Zastosowanie elastycznych wyświetlaczy OLED oraz OLCD w elektronice użytkowej

Nieodłącznym elementem każdego produktu z kategorii elektroniki użytkowej jest atrakcyjny wygląd. Może on stanowić klucz do osiągnięcia rynkowego sukcesu lub stać się przyczyną komercyjnej porażki. Jest też często pierwszym i podstawowym aspektem ocenianym przez potencjalnego użytkownika przez podjęciem decyzji zakupowej tak samo jak okładka książki. Sposobem na poprawę wyglądu produktu oraz uzyskanie atrakcyjnego kształtu jest zastosowanie wyświetlaczy elastycznych, na co pozwala zarówno technologia OLED, jak i OLCD.

W wielu urządzeniach elektronicznych, szczególnie w segmencie elektroniki użytkowej, wyświetlacz jest często jednym z niewielu, a niekiedy nawet ostatnim płaskim elementem obudowy produktu. Tradycyjne metody konstrukcji ekranów nie pozwalały na zbyt swobodne manipulowanie ich kształtem, wymuszając zachowanie formy maksymalnie zbliżonej do płaskiej powierzchni. Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii wyświetlania obrazu, takich jak OLED oraz OLCD, pojawiła się szansa na zmianę kształtu ekranu – nie tylko poprzez dodanie możliwości uzyskania efektów statycznych, ale i dynamicznych, czyli zmiany kształtu wyświetlacza w trakcie normalnej pracy urządzenia – jego zginania oraz składania.

Elastyczne wyświetlacze jako wyróżnik produktu

Elastyczne wyświetlacze znajdują się w obrębie zainteresowań producentów elektroniki użytkowej od przynajmniej

kilku lat. Zainteresowanie to przybierało dotychczas różne formy, skutkując implementacją tego typu rozwiązań w wybranych urządzeniach. Przykłady tego typu rozwiązań znaleźć można w przypadku urządzeń takich jak Apple Watch oraz Samsung Edge.

 

Rys. 1. Jeden z produkowanych obecnie modeli telefonów ze składanym wyświetlaczem

Technologia produkcji tego typu układów dojrzała obecnie do poziomu atrakcyjnej alternatywy dla tradycyjnych wyświetlaczy, wiele ich potencjalnych zastosowań wciąż jednak czeka na masowe komercyjne zastosowanie. Najbliższe lata pozwolą prawdopodobnie na odkrycie nowych możliwości wykorzystania tego typu komponentów, a także częściowe zastąpienie tradycyjnych szklanych wyświetlaczy w niektórych typach produktów.

Warto zauważyć, że elastyczny ekran może znaleźć zastosowanie nie tylko w przypadku telefonów komórkowych, ale również do wielu innych kategorii urządzeń. Postępy w rozwoju tej technologii, skutkujące obniżeniem kosztu podzespołów oraz poprawą ich żywotności, powodują wzrost jej atrakcyjności w przypadku konstrukcji wielu typów produktów – od elektroniki mobilnej aż do rozwiązań typu automotive.

Różnica pomiędzy ekranem elastycznym a składanym

 

Rys. 2. Panel OTFT wykonany na elastycznym podłożu plastikowym

W opisie wyświetlaczy znaleźć można jedno z dwóch określeń – elastyczny (flexible) lub składany (foldable). Terminem flexible określa się zazwyczaj ekrany, które mogą być w pewnym zakresie swobodnie odkształcane oraz formowane na etapie produkcji, następnie zaś umieszczane są w sztywnej oprawie. Nie przewiduje się możliwości zmiany ich kształtu podczas eksploatacji produktu.

Termin foldable dotyczy ekranów cechujących się pewnym stopniem swobody ruchu już na etapie ich eksploatacji. Jest to najczęściej możliwość składania ich wzdłuż określonej osi, uzyskana poprzez odpowiednią integrację sztywnych oraz elastycznych elementów oprawy wyświetlacza.

Różnice między OLED oraz OLCD

Istnieją obecnie dwa podstawowe rodzaje tzw. organicznych technologii produkcji wyświetlaczy, pozwalające na konstrukcję ekranów elastycznych: technologia OLED (Organic Light-Emitting Diode, organiczna dioda elektroluminescencyjna) oraz OLCD (Organic Liquid Crystal Display, organiczny wyświetlacz ciekłokrystaliczny). Technologia OLED wykorzystywana jest w masowej produkcji od roku 2012, obecnie spotkać ją można m.in. we fl agowych modelach smartfonów marek takich jak Samsung oraz Huawei. Prace nad wyświetlaczami OLCD trwają od roku 2014 – obecnie układy tego typu spotkać można przede wszystkim w formie demonstratorów technologii i urządzeń pokazowych, stopień zaawansowania tego rozwiązania daje jednak nadzieję na jego bardzo szybką komercjalizację i rychłe przystąpienie do masowego wykorzystania.

