Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи

в 22:54, , рубрики: e-ink, lcd, tft, взгляд изнутри, дисплей, микроскопия, смартфон, телефон, электронные чернила, метки: , , , , , , , ,

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи

Demain n'existe pas!

В последней статье из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных бытовых вещах и объектах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT. Специально ко Дню Защитника отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.

Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки. Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин. Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления. Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко». Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Часть теоретическая

Как устроен LCD дисплей?

Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!). Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.

Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из нескольких основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.

Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией. Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла. Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.

Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp:

Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов. По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её значительно тоньше, а самое главное – гибкой!

Какие сенсорные панели бывают?

Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю будет разумно сразу их и описать. Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано тут (источник когда-то жил здесь, но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.

Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Схема устройства резистивного сенсора

Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея (Источник)

Всё предельно просто.

Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.

Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах. Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора(Источник)

Как устроен E-Ink дисплей?

Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея (Источник)

Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:

Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Схема работы SiPix дисплея (Источник)

Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда, в Персте когда-то была отличная статья.

Часть практическая

Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)

После аккуратной отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Самсунг и китаефон едины!

Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Так работают 2 поляризационных фильтра: в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит

Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).

Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Что в китайском, что в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона

Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.

LCD-дисплей китаефона

Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.

Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный ( R), зелёный (G) и синий (B). С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Номера-номера-номера…

Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:

Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…

Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…

А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…

Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
В оптический микроскоп – в цвете…

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
И электронный микроскоп – черно-белое изображение!

В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.

Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. Вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!). В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет (здесь приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК. Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!

Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.

Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Микрофотографии дисплея HTC Desire HD

Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Микрофотографии дисплея iPhone 3

Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4. Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.

И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.

E-Ink известного украинского производителя

Начнём, пожалуй, с банальных вещей – «пикселов», а точнее ячеек, которые ответственны за формирование изображения:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея

Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.

Далее токоподводящие контакты. Это фото меня особенно впечатлило:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Вперёд на амбразуру!

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»

Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок

Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!

Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
You've got a lot of guts. Let's see what they look like! (с)

Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.

Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.

Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:

СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
Оптическая микрофотография «чернил»

Или всё-таки внутри что-то есть?!

Электроника для начинающих / Взгляд изнутри: LCD и E Ink дисплеи
То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера

Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.

И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом:

Заключение

В конце моего повествования, я хотел бы поблагодарить тех, кто помогал мне при написании этой статьи: Антона (разбитый китаефон его рук дела), Алексея (пострадавший E-Ink, вовремя вырванный из цепких лап сервиса), Василия (за корейский телефон, камера которого станет героем одной из следующих публикаций), Машу (не побоялась-таки дать мне свой iPhone), Катерину (за оправдание своей фамилии).

P.S. Жаль, что в обзор не вошёл ридер и технология гибкой электроники, продвигаемые РосНано, но думаю, что как только у меня окажутся подопытные образцы, сразу же примусь за работу!

P.P.S. Если кто-то ещё не читал предыдущие статьи, то их всегда можно посмотреть тут:
Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас

Автор: Tiberius


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js