ТЕХНОЛОГИИ: Цветное разнообразие технологий

Автор: Юрий Ревич

Глазея на прилавки в крупном торговом центре, вы наверняка обращали внимание на то, что человечество поставило себе на службу совсем не много технологий получения изображений. Неужели физические эффекты, позволяющие превращать электрические импульсы в изображение, ограничиваются древними кинескопами, ЖК-технологиями да еще плазмой? Вовсе нет - способов получения электронных картинок наизобретали огромное количество. Вот только приспособить их к жизненным реалиям не всегда удается. О препятствиях, мешающих довести до ума OLED-технологии, автор этих строк писал недавно ("КТ" #762), в начале года восхвалял лазерные телевизоры ("КТ" #720), которые также все никак не дойдут до прилавков. А сегодня мы поговорим о других технологиях, причем, как ни странно, их окажется не так уж и мало.

Электролюминес­­центные дисплеи

Электролюминесцентные (EL) дисплеи знакомы всем. Те, кто постарше, наверное, помнят настольные часы с зелеными или зелено-голубыми тусклыми цифрами, упрятанными где-то в глубине за мелкой сеткой электродов. С тех пор EL-дисплеи шагнули далеко вперед. Кто-нибудь из автомобилистов, читающих эти строки, наверняка имеет в своей машине магнитолу с EL-дисплеем, музыкально озабоченные личности могут лицезреть EL-дисплеи в составе музыкальных центров и ресиверов с эквалайзерами. Наиболее широко EL-дисплеи распространены в профессиональных областях - в медицине, в авиации и наземном транспорте, в промышленных контрольно-измерительных приборах, в аппаратуре военного назначения и даже, говорят, на космических станциях. Ибо сочетают в себе высокую надежность, устойчивость к ударам, вибрациям и большой температурный диапазон (–40…85 °C).

EL-ячейки устроены гораздо проще, чем жидкокристаллические или плазменные, и по структуре напоминают OLED-ячейку [И эти технологии в прессе часто путают], но имеют иные характеристики - в частности, для слоя люминофора [Так как люминофор по-английски phosphor, в нашей литературе его часто и называют "фосфором". Это даже хуже, чем "силиконовый чип" или "полиэстер" (polyester на русский переводится как "полиэфир")], который здесь заменяет светодиодный слой, требуется высокая напряженность поля при достаточной яркости свечения (до 1,5·106 В/см), отчего на электроды приходится подавать переменное напряжение с амплитудой 200–300 вольт. Чтобы избежать пробоя тонкого активного слоя, оба электрода отделены от люминофора слоями изолятора. Люминофор - это некое химическое вещество (в частности, сульфид цинка), играющее роль генератора электронов, в которое включены атомы определенных металлов - марганца, теллура или меди, - поглощающие электроны и за счет этого излучающие свет. Для повышения контраста нижний изоляционный слой делается темным (хотя встречаются и прозрачные EL-дисплеи).

Многоцветные дисплеи в этой технологии получаются стандартным образом: люминофор испускает белый свет, а цвета формируются фильтрами, размещенными поверх излучающего слоя. Обычный EL-дисплей монохромный или воспроизводит пару-другую цветов, существуют также восьми­цветные EL-дисплеи или с шестнадцатью оттенками серого. Главный производитель подобных дисплеев в мире - компания Planar Systems, выпускающая их уже четверть века. В 2007 году она выкатила первый QVGA-дисплей (320х240) размером 12,4 см по диагонали, воспроизводящий шестнадцать цветов. Такие дисплеи вряд ли будут претендовать на роль "убийцы ЖК", но в своей области они отлично работают.

На стыке EL- и OLED-технологий находятся электролюминесцентные дисплеи на основе органических материалов (OELD). В начале тысячелетия ими активно занимались многие компании (в частности, Sanyo и TDK), но, судя по новостям, где-то около 2003 года энтузиазм пошел на убыль. К электролюминесцентным можно формально причислить и технологию PHOLED (Phosphorescent OLED) от компании Universal Display Corporation (поскольку фосфоресценция - это просто разновидность люминесценции, когда свечение несколько запаздывает по отношению к возбуждающему фактору [В быту фосфоресценцией ошибочно называют способность вещества светиться самостоятельно - хемилюминесценцию (игрушки в виде светящихся палочек), биолюминесценцию (светлячки или сырые гнилушки в лесу) или радиолюминесценцию радиоактивных веществ. И хотя явление получило название от элемента фосфора, чья "белая разновидность" светится за счет процессов хемилюминесценции ("Собака Баскервилей", ага), ученые почему-то присвоили этому термину иное значение]), но все же из-за использования органического полупро­вод­ника ее следует рассматривать как разновидность OLED.

