Реализация новых ЖК-технологий на примере продукции Sharp

В 2008 году было поставлено клиентам 70,8 млрд. светодиодов. Из них 11%, или 8 млрд. шт., были использованы в системах задней подсветки ЖК-панелей. Это главным образом панели малого и среднего размера для ноутбуков, промышленных и компьютерных мониторов, а также телевизионные панели.

По оценкам маркетологов, в 2012 году для систем задней подсветки дисплеев будет использовано 34 млрд. светодиодов, что представляет собой 20,3% всего рынка LED. А это уже заявка на наиболее емкий сегмент рынка сбыта светодиодов. Следует учитывать, что речь идет о рыночной доле светодиодов, работающих на малых и средних токах. LED-модули с высоким световым выходом и рабочими токами от 350 мА здесь малоприменимы в связи с проблемой перегрева.

В силу технологического упрощения грамотного теплоотвода, небольшой стоимости, компактности и высокого светового выхода наиболее оптимальными для LED-подсветки являются светодиодные модули на рабочие токи порядка 20 мА. Такие изделия приобретают особую актуальность особенно для использования в дисплеях больших диагоналей.

Например, компания Sharp производит светодиодные модули в корпусе «с боковым свечением» (side shoot package) (рис. 1а-в). Линейка таких модулей весьма компактна. Они имеют размеры 2,8×1,2 мм и толщину всего 0,5-0,8 мм. Sharp производит как белые, так и цветные модули бокового свечения.

Рис. 1. Светодиодные модули в корпусе «с боковым свечением»:
а) GM4BW53340A; б) GM4BW64310A; в) GM4BW84310A;
г) светодиодный модуль в корпусе «с верхним свечением» GM5BW93330A

Массовое применение таких изделий в дисплеях небольших диагоналей позволяет добиться равномерной задней подсветки при одновременном достижении минимальной толщины ЖК-панели и невысокого тепловыделения.

Планируется, что отгрузка светодиодных систем задней подсветки для больших дисплеев (>10 дюймов) в 2012 году превысит 368 млн. шт., что в 25 раз больше, чем в 2008 году (рис. 2). Для LCD-панелей малых и средних размеров важна минимальная толщина матрицы, в таких случаях применяются светодиодные модули с боковым свечением. Для дисплеев с диагоналями от 10 дюймов чаще используются LED с верхним, обычным свечением (рис. 1г). В связи с тенденцией увеличения доли светодиодных систем подсветки в ноутбуках и телевизорах, в 2010 году количество светодиодных модулей с верхним свечением должно превысить количество модулей с боковым свечением.

Рис. 2. Рынок светодиодной подсветки

Ожидается, что уже в текущем году доля ноутбуков со светодиодной подсветкой будет равна 52%, и удельный вес таких экранов уже в 2012 году достигнет 81%.

В силу тех же технологических ограничений по эффективному теплоотводу на панелях больших диагоналей существенно более скромные показатели у производителей телевизионных панелей. В текущем году прогнозируется довести удельную массу телевизоров со светодиодной подсветкой до 3% (3,6 млн. шт.) и 10% (15 млн. шт.) к 2012 году.

Основные производители телевизионных панелей планируют увеличить выпуск матриц со светодиодной подсветкой начиная со второй половины 2009 года.

Оценивая возросшую емкость мирового рынка, компания Sharp ускорила строительство своего первого в мире завода 10-го поколения по производству стеклянных подложек для LCD и уже в октябре 2009 года планирует выпустить первую продукцию. По оценкам компании Sharp, европейский спрос на ЖК-телевизоры в 2009 году составит порядка 37 млн. единиц, что на 7% больше по сравнению с 2008 годом.

Технологические возможности нового завода в Сакаи позволят обрабатывать стеклянные подложки ЖК-экранов площадью 9 м2 (2,880×3,130 м), что на 60 % больше, чем подложки на заводе Sharp 8-го поколения Камеяма II. Из новых заготовок можно будет производить шесть 60-дюймовых или восемь 50-дюймовых ЖК-панелей.

Таблица 1. Линейка промышленных дисплеев Sharp со светодиодной задней подсветкой

Оптимизируя нагрузку между своими заводами, Sharp расширяет предложение ЖК-дисплеев промышленного назначения со светодиодной задней подсветкой двумя новыми дисплеями с диагоналями 12,1 и 23 дюйма. Ассортимент предложения состоит теперь из девяти дисплеев с диагоналями экрана от 2,5 до 23 дюймов.

