В лаборатории у ученых знакомимся с жидкими кристаллами, из которых сделан экран твоего смартфона
Этим летом Красноярский институт физики СО РАН получил грант на три года от Российского научного фонда. В год ученым выделяют 5 миллионов рублей на изучение жидких кристаллов. Мы проникли в закрытую лабораторию и узнали, что представляет из себя вещество с красивым названием и зачем оно нужно.
Старший научный сотрудник Института физики Михаил Крахалев показывает нам запаянную ампулу с МББА — это жидкие кристаллы. Мы ожидали увидеть что-то блестящее и сверкающее, но оказывается, что жидкие кристаллы — обычная мутная жидкость желтоватого цвета. При заморозке она превращается в кристаллы, а при повышении температуры — становится прозрачной и вязкой, как растительное масло.
Жидкие кристаллы могут одновременно проявлять свойства и жидкостей, и кристаллов
Фото: Артём Ленц
Зачем нужны жидкие кристаллы?
Сегодня жидкие кристаллы используют в жидкокристаллических дисплеях и мониторах. В основе лежит их способность двигаться под действием магнитного или электрического поля.
— Если хочешь получить движущуюся картинку, ты можешь взять для каждой точечки два поляризатора и очень быстро начать их вращать. Интенсивность света будет меняться и «человечек побежит». Так работает видео. Но постоянно вращать поляризаторы неудобно. Поэтому эту часть работы совершают в ЖК-мониторах жидкие кристаллы, помещенные между поляризаторами. Молекулы подвижны и могут легко поворачиваться под воздействием электрического поля. Интенсивность прошедшего света меняется, но ничего вращать механически уже не нужно, — объясняет Михаил Крахалев.
Первые ЖК-дисплеи появились в 70-х года в Швейцарии, в 80-х в России тоже начинали разработку, но потом пришли девяностые. А уже в 2000-х рынок захватили японские и корейские корпорации.
По словам ученого, первые ЖК-мониторы уступали по качеству изображения электронно-лучевым трубкам, но уже через 10 лет их преимущество было очевидно.
В ЖК-мониторах нет мерцаний, как в дисплеях с электронно-лучевой трубкой
Фото: Артём Ленц
— Электронно-лучевые трубки постоянно мерцали, там «бегал луч». Картинка менялась с частотой 50, 60 или 100 герц. Поэтому если у вас на экране постоянно статическая картинка, рядом рекомендовали ставить кактус, а лучше его менять периодически. В ЖК-мониторах никаких мерцаний нет, глазам гораздо легче. Хотя долго смотреть тоже вредно, развивается близорукость, — рассказывает ученый.
На 2000-е пришлась вторая волна развития плазменных телевизоров. Но продержались они недолго — плазма проигрывала в цене — стоила в полтора раза дороже, а по качеству практически не отличалась.
На сегодня главную конкуренцию жидким кристаллам составляют так называемые «оледы», где изображение создается светящейся полимерной пленкой без дополнительных ламп и поляризаторов.
В мобильных телефонах делают OLED-дисплеи или ЖК-дисплеи
Фото: Артём Ленц
— «Оледы» можно сделать тоньше и энергоэффективней, это важно для смартфонов, а для телевизоров не так критично. Две огромные корпорации, лидеры рынка телевизоров — LG и Samsung, выбрали разные направления развития — LG развивает «оледы» и делает очень большие панели телевизоров стоимостью 200 тысяч и выше — пока это еще дорогая технология. Samsung развивает ЖК-телевизоры, — рассказывает ученый.
А вот еще один вариант использования вещества — из него получаются хорошие термодатчики. Жидкие кристаллы-холестерики могут менять цвет при изменении температуры. Ученый показывает нам тонкую пленку, которая при соприкосновении с руками моментально меняет свой цвет с коричневого на синий. Выглядит волшебно. И очень знакомо.
Жидкие кристаллы-холестерики меняют цвет при соприкосновении с руками
Фото: Артём Ленц
Точно по такому же принципу работает так называемое «кольцо настроения». Многие вспомнят забавные украшения из 90-х, которые меняют цвет в зависимости от самочувствия человека. Оказывается, внутри те же жидкие кристаллы, которые просто реагируют на изменение температуры.
