В данной статье сравниваются различные технологии отображения и анализируется пиксельный контроллер 2T1C для ЖК-дисплеев и пиксельный контроллер 7T1C/2C для OLED- и micro-LED-дисплеев.

Введение.
Эта статья — первая в серии из двух частей, посвященной TFT LCD, OLED и micro-LED дисплеям в автомобильной промышленности. В ней проводится всестороннее сравнение характеристик TFT LCD, OLED и micro-LED дисплеев, а также методов работы различных драйверов пикселей. Кроме того, в ней обсуждаются технология TFT и методы подачи питания для автомобильных дисплеев.
Первая часть этой серии посвящена основам автомобильных дисплеев, включая тенденции, проблемы и архитектуру дисплеев. Для лучшего понимания технологии подачи питания в автомобильных дисплеях рассматриваются драйверы пикселей.
Во второй части этой серии рассматривается технология подачи питания в автомобильных дисплеях. Обсуждаются различные технологии отображения, включая краевую и прямую подсветку. Также кратко описывается локальное затемнение в mini-LED дисплеях.

Тенденции в области цифровых автомобильных интерьеров:
В последние годы автомобильная промышленность стремительно развивается в таких областях, как связь, электрификация, автономное вождение и совместное использование транспортных средств. Эта эволюция трансформировала дизайн автомобильных интерьеров, улучшая пользовательский опыт. Постоянно растет спрос на большие изогнутые экраны с более высоким разрешением и контрастностью, а также на новые типы автомобильных дисплеев. Согласно данным IHS Markit Automotive Display Market Tracker, в 2018 году было продано 161,5 миллиона автомобильных дисплейных панелей, и ожидается, что к 2025 году объем продаж превысит 200 миллионов единиц.
Для улучшения впечатлений от поездки современные автомобили оснащаются несколькими типами дисплеев: приборной панелью, центральным информационным дисплеем (CID), проекционным дисплеем (HUD), дисплеем для пассажира, дисплеем интеллектуального зеркала заднего вида, дисплеем боковых зеркал и дисплеем развлекательной системы для задних пассажиров. Приборная панель предоставляет водителю ключевую информацию, такую ​​как скорость и уровень топлива. Проекционный дисплей (HUD) проецирует важную информацию на лобовое стекло. Экраны развлекательной системы для задних пассажиров и дисплеи для пассажиров являются частью информационно-развлекательной системы, позволяя пассажирам смотреть фильмы или заниматься другими видами развлечений. Система мониторинга камер (CMS) заменяет наружные зеркала заднего вида двумя или тремя камерами, а дисплеи в боковых зеркалах и электронные дисплеи в зеркалах заднего вида улучшают визуальное восприятие водителем окружающей обстановки.
Согласно данным IHS Markit Automotive Display Market Tracker, в 2018 году 10% заказов на автомобильные дисплейные панели приходилось на 10-дюймовые панели, и ожидается, что к 2025 году эта цифра вырастет до 18,4%. В последние годы 12,3-дюймовые и более крупные дисплейные панели стали стандартным размером для дисплеев приборной панели.
С тех пор как Tesla Model 3 представила 15-дюймовый сенсорный экран в 2017 году, автомобильные дисплейные панели, как правило, стали больше, с более высоким разрешением, большей контрастностью и свободной формой. В 2019 году Li Xiang ONE представил дисплей, занимающий всю ширину стойки, состоящий из двух экранов диагональю 12,3 и 16,2 дюйма. В 2023 году BMW 3 серии представила 14,9-дюймовый изогнутый сенсорный экран с технологией затемнения, простирающийся от водительской стороны до центральной консоли. Концептуальный автомобиль VISION EQXX оснащен 47,5-дюймовым дисплеем, занимающим всю ширину стойки, с использованием технологии затемнения. Тенденции в автомобильных дисплеях можно суммировать, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Тенденции в отображении информации в салоне самолета.²

Проекционный дисплей на всем лобовом стекле концепт-кара BMW Neue Klasse поступит в серийное производство в 2025 году. Эта инновационная технология HUD позволяет всем пассажирам видеть информацию по всей ширине лобового стекла. Нижний край лобового стекла, с повышенной яркостью и контрастностью, отображает важную информацию для водителя и пассажиров. Кроме того, имеется центральный дисплей произвольной формы

Архитектура дисплейной панели:
TFT LCD-дисплеи на рисунке 2, OLED-дисплеи на рисунке 3 и micro-LED-дисплеи на рисунке 4 представляют собой три различные технологии, которые революционизируют возможности отображения. В
TFT LCD-дисплеях используются жидкие кристаллы, расположенные между двумя стеклянными подложками. В нижнюю подложку встроен TFT-элемент, а верхняя служит цветовым фильтром. Эти жидкие кристаллы выровнены таким образом, чтобы модулировать вращение проходящего через них света путем управления потоком тока через транзисторы, что вызывает изменения в электрическом поле. Каждый пиксель с разным цветом генерируется путем освещения цветового фильтра в различных пропорциях.

