Tzv. EWD displeje (ElecroWetting Display, v překladu něco jako elektrosmáčivé displeje) představují aktuální novinku a možný další směr vývoje elektro-optiky a zobrazovací techniky. Jedním z hlavních propagátorů této nové technologie je aktuálně společnost Samsung, která ji vede pod označením Liquavista, a snad by již v roce 2013 měla představit první komerční model. Co to však je electrowetting? A na jakém principu pracují z něj vyvíjené displeje? To se pokusím co nejsrozumitelněji popsat v následujících řádcích a odstavcích.

EWD technologie displejů se pod křídly Samsungu vyvíjí pod označením Liquavista.

Co je to electrowetting ?

Jde o obecně celkem jednoduchý fyzikální princip, který využívá změny rozprostření kapaliny na pevném hladkém povrchu při změně elektrického potenciálu kapaliny. Jde o mikrofluidní jev, který využívá změny povrchového napětí kapaliny umístěné na pevném povrchu při aplikaci elektrického napětí. Vzniklý rozdílný elektrický potenciál mezi povrchem kapaliny a hydrofobním podkladem (povrchem) způsobuje změnu smáčivosti, přesně řečeno při aplikaci el. napětí se jakoby stává více hydrofilní (smáčitelný).

Dva základní stavy principu elektrosmáčivosti (electowettingu) v případě obyčejné kapky vody na hydrofobním podkladu: a) stav bez el. napětí, b) stav po připojení el. napětí.

Princip funkce pixelu EWD displeje

V případě EWD displejů se možnosti elektricky řízené změny povrchového napětí využívá pro realizaci jednoduchého elektro-optického přepínače, kde se využívá smršťování kapky oleje umístěné v komůrce zaplněné vodou. Každá komůrka pak vytváří jednotlivé body (pixely) displeje. Bez napětí tvoří obarvený olej souvislou vrstvu (film) přes celý pixel a při svrchním nasvícení je viditelný pro pozorovatele. Je-li přiloženo napětí, kapička oleje se smrští a pixel, který je tak z větší části odkrytý (vyplňuje jej jen čirá voda), se stává transparentním a tedy jako by neviditelným. Zde využívaná rovnováha mezi elektrostatickými silami a silami povrchového napětí pak ve výsledku určuje, jak moc se kapička oleje smrští a tedy lze při dalším vývoji a realizaci ještě s touto rovnováhou sil dále různě "laborovat". Zajímavý je také fakt, že díky malým rozměrům jednotlivých pixelů (typicky 0,2 mm) je povrchové napětí až 1000x větší než gravitační síla, a proto se pixel chová stejně nejen ve vodorovné poloze, ale i při libovolném naklonění  a i při otočení "hlavou dolů".

Ukázka obou možných stavů pixelu EWD displeje: ve stavu bez napětí je obarvená kapka oleje ve vodě rovnoměrně rozprostřená po celé šířce pixelu a pixel se tedy jeví jako tmavý a barevný (obr. vlevo), po přivedení napětí se během několika sekund kapka oleje smrští a tím nestíní bílý podklad a pixel se jeví jako bílý (obr. vpravo).

Pokud je pod pixely reflexní plocha (viz bílý substrát na obrázcích níže), soustava pracuje v reflexním režimu.  Samozřejmě lze tento systém použít i v opačném „gardu“ v transmisivním režimu s podsvícením nebo případně i v kombinaci obou současně, tzv. transflektivním režimu.

Také již na doposud realizovaných vzorcích bylo odzkoušeno, že ani po několika stovkách miliónů přepnutí tohoto „elektro-optického přepínače“ nebyly zaznamenány žádné známky opotřebení uvnitř použité kapaliny ani elektrod, kterou jsou s ní v kontaktu.

Funkce pixelu u transmisivního provedení displeje s podsvícením a černě obarvenou olejovou kapkou: vlevo ve stavu bez napětí je pixel tmavý (neviditelný), vpravo při napěťovém vybuzení je pixel průhledný (svítí = viditelný).

Jak lze realizovat barevné EWD displeje ?

