Член

Футурология на смартфона: Науката зад следващия дисплей на вашия телефон

Бъдещето на смартфоните

Добре дошли в Smartphone Futurology. В тази нова поредица от научни статии, Мобилни нации гост сътрудник Шен Йе разглежда актуалните технологии, използвани в нашите телефони, както и модерните неща, които все още се разработват в лабораторията. Предстои доста наука, тъй като много от бъдещите дискусии се основават на научни хартии с огромно количество технически жаргон, но ние се опитахме да запазим нещата толкова ясни и прости, колкото възможен. Така че, ако искате да се потопите по-дълбоко в това как функционират червата на вашия телефон, това е серията за вас.

Нова година носи сигурността на новите устройства, с които да играете, и затова е време да погледнем напред какво бихме могли да видим в смартфоните на бъдещето. Първата част от поредицата разгледа новите неща в областта на батерията. Втората част на поредицата разглежда най-важния компонент на всяко устройство - самия екран. На съвременно мобилно устройство екранът действа като основно устройство за въвеждане и извеждане. Това е най-видимата част от телефона и един от най-жадните му компоненти. През последните няколко години видяхме как разделителните способности на екрана (и размерите) достигат до стратосферата до точката, в която много телефони сега разполагат с 1080p дисплеи или по-нови. Но бъдещето на мобилните дисплеи е нещо повече от просто размер и плътност на пикселите. Прочетете, за да разберете повече.

За автора

Шен Йе е разработчик на Android и завършил MSci по химия от университета в Бристол. Хвани го в Twitter @shen и Google+ + ShenYe.

Повече в тази поредица

Не забравяйте да проверите първата част от нашата серия смартфони Futurology, която покрива бъдещето на технологията на батериите. Продължете да гледате за още през следващите седмици.

Дисплей на смартфона

Само преди 5 години водещата водещ телефон с Android имат 3.2-инчов, 320 × 480 HVGA екран, с плътност на пикселите 180 PPI. Стив Джобс обяви, че „магическото число е точно около 300 пиксела на инч“, когато iPhone 4, със своя Retina Display, беше пуснат през 2010 г. Сега имаме 5,5-инчови QHD екрани с 538 PPI, далеч над разделителната способност на човешкото око, когато се държат на разстояние 20 см. Въпреки това с VR аксесоари като Google Cardboard и Samsung Gear VR които използват нашите телефони - да не говорим за правата за хвалене, които вървят с по-остри екрани - производителите продължават да търсят по-високи резолюции за своите водещи устройства.

В момента трите най-популярни типа екрани на пазара са LCD, AMOLED и E-ink. Преди да говорим за предстоящите подобрения за всяка от тези технологии, ето кратко обяснение за това как работи всяка от тях.

HTC One M8 LCD

LCD (течнокристален дисплей)

Основната технология на LCD е на десетилетия.

LCD дисплеите съществуват от десетилетия - същия тип технология, използвана в съвременните дисплеи за лаптопи и смартфони, захранва екраните на джобните калкулатори още през 90-те години. Течните кристали (LC) са точно както е посочено в името им, съединение, което съществува в течната фаза при стайна температура с кристални свойства. Те не са в състояние да произвеждат собствен цвят, но имат специална способност да манипулират поляризираната светлина. Както може би знаете, светлината се движи във вълна и когато светлината напусне източник на светлина, вълните са във всяка степен на ориентация. Поляризиращият филтър е в състояние да филтрира всички вълни, които не са подравнени с него, произвеждайки поляризирана светлина.

Вълни

Най-често срещаната фаза на LC е известна като нематична фаза, където молекулите са по същество дълги цилиндри, които се самоизравняват в една посока като пръчковидни магнити. Тази структура кара поляризираната светлина, преминаваща през нея, да се върти, свойството, което дава на LCD дисплеите способността им да показват информация.