— По факту измеряется только температура, но любой психолог подтвердит, что настроение и температура кожи — это связанные вещи. Вышел на улицу — и уже другое настроение, — смеется ученый.
Как делают экран для телефона
СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
Главная — Информация к размышлению (статьи) — Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.
Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.
Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них — жидкокристаллического ( LCD — liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается " T hin- F ilm T ransistor" — тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.
В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.
Основные составные части дисплея
Жидкокристаллические дисплеи ( TFT LCD , и их модификации — TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки). Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.
Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.
Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen).
Кстати, многие интересуются, что такое тачскрин? Вот это она и есть — сенсорная поверхность экрана, чувствительная к прикосновению пальца (пальцев).
Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип — ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).
Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D -touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.
Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS — O ne G lass S olution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей — три. Это — границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем — "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения — от первой и последней границ.
В варианте же с OGS отражающая поверхность — только одна (внешняя), "воздух-стекло".
Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые — не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность — довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.
Теперь переходим к следующей части — собственно экрану.
Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).
Задача матрицы и относящихся к ней слоев — изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.
Немного детальнее об этом процессе.
Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.
Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой — поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.
Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:
(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)
Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.
Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен — должен быть черный экран.
На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500. 1000, на остальных — ниже 500.
Остается еще к этому добавить проблемы, возникающие при прохождении света под углом (когда пользователь смотрит не перпендикулярно), и в итоге можем получить не только паразитную засветку, но и другие цвето-яркостные искажения.
Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MV A, PVA и т.п.).
Теперь переходим к самому "дну" дисплея — лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.
Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.
Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).
В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.
Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.
Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:
Пояснения к снимку. В центре кадра — разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу — покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху — срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).
Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:
В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.
Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:
Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:
Далее сверху на этот "бутерброд" укладывают еще один лист с особыми свойствами.
Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.
Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:
Вероятное назначение этого листа — предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.
Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.
И, наконец, поверх этой многослойной лампы подсветки укладывается жидкокристаллическая матрица, рассмотренная в предыдущей главе.
Что касается "больших" экранов, то их устройство — аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.
В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL , Cold Cathode Fluorescent Lamp ) .
Пример микрофотографии TFT LCD (жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа TN :
Обратите внимание на однородную структуру субпикселей внутри половинки каждого из них.
Теперь — пример микрофотографии TFT LCD (жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа IPS :
А здесь — наоборот, надо обратить внимание на сложную структуру внутри каждого из субпикселей.
Структура дисплеев AMOLED
Теперь — несколько слов об устройстве относительно нового и прогрессивного типа дисплеев — AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Dio de ).
Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.
Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками — уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.
Что касается энергоэкономности, то она связана с отсутствием лампы подсветки и проявляется не всегда.
Благодаря тому, что энергию потребляют только те пиксели, которые светятся, погашенные пиксели энергию не потребляют; в то время, как в жидкокристаллических дисплеях (LCD) лампа подсветки работает и потребляет энергию даже тогда, когда экран — чёрный.
Из-за этого растёт популярность "тёмной темы" для экранов AMOLED. А при ярком и светлом изображении, соответственно, никакого выигрыша в экономичности по сравнению с LCD- экранами нет.
Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.
Типовой пример структуры дисплеев AMOLED — на следующей микрофотографии:
На фото представлен дисплей AMOLED смартфона Samsung A22 ; который можно считать вполне типичным.
Здесь можно обратить внимание на следующие детали:
— линии пикселей повёрнуты на 45 градусов относительно горизонта;
— субпикселей зелёного цвета — в два раза больше, чем синих или красных.
Такая структура расположения пикселей именуется PenTile и очень часто применяется в дисплеях AMOLED. Причём разрешение дисплея производители указывают по числу зелёных субпикселей.
Это, конечно, небольшое жульничество, но у него есть некоторое техническое обоснование. Оно заключается в том, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность именно к зелёному цвету; в связи с чем "недовложение" красных и синих субпикселей остаётся практически не заметным.
Кроме дисплеев AMOLED , постепенно пробивают себе дорогу в жизнь другие дисплеи на основе светодиодов — micro-LED. Они отличаются от AMOLED тем, что светодиоды в них — не на основе органических полупроводников, а на основе настоящих светодиодов, только микроскопических.
Технология производства таких дисплеев — ещё более дорогая.
