Smartphone Futurology: Vitenskapen bak telefonens neste skjerm

Velkommen til Smartphone Futurology. I denne nye serien med vitenskapsfylte artikler, Mobile Nations gjestebidragsyter Shen Ye går gjennom gjeldende teknologier i bruk i telefonene våre, samt de nyeste tingene som fremdeles utvikles i laboratoriet. Det er ganske mye vitenskap framover, ettersom mange av de fremtidige diskusjonene er basert på vitenskapelige papirer med en stor mengde teknisk sjargong, men vi har prøvd å holde ting så enkle og enkle som mulig. Så hvis du vil dykke dypere inn i hvordan tarmene til telefonen din fungerer, er dette serien for deg.

Et nytt år gir sikkerhet for nye enheter å leke med, og det er derfor på tide å se fremover på hva vi kan se i fremtidens smarttelefoner. Den første delen i serien så på hva som er nytt innen batteriteknologi. Seriens andre del ser på hva som kanskje er den viktigste komponenten i en hvilken som helst enhet - selve skjermen. På en moderne mobilenhet fungerer skjermen som hovedinn- og utdataenheten. Det er den mest synlige delen av telefonen, og en av dens mest strømkrevende komponenter. I løpet av de siste årene har vi sett skjermoppløsninger (og størrelser) nå inn i stratosfæren, til det punktet hvor mange telefoner nå pakker 1080p-skjermer eller høyere. Men fremtiden for mobile skjermer handler om mer enn bare størrelse og pikseltetthet. Les videre for å finne ut mer.

Om forfatteren

Shen Ye er en Android-utvikler og MSci utdannet kjemi fra University of Bristol. Fang ham på Twitter @shen og Google+ + ShenYe.

Mer i denne serien

Husk å sjekke ut den første delen av Smartphone Futurology-serien, som dekker fremtiden for batteriteknologi. Fortsett å se etter mer de neste ukene.

For bare 5 år siden gjorde ledelsen flaggskip Android-telefon har en 3,2-tommers 320 × 480 HVGA-skjerm med en pixeltetthet på 180 PPI. Steve Jobs proklamerte at "det magiske tallet er omtrent 300 piksler per tomme" da iPhone 4, med Retina Display, ble utgitt i 2010. Nå har vi 5,5-tommers QHD-skjermer med 538 PPI, langt utover oppløsningen til det menneskelige øye når de holdes 20 cm unna. Imidlertid med VR-tilbehør som Google Cardboard og Samsung Gear VR som bruker telefonene våre - for ikke å nevne skryterettighetene som følger med skarpere skjermer - produsenter fortsetter å søke etter høyere oppløsninger for sine flaggskipsenheter.

Akkurat nå er de tre mest populære typene skjermer på markedet LCD, AMOLED og E-ink. Før du snakker om de kommende forbedringene for hver av disse teknologiene, her er en kort forklaring på hvordan hver av dem fungerer.

LCD (flytende krystallskjerm)

Kjerneteknologien til LCD-skjermer er flere tiår gammel.

LCD-skjermer har eksistert i flere tiår - den samme typen teknologi som brukes i moderne bærbare og smarttelefonskjerm, drev skjermene på lommekalkulatorene tilbake på 1990-tallet. Flytende krystaller (LCs) er nøyaktig slik navnet sier, en forbindelse som eksisterer i væskefasen ved romtemperatur med krystallinske egenskaper. De klarer ikke å produsere sin egen farge, men de har en spesiell evne til å manipulere polarisert lys. Som du kanskje vet, beveger lys seg i en bølge, og når lyset forlater en lyskilde, er bølgene i enhver grad av orientering. Et polariserende filter er i stand til å filtrere ut alle bølger som ikke er justert mot det, og produsere polarisert lys.

Den vanligste fasen av LCs er kjent som nematisk fase, hvor molekylene er i det vesentlige lange sylindere som selvjusterer seg i en enkelt retning som stavmagneter. Denne strukturen fører til at polarisert lys som passerer gjennom det blir rotert, egenskapen som gir LCD-skjermene deres evne til å vise informasjon.

