Символьные и графические: PMOLED-дисплеи Winstar

OLED-дисплеи давно привлекают разработчиков. Они превосходят традиционные ЖК-индикаторы по контрасту изображения, и в то же время являются более компактными и малопотребляющими, так как не требуют дополнительной подсветки. Однако из-за ряда недостатков в середине 2000-х репутация OLED подвергалась сомнению [1]. Дело в том, что для ранних моделей OLED число отказов оказалось высоким, а качество отображения быстро ухудшалось, из-за чего срок службы был достаточно коротким. Но в последнее время все изменилось в лучшую сторону и интерес к OLED-дисплеям вновь возрождается.

В настоящее время рынок OLED представлен следующими сегментами [2]:

• высококачественные AMOLED-панели, которые используются преимущественно в телевизорах и мониторах. Основными производителями в данном сегменте являются: LG Display, Samsung Display, Sony;
• AMOLED-дисплеи для мобильных устройств, применяемые в топовых смартфонах, планшетах и прочих гаджетах. Лидируют в данном сегменте такие производители как: Kunetech, AU Optronics (наследник Acer Display и AUO), BOE Display, China Star Optoelectronics Technology (CSOT), Chunghwa Picture Tubes (CPT), EverDisplay Optronics, Japan OLED (JOLED) и другие компании;
• OLED-микродисплеи, применяемые в носимой электронике, например, в умных часах. Основныепроизводители:Dresden Microdisplay, eMagin corporation, Fraunhofer IPMS, Kopin, MicroOLED, OLiGHTEK, Seeya Technology, Sonyи прочие;
• бюджетные PMOLED-дисплеи для приложений, в которых важно обеспечить невысокую стоимость, а вопросы качества изображения имеют второстепенное значение. Лидеры рынка в данном сегменте: Kyocera Display, Nippon Seiki, Pioneer, RiT Display, WiseChip, Winstar, Truly Semiconductors Ltd., Visionox, Pitek, Futaba.

Компания Winstar была основана в 1998 году и в настоящий момент является одним из лидеров на рынке индустриальных дисплеев. Winstar выпускает широкий спектр продуктов: символьные и графические ЖК, TFT, PMOLED. При этом компания была одним из пионеров в области OLED. В 2006 году она уже производила OLED-дисплеи, но вынужденно свернула производство из-за их невысокой надежности и недостаточно длительного срока службы [1]. Спустя несколько лет, когда проблемы были побеждены, Winstar вернулся на рынок OLED и с тех пор существенно расширил номенклатуру выпускаемых дисплеев.

Что такое OLED и с чем его «едят»

В простейшем случае OLED, или органический светодиод, представляет собой многослойную планарную структуру (рисунок 1). В качестве жесткого основания обычно выступает подложка из стекла или прозрачного полимера. На основание наносится прозрачный слой оксида индия, легированного оловом. Этот слой отвечает за инжекцию дырок во внутренние слои OLED. Далее следует слой полианилина – полимера, обладающего проводимостью и способного пропускать инжектированные дырки. Эмиссионный слой изготавливается из полифлуорена. В нем происходит рекомбинация дырок и электронов. Для предотвращения неуправляемого проникновения электронов в эмиссионный слой в структуре OLED присутствует специальный барьерный слой. В качестве катода обычно выступает слой бария или кальция. Так как эти металлы чрезвычайно активны, то для снижения деградации используется дополнительное алюминиевое покрытие.

Рис. 1. Принцип работы и структура OLED-дисплея

Принцип работы OLED-ячейки выглядит относительно простым. При отсутствии напряжения на электродах блокирующий слой не позволяет электронам проникать в эмиссионный слой, и фотоны не образуются. После подачи напряжения электроны получают дополнительную энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера. Электроны с дырками встречаются в эмиссионном слое и рекомбинируют с образованием фотонов. В зависимости от величины энергетического барьера можно получать различный цвет свечения.

На самом деле структура OLED значительно сложнее. Кроме того, существуют варианты использования различных материалов и технологий нанесения слоев.

