Технологиите използвани за производството на дисплеи на телефони от 3-то и следващи поколения не са по-различни от тези използвани и при съвременните телефони, макар и те да не са 3G. Различията при тези телефони се изразяват главно в други параметри, но поради тях се налага използването на висококачествени цветни дисплеи. Разбира се, се използват усъвършенствани технологии, но както споменах по-горе те се използват и в някои от произвежданите в момента мобилни телефони от по-стари поколения. Основни технологии използвани в наши дни са LCD, TFT, TFD, FLC, CSTN, OLED, LEP. В отчета ми ще бъде обърнато внимание точно на тези технологии.

3. Основни характеристики на продуктите от този клас:

Основните характеристики на дисплеите, използвани в мобилните телефони са:

3.1. Технологяи на дисплея

Както казах има различни технологии, по който различните производители произвеждат своите дисплеи. По-нататък в отчета ще бъде обърнато внимание на различните технологии. От технологията зависят и много от останалите характеристики на дисплеите.

3.2. Брой цветове на дисплея

В телефоните от 3-то поколение дисплеите се произвеждат с минимум 65000 цвята, поради нуждата от възпроизвеждане на мултимедийни и други поддържани от съответната мрежа и телефон приложения. В момента се произвеждат и телефони с 260000 цвята [1]

3.3. Консумация на дисплея

Консумацията зависи най-вече от използваната технология при производството на дисплея.

3.4. Размер на дисплея

Размерите на дисплеите на мобилните телефони са ограничени по-няколко причини. Първата е, че все пак това си остава мобилен телефон, който трябва да може да се събира в джоба ни. Втората е споменатия в точка 3.2 консумация на дисплея и невъзможността да се създават големи батерии поради първата причина. Но технологиите напредват и в това отношение, но това не е тема на моя отчет.

3.5. Резделителна способност на дисплея

Тенденция е разделителната способност на дисплеите да се увеличава, с което да се увеличава и качеството на изображението на екрана.

4. Обзор на технологиите

4.1. Течнокристални дисплеи – LCD технология

Това не е нова технология, но е все още широко използвана. Плосък дисплей формиран от слой течнокристален материал притиснат между два слоя стъкло. Стъклото е покрито с прозрачен, проводим материал, който формира сегментите на символа .

Принцип на работа - LCD, по-точно матрицата му (за разлика от OLED дисплеите), не излъчва светлината сама, а само пропуска светлината, излъчвана от лампа. Източникът на светлина обикновено е разположен зад екрана (Backlight) и може да е LED или друг вид. Източникът на задно осветление консумира 2-4 пъти по-голяма мощност от самия екран, което е сериозен недостатък. Количеството светлина, преминаваща през матрицата, се регулира чрез поляризиращи филтри, ориентиращи течните кристали под определен ъгъл един спрямо друг.

Най-общо казано, принципът на действие представлява следното (Фиг. ):

Светлината от лампата преминава през система от отражатели, минава след това през първия поляризиращ филър и попада в слоя от течни кристали, които са контролирани по определен начин. Създава се електрическо поле, задавайки пространствена ориентация на течните кристали. Светлината, преминавайки през

Фиг. ...... [3]

подредена по определен начин кристална структура, променя поляризацията си, и в зависимост от нея, или ще бъде погълната от втория поляризиращ филтър на изхода, като в този случай ще се образува черен пиксел, или ще бъде погълната частично от RGB филтрите, образувайки различни цветове, включително бял.

4.1.1. TFT LCD

Най-старата и разпространена технология при поизводството на течнокристалните дисплеи. TFT (Thin Film Transistor), чрез който се изгражда светещият пиксел, наистина е с микроскопичен размер и най-вече дебелина, а броят на такива транзистори в една матрица е много голям и зависи от разделителната способност. Не е трудно да си представим сложността на процеса на производство на матриците и това, какво се получава, когато в процеса на производство някой от транзисторите не работи. Тогава се появява "изгорял пиксел", или някой, който свети постоянно. Тъй като производителите на матрици не желаят да имат особено големи загуби вследствие на дефектни пиксели, са въвели някои правила за бройката "мъртви" и постоянно светещи пиксели, които е допустимо да има една матрица. В днешно време този тип технология се използва само с активна матрица.

