https://www.mobil.se/nyheter/reportage/reportage-sk-rmar
555844
Tekniken som ger bra bild

Reportage: Skärmar

Det finns LCD och det finns LED. Under de två huvudspåren finns mängder av tekniker som alla har sina fördelar. Vi reder ut begreppen och förklarar vad som ger bäst bild.

Inledning

Utan skarpa och tunna pekskärmar hade vi inte haft våra smarta mobiler och surfplattor. Vi tittar närmare på tekniken som gör det möjligt för skärmarna att både konkurrera ut knappsatserna och leverera högupplöst bild och video i mobilen.

Under åren som föregick mobiler med internet spelade skärmen inte så stor roll. Ett teckenfönster som kunde visa siffror räckte långt när mobilerna var analoga, men funktioner som telefonbok och senare textmeddelanden gjorde att tillverkarna tog det första teknikklivet. Från numeriska displayer med bara siffror till alfanumeriska displayer med stöd för text och andra tecken. Idag är färgskärm en självklarhet men skärmen är fortfarande platt, hård och fyrkantig – och tillverkad i ömtåligt glas. Tillverkarnas framtidsvisioner pekar dock i en annan riktning – nya former och material är på väg. Vi besökte institutionen för nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola för att få en inblick i vad det är som gör dagens mobiler så ömtåliga och vad nya material kan innebära för skärmarna.

Mikael Fogelström, professor på Chalmers laboratorium för tillämpad kvantfysik, berättar att en stor utmaning för mobiltillverkarna är att hitta en ersättare för ett ämne som kallas ITO (indium-tenn-oxid). ITO är ett genomskinligt material som leder ström – en nödvändig komponent i mobilens pekskärmssensor. ITO är en viktig del av förklaringen till varför det är så svårt att bygga en skärm som går att böja eller vika – materialet är väldigt skört. Alternativ finns – till exempel elektriskt ledande plaster eller andra typer av oxider, men de har alla mer eller mindre allvarliga brister. Vissa material är väldigt dyra, andra är giftiga eller har sämre prestanda. Lösningen kan vara supermaterialet grafen – en speciell form av grundämnet kol.

– Grafen är tvådimensionellt, bara 2–3 atomer tjockt. Det leder värme och ström bäst av alla material och är både genomskinligt och böjbart, säger Mikael Fogelström.

Tillverkare som Samsung och Sony har redan visat upp prototyper i form av både skärmar och utrustning för att tillverka materialet. Det är inga stora mängder som behövs, men tillverkningsmetoderna behöver ändå förbättras innan materialet går att tillverka med rätt kvalitet och tillräckligt billigt för att vara ett alternativ i mobiler med miljonupplaga. Mikael Fogelström menar att 10 gram grafen kan räcka för att täcka åtskilliga fotbollsplaner, men de kvantiteter som tillverkas i renrummet på Chalmers mäts i enstaka kvadratcentimeter. Det återstår år av grundläggande forskning innan man kan börja överblicka grafenets användningsområden, men det är sannolikt att mobilskärmar och böjbar elektronik kommer att höra till de första tillämpningarna.

Grafenförespråkarna menar att vi snart kommer att få se skärmar som går att både vika och rulla ihop. Mobiler som LG G Flex och Samsung Galaxy Round är alltså bara en försmak av vad som är på gång.

Så började det

Det fanns en tid före färgskärmarna. Fram till mitten av 1990-talet var det så kallade teckendisplayer som dominerade – den typ av skärmar som vi fortfarande hittar på många kaffeautomater, diskmaskiner eller bankdosor. Skärpan i moderna skärmar avgörs av pixelantalet. För teckendisplayer talar man istället om segment. Den enklaste typen har sju segment och levererar de klassiska kantiga siffrorna som vi hittar på billiga miniräknare eller i termometern utanpå kylskåpet. 

Två olika typer av teknik användes i 90-talets mobiler med teckendisplay – segment bestående av lysdioder eller flytande kristaller. Lysdiodsegmenten – LED (Light Emitting Diode) – drog betydligt mer ström, men hade bättre betraktningsvinkel och kunde växla snabbare i kallt väder. Flytande kristaller – LCD (Liquid Crystal Display) – visade sig dock billigare och bättre när antalet tecken och segment ökade, så från mitten av 90-talet och framåt använde i stort sett alla mobiler denna teknik. Ungefär samtidigt som LED-displayerna fasades ut började de första mobilerna med grafiska skärmar dyka upp. Det handlade fortfarande om svartvit bild, men tillverkarna tog bort de tomma ytorna mellan tecknen och hela skärmen fylldes av ett rutnät av bildpunkter. En helt ny marknad växte fram och man kunde beställa olika typer av svartvita loggor för mobiler som Nokia 6110 eller 3210.

