2009/13 – 24. 3. 2009
POUŽITELNOST DISPLEJŮ S TECHNOLOGIÍ OLED V SENZOROVÉ TECHNICE. Ing. Zdeněk Preč 1, Bc. Petr Marcoň 2, Dinel, s.r.o., U Tescomy 249, 760 01 Zlín 1 Ústav radioelektroniky, Purkyňova 118, 612 00 Brno 2
[email protected] 1,
[email protected] 2 Článek se zabývá testováním displeje s technologií OLED a metodami snížení jeho spotřeby pro účely použití v senzorové technice. Praktický experiment stanovuje optimalizované nastavení základních parametrů displeje a ověřuje jeho funkčnost v celém teplotním rozsahu.
1. INTELIGENTNÍ SENZORY A DISPLEJE S TECHNOLOGIÍ OLED
Při rekombinaci páru elektron díra je vyzářen nadbytek energie v podobě fotonu, dochází k emisi světla. Tyto organické materiály je možno tisknout na různé podložky, a tak lze vyrobit displeje ohebné, průhledné, velmi tenké s vysokým kontrastem, širokým teplotním rozsahem (-30°C až 70°C), širokým pozorovacím úhlem a nízkou spotřebou ve srovnání s podsvícenými LCD displeji. Elektrické a optické parametry byly testovány na modulu s OLED displejem.
1.1. INTELIGENTNÍ SENZORY Inteligentní senzory jsou senzory, které kromě základních měřicích obvodů obsahují i obvody pro zpracování, analýzu a unifikaci signálu [1]. Jsou v kompaktním provedení a bývají často opatřeny alfanumerickými či grafickými LCD displeji. Na displeje je pak kladen požadavek dobré čitelnosti i za zhoršených světelných podmínek (šero, tma) a nízká spotřeba. LCD displeje bývají pro zlepšení čitelnosti opatřeny podsvícením, které sice zvýší jejich čitelnost, ale vzrůstá také jejich spotřeba. V aplikacích s nízkým příkonem jsou pak LCD displeje s podsvícením nevyhovující. Proto jsme se rozhodli testovat displeje s technologií OLED, které se doposud používají zejména ve spotřební elektronice (např. v MP3 přehrávačích, PDA, digitálních fotoaparátech, autorádiích, mobilních telefonech a zatím ojediněle i v televizorech). V tomto článku jsou interpretovány výsledky měření vlastností OLED displeje a posouzení použitelnosti těchto displejů v inteligentních senzorech.
1.3. POPIS MODULU S OLED DISPLEJEM Pro testování byl zvolen modul DD-12864YO-3A [3] skládající se z OLED displeje s rozlišením 128 x 64 bodů a z řadiče SSD1305 (kompatibilní s SSD1303, viz datalist [4]). Tento modul díky svým malým rozměrům ( 45,24 x 29,14 x 2,00 mm) může být snadno implementován v inteligentním senzoru. Modul používá dva typy napájecího napětí: VDD = 3,3 V pro logiku a řídicí napětí pro displej VCC = 12,5 V. Pro komunikaci s OLED modulem byl zvolen mikrokontrolér (MCU) PIC16F690 [5]. Na obr. 1 je vidět zjednodušené schéma testovacího obvodu. Pro komunikaci řadiče s MCU je vybrána paralelní komunikace pomocí vysokých logických úrovní na pinech BS1 a BS2 (podrobnější popis v [3]). Pro jednoduchost byl pin CS připojen k zemi a pin RD k napětí VDD.
