Популярно о «железе»: дисплеи мобильных устройств

Во времена, когда дисплеи мобильных телефонов были монохромными в списке параметров телефона такая характеристика как «тип дисплея» чаще всего не упоминалась, а сведения о дисплее ограничивалась количеством отображаемых строк с текстом. Но, за прошедшие 10 лет ситуация радикально изменилась и параметры дисплея стали одним из основных свойств мобильного устройства.

Первые мобильные телефоны оснащались дисплеями построенных на основе семисегментных светодиодных индикаторов, хорошо знакомым многим из нас по домофонам и другим аналогичным устройствам. Причем, сегментные светодиодные дисплеи продержались в мобильных телефонах достаточно долго – подобный дисплей присутствовал даже в первой в мире раскладушке Motorola StarTAC, вышедшей в 1996 году, а версия этого телефона с монохромным LCD-дисплеем появилась несколько позднее.

Немного физики и истории

Что интересно, сами жидкие кристаллы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Фридрихом Рейнитцером. Особенность этого вещества заключается в том, что оно может существовать трех фазах: твердой, жидкой и промежуточной. И именно эта третья фаза наиболее интересна – по все физическим признакам жидкие кристаллы все еще остаются жидкостью, но при этом обладают свойствами кристаллов, в том числе, разными физическими характеристиками по разным направлениям. И именно по этой причине светопропускание жидких кристаллов зависит от ориентации их плоскости поляризации относительно источника света.

Фридрих Рейнитцер – первооткрыватель «жидких кристаллов»

Патент на промышленное применение жидких кристаллов был получен британской фирмой Marconi в 1930 году. Но реальное применение эта технология нашла лишь в середине 1960-х годов, когда Д. Фергюсон и Р. Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America), создали первый в мире дисплей на жидких кристаллах. Принцип ЖК-дисплея заключается в том, что, воздействуя на жидкие кристаллы посредством электрического поля, можно, добиваясь требуемого оптического эффекта, менять их ориентацию в нужную сторону. Первые ЖК-дисплеи могли отображать фиксированный набор символов, аналогично распространенным в том время светодиодным и ламповым индикаторам. Первым применением ЖК-дисплеев стали электронные часы и калькуляторы.

Сегментный ЖК-дисплей

Первые графические жидкокристаллические дисплеи, где можно было управлять отдельными точками,  появились в 1975 году. И именно за дисплеями этого типа закрепилось название LCD (Liquid Crystal Display), а их первым применением стал черно-белый телевизор с LCD-матрицей диагональю 5,5 дюймов и разрешением 160х120 точек, выпущенный компанией Sharp в 1976 году.

По принципу формирования изображения LCD-дисплеи можно разделить на две группы. Первые ЖК-дисплеи оснащались пассивной матрицей, представляющей собой слой жидких кристаллов, заключенный между двумя стеклянными электродами, при этом молекулы самих жидких кристаллов ориентированы параллельно плоскости электродов.  Сверху и снизу электродов находятся 2 поляризатора, ориентированных перпендикулярно друг другу. Толщина слоя жидких кристаллов подобрана таким образом, чтобы при прохождении света сквозь него его плоскость поляризации поворачивалась на 90 градусов. Также в состав ЖК-дисплея входит подложка – в монохромных дисплеях для этой цели чаще всего использовали матовое зеркало, отражающее свет, но не отражающее окружающие предметы.

Хотя встречаются устройства, где в качестве подложки могли использоваться и другие основы, на которое визуально и «накладывается» отображаемая на дисплее информация. В частности выпускались мобильные телефоны оснащенные «псевдоцветными» дисплеями, где в качестве заднего фона использовалось цветное изображение.

