ink (подробнее об этом можно прочитать в статье «Книги нового тысячелетия»). Есть примеры использования таких дисплеев и в других типах устройств. Так, в 2005 году компания Seiko выпустила наручные электронные часы, оснащенные дисплеем на базе электронных чернил, а в конце 2006-го компания Motorola представила первый мобильный телефон с подобным дисплеем (модель Motofone F3). 

 

Устройство для чтения электронных книг  
iRex iLiad, оснащенное отражающим электрофоретическим  
дисплеем компании E Ink (фото iRex)

В настоящее время исследователи ведут работы по созданию цветных электрофоретических дисплеев, обладающих небольшим временем отклика. На протяжении последних лет было продемонстрировано несколько работающих прототипов подобных дисплейных панелей (в том числе и созданные на гибкой подложке), однако никакой информации о предполагаемых сроках их внедрения в серийно выпускаемых изделиях пока нет. 

 

Наручные электронные часы Seiko, оснащенные дисплеем на базе электронных чернил	В мобильном телефоне Motorola Motofone F3 используется сегментный дисплей на базе электронных чернил (фото Motorola)

Дисплеи на базе бистабильных ЖК-структур (ChLCD и PABN LCD)

По мере роста популярности и многообразия портативных электронных устройств производители проявляют все больший интерес к дисплеям на базе бистабильных ЖК-структур. В отличие от традиционных ЖК-дисплеев, в таких устройствах используются микроструктуры, способные в течение длительного времени находиться в одном из двух устойчивых состояний даже при отсутствии внешнего электрического поля (отсюда и название «бистабильные»). В одном из этих состояний ячейка на основе жидкого кристалла пропускает свет, а в другом — нет. Переключение ячейки из одного состояния осуществляется посредством воздействия внешнего электрического поля, возникающего при подаче напряжения на пару управляющих электродов. Объединив множество бистабильных ячеек в двумерный массив, можно создать дисплей с очень высокой разрешающей способностью (порядка нескольких сотен и даже тысяч пикселов на дюйм). 

 

                                           

Монохромная дисплейная панель ChLCD,  
выпускаемая компанией LC-TEC Displays

По своим свойствам подобные дисплеи во многом схожи с описанными в предыдущем разделе устройствами на базе электронных чернил. Они обладают очень низким уровнем энергопотребления и способны сохранять изображение на экране при отключении питания. Как и в случае дисплеев на базе электронных чернил, существенным их недостатком является большое (порядка 1 с) время переключения состояния пиксела, что делает невозможным отображение видео. Используя бистабильные ЖК-структуры, можно создавать монохромные и цветные дисплеи — как оснащенные подсветкой, так и без нее. 

 

                                             

Прототип цветного дисплея, созданного 
по технологии PABN LCD специалистами одной 
из лабораторий НР

Начиная с 1993 года работы в области создания дисплеев на базе холестерических жидких кристаллов (Cholesteric Liquid Crystal Display, ChLCD) ведет компания Kent Displays. Технология ChLCD позволяет создавать как монохромные, так и цветные дисплеи различных размеров. Разработкой и производством монохромных дисплейных панелей на базе бистабильных ЖК-структур занимается также шведская компания LC-TEC Displays.

Основная сфера применения монохромных дисплеев с использованием бистабильных ЖК-структур — портативные электронные устройства, а также информационные табло, вывески и т.д.

В настоящее время технология ChLCD находится в стадии коммерциализации — монохромные дисплеи данного типа используются в ряде серийно выпускаемых изделий. Например, во второй половине 2005 года компания A-Data выпустила портативные флэш-накопители, оснащенные небольшими монохромными дисплеями (на которых отображается имя диска и количество оставшегося свободного места), а в числе экспонатов CeBit 2006 была представлена даже SD-карта с дисплеем.

Развитием одной из разновидностей данной технологии, позволяющей создавать цветные дисплеи с высокой разрешающей способностью, занимается группа ученых расположенной в Бристоле (Великобритания) лаборатории НР. Данная технология, получившая название PABN LCD (Post-Aligned Bistable Nematic LCD), уже на нынешнем уровне развития позволяет создавать цветные дисплеи с разрешающей способностью порядка 200-400 ppi (что вполне сопоставимо с детальностью отпечатков цветных лазерных принтеров начального уровня).

