Smartphone Futurology: Știința din spatele următorului afișaj al telefonului tău

Bun venit la Smartphone Futurology. În această nouă serie de articole pline de știință, colaboratorul invitat la Mobile Nations, Shen Ye, trece prin tehnologiile actuale folosite în telefoanele noastre, precum și prin lucrurile de ultimă oră care sunt încă dezvoltate în laborator. Există destul de multă știință în față, deoarece multe dintre discuțiile viitoare se bazează pe lucrări științifice cu o cantitate mare de jargon tehnic, dar am încercat să menținem lucrurile mai clare și simple posibilități. Așadar, dacă puteți să vă scufundați mai adânc în cum funcționează curajul telefonului dvs., aceasta este seria pentru dvs.

Un nou an aduce certitudinea nuilor dispozitive cu care să te joci, așa că este timpul să privem în viitor la ceea ce am putea vedea pe smartphone-urile viitorului. Prima tranșă a seriei a analizat ce este nou în tehnologia bateriilor. A doua parte a seriei se uită la ceea ce este poate cea mai importantă componentă a oricărui dispozitiv - ecranul însuși. Pe un dispozitiv mobil modern, ecranul acționează ca dispozitiv principal de intrare și ieșire. Este cea mai vizibilă parte a telefonului și una dintre componentele sale cele mai consumatoare de energie. În ultimii câțiva ani, am văzut rezoluțiile (și dimensiunile) ecranului ajungând în stratosferă, până la punctul în care multe telefoane au acum ecrane 1080p sau mai mari. Dar viitorul ecranelor mobile este mai mult decât dimensiunea și densitatea pixelilor. Citiți mai departe pentru a afla mai multe.

Despre autor

Shen Ye este un dezvoltator Android și absolvent de master în chimie de la Universitatea din Bristol. Prinde-l pe Twitter @shen și Google+ +ShenYe.

Mai multe în această serie

Asigurați-vă că consultați prima parte a seriei noastre Smartphone Futurology, care acoperă viitorul tehnologiei bateriilor. Continuați să urmăriți mai multe în următoarele săptămâni.

Cu doar 5 ani în urmă, principalul telefon Android de vârf avea un 3.Ecran HVGA de 2 inchi, 320×480, cu o densitate de pixeli de 180 PPI. Steve Jobs a proclamat „numărul magic este de aproximativ 300 de pixeli pe inch” când iPhone 4, cu ecranul său Retina, a fost lansat în 2010. Acum avem 5.Ecrane QHD de 5 inchi cu 538 PPI, mult peste rezoluția ochiului uman atunci când este ținută la 20 cm distanță. Cu toate acestea, cu accesorii VR precum Google Cardboard și Samsung Gear VR care folosesc telefoanele noastre - ca să nu mai vorbim de drepturi de lăudare care vin cu ecranele mai clare - producătorii continuă să caute rezoluții mai mari pentru dispozitivele lor emblematice.

În prezent, cele mai populare trei tipuri de ecrane de pe piață sunt LCD, AMOLED și E-ink. Înainte de a vorbi despre aceste tehnologii viitoare pentru fiecare dintre ele, iată sau scurtă explicație a modului în care funcționează fiecare dintre ele.

LCD (afișaj cu cristale lichide)

Tehnologia de bază a LCD-urilor este veche de zeci de ani.

LCD-urile există de zeci de ani - același tip de tehnologie folosit în afișajele moderne de laptop și smartphone a alimentat ecranele calculatoarelor de buzunar încă din anii 1990. Cristalele lichide (LC) sunt exact așa cum spune numele lor, un compus care există în fază lichidă la temperatura camerei cu proprietăți cristaline. Nu sunt capabili să-și producă propria culoare, dar au capacitatea specială de a manipula lumina polarizată. După cum probabil știți, lumina călătorește într-un val, atunci când lumina părăsește sau sursă de lumină, undele sunt în orice grad de orientare. Un filtru de polarizare este capabil să filtreze toate undele care nu sunt aliniate cu el, producând lumină polarizată.