Рисунок 2. Структура TFT LCD-экрана.

В отличие от них, OLED-дисплеи не требуют подсветки благодаря своей способности к самоизлучению. Базовая структура OLED состоит из органического светоизлучающего слоя на стекле с покрытием из оксида индия-олова (ITO). Этот органический светоизлучающий слой расположен между двумя металлическими электродами с низкой работой выхода: верхним катодом и нижним анодом.
При подаче внешнего напряжения на катод и анод слой переноса электронов (ETL) и слой переноса дырок (HTL) инжектируют электроны и дырки в органический светоизлучающий слой в контролируемом объеме и с контролируемой скоростью. Этот процесс заставляет OLED излучать свет. Красный, зеленый и синий свет могут быть получены с использованием различных химических материалов в OLED. Следовательно, OLED-дисплеи тоньше, энергоэффективнее и обеспечивают превосходную цветопередачу и контрастность.

Рисунок 3. Структура OLED-экрана.

Микро-LED дисплеи — это недавняя разработка, использующая массивы микроскопических светодиодов в качестве отдельных пикселей. Как правило, размер чипа микро-LED составляет менее 50 мкм, что делает их практически невидимыми для человеческого глаза. Благодаря их малому размеру и передовой технологии сборки, источники света для красного, зеленого и синего цветов могут быть интегрированы в один пиксель, что устраняет необходимость в цветовых фильтрах и жидких кристаллах в микро-LED дисплеях.
Каждый микро-LED внутри пикселя излучает собственный свет, что обеспечивает высокую яркость, глубокий черный цвет и превосходную энергоэффективность. Эти технологии представляют собой значительный прогресс в инновациях в области дисплеев, каждая из которых предлагает уникальные преимущества с точки зрения структуры и производительности. Микро-LED дисплеи подходят для применения в самых разных областях, от смартфонов и телевизоров до дополненной реальности, носимых устройств и автомобильных дисплеев.

Рисунок 4. Структура микро-LED дисплея.

Учитывая, что TFT LCD-дисплеи — это относительно зрелая технология со значительными экономическими преимуществами, в настоящее время LCD-дисплеи являются доминирующей технологией плоских панелей в автомобильной промышленности. Однако OLED- и micro-LED-дисплеи всё больше привлекают внимание автопроизводителей.
OLED-дисплеи обеспечивают превосходные визуальные эффекты, низкое энергопотребление, высокую гибкость и сверхтонкий профиль. Micro-LED-дисплеи становятся технологией следующего поколения, позволяющей создавать изогнутые экраны с более высокой яркостью и контрастностью, что повышает гибкость в проектировании автомобильных дисплеев.
Однако OLED-дисплеи страдают от остаточного изображения, которое приводит к деградации пикселей после длительного отображения статического изображения, и их срок службы короче, чем у LCD-дисплеев. Micro-LED-дисплеи дороги из-за сложностей массового производства.
Подробные различия между TFT LCD, OLED и micro-LED-дисплеями приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение ЖК-, OLED- и микро-LED-дисплеев³

Существующие TFT LCD-дисплеи можно модернизировать с помощью источника подсветки mini-LED (субмиллиметровых светодиодов) и технологии диммирования. Mini-LED — это уменьшенные копии обычных светодиодов, которые служат переходным этапом к micro-LED. Светодиоды с размерами менее 200 микрометров классифицируются как mini-LED, а светодиоды с размерами менее 100 микрометров — как micro-LED.⁵
Хотя mini-LED в основном используются в качестве источника подсветки в LCD-дисплеях, они улучшают толщину и контрастность этих дисплеев, предлагая при этом экономически эффективные решения.

