Из чего состоит экран телефона

Demain n’existe pas!

В последней статье из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.

Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.

Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.

Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.

Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».

Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Часть теоретическая

Как устроен LCD дисплей?

Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!).

Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.

Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.

Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией. Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.

Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.

а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.

Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp:

Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.

По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!

Какие сенсорные панели бывают?

Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю, будет разумно сразу про них и рассказать.

Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано тут (источник когда-то жил здесь, но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.

Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.

Схема устройства резистивного сенсора

Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:

Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея (Источник)

Всё предельно просто.

Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.

Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.

Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.

Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора(Источник)

Как устроен E-Ink дисплей?

Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:

Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея (Источник)

Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:

Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:

Схема работы SiPix дисплея (Источник)

Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда, в Персте когда-то была отличная статья.

Часть практическая

Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)

После «аккуратной» отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:

Самсунг и китаефон едины!

Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:

Так работают 2 поляризационных фильтра: в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит

Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).

Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:

Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона

Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.

LCD-дисплей китаефона

Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:

Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.

Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный ( R), зелёный (G) и синий (B).

С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):

Номера-номера-номера…

Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:

Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…

Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:

Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…

А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.

Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…

Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:

В оптический микроскоп – в цвете…

И электронный микроскоп – черно-белое изображение!

В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.

Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).

В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет (здесь приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК.

Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!

Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.

Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:

Микрофотографии дисплея HTC Desire HD

Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!

Микрофотографии дисплея iPhone 3

Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4.

Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.

И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.

E-Ink известного украинского производителя

Начнём, пожалуй, с банальных вещей – «пикселов», а точнее ячеек, которые ответственны за формирование изображения:

Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея

Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.

Далее токоподводящие контакты. Это фото меня особенно впечатлило:

Вперёд на амбразуру!

Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»

Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:

Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок

Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:

Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!

Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:

You’ve got a lot of guts. Let’s see what they look like! (с)

Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.

Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:

СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.

Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:

СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»

Оптическая микрофотография «чернил»

Или всё-таки внутри что-то есть?!

То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера

Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.

И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом:

Заключение

В конце моего повествования, я хотел бы поблагодарить тех, кто помогал мне при написании этой статьи: Антона (разбитый китаефон его рук дела), Алексея (пострадавший E-Ink, вовремя вырванный из цепких лап сервиса), Василия (за корейский телефон, камера которого станет героем одной из следующих публикаций), Машу (не побоялась-таки дать мне свой iPhone), Катерину (за оправдание своей фамилии).

P.S. В конечно счёте удалось урвать небольшой кусочек ридера и изучить технологию гибкой электроники, продвигаемую РосНано.

---

Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

---

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)

В наше время каждый из нас пользуется мобильными устройствами: современными смартфонами, планшетами, смарт-часами и другими девайсами. Если раньше мы управляли ими при помощи физических кнопок, то сравнительно недавно получили распространение устройства с сенсорной поверхностью, позволяющих управлять уже посредством прикосновения к экрану.

Понятие «тачскрин» образовалось после конкатенации двух слов: «тач» (с англ. touch – нажатие) + «скрин» (с англ. screen – экран). Благодаря такой панели стало возможным отдавать команды устройству и взаимодействовать с различными элементами на экране.

Первый сенсорный дисплей появился еще в 1971-м в составе графического планшета. Это был резистивный четырехпроводной экран, который долгие годы применялся и во многих других устройствах чаще медицинской и промышленной отрасли. В жизнь каждого человека тачскрин вошел гораздо позже с появлением больших ЖК-экранов.

Роль сенсорной поверхности в экране

Стандартный жидкокристаллический дисплей (TN, IPS, TFT и подобные) состоят из трех частей: сенсорной поверхности (тачскрин), матрицы (панель, состоящая из пикселей или диодов, формирующая картинку на экране) и подсветки. Каждая из них имеет достаточно сложную структуру и играет важную роль в работе всего экрана.

Основная задача матрицы – создавать изображение на экране, управляя каждым пикселем или диодом посредством регулировки их прозрачности. Подсветка же, хотя и может показаться, что это самый простой элемент во всей трехслойной системе, также имеет сложную структуру. В устройстве дисплея она выступает в качестве источника света на светодиодах.

