eng
Очередная Неделя дисплеев состоялась 21–26 мая 2017 года в Лос-Анджелесе (США). Главные темы Недели – дополненная и вир¬туальная реальность (AR/VR или Augmented Reality/Virtual Reality), решения для цифровых информационных табло, дисплейные материалы и процессы, переносные дисплеи.
УДК 621.397
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.170.9.74.84
УДК 621.397
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.170.9.74.84
Теги: curved panels lcd and oled technologies oled wallpapers oled-обои transflective displays жк- и oled-технологии искривленные панели трансфлективные дисплеи
В течение Недели дисплеев проводится множество бизнес- и образовательных мероприятий: бизнес-конференция, конференция инвесторов, форум главных управляющих (CMO Forum), учебные семинары и мастерские по актуальным проблемам и др. Стала традиционной инновационная зона (i-Zone). Среди новинок 2017 года – вводный курс в метрологию дисплеев, организованный 21 мая SID и Международным комитетом дисплейной метрологии, и форум "Женщины в технике", который прошел 24 мая и оказался аналогом российского дня 8 Марта. На текущий год пришлась очередная юбилейная дата в области дисплейных технологий – 30-летие органических светодиодов (OLED), устройств и технологий на их основе.
Тон Недели был задан ключевыми докладами при открытии научной конференции. Пол Пенг, председатель и исполнительный руководитель (CEO) тайваньской корпорации AU Optronics Corp. (AUO), выступил на тему "Эра воюющих государств в области дисплейных технологий". Клей Бейвор, вице-президент группы виртуальной и дополненной реальности компании Гугл, назвал свой доклад "Как сделать ощущения богатой погруженности в виртуальной и дополненной реальности". Санджай Дхаван, президент компании Harman International, осуществляющей услуги по электронным соединениям, посвятил свое выступление теме "Гуманизация опыта автономного автомобиля".
В докладе П.Пенга слово states переведено как "государства", но в переносном смысле: деятельность мощных групп, развивающих дисплейную технологию, направлена на завоевание доминирования на рынке. Что касается слова "воюющих", то, действительно, война идет, и военными действиями являются новые разработки, ценообразование, поиск идей и решений, обеспечивающих прорыв "фронта". Поскольку докладчик – руководитель крупнейшей компании, он говорил в основном о "военных" действиях, предпринимаемых AUO на двух главных "фронтах" – в области дисплеев на основе жидких кристаллов и органических светодиодов (OLED), а также на "тактических" направлениях, относящихся к технологиям электроники активных матриц.
Позиции AUO выглядят убедительными. Год за годом компания демонстрирует все новые достижения, не отставая от конкурентов: 2012 год – ТВЧ (HD), фронтальная и торцевая подсветка, 2013-й – 3D-телевизоры, 2014-й – сверхвысокое разрешение (4 000 столбцов), 2015-й – панели с кривыми (curved) поверхностями, 2016-й – панели с высоким динамическим диапазоном (HDR), 2017-й – дисплеи с квантовыми точками. Динамика характеристик и цен дисплеев за последнее десятилетие свидетельствует о том, что первые повышаются значительно быстрее вторых. Так, в 2006 году за ЖК-панель диагональю 42 дюйма (106 см), с высокой четкостью (1 920 Ч 1 080 пикселей) и подсветкой из люминесцентных ламп с холодным катодом платили 999 долл. В 2016 году ЖК-панель стоила 1 099 долл., но ее размер был на 23 дюйма (58 см) больше, разрешение выше в четыре раза, подсветка светодиодная (панель тоньше и надежнее). При этом появляются новые свойства: высокий динамический диапазон, искривленный (curved) экран, в готовом изделии (телевизоре, мониторе, а главное – телефоне) корпус панели занимает мало места по сравнению с дисплейным модулем. В литературе это свойство называется "узкий паз" (narrow bezel). В докладе так и сказано: "Более роскошные устройства становятся более доступными". При этом OLED не так доступны, при тех же характеристиках их цена в 2,5 раза выше (2 800 долл.).
Одним из тактических направлений компании AUO являются автомобильные дисплеи, разработанные и изготовленные с учетом требований надежности и срока службы. Разновидности дисплеев: кластерная приборная панель, центральный информационный дисплей, отображение на ветровом стекле (Head-Up Display или HUD, Windshield Display), панель в салоне для развлечения пассажиров. Устройства могут принимать разную форму (изгибаться, причем под разным углом), снабжены пассивными или активными компонентами, уменьшающими интенсивность отраженных бликов. Не только автомобильные, но и другие дисплейные продукты компании AUO – энергосберегающие, отличающиеся высокой считываемостью при солнечном освещении, защищенностью от чужого взгляда, возможностью видеть без искажений быстро меняющиеся картинки, снабженные интегрированной функцией показа изображения. Компания выпускает панели с квантовыми точками в модуле подсветки для расширения цветовой гаммы, панели по технологии локального затемнения для повышения контраста и динамического диапазона, а также продукцию с использованием традиционных дисплейных технологий: ЖК-антенны, прозрачные дисплеи, электрические занавески, изменяющие пропускание при высоком уровне солнечного освещения. Наряду с ЖК-устройствами предлагаются приборы с OLED: твердые, гибкие, часы, микродисплеи. Перспективным направлением становится создание устройств на основе микросветодиодов. Но доминирующей технологией останется жидкокристаллическая. В ближайшие шесть лет (с 2017 по 2023 год) ее доля в мировом рынке дисплеев немного уменьшится (с 96 до 93%), но объем производства и продаж значительно вырастет в абсолютном выражении благодаря выпуску панелей 8-го и 10-го поколений. Это обусловлено и тем, что ЖК-технологии значительно экологичнее, чем OLED. Можно привести пример, как работают в AUO над тем, чтобы сделать производство более "зеленым". За 10-летний период с 2006 по 2015 год были рассчитаны характеристики параметров производства каждого квадратного метра дисплеев. Интенсивность потребления воды снизилась на 45%, а энергии – на 40%. 90% всей воды используется повторно. Эмиссия углерода в атмосферу уменьшилась на 62%. Четыре производственных здания имеют сертификацию LEED – Американского совета по "зеленым" зданиям.
