OLED-индикаторы компании WINSTAR

Компания Winstar Display Co., Ltd. (www.winstar.com.tw) была образована в октябре 1998 г. Как и большинство других тайванских компаний, начавших в то время производство модулей ЖКИ, Winstar использовала технологию и бывшее в употреблении оборудование японских производителей ЖК-индикаторов (ЖКИ). С тех пор компания стремительно развивалась. В 2000 г. был построен крупный производственный комплекс в Китае, а в 2005 г. состоялся запуск производства стандартных алфавитно-цифровых ЖКИ.
За короткое время были освоены технологии TN/HTN/STN/FSTN. По специальным заказам изготавливаются ЖКИ с высоким контрастом и малым потреблением. Как профессиональный производитель ЖКИ Winstar специализируется на производстве индикаторов по технологиям Chip-on-Board (COB), Surface Mount Technology (SMT), Chip-on-Glass (COG) и Tape-Automated-Bonding (TAB).
Для производства малоформатных ЖКИ используется недорогая технология 1G c материнскими стеклянными подложками размером 355×406 мм. Толщина стеклянных подложек: 0,4; 0,55; 0,7; 1,1 мм.
Компания Winstar непрерывно расширяет производство индикаторов, осваивая новые дисплейные технологии и расширяя производство (см. табл. 1).

В 2006 г. компания запустила линию производства TFT ЖК-дисплеев. А в 2008 г. был завершен монтаж оборудования для собственного производства OLED-дисплеев.
В 2009 г. была освоена технология серийного производства символьных дисплеев E-paper.
И, наконец, в 2010 г. компания осуществила расширение новой фабрики Vanstar по производству ЖК-диплеев в Донггуанге (Китай), а также начала серийное производство OLED с пассивной адресацией.
В настоящее время в компании работает около 2000 человек, из них в тайваньском отделении — только 150, остальные работают в Китае.
Winstar — молодая и развивающаяся компания. За последние 10 лет ее объем производства вырос более чем в 10 раз. На рисунке 1 показана динамика объемов продаж Winstar.
Продукция Winstar находит широкий спрос не только на Тайване и в Китае, но и в странах Азии, Европы и Америки. На рисунке 2 показаны распределение секторов продаж дисплейной продукции Winstar по странам мира.

Рис. 1. Динамика объемов продаж дисплеев Winstar

Рис. 2. Секторы продаж продукции Winstar

Компания Winstar уже имела в прошлом опыт серийного выпуска символьных и графических индикаторов на основе PLED-технологии. В ней используется полимерный органический материал, который значительно дешевле материала молекулярных OLED. Основное достоинство PLED-технологии — простота и дешевизна техпроцесса. Для нанесения полимерного материала можно использовать безвакуумные процессы, в частности, струйную печать. Технология PLED была освоена тайваньской компанией RiTdisplay в 2002 г. Компания начала производить графические PLED-индикаторы с пассивной адресацией, используя сборочные технологии TAB и COF. Для расширения рынка дисплейной продукции была проведена разработка символьно-графических PLED-индикаторов, совместимых по интерфейсу и конструкции со стандартными символьными ЖК-модулями. Сборка индикаторов по технологии COB была организована на линиях Winstar и Bolymin. Подложки с PLED-топологией им поставляла компания Ritek.
Предполагалось, что срок жизни индикаторов будет по мере выпуска доведен до нескольких десятков тысяч часов. Однако наблюдались массовые катастрофические отказы в партиях проданных индикаторов и значительно более быстрая деградация яркости, чем было заявлено производителем. Ritek приняла решение остановить производство PLED-дисплеев. Соответственно, прекратились и поставки подложек для компаний Winstar и Bolymin. С 1-го декабря 2006 г. Winstar приостановила производство PLED-индикаторов. Подобное решение приняли и другие производители PLED-индикаторов.

Как уже отмечалось, OLED-технология на базе молекулярного органического материала более дорогая, и в ней требуется применение вакуумного оборудования для нанесения активного слоя. Однако в настоящее время данный уровень технологии достаточно хорошо освоен многими компаниями и обеспечивает долговечность монохромных дисплеев на уровне несколько десятков тысяч часов, что является вполне приемлемым для большинства приложений.
Winstar является первой компанией, организовавшей выпуск алфавитно-цифровых OLED-модулей, полностью совместимых как по интерфейсу, так и по конструкции с аналогичными ЖК-модулями. OLED-дисплеи Winstar могут управляться как по 8-, так и по 4-битной параллельной шине. Конструкция и расположение выводов разъема позволяет заменить традиционные ЖКИ без изменения конструкции готового изделия. Дисплеи не требуют напряжения смещения и регулировки контрастности. Графические малоформатные модули Winstar имеют тот же интерфейс, что и символьные OLED-модули (см. рис. 3).