Сенсорная поверхность, в свою очередь, является самым верхним слоем в структуре экрана, который, как мы уже выяснили, и позволяет нам управлять современными смартфонами, планшетами и прочими устройствами при помощи касаний. Среди наиболее распространенных типов таких панелей стоит выделить емкостные и резистивные. Далее рассмотрим все виды тачскринов, принцип их работы, а также сильные и слабые стороны разных типов сенсорной поверхности.

Самые распространенные виды тачскринов

Стандартные емкостные (поверхностно-емкостные)

В огромном количестве современных устройств на данный момент используются как раз таки емкостные экраны. Их также разделяют еще на две категории: поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные. Первые работают по довольно простому принципу.

Сам экран состоит из некоторой стеклянной панели, на которую нанесен специальный резистивный материал, обладающий свойством прозрачности, чтобы он не мог помешать просмотру картинки (чаще всего в качестве него используют смешанный оксид индия-олова). А на его углах размещают электроды, которые подают переменное напряжение на всю поверхность, проводящую ток за счет покрытия уже знакомого нам вещества.

Когда пользователь касается пальцем панели экрана, в определенной точке происходит утечка тока (так как человек также выступает в роли проводника). Значения силы тока, которые фиксировались до касания во всех четырех углах (электродах) не совпадают с теми, которые регистрируют специальные датчики после того, как мы задели экран. На основании, насколько сильно изменились характеристики у каждого электрода, контроллер математически просчитывает точку, в которой и было произведено нажатие.

Чаще всего такой тип экранов использовался в самом расцвете появления сенсорных смартфонов, когда еще существовали старенькие Nokia на операционной системе Symbian.

Преимущества:

Недостатки:

Проекционно-емкостные

Есть и еще одна разновидность емкостных экранов – проекционно-емкостные. Это уже более современный вид тачскринов, которые используются, например, в iPhone или известных многим AMOLED-дисплеях. В некотором роде принцип работы схож с предыдущим, но имеет небольшие различия.

Сам проекционно-емкостный экран также представляет собой стеклянную пластину, но на обратной ее стороне мы имеем не прозрачный слой проводящего вещества, а сетку электродов. Если у поверхностно-емкостных панелей только четыре электрода по углам, то здесь они расположены на всей площади дисплея.

Принцип работы такого рода экрана заключается в том, что во время касания сенсорной поверхности палец и электрод, находящийся в определенной точке (которую мы и задели), образуют конденсат. В месте касания накапливается заряд и энергия, благодаря чему напряжение между телом человека и электродом, отвечающим за определенную область на поверхности, возрастает. Это и определяют специальные датчики и таким образом находят точку на экране, с которой взаимодействует пользователь.

Большим прогрессом и шагом вперед стало и то, что проекционно-емкостные панели научились регистрировать сразу несколько касаний человека – появился «мультитач», впервые запатентованный компанией Fingerworks, которая позже была выкуплена Apple. У поверхностно-емкостных дисплеев теоретически максимально возможное количество нажатий равно двум.

Преимущества:

Недостатки:

Резистивные

Еще один тип сенсорного экрана, который также получил огромную популярность в устройствах, предназначенных как для промышленных отраслей, так и для персонального использования – резистивный. Главным отличием от предыдущих видов тачскринов, если не углубляться в принцип работы, является то, что такие дисплеи фиксируют любые касания: пальцем (даже в перчатке), карандашом, кредиткой и т.п.

Резистивный экран состоит из двух частей: пластиковой мембраны и стеклянной панели, на которые нанесено токопроводящее покрытие. При нажатии в определенном месте происходит замыкание пластиковой и стеклянной составляющих данного типа тачскринов, что фиксирует микропроцессор, впоследствии определяя точные координаты точки.

Если быть точнее, то в качестве «микропроцессора» выступает аналогово-цифровой преобразователь, который занимается мониторингом напряжения на всей поверхности панели. Когда ничто не соприкасается с экраном, напряжение во всех точках равно 5 вольтам, но как только происходит какое-либо взаимодействие, то в определенном месте фиксируется другое значение.

