Jste zde

LCoS - displeje s kapalnými krystaly se nevzdávají !

Antonín Vojáček, 25. Březen 2007 - 14:31

LCoS (Liquid Crystal on Semiconductor = kapalné krystaly na polovodiči) je nový druh displejů s kapalnými krystaly, které sice vycházejí z klasických LCD, ale odlišná implementační struktura z nich umožňuje vydolovat daleko větší rozlišení a kontrast při celkově menších rozměrech. Základem je přímá integrace na křemíkový CMOS chip, tzn. přímá kompaktní realizace elektroniky a zdroje obrazu.

LCD displeje zná snad každý a jejich základní princip je všeobecně známý. I když se postupem času neustále zlepšují a jejich vlastnosti jsou postupně lepší a lepší, již teď narážejí na svoje limity. Jedním z nich je na dnešní a hlavně budoucí potřebu relativně nízké rozlišení a pro malé přenosné displeje i jejich nekompaktnost, kde řídící digitální elektronika je oddělená od samotného modulu displeje. To ve výsledku znamená relativně velký a těžký displej. Z tohoto pohledu je výhodná možnost přímé integrace celé CMOS elektroniky a i samotného displeje do jednoho kompaktního miniaturního nerozdělitelného celku. To právě provádí technologie LCoS, která umožňuje přímou integraci kapalných krystalů (Liquid Crystals) na povrch křemíkového CMOS chipu. Samotný displej tak již na první pohled nevypadá jako "skleněná placka", ale spíše jako zrcátko. Sklo se totiž objevuje již jen na povrchu displeje jako průhledná krycí vrstva.

Vlastnosti LCoS

Velké rozlišení i velmi malých displejů (dnes již HDTV - 1920 x 1080 bodů)
Nelze je z principu prosvítit, tj. využívají jen čelně dopadajícího světla
Vysoký kontrast (až 2000:1)
Velká optická účinnost
Reakční doba i pod 0.8 ms
Napájení do 15V
Typ. spotřeba do 250 mW
Dobrá čitelnost i za přímého slunečního osvětlení
Lze z nich vytvořit velké i miniaturní obrazovky a displeje
Řídící elektronika může být součástí displeje
Využívají různé varianty stočených nematických kapalných krystalů (Twisted Nematic Liquid Crystals)
Je nutné dodržet velkou přesnost výroby
Výrobci: např. Intel, Philips, Sony, Uneed Systems, JVC, a další

Použití LCoS

Měřící přístroje - multimetry, kapesní osciloskopy
Kapesní a náramkové hodinky
Lékařské přístroje
Spotřební elektronika
Multimediální technika
Informační displeje a ukazatele
HMI (Human-Machine Interface)
apod.

Struktura a princip technologie LCoS

Struktura technologie LCoS je z horní poloviny prakticky stejná jako u klasických LCD displejů. Tzn. když půjdem strukturou od shora (ze směru pohledu na displej) nalezneme obecně známé vrstvy:

Horní skleněná krycí vrstva (Cover glass)
Průhledné elektrody ITO
Případná vyrovnávací vrstva (Alignment Layer)
Kapalné krystaly (tekuté krystaly - Liquid Crystals)

Pak již se však struktura LCoS a LCD liší. Zatímco u LCD následuje průhledná či neprůhledná elektroda a opět vrstva skla, LCoS mají hliníkové elektrody, které zároveň pracují jako odrazná vrstva, a pod nimi již následuje křemík. Nejdříve oddělovací vrstva (spacer) a pak již křemíkový substrát, který může obsahovat kompletní integrované CMOS a MOS obvody, včetně metalizace. S využitím nejnovějších technologií, jako je například i SMARTMOS, také už i výkonové a analogové prvky. A to je hlavní rozdíl a výhoda LCoS.

Pokud například rozebereme mobilní telefon či jiný přístroj s LCD, vždy bude samotný displej vyset na "kšandě" nebo bude jednou nebo dvěma řadami kontaktů připevněn k desce plošných spojů (DPS). Samotný displej je vlastně jen "skleněná placka" a všechny obvody, které řídí jeho funkci, tj. zobrazování, jsou umístěny na DPS. U LCoS již může být celá řídící elektronika přímo v displeji, pod zobrazovací vrstvou s kapalnými krystaly. Celé zařízení tak může být kompaktnější a také menší, protože přímo integrovaná elektronika v modulu displeje zabere mnohem méně místa než jako součástka na DPS. A právě toto je mimo většího rozlišení velký posun kupředu.

Princip

Základní princip funkce je obdobný jako u klasických LCD. Kapalné krystaly se také ani jinak použít nedají. Využívá se tedy změny polarizace světla, kdy ve stavu bez napětí na struktuře jsou kapalné krystaly ve vertikálním směru mezi sebou vzájemně pootočeny (twisted) a tím i otáčejí polarizaci procházejícího světla. Při přiloženém napětí jsou všechny krystaly natočeny ve směru el. pole a polarizaci světla již neotáčení. Po doplnění struktury o polarizační filtry tak pixel bez napětí je světlý a pixel s napětím naopak tmavý. U datových projektorů jsou polarizátory součástí optiky (optických hranolů, čoček apod.), zatímco u samostatných displejů musí být součástí struktury.

Možný simulační náhradní model reálné struktury LCoS

Princip funkce a zjednušená reálná struktura LCoS využívané v displejích a panelech projektorů

LCoS displeje a projektory

Výše uvedená struktura umožňuje po doplnění polarizačními filtry přímo realizovat černobílé LCoS displeje, které mohou nahradit klasické malinké černobílé LCD, stále často využívané v hodinkách, stolních hodinách, budících, multimetrech a kapesních osciloskopech a základních informačních displejích spotřební i měřící elektroniky.