И, наконец, надо сказать, что дисплеи электронных книг (eink, e-ink) не относятся ни к одному из перечисленных типов, они рассмотрены в отдельной статье.
Иногда при покупке нового дисплея вместо разбитого пользователи встречаются со странным типом дисплея — Or.
Встречается этот тип дисплея в прайс-листах во фразах вроде "Дисплей для телефона Gnusmas FSB-007 Or. "
И возникает логичный вопрос: "Дисплей O r — что это такое?"
Не пугайтесь, но такого типа дисплея не существует. Or — это в данном случае сокращение от слова "original" (оригинальный), т.е. означает, что продаётся именно та марка дисплея, которая была установлена в телефоне самим производителем.
Часто можно купить дисплеи, полностью подходящие для телефона взамен вышедшего из строя, но не оригинальные, а совместимые. Формально продавцы обязаны об этом информировать покупателя, но по факту не всегда это делают; особенно — на китайских торговых площадках.
Ваш Доктор.
12 мая 2017 г.
Другие статьи цикла "Как устроен смартфон" :
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов — в Ваших же интересах!
Доктора! (Администрация сайта — контакты и информация)
Группа SmartPuls.Ru 
Контакте — анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них
Технологии изготовления дисплеев
Существуют всего две массовые технологии изготовления дисплеев для телефонов: экраны на основе LCD, то есть жидких кристаллов, и на основе OLED — органических люминесцентных технологий. Дисплеи на жидких кристаллах пока наиболее распространены, но развитие и внедрение более современной технологии OLED идет неимоверно быстрыми темпами! Еще есть технология E-ink — такие дисплеи теоретически могут быть использованы в мобильных телефонах и прочей «мелкой» технике, однако расходы на их производство пока что довольно велики, да и недостатки имеются.
Жидкие кристаллы LCD
Устройства с жидкокристаллическими экранами — LCD (liquid cristal display) — сегодня можно увидеть повсюду: компьютерные дисплеи (плоские панели), телевизоры, карманные компьютеры. И, разумеется, мобильники. Практически все продающиеся сегодня телефоны оснащены ЖК-экранами: монохромными (янтарными, серо-зелеными) или цветными.
Что это за кристаллы? Они, как и твердые кристаллические вещества, например, соль, обладают строго определенной структурой — кристаллической решеткой — и прозрачны для света. Но, в отличие от обычных кристаллов, жидкие могут изменять структуру под внешним воздействием (электрического тока или температуры), закручиваться, становясь при этом непрозрачными. Темные элементы на экране — это участки ЖК-покрытия, на которые подан ток. Управляя током, можно создавать на экране надписи или картинки и так же легко добиваться того, чтобы они исчезали.
Жидкие кристаллы открыл австрийский ботаник Рейницер еще в 1888 году. И лишь в 1963 году ученые обнаружили, что в нормальном состоянии такие кристаллы пропускают свет, но могут менять свою структуру и отражать или поглощать свет под воздействием электротока. Это открытие через 10 лет позволило создать первый ЖК-экран, который появился на рынке в 1973 году в калькуляторах Sharp.
С тех пор ученые создали еще несколько технологий отображения информации, в основе которых лежит использование жидких кристаллов. Заметим только, что практически все сегодняшние LCD-дисплеи можно разделить на те, где кристаллы отражают/поглощают внешний свет, и те, где кристаллы преобразуют (поляризуют) свет, который идет от встроенного в телефон источника. Последние сейчас используются повсеместно, т. к. они способны обеспечить в общем-то приемлемое качество изображения да и диапазон отображаемых оттенков цвета у них не столь уж мал.
Вам наверняка приходилось встречаться с аббревиатурой STN (super twisted nematic — структура со сверхбольшим искажением), в таких дисплеях кристаллы способны «закручиваться» особенно сильно, что обеспечивает черно-белой или цветной картинке на экране повышенную контрастность. В STN степень «закручивания» очень велика — до 140 процентов! Такие экраны стоят во многих современных телефонах.
