Проходили годы, 286-е процессоры уступили дорогу 386-м, те, в свою очередь, — Pentium и Аthlon. Менялись не только частоты, но и архитектура памяти и наборов микросхем, только монитор с электронно-лучевой трубкой оставлял за собой почетное место на рабочем столе. Однако пришло время и ему сдавать свои позиции перед наступлением новых технологий. Пока основным конкурентом ЭЛТ-дисплеев считаются ЖК-экраны. Но не успели последние завоевать и половины рынка, как им на смену уже готовятся прийти мониторы с новой технологией — OLED (Organic Light Emitting Diodes — органические светоизлучающие диоды).
В основе работы OLED-дисплеев лежит принцип, используемый многими органическими формами жизни при излучении света, — люминесценция. Излучение происходит при переходе молекул соединения из состояния с более высоким уровнем энергии в основное. В светодиодах переход в состояние с высоким нестабильным уровнем энергии происходит при взаимодействии двух носителей зарядов — электронов и так называемых «дырок» (вакантные места для электронов в кристаллических решетках атомов).
Светодиод представляет собой соединение двух полупроводников различных видов, носителем заряда в которых являются электроны (полупроводник n-типа) или «дырки» (полупроводник p-типа). При подведении разности потенциалов к p-n-переходу электроны начинают движение по направлению к p-области, а «дырки» — в n-область. Те и другие скапливаются на границе раздела p- и n-областей, образуя друг с другом нестабильные высокоэнергетические связи. Возникшие пары «электрон—дырка» имеют малое время жизни: заряды рекомбинируются, и выделяется энергия в виде света.
|
|
Устройство современного OLED-элемента 1.Металлический катод 2.Промежуточный слой 3.Слой n-материала — донор электронов 4.Cлой p-материала — донор «дырок» 5.Слой p-материала 6.Промежуточный слой 7.Органический слой, в котором происходит рекомбинация заряда, и куда добавляется небольшое количество молекул флюоресцирующих соединений 8.Примеси, входящие в состав n-материала и обеспечивающие соответствующий цвет испускаемого элементом света 9.Прозрачный анод 10.Стекло 11.Тонкопленочные транзисторы (TFT, thin film transistors), управляют уровнем яркости каждой точки матрицы |
При использовании классических полупроводниковых материалов, например кремния, с такими p-n-переходами в качестве светодиодов требуется подводить к ним достаточно большое напряжение (порядка 100 В). Тем не менее экраны с применением этой технологии получили распространение в конце 50-х гг. в калькуляторах и других устройствах, позднее их заменили индикаторы на жидкокристаллических соединениях.
В то же время сравнительно давно известны вещества, знаменитые своими электролюминесцентными свойствами. (Они излучают свет при прохождении через них электрического тока.) Их пытались применять в дисплеях, но исследования в этом направлении не привели к каким-либо успехам, так как для получения сколько-нибудь заметного светового излучения требовалось достаточно высокое напряжение, а коэффициент преобразования электрической энергии в световую составлял менее 0,1 %. Прорыв произошел в 1987 г. — ученые одной из лабораторий фирмы Kodak Чинг Танг и Стив Слайк предложили использовать в электролюминесцентных устройствах два различных органических слоя, имеющих свойства полупроводников. В результате исследователями был получен новый светоизлучающий элемент, отличающийся от предшественников низким минимальным напряжением (от 2,5 В) и большим КПД. Однако он оказался нестабильным и недолговечным, поэтому его применение не стало массовым.
Впоследствии проводилось огромное число экспериментов, направленных на выяснение наивыгоднейших соединений для органических светодиодов в целях увеличения их времени жизни и стабильности, а также получения элементов красного и синего цветов (элемент Танг и Ван Стайка излучал только зеленый). Одним из возможных дополнений стало использование третьего промежуточного слоя между n- и p-материалами, обладающего хорошими люминесцентными свойствами.
После множества усовершенствований современный OLED-элемент выглядит так. На прозрачный электрод из оксида индия (Indium Tin Oxide, ITO), который к тому же является хорошим донором «дырок», наносится тонкий слой медного пластоцианина. Последний покрывается слоями p- и n-материалов. И наконец, напыляется катодный слой, состоящий из сплава соединений магния и серебра.
При подведении небольшого напряжения, порядка 5—10 В, данный элемент светится зеленым светом. Для получения красного и синего в слой n-материала добавляются различные примеси, изменяющие длину волны испускаемого света. Время жизни OLED-элементов в настоящее время составляет около 40 тыс. ч для красного и зеленого светодиодов и около 10 тыс. ч для синего (всего полтора года).
Для создания дисплеев OLED-элементы объединяются в матрицы примерно так же, как это происходит с ЖК-элементами.
