Plakano ekrânu jaunâs tehnoloìijas

 

Mūsdienās nevienu vairs neizbrīnīsi ar plakanu un plānu ekrānu. Plazmas un šķidro kristālu monitori un televizori ieņem aizvien lielāku vietu audio un videoaparatūras tirgū. Turklāt to attēla kvalitāte nepārtraukti uzlabojas, bet cenas samazinās. Ko vēl varētu vēlēties? Tomēr zinātnieki turpina meklēt alternatīvu šobrīd populārajām plazmas un šķidro kristālu tehnoloģijām, kas ļautu izgatavot daudz lētākus un vēl pilnīgākus plakanos ekrānus.

 

PDP un LCD ekrānu nepilnības

PDP ekrāni patērē daudz elektroenerģijas. Apmēram viena metra plazmas paneļi patērē vairākus simtus vatu. Tas ir daudz. Arī īpaši efektīvu luminaforu izmantošana un plazmas degšanas vadības procesora uzlabošana pēc speciālistu viedokļa nav spējusi ievērojami samazināt plazmas ekrānu energopatēriņu. Tas ir būtiski portatīvajiem modeļiem. Turklāt tehnoloģisko ierobežojumu dēļ izgatavot mazāku plazmas ekrānu nekā 25 collas pa diagonāli ir ļoti problemātiski, tāpēc plazmas tehnoloģiju pārsvarā izmanto stacionārajās iekārtās. Tomēr ar katru dienu aug nepieciešamība pēc mobilajiem multimediju iekārtām.

Plazmas ekrāni ir salīdzinoši dārgi, to konstrukciju sarežģī augstsprieguma spilgtuma vadīšanas shēma un dārgie augstsprieguma draiveri, kas neļauj samazināt PDP izmaksas.

Savukārt šķidro kristālu ekrāni nespēj nodrošināt tik augstu kontrasta līmeni, jo to darbības principā matrica modulē gaismas plūsmu no piegaismošanas gaismas avota. Turklāt pat labākajos modeļos nav pilnīgi novērsti tādi specifiski LCD trūkumi kā izstarojuma virziens (neliels apskates leņķis) un attēla inertums.

Lielākajai daļai LCD ekrānu modeļu mīnus 15-20 grādu temperatūra ir iznīcinoša, jo šķidro kristālu molekulas tiek neatgriezeniski degradētas. Stacionārai aparatūrai nepietiekama aukstuma noturība nav īpaši nozīmīga, bet mobilajām iekārtām (piemēram, automašīnas televizoriem) tas ir samērā nopietns trūkums.

LCD plakano ekrānu izgatavošanas tehnoloģija ir diezgan sarežģīta, tāpēc ievērojama cenu samazināšanās šādiem paneļiem nav gaidāma.

Apskatot LCD un PDP tehnoloģiju, ir skaidrs, ka tās nevar pilnvērtīgi izmantot gan stacionārajos, gan mobilajos modeļos. Tāpēc zinātnieki meklē jaunus, perspektīvus variantus.

 

Alternatīvās tehnoloģijas

Daudzsološi šķiet organiskie gaismu izstarojošie, luminiscējošie ekrāni OLED (organic light-emitting diode) un elektrostatiskā lauka emisijas ekrāni FED (field emision display). FED ekrānu pamatā ir kineskops (precīzāk - daudz elementāru kineskopu), bet bez katoda sildīšanas. Tāpēc tie ir ekonomiskāki nekā parastie kineskopi, kuriem ievērojamu patērējamās jaudas daļu apēd katodu sildīšanas ķēdes. Rodoties ārējā sprieguma padevei, FED ekrānos elektronu emisija uz mikrokatodiem notiek elektrostatisko spēku iedarbībā. To sasniedz, vai nu izmantojot speciālu oglekļa katodu ar īpaši mazu elektronu izejas enerģiju (tās saucamās karbona nanocaurulītes) vai dodot katodiem piramīdas formu. Piramīdas smailē notiek elektrostatiskās lauka enerģijas koncentrācija.