В ЖК-дисплеях для управления может использоваться активная или пассивная матрица. Пассивная матрица образована наложением слоев горизонтальных и вертикальных контактных полос. Если подать ток на вертикальную и горизонтальную полоску, задавая координаты, как в игре «Морской бой», то там, где эти полоски скрещиваются, кристаллы изменят структуру, и в соответствующем месте экрана можно будет видеть точку. В зависимости от силы тока кристаллы поворачиваются (искажаются) в большей или меньшей степени, пропуская, соответственно, больше или меньше света. В цветных дисплеях они еще и поляризуют свет. При поляризации из белого света электролюминесцентной лампы задней подсветки в нужных пропорциях «вырезаются» те или иные цветные составляющие, что в итоге и определяет цвет точки экрана. Кстати, именно эффект поляризации света приводит к тому, что на поверхности компакт-диска можно наблюдать радужные разводы. Отметим, что одним из основных недостатков таких экранов является их низкое быстродействие — для статичных картинок это значения не имеет, но картинки динамические, например, анимированные заставки или игрушки, на таких дисплеях смотрятся неказисто. Пример пассивной матрицы — экран, установленный в аппаратах Nokia 7210/6610.
Активные матрицы
Активные матрицы — это другой способ управления жидкими кристаллами. Активные матрицы обозначают аббревиатурой TFT (Thin Film Transistors) или AM (Active Matrix). Под поверхностью экрана на их основе — слой мельчайших транзисторов, полупроводников, каждый из которых управляет одной точкой экрана. В цветном дисплее телефона их количество может достигать нескольких десятков (а то и сотен) тысяч. Такой способ управления позволяет ускорить работу дисплея в несколько раз, хотя для воспроизведения видеоролика и этот способ не слишком эффективен, изображение может быть слегка «размытым», поскольку сами кристаллы не будут успевать поворачи-ваться с нужной быстротой.
Случается, что транзистор выходит из строя. Подобный дефект легко заметить невооруженным взглядом — точка экрана постоянно светится яркой «звездой» на фоне других или не светится вообще. Поэтому при покупке мобилки не поленитесь включить ее и внимательно присмотритесь к дисплею и, если заметите «битые» элементы, вовремя поменяйте аппарат.
Своим путем идут разработчики Samsung — в прошлом году компания представила ЖК-дисплеи, выполненные по собственной технологии UFB (Ultra Fine and Bright). За этой аббревиатурой скрывается экран, обладающий повышенной яркостью и контрастностью, при этом потребляемая мощность снижена по сравнению с традиционными ЖКИ. Вдобавок производство нового дисплея, по заверению разработчиков, обходится дешевле. Интересно, что удалось пробить барьер в 65 тысяч цветов, начиная с 2003 года в серию идут уже экранчики на 260 тысяч.
Органические дисплеи OLED
Брешь в засилье ЖК-дисплеев пробила новая технология OLED (Organic Light Emitting Diodes) — электролюминесцентные дисплеи на органических светоизлучающих полупроводниках. Главное отличие — не нужны лампы подсветки, в новых дисплеях светятся непосредственно элементы поверхности. И светятся ярко, в десятки раз ярче, чем экраны на ЖК! При этом они потребляют гораздо меньше электроэнергии, обеспечивают хорошую цветопередачу, высокую контрастность, большой угол обзора (до 180 градусов), могут иметь широкий цветовой охват. Из недостатков отметим относительно низкое «время жизни» (порядка 5–8 тысяч часов), впрочем, для телефона — более чем достаточно.
По толщине органические дисплеи соизмеримы с обычным оконным стеклом, впрочем, есть даже гибкие образцы, которым прочат большое будущее в качестве, например, экранов большого формата. Их можно будет при необходимости выдвинуть из телефона, а после использования такой экран вновь скатается в рулончик внутри корпуса аппарата.
«Органикой» оснащают в основном дорогие устройства высшего класса, серийное производство которых еще не так масштабно. Однако ведущие производители дисплеев (Sanyo, Sony, Samsung, Philips и прочие) настолько активно продвигают OLED-технологию на рынок, что совсем скоро такого рода дисплеи начнут вытеснять привычные нам STN.
Как устроены органические OLED экраны?
Что такое обычные светодиоды (неорганические) читателям объяснять не нужно — их можно видеть в различной электронной технике, начиная от телевизоров и магнитофонов и заканчивая телефонами и компьютерами. Гуманитарии обычно называют зеленые или красные светодиоды (например, те, что своим миганием подсказывают, находитесь ли вы в зоне покрытия сотовой сети) «лампочками»: на самом деле, это полупроводниковые устройства, способные под действием тока излучать свет того или иного цвета.
