Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Индикаторы

1.1 Индикаторы. Основные принципы работы

Человеческое зрение как основной (иногда индикатор «работает» на фотопленку или фотоприемник) «потребитель» информации, вырабатываемой индикаторными приборами, отличается исключительным своеобразием. Видимая область составляет очень малую часть оптического диапазона длин волн (см. рис. 1.1); чувствительность глаза максимальна в центре этой области и резко спадает к ее краям. Это свойство зрения отражено в функции видности (рис. 3.1), представляющей усредненную спектральную характеристику глаза как фотоприемника. В максимуме спектральной чувствительности (лмах=555 нм) 1 Вт излучения вызывает зрительное ощущение, эквивалентное ощущению от светового потока 680 лм. При других длинах волн величина светового эквивалента излучения меньше (ряд значений fл дан ранее в табл. 1.2); для широкополосного белого света величина f_л близка к 360 лм/Вт. Кривая рис. 3.1 довольно условна: в сумерках спектр деформируется так, что лmax сдвигается влево на 50 ... 60 нм; детский глаз

воспринимает свет начиная с л=315 нм; увеличение яркости источника раздвигает границы видимости, например концентрированное ИК излучение GaAS-лазера (л=800 нм) воспринимается как красное. Несмотря на все это и многочисленные индивидуальные особенности люден, кривая рис. 3.1 гостирована и является основой инженерной фотометрии; именно она служит ориентиром при разработке излучателей и фотоприемников.

Способность глаза приспосабливаться к восприятию резко различных по светимости объектов характеризуется логарифмическим законом Вебера -- Фехнера, связывающим физическую яркость источника В с его физиологически ощущаемой яркостью

Вфзл = а·lnВ +b, (9.1)

где a и b--константы. Поэтому динамический диапазон воспринимаемых глазом яркостей исключительно широк и простирается от --10^-7 кд/м² (в темноте) до 10⁵ кд/м² (при яркой внешней засветке); при этом в интервале 10^-7 ...I кд/м² работает «сумеречный» механизм зрения и цветового восприятия нет.

Разные по яркости источники вызывают неодинаковые зрительные ощущения; практически человек различает не более 8 ... 10 градаций яркости (полутонов), поэтому если информация передается изменением яркости индикатора, то нельзя использовать более 4 . . 5 градаций , а для надежной передачи--более двух (черное - белое).

Кроме яркости источника человек оценивает и его пространственные характеристики: разрешающая способность глаза (угловая) близка к 1' (т. с. различение на расстоянии 10 м двух штрихов, разделенных промежутком в 3 мм). Для быстрого и безошибочного восприятия простого объекта (цифры, буквы и т. п.) надо, чтобы угловые размеры этого объекта были не менее 1^о, это для оптимальной высоты знака Н дает

 (9.2)

где Rг-о--расстояние от глаза до индикатора. Отсюда, например, для индикатора, встроенного в окуляр дальномера (Rг-o~5 ... 10 см) допустимо Н~0,5 мм, для индикатора наручных часов ~3 мм, а для крупноформатных дисплеев 10 ... 20 мм. При малой яркости (освещенности) индикатора величина Н должна выбираться несколько большей, чем по (9.2).

Полный угол зрения близок к 120⁰ (по горизонтали) и 90° (по вертикали); обзор для зоны максимального разрешения характеризуется углами 20° и 15°. В соответствии с этим выбирается удлиненный в горизонтальном направлении формат экрана (в телевидении и кино отношение его сторон составляет 4:3).

Кроме яркости и размеров индикатора, решающую роль в его восприятии играет контрастность воспроизводимого знака. Количественно яркостный контраст определяется как К=(В-Вфон)/В, гдеВ,Вфон--яркости источника и фона. Практически для качественного восприятия важна не столько величина К, сколько ее превышение над пороговой для данных условий контрастностью Kпор. Для хорошей видимости необходимо, чтобы число пороговых контрастов (К/Кпор) было не менее 15 ... 30. Зависимость порога зрительного восприятия от угловых размеров, яркости и контрастности наблюдаемых объектов представлена на рис. 3.2. Заштрихованная поверхность соответствует порогу зрительного восприятия: точки, лежащие ниже нее, соответствуют условиям, не вызывающим зрительных ощущений.

Рисунок 3.2 - Соотношения между угловыми размерами наблюдаемых объектов, яркостью и контрастностью для порога зрительного восприятия при времени воздействия 0.3 с.