Когато светлината е поляризирана, тя ще може да премине поляризиращ филтър само ако двете са подравнени в една и съща равнина. Преди век е открит преходът на Fréedericksz, който предоставя способността да се прилага електрическо или магнитно поле върху LC проба и променят ориентацията им, без да влияят на кристален ред. Тази промяна в ориентацията е в състояние да промени ъгъла, на който LC може да върти поляризирана светлина и това беше принципът, който позволява на LCD дисплеите да работят.

ВълниLCD

В диаграмата по-горе светлината от подсветката е поляризирана и преминава през течнокристалната решетка. Всеки течен кристален субпиксел се управлява от собствен транзистор, който регулира въртенето на поляризираната светлина, която преминава през цветен филтър и втори поляризатор. Ъгълът на поляризация на светлината, напускаща всеки субпиксел, определя колко от него може да премине през втория поляризатор, което от своя страна определя яркостта на субпиксела. Три субпиксела съставляват един пиксел на дисплея - червен, син и зелен. Поради тази сложност различни качества влияят върху качеството на екрана, като жизненост на цветовете, контраст, честота на кадрите и ъгли на гледане.

AMOLED

AMOLED (Органичен светодиод с активна матрица)

Samsung е един от основните иноватори в представянето на AMOLED на мобилни устройства.

Samsung Mobile е един от основните иноватори в представянето на AMOLED екрани в мобилната индустрия, като всичките му екрани са направени от сестра му компания Samsung Electronics. Екраните AMOLED са похвалени за „истинските черни цветове“ и цветната жизненост, въпреки че могат да страдат от изгаряне на изображения и пренасищане. За разлика от LCD, те не използват подсветка. Всеки субпиксел е светодиод, който произвежда своя собствена светлина със специфичен цвят, който се диктува от слоя материал между електродите, известен като излъчващ слой. Липсата на подсветка е причината, поради която AMOLED дисплеите имат толкова дълбоко черно, а това също носи предимството на икономия на енергия при показване на по-тъмни изображения.

LED

Когато се активира субпиксел, ток, специфичен за необходимия интензитет, се предава през излъчващия слой между електродите, а компонентът на излъчващия слой преобразува електрическата енергия в светлина. Както при LCD, един пиксел (обикновено) е направен от три субпиксела червено, синьо и зелено. (Изключение тук са PenTile дисплеите, които използват разнообразие от неправилни субпикселни матрични модели.) С всеки субпиксел произвежда свой собствен светлината, високата енергия може да причини влошаване на субпикселите, което води до по-нисък интензитет на светлината, който може да се наблюдава при изгаряне на екрана. Сините светодиоди имат най-висока енергия и нашата чувствителност към синьото е по-ниска, така че те трябва да бъдат включени още по-ярки, което ускорява това влошаване.

Електронно мастило (електрофоретично мастило)

E-ink се справя феноменално в индустрията за електронни четци, най-вече Amazon Kindle. (Електронният дисплей на Pebble е малко по-различен.) Руската фирма YotaPhone дори е направила телефони със заден дисплей за електронно мастило.

Има две основни предимства на E-ink пред LCD и AMOLED. Първият е чисто естетичен, външният вид и липсата на отблясъци е привлекателен за читателите, тъй като е близо до външния вид на печатна хартия. Второто е удивително ниската консумация на енергия - няма нужда от подсветка и състоянието на всеки пиксел не се нуждае от енергия за поддържане, за разлика от LCD и AMOLED. Дисплеите с електронно мастило могат да запазят страница на екрана за изключително дълги периоди от време, без информацията да стане нечетлива.

Електронно мастило

Противно на общоприетото схващане, „Е“ не означава „електронен“, а неговият „електрофоретичен“ механизъм. Електрофорезата е явление, при което заредените частици се движат, когато към него се приложи електрическо поле. Черните и белите пигментни частици са съответно отрицателни и положително заредени. Подобно на магнитите, еднакви заряди се отблъскват и противоположните заряди се привличат. Частиците се съхраняват в микрокапсули, всяка с половината от ширината на човешки косъм, пълни с мазна течност, за да могат частиците да се движат. Задният електрод е в състояние да индуцира положителен или отрицателен заряд върху капсулата, което определя видимия цвят.

