Содержание
Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
Статья:
Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета.
Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
Предисловие
В этой статье мы разберем
устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и
планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за
исключением небольших нюансов, устроены аналогично.
Разборку будем проводить не
только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея «жертвенного»
телефона.
Рассматривать, как устроен
современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них —
жидкокристаллического (LCD — liquid crystal display).
Иногда их называют TFT LCD, где сокращение
TFT расшифровывается «Thin-Film
Transistor» —
тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами
осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку
вместе с жидкими кристаллами.
В качестве «жертвенного» телефона,
дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.
Основные составные части
дисплея
Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD, и их модификации —
TN, IPS, IGZO и т.д.)
состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности,
устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы
подсветки).
Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой,
пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто
воздушный промежуток.
Существование этого слоя связано с тем, что в
ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно
разные устройства, совмещенные чисто механически.
Каждая из «активных»
составных частей имеет достаточно сложную структуру.
Начнем с сенсорной
поверхности (тачскрин, touchscreen).
Кстати, многие
интересуются, что такое тачскрин? Вот это она и есть — сенсорная
поверхность экрана, чувствительная к прикосновению пальца (пальцев).
Она располагается самым верхним
слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее
нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип — ёмкостная. Принцип действия
такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между
вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца
пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать
изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно
для этого используется оксид индия-олова).
Существуют также и сенсорные
поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже
«сходят с арены».
В последнее время появились и комбинированные сенсорные
поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch-дисплеи).
Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия
на экран.
Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может
быть и склеен с ним (так называемое «решение с одним стеклом», OGS
— One Glass
Solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству,
поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников
света.
Это достигается за счет уменьшения количества отражающих
поверхностей.
В «обычном» дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей —
три. Это — границы переходов между средами с разным коэффициентом
преломления света: «воздух-стекло», затем — «стекло-воздух», и, наконец,
снова «воздух-стекло». Наиболее сильные отражения — от первой и
последней границ.
В варианте же с OGS
отражающая поверхность — только одна (внешняя), «воздух-стекло».
Хотя
собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие
характеристики; есть у него
и недостаток, который «всплывает», если дисплей разбить. Если в
«обычном» дисплее
(без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная
поверхность), то при ударе дисплея
с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не
всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS
абсолютно не ремонтируемые — не верно.
Вероятность того, что разбилась
только внешняя поверхность — довольно велика, выше 50%. Но ремонт с
отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в
сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.
Экран
Теперь переходим к следующей части —
собственно экрану.
Он состоит из матрицы с сопутствующими
слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).
Задача матрицы и относящихся к ней слоев
— изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы
подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае
регулируется прозрачность пикселей.
Немного детальнее об этом процессе.
Регулировка «прозрачности» осуществляется
за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие
кристаллы в пикселе
под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии
воздействия).
При этом само по себе изменение
поляризации еще не меняет яркости проходящего света.
Изменение яркости происходит при
прохождении поляризованного света через следующий слой — поляризационную пленку с
«фиксированным» направлением поляризации.
Схематично структура и работа
матрицы в двух состояниях («есть свет» и «нет света») изображена на следующем рисунке:
(использовано изображение из
нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)
Поворот поляризации света
происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного
напряжения.
Чем больше совпадут направления
поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем
больше в итоге проходит света через всю систему.
Если направления поляризации получатся
перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен —
должен быть черный экран.
На практике такое «идеальное» расположение
векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за «неидеальности»
жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому
и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших
LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних
500…1000, на остальных — ниже 500.
Остается еще к этому добавить проблемы,
возникающие при прохождении света под углом (когда пользователь смотрит
не перпендикулярно), и в итоге можем получить не только паразитную
засветку, но и другие цвето-яркостные искажения.
Только что была описана работа матрицы,
изготовленной по технологии LCD TN+film.
Жидкокристаллические матрицы по
другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую
реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и
*VA (MVA, PVA и т.п.).
Подсветка
Теперь переходим
к самому «дну»
дисплея — лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и
не содержит.
Несмотря на простое название,
лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.
Связано это с тем, что лампа
подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью
всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и
те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, «плохого»
спектра излучения, или же требуют «неподходящего» типа и величины
напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см.
Википедию).
В связи с этим сейчас
наиболее распространены не чисто «плоские» источники света, а «точечная»
светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и
отражающих слоев.
