Исследование возможности создания триплекса с интегрированным прозрачным дисплеем

Потенциально прозрачные дисплеи могут быть востребованы во многих сферах. Соответственно, к ним предъявляются разные требования. Критичные значения работоспособности мониторов при низких и повышенных температурах, высокой влажности, ударных воздействиях и вибрации, время отклика, угол обзора являются основными критериями при выборе экрана, который будет использоваться в тяжелых условиях эксплуатации. Прозрачные дисплеи TASEL производства Beneq Lumineq предназначены для работы в таких условиях в качестве отдельных мониторов. Вместе с тем решение задачи их интегрирования в многослойное стекло неизбежно приведет к созданию новых по функциональности информационных экранов, соответствующих требованиям по их применению в жестких режимах. Такой опыт был проведен в АО «НИТС» совместно с финской компанией Beneq (она же является портфельной компанией Роснано), производителем электролюминесцентных стандартных дисплеев TFEL и прозрачных дисплеев TASEL под торговой маркой Lumineq.

«НИТС» специализируется на производстве изделий остекления для авиации, космических аппаратов глубоководной и наземной специальной техники с 1954 г. Поскольку применение изделий предполагается в экстремальных условиях эксплуатации, инженерами института разработаны и реализованы методы упрочнения стекла: в дополнение к воздушной закалке следует особо подчеркнуть ионный обмен, жидкостную закалку, травление, а также комбинации этих способов. В результате, благодаря разработанным технологиям, специалисты НИТС смогли повысить прочность стандартного листового силикатного стекла со 100–150 до 1500–2700 МПа (последнее значение выше, чем у некоторых металлов). Необходимость достижения таких параметров вызвана, прежде всего, условиями эксплуатации изделий, носящих марку «ТСК» — техническое стекло, конструкция. Подобных изделий насчитывается более 300. Они предназначены для авиационной, космической, глубоководной и специальной техники и все без исключения проходят проверку по 30 тестам на соответствие оптическим параметрам, а также требованиям на разрушающую нагрузку (живучесть, перепад температур и давления, климатические испытания, влагостойкость, изгиб, скручивание, вибродинамические испытания, ударопрочность и т. д.). В качестве примера можно привести подтвержденную испытаниями стойкость к ударным воздействиям авиационного стекла, способного выдержать без последствий фронтальное попадание птицы весом 1,8 кг при скорости самолета 580 км/ч, а также попадание пуль калибра 7,62 мм.

Используя различные приемы в сочетании с методами свободного и принудительного моллирования, сотрудники НИТС смогли разработать принципы формообразования стеклодеталей и тем самым решить задачу по созданию крупногабаритных изделий сверхсложной геометрической формы. В результате были сконструированы высокопрочные конструкционные элементы остекления кабин самолетов Т‑50, Су‑35, МиГ‑35, Як‑130. Кроме того, впервые в мире было создано остекление из силикатного стекла сдвижной части фонаря самолета.

Экспериментируя с достигнутыми результатами в своей области в сочетании с достижениями компании Beneq Lumineq в сфере дисплейных технологий, специалисты НИТС выполнили НИР с многослойным стеклом и прозрачным сегментным электролюминесцентным дисплеем Lumineq. Перед инженерами стояла задача определить технологическую возможность и технические условия интегрирования прозрачного дисплея в элементы остекления, а также провести проверку созданного триплекса на соответствие предъявляемым требованиям к многослойному стеклу, предназначенному для эксплуатации в критичных режимах.

Технология производства электролюминесцентных дисплеев (ЭЛД), несмотря на ограничения по цветовому диапазону, продолжает оставаться востребованной и является альтернативой другим технологиям создания устройств отображения, предназначенных для жестких условий эксплуатации. Для соответствия таким условиям разработаны версии ЭЛД, в том числе прозрачные, с характеристиками, обеспечивающими:

• устойчивость к ударным воздействиям 100g (это значение параметра для всего дисплея с электронной схемой, а само стекло выдерживает 200g);
• диапазон рабочих температур –60…+105 °C (стекло выдерживает –100 °C);
• высокая контрастность изображения (до 1:50 при внешнем освещении 500 лк);
• угол обзора свыше 160°;
• время отклика менее 1 мс во всем диапазоне рабочих температур;
• среднее время наработки на отказ 100 000 ч и более (определяется временем наработки на отказ электронного компонента в схеме дисплея, имеющего минимальное значение времени).