Alcatel OT-103 – сверхбюджетный телефон с «псевдоцветным» дисплеем

В исходном состоянии (при отключенном напряжении) монохромный ЖК-дисплей прозрачен. При подаче напряжения на электроды возникает электрическое поле, вдоль силовых линий которого и ориентируются молекулы жидких кристаллов. Соответственно, меняется направление их плоскости поляризации, из-за чего они перестают пропускать свет. И именно эта непрозрачность и воспринимается смотрящим на дисплей как черная точка, сегмент индикатора или определенный значок. То, что именно будет отображено на дисплее, определяется конфигурацией электродов. Монохромные ЖК-дисплеи устанавливали в подавляющее большинство мобильных телефонов выпущенных во второй половине 90-х и начале нулевых, а также многие модели бюджетных телефонов, выпущенных позднее.

Nokia 1280 – один из немногих современных мобильных телефонов оснащенный монохромным дисплеем

Цветные дисплеи с пассивными матрицами

Первые попытки выпустить телефон с цветным дисплеем были предприняты в 1998 году, когда компания Siemens представила S10 Active, оснащенный дисплеем способным отображать символы различных цветов. Высота дисплея S10 измерялась в традиционных для того времени «строках» - на дисплей аппарата вмещалось до 6 строк текста, а его разрешение составляло всего 97x54 точек.

Siemens S10 Active – первый мобильный телефон с цветным дисплеем

Однако в классическом понимании цветные дисплеи в мобильные телефоны пришли лишь в начале нулевых, а одним из первых «цветных» GSM-телефонов стал Ericsson Т68, получивший графический дисплей разрешением 101х80 точек и способный отображать 256 цветов.  Анонс этого аппарата состоялся в 2001 году, а за последующие 2-3 года наличие цветного дисплея стало неотъемлемым атрибутом сотовых телефонов среднего и более высокого классов.

Ericsson Т68

В отличие от компьютерной техники, где достаточно быстро обосновались LCD-дисплеи с активными матрицами (о них мы поговорим чуть ниже), в первых мобильных телефонах с цветными дисплеями использовались пассивные матрицы, выполненные по технологии CSTN (Color Super Twisted Nematic, цветные суперскрученные полимеры). В целом их принцип работы был похож на монохромные LCD-дисплеи, но с рядом отличий. Во-первых, сама технология STN (она вполне применима и для выпуска монохромных дисплеев) подразумевает поворот плоскости поляризации света, проходящего через слой жидких кристаллов, не на 90, а на 270 градусов, за счет чего увеличивается контрастность и улучшается отображение полутонов. Во-вторых, для формирования цветного изображения используется специальный слой, с матрицей светофильтров – в реальности каждая точка цветного LCD-дисплея состоит из субпикселов красного, зеленого и синего цветов. Формирование нужного цвета точки осуществляется за счет подбора требуемого соотношения яркости каждого из составляющих ее субпикселей. Для исключения «паразитной» засветки соседних субпикселей между собой они разделены сеткой линий, на пропускающих свет.

Макрофото RGB- матрицы

Типичное количество цветов первых CSTN-дисплеев составляло 256, позднее оно выросло до 4096, а затем и до 65536 цветов. Основные плюсы CSTN-дисплеев (по технологиям тех времен) – низкая себестоимость  и невысокое энергопотребление. Главные минусы – низкое качество картинки, недостаточные углы обзора, высокое время отклика и плохая читаемость на солнце. Разработчик технологии CSTN-дисплеев – компания Sharp Electronics.

Принцип действия STN-LCD дисплея

По мере того как мобильные телефоны с цветными дисплеями становились популярнее, совершенствовались и CSTN-дисплеи – появились дисплеи, выполненные по технологиям DSTN и FSTN, за счет чего несколько улучшилось качество изображения (контраст, углы обзора) и увеличилось быстродействие. Но, все равно этого было недостаточно для достижения уровня активных матриц. В современных мобильных телефонах CSTN-дисплеи уже практически не встречаются, за исключением, самых доступных устройств. Хотя, даже в современных бюджетниках в основном используются активные TFT-матрицы.

