Smartphone Futurology: Videnskaben bag din telefons næste skærm

Velkommen til Smartphone Futurology. I denne nye serie videnskabeligt fyldte artikler, Mobile Nationer gæstebidragyder Shen Ye gennemgår aktuelle teknologier, der er i brug i vores telefoner, samt de banebrydende ting, der stadig udvikles i laboratoriet. Der er en hel del videnskab i vente, da mange af de fremtidige diskussioner er baseret på videnskabelige papirer med en stor mængde teknisk jargon, men vi har forsøgt at holde tingene så enkle og enkle som muligt. Så hvis du vil dykke dybere ned i, hvordan tarmene på din telefon fungerer, er dette serien for dig.

Et nyt år bringer sikkerheden om nye enheder at lege med, og så er det tid til at se fremad på, hvad vi kan se i fremtidens smartphones. Den første rate i serien kiggede på, hvad der er nyt inden for batteriteknologi. Seriens anden del ser på, hvad der måske er den vigtigste komponent i enhver enhed - selve skærmen. På en moderne mobilenhed fungerer skærmen som hovedinput- og outputenheden. Det er den mest synlige del af telefonen og en af ​​dens mest magtfulde komponenter. I løbet af de sidste par år har vi set skærmopløsninger (og størrelser) nå ud i stratosfæren, til det punkt, hvor mange telefoner nu pakker 1080p-skærme eller højere. Men fremtiden for mobile skærme handler om mere end bare størrelse og pixeltæthed. Læs videre for at finde ud af mere.

Om forfatteren

Shen Ye er en Android-udvikler og MSci-kandidat i kemi fra University of Bristol. Fang ham på Twitter @shen og Google+ + ShenYe.

Mere i denne serie

Sørg for at tjekke den første del af vores Smartphone Futurology-serie, der dækker fremtiden for batteriteknologi. Hold øje med mere i de kommende uger.

For kun 5 år siden var førende flagskib Android-telefon har en 3,2 '' 320 × 480 HVGA-skærm med en pixeltæthed på 180 PPI. Steve Jobs proklamerede, at det "magiske tal er lige omkring 300 pixels per tomme", da iPhone 4 med sin Retina-skærm blev frigivet i 2010. Nu har vi 5,5-tommer QHD-skærme med 538 PPI, langt ud over det menneskelige øjes opløsning, når de holdes 20 cm væk. Dog med VR-tilbehør som Google Cardboard og Samsung Gear VR som bruger vores telefoner - for ikke at nævne de skryterettigheder, der følger med skarpere skærme - producenterne fortsætter med at søge efter højere opløsninger til deres flagskibsenheder.

Lige nu er de tre mest populære typer skærme på markedet LCD, AMOLED og E-ink. Før vi taler om de kommende forbedringer for hver af disse teknologier, er her en kort forklaring på, hvordan hver af dem fungerer.

LCD (skærm med flydende krystal)

LCD-skærmens kerneteknologi er årtier gammel.

LCD-skærme har eksisteret i årtier - den samme type teknologi, der anvendes i moderne bærbare og smartphone-skærme, drev skærmene på lommeregnere tilbage i 1990'erne. Flydende krystaller (LC'er) er nøjagtigt som navnet siger, en forbindelse, der findes i den flydende fase ved stuetemperatur med krystallinske egenskaber. De er ikke i stand til at producere deres egen farve, men de har en særlig evne til at manipulere polariseret lys. Som du måske ved, bevæger lys sig i en bølge, og når lyset forlader en lyskilde, er bølgerne i enhver grad af orientering. Et polariserende filter er i stand til at filtrere alle bølger, der ikke er tilpasset det, og producere polariseret lys.

Den mest almindelige fase af LC'er er kendt som den nematiske fase, hvor molekylerne i det væsentlige er lange cylindre, der selv justerer i en enkelt retning som stangmagneter. Denne struktur bevirker, at polariseret lys, der passerer gennem det, roteres, den egenskab, der giver LCD-skærme deres evne til at vise information.

