Chip on Glass

Continuous-Grain-Silicon macht LCDs zum multifunktionalen System-Panel

30.05.2008 | Autor / Redakteur: Silvio Cerato* / Andreas Mühlbauer

TFT-Farbdisplays verwenden zur Ansteuerung der Pixel jeweils drei Transistoren pro Bildpunkt. Sharp hat eine Technologie entwickelt, die es erlaubt, auch komplexere Schaltungen – beispielsweise die Ansteuerung – direkt auf das Displayglas aufzubringen. Dadurch lässt sich viel Platz einsparen, und gleichzeitig eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten neuer Funktionalität.

Die Integration einer 8-Bit-CPU mit 13.000 Transistoren und einer 3-MHz-Taktung direkt auf einem LCD-Glas war zunächst ein technologisches Experiment. Sharp erbrachte damit allerdings vor fünf Jahren den Beweis, dass sich prinzipiell komplexe Schaltkreise zusammen mit den Transistoren der Pixel in einem Arbeitsschritt auf dem Glas aufbringen lassen. Damit legt Sharp die Grundlage für einen neuen Typ von TFT-Flüssigkristalldisplays, den so genannten System-LCD. Dabei sind direkt auf dem LCD verschiedene Schaltkreise zur Steuerung des Displays, beziehungsweise komplexere IC-Einheiten für zusätzliche Funktionalitäten integriert.

Weniger Phasengrenzen innerhalb des Continuous-Grain-Siliziums erlauben den Elektronen im Vergleich zu amorphen Silizium eine 600-mal höhere Beweglichkeit. Dies erlaubt schnellere Pixelreaktionszeiten, kleinere Pixelgrößen und gibt die Möglichkeit, Schaltkreise zur LCD-Steuerung direkt auf dem Glas zu integrieren.
Weniger Phasengrenzen innerhalb des Continuous-Grain-Siliziums erlauben den Elektronen im Vergleich zu amorphen Silizium eine 600-mal höhere Beweglichkeit. Dies erlaubt schnellere Pixelreaktionszeiten, kleinere Pixelgrößen und gibt die Möglichkeit, Schaltkreise zur LCD-Steuerung direkt auf dem Glas zu integrieren.

Basis für diese Gattung multifunktionaler TFT-LCDs ist das von Sharp entwickelte Continunuos-Grain-Silicon- (CGS)Verfahren. In der Serienfertigung lassen sich dadurch feingliedrige IC-Strukturen in der Größenordung von 3 µm auf dem Glas integrieren. Das Ende der Fahnenstange ist jedoch hiermit noch nicht erreicht: Forscher bei Sharp arbeiten derzeit daran, System-LCDs mit 1,5-µm-Strukturen zu entwickeln (siehe Kasten).

Displayglas beherbergt bereits Funktionen

Bild 1: Durch die Integration vormals peripherer Steuerungselemente direkt auf dem LCD-Glas lässt sich die Bauweise kompakter gestalten und die Zuverlässigkeit der System-Display-Module erhöhen
Bild 1: Durch die Integration vormals peripherer Steuerungselemente direkt auf dem LCD-Glas lässt sich die Bauweise kompakter gestalten und die Zuverlässigkeit der System-Display-Module erhöhen

Erste System-LCDs sind bereits auf dem Markt – zum Beispiel 2"-TFTs für PDAs und Mobiltelefone mit QVGA-Auflösung oder 3,7"-TFTs in VGA-Auflösung, die alle Steuerkomponenten auf dem Glas beherbergen. Die dadurch an drei Kanten reduzierte Rahmenstärke erlaubt ein extrem schlankes und kompaktes Design von Mobiltelefonen und anderen tragbaren Geräten. Ihre für kleine Displaygrößen hohe Auflösung verdanken sie ebenfalls der CGS-Technologie, denn durch Verkleinerung der Transistoren in den Pixeln steigt der Pixel-Pitch auf etwa 200 ppi. Die neuesten Prototypen haben sogar schon eine Auflösung von 300 ppi, während bei herkömmlichen Displays mit amorphem Silizium die Grenze bei 100 ppi erreicht ist.

