Smartphone Futurology: la scienza dietro il prossimo display del tuo telefono

Benvenuto in Smartphone Futurology. In questa nuova serie di articoli scientifici, Nazioni mobili il collaboratore ospite Shen Ye illustra le attuali tecnologie in uso nei nostri telefoni, così come le cose all'avanguardia ancora in fase di sviluppo in laboratorio. C'è un bel po 'di scienza davanti, poiché molte delle discussioni future sono basate su dati scientifici documenti con una grande quantità di gergo tecnico, ma abbiamo cercato di mantenere le cose chiare e semplici come possibile. Quindi, se vuoi approfondire il funzionamento del tuo telefono, questa è la serie che fa per te.

Un nuovo anno porta la certezza di nuovi dispositivi con cui giocare, quindi è tempo di guardare avanti a ciò che potremmo vedere negli smartphone del futuro. La prima puntata della serie ha esaminato le novità nella tecnologia delle batterie. La seconda parte della serie esamina quello che forse è il componente più importante di qualsiasi dispositivo: lo schermo stesso. Su un dispositivo mobile moderno, lo schermo funge da dispositivo di input e output principale. È la parte più visibile del telefono e uno dei suoi componenti più assetati di energia. Negli ultimi anni abbiamo visto le risoluzioni (e le dimensioni) dello schermo raggiungere la stratosfera, al punto che molti telefoni ora contengono display 1080p o superiori. Ma il futuro dei display mobili non riguarda solo le dimensioni e la densità dei pixel. Continuate a leggere per saperne di più.

Circa l'autore

Shen Ye è uno sviluppatore Android e laureato in chimica presso l'Università di Bristol. Prendilo su Twitter @shen e Google+ + ShenYe.

Altro in questa serie

Assicurati di controllare la prima puntata della nostra serie Smartphone Futurology, che copre il futuro della tecnologia delle batterie. Continua a guardare per ulteriori informazioni nelle prossime settimane.

Solo 5 anni fa ha fatto il leader telefono Android di punta hanno uno schermo HVGA 320 × 480 da 3,2 pollici, con una densità di pixel di 180 PPI. Steve Jobs ha proclamato che "il numero magico è di circa 300 pixel per pollice" quando l'iPhone 4, con il suo display Retina, è stato rilasciato nel 2010. Ora abbiamo schermi QHD da 5,5 pollici con 538 PPI, ben oltre la risoluzione dell'occhio umano se tenuto a 20 cm di distanza. Tuttavia, con accessori VR come Google Cardboard e Samsung Gear VR che utilizzano i nostri telefoni, per non parlare dei diritti di vanteria associati a schermi più nitidi, i produttori continuano a cercare risoluzioni più elevate per i loro dispositivi di punta.

In questo momento i tre tipi di schermi più popolari sul mercato sono LCD, AMOLED ed E-ink. Prima di parlare dei miglioramenti imminenti per ciascuna di queste tecnologie, ecco una breve spiegazione di come funzionano ciascuna di esse.

LCD (display a cristalli liquidi)

La tecnologia di base degli LCD è vecchia di decenni.

Gli LCD esistono da decenni: lo stesso tipo di tecnologia utilizzata nei moderni display di laptop e smartphone ha alimentato gli schermi delle calcolatrici tascabili negli anni '90. I cristalli liquidi (LC) sono esattamente come afferma il loro nome, un composto che esiste nella fase liquida a temperatura ambiente con proprietà cristalline. Non sono in grado di produrre il proprio colore, ma hanno una capacità speciale di manipolare la luce polarizzata. Come forse saprai, la luce viaggia in un'onda e quando la luce lascia una fonte di luce le onde sono in ogni grado di orientamento. Un filtro polarizzatore è in grado di filtrare tutte le onde non allineate ad esso, producendo luce polarizzata.

La fase più comune delle LC è nota come fase nematica, in cui le molecole sono essenzialmente lunghi cilindri che si autoallineano in un'unica direzione come i magneti a barra. Questa struttura fa ruotare la luce polarizzata che lo attraversa, proprietà che conferisce agli LCD la capacità di visualizzare le informazioni.

Quando la luce è polarizzata, sarà in grado di passare un filtro polarizzatore solo se i due sono allineati sullo stesso piano. Un secolo fa è stata scoperta la transizione Fréedericksz, che ha fornito la possibilità di applicare un campo elettrico o magnetico su un campione LC e cambiare il loro orientamento senza influenzare il ordine cristallino. Questo cambiamento di orientamento è in grado di alterare l'angolo di cui l'LC è in grado di ruotare la luce polarizzata e questo era il principio che permetteva agli LCD di funzionare.