Når lys er polariseret, vil det kun være i stand til at passere et polariserende filter, hvis de to er justeret på samme plan. For et århundrede siden blev Fréedericksz-overgangen opdaget, den gav mulighed for at anvende en elektrisk eller magnetisk felt på en LC - prøve og ændre deres retning uden at påvirke krystallinsk orden. Denne orienteringsændring er i stand til at ændre den vinkel, som LC er i stand til at rotere polariseret lys, og dette var det princip, der gør det muligt for LCD-skærme at arbejde.

I diagrammet ovenfor polariseres lyset fra baggrundslyset og passerer gennem det flydende krystalarray. Hver flydende krystal-underpixel styres af sin egen transistor, der justerer rotationen af ​​det polariserede lys, der passerer gennem et farvefilter og en anden polarisator. Polariseringsvinklen for lys, der forlader hver subpixel, bestemmer, hvor meget af det der er i stand til at passere gennem den anden polarisator, som igen bestemmer subpixelens lysstyrke. Tre subpixels udgør en enkelt pixel på et display - rød, blå og grøn. På grund af denne kompleksitet påvirker en række faktorer skærmens kvalitet, såsom farvevibration, kontrast, billedhastighed og synsvinkler.

AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode)

Samsung er en af ​​de største innovatører i at bringe AMOLED til mobil.

Samsung Mobile har været en af ​​de største innovatører i at bringe AMOLED-skærme til mobilindustrien med alle sine skærme lavet af søsterselskabet Samsung Electronics. AMOLED-skærme hyldes for deres "ægte sorte" og farvestrålende, selvom de kan lide af billedindbrænding og overmætning. I modsætning til LCD-skærme bruger de ikke baggrundsbelysning. Hver subpixel er en LED, der producerer sit eget lys af en bestemt farve, som dikteres af materialelaget mellem elektroderne, kendt som det emitterende lag. Manglen på baggrundslys er grunden til, at AMOLED-skærme har så dybe sorte, og dette giver også fordelen ved strømbesparelse, når der vises mørkere billeder.

Når en subpixel aktiveres, føres en strøm, der er specifik for den krævede intensitet, gennem emissivet mellem elektroderne, og komponenten i det emitterende lag konverterer den elektriske energi til lys. Som med LCD er en enkelt pixel (normalt) lavet af tre subpixels rød, blå og grøn. (Undtagelsen her er PenTile-skærme, der bruger en række uregelmæssige matrixmønstre for subpixel.) Med hvert subpixel der producerer sit eget lys den høje energi kan forårsage forringelse i underpixlerne, hvilket fører til lavere lysintensitet, som kan observeres som skærmbrænding. Blå lysdioder har den højeste energi, og vores følsomhed over for blå er lavere, så de skal skrues op endnu lysere, hvilket fremskynder denne forringelse.

E-blæk (elektroforetisk blæk)

E-ink har gjort fænomenalt i e-læserindustrien, især Amazons Kindle. (Pebbles e-papir-skærm er lidt anderledes.) Det russiske firma YotaPhone har endda lavet telefoner med et bageste e-blækdisplay.

Der er to hovedfordele ved E-ink over LCD og AMOLED. Den første er rent æstetisk, udseendet og manglen på blænding appellerer til læserne, da det er tæt på udseendet af trykt papir. Det andet er det utroligt lave strømforbrug - der er ikke behov for baggrundsbelysning, og tilstanden for hver pixel har ikke brug for energi til at vedligeholde, i modsætning til LCD og AMOLED. E-ink-skærme er i stand til at holde en side på skærmen i meget lange perioder, uden at oplysningerne bliver uleselige.