С учетом упомянутых главных тем Недели дисплеев остановимся подробнее на некоторых тезисах доклада К.Бейвора, в котором изложены подходы и требования к системам VR/AR (Virtual Reality / Augmented Reality) (рис.1). Среди составляющих таких систем автор назвал "дисплеи, оптику, слежение за деталями изображения, датчики, воссоздание трехмерной обстановки, органы чувств и данные, получаемые этими органами (Бейвор говорит: "мир этих чувств"), фиксацию и воссоздание звука в пространстве, осязание, операционные системы, электропитание, кодексы, обработку изображения, инструменты создания контента, материалы, эргономику и…". Чтобы изображение не расплывалось, нужно создавать дисплеи с количеством пикселей, в 10 раз превышающим современный уровень. На каждый глаз должно приходиться 20 Мпикселей на кадр. При частоте кадров 90 Гц пропускная способность устройства должна составлять 50–100 Гбайт/с, что существенно превышает пропускную способность оптического нерва (10 Мбайт/с). Возможное решение – использование особенности зрительной системы человека, в которой максимальное разрешение получается только в фовеальной области – узкой части сетчатки глаза.
К.Бейвор привел примеры устройств виртуальной реальности для смартфонов: Smartphone VR, Standalone VR, прибор Tilt Brush (рисует виртуальную реальность вокруг пользователя и переносит ее в компьютер (сайт tiltbrush.com)), камеры не только с двумя, но и с 16 объективами и, наверное, датчиками других свойств, позволяющих воссоздать многомерный массив данных, который ранее мы назвали бы "изображением".
В докладе С.Дхавана шла речь о современной и перспективной электронной начинке автомобиля, разрабатываемой компанией Harman совместно с Samsung. Автомобиль напичкан системами и устройствами самой широкой функциональности (рис.2). Мегатрендами трансформации автомобиля являются умная звукосистема, сведение индикаторов приборной панели в один прибор, соединение с системами, осуществляющими облачные вычисления, искусственный интеллект, возможность управления некоторыми системами автомобиля с мобильных устройств, автономное вождение. В основе этих трендов – развитие устройств человеко-машинного интерфейса (Human-Machine Interface, HMI), благодаря которым водитель получает информацию и на ее основе принимает решения. Устройства могут быть стационарными, переносными, мобильными, а некоторые – персонализированными. Помимо центрального дисплея предлагается сформировать мультидисплей с проекцией на ветровое стекло. Система кибербезопасности будет отслеживать состояние работы частей автомобиля, текущую и перспективную ситуацию на дороге.
НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ДИСПЛЕЕВ
В статьях про предыдущие дисплейные симпозиумы сообщалось о дисплейных панелях со сверхбольшим количеством пикселей (до 10К Ч 4К) или сверхвысоким разрешением (около тысячи пикселей на дюйм или 40 на 1 мм), реализованным в ЖК-панелях [1, 2]. В 2017 году к этим показателям приблизились и даже в чем-то превзошли их характеристики устройства на основе органических светодиодов.
В японской лаборатории полупроводниковой энергии в г. Ацуги создали прототип OLED-панели для нового полноцветного стандарта ВТ.2020. Она сравнительно небольшая – всего 13,3 дюйма по диагонали (34 см), но насчитывает 8К Ч 4К пикселей, что соответствует пространственному разрешению 664 точки на дюйм (ppi, points-per-inch) или 26 точек на миллиметр. Глубина каждого цвета составляет 12 бит, что соответствует контрасту не менее 4 000 : 1 по каждому из основных цветов. Частота смены изображений, формируемых панелью, составляет 120 Гц.
В корейской компании LG Display разработали большую OLED-панель, почти такую же по размеру и разрешению, как и ЖК-панели китайской компании BOE, характеристики которых представлены в [1, 2]. У OLED-дисплея LG размер 65 дюймов (165 см) и разрешение 4К. Ее особенность – хорошее качество белого цвета. На выставке такой экспонат с размером 77 дюймов по диагонали (196 см) назывался OLED-обои (рис.3).
Такие характеристики по разрешению и быстродействию стали возможными благодаря развитию технологий тонкопленочных транзисторов (TFT) на основе оксидов металлов (в основном IGZO – окислы индия, галлия, цинка) и низкотемпературного поликремния (Low Temperature Poly Silicon – LTPS). Корейская компания Samsung Display предложила новую конструкцию и архитектуру пикселей, с помощью которых получают панели на стеклянных подложках с разрешением 2 250 точек на дюйм (почти 90 на мм). Размер панели 1,96 дюйма (5 см).
Но и это уже не предел. Еще ранее сообщалось о микродисплеях диагональю 1–1,5 см, с количеством строк и/или столбцов 1 000–1 500. В японской компании Sony Semiconductor Solutions и корейском исследовательском институте электроники и телекоммуникации (ETRI) созданы микродисплеи и пространственные модуляторы света с ЖК и OLED с размером пикселя примерно 7 мкм для цифровой голографии и дополненной реальности. В ETRI работают над следующим поколением технологии, которая обеспечит размер пикселя около 1 мкм, что будет означать один мегапиксель на одном квадратном миллиметре!
В мире продолжают интенсивно работать над компонентами гибких (flexible) и сгибаемых (bendable, foldable) дисплеев. В калифорнийском университете Лос-Анджелеса (США) и Нанкай университете в китайском Тяньцзине (все фамилии авторов китайские) сделали растягиваемые прозрачные электроды из серебряных проволок в полимерном композите. Упоминавшийся корейский институт ETRI продемонстрировал растягиваемые тонкопленочные транзисторы (TFT), работающие и при 30%-ной деформации.
В результате, компания Samsung Display показала первый в мире 9,1 дюймовый (23 см) АМ OLED на основе технологии низкотемпературного поликремния, который сохраняет качество изображения, несмотря на изменение формы панели. Китайская компания BОE составила дорожную карту разработки и производства гибких OLED. На Неделе дисплеев 2017 году в Лос-Анджелесе было показано несколько видов сгибаемых дисплеев. Дисплей для планшетов с сенсорным управлением имел разрешение 2 048 Ч 1 536 пикселей, контраст более 70 000 : 1, его можно сгибать не менее 100 000 раз без потери качества изображения. Сгибаемый АМ OLED отличается очень высокими характеристиками по пространственному разрешению и контрасту: 2 560 Ч 1 440 пикселей по диагонали 5,5 дюйма (14 см), что означает плотность пикселей 538 на дюйм или 21 на миллиметр, контраст превышает 100 000 : 1.
