Konkurrerande teknologier till LCD

Transkript

1 Konkurrerande teknologier till LCD - en jämförelse Högskolan Dalarna LCD-Produkter Björn Eriksson Björn Quickers Period 2 -ht 98

2 Innehållsförteckning INLEDNING... 3 AKTIVA DISPLAYER... 4 CRT - CATHODE RAY TUBE... 4 GRUNDLÄGGANDE FUNKTION... 4 FÄRGDISPLAYER... 5 PLATTA CRT-DISPLAYER... 5 FÖR OCH NACKDELAR MED CRT-DISPLAYER... 6 LED - LIGHT EMITTING DIODE DISPLAY... 7 GRUNDLÄGGANDE FUNKTION... 7 FÖR OCH NACKDELAR MED LED-DISPLAYER... 7 PDP - PLASMA DISPLAY PANELS... 8 GRUNDLÄGGANDE FUNKTION... 8 ELD - ELECTROLUMINESCENT DISPLAY... 9 GRUNDLÄGGANDE FUNKTION... 9 FÖR OCH NACKDELAR MED EL-DISPLAYER... 9 VFD - VACUUM FLUORESCENT DISPLAYS GRUNDLÄGGANDE FUNKTION FÖR OCH NACKDELAR MED VF-DISPLAYER FED -FIELD EMISSION DISPLAY GRUNDLÄGGANDE FUNKTION FÖR OCH NACKDELAR MED FED-DISPLAYER OLED -ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE PASSIVA DISPLAYER ECD -ELECTROCHROMIC DISPLAY EPID -ELECTROPHORETIC IMAGING DISPLAY SPD- SUSPENDED PARTICLE DISPLAY PLZT LCD-DISPLAYENS KONKURRENSKRAFT REFERENSER Konkurrerande teknologier till LCD Sid 2

3 Inledning Det finns ett antal olika konkurrerande teknologier. Dessa kan delas in i två huvudgrupper, aktiva och passiva displayer. De aktiva displayerna är de som själva strålar ut ljus medan de passiva är beroende av att det finns ljus från en ljuskälla i närheten. Vanligtvis är denna placerad bakom displayen som bakgrundsbelysning. Några aktiva displayer är CRT -cathode ray tube, PDP -plasma display panel, ELD -electroluminescent display, VFD -vacuum fluorescent display, LED -light emitting diode, FED -field emission display. Några passiva är ECD -electrochromic display, EPID -elektrophoretic imaging display, SPD -suspended particle display, PLZT- display. Här följer en närmare beskrivning av de olika teknologierna. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 3

4 Aktiva displayer CRT - Cathode Ray Tube Grundläggande funktion Katodstråleröret (CRT) innehåller en uppvärmd elektronkanon som emitterar elektroner vilka sedan samlas till en koncentrerad stråle med hjälp av elektroder som fungerar som en elektrisk lins eller en spole som fungerar som en magnetisk lins. Figur 1: Bildskärm av katodstråletyp. Den samlade strålen träffar sedan en fluorescerande skärm där strålen uppträder som en punkt. Strålen kan böjas av eller riktas in på skärmen med hjälp av två vinkelräta elektrodpar eller en spole. Även här är det antingen den elektriska eller den magnetiska kraften som påverkar elektronernas riktning, se figur 1. Genom att använda spolar kan man påverka elektronerna med hjälp av magnetisk kraft och man får då en större avböjning av elektronstrålen vid en lägre spänning. Detta i sin tur gör att röret kan göras kortare eftersom spolen inte kräver samma längd som elektroderna vilket medför att djupet hos bildskärmen blir mindre. Det fluorescerande skikt som finns inuti glaskroppen innehåller en beläggning av zinksulfid som emitterar ljus när det träffas av elektronstrålen. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 4

