Kein Folientitel - Hochschule Pforzheim

Transcription

Bereich IT
Elektronische Displays
Karlheinz Blankenbach
Hochschule Pforzheim
Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach
Phone : +49 7231 - 28 - 6658
Pforzheim University
Fax
Tiefenbronner Str. 65
Email : kb@displaylabor.de
D-75175 Pforzheim, Germany
Web : www.displaylabor.de
Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016
: +49 7231 - 28 - 6060
1
Bereich IT
Future of Electronic Displays by CORNING
Corning_ADayMadeofGlass.wmv
2
Bereich IT
Future of Electronic Displays - Flexible Displays
lope_c_videoclips_flexible_v1.wmv
3
Bereich IT
Ziel der Vorlesung
Grundkenntnisse über Displays, deren
Ansteuerung, optische Qualität und Anwendungen
SS
Warum ?
WS
SS/
WS
- Das Display bestimmt die Hard- und Software des Gerätes (SS)
wie z. B. µC, Betriebssystem, Interfaces, Rechenleistung, Speicher, …
Beispiel: 8-Bit µC kann speichermäßig kein QVGA-Display ‚verwalten„.
- Display ist meist die teuerste Einzelkomponente des Gerätes
Beispiel: Auto-Navi - Display ist teurer als DVD-Player.
- Inhalt des Displays muß ablesbar sein. Beispiel: Laptop im Sonnenlicht.
- Displayauswahl nach Leuchtdichte, Kontrast, Farbe, Lebensdauer, … (WS)
- Displays werden in Asien gefertigt und in Europa ‚eindesigned und veredelt„.
Das erfordert umfassende Kenntnisse der Displaytechnologien und Messtechniken.
4
Bereich IT
Aufbau der Vorlesung (Vorschlag)
Wintersemester
Sommersemester
• Einführung
• Einführung
• Display-Messtechnik
• Embedded Systems mit Displays
(Controller, Interfaces, …)
• Innovative Technologien:
Touch, 3D, E-Paper, OLED, …
• Grundlagen (LCD)
• „Begleitendes“ Projekt (Klausur) • „Begleitendes“ Projekt (Klausur)
• Themen nach Wunsch*
• Themen nach Wunsch*
*: z.B. Signalverarbeitung für Flachbildfernseher, E-Signage, …
Vorgehensweise:
- Praxisnah mit jeweils etwas theoretischem Background
- Fokus auf anwendungsnahen und zukunftsträchtige Themen
- Skript in Deutsch mit Englisch (teilweise ganz Englisch) da Fachsprache
5
Bereich IT
Lohnt die Vorlesung ?
„Update“ 2015
6
Bereich IT
Firmen in der Region, die sich mit Displays beschäftigen
… eine Auswahl bekannter größerer Firmen (Kontakte für Thesis bestehen):
• Automotive
BOSCH, DAIMLER, PORSCHE, HARMAN (BECKER), VISTEON, …
• Weiße Ware
E.G.O., SEUFFER, …
• Industrie
BARCO, SIEMENS, …
• Medizin, Broadcasting, …
EIZO, PHILIPS, WOLFF, WOLF, …
• Distribution, …
RUTRONIK, MSC, ENDRICH (NAGOLD), …
7
Bereich IT
Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach
- Chairman of
- Chairman DFF e.V.
(German Flat Panel Forum)
- Vice chairman “Vehicular Displays”
- Member of ICDM (IDMS)
- Chairman of
Spiegel Sep. 2005
steering committee
(EU FP 6)
PROFESSIONAL
SYSTEM
5/2011
FOCUS Nov. 1999
8
Bereich IT
Activities at Display Lab Pforzheim
• Applied R&D „around‟ displays
• Funded by BMBF, BW, industry, …
• Many references
• Workshops, …
L/L
Displays, driving & systems incl. evaluation
Measurements
rel. I
1,0
0,8
0,6
Sun
0,4
0,2
0
400
LED
450
500
550
600
650
700
9
Bereich IT
Other Topics
• Functions at Pforzheim University:
- Dean of Engineering Department (1999 – 2005)
- Member of Senate (1995 – 2005)
- Member of Board (2009 - 2015)
- Head International Affairs IT Department (since 2012)
• R&D: BMBF, BMWi and industry
• Education: Physics, PhD @ Univ. Ulm
• Private: married, two kids (graduated 2015)
• Hobbies: Skiing, photography, travel, …
best: combination 
10
Bereich IT
“Work & Travel”
K. Blankenbach: “Materials, Challenges and Optical Evaluation for Curved (Flexible) Electronic Displays”,
BIT 2nd Annual World Congress of Smart Materials (WCSM-2016), Singapore, 3/2016
Blankenbach, A. Marsal, A. Sycev: Comparison of Key Optical Measurements of Curved to Flat LCD TVs and
Their Impact on Image Quality,
Society for Information Display, International Symposium 2015, San José, 6/2015
K. Blankenbach, A. Sycev, S. Kurbatfinski, M. Zobl: Optimization and Evaluation of Automotive Displays under
Bright Ambient Light using Novel Image Enhancement Algorithms (invited), Society for Information Display,
International Symposium 2014, San Diego, 6/2014
A. Sycev, K. Blankenbach: Ambient Light Characteristics of Flexible Displays, Society for Information Display,
Spring Meeting Proceedings, Sabancý University, Istanbul, 04/2014
K. Blankenbach, A. Delovski: Novel Gesture and Touch System with Transparent and Curved Electrodes
Enables New Computer-Human Interactions, International Conference on Advances in Computer-Human
Interactions , Barcelona, 3/2014
A. Sycev, K. Blankenbach, S. Kurbatfinski, M. Zobl: Comparison of e-Paper Displays, Transflective and
Transmissive LCDs under Bright Ambient Light and Image Enhancement Algorithms for Optimized Grey Level
and Color Perception (invited), IDW '13, 20th International Display Workshops, Sapporo, Japan, 12/2013
Peter Bitterlich, Karlheinz Blankenbach et al.: Rising the Motivation for Learning Programming by Using
Android Apps International Conference on Advanced Education Technology and Management Science
(AETMS2013), 12/2013, Hong Kong
11
Bereich IT
Exhibitions
• ELECTRONICA 2006 – 2010
• SID Display Week 2007 – 2012
• CeBIT 2001 (R&D BW)
• Hannover Fair 2006 (R&D BW)
12
Bereich IT
From Students Project to Mass Production
13
Bereich IT
Electronic Displays Conference : Student Paper Award
Award for
thesis or
project dealing
with displays,
GUI, HMI, …
… great for
CV and
contacts
14
Bereich IT
References
• Handbook of Visual Display Technology, Springer, Heidelberg (“all-in-one”)
• J-H Lee, D. N. Liu, S-T Wu: Introduction to
Flat Panel Displays, Wiley, New York
• S.T. Wu, D.-K. Yang: Fundamentals of
Liquid Crystal Devices, WILEY SID
• W. den Boer: Active Matrix LCDs, Newnes/Elsevier
• S. Kobayashi: LCD Backlights, Wiley, New York
• G. Berbecel: Digital Image Display, Wiley, New York (für MATLAB Freaks)
• International Committee for Display Metrology (ICDM)
http://www.sid.org/ICDM/IDMSLicenseDownload.aspx,
Hundreds of pages for free
- Internet: WIKIPEDIA, display manufacturers,
SID (http://informationdisplay.org: “ID Archive” - free download), …
YOUTUBE: CORNING: “A Day Made of Glass”, “flexible displays”, ….