Также на заре эры «цветных» телефонов получил распространение еще один тип дисплеев с пассивной матрицей – UFB (Ultra Fine & Bright), тоже ориентированный на относительно бюджетные устройства, где использование TFT-матриц выглядело неоправданным. Разработчиком этой технологии стала компания Samsung, при этом UFB-дисплеи совмещали преимущества CSTN и TFT матриц – они обладали неплохой яркостью, углами обзора и цветностью изображения (до 262 тыс. цветов). По сравнению с TFT-матрицами тех времен основной недостаток UFB-дисплеев – низкая контрастность. Зато они радовали более маленьким энергопотреблением и себестоимостью изготовления сравнимой с CSTN-дисплеями. Наибольшую популярность UFB-экраны нашли в устройствах азиатских производителей.

Samsung C110 – недорогой популярный телефон с UFB-дисплеем

Цветные ЖК-дисплеи с активными матрицами

По мере популяризации телефонов с цветными дисплеями, экраны с пассивной матрицей чаще всего находили применение лишь в бюджетных моделях, а устройства бизнес-класса и смартфоны оснащались TFT-дисплеями (Thin Film Transistors – тонкопленочные транзисторы). В отличие от CSTN и UFB дисплеев, матрица TFT-дисплея активна – для формирования каждой точки изображения (т.е. для управления состоянием соответствующих жидких кристаллов) используется отельный транзистор. Преимущества TFT-матриц над CSTN и UFB заключаются в лучшем качестве изображения, больших углах обзора, относительно высоком быстродействии и неплохой читаемости на солнце. Но при этом у TFT-дисплеев были выше себестоимость и энергопотребление. Также помимо транзисторов для управления матрицей могут использоваться тонкопленочные диоды (TFD, Thin Film Diode), что позволяет немного снизить потребление.

Структура TFT-дисплея:

• 1 – Стеклянные пластины
• 2,3 – Горизонтальный и вертикальный поляризаторы
• 4 – Цветная маска RGB
• 5,6 – Горизонтальные и вертикальные линии команды
• 7 – Прочный слой полимера
• 8 – Распорки
• 9 – Тонкопленочные транзисторы
• 10 – Передняя часть электрода
• 11 – Задняя часть электрода

Основное слабое место активных матриц – возможность появления «битых пикселей», т.е. точек ЖК-дисплея, переставших реагировать на подаваемые управляющие сигналы. Если говорить простым языком, то точка подобного дисплея «замирает» отображая определенный цвет. Основная причина – выход из строя тонкопленочного транзистора. Хотя в целом современные ЖК-дисплеи весьма надежны.

Макрофотография типичной ЖК-матрицы. Черные точки – это дефектные субпиксели

По типу матрицы ЖК-дисплеи можно разделить на несколько типов, более подробно о которых можно узнать из Википедии, а в рамках этой статьи мы остановимся лишь матрицах применяемых в мобильных устройствах. Самый простой и самый распространенный  тип матрицы TN+film. Приставка «+film» обозначает наличие дополнительного слоя, увеличивающего угол обзора дисплея. Причем, почти все современные TN-матрицы являются «TN+film», поэтому их часто называют просто «TN».

Структура TN-матрицы

Матрицы этого типа работают следующим образом: при отсутствии приложенного к субпикселям напряжения жидкие кристаллы и, соответственно, поляризованный свет, который они пропускают,  поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. А с учетом того, что направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине свет беспрепятственно проходит через него. При этом если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка. При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов выстраиваются перпендикулярно направлению поляризации второго фильтра, при этом засветка субпикселей начинает уменьшаться. Соответственно на экране должна быть отображена черная точка. Но в силу того, что идеально выровнять все жидкие кристаллы четко параллельно поляризационному фильтру практически невозможно, то и черный цвет на TN-матрицах не оказывается истинно черным.