Nel diagramma sopra, la luce dalla retroilluminazione è polarizzata e passa attraverso la matrice di cristalli liquidi. Ogni subpixel a cristalli liquidi è controllato dal proprio transistor che regola la rotazione della luce polarizzata, che passa attraverso un filtro colorato e un secondo polarizzatore. L'angolo di polarizzazione della luce che lascia ogni subpixel determina quanto di esso è in grado di passare attraverso il secondo polarizzatore, che a sua volta determina la luminosità del subpixel. Tre subpixel compongono un singolo pixel su un display: rosso, blu e verde. A causa di questa complessità, una varietà di fattori influisce sulla qualità dello schermo come la vivacità del colore, il contrasto, la frequenza dei fotogrammi e gli angoli di visualizzazione.

AMOLED (diodo organico a emissione di luce a matrice attiva)

Samsung è uno dei principali innovatori nel portare AMOLED sui dispositivi mobili.

Samsung Mobile è stato uno dei principali innovatori nel portare gli schermi AMOLED nel settore della telefonia mobile, con tutti i suoi schermi realizzati dalla sua consociata Samsung Electronics. Gli schermi AMOLED sono elogiati per i loro "veri neri" e la vivacità dei colori, sebbene possano soffrire di burn-in dell'immagine e sovrasaturazione. A differenza degli LCD, non usano una retroilluminazione. Ogni subpixel è un LED che produce la propria luce di un colore specifico, che è dettato dallo strato di materiale tra gli elettrodi, noto come strato emissivo. La mancanza di retroilluminazione è il motivo per cui i display AMOLED hanno neri così profondi e questo porta anche il vantaggio del risparmio energetico quando si visualizzano immagini più scure.

Quando viene attivato un sottopixel, una corrente specifica all'intensità richiesta viene fatta passare attraverso l'emissivo strato tra gli elettrodi e il componente dello strato emissivo converte l'energia elettrica in luce. Come con l'LCD, un singolo pixel (di solito) è composto da tre subpixel rosso, blu e verde. (L'eccezione qui è rappresentata dai display PenTile, che utilizzano una varietà di modelli di matrice subpixel irregolari.) Con ogni subpixel che produce il proprio luce l'elevata energia può causare il deterioramento dei subpixel, che porta a una minore intensità della luce che può essere osservata come bruciatura dello schermo. I LED blu hanno l'energia più alta e la nostra sensibilità al blu è inferiore, quindi devono essere aumentati ancora di più, il che accelera questo deterioramento.

E-ink (inchiostro elettroforetico)

E-ink ha funzionato in modo fenomenale nel settore degli e-reader, in particolare il Kindle di Amazon. (Il display e-paper di Pebble è leggermente diverso.) L'azienda russa YotaPhone ha persino realizzato telefoni con un display e-ink posteriore.

Ci sono due principali vantaggi di E-ink rispetto a LCD e AMOLED. Il primo è puramente estetico, l'aspetto e la mancanza di abbagliamento attirano i lettori in quanto è vicino all'aspetto della carta stampata. Il secondo è il consumo energetico sorprendentemente basso: non è necessaria la retroilluminazione e lo stato di ogni pixel non ha bisogno di energia per essere mantenuto, a differenza di LCD e AMOLED. I display E-ink sono in grado di mantenere una pagina sullo schermo per periodi di tempo molto lunghi senza che le informazioni diventino illeggibili.

Contrariamente alla credenza popolare, la "E" non sta per "elettronico", ma il suo meccanismo "elettroforetico". L'elettroforesi è un fenomeno in cui le particelle cariche si muovono quando viene applicato un campo elettrico. Le particelle di pigmento bianco e nero sono rispettivamente caricate negativamente e positivamente. Come i magneti, cariche simili si respingono e cariche opposte si attraggono. Le particelle sono immagazzinate all'interno di microcapsule, ciascuna metà della larghezza di un capello umano, riempite con un fluido oleoso attraverso il quale le particelle possono muoversi. L'elettrodo posteriore è in grado di indurre una carica positiva o negativa sulla capsula, che determina il colore visibile.

Il futuro

Con una conoscenza di base di come funzionano questi tre display, possiamo esaminare i miglioramenti in arrivo.