Активната матрица е LCD технология за плоски панели, която използва електронен ключ (Thin Film Transistor - TFT) за да управлява индивидуално всеки пиксел - подобрявайки преминаването на светлината и повишавайки качеството на изображението. TFT поддържа напрежението във всеки пиксел, за да го запази във включен режим по време на опресняването на картината. Това позволява да се използват материали като бързите течни кристали, което означава по-кратки времена за реакция и елиминация на размазването. Клетките при активната матрица са по-големи от тези в пасивната, а това означава че през тях минава по-голямо количество светлина. Последното увеличава ъгъла на видимост и позволява по-високи контрастни съотношения. [11]

Първите TFT матрици бяха пасивни. За тях бе характерно лошото изобразяване на цветовете, черният цвят не беше черен, а сив. В момента такива матрици вече почти не се произвеждат, заменени от активни TFT матрици. В активните матрици се използват отделни усилвателни елементи за всеки пиксел, които позволяват да се намали времето за управление на прозрачността им. Активните матрици имат по-голяма яркост, по-широк ъгъл на видимост, времето на послесветене на пиксела отдавна вече е под 40 ms, в сравнение с близо 300 ms при пасивните матрици.

4.1.2. CSTN LCD : (color super-twist nematic), LCD технология развита от Sharp Electronics Corporation.

Особености - Равнината на поляризация на светлината се завърта на 90° при преминаването през кристала, CSTN е базирана на пасивна матрица, която е по-евтина за производство.

Предимства - Оригиналния CSTN дисплей създаден в началото на 90-те години на миналия век страдал от голямо време за сработване и бледо изображение. Последните подобрения в технологията, обаче превръщат CSTN в жизнеспособна алтернатива на дисплеите с активна матрица. Новия CSTN дисплей има време за сработване 100ms, 140 градуса ъгъл на виждане, и висококачествени цветове. Всичко това само за половината от цената на TFT.[4]

Една от съвременните насоки за подобряване на параметрите на LCD екраните е увеличаването на експлоатационния им срок и разширяването на температурния обхват, което е от особено значение. Например фирмата Optrex произвежда пропускащи екрани STN с диагонал 4,2" (10,7 cm), които са с яркост 150 cd/m² и работят при температури от -30 до +85° С в продължение на 25000 часа. Вече има и LCD екрани с експлоатационен срок 50000 часа.

4.1.3. TFD LCD : (Thin Film Diode) Тънкослоест Диод

Особености - използва същият течен кристал като TFT LCD и същият метод на управление като STN-LCD. [4]

Предимства - комбинира преимуществата и на двата. Например Epson предлага такива екрани за мобилни телефони с диагонал между 1,4 и 2,2" (от 4,3 до 5,6 cm) и яркост между 10 и 20 cd/m 2 . Важно тяхно предимство е малката консумирана мощност.

4.1.4. ''a-Si'' - Samsung Electronics Co. Ltd. анонсира първия в света a-Si (аморфно-силиконов) 2.6 инчов TFT-LCD с VGA (300ppi) качество на картината. (фиг.2)

Фиг.2[2]

Особености - Samsung направи свои патентовани аморфно-силиконови полу-проводникови преходи при LCD панелите, като максимализира ефективността при проектирането на LCD, контролери и модули. Тази изключителна технология е насочена към PDA телефоните и другите върхови мобилни телефони, които изискват високо качество на картината.