В техническом университете Дрездена в Германии разработали новый материал для OLED, который меняет цвет в зависимости от полярности приложенного напряжения: от глубокого синего до насыщенного желтого. Меняя последовательность положительных и отрицательных импульсов, можно получать промежуточные цвета. Разработка перспективна для использования не только в дисплеях, но и в осветительных устройствах.
Стоит отметить еще одну новую функцию современных дисплеев. В последние годы модно говорить не только о 3D-картинках, но и о 4D- и даже 5D-изображениях. Обычно имеется в виду воздействие на другие органы чувств человека, кроме зрения. На стенде компании LG была представлена панель с "кристаллическим звуком" (Crystal Sound). Перед основной панелью находится еще одна – с двумя большими полусферами, и на ней под действием звуковых волн мощностью до 20 Вт "визуализировались" звуки (рис.4).
Примером устройства с использованием других органов чувств (например, осязания) стал сенсорный дисплей китайской компании Tianma. В нем реализована технология, благодаря которой оператору, проводящему пальцем по панели, кажется, что ее поверхность рельефная. При касании генерируется электростатическая сила на пересечении электродов строки и столбца. Эта сила изменяет силу трения при движении пальца, благодаря чему возникает ощущение шероховатой текстуры. Возможно согласование картинки и тактильных ощущений. Таким образом, можно сделать клавиатуру, каждая клавиша которой будет отличаться по тактильным ощущениям. Пользователи могут идентифицировать область изображения не только по визуальной картинке, но и по осязанию, что повышает эффективность работы.
Известно о конкуренции ЖК- и OLED-технологий. Примером может служить снимок двух почти одинаковых дисплеев компании Samsung, на котором видно, что OLED-дисплей отличается в полтора раза меньшим энергопотреблением, при этом обеспечивает более широкую цветовую гамму и почти в 300 раз больший контраст (рис.5). На другом стенде компания показала, что OLED-дисплей эффективнее и для применения в режиме высокого динамического диапазона (HDR или High Dynamic Range), так как у него достижимый уровень черного составляет менее 0,0005 нит (1 нит = 1 кд · м–2), а у ЖК-дисплея этот показатель превышает 0,2 нит. Демонстрация изображения на обеих панелях в условиях яркого внешнего освещения (рис.6) полностью подтверждает преимущества OLED-дисплеев.
Но есть примеры, когда технологии сосуществуют и даже взаимодополняют одна другую. Известны гибридные устройства с ЖК- и OLED-панелями, которые включаются в том или ином режиме – так называемые трансфлективные дисплеи. Слово "трансфлективный" образовано от слов transmission (пропускание) и reflection (отражение). В зависимости от условий внешней освещенности прибор работает в излучательном режиме (темные условия) либо в отражательном (яркая освещенность). В этом году на выставке "Неделя дисплеев" компания LG представила еще один "гибрид" – многослойный дисплей (MLD). Его тыльная часть – полноцветный дисплей с разрешением 1 920 Ч 720 пикселей, а фронтальная – прозрачная OLED-панель с вдвое меньшим по каждому направлению количеством пикселей. Каждая панель имеет только красно-зеленые или сине-зеленые цветовые компоненты.
Про искривленные панели была информация [1, 2]. Теперь они стали больше и с большим коэффициентом кривизны. Но событием выставки стали дисплеи без рамок (frameless) (рис.7) и с узким пазом (narrow bezel), в дизайне которых нет или почти нет ничего, кроме изображения.
Наряду с известными компаниями – лидерами рынка в сегменте дисплейных технологий появляются новые игроки, которые стремятся занять свои ниши. Особенно заметна активность китайских компаний. Помимо ВОЕ, о которой мы уже рассказывали, интересные варианты автомобильных дисплеев демонстрировала компания Tianma (рис.8). Активно-матричные панели с внутренней кольцевой выемкой уже не редкость. Причем кольцо не мешает структуре картинки при сенсорном управлении (рис.9).
Компания Tianma внесла свой вклад в разработку дисплеев для медицинского применения. Высокое пространственное разрешение и передача цвета позволяют детально отслеживать лечебные действия и принимать правильные диагностические решения (рис.10).
Американская компания Silvaco демонстрировала на своем стенде модель испытаний механических и электрооптических характеристик дисплеев различных видов и рисовала картинки с использованием дронов.
Новые технологии для повышения качества картинки на дисплеях представила на выставке американская компания 3М, продемонстрировав, насколько улучшается яркость панели при использовании пленки DBEF (Double Brightness Enhancement Film – двойной пленочный усилитель яркости). В результате применения этой пленки для достижения нужного уровня яркости панелью потреб-
ляется намного меньшая мощность. 3М представила две новые структуры таких пленок – DBEF-PVOH и DBEF-BA. Для дисплеев меньшего размера, чем у телевизора, – для ноутбуков и сотовых телефонов – разработаны новые структуры пленок существенно меньшей толщины – до 251 мкм.
Компания Japan Display Inc. (JDI) известна разработками экранов повышенной надежности. В этом году на Неделе дисплеев она представила устройства с сенсорным элементом, встроенным в тонкопленочный транзистор активной матрицы дисплея или в оптическую пленку для усиления яркости (технология In-Touch). В результате повышается точность определения координат касания. Такие приборы называют дисплеями с 0-мерной кнопкой. В компании JDI усовершенствовали технологию низкотемпературного поликремния и на 30% снизили энергопотребление панелей. Применение технологии позволило компании существенно увеличить пространственное разрешение дисплеев (рис.12) и создать нашлемное устройство, формирующее изображение с 1 440 Ч 1 700 пикселей и скоростью смены кадров 90 Гц (рис.13).
Вершиной сенсорных технологий (touch screen) показалась система без касания панели. С помощью специальной оптической схемы в воздухе строится изображение, которое можно "потрогать". При нажатии на виртуальную кнопку под картинкой предмета или изображения действия "выбирается" предмет или действие. Такие приборы назвали воздушными (aerial) дисплеями. Профиль панели S-образный. Про упрочненные (rugged) дисплеи этой компании информация приведена в [3].