Рис. 3. OLED-дисплеи графические (слева) и символьно-графические (справа)

Температурный диапазон OLED находится в пределах –40…75°С. В отличие от ЖК индикаторов, контрастность OLED выше на несколько порядков — 2000:1 вместо 5—10:1 для ЖКД, изготовленных по стандартным технологиям. Время отклика OLED не увеличивается при низких температурах, нет зависимости яркости дисплея от угла обзора.

В 2010 г. Winstar освоила технологию с органическими материалами, обеспечивающими желтое и зеленое свечение. Дисплеи с этим типом материала имеют самую большую долговечность. В течение 2011 г. должна завершиться отработка серийной технологии для OLED-модулей c голубым, оранжевым, красным и белым свечением (см. рис. 4).

Рис. 4. График внедрения технологий OLED различного свечения

В то время когда компания Winstar выпускала алфавитно-цифровые индикаторы по технологии PLED, для их маркировки использовался суффикс P: например, WP1602A.
OLED-дисплеи работают в широком диапазоне напряжения питания: 3,0…5,3 В. Система команд полностью совместима с системой драйвера-контроллера ЖКИ компании Samsung KS0066 и тем более с микросхемой HD44780 Hitachi — родоначальницей стандарта для интерфейса алфавитно-цифровых модулей на долгие годы. В модулях используется сборочная технологии COB.
Все OLED-индикаторы имеют две модификации питания драйвера — 5 и 3 В. Опции дисплеев с питанием 5 В ярче, чем опции 3,0 В. Соотношение яркостей примерно пропорционально отношению питаний. Энергопотребление зависит от отображаемого изображения, т.к. каждый пиксел является источником света и при типовой картинке составляет 150 мВт (5 В, 30 мА), что сопоставимо с потреблением ЖКИ-модулей с включенной подсветкой. Срок жизни дисплея составляет 50 тыс. ч (по прошествии этого времени яркость изображения не должна упасть более чем на 50%). Применение способов динамического формирования изображения и адаптивного регулирования яркостью может существенно увеличить срок жизни дисплея.

Одним из главных новшеств Winstar является выпуск символьных и графических модулей, имеющих эквивалентные разрешения в пикселах и одинаковую площадь поля индикации, а также однотипный интерфейс. В настоящее время Winstar реализовала символьные OLED-модули формата 08×02, 12×02, 16×01, 16×02, 20×02 и 20×04 и эквивалентные им графические модули с разрешением 50×16, 76×16, 100×08, 100×16, 100×32 пикселов. В символьных дисплеях используются фиксированные знакоместа с межсимвольными зазорами. В графических дисплеях используется сплошное поле пикселей.
В таблице 3 представлена номенклатура стандартных символьных и графических OLED-модулей выпускаемых в настоящее время Winstar.
За исключением двух последних графических типов дисплеев формата 128×64 во всех остальных используется один и тот же тип контроллера-драйвера WS0010.

Эта серия алфавитно-цифровых OLED полностью совместима как по интерфейсу, так и по конструкции с выпускаемыми Winstar стандартными символьными STN ЖКИ-модулями. Все типы символьных OLED Winstar имеют встроенный знакогенератор, поддерживающий четыре типа символьных кодировок, в т.ч. кирилличную (English_Japanse font, Western European I , Western European II и English_Russian font). В стандартных символьных ЖКИ версия знакогенератора была заказной и отражалась в названии типа модуля.

Winstar разработала для управления своими символьными OLED-модулями контроллер WS0010. Структура управления символьными OLED-модулями Winstar показана на рисунке 5.

Рис. 5. Структура управления символьно-графическими OLED Winstar

Как уже указывалось, для обеспечения полной совместимости символьных и малоформатных графических OLED-модeлей cо стандартными модулями символьных ЖКИ в контроллере WS0010 была использована архитектура, интерфейс и система команд контроллера, задавшего стандарт для символьных ЖКИ, — HD44780 (Hitachi). При расширении формата дисплея более чем 100×16 используются дополнительные контроллеры WS0010. Микросхемы поддерживают режим каскадной работы.
Добавив несколько команд, разработчики Winstar решили несколько задач. Во-первых, значительно расширили функциональные возможности для пользователей. Во-вторых, улучшили технологичность производства и расширили номенклатуру модулей, используя всего один тип контроллера.
В таблице 4 показана стандартная система команд символьных ЖК-дисплеев, а также новые режимные разряды, введенные Winstar и реализованные в контроллере WS0010. Красным отмечены дополнительные поля в кодах команд.

