Computerworld, США
Тонкопленочные полимеры и другие гибкие материалы, появившиеся в последние десять лет, изменили наше представление о том, какими должны быть дисплеи. Производители КПК и сотовых телефонов начнут встраивать в свои устройства «рулонные» дисплеи, благодаря которым у пользователей появится возможность изучать интересующие их карты, схемы или Web-страницы на большом экране. У портативных компьютеров появится второй дисплей на обратной стороне корпуса. С его помощью станет возможным просматривать выбранные материалы, обращаясь к ним и в те моменты, когда компьютер выключен
Прототипы гибких дисплеев имеют пока относительно небольшие размеры, однако уже сегодня инженеры HP и ряда других компаний работают над созданием гибких экранов с диагональю 14 дюймов. Но цель сегодня — не заменить существующие жидкокристаллические экраны на новое оборудование, а дополнить их возможности.
«Ошибочно думать, что проектируемые в настоящее время устройства придут на смену дисплеям настольных или мобильных ПК, — пояснил Браг. — Просто мы предложили по-настоящему оригинальный способ отображения информации на меняющих свою форму поверхностях. Это могут быть, например, соединенные друг с другом подобно листам бумаги гибкие панели, образующие единый экран размером во всю стену».
Придание гибкости традиционным типам дисплеев сопряжено с рядом трудностей. Жидкокристаллический экран с активной матрицей состоит из двух слоев стекла и ряда компонентов, размещенных между ними. Слой тонкопленочных транзисторов (Thin-Film Transistor, TFT) в аморфном кремнии вытравливается на нижней поверхности стекла, где формируются световые пикселы. Жидкокристаллический слой, выступающий в роли светового затвора, размещается сверху. Под дисплеем располагается подсветка, а механизм управления цветопередачей и поляризаторы занимают место выше дисплея. Создание гибкого дисплея предполагает исключение подсветки и замену стеклянных слоев какими-то гибкими материалами, например, пленкой из тонкого полимера.
Сложность заключается в том, что жидкие кристаллы экрана весьма чувствительны к деформации на изгиб.
«Качество изображения завит от интервала между ячейками, от расстояния между слоями полимера», — пояснила директор аналитической компании iSuppli по технологиям Кимберли Аллен. Если интервал между двумя уровнями подложки нарушается (а именно это и происходит при изгибе), изображение искажается. Просмотр изображения на ЖК-экранах с рельефными поверхностями также затруднен из-за изменения угла обзора.
Специалисты ряда компаний в настоящее время разрабатывают альтернативные технологии, которые позволили бы наладить производство гибких дисплеев. Речь идет, в частности, о технологиях отражающей «электронной бумаги» и органических светодиодов (Organic Light-Emitting Diode, OLED).
Исследователи заняты поиском гибких альтернатив аморфному кремнию — полупроводниковому материалу, используемому при изготовлении тонкопленочных транзисторов и включаемому в стеклянную подложку. Традиционные производственные технологии предполагают нагревание материалов до высоких температур. Такой вариант хорошо подходит для стекла, но пластиковые подложки в этом случае просто расплавятся. Ученые также экспериментируют со «струйной» печатью транзисторов на тонком листе полимера. Такое решение предполагает переход от неорганического кремния к растворимым органическим материалам. HP тестирует так называемую «импринт-литографию», при которой шаблон схемы печатается на полимере. Сотрудники исследовательского центра Palo Alto Research Center работают над созданием подложки на основе фольги, которая может выдерживать высокие температуры.
Дисплеи на основе электронной бумаги называют «бистабильными», поскольку изображение на них сохраняется и при отключении питания. Отражающие дисплеи в отличие от ЖК-экранов не требуют подсветки и могут широко использоваться вне помещений. Первое поколение подобных устройств применяется в качестве вывесок, ценников на магазинных полках, а также элементов оборудования для чтения электронных книг.
Светодиоды излучают свет самостоятельно. Они потребляют больше энергии, чем сегодняшние ЖК-дисплеи с активной матрицей, но отличаются повышенным быстродействием и более яркими красками. Однако встроить светодиоды в гибкую подложку — непростая задача.
«Светодиодные дисплеи появятся в продаже, очевидно, гораздо позже, чем электронная бумага, потому что им нужна надежная защита от влаги, которая через пластик проникает достаточно легко», — заметила Аллен. Продолжительность эксплуатации дисплеев подобного рода также вызывает у исследователей немало вопросов. Особенно это касается светодиодных технологий. Правда, как утверждают, в последние годы удалось добиться определенных успехов, и жизненный цикл дисплеев заметно увеличился.
Как бы то ни было, сегодня гибкие дисплеи по-прежнему находятся либо в стадии проектирования, либо на этапе создания прототипа. Это относится как к электронной бумаге, так и к устройствам на основе светодиодов.
«В настоящее время не существует дисплеев, которым была бы присуща динамическая гибкость, — подчеркнула Аллен. — Сейчас мы находимся фактически на нулевом уровне, но уже к 2013 году ежегодный оборот этого рынка составит приблизительно 338 млн. долл.».