15
Bereich IT
Overview
Incl. examples
and case studies.
1. Introduction
• Markets and trends
2. Measurements (WS)
- Contrast, color
• CE vs. Professional
- Ambient light
• What is a display?
Winter and summer
2. Embedded
Displays (SS)
- Display driving
term are independent.
- Interfaces
No prerequisites:
3. Electives:
- LCDs (SS)
OLEDs (SS)
- E-Paper (WS)
- Touch, ..(WS).
16
Bereich IT
Overview “§1 Introduction”
Display
Display overview
overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
Display market overview
Display applications in Germany
Some pictures etc. are
courtesy of the companies
named on the picture,
others from, e.g., SID, …
17
Bereich IT
Display Applications
CE
Professional (Germany, …)
18
Bereich IT
High Volume Display Applications Overview
High content & function
Small
size
Smart
watch
Smart
phone
Price
Watch tags
Smart
Packaging
cards
Meters
Low cost
Monitor
Laptop
Tablet
E-book
Advertising
Low content & function
High cost
E-Signage
TV
Color
Signs
Large
size
Monochr.
reflective
… influence professional displays
19
Bereich IT
Consumer Trend
Trend in consumer electronic devices
• Integration of multiple functions in one device
• Smart and convenient handling
20
Bereich IT
Displays Are The Most Expensive Subassembly
iPad bill of materials
(BOM; Source: IHS isuppli, March 2012)
Cost reduction of BOM top 5 favorable.
2
1
3
21
Bereich IT
Displays Are The Most Expensive Subassembly
1
2
22
Bereich IT
Professional Display Applications
… developed in Germany / Europe
• Industrial displays
• Professional monitors
• Household appliances
• Medical displays
• Public displays
• Automotive displays, …
Large variety of displays and requirements (size, T, price, volume, …)
23
Bereich IT
Professional Display Applications: Requirements (1st Draft)
Stückzahl “Umwelt”
pro Jahr T, Vibration
Lebensdauer
Umgebungslicht
Hauptanforderung
Industrial displays
(Messgeräte, …)
Professional monitors
(“Leitwarte”, AV, …)
Household appliances
(Waschmaschine, Herd)
Medical displays
(Diagnostik)
Public displays
(Werbung, Information)
Automotive displays
(Kombi, Navi, …)
24
Bereich IT
Displays & Systems
Why are professional systems with a display so challenging ?
- Display set hard- and software of a system
like processor, operating system, interface, computing power, memory
- Display is often the most expensive subassembly
Example: iPAD 3: BOM ~ 300 $ of which 127 $ (40%) is display with touch
- Professional displays have about 5% market share and “high” requirements:
Examples: Automotive:10,000 h operating time in 15 years with large T-range
static images and bright ambient light
Automation:100,000 h 24/7 operation @ RT and indoors
Medical imaging: moderate operating time but high image quality
- Display is the key part of user interface: “Everybody is a visual expert”
- All are used to CE devices at low cost and high performance (e.g. 5” FHD)
25
Bereich IT
Einige Fragen zu Entwicklung und Einsatz von Displays
• Was versteht man unter einem ‚Display„ – oft unterschiedliche Dinge !

• Was ist ein Pixel, welche Größe hat es und ‚wieviele„ hat ein Display ?

• Wie werden Displays eingeteilt (Technologien, Prinzipien, …) ?

• Wie entwickelt und beschafft man Displays?

26
Bereich IT
Display overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
27
Bereich IT
Was ist ein Display ?
• Ein ‚Übersetzter„ von elektrischer
Information zur Erkennung
durch das Gehirn über das Auge
• Ein elektrooptischer Wandler von
Strom bzw. Spannung zu Licht
• Ein Datenvisualisierungs-System
• Ein System aus Hard- und Software
• Ein System mit vielen unterschiedlichen
Technologien wie Leiterplatten,
elektr(on)ischen Bauteilen, Mechanik, …
… ‚alles„ – je nach Sichtweise aber unterschiedliche ‚Interpretation„
28
Bereich IT
What is a Display ?
A display is a part of a highly complex system equipped with a display:
Application space
User space
Housing
D
i
s
p
l
Software,
data,
connectivity,
…
Interface
Electronics
a
y
Technology
space
User and tasks:
- Data to display,
- User input,
-…
Display .
- Parameters,
- Environment,
-…
Hardware incl.
- Display interface,
- Display software,
-…
29
Bereich IT
The Three Perspectives of a Display
• User space
Operation of the eye & variance in human perception and use
(display technology independent!)
• Application space
Physical & environmental considerations, determining user and
specification requirements (display technology independent!)
• Technology space
Different electro-optic effects, resolutions & cost
(choosing a display (technology) that “fits for purpose”)
All three perspectives must be regarded for a dedicated application !
30
Bereich IT
Überblich über Display - Technologien
• Reflektiv
Prinzip: Reflektieren das Umgebungslicht
 Ablesbar im Sonnenlicht, niedriger Stromverbrauch
Beispiele: “einfache” LCDs, E-Paper
• Emissiv
Prinzip: Erzeugen Licht in jedem Pixel
 Ablesbar im Innenbereich, hoher Stromverbrauch
Beispiele: OLED, Plasma, LCDs mit Backlight
• Ansteuerprinzipien (WS)
Direkt (wenig Pixel, z.B. Uhr), Passiv Matrix (niedrige Auflösung, z.B.