Šāds princips ir arī zibens novedēja pamatā, jo tas pievelk zibeni, elektrostatiskajiem laukiem koncentrējoties uz smailes. FED satur nevis trīs, kā tas ir parastajā krāsu kineskopā CRT, bet simtiem tūkstošu katodu. Katram attēla pikselim emitētajos ekrānos nepieciešams savs katods. Salīdzinot ar PDP un LCD tehnoloģijām, FED ir vairākas priekšrocības. FED ir tiešā izstarojuma ekrāni, tāpēc iespējams sasniegt augstu spilgtuma un attēla kontrasta līmeni. Tie ļoti ekonomiski. FED konstrukcija ir samērā vienkārša un ļauj izgatavot  monitorus ar ļoti liela izmēra ekrānu. Paredzēts, ka emitēto ekrānu izmaksas nebūs augstas. Tie varētu būt perspektīva alternatīva plazmas un šķidro kristālu ekrāniem.

1998. gadā firma Tahoku Pioneer corp. paziņoja par neliela, ar zaļas krāsas spīdumu matricas grafiskā ekrāna izstrādāšanu. Tas bija pirmais pasaulē sērijveidā ražotais elektroluminiscējošais ekrāns ar organiskajām gaismas diodēm. Šobrīd tas ir pazīstams kā OLED. Tā darbības princips ir ļoti vienkāršs un pamatojas uz dažu organisko vielu spēju sprieguma impulsu ietekmē izstarot gaismu. Kā gaismu izstarojošais elements OLED ekrānos tiek izmantota struktūra, kas sastāv no divām organiskajām plēvēm. Brīvo elektronu (elektron-conducting layer) un pozitīvi lādēto jonu (hole-conducting layer) dēļ katrai plēvei ir dažāda caurlaidība. Uz šo plēvju sadales robežas elektroni un pozitīvi lādētie joni rekombinējas, bet izdalītā enerģija izstarojas kā redzama gaisma. Tāpat darbojas arī pusvadītāju gaismas diodes (LED - Light Emitting Diodes). OLED ekrāns pēc būtības ir gaismas diode, tikai pārejas pusvadītāju vietā tajā izmanto elektronu un pozitīvi lādētu jonu plēves no organiskajiem materiāliem.

Lai gan darbības principi ir līdzīgi, organisko un neorganisko gaismas diožu īpašības stipri atšķiras.

Īsto pusvadītāju LED ekrānu izstrādāšana ir sarežģīta un dārga, jo nepieciešami no piejaukumiem pilnīgi attīrīti materiāli. Turklāt zila spektra pusvadītāju gaismas diodes izgatavot ir ļoti grūti. Tāpēc pilnkrāsu LED ir ļoti dārgi. LED darbībai nepieciešams daudz elektroenerģijas. OLED ekrāniem šādu trūkumu nav. Turklāt tiem ir daudz priekšrocību. Tie ir ļoti ekonomiski; ražojot masveidā, to izmaksas ir niecīgas, tādējādi cena, domājams, būs neliela. Tie sastāv tikai no stikla vai plastikāta pamatnes, uz kuras vairākās kārtās uzklāta zila, zaļa un sarkana organiskā plēve, un vadības elektrodiem. Plēvju kārtiņas biezums ir tikai 100 nm. Tik vienkārša uzbūve ir tikai ļoti lētiem ekrāniem ar pasīvu ekrāna spilgtuma vadību (pasīvās matricas tehnoloģija). Šādi vidēja un liela izmēra ekrāni spēj parādīt ļoti kvalitatīvu pilnkrāsu kustīgu attēlu, bet, lai sasniegtu to pašu kvalitāti, maziem ekrāniem izmanto aktīvās matricas tehnoloģiju. Pilnīgākos un dārgākos OLED ekrānos spilgtuma palielināšanai izmanto papildu plānplēves tranzistorus TFT.