Контроллеры пикселей:
Различные цвета синтезируются путем смешивания трех основных цветов (красного, зеленого и синего). Смесь этих трех основных цветов образует пиксель, как показано на рисунке 5. Каждый пиксель состоит из трех субпикселей, которые управляются и объединяются в один пиксель.
TFT LCD, micro-LED и OLED-дисплеи используют разные методы управления этими субпикселями из-за различий в технологиях отображения и производственных процессах. Например, Tesla Model 3 оснащена 15,4-дюймовым TFT LCD-дисплеем с разрешением 1920 на 1200 пикселей, что в сумме составляет 6,91 миллиона субпикселей.

Рисунок 5. Пиксель.

На рисунке 6 показана эквивалентная схема субпикселя в TFT LCD-экране, управляющего электрическим полем в жидком кристалле. Она состоит из транзистора, жидкокристаллического конденсатора и накопительного конденсатора. Драйвер затвора подает положительное напряжение, называемое высоким напряжением затвора (VGH), для включения TFT, и отрицательное напряжение, называемое низким напряжением затвора (VGL), для выключения TFT. Информация об изображении передается на драйвер истока, который заряжает жидкокристаллический конденсатор (LCC). Накопительный конденсатор (SC) действует как буфер, предотвращая утечку тока из LCC. В статье «Новая структура управления для увеличения коэффициента зарядки пикселей для UHD TFT-LCD с высокой частотой кадров» более подробно анализируются драйверы пикселей в TFT LCD-дисплеях.4
Задержка изображения или мерцание в TFT LCD-дисплеях обусловлены паразитной емкостью (CGD), существующей между затвором и стоком TFT. Когда содержимое изображения изменяется и TFT-дисплей выключается из включенного состояния, на CLC происходит падение напряжения из-за емкостного делителя напряжения между CGD и CLC||CST. Для повышения стабильности работы панели вводится общее напряжение материнской платы (VCOM), которое корректируется до среднего значения напряжения пикселя во время перехода пикселя.

Рисунок 6. Обычный контроллер пикселей.

Топология наиболее популярных контроллеров пикселей в микро-LED и OLED-дисплеях аналогична, но сложнее, чем в TFT LCD-дисплеях, из-за процесса производства и интеграции схем TFT со светодиодами на стеклянной или полиимидной подложке. Следовательно, светодиоды каждого пикселя управляются индивидуально, регулируя свою яркость.⁸ Как показано на рисунке 7, простой контроллер пикселей, называемый 2T1C (два транзистора и накопительный конденсатор), описан в статье «Технологии управления для OLED-дисплеев».⁵ В этом контроллере пикселей аналоговый сигнал излучения от светодиода подается на TFT M1. Затем пороговое напряжение (VGS) сохраняется в (CST), которое используется для управления TFT M2 в режиме насыщения, как показано на рисунке 8. Управляющий TFT M2 поддерживает постоянный ток светодиодов с положительным напряжением (VDD) и катодным напряжением (VSS). Преимущество метода управления режимом насыщения в этом пиксельном контроллере 2T1C заключается в увеличении срока службы светодиодов по сравнению с работой в линейном режиме управляющего TFT-транзистора.

Рисунок 7. Пиксельный драйвер 2T1C для OLED или micro-LED.

Рисунок 8. Выходные характеристики МОП-транзистора.

Однако драйвер пикселя 2T1C имеет некоторые недостатки, включая проблему Мура и сдвиг порогового напряжения при электрическом смещении. Проблема Мура — это неравномерность яркости дисплея, вызванная в основном вариациями в процессе производства, такими как плотность слоев TFT, равномерность прямого напряжения светодиода и пороговое напряжение. Эти эффекты приводят к проблемам с качеством изображения. Хотя даже самый лучший производственный процесс не может преодолеть сдвиг порогового напряжения, для улучшения качества изображения были предложены пиксельные схемы с методами обратной связи по напряжению и методами перекомпенсации сдвига порогового напряжения.
Метод управления 7T1C, предложенный в статье «Улучшение качества изображения в AMOLED-дисплеях с переменной частотой обновления с использованием схемы компенсации переменного начального напряжения», показан на рисунке 9.6. Эта пиксельная схема 7T1C имеет три этапа работы, как показано на рисунке 10: инициализация, компенсация и излучение. TFT M4 используется для подключения диода управляющего TFT M3. Во время компенсации напряжение, хранящееся в CST от драйвера источника, поддерживает излучение светодиода. Для предотвращения включения светодиода используются TFT-транзисторы M1, M6 и M7. Кроме того, в статье «Схема пикселя с высокой равномерностью яркости и низким уровнем мерцания, а также методы ее управления для AMOLED-дисплеев с переменной частотой кадров» была предложена схема 7T2C.

