Дисплей запоминает изображение

В статье приведены описание устрой­ства и основные характеристики дисплеев фирмы Kent Displays, не тре­бующих питания для сохранения изо­бражения.

А. Мельниченко

Иногда случается так, что в процессе исследований какое-либо вещество не удовлетворяет необходимым требованиям. О нем надолго забывают пока кто-нибудь не найдет ему новое применение. Сходная 1 ситуация сложилась с некоторыми представителями п семейства жидких кристаллов. Из множества этих веществ практическое применение нашла лишь малая т часть. В числе отбракованных оказались так называе­мые холестерические жидкие кристаллы, которые, в д противоположность нематическим, широко используемым в современных индикаторах, имеют два устойчивых состояния. Если создать на их основе индикатор, он сможет сохранять информацию при отсутствии ч питания, которое требуется лишь для перезаписи. Эта идея возникла в начале 1990 года в среде ученых н университета города Кент, штат Огайо, США. После длительного цикла исследовательских работ им удалось довести эту идею до промыш­ленного применения. В результате была основана фирма Kent Dis­plays Inc. (www.kentdisplays.com), задачей которой является серий­ный выпуск дисплеев нового поко­ления.

Ориентация молекул

В то время как нематические кристаллы после снятия напряже­ния возвращаются в исходное по­ложение, холестерические остают­ся в том положении, которое они занимали перед отключением пи­тания. Молекулы холестерических кристаллов могут находиться в од­ном из двух положений (рис. 1): го­ризонтальном, при котором боль­шая часть падающего света отра­жается обратно, и вертикальном, почти не препятствующем прохождению света. В последнем случае дисплей приобретает цвет поверхности, расположенной позади жидкокристалличес­кого слоя. Для изменения ориентации кристаллов на ЖК-ячейку подают импульсы разной амплитуды: 10­12 В для перехода из горизонтального в вертикальное положение и 35-40 В – для возвращения в горизон­тальное (через промежуточное “гомеотропное” сос­тояние).

Рис. 1. Различные состояния холестерических жидких кристаллов: отражающее (а), пропускающее (б), промежуточное (с)

Дисплей с пассивной ЖК-матрицей состоит из двух стеклянных пластин с нанесенными на них токо­проводящими полосками, покрытыми полиимидным слоем толщиной 25 мкм. Между пластинами находит­ся ЖК-слой. Такие дисплеи проще в изготовлении, чем обычные. Кроме того, из-за отсутствия поляриза­тора их угол обзора так же широк, как и газетной стра­ницы.

Исследования показали, что после снятия питания с дисплея записанное изображение может сохраняться практически без изменений в течение как минимум двух лет. Переписывать его можно миллионы раз, причем фантомов от предыдущих изображений не ос­тается. Коэффициент отражения дисплея составляет порядка 40% (бумаги, как правило, – 70%), контраст­ность – 25:1. Дисплей не требует подсветки, позволяя получить хорошо различимое изображение даже при ярком солнечном свете.

Перезапись дисплея производится построчно. Вначале выполняется гашение строки, затем записы­вается новая информация. Строки с неизменяемой информацией можно не переписывать. Потребляе­мый ток составляет 1 мА в течение первых 80 мс, за­тем – несколько микроампер в течение следующих 60-80 мс, после чего цикл перезаписи считается за­вершенным.

Рис. 2. Зависимость отражательной способности дисплея от длины волны света

Время реакции

Зависимость времени реакции новых дисплеев от температуры примерно такая же, как и обычных. При комнатной температуре типовое время реакции составляет около 5 мс, при 0 °С оно увеличивается до 12-15 мс, при -(20-30) °С составляет единицы се­кунд. При температуре 92.3 °С жидкие кристаллы пе­реходят в иное состояние, что приводит к потере ра­ботоспособности дисплея. Приемлемый диапазон рабочих температур дисплеев составляет от 0 до 70 °С. Внешние электрические и магнитные поля не оказывают влияния на работу дисплеев.

Время занесения информации в дисплей зависит от числа строк, в которые производится запись. Так, запись 1000 строк в дисплеях с высоким разрешени­ем длится около 5 с. Для ускорения записи был разра­ботан динамический драйвер, позволяющий сокра­тить время записи одной строки до 1 мс. Изображе­ние может содержать до 16 градаций серого цвета, хотя это достигается добавлением некоторых компо­нентов, что приводит к удорожанию дисплея.

Серийно выпускаемые изделия

Первыми на рынке появились малоформатные дисплеи 128×32 пикселя, а также дисплеи форматом 1/8 VGA (240×160) и 1/4 VGA (320×240). Внешний вид этих дисплеев показан на рис. 3. В скором времени появятся дисплеи большего размера: VGA с диаго­налью 6 дюймов и SVGA – 18 дюймов. Кроме того, ста­нет возможным изготовление дисплеев на заказ. По­ставщиком новых дисплеев в Германии является фир­ма Actron (www.actron.de).

Рис. 3. Дисплеи различного цветового исполнения

Дисплеи выпускаются в виде модуля со встроен­ным микроконтроллером и SPI-интерфейсом. Диапа­зон напряжений питания – от 3 до 9 В. В модуле рас­положен DC/DC-преобразователь. Скорость обмена информацией составляет 250 кбит/с, объем памяти расширенной версии модуля 32 кбит. Ток в спящем режиме (менее 10 мкА) потребляется лишь схемой управления. В помощь разработчикам фирма выпу­скает отладочный комплект. Для работы при низких температурах возможно оснащение модуля нагрева­телем. Лицензии на производство модулей уже при­обрели несколько известных фирм, среди которых Panasonic, Fuijtsu, Kodak и AEG.

В настоящее время дисплеи выпускаются серийно лишь в монохромном исполнении (черный с желтым, зеленым, голубым или оранжевым, а также белый с голубым, красным и др.). Многоцветные дисплеи из­готавливаются только на заказ из-за их более высо­кой стоимости. Они состоят из нескольких слоев, рас­положенных один над другим. Когда один из слоев становится прозрачным, через него виден следую­щий.

Дисплеи первого поколения изготавливались со стеклянными экранами. С третьего квартала 2006 г. планируется начать выпуск дисплеев второго поколе­ния с экранами из гибкой пластиковой пленки (рис. 4). Сгибание дисплея не влияет на качество изображения. В первых образцах была использована пленка толщиной 125 мкм, при этом толщина дисплея составляла 250 мкм. К настоящему времени толщину пленки уменьшили до 50 мкм, а толщину дисплея – до 100 мкм. Планируется дальнейшее уменьшение тол­щины дисплеев. Основной проблемой в производ­стве тонких дисплеев является обеспечение надеж­ной герметизации.

Рис. 4. Гибкий дисплей

Области применения

Новые дисплеи целесообразно применять в сред­ствах визуальной информации, содержание которой изменяется довольно редко, как-то: в указателях и информационных табло на вокзалах, в аэропортах, банках, гостиницах. В предприятиях торговли они мо­гут служить в качестве ценников, содержание которых обновляется централизованно. Возможно также их применение в качестве электронных “газет” или “книг”.

Можно предложить еще ряд применений новых дисплеев. Так, например, миниатюрные запоминаю­щие устройства на флэш-памяти с USB-разъемом можно дополнить дисплеем для индикации свободного объема памяти. Дисплей на банковской карточ­ке покажет вкладчику остаток на его счету. Полезным будет такой дисплей и в сложных механизмах, нап­ример, в лифтах. В случае пропадания питающего напряжения с его помощью ремонтная бригада смо­жет определить состояние механизма в момент ос­тановки.