Вместе с другими дисплейными технологиями существенно продвинулась и технология электронной бумаги (компания E-Ink). Выше разрешение, лучше передача цвета, появилась гибкость, на электронной бумаге теперь можно писать и авторучкой. Но чего еше не показывали другие разработчики, так это женских платьев. На выставке "Неделя дисплеев" в 2017 году демонстрировалось платье, которое через короткий промежуток времени меняло свой цвет и рисунок ткани (рис.14).
Это уже не совсем дисплеи, хотя и выполненные на основе дисплейных технологий, по мере развития которых в последние десятилетия предъявляются новые требования к электронным устройствам и материалам.
На выставке было показано много дисплеев круглой или прямоугольной формы для наручных часов. Движение в этом направлении сопряжено с появлением новых задач. Так, С.Ким, доцент южнокорейского университета Сунгкункван, представитель школы передовых материалов и науки и техники, а также лаборатории многофункциональной нано-/биоэлектроники, в обзоре по гибкой полупроводниковой электронике привел структуру прототипа искусственного биомаркера на коже. Это кусок пластика с электронными элементами и датчиками температуры, влажности, других показателей. Его появление стало возможным благодаря созданию коммерческого продукта – наручных часов.
ФОРУМ "ЖЕНЩИНЫ В ТЕХНИКЕ".
ВЫДАЮЩИЕСЯ ДОКЛАДЫ СТУДЕНТОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ НА НЕДЕЛЕ ДИСПЛЕЕВ
На Неделе дисплеев были представлены не только технические новинки. Устроители мероприятий прилагают много сил и тратят немало средств, чтобы представить участников конференции и выставки – от студентов до руководителей крупных компаний.
Расскажем о некоторых участницах форума. Модератором была Рашми Рао, старший директор по передовой технике компании Harman International и председатель программного комитета Недели дисплеев 2017 года. В компании она отвечает за стратегию технологии и вывода ее на рынок, за объединение прорывных технологий с конструкторскими разработками (с учетом взаимодействия человека с машиной). Совсем недавно она занималась стратегией продвижения айфонов в компании Apple.
Участница форума Джулия Браун, старший вице-президент и технический директор американской компании Universal Display Corporation. Прежде она была сотрудницей исследовательских лабораторий Хьюза и руководила разработкой пилотной линии для производства высокоскоростных микросхем на основе гетероструктурных полупроводников. Ее заслуги признаны научным сообществом – Джулия является почетным членом (Fellow) Института электрических инженеров (IEEE) и SID, ее имя внесено в зал славы высшей школы штата Нью-Джерси.
Кэндис Браун Эллиотт, основательница и генеральный директор компании Nouvoyance. Кэндис – признанный лидер, предприниматель, изобретатель, автор более 100 патентов по плоскопанельным дисплеям и микроэлектронным приборам. В ее 40-летней профессиональной карьере были и ключевые посты в ведущих полупроводниковых фирмах, и успешные стартапы. Одно из ее изобретений удостоено премии SID имени Отто Шаде. При всем этом научная степень Кэндис – бакалавр по физике и психологии.
Для Недели дисплеев интересной и несколько необычной выглядит область занятий и карьера Хейди Дохсе, вице-президента по продукции (Product Execution) корпорации DTI (Disruptive Technology Innovations). Хейди отвечает за стратегию развития корпорации по направлению "Наука о здоровье и жизни" в целях глобального обеспечения здоровьесбережения. У корпорации есть пионерская разработка с использованием графеновых технологий. До DTI Хейди создавала облачную платформу в Google. У нее есть степень исполнителя (Executive) Гарвардской медицинской школы и статус бакалавра искусств. Она также основала благотворительный виртуальный маршрут "Тур сердца" (Tour de Heart, virtual charity ride), чтобы дать надежду и воодушевить пациентов с заболеваниями сердца и их благодетелей.
Лора Реа, старшая управляющая технологической программой в Исследовательской лаборатории ВВС США, около 30 лет работает в системе технологий для военных применений. Сейчас создает материалы и процессы для датчиков и компонентов мониторинга характеристик человека для повышения автономности военных систем.
Персиянка Ниаз Абдолрахим окончила Иранский университет науки и технологии со степенью бакалавра наук, а позже получила степень магистра по аэрокосмической технике. Докторскую степень она защитила уже в университете штата Вашингтон. Во время работы над диссертацией в 2013 году Ниаз выиграла премию Джеймса Клерка Максвелла для молодых писателей, точнее авторов статей или книг. Сейчас она доцент по механическим приборам и наукам о материалах университета Рочестера в штате Нью-Йорк.
Закончим представление женщин-предпринимателей рассказом о Таре Ахаван, заместителе председателя SID по маркетингу. Тара – основатель и технический директор одного из признанных стартапов в дисплейной индустрии – компании IRYStec. Ранее Тара увеличила количество подписчиков одной из американских мобильных сетей до 20 миллионов, за что была отмечена корпоративной наградой. У нее несколько ученых степеней: бакалавр компьютерного приборостроения, магистр по искусственному интеллекту, доктор по обработке изображений и компьютерному зрению.
Перед началом научной программы дисплейного симпозиума программный комитет отбирает выдающиеся (distinguished) доклады представителей различных организаций, а также студентов. Были отмечены девять студенческих докладов, в основном из азиатских стран – три из Китая, два из Республики Корея, а также три из США и один из Германии. Но в двух докладах из США были фамилии только китайцев или тайваньцев. Отметим, что в одном выдающемся студенческом докладе студенты представляли китайскую Академию наук. Из девяти отмеченных студенческих докладов три – по новым технологиям с квантовыми точками, два – по оптическим решениям на основе метода светового поля.
* * *
В который раз при подготовке обзора очередного дисплейного симпозиума, а в последние годы Недели дисплеев, приходится вспоминать афоризм Козьмы Пруткова (кстати, по профессии метролога) "Нельзя объять необъятное". Только устные доклады на симпозиуме превысили 250 ч, а еще около 250 постерных докладов, более 150 стендов на выставке и различные мероприятия. При этом основные направления и технологии показаны в статье достаточно полно.