Рассмотрим такой тип
подсветки, проведя «вскрытие» дисплея телефона Nokia 105.
Разобрав систему подсветки дисплея до
её среднего
слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который
направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань
на внутреннем «срезе» угла:
Пояснения к снимку. В центре кадра — разделенный по слоям дисплей
мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу — покрытая
трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху —
срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для
обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной «световодной»
пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и
клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от
кнопок).
Эта полупрозрачная пластина
является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и
первым рассеивающим элементом (за счет «пупырышков», создающих
препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:
В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий
белый светодиод подсветки.
Форма
белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной
яркостью его свечения:
Снизу и сверху этой пластины
подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно
распределяющие световой поток по площади:
Далее сверху на этот «бутерброд»
укладывают еще один лист с особыми свойствами.
Его условно можно назвать «лист
с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением». Помните, на
уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении
через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и
немного с зеркальными свойствами.
Вот так выглядят обычные
наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:
Вероятное назначение этого
листа — предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить
нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления
светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.
Вот так устроена «простенькая»
лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.
И, наконец, поверх
этой многослойной лампы подсветки укладывается жидкокристаллическая
матрица, рассмотренная в предыдущей главе.
Что касается «больших»
экранов, то их устройство — аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки
там больше.
В более старых
жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки
использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL,
Cold Cathode Fluorescent Lamp).
Пример
микрофотографии TFT LCD
(жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа TN:
Обратите внимание на
однородную структуру субпикселей внутри половинки каждого из них.
Теперь — пример
микрофотографии TFT LCD
(жидкокристаллического) дисплея с матрицей типа IPS:
А здесь — наоборот, надо обратить внимание на сложную структуру
внутри каждого из субпикселей.
Структура дисплеев
AMOLED
Теперь — несколько слов об
устройстве относительно нового и прогрессивного типа дисплеев — AMOLED (Active Matrix
Organic Light-Emitting Diode).
Устройство таких дисплеев
значительно проще, так как там нет лампы подсветки.
Эти дисплеи образованы
массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности.
Достоинствами дисплеев AMOLED являются «бесконечная» контрастность,
отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками —
уменьшенный срок «жизни» синих пикселей и технологические сложности
изготовления больших экранов.
Что касается
энергоэкономности, то она связана с отсутствием лампы подсветки и
проявляется не всегда.
Благодаря тому, что
энергию потребляют только те пиксели, которые светятся, погашенные
пиксели энергию не потребляют; в то время, как в жидкокристаллических
дисплеях (LCD) лампа подсветки работает и
потребляет энергию даже тогда, когда экран — чёрный.
Из-за этого растёт
популярность «тёмной темы» для экранов AMOLED.
А при ярком и светлом изображении, соответственно, никакого выигрыша в
экономичности по сравнению с LCD-экранами нет.
Также надо отметить, что,
несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев
AMOLED пока что выше, чем дисплеев
TFT LCD.
Типовой пример
структуры дисплеев AMOLED — на следующей
микрофотографии:
На фото представлен
дисплей AMOLED смартфона
Samsung A22; который можно считать вполне типичным.
Здесь можно обратить внимание на следующие детали:
— линии пикселей
повёрнуты на 45 градусов относительно горизонта;
— субпикселей
зелёного цвета — в два раза больше, чем синих или красных.
Такая структура
расположения пикселей именуется PenTile и
очень часто применяется в дисплеях AMOLED.
Причём разрешение дисплея производители указывают по числу зелёных
субпикселей.
Это, конечно,
небольшое жульничество, но у него есть некоторое техническое
обоснование. Оно заключается в том, что человеческий глаз имеет
наибольшую чувствительность именно к зелёному цвету; в связи с чем «недовложение»
красных и синих субпикселей остаётся практически не заметным.
Кроме дисплеев
AMOLED, постепенно пробивают себе дорогу в
жизнь другие дисплеи на основе светодиодов —
micro-LED. Они отличаются от AMOLED
тем, что светодиоды в них — не на основе органических полупроводников, а
на основе настоящих светодиодов, только микроскопических.
Технология
производства таких дисплеев — ещё более дорогая.
И, наконец, надо
сказать, что дисплеи электронных книг (eink, e-ink) не относятся ни к одному из
перечисленных типов, они рассмотрены в
отдельной статье.