Wie kompakt sich Geräte durch ein Display in Continuous-Grain-Technologie herstellen lassen, zeigte Sharp Ende letzten Jahres mit seinem Super-Thin 2,2"-LCD, das mit einer Dicke von 0,68 mm das derzeit industrieweit dünnste LC-Display ist. Das Mobile Advanced Super View LCD liefert dank einem Kontrast von 2000:1, einem Blickwinkel von 176° und einer Reaktionszeit von 8 ms eine Bildqualität, die sich mit der eines LCD-Fernsehers vergleichen lässt. Mobile Kommunikationsgeräte und Videokameras lassen sich mit diesem Display nicht nur in ihren Abmessungen reduzieren, sondern erfahren zusätzlich noch einen Schub in der Qualität ihrer Bildwiedergabe.

Mit den Modellen LS022Q8UX05 und LQ025Q3DW02 hat Sharp unlängst zwei QVGA-TFT-Displays mit Diagonalen von 2,2 beziehungsweise 2,5" in CG-Technologie vorgestellt. Die transflektive 2,2"-Variante liefert im reflektiven Modus einen Kontrast von 10:1, wodurch die Ablesbarkeit auch bei direkter Sonneneinstrahlung gewährleistet ist. Verantwortlich hierfür sind reflektierende Mikrostrukturen, die rund 4% der inneren Elemente wie Leiterbahnen und Transistoren, die nicht direkt zur Bildwiedergabe beitragen, überziehen.

Der transmissive Teil des Displays bleibt dadurch weitgehend unberührt, und die Bildqualität bei schwachem Außenlicht kommt der eines konventionellen transmissiven LCDs gleich. Von dieser Technik profitieren wegen des geringeren Stromverbrauchs, der im Normalbetrieb bei 14 mW liegt und bei partieller Nutzung der Anzeige auf bis zu 3 mW heruntergefahren werden kann, besonders akkubetriebene Kommunikationsgeräte. Denn je nach Aufbau wird der transmissive Modus des LCDs nur dann zugeschaltet, wenn das Gerät aktiv im Einsatz ist. In der Regel reicht der reflektive Modus aus, um im Ruhezustand Basisfunktionen wie Uhrzeit und Akkuladung gut ablesbar anzuzeigen.

Das Display wird zum Lautsprecher

Neben den ICs zur Ansteuerung lassen sich auch optische Sensoren, RF-Komponenten und Audioschaltkreise in das Glas aus CG-Si einarbeiten. So genannte Akustik-LCDs, auf denen auch eine Verstärkerschaltung integriert ist, sind bereits in der Entwicklung. Der Prototyp von Sharp umfasst einen eingebetteten Audioschaltkreis samt Ausgabeeinheit. Die sonst für die Tonwiedergabe nötigen Zusatzgeräte sind demnach nicht erforderlich, da das Display selbst als akustische Membran fungiert.

Folgende Funktionen wurden dabei von den Entwicklungsingenieuren realisiert: Schieberegister, Latch, 12-Bit-D/A-Wandler, analoger Vorverstärker-Eingang, Lautstärkeregelung und Verstärker. Der D/A-Wandler ermöglicht die Wiedergabe von 48-kHz-PCM-Dateien, wie sie auf DVD-Datenträgern verwendet werden. Die direkt verfügbare Ausgangsleistung bedient die piezoelektrischen Lautsprecher, wodurch keine externen Lautsprecher benötigt werden.

Pixel mit Sensorfunktion für neue Bedienkonzepte

Auch Bildsensoren lassen sich durch das CG-Silizium in jeden einzelnen Pixel des Displays einfügen. Damit übernimmt das Display neben der Bildwiedergabe völlig neue Funktionen wie beispielsweise die eines Miniscanners oder als Interface für die Nutzeridentifizierung anhand des Fingerabdrucks. Auch die Touchscreen- und Stifteingabe lässt sich so kompakt in einem Bauteil realisieren.