1.2. DISPLEJ S TECHNOLOGIÍ OLED Technologie OLED (Organic Light Emitting Diode) je založena na organických materiálech obsahujících molekulární strukturu, která provádí emisi světla. VSS VSS VSS VSS VDD BS1 BS2 CS RES DC RW RD D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IREF VCOMH VCC VSS
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
VDD
1 2 3 4
VDD
5 6 7 8 9 10
U2
VDD
VSS
RA5 RA4 RA3
RA0 RA1 RA2
RC5 RC4 RC3 RC6 RC7
RC0 RC1 RC2 RB4 RB5 RB6
RB7
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
PIC16F690
VCC
U1
T2
R3
SSD1305 T1 C1
R2
R1
Obr. 1: Schéma zapojení MCU PIC16F690 a modulu DD-12864YO-3A. 47-1
2009/13 – 24. 3. 2009
1.4. PROGRAMOVÁNÍ OLED DISPLEJE Pro inicializaci displeje a všeobecně pro práci s displejem existují příkazy, které jsou popsány v literatuře [3] a [4]. Při nastavování jednotlivých pinů a odesílání dat musíme vždy dodržet časové odstupy definované v [4]. Výrobce doporučuje pro prodloužení života OLED displeje používat při zapínání a vypínání „Power on“ respektive „Power off“ sekvence. Ty jsou popsány v [3]. Blok inicializace displeje je realizován sledem několika příkazů, které slouží ke konfiguraci displeje. V tab. 1 jsou popsány ty inicializační příkazy, které se liší od příkazů doporučených výrobcem (viz [3]). Příkazy 0x81 a 0xD5 s parametry C a D (v tabulce vybarveny šedě) budou při testování displeje variovány a budeme hledat jejich optimální nastavení.
K min =
0xA2
Nastavení nabíjecí periody.
0xAD
0x8A
DC-DC napěťový konvertor je vypnut.
0xD8
0x05
Jednobarevný display a low power mód.
0x01
Nastavení nízké úrovně napětí VCOMH, low power mód.
0xDB
min
(1)
Lb
Spotřeba displeje byla testována v závislosti na parametru C (příkaz 0x81 pro nastavení kontrastu), na parametru D (příkaz 0xD5 pro nastavení kmitočtu interního oscilátoru a snímkovacího kmitočtu) a v závislosti na řídicím napájecím napětí displeje VCC. Protože je spotřeba přímo úměrná počtu rozsvícených bodů, byl jako testovací obrazec stanoven čtverec o velikosti 64 x 64 pixelů (viz obr. 5), tedy 50% všech pixelů. Na tomto obrazci byl měřen spektroradiometrem CS-1000A (Konica Minolta [8]) jas v závislosti na jednotlivých parametrech a byla měřena spotřeba displeje P. Měření bylo provedeno za úplné tmy (osvětlení E = 0 Lx, hodnoty označené La1) a v osvětlené místnost (osvětlení E = 200 Lx, hodnoty označené La2). Spektroradiometr byl umístěn kolmo k ploše displeje v konstantní vzdálenosti 300mm. Při jednotlivých měřeních se vycházelo vždy z doporučených hodnot výrobce a jeden vybraný parametr se měnil.
Tab. 1: Příkazy pro inicializaci displeje. Příkaz Parametr Popis funkce 0xD9
La − Lb
2.2. ZÁVISLOST JASU A SPOTŘEBY DISPLEJE PŘI ZMĚNĚ PARAMETRU C ( ZMĚNA KONTRASTU )
0xA1
-
Číslování sloupců zprava doleva (opačně 0xA0).
0xC8
-
Číslování řádků zdola nahoru (opačně 0xC0).
0x81
0x80 (C)
Nastavení kontrastu na 128 ( rozsah 0 až 255).
Napájecí napětí displeje bylo VCC =12,5 V, parametr určující snímkovací kmitočet byl D=0xF0 a měnil se parametr C, tedy hodnota registru řadiče pro nastavení kontrastu. Možný rozsah hodnot pro nastavení kontrastu je od nejnižší hodnoty 0x00 (což odpovídá 0%) až do 0xFF (100%). Ukázalo se, že tento parametr má velký význam jak na jas, tak na spotřebu displeje. V tab. 2 jsou naměřené hodnoty, které jsou vyneseny v grafu na obr. 2.
0xF0 (D)
Nastavení poměru pro výpočet oscilační frekvence.
Jas displeje je při osvětlení E = 200 Lx vždy o něco větší než při osvětlení E = 0 Lx (tma), je to dáno tím, že u světla platí aditivní zákon viz [7].
0xD5
Tab. 2: Závislost jasu a spotřeby na parametru kontrastu C.