Einfacher MP3-Player), Aktiv Matrix (hohe Auflösung, z.B. TV)
Es gibt (noch) keine universelle einsetzbare Display-Technologie !
 Anpassen an Anwendung  Chancen für Ingenieure
31
Bereich IT
Überblich über Display - Technologien
• Reflektiv
Beispiele: “einfache” LCDs, E-Paper
• Emissiv
Beispiele: OLED, Plasma, LCDs mit Backlight
• Ansteuerprinzipien (SS)
- Direkt (wenig Pixel, siehe „einfache“ LCDs)
- Passiv Matrix (niedrige Auflösung)
- Aktiv Matrix (hohe Auflösung wie TV, …)
32
Bereich IT
Overview of Major Display Technologies
Mainstream
Direct View
Projection*,
microdisplays*
Direct view
LCD
Reflective
Emissive
LCOS
Refl. LCD
E-Paper
OLED*
DMD
PDP*
(S) TN
MEMS
Electro-phoretic
CRT*
ChLCD
Laser
Electro-chromic
VFD, FED
PDLC
Electro-wetting
LED, EL
FLCD
Electro-kinetic
LCD* w BL
*: 3D capable
MEMS
Niche or low volume
techniques may
provide chances for
special applications
33
Bereich IT
Display Fundamentals
Cross section of a
typical (color) display
Substrate, barrier layer,
polarizer, …
Color filter (option)
Front plane
Electrooptical
layer
LCD, OLED, e-paper, …
Matrix drive, TFT, electronics
Back plane
(not to scale)
Substrate, barrier layer,
polarizer, backlight, …
Electro-optical layer decides on display characteristics
like bistability, image quality, environmental conditions, …
34
Bereich IT
Typical FPD Principles (EO Layer)
Light Switching
(AM LCD)
Emissive
(OLED)
Reflective
(LCD, E-Paper)
U  transmission
(luminance)
I  luminance
U  reflection
(luminance)
High power
eo-layer
Refl.
ITO
Substrate
35
Bereich IT
LCDs
Reflektor
Prinzip:
•
Details: siehe § LCDs (SS)
Licht des Backlights oder des Reflektors bei kleinen LCDs
wird elektrisch quasi leistungslos per Spannung im Durchlass durch
Flüssigkristalle moduliert.
•
Die Stromaufnahme und „Helligkeit“ wird bei farbigen LCDs hauptsächlich
durch das LED-Backlight bestimmt.
•
Deshalb als quasi emissives (lichterzeugendes) Display eingeordnet
Pixelspannung U
LCD Pixel
LED Backlight
37
Bereich IT
OLEDs
Prinzip:
•
Licht wird durch den Strom durch ein Pixel erzeugt.
•
Das OLED-Pixel wandelt Strom analog zu einer LED in Licht um.
•
Die Stromaufnahme von OLEDs wird hauptsächlich durch den
Bildinhalt bestimmt: je „heller“ desto höher (wie bei LEDs).
•
Als emissives (lichterzeugendes) Display eingeordnet.
Pixelstrom I
OLED Pixel
38
Bereich IT
E-Paper
Prinzip:
•
Licht wird „nur“ durch die Pixel reflektiert.
•
Ein E-Paper-Pixel wird durch kurzen Spannungspuls in seiner
Reflexionseigenschaft geändert (üblich S/W und wenige Graustufen)
•
Die Stromaufnahme von E-Paper ist quasi Null, da nur bei Inhaltsänderung
ein kleiner Strom notwendig ist und Umgebungslicht reflektiert wird.
Nachts Beleuchtung notwendig.
•
Wegen reflexivem Prinzip im Sonnenlicht im Gegensatz zu
emissiven (Farb-LCD und OLED) ablesbar.
Pixelspannungspuls U
E-Paper Pixel
39
Bereich IT
Display Technology vs. Illuminance
Reflective LCD
Emissive OLED
100 cd/m²
in darkroom
Illuminance
800 lx
1 camera shot @ 0.8 and 20 kLx
Luxmeter
20.000 lx
Display luminance
is constant but eye
(here: camera)
adapts to „mean‟
illuminance!
Application “decides” :
vivid colors vs. low power & bright ambient light”
40
Bereich IT
Information & Darstellung & Erkennen
Wie viel unterschiedliche Zeichen und wie viele der „Minderheit‟ gibt es ?
Fazit: 
41
Bereich IT
Display Technologies
Criteria:
 and r
r

Power vs.
“no color”
Emissive
Emissive
Examples
Merits
Issues
Reflective
Reflective
AMLCD*, AMOLED, PDP, …
E-paper, reflective LCD, ...
- Multimedia performance
- Bistable  lowest power
- Widespread and standardized - Sunlight readability
- Bright light performance
- Limited color reproduction
- Power consumption
- Slow response time
*: Backlight is emissive
42
Bereich IT
Überblick über die verbreitesten Display - Technologien
Technologie
LCD
(Liquid
Crystal
Display)
OLED
(Organic
LED)
Ausfüh
-rung*
Direkt
Aktiv
Matrix
Aktiv
Matrix
E-Paper
Aktiv
(Elektronisches
Matrix
Papier)
Nachteile
Typ. Anwendung
Reflektiv
Niedrige Leistungsaufnahme, billig
Wenig Pixel,
monochrome
Taschenrechner, Uhr,
Wetterstat.
Emissiv
Hohe Auflösung,
Multimedia
Outdoor,
Leistungsaufnahme
Handy,
Laptop,
Monitor, TV
Emissiv
Hohe Auflösung,
Multimedia
Outdoor,
Leistungsaufnahme
Handy, (TV)
Reflektiv
Geringe Leistungsaufnahme, hohe
Auflösung
Monochrome,
E-Reader
kein Video
Typ
Vorteile
*: siehe „unten“
43
Bereich IT
Fazit Displaytechnologien
• Es gibt keine „universell“ geeignete Display-Technologie
• E-Paper ist „grün“ aber nicht multimedia-fähig
• LCDs decken sehr viele Bereiche von reflektiven 7-Segement-Anzeigen
(stromsparend, siehe z.B. Solar-Taschenrechner) bis hin zu MultimediaGroßanzeigen ab.