Šāda aktīvās matricas tehnoloģija ir mūsdienu LCD monitoru konstruēšanas pamatā, tādēļ TFT aktīvās matricas pamatnes izgatavošana OLED ekrāniem nekādas grūtības nerada. OLED ražošanas problēma ir izgatavot augsti molekulārus organiskos savienojumus ar lielu gaismas izstarojumu. Šī problēma tiek risināta ar jauniem efektīvākiem gaismas izstarojošiem organiskiem savienojumiem. Liela nozīme ir OLED ekrānu pilnīgai hermetizācijai, jo gaiss un mitrums bojā šīs vielas. Organisko displeju teorijas pionieri ir firmas Eastman Kodak Company C.W.Tang un S.A.VanSlyke inženieri, kuri 1987. gadā publicētajā zinātniskajā rakstā Organic Electro Luminiscent Diodes parādīja, ka no divu plēvju organiskajiem dielektriķiem 500 angstrēmu biezumā var izgatavot ļoti ekonomisku displeju ar augstu spilgtuma līmeni. Pamatojoties uz viņu aprēķiniem, izstarošanas efektivitāte ir 1,5 lumeni/vatu. Displeja spilgtums var sasniegt 1000 kd/m2.

OLED ekrāni spējīgi strādāt plašā temperatūras diapazonā - no - 40 līdz + 85 grādiem pēc Celsija.

Pētījumi un efektīvāku polimēru meklējumi turpinājās. Darbs vainagojās ar panākumiem un ļāva deviņdesmito gadu beigās sākt poliindikatoru un displeju ražošanu.

Jau pirmie OLED ekrānu modeļi radīja inženieros optimismu. Piemēram, 1998. gadā firmas TDK radītā melnbaltā ekrāna (izšķirtspēja 256x64 pikseļi, kontrasts 100/1), kas bija paredzēts automagnetolai, spilgtums bija 100 kd/m2. Turklāt tā vadības spriegums bija 22 volti, bet enerģijas patēriņš – tikai 0,8 W. Mūsdienu OLED ekrāniem nepieciešams 2-8 V spriegums, un tie patērē tie dažus milivatus.

Pasaulē pirmo krāsu televīzijas 10 collu OLED ekrānu parādīja firma Pioneer izstādes IFA 1999 laikā, un tas kļuva par lielāko sensāciju. No izstādes stenda līdz veikala plauktam var paiet vairāki gadi - jāatrisina daudz konstruktīvo un tehnoloģisko uzdevumu. Galvenais organisko ekrānu lielā pieprasījuma iemesls ir pieaugošā nepieciešamība pēc mazizmēru un ekonomiskiem ekrāniem. Pagaidām OLED ekrāni atraduši nišu personālajos ciparu  palīgos (PDA - Personal Digital Assistants), dažos mobilo telefonu un fotoaparātu modeļos, kā arī citā portatīvajā elektroniskajā tehnikā. Firma Pioneer no 2000. gada ar OLED ekrānu apgādā automagnetolas un mūzikas centrus. Tā šai tehnoloģijai devusi nosaukumu OEL (Organic Electro Luminiscent). OEL priekšrocība ir iespēja papildus ierastajai burtu un ciparu informācijai (diska nosaukums, celiņa numurs, stacijas frekvences, magnetolas vai CD atskaņotāja režīms) atspoguļot pilnvērtīgu kustīgu trīsdimensiju 3D grafiku. Šī tehnoloģija izmantota CD atskaņotājā DEH-P8400MP. Tas ir augstas klases modelis ar MP 3 ierakstu atskaņošanu. Modelim ir divi displeji: uz frontālā paneļa palīgdisplejs operatīvās informācijas nolasīšanai un OEL ekrāns, kas paveras skatam, ja nolaiž paneli. Centrālā daļa satur augstas izšķirtspējas matricu dažādu augstas kvalitātes monohromu kustīgu attēlu atspoguļošanai, tādējādi atskaņotājs līdzinās miniatūram televizoriņam. Turklāt OEL ekrāni ataino krāsainu simbolu un piktogrāfisku informāciju, kā arī dažādas grafikas un teksta veidus.