Tekniken idag
Precis som på teckendisplayernas tid finns det idag två huvudspår när det gäller tekniken – skärmar som använder flytande kristaller (LCD) eller lysdioder (LED). Skärmarna med LCD-teknik har beteckningar som TFT, STN och IPS medan LED-skärmarna kallas AMOLED. Mer om vad som döljer sig bakom bokstäverna längre fram. Bildpunkterna har krympt och blivit fler, tillverkningstekniken har förfinats och prestandan har förbättrats men valet står fortfarande mellan samma två principer för att bygga en skärm.

På en färgskärm består varje bildpunkt eller pixel av flera delar – så kallade subpixlar. På en plasma- eller tjockteve ser man på nära håll att det finns röda, gröna och blå subpixlar i varje bildpunkt, men på en mobil är de för små för att gå att urskilja med blotta ögat. Den stora skillnaden mellan skärmar som bygger på LCD och LED är hur de enskilda subpixlarna fungerar. Med LED-tekniken utgör varje subpixel en ljuskälla medan subpixlarna i LCD-skärmar istället blockerar ljuset från en bakgrundsbelysning.

AMOLED – lysande subpixlar

Om du hittar beteckningen AMOLED i specifikationerna för din mobil har du en skärm där varje subpixel består av en minimal lysdiod. Förkortningen står för Active Matrix Organic Light Emitting Diode. Bokstaven O talar om att de lysande ämnena utgörs av organiska föreningar – alltså ämnen som innehåller kol­atomer – till skillnad från de lysdioder som finns i belysningar och indikatorer där de lysande ämnena är oorganiska. Gemensamt för alla lysdioder är att ljuset kommer från en process som kallas elektroluminiscens. Ett halvledande material får energi från elektricitet att avges som fotoner – ljus. Glödlampor bygger på en helt annan princip, svartkroppsstrålning, där ljuset kommer av värmen som alstras när strömmen går genom glödtråden.

Lysdioder är ungefär fem gånger effektivare än glödlampor och har dessutom egenskapen att ljuset håller sig inom ett smalt våglängdsområde – det innehåller alltså bara en färg. Man behöver inte lägga på något färgfilter som stjäl energi från ljuset utan man väljer olika ämnen som ger det röda, gröna och blå sken som subpixlarna ska leverera.

Bokstaven A i AMOLED står för Active Matrix. Den aktiva matrisen består av tunnfilmstransistorer (TFT) som gör att skärmen kan reagera snabbare och drivas med mindre ström. AMOLED-skärmen består av flera lager och i botten finns TFT-matrisen. Ovanpå den ligger de lysande ämnena som bygger upp subpixlarna. Subpixlarna får sin pluspol (anoden) från TFT-matrisen och minuspolen (katoden) från en genomskinlig elektrisk ledare som utgör det översta lagret under en skyddande skiva av glas eller plast.

LCD – dämpande subpixlar
Utan alla filter och subpixlar som finns i en LCD-skärm skulle hela ytan lysa vitt. Skärmen har nämligen en bakgrundsbelysning som alltid är på när skärmen är aktiv. Det kan vara vilken typ av ljuskälla som helst som ger ett vitt ljus, men i mobiler är det vanligast med lysdioder eftersom de har bra livslängd och låg strömför­brukning. Ovanpå bakgrundsbelysningen ligger ett polariseringsfilter – samma typ av filter som finns i många solglasögon och i kamerafilter. I glasögon och kameror ska filtret minska reflexer och ge bättre färger, men i LCD-skärmar fyller det en annan funktion.

Det vita ljuset från skärmens bakgrundsbelysning strålar ut i många olika vinklar och polariseringsfiltret släpper bara igenom ljus som är ordnat i en och samma riktning. Närmare skärmens ytterglas sitter ytterligare ett polariseringsfilter. Det gör att allt ljus skulle blockeras – om det inte fick hjälp på vägen för att ta sig igenom detta andra filter. Det är här LCD-skärmens subpixlar kommer in. De sitter mellan polariseringsfiltren och består av flytande kristaller – ett material som får andra optiska egenskaper när man kopplar in ström. Beroende på strömstyrkan kan kristallerna vrida polarisationen olika mycket så att rätt mängd ljus tar sig igenom det yttre filtret. I linje med varje subpixel finns också ett färgfilter – rött, grönt eller blått – som gör det möjligt att kombinera fram valfri nyans med LCD-tekniken.

LCD eller Amoled?

LCD eller AMOLED?

Trots att skärmarna är uppbyggda på så olika sätt kan det vara svårt att se skillnad på skärmar med AMOLED och LCD – åtminstone under normal belysning. I ett mörkt rum blir det enklare. AMOLED-skärmar har extremt hög kontrast eftersom det går att stänga av subpixlarna helt – utan ström blir det kolsvart. På LCD-skärmar finns det alltid lite ljus som läcker igenom så länge bakgrundsbelysningen är aktiv. Det kan låta som om AMOLED-skärmen alltid ger bäst bild i svag belysning, men LCD har en stor fördel – bakgrundsbelysningens styrka och subpixlarnas ljusgenomsläpp går att styra oberoende av varandra. Det gör att LCD-skärmen har bättre möjligheter att anpassa sig till omgivningens ljus. Med AMOLED-skärmar finns det bara en variabel att skruva på – effekten på subpixlarna. Jämfört med en bra LCD blir AMOLED-skärmarna ofta lite för ljusa i ett nedsläckt rum och lite för mörka utomhus i solsken. LCD har ofta större omfång när det gäller ljusstyrkan, men AMOLED har större färgrymd. Det innebär att skärmarna klarar att visa en större andel av de färger som ögat kan uppfatta. AMOLED-skärmarna består också av färre lager av olika material än en LCD-skärm. Det ger bättre betraktningsvinkel eftersom bilden skapas närmare ytan och hela skärmen kan göras lite tunnare.

En LCD-skärm drar ungefär lika mycket ström vid en given nivå på bakgrundsbelysningen – oavsett vilken bild som visas. Med AMOLED är det svårare att förutse strömförbrukningen. En bild som innehåller mycket vitt kräver betydligt mer effekt än en bild med stora svarta eller mörka partier.

Pekskärmar

Skärmen behöver inte bara kunna visa bild och video – den ska också ta emot information när vi styr mobilen och knappar in siffror och text. De första pekskärmsmobilerna – med system som Palmos, S60 och Uiq – använde så kallade resistiva skärmar. En resistiv pekskärm går att trycka på med fingret eller med en penna och byggs upp lager för lager ovanpå en LCD- eller AMOLED-skärm. Två lager består av en genomskinlig film som är täckt med en mycket tunn metallyta. Metallytan är så tunn att den släpper igenom det mesta ljuset från displayen, men metallen räcker för att leda en elektrisk ström. Filmen ligger med metallytorna mot varandra, men för att det inte ska bli kortslutning hålls de båda ytorna isär av ett fint nät av små, isolerande punkter. Ovanpå den översta filmen ligger ett plastskikt som skyddar skärmen mot repor. När en penna eller ett finger trycker på pekskärmen kommer metallytorna i kontakt med varandra mellan de isolerande punkterna. Beroende på var ­någonstans på skärmen man trycker blir sträckan som strömmen leds olika lång. Pekskärmen mäter spänningen runt skärmen och eftersom den sjunker med avståndet så blir den också ett mått på var någonstans de båda metallytorna kommit i kontakt med varandra. Den analoga spänningen digitaliseras och processorn kan räkna ut fingrets position på skärmen. Resistiva pekskärmar var länge billigare att tillverka, men den analoga tekniken kräver kalibrering och skärmarna reagerar långsamt jämfört med alternativen. Att tillverka en resistiv pekskärm med stöd för multi-touch är svårt och det har gjort att tekniken nästan helt försvunnit från mobiler och surfplattor. Fördelen med resistiva skärmar är att de fungerar både med fingrar och med alla typer av handskar, pennor och andra någorlunda spetsiga föremål. Det gör att skärmtekniken fortfarande är populär i navigatorer, bankomater, kopieringsmaskiner och andra utrustningar som har en pekskärm, men inte behöver kunna hålla koll på flera fingrar samtidigt.

Idag använder nästan alla mobiler kapacitiva pekskärmar. LG Prada från 2006 var först ut med tekniken och året efter lanserades Iphone. Kapacitiva pekskärmar har inga rörliga delar och reagerar inte på tryck utan mäter istället förändringar i de elektriska egenskaperna hos ett rutnät av osynliga ledningar i skärmen. Ledningarna är tillverkade av materialet ITO (indium-tenn-oxid) som är genomskinligt, men ändå leder ström. När ett finger kommer tillräckligt nära skärmen går det att registrera en förändring av kapacitansen – förmågan att lagra elektrisk laddning – i just den punkten och mobilen vet exakt var du trycker. Varje punkt på skärmen levererar ett eget mätvärde, så det är enkelt att följa flera fingrar samtidigt. Mobiler använder en variant av tekniken som kallas projicerad kapacitiv pekskärm. Den har den stora fördelen att ITO-trådarna inte behöver ligga i ytan, utan man kan lägga ett skyddande glas överst.