Оценка временных характеристик светового сигнала связана с инерционностью зрения: установлено, что при частоте световых посылок более 15 ... 50 Гц глаз перестает ощущать мерцание. При этом действует закон Тальбота: кажущаяся яркость мерцающего источника равна средней за период наблюдения яркости (Опыт работы с полупроводниковыми индикаторами показывает, что при очень значительных вспышках и большой скважности кажущаяся яркость оказывается больше, чем это следует из закона Тальбота.) Закон Тальбота служит основой для организации мультиплексных схем управления индикаторами.

Рассмотренные особенности зрения при оценке яркостных, пространственных, временных характеристик световых сигналов фактически и определяют основные требования к индикаторам.

К этому еще добавляются особенности ощущения цвета.

Восприятие цвета является величайшей привилегией человека среди всех представителей животного мира(трихроматное (трехцветное) зрение свойственно также высшим обезьянам и некоторым рыбам, представители ряда других видов различают некоторые цвета, однако в основной массе животный мир, по-видимому, живет в «вечных сумерках»). Лишь цветовая окраска делает окружающий мир столь неповторимым и прекрасным, каким мы его воспринимаем. Нет такого внешнего раздражителя , который былбы близок к цвету по числу различных градаций: цветовые каталоги включают до 10⁷ различных оттенков! Естественно поэтому, что для индикаторной техники. стремящейся в конечном счете к наиболее полному использованию возможностей зрения и к его максимальному удовлетворению, проблема цветности относится к числу основных.

Современное учение о цвете базируется на том экспериментально установленном факте , что «элементарные фотоприемники» глазной сетчатки--колбочки содержат рецепторы трех видов, каждый из которых обладает повышенной чувствительностью в красной, зеленой и синей областях спектра. Соответственно этому говорят о трех основных цветах: R, G, В, сочетание которых позволяет синтезировать всю цветовую гамму. Математически это означает что цветовое ощущение можно рассматривать как вектор в трехмерном пространстве, осями которого являются R-, G-, В-векторы (принято л_R=700 нм, л_G=546 нм, л_B=436 нм, (см. рис. 3.1).

Упрощенная цветовая характеристика объекта возможна и в двухмерной форме--точкой на цветовом графике МКО(Международной комиссии по освещению) (рис. 3.3). Значение цветовых индексов источника (координат х и у) позволяет найти две его важнейшие характеристики: цветовую тональность. определяемую доминирующей длиной волны излучения (л_F для источника F на рис. 3.3); цветовую насыщенность, определяемую чистотой света (выраженное в процентах отношение отрезков W--F и W--л_F на рис. 3.3).

Опорная точка цветового графика--точка W (х= y=1/3 )--соответствует белому свету, для которого характерны отсутствие какой-либо тональности и нулевая частота цвета. Практически оптимальный белый свет получается из смеси трех цветов с л=450, 540 и 610 им. Излучатели, расположённые на огибающей кривой цветового графика или вблизи нее (таково большинство светоизлучающих диодов), имеют чистоту света, близкую к 100%; для сравнения укажем, что для ламп накаливания она не превышает 10 ... 20%.

Многочисленные психофизические эксперименты показывают, что по наилучшей цветоразличительной способности глаза выделяются шесть основных цветов: белый, черный, красный, желтый, зеленый, синий(замечено, что во всех развитых языках мира для обозначения этих цветов используются изначальные, непроизвольные слова ; последовательность появления этих в различных языках также одинакова (как в тексте от белого к синему). Различия между наименованиями возникают при описании оттенков цветов (например,. в русском: розовый, васильковый, бирюзовый, сиреневый и т. п.). Поэтому и многоцветные индикаторы , выполняющие функцию отображения информации посредством использования различных цветов, не должны использовать более шести цветов свечения. , реально не более 3…5 . При сильной внешней засветке белым светом удобны красный, желтый, синий, пурпурный цвета; при слабой засветке к ним могут быть добавлены белый и зеленый. Для индикаторов с элементами малого размера оптимальны белый или желтый цвета. Наиболее контрастные области спектра для красного, желтого, зеленого цветов лежат в диапазоне 610 ... 630 нм, 588 ... ... 598 нм и менее 548 нм соответственно(Эти области, к сожалению, не совпадают с тем, что дают основные типы светоизлучающих диодов, в частности зеленое излучение GаР(N) попадает на малоконтрастную область 560 ... 580 нм.).

Для систем отображения нужны как насыщенные контрастные цвета, так и малонасыщенные полутоновые. Как следует из цветового графика (рис. 3.3), для синтеза последних необходимы источники синего излучения: смешение чистых цветов из области красный-- зеленый дает только насыщенные цвета.

Если, наконец, к сказанному добавить, что значительный процент людей(Около 5% мужчин и 0.5% женщин.) обладает различными врожденными аномалиями цветового зрения, то становятся понятны трудности создания высоконадежных многоцветных индикаторов.