Основное отличие архитектуры контроллера WS0010 — введение графического режима. Контроллер WS0010 обеспечивает управление полем пикселов формата 100×16. В зависимости от топологии индикатора (символьный или графический) это может быть либо поле, содержащее фиксированные знакоместа в формате 8×5, либо сплошное поле графики 100×16. Это позволило использовать контроллер для управления как символьными, так и малоформатными графическими дисплейными модулями. Ранее для управления малоформатными графическими ЖК-дисплеями использовались драйверы-контроллеры другого типа. Выбор символьного или графического режима производится программно. Дополнительный бит управления выбором режима (символьный/графический) введен в формат команды Cursor/Display Shift/Mode/Pwr из стандартного набора HD44780. G/C=”0” — символьный режим; G/C=”1” — графический режим. Изменилось и назначение битов управления в данной команде.
Разряд S/C=Display Shift/Cursor Move в зависимости от режима позволяет сдвигать или курсор, или экранное поле. S/C=«1»: сдвиг экрана, -S/C=«0»: сдвиг курсора. Бит PWR позволяет отключать внутренний DC/DC-преобразователь напряжения для питания формирователей тока OLED. PWR=”1”, DCDC включен. PWR=”0”, DCDC выключен. Это позволяет уменьшать энергопотребление модуля в спящих режимах прибора.

С помощью установки этих разрядов возможен выбор одной из следующих четырех таблиц кодировок знакогенератора:
(FT1, FT0) = (0, 0) — таблица ENGLISH_JAPANESE;
(FT1, FT0) = (0, 1) — таблица WESTERN EUROPEAN;
(FT1, FT0) = (1, 0) — таблица ENGLISH_RUSSIAN (Россия);
(FT1, FT0) = (1, 1) — таблица WESTERN EUROPEAN.
По умолчанию для разрядов FT1 и FT0 используется установка 00 и соответствующая кодовая таблица (ENGLISH_JAPANESE). Для выбора таблицы английский/кириллица следует подать команду с кодом 10.

Структура контроллера WS0010 обеспечивает также поддержку последовательного SPI-интерфейса.
Последовательный интерфейс для управления дисплеями очень востребован у разработчиков электронной аппаратуры. Его достоинства: меньшее число сигналов управления; упрощается соединение дисплей-контроллер за счет меньшего числа проводников; можно заказать модификацию любого типа индикатора с последовательным интерфейсом.
К сожалению, выбор интерфейса не может быть осуществлен без изменения монтажа элементов на плате. В символьных и графических OLED-модулях Winstar выбор режима последовательного интерфейса реализован посредством установки режимной перемычки на входе микросхемы контроллера.
Для перевода контроллера в последовательный режим следует переставить две перемычки (SMD-резисторы 0 Ом) на плате. Первая перемычка из положения L_CS должна быть переставлена в положение JCS, а вторая — из положения PS_H в L_PS. После этого контроллер будет работать в режиме SPI . Местоположение перемычек показано на плате шелкографией. Эти манипуляции выполняет производитель для заказных модификаций индикаторов с SPI-интерфейсом. Линии управления следующие:
1. 12 SCL.
2. 13 SDO.
3. 14 SDI.
4. 16 CS.
Остальные выводы управления на интерфейсном разъеме не используются, но подтягивать их к земле или питанию не требуется. На рисунке 6 показана диаграмма сигналов SPI-интерфейса.

Рис. 6. Диаграмма последовательного SPI-интерфейса

Для облегчения программирования индикатора с SPI-интерфейсом Winstar предоставляет пользователям образец программного кода.
Основные преимущества OLED-индикаторов
Несомненно, OLED-технология обеспечивает многие преимущества по сравнению с технологией ЖК-дисплеев с пассивной адресацией. Одним из них является отсутствие кросс-эффекта с паразитной подсветкой невыбранных пикселов. Поэтому яркость невыбранных пикселов на два-три порядка меньше яркости выбранных пикселов. Не возникают проблемы с углом обзора, поскольку не используется модуляция поляризованного света. Ресурс OLED-дисплеев Winstar для желтого и зеленого цветов составляет около 100 тыс. ч (более 11-ти лет непрерывной работы!)