Особенности конструкции стандартного тонкопленочного ЭЛД

Архитектура стандартного непрозрачного ЭЛД (TFEL) основана на размещении изолирующих слоев, а также слоя светоизлучающего люминофора между прозрачными и металлическими электродами, как показано на рис. 1. Стандартный тонкопленочный ЭЛД сконструирован на стеклянной подложке толщиной 1,1 мм. Подложка выполнена из soda lime glass — натрий-кальциевого стекла эталонного состава с температурой стеклования около +560 °C. Композиция герметизирована покровным стеклом такого же состава и также имеет толщину 1,1 мм.

Рис. 1. Структура стандартного ЭЛД

Специальной технологией, реализуемой компанией Beneq при создании ЭЛД, является атомно-слоевое осаждение (молекулярное наслаивание). Данная технология обеспечивает химически однородные, конформные и равномерные по толщине барьерные и токопроводящие слои. Свет генерируется посредством ударного возбуждения атомов марганца Мn в люминофоре (сульфид цинка) ZnS электронами, перемещаемыми при помощи приложенного напряжения переменного тока. Возбуждающее напряжение может быть синусоидальным или прямо-угольной формы. Оно прикладывается методом мультиплексирования электродов столбцов на одной стороне с электродами строк на другой стороне люминофора (рис. 2).

Рис. 2. Управление ЭЛД с помощью напряжения переменного тока

Каждый раз, когда прикладываемое к столбцам и строкам напряжение превышает порог номинального значения около 170 В, генерируется короткий импульс света с постоянной времени затухания менее 1 мс. Значение яркости излучаемого света приблизительно пропорционально частоте возбуждения. В стандартных применениях матричных дисплеев частота возбуждающего напряжения может достигать 60–240 Гц. В семисегментных типах дисплеев (прямое управление без мультиплексирования) используются даже более высокие частоты. Высоковольтные импульсы генерируются управляющей электроникой дисплея. Напряжение питания дисплея 5 и 12 В DC (опционально 5 и 24 В, а также 5 В и «широкий вход» 8–18 или 11–30 В). В стандартном ЭЛД в качестве слоя люминофора применяется сульфид цинка ZnS, легированный ионами марганца Mn, и результирующий спектр излучения света является желтым, с максимумом, соответствующим длине волны 580 нм (рис. 3).

Рис. 3. Спектр люминофора ЭЛД на основе сульфида цинка, легированного ионами марганца (ZnS: Mn)

Легирование люминофора другими химическими элементами позволяет создавать другие цвета (например, легирование ионами тербия позволяет создать зеленый цвет, рис. 4).

Рис. 4. Прозрачный дисплей TASEL сегментного типа с люминофором зеленого цвета

Именно благодаря твердотельной структуре и преимуществам технологии атомно-слоевого осаждения ЭЛД обладают высокими техническими характеристиками, упомянутыми выше.

Более подробно о технологии атомно-слоевого осаждения, модельном ряде ЭЛД, технологии ICEBrite (технологии повышения контрастности ЭЛД), показателях надежности, контроллерах, интерфейсах для ЭЛД можно прочитать в [1, 2].

Особенности конструкции прозрачного ЭЛД

Прозрачные электролюминесцентные дисплеи конструируют на основе стандартного ЭЛД путем замены заднего металлического электрода прозрачным электродом (на основе оксида индия-олова, ITO) и удаления остальных непрозрачных слоев из структуры дисплея. Схема поперечного сечения структуры показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема поперечного сечения прозрачного ЭЛД

Для максимального увеличения светопропускания была решена задача согласования коэффициента преломления смежных слоев. Другим важным параметром в оптимизации слоев прозрачного ЭЛД было уменьшение «эффекта ореола», обусловленного внутренними отражениями, причиной которых является отсутствие согласования коэффициента преломления слоев. В оптических системах этот эффект также называют оптическим волноводом. Отраженный свет перемещается между слоями и, в конце концов, покидает излучающий пиксель благодаря эффекту рассеивания. Этот эффект наблюдается, главным образом, в прозрачном ЭЛД, и им можно управлять. Критерием оценки данного эффекта является значение расстояния от пикселя, на котором не видна утечка света при наблюдении через микроскоп. Как показали результаты оценки трех рецептур люминофора (результаты сведены в таблицу), зона эффекта ореола уменьшена путями оптимизации толщины слоев и перехода на люминофор без рассеивания.