Рисунок 9. Схема пиксельного контроллера 7T1C.

Рисунок 10. Последовательность управления компенсационными пикселями 7T1C: (a) инициализация, (b) компенсация и (c) излучение.

В настоящее время технология материнских плат для дисплеев эволюционировала от гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) до низкотемпературного поликристаллического кремния (LTPS) и низкотемпературного поликристаллического оксида кремния (LTPO), которые представляют собой технологию материнских плат следующего поколения для потребительской электроники. a-Si:H TFT имеет низкую подвижность носителей заряда (1 см²/Вс), что приводит к большим размерам материнской платы и более высокому энергопотреблению. LTPS TFT имеет более высокую подвижность носителей заряда (>50 см²/Вс), что делает его подходящим для OLED-дисплеев. LTPS TFT обычно имеет высокий ток покоя. Однако LTPO TFT имеет низкий ток покоя. Поэтому рассматривается использование гибридной схемы пикселей, сочетающей LTPS и LTPO TFT, в материнских платах OLED/micro-LED дисплеев.

Заключение:
Автомобильные дисплеи играют все более важную роль в обеспечении комфорта в салоне автомобиля, поскольку потребители предъявляют все более высокие требования к улучшенной видимости, безопасности и удобству использования, а также к другим аспектам. Автомобильные дисплеи сталкиваются со значительными проблемами в обеспечении исключительного качества изображения с высоким разрешением и контрастностью, при проектировании в произвольной форме, больших размерах и экономичных решениях.
В данной статье анализируются характеристики TFT-LCD, OLED и micro-LED дисплеев. Для достижения лучших характеристик дисплея контроллер пикселей в OLED и micro-LED дисплеях сложнее, чем в TFT-LCD дисплеях. Следовательно, OLED и micro-LED дисплеи дороги из-за проблем массового производства. Mini-LED LCD дисплеи с технологией локального затемнения служат мостом к micro-LED и OLED дисплеям.
Вторая часть статьи посвящена методам питания автомобильных дисплеев, включая драйвер подсветки, PMIC смещения TFT и функции локального затемнения.

Список литературы:
1. Ю Сян, Стейси Ву. «Перспективы рынка автомобильных дисплеев». 26-й Международный семинар по активным матричным дисплеям и устройствам (AM-FPD), IEEE, сентябрь 2019 г.
2. Роберт Пранге. «Тенденции в обработке стекла для автомобильных дисплеев». Glastory, декабрь 2024 г.
3. «Что такое микросветодиоды, мини-светодиоды и микро-OLED? Объяснение различных перспективных технологий отображения». LEDinside, август 2021 г.
4. Чи-Лун Лин, Цзюи-Хун Чанг, Фу-Хсин Чен, По-Ченг Лай, И-Чьен Чен и Ченг-Хан Ке. «Новая проводящая структура для увеличения коэффициента нагрузки пикселей для высокоскоростных UHD TFT-LCD дисплеев». IEEE Access, том 10, август 2022 г.
5. Йоджиро Мацуэда. «Технологии управления для OLED-дисплеев». Справочник по органическим светодиодам, Springer, 2022.
6 Ли Джин Ким, Суджин Чон, Хи Джун Ким, Бон Хван Ким, Кён Джун Квон, Ён Мин Ха и Хён Джэ Ким. «Улучшение качества изображения в AMOLED-дисплеях с переменной частотой обновления с помощью схемы компенсации переменного начального напряжения». Scientific Reports, том 12, апрель 2022 г.
7 Юнсик Ким, Кёнхун Чон, Чжэмён Лим и О-Кён Квон. «Высокоравномерная схема пикселя с низким уровнем мерцания и методы ее управления для AMOLED-дисплеев с переменной частотой кадров». IEEE Access, том 11, 2023 г.

Об авторе:
Юцзе Бай — старший инженер по применению продукции в компании Analog Devices , отвечающий за поддержку и применение автомобильных силовых устройств. Юцзе присоединился к Maxim Integrated (ныне часть ADI) в 2020 году и имеет степень магистра электротехники Университета Майами (штат Огайо).