Из резистивных различают четырехпроводной и пятипроводной экраны. Структурно глобальных отличий между ними нет, но последний будет более надежным, так как продолжает работать даже с поврежденной мембраной. Ранее такая технология использовалась в старых смартфонах, КПК, а сейчас находит свое применение в банкоматах и различных терминалах оплаты.

Преимущества:

Недостатки:

Инфракрасные

Устройство инфракрасных сенсорных экранов для многих может показаться более интересным, нежели структура других видов тачскринов. Такая технология наиболее актуальна в тех случаях, когда важно достигать наилучшего качества изображения (к примеру, она часто используется при создании электронных книг).

Представьте себе 2 линейки светодиодов по вертикали и горизонтали, образующих большую прямоугольную сетку с одной стороны и такую же по размерам сетку из фотодиодов с другой. Каждому светодиоду, порождающему невидимое для глаза человека инфракрасное излучение с небольшим углом рассеивания, фактически, противопоставлен свой фотодиод, фиксирующий это излучение.

Во время касания экрана пальцем, человек перекрывает световой поток, который излучает определенный светодиод. Из-за этого до фотодиода, который отвечает за получение пучка света, не доходит инфракрасное излучение. Это порождает некоторый сигнал, поступающий из сетки экрана на управляющий элемент, который и определяет точку касания.

Чем больше светодиодов расположено в одной линии (горизонтальной и вертикальной, то есть, в сетке в целом), тем выше точность определения координат точки нажатия. Основное применение такая технология нашла в электронных книгах, а также в устройствах для образовательных учреждений (например, экраны для видеопроекторов).

Преимущества:

Недостатки:

Индукционные

Не менее интересным типом сенсорных экранов являются и более редкие (даже в сравнении с инфракрасными панелями) индукционные тачскрины. В их основе работы лежит сетка чувствительных проводов, в некотором роде похожая на ту, что мы видели у инфракрасного экрана, а также катушка индуктивности.

Когда мы касаемся экрана специальным индуктивным пером (никакие другие нажатия такое устройство просто не воспринимает), питающегося от электромагнитного резонанса, меняется напряженность действующего магнитного поля и порождается соответствующий сигнал, на основе которого датчики распознают координаты выбранной нами точки.

Свое применение индукционные сенсорные панели нашли в графических художественных планшетах, а также некоторых моделях довольно типичных для нас планшетных компьютеров.

Преимущества:

Недостатки:

Менее актуальные типы сенсорных экранов

Оптические

Очередной тип сенсорных экранов, который нельзя назвать распространенным на сегодняшний день – оптический. Как и в случае с инфракрасными тачскринами, здесь многое также завязано на невидимом для нашего глаза излучении светодиодов, но сам принцип обнаружения координат точки нажатия несколько отличается.

Состоит такой сенсорный экран из инфракрасной подсветки, порождающей излучение, а также стеклянной панели. Регистрация взаимодействия с экраном осуществляется по принципу наблюдения хода лучей. Если ничто не касается тачскрина (граница «стекло-воздух»), то свет от подсветки не будет преломляться, а значит мы сталкиваемся с полным внутреннем отражением. Но как только какой-либо предмет (граница «стекло-предмет») касается панели, один из инфракрасных лучей рассеивается.

Такое преломление пучка света и фиксируют специальные датчики, восстанавливая исходную картину и находя точку нажатия. Свое применение оптические тачскрины нашли в проекционных экранах, а также некоторых моделях жидкокристаллических дисплеев (например, сенсорный «рабочий стол» Microsoft PixelSense).

Преимущества:

Недостатки:

Матричные

Данный тип сенсорного экрана по принципу работы наиболее схож с уже знакомыми нам резистивными тачскринами. Единственное отличие между ними заключается лишь в том, что проводники в такой конструкции делятся на горизонтальные и вертикальные. Первые наносятся на стекло, вторые – на гибкую пластиковую мембрану.

В остальном все идентично: после соприкосновения с экраном проводники, находящиеся на разных поверхностях смыкаются, что подает некоторый сигнал, который фиксирует специальное устройство и определяет координаты точки.

