Na trhu vestavných displejů pro průmyslové i spotřební využití se vyskytují mimo obvyklé LCD i EL displeje. Barevné i monochromatické se hodí pro aplikace v náročných prostředích s velkými teplotními výkyvy. Dosahují velkých rozlišení i při malých rozměrech a velkého pozorovacího úhlu.

V průmyslu, měření a regulaci i v běžném životě (spotřební výrobky) se využívají elektrolumuniscenční (EL) displeje jako alternativa k hojně využívaným LCD displejům. Hlavně tam, kde není vhodné použít LCD, lze jistě využít vlastnosti EL displejů. Ty svou konstrukcí, generující světlo bez potřeby jakéhokoliv výbojky apod., dosahují vynikajících pozorovacích úhlů, obrovských pracovních rozsahů teplot i vysokého rozlišení při malý i velkých úhlopříčkách. Proto jsou velmi vhodné pro uživatelské rozhraní - HMI (Human-Machine Interface) v průmyslových aplikacích. Jako příklad výrobce EL displejů lze jmenovat firmu Planar (viz. obrázek 1.)

Z technologického hlediska existuje i několik provedení a principů EL displejů. Proto jsem tento článek tentokrát věnoval přiblížení a porovnání různých principů a struktur, které se v konstrukci využívají. Z následujícího popisu pak vyplývají i vlastnosti a možnosti, které tato technologie poskytuje.

Možnosti technologie EL displejů

• vynikající pozorovací úhel (> 160° )
• velký pracovní teplotní rozsah (-50°C až přes +100°C)
• malá spotřeba (desítky mW)
• dostatečný kontrast (až 200:1) a jas (150 cd/cm2)
• vysokého rozlišení při úhlopříčkách menších než 1 palec (např. XGA 1280x1024 při úhlopříčce 0.76")

Přehled struktur a principů využívaných pro EL displeje

Hlavní fyzikální princip, na kterém je princip EL displejů založen, je netepelná přeměna elektrické energie na světelnou energii. Elektroluminiscenční displeje lze rozdělit na:

• světlo emitované pomocí technologie LED - generace fotonu vznikem páru elektron-díra v oblasti PN přechodu
• světlo vznikající prostřednictvím technologie TFEL - generování světla metodou nárazové excitace elektrony s vysokou energií v materiálu ZnS:Mn. Tu energii získají ze vzniklého elektrického pole, a proto se někdy EL displeje označují jako "high field electroluminescence".

V tomto článku se dále budu věnovat té zajímavější druhé technologii.

THIN FILM EL (TFEL) DISPLAYS

TFEL struktura displeje patří k základním strukturám, které se pro elektroluminiscenční displeje využívají. Struktura jednotlivých částí displeje na obrázku 1 a 2. .

Základ struktury tvoří tenká centrální vrstva tvořená fosforem (Phosphor), který emituje světlo, když napříč vrstvou existuje dostatečně vysoké elektrické pole. Požadované pole je okolo 1MV/cm. Vrstvy izolantů (Insulator) pak limitují velikost nabíjecího a vybíjecího proudu kapacitoru Cp (viz. obr. 2.) tvořený vrstvou fosforu. Nakonec jsou tu elektrody, kterými se logicky přivádí napájení pro vytvoření el. pole na struktuře. ITO elektrody jsou pak průhledné pro výstup světle ze struktury.

Náhradní elektrický model (obrázek 2.) lze popsat následovně: Obě vrstvy izolantu tvoří ideální kapacitory spolu s vrstvou fosforu. Ten se však chová jako kapacitor pod určitým prahem napětí (threshold). Po přivedení dostatečně velkého napětí na elektrody začne vrstva fosforu propouštět proud (překročení zenerova napětí diody v schématu paralelně zapojené ke kapacitoru Cp). Tekoucí proud excituje světloemisní centra fosforu. To lze v schématu přirovnat k transportnímu proudu, který ukládá náboj na rozhraní fosfor-izolant a vzniká tak vnitřní polarizace elektrického pole v protikladu k el. poli generovaného externím napětím. Náboj na rozhraní roste až způsobí pokles úbytku napětí na diodách pod prahovou úroveň, což zamezí dalšímu pohybu náboje (excitovaný stav fosforu). Velikost náboje je reprezentovaná hodnotou Q při napětí U = 0V. Dochází pak zpětnému přechodu fosforu z excitovaného do základního energetického stavu (zánik náboje), přičemž se generuje záření - světlo. Spotřeba je pak při 60 impulsech světla/sekundu okolo 8 mW/cm2.

Kvalita vrstvy fosforu a izolantů mají vliv na závislosti množství emitovaného světla/napětí a efektivita/napětí. Velká strmost těchto charakteristik pak ukazuje na výborný kontrast displeje. Typický materiál pro TFEL displeje ZnS:Mn má efektivitu 6 lm/W, což u takového běžného displeje TFEL 320x240 (QVGA) udává kontrast až 150:1, osvětlení 500 luxů a zobrazovací úhel větší než 160°.

Tradičně využívaný žlutý fosfor ZnS:Mn pro monochromatické displeje (viz. obrázek 1.) může být v budoucnu nahrazován oxidy fosforu ZnGa2O4 a ZnSiO4. Jinak hlavně pro barevné displeje se vyvinuly fosfory červené (CaSSe:Eu), modré (SrS:Ce, SrGa2S4:Ce, CaGa2S4:Ce , SrS:Cu, BaAl2S4:Eu), zelené (ZnS:TbOF, SrS:Ce) a hlavně bílé (SrS:Ce/ZnS:Mn, SrS:Cu/ZnS:Mn), ze kterých lze filtací bílého světla generovat celé spektrum barev. Například monochromatický bílý displej s bílým fosforem o rozměru 192 x 192 a pracovní frekvenci 460 Hz dosahuje jasu 198 cd/m2.