Работа, связанная с посещением Недели дисплеев 2017 года, была осуществлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 15-07-00469_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В. Неделя дисплеев 2014 года. Большие достижения начинаются с малого // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2014. № 3. С. 108–111.
2. Беляев В. Неделя дисплеев 2016: Технологии настоящего и будущего. Часть 1. Выставка и научная конференция // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 8. С. 42–52.
3. Беляев В, Суарес Д. Дисплеи и дисплейные технологии для военных применений // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 7. С. 52–67.
Тон Недели был задан ключевыми докладами при открытии научной конференции. Пол Пенг, председатель и исполнительный руководитель (CEO) тайваньской корпорации AU Optronics Corp. (AUO), выступил на тему "Эра воюющих государств в области дисплейных технологий". Клей Бейвор, вице-президент группы виртуальной и дополненной реальности компании Гугл, назвал свой доклад "Как сделать ощущения богатой погруженности в виртуальной и дополненной реальности". Санджай Дхаван, президент компании Harman International, осуществляющей услуги по электронным соединениям, посвятил свое выступление теме "Гуманизация опыта автономного автомобиля".
В докладе П.Пенга слово states переведено как "государства", но в переносном смысле: деятельность мощных групп, развивающих дисплейную технологию, направлена на завоевание доминирования на рынке. Что касается слова "воюющих", то, действительно, война идет, и военными действиями являются новые разработки, ценообразование, поиск идей и решений, обеспечивающих прорыв "фронта". Поскольку докладчик – руководитель крупнейшей компании, он говорил в основном о "военных" действиях, предпринимаемых AUO на двух главных "фронтах" – в области дисплеев на основе жидких кристаллов и органических светодиодов (OLED), а также на "тактических" направлениях, относящихся к технологиям электроники активных матриц.
Позиции AUO выглядят убедительными. Год за годом компания демонстрирует все новые достижения, не отставая от конкурентов: 2012 год – ТВЧ (HD), фронтальная и торцевая подсветка, 2013-й – 3D-телевизоры, 2014-й – сверхвысокое разрешение (4 000 столбцов), 2015-й – панели с кривыми (curved) поверхностями, 2016-й – панели с высоким динамическим диапазоном (HDR), 2017-й – дисплеи с квантовыми точками. Динамика характеристик и цен дисплеев за последнее десятилетие свидетельствует о том, что первые повышаются значительно быстрее вторых. Так, в 2006 году за ЖК-панель диагональю 42 дюйма (106 см), с высокой четкостью (1 920 Ч 1 080 пикселей) и подсветкой из люминесцентных ламп с холодным катодом платили 999 долл. В 2016 году ЖК-панель стоила 1 099 долл., но ее размер был на 23 дюйма (58 см) больше, разрешение выше в четыре раза, подсветка светодиодная (панель тоньше и надежнее). При этом появляются новые свойства: высокий динамический диапазон, искривленный (curved) экран, в готовом изделии (телевизоре, мониторе, а главное – телефоне) корпус панели занимает мало места по сравнению с дисплейным модулем. В литературе это свойство называется "узкий паз" (narrow bezel). В докладе так и сказано: "Более роскошные устройства становятся более доступными". При этом OLED не так доступны, при тех же характеристиках их цена в 2,5 раза выше (2 800 долл.).
Одним из тактических направлений компании AUO являются автомобильные дисплеи, разработанные и изготовленные с учетом требований надежности и срока службы. Разновидности дисплеев: кластерная приборная панель, центральный информационный дисплей, отображение на ветровом стекле (Head-Up Display или HUD, Windshield Display), панель в салоне для развлечения пассажиров. Устройства могут принимать разную форму (изгибаться, причем под разным углом), снабжены пассивными или активными компонентами, уменьшающими интенсивность отраженных бликов. Не только автомобильные, но и другие дисплейные продукты компании AUO – энергосберегающие, отличающиеся высокой считываемостью при солнечном освещении, защищенностью от чужого взгляда, возможностью видеть без искажений быстро меняющиеся картинки, снабженные интегрированной функцией показа изображения. Компания выпускает панели с квантовыми точками в модуле подсветки для расширения цветовой гаммы, панели по технологии локального затемнения для повышения контраста и динамического диапазона, а также продукцию с использованием традиционных дисплейных технологий: ЖК-антенны, прозрачные дисплеи, электрические занавески, изменяющие пропускание при высоком уровне солнечного освещения. Наряду с ЖК-устройствами предлагаются приборы с OLED: твердые, гибкие, часы, микродисплеи. Перспективным направлением становится создание устройств на основе микросветодиодов. Но доминирующей технологией останется жидкокристаллическая. В ближайшие шесть лет (с 2017 по 2023 год) ее доля в мировом рынке дисплеев немного уменьшится (с 96 до 93%), но объем производства и продаж значительно вырастет в абсолютном выражении благодаря выпуску панелей 8-го и 10-го поколений. Это обусловлено и тем, что ЖК-технологии значительно экологичнее, чем OLED. Можно привести пример, как работают в AUO над тем, чтобы сделать производство более "зеленым". За 10-летний период с 2006 по 2015 год были рассчитаны характеристики параметров производства каждого квадратного метра дисплеев. Интенсивность потребления воды снизилась на 45%, а энергии – на 40%. 90% всей воды используется повторно. Эмиссия углерода в атмосферу уменьшилась на 62%. Четыре производственных здания имеют сертификацию LEED – Американского совета по "зеленым" зданиям.
С учетом упомянутых главных тем Недели дисплеев остановимся подробнее на некоторых тезисах доклада К.Бейвора, в котором изложены подходы и требования к системам VR/AR (Virtual Reality / Augmented Reality) (рис.1). Среди составляющих таких систем автор назвал "дисплеи, оптику, слежение за деталями изображения, датчики, воссоздание трехмерной обстановки, органы чувств и данные, получаемые этими органами (Бейвор говорит: "мир этих чувств"), фиксацию и воссоздание звука в пространстве, осязание, операционные системы, электропитание, кодексы, обработку изображения, инструменты создания контента, материалы, эргономику и…". Чтобы изображение не расплывалось, нужно создавать дисплеи с количеством пикселей, в 10 раз превышающим современный уровень. На каждый глаз должно приходиться 20 Мпикселей на кадр. При частоте кадров 90 Гц пропускная способность устройства должна составлять 50–100 Гбайт/с, что существенно превышает пропускную способность оптического нерва (10 Мбайт/с). Возможное решение – использование особенности зрительной системы человека, в которой максимальное разрешение получается только в фовеальной области – узкой части сетчатки глаза.