Bild 2: In System-LCDs mit Scanning-Funktion enthält jedes Pixel einen Fotosensor. Die Sensoren fangen das vom Finger auf dem Glas reflektierte Licht auf und wandeln es in Spannungsimpulse um. Diese setzen sich in Echtzeit zur Bildinformation zusammen.
Bild 2: In System-LCDs mit Scanning-Funktion enthält jedes Pixel einen Fotosensor. Die Sensoren fangen das vom Finger auf dem Glas reflektierte Licht auf und wandeln es in Spannungsimpulse um. Diese setzen sich in Echtzeit zur Bildinformation zusammen.

Das Geheimnis hinter diesem Eingabesystem ist ein spezieller Fotosensorschaltkreis, der mit lediglich einem Transistor auskommt und sich so Platz sparend zusammen mit anderen Transistoren zur Steuerung eines jeden Pixels in der Siliziumebene integrieren lässt. Bei einem System-LCD mit Scanning-Funktion ist jedes Pixel mit einem eigenen Fotosensor ausgestattet, der das vom Finger auf dem Glas reflektierte Licht auffängt und in einen Spannungsimpuls umwandelt. In der Summe setzen sich die Spannungsimpulse der Fotosensoren dann in Echtzeit zur Bildinformation zusammen.

Bild 3: Die Integration von Fotodioden in die Pixel der neuen System-LCDs ermöglicht eine Multipoint-Touchfunktionalität und damit neue intuitive Bedienkonzepte. Bilder lassen sich mit mehreren Fingern „anfassen“ und durch einfache Bewegungen z.B. vergrößern oder drehen.
Bild 3: Die Integration von Fotodioden in die Pixel der neuen System-LCDs ermöglicht eine Multipoint-Touchfunktionalität und damit neue intuitive Bedienkonzepte. Bilder lassen sich mit mehreren Fingern „anfassen“ und durch einfache Bewegungen z.B. vergrößern oder drehen.

Abgesehen von der Erfassung von Bildern lässt sich die Scanning-Funktionalität jedoch auch anders einsetzen: Beispielsweise als Multi-Point-Touchscreen. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven oder resistiven Touchscreen-Technologien können über die Fotosensoren in den Pixeln mehrere Berührungspunkte gleichzeitig erfasst werden. Dies erschließt völlig neue Möglichkeiten der haptischen Interaktionen auf dem Schirm, denn durch die Multipunkt-Touch-Funktionalität lassen sich die dargestellten Objekte mit mehreren Finger regelrecht „anfassen“, um sie entweder in ihrer Größe zu verändern oder zu drehen.

Die Multipoint-Eingabe über die optischen Sensoren eröffnet daher ganz neue Möglichkeiten für interaktive und intuitive Bedienkonzepte. Neben neuartigen Menüführungen für mobile Geräte wie Smart-Phones, tragbare Navigationsgeräte, Industrie-Handhelds oder Spielekonsolen lassen sich auch komplexe Steuerungen für Industrieanlagen durch die Verbindung von Bildschirm und Bedienfeld klarer gestalten. Dies führt letztlich zur einfacheren und damit sichereren Handhabung von Anlagen.

Als ersten Prototypen hat Sharp Ende 2007 ein System-LCD mit Scanning-Funktion in der Größe von 3,4" und einer 1/2-VGA-Auflösung vorgestellt. Da die Technologie prinzipiell aber unabhängig von der Panelgröße ist, profitieren langfristig auch e-Signage-Anwendungen von der Multitouch-Funktionalität und den hinzugewonnenen Möglichkeiten zur Interaktion. Denkbar sind solche Displays beispielsweise als Informationstafeln und Point-of-Sale-Werbebildschirme, auf denen Kunden ihre Waren „anfassen“ und drehen können, um sie von allen Seiten zu betrachten.