• OLEDs sind eine „junge“ Technologie, deren Vorteile bei professionellen
Anwendungen hauptsächlich in der geringen Bautiefe besteht.
• Der Vergleich der optischen Parameter wie Kontrastverhältnis aufgrund von
Datenblättern und Spezifikationen ist wenig sinnvoll, da im Dunkelraum
gemessen wird.
Fazit: Es ist viel Know-how beim Einsatz von Displays notwendig!
44
Bereich IT
Display overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
45
Bereich IT
Data Sheet (Spezification): Display & Pixels
Module
Active
area
0.36 mm
3 x 0.12 mm
= 0.36 mm
• LCD type: Transmissive LCD features a backlight
• Display type: Active Matrix: 1 TFT per Subpixel
• Number of Colors: 262k colors = 18 bit = 6 bit per color
Pixel (dot) size:
width / # pixel h
= 115.2 mm / 320
= 0.36 mm
Aspect ratio:
# h / #v pixels
e.g. 16:9 or 4:3
others: 16M = 24 bit; 64k = 16 bit with R,B 5 bit and G 6 bit
46
Bereich IT
Was ist ein Pixel ?
• Kleinste bildgebende Einheit von Displays
• Ein Display besteht aus vielen (bis zu Millionen von Pixeln)
• Alle Pixel müssen sich gleich verhalten (Produktionsproblem)
• Wie viele Pixel eines Displays dürfen defekt sein?
Ca. 5 pro Million Pixel (5 ppm) für ‚normale„ Anwendungen (ISO 13406,2)
• Elektro-optische Funktion eines Pixels:
Steuerung der Emission (z. B. LED) bzw. Lichtdurchlass (z.B. LCD)
durch ein elektrisches Signal entsprechend der darzustellenden Graustufe
• Ein Farbpixel besteht üblicherweise aus 3 Subpixeln RGB.
Wenn RGB ‚voll an„ ist, erscheint das Pixel weiß.
•
47
Bereich IT
Pixel
Üblicherweise quadratische Pixel:
Monochromes Pixel:
Farbpixel:
Subpixel
Anzahl der Pixel: Horizontale x vertikale Auflösung
Beispiel: - XGA 1.024 x 768 = 786.432 Pixel  2.3 Mio. Subpixel
- Full HD 1.920 x 1.080  2 Mio. Pixel, IPAD 3  3 Mio. Pixel
Achtung: Pixelzahl Kameras: ‚alle„,
aber kein RGB sondern Pattern.
RGB-Werte pro Pixel via Algorithmus
48
Bereich IT
Pixelgröße (Pixel Pitch)
LCD
Apertur:
100
Genutzte Fläche
Gesamtfläche
Beispiel: AMLCD 70%
Ziel: Apertur möglichst
groß zu machen
Pixel Pitch
(auch pixel per inch – ppi)
Pixelgröße wird durch Anwendung über den Betrachtungsabstand
festgelegt, z.B. Smartphone, Fernseher, E-Signage.
49
Bereich IT
Ergonomie
Minimum Recognizable Object Size
100
1„ = 1/60°  0,0003
10
h
tan    
d
Height /cm
Auflösung des Auges
1
0.1
0.01
Praxis:
1 m Entfernung  0,25 mm
100 ppi (1‟) (s.o.)
0.001
0,1
1
10
100
1000
Viewing Distance /m
Bsp.:
- Monitor d = 0,5 m  Auflösbare Pixelgröße h = 0,125 mm, typisch 0,2 mm
- XGA - Beamer Bildbreite 3 m  1 Pixel 3 mm breit (1024 H-Pixel)
 Betrachtungsabstand  Augenauflösung :
d
h
 12 m

50
Bereich IT
Ergonomie-Parameter für „Großdisplays“
Empfohlene Zeilenzahl
Bsp: h = 30 cm, d = 50 cm  Z = 15 Anzahl Zeilen 
Empfohlene minimale Zeichenhöhe bei
- großen Betrachtungsabständen
Zeichenhöh e 
Bsp: d = 25 m  h = 10 cm (5 m  2 cm)
25  Bildschirmhöhe
Betrachtungsabstan d
Betrachtun gsabs tan d
250
- kleinen Betrachtungsabstände 16 x 1„: 5 mm @ 1m
Blickkegel : Öffnungswinkel
j
j
/2
h/2
typisch 20° - 40° , empfohlen : 30°
Büro (d = 60 cm) : 14“ (20°) - 28“ (40°)
d = 60 - 90 cm
51
Bereich IT
Fundamentals of Pixel
Pixel size
• Usually square pixel
• Monochrome pixel mostly b/w for character and low res graphics
• Color pixel by RGB subpixel (white is “generated in brain”)
• Trend: high PPI (pixel per inch, 1“ = 25.4 mm)
• Eye resolution: 0.15 mm / m for pixels  170 ppi for 1 m viewing distance
Useful ppi is about 50% … 67% of this value: 100 ppi  1‟  0,25 mm / m
e.g. APPLE retina display IPHONE : 326 ppi (78 µm) ; IPAD 3: 264 ppi
Viewing
Distance
/m
~ PPI from
Eye
Resolution
Eye Res.
Pixel Size
/mm
Useful
PPI
Useful
Pixel Size
/mm
0.3
510
0.05
300
0.08
Smartphone
0.5
340
0.08
200
0.13
Tablet, PC monitor
1
170
0.15
100
0.25
“Reference”
2
85
0.30
50
0.50
TV > 50”
10
17
1.50
10
2.50
E-Signage
Typical
Examples
52
Bereich IT
Pixelgröße (Pixel Pitch)
Typische Werte:
Direktsicht:
Pixelgröße  Augenauflösung
(0,3 mm pro m Ablesedistanz)
- LCDs: 0,1 … 1 mm
- OLEDs: 0,1 … 0,5 mm
- PDP: 1mm (deshalb kein PC-Monitor und kleinere DIsplays)
- LEDs: 2 … 5 mm
- E-Paper : 0,05 … 0.2 mm
Projektion:
- typischerweise 10 … 20 µm
(auch Near-to-the Eye Displays)
Ferner 7-Segment
(8-Segment):
54
Bereich IT
Display Driving Principles
Direct Drive
Matrix Drive
1 connection per
segment on substrate
Segments
Columns (horizontal)
Rows
(vertical)
Multiplex drive
is low row count
(Passive) Matrix drive.