К.Бейвор привел примеры устройств виртуальной реальности для смартфонов: Smartphone VR, Standalone VR, прибор Tilt Brush (рисует виртуальную реальность вокруг пользователя и переносит ее в компьютер (сайт tiltbrush.com)), камеры не только с двумя, но и с 16 объективами и, наверное, датчиками других свойств, позволяющих воссоздать многомерный массив данных, который ранее мы назвали бы "изображением".
В докладе С.Дхавана шла речь о современной и перспективной электронной начинке автомобиля, разрабатываемой компанией Harman совместно с Samsung. Автомобиль напичкан системами и устройствами самой широкой функциональности (рис.2). Мегатрендами трансформации автомобиля являются умная звукосистема, сведение индикаторов приборной панели в один прибор, соединение с системами, осуществляющими облачные вычисления, искусственный интеллект, возможность управления некоторыми системами автомобиля с мобильных устройств, автономное вождение. В основе этих трендов – развитие устройств человеко-машинного интерфейса (Human-Machine Interface, HMI), благодаря которым водитель получает информацию и на ее основе принимает решения. Устройства могут быть стационарными, переносными, мобильными, а некоторые – персонализированными. Помимо центрального дисплея предлагается сформировать мультидисплей с проекцией на ветровое стекло. Система кибербезопасности будет отслеживать состояние работы частей автомобиля, текущую и перспективную ситуацию на дороге.
НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ДИСПЛЕЕВ
В статьях про предыдущие дисплейные симпозиумы сообщалось о дисплейных панелях со сверхбольшим количеством пикселей (до 10К Ч 4К) или сверхвысоким разрешением (около тысячи пикселей на дюйм или 40 на 1 мм), реализованным в ЖК-панелях [1, 2]. В 2017 году к этим показателям приблизились и даже в чем-то превзошли их характеристики устройства на основе органических светодиодов.
В японской лаборатории полупроводниковой энергии в г. Ацуги создали прототип OLED-панели для нового полноцветного стандарта ВТ.2020. Она сравнительно небольшая – всего 13,3 дюйма по диагонали (34 см), но насчитывает 8К Ч 4К пикселей, что соответствует пространственному разрешению 664 точки на дюйм (ppi, points-per-inch) или 26 точек на миллиметр. Глубина каждого цвета составляет 12 бит, что соответствует контрасту не менее 4 000 : 1 по каждому из основных цветов. Частота смены изображений, формируемых панелью, составляет 120 Гц.
В корейской компании LG Display разработали большую OLED-панель, почти такую же по размеру и разрешению, как и ЖК-панели китайской компании BOE, характеристики которых представлены в [1, 2]. У OLED-дисплея LG размер 65 дюймов (165 см) и разрешение 4К. Ее особенность – хорошее качество белого цвета. На выставке такой экспонат с размером 77 дюймов по диагонали (196 см) назывался OLED-обои (рис.3).
Такие характеристики по разрешению и быстродействию стали возможными благодаря развитию технологий тонкопленочных транзисторов (TFT) на основе оксидов металлов (в основном IGZO – окислы индия, галлия, цинка) и низкотемпературного поликремния (Low Temperature Poly Silicon – LTPS). Корейская компания Samsung Display предложила новую конструкцию и архитектуру пикселей, с помощью которых получают панели на стеклянных подложках с разрешением 2 250 точек на дюйм (почти 90 на мм). Размер панели 1,96 дюйма (5 см).
Но и это уже не предел. Еще ранее сообщалось о микродисплеях диагональю 1–1,5 см, с количеством строк и/или столбцов 1 000–1 500. В японской компании Sony Semiconductor Solutions и корейском исследовательском институте электроники и телекоммуникации (ETRI) созданы микродисплеи и пространственные модуляторы света с ЖК и OLED с размером пикселя примерно 7 мкм для цифровой голографии и дополненной реальности. В ETRI работают над следующим поколением технологии, которая обеспечит размер пикселя около 1 мкм, что будет означать один мегапиксель на одном квадратном миллиметре!
В мире продолжают интенсивно работать над компонентами гибких (flexible) и сгибаемых (bendable, foldable) дисплеев. В калифорнийском университете Лос-Анджелеса (США) и Нанкай университете в китайском Тяньцзине (все фамилии авторов китайские) сделали растягиваемые прозрачные электроды из серебряных проволок в полимерном композите. Упоминавшийся корейский институт ETRI продемонстрировал растягиваемые тонкопленочные транзисторы (TFT), работающие и при 30%-ной деформации.
В результате, компания Samsung Display показала первый в мире 9,1 дюймовый (23 см) АМ OLED на основе технологии низкотемпературного поликремния, который сохраняет качество изображения, несмотря на изменение формы панели. Китайская компания BОE составила дорожную карту разработки и производства гибких OLED. На Неделе дисплеев 2017 году в Лос-Анджелесе было показано несколько видов сгибаемых дисплеев. Дисплей для планшетов с сенсорным управлением имел разрешение 2 048 Ч 1 536 пикселей, контраст более 70 000 : 1, его можно сгибать не менее 100 000 раз без потери качества изображения. Сгибаемый АМ OLED отличается очень высокими характеристиками по пространственному разрешению и контрасту: 2 560 Ч 1 440 пикселей по диагонали 5,5 дюйма (14 см), что означает плотность пикселей 538 на дюйм или 21 на миллиметр, контраст превышает 100 000 : 1.
В техническом университете Дрездена в Германии разработали новый материал для OLED, который меняет цвет в зависимости от полярности приложенного напряжения: от глубокого синего до насыщенного желтого. Меняя последовательность положительных и отрицательных импульсов, можно получать промежуточные цвета. Разработка перспективна для использования не только в дисплеях, но и в осветительных устройствах.