В заключение отметим, что учение о человеческом зрении намного сложнее любой другой области знаний и сказанное здесь есть лишь самое начальное приближение к действительности. Психофизическое пространство цветового восприятия не является линейным, поэтому технически используемые принципы пропорциональности и аддитивности цветовых сигналов не отражают реальность. По-видимому, цветоразличение (и его высокая чувствительность) является не внутренним свойством отдельных колбочек, а результатом совместного действия многих элементов сетчатки, итогом пространственного и временного интегрирования и усреднения.

Можно считать твердо установленным, что для создания совершенной системы цветовосприятия потребуется смешение не трех основных цветов, а по крайней мере десяти-двенадцати. Все это объясняет многочисленные расхождения между рекомендациями и выводами МКО (которые и сами постоянно изменяются) и цветовыми ощущениями различных наблюдателей.

1.2 Физические эффекты, положенные в основу принципа действия

Физические эффекты, пригодные для использования в индикаторной технике, исключительно разнообразны. Перечислим основные из них, придерживаясь хронологического принципа ( индикаторы на основе электронно-лучевых трубок как несовместимые с основными конструктивно-технологическими принципами оптоэлектроники (из-за больших габаритов, наличия вакуумируемого объема, высокого питающего напряжения) здесь не рассматриваются).

1. Свечение вольфрамовой нити, помещенной в вакуум и раскаленной пропусканием через нее электрического тока (накальные индикаторы).

2. Свечение, сопровождающее электрический разряд в газах (газоразрядные индикаторы).

3. Предпробойная электролюминесценция порошковых люминофоров в переменном электрическом поле (электролюминесцентные индикаторы).

4. Инжекционная люминесценция монокристаллических полупроводников с р--п -переходами (полупроводниковые индикаторы).

5. Излучение фотолюминофоров, нанесенных на полупроводниковые излучатели; возможны два крайних варианта: антистоксовый люминофор на ИК излучателе и «обычный» фотолюминофор на излучателе сине-фиолетового диапазона (пока гипотетическая модель).

6. Электролюминесценция тонких поликристаллических полупроводниковых пленок в постоянном и переменном электрических полях (тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы).

7. Низковольтная катодолюминесценция (вакуумные люминесцентные индикаторы), в т.ч. с использованием полевой эмиссии.

8. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах (жидкокристаллические индикаторы).

9. Изменение окраски вещества при пропускании через него электрического тока (электрохромные индикаторы).

10. Электрооптические явления в сегнетоэлектриках, обладающих эффектом двойного лучепреломления (сегнетоэлектрические индикаторы).

11. Гальваническое осаждение и растворение тонкопленочных металлических рисунков (электролитические индикаторы).

12. Перемещение заряженных коллоидных частиц под действием постоянного электрического поля (электрофоретические индикаторы).

13. Разнообразные обратимые электро- и фотохимические процессы (электрохимические и хемилюминесцентные индикаторы).

14. Изменение оптических свойств вещества при переходе из жидкой фазы в парообразную при нагреве электрическим током (парожидкостные индикаторы).

1.3 Классификация

Сопоставление этих эффектов позволяет сделать ряд обобщений:

--все виды .индикаторов можно подразделять на индикаторы с активным и пассивным растрами. К первой группе относятся приборы на основе светогенерационных эффектов (1--7)*, приборы второй группы требуют внешней подсветки (8--14);

--в светогенерационных индикаторах выделяются приборы с прямым (2, 3. 4, 6) 'и двухступенчатым (1, 5, 7) преобразованием электрической энергии в световую;

--.индикаторы с пассивным растром могут быть основаны на изменении коэффициентов отражения (8, 11, 12, 13, 14), пропускания (8, 12, 13), поглощения (9, 13) света .и на вращении плоскости поляризации (8, 10);

--управление индикаторами может осуществляться электрическим током (1, 4, 5, 6, 14), напряжением (2, 3. 6, 7,8, 10, 12), зарядом (9, 11);

--в качестве активных сред в индикаторах выступают металлы (1, 11), монокристаллы (4, 5), твердые поликристаллические вещества (6, 9, 10), порошки (3, 7), жидкости (8, 12), газы (2, 14);

--наибольшее распространение получили полупроводниковые. газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы.

(Для краткости мы здесь не называем соответствующие эффекты, а используем принятую в нашем перечислении(п. 9.2) нумерацию).

1.4 Полупроводниковые индикаторы

Полупроводниковые индикаторы (ППИ) примечательны прежде всего тем, что могут перекрыть весь видимый диапазон спектра (рис. 3.4). Яркое и чистое свечение, удобство управления, экономичность, технологичность, долговечность открывают перед этими приборами безграничные перспективы.