Не совсем ясно, для чего истории было необходимо такое ответвление и в принципе такой вид сенсорных экранов, ведь каких-либо новых преимуществ в себе данная конструкция, в сравнении с резистивной, не несет. Ну, разве что, матричные тачскрины являются чуть более простыми и дешевыми в производстве. Особого распространения технология не получила.

Преимущества:

Недостатки:

Тензометрические

Последний вид тачскринов, который мы рассмотрим в этой статье – тензометрические сенсорные экраны. По многим параметрам они похожи на проекционно-емкостные экраны, так как также активно применяются в различных банкоматах, терминалах оплаты, билетных автоматах и прочих устройствах, которые постоянно находятся на улице.

Это связано с тем, что конструкция тензометрического экрана может похвастаться отличной прочностью. Если оптические или, к примеру, инфракрасные тачскрины реагируют на сигналы, связанные с изменением хода пучков света, а принцип работы емкостных или резистивных панелей заключается в постоянном измерении напряжения и мониторинга параметров каждого электрода, то здесь все завязано на деформации экрана.

Преимущества:

Недостатки:

Экран смартфона является не только неотъемлемым элементом конструкции мобильного устройства, но и одним из наиболее важных его компонентов. Уже давно прошли времена, когда для того чтобы охарактеризовать телефон как крутой, достаточно было его цветного дисплея. На сегодняшний день огромное разнообразие экранов удовлетворяет абсолютно всех, даже исключительно требовательных пользователей. Обратная сторона медали изобилия и доступности – мудрёные технологии и термины едва ли доступны простому обывателю. Более того, при поверхностном осмотре может показаться, что все экраны примерно одинаковые и различаются только по размеру. При более тщательном изучении становиться ясно, что устройство дисплея смартфона, включая аппараты Хайскрин, включает такие важные факторы, как качество цветопередачи, комфортность использования при ярком освещении, углы обзора, быстрота реакции сенсора на прикосновение и многое другое.

КОМПОНЕНТЫ ДИСПЛЕЯ СМАРТФОНА

Глаза человека – это один из главнейших проводников информации для мозга, поэтому совершенно естественно, что экран смартфона является важнейшей частью устройства, т.к. с его помощью осуществляется не только управление, но и считывание информации. 

Рассвет развития электронных технологий начинался с использования для экранов TV и ПК принципа электронно-лучевой трубки, семидесятые года ознаменованы появлением первого жидкокристаллического монохромного экрана, технология производства которого при появлении первых мобильных телефонов благополучно перекочевала в данную индустрию. Несколько позже применение технологии производства экранов на основе органических светодиодов ознаменовало появление сенсорных и гибких дисплеев.

Практически любое устройство дисплея смартфона включает такие компоненты:

• Слой жидких кристаллов, пропускающих световые лучи;
• Матрица, отвечающая за формирование картинки;
• Светофильтры, предназначенные для получения цветной картинки;
• Источник света

О РАЗРЕШЕНИИ, ДИАГОНАЛИ, ПЛОТНОСТИ ПИКСЕЛЕЙ, ТИПАХ ТАЧСКРИНА И ВИДАХ ДИСПЛЕЯ СМАРТФОНА

Разрешение и диагональ

Параметры чрезвычайно значимые для получения качественной и четкой картинки. Важно, чтобы соотношение величины экрана и разрешения было адекватным, иначе можно получить откровенно зернистое некачественное изображение. Самые распространенные варианты на сегодня – это 540х960 рх/4,8″ в дешёвых моделях, 720х1280 рх/5-5,5″ (HD-картинка с хорошей  детализацией), 1080х1920 рх/от 5″ и выше (Full HD-супер изображение отличного качества) в более функциональных телефонах.

Плотность пикселей 

Данный показатель влияет на резкость экрана, т.е. представляет собой показатель комфортной эксплуатации для интернет-серфинг, чтения книг и пр. Следует понимать, что на большом дисплее с низким разрешением плотность пикселей будет мала. Для того, чтобы избежать видимой погрешности картинки при эксплуатации лучше отдать свое предпочтение диапазону 200-300 ppi.

