Intelligente LC-Displays Transistoren und Schaltkreise auf LCD-Glas

Autor / Redakteur: Silvio Cerato* / Jan Vollmuth

System-LCDs integrieren periphere Steuerungstechnologien und zusätzliche Funktionen direkt auf LCD-Glas. Vorteil: System-LCDs sind kompakter und leichter und bieten eine deutlich höhere Auflösung als LCDs vergleichbarer Größe mit amorphem Silizium.

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Glas-Prozessor: Sharp hat bereits einen vollständigen 8-Bit-Prozessor auf Displayglas untergebracht.
Glas-Prozessor: Sharp hat bereits einen vollständigen 8-Bit-Prozessor auf Displayglas untergebracht.
( Archiv: Vogel Business Media )

System-LCDs integrieren periphere Steuerungstechnologien und zusätzliche Funktionen direkt auf LCD-Glas. Möglich wird dies durch die von Sharp entwickelte Kerntechnologie Continuous Grain Silicon (CGS). System-LCDs sind kompakter und leichter und bieten eine deutlich höhere Auflösung als LCDs vergleichbarer Größe mit amorphem Silizium. Längst hat sich das Handy vom mobilen Kommunikationsgerät zum multifunktionalen Lifestyle Device entwickelt. Bestimmte technische Merkmale wie die Fotofunktionalität, Videofunktion, E-Mail, Internet und andere Office-Anwendungen, Navigationssystem sowie MP3 Player gehören längst zu Grundausstattung von 3,5G-Smartphones.

Der nächste Schritt geht in Richtung mobiles Fernsehen, da breitbandige Funkstandards wie HSDPA und DVB-H bereits in greifbare Nähe rücken. Die aufkommende WiMAX-Technologie ebnet unterdessen den Weg für den schnellen Peer-2-Peer-Datenaustausch ohne Umweg über die Mobilfunknetze.

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Steigende Anforderungen an Displays

Diese Entwicklungen stellen immer höhere Anforderung an das Herzstück eines jeden Handys und Smartphones: das Display. Bewegte Bilder von Spielen, mobilem TV und Videoclips erfordern schnelles Zeitschalten und hohe Auflösung – QVGA für Displays der 2-Zollklasse ist das Minimum.

Dabei darf der Stromverbrauch der Displays nicht in die Höhe gehen, denn kurze Standby- und Gesprächszeiten werden speziell in Europa nicht akzeptiert. Gefordert wird zudem eine extrem flache Bauweise für immer schlankere Telefone.

Continuous Grain Silicon – Grundlage für künftige Displaygenerationen

Die Schlüsseltechnologie für die Mobil-Displays der kommenden Generation ist die von Sharp entwickelte Continuous-Grain-Silicon-Technologie (CGS), denn ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit eines LCDs ist die Geschwindigkeit, mit der Elektronen die Transistorenschicht der TFTs durchlaufen können.

Bei der herkömmlichen Displaytechnologie mit amorphem Silizium erschweren viele kleine Kristallübergänge den geraden Weg des Elektrons: Der elektrische Widerstand ist größer. Die Weiterentwicklung zum Polysilizium verbessert zwar die Elektronenbeweglichkeit innerhalb des Materials durch eine Verringerung der Phasengrenzen, die aber immer noch vergleichsweise feinkörnige Struktur verhindert die Integration komplexerer Schaltkreise.

Dieses Problem löst die Continuous Grain Technologie: Bei diesem speziellen Verfahren wird Silizium in einheitlichen, vergleichsweise großen Kristallen auf das Mutterglas aufgebracht. Im Vergleich zum amorphen Material bewegen sich die Elektronen nun bis zu 600-mal schneller.

Dieses Material erlaubt heute bereits Transistorgrößen von 3 µm. Dies reicht aus, um sämtliche TFT-Treiber direkt auf dem Glas unterzubringen und Pixel auf die Größe von rund 200 ppi zu schrumpfen.

Displays mit CGS-Technologie sind bereits verfügbar

Bereits heute lassen sich mit der CGS-Technologie 2 Zoll große TFTs für PDAs und Mobiltelefone mit QVGA-Auflösung oder 3,7“-TFTs in VGA-Auflösung produzieren, die bereits alle wesentlichen Steuerkomponenten auf dem Glas integrieren. Damit reduziert sich die Rahmenstärke an drei Kanten.

Die verbesserte Elektronenbeweglichkeit innerhalb des CGS erhöht zudem die Helligkeit und reduziert die Verlustleistung.

Neben der höheren Leistungsfähigkeit der CGS-LCDs liegt ein wesentlicher Vorteil in der größeren Zuverlässigkeit der System-Display-Module. Aufgrund der fortschreitenden Integration we-sentlicher Steuerelemente und anderer Funktionalitäten entfällt zunehmend die Anpassung ex-terner Komponenten und Peripherie-Elemente.

Standardmodule für das Design portabler Geräte

Seit neuestem hat Sharp Standard-TFT-Module für mobile Applikationen basierend auf CGS im Programm, so z.B. das LQ022Q8UX05. Dieses QVGA-Display mit 2,2“-Bildschirmdiagonale bietet eine extrem gute Farbwiedergabe mit 16,7 Mio. Farben und einen NTSC-Koeffizienten von 80%. Für hohe Bildqualität stehen zudem das Kontrastverhältnis von 400:1 und die Helligkeit von 300 cd/m².