Cea mai comună fază a LC-urilor este cunoscută sub denumirea de fază nematică, în care moleculele sunt în esență cilindri lungi care se auto-aliniază într-o singură direcție, cum ar fi magneții de bară. Această structură face ca lumina polarizată care prin ea să fie rotită, proprietatea care să confere LCD-urilor capacitatea lor de a trece informații.

Când lumina este polarizată, va putea trece un filtru de polarizare numai dacă cele două sunt aliniate pe același plan. În urmă cu un secol, a fost descoperită Tranziția Fréedericksz, aceasta a oferit capacitatea de a aplica un câmp electric sau magnetic pe o probă LC și de a schimba orientarea acestora fără a afecta ordinea cristalină. Această schimbare de orientare este capabilă să modifice unghiul să LC-ul este capabil să rotească lumina polarizată și acesta a fost principiul care permite LCD-urilor să funcționeze.

În diagrama de mai sus, lumina din spate este polarizată și trece prin matricea de cristale lichide. Fiecare subpixel cu cristale lichide este controlat de propriul său tranzistor care reglează rotația luminii polarizate, care trece printr-un filtru de culoare și al doilea polarizat. Unghiul de polarizare al luminii care părăsește fiecare subpixel determină cât de mult din acesta poate trece prin al doilea polarizator, care, la rândul său, determină luminozitatea subpixelului. Trei subpixeli alcătuiesc un singur pixel pe un afișaj - roșu, albastru și verde. Datorită acestei complexități, o varietate de factori afectează calitatea ecranului, cum ar fi intensitatea culorilor, contrastul, ratele cadrelor și unghiurile de vizualizare.

AMOLED (diodă emițătoare de lumină organică cu matrice activă)

Samsung este unul dintre principalii inovatori în aducerea AMOLED pe mobil.

Samsung Mobile a fost unul dintre principalii inovatori în aducerea ecranelor AMOLED în industria mobilă, toate ecranele sale fiind realizate de compania soră Samsung Electronics. Ecranele AMOLED sunt lăudate pentru „negru-ul adevărat” și pentru intensitatea culorilor, deși pot suferi de arderea și suprasaturarea imaginii. Spre deosebire de LCD-urile, acestea nu folosesc lumină de fundal. Fiecare subpixel este un LED care produce propria lumină de o anumită culoare, care este dictată de stratul de material dintre electrozi, cunoscut sub numele de strat emisiv. Lipsa unei lumini de fundal este motivul pentru care se vedejele AMOLED au un negru atât de adânc și acest lucru aduce, de asemenea, beneficiul economisirii energiei atunci când se afișează imaginile mai întunecate.

Când un subpixel este activat, un curent specific intensității necesare este trecut prin stratul emisiv dintre electrozi, iar componentele stratului emisiv transformă energia electrică în lumină. Ca și în cazul LCD-ului, un singur pixel este (de obicei) format din trei subpixeli roșu, albastru și verde. (Excepția aici o găzduirejele PenTile, care utilizează o varietate de modele de matrice subpixeli neregulate.) Cu fiecare subpixel care poate produce propria lumină, energia ridicată poate cauza deteriorarea subpixelilor, ceea ce duce la o intensitate mai scăzută a luminii care poate fi observată ca ardere a ecranului. LED-urile albastre au cea mai mare energie, iar sensibilitatea noastră la albastru este mai mică, așa că trebuie să fie aprinse și mai luminoase, ceea ce accelerează această deteriorare.

E-ink (cerneală electroforetică)

E-ink s-a descurcat fenomenal în industria e-readerului, în special Kindle-ul Amazon. (Afișajul e-paper al lui Pebble este ușor diferit.) Firma rusă YotaPhone a realizat chiar și telefoane cu o afișaj cu cerneală electronică din spate.

Există două avantaje principale ale E-ink față de LCD și AMOLED. Primul este pur estetic, aspectul și lipsa strălucirii sunt atrăgătoare pentru cititori, deoarece este aproape de aspectul hârtiei imprimate. Al doilea este consumul de energie uimitor de scăzut - nu este nevoie de o lumină de fundal, iar starea în fiecare pixel nu are nevoie de energie pentru a se menține, spre deosebire de LCD și AMOLED. Ecranele cu cerneală electronică pot păstra o pagină pe ecran pentru perioade foarte lungi de timp, fără informațiile să devină ilizibile.