Pixel
„Only“ (h + v) connections
on substrate for h x v pixel
• Woduch sind direkt angesteuerte Displays limitiert?

• Welche Vor- bzw. Nachteile haben Matrix-Displays?

(not to scale)
55
Bereich IT
Display Driving : Matrix Drive
- Scanning of rows
- Write data to columns
- Select one row
- Write data of all columns at one time
 Parallel data : Row-at-a-time addressing
Fixed resolution !
Column (data)
Data from
µC, PC, ..
Controller
Row
(line,
scan)
Display
56
Bereich IT
Row Timing Diagram
Frame time
Pulse for TFT gate
Tframe = 16.67 ms (60 Hz)
Row #
1
2
3
XGA with 768 lines
usually 3 gate driver
ICs ( 3 x 256 outputs)
768
Pulse width (TON  21 µs for XGA)
57
Bereich IT
Matrix Display Driving Waveforms
Column 2
Data
Data set grey level by
voltage (LCD) or current (OLED)
Column 1
1 Line
(parallel)
Row 1
Column (data)
Row 2
drivers
1 2 1 2
(selected line)
1 Frame
t
Row (gate) drivers
58
Bereich IT
Horizontal scan
Driving Parameters
• Displays are usually scanned
from top to bottom
Vertical
scan
• Frame rate (frequency) = 1 / time for vertical scan
fframe = 1 / Tframe
Examples: frame rate 50 Hz (duration 20 ms), 60 Hz (16.7 ms)
• Duration of vertical scan = number of lines x time for one line Tframe = N x Tline
(add for 5 % for FPD synchronisation, 20 % for CRT retrace)
• Horizontal frequ. = 1 / time for one line (incl. sync & retrace)
fhor = 1 / Tline
• Driving is limited for
- analogue displays by video bandwidth
- digital panels by transmission line capability
59
Bereich IT
Columns (horizontal)
Matrix Display Driving Principles
Rows
(vertical)
Passive Matrix
Column
electrodes
Pixel
Electro-optic
material
Row electrodes
Substrate
How is a PM pixel defined/made?

Active Matrix
More complex than Passive Matrix (PM) but advantages (see below)
60
Bereich IT
Matrix Drive Basics
Snapshot of 1 selected row, example for LCDs
Passive Matrix
Leftover from
actual scan
Data
Scan
Active Matrix
Stored from
actual scan
Data
Scan
Moving
image ?
Leftover from last scan (frame) !
Stored from last scan (frame) !
61
Bereich IT
Matrix Driving of FPD - Example LCD
Passive Matrix
Exception : PDP
Higher contrast ratio,
higher resolution,
more grey shades and colors
Active Matrix
Data
Column
'data'
Scan
ITO
Row 'scan'
MOSFET
(PM LCD
simplified
example)
ITO
Ghosting
AM LCD (Sub-)Pixel
LC
Storage
capacitor
Frontplane
1 Pixel
• Crossings of 2 grids form
pixel
• No storage of data (if not
bi-stable) during frame period
Low vs. high cost
Low vs. high image quality
• Capacitor stores data
during frame period
• 1 TFT psp, SXGA :
4 Mio. TFTs
63
Bereich IT
Display Module
A display is more than just glass …
E-o Transfer Fct.
Column Driver Bank
Gamma Corr.
Driver 1
Driver 2
Driver 3
Row
R
G
Digital
input
signals
TTL,
LVDS,
eDP.
SPI,
DVI,
HDMI)
Driver
1
Timing
Bank
Vcom
Controls
Power Supply
Driver
2
Controller
B
Sync
Driver
Backlight driver
Sync
LCD Module
64
Bereich IT
Overview: Type, Resolution, Driving, Principle
Size, price, power, interface speed, …
Color graphics
Monochrome graphics
Character
Segment 8
Direct drive
MUX Passive Matrix
Active Matrix
Resolution
Low resolution displays
(mostly b/w, some with GS)
High resolution displays
(mostly color)
65
Bereich IT
Wie viele Pixel hat ein Display ?
Standard
QVGA
Resolution
/ Pixel
320 x 240
VGA
640 x 480
SVGA
800 x 600
XGA
1024 x 768
WXGA 1368 x 768
UHD
1980 x 1080
Number of
Pixels
Number of Color
Sub -Pixels / Millions
76.800
0.2
307.200
480.000
768.432
1.050.624
2.073.600
0.9
1.4
2.3
3.2
6.2
Seitenverhältnis (aspect ratio) : VINTAGE-PC : 4 : 3
(Pixel horizontal/vertikal)
h
Wide PC
HD PC
: 16 : 10 (z.B. 1280 x 768)
: 16 : 9 (z.B. 1368 x 768)
v
66
Bereich IT
Display overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
67
Bereich IT
Beispiele zur Hard- und Software eines Gerätes
Ein Display bestimmt über seine Auflösung, Farbtiefe und Interface
die Hard- und Software des Gerätes wie Microcontroller, Interface, OS, …) !
Z.B. µC-Art, Betriebssystem, Interfaces, Rechenleistung, Speicher, …
Beispiele:
- 8-Bit µC kann speichermäßig kein QVGA-Display ‚verwalten„
QVGA: 320 x 240 pixel x 16 bpp (bit pro pixel, also 64k Farbe)
= 153.600 byte > 65.535 byte (16 bit Adressbus)
- Klappt das bei 16-bit µCs?
QVGA: 320 x 240 pixel x 60 Hz (Bilder pro Sekunde)
= 9,2 MHz bei 16-bit Datenport zum Display = minimale Taktfrequenz
Aber: meist werden viele Maschinenzyklen benötigt und der µC
soll ja nicht nur das Display betreiben
- Klappt das bei 32-bit µCs? Ja, aber < VGA GDC, Betriebssystem
Problem: Displays  QVGA haben keine Displaycontroller eingebaut
 Displaydaten müssen in ‚Echtzeit„ bereitgestellt werden !
68
Bereich IT
What is a Display System ?
Application
Display (technology) incl.
- Parameters
- Environment,
-…
Hardware incl.
- Display interface,
- Display controller,
- Software incl. OS,
-…
69
Bereich IT
Example : Embedded System with Display
Row & column drivers
Interface
EOC
Matrix
TCON
Compare size of
µC to display
controller etc.