Неожиданный вопрос
Иногда при покупке
нового дисплея вместо разбитого пользователи встречаются со странным
типом дисплея — Or.
Встречается этот тип дисплея в прайс-листах во фразах вроде
«Дисплей для телефона Gnusmas FSB-007 Or.»
И возникает логичный
вопрос: «Дисплей Or — что это такое?»
Не пугайтесь, но
такого типа дисплея не существует. Or — это в
данном случае сокращение от слова «original»
(оригинальный), т.е. означает, что продаётся именно та марка дисплея,
которая была установлена в телефоне самим производителем.
Часто можно
купить дисплеи, полностью подходящие для телефона взамен вышедшего из
строя, но не оригинальные, а совместимые.
Формально продавцы обязаны об
этом информировать покупателя, но по факту не всегда это делают;
особенно — на китайских торговых площадках.
Ваш Доктор.
12 мая 2017 г.
Другие статьи цикла «Как устроен смартфон»:
-
Что
такое USB OTG в смартфоне и планшете?
—
Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы
тестирования.
—
Вскрытие (разборка) камеры
смартфона. Устройство камеры смартфона (мобильного телефона)
—
Как правильно заряжать литий-ионный
аккумулятор телефона, ноутбука и других устройств
—
Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер
мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры
дефектов на снимках.
Как выбрать смартфон с
хорошей камерой?
—
Фотосъемка в режиме HDR
(High Dynamic Range) в смартфоне. Что это такое, какая
польза и когда можно использовать?
—
Вскрытие (разборка) литий-ионного
аккумулятора
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
В комментариях запрещены, как
обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том
числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные
выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение
законов — в Ваших же интересах!
Комментарии вКонтакте:
Комментарии
FaceBook:
При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.
ru) обязательна!
Устройство дисплея смартфона
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
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.
Очень часто пользователи сталкиваются с такими проблемами, как механические повреждения экрана – это могут быть падения, трещины, удары, повреждения от ношения в сумке или кармане от ключей и других твердых и острых предметов. Первый признак того, что дисплей не исправен, сенсор перестает реагировать на прикосновения. И здесь кроется самая главная проблема: зачастую замена сенсора или защитного стекла или в принципе невозможна, так как представляет собой единый с дисплеем модуль или же попросту не рентабельна. Поэтому в большинстве случаев специалисты предложат заменить дисплейный модуль как единое целое.
Этот фактор является и рекомендацией к бережному отношению к смартфону, с крайне желательным использованием аксессуаров – плёнок, стёкол.
Онлайн магазин мобильных телефонов Highscreen
Каталог смартфонов Хайскрин
Вернуться обратно
Перейти в каталог
Смартфоны: Smart Chemistry — Американское химическое общество
Апрель/май 2015 г.
Брайан Рориг
Скачать PDF
Смогли бы вы прожить день без мобильного телефона? Согласно недавнему опросу, проведенному журналом Time , 84% жителей США не могли этого сделать. Трудно поверить, что 20 лет назад почти ни у кого не было мобильного телефона. И теперь мобильный телефон превратился во что-то большее и лучшее — смартфон. Во всем мире более один млрд смартфонов было куплено в прошлом году. Если у вас есть смартфон, вы, вероятно, знаете, что через год или два он практически устареет, потому что смартфон становится все умнее.
В 1950-х годах вам понадобился бы целый ряд компьютеров на целом этаже офисного здания, чтобы делать то, что сегодня вы можете сделать с помощью одного смартфона. Даже бюджетный смартфон обладает большей вычислительной мощностью, чем компьютерная система Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которая использовалась для отправки человека на Луну. Удивительно, но вы можете путешествовать по Интернету, слушать музыку и отправлять текстовые сообщения своим друзьям с помощью чего-то, что умещается на вашей ладони. Все это было бы невозможно без химии, и каждый раз, когда вы используете свой смартфон, вы запускаете химию в действие.
Химия смартфонов
Если вам интересно, какое отношение химия имеет к смартфонам, просто посмотрите на периодическую таблицу. Из 83 стабильных (нерадиоактивных) элементов не менее 70 можно найти в смартфонах! Это 84% всех стабильных элементов.
Металлы делают смартфоны такими «умными».