I modsætning til almindelig opfattelse står "E" ikke for "elektronisk", men dens "elektroforetiske" mekanisme. Elektroforese er et fænomen, hvor ladede partikler bevæger sig, når et elektrisk felt påføres det. De sorte og hvide pigmentpartikler er henholdsvis negative og positivt ladede. Ligesom magneter frastøder både ladninger og modsatte ladninger tiltrækker. Partiklerne opbevares i mikrokapsler, hver halvdel af bredden af ​​et menneskehår, fyldt med en fedtet væske, som partiklerne kan bevæge sig igennem. Den bageste elektrode er i stand til at inducere enten en positiv eller negativ ladning på kapslen, som bestemmer den synlige farve.

Fremtiden

Med en grundlæggende forståelse af, hvordan disse tre skærme fungerer, kan vi se på forbedringerne langs linjen.

Cascaded LCD

Billedkredit: NVIDIA

Cascaded LCD er et smukt udtryk for stabling af et par LCD-skærme oven på hinanden med en let forskydning

NVIDIA offentliggjorde et papir, der detaljerede sine eksperimenter med firdobling af skærmopløsninger med kaskader skærme, en fancy betegnelse for stabling af et par LCD-skærme oven på hinanden med en let forskudt. Med noget software-guideri, baseret på nogle alvorlig matematiske algoritmer, kunne de omdanne hver pixel til 4 segmenter og i det væsentlige firedoble opløsningen. De ser dette som en potentiel måde at fremstille billige 4K-skærme fra at flette to 1080p LCD-paneler sammen til brug i VR-branchen.

Gruppen 3D-trykte en VR-headset-enhed til deres prototype kaskadevisning som et bevis på konceptet. Når telefonproducenter kæmper for at gøre tyndere og tyndere enheder, ser vi muligvis aldrig kaskadede skærme i vores fremtidig smartphone, men de lovende resultater kan betyde, at vi får kaskade 4K-skærme til en meget rimelig pris pris. Jeg kan varmt anbefale at tjekke ud NVIDIAs papir, det er en interessant læsning med flere sammenligningsbilleder.

Kvante prikker

Billedkredit: PlasmaChem GmbH

De fleste af de nuværende kommercielt tilgængelige LCD-skærme bruger enten en CCFL (kold katode fluorescerende lampe) eller LED'er til baggrundsbelysningen. LED-LCD-skærme er begyndt at blive det foretrukne valg, da de har bedre farveskalaer og kontrast i forhold til CCFL. For nylig er quantum dot LED-LCD-skærme begyndt at rulle ind på markedet som erstatning for LED-baggrundsbelysning, hvor TCL for nylig annoncerede deres 55 "4K TV med kvanteprikker. Ifølge et papir fra QD Vision¹ farveskalaen fra en QD-baggrundsbelyst LCD-skærm overstiger den for OLED.

Du kan faktisk finde QD-forbedrede skærme på tabletmarkedet, især Kindle Fire HDX. Fordelen ved QD'er er, at de kan indstilles til at producere den specifikke farve, som producenten ønsker. Efter adskillige virksomheder, der viser deres quantum dot-tv på CES, kan 2015 være det år, QD-forbedrede skærme når massemarkedet inden for telefoner, tablets og skærme.

Flydende krystaladditiver

Billedkredit: Rajratan Basu, US Naval Academy²

Forskningsgrupper overalt i verden er aktivt på udkig efter ting at tilføje til flydende krystaller for at hjælpe med at stabilisere dem. Et af disse tilsætningsstoffer er kulstof nanorør (CNT'er)³. Bare tilføjelse af en lille mængde CNT'er var i stand til at reducere Fréedericksz-overgangen, forklaret ovenfor, så det førte til både lavere strømforbrug og hurtigere skift (højere billedhastigheder).

Flere opdagelser i tilsætningsstoffer gøres hele tiden. Hvem ved, måske har vi i sidste ende flydende krystaller stabiliseret så godt, at de ikke har brug for en spænding for at opretholde deres tilstand og med meget lidt strømforbrug. Sharps hukommelses-LCD-skærme bruger sandsynligvis lignende teknologi med deres lave strømforbrug og "vedvarende pixels". På trods af at denne implementering er monokrom, gør fjernelsen af ​​baggrundsbelysningen det til en konkurrent med E-ink-skærme.