Исторически освоение цветовой гаммы идет справа налево: от красного, через оранжевый и желтый к зеленому. Это было связано со значительными успехами в области технологии синтеза GаАsР и GаР. Наибольшие принципиальные трудности вызывает получение синего света, однако следует заметить, что когда эти трудности будут преодолены, то такой материал, как GaN, может оказаться одним из самых дешевых, так как выращивается в виде тонких пленок .на сапфировых подложках (в конечном счете при массовом производстве стоимость таких материалов, как GаАs, GаАsР, GаР, определяется стоимостью дефицитного и дорогостоящего галлия). Решение проблемы эффективного синего излучателя откроет .путь для создания единой технологии индикаторов всех цветов, основанной на преобразовании этого излучения в более длинноволновое с использованием подходящих фотолюминофоров.

В полупроводниковых индикаторах используются две основные конфигурации высвечиваемых элементов(не считая единичных светодиодов. которые широко используются для изготовления наборных индикаторов.):

--семисегментная (рис. 3.5,а), позволяющая воспроизводить все десять цифр и несколько букв (цифровой индикатор);

--матричная (рис. 3.5,6) с числом точек 36 (7х5+1), воспроизводящая все цифры, буквы и знаки стандартного кода для обмена информацией (универсальный цифро-буквенный индикатор).

Для малых по размеру индикаторов используется монолитная конструкция, для больших--в целях экономии дорогостоящих материалов--гибридная, т. е. наборная из отдельных кристаллов. Высокая яркость свечения светодиодов позволяет использовать различные способы увеличения изображения. Кроме простейшего линзового увеличения (8 на рис. 1.8,6) достаточно широко используются «псевдосветоводные» конструкции (рис. 3.6). Здесь кристалл помещен в основании конически расширяющейся прорези в пластмассовой пластине. Иногда внутренние стенки такого световода металлизируют, а сверху помещают пластмассовую линзорастровую пластину, «выравнивающую» яркость свечения по площади прорези. Такая конструкция позволяет получать светящиеся площадки, на порядок превышающие площадь кристалла. Основная масса полупроводниковых индикаторов имеет малые размеры знаков (H=3 ... 7,5 мм), использование оптического увеличения позволяет продвинуться до H=12,5...17,5 мм, в наборных конструкциях реализуют H=25...50 мм, что позволяет считывать информацию с расстояния 10 ... 15 м.

Для удобства применения изготавливаются многоразрядные индикаторы (три, четыре, шесть, девять и т. д. знаков в одном корпусе), иногда в тот же корпус помещается и монолитная схема управления (дешифратор-формирователь) .

Важной и сложной является задача получения приборов с перестройкой цвета свечения. Простейшее решение--помещение нескольких разных кристаллов в один корпус--для индикаторов не всегда подходит. Могут использоваться GаР - светодиоды, легированные одновременно азотом, кислородом и цинком, у которых при повышении инжекционного тока последовательно наблюдается красное, желтое, зеленое свечение. Однако цветовая насыщенность таких приборов невысока. Более перспективными представляются структуры с двумя р--n-переходами и с общей базовой областью.

Усложнение светоизлучающего элемента позволяет расширить его функциональные возможности и в схемотехническом плане. Так, в GаР - структуре типа p+--п--I--n+ фоточувствительная i-область образует внутреннюю положительную обратную связь (этот прибор представляет собой монолитный регенеративный оптрон (см. гл. 4), состоящий из p+--n-светодиода и i--n+ -фотодиода, связанных электрически и оптически), поэтому такой светодиод имеет динисторную вольт-амперную характеристику, т. е. обладает «памятью».

Прогресс физики и технологии светоизлучающих диодов позволил перейти к созданию монолитных многоэлементных матриц: вполне достижимо получение 10⁴ ... 10⁶ светящихся точек (т. с. 300 ... 30000 знаков) на одном кристалле площадью 1,5 ... 15 см². Такие матрицы явятся элементарной ячейкой наборного полупроводникового экрана, для технической реализации которого необходимо было решение проблем многоуровневого коммутации, отвода тепла, схем управления. При использовании элементов, обладающих памятью и перестройкой цвета, могут быть созданы достаточно экономичные, малогабаритные , многоцветные экраны индивидуальною пользования с объемом одновременно отображаемой информации, эквивалентной 0,3--0,5 стр. машинописного текста.