Аморфно-силиконовите (a-Si) и поликристално-силиконовите (полисиликон или p-Si) са двете основни силиконови технологии, използвани при миниатюрните транзистори за LCD дисплеите. Ниско-температурният полисиликон (LTPS) може да постигне високо ниво на интеграция, с което става предпочитан метод при производството на панели, изискващи висока резолюция. Общоприетите схващания до скоро твърдяха, че структурните свойства ще ограничат a-Si технология до 150ppi резолюция. Инжинерите от Samsung Electronics, категорично опровергават това схващане, като завършват 1.94 инчов дисплей с QVGA (207ppi) резолюция през май 2004 година, и продължават да осъвършенстват тяхната собствена a-Si технология за да постигнат VGA резолюция при малки и средни по размер дисплеи.[2]

Предимства - Използвайки a-Si технология, дисплеите на мобилните телефони вече са способни да покажат същия VGA формат, който е при notebook PCs и десктоп мониторите. С почти седем пъти резолюцията на един 42 инчов, високо контрастен LCD телевизор при 300 пиксела за инч (ppi), един a-Si мобилен телефон може да бъде използван като висококачествен мобилен телевизор. [2]

4.1.5. LTPS LCD: LTPS ( нискотемпертурен полисиликон)

Особености - технология е важна посока в бъдещето на мобилните дисплеи. Използвайки полисиликон (p-Si) е възможно да се направят транзистори с възможност за пренасяне на много по висок заряд, отколкото a-Si , което значи , че p-Si транзистори може да управлява по-голям ток отколкото a-Si. Малкият транзисторен размер определя и малкият размер на пиксела. LTPS позволява да се преработи драйверната електроника, особено управлението на редовете и колоните, то може да се реализира директно на дисплейната подложка. Броят на диодите и контактите също ще бъде понижен.[6]

Предимства - по-голяма разрешаваща способност и по-малката консумация. Намален размер на драйверната електроника. LTPS позволява направата на компактни модули с висока резолюция. Високата степен интеграция намалява размерите на дисплея, като не влияе на високото му качество. Ще се намали и консумираната мощност. Подобрява се надежността на мобилния телефон като цяло. Например, LPTS дисплеите могат по-добре да издържат на външни условия без повреди причинени от промяна на температура и влажност, по-малка чувствителност към механични смущаващи величини . Очаква се през 2005, LTPS технологиите наистина да навлязат в производство и мобилни телефони да бъдат комплектовани с LTPS LCD дисплеи. [6]

4.1.6. FLC - (Ferroelectric Liquid Crystal) Фероелектрични течнокристални екрани

Особености - Идея за структурата на FLC екран е следната. Той е разположен върху много добре полираната силициева подложка на управляващата го CMOS ИС, като всеки пиксел съдържа алуминиево огледало, свързано с една клетка от паметта на ИС. Източникът на светлина е матрица от червени, зелени и сини LED. Светлината преминава през FLC и се отразява от огледалото. При логическа 0 в клетката поляризацията е такава, че светлината не излиза навън - пикселът е тъмен. Поляризацията е друга при логическа 1 и пикселът отразява обратно външната светлина, като цветът му зависи от този на активирания в момента LED. [5]

Предимства - На първо място това е възможността за реализация на голяма яркост при ниска цена и тегло. Голямото бързодействие на FLC екраните позволява управляването им със сравнително прости ИС. Не на последно място са големият ъгъл на наблюдение (следователно необходимост от проста оптика) и по-малката консумирана мощност. Засега FLC екраните са с диагонал до 1" (2,54 cm). Екраните и управляващата ги ИС работят със захранващо напрежение между 3 и 5,5V. [5]

4.1.7. Други технологии и проблеми

Множество фирми по света правят постоянно опити да подобрят течнокристалната технология, и често успяват, поради което от година на година ние ставаме свидетели на еволюцията в тази област.