LG G Flex 2 дъги

Бъдещето

С основно разбиране за това как работят тези три дисплея, можем да разгледаме подобренията, които идват надолу.

Каскаден LCD

Каскаден LCD Кредит за изображение: NVIDIA

Каскадният LCD е изискан термин за подреждане на чифт LCD дисплеи един върху друг с леко отместване

NVIDIA публикува статия, в която подробно описва своите експерименти в четирикратно увеличаване на резолюциите на екрана с каскадно дисплеи, измислен термин за подреждане на чифт LCD дисплеи един върху друг с леко изместване. С някои софтуерни съветници, базирани на някои сериозно математически алгоритми, те успяха да превърнат всеки пиксел в 4 сегмента и по същество да увеличат четворната резолюция. Те виждат това като потенциален начин за създаване на евтини 4K дисплеи от обединяването на два 1080p LCD панела заедно за използване във VR индустрията.

Групата отпечата 3D комплект слушалки VR за техния прототип каскаден дисплей като доказателство за концепцията. Тъй като производителите на телефони се надпреварват да правят по-тънки и по-тънки устройства, може никога да не видим каскадни дисплеи в нашите бъдещ смартфон, но обещаващите резултати може да означават, че ще получим каскадни 4K монитори при много разумни цена. Силно препоръчвам да проверите Документ на NVIDIA, това е интересно четиво с няколко сравнителни снимки.

Квантови точки

Квантови точки Кредит за изображение: PlasmaChem GmbH

Повечето актуални търговски налични LCD дисплеи използват CCFL (флуоресцентна лампа със студен катод) или светодиоди за подсветката. LED-LCD дисплеите започнаха да се предпочитат, тъй като имат по-добра цветова гама и контраст спрямо CCFL. Наскоро квантовите LED-LCD дисплеи започнаха да се предлагат на пазара като заместител на LED подсветката, като TCL наскоро анонсира своя 55-инчов 4K телевизор с квантови точки. Според документ от QD Vision1 цветовата гама от QD LCD дисплей с подсветка надвишава тази на OLED.

Всъщност можете да намерите QD подобрени дисплеи на пазара на таблети, най-вече Kindle Fire HDX. Предимството на QD е, че те могат да бъдат настроени да произвеждат специфичния цвят, който производителят иска. След като много компании показват своите квантови телевизори на CES, 2015 може да е годината, в която QD подобрените дисплеи достигат до масовия пазар на телефони, таблети и монитори.

Добавки за течни кристали

Квантови точки Кредит за изображение: Раджратан Басу, Военноморска академия на САЩ2

Изследователски групи по целия свят активно търсят неща, които да добавят към течните кристали, за да им помогнат да ги стабилизират. Една от тези добавки е въглеродни нанотръби (CNT)3. Само добавянето на малко количество УНТ успя да намали прехода на Fréedericksz, обяснено по-горе, така че това доведе както до по-ниска консумация на енергия, така и до по-бързо превключване (по-високи честоти на кадрите).

През цялото време се правят още открития в добавките. Кой знае, може би в крайна сметка ще имаме течни кристали, стабилизирани толкова добре, че няма да се нуждаят от напрежение, за да поддържат състоянието си, и с много малко потребление на енергия. LCD дисплеите с памет на Sharp най-вероятно използват подобна технология с ниската си консумация на енергия и "постоянни пиксели". Въпреки че това изпълнение е монохромно, премахването на подсветката го прави конкурент с дисплеи с E-ink.

Трансфлективни LCD

Трансфлективните LCD могат да премахнат необходимостта от подсветка, спестявайки енергия в процеса.

Трансфлективният LCD е LCD, който едновременно отразява и пропуска светлината. Той елиминира необходимостта от подсветка при слънчева светлина или при ярки условия, като по този начин значително намалява консумацията на енергия. Подсветката също е слаба и слабо захранвана, тъй като е необходима само на тъмно. Концепцията съществува от няколко години и те се използват в LCD часовници, будилници и дори малък нетбук.