Contrar credinței populare, „E” nu înseamnă „electronic”, ci mecanismul său „electroforetic”. Electroforeza este un fenomen în care particulele încărcate se mișcă atunci când aplic un câmp electric. Particulale de pigment alb și negru sunt încărcate negative și, respectiv, pozitive. Asemenea magneților, sarcinile similare se resping și sarcinile opuse se atrag. Particulele sunt stocate în microcapsule, fiecare jumătate din lățimea unui păr uman, umplute cu un fluid uleios prin care particulele să se deplaseze. Electrodul din spate este capabil să inducă o sarcină pozitivă sau negativă pe capsulă, ceea ce determină culoarea vizibilă.

Viitorul

Având o înțelegere de bază a modului în care funcționează aceste trei afișaje, nu putem uita la acest lucru care urmează.

LCD în cascadă

Credit imagine: NVIDIA

LCD în cascadă este un termen elegant pentru a stivui sau pereche de ecrane LCD unul peste altul, cu o ușoară decalaj

NVIDIA a publicat o lucrare care detaliază experimentele sale de cvadruplare a rezoluțiilor ecranului cu afișare în cascadă, un termen fantezist pentru a stivui sau pereche de ecrane LCD unul peste altul cu o ușoară compensare. Cu ceva vrăjitorie software, bazată pe niște algoritmi matematici serioși, au reușit să transforme fiecare pixel în 4 segmente și, în esență, să dubleze rezoluția de patru ori. Ei văd acest lucru ca o modalitate potențială de a face afișaje 4K ieftine prin îmbinare a două panouri LCD de 1080p pentru a fi folosit în industria VR.

Grupul a imprimat 3D un ansamblu de căști VR pentru prototipul lor de afișaj în cascadă ca dovadă a conceptului. Cu producătorii de telefoane care se întrec pentru a produce dispozitive din ce în ce mai subțiri, este posibil să nu vedem niciodată să vadă în cascadă pe viitorul nostru smartphone, dar apoi promițătoare pot însemna că vom obține monitoare 4K în cascadă la un preț foarte rezonabil. Recomand cu căldură să consultați lucrarea NVIDIA, este o lectură interesantă cu mai multe imagini de comparație.

Puncte cuantice

Credit imagine: PlasmaChem GmbH

Majoritatea vizualizajelor LCD disponibile în comerț folosesc fie o lampă fluorescentă cu catod rece (CCFL) fie LED-uri pentru iluminarea de fundal. LED-urile LCD au început să devină alegerea preferată, deoarece au o gamă de culori și un contrast mai bune decât CCFL. Recent, afișajele LED-LCD cu puncte cuantice la început să apară pe piață ca înlocuitor pentru iluminarea de fundal cu LED, TCL și-anunțat recent televizorul 4K de 55" cu puncte cuantice. Potrivit unei lucrări de la QD Vision1, gama de culori ale unui afișaj LCD QD iluminat din spate o depășește pe cea a OLED.

De fapt, puteți găsi posibilitatea de a obține QD pe piața tabletelor, în special Kindle Fire HDX. Avantajul QD-urilor este că pot fi reglate pentru a produce culoarea specifică pe care o dorește producătorul. După ce multe companii și-au etalat televizoarele cu puncte cuantice la CES, 2015 poate fi anul în care să vizualizeze să vă bucurați QD ajung pe piața de masă a telefoanelor, tabletelor și monitoarelor.

Aditivi pentru cristale lichide

Credit imagine: Rarajtan Basu, U.S. Academia Navală 2

Grupurile de cercetare din lume caută în mod activ lucruri pe care să le adauge cristalelor lichide pentru a le ajuta să le stabilească. Unul dintre acești aditivi este nanotuburile de carbon (CNT)3. Doar adăugarea unei cantități mici de CNT-uri a putut reduce tranziția Fréedericksz, explicată mai sus, astfel încât să conducă atât la un consum mai mic de energie, cât și la o comutare mai rapidă (rate de cadre mari).