Среди производителей бистабильных дисплеев наиболее известна компания E Ink. Ее технология предполагает размещение тонкой пленки поверх электронных чернил — группы черных и белых заряженных частиц или «пигментов», перемещающихся вверх и вниз внутри жидкости и формирующих таким образом черное, белое или серое изображение. До сих пор производители дисплеев использовали технологию E Ink для воспроизведения электронных книг и создания устройств, которые вице-президент компании по исследованиям и перспективным разработкам Майк Маккриэри назвал «адаптируемыми дисплеями» (conformative display). На этапе изготовления они принимают форму какого-то объекта, но в окончательном варианте продукта остаются жесткими. Компания Seiko, к примеру, разработала дисплей для наручных часов, а инженеры Lexar Media встроили в карты памяти с USB-интерфейсом счетчик остающегося свободного пространства. Дисплеи E Ink используются также в гибких электронных газетах, которые в настоящее время тестируют члены 200 семей в Бельгии.
Компания Sipix Imaging использует аналогичную технологию для воспроизведения черного, зеленого или синего цвета на белом фоне. Разработчики голландской фирмы Polymer Vision совместно со специалистами Sipix и E Ink занимаются проектированием скручиваемого в рулон прототипа дисплея, получившего название Readius.
«Благодаря этому появляется возможность создания очень маленьких устройств с большими экранами», — сообщил менеджер Polymer Vision Эдзер Хойтема. Выдвигающийся дисплей с диагональю 5 дюймов будет воспроизводить 16 оттенков серого. Изображение обновляется с частотой один кадр в секунду — это слишком медленно для перемещения по меню или вывода на экран видео, но вполне приемлемо для работы с портативной навигационной системой, просмотра новостей в Web или чтения электронной почты. Поставки подобных устройств должны начаться в первой половине 2007 года. Функции цветопередачи и сенсорного управления будут реализованы к 2010 году. В настоящее время в E Ink занимаются созданием цветного фильтра для своей технологии. Ожидается, что он появится примерно в эти же сроки.
Ирландская компания NTera разрабатывает гибкий бистабильный дисплей на основе нанохромной технологии. В RGB-дисплее NTera цветные пикселы формируются путем придания каждой из частиц определенного заряда, а не за счет приведения частиц в движение, как в других технологиях. Конструкция построена на основе пассивной транзисторной матрицы с разрешением 200 точек на дюйм. В общем случае она работает медленнее активной матрицы, поскольку вместо отдельных пикселов на экране обновляется строка целиком. Однако в Ntera утверждают, что производительности данной технологии вполне достаточно для отображения коротких фрагментов видео. Партнеры NTera планируют наладить выпуск гибких дисплеев в начале 2007 года. Они будут использоваться в качестве дополнительных экранов в сотовых телефонах или в графических планшетах, предназначенных для ввода информации.
«На это направлены сегодня основные наши усилия», — сообщил технический директор NTera Ален Брайанкон.
Технологии NTera имеют и еще одну особенность. Дисплейные материалы на основе оксидов металлов в незаряженном состоянии пропускают свет и создают условия для создания прозрачных дисплеев.
«Из такого материала может быть изготовлен внешний слой окна», — отметил Брайанкон.
Компания Kent Displays разрабатывает бистабильные жидкокристаллические дисплеи на базе холестерической технологии.
«В современных дисплеях, изготовленных по технологии supertwisted nematic, молекулы жидких кристаллов могут быть повернуты примерно на 270 градусов», — сообщил менеджер по маркетингу и продажам Тони Эмануэль. Молекулы скручиваются 16 или 17 раз. При столь жестких связях они не могут раскрутиться, и дисплей становится бистабильным (т. е. получает два устойчивых состояния).
В лаборатории Kent использование новой технологии демонстрировалось на пластике, бумаге и даже тканевых подложках.
«С точки зрения химического состава такая технология сегодня больше всего подходит для пластиковых подложек, — отметил Эмануэль. — Принципиальных трудностей здесь куда меньше, чем у стандартных ЖК-дисплеев».
В нынешних дисплеях Kent используется относительно медленная пассивная матрица, поэтому сфера их применения ограничена в основном электронными книгами и информационными табло. Технология предусматривает использование двухцветных комбинаций из желтого и черного или из синего и белого цветов. Устройства имеют небольшие размеры (диагональ варьируется от 1,5 до 2,5 дюймов) и поддерживают разрешение 100 точек на дюйм. В настоящее время инженеры Kent работают над созданием более быстрых дисплеев на основе активной матрицы. Ожидается, что производство устройств с пассивной матрицей на гибкой подложке можно будет наладить к концу текущего года.
«Пройдет еще два-три года, и гибкие дисплеи из пластика получат повсеместное распространение», — считает Эмануэль.
Помимо решения технических вопросов на пути к созданию коммерческих продуктов разработчикам гибких дисплеев придется преодолевать и другие трудности.