Når lys er polarisert, vil det bare kunne passere et polariserende filter hvis de to er justert på samme plan. For hundre år siden ble Fréedericksz-overgangen oppdaget, den ga muligheten til å bruke en elektrisk eller magnetisk felt på en LC - prøve og endre orienteringen uten å påvirke krystallinsk orden. Denne retningsendringen er i stand til å endre vinkelen som LC er i stand til å rotere polarisert lys, og dette var prinsippet som gjør at LCD-skjermene kan fungere.

I diagrammet over er lyset fra bakgrunnsbelysningen polarisert og passerer gjennom flytende krystallmatrisen. Hver flytende krystall-underpiksel styres av sin egen transistor som justerer rotasjonen av det polariserte lyset, som passerer gjennom et fargefilter og en andre polarisator. Polarisasjonsvinkelen til lys som forlater hvert underpiksel bestemmer hvor mye av det som er i stand til å passere gjennom den andre polarisatoren, som igjen bestemmer underpikselets lysstyrke. Tre underpiksler utgjør en enkelt piksel på en skjerm - rød, blå og grønn. På grunn av denne kompleksiteten påvirker en rekke faktorer skjermens kvalitet, for eksempel fargebevissthet, kontrast, bildefrekvens og synsvinkler.

AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode)

Samsung er en av de viktigste innovatørene i å bringe AMOLED til mobilen.

Samsung Mobile har vært en av de viktigste innovatørene i å bringe AMOLED-skjermer til mobilindustrien, med alle skjermene laget av søsterselskapet Samsung Electronics. AMOLED-skjermer får skryt for sine "sanne svarte" og fargenes livskraft, selv om de kan lide av innbrenning og overmetting. I motsetning til LCD-skjermer bruker de ikke bakgrunnsbelysning. Hver underpiksel er en LED som produserer sitt eget lys med en bestemt farge, som dikteres av materiallaget mellom elektrodene, kjent som det emissive laget. Mangelen på bakgrunnsbelysning er grunnen til at AMOLED-skjermer har så dype svarte, og dette gir også fordelen med strømsparing når du viser mørkere bilder.

Når et underpiksel er aktivert, blir en strøm spesifikk for intensiteten som kreves ført gjennom emisjonen mellom elektrodene, og komponenten i det emitterende laget konverterer den elektriske energien til lys. Som med LCD, er en enkelt piksel (vanligvis) laget av tre underpiksler rød, blå og grønn. (Unntaket her er PenTile-skjermer, som bruker en rekke uregelmessige matriksmønstre for underpiksler.) Med hvert underpiksel som produserer sine egne lys den høye energien kan forårsake forverring i underpikslene, noe som fører til lavere lysintensitet som kan observeres som skjermforbrenning. Blå lysdioder har høyest energi og følsomheten vår for blå er lavere, så de må skrus opp enda lysere, noe som øker denne forverringen.

E-blekk (elektroforetisk blekk)

E-blekk har gjort fenomenalt i e-leserindustrien, spesielt Amazons Kindle. (Pebbles e-papirskjerm er litt annerledes.) Det russiske firmaet YotaPhone har til og med laget telefoner med en bakre e-blekkdisplay.

Det er to hovedfordeler med E-ink fremfor LCD og AMOLED. Den første er rent estetisk, utseendet og mangelen på blending er tiltalende for leserne, da det er nær utseendet til trykt papir. Det andre er det utrolig lave strømforbruket - det er ikke behov for bakgrunnsbelysning, og tilstanden til hver piksel trenger ikke energi for å opprettholde, i motsetning til LCD og AMOLED. E-blekkdisplayer kan holde en side på skjermen i veldig lange perioder uten at informasjonen blir uleselig.