Idag är mobilskärmen central. Grafen och andra innovationer borgar för en fortsatt spännande utveckling.

Tekniker och varumärken

LCD och LED - De olika varianterna av skärmar

CSTN
Color Super-Twisted Nematic display
Den enklaste LCD-varianten för färgskärmsmobiler kallas CSTN. Idag är tekniken ovanlig. STN-skärmar har en passiv matris och kunde konkurrera med TFT-LCD under början av 2000-talet genom priset och en lägre strömförbrukning. Beteckningen »super-twisted« syftar på att subpixlarna i CSTN-skärmar vrider polarisationen mer och ger bättre kontrast än tidigare generationers LCD-teknik.

TFT-LCD
Thin-film-transistor liquid-crystal display 
De flesta tillverkare använder skärmar som bygger på TFT-LCD-tekniken oavsett om det gäller mobiler, surfplattor eller laptopskärmar. Skärmarna har en aktiv matris med en transistor som styr varje subpixel vilket möjliggör hög upplösning, bra kontrast och uppdateringsfrekvens som räcker för spel och video.

TFD-LCD
Thin-film-diode liquid-crystal display 
Innan TFT-skärmarna började komma ner i pris fanns det flera mobilmodeller som använde dioder istället för transistorer för att åstadkomma en aktiv matris. Dioderna gick att tillverka med enklare metoder och tekniken var ett bra alternativ för skärmar i storleken 1–2 tum. 

IPS-LCD
In-Plane Switching liquid-crystal display
En utveckling av TFT-LCD-tekniken som förbättrar bland annat färgåtergivning. Med IPS-skärmar kopplar man in strömmen parallellt med skärmytan – i samma plan. Därav namnet. I andra typer av LCD-skärmar går strömmen istället »på djupet« mellan det främre och bakre glaset. Med IPS får hela lagret av flytande kristaller samma optiska egenskaper vilket gör att skärmen ser bra ut ur fler vinklar.

OLED
OLED – Organic Light Emitting Diode
Skärmar med passiv matris och lysande pixlar med lysdiodteknik. OLED-skärmar kan ha flera färger, men tekniken är vanligast för riktigt små monokroma skärmar – till exempel teckenfönstret på bluetooth-headset.

AMOLED
Active Matrix Organic Light Emitting Diode
En OLED-skärm med aktiv matris – transistorer styr och förser varje subpixel med ström. I en Amoled-skärm består varje subpixel av en minimal lysdiod. De lysande ämnena utgörs av organiska föreningar – alltså ämnen som innehåller kolatomer.

Skärmvarumärken - Tillverkarnas egna benämningar

Clearblack
Display (Nokia)
En effektiv antireflexbehandling som ökar kontrasten och gör att skärmen får bättre svärta och läsbarhet i solljus. Lösningen bygger på polarisationsfilter som gör att infallande ljus absorberas istället för att störa bilden från skärmen.

Nova (LG)
Nova var en extra ljusstark IPS-LCD som lanserades för mobilen Optimus Black. Skärmen slår fortfarande det mesta när det gäller ljusstyrkan, men nyare skärmar har högre upplösning och LG använder idag beteckningen »Full HD IPS« på sina bästa mobilskärmar.

Bravia Engine (Sony)
Bravia är ett märke som hängt med från Sonys teveapparater till mobilerna. I mobilen innebär Bravia en uppsättning mjukvara som optimerar bildens skärpa, kontrast och färger för skärmhårdvaran.

Triluminos (Sony)
Med blå bakgrundsbelysning och filter med nanohål som förlänger ljusets våglängd till rött och grönt får subpixlarna renare färger. Resultatet blir LCD-skärmar med en färgrymd som kan matcha AMOLED om man får tro Sony.

Retina (apple)
Retina-skärmarna är LCD-TFT-skärmar med IPS-teknik. Skillnaden, jämfört med andra produkter från Apple, är att Retina-skärmarna är skarpare med betydligt fler bildpunkter per tum. 

Super-AMOLED [Plus] (Samsung)
Super-AMOLED innebär att skärmen och pekskärmssensorn tillverkas i ett stycke vilket ska ge färre reflexer i ytan. Skärmar med tillägget »Plus« har fler subpixlar.