2. TESTOVÁNÍ VLASTNOSTÍ DISPLEJE S TECHNOLOGIÍ OLED
C
2.1. MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH A ELEKTRICKÝCH ZÁVISLOSTÍ DISPLEJE Z hlediska lidského vidění je prakticky nejvýznamnější fotometrickou veličinou jas. Z toho pak můžeme vypočítat další veličiny, například kontrast či kontrastní citlivost, jak je popisováno v literatuře [6]. Prahový kontrast displeje byl vypočten z naměřených hodnot jasu při osvětlení E = 0 Lx. Minimální viditelný jas svítící plošky je La-min = 0,03 cd/m2 a nerozsvícené plošky Lb = 0,02 cd/m2. Poté dosazením do vzorce (1) byl určen prahový kontrast displeje Kmin=0,5.
47-2
[hex]
[%]
La1 [cd/m-2]
La2 [cd/m-2]
P [mW]
0x0D
5
23,65
23,80
55,38
0x40
25
41,61
42,27
86,25
0x80
50
58,78
61,08
121,13
0xC0
75
74,90
76,48
166,25
0xE5
90
94,68
95,94
192,38
0xFF
100
109,15
113,19
209,75
2008/47 – 30. 11. 2008
Závislost jasu OLED displeje na parametru kontrastu C 250
120
E=200 Lx
E=0 Lx
100
200
80
P [mW]
2
L [cd/m ]
Závislost spotřeby OLED displeje na parametru kontrastu C
60 40
150 100 50
20
0
0 0x0D 5
0x40 25
0x80 50
0xC0 75
0x0D 5
0xE5 0xFF C [-] 90 100 [%]
0x40 25
0x80 50
0xC0 75
0xFF C [-] 100 [%]
0xE5 90
Obr. 2: Závislost jasu a spotřeby OLED displeje na parametru kontrastu C.
2.3. ZÁVISLOST JASU A SPOTŘEBY DISPLEJE PŘI ZMĚNĚ PARAMETRU D ( ZMĚNA SNÍMKOVACÍHO KMITOČTU)
Z hodnot vyplývá, že změna řídicího napájecího napětí displeje má podstatný vliv jak na jas displeje, tak i na jeho spotřebu.
Napájecí napětí displeje bylo VCC =12,5 V, parametr určující kontrast byl C=0x80 a měnil se parametr D, tedy hodnota pro nastavení kmitočtu interního oscilátoru a snímkovacího kmitočtu. Měření ukázalo, že samotná změna tohoto parametru má na spotřebu displeje pouze zanedbatelný vliv.
Tab. 3: Závislost jasu a spotřeby na řídicím napájecím napětí displeje Vcc. VCC [V]
La1 [cd/m-2]
La2 [cd/m-2]
P [mW]
2.4. ZÁVISLOST JASU A SPOTŘEBY DISPLEJE PŘI ZMĚNĚ ŘÍDICÍHO NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V CC
4
0,31
0,86
15,75
5
3,87
4,44
25,50
Parametr určující kontrast byl nastaven C = 0x80 a parametr určující kmitočet byl nastaven D = 0xF0. Řídicí napájecí napětí displeje VCC výrobce doporučuje držet v rozsahu 12 – 13V (typicky 12,5V). My jsme provedli jeho změnu v širším rozsahu, a to 4 až 12,5V viz tab. 3. Změřené hodnoty jsou pak vyneseny do grafů na obr. 3.
5,5
6,51
7,39
31,75
7,5
18,08
18,54
52,75
10
36,94
37,27
84,63
12,5
59,77
60,49
121,38
Závislost jasu OLED displeje na napájecím napětí E=200 Lx
60 50
140
E=0 Lx P [mW]
2
L [cd/m ]
70
Závislost spotřeby OLED displeje na napájecím napětí
40 30
120 100 80 60 40 20
20 10
0
0 4
5
6
7
8 9 V CC [V]
10
11
12
13
4
5
6
7
8 9 V CC[V]
Obr. 2: Závislost jasu a spotřeby OLED displeje na řídicím napájecím napětí Vcc.
13-3
10
11
12
13
2008/47 – 30. 11. 2008
2.5. URČENÍ OPTIMÁLNÍ KONFIGURACE Tedy změně teploty o 1°C odpovídá změna spotřeby displeje přibližně o 0,025 mW (pro testovací obrazec čtverce, což odpovídá 4096 pixelům).