Тип тачскрина

Сегодня самыми известными являются резистивные и емкостные дисплеи.

1. Резистивный тип.

Представляет собой двухслойное покрытие с нанесением прозрачных дорожек проводников. Определение координат касания выполняется в результате изменения сопротивления тока в точке прикосновения. Такой тип сейчас почти не используется. Плюс таких экранов в небольшой цене и возможности нажатия точечно любым предметом, минус в недолговечности, подверженности к повреждениям, постепенное уменьшение яркости.

2. Емкостный тип.

Представляет собой однослойное покрытие с нанесением на внутреннюю сторону токопроводящей прослойки, также, может быть представлен в виде стекла и сенсорной пленочки.  Отклик сенсора осуществляется за счет определения координат утечки тока от точки прикосновения.  Преимущество таких экранов в повышенной яркости и сочности цветов, устойчивости к повреждениям, недостатком является непростое производство и возможность управления только при помощи пальцев. Устойчивость к повреждениям повышают путем использования защитных стекол, загрязнения предотвращают при помощи нанесения олеофобного напыления. Ёмкостной тип используется в подавляющем большинстве случаев, включая марку смартфонов Хайскрин

Вид экрана

В создании дисплеев чаще всего используют технологии жидкокристаллических матриц – LCD и органических светодиодов – OLED. Более востребован LCD, подразделяемый на TN (отличается низкой стоимостью и быстрым откликом с плохими углами обзора и цветопередачей), IPS (отличная цветопередача, отличные углы обзора, повышенная контрастность и сочность картинки) и PLS (модернизированная версия TN). Что касается OLED и AMOLED, эти дисплеи не нуждаются в подсветке по периметру, как LCD. Их преимущество в сочной цветовой гамме, яркости и отличных углах обзора, недостаток – хрупкость и высокое энергопотребление.

НЕКОТОРЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКРАНОВ СМАРТФОНОВ

Конечно, устройство дисплея смартфона на технологиях формирования картинки не ограничивается. Так, не менее важным в образовании экрана является наличие воздушной прослойки между сенсором и дисплеем, у данной технологии есть название – OGS, что значит объединение сенсора и матрицы в единое целое. Ее использование значительно улучшило качественные характеристики изображения и положительным образом отразилось на уменьшении толщины смартфона. Вместе с тем есть у технологии и неприятный минус – при повреждении стекла поменять его отдельно вряд ли удастся. Тем не менее, достоинства OGS привели к тому, что другие экраны встретить можно только в очень дешевых моделях. На этом производители современных смартфонов не остановились – в последние несколько лет просматривается четкая тенденция на еще большее уменьшение толщины экрана, изменение формы преимущественно на изгиб, причем не только стекла и экрана, но и мобильного устройства в целом.

ЧТО МЕНЯТЬ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ — СТЕКЛО ИЛИ МОДУЛЬ?

Для объективной оценки необходимости замены поврежденного того или иного элемента необходимо подробнее остановиться на следующих определениях:

Дисплей. Элемент мобильного устройства, который выводит на экран смартфона графические (изображение) и текстовые данные.

Тачскрин или сенсор. Внешний слой дисплея, реагирующий на прикосновения, показывая затребованную информацию.

Дисплейный модуль. Представляет собой дисплей и сенсор, склеенные специальным клеем. Если судить по потребительскому спросу, один из важнейших критериев, по которому пользователь выбирает для себя смартфон – это размер и качественные характеристики экрана, что автоматически делает его самым уязвимым местом телефона, несмотря на то, что разработчики применяют для их создания самые качественные материалы.

В прежних обзорах мы уже рассказывали вам о матрице и объективе камеры смартфона, о других ее технологиях, позволяющих делать фотографии лучше, а также начали «препарировать» дисплей, чтобы каждый любознательный читатель мог узнать, как они устроены.

Но понимание работы экрана смартфона будет неполным без разбора принципов функционирования его главного слоя, с которым мы, собственно говоря, и контактируем по несколько сотен раз в день – тачскрин.