Основната причина, поради която може да не сте чували за тях, е прекомерно високата им предварителна цена за производителя в сравнение със стандартния TFT LCD. Все още не сме виждали трансфлективни дисплеи, използвани в смартфоните, вероятно защото трудно ще бъдат продадени на генерала консуматор. Демонстрациите на телефон на живо и дисплейните устройства са един от най-добрите начини за привличане на клиент, така че търговците са склонни да увеличат настройките за яркост на демонстрационните модули, за да привлекат вниманието на потенциалните купувачи, ниско захранваното подсветка в трансфлективните екрани би имало трудности състезаващи се. За тях ще стане все по-трудно да навлязат на пазара, тъй като LCD подсветките стават все по-ефективни и цветните дисплеи с E-мастило вече са патентовани.

Дисплеи за коригиране на зрението

Някои читатели може да познават някой далновиден, който трябва да държи телефона си на една ръка разстояние, или да зададе огромен шрифт на дисплея си, само за да го прочете (или и двете). Екипите от UC Berkeley, MIT и Microsoft се обединиха, за да произведат дисплеи за коригиране на зрението използвайки технология на светлинното поле, подобна концепция на тази в камерите Lytro Светлинното поле е математическа функция, която описва количеството светлина, което се движи във всяка посока през всяка позиция в пространството, така работи сензорът в камерите Lytro.

Изследователите са успели да използват технология на светлинното поле, за да модифицират дисплеите на устройства за далекогледни потребители.

Дисплей за коригиране на зрението Кредит за изображение: MIT

Всичко, от което се нуждае дисплеят, коригиращ зрението, е оптичната рецепта за изчислително изменение на начина, по който светлината от екрана влиза в очите на потребителя, за да се постигне перфектна яснота. Най-хубавото на тази технология е, че конвенционалните дисплеи могат да бъдат модифицирани, за да се постигне корекция на зрението. В техните експерименти екранът на iPod Touch от четвърто поколение (326 PPI) е снабден с прозрачен пластмасов филтър. Разпръснатият във филтъра е масив от дупки, леко изместени към пикселния масив, с дупки, достатъчно малки, за да разсейват светлината и да излъчват светлинно поле, достатъчно широко, за да влязат в двете очи на потребител. Изчислителният софтуер може да промени светлината, която излиза от всяка от дупките.

Дисплеят обаче идва с няколко недостатъка. Като начало яркостта е малко по-слаба. Ъглите на видимост също са много тесни, подобни на тези на 3D дисплеите без очила. Софтуерът може да изостри дисплея само за една рецепта наведнъж, така че само един потребител може да използва дисплея наведнъж. Настоящият софтуер, използван в хартията, не работи в реално време, но екипът доказа, че дисплеят им работи с неподвижните изображения. Технологията е подходяща за мобилни устройства, монитори за компютър и лаптоп и телевизори.

Кристални IGZO транзистори

Остър кристал Aquos

IGZO (индий галиев цинков оксид) е полупроводников материал, открит едва през последното десетилетие. Първоначално предложено през 2006 г.3, наскоро започна да се използва в тънкослойни транзистори за управление на LCD панели. Разработено в Токийския технологичен институт, е доказано, че IGZO пренася електрони до 50 пъти по-бързо от стандартните силициеви версии. В резултат на това тези тънкослойни транзистори могат да постигнат по-висока честота на опресняване и резолюции.

Технологията е патентована и Sharp наскоро използва лиценза си за производство на 6,1-инчов LCD панел с 2K резолюция (498 PPI). Sharp доставя LCD IPS дисплеи с висока разделителна способност в мобилната индустрия, а кристалните IGZO панели само ще увеличат дела на компанията на този пазар, особено в светлината на минали партньорства с Apple за доставка на LCD панели за iOS устройства. Наскоро Sharp пусна Aquos Crystal, показвайки IGZO дисплей с висока разделителна способност и свити рамки. Очаквайте 2015 г. да бъде годината, в която IGZO дисплеите започват да поемат различни флагмански устройства.