Еще один тип ЖК-матриц, встречающихся в мобильных устройствах – IPS (In-Plane Switching), также известный как SFT (Super Fine TFT). Работами над этой технологией занимались компании Hitachi и NEC, что и вызвало многообразие названий, хотя чаще всего матрицы этого типа называют все-таки IPS. Основное применение IPS-матрицы нашли в планшетах, в частности по этой технологии выполнен дисплей iPad 2.

Структура IPS-матрицы

Принцип работы IPS-матрицы следующий: молекулы жидких кристаллов и поляризующие светофильтры относительно друг друга расположены таким образом, что при отсутствии приложенного напряжения свет через них не проходит. Соответственно на дисплее отображается черная точка. При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются, а соответствующая точка дисплея становится белой. Основные плюс IPS-матриц лучшие углы обзора, более высокие яркость и контрастность, а также лучшая цветопередача.

OLED и AMOLED

Еще одна разновидность применяемых в мобильных устройствах дисплеев построена на базе органических светодиодов (OLED, Organic Light Emitting Diodes). Принцип работы OLED-дисплея основан на том, что при совмещении двух слоев определенных органических материалов и пропускании через них тока наблюдается свечение. Первопроходцами в деле создания дисплеев на органических светодиодах была компания Kodak. Первые органические светодиоды появились в 1987 году, а начало массового применения дисплеев этого типа в мобильных телефонах датируется 2003 годом.

• 1. Катод
• 2. Эмиссионный слой
• 3. Испускаемое излучение
• 4. Проводящий слой
• 5. Анод

В плюсах OLED-экранов отличная яркость и контрастность, подлинный черный цвет (при отображении черных пикселей соответствующие диоды выключаются, а не подсвечиваются как у LCD-дисплеев), большие углы обзора, насыщенные цвета, низкое энергопотребление, минимальная толщина самого дисплея, а главный минус – меньшая, по сравнению с LCD-дисплеями, наработка на отказ. Хотя с учетом развития технологии за последние годы типичное время наработки на отказ OLED-дисплеев измеряется уже вполне приемлемыми цифрами, эквивалентными нескольким годам очень активного использования телефона.

По технологии управления точками OLED-дисплеи могут быть как пассивными (которые обычно называли просто OLED), так и активными, где для управления каждым пикселем которых, аналогично TFT-матрицам, используется отдельный транзистор, что в свою очередь обеспечивает отличное быстродействие. Эта технология изначально называлась TFT-OLED, а сейчас для обозначения OLED-дисплеев с активной матрицей чаще всего используется термин AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode – активная матрица органических светодиодов).

• Cathode Layer – Катодный слой
• Organic Active Layers – Органический активный слой
• TFT array – Массив из тонкоплёночных транзисторов
• Substrate – Подложка

Первый мобильный телефон с AMOLED-дисплеем вышел на рынок в 2009 году (Samsung S8300 Ultra Touch), а в течение 2010 года этот тип дисплеев нашел применение более чем в 50 моделях мобильных устройств. Дальнейшее развитие технология AMOLED получила в 2010 году, когда компания Samsung выпустила дисплей, выполненный по технологии SuperAMOLED.  Его основным отличием от обычных AMOLED-дисплеев стало отсутствие воздушной прослойки между слоями (сенсорный слой встроен в сам экран), за счет чего увеличилась яркость и улучшилась его читаемость под прямыми солнечными лучами. Также еще немного уменьшилась толщина и самого дисплея.

В отличие от LCD-дисплеев  дисплеев, для формирования цветного изображения во многих AMOLED и SuperAMOLED дисплеях используется технология Pen Tile, автором которой был Кэндис Браун Эллиотт. С 2000 по 2008 год правами на Pen Tile владела компания Clairvoyante, которая в 2008 году была поглощена компанией Samsung Electronics. Суть технологии Pen Tile заключается в модифицированной структуре субпикселей, что увеличивает яркость, но, по сравнению с обычными LCD-дисплеями, снижает четкость изображения.