5 Färgdisplayer En CRT-display som visar färg har tre separata elektronkanoner. En elektronkanon för varje grundfärg (röd, grön och blå) används för att skapa hela spektrat, se figur 2. Färgerna skapas genom att varje för ögat synbar punkt består av tre mindre färgade områden på det fosforescerande skiktet. Figur 2: Färgdisplay i genomskärning. Platta CRT-displayer Det finns även flata CRT-displayer där man har lagt elektronkanonen parallellt med bilden. Den fosforescerande skärmen ligger i samma plan som elektronstrålen och är därför vinklad för att elektronerna skall träffa skärmen. På grund av de avståndsskillnader som uppkommer beroende på var elektronerna träffar skärmen, så finns det på den motstående sidan en genomskinlig elektrod som används för att fokusera bilden. Figur 3: Exempel på en tunn CRT-display. I dagens IT-samhälle finns stor användning för informationsdisplayer och den väl utvecklade tillverkningstekniken för CRT-displayen medför en relativt låg kostnad för den färdiga produkten. De vanligaste användningsområdena för CRT-displayerna är i TV-apparater och i datormonitorer. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 5

6 För och nackdelar med CRT-displayer Fördelarna med CRT-displayer är: Välutvecklad teknik. Möjligt att tillverka stora volymer. Relativt låg kostnad. Möjlighet att visa färger. Hög ljusstyrka Nackdelarna med CRT-displayer är: Skrymmande konstruktion. Livslängden är begränsad till ungefär timmar Kräver hög spänning, hög strömförbrukning. Relativt tunga. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 6

7 LED - Light Emitting Diode Display Grundläggande funktion En LED-display består av flera lysdioder. En lysdiod har ett PN-spärrskikt som emitterar (sänder ut) fotoner (ljus) när det uppstår en rekombination av laddningsbärare. Det har visat sig att det är mycket svårt att tillverka lysdioder som avger blått ljus. De som finns är dyra och har låg verkningsgrad. De kan vara tillverkade av kiselkarbid (SiC). En följd av detta är att det blir dyrt att tillverka fullfärgsdisplayer. De vanligaste materialen som används till lysdioder och de färger som de avger är: Galliumarsenid (GaAs) som ger infrarött till rött ljus. Galluimarsenidfosfid (GaAsP) som ger rött till gult ljus. Galliumfosfid (GaP) som ger grönt till blågrönt ljus. LED-tekniken används till mindre teckendisplayer. Andra användningsområden är tex informationstavlor, då främst för utomhusbruk. Figur 4: Exempel på LED-display. För och nackdelar med LED-displayer Fördelarna med LED-displayer är: Välutvecklad teknik. Möjligt att tillverka stora volymer. Låg kostnad för enkla displayer Nackdelarna med LED-displayer är: Högt pris på blå lysdioder medför hög kostnad på fullfärgsdisplayer - ej lönsamt. Displayer som skall innehålla mycket information är dyra. Hög energiförbrukning som gör dem ointressanta för många batteridrivna portabla applikationer. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 7

8 PDP - Plasma Display Panels Grundläggande funktion Plasmadisplayen är en gasurladdningsdisplay som bygger på att neongas eller en liknande ädelgas joniseras när en pålagd spänning blir tillräckligt hög. Tröskelspänningen ligger vanligtvis kring 100V. Den joniserade gasen sänder ut UV-ljus som när det träffar magnesiumoxidskiktet ger upphov till en orange-röd färg. Det finns två typer av plasmadisplayer, dels den som drivs med växelspänning och den som drivs med likspänning. PDP-displayerna finns som både monokroma och färgdisplayer. Displayerna används bl.a. till displayer i kassaapparater, bensinpumpar och som skärmar till storbilds-tv. Figur 5: Grundkonstruktion av en PDP-display som drivs med likspänning. För och nackdelar med PDP-displayer Fördelarna med PDP-displayer är: Flera tillverkare Enkel drivelektronik Enkel konstruktion vilket leder till låga kostnader och stora produktionsvolymer. Lång livslängd Passar för färgskärmar Nackdelarna med PDP-displayer är: Det krävs högspänningsdrivare till displayerna, med spänningar upp till V. Fungerar inte i solsken. Begränsade möjligheter för att visa gråskalor. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 8