I motsetning til hva mange tror, ​​står ikke "E" for "elektronisk", men "elektroforetisk" mekanisme. Elektroforese er et fenomen der ladede partikler beveger seg når det påføres et elektrisk felt. De svarte og hvite pigmentpartiklene er henholdsvis negative og positivt ladede. Som magneter frastøter lading og motsatte ladninger tiltrekker seg. Partiklene lagres i mikrokapsler, hver halv bredde på et menneskehår, fylt med en oljeaktig væske som partiklene kan bevege seg gjennom. Den bakre elektroden er i stand til å indusere enten en positiv eller negativ ladning på kapselen, som bestemmer den synlige fargen.

Fremtiden

Med en grunnleggende forståelse av hvordan disse tre skjermene fungerer, kan vi se på forbedringene som kommer nedover linjen.

Cascaded LCD

Bildekreditt: NVIDIA

Cascaded LCD er et fancy begrep for å stable et par LCD-skjermer oppå hverandre med en liten forskyvning

NVIDIA publiserte en artikkel som beskriver eksperimentene med å firedoble skjermoppløsninger med kaskader skjermer, en fancy betegnelse for å stable et par LCD-skjermer oppå hverandre med en liten forskyvning. Med noe programvareveiviser, basert på noen seriøs matematiske algoritmer, var de i stand til å gjøre hver piksel til 4 segmenter og i det vesentlige firedoble oppløsningen. De ser på dette som en potensiell måte å lage billige 4K-skjermer fra å slå sammen to 1080p LCD-paneler sammen for bruk i VR-bransjen.

Gruppen 3D-trykte en VR-hodesettmontering for sin prototype kaskadevisning som et bevis på konseptet. Når telefonprodusenter løper for å lage tynnere og tynnere enheter, kan vi kanskje ikke se kaskadede skjermer i vår fremtidig smarttelefon, men de lovende resultatene kan bety at vi får kaskade 4K-skjermer til en veldig rimelig pris. Jeg anbefaler på det sterkeste å sjekke ut NVIDIAs papir, det er en interessant lesning med flere sammenligningsbilder.

Quantum Dots

Bildekreditt: PlasmaChem GmbH

De fleste av dagens kommersielt tilgjengelige LCD-skjermer bruker enten en CCFL (kald katodefluorescerende lampe) eller lysdioder for bakgrunnsbelysningen. LED-LCD-skjermer har begynt å bli det foretrukne valget, ettersom de har bedre fargespekter og kontrast mot CCFL. Nylig har quantum dot LED-LCD-skjermer begynt å rulle inn på markedet som en erstatning for LED-bakgrunnsbelysning, med TCL som nylig kunngjorde sin 55 "4K TV med kvantepunkter. I følge et papir fra QD Vision¹ fargespekteret fra en QD-bakgrunnsbelyst LCD-skjerm overstiger det for OLED.

Du kan faktisk finne QD-forbedrede skjermer i nettbrettmarkedet, spesielt Kindle Fire HDX. Fordelen med QD er at de kan stilles inn for å produsere den spesifikke fargen produsenten ønsker. Etter at mange selskaper viser sine quantum dot-TVer på CES, kan 2015 være året QD-forbedrede skjermer når massemarkedet innen telefoner, nettbrett og skjermer.

Flytende krystalltilsetningsstoffer

Bildekreditt: Rajratan Basu, US Naval Academy²

Forskningsgrupper over hele verden leter aktivt etter ting å legge til flytende krystaller for å bidra til å stabilisere dem. Et av disse tilsetningsstoffene er karbon nanorør (CNT)³. Bare å legge til en liten mengde CNT kunne redusere Fréedericksz-overgangen, forklart ovenfor, så det førte til både lavere strømforbruk og raskere bytte (høyere bildefrekvens).