Protože jsou na displej, vhodný pro použití v senzorové technice, kladeny dva protichůdné požadavky, a to: co nejmenší spotřeba a zároveň co nejlepší čitelnost, bylo hledáno optimální řešení. Čitelnost displeje je subjektivní parametr a závisí na zraku každého jedince. Experimentem bylo zjištěno, že text o velikosti 8 pixelů je na displeji dobře čitelný (při pohledu v kolmici displeje) ze vzdálenosti jednoho metru za jasu displeje 10 cd/m2 (při vnějším osvětlení místnosti E=200 až 300 Lx). Budeme tedy hledat takové nastavení displeje, abychom docílili uvedeného jasu.
Tab. 2: Závislost spotřeby OLED displeje na teplotě.
Na jas a spotřebu displeje má podstatný vliv kontrast C. Pokud se budeme držet standardních postupů a snížíme hodnotu kontrastu C, dostaneme pro jas 10cd/m2 spotřebu displeje kolem 40mW. Protože spotřebu lze výrazně ovlivnit i snížením řídicího napájecího napětí Vcc, provedli jsme několik zkoušek, při nichž jsme hledali takovou kombinaci výše uvedených parametrů, abychom dosáhli jasu displeje 10cd/m2 při co nejnižší spotřebě. Do zkoušek jsme zahrnuli i parametr kmitočtu D, jehož vliv na snížení spotřeby se projevil pouze při kombinaci s ostatními parametry.
T [°C]
P [mW]
-30
1,14
-20
1,36
-10
1,55
0
1,74
10
2,14
20
2,36
40
2,89
60
3,31
70
3,67
Závislost spotřeby OLED displeje na teplotě
Nalezené optimální hodnoty jsou VCC = 5,5 V, parametr kontrastu C=0xC0 a parametr pro nastavení kmitočtu D=0xB1. Jas testovacího obrazce (čtverce) je pak L = 12,3 cd/m2 při spotřebě 12,9 mW! Při praktickém využití OLED displeje (zobrazování textu a měřených hodnot) bude na displeji rozsvíceno méně pixelů (cca. 5 až 20% dle počtu řádků, typu a velikosti písma). Tím pak celkově klesne spotřeba displeje. Při vykreslení zkušebního textu s různými velikostmi písma (viz obr. 5d) jsme docílili spotřebu displeje cca 10mW.
25
P [mW]
20 15 10 5 0 -30 -20 -10
2.6. TESTOVÁNÍ FUNKČNOSTI A SPOTŘEBY OLED DISPLEJE V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ
10
20 30 T [°C]
40
50
60
70
Obr. 4: Závislost spotřeby OLED displeje na teplotě.
Protože výrobce doporučuje napájecí napětí displeje v rozsahu 12 – 13V (typicky 12,5V) a naše optimalizované nastavení (Vcc=5,5 V) je mimo tuto hranici, provedli jsme testování funkčnosti displeje v závislosti jeho spotřeby na teplotě. Test byl proveden v teplotní komoře v rozsahu teplot -30 °C až 70°C. Na displeji byl opět zobrazen testovací obrazec (čtverec) a displej jsme ponechali na dané teplotě vždy minimálně 10 minut vytemperovat. Z tab. 4 a obr. 4 je zřejmé, že spotřeba displeje roste lineárně s teplotou. Interpolací byl zjištěn vztah pro závislost spotřeby OLED displeje na teplotě při popsaných optimalizovaných podmínkách: P [mW] = 0,025*T[°C] + 1.845.
0
Abychom ověřili dynamiku displeje, byl na displeji, umístěném v teplotní komoře zobrazen čítač, který cyklicky čítal od 0000 do 9999. Souběžně byl do komory přidán pro porovnání LCD displej HG1286406G. Tento test byl vzhledem k hodnotám udávaným výrobcem pro LCD displej proveden pouze v rozsahu -20 °C až 60°C. U LCD displeje už při teplotách od -10°C docházelo ke snížení dynamiky výpisu hodnot (díky pomalejšímu natáčení tekutých krystalů) a při -20°C byl nepoužitelný. Displej s technologií OLED i v těchto podmínkách pracoval správně bez pozorovatelných změn.