Sony izstrādājis lielizmēra (10 collas un vairāk) organisko elektroluminiscējošo ekrānu ar aktīvās matricas paliktni, kas pamatojas uz TFT tranzistoriem. Sony ekrāns izmanto matricas šūnu augstsprieguma draiverus, kas izstrādāti pēc TAC (Top emission Adaptive Current drive) tehnoloģijas. Ja ekrāna izšķirtspēja ir augsta, šī tehnoloģija nodrošina iespēju sasniegt lielu spilgtuma līmeni. Pirms vairākiem gadiem izgatavotajam Sony 13 collu OELD ekrānam izšķirtspēja bija 800 x 600 pikseļu, spilgtums - virs 300 kd/m2. Šie rādītāji tolaik bija ļoti līdzīgi LCD ekrānu rādītājiem. Tomēr, salīdzinot abas tehnoloģijas, OELD ir vairākas priekšrocības:

daudz plašāks attēla apskates leņķis gan pa vertikāli, gan horizontāli,

var izgatavot ļoti plānu ekrānu,

daudz lielāka kontrastainība un pilnīgs kustību artefaktu trūkums.

TAC tehnoloģija ir diezgan dārga, jo, piemēram, lai vadītu katru ekrāna šūnu, tiek izmantots nevis divi, kā tas ir konkurentiem, bet četri tranzistori. Liekais pāris nepieciešams, lai varētu papildus regulēt pikseļu spilgtumu.

 

Pavasarī firma Chi Mei paziņoja par lielākā OLED ekrāna (20 collas pa diagonāli) prototipa izstrādāšanu. Tā masveida ražošana sāksies tikai 2005. gadā. Monitora darbības pamatā ir aktīvā matrica ar amorfajiem silīcija tranzistoriem. Ekrāns nodrošina izšķirtspēju 1280 x 768 pikseļi un spilgtumu 500 kd/m2. Turklāt tik liela ekrāna energopatēriņš ir tikai 25 W.

Organisko un polimēru (PLED - Polymer light - emitted diode) tehnoloģiju 1990. gadā izstrādāja Kembridžas universitātes zinātnieki. Tas ir OLED paveids, kur organisko plēvju vietā tiek izmatots lielmolekulārie polimēri, ekrānus var izgatavot ne tikai uz stikla, bet arī uz lokana, caurspīdīga plastikāta pamatnes, un tas tiem dod neierobežotas lietošanas iespējas. Pirmie, kas PLED ekrānus sāka ražot masveidā, bija Philips. Jaunu iekārtu nepieciešamība ir vienīgais šīs tehnoloģijas trūkums, savukārt OLED ekrānu ražošanai var izmantot TFT LCD konveijerus.

Šobrīd OLED ekrāniem inženieri atrod arvien jaunas izmantošanas iespējas un varbūt pavisam drīz mūs pārsteigs ar kādu iepriekš neredzētu, fantastisku lietu.

Atis KALNARĀJS

Raksts tapis, izmantojot žurnāla Салон AudioVideo un interneta materiālus.

Foto

Fotoaparātam Kodak EasyShare LS633 ir 2,2 collu OLED ekrāns ar izšķirtspēju 512 x 218 pikseļi uz collu, apskates leņķis 165 grādi.

 Sanyo Electric un Eastman Kodak izstrādātais mobilais telefons ar 2 collu OLED ekrānu.

 

Sanyo ALE247 15 collu aktīvās matricas OLED ekrāns.

 

Chi Mei 20 collu OLED ekrāns.

 

 

Shēmas

FED ekrāni ar oglekļa katodiem. (no žurnāla AV 6. lpp)

 

Anoda spriegums

Izstarotā gaismas

Stikla paliknis

Anods

Gaismu izstarojošais materiāls

Oglekļa elektrods

Aizslēgs

Izolators

Katods

Aizslēga spriegums

 

OLED ekrāna struktūra un darbības princips (no žurnāla AV 8. lppl)

 

Katods

Gaismu izstarojošs materiāls

Elektronu caurlaidības kārta

Caurlaidības kārta ar atverēm

Anods

Zemas temperatūras polisilikona TFT paliknis

Vadība pa horizontāli

Vadība pa vertikāli

Barošana

Katods

Elektronu caurlaidības kārta

Izstarojošā kārta

Caurlaidības kārta ar atverēm

Anods

Stikla paliktnis

Gaisma