Средний смартфон может содержать до 62 различных типов металлов. Одна довольно малоизвестная группа металлов — редкоземельные металлы — играет жизненно важную роль. Эти редкоземельные металлы включают скандий и иттрий, а также элементы 57–71. Элементы 57–71 известны как лантаноиды, потому что они начинаются с элемента лантана. Лантаниды часто появляются в первой из двух свободно плавающих строк, расположенных в нижней части периодической таблицы. Скандий и иттрий включены в редкоземельные металлы, потому что их химические свойства аналогичны свойствам лантаноидов.
Один iPhone содержит восемь различных редкоземельных металлов. Если изучить несколько разновидностей смартфонов, то можно найти 16 из 17 редкоземельных металлов. Единственное, чего вы не найдете, это прометий, который является радиоактивным.
Многие из ярких красных, синих и зеленых цветов, которые вы видите на экране, связаны с редкоземельными металлами, которые также используются в телефонных схемах и динамиках.
Кроме того, ваш телефон не смог бы вибрировать без неодима и диспрозия.
Редкоземельные металлы используются не только в смартфонах, но и во многих других высокотехнологичных устройствах. Их можно найти в телевизорах, компьютерах, лазерах, ракетах, объективах фотоаппаратов, люминесцентных лампах и каталитических преобразователях. Редкоземельные элементы настолько важны в электронике, связи и оборонной промышленности, что Министерство энергетики США назвало их «технологическими металлами».
Дисплей смартфона
При покупке смартфона наиболее важной характеристикой, на которую обращают внимание люди, является дисплей. Экран позволяет видеть дисплей телефона. Если вы когда-нибудь роняли телефон, не повредив экран, вы, вероятно, испытали облегчение. Экраны смартфонов очень прочные.
Эта прочность на самом деле является результатом счастливой случайности. В 1952 году химик из Corning Glass Works пытался нагреть образец стекла до 600 °C в печи, когда, без его ведома, неисправный термостат заставил его нагреться до 900 °С.
Открыв дверь, он был рад — и удивлен — обнаружив, что его образец стекла не был расплавленной кучей слизи и что он не разрушил печь. Когда он вынул его щипцами, он уронил его на пол (еще один несчастный случай). Но вместо того, чтобы разбиться, он отскочил!
Так родилась первая в мире синтетическая стеклокерамика, материал, который имеет много общих свойств со стеклом и керамикой. Стекло является аморфным твердым телом, поскольку не имеет кристаллической структуры (рис. 1(а)). Молекулы не расположены в каком-либо порядке, а расположены скорее как жидкость, но при этом они застыли на месте. Поскольку в стекле нет плоскостей атомов, которые могут скользить друг относительно друга, снять напряжение невозможно. Чрезмерное напряжение образует трещину, и молекулы на поверхности трещины разделяются. По мере роста трещины интенсивность напряжения увеличивается, больше связей разрывается, и трещина расширяется, пока не разобьется стекло.
Керамика, с другой стороны, имеет тенденцию быть кристаллической (рис.
1(b)), и она часто характеризуется ионными связями между положительными и отрицательными ионами, хотя они также могут содержать ковалентные связи. Когда они образуют кристаллы, сильная сила притяжения между ионами противоположных зарядов в плоскостях ионов затрудняет проскальзывание одной плоскости мимо другой. Поэтому керамика хрупкая. Они сопротивляются сжатию, но могут сломаться при изгибе.
Комбинация стекла и керамики образует материал, более прочный и прочный, чем каждый из материалов по отдельности. Стеклокерамика образуется при перегреве стекла, поэтому часть его структуры превращается в мелкозернистый кристаллический материал. Стеклокерамика имеет кристалличность не менее 50%, а в некоторых случаях более 9%.5% кристалл.
Этот удивительный стеклокерамический материал настолько устойчив к нагреву, что его использовали в носовых обтекателях сверхзвуковых управляемых ракет, используемых военными. В результате успеха стеклокерамических материалов компания Corning Glass Works предприняла масштабные исследования, чтобы найти способы сделать обычное прозрачное стекло таким же прочным, как стеклокерамические изделия.
К 1962 году компания Corning разработала очень прочный тип химически упрочненного стекла, не похожего ни на что из когда-либо существовавшего ранее. Это сверхпрочное стекло в конечном итоге появится почти на каждом экране смартфона. Он настолько силен, что идет по названию, Горилла Стекло. Лабораторные испытания показали, что Gorilla Glass может выдерживать давление в 100 000 фунтов на квадратный дюйм!
