Witaj na Riverdi University. Podczas tego wykładu porozmawiamy o wyświetlaczach OLED. Wyświetlacze OLED trochę różnią się od wyświetlaczy TFT, które zazwyczaj sprzedajemy, a firma Riverdi nie ma w ofercie standardowych wyświetlaczy OLED. Sprzedajemy je wyłącznie jako moduły na zamówienie, przeznaczone do konkretnych projektów. Jeśli więc potrzebujesz wyświetlacza OLED do swojej aplikacji, skontaktuj się z nami – na pewno znajdziemy dla Ciebie rozwiązanie i wykonamy odpowiedni wyświetlacz. W każdym razie, ponieważ dzielimy się wiedzą na temat wyświetlaczy, mamy dziś wykład uniwersytecki poświęcony technologiom OLED, bo ważne jest, żeby zrozumieć, jak one działają i jak z nich korzystać, a także po prostu docenić tę fantastyczną technologię, która już istnieje. Na pewno w przyszłości będziemy mieli też standardowe wyświetlacze oparte na technologii OLED.
Wprowadzenie do ekranów OLED
Na powyższym zdjęciu widać krótki plan wykładu. Porozmawiamy o podstawowych zasadach, o tym, jak zbudowane są wyświetlacze OLED i czym różnią się od modułów wyświetlaczy TFT. Potem trochę o fizyce i zasadach stosowania – czyli o tym, jak korzystać z wyświetlaczy OLED. Porozmawiamy też o pasywnych wyświetlaczach OLED, porównamy technologię OLED z STN, czyli wyświetlaczem monochromatycznym LCD, oraz z VFD, czyli wyświetlaczem próżniowym. Wyświetlacze próżniowe to stara technologia, ale na rynku wciąż można znaleźć wyświetlacze, które ją wykorzystują. Omówimy aktywne wyświetlacze OLED, czyli AMOLED i Super AMOLED, a na koniec porozmawiamy o interfejsach do wyświetlaczy OLED.
i po prostu docenij tę fantastyczną technologię, która już istnieje, a na pewno w przyszłości będziemy mieli też standardowe wyświetlacze oparte na technologii OLED.
Czym jest wyświetlacz OLED?
OLED to skrót od Organic Light Emitting Diode (organiczna dioda elektroluminescencyjna). Działa podobnie jak LED, ale opiera się na materiałach organicznych. Światło, które emituje, jest praktycznie takie samo jak w przypadku diod LED, różnią się tylko użyte materiały. Nie są to warstwy na bazie krzemu, tylko warstwy organiczne. Jak widać, struktura i budowa są dość proste, a zasady fizyczne działają tak samo jak w każdej diodzie LED czy diodzie laserowej. Dochodzi do rekombinacji elektronów, więc pod wpływem prądu przechodzą one na wyższe poziomy energetyczne, a potem z powrotem na niższe, emitując przy tym światło. Dzięki różnym materiałom możemy generować różne kolory, co odróżnia tę technologię od TFT.
Jak pewnie pamiętasz z naszych zajęć o TFT, mówiliśmy, że TFT – a ogólnie rzecz biorąc, każdy wyświetlacz LCD – po prostu blokuje światło z podświetlenia. Zazwyczaj podświetlenie w TFT jest białe. Albo blokujemy światło, albo je przepuszczamy, a żeby uzyskać kolor w wyświetlaczach TFT, musimy użyć filtrów koloru. Zazwyczaj na górze ekranu TFT są trzy filtry koloru: RGB. W przypadku ekranów OLED jest inaczej. Mamy tu materiał, który sam emituje kolor. Dzięki różnym materiałom możemy więc uzyskać różne kolory. Jeśli mamy pełnokolorowy wyświetlacz OLED – zazwyczaj będzie to wyświetlacz AMOLED, który obecnie można zobaczyć w telefonach komórkowych, tabletach, a nawet laptopach czy telewizorach – to wykorzystuje on komórki RGB lub RGBW, a kolory są następnie mieszane. Pamiętaj, że wyświetlacz OLED sam emituje światło i nie ma tu żadnego podświetlenia.