Управлението на LCD екраните се извършва чрез специализирани ИС, които с цел намаляване на размерите трябва да се вграждат в екрана. По тази причина фирмата Three-Five Systems е създала технология LCoS (от Liquid Crystal-on-Silicon), при която екранът се нанася върху силициева основа, а не върху стъкло. В тази основа се изработва и управляващата ИС. Постояннотоковата консумация на миниатюрен екран от този тип с три възможни формата (VGA, SVGA и SXGA) и диагонал 1,2 или 2 cm е 80 mW за SVGA и 250 mW за SXGA.

NEC и Hitachi предложиха технологията IPS (In-Plane Switching), позволила ъгъла на видимост на дисплеите да бъде увеличен до 170 градуса, а управляващите електроди на транзисторите се намират върху една подложка.

Технологията MVA (Multi-Domain Vertical Alignment), предложена от Fujitsu, позволява всеки един пиксел, формиращ изображението, да бъде разделен на няколко участъка, къдеtо се извършва локална ориентация на течните кристали. Матриците, използващи тази технология, имат широк ъгъл на видимост и кратко време за светване и гасене на пиксела.

Високоскоростните LCD изискват EMI филтри. [17]

Когато новите безжични телефони бяха въведени, стана очевидно, че не само основните характеристики са подобрени, но и функционалните възможности и отличителни черти са увеличени драматично. Бързодействащи LCD с високата резолюция и камери са две отличителни черти станали популярни между потребителите. За да се задоволи апетита на потребителите, следващо поколение безжични телефони ще имат дисплеи с още по-висока разрешаваща способност, за да позволят функции като например, видеозапис, телевизия, и видео игри.

Несъмнено, тези отличителни черти са чудесни за потребителите. Обаче поставят няколко проблема за производителите. Един от главните, който трябва да се реши е електромагнитните смущения (ЕМI) генерирани от тези сложни телефони.

Обикновено до сега се използваше гъвкава връзка между LCD екрана и платката на телефона. В миналото, ЕМI не бяха проблем, тъй като сигналите, които бяха предавани през гъвкавата печатна платка бяха с ниски скорости. С навлизането на усъвършенствани LCD-та сигналите са с по-високи честоти, довеждайки до сигнали с по-високи скорости пътуващи по гъвкавата печатна платка. Това пък води до рабoта на гъвкавата печатна платка в телефона като антена, която излъчва ЕМI вътрешно и външно.

За да подтиснете това излъчване на ЕМI и да съхраните цялостта на сигнала трябва да се вградят ЕМI филтри. Това може да бъде осъществено с използването на дискретен резистор и кондензатор или интегрирани пасивни устройства (IPDs). Много проектанти поглеждат към дискретните компоненти, тъй като те са най-лесното и най-добре известното решение. Обаче, те не са много ефективни.

Решение използващо дискретни компоненти осигурява лоши филтриращи характеристики и не филтрира високо честотен шум. Тези филтри не са ефективни от 500 МНz до 6GHz. Използвайки филтър в интегрално изпълнение, шум с висока честота е ефективно филтриран.

За да оптимизирате характеристиката на тези нови безжични телефони, EMI филтрите трябва да са със съгласувани линии за предаване на данни. Сигналите, предавани към LCD-то, са предавани с точно определена честота. За да се избере подходящ филтър, правилната честота на филтриране трябва да бъде определена. Като правило тази честота е пет пъти честотата на синхронизация за сигнала за данни. [17]

4.2. Органични дисплеи

Кратка история - OLED е съкращение от Organic Light Emitting Diode. Още от наименованието личат и двете основни разлики в сравнение с LCD. Те се крият в думите “organic” и “light-emitting”. От 60-те години насам в микроелектрониката се използват предимно неорганични материали – силиций, германий, галиев арсенид, алуминий, мед, различни диелектрици, като силициев диоксид, и др. Същевременно обаче се провеждат изследвания и върху органичните материали – полимери, олигомери, хибридни органично-неорганични смеси, както и върху техните свойства – проводимост, полупроводникови качества, светлинно излъчване. Органичните материали предлагат редица полезни качества, като например възможности за нормална работа в широк температурен диапазон, голяма гъвкавост и т.н. Това ги прави привлекателни за приложение в електронната промишленост. Kodak предлага да се използват два слоя от органично вещество между електроди, вместо един, и тази схема на практика се превръща в основната архитектура на OLED дисплеите.