Нанопиксели

Учени от Оксфордския университет и Университета в Ексетър наскоро патентоваха и публикуваха статия4 за използване на материал за промяна на фазата (PCM) за дисплеи, постигане на разделителна способност 150 × от конвенционалните LCD дисплеи. PCM е вещество, чиято фаза може лесно да се манипулира, като в този случай се променя между прозрачно кристално състояние и непрозрачно аморфно (дезорганизирано) състояние.

Нанопикселова диаграма

Подобно на LCD технологията, приложеното напрежение може да диктува дали даден субпиксел е прозрачен или непрозрачен, но не изисква двата поляризиращи филтъра и така позволява тънки хартиени дисплеи. PCM слоят е направен от германий-антимон-телур (GST), същата новаторска субстанция, използвана за презаписване DVD дискове. Частиците от GST се бомбардират върху електрод, като се получава тънък гъвкав филм, който позволява екрана да бъде гъвкав. Производителите могат също така да настройват ръчно цвета на всеки нанопиксел, тъй като GST има специфичен цвят в зависимост от дебелината му - подобно на технологията на дисплеите с интерферометричен модулатор (или с търговска марка като Mirasol).

PCM дисплеите са с висока енергийна ефективност. Подобно на E-ink, пикселите са постоянни, като по този начин изискват захранване само когато състоянието на пикселите изисква промяна. Може никога да не се нуждаем от 7000 PPI дисплей на нашите телефони, но екипът вижда, че те са полезни в приложения, където устройствата изискват увеличение, напр. VR слушалки. Фазово променящите се материали също могат да се променят в електропроводимостта, силно проучена област в NAND технологията, която ще спестим за бъдеща статия от тази поредица.

Qualcomm Toq

Показва се IMOD / Mirasol

Дисплеите на Mirasol са вдъхновени от начина, по който са оцветени крилата на пеперудите.

Дисплеите за интерферометричен модулатор (IMOD) използват явление, което се случва, когато фотон (лека частица) взаимодейства с малки структури на материята, причинявайки светлинни смущения, вдъхновени от начина, по който са крилата на пеперудата цветни. Подобно на другите дисплеи, всеки субпиксел има свой собствен цвят, който се определя от ширината на въздушната междина между тънкия филм и отразяващата мембрана. Без никаква мощност, субпикселите запазват специфичните си цветни състояния. Когато се приложи напрежение, то предизвиква електростатична сила, която свива въздушната междина и субпикселът поглъща светлина. Един пиксел се състои от няколко субпиксела, всеки с различна яркост за всеки от трите RGB цвята, тъй като субпикселите не могат да променят яркостта си като LCD субпикселите.

Миразол

Дисплеите на Mirasol са в бавно производство, насочени към пазара на електронни четци и носещи технологии. Qualcomm наскоро пуснаха своите Интелигентен часовник Toq който използва дисплея. Ниско енергийните устойчиви пиксели и липсата на подсветка на Mirasol го правят сериозен конкурент в индустрията за цветни електронни четци. Разходите за производство на необходимите микроелектромеханични системи (MEMS) са все още малко високи, но бързо стават по-евтини.

Подобно на трансфлективните дисплеи, липсата на подсветка на Mirasol би затруднила продажбата на обикновения потребител в настоящия пазар на смартфони. Въпреки това технологията е използвана в устройства като Qualcomm Toq, с различна степен на успех.

LG G Flex 2

Гъвкав OLED

Телефони с гъвкава OLED технология вече са на пазара - и идват още.

Samsung и LG активно се надпреварват да прогресират OLED технологията, като двете компании влагат много средства в тази технология. Виждали сме извити OLED дисплеи на техните телевизори и дори телефоните им - LG G Flex и G Flex 2, Samsung Galaxy Note Edgeи т.н. И двете компании показаха своите полупрозрачни гъвкави дисплеи, като LG показва 18-инчов гъвкав OLED, който може да се навие в плътна тръба с диаметър малко над инча.