Пример структуры матрицы выполненной по технологии Pen Tile

В начале 2011 года компания Samsung выпустила еще один улучшенный вариант AMOLED-дисплеев, получивший названием SuperAMOLED Plus, отличие которого от предыдущего поколения заключалось в том, что для формирования изображения используется традиционная RGB-матрица, а не Pen Tile, что позволило улучшить четкость изображения.

Сравнение RGB и Pen Tile

SuperLCD

Если говорить в целом, то потребителям AMOLED-дисплеи пришлись по душе, а смартфоны на их основе стали весьма популярны. Обратной стороной популярности стал дефицит самих дисплеев, что вынудило искать им замену. И она нашлась в лице технологии SuperLCD, дисплеи на основе которой выпускались совместным предприятием Samsung и Sony (в конце 2011 года компания Sony продала компании Samsung свою долю в совместном предприятии). Кстати, некоторые производители в связи с нехваткой AMOLED-дисплеев были вынуждены заменить их на SLCD в уже продающих моделях. В частности подобная замена коснулась довольного популярного HTC Desire.

По заверению производителей AMOLED и SuperLCD дисплеи по своим параметрам аналогичны. И здесь они во многом правы – неподготовленный пользователь разницы не заметит. Однако она есть. И самое главное то, что AMOLED дисплеи выигрывают по энергопотреблению при отображении черных точек, так как в этом случае потребление энергии значительно ниже. Например, по результатам некоторых тестов на просмотре видео разница в энергопотреблении может достигать 30%. Также на AMOLED-дисплеях лучше отображаются черный и белый цвета (SLCD немного желтит), а также у них лучше насыщенность цветов. Однако SLCD радует лучшей четкостью (так как в них не используется Pen Tile) и контрастностью изображения.

Сравнение HTC Desire  с SLCD (слева) и AMOLED (справа)

3D-дисплеи

В последнее время стали появляться мобильные устройства, оснащенные дисплеями, на которых трехмерное изображение можно смотреть без использования специальных очков. Принцип действия подобных дисплеев основан на том, что изображение отдельно формируется для левого и правого глаза, что достигается за счет встроенного в дисплей параллакс-барьера. По своему принципу действия параллакс-барьер может быть как пассивным, так и активным. В мобильных устройствах нашли применение 3D-дисплеи с активным параллакс-барьером, что позволяет дисплею работать как в двухмерном, так и в трехмерном режиме.

Фирменные технологии

Естественно, с учетом того, что параметры дисплея мобильного телефона сейчас превратились в одну из основных его характеристик, фирменными «улучшателями» отметились и производители мобильных устройств. Например, компания Nokia создала технологию под названием Clear Black Display, позволяющую при ярком солнечном свете и под разными углами обзора видеть четкий черный цвет. Анонс CBD состоялся на конференции Nokia World 2010, при этом компания изначально подчеркивала, что это не новый тип дисплея, а всего лишь улучшение существующих технологий за счет дополнительного поляризационного слоя, позволяющего уменьшить блики от солнечных лучей и, в отличие от поляризационных очков, увеличить яркость.

Сравнение Clear Black Display (слева) и обычного TFT (справа)

Дисплейная технология от LG  получила название «NOVA Display Technology», а производитель основной акцент делает на высокой яркости (700 нит в LG Optimus Black), при более низком энергопотреблении (до 35..50% меньшем, чем у традиционных LCD-дисплеев). Основа технологии NOVA – IPS-матрица.

Отметилась на дисплейном фронте и компания Apple, оснастившая iPhone 4 Retina-дисплеем. С английского языка слово retina переводится как «сетчатка» и очень точно описывает главную задумку Apple. В отличие от рассмотренных выше технологий, суть Retina-дисплея – высокая плотность изображения, составляющая 326 точек/на дюйм. И выбор подобной плотности не случаен. Человеческий глаз может заметить пикселизацию изображения при плотности изображения менее 300 точек на дюйм, соответственно картинка, на дисплее iPhone 4 будет идеально четкой. Техническая основа дисплея iPhone 4 – IPS-матрица. Кстати, именно iPhone 4 стал первым применением IPS-матрицы в смартфонах.