4.2.1. OLED дисплеи (фиг.3)

Особености - Целият пакет е покрит със стъкло. Откъм OLED страната стъклото е покрито с индиев оксид, който играе ролята на анод. Първият органичен слой е непосредствено до него. Той е изграден от ароматен диамин, а ширината му е около 75 nm. Следва основният светлоизлъчващ слой от филм, който е направен от специална смес. Последният слой е катод, направен от магнезий и сребро в атомно съотношение 10:1. Цялата конструкция (фиг.4) е дебела по-малко от 500 nm заедно със задното осветление. Всъщност, осветяването е един вид вградено.

Фиг.4 [3]

При подаване на ток с напрежение 2.5 V или по-голямо, основният слой започва да излъчва фотони. Този поток от фотони става по-интензивен с нарастването на силата на тока по линейна зависимост. Така при подаване на 10 V се осигурява яркост от над 1000 кандела на квадратен метър, което е над два пъти повече от осигуряваното от LCD екраните. При това теоретичният максимум е над 100 000 кандела на квадратен метър!

OLED екраните, представляват матрица, изградена от групи клетки. Всяка група съдържа червена, синя и зелена клетка и отговаря на един пиксел. Чрез регулиране на волтажа на всяка клетка се постига изискваната дълбочина на цвета на съответния пиксел. Този цвят е комбинация от нюансите на трите основни цвята. Използваната схема не е нова, но засега не е измислено нещо по-просто и по-ефективно от нея.

Предимства – Разликата в качеството на снимки, изобразени на малък LCD дисплей и негов OLED аналог, е просто огромна. Дори съвременните OLED матрици, които се водят първо поколение, са много по-добри от своите LCD конкуренти.

Според всички специалисти, това е технологията, която в един момент на своето развитие ще изпревари TFT технологията и ще стане доминираща. Дисплея вероятно е най-скъпия и най-енергоемък компонент. OLED технологията е разглеждана като мобилна технология на бъдещето, комбинирайки, отлична яркост и рарешаваща способност, по-широк визуален ъгъл, по-малка консумация от LCD (около 30%), по-малко тегло и размери.

Фиг.3 [3]

Проблеми - Една от най-големите бариери на комерсиализацията за много компании е времето, което дисплеят може да бъде използван преди неговата органичната структура да се повреди. Проблема е, че органичният слой бавно загива от химическа реакция която в крайна сметка го прави неизползваем. В момента, времето на живот на органичния материал е само около 10,000 часа в най-добрият случай - вероятно половина на това, което е минималното изискване за какъвто и да било дисплей. (http://www.displaysearch.com )

Голям брой компании взеха участие в отстраняването на проблемите, констатирани след появяването на първите OLED дисплеи. В момента около осем фирми и организации работят върху развитието на технологията и техните усилия дават резултат. Новите OLED материали са много по-сложни от първоначално използваните. Сега се работи с нови химически формули за базовите слоеве, както и със специални добавки, които влияят на различни части от спектъра – червена, зелена, синя и т.н.

Производителите на OLED дисплеи използват принципа на inkjet печата, за нанасянето на OLED полимери. Този вид технология е известна също като (PLED, LEP). OLED може да се раздели на две категории основани на размера на молекулите в материалите на дисплея и разликата в производствения процес. LEP (светоизлъчващ полимер) използва материали със сравнително по-големи молекули в сравнение със SMOLED (Small Molecule Light-Emitting Display).