Как уже было сказано, чтобы «зажечь» OLED-ячейку, на ее электроды требуется подать напряжение. Задача простая, если речь идет об одной ячейке. Однако все становится значительно сложнее, если необходимо управлять дисплеем, содержащим тысячи ячеек. Существуют два подхода к решению этой задачи: пассивное управление матрицей органических светодиодов (PMOLED) и активное управление матрицей органических светодиодов (AMOLED). Рассмотрим эти варианты подробнее.

PMOLED против AMOLED: в чем различия

Главное различие между PMOLED и AMOLED становится понятным из названий. В PMOLED (passive-matrix OLED) используется пассивное управление матрицей органических светодиодов, а в AMOLED (active-matrix OLED) применяется активное управление.

В PMOLED-дисплеях контроллер в каждый момент времени подает напряжение только на одну строку светодиодов, а светодиоды остальных строк остаются полностью обесточенными. Поэтому для получения изображения требуется постоянная строчная развертка.

Такой подход имеет очевидный недостаток. Например, если дисплей имеет 32 строки, то каждый светодиод находится в возбужденном состоянии только 1/32 часть периода – коэффициент заполнения (duty cycle) равен 1/32. В результате, чтобы компенсировать потерю яркости, необходимо многократно увеличивать ток возбуждения. Увеличение тока возбуждения крайне негативно сказывается на сроке службы OLED-ячеек. Именно по этой причине в середине 2000-х наблюдались частые отказы OLED-дисплеев.

В противоположность этому, в AMOLED-дисплеях наряду с OLED-матрицей используется еще и матрица транзисторов, реализуемая с помощью TFT-технологии. Каждый из транзисторов поддерживает напряжение на ячейке в процессе работы. В результате ток через светодиоды оказывается постоянным и имеет номинальное значение, а сами OLED-ячейки не испытывают кратковременных экстремальных перегрузок, что благотворно сказывается на сроке службы дисплея.

Несмотря на явные плюсы AMOLED, у PMOLED есть свои достоинства, главным из которых становится технологическая простота реализации и, соответственно, привлекательная цена. Именно из-за высокой стоимости AMOLED-дисплеи используются, преимущественно, в топовых продуктах, например, во флагманских смартфонах.

PMOLED привлекают своей доступностью, тем более сейчас, когда проблемы с надежностью остались в прошлом. В частности, Winstar заявляет следующие значения сроков службы для своих PMOLED-дисплеев:

• 80,000 часов – для желтого цвета;
• 75,000 часов – для зеленого цвета;
• 50,000 часов – для красного цвета.
• 35,000 часов – для белого цвета;
• 50,000 часов – для синего цвета (ранее именно синий цвет доставлял множество проблем);
• 35,000 часов – для голубого цвета.

Благодаря целому ряду преимуществ, PMOLED становятся отличной альтернативой традиционным ЖК-индикаторам в самых разнообразных встраиваемых приложениях, начиная от пультов управления и заканчивая измерительными приборами. Рассмотрим плюсы PMOLED подробнее.

PMOLED против ЖК на примере продукции Winstar

Прежде чем переходить к сравнению PMOLED и ЖК, следует сказать, что Winstar предлагает множество совместимых моделей дисплеев. Например, двухстрочный PMOLED-дисплей WEH004002A совместим с STN LCD WH4002A, а PMOLED-дисплей WEH001602C – с STN LCD WH1602C. Другими словами, компания делает все возможное, чтобы пользователи могли перейти на PMOLED без каких-либо доработок аппаратной части.

Для обеспечения объективного исследования выполним сравнение «одноклассников» – символьных 16?2-дисплеев WEH001602C и WH1602C (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение характеристик PMOLED и ЖК

Угол обзора. Первое что бросается в глаза – это, конечно же, различия в углах обзора (рисунок 2). Так как ЖК-дисплей использует нижнюю подсветку, то для него углы обзора сильно ограничены – 60/60°. В PMOLED, напротив, в качестве источника света выступают сами OLED-ячейки, а угол обзора составляет 175° по всем направлениям.