Яркость дисплейных OLED-модулей Winstar очень высокая и составляет 500~2000 кд/м2 в зависимости от цвета используемого органического материала. Контрастное отношение обычных STN ЖКИ составляет около 5:1 (для позитивного режима) и 10:1 (для негативного FSTN). А вот собственный контраст OLED-панелей с пассивной адресацией может превышать 2000:1. Даже без использования дополнительного верхнего поляризационного фильтра, улучшающего внешний контраст, OLED-панель имеет очень хороший контраст. Если же добавить поляризатор, то контраст станет еще выше и может достигать значений 10000:1.

Переход из темного состояния в состояние с высокой яркостью в OLED производится намного быстрее, чем в стандартных ЖК-дисплеях с пассивной адресацией (десятки и сотни мс) и составляет менее 10 мкс при 25°С. С изменением температуры этот параметр меняется очень незначительно и не влияет на качество изображения.

Эмиссионная природа OLED-дисплея позволяет получать широкий угол обзора как по вертикали, так и по горизонтали — около 160°, обеспечивая комфортные условия наблюдения и считывания визуальной информации.

OLED-дисплеи обеспечивают работу при температурах –40…80°С. Следует заметить, что этот диапазон полностью совпадает и с температурным диапазоном хранения OLED-модулей. Нет сомнения, что этот диапазон значительно выше, чем расширенный температурный диапазон STN-дисплеев специального исполнения. Следует заметить, что температурный диапазон PLED-дисплеев уже (–20…50°С).
Быстродействие OLED-дисплея при понижении температуры до –20°С остается таким же, что и при температуре 25°С (10 мкс), а время переключения ЖК-дисплея STN увеличивается в 16 раз и доходит до 4 с.

Потребление OLED-модуля зависит от числа светящихся пикселей. В среднем потребление модуля составляет 10…30 мА. ЖКИ с подсветкой потребляет всегда, поскольку она не выключается даже при темном экране, на котором не отображается ни один символ. Например: символьный STN-модуль формата 16×02 с желто-зеленой светодиодной подсветкой потребляет от источника 5 В около 100~300 мA, а аналогичный OLED-модуль — всего 10~30 мA, обеспечивая при этом большую яркость и существенно больший контраст.

Поскольку собственно органический активный слой в основном прозрачен, большая часть любого внешнего светового излучения успешно проникает внутрь структуры OLED и, отразившись от противоэлектрода, смешивается с полезным эмиссионным излучением OLED. Очевидно, что в этом случае контраст дисплея уменьшается, а качество изображения ухудшается. Поляризаторы с круговой поляризацией используются для улучшения внешнего контраста любых светоэмиссионых дисплеев (электролюминесцентных, FED, светодиодных, ЭЛТ, OLED). Круговой поляризатор является комбинацией линейного поляризатора и четвертьволнового фазосдвигающего фильтра. Линейный поляризатор поглощает проходящий через него свет, который поляризован случайным образом за исключением света, который имеет поляризацию параллельную оси передачи. На рисунке 7 показана структура OLED-дисплея подобного типа.

Рис. 7. Повышение внешнего контраста OLED за счет линейного поляризатора и четвертьволнового фазосдвигающего фильтра

Внешний свет проходит через поляризатор, затем — через фазосдвигающий фильтр. При этом сначала отсекается как минимум 50% проходящего внешнего света, после чего производится поворот плоскости поляризации на 45°. После отражения от противоэлектрода внешний свет снова проходит через фазосдвигающий фильтр, который «доворачивает» сдвиг вектора поля до 90°. Такое излучение полностью задерживается поляризационным фильтром. Использование поляризационного фильтра уменьшает яркость индикатора более чем вдвое, однако при этом достигается выигрыш в увеличении внешнего контраста. Это проявляется особенно заметно при работе в условиях высокой солнечной освещенности.

Кроме линейки стандартных символьных и графических OLED-модулей Winstar предлагает клиентам разработку заказных символьно-мнемонических или графических OLED-модулей по требованиям заказчика за умеренную плату.

Используя алфавитно-цифровые OLED-индикаторы Winstar, можно с успехом обновить ЖК-индикаторы в дизайнах ранее разработанных приборов. Это позволит значительно поднять уровень эргономичности прибора и улучшить комфортность работы с прибором в различных условиях внешней освещенности и более широком температурном диапазоне.
При умеренной цене новые промышленный OLED-индикаторы — замечательная альтернатива ЖКД, особенно для низкотемпературных применений.