Энергосберегающие устройства отображения информации

Происходящий поворот компьютерного мира в сторону мобильных систем ставит ряд серьезных задач. При этом ключевой проблемой, от решения которой во многом зависит и производительность и конструктивные параметры портативных устройств, является снижение их энергопотребления. Значительный шаг в этом направлении сделан в результате создания новых специализированных процессоров для мобильных компьютеров с использованием энергосберегающих технологий (например, энергосберегающая технология Intel Centrino корпорации Intel используется в процессоре Intel Pentium M, энергосберегающая технология Power Now компании AMD используется в процессорах компании AMD для мобильных компьютеров), однако кардинально увеличить срок автономной работы от встроенного химического источника тока только за счет повышения энергетической эффективности вычислительной подсистемы невозможно. И даже внедрение в практику миниатюрных топливных элементов fuel cells – электрохимических устройств, вырабатывающих электричество из газообразного водорода или жидкого спирта, не снимает проблему снижения потребляемой мобильным устройством мощности.

В мобильных устройствах (портативных компьютерах, портативных коммуникаторах и т.д.) существенным потребителем мощности является монитор. Как показывают исследования, на долю подсистемы отображения информации ноутбука зачастую приходится половина потребляемой им энергии, а в карманных устройствах эта доля может превышать 60 %. С точки зрения экономии потребляемой мощности в устройствах визуализации, использующихся на свету, эффективным было бы отражательное устройство, потребляющее мощность только в момент формирования отображаемой информации. После формирования информации на экране мощность устройством визуализации не потребляется до момента смены информации (естественно, сформированная информация отображается).

Для таких энергосберегающих устройств визуализации идеальным был бы дисплей, эмулирующий свойства бумаги, которая обладает следующими привлекательными свойствами:

1. может отражать приблизительно 80 % света, падающего на ее поверхность;

2. обеспечивает удовлетворительную контрастность (20:1);

3. отражает падающий свет во всех направлениях, что обеспечивает максимальный угол обзора;

4. обеспечивает полноцветное изображение;

5. сохраняет изображение в течение длительного периода времени без потребления энергии.

В то же время, бумага имеет недостатки: не может быть использована многократно; нельзя быстро изменить информацию.

Возникает вопрос: почему не соответствуют этим требованиям TN LCD, работающие в отражательном режиме (без использования подсветки). Как отмечалось ранее, поместив зеркало за TN-элементом можно обеспечить формирование светлых и темных точек на экране без использования подсветки (как это делается в электронных наручных часах, трубках радиотелефонов и т.д.).

Однако такие устройства визуализации имеют низкое разрешение и двухградационный цвет. Использование такого подхода для создания полноцветных дисплеев невозможно. Как отмечалось ранее, для создания полноцветного изображения в TN LCD используется мозаическая матрица из красных, зеленых и синих фильтров для каждого пикселя и, соответственно, ЖК-элементов и полевых тонкопленочных транзисторов. Фильтры поглощают много света, а в отражательном режиме это поглощение удвоено, потому что свет должен пройти через фильтры дважды. В отличие от TN LCD с подсветкой, где увеличение светового потока от лампы подсветки может компенсировать потери света в фильтрах, в отражательных LCD такой возможности нет. Кроме того, нематические LCD потребляют мощность для сохранения стационарной информации. Убедиться в низких качествах отражательных жидкокристаллических дисплеев можно из табл. 2.2.

Разработкой устройств визуализации, обладающих оптическими свойствами бумаги, но свободными от указанных ранее недостатков, занимается в настоящее время ряд фирм.

На рынке представлены 2 типа энергосберегающих устройств визуализации: холестерический (Cholesteric) LCD компании Kent Displays Inc. (США); электрофоретический (Electrophoretic) дисплей E Inc различных модификаций.

Холестерический LCD

Компания Kent Displays начала работать над данной технологией с 1993 г. В настоящее время компания выпускает полноцветный холестерический монитор с диагональю 160 мм, внешний вид которого приведен на рис. 2.17. Данный тип дисплеев наиболее распространен из трех указанных ранее.

В холестерических LCD используются холестерические жидкие кристаллы, которые являются разновидностью нематических. Как и в TN LCD, в холестерическом LCD для управления состоянием пикселя используют прозрачные электроды в виде нанесенной на стекло пленки из оксидов индия и олова.

Рис. 2.17. Внешний вид холестерического монитора

Структура холестерического LCD приведена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Структура холестерического LCD:
1 – слой стекла; 2 – прозрачная проводящая пленка из оксидов индия и олова – управляющий проводник; 3 – слой-поглотитель; 4 – холестерическое жидкокристаллическое вещество, отражающее в плоском состоянии красный цвет;
5 – холестерическое жидкокристаллическое вещество, отражающее в плоском состоянии зеленый цвет; 6 – холестерическое жидкокристаллическое вещество, отражающее в плоском состоянии синий цвет

Электроды используются для управления состоянием находящегося между ними жидкокристаллического холестерического вещества, которое может находиться в двух устойчивых состояниях: отражающем (плоском) состоянии; прозрачном (фокальном коническом) состоянии (см. рис. 2.19).

