09 июня 2016
Яркий рассеянный свет часто затрудняет чтение с жидкокристаллических дисплеев. Основной причиной этого является зазор между дисплеем и сенсорной панелью. Используя новый силиконовый гель Wacker и особую технологию производства, называемую оптической заливкой, немецкая компания по производству дисплеев VIA optronics делает дисплеи подходящими для использования при ярком освещении.
Экраны ноутбуков и сенсорные дисплеи, которые в помещении могут иметь прекрасное, яркое и контрастное изображение, часто трудно использовать на улице. Цвета выглядят бледными, а контраст снижается. Прямой солнечный свет, отражаясь от дисплея, создает слепящие блики, и глаз различает лишь нечеткое пятно света. Тоже самое происходит и в ярко освещенных помещениях.
С этим явлением сталкиваются не только пользователи ноутбуков, компьютерных мониторов, планшетов и смартфонов, но и автомобилисты, если системы навигации или экраны приборной панели теряют контрастность при ярком солнечном свете.
Практически все плоские экраны подвержены этим назойливым отражениям, в том числе ЖК-дисплеи с активной матрицей, которые в настоящее время распространены на рынке плоских экранов. Немецкий форум по плоским экранам (DFF) утверждает, что эти ЖК-дисплеи составляют около 90% продаж. “ЖК-дисплеи с активной матрицей обеспечивают непревзойденную точность цветопередачи, поэтому они так популярны на данный момент”, - объясняет д-р Карлхайнц Бланкенбах, председатель DFF и профессор университета Пфорцхайм.
Устройство ЖК ячейки
Обычно жидкокристаллические дисплеи не излучают свет. Его компонент, а именно ЖК ячейка играет роль светового клапана и требует источник света для создания видимого изображения. В светопропускаемом типе ЖК-дисплеев этот свет обеспечивается задней подсветкой. “Прозрачные участки в ЖК-дисплеях пропускают свет и поэтому кажутся светлыми. Непрозрачные области, наоборот блокируют свет и создают темные зоны”, - объясняет Бланкенбах.
Когда рассеянный свет падает на дисплей, изображение на экране становится светлым, потому что наши глаза воспринимают свет, отраженный от экрана. В результате темные участки экрана становятся серыми под влиянием падающего света, и оттенок серого постепенно становится светлее с увеличением интенсивности падающего света. Как следствие контраст светлого и темного уменьшается.
“При ярком солнце отражение может иметь столь сильным, что оно может полностью затмить содержимое экрана и понизить контрастность – соотношение яркости самой яркой области экрана и самой темной – менее 3:1. Дисплей становится нечитаемым вне зависимости от того, оснащен ли он дополнительной сенсорной панелью или нет”, - говорит профессор Бланкенбах.
Отражение является проблемой для частных потребителей, и тем более может стать угрозой для безопасности в промышленных дисплеях. “Это становится неприемлемым, если нельзя проконтролировать и управлять процессом из-за нечитабельного дисплея”, - отмечает Доктор Филипп Мюллер, химик компании Wacker. Мюллер работает в основном с силиконовыми гелями для инкапсуляции электронных устройств в группе промышленных бизнес-решений Wacker Silicones. “Если пилот самолета не может правильно прочитать важную информацию с экрана, жизнь пассажиров может оказаться в опасности.”
Различные коэффициенты преломления
С точки зрения физики, отражение может возникнуть везде, где световая волна проходит через различные условия среды. “Обычно это происходит на границе двух материалов, которые имеют совершенно разные показатели преломления,” - объясняет д-р Мюллер. Если разница показателей преломления между материалами составляет менее 0,1, то отражения практически нет и весь световой поток переходит во второй материал. Показатель преломления воздуха равен 1,0. Это значительно меньше, чем у материалов, применяемых в ЖК-мониторах, показатель преломления которых, как правило, между 1.4 и 1.5. Тем не менее подавление отражения возможно при использовании нужных материалов и специальной технологии склеивания. Это можно наблюдать в промышленных дисплеях, изготовленных компанией VIA optronics GmbH (г. Шварценбрук). Эта компания делает ЖК-дисплеи, например, для автомобильного диагностического оборудования, для авиагоризонтов в самолетах и для приборных панелей в автомобилях. Надежная читаемость при дневном свете является ключевой характеристикой для таких экранов.