Акцент на светодиодную подсветку для ЖК-матриц промышленного назначения сделан Sharp не случайно. Ведь дисплеи со светодиодной подсветкой хорошо сочетают необходимую для промышленных приложений высокую стойкость с такими преимуществами, как малое время отклика светодиодов даже при низких температурах и хорошая регулируемость во всем диапазоне яркости светодиодов. Другим преимуществом светодиодной задней подсветки является низковольтное рабочее напряжение. При этом отпадает необходимость в применении высоковольтного инвертора для флуоресцентных ламп с холодным катодом CCFL. Это обеспечивает возможность использования новых промышленных ЖК-дисплеев там, где нежелательно высокое напряжение, например во взрывоопасных зонах. Высокое качество изображения новых дисплеев Sharp обеспечивается помимо прочего равномерной подсветкой яркими светодиодами.

Новый 23-дюймовый дисплей LQ231U1LW31 отличается, прежде всего, своими превосходными оптическими характеристиками. Сюда относится высокая яркость 500 кд/м2, угол обзора до 170° по всем направлениям, глубина цвета в 16 млн. цветов, а также высокая для промышленных дисплеев контрастность 600:1. Антибликовое покрытие обеспечивает хорошую считываемость с дисплея даже в затрудненных условиях освещения. Таким образом, новый 23-дюймовый TFT-дисплей может применяться не только как устройство отображения для промышленных систем управления, но и для таких приложений, которые полностью или частично используются вне помещений.

Семейство Strong2 особо устойчивых изделий также получило пополнение в виде модели со светодиодной задней подсветкой: новый TFT ЖК-дисплей размером 12,1 дюйма LQ121S1LG62 (рис. 3) отличается не только расширенным рабочим температурным диапазоном от -30 до +80 °C и механической прочностью, но и исключительно большим сроком службы — до 70 000 часов. Поэтому областью его применения является оборудование, находящееся в агрессивных условиях эксплуатации.

Рис. 3. TFT ЖК-дисплей размером 12,1 дюйма LQ121S1LG62

Для обеспечения возможности работы при низких и высоких температурах Sharp спроектировал корпус новых ЖК-панелей специально под заднюю подсветку на светодиодах и разработал специальную систему теплоотвода: проводники тепла отводят тепло светодиодов и их схем управления к задней внешней стороне панели. Поэтому новые модели ЖК-матриц, имеющие светодиодную подсветку, соответствуют требованиям промышленной спецификации.

Еще одной новацией Sharp, уже для приложений с критически низким расходом энергии, стал дисплей Sharp Pixel Memory LCD (рис. 4).

Рис. 4. Дисплей Sharp Pixel Memory LCD LS013B4DN02

Все мы привыкли, что микроконтроллер обычного ЖК-дисплея выполняет перезапись изображения на экране от кадра к кадру с частотой 50-60 Гц даже в тех случаях, когда основная часть изображения остается неизменной. Потребляемая такими дисплеями мощность в основном определяется диагональю дисплея.

Возьмем для примера дисплей с диагональю 1,35 дюйма. Для обычного дисплея стандартной потребляемой мощностью будет величина около 2 мВт. Компании Sharp удалось уменьшить это значение в 130 раз и довести его до 15 мкВт!

Основу для управления такими матрицами составляет собственная технология Sharp сверхдлинных кристаллов кремния (Continuous Grain Silicon). Технология CG-Si
идеальна для разработки чипов и их применения непосредственно на стеклянной подложке матрицы. Данная комбинация была бы принципиально невозможна для обычных дисплеев со схемами управления на аморфном или поликристаллическом кремнии.

Технология управления CG-Si для Pixel Memory LCD объединяет логику управления (ранее требовавшую внешние микросхемы LCD-драйверов) источников питания, I/O-интерфейсов и схем обработки сигналов на единой стеклянной подложке (рис. 5). Это резко сокращает число компонентов, снижает массу и толщину панелей, предельно снижает потребляемую ими мощность, а также существенно повышает их надежность.

Рис. 5. Подложка с CG-Si управлением

Толщину дисплея удалось привести к показателю 1,4 мм — с помощью инновационной технологии двойного стекла (two-glass), когда применяется внедрение периферийных микросхем (БИС в том числе) непосредственно на саму стеклянную панель.