Porównanie wyświetlaczy TFT i OLED
Na powyższym zdjęciu widać proste porównanie wyświetlaczy TFT i OLED. Pierwszą rzeczą, która zawsze rzuca się w oczy, jest to, że wyświetlacz OLED jest o wiele prostszy. Ma mniej warstw niż TFT. Jak pewnie pamiętasz z wykładu o TFT, jego budowa jest dość skomplikowana. Na początku potrzebujemy podświetlenie, potem kilka dyfuzorów, światłowodów do przygotowania światła, mamy polaryzatory, sam TFT – który na zdjęciu jest uproszczony – a na końcu filtry koloru i górny polaryzator. W przypadku OLED konstrukcja jest bardzo prosta. Potrzebujemy podstawy jako szkieletu każdego wyświetlacza, potem mamy warstwę emisyjną oraz kilka warstw przewodzących na górze i na dole.
OLED z matrycą pasywną – PMOLED i OLED z matrycą aktywną – AMOLED
Wyświetlacz pasywny – PMOLED jest bardzo prosty w porównaniu z wyświetlaczem monochromatycznym LCD. Wyświetlacz z matrycą aktywną – AMOLED – bardziej przypomina TFT, a w jego komórkach dodatkowo znajdują się tranzystory. Jednak w uproszczonej wersji nie ma tranzystorów, są tylko proste warstwy, nie ma też filtrów koloru ani podświetlenia. Nie mamy więc ani tylnej, ani przedniej warstwy, tylko środkową, która sama emituje światło, a to daje nam naprawdę dużą zaletę. Oczywiście jest to prostsze i może być tańsze w produkcji masowej wyświetlaczy OLED, ale brak podświetlenia oznacza, że gdy nie emitujemy żadnego światła, uzyskujemy prawdziwą czernię – to ogromna zaleta wyświetlaczy OLED, które charakteryzują się bardzo wysokim kontrastem. Wyświetlacze OLED są idealne do uzyskania wysokiego kontrastu. Jeśli nie ma światła odbitego albo jeśli je zredukujemy, nie ma światła pochodzącego z podświetlenia, bo po prostu nie ma podświetlenia. Jeśli kiedykolwiek widziałeś wyświetlacz OLED, zwłaszcza w sklepie z telewizorami, gdzie można obejrzeć telewizory OLED marek takich jak LG, Samsung czy inne, to pewnie zauważyłeś, że kontrast jest tam bardzo wysoki, a czerń to prawdziwa czerń. To nawet wygląda trochę nienaturalnie. Firmy te używają specjalnych filmików demonstracyjnych, na których widać na przykład kosmos lub coś podobnego, a na środku ekranu znajduje się słońce. Widać, że tło jest czarne i to prawdziwa czerń. Różni się to od wyświetlaczy TFT. Jeśli postawisz wyświetlacz TFT obok wyświetlacza OLED, od razu zauważysz różnicę. Kontrast w OLED jest znacznie wyższy, bo nie ma podświetlenia i nie ma problemu z światłem, które zawsze – choć w niewielkiej ilości – przechodzi przez TFT; to właśnie główna różnica.
Jakie są zalety wyświetlaczy OLED?
Na powyższym zdjęciu widać główne zalety wyświetlaczy OLED. Mamy tu doskonały kontrast – naprawdę bardzo wysoki. Jak widać, tło jest naprawdę czarne i tak właśnie wygląda w rzeczywistości, a nie tylko na zdjęciu. Brak podświetlenia, wysoka jasność – w technologii OLED możemy osiągnąć całkiem wysoką jasność pikseli. Mamy też fantastyczne odwzorowanie kolorów, bo nie używamy filtrów koloru, dzięki czemu możemy generować bardzo nasycone kolory w szerokiej gamie barw. Zazwyczaj wyświetlacze OLED mają najszerszą gamę barw na rynku i naprawdę przewyższają typowe wyświetlacze TFT.