Flere funn i tilsetningsstoffer gjøres hele tiden. Hvem vet, kanskje vi til slutt vil ha flytende krystaller stabilisert så godt at de ikke trenger en spenning for å opprettholde sin tilstand, og med veldig lite strømforbruk. Sharps Memory LCD-skjermer bruker mest sannsynlig lignende teknologi med sitt lave strømforbruk og "vedvarende piksler". Til tross for at denne implementeringen er monokrom, gjør fjerningen av bakgrunnsbelysningen det til en konkurrent med E-blekkdisplayer.

Transflekterende LCD-skjermer

Transflekterende LCD-skjermer kan eliminere behovet for bakgrunnsbelysning, noe som sparer strøm i prosessen.

En transflektiv LCD er en LCD som både reflekterer og overfører lys. Det eliminerer behovet for bakgrunnsbelysning under sollys eller lyse forhold, og reduserer dermed strømforbruket betydelig. Bakgrunnsbelysningen er også svak og svak, da den bare er nødvendig i mørket. Konseptet har eksistert i noen år, nå, og de har blitt brukt i LCD-klokker, vekkerklokker og til og med en liten netbook.

Hovedårsaken til at du kanskje ikke har hørt om dem, er deres uoverkommelig høye kostnad på forhånd for produsenten sammenlignet med standard TFT LCD-skjermer. Vi har ennå ikke sett transflekterende skjermer brukt i smarttelefoner, muligens fordi de ville ha vanskelig for å bli solgt til generalen forbruker. Live-telefondemoer og skjermenheter er en av de beste måtene å tiltrekke seg en kunde, så forhandlere har en tendens til å øke lysstyrkeinnstillingene på demo-enhetene for å fange oppmerksomheten til potensielle kjøpere, ville det ha vanskelig for bakgrunnsbelysningen med lav effekt i transflekterende skjermer konkurrerende. Det blir stadig vanskeligere for dem å komme seg inn på markedet med LCD-bakgrunnsbelysning som blir mer effektiv, og fargede E-blekkdisplayer er allerede patentert.

Visjonskorrigerende skjermer

Noen lesere kjenner kanskje noen langsynte som må holde telefonen i en armlengdes avstand, eller sette visningsfonten til enorm bare for å lese den (eller begge deler). Team på UC Berkeley, MIT og Microsoft gikk sammen om å produsere visningskorrigerende skjermer ved hjelp av lysfeltteknologi, lignende konsept som det som finnes i Lytro-kameraer. Lysfelt er en matematisk funksjon som beskriver mengden lys som beveger seg i alle retninger gjennom alle posisjoner i rommet, slik er sensoren i Lytro-kameraer.

Forskere var i stand til å bruke lysfeltteknologi til å endre enhetsdisplayer for langsynte brukere.

Bildekreditt: MIT

Alt visjonskorrigerende skjermbehov er den optiske resepten for å beregne måten lyset fra skjermen kommer inn i brukerens øyne for å oppnå perfekt klarhet. Det som er bra med denne teknologien er at konvensjonelle skjermer kan modifiseres for å oppnå synkorreksjon. I eksperimentene deres ble en fjerde generasjons iPod Touch-skjerm (326 PPI) utstyrt med et klart plastfilter. Spredt gjennom filteret er en rekke pinholes litt forskjøvet til pixel array, med hull som er små nok til å avlede lyset og avgi et lysfelt som er bredt nok til å komme inn i begge øynene bruker. Beregningsprogramvaren kan endre lys som kommer fra hvert av hullene.

Skjermen kommer imidlertid med noen ulemper. For det første er lysstyrken litt svakere. Visningsvinklene er også veldig smale, ligner på 3D-skjermer uten briller. Programvaren er bare i stand til å skjerpe skjermen for en enkelt resept om gangen, slik at bare en bruker kan bruke skjermen om gangen. Den nåværende programvaren som brukes i papiret, fungerer ikke i sanntid, men teamet har bevist at skjermen fungerer med stillbildene. Teknologien passer for mobile enheter, PC- og bærbare skjermer og TV-er.