COLOR TFEL & TDEL DISPLAYS

Jak jsem již napsal výše, barevný RGB displej (tj. barevný obraz skládaný z barev červená (Red), zelená (Green) a modrá (Blue)) lze vytvořit buï použitím 3 barev fosforů RGB nebo použít bíle svítící fosfor a pak zařadit RGB barevné filtry. V případě TFEL barevných displejů se využívá té druhé možnosti - viz. obrázek 3. Princip a funkce je úplně stejná jako v případě monochromatického TFEL displeje, pouze na vrchní straně displeje je optické RGB filtery (RGB filters), která z bílého světla vyrábějí potřebnou kombinaci barev. Ukázkou, že to funguje je například displej (color TFEL display) firmy PLANAR s úhlopříčkou 5", rozměry 340(x3)x240 QVGA s bílým fosforem SrS:Ce/ZnS:Mn.

Trošku odlišný princip používají barevné TDEL displeje (color Thick film Dielectric Electroluminescent displays) , které jsou kombinací obou výše uvedených principů, jak získat RGB barvy (viz. obrázek 4.). Tuto konstrukci společně vyvinuli firmy iFire Technology a TDK Corporation. Používá dva druhy fosforů: BaAl2S4:Eu pro modrý a ZnMgS:Mn pro generování červené a zelené barvy. Speciální dielektrické izolační vrstvy (Thick Film Dielectric) odolné proti průrazu umožňují větší transportní proud skrz fosforovou vrstvu. Taková to konstrukce umožňuje například vytvořit displej s úhlopříčkou 4.25” a jasem 150 cd/m2.

ACTIVE-MATRIX EL (AMEL) DISPLAYS

Tato struktura byla vyvinuta pro miniaturní displeje s úhlopříčkou 0.3" až 1" s velkým rozlišením až 2000 lpi (lines per inch - čar na palec) hlavně pro přenosné přístroje. Dále tyto displeje mají vysoký kontrast, jas a rychlou odezvu při kompaktních rozměrech. Princip aktivní matice umožňuje také minimalizovat spotřebu.

Struktura je částečně podobná struktuře TFEL displejů. Hlavní rozdíl je v aktivní matici vodivých plošek (elektrod) na křemíkovém substrátu, který je od ostatních nízkonapěťových obvodů na chipu odizolován izolační podložkou - technologie silicon-on-insulator (SOI). Na následujícím obrázku 5. je bloková struktura aktivní matice displeje a ostatních obvodů umístěné na jednom chipu. Každý pixel obsahuje svůj vlastní spínací tranzistor, paměťový kondenzátor a vysokonapěťový tranzistor - viz. výřez v obrázku 5. Protože typické napětí na pixelu musí být okolo 80V, spínací DMOS tranzistor musí mít průrazné napětí větší než 80V. Periferní obvody pak obsahují posuvné registry (shift registers) a budiče linek (lines drivers) pro adresování pixelů.

Monochromatické AMEL displeje založené na 24mikrónovém pixelu dosahují až 1000 lpi (lines per inch) a VGA rozlišení 640x480 pixelů při úhlopříčce displeje 0.76". Kontrast je pak 100:1 pro žlutý (580 nm) monochromatický displej. AMEL struktura 2. generace je pak založená již na 12mikrónovém pixelu. Displej 1280x1024 XGA pak poskytuje 2000 lpi při úhlopříčce 0.76".

Na obrázku 6. je pak porovnání dvou struktur pro barevné AMEL displeje využívající bílý fosfor (SrS:Ce/ZnS:Mn) pro generování záření. Zatímco struktura "Spatial color - prostorové barvy" využívá filtr jednotlivých RGB barev, struktura "Sequential Color - sekvenční barvy" obsahuje LC závěrku (liquid crystal color shutter). Výhoda prvního řešení je lepší průchodnost světla a tím větší účinnost. Tak lze vytvořit barevný QVGA 320 (x3) x 240 mikrodisplej s úhlopříčkou 0.38”, kontrastem větším než 200:1, jasem 75 cd/m2. Výhodou je minimální spotřeba 230 mW a teplotní rozsah -40 až 70°C. Další z výhod aktivní matice je možnost měnit obraz po řádkách a není tedy nutný frame buffer.

TRANSPARENT TFEL DISPLAYS

Zajímavou variantou klasických TFE displejů je transparentní TFEL displej, který má podobnou strukturu jako ten klasický, přičemž je hlavní rozdíl v použití skla na obou stranách displeje a dvou průhledných ITO elektrod - viz. obrázek 7.

Závěr

Ať již hledáte displej, který přežije teplotu 140 °C nebo vydrží tvrdé podmínky přenosných lékařských aplikací, elektroluminiscenční displeje jsou obvykle vyrobeny tak, aby obstály v prostředích, kde již LCD displeje nelze použít. Tam je totiž jejich primární využití a uplatnění. Cílem tohoto článku pak bylo ukázat principy a současné technologické možnosti těchto displejů.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka výrobce EL displejů, firmy Planar - www.planar.com
  
  
• Další články týkající se Displejů a HMI na serveru automatizace.HW.cz
• článek - TEST výrobku DisplayKit pro grafické LCD
• Velký sortiment displejů za nízké ceny v HW shopu