(2)
13-4
2008/47 – 30. 11. 2008
Nastavení doporučené výrobcem:
Optimalizované nastavení displeje:
VCC=12,5 V, C=0x7F, D=0xF0.
VCC=5,5 V, C=0xC0, D=0xB1.
a)
b)
c)
d)
Obr. 5: Vykreslené testovací obrazce na displeji DD-12864YO-3A. a) čtverec zabírající 50% , b) čtverec zabírající 50%, c) text zabírající 7,93% a d) text zabírající 7,93%.
3. ZÁVĚR
Displeje s technologií OLED se tedy jeví jako velmi perspektivní zobrazovací prvek i v senzorové technice.
Cílem tohoto experimentu bylo ověřit možnost použití displejů s technologií OLED v senzorové technice.
Nevýhodou však je jejich udávaná životnost, která se pohybuje v rozmezí 10 000 až 20 000 hodin (oproti 50 000 hod. u LCD). Tato životnost je u testovaného displeje specifikována pro jas 150cd/m2. Protože provozujeme displej v režimu s nízkým jasem (12,9 cd/m2), bude životnost pravděpodobně vyšší. Dále lze životnost prodloužit např. posunováním zobrazovaného údaje po ploše displeje tak, aby docházelo k rovnoměrnému využití jednotlivých pixelů.
Protože chceme OLED displej použít v nové oblasti, které zatím dominují LCD displeje, musíme se zaměřit na specifika této oblasti, a to jsou požadavky na nízkou spotřebu displeje a široký teplotní rozsah. Provedli jsme několik testů, v nichž jsme hledali klíč ke snížení spotřeby OLED displeje. Hlavní vliv na spotřebu má nejen nastavení kontrastu displeje (parametr C), ale také výrazné snížení velikosti řídicího napájecího napětí Vcc mimo rozsah specifikovaný výrobcem. Displej s takto modifikovanými parametry jsme pak úspěšně podrobili teplotním zkouškám v rozsahu teplot -30 °C až 70°C. Při srovnání s LCD displejem pak OLED displej dosahoval lepší dynamiky v oblasti záporných teplot.
Na životnosti a vylepšování organických materiálů však vědci stále intenzivně pracují. Společnost Kodak v říjnu 2008 patentovala materiál EK-GD403 [9], který by měl mít životnost až 65 000 hodin a měl by dosahovat o mnoho vyšší energetické efektivity než dosavadní OLED technologie.
Hlavní přínos našich experimentů spočívá v tom, že lze u OLED displejů vhodně nastavit pracovní podmínky tak, aby byly použitelné v oblasti senzorové techniky s požadavky na nízký příkon těchto zařízení a že lze s řídicím napájecím napětím jít i mimo rozsah stanovený výrobcem.
LITERATURA
[1]
13-5
Ďaďo, S.; Kreidl, M.. Senzory a měřicí obvody. Skripta ČVUT, Praha, 1999.
2008/47 – 30. 11. 2008
[2]
OLED. [online]. 2008 – [cit. 27. listopadu 2008]. Dostupné na WWW:
.
[3]
Datasheet DD-12864YO-3A. [online]. 2008 – [cit. 27. listopadu 2008]. Dostupné na WWW:
[4]
Datasheet SSD1303. [online]. 2008 – [27. listopadu 2008]. Dostupné na WWW: < http://pdf1. alldatas heet.com/datasheet-pdf/view/150571/ETC/SSD13 03.html >.
[5]
Datasheet PIC16F690. [online]. 2008 – [cit. 27. listopadu 2008]. Dostupné na WWW: .
[6]
Baxant, P.: Elektrické teplo a světlo. Skripta VUT Brno, ISBN.
[7]
Habel, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování, FCC Public, Praha, ISBN 80901985-0-3.
[8]
Spektroradiometr CS-1000A Konica Minolta [online]. 2009 – [cit. 8. března 2009]. Dostupné na WWW: < http://www.konicaminolta.com/instrum ents/products/display/spectroradiometer/cs1000 ast/specifications.html >.
[9]
KODAK. [online]. 2008 – [cit. 27. listopadu 2008]. Dostupné na WWW: .
13-6