Sensoren für optimiertes Produktdesign

Zudem kommt diese sensorbasierte Touch-Funktionalität ohne berührungsempfindliche Schicht aus, die bei herkömmlichen Touchpanels auf das LCD laminiert oder geklebt werden muss. Dies bringt zum einen produktionstechnische Vorteile mit sich, denn durch den Wegfall der berührungsempfindlichen Schicht sinken die Kosten von Produktion, Beschaffung und Logistik. Aber auch die Lichtdurchlässigkeit des Displays für die Hintergrundbeleuchtung ist um einiges höher als bei konventionellen Touchscreens. Der Vorteil: Optimierte Helligkeit und Bildqualität bei einem gleichzeitig schlankeren Produktdesign mit einer Stärke von weniger als einem Millimeter. Darüber hinaus erhöht die Integration der Touch-Funktion in den Bildschirm gleich bei der Herstellung des Flüssigkristalldisplays dessen Zuverlässigkeit erheblich.

Als Bildsensoren können die Pixel auch die Steuerung der Displayhelligkeit übernehmen. Gerade beim Einsatz in mobilen Geräten ändert sich die Umgebungshelligkeit permanent. Um dennoch die Darstellung auf dem Display gut ablesen zu können, muss dessen Hinterleuchtung manuell angepasst werden, womit immer ein erhöhter Stromverbrauch einhergeht. Eine exakt auf das Umgebungslicht abgestimmte Displayhelligkeit trägt dazu bei, die verfügbare Akkuleistung effizienter einzusetzen und somit die Akkustandzeit zu verlängern.

Wireless-Verbindung überträgt Strom und Daten

Bild 4: Der Prototyp des monolithischen Wireless-Displays empfängt drahtlos sowohl Daten als auch Strom
Bild 4: Der Prototyp des monolithischen Wireless-Displays empfängt drahtlos sowohl Daten als auch Strom

Mit der Vision vom kompletten Display-System geht auch die Forderung nach einer drahtlosen Kommunikationsverbindung einher. Sharp hat eine monolithische Wireless-Schnittstelle mithilfe von CG-Silizium-Dünnfilmtransistoren bei einem Prototyp bereits umgesetzt. Das Besondere an diesem Nahfeld-Kommunikationslink ist, dass er sowohl die Bilddaten als auch die Stromversorgung für das LCD und dessen Hinterleuchtung überträgt.

Dieser Prototyp besteht aus zwei separaten Einheiten: dem Receiver und dem Display-Modul. Die Empfängereinheit wurde in einem 1,5-µm-CG-Si-Prozess hergestellt und beinhaltet ein analoges Frontend, eine digitale Prozessoreinheit sowie einen Ausgangszwischenspeicher. Bei dem Display-Prototypen handelt es sich um ein 2,2"-QVGA-Display, bei dem Bildspeicher und Display-Controller auf einer flexiblen Leiterplatte montiert sind. Ein monolithischer paralleler Resonanzkreis nimmt das gesendete Signal am analogen Frontend auf.

Bild 5: Die Continuous-Grain-Technologie lässt die „System-on-Panel“-Vision Schritt für Schritt Realität werden. Zahlreiche Funktionalitäten hat Sharp bereits direkt auf dem Displayglas realisiert.
Bild 5: Die Continuous-Grain-Technologie lässt die „System-on-Panel“-Vision Schritt für Schritt Realität werden. Zahlreiche Funktionalitäten hat Sharp bereits direkt auf dem Displayglas realisiert.

Durch weitere Verbesserung der CGS-Technologie werden künftig auch Einheiten wie RAM, ROM, CPUs und Prozessoren für Zusatzfunktionen direkt auf der Anzeigefläche untergebracht sein. Diese Displays besitzen dann Computereigenschaften und erweitern als System on Panel bisherige LCD-Anwendungsbereiche.

*Silvio Cerato ist verantwortlich für das Product Marketing Mobile LCD bei Sharp Microelectronics Europe.

 

Wenn das Display zum Computer wird

 

Continuous Grain Silicon – die Basis für System-LCDs

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