Jestliže vytvoříme matici jednotlivých komůrek každá s kapkou oleje a elektrodami (například s průhlednými ITO elektrodami), vytvoříme matici pixelů a klasický formát displeje je na světě. Pokud jsou jednotlivé pixely nezávisle řízeny a aktivovány (například prostřednictvím technologie TFT), můžete na displeji zobrazit libovolný obrazový obsah jako fotografie nebo video.

Zatím jsme však dosáhli jen monochromatického režimu. V případě požadavku na realizaci barevného displeje se buď přes matici takto vytvořených pixelů aplikují barevné filtry (podobně jako například u LCD displejů), nebo je možná ještě druhá varianta v podobě možnosti přímého obarvení jednotlivých kapiček oleje (pixelů) požadovanou barvou, čímž se přímo samotná aktivní část displeje stává barevnou.

Jak již bylo zmíněno výše, displej může pracovat stejně jako LCD buď v pasivním reflexním režimu při osvícení jen externím světlem ze strany pozorovatele, nebo v aktivním režimu s například LED podsvícením.

Klasické provedení maticové struktury EWD displeje, kde každý pixel tvoří trojice menších bodů (sub-pixelů) vybavených RGB filtry. Až na samotný princip funkce jednotlivých sub-pixelů je jinak funkční struktura srovnatelná s klasickým barevným grafickým LCD.

Třívrstvá struktura CMY displeje

Dalšího výrazné zlepšení v optickém výkonu, rozlišení a inovaci na poli displejů lze zde dosáhnout, když nad sebe umístíme tři monochromatické vrstvy a ty obarvíme či opatříme filtry s odstíny CMY (Cyan (azurová) / Magneta (purpurová) / Yellow (žlutá)), tedy kombinací barev, které se dnes využívají ve většině běžných barevných tiskárnách. Výsledná barva pixelu se pak netvoří rozvícením třech vedle sebe ležících RGB podpixelů (a využívá se zde špatného rozlišení oka), ale každý bod obrazovky prostě bude přímo mít svojí barvu v závislosti na řízení průchodu světla třemi na sebou umístěnými vrstvami, podobně jako se u tiskárny barva každého bodu na papíře generuje současným smícháním CMY inkoustů. Výhody jsou pak jasné: 3x větší rozlišení displeje při stejných rozměrech v porovnání s klasickou koncepcí a výrazně lepší vjem při blízkém pozorování displeje. Z vlastní zkušenosti mohu říci, že pak například u elektronických hledáčků ultrazoomových fotoaparátů by to byl velký krok kupředu. Mírnou nevýhodou této koncepce tří vrstev nad sebou je zvýšený útlum intenzity procházejícího světla. Na tomto faktu však lze dále pracovat, zatímco výhody samotné podstaty této koncepce jsou evidentní. Na druhou stranu se tímto systémem jen obtížně realizuje přesné a kvalitní zobrazení základních RGB barev, jak je patrné z níže uvedeného grafu. 

Výhoda 3-vrstvé koncepce je dokonalé provedení barvy každého pixelu, protože barva se podobně jako u tiskárny generuje regulací intenzity vzájemného překrytí barev Cyan / Magneta / Yellow. Stejně veliký displej pak má 3x větší rozlišení než klasická RGB struktura. Problematický je zatím menší kontrast barev a chybějící čisté syté provedení RGB barev (červená, zelená a modrá). 

Výhody proti současným LCD displejům ?

Technologie EWD je primárně cílena jako náhrada LCD displejů, protože v případě standardního maticové provedení s RGB podpixely z externího náhledu vypadá a pracuje podobně. Prostě také propouští nebo omezuje průchod externího světla, na rozdíl například od technologie OLED, kde jednotlivé pixely přímo světlo generují. Proti LCD pak EWD poskytuje výhodu v jednodušší konstrukci sendvičové struktury displeje, protože odpadá realizace vrstvy polarizačního filtru a navíc přepínaná látka v podobě oleje je výrazně levnější než kapalné krystaly. Tím by měly být výrobní náklady výrazně nižší než u LCD. Navíc v případě přímo obarvení oleje u reflexního typu displejů pak odpadá i realizace barevných filtrů na pixely. Eliminace počtu vrstev sendvičové struktury displeje pak snižuje útlum intenzity procházejícího světla a tím může displej poskytovat vyšší jas i lepší kontrast obrazu při stejných světelných podmínkách v porovnání s LCD.