Transflekterende LCD-skærme

Transflekterende LCD-skærme kan eliminere behovet for baggrundslys, hvilket sparer strøm i processen.

En transflekterende LCD er en LCD, der både reflekterer og transmitterer lys. Det eliminerer behovet for baggrundslys under sollys eller lyse forhold, hvilket reducerer strømforbruget betydeligt. Baggrundsbelysningen er også svag og svag, da den kun er nødvendig i mørke. Konceptet har eksisteret i et par år nu, og de er blevet brugt i LCD ure, vækkeure og endda en lille netbook.

Hovedårsagen til, at du måske ikke har hørt om dem, er deres uforholdsmæssigt høje pris på forhånd for producenten sammenlignet med standard TFT LCD-skærme. Vi har endnu ikke set transflekterende skærme brugt i smartphones, muligvis fordi de ville have svært ved at blive solgt til generalen forbruger. Live-telefondemoer og displayenheder er en af ​​de bedste måder at tiltrække en kunde på, så detailhandlere har tendens til at øge lysstyrkeindstillingerne på demo-enhederne for at få fat i potentielle købers opmærksomhed, ville det have en svær tid med lavt strømforsynet baggrundsbelysning i transflekterende skærme konkurrerer. Det bliver stadig sværere for dem at komme ind på markedet med LCD-baggrundsbelysning, der bliver mere effektive, og farve-E-ink-skærme er allerede patenteret.

Visionskorrigerende skærme

Nogle læsere kender muligvis nogen langsynet, der skal holde telefonen i en armlængde eller indstille deres displayfont til enorm bare for at læse den (eller begge dele). Hold hos UC Berkeley, MIT og Microsoft gik sammen om at producere visningskorrigerende skærme ved hjælp af lysfeltteknologi, et lignende koncept som det, der findes i Lytro-kameraer. Lysfelt er en matematisk funktion, der beskriver mængden af ​​lys, der bevæger sig i alle retninger gennem hver position i rummet, hvilket er, hvordan sensoren i Lytro-kameraer fungerer.

Forskere var i stand til at bruge lysfeltteknologi til at ændre enhedsdisplays til langsynede brugere.

Billedkredit: MIT

Alt, hvad visionskorrigerende skærmbehov har, er den optiske recept til beregningsmæssigt at ændre den måde, hvorpå lys fra skærmen kommer ind i brugerens øjne for at opnå perfekt klarhed. Det fantastiske ved denne teknologi er, at konventionelle skærme kan modificeres for at opnå synkorrektion. I deres eksperimenter blev en iPod Touch 4. gen skærm (326 PPI) udstyret med et klart plastfilter. Spredt gennem filteret er en række pinholes let forskudt med pixel arrayet med huller, der er små nok til at aflede lyset og udsende et lysfelt, der er bredt nok til at komme ind i begge øjne bruger. Computersoftwaren kan ændre lys, der forlader hvert af hullerne.

Skærmen kommer dog med et par ulemper. For det første er lysstyrken lidt lysere. Betragtningsvinklerne er også meget smalle, svarende til 3D-skærme uden briller. Softwaren kan kun skærpe skærmen til en enkelt recept ad gangen, så kun en bruger kan bruge skærmen ad gangen. Den aktuelle software, der bruges i papiret, fungerer ikke i realtid, men holdet har bevist, at deres skærm fungerer med stillbillederne. Teknologien er velegnet til mobile enheder, pc- og bærbare skærme og tv'er.