LCD a cascata

Credito immagine: NVIDIA

Cascaded LCD è un termine di fantasia per impilare una coppia di display LCD uno sopra l'altro con un leggero offset

NVIDIA ha pubblicato un documento che descrive dettagliatamente i suoi esperimenti sulla quadruplicazione delle risoluzioni dello schermo con la cascata display, un termine stravagante per impilare un paio di display LCD uno sopra l'altro con un leggero compensare. Con alcune magie del software, basate su alcuni grave algoritmi matematici, sono stati in grado di trasformare ogni pixel in 4 segmenti e sostanzialmente quadruplicare la risoluzione. Lo vedono come un modo potenziale per realizzare display 4K economici dalla fusione di due pannelli LCD 1080p per l'utilizzo nel settore della realtà virtuale.

Il gruppo ha stampato in 3D un gruppo di cuffie VR per il loro prototipo di display a cascata come prova del concetto. Con i produttori di telefoni che gareggiano per realizzare dispositivi sempre più sottili, potremmo non vedere mai display a cascata nel nostro futuro smartphone, ma i risultati promettenti potrebbero significare che avremo monitor 4K a cascata a un prezzo molto ragionevole prezzo. Consiglio vivamente il check-out Il documento di NVIDIA, è una lettura interessante con diverse immagini di confronto.

Punti quantici

Credito immagine: PlasmaChem GmbH

La maggior parte degli attuali display LCD disponibili in commercio utilizza una CCFL (lampada fluorescente a catodo freddo) o LED per la retroilluminazione. I LED-LCD hanno iniziato a diventare la scelta preferita in quanto hanno gamut di colori e contrasto migliori rispetto al CCFL. Recentemente i display LED-LCD a punti quantici hanno iniziato a essere lanciati sul mercato in sostituzione della retroilluminazione a LED, con TCL che ha recentemente annunciato la sua TV 4K da 55 "con punti quantici. Secondo un documento di QD Vision¹ la gamma di colori di un display LCD retroilluminato QD supera quella di OLED.

Puoi effettivamente trovare display QD migliorati nel mercato dei tablet, in particolare il Kindle Fire HDX. Il vantaggio dei QD è che possono essere regolati per produrre il colore specifico desiderato dal produttore. Dopo che numerose aziende hanno mostrato i loro televisori a punti quantici al CES, il 2015 potrebbe essere l'anno in cui i display potenziati QD raggiungono il mercato di massa di telefoni, tablet e monitor.

Additivi per cristalli liquidi

Credito immagine: Rajratan Basu, Accademia navale degli Stati Uniti²

I gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno attivamente cercando cose da aggiungere ai cristalli liquidi per aiutarli a stabilizzarli. Uno di questi additivi è nanotubi di carbonio (CNT)³. La semplice aggiunta di una piccola quantità di CNT è stata in grado di ridurre la transizione di Fréedericksz, spiegato sopra, quindi ha portato sia a un consumo energetico inferiore che a una commutazione più rapida (frame rate più elevati).

Sempre più scoperte negli additivi vengono fatte. Chissà, forse alla fine avremo i cristalli liquidi stabilizzati così bene che non avranno bisogno di una tensione per mantenere il loro stato e con un consumo energetico minimo. I Memory LCD di Sharp utilizzano molto probabilmente una tecnologia simile con il loro basso consumo energetico e i "pixel persistenti". Nonostante questa implementazione sia monocromatica, la rimozione della retroilluminazione lo rende un concorrente con i display E-ink.

LCD transflettivi

Gli LCD transflettivi potrebbero eliminare la necessità di una retroilluminazione, risparmiando energia nel processo.

Un LCD transflettivo è un LCD che riflette e trasmette la luce. Elimina la necessità di una retroilluminazione in condizioni di luce solare o intensa, riducendo così in modo significativo il consumo energetico. Anche la retroilluminazione è debole e a bassa potenza poiché è necessaria solo al buio. Il concetto esiste da alcuni anni, ora e sono stati utilizzati in orologi LCD, sveglie e persino in piccolo netbook.

Il motivo principale per cui potresti non averne sentito parlare è il loro costo iniziale proibitivo per il produttore rispetto al TFT standard LCD. Dobbiamo ancora vedere i display transflettivi utilizzati negli smartphone, forse perché avrebbero difficoltà a essere venduti al generale consumatore. Le demo live del telefono e le unità di visualizzazione sono uno dei modi migliori per attirare un cliente, quindi i rivenditori tendono ad aumentare le impostazioni di luminosità le unità demo per attirare l'attenzione dei potenziali acquirenti, la retroilluminazione a bassa potenza negli schermi transflettivi avrebbe difficoltà competere. Diventerà sempre più difficile per loro entrare nel mercato con la retroilluminazione LCD che diventa più efficiente e gli schermi E-ink a colori già brevettati.