1.5 Жидкокристаллические индикаторы

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) относятся к «молодым» и бурно прогрессирующим оптоэлектронным приборам. Жидкокристаллическое состояние вещества характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (оптическая анизотропия). Такое состояние может обнаруживаться в некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Тк и точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Тж. Имеется несколько структурных разновидностей жидких кристаллов (ЖК); для индикаторных приборов используются нематические (От латинского nеmа -- нить.) ЖК, характеризующиеся следующими основными особенностями:

-- молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую, нитевидную конфигурацию;

--в равновесном состоянии проявляется тенденция к ориентации больших осей молекул вдоль какого-то преимущественного направления;

--межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер ориентации молекул) может легко изменяться под влиянием внешних воздействий;

--имеет место оптическая и электрическая анизотропия: значения показателей преломления и диэлектрической постоянной в направлении вдоль больших осей молекул (n_¦ и е_¦ ) и перпендикулярно ему (n₊. и е₊ ) различны (ЖК -- кристаллы с двойным лучепреломлением);

-- в зависимости от знака величины ?е= е_¦-- е₊ различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию -- при приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа -- поперек поля;

-- наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух разновидностях электрооптических эффектов; изменение характера поляризации проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света.

В качестве жидких кристаллов могут выступать очень многие органические соединения (тысячи), наилучшие для технических применений результаты дают их смеси. «Классическими» нематическими смесями являются МББА (н- (п-метоксибензилиден) -- п- (н-бутиланилин)) иЭББА (н- (п-этоксибензилиден) --п- (н-бутиланилин)), обеспечивающие получение ?T_жк = T_ж - T_к = 15 ... 70°. Среди всех структурных разновидностей жидких кристаллов нематические отличаются наименьшей вязкостью, что обеспечивает их наибольшее быстродействие, определяемое временем переориентации молекул ~10^-1 с (и до 10^-2 ... 10^-3 с в специальных рабочих режимах). Удельное сопротивление нематических ЖК очень велико (~10¹⁵Ом*м) и для его некоторого уменьшения (что порой необходимо) в жидкость вводятся органические примеси, при диссоциации которых возникают свободные ионы.

Исторически первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится нарушить эту ориентацию.

При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК. Вольт-контрастная характеристика ЖКИ представлена на рис. 3.7.

Лучшие характеристики индикаторов дает использование твист-эффекта, суть которого заключается в следующем. В зазоре между двумя пластинами тем или иным способом достигают «скручивания» нематической структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда их большие оси параллельны ограничивающим поверхностям, а направления этих осей вблизи одной и другой пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3.8,а).

В толще жидкости ориентация молекул меняется постепенно от верхней граничной ориентации к нижней. Технологически такая скрученная структура достигается, например, путем однонаправленного натирания внутренних поверхностей стеклянных пластин во взаимно перпендикулярных направлениях, что и ведет к соответствующей ориентации молекул. Используется также ориентированное нанесение на стекла поверхностно-активных и поверхностно-связывающих веществ, наклонное напыление тонкой пленки моноокиси кремния и т. п. Способ скручивания структуры и состав используемой жидкости является основным «секретом» технологии изготовления ЖКИ.

Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на р/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.

Твист-эффект в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым: для его реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении.

Устройство жидкокристаллического индикатора (рис. 3.9) достаточно просто, здесь удобно реализуются современные плоские панельные конструкции. Для получения низких управляющих напряжений (единицы вольт), зазор между пластинами должен быть небольшим (~10^-3 см), а используемая жидкость должна иметь круто нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7). Характерно, что стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади -- изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500 мм. Используются конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе; при попытках использовать постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.

Жидкие кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания информационных табло повышенной информационной емкости и экранов малокадрового телевидения. Причины этого--малая потребляемая мощность, высокая контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со схемами управления: низкое быстродействие ЖКИ затрудняет использование мультиплексных режимов, приводит к созданию ЖК матриц с большим количеством внешних выводов.

Перспективы преодоления этой проблемы видятся в разработке конструкции экрана, в которой вместо одной из стеклянных обкладок обычного ЖКИ используется кремниевая пластина, содержащая схему управления и имеющая на своей поверхности матрицу элементарных электродов. Каждый из этих электродов является оптическим отражателем. Такое технологическое совмещение растра и схемы управления резко сокращает число внешних выводов.

Совершенствование ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений (для этого привлекаются иные, отличные от описанных, электрооптические эффекты), повышения быстродействия, долговечности (значения, близкие к 10⁵ ч, представляются вполне реальными), создания элементов с встроенной памятью.

2. Органические и полимерные дисплеи

Компания NanoBillboard (http://www.nanobillboard.com/) опубликовала список 10 лучших на сегодня продуктов, созданных с помощью нанотехнологий; критериями отбора были популярность на рынке, использование нанотехнологий и применение продукта в повседневной жизни. Первым номером в этом списке оказались органические светоизлучающие диодные (Organic Light Emitting Diode, OLED) дисплеи, созданные из нескольких слоев нанопленок. Отметим, что оборот от продаж OLED-устройств во всем мире за прошлый год, согласно оценкам аналитической компании iSuppli (http://www.isuppli.com/), увеличился примерно на 74% по сравнению с 2003 г. и должен составить свыше 430 млн долл.