4.2.2. PLED дисплеи (LEP)

Особености - PLED дисплеите сe произвеждат чрез поставяне на материалите на подложки (обикновено стъкло) посредством inkjet печат. Възможността за използване на inkjet печатни методи за произвеждане на PLED дисплеи е лесен начин за получаване на евтини дисплеи с висока резолюция. Това е доста различно от досегашните методи за производство, които бяха на фотолитографски метод, изискващ много стъпки в производството на дисплея. Възможната за inkjet печат позволява много от стъпките да се извършат едновременно. Това подобрява производителността на поточната линия. Inkjet печатът също така има преимуществото на намаляване загубите на скъпи PLED материални, тъй като материалът се разпределя само където е необходимо. На фиг.5 е схемата на един такъв inkjet производствен процес. [3]

Фиг.5 [3]

Разработчиците са установили, че повърхностните свойства на подложката са важни за еднородното разпространение на капките и еднородената дебелина на слоя след като разтворителят в PLED материала се изпари.

Технологията LEP (Light Emission Plastics), разработена от английската фирма Cambridge Display Technology(CDT) преди около 5 години, на практика представлява едно от многото стъпала към постепенното подобряване на технологията на светещите полимери, в случая, пластик. Всеки пиксел може се включва или изключваен независимо и може да създаде много цветове, водейки до много добър дисплей.

Предимства - LEP дисплеите нямат проблеми с ъгъла на гледане, т.е. изображението може да се наблюдава под произволен ъгъл до 180^о, без да има проблеми с видимостта или промяна на цветовете, както е при LCD.

LEP технологията работи при много ниско захранване (3V) и съответно има малка консумирана мощност. Това, заедно с факта, че полимерните дисплеи са по-леки от аналогични LCD и времето на превключване на пикселите е много по-малко от това на течнокристалните дисплеи (от порядъка на 1 микросекунда) ги превръща в сериозна конкуренция на пазара.

Предстои да видим и екрани с уникални характеристики, които ще разчупят стереотипите, с които сме свикнали. Това ще са пластичните дисплеи, при които всичко – транзистори, матрица, покритие - ще бъде направено от гъвкави полимери. По този начин ще се открият нови хоризонти пред цялата компютърна индустрия. Или пък си представете клетъчен телефон, свързан към интернет, но не такъв с миниатюрен 2-инчов екран, а с разгъваем 10-инчов. [13]

За перспективността на технологията говори и фактът, че са я лицензирали компании от ранга на Seiko-Epson и Phillips. [15]

Toshiba Matsushita Display Technology е развила първия прототип на света на пълен-цветен LEP дисплей, 2.85-инча с 262144 цвята и 64-степени (6-бита) скала на яркост.

5. Заключение

LCD все още е доминираща технология за дисплей в мобилните телефони и ще е така, може би още малко време. LCD технологията е толкова развита, че е трудно да се замени толкова лесно от друга технология. Очаква се OLED да стане сериозен конкурент след решаването на някои проблеми. Не може да се каже, че тази технология ще изчезне напълно въпреки видимите предимства на ОLED.(фиг.6 и фиг.7)

Фиг.6

Фиг.7

Всички разгледани технологии за сега имат бъдеще в телефоните от 3G и следващи поколения. Всички технологии се доусъвършенстват, а някои са твърде млади. Всеки производител може да избира между отделните технологии и да реши коя да използва за неговите продукти. Погледнато от друга страна всяка технология има плюсове и минуси. Добрата стара LCD технология има доста разновидности и продължава да се развива. Подобряват се много от параметрите на тези дисплеи с всеки изминал месец. От друга страна OLED наистина е многообещаваща технология, печелеща точки основно с възможността за лесно производство, наситените си цветове, добрата яркост. Тази технология изглежда много по лесна от LCD, но пред нея до някъде, все още стои сериозния проблем с времето на живот на дисплея. Наистина се вярва, че това е технологията на бъдещето особено за портативни дисплеи.

6. Използвани информационни източници