Display per la correzione della vista

Alcuni lettori potrebbero conoscere qualcuno miope che deve tenere il telefono a una distanza di un braccio o impostare il carattere del display su enorme solo per leggerlo (o entrambi). I team di UC Berkeley, MIT e Microsoft hanno collaborato per produrre display per la correzione della vista utilizzando la tecnologia del campo luminoso, concetto simile a quello trovato nelle fotocamere Lytro. Il campo luminoso è una funzione matematica che descrive la quantità di luce che viaggia in ogni direzione attraverso ogni posizione nello spazio, che è il modo in cui funziona il sensore nelle fotocamere Lytro.

I ricercatori sono stati in grado di utilizzare la tecnologia del campo luminoso per modificare i display dei dispositivi per gli utenti ipovedenti.

Credito immagine: MIT

Tutto ciò di cui ha bisogno il display per la correzione della vista è la prescrizione ottica per alterare computazionalmente il modo in cui la luce dallo schermo entra negli occhi dell'utente per ottenere una chiarezza perfetta. Il bello di questa tecnologia è che i display convenzionali possono essere modificati per ottenere la correzione della vista. Nei loro esperimenti, uno schermo dell'iPod Touch di quarta generazione (326 PPI) era dotato di un filtro di plastica trasparente. Distribuito in tutto il filtro è un array di fori di spillo leggermente sfalsati rispetto all'array di pixel, con l'estensione fori abbastanza piccoli da diffrangere la luce ed emettere un campo luminoso abbastanza ampio da entrare in entrambi gli occhi del utente. Il software di calcolo può alterare la luce che esce da ciascuno dei fori.

Tuttavia, il display presenta alcuni aspetti negativi. Per cominciare, la luminosità è leggermente più debole. Anche gli angoli di visione sono molto stretti, simili a quelli dei display 3D senza occhiali. Il software è in grado di affilare il display solo per una singola prescrizione alla volta, quindi solo un utente alla volta può utilizzare il display. L'attuale software utilizzato nel documento non funziona in tempo reale, ma il team ha dimostrato che il loro display funziona con le immagini fisse. La tecnologia è adatta per dispositivi mobili, monitor di PC e laptop e TV.

Transistor IGZO in cristallo

IGZO (indio gallio ossido di zinco) è un materiale semiconduttore scoperto solo negli ultimi dieci anni. Inizialmente proposto nel 2006³, ha recentemente iniziato ad essere utilizzato nei transistor a film sottile per il controllo dei pannelli LCD. Sviluppato presso il Tokyo Institute of Technology, IGZO ha dimostrato di trasportare elettroni fino a 50 volte più velocemente rispetto alle versioni standard in silicio. Di conseguenza, questi transistor a film sottile possono raggiungere velocità di aggiornamento e risoluzioni più elevate.

La tecnologia è stata brevettata e Sharp ha recentemente utilizzato la sua licenza per produrre pannelli LCD da 6,1 pollici con risoluzione 2K (498 PPI). Sharp fornisce display LCD IPS ad alta risoluzione in tutto il settore della telefonia mobile ei suoi pannelli IGZO in cristallo aumenteranno solo la quota dell'azienda in questo mercato, soprattutto alla luce del collaborazioni passate con Apple per fornire pannelli LCD per dispositivi iOS. Recentemente Sharp ha rilasciato Aquos Crystal, mostrando un display IGZO ad alta risoluzione con cornici rimpicciolite. Aspettatevi che il 2015 sia l'anno in cui i display IGZO inizieranno a prendere il sopravvento su vari dispositivi di punta.

Nanopixel

Scienziati dell'Università di Oxford e dell'Università di Exeter hanno recentemente brevettato e pubblicato un documento⁴ sull'utilizzo di materiale a cambiamento di fase (PCM) per i display, raggiungendo una risoluzione 150 volte superiore ai display LCD convenzionali. Il PCM è una sostanza la cui fase può essere facilmente manipolata, in questo caso cambiando tra uno stato cristallino trasparente e uno stato amorfo (disorganizzato) opaco.

Simile alla tecnologia LCD, una tensione applicata è in grado di stabilire se un subpixel è trasparente o opaco, tuttavia non richiede i due filtri polarizzatori e quindi consente visualizzazioni sottilissime. Lo strato PCM è costituito da germanio-antimonio-tellurio (GST), la stessa sostanza innovativa utilizzata nel riscrivibile DVD. Le particelle di GST vengono bombardate su un elettrodo, producendo una sottile pellicola flessibile che consente allo schermo di essere flessibile. I produttori sono anche in grado di regolare manualmente il colore di ogni nanopixel, poiché GST ha un colore specifico a seconda del suo spessore - simile alla tecnologia dei display del modulatore interferometrico (o con marchio di fabbrica come Mirasol).