9 ELD - Electroluminescent Display Grundläggande funktion Elektroluminiserande displayer sänder ut ljus genom att en spänning läggs på ett skikt av zink och fosfor som är pålagt på ett genomskinligt substrat t.ex. en organisk film eller en glasskiva. Spänningen orsakar en elektronvandring av fosformaterialet, vilket i sin tur avger ett ljus. Ljusets färg varierar beroende på fosforblandningen. Figur 6: Grundkonstruktion av en EL-display som drivs med likspänning. De flesta displayer som tillverkas är punktmatriser. De används som bildskärmar av olika slag. EL-tekniken kan även används som bakgrundsbelysning till LCD-celler. För och nackdelar med EL-displayer Fördelarna med EL-displayer är: Tunna och kompakta. Hög läsbarhet. Hög skrivhastighet. Viss gråskala. Nackdelarna med EL-displayer är: Hög effektförbrukning. Går ej att läsa vid allt för ljus omgivning. Hög kostnad, svår att tillverka i stora volymer. Det krävs högspänningsdrivare ( V). Konkurrerande teknologier till LCD Sid 9

10 VFD - Vacuum Fluorescent Displays Grundläggande funktion En katod som värms upp till ca 600 C varvid en spänning läggs på. Elektroner emitteras från katoden och kolliderar med ett fosforskikt där fotoner emitteras, dvs. ljus genereras. Figur 7: Typskiss på en VFD. Figur 8: Exempel på VFD-display. Tekniken används idag inom hemelektronik mm. Displayerna känns igen på dess gröna eller blågröna färg. För och nackdelar med VF-displayer Fördelarna med VF-displayer är: Låg kostnad för enkla displayer. Multiplexerbar för stora displayer. Synbar i solljus. Nackdelarna med VF-displayer är: Hög kostnad för stora bildskärmar. Hög kostnad för bildskärmar som innehåller mycket information. Idag finns det inte ännu fullfärgsbildskärmar för TV, dator -applikationer. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 10

11 FED -field emission display Grundläggande funktion FED bygger på kallkatodsemission av elektroner till skillnad mot CRT och VFD som bygger på termisk excitering. Annars är likheterna mellan FED och CRT stora. Man skulle kunna kalla FED för tunn CRT. På den bakre plattan finns massor av mikroskopiska emittrar, som kan jämföras med små elektronkanoner. När en spännning läggs på över en pixel skjuter elektronkanonen iväg elektroner som träffar fosforskiktet på den övre plattan varvid ljus sänds ut. Varje pixel består av upp till 5000 emittrar. Denna redundans garanterar lång livslängd då ända upp till 20% av emittrarna kan vara felaktiga utan att det märks. Tjockleken på displayen kan vara så liten som 8mm. För och nackdelar med FED-displayer Fördelarna med denna teknologi är att man kombinerar de fina bildegenskaperna hos en CRT med den låga strömförbrukningen och det nätta formatet hos en flatskärm. Nackdelen är att det kan bli svårt att massproducera displayerna eftersom det vakuum som krävs ställer höga krav på förseglingen. Figur 9: Typisk uppbyggnad av FED. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 11

12 OLED -organic light emitting diode Organiska lysdioder bygger på det faktum att vissa organiska material, tex. polymerer, utsänder ljus när ström passerar materialet. Denna teknik är ännu inte färdigutvecklad, men när den blir det utgör den ett allvarligt hot mot LCD-tekniken. Fördelarna är att stora displayer med snabb omslagstid kan göras billigt. Även egenskaper som stor flexibilitet, möjlighet till hög upplösning, vid synbarhet, låg strömförbrukning och att ingen bakgrundsbelysning krävs gör att denna displaytyp lämpar sig för instrumenteringar, mätinstrument och bärbar elektronik. Det finns även möjlighet att skapa transparenta displayer med lysande segment. Något som kan användas för information i vindrutor, fönster m.m. Nackdelen med denna displaytyp är livslängden som är beräknad till 10000h (ca. 1 år). Kommersiella produkter beräknas komma om fem år. Figur 10: Typisk uppbyggnad av OLED. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 12