Дисплеи на базе технологий SED, FED и NED

Группа из трех родственных технологий — FED (Field Emission Display), SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) и NED (Nanotube Emissive Display) — является качественно новой ступенью развития дисплеев на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Как и в случае ЭЛТ, изображение на экранах дисплеев перечисленных типов формируется за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. Правда, в отличие от ЭЛТ, оснащенной всего лишь тремя электронными пушками, лучи каждой из которых при помощи электромагнитной отклоняющей системы последовательно пробегают по строкам экрана, в SED-дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые конусы диаметром всего около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. (В NED-устройствах в качестве источников электронов используются углеродные нанотрубки.) 

 

Принцип работы SED-дисплея

Применение большого количества миниатюрных источников электронов позволяет сделать дисплеи значительно более тонкими, легкими и экономичными по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. При этом SED-, FED- и NED-дисплеи обладают многими достоинствами систем на базе ЭЛТ: высоким уровнем яркости и контрастности изображения, большим углом обзора, широким цветовым охватом и высокой точностью цветопередачи, а также незначительной инерционностью изображения.

Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) обеспечивает высокую надежность дисплейных панелей — в отличие от ЖК-мониторов, где выход из строя транзистора, управляющего одним из субпикселов, автоматически означает появление «мертвого» (или залипшего) пиксела на экране. 

 

                      

Прототип SED-дисплея Canon

Определенным недостатком дисплеев рассматриваемых типов является сложность (а следовательно, и дороговизна) их производства. По мнению экспертов, именно по этой причине выпуск таких устройств будет рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана (50 дюймов и более).

В 2005 году компании Canon и Toshiba основали совместное предприятие для разработки и производства дисплейных панелей на базе технологии SED. В октябре 2006-го на конференции FPD International 2006 был продемонстрирован прототип 55-дюймовой SED-панели, имеющей разрешение Full HD и обеспечивающей контрастность изображения на уровне 100 000:1. Однако приступить выпуску SED-дисплеев в конце 2006 года (как это планировалось первоначально) по ряду причин не получилось. А в начале 2007 года стало известно, что Toshiba продала свою долю в совместном предприятии компании Canon. Представители Canon пока официально отрицают наличие технологических трудностей, препятствующих запуску серийного производства SED-дисплеев, но при этом отказываются назвать хотя бы приблизительные сроки их появления на рынке. 

 

Прототип FED-дисплея

Между тем в конце 2006 года компания Sony и японский технологический фонд Technology Carve-out Investment Fund (TCI) основали предприятие Field Emission Technologies, основным направлением деятельности которого является разработка пригодных к коммерческой эксплуатации FED-дисплеев. Менее чем через год, на выставке CEATEC Japan 2007, представители Field Emission Technologies продемонстрировали работающий прототип 19-дюймового FED-дисплея, имеющего разрешающую способность 1280x960 пикселов и работающего с частотой регенерации 240 кадров в секунду (это позволяет устранить эффект мерцания, присущий телевизорам на базе ЭЛТ). По информации разработчиков, при одинаковой яркости энергопотребление FED-панели оказывается примерно втрое ниже по сравнению с ЖК-дисплеем, имеющим аналогичные размеры и разрешение экрана.

В настоящее время технологии SED и FED находятся на пороге коммерциализации, и вполне возможно, что первые серийные продукты поступят в продажу уже в 2008 году.

LCoS

Технология LCoS (Liquid Crystal on Silicon — жидкие кристаллы на кремнии) разработана для использования в проекционных устройствах. Центральной частью LCoS-устройства является ЖК-матрица (микродисплей), изготовленная на кремниевой подложке (на ней же расположены и управляющие работой ячеек транзисторы). Однако, в отличие от классической проекционной ЖК-технологии, в данном случае микродисплей работает на отражение. Благодаря этому LCoS-технология обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционной ЖК-технологией — в частности пикселы микродисплея LCoS характеризуются меньшим временем реакции, а за счет того, что транзисторы микродисплея расположены под ячейками субпикселов и не препятствуют прохождению света, и значительно большей апертурой. 

 

Принцип работы проекционного устройства на базе LCoS

Исследованиями в области LCoS занимались несколько научных групп. Наибольших успехов в начале нынешнего десятилетия удалось достичь сотрудникам исследовательского отдела компании Philips. По мнению разработчиков, на базе технологии LCoS можно создавать недорогие и качественные проекционные устройства — мультимедиапроекторы и проекционные телевизоры. Таким образом, в перспективе LCoS вполне способна стать третьей силой на современном рынке мультимедиапроекторов и потеснить технологии, традиционно используемые в данном типе устройств (речь идет о DLP и 3LCD).