Другим способом уменьшения ореола стало покрытие внешних поверхностей антиотражающими материалами. Важной проблемой была необходимость изготовления гладкого слоя люминофора с целью минимизации рассеивания света. На начальной стадии разработки использовался стандартный состав люминофора, и коэффициент пропускания был всего лишь 75%. Разработка и реализация более гладких пленок способствовали улучшению светопропускания до 84% (у стандартного натрий-кальциевого стекла этот показатель равен примерно 90%). Следует отметить, что результат в 84% был достигнут для образцов, в выпускаемых прозрачных дисплеях этот показатель несколько ниже и равен 80%.

Более высокая проводимость также была ключевым параметром для обеспечения надежности панели при испытаниях в жестких условиях окружающей среды, включая длительную эксплуатацию при высоких температурах. Управляющая электроника прозрачного дисплея аналогична стандартным ЭЛД. Подключение к площадкам электродов контура может быть выполнено, например, при помощи автоматизированной сборки на ленточном носителе (TAB) для драйверов столбцов и термосварки к печатной плате для соединения с управляющими драйверами строк, размещенными в корпусах для поверхностного монтажа.

Beneq Lumineq производит прозрачные ЭЛД TASEL в вариантах матричного и сегментного типов. Для дисплеев матричного типа яркость составляет 80–100 кд/м². Для сегментных дисплеев этот показатель гораздо выше, достигнуто значение 1500 кд/м² (модель ELT15S‑1500, рис. 6), технологически для них достижим уровень 3000 кд/м². Технология позволяет создавать дисплеи различной изогнутой формы.

Рис. 6. Прозрачный дисплей TASEL сегментного типа с яркостью 1500 кд/м2

Опыт интегрирования сегментного прозрачного дисплея TASEL в многослойное стекло

Полученные результаты (таблица) свидетельствуют о высоких оптических параметрах прозрачных дисплеев Lumineq. С другой стороны, они обладают всеми преимуществами стандартных ЭЛД по климатическому исполнению, времени отклика, наработки на отказ, вибро- и ударопрочности и другим параметрам. Все это послужило основой для предварительного вывода о возможности встраивания дисплея в стекло и создания триплекса с внутренним информационным экраном, который бы обладал необходимыми прочностными характеристиками и выдерживал широкий температурный диапазон.

На первом этапе, прежде всего, необходимо было исследовать предоставленные Beneq Lumineq дисплейные стекла на прочность. Результаты такого исследования позволили бы однозначно подтвердить возможность создания триплекса с внутренним информационным экраном.

В соответствии с методикой испытаний 1.232.46-87 «Определение предела прочности стекла при центрально-симметричном изгибе» образцы дисплейных стекол размером 240×180 мм и толщиной 1,1 мм были разрезаны (часть образцов — механическим способом, часть — лазером) на 10 равных частей. Испытания показали, что минимальная прочность дополнительно полированной поверхности стекла на центрально-симметричный изгиб составляет 24,6 кгс/мм². Такие значения были получены (полированная поверхность при испытаниях была в растяжении) как при резке образцов механическим способом, так и при резке образцов лазером. Для наглядности приведен один из протоколов испытаний (рис. 7).

Рис. 7. Протокол испытаний дисплейного стекла № 1410

Среднее значение прочности при резке образцов лазером (39,4 кгс/мм² и 50 кгс/мм²) выше, чем при резке механическим способом (37,7 кгс/мм²). Минимальная и средняя прочность неполированной поверхности (полированная поверхность в сжатии, а неполированная — в растяжении) выше, чем полированной. Очевидно, это связано с абразивным воздействием полировального порошка на поверхность.

Также была предпринята попытка упрочнения образцов дисплейных стекол. Учитывая их толщину 1,1 мм и условия нанесения специальных покрытий в диапазоне температур +470…+515 °C), термический способ упрочнения стекла (закалка) и термохимический (ионно-обменное упрочнение) не могли быть применимы. Поэтому был опробован химический способ упрочнения. Образцы стекла были подвергнуты травлению на глубину 7 мкм с обеих сторон. При этом средние и максимальные значения прочности существенно возросли (для примера на рис. 8 приведен один из протоколов испытаний).