Два элемента
Современные жидкокристаллические дисплеи по сути состоят из двух отдельных частей: ЖК-модуль, содержащий все компоненты для вывода изображения, и второй модуль, установленный перед ним. Вторым модулем может быть, например, сенсорная панель в смартфоне. В ноутбуках это также может быть просто стеклянная панель для защиты чувствительной поверхности LCD-модуля от внешних воздействий или в качестве элемента дизайна.
Между панелью и ЖК-модулем есть небольшое расстояние. Этот зазор играет ключевую роль в распространении света, потому что воздух имеет гораздо более низкий коэффициент преломления, чем используемые материалы. Следовательно, рассеянный свет от подсветки отражается от всех трех материалов: передней поверхности фронтального модуля, его задней поверхности и передней поверхности ЖК-модуля.
Каждая из этих трех граней отражает три-четыре процента падающего света. Чтобы отражение происходило в заданном направлении, необходимо знать угол падения света и точные значения показателя преломления. В общей сложности три отдельных отражения составляют около 12 процентов. Многократные отражения тоже встречаются. “Также нужно учитывать, что эта цифра может легко подняться почти до 20 процентов”, - предупреждает Юрген Айхнер, основатель и генеральный директор компании VIA optronics GmbH. И если устройство имеет сенсорный экран, цифра может достигать более 30 процентов из-за слоя металлизации.
Для производства дисплея, читаемого при дневном свете, используется несколько технологий.
Комплекс мер
Во-первых, важную роль играет выбор правильных компонентов. “Мы используем только защитные стекла с антибликовым покрытием”, - подчеркивает директор VIA optronics Айхнер. Это поверхностное покрытие сводит к минимуму блики, которые возникают на внешних поверхностях трех плоскостей отражения. Во-вторых, использование только емкостных сенсорных панелей. Они имеют прозрачный проводящий слой, очень тонкий и мелко текстурированный. Поэтому они отражают меньше, чем другие системы при передаче сравнительно большого количества света.
Отражение от внутренних плоскостей устраняется путем склеивания ЖК-модуля и панели плотно друг к другу. Такая технология оптического склеивания позволяет особенно эффективно уменьшать отражения. Причина в том, что коэффициент преломления силиконового клея очень близок к коэффициентам преломления двух соседних материалов. В результате свет может распространяться через обе части дисплея и силиконовый клей как через один материал. Применение двух технологий совместно: обработка поверхности и оптическое склеивание может уменьшить отражение до уровня ниже одного процента. При ярком освещении полученный дисплей имеет гораздо более высокий коэффициент контрастности, чем стандартный. “Заключительный этап состоит в оптимизации яркости подсветки, например, направляя и объединяя потоки света более эффективно”, - добавляет Айхнер. Это создает более яркий дисплей и, поскольку глаза приспособились к яркому освещению вокруг, они лучше смогут воспринять изображение экрана.
Более плоские экраны
Оптическое склеивание является важным шагом в борьбе с нежелательными отражениями. Оно используется с 80-х годов для производства плоских экранов в военной и авиационной промышленности и устраняет примерно две трети всех отражений. Оно также защищает видимую область внутри дисплея от пыли и влаги, делает дисплей более устойчивым и делает конструкцию более плоской.
VIA optronics, имеющая 15 лет опыта работы в области оптического склеивания, совместно с Wacker выпустила патент на процесс с использованием жидкого силиконового геля. Гель наносится в виде жидкости и постепенно при отверждении образует мягкий слой. Две части дисплея соединяют, когда гель всё ещё липкий, но уже не текучий.
“При соединении двух частей, силиконовый гель уже частично сшит, но не полностью отвержден”, - поясняет эксперт по силиконам Филипп Мюллер. Такое промежуточное состояние очень важно: если силикон еще жидкий во время нанесения, он может проникнуть в модуль подсветки или даже в сами ЖК ячейки. Также он должен обеспечить необходимую адгезию к поверхности деталей. “Сложность в том, чтобы соединить все части в нужное время”, - подчеркивает Мюллер.
