Телескопический пиксель" - новый конкурент LCD?

[evn]

Автор: Александр Будик
Дата: 29.07.2008

Вступление

Несмотря на бурное развитие различных альтернативных технологий, жидкокристаллические дисплеи на сегодняшний день остаются наиболее широко используемыми в сфере высоких технологий. SED, OLED, DLP, плазменная и лазерная технологии - вот далеко не полный перечень разработок, которые призваны потеснить ЖК-панели с лидерских позиций, но этого им сделать пока не удалось. А не удалось потому, что LCD-технология обладает совокупностью ряда важных достоинств, таких как высокое разрешение, малое потребление электроэнергии, небольшая себестоимость, компактность, сравнительно большое время наработки на отказ. Все другие разработки либо превосходят LCD по характеристикам, но проигрывают по цене, либо, наоборот, сравнимы по себестоимости производства, но с технической стороны имеют серьезные недостатки.
Все дисплеи можно разделить на три типа: трансмиссивные (свет проходит через пиксель), рефлективные (свет отражается от пикселя) и эмиссионные (пиксель сам генерирует свет). Примерами эмиссионных являются дисплеи на органических светодиодах (OLED) и плазменные панели. OLED-технология обеспечивает хорошую цветопередачу и контрастность, но для неё характерен высокий процент брака и небольшой жизненный цикл (правда, сейчас этот параметр значительно улучшен), что ограничивает сферу её применения. Кроме того, OLED используется, в основном, для производства маленьких дисплеев, так как себестоимость больших панелей пока слишком высока. Плазменная технология, наоборот, хорошо подходит для производства больших панелей, но пиксели настолько крупные, что дисплеи с диагональю менее 32 дюймов не выпускаются.

150" плазменная панель Panasonic.​

Для производства рефлективных дисплеев применяется два базовых подхода. Первый, использующий рассеянный свет, отличается малой потребляемой мощностью, но обладает плохой цветопередачей и невысокой контрастностью. Второй основан на использовании MEMS-микросхем и обеспечивает хорошие характеристики, но себестоимость производства при этом оказывается слишком высокой.

Технология DLP компании Texas Instruments, использующая массивы деформируемых микрозеркал, является примером рефлективной системы.​

Что касается трансмиссивных дисплеев, то здесь самой популярной остаётся LCD-технология, о достоинствах которой мы уже говорили. Из альтернативных решений можно отметить дисплеи на основе эффекта электросмачивания (electrowetting), технологию UniPixel, использующую эффект полного внутреннего отражения, а также дисплеи на базе механических шторок (shutters), сформированных на кремниевых микросхемах. Они обладают такими недостатками, как невысокая контрастность и плохая цветопередача ("электросмачиваемые" дисплеи), неравномерность подсветки, что ограничивает размеры панелей (технология UniPixel), сложность производства и дороговизна (дисплеи на базе механических шторок).
Тем не менее, разработчикам жидкокристаллических панелей есть к чему стремиться. Ведь ЖКдисплеи отнюдь не идеальны и также имеют достаточно недостатков. Матрицы TN+Film отличаются небольшим коэффициентом контрастности, слабыми углами обзора, малой яркостью и не очень качественной цветопередачей. В технологиях MVA, PVA и S-IPS эти недостатки выражены уже не так ярко, но все они характеризуются сравнительно большим временем отклика, что затрудняет их использование в динамичных приложениях (например, играх). Кроме того, мониторы и телевизоры на базе этих матриц стоят заметно дороже.

Структура жидкокристаллической панели.​

Попробуем выяснить истоки проблемы малого коэффициента контрастности и небольшой яркости. Дело в том, что жидкие кристаллы не могут полностью блокировать световой поток даже в выключенном состоянии. В результате такие панели не обладают глубоким черным цветом, что особенно заметно при работе в темном помещении. Ситуация усугубляется тем, что эффективность подсветки составляет около 5-10% - поляризатор блокирует более 50% светового потока, далее цветовые фильтры "съедают" еще около 70% от оставшегося света, также часть света теряется в других слоях. Поэтому вполне естественным выглядит желание увеличить эффективность подсветки, ведь это позволит улучшить показатели контрастности и яркости, а также уменьшить потребляемую мощность панелей.