Вообще говоря, светодиоды - вещь совершенно не новая. В технике они получили широкое распространение еще в середине прошлого века, а идея создания первых устройств отображения на базе подобных диодов возникла в начале 1980-х годов, но не была реализована из-за отсутствия необходимых материалов. Ситуация изменилась с появлением органических материалов особой группы - так называемых проводящих электролюминесцентных полимеров. Основой для этих материалов служат высокомолекулярные соединения с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные связи. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы за счет участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после добавления которых и появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи.

Таким образом, в основе технологии лежат свойства так называемых сопряженных полимеров. В их молекулах атомы углерода образуют между собой двойные (или тройные) связи, на образование которых каждый атом отдает два электрона вместо обычного одного. В результате перекрытия p-орбиталей появляются "свободные" электроны; как следствие, становится возможным протекание электрического тока вдоль молекулярных цепей. Возникают энергетические зоны валентности и проводимости, разделенные запретной зоной. Так полимеры приобретают свойства полупроводников. Эти материалы обладают всеми теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, т. е. способны образовывать p-n-переход и - что особенно важно - при определенных условиях излучать свет. Это позволило создать комбинированные по принципу действия устройства - излучающие диоды.

В исследованиях OLED выделилось два основных направления, одно из которых заложили ученые из Eastman-Kodak, еще в 1987 г. опубликовавшие статью Organic electroluminiscent diodes, где был описан новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов, обладающих электролюминесцентными свойствами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее. Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается одним из основных вариантов для создания OLED-устройств. При этом технологический процесс использует циклы вакуумного испарения (осаждения). Еще в феврале 1999 г. корпорации Sanyo Electric и Eastman-Kodak образовали альянс для разработки и продвижения на рынке OLED-дисплеев. Уже через несколько месяцев они смогли показать работающий прототип полноцветного активноматричного дисплея.

Основы другого направления - технологии Polymer LED были заложены в 1989 г., когда профессор Ричард Френд (Richard Friend) вместе с группой химиков лаборатории Кембриджского университета открыл светоизлучающие полимеры LEP (Light Emitting Polymer). Вскоре выяснилось, что открытые вещества обладают рядом свойств, которые позволяют разработать на их основе семейство дисплеев нового поколения. Для изучения LEP и создания новых дисплеев была образована компания CDT (Cambridge Display Technologies, http://www.cdtltd.co.uk/). Вскоре она нашла инвесторов, и началась разработка первого дисплея, сделанного на основе LEP-, или PLED-технологии

Специалисты из CDT сумели решить ряд проблем, применив, например, специальные методики производства упорядоченных полимеров, а также новые материалы. Чтобы добиться излучения света, был спроектирован аналог неорганического диода. Он состоял из двух слоев - полифениленвинилена (polyphenylene-vinylene, PPV) и циано-PPV (CN-PPV), размещенных между полупрозрачным электродом (оксиды индия и олова), нанесенным на подложку стекла, с одной стороны, и металлического контакта - с другой. Эти материалы - PPV и циано-PPV - выступают не только как полупроводники, но и как самоизолирующие полимеры. Как показали исследования, CN-PPV хорошо подходит для транспортировки электронов благодаря более низкому положению дна зоны проводимости. Электрические характеристики материалов подобраны так, чтобы электроны из CN-PPV и дырки из PPV собирались вдоль границы контакта слоев, где и происходит рекомбинация электронов и дырок с генерацией фотонов.

На сегодняшний день OLED/PLED-технологиями занимаются несколько десятков компаний и университетов. Новые материалы представляют собой куда более сложные комбинации веществ по сравнению с тем, что было на заре этих технологий. Появились новые химические формулы базовых слоев, обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра - красную, синюю, зеленую. Ведь, как и в традиционных ЭЛТ-дисплеях, OLED-экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов - красного, синего и зеленого. В зависимости от того, какой цвет требуется получить, регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы, и в результате смешения трех образующихся оттенков получается искомый цвет.

Итак, структура OLED-ячейки многослойна. Сверху OLED-панели располагается металлический катод, снизу - прозрачный анод. Между ними расположено несколько органических слоев, собственно и составляющих светодиод. Один слой служит источником дырок, второй - полупроводниковым каналом, третий слой транспортирует электроны и, наконец, в четвертом слое происходит замещение дырок электронами, которое в светоизлучающих полимерах сопровождается световым излучением.