Стоит отметить еще одну новую функцию современных дисплеев. В последние годы модно говорить не только о 3D-картинках, но и о 4D- и даже 5D-изображениях. Обычно имеется в виду воздействие на другие органы чувств человека, кроме зрения. На стенде компании LG была представлена панель с "кристаллическим звуком" (Crystal Sound). Перед основной панелью находится еще одна – с двумя большими полусферами, и на ней под действием звуковых волн мощностью до 20 Вт "визуализировались" звуки (рис.4).
Примером устройства с использованием других органов чувств (например, осязания) стал сенсорный дисплей китайской компании Tianma. В нем реализована технология, благодаря которой оператору, проводящему пальцем по панели, кажется, что ее поверхность рельефная. При касании генерируется электростатическая сила на пересечении электродов строки и столбца. Эта сила изменяет силу трения при движении пальца, благодаря чему возникает ощущение шероховатой текстуры. Возможно согласование картинки и тактильных ощущений. Таким образом, можно сделать клавиатуру, каждая клавиша которой будет отличаться по тактильным ощущениям. Пользователи могут идентифицировать область изображения не только по визуальной картинке, но и по осязанию, что повышает эффективность работы.
Известно о конкуренции ЖК- и OLED-технологий. Примером может служить снимок двух почти одинаковых дисплеев компании Samsung, на котором видно, что OLED-дисплей отличается в полтора раза меньшим энергопотреблением, при этом обеспечивает более широкую цветовую гамму и почти в 300 раз больший контраст (рис.5). На другом стенде компания показала, что OLED-дисплей эффективнее и для применения в режиме высокого динамического диапазона (HDR или High Dynamic Range), так как у него достижимый уровень черного составляет менее 0,0005 нит (1 нит = 1 кд · м–2), а у ЖК-дисплея этот показатель превышает 0,2 нит. Демонстрация изображения на обеих панелях в условиях яркого внешнего освещения (рис.6) полностью подтверждает преимущества OLED-дисплеев.
Но есть примеры, когда технологии сосуществуют и даже взаимодополняют одна другую. Известны гибридные устройства с ЖК- и OLED-панелями, которые включаются в том или ином режиме – так называемые трансфлективные дисплеи. Слово "трансфлективный" образовано от слов transmission (пропускание) и reflection (отражение). В зависимости от условий внешней освещенности прибор работает в излучательном режиме (темные условия) либо в отражательном (яркая освещенность). В этом году на выставке "Неделя дисплеев" компания LG представила еще один "гибрид" – многослойный дисплей (MLD). Его тыльная часть – полноцветный дисплей с разрешением 1 920 Ч 720 пикселей, а фронтальная – прозрачная OLED-панель с вдвое меньшим по каждому направлению количеством пикселей. Каждая панель имеет только красно-зеленые или сине-зеленые цветовые компоненты.
Про искривленные панели была информация [1, 2]. Теперь они стали больше и с большим коэффициентом кривизны. Но событием выставки стали дисплеи без рамок (frameless) (рис.7) и с узким пазом (narrow bezel), в дизайне которых нет или почти нет ничего, кроме изображения.
Наряду с известными компаниями – лидерами рынка в сегменте дисплейных технологий появляются новые игроки, которые стремятся занять свои ниши. Особенно заметна активность китайских компаний. Помимо ВОЕ, о которой мы уже рассказывали, интересные варианты автомобильных дисплеев демонстрировала компания Tianma (рис.8). Активно-матричные панели с внутренней кольцевой выемкой уже не редкость. Причем кольцо не мешает структуре картинки при сенсорном управлении (рис.9).
Компания Tianma внесла свой вклад в разработку дисплеев для медицинского применения. Высокое пространственное разрешение и передача цвета позволяют детально отслеживать лечебные действия и принимать правильные диагностические решения (рис.10).
Американская компания Silvaco демонстрировала на своем стенде модель испытаний механических и электрооптических характеристик дисплеев различных видов и рисовала картинки с использованием дронов.
Новые технологии для повышения качества картинки на дисплеях представила на выставке американская компания 3М, продемонстрировав, насколько улучшается яркость панели при использовании пленки DBEF (Double Brightness Enhancement Film – двойной пленочный усилитель яркости). В результате применения этой пленки для достижения нужного уровня яркости панелью потреб-
ляется намного меньшая мощность. 3М представила две новые структуры таких пленок – DBEF-PVOH и DBEF-BA. Для дисплеев меньшего размера, чем у телевизора, – для ноутбуков и сотовых телефонов – разработаны новые структуры пленок существенно меньшей толщины – до 251 мкм.
Компания Japan Display Inc. (JDI) известна разработками экранов повышенной надежности. В этом году на Неделе дисплеев она представила устройства с сенсорным элементом, встроенным в тонкопленочный транзистор активной матрицы дисплея или в оптическую пленку для усиления яркости (технология In-Touch). В результате повышается точность определения координат касания. Такие приборы называют дисплеями с 0-мерной кнопкой. В компании JDI усовершенствовали технологию низкотемпературного поликремния и на 30% снизили энергопотребление панелей. Применение технологии позволило компании существенно увеличить пространственное разрешение дисплеев (рис.12) и создать нашлемное устройство, формирующее изображение с 1 440 Ч 1 700 пикселей и скоростью смены кадров 90 Гц (рис.13).
Вершиной сенсорных технологий (touch screen) показалась система без касания панели. С помощью специальной оптической схемы в воздухе строится изображение, которое можно "потрогать". При нажатии на виртуальную кнопку под картинкой предмета или изображения действия "выбирается" предмет или действие. Такие приборы назвали воздушными (aerial) дисплеями. Профиль панели S-образный. Про упрочненные (rugged) дисплеи этой компании информация приведена в [3].
Вместе с другими дисплейными технологиями существенно продвинулась и технология электронной бумаги (компания E-Ink). Выше разрешение, лучше передача цвета, появилась гибкость, на электронной бумаге теперь можно писать и авторучкой. Но чего еше не показывали другие разработчики, так это женских платьев. На выставке "Неделя дисплеев" в 2017 году демонстрировалось платье, которое через короткий промежуток времени меняло свой цвет и рисунок ткани (рис.14).