"Телескопические пиксели". Описание технологии

Мы плавно подошли к тому, ради чего и задумывалась данная статья. В очередном выпуске Nature Photonics появилось сообщение о новой технологии, разработанной совместно инженерами из Microsoft Research и сотрудниками Вашингтонского университета, которая позволит создавать дисплеи со временем отклика менее 1,5 мс, высоким разрешением, яркостью, контрастностью и эффективностью подсветки, а также относительно небольшой себестоимостью. При этом новая разработка не потребует больших затрат на внедрение в производство, так как совместима с традиционным оборудованием для выпуска ЖК-панелей.
Новая технология получила название "телескопический пиксель" (telescopic pixel). Слово "телескопический" в названии отображает тот факт, что каждый пиксель представляет собой миниатюрный телескоп, состоящий из главного (primary) и вспомогательного (secondary) зеркал. Под напряжением главное зеркало, которое в начальном состоянии представляет собой плоскость, принимает почти параболическую форму.
Принцип работы такой системы прост. Когда пиксель находится в выключенном состоянии, напряжение не подается, и главное зеркало становится плоским. Таким образом, оба зеркала блокируют прохождение света, вследствие чего пиксель кажется черным.

Пиксель выключен.​

Во включенном состоянии главное зеркало принимает форму, как показано на рисунке ниже. В таком положении оно фокусирует на вспомогательное зеркало свет, который, отражаясь от него, проходит сквозь щель диаметром 40 мкм и формирует светлый пиксель.

После подачи напряжения зеркало деформируется, и свет проходит сквозь щель.​

 

[evn]

Для любознательных читателей приведём габариты основных компонентов пикселя. Радиус главного зеркала составляет 50 мкм, вспомогательного - 25 мкм, расстояние между двумя электродами достигает 6 мкм, между зеркалами - 175 мкм. Мембранное отверстие уступает по размеру вспомогательному зеркалу, что позволяет минимизировать дифракцию.
Главное зеркало представляет собой металлическую мембрану в форме круга с отверстием в центре (толщина мембраты - всего 100 нанометров), которая подключается к управляющим электродам, выполненным из оксида индий-олова (ITO, Indium Tin Oxide). Вспомогательное зеркало является рельефной металлической плёнкой и крепится непосредственно к стеклянному основанию. Изменение формы главного зеркала происходит под действием электростатической силы, которая возникает при подаче напряжения между металлической мембраной и электродом.
Прототип системы "телескопического пикселя" был создан с использованием стандартной MEMS-технологии, но исследователи отмечают, что для массового выпуска подойдут традиционные производственные линии LCD. Главное зеркало было создано методом сухого травления, а вспомогательное - путём формирования рисунка из металлических частиц на стеклянной подложке. Зеркала изготавливались отдельно, после чего были смонтированы на общую основу.
Оксид индий-олова, из которого делаются электроды, может быть заменен алюминиевым слоем. Тогда процесс создания пикселя упрощается и представляет собой пять несложных этапов: нанесение трёх алюминиевых слоёв, одного полиимидного слоя и пластикового разделительного слоя. Испытуемая система подключалась к генератору прямоугольных импульсов и усилителю. Источник света размещался снизу, а пиксели можно было наблюдать сверху под микроскопом.
Первый образец "телескопического пикселя" показал контрастность всего 20:1, но исследователей это не огорчило. Они объяснили такой результат использованием неколлимированного света в качестве подсветки. Потенциал самой технологии гораздо шире. Работа системы с "телескопическим пикселем" была смоделирована с помощью программного обеспечения OptiFDTD компании Optiwave, которое показало, что показатель контрастности может достигать значения 800:1 и даже выше.
Представив новую технологию, разработчики попытались подсчитать эффективность подсветки, которая, как мы уже отметили ранее, составляет всего 5-10% типичных ЖК-панелей. Общее количество передаваемого света зависит от коэффициента заполнения и степени светопропускания пикселя. Круглые пиксели могут быть объединены в двухмерный массив, как показано на рисунке снизу. Если пиксели плотно "упаковать", то максимальный коэффициент заполнения достигает π/4, или примерно 78%. На изображении представлена фотография экспериментально собранного массива пикселей с максимальным коэффициентом заполнения.