Gorilla Glass состоит из оксида кремния и алюминия, также называемого алюмосиликатным стеклом, и ионов натрия (рис. 2).
Но Gorilla Glass приобретает свою невероятную прочность благодаря последнему этапу, когда стекло химически упрочняется. Стекло помещают в ванну с расплавом калийной соли, обычно нитрата калия, при температуре 300°С. Поскольку ионы калия более реакционноспособны, чем ионы натрия, они вытесняют их. Атомы калия больше, чем атомы натрия, и то же самое верно для ионов — ионы калия намного больше, чем ионы натрия. Поэтому эти ионы калия занимают в стекле больше места, чем ионы натрия.
Заполнение более крупными ионами пространств, ранее занятых более мелкими ионами, приводит к сжатию стекла. Рассмотрим эту аналогию, чтобы визуализировать процесс: Мировой рекорд по количеству людей, втиснутых в очень маленький автомобиль Volkswagen Beetle, составляет 25 человек. Скорее всего, это были маленькие люди. Теперь представьте себе замену этих 25 маленьких людей 25 полузащитниками Национальной футбольной лиги, каждый из которых весит 350 фунтов. Чтобы втиснуть таких крупных людей в такое маленькое пространство, потребовалось бы значительное сжатие. Сжатие всегда будет пытаться сделать вещи меньше.
Таким же образом, когда более крупные ионы калия сталкиваются друг с другом, стекло сжимается. Прессованное стекло очень прочное. В результате этого сжатия в стекле накапливается много потенциальной энергии упругости, очень похожей на потенциальную энергию упругости, которую вы можете найти в сжатой пружине.
Что скрывается за сенсорным экраном?
Как известно каждому пользователю смартфона, экран смартфона — это гораздо больше, чем просто прочный кусок стекла.
Это экран, реагирующий на ваше прикосновение, удачно названный сенсорным экраном, который дает вам личную связь с вашим телефоном.
Существует две основные категории сенсорных экранов. Сенсорные экраны первой категории, называемые резистивными сенсорными экранами , можно касаться любым материалом, и они все равно будут работать. Карандаш работает так же хорошо, как и палец. Вы можете активировать экран даже в перчатках. Резистивные сенсорные экраны можно найти в банкоматах (банкоматах) и на кассах в магазинах, где вы подписываете свое имя для покупки в кредит на экране дисплея.
Резистивные сенсорные экраны состоят из двух тонких слоев проводящего материала под поверхностью (рис. 3). Когда вы нажимаете на резистивный сенсорный экран, он физически вдавливается, заставляя два слоя соприкасаться, замыкая цепь и изменяя электрический ток в точке контакта. Программное обеспечение распознает изменение тока в этих координатах и выполняет действие, соответствующее этому месту.
Резистивные сенсорные экраны также известны как экраны, чувствительные к давлению. Одновременно можно нажимать только одну кнопку. При одновременном нажатии двух и более кнопок экран не реагирует.
Смартфоны используют сенсорные экраны второй основной категории, называемые емкостными сенсорными экранами (рис. 4), которые по своей природе являются электрическими. Конденсатор — это любое устройство, которое накапливает электричество.
Стекло, будучи изолятором, не проводит электричество. Несмотря на то, что стекло содержит ионы, они фиксируются на месте, препятствуя прохождению электричества. Так, стеклянный экран должен быть покрыт тонким прозрачным слоем проводящего вещества, обычно оксида индия-олова, который выкладывается в виде перекрещивающихся тонких полосок, образующих сетчатый узор.
Эта токопроводящая сетка действует как конденсатор, сохраняя очень маленькие электрические заряды. Когда вы прикасаетесь к экрану, крошечная часть накопленного электрического заряда попадает на ваш палец — этого недостаточно, чтобы вы могли его почувствовать, но достаточно, чтобы экран смог его обнаружить.
Когда этот электрический заряд покидает экран и попадает на ваш палец, экран регистрирует падение напряжения, местонахождение которого обрабатывается программным обеспечением, которое заказывает результирующее действие.
Этот крошечный разряд электрического тока входит в ваш палец, потому что ваша кожа является электрическим проводником, в первую очередь из-за сочетания соли и влаги на кончиках ваших пальцев, создающих ионный раствор. Ваше тело фактически становится частью цепи, поскольку каждый раз, когда вы пользуетесь сенсорным экраном на своем телефоне, через вас проходит крошечный разряд электричества.