13 Passiva displayer ECD -electrochromic display Denna typ av display skapar en blå färg genom oxidation av metalloxider (ex. WO 3, IrO 2 eller MoO 3 ). Genom reduktion kan man sedan ta bort färgen. Fältets riktning avgör om det blir oxidation eller reduktion. En påverkad pixel behåller sitt tillstånd när spänningen avlägsnas. En ECD är alltså bistabil. På grund av dåliga switchegenskaper är denna typ av display inte multiplexerbar varför denna bör användas i enpixel-tillämpningar. Man har dessutom problem med livslängden. Goda egenskaper är god synbarhet och låg drivspänning (0,5-1,5 V DC). Nedan visas en typisk celluppbyggnad. Figur 11: ECD-cellens uppbyggnad. EPID -electrophoretic imaging display Denna typ av display bygger på att man transporterar laddade färgpigment i en färgad lösning. Om spänningen är sådan att färgpigmenten ligger mot det främre glaset reflekterar pixeln färgpigmentets färg. Om färgpigmenten ligger mot det bakre glaset har pixeln lösningens färg. Om lösningen är svart och färgpigmenten vita kan man alltså få svartvita displayer. Genom att variera färgen på lösningen och pigmentet kan man få vilka färg-kombinationer som helst. Displayen är bistabil eftersom färgpigmenten stannar kvar i sina lägen när spänningen avlägsnats. Nackdelarna är att det är svårt att tillverka färglösningen och att det krävs 60-90V drivspänning. Dessutom saknas tröskelspänningar vilket omöjliggör passiv matris drivning. Ingen forskning görs för tillfället och någon större användning av denna teknologi lär det inte bli. Nedan visas en typisk celluppbyggnad. Figur 12: EPID cell. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 13

14 SPD- suspended particle display Dessa displayer bygger på elektrisk omorientering av dikroiska dipoler. I spänningslöst tillstånd absorberas vissa färger hos det infallande ljuset. När spänning sedan läggs på vrider dipolerna in sig i fältets riktning och då upphör absorptionen. Problemet med denna displaytyp är att lösningen är instabil och att relativt hög drivspänning (35V) krävs. Fördelar är goda vinkelegenskaper och hög kontrast. Nedan visas en typisk celluppbyggnad. Figur 13: SPD-cell. PLZT PLZT-displayen är en transparent oxid-blandning som har ferroelektriska egenskaper som tillåter den att ändra polarisationsriktningen hos ljus. Namnet är en förkortning på de ingående ämnenas kemiska beteckning Pb (bly), La (lantan), Zr (zirconium) och Ti (titan). Ämnets formel brukar skrivas (PbLa)(ZrTi)O 3. Fördelarna hos materialet är dess snabba omslagstid (mikrosekunder), dess höga kontrast och det vida temperaturområdet ( C). Nackdelarna är den komplicerade tillverkningsprocessen, avsaknad av brant tröskel och den höga drivspänningen (hundratals volt). Denna teknologi används mest som bländare. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 14

15 LCD-displayens konkurrenskraft LCD-displayerna kan idag konkurrera inom områden där små, billiga och strömsnåla displayer krävs. När det gäller displayer i tv-storlek kommer nog andra teknologier som PDP och FED att vara de som tar över efter CRTskärmarna. Lite längre fram om 5 år kan nog även OLED hota de små LCD:erna. När det gäller de bärbara skärmarna däremot, är TFT-skärmarna konkurrenskraftiga eftersom de är strömsnåla, lågstrålande, har bra vinkelegenskaper och tar liten plats. Dessa egenskaper gör även TFTskärmarna intressanta som vanliga bildskärmar till stationära datorer. Men i dagsläget är priset en nackdel, men det väntas sjunka allt eftersom produktionsvolymerna ökar. Konkurrerande teknologier till LCD Sid 15

16 Referenser Böcker: Castellano Joseph A, Handbook of display technologi, 1992, Academic Press Inc. Shoichi Matsumoto, Electronic Display Devices, 1990, John Wiley and sons WWW-sidor: Konkurrerande teknologier till LCD Sid 16