Display
controller,
signal
processing
µC
70
Bereich IT
Systems Design for µC and Display Controller
Display
( QVGA)
Display
( QVGA)
Display
(Seg ... 240x128)
High speed interface
(real time display data)
with built-in
Display
controller
Display
controller
Low speed interface
µC
(4 - 32 Bit)
µC
(32 Bit)
Typically for PCs
µC (32 Bit)
with built-in
Display
controller
or FPGA
High end µC
Display controller keeps µC load at low level if no animation, video, ..
71
Bereich IT
Tasks of Subassemblies of Embedded System with Display
µC
Display
controller
Display
•
Delivers data to be displayed
•
Interface to display controller
•
Updates display RAM with data to be displayed
•
Real time data to display
•
Interface to display controller and display timing controller
•
Interface to display controller
•
Display electronics (timing controller TCON, row and
column drivers) adapt digital data to electro-optic
72
Bereich IT
Design Rules Examples :
Data to be displayed
Display resolution
RGB
5
mm
Segment 8
# of Pixel
Starburst
101
102
Matrix 5x7
103
QVGA 10x15
104
105
XGA 10x15
106
Driving of Module
µC
Display controller
‚PC„
low
medium
high
Data Rate
Software Requirements
minor
high w/o OS or Lib
minor (OS)
73
Bereich IT
Zusammenfassung zu Definitionen von Displays
• Meist werden standardisierte Auflösungen wie VGA verwendet
• Ein Pixel ist bei Direktsichtdisplays ca. 0,2mm groß (Breite = Höhe)
Die Größe sollte der Augenauflösung bei typischem Betrachtungsabstand
entsprechen. Beispiel: LED-Wall mit ca. 30mm Pixel Pitch
• Es gibt reflexive (Vorteile bei Umgebungslicht) und
emissive (Vorteile im Dunkeln sowie technischner Natur) Displays
• Die typischen Vor- und Nachteile reflexiver und transmissiver Technologien
sind entgegengesetzt. Das macht die Display-Entwicklung ‚spannend„ !
• Die Beschaffung ist ein ‚Thema für sich„, welches stark vom Auftragsvolumen abhängt (siehe Markt etc.).
74
Bereich IT
Typical Design Flow of System with Display
Product specification, idea
Start of design
User input
Display resolution
Viewing conditions
Environment
(T, illuminance, …),
application
Screen size
Graphics controller,
µC, software, OS, …
Display technology
Mechanics;
production, …
Price, supply chain, …
Redesign, optimization
75
Bereich IT
Typical Design Flow of System with Display
SS
WS
Product specification, idea
Keyboard,
mouse,
touch
Design of
Embedded Systems
User input
Display resolution
Display
driving &
interfaces
Viewing conditions
Display
Metrology
Environment
(T, illuminance, …),
application
Mechanics;
Display
production,
…
Effects
Screen size
Display technology
Display
Market
Redesign, optimization
76
Bereich IT
Display resolution
• Data to be displayed:
only numbers and/or characters, graphics, color, pictures, video ?
• Data to be displayed determine resolution and „rest of the system‟:
- Icons (via LEDs, customized LCD (ITO), …)
- Numbers: segmented display
- Characters: character display
Size: > 5 x 7 (DIN 66234) … > 7 x 9 (ANSI HFS 100-1988)
- Graphics: graphics display – monochrome, grey scale, color ?
Size > 100 x 100 pixel
- Pictures and video: high resolution, powerful electronics system
77
Bereich IT
Screen size
• Screen size is determined by data to be displayed & viewing distance!
• Typical data
- Maximum eye resolution: 1„ = 1/60° 1 m distance  0.3 mm
- Character height: 16‟ (1 color) … 40‟ (5 colors for text)
- Large sized information displays with large viewing distance:
recommended character height  viewing distance / 100
- Not more than 20 lines on one screen
- Touch input pad ~ 20 x 20 mm²
78
Bereich IT
Screen size
• Example for data to be displayed and screen size:
Viewing distance 1m, 3 lines of 20 character text, graphics 320 x 240 pixel
 Height: 3 x 9 (character) + 3 x 5 (space) + 240 (graphics) = 282 pixel
Width : 20 x 7 (character) + 20 x 3 (space) + 320 (graphics) = 520 pixel
 WQVGA (426 x 240) or VGA (640 x 480)
 Screen size for 1 color for text: 9 pixel  16‟  5 mm
 0.5 mm/pixel (not commercially available)  VGA with 0.3 mm/px
 (Screen size d)² = (192 cm)² + (144 cm)²  d  24 cm
 d = 10.4” (typical available screen size)
 PM LCD or AM LCD, AMOLED, E-paper if monochrome
Display technology
79
Bereich IT
• Screen resolution is set by data to be displayed !
• Typical electronics systems
- Numbers: segmented display  µC with LCD output (only LCD available)
- Characters: character display  µC with 1-2 8-bit I/Os, 8-bit µC OK
- Graphics:
- monochrome  µC with 1-2 8-bit I/Os, 8-bit µC OK
- color
 typical 32-bit µC with graphics controller
- Operating system (or libraries) reduce SW effort
• Example for VGA 10.4” (see above):
Data rate: Pixel frequency = Resolution x Frame frequency
 640 x 480 x 60 Hz  20 MHz
 Critical occupation load even for 32-bit µC graphics controller needed
 Interface: TTL or LVDS
80
Bereich IT
Questions for Applications
Viewing conditions
Environment
(T, illuminance, …)
Application
• Power consumption
(hand held, battery powered, vehicle mounted, mains powered?)
• Processor (PC-like system, 32-bit-µC, 8-bit µC, …?)
• Ambient light conditions (inside, outside, sunlight, night-time?)
• Environment (operating temperature, storage temperature, humidity?)
• Viewing angle (number of viewers, location?)
• Screen resolution (amount and format of data?)  see display resolution
• Total content (# of colours, # of pixels, screen refresh rate?)
• Screen size (number of viewers and location?)  see screen size
• User interaction (only watching, touch screen, soft keys?)  see user input
• … (see also Summary – Magic Circle)
81
Bereich IT
Summary Design Flow
• Design flow starts at data to be displayed
• Optimum solution often realizable due to
- Availability
- Cost
-…
(reason is often relative small quantities compared to Asian CE products)
• Display resolution (# of pixels) set interface and driving electronics
• There are many applications requirements which are not lissted in spec.