Содержание:

1. Разновидности тачскрина
2. Емкостный тип сенсорного экрана
3. Устройство проекционно-емкостного сенсорного экрана
4. Особенности проекционно-емкостного сенсорного экрана
5. Сильные стороны проекционно-емкостного сенсорного экрана
6. Незаметная и незаменимая технология 

 Разновидности тачскрина

На заре появления сенсорного экрана в смартфонах, около десяти лет назад, эта технология еще только начинала свое активное развитие (как и сами смартфоны) и существенно отличалась от уже знакомой нам, сегодня. Сила нажатия на экран должна была быть больше, точность была ниже, а о мультитаче речи вообще не шло; но были и плюсы – нажимать на экран можно было чем угодно, хоть веткой, оторванной с дерева, вместо стилуса. Этот тип экрана назывался резистивным и мог распознать лишь одно нажатие на его поверхность.

В то время это был значительный прорыв и даже такого типа экраны очень впечатляли тогдашних владельцев смартфонов. Возможность прямо на экране ткнуть пальцем и выбрать какое-то действие приравнивалось к сюжету фантастического фильма, с ультрасовременной техникой «из будущего». Сегодня же с таким функционалом большинство пользователей, скорее всего, просто разобьют телефон об стену, потому как современные приложения уже даже не проектируются с учетом одного нажатия. И как только речь заходит об увеличении любой фотографии, особенно там, где двойной клик играет совсем другую роль, вы сталкиваетесь с проблемой – взять хотя бы Instangam.

Однако, тачскрин стремительно развивался и даже резистивный экран научился понимать несколько нажатий, появились разновидности сенсорных панелей, с которыми экспериментировали производители. Таким образом, каждый привнес что-то полезное в процесс улучшения сенсорной поверхности и сегодня мы можем видеть совершенно новый, чувствительный, надежный и поддерживающий множество касаний экран.

 Емкостный тип сенсорного экрана

Изобретя емкостный экран, которым сейчас снабжается абсолютное большинство смартфонов, человечество получило непревзойденный инструмент управления. И, хотя, сегодня им никого не удивишь, а главное, многие даже не задумываются как он работает, его принцип функционирования достаточно интересен.

Можно выделить два типа емкостных сенсорных экранов – первый называется поверхностно-емкостным, а второй, наиболее качественный и точный – проекционно-емкостным типом. Именно таким, последним, экраном оборудованы все современные смартфоны, включая iPhone, флагманы Samsung, Huawei и многих других брендов. Именно об этом типе сенсорного экрана мы и хотели рассказать.

Устройство проекционно-емкостного сенсорного экрана

Как вы уже помните из нашего прошлого обзора, экран состоит из многослойной LCD матрицы с подсветкой или OLED-матрицы, которая работает сама по себе и ей не нужен никакой дополнительный сенсорный экран. Но, если мы хотим на него нажимать, а не просто смотреть, как на телевизор, нам необходим еще один слой, на котором будет размещаться множество токопроводящих электродов. Это и будет сенсорный экран, или тачскрин.

Принцип устройства проекционно-емкостного сенсорного экрана намного проще чем любой матрицы дисплея – в нем находится всего два слоя электродов, разделенных между собой изолирующим слоем. На нижний слой электродов подается отрицательный заряд, чем создается так называемый катод, а верхний слой, как вы догадались, является электродом, подсоединенным к положительному полюсу батареи и называется анодом.

Эти слои постоянно создают электрическое поле между собой и при поднесении к экрану токопроводящего материала или, например, пальца, некоторые частицы начинают попадать на этот предмет (или палец), образуя «емкость» (конденсатор) и специальная электроника фиксирует это «отклонение от нормы».

Всего, таких электродов на экране может быть до 80 вертикально и до 40 горизонтально. Они создают сеть из 3200 чувствительных к нажатию пересечений, которые регистрируют малейшее движение пальца или другого токопроводящего предмета.