Впервые органические люминесцентные полупроводники (диоды) были созданы в 1987 году японской компанией Kodak. В природе аналогичное по происхождению (но не по способу получения) свечение наблюдается у светлячков и глубоководных рыб. Ученые исследовали процессы их свечения и синтезировали необходимые вещества. На протяжении последних лет технологии производства органических дисплеев активно разрабатывались, совершенствовались, а в 2003 году OLED-дисплеи выплеснулись на массовый рынок.
Изобретатели люминесцентных диодов обнаружили, что если совместить два слоя определенных органических материалов и в какой-либо точке пропустить через них электрический ток, то в этом месте появится свечение. Используя разные материалы и светофильтры, можно получать разные цвета.
Существующие модели, как и в случае с ЖКИ, разделяются по типу управляющей матрицы. Есть OLED с пассивными, а есть и с активными матрицами (TFT). Принцип работы матрицы такой же, но вместо слоя жидких кристаллов используется слой органических полупроводников. TFT OLED — самые быстрые и обеспечивают просто потрясающую картинку. Такой экран не спасует и при солнечном освещении, а видеоролик на нем будет смотреться не хуже, чем на телеэкране.
E-ink дисплеи
Поговаривают, что это еще одна перспективная технология. Уже созданы рабочие черно-белые образцы, но с реализацией цветности есть проблемы. Самый простой дисплей на электронных чернилах состоит из двух слоев: белого (верхнего) и черного (специальные чернила) под белым. Под действием тока частицы нижнего слоя могут проходить в верхний (и возвращаться обратно), создавая требуемую картинку. Как обычно, ток на слои можно подавать как с помощью пассивной матрицы, так и с помощью активной TFT. По заверениям компании-разработчика, электронно-чернильные дисплеи теоретически могут иметь очень низкое энергопотребление (точные данные не сообщаются) и сохранять картинку даже при выключенном питании. Звучит заманчиво, но надо посмотреть, как же в итоге это будет выглядеть.
OLED vs LCD
Обратим внимание на достоинства и недостатки дисплеев. ЖК-дисплеи уже на пределе своих возможностей. Сама сущность работы жидких кристаллов определяет невысокую скорость смены кадров на экране и высокую потребляемую мощность, поскольку в некоторых телефонах, кроме задней подсветки экрана, есть еще и фронтальная. На цветных ЖК-экранах почти всегда тяжело что-то разглядеть при солнечном свете, они весьма хрупкие. Дисплеи с активными матрицами (LCD TFT) более яркие и контрастные, чем аналогичные дисплеи с пассивными матрицами, но активные дисплеи сложнее в производстве и, соответственно, дороже. Исключением можно признать разве что UFB-экраны.
Технология органических дисплеев лишена едва ли не всех недостатков, характерных для ЖК-дисплеев, и обеспечивает гораздо лучшие характеристики изображения. Начать хотя бы с того, что можно забыть о необходимости подсвечивать экран спереди или сзади — элементы экрана светятся сами!
Для любителей технических подробностей:
Дисплеи UFB, способные отображать 65 тысяч цветов, обладают контрастностью 100:1, яркостью 150 кд/кв. м, при этом потребляют не более 3 мВт.
Дисплей OLED, представленный Sony еще в 2002 году, обладал яркостью в 300 кд/кв. м, а показатель контрастности для OELD может достигать 300:1. Если сравнивать быстродействие, то от обычного ЖК-дисплея органика отличается тем, что способна реагировать в 100–1000 раз быстрее — это оценят владельцы видеотелефонов 3G и телефонов с видеопроигрывателями.
Сколы, трещины и царапины на телефоне: когда у техники появятся неубиваемые экраны
Сервисы по ремонту техники могут взять за починку разбитого экрана смартфона почти треть суммы, за которую был куплен гаджет. Также стекло телефона может царапаться о разные острые предметы, это происходит даже с защитной пленкой. «Хайтек» рассказывает, как ученые пытаются исправить эту проблему и создают сверхпрочный материал для экрана, который никогда не треснет.