Można to osiągnąć również w przypadku wyświetlaczy TFT, dzięki specjalnym filtrom koloru lub filtrom z kropkami kwantowymi, ale ogólnie rzecz biorąc, technologia OLED przewyższa je w tym zakresie bez żadnego dodatkowego wysiłku. Prawdziwa czerń wiąże się z kontrastem. Super kąty widzenia to kolejna zaleta w porównaniu z TFT. Jeśli mamy typowy wyświetlacz TFT, czyli panel TN, o którym mówiliśmy na poprzednich wykładach, to pod pewnym kątem widzenia dochodzi do odwrócenia skali szarości. Są też wyświetlacze typu IPS czy MVA, na których obraz widać pod każdym kątem, ale kąt widzenia to i tak tylko 85, 87, a w najlepszym razie 89 stopni. W wyświetlaczach OLED kąt widzenia wynosi 89 stopni bez żadnego wysiłku, bo działają one jak diody LED. Emitują światło i obraz wygląda dokładnie tak samo pod każdym kątem. Wyświetlacze OLED mogą być bardzo cienkie, bo mają tylko kilka warstw, nie mają podświetlenia ani przednich warstw, więc są naprawdę cienkie i lekkie. Możemy produkować wyświetlacze OLED na elastycznych powierzchniach, które można zginać lub wyginać, na przykład w składanych telefonach Samsunga czy niektórych zakrzywionych telewizorach LG. Wyświetlacze OLED mają niskie zużycie energii. Jeśli mamy wyświetlacz LCD lub TFT, potrzebujemy podświetlenia. Podświetlenie zużywa sporo energii, bo światło jest pochłaniane przez wszystkie warstwy, z których składa się TFT: polaryzatory, filtry koloru, dyfuzor; wszędzie tracimy trochę energii z podświetlenia, więc potrzebujemy sporo mocy, żeby TFT był naprawdę jasny. W przypadku OLED światło pochodzi bezpośrednio z samych pikseli, więc zużycie energii może być niskie – niższe niż w typowym wyświetlaczu LCD. Mamy też bardzo szeroki zakres temperatur pracy. Z ekranem OLED możemy zejść nawet do -40 stopni. Nie ma tu problemów mechanicznych, jak w przypadku LCD, gdzie w komórce znajduje się ciekły kryształ, który w niskiej temperaturze może stać się prawie stały i przestać się poruszać. Zazwyczaj w przypadku TFT mamy –20, –30 stopni, w niektórych wyjątkowych przypadkach –40, ale dla OLED praca nawet w temperaturze –40 stopni nie stanowi żadnego problemu. Z drugiej strony, przy wysokich temperaturach trzeba uważać, bo skracają one żywotność wyświetlaczy OLED, więc jeśli potrzebujesz wyświetlacza OLED do pracy w wysokich temperaturach, sprawdź specyfikację lub skontaktuj się z producentem. Jeśli chodzi o krótkie okresy, to nie ma problemu, ale jeśli twój wyświetlacz OLED ma pracować stale w wysokiej temperaturze, np. 50, 60 czy 80 stopni, to warto sprawdzić, jak wpłynie to na jego żywotność.
Jakie są wady wyświetlaczy OLED?
Przyjrzyjmy się teraz kilku wadom. W przemyśle technologia OLED nie jest zbyt powszechnie stosowana, poza produktami konsumenckimi. W telefonach komórkowych, tabletach i laptopach mamy już mnóstwo przykładów jej zastosowania. W zastosowaniach przemysłowych to wciąż rozwijający się rynek, ale jeszcze niezbyt dojrzały. Niektóre problemy wiążą się z patentami, dlatego wciąż czekamy na masowe wdrożenie wyświetlaczy OLED. Zużycie energii może być nieco większe, zwłaszcza gdy tło jest całkowicie białe – wtedy trzeba zasilić wszystkie piksele, a zużycie energii bywa czasem wyższe niż w przypadku wyświetlaczy TFT. W sumie jest więc tylko kilka wad, a w naszym przypadku są one naprawdę niewielkie.
Żywotność wyświetlaczy OLED
Na powyższym zdjęciu widać wykres od naszego partnera, firmy Winstar z Tajwanu. Jak widać, sprawdzili, jak długo może działać wyświetlacz OLED. Dawniej, jakieś 10 lat temu, były problemy z wyświetlaczami OLED. Pierwsze wyświetlacze OLED na rynku miały bardzo krótką żywotność. Wynosiła ona około 10 tys. godzin, a problem polegał na tym, że ich jasność spadała nawet wtedy, gdy nie były używane, tylko leżały na półce. Pierwsze wyświetlacze OLED miały sporo problemów, ale później proces produkcji został ulepszony, zwłaszcza przez firmę Winstar, która włożyła mnóstwo pracy, żeby naprawdę wydłużyć żywotność wyświetlaczy OLED.