 

Rys. 3. Wyświetlacz OLCD może być swobodnie wyginany na etapie produkcji

Między układami OLCD oraz OLED występują pewne różnice, przez co każda z technologii lepiej nadaje się do pewnych typów zastosowań. Jednak na wielu polach oba z tych rozwiązań charakteryzują się przewagą w porównaniu do klasycznych szklanych wyświetlaczy, pozwalając osiągnąć następujące korzyści:

• grubość wyświetlacza może zostać zredukowana do poziomu poniżej 100 μm (ok. 400–800 μm w przypadku szkła),
• waga wyświetlacza może zostać zmniejszona około dziesięciokrotnie w porównaniu do konstrukcji szklanych,
• zastępują szkło tworzywami sztucznymi charakteryzującymi się wyższą odpornością na stłuczenie oraz zarysowanie,
• umożliwiają całkowite pozbycie się ramki wyświetlacza poprzez zagięcie lub złożenie krawędzi,
• mogą być zaginane oraz swobodnie kształtowane wokół różnorodnych powierzchni, umożliwiając całkowicie nowy poziom wizualnej strony projektu.

Technologie OLCD oraz OLED różnią się jednak między sobą w znaczący sposób, przede wszystkim pod względem kosztu produkcji, dostępnej rozdzielczości, żywotności oraz możliwości formowania dowolnych kształtów.

Koszt OLED

Produkty wyposażone w elastyczne wyświetlacze OLED są zauważalnie droższe od ich klasycznych odpowiedników. Cena telefonów ze składanym ekranem (np. Samsung Galaxy Fold, Huawei Mate X) zaczyna się od ok. 9000 zł. Jest to około dwukrotnie więcej niż w przypadku flagowych modeli danych marek wyposażonych w tradycyjny wyświetlacz.

Różnica w cenie produktów nie wynika oczywiście jedynie z kosztu wyświetlacza – modele składane wyposażone są w dodatkowe elementy obudowy oraz podzespoły, mają również bardziej złożone oprogramowanie, produkowane są też w znacznie mniejszej liczbie egzemplarzy. Szacuje się jednak, że koszt samego układu składanego wyświetlacza OLED stanowi ok. 10% końcowej ceny produktu.

Technologia OLED pozwala na konstruowanie elastycznych ekranów o dużych rozmiarach, jednak obecnie koszt tego typu produktów ogranicza ich potencjalne zastosowanie do raczej niszowych rozwiązań. Przykładowo, koszt zaprezentowanego podczas jednych z tartargów w 2019 roku 65-calowego zwijanego telewizora OLED oferowanego przez LG określono na ponad 200 000 zł.

Koszt OLCD

Do produkcji wyświetlaczy OLCD wykorzystuje się tranzystory typu OTFT (Organic Th in Film Transistor, organiczny tranzystor cienkowarstwowy) zamiast ich klasycznych, nieorganicznych odpowiedników. Klasyczne tranzystory TFT konstruowane są z wykorzystaniem materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem czy arsenek galu, odpowiednio domieszkowanych właściwym rodzajem nośników ładunku (elektronów lub dziur). W układach OTFT warstwa półprzewodnikowa budowana jest w oparciu o materiały polimerowe. Proces produkcyjny tranzystorów OTFT może odbywać się w znacznie niższej temperaturze niż w przypadku ich krzemowych odpowiedników, co znacząco obniża koszt produkcji.

Produkcja układów krzemowych odbywa się w temperaturze powyżej 300°C, co wymusza stosowanie specjalnych materiałów podłoża, narzędzi oraz maszyn. Wpływa to na koszt oraz wydajność procesu technologicznego. Podczas produkcji układów OTFT nie ma potrzeby uzyskiwania temperatur przekraczających 100°C, co pozwala m.in. na używanie tańszych materiałów jako podłoża. W ogólności koszt produkcji wyświetlacza OLCD jest około trzykrotnie niższy niż konstrukcja jego odpowiednika wykonanego w technologii AMOLED, co znacząco poszerza listę potencjalnych zastosowań elastycznych ekranów.