Tot timpul se fac mai multe descoperiri în materie de aditivi. Cine știe, poate în cele din urmă vom avea cristale stabilizate atât de bine pentru că nu vor avea nevoie de tensiune a-și menține starea și cu un consum foarte mic de energie. Ecranele LCD cu memorie de la Sharp folosesc cel mai probabil o tehnologie similară, cu un consum redus de energie și „pixeli persistenți”. În ciuda faptului că această implementare este monocromă, eliminarea luminii de fundal îl face un concurent cu afișajele E-ink.

LCD-uri transflectiv

Ecranele LCD transflective ar putea elimina nevoia de iluminare de fundal, economisind energie în proces.

Un LCD transflectiv este un LCD care reflectă și transmite lumina. Elimină necesitatea unei lumini de fundal în lumina soarelui sau în condițiile de luminozitate, reducând astfel semnificativ consumul de energie. Lumina de fundal este, de asemenea, slabă și cu putere redusă, deoarece este nevoie doar întuneric. Conceptul există de câțiva ani, acum și au fost folosite în ceasuri LCD, ceasuri cu alarmă și chiar și un netbook mic.

Principalul motiv pentru care este posibil să nu fi auzit despre ele este costul inițial prohibitiv de mare pentru producător, în comparație cu LCD-urile TFT standard. Nu am văzut încă să fie transflectiv folosit în smartphone-uri, posibil pentru a fi dificil să fie vândut consumatorului general. Demo-urile și unitățile de afișare ale telefonului în direct sunt una dintre cele mai bune modalități de atrage un client, astfel comercianții tind să intensifice setările de luminozitate ale unităților demonstrative pentru atrage atenția potențialilor cumpărători, iluminarea fundalului cu putere redusă a ecranelor transflective ar avea dificultăți să concureze. Le va deveni din ce în ce mai greu să intre pe piață, luminile de fundal LCD care devin mai eficiente și afișajele color E-ink deja patentate.

Ecranele de corectare a vederii

Unii cititori pot cunoaște pe cineva cu vedere lungă care trebuie să-și țină telefonul la distanță de braț sau săl stabilească fontul de a-și vedea la enorm doar pentru a-și citi (sau ambele). Echipele de la UC Berkeley, MIT și Microsoft s-au unit pentru a produce afișaje de corectare a vederii utilizate tehnologia câmpului luminos, concept similar cu cel găsit în camerele Lytro. Câmpul luminos este o funcție matematică care descrie cantitatea de lumină care călătorește în fiecare direcție prin poziția din spațiu, așa cum funcționează fiecare senzorul camerelor Lytro.

Cercetătorii au putut folosi tehnologia câmpului luminos pentru a modifica dispozitivele pentru utilizatorii cu vedere lungă.

Credit imagine: MIT

Tot ce are nevoie de vizualizare pentru corectarea vederii este prescripția optică a modificării punctului de vedere computațional modul în care lumina pe ecran pătrunde în ochii utilizatorului pentru a obține o claritate perfectă. Lucrul minunat la această tehnologie este căjele convenționale pot fi modificate pentru a obține corectarea vederii. În experimentele lor, un ecran iPod Touch de a patra generație (326 PPI) a fost echipat cu un filtru de plastic transparent. Răspândite în filtru este o serie de găuri ușor decalate față de matricea de pixeli, cu găurile suficiente de mici pentru a difracta lumina și a emite un câmp luminos suficient de larg pentru a intra în ambii ochi ai utilizatorului. Software-ul de calcul poate modifica lumina care iese din fiecare dintre găuri.

Totuși, vizualizajul are câteva dezavantaje. Pentru început, luminozitatea este puțin mai slabă. Unghiurile de vizualizare sunt, de asemenea, foarte înguste, similare cu cele ale vizualizărilor 3D fără ochelari. Software-ul este capabil să clarifice afișajul doar pentru o singură rețetă la un moment dat, astfel încât un singur utilizator poate folosi la un moment dat. Actualul software utilizat în lucrare nu funcționează în timp real, dar echipa a demonstrat că afișajul lor funcționează cu imaginile statice. Tehnologia este potrivită pentru dispozitive mobile, monitoare de PC și laptop și televizoare.