Теперь подсчитаем коэффициент светопропускания пикселя. Так как вспомогательное зеркало имеет вдвое меньший диаметр, чем главное, оно блокирует 25% света. Таким образом, 75% света доходит до главной мембраны. Моделирование показало, что 95% оставшегося света может проходить сквозь главное зеркало, но на экспериментальном прототипе исследователи смогли достичь пока только 61%.
Таким образом, эффективность подсветки составила π/4х0,75х61%, что приблизительно равно 36%. При этом теоретически есть возможность достигнуть эффективности 56%, что в 5-10 раз превышает показатели современных ЖК-панелей. Но даже 36% можно считать серьезным достижением.
Еще одним существенным преимуществом новой технологии является высокая скорость реакции пикселя, что позволит дисплеям хорошо справляться с показом динамических сцен. Кроме того, как отметил представитель Microsoft Research Майкл Синклер (Michael Sinclair), это позволит снизить себестоимость панелей за счет использования подсветки, состоящей из синего, зеленого и голубого светодиодов, которые будут последовательно включаться/выключаться. При таком подходе отпадает необходимость в использовании громоздкой схемы из трёх субпикселей, применяемой в традиционных ЖК-панелях, что означает упрощение производственного процесса и, соответственно, снижение затрат.
Итак, обобщим ключевые особенности системы "телескопического пикселя":

• высокая эффективность подсветки, теоретически, в 5-10 раз превышающая показатели современных ЖК-панелей;
• высокая теоретическая контрастность, которая может превышать значение 800:1;
• высокая масштабируемость пикселя, что позволяет создавать панели с разными, в том числе и очень высокими разрешениями (при разработке прототипа удалось создать пиксель диаметром всего 100 мкм);
• время отклика менее 1,5 мс, что очень хорошо даже по меркам современных быстрых матриц TN;
• возможность использования подсветки из трёх светодиодов, что упрощает схему пикселя;
• небольшая себестоимость, совместимость с существующими производственными линиями.

Перспективы

По мнению исследователей, одним из самых перспективных направлений применения новой технологии является создание сверхбольших панелей с высоким разрешением, на которые сегодня существует высокий спрос. Разработка панелей больших размеров является сложной задачей, поэтому часто применяется так называемый модульный подход - большие дисплеи собираются путём объединения меньших панелей. В настоящий момент такой подход используется для создания рефлективных дисплеев сверхвысокого разрешения. Это требует большого количества MEMS-микросхем, что делает такие дисплеи очень дорогими. Технология "телескопических пикселей", по утверждению её создателей, поможет сделать большие дисплеи более доступными.
По словам Майкла Синклера, Microsoft Research стремится создать большой и при этом недорогой дисплей, который станет мечтой ИТ-профессионалов. Вместо использования двух или более мониторов можно будет иметь одно огромное рабочее пространство - дисплей с высокой контрастностью и яркостью, малым временем отклика, небольшой толщиной и доступной ценой.
Исследователи гордо рассказывают о достоинствах своей разработки и почти ничего не говорят о недостатках, но действительно ли всё так радужно? Срирам Перувемба (Sriram Peruvemba), вице-президент по маркетингу компании E-Ink, ознакомившись с особенностями новой технологии, засомневался в её надежности. Дело в том, что в панелях на базе "телескопических пикселей" используются миллионы микроскопических движущихся механизмов, а ведь первое, что чаще всего выходит из строя, это механическая часть. Поэтому долговечность таких панелей остаётся пока под вопросом.
Кроме того, к недостаткам относится слишком высокое напряжение питания 120 В, о чем сообщают сами разработчики. Правда, ничего ужасающего в этом они не видят и уверены, что по мере дальнейших исследований напряжение будет снижено до приемлемого уровня.
Несмотря на оптимизм инженеров, первый прототип с контрастностью 20:1 ясно даёт понять, что на коммерческие рельсы технология встанет еще не скоро. Исследователям предстоит преодолеть множество преград на пути к успеху. Пожелаем им удачи, и будем надеяться, что "телескопические пиксели" всё же смогут выйти за стены исследовательских лабораторий.
Источники информации, использованные при подготовке статьи:

• Anna L. Pyat, Gary K. Starkweather and Michael J. Sinclair. A high-efficiency display based on a telescopic pixel design (июль 2008);
• Scalable Displays Technologies. Large, High-End, Innovative Displays on Any Surface (23 июня 2008);
• Norman Bardsley. Survivel of the Fittest: The Battle for the TV Market (26 апреля 2005);
• technologyreview.com;
• arstechnica.com.

 

[ScorpionSP]

Пора Евгения награждать "Орденом просвещения АС I степени"

 

[evn]

Служу Отечеству