Рис. 2.19. Принцип работы холестерического LCD:

1 – подача напряжения в 20–30 В приводит к переходу из отражающего в прозрачное состояние; 2 – подача напряжения в 30–40 В противоположной полярности приводит к переходу в промежуточное состояние; 3 – медленное снижение напряжения с
30–40 В до 0 В приводит к переходу обратно в прозрачное состояние; 4 – быстрое падение напряжения с 30–40 В до 0 В приводит к переходу в отражательное состояние

В отражающем состоянии все оси скрученных ЖК-структур перпендикулярны к поверхности стекла. Добавлением химических веществ изменяют степень закрутки холестерических кристаллов, что приводит к способности кристаллов отражать различный цвет: красный, синий или зеленый.

Из отражающего состояния ЖК-вещество может быть переключено в прозрачное состояние приложением к управляющим электродам напряжения 20–30 В. Напряжение затем может быть удалено и прозрачное состояние останется надолго.

Переключение из прозрачного состояния в отражающее выполняется за два шага.

Первый шаг – переход в промежуточное (гомеотропное – homeotropic) состояние обеспечивается подачей напряжения 30–40 В. В этом состоянии в жидкокристаллическом холестерическом веществе скрученные спиральные структуры исчезают.

На втором шаге напряжение быстро уменьшается и вещество переходит в отражающее состояние, которое сохраняется также неопределенно долго при отключенном напряжении.

Однако, если напряжение будет снижаться медленно, то вещество возвратится в прозрачное состояние.

В холестерическом LCD красный, зеленый и синий подпиксели помещены один над другим. При подаче соответствующих управляющих напряжений на каждый подпиксель он либо будет отражать соответствующий цвет (будет находиться в отражающем состоянии), либо будет находиться в прозрачном состоянии и пропустит свет к слою поглотителю. Комбинируя отражаемые цвета, можно создать цветное изображение. Переведя все три подпикселя в прозрачное состояние, обеспечивают черный цвет, так как весь падающий свет будет поглощаться слоем-поглотителем.

В отражающем холестерическом LCD, в отличие от TN LCD с подсветкой, изображение не бледнеет на ярком свету: чем более яркий внешний свет, тем более ярким видится изображение.

Характеристики холестерического LCD, приведены в табл. 2.2.

Электрофоретические устройства визуализации (E Inc)

Данные устройства используют технологию, основанную на электрофоретических явлениях, заключающихся в быстром перемещении отражающих свет микрочастиц в коллоидных веществах под воздействием электрического поля.

Принцип работы устройства E Inc иллюстрирует рис. 2.22. Между двумя прозрачными пластиковыми слоями с нанесенными на их внутренние поверхности прозрачными проводящими пленками из оксида индия и олова, помещаются микрокапсулы, размером 30 мкм в диаметре. Микрокапсулы – прозрачные шарики коллоидного вещества с введенными отражающими микрочастицами. Когда на управляющие прозрачные проводники подается напряжение одной полярности, отражающие частицы в микрокапсуле перемещаются на одну сторону, например лицевую. Пиксель при таком положении микрочастиц отражает падающий свет. При приложении к управляющим электродам напряжения противоположной полярности отражающие частицы перемещаются в противоположную сторону, и этот пиксель перестает отражать свет. Положение отражающих микрочастиц сохраняется и при снятии напряжения. Материал такого устройства визуализации допускает 10 миллионов переключений.

б

а

Рис. 2.22. Конструкция и принцип действия устройства E Inc:
а) пиксель отражает; б) пиксель не отражает;

1 – падающий на плоскость визаулизатора естественный свет; 2 – отраженный естественный свет; 3 – прозрачные проводники для управления пикселем из пленки оксида индия и олова; 4 – микрокапсула с отражающими микрочастицами, перемещенными к наблюдателю (режим отражения света); 5 – микрокапсула с отражающими микрочастицами, перемещенными к тыльной стороне (режим поглощения света); 6 – пластик или стекло

В табл. 2.2 приведены достигнутые производителями параметры электрофоретических устройств визуализации.

Таблица 2.2

Характеристики энергосберегающих устройств визуализации

 

Параметр	Устройство визуализации
Бумага	Холестери-ческий LCD	Gyricon	Электрофо-ретический	Отражате-льный TN LCD
Контрастность	200:1 (напечатано на лазерном принтере)	20÷30:1	10:1	10÷30:1	<5:1
Отражательная способность	80 %	40 %	20 %	40 %	<5 %
Угол обзора	все углы	все углы	все углы	все углы	Ограниче-нный
Гибкость	да	ограниченно	да	да	нет

 

Окончание таблицы 2.2

Параметр	Устройство визуализации
Бумага	Холестери-ческий LCD	Gyricon	Электрофо-ретический	Отражате-льный TN LCD
Возможность вывода полноцветных изображений	да	да	нет	нет	нет
Время отклика (response time)	–	30–100 ms	80 ms	100 ms	20 ms
Максимальное напряжение управления	–	40 В	90 В	90 В	5 В
Метод адресации	–	пассивный	активный	активный	пассивный
Подложка	–	пластик или стекло	пластик или стекло	пластик или стекло	стекло

 

Мультимедиапроекторы