Example: Optical measurements are performed under dark room conditions
82
82
Bereich IT
Typical Display Supply Chain
Display manufacturer‟s
factory (normally in Asia)
Manufacturer‟s
European Office
> 5 M$ pa
Catalogue
order
Distributors
Smallest
quantities
Medium & Small
Customers
Large
Customers
• Distributors add value by
- Stock holding
- Local application
engineering support
- Logistics
• Only large customers have
a significant influence on
the supplier
• Small and medium customers
normally exert little influence
on display suppliers except
for niche customers who are
early adopters of new displays
83
Bereich IT
Beispiele zum Preis eines Gerätes
… kleine Stückzahlen (Start-up bis ‚Mittelstand„ bei Stückzahlen <1.000 pa)
3,5 stellige LCD Anzeige
• für µC mit LCD-Controller
•~2€
Dotmatrix Character LCD
• HD44780 Controller
• 4- oder 8-bit Datenbus
• ~ 5 - 15 €
Graphik STN LCD
• T6963 Controller
• 8-bit Datenbus
• 128 x 64 monochrome
• ~ 20 - 30 €
Vergleiche mit
CE-Preisen:

TFT-LCD Grafikdisplay
- 4,3" (10,9 cm) , 480x272
- 480x272 mit Touch
- RS-232, I²C-Bus, SPI-Bus
- ~ 175 €
84
Bereich IT
Summary
• Emissive displays:
+ Multimedia
- Bright light
- High power
• Reflective displays
+ Bright light
+ Low power
- Multimedia
• Display driving:
- Segmented (SEG)
- Multiplex (MUX)
- Passive Matrix (PM)
- Active Matrix (AM)
• Other aspects:
PPI, interface,
customization, …
85
Bereich IT
Proposals for Student Projects
50+/-% software & hardware
• 8-Bit µC, ARDUINO
• Displays:
- 8-Seg.
- HD 44780
- T6963
VFD
Driver
Task: Built 3 demos each with basic software
86
Bereich IT
50+/-% software & HW
• 8-Bit µC, ARDUINO
• LEDs:
- RGB
- Matrix
Task: LED-based displays or animations
87
Bereich IT
50+/-% SW & HW
• µC, ARDUINO, …
• Low res. T6963 graphics controller
Task: Built example application with I/Os etc.
88
Bereich IT
100% software
• FUJITSU 32-Bit µC
ARM 9
• QVGA
• Touch screen
• C-Examples
Tasks: - SS: Adapt SW form scratch to structure subs, make example
- WS: Program SW for touch and display evaluation
91
Bereich IT
50% software,
50% measurements
• Static images like full screen RGBWK
• Moving images (bars, …)
• Tool: Programming language
Task: Program test patterns and evaluate image quality
93
Bereich IT
100% software
• Image enhancement
algorithms
• Applications: Better
readability at bright light
e.g. automotive
• Tool: MATLAB
Task: Implement algorithms in MATLAB and evaluate image quality
94
Bereich IT
• Your idea
•…
x% software, y% hardware
Task: tbd
95
Bereich IT
Display overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
96
Bereich IT
Marktübersichten
• Gut zur Abschätzung von Trends geeignet
• Geben Hinweise auf zukünftige Märkte und Chancen
„Professional follows consumer“ wie Seitenverhältnis 4:3 zu 16:9
• Wichtig, um Engpässe oder auslaufende Produkte zu identifizieren
• „BWL“-Methode, also für den Ingenieur eher mit der gebotenen
Vorsicht zu genießen. Die meisten Zukunftsprognosen der
Vergangenheit waren meist (besonders bei OLEDs) zu positiv.
• Bei Wachstum: - Kurzfristig:
Linearer bis exponentieller Anstieg
- Mittelfristig: Anstieg bis hin zu Sättigung
(„x – a sin(bx)“ Kurve)
- Langfristig: (Gauß) Glockenkurve
(ansteigende später abnehmende Zahlen)
97
Bereich IT
Worldwide Flat Panel Market
1 B$  1 Mrd. €
98
Bereich IT
Worldwide Flat Panel Market
Fläche:
1 km² = 1 Million m²
Umsatz:
200 km² = Astuttgart
- 1 B$  1 Mrd. €
pro Jahr in 2016 !
d.h. ca. 100 Mrd. €
- “Nur” Display ohne
Gehäuse, Hard- und
Software, …
- 100 Mrd. € ist der
Gesamtumsatz 2013
von SIEMENS
99
Bereich IT
WW Display Market vs. Applications
Prof.
PC monitor
Notebook
Mobile
TV
Prof
< 10%
Prof.
Trends
Source: NPD
100
Bereich IT
Large & Small & Medium Displays by Application
Professional market is small compared to consumer!
102
Bereich IT
Top 7 FPD Applications  „Problems‟ in Europe
• Europa: Professionelle Anwendungen wie
Automobil, Industrie, Medizintechnik,
Weisse Ware und E-Signage.
• Relativ kleines Marktvolumen (keine Massenprodukte aus Europa)
also kleine Stückzahlen (folglich ‚Abfallprodukte„ aus PC, Handy, TV, …)
• Relativ hohe Anforderungen (Temperaturbereich, Lieferdauer, …)
• Fast alle Displays kommen aus Asien (also ‚lange Wege„ und ‚Kleinkunde„):
- Osteuropa: Endmontage von LCD TVs asiatischer Herstellner
- Deutschland: seit 2005 einziges Land in Europa mit Displayfertigung:
- BMGMIS, Ulm: LCDs für Großanzeigen (Bahn, Flugplätze, …)
- Plastic Logic (RUSNANO), Dresden: Flexibles AM E-Paper (?)
104
Bereich IT
Automotive Display Units per Year
80 Mio cars
produced
in 2012
Source: Displaysearch 2012
106
Bereich IT
E-Signage
… strong in Germany
107
Bereich IT
E-Paper Display
Million USD per year
- Reflective: Sunlight readable
- Bistable: Lowest to no power
Source: DISPLAYBANK, 2009
108
Bereich IT
Market Studies – for what they are good for ?
Merits
• Market studies can provide hints for new markets and applications
because displays are only reasonable with mass production
Examples:
- E-reader will push e-paper displays. Other applications?