Crystal IGZO-transistorer

IGZO (indium gallium sink oksid) er et halvledende materiale som bare ble oppdaget det siste tiåret. Opprinnelig foreslått i 2006³, den har nylig begynt å bli brukt i tynne filmtransistorer for å kontrollere LCD-paneler. IGZO er utviklet ved Tokyo Institute of Technology, og har vist seg å transportere elektroner opptil 50 ganger raskere enn standard silisiumversjoner. Som et resultat kan disse tynne filmtransistorene oppnå høyere oppdateringshastigheter og oppløsninger.

Teknologien er patentert, og Sharp har nylig brukt lisensiering til å produsere 6,1-tommers LCD-paneler med 2K-oppløsning (498 PPI). Sharp har levert LCD-IPS-skjermer med høy oppløsning i mobilindustrien, og dens krystall-IGZO-paneler vil bare øke selskapets andel av dette markedet, spesielt i lys av tidligere partnerskap med Apple for å levere LCD-paneler til iOS-enheter. Nylig ga Sharp ut Aquos Crystal, og viste frem en IGZO-skjerm med høy oppløsning med krympede rammer. Forvent at 2015 blir året der IGZO-skjermer begynner å ta over i forskjellige flaggskipsenheter.

Nanopixels

Forskere fra Oxford University og University of Exeter har nylig patentert og publisert en artikkel⁴ om å bruke faseendringsmateriale (PCM) for skjermer, og oppnå 150 × oppløsningen til konvensjonelle LCD-skjermer. PCM er et stoff hvis fase lett kan manipuleres og i dette tilfellet skifter mellom en gjennomsiktig krystallinsk tilstand og en ugjennomsiktig amorf (uorganisert) tilstand.

I likhet med LCD-teknologi, er en påført spenning i stand til å diktere om en underpiksel er gjennomsiktig eller ugjennomsiktig, men den krever ikke de to polariserende filtrene, og tillater dermed papirtynne skjermer. PCM-laget er laget av germanium-antimon-tellurium (GST), det samme banebrytende stoffet som brukes til omskrivning DVDer. Partikler av GST bombes på en elektrode og produserer en tynn, fleksibel film som gjør at skjermen kan være fleksibel. Produsenter er også i stand til å justere fargen på hver nanopiksel manuelt, ettersom GST har en bestemt farge avhengig av tykkelse - i likhet med teknologien til interferometriske modulatorskjermbilder (eller varemerkebeskyttet som Mirasol).

PCM-skjermer er svært energieffektive. I likhet med E-blekk er pikslene vedvarende, og krever bare strøm når pikseltilstanden krever endring. Vi trenger kanskje aldri en 7000 PPI-skjerm på telefonene våre, men teamet ser at de er nyttige i applikasjoner der enhetene krever forstørrelse, f.eks. VR-hodesett. Faseskiftende materialer kan også endre seg i elektrisk ledningsevne, et meget forsket område innen NAND-teknologi som vi vil lagre for en fremtidig artikkel i denne serien.

IMOD / Mirasol vises

Mirasol-skjermer er inspirert av måten sommerfuglvingene er farget på.

Interferometric modulator displays (IMOD) bruker et fenomen som oppstår når en foton (lyspartikkel) samhandler små strukturer av materie som forårsaker lysinterferens, inspirert av måten sommerfuglvingene er på farget. I likhet med andre skjermer har hver underpiksel sin egen farge som bestemmes av bredden på luftspalten mellom den tynne filmen og den reflekterende membranen. Uten kraft beholder underpikslene sine spesifikke fargetilstander. Når en spenning påføres, induserer den en elektrostatisk kraft som kollapser luftspalten og underpikselet absorberer lys. En enkelt piksel består av flere underpiksler, hver med forskjellig lysstyrke for hver av de tre RGB-fargene, da underpikslene ikke kan endres i lysstyrke som LCD-underpiksler.

