Электронные дисплеи

Принцип действия активного  параллакс-барьера  между ЖК-панелью  и лампой подсветки

В настоящее  время исследования в области создания 3D-дисплеев на базе ЖК-технологии ведут компании Eastman Kodak, Hitachi, NEC, Philips, Samsung, Sanyo, Sharp и Toshiba.

Электронные чернила (e-ink)

Технология электронных  чернил была разработана компаниями E Ink и Philips. В ходе многолетних исследований ученым удалось создать новый тип устройств визуализации информации — электрофоретические отражающие дисплеи. Такие устройства обладают оптическими и механическими характеристиками, схожими с обычной бумагой. Базовыми элементами электрофоретических дисплеев являются микрокапсулы, диаметр которых не превышает толщину человеческого волоса. Внутри каждой микрокапсулы находится большое количество пигментных частиц двух цветов: положительно заряженные белые и отрицательно заряженные черные, а все внутреннее пространство микрокапсулы заполнено вязкой прозрачной жидкостью.   

Принцип работы электрофоретического отражающего дисплея

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

Дисплеи на базе электронных чернил способны сохранять изображение на экране даже при отсутствии электропитания (подача напряжения на управляющие электроды необходима лишь для переключения состояния пиксела), что наряду с отсутствием лампы подсветки обеспечивает очень низкий уровень энергопотребления. Такие дисплеи являются отражающими и обеспечивают хорошую читаемость изображения практически под любым углом и при любом освещении. В качестве подложки для создания дисплеев на основе электронных чернил можно использовать различные материалы: стекло, пластик, металлическую фольгу, ткань и даже бумагу. Уже созданы прототипы подобных дисплеев на гибкой подложке, способные сохранять работоспособность при сгибании и даже скручивании в рулон.   

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.  

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.