Рис. 2. Углы обзора для OLED значительно больше, чем для STN-LCD

Время отклика. Всем известно, что слабой стороной многих STN LCD является относительно большое время отклика. Разумеется, для огромного числа приложений этот недостаток не критичен, кроме тех случаев, когда речь идет о работе при пониженных температурах. Если при 20°С отклик для STN LCD WH1602C составляет 0,2 с, то уже при -20°С обновление изображения занимает до 4 с.

Для PMOLED-дисплея WEH001602C время отклика оказывается на несколько порядков порядок меньше – около 10 мкс, и практически не зависит от температуры.

Диапазон рабочих температур. Уменьшение времени отклика ограничивает диапазон рабочих температур STN LCD. На практике, несмотря на присутствие ЖК-дисплеев с диапазоном температур до -30°С, рабочий диапазон коммерческих моделей не превышает -20°С. У PMOLED-дисплеев температурный диапазон значительно шире: -40…80°С.

Работа при повышенных температурах, также может вызвать проблемы у STN LCD. В качестве примера на рисунке 3 изображено поведение PMOLED и STN LCD при температуре 80°С.

Рис. 3. Диапазон рабочих температур для OLED шире, чем у STN-LCD

Габариты и вес. Как уже было сказано, PMOLED-дисплеи не требуют дополнительной подсветки. Это не только хорошо сказывается на увеличении углов обзора, но также помогает уменьшить габаритные размеры и вес дисплея. Толщина STN LCD WH1602C составляет 9,7 мм, а толщина PMOLED-дисплея WEH001602C – всего 6,9 мм (рисунок 4) При этом вес уменьшается на 30%.

Рис. 4. OLED не требует подсветки, что позволяет создавать тонкие дисплеи

Потребление. Хорошо известно, что STN LCD отличаются очень скромным собственным потреблением. Однако во многих приложениях требуется подсветка, которая существенно увеличивает общее потребление дисплея. В PMOLED каждым светодиодом затрачивается значительная энергия, однако общее потребление все равно оказывается в два раза меньше, чем у ЖК с подсветкой.

Разрешение. Шаг размещения пикселей в PMOLED и ЖК может быть примерно одинаковым, однако размеры самих пикселей у PMOLED оказываются больше (рисунок 5). Благодаря этому контуры изображения кажутся менее резкими.

Рис. 5. Сравнение размеров пикселей в OLED и STN LCD-дисплеях Winstar

Хотелось бы отметить, что в данном разделе подчеркиваются преимущества OLED, однако это не означает, что ЖК-дисплеи являются пережитком прошлого. Можно с уверенностью утверждать, что для многих бюджетных приложений ЖК-индикаторы по-прежнему актуальны.

Символьные PMOLED от Winstar

В настоящий момент номенклатура символьных PMOLED-дисплеев Winstar насчитывает полтора десятка базовых моделей, без учета различных цветовых и других исполнений (таблица 2), таких как:

• однострочные и двухстрочные;
• с 8…20 символами в строке;
• с поддержкой интерфейсов Motorola 6800, Intel 8080, SPI, I?C;
• с питанием 3 и 5 В;
• с различными цветовыми исполнениями: белым, желтым, зеленым, синим, красным.

Таблица 2. Линия поставок символьных OLED-дисплеев Winstar

В качестве примера на рисунке 6 представлены изображения WEH004002A и WEH001602C различных цветовых исполнений. Рассмотрим эти популярные модели подробнее.

Рис. 6. Примеры символьных OLED-дисплеев производства Winstar

WEH004002A – монохромный символьный OLED-дисплей с числом символов 40?2, построенный на базе контроллера WS0010. Контроллер поддерживает три коммуникационных интерфейса: 6800, 8080 и SPI. По умолчанию в базовой модели WEH004002A используется интерфейс 6800, остальные могут быть реализованы по запросу.

Поскольку WEH004002A является двухстрочным дисплеем, коэффициент заполнения для каждой точки составляет 1/16 (duty cycle). Для однострочных символьных дисплеев коэффициент заполнения равен 1/8.

Как уже говорилось выше, большая часть символьных PMOLED производства Winstar имеет повыводную совместимость с ЖК-аналогами. Например, WEH004002A совместим с STN LCD WH4002A.