Первый шаг в склеивании - создать слой сухого и липкого силикона на задней поверхности защитной панели или сенсорного экрана. Толщина слоя зависит от размера дисплея и требуемого уровня прочности и находится в диапазоне от 0,1 до 2 мм. Для антивандальной защиты он может быть существенно больше. Затем две части дисплея соединяют без особого давления для формирования плотной конструкции. Эти действия выполняются VIA optronics в чистой комнате, чтобы предотвратить загрязнение связующего слоя. После полного отверждения силиконового геля конструкция достигает своей конечной прочности.
Сухой процесс склеивания компании VIA optronics помимо ноу-хау в технологии применения требует также особого склеивающего материала. “Этот процесс возможен только с помощью специального силиконового геля, который Wacker производит исключительно для нашей компании”, - говорит Юрген Айхнер из VIA optronics. Его компания испытывала многие типы прозрачных материалов – не только силиконы, но и органические клеи. Однако последние оказались непригодными, потому что они имеют тенденцию желтеть и усыхать со временем. “Поиски нужного материала в конечном счете привели нас к Wacker. Силиконовый гель их производства соответствует всем нашим требованиям”, - говорит Айхнер. “Поэтому мы использовали его в качестве основы для формирования нашего склеивающего материала.”
Мягкий и очень гибкий
В отличие от обычных силиконовых каучуков, силиконовые гели не отверждаются до состояния жесткого эластомера. Они превращаются в мягкий, очень гибкий материал, который по консистенции ближе к желе, чем к резине. В сшитом силиконовом геле отдельные молекулы полимера соединяются между собой, образуя свободные разреженные цепи. Некоторые силиконовые цепи даже соединены только одним из своих концов друг с другом. Эта сеть делает отвержденный продукт упругим и легким в обработке: силиконовый гель может деформироваться и через некоторое время возвращается к своей первоначальной форме. По мнению технолога Wacker Филиппа Мюллера это важно при использовании в дисплеях: “Силиконовый гель может надежно выдерживать механические нагрузки и плотно прилегать к твердой поверхности.”
Силиконовые гели обладают еще одним преимуществом: как компаунды аддитивной сшивки они выдерживают практические любые изменения в процессе отверждения. Это свойство очень важно при оптическом склеивании, - подчеркивает Айхнер из VIA optronics: “Если связующий слой будет усыхать в процессе отверждения, то края скрепленных модулей стянутся под стягивающим напряжением. Это отразится на ЖК-дисплее и приведет к искажению цвета на экране”.
Эксперты по силиконам Wacker объединили усилия с VIA optronics для разработки предварительной технологии использования силиконового связующего материала. Это стало началом плодотворного сотрудничества. “Мы очень быстро убедились в технологических и коммерческих преимуществах использования силиконового геля для оптического склеивания. Это подтолкнуло нас к производству эксклюзивного продукта для VIA optronics”, - говорит Мюллер.
Потребность в оптически склеенных сенсорных экранах постоянно возрастает в связи с ростом популярности планшетных компьютеров и смартфонов. Тренд на этом рынке был положен компанией Apple с iPhone и iPad, которые управляются с помощью сенсорных экранов. Компания Microsoft продолжило это развитие и добавило сенсорное управление в операционную систем Windows 8. “Это оказало большое давление на производителей устройств для конечного пользователя в плане использования сенсорных экранов”, - оценивает профессор Бланкенбах.
Благодаря этому тренду, технология оптического склеивания принесет немалую пользу в ближайшие годы. Wacker и VIA optronics недавно договорились о еще более тесном сотрудничестве для развития технологии. Условия сотрудничества предусматривают передачу экспертных знаний о новых силиконовых продуктах, технологиях обработки, дистрибуции и маркетинговой деятельности, благодаря этому трудно читаемые дисплеи однажды уйдут в прошлое.
Источник: SURFING BY DAYLIGHT, WWW 2.14 pp 14–23
