Skärmen är en central komponent i nästa generations mobiltelefoni. Efterfrågan på färg, hög upplösning och låg strömförbrukning driver utvecklingen, som just nu sker i ett rasande tempo.


Morgondagens mobilnät, med hög dataöverföringshastighet och multimediatjänster, utmanar skärmtillverkarna. Framtidens mobila tjänster, som video och Internetsurfning, kan inte till fullo utnyttjas med de små gulaktiga teckenskärmarna som sitter i dagens mobiltelefoner.

Skärmen i nästa generations mobila terminaler måste vara rejält större. Hög upplösning, snabba svarstider och färg är andra givna krav. Samtidigt kräver mobiltelefontillverkarna lätta skärmar med lika låg strömförbrukning som dagens skärmar.

Utvecklingen inom skärmteknik för mobila terminaler sker därför i en rasande fart. Redan idag har en viss övergång från teckenskärmar till skärmar med grafik ägt rum inom mobiltelefoni.

- En stor drivkraft är de paketbaserade telefonerna i Japan, kallade I-mode, som lanserades förra året. Dessa telefoner använder idag färgskärmar, säger Johan Paulsson, utvecklingschef inom GSM mobiltelefoni på Ericsson Mobile Communications i Lund.

Japans wap-liknande telefoner utnyttjar så kallade reflektiva färgskärmar. Skärmarna har ett extra lager som reflekterar omgivningens ljus genom flytande kristaller. Detta eliminerar behovet av bakgrundsbelysning, som normalt står för minst 75 procent av skärmens strömförbrukning. Reflektiva skärmar är därför tillräckligt strömsnåla för mobiltelefonibruk och förväntas dyka upp i europeiska telefoner inom ett år.

- Den reflektiva tekniken är ett måste för att införa färgskärmar i nästa generations terminaler, säger Tord Wingren på Ericsson i Lund.

Ett problem är dock att dagens passiva reflektiva färgskärmar fortfarande har ganska dålig kontrast.

- I passiva skärmar är tjockleken på färgfiltren avgörande för färgkvalitén. Men ju tjockare filtren är, desto mindre ljus släpps igenom och desto sämre blir kontrasten, säger Mark Dalton, LCD-ansvarig på Hitachi som har utvecklat passiva färgskärmar med 256 färger.

Ett sätt att förbättra kontrasten är att använda färgfilter av så kallat cholesteriskt material vilket ger en jämnare fördelning av det reflekterade ljuset. Mycket forskning pågår för närvarande kring detta.



Aktiv teknik till video


Hög upplösning kan nås med reflektiva färgskärmar med aktiv pixelteknik, såsom TFT - Thin Film Transistor. Då varje bildpunkt drivs med en transistor drar dessa skärmar mer ström än sina passiva ekvivalenter och har hittills enbart använts i handdatorer och persondatorer. TFT-skärmar erbjuder dock snabbare svarstider, runt 50 ms, jämfört med passiva skärmar som vanligtvis hamnar runt 150 ms. Aktiv teknik lämpar sig därför bättre till videotillämpningar, men är dyrare än passiv och klarar inte låga temperaturer lika bra.

Nämnvärt är dock att alla reflektiva skärmar kräver frambelysning för tillfällen då omgivningens ljus inte är tillräckligt.

Det finns även andra metoder för att tillverka färgskärmar till mobila terminaler. Japanska Hunet har tagit fram en bildskärmsteknik baserad på flytande kristaller helt utan färgfilter, där varje bildpunkt färgsätts individuellt, för att ge hög upplösning.

Tekniken, som kallas för fält-sekvensiell LCD, når upplösningar på hela 300 bildpunkter per tum. När verkliga produkter når marknaden är fortfarande osäkert. Tillverkningen förväntas starta först nästa år.

Även ljusemitterande skärmar kan göras i färg. Mest lovande sådana är nog bildskärmar baserade på organiska lysdioder. De första flerfärgsskärmarna med ljusemitterande organiska material har nyss sett dagens ljus. Dessa skapar olika färger genom att utnyttja olika blandningar av organiska material. Tekniken ligger några år från volymproduktion och det återstår att se om livslängden räcker. (Se Elektroniktidningen nr 2/00.)

Ett annat krav från telefontillverkarna är att skärmarna skall vara så lätta som möjligt.

- Vi behöver tunna skärmar, och då är LCD-skärmar med plastsubstrat mycket intressanta, säger Tord Wingren.



Plast lättare och tåligare än glas


Genom att använda plastsubstrat istället för glas kan man minska tjockleken på substratet från 0,5-0,7 mm till 0,2 mm, och därmed spara vikt. Plastsubstrat är dessutom billiga och tåliga.

Det dröjer dock minst tre år till det att plastsubstrat finns på bred front i verkliga produkter, mest på grund av dagens begränsade tillverkning av plastsubstrat.

Amerikanska Alien Technology är en uppstickare som visar stora framsteg inom området. Alien utnyttjar drivkretsar som tillverkas i en vanlig CMOS-process. Företagets teknik, kallad FSA, fluidic self assembley, går ut på att lägga drivkretsarna i en plastvätska som sedan flyter över ett preparerat substrat. Drivkretsarna hamnar sedan in i små hål i substratet. Hela processen sker i ett rullande steg och eliminerar behovet av ett fast substrat som glas.

För den som vill tillverka mobila terminaler med rörliga bilder, är den aktiva bildpunktstekniken nästan det givna valet, på grund av högupplösning och snabbhet.

Eftersom varje bildpunkt drivs med en spänning upptar drivkretsen en viktigt del av strömförbrukningen. Allt mer måste integreras på drivkretsarna, samtidigt som de skall förbruka mindre ström.

- Det som efterfrågas nu är drivkretsar som drivs med en enda spänning. Eftersom LCD-skärmen behöver flera spänningar måste spänningsgeneratorer integreras på kretsarna, säger Mark Dalton på Hitachi.

- Om man vill slippa använda mobilterminalens egna processorkraft, måste även minne integreras för att kunna hantera grafik, säger han.

Bristen på drivkretsar har präglat skärmtillverkningen under senare år, men utbudet börjar hämta sig. NEC och Sanyo har till exempel nyligen skrivit ett avtal för att öka Sanyos produktion av NEC-kompatibla drivkretsarna med nästan 50 procent.

Att använda polykisel är ett sätt att integrera drivkretsarna direkt i skärmen. De flesta TFT-skärmar bygger idag på amorft kisel, men de japanska skärmtillverkarna, som Toshiba, Sharp och Sanyo, satsar aggressivt på polykisel som alternativ.

- Elektronerna i polykisel har betydligt högre mobilitet än amorft kisel, vilket gör att transistorerna kan göras mindre och kan placeras mycket närmare varandra. Man kan packa runt fyra gånger så många transistorer på en skärm, och därmed öka upplösningen dramatiskt, säger Chris Hoggarth.



Polykisel ger hög upplösning


Man kan också tillverka drivkretsarna i samma process, vilket eliminerar 90 procent av ledningarna mellan kretsarna och glaset.

Det medför att den aktiva delen av skärmen kan vara nästan lika stor som glassubstratet. Skärmarna blir därmed mer robusta, eftersom huvuddelen av alla rapporterade fel hos TFT-skärmar baserade på amorftkisel beror på ledningarna, enligt Hoggarth.

Nackdelen med polykiseltekniken är att processen kräver ny kostsam tillverkningsutrustning. 40 procent av Toshibas årliga tillverkning av LCD- skärmar görs nu med polykisel. Förra året lanserade Toshiba en polykiselprocess som sänkts till temperaturer, runt 400 °C, och företaget erbjuder idag fyra skärmar med upplösningar upp till 202 punkter per tum. Ännu har man inga skärmar till mobila telefoner. Istället är det nya tilllämpningar som smarta telefoner, videotelefoner och högupplösta handdatorer, som i första hand kommer att ge polykiselskärmar den riktiga skjutsen.

Susan Kelly