«Изготавливать дисплеи из стекла довольно сложно, — отметила Аллен. — Струйная печать требует организации принципиально иного (пусть даже и потенциально более дешевого) производственного процесса, который находится сегодня в начальной стадии своего развития. До развертывания массовых поставок изготовление дисплеев на основе струйной печати будет обходиться дороже альтернативных технологий. Возьмем, к примеру, рынок электронной бумаги. Понятно, что обычные бумажные ценники и вывески не допускают электронного обновления, но зато они стоят гораздо дешевле».
По мнению технического директора компании Cambridge Display Technology Джереми Берроуза, ключевым моментом здесь является поиск прибыльного сектора сбыта для каждой из конструкций.
«Трудность всегда заключается в том, чтобы как можно раньше найти нужную нишу и первым занять ее, — пояснил он. — После этого происходит постепенное накапливание знаний и рост оборота, что позволяет осваивать смежные области».
«Нарисованная» электроника
«Струйная печать позволяет создавать гибкие дисплеи, но стремление разработчиков использовать чернильно-струйную технологию и подложки на основе полимеров обусловлено в первую очередь желанием снизить себестоимость производства, — пояснил менеджер подразделения материалов для формирования изображений HP Laboratories Джим Браг. — Один из наиболее серьезных моментов в материаловедении связан с выходом за рамки использования неорганических тонкопленочных материалов (в частности, аморфного кремния) и переходом к применению растворов, которые разбрызгиваются подобно чернилам при струйной печати».
В отличие от неорганических подложек, подобных аморфному кремнию, органические полупроводниковые материалы можно использовать в жидком состоянии.
При изготовлении ЖК-дисплеев с активной матрицей разработчики HP Labs обратились к процессам струйной печати и расслоения, пришедшим на смену технологиям вакуумного напыления и фотолитографии.
Печать на тонких полимерных листах позволяет добиться более высокой эффективности автоматизированных процедур по сравнению с дискретными производственными технологиями, применяемыми при изготовлении на конвейере отдельных кремниевых микросхем. Электронные схемы можно наносить на непрерывную ленту полимерных листов с помощью процедуры печати с рулонной подачей и приемкой.
«Таким образом мы решаем в первую очередь вопросы стоимости, — отметил старший научный сотрудник Palo Alto Research Center Боб Стрит. — Идея заключается в том, чтобы при изготовлении устройств использовать вместо кремниевых структур печатные технологии».
«Процедура печати на основе рулонной обработки позволяет заметно снизить себестоимость и добиться приемлемой цены даже для одноразовых дисплеев», — подчеркнул Браг. В HP Labs изучают сегодня возможность использования двух процессов: струйной печати и литографии. И тот и другой позволяют переносить точные шаблоны схем на пластиковую подложку. Корпорация Xerox занимается проектированием аналогичных процессов для полимеров и подложек из фольги на основе нержавеющей стали.
«Новый мир цифровых технологий откроет путь к удешевлению производства, в которое больше не придется вкладывать все доступные средства, — отметил Браг. — Означает ли это, что можно обойтись без ?чистых помещений?? Именно так».
Действительно, потенциальные возможности для производственной экономии весьма велики. Однако вставать в очередь к местному поставщику канцелярских товаров для того, чтобы купить у него картриджи с органическими чернилами и полимерные листы, на которых ваши струйные принтеры будут печатать электронные схемы, еще слишком рано.
«В ближайшей перспективе изготавливать дисплеи с помощью настольного оборудования вы все равно не сможете», — пояснил Браг.
От гибких дисплеев к гнутым ПК
Коль скоро уже сегодня транзисторы для гибких дисплеев могут наноситься на подложки с помощью технологий струйной печати, что мешает нам встраивать в тот же самый полимерный лист и другие электронные компоненты, а может быть, и компьютерные устройства целиком? Браг из HP Labs полагает, что создание гибких устройств — всего лишь вопрос времени. Все будет определяться быстротой сближения портативных компьютеров и беспроводных телефонов с функциями КПК.
«Означает ли это, что ваши наручные часы превратятся в ПК? — вопрошает Браг. — Вообразить это себе сегодня не так уж сложно».
По мере расширения спектра электронных устройств, отпечатываемых на полимерной подложке, возможна их интеграция в экраны телефонов, которые приобретут определенные рельефные очертания или даже смогут похвастаться гибкой, пригодной для ношения на теле или на одежде конструкцией.
По словам старшего менеджера E Ink по маркетингу Дарена Бишоффа, конечная цель заключается в следующем: «Получить материал для изготовления легких дисплеев, которые можно свернуть в трубочку и которые оснащены всеми необходимыми электронными компонентами следующего поколения, в том числе процессором и памятью».
Построить полноценный ПК на гибкой подложке непросто, но с технической точки зрения, по мнению Брага, вполне возможно. Ранее исследования HP в области гибкой электроники были связаны с изготовлением памяти.
«В ближайшее время микропроцессоры подобного рода вряд ли появятся на рынке, однако другие компоненты мы увидим обязательно», — отметил он.