Crystal IGZO-transistorer

IGZO (indium gallium zinkoxid) er et halvledende materiale, der kun blev opdaget i det sidste årti. Oprindeligt foreslået i 2006³, det er for nylig begyndt at blive brugt i tyndfilmstransistorer til styring af LCD-paneler. IGZO er udviklet ved Tokyo Institute of Technology og har vist sig at transportere elektroner op til 50 gange hurtigere end standard siliciumversioner. Som et resultat kan disse tyndfilmstransistorer opnå højere opdateringshastigheder og opløsninger.

Teknologien er patenteret, og Sharp har for nylig brugt sin licens til at producere en 6,1-tommers LCD-paneler med 2K opløsning (498 PPI). Sharp har leveret LCD-IPS-skærme med høj opløsning på tværs af mobilindustrien, og dets krystal IGZO-paneler vil kun øge virksomhedens andel af dette marked, især i lyset af tidligere partnerskaber med Apple at levere LCD-paneler til iOS-enheder. For nylig frigav Sharp Aquos Crystal og viser en IGZO-skærm med høj opløsning med krympede rammer. Forvent, at 2015 bliver året, hvor IGZO-skærme begynder at overtage i forskellige flagskibsenheder.

Nanopixels

Forskere fra Oxford University og University of Exeter patenterede for nylig og udgav en artikel⁴ om brug af faseændringsmateriale (PCM) til skærme, der opnår 150 × opløsning af konventionelle LCD-skærme. PCM er et stof, hvis fase let kan manipuleres og i dette tilfælde skifter mellem en gennemsigtig krystallinsk tilstand og en uigennemsigtig amorf (uorganiseret) tilstand.

I lighed med LCD-teknologi er en anvendt spænding i stand til at diktere, om en subpixel er gennemsigtig eller uigennemsigtig, men det kræver ikke de to polariserende filtre og tillader således papirtynde skærme. PCM-laget er lavet af germanium-antimon-tellurium (GST), det samme banebrydende stof, der bruges til omskrivning DVD'er. Partikler af GST bombarderes på en elektrode og frembringer en tynd, fleksibel film, der gør det muligt for skærmen at være fleksibel. Producenter er også i stand til manuelt at indstille farven på hver nanopixel, da GST har en bestemt farve afhængigt af dens tykkelse - svarende til teknologien til interferometriske modulatorskærme (eller varemærket som Mirasol).

PCM-skærme er meget energieffektive. Svarende til E-ink er pixelerne vedvarende og kræver kun strøm, når pixeltilstanden skal ændres. Vi har muligvis aldrig brug for en 7000 PPI-skærm på vores telefoner, men teamet ser dem være nyttige i applikationer, hvor enhederne kræver forstørrelse, f.eks. VR-headset. Faseskiftende materialer kan også ændre sig i elektrisk ledningsevne, et meget efterforsket område inden for NAND-teknologi, som vi gemmer til en fremtidig artikel i denne serie.

IMOD / Mirasol vises

Mirasol-skærme er inspireret af den måde, sommerfuglevinger er farvet på.

Interferometric modulator displays (IMOD) bruger et fænomen, der opstår, når en foton (lyspartikel) interagerer med små strukturer af stof, der forårsager lysinterferens, inspireret af den måde, sommerfuglevinger er farvet. I lighed med andre skærme har hver subpixel sin egen farve, der bestemmes af bredden af ​​luftspalten mellem den tynde film og den reflekterende membran. Uden magt bevarer subpixelerne deres specifikke farvede tilstande. Når en spænding påføres, inducerer den en elektrostatisk kraft, der kollapser luftspalten, og subpixlen absorberer lys. En enkelt pixel består af flere subpixels, hver med forskellig lysstyrke for hver af de tre RGB-farver, da subpixelerne ikke kan ændre sig i lysstyrke som LCD-subpixels.

Mirasol-skærme er i langsom produktion, der er målrettet mod markedet for e-læser og bærbar teknologi. Qualcomm udgav for nylig deres Toq smartwatch som bruger displayet. Mirasols vedvarende pixel med lav energi og mangel på baggrundsbelysning gør det til en seriøs konkurrent i den farvede e-læserindustri. Omkostningerne ved fremstilling af de krævede mikroelektromekaniske systemer (MEMS) er stadig lidt høje, men de bliver hurtigt billigere.