Детальное сравнение NOVA Display, Super AMOLED, Retina Display и ClearBlack AMOLED приведено здесь.

Электронные чернила

В завершении разговора о дисплеях нельзя не упомянуть еще об одно их типе – электрофоретических дисплеях, также известных как «электронные чернила» (e-ink). Основное применение дисплеи этого типа находят в устройствах для чтения электронных книг, так как внешне они максимально имитируют обычную бумагу. Другое важное отличие e-ink дисплеев от светодиодных или жидкокристаллических – минимально потребление при отображении статической информации. Фактически энергия расходуется лишь при обновлении изображения, что и объясняет то, почему в «читалках» оснащенных дисплеями этого типа ресурс аккумулятора принято указывать в количестве перелистываемых страниц.

В современном варианте технология электронных чернил появилась в 90-х годах прошлого века, а ее совершенствованием и выпуском дисплеев занимается E Ink Corporation. Принцип формирования изображения в e-ink дисплеях прост – активный слой дисплея состоит из прозрачных капсул с черными и белыми частичками, при этом черные частички несут отрицательный заряд, а белые – положительный. Соответственно при подаче напряжения черные частички будут стремиться к положительному электроду, а белые – к отрицательному. Таким образом, в зависимости от подаваемого на электроды напряжения, на экране будет появляться черная или белая точка. Технически обычные e-ink дисплеи могут отображать до 16 оттенков серого цвета, хотя, выпускаются и цветные матрицы.

Принцип действия электронных чернил

На солнце e-ink дисплеи не бликуют и не слепнут, а их углы обзора аналогичны обычной бумаге. Основной минус e-ink дисплеев применяемых в электронных книгах – хрупкость. Для электронной книги даже падение с высоты полуметра может стать фатальным. В тоже время производители ведут работу по выпуску гибких e-ink дисплеев. Стоимость производства e-ink дисплеев гораздо выше, чем у TFT, поэтому они относительно дороги. Еще одна особенность технологии – отсутствие подсветки, соответственно для чтения при недостаточной освещенности понадобится фонарик. Также не следует забывать об инерционности e-ink дисплеев.

Сравнение e-ink и TFT-дисплеев

Экраны на основе электронных чернил можно разделить на несколько поколений, последним из которых является e-ink Pearl. Анонс дисплеев выполненных на основе этой технологии состоялся летом 2010 года, а к середине 2011 года они стали достаточно широко применяться в электронных книгах. По сравнению с e-ink дисплеями предыдущих поколений, e-ink Pearl не является чем-то революционным, это обычное улучшение технологии, позволившее почти на 50% повысить контрастность, снизить энергопотребление, а также сделать дисплей «белее». Говоря простым языком – если чернильные дисплеи предыдущих поколений были ближе к газетной бумаге, то e-ink Pearl – к книжной.

e-ink Vizplex, обычный лист и e-ink Pearl

Кстати, e-ink дисплеи нашли себе применение и в мобильных телефонах – электронно-чернильных дисплей был установлен Motorola MOTOFONE F3.

Резюме

Дисплеи мобильных устройств становятся ярче, крупнее, четче. И это неудивительно – современные мобильные телефоны уже давно превратились в универсальные устройства для путешествий по интернету, просмотра видео и прослушивания музыки, чтения электронных книг и решения других задач, для которых качество картинки на дисплее может сыграть решающую роль. Более того, сейчас, когда самые доступные и достаточно функциональные смартфоны стоят уже менее 4000 рублей, производители вынуждены улучшать дисплеи, делая акцент на их параметрах. И именно по этой причине среди устройств верхнего ценового сегмента «дисплейные» битвы будут продолжаться.