За и против
Еще несколько лет назад мониторы на жидкокристаллических материалах казались многим последним словом техники и наиболее перспективной технологией как минимум на ближайшее десятилетие. Однако со временем, при появлении опыта реального использования, стали видны многие существенные недостатки этого подхода. С некоторыми из них удается справиться (см. врезку «Расширение кругозора»), а иные под силу исправить только OLED-дисплеям.
Сложный процесс изготовления ЖК-мониторов приводит к относительно высокому проценту брака и, как следствие, к их высокой стоимости. На данный момент производство OLED-экранов только осваивается, поэтому напрямую сравнивать себестоимость OLED- и ЖК-мониторов непросто. Однако в идеале ее снижение при использовании светодиодов может составить 50%.
Производители ЖК-мониторов успешно справились с одной из бед своих первых изделий — малым углом обзора. Однако и сейчас пользователь, отклонившись на большой угол, заметит достаточно сильное искажение изображения.
Качество цветопередачи: ни один из существующих ЖК-мониторов не способен корректно отображать картинки в стандарте Тrue Color. Точность передачи цвета у OLED также значительно выше, и уже анонсированы светодиодные дисплеи, отображающие 16 млн. цветов.
Когда печатался номер, был объявлен первый ЖК-дисплей, поддерживающий True Color
В портативных компьютерах один из важных параметров — потребляемая энергия. Здесь мониторы с OLED-элементами явно выигрывают, в первую очередь за счет отсутствия ламп подсветки.
Опять же из-за отсутствия ламп подсветки, OLED-экраны заметно тоньше — они могут быть той же толщины, что и лист картона.
Разрешение. Светодиоды, безусловно, впереди — технология позволяет создавать тонкопленочные матрицы практически неограниченной плотности. (В идеале она ограничивается только размерами транзисторов, которые сейчас имеют габариты порядка 10 мкм.) На данный момент плотность изображающих элементов уже достигла 720 точек на дюйм.
Угол обзора достигает 160?. Благодаря близкому расположению светоизлучающих элементов к экрану, не ожидается зависимости цветопередачи от угла, под которым рассматривается дисплей.
Скорость реакции на изменение изображения. OLED-элементы реагируют на изменение напряжения примерно в 1000 раз быстрее ЖК-элементов, что позволяет использовать такие дисплеи для просмотра видео 30 кадров в cекунду. (Большое количество пользователей удовлетворит воспроизведение фильмов и на современных ЖК-экранах. — Прим.ред.)
На распутье
Однако при всех своих преимуществах OLED-технологии имеют ряд недостатков. Одна из очевидных проблем на сегодня — малое время жизни органических светодиодов, особенно для элементов синего цвета. Оно составляет всего около полутора лет. Это может быть терпимо для стремительно меняющихся моделей сотовых телефонов, но вряд ли обрадует владельцев компьютерных мониторов.
Если настольные дисплеи с органическими светодиодами дело ближайшего, но тем не менее будущего, то OLED-экраны в мобильных телефонах, портативных компьютерах и автомагнитолах — уже свершившийся факт.
Что изменяется для мобильных устройств с приходом новой технологии? Сегодня экраны портативных аппаратов отображают несколько строк текста или в лучшем случае небольшое графическое изображение размером в несколько сантиметров. Появление органических светодиодов дало возможность пользователю видеть изображение на микродисплее таким же, как представленное на экране 15-дюймового монитора. Для этого используется КМОП-технология, позволяющая размещать на кремниевой подложке электронные компоненты с очень высокой плотностью. Они служат основой для создания миниатюрных дисплеев (комбинируются технологии OLED и КМОП). Полученное изображение рассматривается с помощью увеличительной оптики и не уступает по качеству картинке на мониторе или экране телевизора.
Несмотря на очевидные преимущества перед жидкокристаллическими мониторами, видимо, пройдет еще немало времени, прежде чем настольные дисплеи (наверняка именно они больше всего волнуют вас) появятся в ближайшем компьютерном магазине. Достаточно долго ЖК-мониторы считались наиболее перспективной технологией, и огромные инвестиции в их производство требуют дальнейших исследований с целью продления жизни таких устройств. По разным прогнозам, пройдет от двух до пяти лет, пока новая технология получит действительно широкое распространение.
Назад в настоящее
|
Принцип работы ЖК-мониторов
|
Хотя до сих пор ЖК-монитор остается желанной мечтой многих пользователей, но появился он достаточно давно. Поэтому мы решили еще раз напомнить его внутреннее устройство.