Рис. 8. Протокол испытаний дисплейного стекла № 1610 (применен химический способ упрочнения)

Однако минимальные значения прочности обеих поверхностей даже несколько уменьшились. Это связано со вскрытием приповерхностных дефектов, так как глубина травления составила всего 7 мкм. Поверхностные дефекты полностью можно удалить при глубине травления не менее 250 мкм с каждой стороны, но при такой исходной толщине стекла это невозможно, так как в итоге она составит всего 0,6 мм.

Результаты испытаний по данной методике 1.232.46-87 практически подтвердили высокие прочностные характеристики дисплейного стекла и явились основой для последующих операций по созданию триплекса с информационным экраном (прозрачным сегментным дисплеем TASEL).

На втором этапе специалисты «НИТС» интегрировали в многослойное 6‑мм стекло отдельно как сами дисплейные стеклянные подложки с одной полированной стороной (для нанесения покрытий), так и покровные стекла как отдельные элементы с толщинами 1,1 мм каждое. Этап прошел успешно, был получен прототип триплекса.

На третьем этапе был создан триплекс с полноценным дисплеем внутри — электролюминесцентным сегментным прозрачным дисплеем ELT 15S, но без схемы управляющей электроники (рис. 9). Как отдельный дисплей, ELT 15S был представлен на рис. 6.

Рис. 9. Интегрированный в многослойное стекло дисплей ELT 15S без схемы управляющей электроники

На четвертом этапе схема управляющей электроники присоединена к дисплею (рис. 10), и триплекс в полном составе был испытан в климатической камере.

Рис. 10. Многослойное стекло с информационным экраном внутри — прозрачным электролюминесцентным сегментным дисплеем ELT 15S

Специалисты «НИТС» провели тестирование созданного триплекса на устойчивость по следующим параметрам:

• теплоустойчивость (метод 4.20.11.00) при температуре +85 °C, 3 ч;
• влагоустойчивость (метод 4.20.13.00) при влажности 96% и температуре +40 °C, 48 ч;
• холодоустойчивость (метод 4.20.12.00) при температуре –60 °C, 6 ч.

Триплекс полностью сохранял работоспособность как в ходе испытаний, так и по их завершении.

Заключение

Практический результат проведенного опыта с сегментным дисплеем дает основания предположить, что создание триплекса с интегрированным дисплеем матричного типа будет успешным. Показанные высокие опытные результаты в сочетании с малым временем отклика дисплея (менее 1 мс), возможностью регулировки яркости и отсутствием необходимости подогрева его при низких температурах способствуют разработке и появлению новых информационных решений для жестких условий эксплуатации на основе подобных триплексов. Учитывая, что технологический приоритет в создании триплекса с информационным экраном принадлежит АО «НИТС», а платы управления (встраиваемые системы в различных форматах для ЭЛД матричного типа, как прозрачных, так и стандартных) для жестких условий эксплуатации создает российская компания Fastwel, можно утверждать, что такие сложные конструкционные структуры будут в большой степени отечественного производства, что немаловажно при решении задачи импортозамещения.

Дисплеи прозрачные и непрозрачные

Непрозрачная неорганическая тонкопленочная электролюминесцентная технология (Thin Film Electro luminescent, TFEL) была разработана в середине 1980‑х годов компаниями Planar Systems и Finlux и позднее приобретена фирмой Planar. Японская компания Sharp также участвовала в разработке технологии TFEL. В конце 1990‑х годов Denso Corporation начала производить прозрачные ЭЛ-дисплеи для автомобильных применений. Стандартное изделие, изготовленное по TFEL-технологии на основе неорганических материалов, содержит слои люминофоров, излучающих свет под действием сильных электрических полей. Обычно в качестве люминофора используется материал ZnS: Mn. Напряжение прикладывается на пересечении электродов, причем передний электрод является прозрачным. Прозрачные электроды обычно изготавливаются из окиси индия и олова (Indium Tin Oxide, ITO). Задние электроды стандартных ЭЛ-дисплеев обычно выполнены из металла. Преимуществом нахождения металла за излучающим слоем является то, что он может поглощать большую дозу света, излучаемого люминофором в плоскости дисплея. Такая концепция изготовления дисплеев на базе TFEL-технологии очень хороша для применений внутри помещений, поскольку выход света может быть увеличен почти вдвое. Вне помещений основную проблему создают задние электроды, так как они подобны зеркалу и отражают много окружающего света, что уменьшает контрастность дисплея. Для решения этой проблемы компания Planar разработала новый тип электродов, поглощающих свет. Технология получила название Integral Contrast Enhancement (ICE или ICEBright).