Z porovnání sendvičové struktury LCD displeje (vlevo) a EWD displeje (vpravo) je patrné, že z důvodu menšího počtu vrstev (chybějícím polarizátorům) je útlum procházejícího světla menší a tedy výsledný obraz má větší jas i kontrast.

Další významnou výhodou zvláště v případě videa je velmi rychlý čas přepínání stavu pixelů v řádu jen několika milisekund. To má za následek rychlou odezvu displeje a tedy ostré kontury obrazu i při rychle se pohybujícím objektu na videu.

Pro nasazení v přenosných aplikacích, jako jsou elektronické čtečky knih, tablety, mobilní telefony apod. je pak i důležitý velmi široký rozsah provozních teplot –30 až +80°C. Zvláště bezproblémová funkce v teplotách pod nulou je v našich zeměpisných šířkách s tuhými mrazy velmi zajímavá. Nakonec je tu o možnost ohebného flexibilního provedení, takže displej může být i velmi lehký a použitelný v různých designových aplikacích nebo na prohnutých površích.

Proti OLED se pak EWD vyznačuje až 10x nižší spotřebou el. energie, což jej dělá atraktivní pro mobilní a bateriově napájené aplikace. Výhody zmíněného třívrstvého provedení pak již byly zmíněny a prakticky v tomto režimu jde o úplně novou strukturu s úplně jinými vlastnostmi.

Technologie výroby EWD

Jak již bylo zmíněno výše, sendvičová struktura EWD displeje je jednodušší než u LCD. Jednodušší je pak i výroba.

Jako substrát spodní vrstvy lze použít jakýkoli typ materiálu, od skla s klasicky implementovanou ITO vrstvou elektrod nebo s aktivní TFT maticí, až po různé pružné materiály, jako jsou plasty. Substrát je pak pokrytý několik desetin mikronů silnou vrstvou amorfního fluoropolymeru (cca 0,8 mikrometrů), který vytváří silný hydrofobní charakter této vrstvy a zajišťuje tak dobré rozšíření olejové vrstvy při vypnutém stavu. Stěny jednotlivých komůrek pixelů se realizují fotolitografií a jejich výška (dnes se pracuje s cca 4 mm) hraje zásadní roli při určování množství kapaliny uvnitř pixelů. Tato výška se stanovuje v průběhu standardního fotolitografického procesu a musí být velmi přesně stejná v celé matici displeje, aby bylo dosaženo na všech místech disleje jednotné elektro-optické odezvy.

Vnitřní kapalina tvořená směsí čistého nebo obarveného oleje a čiré vody, která slouží jako vyplňující médium v komůrce, se pak zároveň chová jako obyčejná elektroda. Celý displej je pak uzavřen vrstvou ITO na skle či pružném materiálu, která vytváří elektrický kontakt s kapalinou (olejem). Při aktuálním stavu vývoje se k vybuzení pixelu využívá stejnosměrné napětí cca 20 V, předpokládá se však, že v budoucno to bude i méně než 10 V.

Stručně možný výrobní postup displejů s technologií EWD.

Závěr

Technologie EWD představuje velmi zajímavou a novou vývojovou "větev" nejen na poli displejů, ale elektronického zobrazení vůbec. Osobně si myslím, že by mohla mít dost slušnou naději na úspěch, protože uplatňuje rčení "v jednoduchosti je krása". Proti LCD pak přestavuje minimálně stejné, ale spíše výrazně lepší vlastnosti při podobné koncepci výroby a zároveň při možnosti použití výrazně levnějších materiálů. A o nízkou cenu a levnou výrobu v současném světě jde především...

DOWNLOAD & Odkazy

• Infomace byly čerpány z webových stránek:
  • www.liquavista.com
  • http://optics.org/article/22062
• Článek "OLED – to není jen zkratka moderních displejů" na stránkách serveru automatizace.HW.cz
• Článek "OLED - geniálně jednoduchá technologie" na stránkách serveru www.HW.cz
• Článek "GLYN rozšiřuje své portfolio o OLED displeje společnosti CMEL" na stránkách serveru www.HW.cz
• Článek "Přehled typů displejů OLED a jejich nové variaty" na stránkách serveru automatizace.HW.cz
• Další zajímavé články najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz