Jak rozwijały się ekrany? Przewodnik po technologii wyświetlania

Historia technologii wyświetlania obrazu

Historia ekranów to opowieść o ewolucji technologii wyświetlania obrazu, która rozpoczęła się ponad sto lat temu i wciąż dynamicznie się rozwija. Najważniejsze etapy:

Mechaniczne i projekcyjne ekrany (XIX wiek – początek XX wieku)

Pierwsze „ekrany” nie były jeszcze urządzeniami wyświetlającymi obraz same w sobie. Były to powierzchnie do projekcji światła z urządzeń takich jak laterna magica (XVII wiek) czy projektory filmowe z początku XX wieku. W kinach używano płóciennych lub malowanych ekranów do wyświetlania ruchomych obrazów.

• 1895 – Bracia Lumière prezentują pierwszy publiczny pokaz filmowy z użyciem projektora i ekranu projekcyjnego.
• 1925 – John Logie Baird demonstruje pierwszy ekran telewizyjny, jeszcze w wersji mechanicznej. Obraz był monochromatyczny, składał się z 30 linii i odświeżał się z częstotliwością 5 klatek na sekundę.
• W tym samym czasie Vladimir Zworykin i Philo Farnsworth rozpoczęli prace nad elektroniczną telewizją, która zrewolucjonizowała technologię wyświetlania, zastępując mechaniczne systemy telewizyjne. Zworykin wynalazł ikonoskop (pierwszą praktyczną kamerę TV), a Farnsworth opracował pierwszy całkowicie elektroniczny telewizor.

Katodowe ekrany CRT (1920–2000)

Przełom nastąpił wraz z wynalezieniem lampy kineskopowej (CRT – Cathode Ray Tube). Technologia ta zdominowała telewizję i monitory komputerowe przez ponad 70 lat. Ekrany CRT działały na zasadzie wystrzeliwania wiązek elektronów na luminofor, co powodowało świecenie pikseli.

• 1927 – Philo Farnsworth opracowuje elektroniczną telewizję z ekranem CRT.
• 1939 – Pierwsze masowe pokazy telewizorów CRT odbywają się na Wystawie Światowej w Nowym Jorku.
• 1954 – Wprowadzenie pierwszego kolorowego ekranu CRT.

Jak działa ekran CRT?

1. Działko elektronowe znajdująca się z tyłu kineskopu i emituje wiązkę elektronów.
2. Cewki odchylające sterują wiązką elektronów, kierując ją na odpowiednie punkty ekranu.
3. Powłoka fosforowa pokrywa wewnętrzną stronę ekranu; gdy uderza w nią elektron, emituje światło.
4. Kolorowy ekran (RGB) składa się z trzech warstw fosforów (czerwonej, zielonej i niebieskiej), które po zmieszaniu tworzą pełną gamę barw.
5. Maska cieniowa lub siatka aperturowa precyzyjnie kieruje elektrony na odpowiednie subpiksele.

Obraz jest tworzony przez szybkie skanowanie linii od góry do dołu ekranu – proces ten zachodzi wiele razy na sekundę, co tworzy wrażenie płynnego obrazu.

Zalety technologii CRT:

• Doskonałe odwzorowanie kolorów i płynność ruchu.
• Niska cena w produkcji masowej.
• Brak efektu smużenia (ghostingu) dzięki szybkiemu odświeżaniu obrazu, ale mogą mieć rozmycie ruchu z powodu efektu sample-and-hold oraz powidoków luminoforu.

Wady technologii CRT:

• Duże rozmiary i ciężar.
• Ograniczona rozdzielczość i widoczność przy słabym oświetleniu.
• Pobór mocy, zużywają więcej energii niż LCD czy LED.
• Migotanie obrazu (flickering), niska częstotliwość odświeżania (<75 Hz) może powodować zmęczenie oczu.

Współczesne technologie wyświetlania obrazu

W dzisiejszych czasach rynek ekranów jest niezwykle zróżnicowany, w zależności od zastosowania przy projektowaniu urządzeń elektronicznych projektanci muszą wybierać odpowiednią technologię ekranu, uwzględniając takie czynniki jak pobór mocy, kontrast, kąty widzenia czy czas reakcji. Przed przejściem do szczegółowego opisu współczesnych technologii warto spojrzeć na ich główne obszary zastosowań:

• Smartfony, tablety i laptopy – OLED, LCD, elastyczne OLED
• Monitory komputerowe i telewizory – LCD, OLED, QD-OLED, MicroLED
• Urządzenia VR i AR – microOLED, MicroLED
• Przezroczyste wyświetlacze i HUD-y – OLED, MicroLED
• Reklama cyfrowa i wyświetlacze wielkoformatowe – LCD, MicroLED
• Czytniki e-booków i urządzenia niskoprądowe – E-Ink

Nowoczesne technologie wyświetlania, takie jak OLED, MicroLED i QD-OLED, dostarczając lepszej jakości obrazu, głębszego kontrastu oraz energooszczędnych rozwiązań. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań w projektowaniu elektroniki, firmy technologiczne mogą optymalizować parametry ekranów pod kątem użytkownika końcowego.

Rewolucja technologii LCD (Lata 70. – współczesność)

Technologia LCD (Liquid Crystal Display) rozpoczęła erę cienkich ekranów. Początkowo stosowana w kalkulatorach i zegarkach elektronicznych, z czasem trafiła do monitorów i telewizorów.

• 1972 – Powstaje pierwszy ekran LCD, używany głównie w kalkulatorach.
• 1995 – LCD zaczynają być stosowane w laptopach.
• 1999 – Sharp wprowadza do sprzedaży telewizory LCD. 
• 2010 – Przejście z CRT na LCD zaczęło się już w latach 90., a do 2010 r. LCD całkowicie wyparły CRT.

Zalety technologii LCD:

• Niski pobór mocy.
• Smukły i lekki design.
• Wyższa rozdzielczość.

Wady technologii LCD:

• Ograniczone kąty widzenia i niższy kontrast (we wczesnych modelach).
• Wolniejszy czas reakcji, istotny w dynamicznych obrazach.

Różnice pomiędzy TN, IPS i VA

Panele LCD są podzielone na typy TN, IPS i VA, które różnią się jakością kolorów, kontrastem i czasem reakcji. 

TN (Twisted Nematic) – Skręcone nematyki

Budowa i działanie:

• Cząsteczki ciekłego kryształu w stanie spoczynku są skręcone o 90° między dwiema elektrodami.
• Gdy napięcie jest przyłożone, kryształy rozprostowują się, co zmienia przepuszczalność światła.
• Filtry polaryzacyjne kontrolują, ile światła przechodzi przez piksel.

Technologia ta jest szybka, ponieważ kryształy zmieniają pozycję szybko i nie wymagają dużych zmian orientacji, co pozwala osiągać bardzo niski czas reakcji. Ma natomiast słabe kąty widzenia, ponieważ kryształy są ustawione pionowo w pełni aktywnym stanie, przez co zmieniają sposób przepuszczania światła pod różnymi kątami. Powodując degradację kolorów i „zanikanie” obrazu.

IPS (In-Plane Switching) – Przełączanie w płaszczyźnie

Budowa i działanie:

• Kryształy są ustawione równolegle do powierzchni ekranu i zmieniają swoją orientację w płaszczyźnie (przesuwają się bokiem zamiast skręcać).
• Równomierne przełączanie powoduje, że światło przechodzi bardziej jednolicie przez każdy piksel.

Technologia ta lepsze kolory i kąty widzenia. Kryształy zawsze pozostają równoległe do ekranu, dzięki czemu nie zmieniają się zależnie od kąta patrzenia. Światło przechodzi bardziej jednolicie, co pozwala uzyskać dokładniejsze odwzorowanie kolorów. Typ IPS jest jednak wolniejszy, ponieważ ruch kryształów jest bardziej skomplikowany. Zamiast prostego skrętu, poruszają się poziomo. To sprawia, że czas reakcji jest nieco dłuższy niż w TN (choć nowoczesne IPS mogą konkurować pod tym względem).

VA (Vertical Alignment) – Pionowe ułożenie

Budowa i działanie:

• Kryształy w stanie spoczynku są ułożone pionowo (prostopadle do powierzchni ekranu), co blokuje światło i tworzy lepszą czerń.
• Po przyłożeniu napięcia kryształy przechylają się, pozwalając na przepuszczanie światła.

Typ VA ma najlepszy kontrast, ponieważ w stanie spoczynku kryształy blokują światło całkowicie, co daje głęboką czerń i kontrast rzędu 3000:1, a nawet 5000:1 (dla porównania, IPS ma ok. 1000:1). Nie przepuszczają niechcianego światła, co sprawia, że ekrany VA nadają się idealnie do oglądania filmów. VA może mieć smużenie, wynikające z, że kryształy muszą przechodzić z pionowej do nachylonej pozycji, co jest wolniejszym ruchem niż w IPS i TN. To powoduje, że czas reakcji może być wyższy (np. 4-6 ms), a w starszych modelach występuje tzw. ghosting (smużenie za poruszającymi się obiektami).