Rozdzielczość

Wymagana rozdzielczość ekranu zmienia się w zależności od typu aplikacji oraz rozmiaru wyświetlacza. Telefon komórkowy z 6-calowym wyświetlaczem do wyświetlenia obrazu w jakości 2 K wymaga rozdzielczości 490 ppi, zaś przy jakości HD jest to już 368 ppi. Wartości te wynoszą odpowiednio 188 ppi/141 ppi dla ekranu o przekątnej 15,6 cala oraz tylko 53 ppi/40 ppi dla przekątnej 55 cali.

Ekran OLED umieszczony w modelu Samsung Galaxy Fold charakteryzuje się rozdzielczością 350 ppi (2152×1536), nie jest to jednak szczyt możliwości tej technologii – wyświetlacz OLED będący na wyposażeniu IPhone X ma rozdzielczość 450 ppi. Osiągi te pozwalają technologii OLED bardzo dobrze sprawdzać się w rozwiązaniach wymagających wysokiej rozdzielczości nawet dla niewielkich rozmiarów ekranów, co pozwala m.in. na odtwarzanie plików wideo w bardzo wysokiej jakości. Dość wysoki koszt tego typu układów ogranicza listę ich potencjalnych zastosowań raczej do fl agowych modeli różnego rodzaju produktów, w których niska cena nie jest parametrem priorytetowym.

Technologia OLCD pozwala na uzyskiwanie takich samych osiągów jak w przypadku zwykłych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych LCD, pozwalając na osiągnięcie rozdzielczości do około 350 ppi. Pozwala to na uzyskanie jakości obrazu w standardzie 2 K lub większym, w zależności od wielkości ekranu. Jakość taka jest generalnie wystarczająca do wielu zastosowań, włączając w to monitory komputerowe, telewizory, segment automotive czy smart home.

Żywotność oraz jasność wyświetlacza

 

Rys. 4. Koncepcja wykorzystania ekranu OLCD jako elementu środkowej konsoli pojazdu

Żywotność wyświetlacza wykonanego w technologii OLED jest ściśle związana z jego jasnością – z dobrym przybliżeniem przyjąć można, że dwukrotne zwiększenie jasności ekranu zmniejsza jego żywotność około czterokrotnie. W przypadku produktów takich jak smartfony jest to akceptowalna cecha – średni czas życia telefonu komórkowego wynosi ok. 2,5 roku, urządzenia te nie pracują ponadto zazwyczaj z bardzo wysokim poziomem jasności wyświetlacza. Do innych zastosowań aspekt ten stanowić może jednak spory problem. Dobrym przykładem może być tutaj przemysł motoryzacyjny – żywotność pojazdu wynosi przynajmniej kilkanaście lat, zaś wymagany poziom jasności w przypadku ekranów i wyświetlaczy samochodowych jest około dwukrotnie większy niż w przypadku telefonów komórkowych.

Technologia OLCD, podobnie jak jej klasyczny odpowiednik (LCD), wymaga dodatkowego źródła światła podświetlającego ekran. Pozwala to na osiągnięcie wysokich poziomów jasności, nie wpływając również w żaden sposób na żywotność wyświetlacza. W ekranach OLCD nie występuje zjawisko wypalania się pojedynczych pikseli czy też obszarów ekranu.

Elastyczność

Zarówno technologia OLCD, jak i OLED pozwala na produkcję ekranów elastycznych, tj. takich, których kształt na etapie produkcji może być formowany w sposób inny niż płaski – umożliwiając uzyskanie zagięć oraz kątów. W przypadku układów OLCD nie ma obecnie możliwości zmiany kształtu, wyginania czy też składania ekranu już podczas jego użytkowania. Kształt nadany podczas produkcji nie może być już zmieniany w czasie pracy urządzenia. Technologia OLED umożliwia produkcję ekranów składanych, czego przykłady znaleźć można przede wszystkim w wybranych modelach telefonów komórkowych – wszystkie tego typu urządzenia wyposażone są właśnie w ekrany OLED.

Zastosowania

Technologie OLED oraz OLCD mają odmienne charakterystyki, przez co każda z nich lepiej nadaje się do wybranych typów rozwiązań. Poniżej omówione zostaną możliwości ich wykorzystania w kluczowych segmentach rynku współczesnej elektroniki.