Однако главной инновацией является сохранение информации о загруженном изображении. К каждому пикселю подведена цепь ячейки памяти. Контроллер панели, таким образом, получает возможность перезаписи информации только о тех пикселях, которые изменили свое состояние по сравнению с предыдущим кадром. Состояние цепей управления, пиксели которых не меняли свое состояние при смене кадра, остается неизменным, поэтому они потребляют минимальный ток для поддержания статичного состояния изображения.

Еще одна революционная технология, примененная Sharp в ЖК-дисплеях с памятью, — это полимерная сетка жидких кристаллов (Polymer Network Liquid Crystal, PNLC). Она реализует управление процессом оптической модуляции, контролирующей степень рассеивания света в зависимости от приложенного электрического поля.

Это новая дисплейная технология для работы жидких кристаллов в отраженном свете, которая позволяет отказаться от использования поляризатора при одновременном достижении высоких показателей внешнего контрастного соотношения и широких углов обзора в уличных приложениях.

Благодаря технологии PNLC отражающая способность дисплея при переходе от черного к белому изображению достигает 50%.

Для питания дисплея достаточно подвести напряжение 5 В, так как 3-проводный интерфейс устраняет необходимость во внешних чипах, что сохраняет время разработчика и минимизирует дополнительные расходы. Контроллер дисплея установлен непосредственно в самом дисплее.

Благодаря оптической прозрачности ЖК-панели цвет дисплея прекрасно отражает цвет корпусного материала, тем самым весьма удачно дополняет дизайн, например, сотовых телефонов (рис. 6а).

Рис. 6. Телефоны Sharp: а) 934SH с Memory LCD; б) solar 936SH

В настоящее время представлена первая модель — LS013B4DN02 — с диагональю 1,35 дюйма (табл. 2).

Таблица 2. Спецификация LS013B4DN02

На рынок выходят и другие дисплеи этой линейки, в том числе цветные, разнообразных форм и размеров, включая восьмиугольные и круглые. Такие панели как нельзя лучше подходят для приложений, таких как мобильные телефоны, наручные часы и приборы для занятия фитнесом, пультов дистанционного управления, электронных ценников для товаров на полках супермаркетов.

В последнем случае возможно построение систем управления дисплеем или целыми группами дисплеев с помощью беспроводного интерфейса, например, Wi-Fi, идентифицирующего данный дисплей как сопоставленный определенному товару и позволяющий оперативно изменять стоимость товара на ценнике.

Новый 1,35-дюймовый Sharp Pixel Memory LCD демонстрирует свойства, позволяющие говорить о совместимости с плавно изменяющейся графикой, 50%-ной отражающей способностью и показателем потребляемой мощности в 15 мкВт. Данная линейка отражающих ЖК-дисплеев позволяет наблюдать изображение при освещении всего в 0,5 лк, без применения источников света, и демонстрирует исключительную видимость в различных неблагоприятных условиях. Малая масса и сверхтонкое исполнение дисплея устраняют множество ограничений на пути разработчиков устройств для мобильного применения.

И, наконец, еще одна близкая к LCD-технология, продукция на основе которой не менее популярна. Речь идет о солнечных панелях, в производстве которых Sharp держит мировое лидерство на протяжении последних десятилетий. Данная область фотовольтаики весьма удачно дополнила ЖК-бизнес мирового производителя, поскольку в производстве задействуются смежные технологии.

На рис. 6б представлен новый телефон Sharp solar 936SH с установленной солнечной батареей.

Профиль электродов такой батареи может повторять конфигурацию поверхности изделия, при этом обладая толщиной всего в 0,8 мм. Это рекорд индустрии на данный момент. Максимальная мощность батареи 300 мВт (рис. 7) позволяет одну минуту вести разговор или в течение 2 часов поддерживать телефон в рабочем состоянии после всего 10 минут зарядки на солнце.

Рис. 7. Батарея LR0GC02 мощностью 300 мВт

Литература

1. Display LEDs: Lighting Up the Display World report. http://www.displaysearch.com
2. Fujisawa T., Nakata H., Aizawa M. Recent Development of Polymer Network Liquid Crystal Displays // Journal of Photopolymer Science and Technology. 1998.
3. Sharp news release. 15 June 2009.