Plazma i OLED (Lata 90. – współczesność)

Plazma (PDP – Plasma Display Panel)

Ekrany plazmowe stały się popularne w latach 90. dzięki świetnemu odwzorowaniu kolorów i doskonałemu kontrastowi. Były szczególnie cenione w dużych przekątnych, lecz ich produkcja była kosztowna, a wysoka energochłonność oraz problem z powidokami (burn-in) spowodowały ich stopniowe wycofanie z rynku.Ekran plazmowy składa się z komórek wypełnionych gazem, który pod wpływem napięcia zmienia się w plazmę, emitując światło ultrafioletowe. To światło pobudza luminofor do świecenia, co pozwala na tworzenie kolorowego obrazu.

Zalety:

• Świetne kolory i kontrast.
• Szybki czas reakcji.

Wady:

• Wysokie zużycie energii.
• Powidoki (burn-in) i krótsza żywotność wynikająca z podatności na wypalanie statycznych elementów obrazu z czasem.

OLED (Organic Light Emitting Diode)

OLED to przełomowa technologia, która umożliwia tworzenie elastycznych i przezroczystych ekranów. OLED to rodzaj diody elektroluminescencyjnej wykorzystujący organiczne materiały półprzewodnikowe do emisji światła. Struktura OLED jest warstwowa, składa się z bardzo cienkich warstw organicznych umieszczonych pomiędzy dwiema elektrodami na podłożu (zwykle przezroczystym)​. Typowo wyróżniamy warstwę przewodzącą (transportującą dziury z anody) oraz warstwę emisyjną (transportującą elektrony z katody); każda pełni odmienną rolę w procesie świecenia​.Cała „kanapka” warstw ma łączną grubość rzędu kilkuset nanometrów​, co pozwala budować wyjątkowo cienkie i elastyczne wyświetlacze.

Zasada działania technologii OLED polega na elektroluminescencji, czyli bezpośredniej emisji światła pod wpływem przyłożonego napięcia. Gdy do anody i katody zostanie przyłożone napięcie w kierunku przewodzenia, z katody do warstwy emisyjnej wstrzykiwane są elektrony, a z anody do warstwy przewodzącej tzw. dziury (braki elektronowe)​. Dziury przemieszczają się do warstwy emisyjnej, gdzie rekombinują z elektronami docierającymi z katody​. Rekombinacja ładunków w materiale organicznym powoduje przejście elektronu na niższy poziom energetyczny i emisję kwantu światła (fotonu) w zakresie widzialnym​. 

Innymi słowy, każda dioda OLED świeci samodzielnie pod wpływem przepływu prądu, w odróżnieniu od tradycyjnych wyświetlaczy LCD nie jest potrzebne zewnętrzne podświetlenie. Gdy polaryzacja jest odwrotna (złącze spolaryzowane zaporowo), rekombinacja nie zachodzi i dioda nie świeci​.Dzięki takiej budowie, pojedynczy piksel ekranu OLED jest niezależnym źródłem światła. 

Matryca wyświetlacza składa się z wielu mikroskopijnych diod OLED (subpikseli czerwonych, zielonych i niebieskich, ewentualnie dodatkowych) sterowanych indywidualnie. W nowoczesnych ekranach stosuje się aktywną matrycę TFT (AMOLED), co umożliwia adresowanie milionów pikseli z wysoką częstotliwością odświeżania. OLED mogą być wytwarzane na sztywnym szkle lub giętkim podłożu plastikowym, co otwiera drogę do ekranów zakrzywionych, składanych, a nawet zwijanych.

Zalety OLED:

• Kontrast i czerń. OLED oferuje praktycznie nieskończony kontrast, piksele mogą całkowicie się wyłączać, dając idealną czerń​. Dla porównania, w LCD zawsze działa podświetlenie, więc czerń jest wyblakła, a kontrast ograniczony przez przepuszczające światło ciekłe kryształy. 
• Kolory i jakość obrazu. Dzięki temu, że światło generowane jest bezpośrednio przez subpiksele, OLED uzyskuje szerszą gamę barw i bardziej nasycone kolory niż typowe LCD​. Brak filtrów polaryzacyjnych i warstw podświetlenia sprawia, że emitowane barwy są żywe, a wyświetlacz może pokrywać szeroką paletę (Wide Gamut RGB)​. Obraz na OLED jest postrzegany jako bardziej „realistyczny” i atrakcyjny, zwłaszcza w warunkach słabego oświetlenia.
• Kąty widzenia. Ekrany OLED zachowują wierne kolory nawet pod bardzo dużym kątem patrzenia (bliskim 180°)​. Nawet gdy patrzymy prawie z boku, obraz nie traci kontrastu ani nie ulega inwersji barw. Najlepsze matryce LCD (np. IPS) oferują szerokie kąty widzenia, ale OLED i tak przewyższa je pod tym względem.
• Czas reakcji. OLED cechuje bardzo krótki czas reakcji pikseli. Szybkie przełączanie pikseli eliminuje smużenie i rozmycia obrazu w dynamicznych scenach, co jest istotne dla graczy i wyświetlania wideo w wysokiej jakości.
• Grubość, waga i forma. Wyświetlacze OLED mogą być bardzo cienkie i lekkie (brak wielu warstw filtrów i podświetlenia)​. Pozwala to tworzyć smukłe konstrukcje urządzeń. Dodatkowo dzięki możliwości nanoszenia na elastyczne podłoże, ekran OLED może być zakrzywiony, zginalny czy nawet przezroczysty. Już dziś istnieją prototypy zwijanych ekranów OLED.
• Energooszczędność (w ciemnych treściach). Brak stałego podświetlenia sprawia, że przy wyświetlaniu ciemnych scen OLED zużywa mniej energii. Nieaktywne piksele nie pobierają prądu. W typowym mieszanym użytkowaniu wyświetlacze OLED potrafią zużyć do ~30% mniej energii niż LCD​. Ma to znaczenie np. w interfejsach z ciemnym motywem lub podczas oglądania filmów z czarnymi pasami.

Wady:

• Jasność w pełnym polu i czytelność w słońcu. Choć pojedyncze piksele OLED mogą emitować bardzo jasne światło punktowo, to maksymalna jasność dla całego ekranu bywa niższa niż w przypadku LCD. Wyświetlacze LCD stosują mocne podświetlenie LED, które może świecić z pełną mocą na całej powierzchni, osiągając wysokie luminancje. Tymczasem OLED, ze względu na ograniczenia termiczne i żywotność, często musi ograniczać jasność przy wyświetlaniu dużych jasnych obszarów (np. pełnoekranowej bieli). W silnym świetle słonecznym typowy LCD IPS może być łatwiej czytelny niż OLED, choć najnowsze panele AMOLED poprawiły jasność szczytową i radzą sobie coraz lepiej w słońcu.
• Trwałość i wypalanie. OLED wykorzystuje organiczne materiały, które z czasem degradują. Szczególnie niebieskie emitery cechują się krótszą żywotnością. Powoduje to stopniowe słabnięcie jasności niebieskich subpikseli. Nierównomierne starzenie subpikseli skutkuje zjawiskiem wypalania obrazu (burn-in), czyli pozostawania widocznych resztek statycznych elementów interfejsu (np. pasków, logotypów) na ekranie. Współczesne OLED-y (zwłaszcza w TV) mają wprawdzie mechanizmy ochronne – przesuwanie obrazu, regeneracja pikseli – jednak przy długotrwałym wyświetlaniu stałych treści w wysokiej jasności nadal istnieje ryzyko trwałych artefaktów. 
• Wpływ wilgoci i trwałość mechaniczna. Organiczne warstwy OLED są wrażliwe na czynniki środowiskowe, szczególnie na kontakt z wodą i tlenem​. Nawet niewielka ilość wilgoci, która przeniknie przez uszkodzoną obudowę ekranu, może chemicznie zniszczyć materiał organiczny, powodując martwe piksele lub plamy. Dlatego panele OLED wymagają skutecznego enkapsulowania (hermetycznego uszczelnienia), co komplikuje ich konstrukcję. Mechanicznie, cienkie warstwy OLED na plastiku mogą być podatne na zarysowania lub odkształcenia, jeśli nie są odpowiednio zabezpieczone szklanym pokryciem.
• Koszt produkcji i skalowalność. Mimo prostszej teoretycznie konstrukcji warstw, produkcja masowa dużych paneli OLED jest trudniejsza i droższa niż w przypadku LCD. Technologia LCD jest dojrzała fabryki osiągnęły wysokie uzyski i niskie koszty jednostkowe dużych ekranów. OLED natomiast wymaga precyzyjnego osadzania organicznych wzorów subpikseli (np. metodą napylania przez maski lub drukowania), co staje się wyzwaniem przy dużych matrycach TV. Choć producenci rozwijają nowe linie produkcyjne i optymalizują procesy, cena dużych OLED-ów wciąż przewyższa LCD podobnej wielkości. Dodatkowo część rozwiązań OLED była chroniona patentami (m.in. firmy Eastman Kodak), co historycznie spowalniało ich upowszechnienie​. 

E-Ink, MicroLED (Lata 2010 – przyszłość)

E-Ink (elektroniczny papier)

E-Ink (ang. electronic ink) to rodzaj wyświetlacza typu e-papier, działający na zasadzie elektroforezy. Ekran zbudowany jest z milionów mikrokapsułek o średnicy ludzkiego włosa, wypełnionych przezroczystym płynem, w którym zawieszone są cząstki pigmentu – białe naładowane ujemnie i czarne naładowane dodatnio​. Gdy przyłożone zostaje pole elektryczne o odpowiedniej polaryzacji, cząstki jednego koloru przemieszczają się do górnej warstwy kapsułki, stając się widoczne dla obserwatora, podczas gdy cząstki przeciwnego ładunku opadają na dno​. W ten sposób dane “piksele” mogą przyjmować barwę białą lub czarną, tworząc obraz przypominający wydruk na papierze. Ponieważ E-Ink jest wyświetlaczem refleksyjnym – korzysta z odbitego światła otoczenia zamiast emisji własnego – obraz jest czytelny w świetle dziennym i wygląda jak tradycyjny druk. Technologia ta cechuje się bistabilnością: do utrzymania wyświetlanego obrazu nie jest potrzebne zasilanie – energia zużywana jest tylko w momencie zmiany zawartości ekranu​. Dzięki temu ekran E-Ink może wyświetlać statyczny tekst lub grafikę przez długi czas bez poboru mocy.Standardowe wyświetlacze E-Ink są monochromatyczne (czarno-białe), ale istnieją również wersje kolorowe. Osiąga się to poprzez zastosowanie więcej niż dwóch rodzajów pigmentowych cząstek. Przykładowo, technologia E Ink Spectra™ wykorzystuje trzy- lub czterocząsteczkowy system – oprócz czerni i bieli dodano pigmenty kolorowe (czerwony, żółty), zamknięte w mikrokieszonkach (Microcup) zamiast mikrokapsułek​. Nowsze generacje, takie jak E Ink ACeP™ (Advanced Color ePaper), zawierają nawet pełen zestaw barwnych cząstek w każdym pikselu, co umożliwia wyświetlanie pełnokolorowego obrazu bez potrzeby stosowania filtra kolorów​. Mimo to, obecne kolorowe ekrany E-Ink mają nieco stonowane kolory w porównaniu z ekranami LCD/OLED ze względu na ograniczoną intensywność pigmentów​.

MicroLED – Technologia przyszłości

MicroLED to nowatorska technologia wyświetlaczy oparta na mikroskopijnych diodach LED pełniących rolę pikseli. Jest to typ ekranu emisyjnego (samoświecącego), który obiecuje znakomite parametry obrazu m.in. wysoką efektywność i jasność, „nieskończony” kontrast oraz szeroką gamę kolorów​. MicroLED bywa postrzegany jako potencjalny następca obecnych technologii (OLED, LCD), łącząc ich zalety i minimalizując wady. Mimo intensywnych prac badawczo-rozwojowych, microLED wciąż znajduje się we wczesnej fazie komercjalizacji. 

Budowa wyświetlacza microLED opiera się na matrycy miniaturowych diod elektroluminescencyjnych. Pojedyncza mikrodioda (μLED) ma rozmiar rzędu kilkudziesięciu mikrometrów lub mniej jest więc około 100 razy mniejsza niż standardowa dioda LED​. Każdy piksel ekranu tworzy bezpośrednio świecący układ jednej lub kilku takich mikrodiod. Zasada działania pojedynczej diody microLED jest analogiczna do klasycznych diod LED: przyłożenie napięcia powoduje rekombinację elektronów i dziur w złączu półprzewodnikowym p–n, czemu towarzyszy emisja fotonów czyli świecenie diody​. Struktura ekranu microLED jest złożona z warstwy sterującej (np. matrycy tranzystorów TFT lub układu CMOS) oraz nałożonych na nią mikrodiod LED. W przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD czy OLED produkowanych jako monolityczne panele na dużych podłożach, ekrany microLED można składać z modułów bez widocznych szwów, co ułatwia skalowanie do dowolnych rozmiarów​. Taka modułowa konstrukcja oraz brak warstw filtrów czy podświetlenia sprawiają, że wyświetlacz microLED może być bardzo cienki i pozbawiony ramek między segmentami​. Każdy piksel świeci samodzielnie. Technologia microLED dopuszcza również tworzenie ekranów na podłożach elastycznych lub przezroczystych (podobnie jak OLED), co zostało już zademonstrowane w prototypach