Mamy tu kilka obliczeń i raport, w którym firma Winstar zastosowała wyższą temperaturę, żeby przyspieszyć proces, a wynik obliczeń to około 100 000 godzin, czyli 100k godzin, co jest naprawdę długim okresem. W przypadku przemysłowych wyświetlaczy TFT żywotność wynosi zazwyczaj 50 000 godzin. Żywotność liczy się do momentu, gdy jasność wyświetlacza spadnie do połowy wartości początkowej. Kiedy mówisz, że wyświetlacz ma 50 000 godzin żywotności, nie oznacza to, że przestanie działać po 50 000 godzinach, tylko że średnia jasność spadnie do 50%. W przypadku wyświetlaczy OLED nastąpi to po 100 000 godzin, co to naprawdę długi czas – to jakby 15 lat ciągłej pracy przez całą dobę. Jeśli od czasu do czasu wyłączamy nasz wyświetlacz OLED – co jest normalną praktyką w większości zastosowań przemysłowych – możemy spodziewać się, że wyświetlacz będzie działał nawet dłużej niż 15 lat. Tak więc obecnie, przy dobrym producencie takim jak Winstar, żywotność nie stanowi już problemu.
Właściwe zastosowania wyświetlaczy OLED
Porozmawiajmy teraz o właściwych zastosowaniach wyświetlaczy OLED. W przypadku technologii TFT mamy do czynienia z podświetleniem. Jeśli jasność podświetlenia spada, jasność całego wyświetlacza też spada. W przypadku OLED każdy piksel jest jakby podświetleniem – sam emituje światło. Jeśli mamy obok siebie wiele pikseli i z nich korzystamy, ich jasność zmniejsza się w zależności od czasu użytkowania. Jeśli więc jakiś piksel jest włączony dłużej niż piksel obok, po pewnym czasie ten pierwszy będzie miał nieco mniejszą jasność. Na zdjęciu powyżej widać dwa piksele, które zostały przesunięte w bok. Nie widać między nimi dużej różnicy, bo są przesunięte w bok. Ludzkie oko nie rozróżnia zbyt dobrze jasności. Nie potrafimy określić, jaka jest jasność pojedynczego elementu, ale świetnie radzimy sobie z porównywaniem – a kiedy przesuniemy piksele obok siebie, wyraźnie widać różnicę między nimi. Tak właśnie jest w przypadku wyświetlaczy OLED – jeśli mamy dwa piksele obok siebie, mogą pojawić się pewne problemy, ponieważ po pewnym czasie niektóre z nich będą miały nieco mniejszą jasność i zauważymy tę różnicę.
Wartość ta jest obliczana, a próg kontrastu, przy którym możemy dostrzec różnicę między dwoma sąsiadującymi pikselami, nazywa się współczynnikiem Webera.
Na powyższym zdjęciu mamy prawdziwy przykład. Jeśli mamy wyświetlacz OLED i zazwyczaj widzimy tam zegarek pokazujący czas, poruszające się strzałki oraz kółko – i przez większość czasu obraz wygląda właśnie tak – to po kilku miesiącach lub latach użytkowania może dojść do sytuacji, w której jasność kółka nieco spadnie. Oczywiście ten obrazek został specjalnie przygotowany, żeby to wyraźnie pokazać – strzałki mają nieco większą jasność, ale wciąż trochę mniejszą niż zwykle, a tło, które nie było tak często używane, jest ciemniejsze. To coś, co możesz zauważyć na wyświetlaczach OLED po pewnym czasie. Rozwiązaniem w tej sytuacji może być zmiana kolorów. Możemy przełączyć tło tak, jakby było odwrócone – przez godzinę mamy zegarek taki jak na zdjęciu, a przez kolejną godzinę włączamy tło, a potem wyłączamy sam zegarek, starając się w ten sposób utrzymać piksele w stanie włączonym przez ten sam czas. W większości przypadków nie ma to większego znaczenia, nie musisz się tym martwić, ale jeśli np. w jakimś miejscu wyświetlacza masz informacje wyświetlane przez 24 godziny, możesz od czasu do czasu je przesuwać i wykorzystywać cały wyświetlacz przez cały czas użytkowania. Innym sposobem jest zaimplementowanie sterownika wykorzystującego skalę szarości. To jest bardziej skomplikowane; musimy obliczyć czas, przez jaki piksele były włączone, i zwiększyć jasność w tym obszarze, aby jasność wyświetlacza pozostawała cały czas taka sama.