WEH001602C – еще один популярный двухстрочный PMOLED Winstar с числом символов 16?2. Данный дисплей имеет повыводную совместимость с STN LCD WH1602C.

Графические PMOLED от Winstar

Номенклатура PMOLED-дисплеев Winstar достаточно разнообразна. Она состоит из более полусотни базовых моделей, без учета различных цветовых и других исполнений (таблица 3):

• с различным разрешением: 48?64, 50?16, 64?32, 64?48, 96?16, 96?64, 100?8, 100?16, 100?32, 128?32, 128?64, 128?128, 200?16, 256?64;
• с различными вариантами монтажа контроллера: COB, COG, TAB;
• с диагональю 0,49”…5,5”;
• с напряжением питания 3 или 5 В;
• с поддержкой интерфейсов Motorola 6800, Intel 8080, SPI, I?C;
• со встроенным сенсорным экраном;
• с различными цветовыми исполнениями: белым, желтым, зеленым, синим, красным;
• с различными конструктивными исполнениями: с монтажом на печатную плату, без рамки и гибким шлейфом, с металлической рамкой.

Таблица 3. Перечень графических OLED-дисплеев Winstar

Чтобы продемонстрировать многообразие исполнений, рассмотрим некоторые конкретные примеры (рисунок 7).

Рис. 7. Winstar предлагает графические дисплеи различных форм и размеров

WEF012864Q – графический OLED-дисплей 2,7? с разрешением 128?64 и металлической рамкой для крепления. Построен на базе контроллера SSD1309ZC с возможностью поддержки различных интерфейсов: 6800, 8080, SPI, I?C. Поскольку в дисплее 64 строки, коэффициент заполнения равен 1/64.

WEO128128B – круглый OLED-дисплей 1,18? с разрешением 128?128 и гибким шлейфом. Построен на базе контроллера SSD1327ZB с поддержкой интерфейсов 6800, 8080, SPI, I?C.

WEP012832A-CTP – графический OLED-дисплей 2,23? с разрешением 128?32 и встроенным сенсорным экраном. Предназначен для прямого монтажа на печатную плату либо для монтажа с помощью дополнительных гибких шлейфов. Построен на базе контроллера SSD1305Z.

WEO012864G-CTP – графический OLED-дисплей 2,42? с разрешением 128?64 и встроенным сенсорным экраном, построенный на базе контроллера SSD1305Z. Для подключения используется встроенный гибкий шлейф.

Стоит отметить, что Winstar постоянно обновляет модельный ряд. Например, в конце 2018 года было представлено сразу три новинки (рисунок 8). Рассмотрим их подробнее.

Рис. 8. Новые графические OLED-дисплеи Winstar

WEF012864H – COG PMOLED-дисплей 2,4? c разрешением 128?64. Построен на базе контроллера SSD1309ZC c поддержкой интерфейсов 6800, 8080, SPI и I?C. По сути, WEF012864H является модификацией модели WEO012864G, при этом его главной отличительной чертой является наличие крепежной металлической рамки.

WEF012864H имеет инвертированное белое изображение, а разработка моделей с другими цветовыми исполнениями будет завершена в ближайшем будущем. Данный дисплей может работать при температурах -40…80°С, что позволяет применять его не только для коммерческих и IoT-приложений, но и для автомобильных систем и промышленного оборудования.

WEO012832D – крошечный PMOLED-дисплей с разрешением 128?32 пикселей и диагональю 0,91?. Главная отличительная черта – минимальная толщина: всего 1,26 мм.

Дисплей построен на базе контроллера SSD1306BZ. Для взаимодействия с ним используется только последовательный интерфейс SPI.

Малые габариты и высокое разрешение делают WEO012832D отличным выбором для портативных устройств, мобильной электроники, медицинских и измерительных приборов. Широкий диапазон рабочих температур -40…80°С позволяет использовать WEO012832D в промышленных и автомобильных системах.

WEO012832F – компактный PMOLED-дисплей 0,91? с разрешением 128?32 пикселей и минимальной толщиной 1,26 мм. По своим характеристикам он близок к рассмотренной выше модели WEO012832D. Главное отличие заключается в коммуникационном интерфейсе – для связи с WEO012832F используется I?C.