Mirasol-skjermer er i langsom produksjon, rettet mot e-lesermarkedet og bærbar teknologi. Qualcomm ga nylig ut deres Toq smartklokke som bruker skjermen. Mirasols vedvarende piksler med lav energi og mangel på bakgrunnsbelysning gjør den til en seriøs konkurrent i den fargede e-leserindustrien. Kostnadene ved å produsere de nødvendige mikroelektromekaniske systemene (MEMS) er fortsatt litt høye, men de blir raskt billigere.

I likhet med transflekterende skjermer, ville Mirasols mangel på bakgrunnsbelysning gjøre det vanskelig å selge til den generelle forbrukeren i det nåværende smarttelefonmarkedet. Når det er sagt, har teknologien blitt brukt i enheter som Qualcomm Toq, i varierende grad av suksess.

Fleksibel OLED

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

Samsung og LG har kjørt aktivt for å fremme OLED-teknologi, og begge selskapene investerer mye i teknologien. Vi har sett deres buede OLED-skjermer på TV-en og til og med telefonene deres - LG G Flex og G Flex 2, Samsung Galaxy Note Edge, etc. Begge selskapene har vist frem sine gjennomsiktige, fleksible skjermer med LG som viser en 18-tommers fleksibel OLED som kan rulles opp i et tett rør litt over en tomme i diameter.

Til tross for at denne skjermen bare er 1200 × 810, tror LG med tillit at de kan utvikle 60-tommers 4K fleksible skjermer innen 2017. Det vitenskapelige gjennombruddet som vises med dette er den fleksible polyimidfilmen som brukes som ryggraden for skjermen. Polyimid er et sterkt, men likevel fleksibelt materiale som er motstandsdyktig mot varme og kjemikalier. Den brukes mye i elektrisk kabelisolasjon, båndkabler og medisinsk utstyr. Regn med å se flere og flere av disse fleksible skjermene, men vi må vente og se om produksjonskostnadene er lave nok til å være levedyktige i mobilmarkedet.

For mer om den mest overbevisende fleksible OLED-implementeringen vi hittil har sett i en telefon, sjekk ut Android CentralLG G Flex 2 forhåndsvisning.

Bunnlinjen

Ved slutten av 2015 skal vi se IGZO LCD-paneler i noen av Android-flaggskipsenhetene, muligens ved hjelp av kvantprikkforbedrede bakgrunnsbelysning. Vi kan også se at Mirasol-paneler blir mer adoptert i wearables, noe som gir oss utvidelsen batterilevetiden vi trenger - men de som foretrekker livskraften til et LCD- eller OLED-panel, er kanskje ikke det overbevist. Det er absolutt stor variasjon i skjermmarkedet - lyse, levende, høyoppløselige skjermer i den ene enden og lavt strømforbruk, vedvarende skjermer på den andre.

Mobilskjermindustrien fortsetter å utvikle seg i en enorm hastighet, og utvidende skjermstørrelse og pikseltetthet er bare en del av ligningen.

Det er på tide å kutte ledningen!

Dette er de beste trådløse øreproppene du kan kjøpe til enhver pris!

De beste trådløse ørepluggene er komfortable, høres bra ut, koster ikke for mye og passer lett i lommen.

Neste generasjon

Alt du trenger å vite om PS5: Utgivelsesdato, pris og mer.

Sony har offisielt bekreftet at de jobber med PlayStation 5. Her er alt vi vet om det så langt.

Nye Nokias

Nokia lanserer to nye budsjett Android One-telefoner under $ 200.

Nokia 2.4 og Nokia 3.4 er de siste tilskuddene til HMD Globals budsjett-smarttelefonserie. Siden de begge er Android One-enheter, mottar de garantert to store OS-oppdateringer og vanlige sikkerhetsoppdateringer i opptil tre år.

Ny og forbedret

Dette er de beste bandene for Fitbit Sense og Versa 3.

Sammen med utgivelsen av Fitbit Sense og Versa 3 introduserte selskapet også nye uendelige band. Vi har plukket ut de beste for å gjøre ting enklere for deg.