В 2003 году развитием и внедрением LCoS в коммерческие устройства всерьез заинтересовалась корпорация Intel. В январе 2004-го на выставке CES 2004 представители Intel объявили о намерении развивать эту технологию и в ближайшем будущем наладить серийное производство LCoS-чипов для проекционных телевизоров и мультимедиапроекторов. Спустя всего два месяца на весеннем форуме IDF были продемонстрированы работающие прототипы проекционных устройств на базе LCoS-чипов. Согласно первоначальному плану, начало серийного производства LCoS-чипов на мощностях компании Intel было намечено на вторую половину 2004 года. Однако в конце того же года Philips неожиданно объявила об уходе с рынка LCoS-чипов, свертывании всех исследовательских работ в данном направлении и прекращении выпуска соответствующих продуктов. Вскоре компания Intel также объявила о закрытии проекта по развитию технологии LCoS. После этих событий многие производители проекционных устройств утратили интерес к данной технологии, и на некоторое время она оказалась в тени. 

 

Проектор JVC DLA-RS1, построенный  
на базе технологии LCoS

Тем не менее компании Hitachi, Sony и JVC продолжили работу по развитию данной технологии и выпустили несколько серийных моделей проекционных устройств на базе LCoS. Преодолев определенные технические трудности, китайские компании TSMC и SMIC сумели наладить серийный выпуск больших партий LCoS-чипов.

В 2007 году Sony выпустила первые модели проекторов класса Full HD, построенные на базе технологии SXRD (Silicon X-tal Reflective Display), фактически являющейся фирменной интерпретацией LCoS. Так что в течение ближайших двух лет с большой вероятностью можно ожидать нового всплеска интереса к технологии LCoS и ее клонам. Тем более что сроки действия патентов на эту технологию истекли и теперь производителям не придется платить лицензионные отчисления за ее использование.

Пикопроекторы

Термин «пикопроекторы», введенный в обращение специалистами компании Texas Instruments (TI), обозначает миниатюрные проекционные устройства, которые могут быть использованы как для создания карманных мультимедиапроекторов, так и в качестве модулей, встраиваемых в мобильные устройства (сотовые телефоны, КПК, портативные цифровые медиаплееры и пр.). Значительный рост интереса разработчиков и производителей портативной техники к созданию пикопроекторов, пригодных для применения в серийно выпускаемых изделиях, обусловлен тенденциями развития данного сегмента рынка. В то время как физические размеры мобильных устройств неуклонно уменьшаются, набор заложенных в них функциональных возможностей с каждым годом расширяется. Вполне очевидно, что разместить в маленьком корпусе большой дисплей, который бы обеспечивал достаточно комфортную работу с современными мобильными приложениями, становится все сложнее. И неспроста разработчики обратили свои взоры на проекционные устройства — ведь именно это решение позволяет без особых проблем получать изображение, размеры которого во много раз превосходят габариты самого аппарата. 

 

Прототип встраиваемого модуля пикопроектора,  
созданный инженерами компании Microvision 
на базе полупроводниковых лазеров 
и микроэлектромеханической системы развертки  
(фото Microvision)

По размеру существующие прототипы пикопроекторов не больше спичечного коробка, а низкий уровень энергопотребления позволяет использовать питание от автономных источников (аккумуляторов). В настоящее время уже создано несколько различных конструкций миниатюрных проекционных модулей, позволяющих формировать цветное изображение. В качестве источников света в пикопроекторах применяются яркие светодиоды или полупроводниковые лазеры, а роль модуляторов выполняют DMD-матрицы, ЖК-панели либо системы развертки с миниатюрным подвижным микрозеркалом. 

 

Мобильные телефоны со встроенным проектором  
могут появиться в продаже уже в 2009 году

Работы по созданию пикопроекторов и ключевых компонентов для них в настоящее время ведут компании Displaytech, Explay, Light Blue Optics, Microvision и Texas Instruments. Интересно отметить, что компания Microvision при создании своего лазерного пикопроектора использовала многие технические решения, изначально разработанные для VRD-дисплеев. В 2006-2007 годах на нескольких крупных международных выставках были продемонстрированы работающие прототипы пикопроекоторов (подробнее см. в публикации «Бум пикопроекторов»). В 2008 году появилиcь первых прототипов мобильных устройств, оснащенных встроенными пикопроекторами. Серийно выпускаемые устройства со встроенными пикопроекторами появялись на рынке в 2009 году.