Технологии смартфонов развиваются головокружительными темпами. Теперь вы можете использовать свой смартфон, чтобы проверить уровень сахара в крови, отрегулировать домашний термостат и завести машину. Двадцать лет назад никто не предполагал, что когда-нибудь люди будут делать больше снимков на свои мобильные телефоны, чем на свои автономные камеры. Кто знает, что будет дальше.
Благодаря пересечению химии и инноваций возможности безграничны.
Избранные ссылки
Гардинер, Б. Стекольный завод: как Corning создала ультратонкий и сверхпрочный материал будущего. Wired, , 24 сентября 2012 г.: http://www.wired.com/2012/09/ff-corning-gorilla-glass/all/ [по состоянию на декабрь 2014 г.].
Спросите инженера. Как работают сенсорные экраны? Массачусетский технологический институт, 7 июня 2011 г.: http://engineering.mit.edu/ask/how-do-touch-sensitive-screens-work [по состоянию на декабрь 2014 г.].
Брайан Рориг — научный писатель, живущий в Колумбусе, штат Огайо. Его последняя статья ChemMatters «Путешествие по воздуху: отделение фактов от вымысла» появилась в выпуске за февраль/март 2015 года.
Как это работает: Технология сенсорных экранов
Характеристика
От одного касания к мультитачу и почему все дисплеи не одинаковы.
Альфред Пур
Компьютерный мир |
Вот вопрос: что это за технология, которую вы не видите, но которая необходима для смартфонов, планшетов и других мобильных устройств, и которая, по оценкам, принесет в этом году доход в 16 миллиардов долларов (согласно DisplaySearch)? Ответ — мультитач-сенсорные экраны, вызвавшие взрывной рост рынка мобильных устройств.
Не так давно мы постукивали по PalmPilot крошечным стилусом или тренировали большие пальцы на микроклавиатуре BlackBerry. Затем, в январе 2007 года, появился , и все изменилось. Внезапно люди начали проводить пальцами по экранам, щипать изображения и выполнять другие маневры, которые ранее не были частью интерфейса.
Теперь мы не только воспринимаем сенсорный ввод как должное, но и ожидаем, что сможем использовать мультитач (одновременное касание экрана более чем одним пальцем) и жесты.
Что сделало возможной эту революцию сенсорных экранов и куда она нас может привести?
Начнем с того, что не все прикосновения одинаковы. Инженерам-конструкторам доступно множество различных сенсорных технологий.
По словам эксперта по сенсорным устройствам Джеффа Уокера из Walker Mobile, существует 18 различных сенсорных технологий. Некоторые полагаются на видимый или инфракрасный свет; некоторые используют звуковые волны, а некоторые используют датчики силы. Все они имеют индивидуальные комбинации преимуществ и недостатков, включая размер, точность, надежность, долговечность, количество воспринимаемых касаний и, конечно же, стоимость.
Как оказалось, две из этих технологий доминируют на рынке прозрачных сенсорных технологий, применяемых для экранов дисплеев мобильных устройств. И эти два подхода имеют очень четкие различия. Один требует движущихся частей, а другой твердотельный. Один основан на электрическом сопротивлении сенсорным прикосновениям, а другой — на электрической емкости.
Один аналоговый, другой цифровой. (Аналоговые подходы измеряют изменение значения сигнала, такого как напряжение, в то время как цифровые технологии основаны на бинарном выборе между наличием и отсутствием сигнала.) Их соответствующие преимущества и недостатки представляют собой совершенно разные впечатления для конечных пользователей.
Резистивный сенсорный экран
Традиционная технология сенсорного экрана — аналоговая резистивная. Электрическое сопротивление относится к тому, насколько легко электричество может проходить через материал. Эти панели работают, определяя, насколько изменяется сопротивление току при прикосновении к точке.
Этот процесс достигается за счет наличия двух отдельных слоев. Как правило, нижний слой сделан из стекла, а верхний слой представляет собой пластиковую пленку. Когда вы нажимаете на пленку, она соприкасается со стеклом и замыкает цепь.
Стекло и пластиковая пленка покрыты сеткой из электрических проводников. Это могут быть тонкие металлические провода, но чаще они изготавливаются из тонкой пленки прозрачного проводящего материала.