Въпреки че този дисплей е само 1200 × 810, LG вярват уверено, че могат да разработят 60-инчови 4K гъвкави дисплеи до 2017 г. Научният пробив, показан от това, е гъвкавият полиимиден филм, използван като гръбнак на дисплея. Полиимидът е здрав, но гъвкав материал, който е устойчив на топлина и химикали. Използва се широко за изолация на електрически кабели, лентови кабели и медицинско оборудване. Очаквайте да се показват все повече и повече от тези гъвкави дисплеи, но ще трябва да изчакаме и да видим дали производствените разходи са достатъчно ниски, за да бъдат жизнеспособни на мобилния пазар.

За повече информация относно най-завладяващата гъвкава OLED реализация, която сме виждали досега в един телефон, вижте Android CentralLG G Flex 2 визуализация.

Долния ред

До края на 2015 г. трябва да видим IGZO LCD панели в някои от водещите устройства на Android, евентуално с помощта на квантово подобрени подсветки. Може също така да видим, че панелите на Mirasol стават все по-широко възприети при носене, което ни дава разширение живот на батерията, от който се нуждаем - обаче тези, които предпочитат жизнеността на LCD или OLED панел, може да не са убеден. Със сигурност има голямо разнообразие на пазара на дисплеи - ярки, живи дисплеи с висока разделителна способност от единия край и постоянни дисплеи с ниска мощност от другия.

Индустрията за мобилни дисплеи продължава да напредва с бясна скорост и разширяването на размера на екрана и плътността на пикселите са само част от уравнението.

  1. J.S. Steckel, R. Колби, У. Лиу, К. Hutchinson, C. Брийн, Дж. Ritter и S. Coe-Sullivan, 68.1: Поканена книга: Изисквания за производство на квантови точки за пазара с голям обем LCD, SID Symposium Digest of Technical Papers, 2013. 44 (1): стр. 943-945.

  2. R. Басу, Ефект на въглеродните нанотръби върху индуцираното от полето нематично превключване, Приложна физика, 2013. 103 (24): стр. -.

  3. J.H. Ko, I.H. Ким, Д. Ким, К.С. Лий, Т.С. Лий, Дж. Jeong, B. Cheong, Y. J. Baik и W.M. Ким, Ефекти от добавянето на ZnO върху електрически и структурни свойства на аморфни SnO2 тънки филми, Тънки твърди филми, 2006. 494 (1–2): стр. 42-46.

  4. П. Хосейни, C.D. Райт и Х. Bhaskaran, Оптоелектронна рамка, активирана от нискоразмерни филми с фазова промяна, Nature, 2014. 511 (7508): стр. 206-211.

Можем да спечелим комисионна за покупки, използвайки нашите връзки. Научете повече.

Това са най-добрите безжични слушалки, които можете да закупите на всяка цена!
Време е да прережете кабела!

Това са най-добрите безжични слушалки, които можете да закупите на всяка цена!

Най-добрите безжични слушалки са удобни, звучат страхотно, не струват прекалено много и лесно се побират в джоба.

Всичко, което трябва да знаете за PS5: Дата на издаване, цена и много други
Следващото поколение

Всичко, което трябва да знаете за PS5: Дата на издаване, цена и много други.

Sony официално потвърди, че работи по PlayStation 5. Ето всичко, което знаем за него до момента.

Nokia пуска два нови бюджетни телефона Android One под $ 200
Нови Нокии

Nokia пуска два нови бюджетни телефона Android One под $ 200.

Nokia 2.4 и Nokia 3.4 са най-новите допълнения към бюджетната гама смартфони на HMD Global. Тъй като и двете са устройства с Android One, гарантирано ще получат две основни актуализации на ОС и редовни актуализации на защитата до три години.

Това са най-добрите ленти за Fitbit Sense и Versa 3
Ново и подобрено

Това са най-добрите ленти за Fitbit Sense и Versa 3.

Заедно с пускането на Fitbit Sense и Versa 3, компанията представи и нови безкрайни ленти. Избрахме най-добрите, за да улесним нещата.

instagram story viewer