Это уже не совсем дисплеи, хотя и выполненные на основе дисплейных технологий, по мере развития которых в последние десятилетия предъявляются новые требования к электронным устройствам и материалам.
На выставке было показано много дисплеев круглой или прямоугольной формы для наручных часов. Движение в этом направлении сопряжено с появлением новых задач. Так, С.Ким, доцент южнокорейского университета Сунгкункван, представитель школы передовых материалов и науки и техники, а также лаборатории многофункциональной нано-/биоэлектроники, в обзоре по гибкой полупроводниковой электронике привел структуру прототипа искусственного биомаркера на коже. Это кусок пластика с электронными элементами и датчиками температуры, влажности, других показателей. Его появление стало возможным благодаря созданию коммерческого продукта – наручных часов.
ФОРУМ "ЖЕНЩИНЫ В ТЕХНИКЕ".
ВЫДАЮЩИЕСЯ ДОКЛАДЫ СТУДЕНТОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ НА НЕДЕЛЕ ДИСПЛЕЕВ
На Неделе дисплеев были представлены не только технические новинки. Устроители мероприятий прилагают много сил и тратят немало средств, чтобы представить участников конференции и выставки – от студентов до руководителей крупных компаний.
Расскажем о некоторых участницах форума. Модератором была Рашми Рао, старший директор по передовой технике компании Harman International и председатель программного комитета Недели дисплеев 2017 года. В компании она отвечает за стратегию технологии и вывода ее на рынок, за объединение прорывных технологий с конструкторскими разработками (с учетом взаимодействия человека с машиной). Совсем недавно она занималась стратегией продвижения айфонов в компании Apple.
Участница форума Джулия Браун, старший вице-президент и технический директор американской компании Universal Display Corporation. Прежде она была сотрудницей исследовательских лабораторий Хьюза и руководила разработкой пилотной линии для производства высокоскоростных микросхем на основе гетероструктурных полупроводников. Ее заслуги признаны научным сообществом – Джулия является почетным членом (Fellow) Института электрических инженеров (IEEE) и SID, ее имя внесено в зал славы высшей школы штата Нью-Джерси.
Кэндис Браун Эллиотт, основательница и генеральный директор компании Nouvoyance. Кэндис – признанный лидер, предприниматель, изобретатель, автор более 100 патентов по плоскопанельным дисплеям и микроэлектронным приборам. В ее 40-летней профессиональной карьере были и ключевые посты в ведущих полупроводниковых фирмах, и успешные стартапы. Одно из ее изобретений удостоено премии SID имени Отто Шаде. При всем этом научная степень Кэндис – бакалавр по физике и психологии.
Для Недели дисплеев интересной и несколько необычной выглядит область занятий и карьера Хейди Дохсе, вице-президента по продукции (Product Execution) корпорации DTI (Disruptive Technology Innovations). Хейди отвечает за стратегию развития корпорации по направлению "Наука о здоровье и жизни" в целях глобального обеспечения здоровьесбережения. У корпорации есть пионерская разработка с использованием графеновых технологий. До DTI Хейди создавала облачную платформу в Google. У нее есть степень исполнителя (Executive) Гарвардской медицинской школы и статус бакалавра искусств. Она также основала благотворительный виртуальный маршрут "Тур сердца" (Tour de Heart, virtual charity ride), чтобы дать надежду и воодушевить пациентов с заболеваниями сердца и их благодетелей.
Лора Реа, старшая управляющая технологической программой в Исследовательской лаборатории ВВС США, около 30 лет работает в системе технологий для военных применений. Сейчас создает материалы и процессы для датчиков и компонентов мониторинга характеристик человека для повышения автономности военных систем.
Персиянка Ниаз Абдолрахим окончила Иранский университет науки и технологии со степенью бакалавра наук, а позже получила степень магистра по аэрокосмической технике. Докторскую степень она защитила уже в университете штата Вашингтон. Во время работы над диссертацией в 2013 году Ниаз выиграла премию Джеймса Клерка Максвелла для молодых писателей, точнее авторов статей или книг. Сейчас она доцент по механическим приборам и наукам о материалах университета Рочестера в штате Нью-Йорк.
Закончим представление женщин-предпринимателей рассказом о Таре Ахаван, заместителе председателя SID по маркетингу. Тара – основатель и технический директор одного из признанных стартапов в дисплейной индустрии – компании IRYStec. Ранее Тара увеличила количество подписчиков одной из американских мобильных сетей до 20 миллионов, за что была отмечена корпоративной наградой. У нее несколько ученых степеней: бакалавр компьютерного приборостроения, магистр по искусственному интеллекту, доктор по обработке изображений и компьютерному зрению.
Перед началом научной программы дисплейного симпозиума программный комитет отбирает выдающиеся (distinguished) доклады представителей различных организаций, а также студентов. Были отмечены девять студенческих докладов, в основном из азиатских стран – три из Китая, два из Республики Корея, а также три из США и один из Германии. Но в двух докладах из США были фамилии только китайцев или тайваньцев. Отметим, что в одном выдающемся студенческом докладе студенты представляли китайскую Академию наук. Из девяти отмеченных студенческих докладов три – по новым технологиям с квантовыми точками, два – по оптическим решениям на основе метода светового поля.
* * *
В который раз при подготовке обзора очередного дисплейного симпозиума, а в последние годы Недели дисплеев, приходится вспоминать афоризм Козьмы Пруткова (кстати, по профессии метролога) "Нельзя объять необъятное". Только устные доклады на симпозиуме превысили 250 ч, а еще около 250 постерных докладов, более 150 стендов на выставке и различные мероприятия. При этом основные направления и технологии показаны в статье достаточно полно.
Работа, связанная с посещением Недели дисплеев 2017 года, была осуществлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 15-07-00469_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев В. Неделя дисплеев 2014 года. Большие достижения начинаются с малого // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2014. № 3. С. 108–111.
2. Беляев В. Неделя дисплеев 2016: Технологии настоящего и будущего. Часть 1. Выставка и научная конференция // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 8. С. 42–52.
3. Беляев В, Суарес Д. Дисплеи и дисплейные технологии для военных применений // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 7. С. 52–67.
Отзывы читателей