PMOLED – wyświetlacz OLED z matrycą pasywną
Na powyższym zdjęciu mamy prawdziwy przykład. Jeśli masz wyświetlacz OLED i zazwyczaj widać na nim zegarek pokazujący czas, poruszające się strzałki oraz kółko – a przez większość czasu obraz wygląda właśnie tak – to po kilku miesiącach lub latach użytkowania może się zdarzyć, że jasność tego kółka nieco spadnie. Oczywiście ten obrazek został specjalnie przygotowany, żeby to wyraźnie pokazać – strzałki mają nieco większą jasność, ale wciąż trochę mniejszą niż zwykle, a tło, które nie było tak często używane, jest ciemniejsze.
To coś, co za jakiś czas może pojawić się na wyświetlaczach OLED. Chodzi tu o zmianę kolorów. Możemy ustawić tło tak, żeby wyglądało jak na negatywie – przez jedną godzinę mamy zegarek taki jak na zdjęciu, a przez kolejną godzinę włączamy tło, a potem wyłączamy sam zegarek, starając się, żeby piksele pozostawały w stanie włączonym przez ten sam czas. W większości przypadków nie jest to zbyt ważne, nie musisz się tym martwić, ale jeśli np. w jakimś miejscu wyświetlacza masz informacje o 24-godzinnym czasie, możesz od czasu do czasu je przesuwać, żeby przez cały czas użytkowania wykorzystywać cały wyświetlacz. Innym sposobem jest zaimplementowanie kontrolera wykorzystującego skalę szarości. To jest bardziej skomplikowane; musimy obliczyć czas, przez jaki piksele były włączone, i zwiększyć jasność w tym obszarze, aby jasność wyświetlacza pozostawała cały czas taka sama.
Porównanie wyświetlaczy OLED, STN i VFD
Zobaczmy teraz porównanie między typowym pasywnym wyświetlaczem OLED, wyświetlaczem monochromatycznym LCD typu STN oraz wyświetlaczem VFD (Vacuum Fluorescent Display), który jest starszą technologią. Jak widać na powyższym zdjęciu, budowa wyświetlacza OLED jest bardzo prosta – to tylko jedna warstwa, sama podkładka szklana i tyle. W przypadku wyświetlaczy STN mamy do czynienia z wieloma warstwami – potrzebne jest podświetlenie, polaryzatory i jeszcze więcej warstw, więc konstrukcja jest o wiele bardziej skomplikowana. Wyświetlacz OLED jest bardzo prosty, może być bardzo cienki, a poniżej masz zdjęcie pokazujące, jak wygląda.
OLED kontra STN kontra VFD
Widzimy wyświetlacze OLED, STN i VFD oraz oglądamy je pod różnymi kątami widzenia. Wyświetlacz OLED wygrywa – ma najlepszy kontrast i najlepsze kąty widzenia, więc z optycznego punktu widzenia jest idealny. Jak widać, na wyświetlaczu STN pod niektórymi kątami nie widać nawet obrazu. Podobnie będzie w przypadku wyświetlaczy TFT. Dlatego, żeby oglądać obraz pod każdym kątem widzenia, trzeba korzystać z technologii takich jak IPS. W przypadku OLED mamy to po prostu od razu, bez żadnego wysiłku.