Tranzistoare IGZO de cristal

IGZO (oxidul de indiu galiu zinc) este un material semiconductor descoperit abia în ultimul deceniu. Propus inițial în 20063, a început recent să fie folosit în tranzistoarele cu peliculă subțire pentru controlul panourilor LCD. Dezvoltat la Institutul de Tehnologie din Tokyo, sa demonstrat că IGZO transportă electroni cu până la 50 ori mai rapid decât versiunile standard de siliciu. Ca rezultat, acești tranzistori cu filmul subțire pot atinge rate de reîmprospătare și rezoluții mai mari.

Tehnologia a fost brevetată și Sharp și-a folosit recent licențele pentru a produce un 6.Panouri LCD de 1 inch cu rezoluție 2K (498 PPI). Sharp a furnizat ecrane LCD IPS de înaltă rezoluție în industria mobilă, iar panourile sale IGZO de cristal nu vor face decât să crească cota companiei pe această piață, în special în lumina parteneriatelor anterioare cu Apple pentru a furniza panouri LCD pentru dispozitivele iOS. Recent, Sharp a lansat Aquos Crystal, arătând un afișaj IGZO de înaltă rezoluție cu rame reduse. Așteptați-vă ca 2015 să fie anul în care afișajele IGZO încep să preia controlul în diferite dispozitive emblematice.

Nanopxeli

Oamenii de știință de la Universitatea Oxford și de la Universitatea din Exeter au brevetat și publicat recent o lucrare4 despre utilizarea materialului cu schimbare de fază (PCM) pentru afișare, obținând rezoluția de 150 × a afișajelor LCD convenționale. PCM este o substanță a cărei fază poate fi ușor manipulată, în acest caz trecând între o stare cristalină transparentă și o stare amorfă opac (dezorganizat).

Similar cu tehnologia LCD, o tensiune aplicată este capabilă să dicteze dacă un subpixel este transparent sau opac, totuși nu necesită cele două filtre polarizante și astfel permite să afișeze subțiri ca hârtie. Stratul PCM este realizat din germaniu-antimoniu-telur (GST), aceeași substanță inovatoare folosită în DVD-urile reinscriptibile. Particulele de GST sunt bombardate pe un electrod, producând o peliculă flexibilă subțire care permite ecranului să fie flexibil. De, producătorii pot regla manual de asemenea culoarea fiecărui nanopixel, deoarece GST are o culoare specifică în funcție de grosimea sa - similar cu tehnologia afișajelor cu modulatoare interferometrice (sau marca comercială Mirasol).

Ecranele PCM sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic. Similar cu E-ink, pixelii sunt, necesitând astfel numai atunci când starea pixelului necesită schimbarea. S-ar putea să nu avem niciodată nevoie de un afișaj de 7000 PPI pe telefoanele noastre, dar echipamentele acestea sunt utile în aplicațiile în care trebuie să mărire, e.g. Căști VR. Materialele care schimbă faza se pot schimba și în conductibilitatea electrică, un domeniu foarte cercetat în tehnologia NAND pe care îl vom păstra pentru un articol viitor din această serie.

Afișaje IMOD/Mirasol

Vitrinele Mirasol sunt inspirate de modul în care sunt colorate aripile fluturelui.

Afișajele modulatoarelor interferometrice (IMOD) practică un fenomen care apare atunci când un foton (particulă de lumină) interacționează cu structura minuscule ale materialelor provocând interferențe luminoase, inspirate de modul în care sunt colorate aripile fluturelui. Similar cu alte afișaje, fiecare subpixel are propria culoare, care este determinată de lățimea spațiului de aer dintre filmul subțire și membrana reflectorizante. Fără nicio putere, subpixelii păstrează stările colorate specifice. Atunci când se aplică o tensiune, aceasta induce o forță electrostatică care prăbușește spațiul de aer și subpixelul absoarbe lumina. Un singur pixel este format din mai mulți subpixeli, fiecare cu o luminozitate diferită pentru fiecare dintre cele trei culori RGB, deoarece subpixelii nu se pot schimba în luminozitate ca subpixelii LCD.

Ecranele Mirasol sunt într-o producție lentă, vizând piața e-reader și tehnologia purtabilă. Qualcomm a lansat recent ceasul inteligent Toq care folosește vizualizajul. Pixelii persistenti cu energie scăzută și lipsa iluminării de fundal a lui Mirasol îl fac un concurent serios în industria citoarelor electronice colorate. Costurile de fabricație a sistemelor microelectromecanice (MEMS) necesare sunt încă puțin ridicate, cu toate acestea devin rapid mai ieftine.