Zastosowania MicroLED:

• Telewizory klasy premium.
• Duże wyświetlacze reklamowe.

Zalety MicroLED:

• Wysoka jasność. Ekrany microLED mogą osiągać znacznie wyższe luminancje niż OLED i LCD. Pojedyncze mikrodiodowe wyświetlacze osiągają już nawet ponad 1 000 000 cd/m² (nitów) jasności​. Dzięki temu obraz pozostaje czytelny nawet w silnym oświetleniu zewnętrznym..
• Kontrast i czerń. Podobnie jak OLED, technologia microLED jest emisyjna, co oznacza że piksele można całkowicie wygasić. Umożliwia to uzyskanie idealnie głębokiej czerni i praktycznie nieskończonego kontrastu. Każda mikrodioda świeci niezależnie, bez „prześwietlania” czerni przez podświetlenie​.
• Efektywność energetyczna. Wyświetlacze microLED mogą być bardziej energooszczędne od LCD i OLED w typowych zastosowaniach.
• Długa żywotność, brak wypalania. Zastosowanie materiałów nieorganicznych (np. GaN) przekłada się na znacznie dłuższy czas życia pikseli niż w OLED, gdzie diody organiczne degradowują się z czasem. MicroLED nie jest narażony na efekt wypalania obrazu (burn-in) nawet przy długotrwałym wyświetlaniu statycznych elementów.
• Błyskawiczny czas reakcji. Mikrodioda LED potrafi zmieniać stan niemal natychmiast. Czas reakcji μLED mierzony jest w nanosekundach. Przewaga microLED w szybkości zapalania/gaszenia pikseli przekłada się również na brak smużenia i zdolność wyświetlania ekstremalnie wysokich częstotliwości odświeżania obrazu​.
• Elastyczność i transparentność. Konstrukcję microLED można dostosować do nietypowych form. Już dziś prezentowane są elastyczne wyświetlacze microLED (np. na folii, które można wyginać) oraz przezroczyste panele, w których mikropiksele są osadzone na przezroczystym podłożu​. Otwiera to drogę do zastosowań w giętkiej elektronice ubieralnej, zakrzywionych ekranach czy przeziernych ekranach head-up display. OLED również oferuje takie możliwości, ale microLED ma tę przewagę, że nie wymaga szczelnej hermetyzacji przeciw wilgoci i tlenowi (diody nieorganiczne są bardziej odporne), co upraszcza konstrukcje elastyczne.

Wady MicroLED:

• Bardzo wysokie koszty produkcji. Największym problemem microLED są koszty wytwarzania, zdecydowanie przewyższające koszty produkcji LCD i OLED​. Procesy montażu milionów mikrodiod są skomplikowane i czasochłonne, co skutkuje niską wydajnością i astronomiczną ceną gotowych wyświetlaczy. Obecnie ekstremalnie wysoki koszt stanowi poważną barierę wejścia tej technologii do urządzeń powszechnego użytku.
• Niedojrzałość technologiczna. W przeciwieństwie do dopracowanych, masowo produkowanych LCD i OLED, technologia microLED jest na wczesnym etapie rozwoju. Brak wypracowanych, skalowalnych procesów produkcyjnych przekłada się na niskie moce produkcyjne i ograniczoną dostępność. Większość prezentowanych ekranów microLED to wciąż prototypy lub instalacje pokazowe, nie zaś produkty dostępne szeroko na rynku​. Na przykład LG i Samsung Display w 2024 r. zdecydowały się ograniczyć inwestycje w microLED właśnie z uwagi na niedojrzałość i koszty 
• Trudności skalowania rozdzielczości. Obecne procesy wytwarzania microLED dobrze sprawdzają się przy małych ekranach (np. mikro-wyświetlaczach AR) lub przy dużych pikselach (wyświetlacze wielkoformatowe o stosunkowo niskim PPI). OLEDy i LCD zachowują więc na razie przewagę, jeśli chodzi o wysoką rozdzielczość w małych urządzeniach, bo microLED nie osiągnął jeszcze takiej miniaturyzacji przy akceptowalnym koszcie.
• Wyzwania energetyczne w skali mikro. Paradoksalnie, choć microLED obiecuje wyższą efektywność, obecne prototypy potrafią pobierać dużo mocy. Badania IDTechEx wskazują, że sprawność energetyczna maleńkich LED-ów jest ograniczona. Przyczyną są m.in. straty na mikroskopijnych złączach, nieidealna luminescencja skrajnie małych struktur oraz konieczność bardzo wysokiej jasności. W efekcie potencjalna oszczędność energii może się zmniejszać. Trzeba jednak zaznaczyć, że są to bolączki prototypów. Docelowo microLED powinien zużywać mniej prądu niż ekrany konkurencyjne, o ile zostanie właściwie dopracowany.