FED и SED - свет в конце туннеля?

Технология Field Emisson Display (FED) есть развитие идеи плоского кинескопа [Плоского не в смысле плоскоэкранного (это научились делать и без того), а в смысле тонкого, плоскопанельного, как плазма или ЖК], которой инженеры озаботились еще в 1980-е годы. Один из вариантов этой технологии от Candescent Technologies так и назывался - ThinCRT. Самым большим ее энтузиастом выступала Canon, которая занялась этим вопросом еще в 1986 году и даже дала своей версии специальное название: SED (Surface conduction Electron-emitter Display). В 2004-м Canon купила упомянутую Candescent Tech­no­logies и объединилась с Toshiba для организации производства, начать которое собирались в 2005 году. В начале 2007-го Canon выкупила у Toshiba долю в этом предприятии обратно и хотя продолжала всячески демонстрировать оптимизм (обещая, в частности, начать производство SED-дисплеев теперь уже в конце 2007-го), но на этом дело опять заглохло.

Суть технологии FED/SED очень проста и заключается в формулировке "каждому пикселу экрана по собственной электронной пушке". Конечно, подогревный катод (каковые используются в обычных кинескопах) столь микроскопических размеров не сделаешь, поэтому в основе всех разработок в этом направлении лежит идея использования автоэлектронной эмиссии. Это явление состоит в том, что пленка полупроводника под действием разности потенциалов может испускать электроны за счет туннельного эффекта. Чтобы туннельный эффект работал, нужны микроскопические зазоры (вернее сказать - "наноскопические"). Для этого в ячейках SED разработчики прорезали в пленке полупроводника сверхтонкие (несколько нанометров) щели. Образующиеся электроны ускоряются разностью потенциалов. В кинескопе это делается, как известно, за счет сверхвысокого (десятки киловольт) напряжения между анодом и электронной пушкой-катодом, а здесь, вследствие небольшого расстояния, достаточно лишь нескольких вольт. Ускоренные электроны попадают на люминофор и заставляют его светиться.

В FED-дисплее анод представляет собой алюминиевую пластину, покрытую люминофором, а прозрачный катод-эмиттер, излучающий электроны, находится на стеклянной пластине сверху. Одной из самых больших трудностей было обеспечение глубокого вакуума в ячейке - ведь стекло обычного кинескопа делают очень толстым, чтобы противостоять внешнему давлению.

Motorola разрабатывает иной вариант FED под названием NED, в котором излучателями электронов будут нанотрубки. А в конце ноября вдруг пришла новость из не­ожиданного источника - Sony. Оказывается, знаменитая корпорация совместно с компанией FE Technologies тихой сапой разрабатывала свой вариант FED-технологии и сейчас вынесла свое творение на публику.

В варианте FED от Sony эмиттеры электронов представляют собой конусы "наноскопических" размеров, на каждый субпиксел их приходится до 10 тысяч. Sony уверяет, что выход из строя 20% этих излучателей не влияет на качество картинки. Творение оказалось впечатляющим: 19-дюймовый дисплей с частотой обновления картинки 240 Гц, который на презентации обслуживали четыре (!) приставки PlayStation 3. Очевидцы говорят, что качество картинки ошеломляющее.

Бумага или чернила?

Простейшая технология электронной бумаги, разработанная еще в 1998 году группой исследователей из Массачусетского технологического института (позже основавших компанию E Ink), заключается в следующем. В прозрачной пластиковой основе заключено множество микроскопических капсул с жидкостью, в которой плавают мельчайшие полиэтиленовые шарики. Половина из них белого цвета, половина - черного, а плотность жидкости подобрана так, чтобы шарики в ней не всплывали и не тонули. Электрические свойства черных и белых частиц различаются за счет подбора наполнителей, поэтому в электрическом поле они начинают двигаться в разные стороны (явление электрофореза). При подаче напряжения одного знака всплывают белые частицы, при подаче противоположного - черные. Причем при снятии напряжения текущее состояние может сохраняться годами - энергия тратится только на формирование изображения.