Читайте «Хайтек» в
Сегодня экран для смартфона обычно производят из стекла, но у него есть много минусов: оно легко царапается, при сильном ударе разбивается вдребезги и даже может быть опасно для здоровья.
Объясняем, почему ходить с разбитым смартфоном опасно, и как физики разрабатывают сверхпрочные покрытия для телефона из желатина и оксида алюминия.
Из чего делают экраны для смартфонов?
С материалом для экрана смартфона продолжают экспериментировать. Сначала их делали из пластика, но основатель Apple Стив Джобс заметил, что такие девайсы часто царапаются из-за ключей в кармане о другие шершавые поверхности.
Поэтому в компании начали искать альтернативу: в итоге Apple заключила договор с компанией Corning на производство алюмосиликатного стекла для смартфонов компании.
Сегодня в большинстве смартфонов используют стекло, но у него также есть свои недостатки, например, на нем легко появляются трещины при падении, также проблема царапин полностью не исчезла — они образуются, если экран контактирует с острыми предметами, также стекло часто марается.
Если гибкие экраны производят, значит мы уже умеет создавать сверхпрочные экраны?
Не совсем так. Гибкие экраны созданы так, чтобы место сгиба проходило в четко заданных точках. Это не значит, что экран можно смять, ударить и ему ничего не будет.
Производители смартфонов с гибким экраном создают свои дисплеи с пластиковой подложкой — P-OLED. Это уже не традиционное стекло, так как оно не может изгибаться и гнуться. Как мы говорили выше, и у стекла, и у пластика есть много своих минусов.
Сейчас производители гибких устройств до сих пор ищут идеальный материал для экрана, потому что гаджеты все еще получаются хрупкими и с ними нужно обращаться аккуратно.
Как мы уже говорили, пластик имеет низкую устойчивость ко внешним воздействиям. Поэтому его можно считать временным материалом, который в будущем заменят на что-то более прочное и удобное.
У меня разбился экран и я решил не чинить. Это разве чем-то плохо или опасно?
Да, оказалось, что опасность есть. Если стекло на экране разобьется вдребезги, то можно порезаться мельчайшими осколками и даже занести инфекцию.
Но есть и другая серьезная проблема: специалисты Международного агентства по изучению рака (IARC) подтвердили, что телефон издает вредное радиочастотное излучение.
Если экран смартфона разбит, то вредное воздействие вырастает в разы. Поэтому таким устройством не рекомендуют долго пользоваться.
Как ученые разрабатывают сверхпрочные стекла?
Стекло, которое используют для экранов сегодня, предложили закалять и ламинировать, чтобы достичь большей прочности. Но это серьезно скажется на конечной стоимости продукта.
Чтобы обойти эту проблему, ученые разрабатывают разные виды прочных материалов, например, физики из университета Тампере создали специальные тонкие пленки из стеклообразного оксида алюминия. Их можно сжимать, растягивать и сгибать без образования трещин. Но пока процесс создания такого материала слишком трудоемкий и дорогой, поэтому технология существует только в лаборатории.
Еще одну работу провели исследователи из Американского химического сообщества: они создали специальную пленку на основе желатина, которая может восстанавливаться по несколько раз и по-прежнему поддерживать электронные сигналы. Эксперимент показал, что разрывы в желатин-глюкозной пленке исчезают в течение трех часов при комнатной температуре либо за 10 минут, если ее нагреть до 60°C.
Также канадские ученые из Университета Макгилла в начале октября 2021 года разработали новое стекло, которое в пять раз более устойчиво к трещинам и в три раза прочнее обычного стекла. Они рассказали, что на работу их вдохновило строение раковины моллюска, а именно внутренний слой, покрытый перламутром: он состоит из переплетенных друг с другом частиц. Именно перламутр придает раковинам высокую прочность. По аналогии с этим строением исследователи сделали стекло-акриловый композитный материал.
В результате у авторов получился прочный и прозрачный материал, который они предложили использовать при производстве смартфонов.
Сверхпрочные экраны — это гарантия долговечности устройства и безопасности пользователя. Ученые активно разрабатывают альтернативы обычному стеклу, которое рано или поздно прекратят использовать при разработке персональных гаджетов.
Основная проблема этой сферы — сделать продукт не только прочным, но еще и несложным для массового производства — это необходимое условие для выхода на рынок.