Similar cu afișajele transflective, lipsa iluminării de fundal a Mirasol ar face dificilă vânzarea către consumatorul general pe piața actuală de smartphone-uri. Acestea fiind spuse, tehnologia a fost folosită în dispozitive precum Qualcomm Toq, cu diferite grad de succes.

OLED flexibil

Telefoanele cu tehnologie OLED flexibilă sunt deja pe piață - și urmează multe altele.

Samsung și LG s-au întrecut activ pentru a avansa tehnologia OLED, ambele companii investind mult în tehnologie. Le-am văzute vizuale OLED curbate pe televizoarele lor și chiar pe telefoane lor - LG G Flex și G Flex 2, Samsung Galaxy Note Edge etc. Ambele companii și-au arătat afișajele flexibile translucide, LG afișează un OLED flexibil de 18 inchi care poate fi rulat într-un tub strâns de puțin peste un inch în diametru.

În ciuda faptului că acesti afișaj are doar 1200×810, LG crede cu încredere că poate dezvolta ecrane flexibile 4K de 60 de inchi până în 2017. Descoperirea științifică prezentată de acest film flexibil din poliimidă folosită ca coloană vertebrală pentru afișare. Poliimida este un material puternic, dar flexibil, care este rezistent la căldură și substanțe chimice. Este utilizat pe scară largă în izolare cablurilor electrice, cabluri panglică și echipamente medicale. Așteptați-vă să vedeți ce în mai multe dintre aceste afișate flexibile afișate, dar va trebui să așteptăm și să vedem dacă costurile de producție sunt suficiente de mici pentru a fi viabil pe piața mobilă.

Pentru mai multe despre cea mai convingătoare implementare OLED flexibilă pe care am văzut-o până acum într-un telefon, consultați previzualizarea LG G Flex 2 de la Android Central.

Linia de jos

Până la sfârșitul anului 2015, ar trebui să vedem panouri LCD IGZO în unele dispozitive emblematice Android, posibilitate de a folosi lumini de fundal pentru a beneficia de puncte cuantice. De asemenea, s-ar putea să vedem că panourile Mirasol au devenit mai larg adoptate în purtabile, oferindu-ne durata de viață extinsă a bateriei de care avem nevoie - totuși cei care preferă vibrația unui panou LCD sau OLED s-ar putea să nu fie convinși. Există piață o mare varietate de afișare - afișaje luminoase, vibrante, de înaltă rezoluție la un capăt și afișaje cu putere redusă, persistente pe celălalt.

Industria display-urilor mobile continuă să progreseze cu o viteză vertiginoasă, iar extinderea dimensiunilor ecranului și a densității pixelilor doar o parte a ecuației.

  1. J.S. Steckel, R. Colby, W. Liu, K. Hutchinson, C. Breen, J. Ritter și S. Coe-Sullivan, 68 de ani.1: Lucrare invitată: Cerințe de fabricație cu puncte cuantice pentru piața LCD cu volum mare, SID Symposium Digest of Technical Papers, 2013. 44(1): p. 943-945. ↩

  2. R. Basu, Efectul nanotuburilor de carbon asupra comutării nematice induse de câmp, Applied Physics Letters, 2013. 103(24): p. -. ↩

  3. J.H. Ko, eu.H. Kim, D. Kim, K.S. Lee, T.S. Lee, J.H. Jeong, B. Cheong, Y.J. Baik și W.M. Kim, Efectele adăugării ZnO asupra proprietăților electrice și structurale ale filmelor subțiri amorfe de SnO2, Filme solide subțiri, 2006. 494(1–2): p. 42-46. ↩ ↩

  4. P. Hosseini, C.D. Wright și H. Bhaskaran, Un cadru optoelectronic activat de filme cu schimbare de fază cu dimensiuni reduse, Nature, 2014. 511(7508): p. 206-211. ↩

Este posibil să obținem o comisie pentru a folosi link-urile noastre. Află mai multe.

Lasă Un Comentariu

Please enter your comment!
Please enter your name here