Trendy i prognozy na przyszłość

Elastyczne i składane OLED-y

Na rynku jest już wiele smartfonów z elastycznymi wyświetlaczami, technologia trafiła też do laptopów/tabletów, powstały modele z jednym dużym składanym ekranem, np. Lenovo ThinkPad X1 Fold (składany 13–16” OLED z Windows) oraz ASUS Zenbook 17 Fold OLED (17” ekran składany na pół). Pozwala to używać takiego urządzenia jak tablet lub mały laptop po złożeniu, a po rozłożeniu jak pełnowymiarowy ekran monitora​

Rozciągane wyświetlacze

Bardziej futurystycznym rozwinięciem są rozciągliwe ekrany OLED/LED, które mogą zmieniać swoje wymiary. Tego typu wyświetlacze są na razie w fazie prototypów np. LG Display pokazało w 2024 r. 12-calowy elastyczny panel microLED, który można rozciągnąć do 18 cali (o 50%)​.Panel ten ma ok. 100 ppi i pełną gamę RGB, a dzięki nowym materiałom i układom połączeń wytrzymuje wielokrotne rozciąganie (ponad 10 tys. cykli) bez uszkodzenia​

W początkowej fazie składane OLED-y borykały się z problemami trwałości (np. zagięcia, rysy). Najnowsze modele są jednak coraz lepsze, producenci stosują ultra-cienkie szkło UTG (Ultra-Thin Glass) zamiast tworzyw sztucznych jako powłokę ekranu, dzięki czemu wyświetlacz jest bardziej odporny i zagięcie na środku mniej widoczne​. Jednocześnie projektanci dopracowali zawiasy np. tzw. water-drop hinge stosowany przez Oppo, Samsung czy Motorolę, który składa ekran w łagodniejszy łuk, dzięki czemu zagięcie faktycznie jest prawie niewidoczne i zmniejsza naprężenia matrycy​

​Przezroczyste ekrany

Przezroczyste wyświetlacze OLED (TOLED) i LCD istnieją od lat, ale stanowią niszową ofertę. Są dostępne m.in. duże przezroczyste OLED-y od LG Display, panele o przekątnych od ok. 30 do 77 cali, sprzedawane głównie do zastosowań komercyjnych​. Pojawiły się też pierwsze telewizory konsumenckie z przezroczystym ekranem, przykładem jest Xiaomi Mi TV Lux Transparent Edition (55’’ OLED) wprowadzony w Chinach w 2020 r. czy limitowane modele Panasonica​. Obecnie przezroczyste OLED-y nie są masowo obecne w domach, ale można je spotkać w przestrzeniach publicznych.

Przezroczyste ekrany mają zastosowanie wszędzie tam, gdzie chcemy wyświetlać obraz na szklanej powierzchni, nie zasłaniając widoku. Wykorzystuje się je w digital signage np. interaktywne szyby wystawowe w sklepach i muzeach, które wyświetlają informacje na tle produktów. Panele tego typu testowano też w samochodach.Ciekawostką jest prototyp laptopa Lenovo ThinkBook Transparent Display z przezroczystym ekranem 17,3’’ OLED (pokazany na CES 2024). 