индикатор жидкокристаллический дисплей полупроводник

Как и ЖК-экраны, OLED-дисплеи бывают активными и пассивными. Последний тип устроен как простейший двухмерный массив пикселов в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое такое пересечение представляет собой OLED-диод. Чтобы заставить его излучать свет, управляющие сигналы подаются на соответствующую строку и колонку. Чем больше поданное напряжение, тем выше будет светимость пиксела. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок подобная схема, как правило, не позволяет создавать большие экраны, состоящие более чем из миллиона пикселов.

Что касается активной матрицы, это все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент, или OLED-диод, но и управляющий им тонкопленочный транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, а он, в свою очередь, "запоминает", какой уровень светимости требуется от ячейки и, пока не будет дана другая команда, исправно поддерживает этот уровень тока. И напряжение в этом случае требуется куда более низкое, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации. Обычно здесь используются тонкопленочные полевые транзисторы - TFT (Thin Film Transistor) на базе поликристаллического кремния.

Благодаря партнерству CDT с корпорацией Seiko Epson произошло, пожалуй, важнейшее событие в истории развития пластиковых дисплеев. Японцы предложили использовать модифицированную струйную технологию для "печати" пикселов экрана прямо на управляющих схемах из TFT-транзисторов. Дело в том, что использование пассивноматричных управляющих схем в сочетании с относительно невысокой скоростью работы полимерных "диодов" приводит к неудовлетворительной инерционности экранов. А достоинства активноматричной технологии не удавалось реализовать из-за неприменимости фотолитографии к тончайшим полимерным пленкам.

На промышленной выставке FPD International 2004, проходившей в Йокогаме (Япония), корпорация LG.Philips LCD совместно с LG Electronics впервые продемонстрировала самую большую в мире активноматричную дисплейную панель на базе органических светодиодов. Устройство с размером диагонали 20,1 дюйма, по заявлению представителей этих компаний, было создано с использованием технологии низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature Poly Silicon). При этом LG.Philips LCD разработала TFT-модули, применяемые в продукте, а LG Electronics предоставила процесс вакуумного испарения для органических субстанций. Вообще говоря, южнокорейские и японские производители дисплейных панелей уделяют большое внимание совершенствованию и маркетингу OLED-технологий, которые, в частности, превосходят плазменные и ЖК-дисплеи по качеству изображения.

В начале этого года корпорация Samsung Electronics (http://www.samsungelectronics.com/) сообщила, что ею создан прототип крупнейшего в мире монитора по технологии OLED. Представленный Samsung 21-дюйм экран имеет разрешение WUXGA (Wide Ultra Extended Graphics Array) с яркостью 600 нит (кандел на кв. метр) и контрастность 5000:1, что делает его применимым для воспроизведения видео высокой четкости. В производственном процессе используется технология аморфного кремния (a-Si), который применяется в некоторых производствах ЖК-панелей, так что новые панели можно в принципе выпускать на существующих производственных линиях. Как утверждают в корпорации, вопрос коммерческого производства сейчас находится в стадии рассмотрения.

Успехи южнокорейской корпорации просто поражают, если учесть, что всерьез OLED-технологией она начала заниматься лишь в 2000 г., запустив так называемый i-Project, в приложении к мобильным телефонам с экранами размером в 1,5-2 дюйма. Впоследствии Samsung Electronics стала сотрудничать с Vitex Systems (http://www.vitexsys.com/), известной в то время своей фирменной технологией Vacuum Polymer Technology (VPT). Корпорация начала реализовывать программу Barrier Engineering Program, целью которой была разработка методов защиты субстрата (подложки) от окисления кислородом, воздействия воды и прочих подобных факторов. Обычно в качестве оптимального материала используется стекло, которое хорошо многим, кроме, например, гибкости. Vitex же предлагала наносить непосредственно на OLED-матрицу слой из полимеров и керамической пленки, защищающий их не хуже стекла, но в то же время абсолютно гибкий. Сначала неравномерный рельеф OLED-экрана заливается тонким слоем жидкости-"мономера", поверхность которого, естественно, будет абсолютно ровной. Потом этот "мономер" полимеризуется, переходя в твердое состояние, а сверху на него наносится необходимое число защитных слоев полимеров и керамики. За счет того, что подложка доведена до абсолютно ровного состояния, защита получается весьма надежной, и все это при общей ее толщине не более 3 мкм, т. е. куда тоньше и легче, чем стекло. В настоящее время Vitex Systems разработала еще более совершенную технологию Barix.

Хотя в прошлом году японская корпорация Seiko Epson показывала прототип 40-дюйм OLED-экрана, в Samsung Electronics говорят, что их 21-дюйм образец превосходит представленный японцами, поскольку та панель по сути собиралась из четырех смежных 20-дюйм экранов. Более того, корпорация уже весной продемонстрировала собственную 40-дюйм OLED-панель на международной выставке-конференции Society of Information Display 2005 в Бостоне.