Принцип работы основан на особом свойстве жидкокристаллических материалов менять фазу пропускаемого сквозь них света на величину, пропорциональную поданному напряжению. Свет от лампы подсветки, поляризованный первым фильтром, проходит через ЖК-вещество. В зависимости от напряжения на каждой из ячеек жидкокристаллического вещества проходящий свет меняет свою фазу на определенную величину. Второй поляризационный фильтр пропускает только ту часть светового потока, у которой осталась та же фаза, что и до прохождения через жидкокристаллический слой. Таким образом, чем больше напряжение на жидкокристаллической ячейке, тем меньшая часть светового потока проходит через фильтр. Этот подход позволяет управлять интенсивностью базовых цветов и дает возможность сформировывать пиксел нужного цвета.
Расширение кругозора
|
|
Рис.1. ЖК-дисплеи с непостоянной цветопередачей 1 — поле выключено, пиксел белый 2 — поле включено, пиксел черный Нижняя часть рисунка иллюстрирует причину изменения цветопередачи в зависимости от стороны, в которую отклонился пользователь |
Поначалу одной из трудноразрешимых проблем, препятствующих широкому распространению ЖК-мониторов, был небольшой угол обзора. В первую очередь это связано с неодинаковым углом поворота молекул жидкокристаллического вещества и, как следствие, разной интенсивностью световых пучков после прохождения второго фильтра. Этим же обьясняется второй серьезный недостаток первых цветных ЖК-дисплеев — невысокое качество цветопередачи, так как пиксел, отображающий черный цвет, становился темно-серым из-за того, что большая часть кристаллов располагалась не перпендикулярно фильтру, а под небольшим углом к нормали (рис. 1).
Для устранения этих недоработок была предложена технология IPS (in-plane switching — приблизительно можно перевести как «плоскостное переключение»). В мониторах IPS жидкокристаллические молекулы расположены в плоскости поляризационных фильтров и поворачиваются в ней на определенный угол в зависимости от прилагаемого напряжения, изменяя соответственно фазу проходящего через них светового пучка. Однако такие мониторы отличались медлительностью (кристаллы поворачиваются под воздействием слабого электрического поля, создаваемого двумя электродами, расстояние между которыми существенно больше, чем между поляризационными фильтрами) и не получили на настоящий момент широкого распространения.
В 1996 г. специалистами компании Fujitsu была разработана технология VA (Vertical Alignment — вертикальная ориентация). Схема работы дисплеев на основе этой технологии следующая. При отсутствии напряжения молекулы жидкокристаллических веществ перпендикулярны поляризационным фильтрам, при этом проходящий между поляризаторами свет не изменяет свою фазу и не проходит через второй фильтр — заданный пиксел демонстрирует черный цвет. Если на ячейку подается напряжение, то кристаллы отклоняются на угол, пропорциональный его величине, при максимальной разности потенциалов происходит поворот на 90?, весь свет полностью проходит через оба фильтра — пиксел отображает белый цвет.
Одно из преимуществ этой технологии: черные пикселы выглядят действительно черными.
Ниже иллюстрируется причина сохранения цветопередачи и широкого угла обзора
|
|
Рис. 2. ЖК-дисплеи с технологией VA 1 — поле выключено, пиксел черный 2 — поле включено, пиксел белый |
Существенный недостаток технологии VA (рис. 2): если смотреть на VA-монитор под определенным углом, скажем 45?, то вместо серого цвета на экране вы увидите белый или черный. Для того же, чтобы там был серый, кристаллы должны быть повернуты на 45? относительно направления светового потока, и следовательно, через второй поляризационный фильтр проходит примерно половина светового пучка. Но если посмотреть на экран под углом 45?, то кристаллы окажутся расположены параллельно световым лучам, идущим к зрителю. Соответственно фаза светового потока не изменяется и через второй фильтр свет не проходит, — для этого наблюдателя цвет экрана будет черным. Если отклониться от монитора на 45? в противоположную сторону, то наблюдаемый световой поток получится перпендикулярным к кристаллам и полностью пройдет через фильтр, — отобразится белый цвет.
|
| Рис. 3. ЖК-монитор с технологией MVA |
Для решения этой проблемы была предложена технология MVA (Multi-Domain Vertical Alignment — вертикальная ориентация с многодоменной структурой), которая на сегоднящний день считается наиболее перспективной для ЖК-дисплеев. При ее использовании каждая ячейка (пиксел экрана) разделена на левую и правую часть, так что расположенные в них кристаллы, изменяющие фазу проходящего света, поворачиваются в противоположных направлениях. Теперь наблюдаемый под углом к монитору световой поток складывается из двух составляющих, например, как на рис. 3: из одной части, которая полностью проходит через фильтры (молекулы перпендикулярны потоку) и другой, параллельной молекулам (свет не проходит через второй фильтр). То есть при достаточно малых размерах ячееек может быть достигнута одинаковая интенсивность света под любым углом к монитору.
Дисплеи, созданные на основе этой технологии, отличаются достаточно большим углом обзора — до 160? и малым временем реакции на изменение изображения — менее 25 мс.