Darüber hinaus sind die neuen Standard-CGS-TFT-Displays mit der so genannten transflektive Technologie ausgestattet, die auch bei schwierigen Lichtverhältnissen z.B. durch direkte Sonneneinstrahlung für gute Ablesbarkeit sorgt.

Rund 4% der Displayfläche, speziell Elemente wie Leiterbahnen und die Transistoren, die nicht direkt zur Bildwiedergabe beitragen, sind hierbei mit reflektiven Mikrostrukturen überzogen. Dadurch bleibt der transmissive Teil des Displays weit gehend unberührt und die Bildqualität bei schwachem Außenlicht ist der eines konventionell transmissiven LCDs gleichwertig.

Vorteilhaft sind diese transflektiven LCDs dort, wo Displays im Außenbereich genutzt werden, z.B. bei Bank- und Fahrkartenterminals, Briefmarkenautomaten und Anzeigetafeln. Vor allem aber profitieren mobile Kommunikationsanwendungen von der neuen Technologie. Je nach Aufbau wird der transmissive Modus des LCDs nur zugeschaltet, wenn das Gerät aktiv im Einsatz ist, denn der reflektive Modus reicht in der Regel aus, um im Ruhezustand Basisfunktionen wie Uhrzeit und Akkuladung gut lesbar anzuzeigen. Dies spart Strom und verlängert die Akku-laufzeit.

Vollwertiger 8-Bit-Prozessor auf Displayglas

In Zukunft will Sharp die Qualität des Siliziums auf dem Glas noch steigern. Dies wiederum bedingt noch kleinere Transistoren und Schaltkreise mit Strukturen unter 1 µm. Dadurch lassen sich nicht nur Treiber-ICs sondern auch RAM, ROM, Peripherieeinheiten und Schaltkreise für Zusatzfunktionen bei der LCD-Produktion auf der Anzeigefläche unterbringen.

Tatsächlich ist es bereits gelungen, ein Displayglas in einen vollwertigen Mikroprozessor zu verwandeln: Für Versuchszwecke integrierte Sharp eine 8-Bit-CPU mit 13.000 Transistoren und einer drei MHz-Taktung, die bei 5 V Versorgungsspannung funktioniert. Dieser „Glasrechner“ mit dem Befehlssatz des Z80 beansprucht lediglich 169 m2.

Darüber hinaus befinden sich bei Sharp so genannte Akustik-LCDs im Prototypenstadium, auf denen eine Audio-Schaltkreis samt Ausgabeeinheit integriert ist. Für die Tonwiedergabe sind keine Zusatzgeräte erforderlich.

Entwicklungsingenieure haben folgende Funktionen realisiert: Schieberegister, Latch, 12-Bit-D/A- Wandler, analoger Vorverstärkereingang, Lautstärkeregelung und Verstärker. Der D/A-Wandler ermöglicht die Wiedergabe von 48-kHz-PCM-Dateien, wie sie auf DVD-Datenträgern verwendet werden. Eine analoge Ausgangsleistung ist direkt verfügbar und bedient die piezoelektrischen Lautsprecher, wodurch die Verwendung externer Lautsprecher überflüssig wird.

CGS eröffnet neue Anwendungsbereiche

Angedacht sind darüber hinaus weitere Funktionalitäten: Beispielsweise ließen sich durch das CG-Silizium zusätzliche Schaltkreise integrieren, durch die Pixel gleichzeitig zu Bildsensoren werden. Damit könnte das Display neben der Bildwiedergabe völlig neue Funktionen übernehmen, etwa die eines Miniscanners oder einer Schnittstelle für die Nutzeridentifizierung via Fingerabdruck.

Auch Touch-Screen- und Stifteingabe ließe sich so kompakt in einem Bauteil realisieren – die sonst übliche kapazitive oder resistive Touch-Panel-Lage könnte komplett entfallen.

Als Bildsensoren könnten die Pixel die Displayhelligkeit steuern. Eine auf das Umgebungslicht abgestimmte Displayhelligkeit würde die verfügbare Akkuleistung optimieren.

Das neue CGS-Beschichtungsverfahren eröffnet TFTs neue Anwendungsbereiche. Gleichzeitig erweitern die flachen und leichten System Displays bisherige LCD-Anwendungsbereiche. Damit ist absehbar, dass in den nächsten Jahren die LCDs nach wie vor Innovationsmotor der Display-Branche bleiben werden.

Die Vorteile der CGS-Technologie auf einen Blick

CGS (Continuous Grain Silicon) ermöglicht die Integration von Schaltkreisen auf dem Display-Glas. Bei diesem Verfahren wird Silizium in einheitlichen, vergleichsweise großen Kristallen auf das Mutterglas aufgebracht. Im Vergleich zum amorphen Material bewegen sich die Elektronen nun bis zu 600mal schneller. Dieses Material erlaubt heute bereits Transistorgrößen von 3 µm.

Die Vorteile sind vor allem eine höhere Auflösung und kompaktere Bauweise, da bereits heute Treiber-ICs direkt während der LCD-Produktion auf dem Display integriert werden können.

Mit zunehmender Verbesserung der Siliziumqualität lassen sich feinere IC-Strukturen und neue Funktionen direkt auf dem Glas unterbringen. So genannte Akustik-LCDs sind bereits im Ver-suchsstadium. Langfristig sind Displays mit Computereigenschaften denkbar, etwa für extrem flache videofähige Kamerahandys, tragbare Fernseher oder PDAs.

Sharp Microelectronics Europe

Tel. +49(0)1805 073507

*Silvio Cerato ist Mitarbeiter des Product Marketing Mobile LCD bei Sharp Microelectronics Europe

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