Так выглядела электронная бумага (e-Paper), которую в Штатах чаще называют "электронные чернила" (e-Ink), в разработках энтузиастов в конце 1990-х, так она выглядит и по сей день. В многочисленных пресс-релизах начала тысячелетия обещали, что не позднее чем через год электронная бумага произведет переворот в СМИ, что ее можно сворачивать, как газету, и что она не требует энергии для поддержания картинки в течение многих месяцев. Интересно, что тональность и даже содержание новостей о разработках в этой области не менялись лет восемь - рыночный бум относили последовательно на 2002, 2005, 2008 год… Единственная разница в том, что если в 2001 году радостно рапортовали о создании компанией Philips монохромного "бумажного" дисплея 5х5 см, то в 2006–08 гг. компании Fujitsu и LG.Philips сообщали о листе e-Paper формата А4, отображающего 4096 оттенков.

В течение ряда лет никто и нигде с электронными бумагочернилами на практике не сталкивался. А когда в конце 2006-го наконец появились реальные устройства с дисплеями на e-Paper (знаменитые Sony Reader), выяснилось, что не так все здорово: первая модель этой читалки, PRS-500, имела явно недостаточный контраст, и только через год вышла PRS-505, в которой все преимущества такого дисплея проявились в полной мере. Оказалось, что электронная бумага действительно весьма комфортное устройство для чтения (куда комфортнее светящихся экранов) и действительно может держать картинку неделями. И все же - как быть с обещанным переворотом в СМИ и со сверхтонкими дисплеями, сворачивающимися в трубочку?

Представляется, что авторы победных реляций забыли, что электронное изображение еще надо где-то и как-то сформировать. А это непростое дело - так, одна из реально работающих разработок E Ink, которая предлагается в качестве встраиваемой системы, содержит плату с процессором, карту памяти, набор коммуникационных интерфейсов, работает под управлением операционной системы Linux, и при диагонали всего 6” представляет собой полноценный интеллектуальный дисплей. И вся эта история про сверхтонкие дисплеи начинает напоминать анекдот КВНовских времен про микросхему с шестнадцатью ножками и двумя ручками - для переноски.

После выпуска Sony Reader шум вокруг e-Paper поутих: кажется, она нашла свою нишу. Фактически все "клоны" (Lbook, TXT.Book и пр.) копируют Sony Reader с точностью до дисплея, отображающего не более четырех градаций серого. Экран же последней модификации Sony PRS-700 может отображать аж восемь градаций серого, но спрашивается, а где нашумевшие разработки Fujitsu и LG.Philips со товарищи?

Что касается СМИ, то они одно время всерьез заинтересовались устройствами на основе e-Paper в связи с неизбежным переходом на электронную дистрибуцию: предполагалось, что читатель захочет иметь подобную читалку, контент на которую будет доставляться в реальном времени по беспроводной связи. Но и это начинание пока завяло, и по очень простой причине: пока еще никто не видел читалок дешевле 250–300 долларов (и которые к тому же имели бы беспроводной модуль). А это почти запредельная цена даже для чтения книг: например, провалилась iLiad от Phillips/iRex, выпущенная еще раньше Sony PRS, в 2006-м году, но стоившая 650 евро. За такие деньги люди предпочитают купить полноценный коммуникатор, который, может быть, и не столь комфортен именно для чтения, но умеет еще много чего. Вот когда удастся сделать нечто подобное Sony PRS, но с беспроводным модулем и полноценным цветом, а главное, ценой долларов хотя бы в сто - вот тогда и ждите СМИ-революции.

Назад, к истокам

Напоследок не могу не остановиться на уникальной по своей простоте идее фирмы Qualcomm. Год назад Qualcomm предложила цветной дисплей, каждая ячейка которого состоит лишь из двух элементов: полупрозрачной пленки и расположенной под ней отражающей мембраны. Мембрана может находиться в двух состояниях: в закрытом она плотно прилегает к пленке, и свет не отражается, пиксел остается черным. В открытом состоянии между мембраной и пленкой образуется воздушный зазор точно подобранной толщины, и за счет явления интерференции в этом зазоре отраженный свет окрашивается в один из спектральных цветов. Этот эффект известен еще с XVI века, и одно из его проявлений даже носит имя великого физика - "кольцо Ньютона" (подобным же образом окрашивается в разные цвета масляная пленка на воде). Реализация этой идеи навскидку выглядит ничуть не сложнее, чем микромат­рицы в DLP-проекторах, остается только дождаться практических результатов.