 

Rys. 5. Koncepcja domowego nagłośnienia wyposażonego w dookólny ekran OLCD

Telefony komórkowe/elektronika noszona

Elastyczne wyświetlacze wykonane w technologii OLED wykorzystywane są już w wybranych modelach telefonów komórkowych oraz smartwatch. Charakteryzują się wysoką rozdzielczością i jakością obrazu, ich wadą jest jednak wysoka cena, znacząco wyższa niż w przypadku klasycznych układów, a także krótki czas życia skracany dodatkowo wraz ze wzrostem jasności wyświetlacza. Cechy te czynią technologię OLED dobrym rozwiązaniem dla rynku telefonów komórkowych, smartwatch oraz podobnego typu produktów wyposażonych w ekrany o niewielkich rozmiarach, charakteryzujących się krótkim czasem życia i dość wysoką ceną. Właściwości te stanowić mogą jednak nieprzekraczalną przeszkodę w przypadku innych segmentów rynku elektroniki.

Notebooki oraz tablety

Bez wątpienia konsumenci z entuzjazmem zareagują na cieńsze, lżejsze oraz odporne na tłuczenie laptopy oraz tablety wyposażone w organiczne wyświetlacze. Podczas gdy zarówno technologia OLED, jak i OLCD zezwala na produkcję cieńszych i lżejszych ekranów, koszt układów OLED, dla wyświetlaczy o rozmiarach laptopa jest obecnie bardzo duży, choć wraz z upływem lat i rozwojem technologii na pewno zostanie on obniżony. Cena układów OLCD nie odbiega znacząco od ich klasycznych ciekłokrystalicznych odpowiedników (ekranów LCD) – wykorzystują one w swojej konstrukcji w większości te same komponenty, poza szklaną warstwą ekranu, co sprawia, że wyświetlacz typowego notebooka staje się około 100 g lżejszy oraz 0,5 mm cieńszy. Technologia OLCD oferuje ponadto możliwość konstrukcji ekranów bezramkowych, uzyskiwanych poprzez podwinięcie końcówek wyświetlacza – pozwala to na produkcję tabletów i notebooków charakteryzujących się większymi ekranami przy tych samych rozmiarach urządzenia.

Produkty smart home

Wyświetlacze elastyczne, jeśli tylko będą charakteryzować się odpowiednio niską ceną, mogą znaleźć szerokie zastosowanie w obecnie produkowanych urządzeniach segmentu smart home, jak również przyczynić się do powstania całkowicie nowych rodzajów produktów należących do tej kategorii. Przykładowo, wiele obecnie produkowanych układów nagłaśniających ma okrągły lub cylindryczny kształt, co uniemożliwia wyposażenie ich w klasyczny szklany ekran. Wyświetlacze organiczne mogą pokonać te ograniczenia, zapewniając użytkownikom większym komfort oraz umożliwiając dodanie do wielu produktów całkowicie nowych funkcjonalności. Szczególny potencjał ma tutaj technologia OLCD, charakteryzująca się stosunkowo niską ceną oraz długą żywotnością układów.

Motoryzacja

Branża motoryzacyjna coraz uważniej przygląda się technologiom produkcji elastycznych wyświetlaczy, szczególny potencjał upatrując w układach OLCD. Znaleźć można je już w wybranych pokazowych modelach pojazdów, jak np. w NovaCar 1 francuskiego przedsiębiorstwa Novares. W pojeździe tym zakrzywione wyświetlacze OLCD umieszczono między innymi na przednich słupkach, poszerzając pole widzenia kierowcy, znacząco ograniczając tzw. martwą strefę obserwacji oraz eliminując potrzebę korzystania z bocznych lusterek. Elastyczne ekrany pozwalają również na wprowadzenie całkowicie nowych elementów designu do wnętrz pojazdów, znacząco zwiększając wizualną atrakcyjność kokpitu oraz komfort kierowcy i pasażerów.

Podsumowanie

Technologie produkcji elastycznych wyświetlaczy w niedalekiej przyszłości znajdą prawdopodobnie szereg zastosowań w wielu dziedzinach elektroniki, odmieniając wygląd oraz funkcjonalność wielu produktów codziennego użytku. Pozwolą na konstrukcję lżejszych ekranów o dowolnych kształtach, dając projektantom i designerom niespotykaną wcześniej swobodę działania. Ciągły postęp w produkcji technologii OLCD oraz OLED pozwala przypuszczać, że w najbliższym czasie układy te dynamicznie zwiększą swoją popularność, stopniowo wypierając dominujące obecnie tradycyjne szklane wyświetlacze.

Damian Tomaszewski