Mimo swojego “wow-effect” przezroczyste ekrany zmagają się z licznymi ograniczeniami. Po pierwsze, niski kontrast i jaskrawość, ponieważ nie mają czarnego tła, czerń jest w zasadzie przezroczysta, a wyświetlane kolory nakładają się na to, co za ekranem. W jasnym otoczeniu obraz bywa słabo widoczny, chyba że zastosujemy specjalne szkło przyciemniające tło. Po drugie, kwestie prywatności – standardowy przezroczysty OLED emituje obraz w obie strony, więc treści są widoczne także od tyłu ekranu​.Inne wyzwania to trwałość i koszt. Przezroczyste panele OLED są drogie w produkcji i stosunkowo delikatne (muszą być na cienkim szkle lub plastiku, aby były przeźroczyste). Nic dziwnego, że eksperci widzą w tej gałęzi raczej ciekawostkę niż przyszłość mainstreamu, prawdopodobnie transparentne OLED-y/microLED-y pozostaną niszą ze względu na ograniczoną praktyczność​. Mimo to nisza ta może rosnąć w specyficznych zastosowaniach, jak inteligentne witryny sklepowe, kokpity AR w pojazdach, okulary AR itp., gdzie przezroczysty wyświetlacz daje unikalne możliwości interakcji z otoczeniem.

Ekrany VR i AR

Urządzenia rzeczywistości wirtualnej (VR) i rozszerzonej (AR) korzystają z różnych typów ekranów dostosowanych do specyfiki użycia. W typowych goglach VR (oraz w tzw. passthrough AR, gdzie obraz z kamer jest wyświetlany na ekranie gogli) dominują szybkie panele LCD TFT lub OLED (AMOLED) o wysokim odświeżaniu​. 

Jeśli chodzi o samą technologię ekranów, to najbardziej rewolucyjnie zapowiadają się microLEDy w AR, gdy uda się je zaimplementować masowo, pozwolą na zbudowanie okularów AR o wyglądzie zwykłych okularów (bo potrzebny będzie tylko cienki, przezroczysty wyświetlacz w szkle) z jasnym obrazem widocznym nawet w pełnym świetle dziennym. Pierwsze transparentne prototypy microLED już pokazano na CES 2024​.

QD-OLED

Technologia QD-OLED (Quantum Dot OLED) to hybryda łącząca zalety OLED i kropek kwantowych. Standardowe telewizory OLED (wielkoformatowe, jak LG) używają białych emiterów OLED + filtrów kolorów, zaś QD-OLED podchodzi do sprawy odwrotnie, wykorzystuje tylko niebieskie diody OLED jako źródło światła, a następnie część z nich zamienia na czerwone i zielone za pomocą warstw z kropek kwantowych​. Innymi słowy, każdy piksel składa się z subpikseli: niebieskiego (niezmienione emisje OLED) oraz czerwonego i zielonego, które powstają dzięki konwersji fotoluminescencyjnej. Niebieskie światło pobudza kropki kwantowe emitujące odpowiednio czystą czerwoną i zieloną barwę​. Takie rozwiązanie eliminuje tradycyjny filtr barwny, przez który w klasycznym OLED dużo światła się marnuje. QD-OLED świeci pełną mocą w wymaganych kolorach, co znacząco zwiększa jasność i nasycenie barw obrazu​. Zachowane są przy tym wszystkie atuty OLED-a. W praktyce QD-OLED osiąga efekty niemożliwe wcześniej dla OLED np. bardzo szeroką gamę kolorów przy wysokiej jasności.

Pierwsze telewizory z matrycami QD-OLED pojawiły się na rynku w 2022 roku. Technologię tę skomercjalizował jako pierwszy Samsung Display. QD-OLED to jedno z najciekawszych osiągnięć w dziedzinie wyświetlaczy ostatnich lat, już dostępne w sprzedaży. Produkty z tym ekranem jak telewizory Samsunga i Sony czy monitory Alienware pokazują przewagi tej technologii w praktyce, a trwające prace (większa jasność, większe rozmiary, potencjalnie niższy koszt w przyszłości) wskazują, że QD-OLED będzie zyskiwać na znaczeniu w segmencie wysokiej jakości ekranów.

Czas na nowoczesne rozwiązania

Historia technologii wyświetlania obrazu pokazuje, jak rozwój w tej dziedzinie jest nieustanny. Chcesz współpracować ze specjalistami, którzy rozumieją tę ewolucję i trzymają rękę na pulsie nowoczesnych technologii? W Device Prototype nasi eksperci dbają o każdy etap produkcji elektroniki, abyś Ty mógł skupić się na realizacji swoich pomysłów. Skontaktuj się z nami i sprawdź, jak możemy wesprzeć Twój projekt!