В настоящий момент к услугам пользователей предлагаются два исполнения этой модели:

• WEO012832FWPP3N00001 с белым цветом свечения;
• WEO012832FLPP3N00001 с желтым цветом свечения.

Большой интерес для любителей Arduino, а также для профессиональных разработчиков могут представлять графические OLED-дисплеи с интерфейсами SPI или I?C. Применение интерфейсов SPI или I?C позволяет существенно сократить число выводов, а наличие во многих моделях штыревых разъемов существенно упрощает монтаж. Рассмотрим их более внимательно (рисунок 9).

Рис. 9. Новые графические OLED-дисплеи Winstar

WEA009616A – OLED-дисплей 0,84? с разрешением 96?16. Выполнен по технологии COG и конструктивно представляет собой печатную плату с дисплеем и четырехконтактным штыревым разъемом. Малое число контактов обусловлено использованием контроллера SSD1306BZ с поддержкой коммуникационного интерфейса I?C. Напряжение питания WEA009616A 3 В, диапазон рабочих температур -40…80°С.

WEA006432A – OLED-дисплей 0,49? с разрешением 64?32. Построен на базе контроллера SSD1306BZ и поддерживает только I?C-интерфейс. Преимущество дисплея – его минимальное количество выводов. Для взаимодействия с WEA006432A используется всего 4 контакта: SCL, SDA, GND и VDD. Напряжение питания WEA006432A составляет 3 В, диапазон рабочих температур -40…80°С.

WEA012832D – OLED-дисплей 0,91? с разрешением 128?32. Также построен на базе контроллера SSD1306BZ, но использует для управления SPI-интерфейс. WEA012832D имеет 8 выводов: SDA, SCL, DC, RST, CS, VDD, VIN и GND. Стоит обратить внимание на наличие двух выводов питания:

• VDD – для подачи напряжения 3 В;
• VIN – для напряжения питания 5 В.

WEA012832E – OLED-дисплей 1,04? с разрешением 64?48. Данный дисплей обеспечивает возможность работы с SPI и I?C. Расплатой за это становится увеличенное до 10 количество выводов.

WEA006448A – OLED-дисплей 0,96? с разрешением 64?48 и интерфейсом I?C. Напряжение питания WEA006448A составляет 3 В, диапазон рабочих температур -40…80°С.

WEA012864D-01 – OLED-дисплей 0,96? с разрешением 128?64. Имеет поддержку SPI и I?C. Диапазон рабочих температур -40…80°С.

В настоящий момент пользователям предлагается три варианта цветового исполнения:

• WEA012864DWPP3N00001 – белый;
• WEA012864DLPP3N00001 – желтый;
• WEA012864DBPP3N00001 – синий.

WEA012864D-03 – OLED-дисплей 0,96? с разрешением 128?64. Отличается от WEA012864D-01 габаритными размерами и поддержкой только I?C. Диапазон рабочих температур составляет -40…80°С. Дисплей имеет два варианта цветового исполнения:

• WEA012864DWPP3N00003 – белый;
• WEA012864DLPP3N00003 – желтый.

WEA004864A – OLED-дисплей 0,71? с разрешением 48?64. Дисплей имеет четырехвыводное исполнение и поддерживает только I?C-интерфейс. Напряжение питания составляет 3 В, а диапазон рабочих температур находится в пределах -40…80°С.

Заключение

Компания Winstar имеет 20-летний опыт производства различных типов индустриальных дисплеев: от TFT IPS до OLED и монохромных ЖК. При этом Winstar является одним из лидеров в сегменте недорогих OLED-дисплеев с пассивным управлением (PMOLED). В настоящее время компания выпускает широкий спектр символьных и графических PMOLED-дисплеев.

Благодаря разумной стоимости и целому ряду преимуществ PMOLED-дисплеи Winstar становятся чрезвычайно интересной альтернативой традиционным STN LCD. Кроме того, большим плюсом продукции Winstar становится широчайший выбор моделей, благодаря которому каждый разработчик сможет найти оптимальный дисплей для своего приложения.