I lighed med transflekterende skærme ville Mirasols mangel på baggrundslys gøre det svært at sælge til den almindelige forbruger i det nuværende smartphone-marked. Når det er sagt, er teknologien blevet brugt i enheder som Qualcomm Toq, i varierende grad af succes.

Fleksibel OLED

Telefoner med fleksibel OLED-teknologi er allerede på markedet - og mere kommer.

Samsung og LG har kæmpet aktivt for at fremme OLED-teknologi, hvor begge virksomheder investerer meget i teknologien. Vi har set deres buede OLED-skærme på deres tv og endda deres telefoner - LG G Flex og G Flex 2, Samsung Galaxy Note Edge, etc. Begge virksomheder har vist deres gennemsigtige fleksible skærme med LG, der viser en 18-tommer fleksibel OLED, der kan rulles op i et tæt rør, der er lidt over en tomme i diameter.

På trods af at denne skærm kun er 1200 × 810, tror LG med tillid på, at de kan udvikle 60-tommer 4K fleksible skærme inden 2017. Det videnskabelige gennembrud, der vises med dette, er den fleksible polyimidfilm, der bruges som rygraden til skærmen. Polyimid er et stærkt, men alligevel fleksibelt materiale, der er modstandsdygtigt over for varme og kemikalier. Det bruges i vid udstrækning til elektrisk kabelisolering, båndkabler og medicinsk udstyr. Forvent at se flere og flere af disse fleksible skærme blive vist, men vi bliver nødt til at vente og se, om produktionsomkostningerne er lave nok til at være levedygtige på mobilmarkedet.

For mere om den mest overbevisende fleksible OLED-implementering, vi hidtil har set i en telefon, skal du tjekke ud Android Central'sEksempel på LG G Flex 2.

Bundlinjen

Ved udgangen af ​​2015 skulle vi se IGZO LCD-paneler i nogle af Android-flagskibsenhederne, muligvis ved hjælp af kvantepunktforbedrede baggrundsbelysning. Vi kan også se, at Mirasol-paneler bliver mere udbredt i bærbare enheder, hvilket giver os den udvidede batterilevetid, vi har brug for - men de, der foretrækker det livlige ved et LCD- eller OLED-panel, er muligvis ikke det overbevist. Der er bestemt stor variation på displaymarkedet - lyse, levende skærme med høj opløsning i den ene ende og lav effekt, vedvarende skærme på den anden.

Mobilskærmsindustrien fortsætter med at udvikle sig med en voldsom hastighed, og udvidelse af skærmstørrelse og pixeltæthed er kun en del af ligningen.

Det er tid til at klippe ledningen!

Dette er de bedste trådløse ørepropper, du kan købe til enhver pris!

De bedste trådløse øretelefoner er komfortable, lyder godt, koster ikke for meget og passer let i lommen.

Næste generation

Alt hvad du behøver at vide om PS5: Udgivelsesdato, pris og mere.

Sony har officielt bekræftet, at de arbejder på PlayStation 5. Her er alt, hvad vi ved om det hidtil.

Nye Nokias

Nokia lancerer to nye budget Android One-telefoner under $ 200.

Nokia 2.4 og Nokia 3.4 er de seneste tilføjelser til HMD Globals budget-smartphone-sortiment. Da de begge er Android One-enheder, modtager de garanteret to store OS-opdateringer og regelmæssige sikkerhedsopdateringer i op til tre år.

Nyt og forbedret

Dette er de bedste bands til Fitbit Sense og Versa 3.

Sammen med frigivelsen af ​​Fitbit Sense og Versa 3 introducerede virksomheden også nye uendelige bands. Vi har valgt de bedste for at gøre tingene lettere for dig.