AMOLED – wyświetlacz OLED z matrycą aktywną
Kolejnym typem wyświetlaczy OLED po PMOLED jest AMOLED. Skrót AMOLED oznacza matrycę aktywną OLED. Podobnie jak w przypadku przejścia od monochromatycznych wyświetlaczy STN do wyświetlaczy TFT, a następnie do aktywnych Wyświetlaczy LCD, dodajemy tranzystory do każdego piksela. Tak więc warstwa podłoża, czyli szkielet wyświetlacza AMOLED, jest praktycznie taka sama jak w przypadku TFT. Mamy tranzystory, które włączają i wyłączają piksele, ale nie ma tu ciekłych kryształów. Zamiast nich na wierzchu umieszczamy organiczne warstwy emitujące światło i włączamy oraz wyłączamy diody znajdujące się nad nimi. Technologia jest więc podobna do TFT i właśnie dlatego inwestowanie w oprzyrządowanie i produkcję nowego wyświetlacza jest tak drogie – koszty są porównywalne z technologią TFT.
Na zdjęciu powyżej widać kilka pierwszych urządzeń, które pojawiły się na rynku ponad 10 czy 15 lat temu, wyposażonych w wyświetlacze AMOLED, a także przykład nowoczesnego, elastycznego wyświetlacza OLED. To właśnie przyszłość i mamy nadzieję, że w przyszłości zobaczymy wyświetlacze, które da się całkowicie złożyć lub zwinąć.
Czym jest wyświetlacz AMOLED?
No i mamy jeszcze Super AMOLED. Pierwsze wyświetlacze Super AMOLED nazywały się…
Tak właśnie jest dzięki technologii In-Cell Touch. Zwykle mamy warstwy OLED, które emitują światło, ale nie mają funkcji dotykowej – trzeba ją dodać. W przypadku TFT robi się to za pomocą dodatkowej warstwy, ale w technologii AMOLED możemy umieścić ekran dotykowy bezpośrednio w komórkach. Dodajemy dodatkowe złącza, montujemy elektrody czujnikowe i w ten sposób uzyskujemy czujnik dotykowy w samym wyświetlaczu. To rozwiązanie jest bardziej opłacalne. Jeśli wiemy, że nasz wyświetlacz OLED będzie zawsze używany z ekranem dotykowym – tak jak w przypadku telefonów komórkowych czy tabletów – to dodanie tej funkcji obniża koszty; wystarczy tylko nałożyć na wierzch szkło ochronne i przeprowadzić proces laminowania.
Interfejsy w wyświetlaczach OLED
Wiemy już sporo o wyświetlaczach PMOLED, AMOLED i Super AMOLED. Porozmawiajmy o interfejsach. Mamy osobny wykład o interfejsach wyświetlaczy, który znajdziesz tutaj, a teraz skupimy się tylko na wyświetlaczach OLED. W przypadku wyświetlaczy OLED z matrycą pasywną zazwyczaj mamy do czynienia z interfejsami I2C, SPI lub starymi interfejsami równoległymi – są one powolne, mają charakter ogólnego przeznaczenia i wymagają pamięci w samym wyświetlaczu. Wysyłamy po prostu proste informacje o włączaniu i wyłączaniu pikseli, a czasem o skali szarości. Jeśli przejdziemy do wyświetlaczy AMOLED, potrzebujemy raczej sygnału wideo z wyświetlacza, a także wszystkich kolorów itp., więc mamy mnóstwo informacji do przesłania, a interfejsy to na przykład MIPI, DSI lub RGB w niektórych zastosowaniach przemysłowych. Większość kolorowych wyświetlaczy AMOLED na rynku będzie miała MIPI, czyli standard dla telefonów komórkowych, tabletów, a nawet laptopów, i wtedy musimy wysyłać nową ramkę 50 lub 100 razy na sekundę – tak samo jak w przypadku interfejsu LVDS.
ODKRYJ NASZĄ
Whitepaper
Osiągnij idealną interakcję użytkownika z wyświetlaczem dzięki odpowiedniemu czujnikowi Touch Sensor IC. Czy kiedykolwiek zmagałeś się z problemami związanymi z fantomowymi dotknięciami lub certyfikacją? Rozwiń swoje prace B+R jak profesjonalista dzięki naszemu Whitepaperowi!
Przejdź do naszego katalogu produktów i zobacz, jak możesz oszczędzać dzięki jakości, nie na jakości.