I display PCM sono altamente efficienti dal punto di vista energetico. Analogamente all'E-ink, i pixel sono persistenti, quindi richiedono alimentazione solo quando lo stato dei pixel richiede una modifica. Potremmo non aver mai bisogno di un display da 7000 PPI sui nostri telefoni, ma il team li vede utili nelle applicazioni in cui i dispositivi richiedono ingrandimento, ad es. Cuffie VR. I materiali a cambiamento di fase possono anche cambiare nella conduttività elettrica, un'area altamente studiata nella tecnologia NAND che salveremo per un futuro articolo di questa serie.

Display IMOD / Mirasol

I display Mirasol si ispirano al modo in cui sono colorate le ali delle farfalle.

I display del modulatore interferometrico (IMOD) utilizzano un fenomeno che si verifica quando un fotone (particella di luce) interagisce con minuscole strutture di materia provocando interferenze luminose, ispirate dal modo in cui sono le ali delle farfalle colorato. Simile ad altri display, ogni subpixel ha il proprio colore che è determinato dall'ampiezza del traferro tra la pellicola sottile e la membrana riflettente. Senza alcun potere, i subpixel mantengono i loro specifici stati colorati. Quando viene applicata una tensione, induce una forza elettrostatica che fa collassare il traferro e il subpixel assorbe la luce. Un singolo pixel è composto da diversi subpixel, ciascuno con una luminosità diversa per ciascuno dei tre colori RGB, poiché i subpixel non possono cambiare di luminosità come i subpixel LCD.

I display Mirasol sono in produzione lenta, destinati al mercato degli e-reader e alla tecnologia indossabile. Qualcomm ha recentemente rilasciato il loro Smartwatch Toq che utilizza il display. I pixel persistenti a bassa energia di Mirasol e la mancanza di retroilluminazione lo rendono un serio concorrente nel settore degli e-reader colorati. I costi di produzione dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) richiesti sono ancora un po 'alti, ma stanno rapidamente diventando più economici.

Simile ai display transflettivi, la mancanza di retroilluminazione di Mirasol renderebbe difficile la vendita al consumatore generale nell'attuale mercato degli smartphone. Detto questo, la tecnologia è stata utilizzata in dispositivi come il Qualcomm Toq, a vari gradi di successo.

OLED flessibile

I telefoni con tecnologia OLED flessibile sono già sul mercato e altri stanno arrivando.

Samsung e LG hanno gareggiato attivamente per far avanzare la tecnologia OLED, con entrambe le aziende che investono molto nella tecnologia. Abbiamo visto i loro display OLED curvi sui loro televisori e persino sui loro telefoni: LG G Flex e G Flex 2, Samsung Galaxy Note Edge, eccetera. Entrambe le società hanno mostrato i loro display flessibili traslucidi con LG che mostra un OLED flessibile da 18 pollici che può essere arrotolato in un tubo stretto di poco più di un pollice di diametro.

Nonostante questo display sia solo 1200 × 810, LG crede fiduciosamente di poter sviluppare display flessibili 4K da 60 pollici entro il 2017. La scoperta scientifica mostrata da questo è il film di poliimmide flessibile utilizzato come spina dorsale per il display. La poliimmide è un materiale forte ma flessibile, resistente al calore e ai prodotti chimici. È ampiamente utilizzato nell'isolamento di cavi elettrici, cavi a nastro e apparecchiature mediche. Aspettatevi di vedere sempre più di questi display flessibili essere messi in mostra, ma dovremo aspettare e vedere se i costi di produzione sono abbastanza bassi da essere sostenibili nel mercato mobile.

Per ulteriori informazioni sull'implementazione OLED flessibile più convincente che abbiamo visto finora in un telefono, dai un'occhiata Android CentralAnteprima di LG G Flex 2.

La linea di fondo

Entro la fine del 2015 dovremmo vedere i pannelli LCD IGZO in alcuni dei dispositivi di punta di Android, possibilmente utilizzando retroilluminazione a punti quantici. Potremmo anche vedere i pannelli Mirasol diventare più ampiamente adottati nei dispositivi indossabili, dandoci l'estensione la durata della batteria di cui abbiamo bisogno, tuttavia coloro che preferiscono la vivacità di un pannello LCD o OLED potrebbero non esserlo convinto. C'è sicuramente una grande varietà nel mercato dei display: display luminosi, vibranti e ad alta risoluzione da un lato e display a bassa potenza e persistenti dall'altro.

Il settore dei display mobili continua a progredire a una velocità vertiginosa e l'espansione delle dimensioni dello schermo e della densità dei pixel sono solo una parte dell'equazione.

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