Jejich výhodou proti LCD je možnost integrace velkého množství pixelů (bodů) na velmi malou plochu. Lze tak realizovat grafický displej o velikosti nehtu, který umožňuje zobrazovat libovolné ornamenty, loga, čísla či znaky. Toho mohou například zajímavě využít výrobci náramkových hodinek, kde lze zobrazovat hodně informací, aniž by hodinky musely být příliš veliké. Naopak u multimetrů lze graficky realizovat analogovou stupnici nebo i na malém displeji kvalitně a podrobně zobrazovat průběhy měřeného signálu.

Velmi malé LCoS displeje s velkým rozlišením

Jenže v posledních letech jsou v kurzu hlavně barevné displeje. A zde je právě největší problém, jak dostatečně přesně minimalizovat a implementovat barevné RGB složky do struktury displeje tak, aby byl plně využit potenciál velkého rozlišení technologie LCoS. Právě tyto problémy zatím neumožňují masovou výrobu barevných LCoS displejů.

Datové projektory s LCoS

Zatím se LCoS ve spotřební a multimediální technice využívají pro digitální projektory, kde se prakticky využívá černobílých LCoS chipů ve formě regulovatelných zrcátek. Pro dosažení výsledného barevného obrazu se využívá jednoho z následujících "fíglů":

Použití 3 LCoS chipů, kde každý je odděleně osvětlovaný jen jednou barvou světla (3 barev. složky RGB) - LCoS chipy prakticky pracují jako regulovatelná zrcátka pro každou barvu, kde kapalné krystaly jednotlivých pixelů buď umožní odraz dopadajícího paprsku nebo neumožní (pixel obrazu je vidět nebo není).

Použití jednoho LCoS osvětlovaného bílým světlem, kde se barevného podání dosahuje dostatečně rychle se otáčejícím tříbarevným kotoučem - využívá se známé setrvačnosti lidského oka

První princip dosahuje daleko lepších výsledků, tj. kvalitnějšího obrazu. V současných projektorech se využívá zdroje bílého světla, kde se optickými hranoly z něho separují potřebné barevné RGB složky. Využívat však lze i oddělené generování složek separátními zdroji (například LED), ale zde se hůře dosahuje správného barevného vyvážení.

Příklad struktury datových projektorů s LCoS

Barevné LCoS displeje

Stejně jako u barevných LCD, i zde se dá barvy dosáhnout použitím barevných RGB filtrů. Avšak zatímco u LCD má typický jeden pixel modré, zelené nebo červené barvy rozměry 100 x 300 mikrometrů, tloušťku barvy 1.5 mikrometrů a nepřesnost umístění filtru nad pixel je cca 10 mikrometrů, u LCoS je potřeba vytvořit barevnou plošku velkou méně než 10 x 10 mikrometrů s tloušťkou do 0.75 mikrometrů a přesností umístění na pixel do 1 mikrometru. Navíc světlo zde musí filtrem projít 2x a každá nepřesnost je tedy více projeví.

Teoreticky se může využít dvou struktur:

implementace barevných RGB filtrů na pixely přímo nad reflexní metalickou vrstvou jednotlivých pixelů pod kapalnými krystaly
klasické barevné filtry na skle na povrchu nad kapalnými krystaly

První uvedená metoda je sice složitější na výrobu, ale dovoluje dosáhnout velkého rozlišení (malé pixely cca 10 x 10 mikrometrů), lepšího kontrastu, ostrosti a barevného podání. Druhá metoda je "klasická", využívaná již u LCD, ale mimo jiné nedovoluje realizovat tak malé barevné pixely, jak to dovoluje samotná černobílá struktura LCoS. Tím celá technologie ztrácí svojí výhodu proti LCD a proto se všichni výrobci snaží zvládnout výrobu té první barevné struktury.

Technologie přímé implementace RGB filtrů na polovodič pod kapalné krystaly, resp. přesněji na odraznou plochu pod kapalnými krystaly, však musí vypořádat s několika problémy:

Je nutné zajistit patřičnou adhezi povrchu křemíku (oxidu křemíku) pro nanesení barevné vrstvy.
Zajistit konstantní malou tloušťku vrstvy všech barev, přičemž při tloušťce okolo 0.75 mikrometrů se již významně uplatňuje rozdílná elasticita barev.
Zajistit dostatečně hladký povrch, aby bylo na tuto vrstvu možné nanést kapalné krystaly.

Nejnověji však již byla vymyšlena a nasazena modifikace výše popsané struktury umístěním barevných filtrů, aby bylo dosaženo přesnějších barevných odstínů a výborného zobrazení i na přímém slunci. Vrstva spodních elektrod na křemíkovém chipu se ještě překrývá další křemíkovou vrstvou, tzv. absorpční, a ta je dále překryta speciální barevnou reflexní vrstvou. Ta svým složením dovoluje přesně nastavit, které vlnové délky bude odrážet a které naopak propustí. Ty co projdou jsou pak absorbovány spodní vrstvou a zaniknou. Takový displej se pak vyznačuje výborným stálým podáním barev i za různého složení dopadajícího vnějšího světla (slunce, žárovka apod.). Navíc lze tak nastavit skoro libovolné barvy a dokonce odraz nebo průchod infračerveného světla.

Závěr

Díky LCoS si mohou displeje a projektory s kapalnými krystaly udržet dominantní postavení na poli průmyslové i spotřební elektroniky. Přímá integrace na CMOS chip umožňuje dosáhnout velmi dobrých zobrazovacích vlastností srovnatelné s OLED a SED na poli displejů nebo například technologií DLP na poli datových projektorů s vysokým rozlišením.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz