Ваш город Санкт-Петербург?
Да Выбрать другой
Каталог товаров

Возможности создания триплекса с интегрированным прозрачным дисплеем

Глоссарий 140 Март’2021

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем

Появление «прозрачных» дисплеев, как результат развития нанотехнологий, привело к созданию нового поколения мониторов, в которых, с одной стороны, реализованы характеристики их стандартных версий, а с другой — расширены возможности дисплеев в условиях, когда информацию на экране необходимо воспринимать одновременно с предметом внимания, находящимся в поле зрения за дисплеем.

Потенциально прозрачные дисплеи могут быть востребованы во многих сферах. Соответственно, к ним предъявляются разные требования. Критичные значения работоспособности мониторов при низких и повышенных температурах, высокой влажности, ударных воздействиях и вибрации, время отклика, угол обзора являются основными критериями при выборе экрана, который будет использоваться в тяжелых условиях эксплуатации. Прозрачные дисплеи TASEL производства Beneq Lumineq предназначены для работы в таких условиях в качестве отдельных мониторов.

Вместе с тем, решение задачи их интегрирования в многослойное стекло неизбежно приведет к созданию новых по функциональности информационных экранов, соответствующих требованиям по их применению в жестких режимах. Такой опыт был проведен в АО «НИТС» совместно с финской компанией Beneq (она же является портфельной компанией Роснано), производителем электролюминесцентных стандартных дисплеев TFEL и прозрачных дисплеев TASEL под торговой маркой Lumineq.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем

«НИТС» специализируется на производстве изделий остекления для авиации, космических аппаратов глубоководной и наземной специальной техники с 1954 г. Поскольку применение изделий предполагается в экстремальных условиях эксплуатации, инженерами института разработаны и реализованы методы упрочнения стекла: в дополнение к воздушной закалке, следует особо подчеркнуть ионный обмен, жидкостную закалку, травление, а также комбинации этих способов. В результате, благодаря разработанным технологиям, специалисты НИТС смогли повысить прочность стандартного листового силикатного стекла со 100–150 до 1500–2700 МПа (последнее значение выше, чем у некоторых металлов). Необходимость достижения таких параметров вызвана, прежде всего, условиями эксплуатации изделий, носящих марку «ТСК» — техническое стекло, конструкция. Подобных изделий насчитывается более 300. Они предназначены для авиационной, космической, глубоководной и специальной техники, и все без исключения проходят проверку по 30 тестам на соответствие оптическим параметрам, а также требованиям на разрушающую нагрузку (живучесть, перепад температур и давления, климатические испытания, влагостойкость, изгиб, скручивание, вибродинамические испытания, ударопрочность и т. д.). В качестве примера можно привести подтвержденную испытаниями стойкость авиационного стекла к ударным воздействиям, способного выдержать без последствий фронтальное попадание птицы весом 1,8 кг при скорости самолета 580 км/ч, а также попадание пуль калибра 7,62 мм.

Используя различные приемы в сочетании с методами свободного и принудительного моллирования, сотрудникам НИТС удалось разработать принципы формообразования стеклодеталей и, тем самым, решить задачу по созданию крупногабаритных изделий сверхсложной геометрической формы.  В результате были сконструированы высокопрочные конструкционные элементы остекления кабин самолетов Т-50, Су-35, МиГ-35, Як-130. Кроме того, впервые в мире было создано остекление из силикатного стекла сдвижной части фонаря самолета.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем

Экспериментируя с достигнутыми результатами в своей области в сочетании с достижениями компании Beneq Lumineq в сфере дисплейных технологий, специалисты НИТС выполнили НИР с многослойным стеклом и прозрачным сегментным электролюминесцентным дисплеем Lumineq. Перед инженерами стояла задача определить технологическую возможность и технические условия интегрирования прозрачного дисплея в элементы остекления, а также проведение проверки созданного триплекса на соответствие предъявляемым требованиям к многослойному стеклу, предназначенному для эксплуатации в критичных режимах.

Технология производства электролюминесцентных дисплеев (ЭЛД), несмотря на ограничения по цветовому диапазону, продолжает оставаться востребованной и является альтернативой другим технологиям создания устройств отображения, предназначенных для жестких условий эксплуатации. Для соответствия таким условиям разработаны версии ЭЛД, в том числе прозрачные, с характеристиками, обеспечивающими:

  • устойчивость к ударным воздействиям 100g (это значение параметра для всего дисплея с электронной схемой, а само стекло выдерживает 200g);
  • диапазон рабочих температур –60…+105 °C (стекло выдерживает –100 °C);
  • высокая контрастность изображения (до 1:50 при внешнем освещении 500 лк);
  • угол обзора свыше 160°;
  • время отклика менее 1 мс во всем диапазоне рабочих температур;
  • среднее время наработки на отказ 100 000 ч и более (определяется временем наработки на отказ электронного компонента в схеме дисплея, имеющего минимальное значение времени).

Дисплеи прозрачные и непрозрачные

Непрозрачная неорганическая тонкопленочная электролюминесцентная технология (Thin Film Electro luminescent, TFEL) была разработана в середине 1980-х годов компаниями Planar Systems и Finlux и позднее приобретена фирмой Planar. Японская компания Sharp также участвовала в разработке технологии TFEL. В конце 1990-х годов Denso Corporation начала производить прозрачные ЭЛ-дисплеи для автомобильных применений. Стандартное изделие, изготовленное по TFEL-технологии на основе неорганических материалов, содержит слои люминофоров, излучающих свет под действием сильных электрических полей. Обычно в качестве люминофора используется материал ZnS: Mn. Напряжение прикладывается на пересечении электродов, причем, передний электрод является прозрачным. Прозрачные электроды обычно изготавливаются из окиси индия и олова (Indium Tin Oxide, ITO). Задние электроды стандартных ЭЛ-дисплеев обычно выполнены из металла. Преимуществом нахождения металла за излучающим слоем является то, что он может поглощать большую дозу света, излучаемого люминофором в плоскости дисплея. Такая концепция изготовления дисплеев на базе TFEL-технологии очень хороша для применений внутри помещений, поскольку выход света может быть увеличен почти вдвое.  Вне помещений основную проблему создают задние электроды, так как они подобны зеркалу и отражают много окружающего света, что уменьшает контрастность дисплея. Для решения этой проблемы компания Planar разработала новый тип электродов, поглощающих свет. Технология получила название Integral Contrast Enhancement (ICE или ICEBright).

  

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 1. Структура стандартного ЭЛД

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 2. Управление ЭЛД с помощью напряжения переменного тока

Особенности конструкции стандартного тонкопленочного ЭЛД

Архитектура стандартного непрозрачного ЭЛД (TFEL) основана на размещении изолирующих слоев, а также слоя светоизлучающего люминофора между прозрачными и металлическими электродами, как показано на рис. 1. Стандартный тонкопленочный ЭЛД сконструирован на стеклянной подложке толщиной 1,1 мм. Подложка выполнена из soda lime glass — натрий-кальциевого стекла эталонного состава с температурой стеклования около +560 °C. Композиция герметизирована покровным стеклом такого же состава и также имеет толщину 1,1 мм.

Специальной технологией, реализуемой компанией Beneq при создании ЭЛД, является атомно-слоевое осаждение (молекулярное наслаивание). Данная технология обеспечивает химически однородные, конформные и равномерные по толщине барьерные и токопроводящие слои. Свет генерируется посредством ударного возбуждения атомов марганца Мn в люминофоре (сульфид цинка) ZnS электронами, перемещаемыми при помощи приложенного напряжения переменного тока. Возбуждающее напряжение может быть синусоидальным или прямоугольной формы. Оно прикладывается методом мультиплексирования электродов столбцов на одной стороне с электродами строк на другой стороне люминофора (рис. 2).

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис.3. Спектр люминофора ЭЛД на основе сульфида цинка, легированного ионами марганца (ZnS: Mn)

Каждый раз, когда прикладываемое к столбцам и строкам напряжение превышает порог номинального значения около 170 В, генерируется короткий импульс света в постоянной времени затухания менее 1 мс. Значение яркости излучаемого света приблизительно пропорционально частоте возбуждения. В стандартных применениях матричных дисплеев частота возбуждающего напряжения может достигать 60–240 Гц. В семисегментных типах дисплеев (прямое управление без мультиплексирования) используются даже более высокие частоты. Высоковольтные импульсы генерируются управляющей электроникой дисплея. Напряжение питания дисплея 5 и 12 В DC (опционально 5 и 24 В, а также 5 В и «широкий вход» 8–18 или 11–30 В). В стандартном ЭЛД в качестве слоя люминофора применяется сульфид цинка ZnS, легированный ионами марганца Mn, и результирующий спектр излучения света является желтым, с максимумом, соответствующим длине волны 580 нм (рис. 3).

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 4. Прозрачный дисплей TASEL сегментного типа с люминофором зеленого цвета

Легирование люминофора другими химическими элементами позволяет создавать другие цвета (например, легирование ионами тербия позволяет создать зеленый цвет, рис. 4).

Именно благодаря твердотельной структуре и преимуществам технологии атомнослоевого осаждения ЭЛД обладают высокими техническими характеристиками, упомянутыми выше.

Более подробно о технологии атомно-слоевого осаждения, модельном ряде ЭЛД, технологии ICEBrite (технологии повышения контрастности ЭЛД), показателях надежности, контроллерах, интерфейсах для ЭЛД можно прочитать в [1, 2].

Особенности конструкции прозрачного ЭЛД

Прозрачные электролюминесцентные дисплеи конструируют на основе стандартного ЭЛД путем замены заднего металлического электрода прозрачным электродом (на основе оксида индия-олова, ITO) и удаления остальных непрозрачных слоев из структуры дисплея. Схема поперечного сечения структуры показана на рис. 5.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 5. Схема поперечного сечения прозрачного ЭЛД

Для максимального увеличения светопропускания была решена задача согласования коэффициента преломления смежных слоев. Другим важным параметром в оптимизации слоев прозрачного ЭЛД было уменьшение «эффекта ореола», обусловленного внутренними отражениями, причиной которых является отсутствие согласования коэффициента преломления слоев. В оптических системах этот эффект также называют оптическим волноводом. Отраженный свет перемещается между слоями и, в конце концов, покидает излучающий пиксел благодаря эффекту рассеивания. Этот эффект наблюдается, главным образом, в прозрачном ЭЛД, и им можно управлять. Критерием оценки данного эффекта является значение расстояния от пикселя, на котором не видна утечка света при наблюдении через микроскоп. Как показали результаты оценки трех рецептур люминофора (результаты сведены в таблицу), зона эффекта ореола уменьшена путями оптимизации толщины слоев и пере- хода на люминофор без рассеивания.

Другим способом уменьшения ореола стало покрытие внешних поверхностей анти- отражающими материалами. Важной проблемой была необходимость изготовления гладкого слоя люминофора с целью минимизации рассеивания света. На начальной стадии разработки использовался стандартный состав люминофора, и коэффициент пропускания был всего лишь 75%. Разработка и реализация более гладких пленок способствовали улучшению светопропускания до 84% (у стандартного натрий-кальциевого стекла этот показатель равен примерно 90%).

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Таблица. Оптические параметры прозрачного ЭЛД с тремя рецептурами люминофора (на частоте 247 Гц)

Следует отметить, что результат в 84% был достигнут для образцов, в выпускаемых прозрачных дисплеях этот показатель несколько ниже и равен 80%.

Более высокая проводимость также была ключевым параметром для обеспечения надежности панели при испытаниях в жестких условиях окружающей среды, включая длительную эксплуатацию при высоких температурах. Управляющая электроника прозрачного дисплея аналогична стандартным ЭЛД. Подключение к площадкам электродов контура может быть выполнено, например, при помощи автоматизированной сборки на ленточном носителе (TAB) для драйверов столбцов и термосварки к печатной плате для соединения с управляющими драйверами строк, размещенными в корпусах для поверхностного монтажа.

Beneq Lumineq производит прозрачные ЭЛД TASEL в вариантах матричного и сегментного типов. Для дисплеев матричного типа яркость составляет 80–100 кд/м2. Для сегментных дисплеев этот показатель гораздо выше, достигнуто значение 1500 кд/м2 (модель ELT15S-1500, рис. 6), технологически для них достижим уровень 3000 кд/м2. Технология позволяет создавать дисплеи раз- личной изогнутой формы.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 6. Прозрачный дисплей TASEL сегментного типа с яркостью 1500 кд/м2

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 7. Протокол испытаний дисплейного стекла № 1410

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 8. Протокол испытаний дисплейного стекла № 1610 (применен химический способ упрочнения)

Опыт интегрирования сегментного прозрачного дисплея TASEL в многослойное стекло

Полученные результаты (табл. 1) свидетельствуют о высоких оптических параметрах прозрачных дисплеев Lumineq. С другой стороны, они обладают всеми преимуществами стандартных ЭЛД по климатическому исполнению, времени отклика, наработки на отказ, вибро- и ударопрочности и другим параметрам. Все это послужило основой для предварительного вывода о возможности встраивания дисплея в стекло и создания триплекса с внутренним информационным экраном, который бы обладал необходимыми прочностными характеристиками и выдерживал широкий температурный диапазон.

На первом этапе, прежде всего, необходимо было исследовать предоставленные Beneq Lumineq дисплейные стекла на прочность. Результаты такого исследования позволили бы однозначно подтвердить возможность создания триплекса с внутренним информационным экраном.

В соответствии с методикой испытаний 1.232.46-87 «Определение предела прочности стекла при центрально-симметричном изгибе» образцы дисплейных стекол размером 240180 мм и толщиной 1,1 мм были разрезаны (часть образцов — механическим способом, часть — лазером) на 10 равных частей. Испытания показали, что минимальная прочность дополнительно полированной поверхности стекла на центрально–симметричный изгиб составляет 24,6 кгс\мм2. Такие значения были получены (полированная поверхность при испытаниях была в растяжении) как при резке образцов механическим способом, так и при резке образцов лазером.

Для наглядности приведен один из протоколов испытаний (рис. 7).

Среднее значение прочности при резке образцов лазером (39,4 кгс\мм2 и 50 кгс\мм2) выше, чем при резке механическим способом (37,7 кгс\мм2). Минимальная и средняя прочность не полированной поверхности (полированная поверхность в сжатии, а не полированная — в растяжении) выше, чем полированной. Очевидно, это связано с абразивным воздействием полировального порошка на поверхность.

Также была предпринята попытка упрочнения образцов дисплейных стекол. Учитывая их толщину 1,1 мм и условия нанесения специальных покрытий в диапазоне температур +470…+515 °C), термический способ упрочнения стекла (закалка) и термохимический (ионно-обменное упрочнение) не могли быть применимы. Поэтому был опробован химический способ упрочнения. Образцы стекла были подвергнуты травлению на глубину 7 мкм с обеих сторон. При этом средние и максимальные значения прочности значительно возросли (для примера на рис. 8 приведен один из протоколов испытаний).

Однако минимальные значения прочности обеих поверхностей даже несколько уменьшились. Это связано со вскрытием приповерхностных дефектов, так как глубина травления составила всего 7 мкм. Поверхностные дефекты полностью можно удалить при глубине травления не менее 250 мкм с каждой стороны, но при такой исходной толщине стекла это невозможно, так как в итоге она составит всего 0,6 мм.

Результаты испытаний по данной методике 1.232.46-87 практически подтвердили высокие прочностные характеристики дисплейного стекла и явились основой для последующих операций по созданию триплекса с информационным экраном (прозрачным сегментным дисплеем TASEL.

На втором этапе специалисты «НИТС» интегрировали в многослойное 6-мм стекло отдельно как сами дисплейные стеклянные подложки с одной полированной стороной (для нанесения покрытий), так и покровные стекла, как отдельные элементы с толщинами 1,1 мм каждое. Этап прошел успешно, был получен прототип триплекса.

На третьем этапе был создан триплекс с полноценным дисплеем внутри — электролюминесцентным сегментным прозрачным дисплеем ELT 15S, но без схемы управляющей электроники (рис. 9). Как отдельный дисплей, ELT 15S был представлен на рис. 6.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 9. Интегрированный в многослойное стекло дисплей ELT 15S без схемы управляющей электроники

На четвертом этапе схема управляющей электроники присоединена к дисплею (рис. 10), и триплекс в полном составе был испытан в климатической камере.

Триплекс с  интегрированным прозрачным дисплеем
Рис. 10. Многослойное стекло с информационным экраном внутри — прозрачным электролюминесцентным сегментным дисплеем ELT 15S

Специалисты «НИТС» провели тестирование созданного триплекса на устойчивость по следующим параметрам:

  • теплоустойчивость (метод 4.20.11.00) при температуре +85 °C, 3 ч;
  • влагоустойчивость (метод 4.20.13.00) при влажности 96%и температуре +40 °C, 48 ч;
  • холодоустойчивость (метод 4.20.12.00) при температуре –60 °C, 6 ч.

Триплекс полностью сохранял работоспособность как в ходе испытаний, так и по их завершении.

Заключение

Практический результат проведенного опыта с сегментным дисплеем дает основания предположить, что создание триплекса с интегрированным дисплеем матричного типа будет успешным. Показанные высокие опытные результаты в сочетании с малым временем отклика дисплея (менее 1 мс), возможностью регулировки яркости и отсутствием необходимости подогрева его при низких температурах способствуют разработке и появлению новых информационных решений для жестких условий эксплуатации на основе подобных триплексов. Учитывая, что технологический приоритет в создании триплекса с информационным экраном принадлежит АО «НИТС», а платы управления (встраиваемые системы в различных форматах для ЭЛД матричного типа, как прозрачных, так и стандартных) для жестких условий эксплуатации создает российская компания Fastwel, можно утверждать, что такие сложные конструкционные структуры будут в большой степени отечественного производства, что немаловажно при решении задачи импортозамещения.

Задать вопрос
Глоссарий 140 Март’2021
Каталог товаров
Сравнение 0 Товар добавлен
Закладки 0 Товар добавлен
0 0 у.е. Товар добавлен
Личный кабинет
0 0 у.е. Товар добавлен
Запросить прайс–лист Спецпредложения