Кстати, в конце прошлого года Seiko Epson и Universal Display Corp. (UDC, http://www.universaldisplay.com/) подписали соглашение о совместной разработке новой технологии - PHOLED (Phosphorescent OLED). По мнению разработчиков, дисплеи на ее основе могут быть в четыре раза эффективнее тех, что созданы на базе существующей OLED-технологии, и, кроме того, будут потреблять меньше энергии, рассеивать меньше тепла и станут более долговечными. UDC использует результаты американской научной школы, взяв за основу результаты исследований ученых из Принстона (Princeton) и Университета Южной Калифорнии (University of Southern California). Среди предложенных корпорацией разновидностей дисплеев есть оригинальный вариант с прозрачным экраном - TOLED (Transparent OLED), с увеличенным коэффициентом контрастности. Такие устройства могут найти применение в салонах автомобилей (монитор на ветровом стекле), шлемах и очках-мониторах. Еще одна конструкция предусматривает расположение субпикселов TOLED "бутербродом" - SOLED (Stacked OLED), что позволит создавать полноцветные мониторы высокого разрешения. И наконец, возможны "гибкие" экраны FOLED (Flexible OLED), а точнее говоря, экраны, выполненные на гибкой подложке, спектр применения которых может быть самым широким.

Преимущества и недостатки

Таким образом, есть все основания полагать, что под боком у ЖК-технологии развивается очень серьезный конкурент. Действительно, технологию OLED эксперты часто рассматривают как потенциальную замену не только ЖК-мониторов, но и плазменных панелей. Дело в том, что OLED-дисплеи имеют целый ряд существенных преимуществ. Они потребляют меньше энергии, не требуют дополнительной подсветки и при этом обеспечивают повышенную яркость, высокую контрастность и частоту регенерации изображения, видимого к тому же под большими углами обзора. Кроме того, OLED-устройства, согласно утверждениям сторонников этой технологии, имеют меньшее время отклика и поэтому лучше приспособлены для быстро меняющегося изображения.

Немаловажным фактором роста популярности OLED-дисплеев может стать также себестоимость массового производства, которая базируется на применении тонкопленочных технологий и стандартных литографических процессов. Такая комбинация может обеспечить низкие затраты и высокую надежность всего производственного процесса. Некоторые эксперты полагают, что при условии массового производства стоимость OLED-экранов будет ощутимо ниже, чем у ЖК-панелей. Немаловажен и тот факт, что такие мониторы работают при напряжении питания всего несколько вольт и имеют очень малую массу и толщину. Все это должно сделать технологию привлекательной для производителей электроники и плоскопанельных экранов. Однако до недавнего времени утверждалось, что уровень развития самой технологии не достиг пока точки возможности массового коммерческого производства. Исключения составляют уже устанавливаемые малые экраны в некоторых моделях сотовых телефонов, цифровых камер и наладонных компьютеров.

Из недостатков новой технологии стоит особо отметить относительно низкое "время жизни" (lifetime) излучающих полимеров. Самые большие проблемы возникли с материалами, излучающими синий свет. Сначала их время работы вообще не превышало 1000 ч, что было явно неприемлемо для практических применений. Но достигнутые на сегодняшний день успехи не могут не впечатлять. Хотя в синем спектре перспективные OLED-материалы по-прежнему остаются наименее долговечными, их срок жизни составляет уже около 10 тыс. ч. А осенью прошлого года CDT удалось получить OLED-материал с синим свечением, время жизни которого составило 40 тыс. ч.

Надо сказать, что в отличие от FED, дисплеи на OLED уже сегодня получили большое распространение. В основном это небольшие экранчики с непосредственной адресацией (пассивная матрица) для карманных электронных устройств, таких как сотовые телефоны, МР3-плееры, цифровые фотокамеры и т.п. Первым из этой категории коммерческим OLED прибором был монохромный дисплей для автомобильного приемника, выпускавшийся фирмой Pioneer с 1997 года. Однако ведущие мировые компании работают также над дисплеями телевизионного формата и в 2000 году Sony продемонстрировала первый в мире 13-дюймовый OLED-дисплей на активной матрице (AMOLED) с разрешением SVGA, в этом же году Samsung показал свой 15-дюймовый XGA AMOLED дисплей. Достижением 2005 года в создании плоских дисплеев по данной технологии является 40-дюймовый прибор той же фирмы Samsung, имеющий разрешение 1280х800 точек, контрастное отношение 5000:1, яркость 600 кд/квм, а также замечательные углы обзора и малую толщину.

Размещено на Allbest.ru