Обновление состояния каждого электрода происходит построчно и очень быстро, в секунду регистрируются сотни обновлений каждой строки. И если в каком-то из их пересечений происходит утечка на «постороннюю емкость», то эти координаты сразу же передаются на обрабатывающих значения контроллер.

Обрабатывающая сигнал электроника регистрирует сигнал в множестве пересечений, потому как при нажатии пальцем маленькой кнопочки мы затрагиваем десятки таких электродов. Но, даже с учетом этого факта, получаемая с сенсорного экрана информация обрабатывается специальными алгоритмами и правильно понимает, что центр нажатия приходится именно на определенный параметр или «крестик» закрытия очередной назойливой рекламы.

Таким образом, многократно и беспрерывно построчно сканируя весь экран на предмет утечки электрического поля тачскрин может определять до десяти нажатий, с точным распознаванием точки, куда вы хотите попасть и траектории движения. Однако, существуют и другие особенности таких емкостных экранов, которые не всегда нравятся.

Особенности проекционно-емкостного сенсорного экрана

Как мы уже говорили, использование резистивных экранов, несмотря на их большое количество минусов, упрощалось возможностью нажатия любым предметом, чего нельзя сказать о современных емкостных тачскринах. Для того, чтобы экран зарегистрировал нажатие, предмет должен пропускать (забирать на себя) электрический заряд. Для этого подходят специальные стилусы или пальцы.

Пропускать ток через матерчатые, кожаные или вязанные перчатки, или варежки такой экран не будет, что является большим минусом в зимнее время. Также емкостный экран будет очень плохо реагировать на нажатия при высокой влажности и попадании капель на экран – капли тоже проводят ток и нажатия пальца не будут точно зарегистрированы. Тем более проблемой будет использование такого экрана под водой, несмотря на поддержку многими производителями защиты корпуса от влаги, выдерживающее недолгое погружение на малую глубину.

Еще одним минусом, проявляющимся во всех LCD-экранах, является поглощение до 10 % света сенсорным экраном, потому как его прозрачность составляет лишь 90%. Поэтому, создавая такие экраны всем производителям стоит учитывать этот фактор при расчете яркости подсветки или же постоянно усовершенствовать технологии, чтобы снижать светопоглощение каждого слоя.

Сильные стороны проекционно-емкостного сенсорного экрана

Однако, большинство этих недостатков возможно откорректировать при помощи программного кода. Можно «научить» экран правильно распознавать нажатия мокрыми руками, регистрировать прикосновения в перчатках со специальным токопроводящим напылением. Все это устраняет целый ряд проблем и основных минусов этого типа тачскрина, что оставляет нас наедине с его неоспоримыми плюсами.

Электрическое поле, создаваемое электродами в экране, выходит далеко за его пределы и может реагировать на прикосновение пальца даже если накрыть экран стеклом до 18 мм. Это отлично помогает защитить тонкий слой от повреждений, что применяется в банкоматах и различных уличных терминалах.

Кроме того, ресурс работы такого экрана, теоретически, бесконечен – в нем нет частей, которые изнашиваются и если его не переломать пополам, то он может работать очень-очень долго. В любом случае переживать за его поломку не стоит, потому как даже самый надежный компонент смартфона выйдет из строя раньше, чем сенсорный слой экрана. Это очень радует, потому как одной потенциальной поломкой будет меньше.

Что же касается светопропускания, то в матрицах OLED или AMOLED такой проблемы нет, так как производители придумали способ интегрировать слой электродов прямо на матрицу, между субпикселями.

Незаметная и незаменимая технология

В современном мире, который буквально завалил нас технологиями «будущего», мы очень часто не замечаем простых и важных для каждого мелочей. Такие эффектные открытия как Интернет, связывающий всех и каждого между собой, летающие мотоциклы, самоуправляемые автомобили и продолжающееся покорение космоса, безусловно, затмевают своей важностью почти все, что мы знаем об электронике. Но теперь, как минимум, каждый раз пользуясь смартфоном вы будете осознавать, что вы вмешиваетесь в стабильное электрическое поле тачскрина, дотрагиваясь до экрана, и тем самым заставляете десятки электродов трудиться на ваши нужды .