- Photo frames can also be used for POI
• Valuable hints as professional market follow consumer trends
Shortcomings
• Market studies from different market research companies can differ
significantly
• Many market studies show exponential rise characteristics
• Studies about market decline are mostly not available
111
Bereich IT
Zusammenfassung Marktübersichten
• Displays haben überdurchschnittlich hohe Wachstumsraten
• Für Deutschland und Europa sind automotive, Industrie, Weiße Ware
und E-Signage relevant.
• Neue Technologien ermöglichen neue Märkte und Produkte
wie E-Signage, E-Paper (Energie-effizient und Sonnenlicht-ablesbar), …
• Ist es empfehlenswert, ein CE-Display bei einer professionellen
Anwendung einzusetzen?

112
Bereich IT
Summary
Professional
displays have
small market share
 Watch for trends
and take care
of supply chain.
• Higher resolution
• Smaller displays
• Wearable displays
• Flexible displays
FPD world market
Revenue
[billion US$]
Trends:
160
• Sunlight readable
120
• Touch everywhere
80
40
0
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
113
Bereich IT
Display overview
What is a display ?
What is a pixel ?
Display systems
114
Bereich IT
Consumer Electronics Display Trends
Source: JDI, APPLIED MATERIALS
115
Bereich IT
The Big Picture CE
Microdisplays Smart
Smartphone Tablet
(HWD)
watches
PC
TV
Signage

“wearables” 
Size
CE trends: High res, low power, flexible, gamut, outdoor
116
Bereich IT
The Big Picture Professional
Curved / Shaped / Round
Transparent
Portrait Mode
Customizing
by foils
Professional display follow CE trends !
Aspect
ratio
117
Bereich IT
The Big Picture Professional
QD: Gamut LCD = OLED
Curved (LCD)
eDP
Reflection
reduction
3 Color
Reflective
CE trends: High res, low power, flexible, gamut, outdoor
118
Bereich IT
Consumer Trend: Smartphones & Tablets
Trend in consumer electronic devices:
• Integration of multiple functions in one device
• Smart and convenient handling
„Every task which can be
performed by smartphone or
tablet will be use these devices.“
Exsample: Waitress &
cashier system @ Ratskeller, Pf
Source: wikipedia.org
Source: APPLE
Key features with impact
for professional displays
• High ppi (resolution)
• Multi touch, gesture control
• Apps for “everything”
119
Bereich IT
Consumer Systems Influencing Embedded Systems
120
Bereich IT
Consumer Trend: Smart Home (Automation)
“Today”
HTML 5.0
Future
Source: ELV, ENBW, VAILLANT,
Pro-smart-metering.de, fair-news.de
• From large displays to small
ones with basic HMI
• Full control by CE devices & apps
121
Bereich IT
Industrial Trend: IPC & Panel PC with Touch
Source: OMRON, Panel-PC.org
Standardized HW
with standard
PC graphics IF;
OS mostly WIN.
HMI / GUI will be developed OS – independent (HTML 5.0
or JAVA, …) to ensure compatibility with mobile devices.
• Standardized hardware
• Added value for specialized displays
• Touch
122
Bereich IT
Industry Trend: Wired & Wireless Networks
Same for
smart
buildings
Future
Source: ANEVTECH, SIEMENS
• From large displays to small
ones with basic HMI
• Few monitors + mobile devices
123
Bereich IT
Future Trend : µC + Low Res Display & Energy Harvesting
• “Green” displays
• Low resolution displays
16-bit µC and E-INK display
powered by thermal energy
harvester
Highly
integrated
system
incl. HV
supply
D. Faigle, Display Lab, PFU
125
Bereich IT
New Megatrends
• E-Signage
„Small‟ electronic billboards
• E-paper
Low power, sunlight readable
(see dedicated presentation)
• Flexible displays
enable new products
• Touch Screens
Task
Engineering
of professional
systems
(see dedicated presentation)
• 4k TVs
4K Ultra HD ( 4 x FHD):
8k+ as prototypes
126
Bereich IT
Education = E-Signage + Touch
Source: Displaysearch
Education project in Turkey with 400,000 screens
127
Bereich IT
4K Displays (4x Full HD)
4K good for glass-free 3D
128
Bereich IT
“Pictures of the Future”
Consequences from Kondratieff Waves of Innovation
• Information age
 “Ubiquitous IT”
• Aging society
 “Medical”
• Global warming
 “Green”
• Raw materials scarcity  “Smart Production”
• Emerging countries
 “Megacities”
• “Digital Lifestyle”
• “Smart Buildings”
• “Energy Saving”
• “Transportation”
•…
Trends and technologies are
presented here not market data
129
Bereich IT
From Trends to Future Display Business Modell
?
• “Green” displays
• Low resolution displays
• “Standard” larger displays
Partners
• Touch “everywhere”
• Bright light capability
LCDs, OLED, E-Paper, Touch
• …
Professional displays
follow CE trends !
Channels
Partners
Revenue
Streams
Resources
Activities
Customer Segments Cost Structure
130
Bereich IT
Display Applications in Europe
• Professional displays:
- Automotive,
- Industry,
- Withe goods,
- E-signage (public displays)
• These applications have very different requirements compared to
consumer produkts (CE) like mobile phones, monitors, TVs, …
• However all European products have relative low volume compared to CE
• Professional displays follow CE trends like 16:9, touch, …
• Supply chain needs special attention as displays are produced in Asia
and value is added in Europe
131
Bereich IT
Comparison of Consumer and Professional Displays
Consumer displays
Professional displays
High
low
Demand (pieces per month)
0.1 – 2 Mio
1 – 200 k
Product life cycle
1 – 3 years
3 - 10 years
Upgrading cycle
6 month
2 – 5 years
Price erosion
30% per year
5 – 10% per year
Optimisation
Typically cost
Typically performance
Industry: ~ 1,000 ppm
automotive: ~ 50 ppm
~ 2,000 ppm
ECO (Engineering Change Order),
LTB (last time buy) notification
Maybe
Yes
notification
Maybe
Yes
Requirements
Low
High
Operation time
Limited warranty for longtime operation
Designed for 24/7 use
Plastic bezels
Enhanced bezels
Usually complete value chain
located in Asia
Display panels mainly
produced in Asia.
Added value in Europe
Minimum order quantity
Quality
Housing
Location of production
132
Bereich IT
When Things Go Wrong* …
Ghosting
Vibration
Temperature
Ambient light
Lifetime
Response time
Viewing angle
*: Lyrics from “It hurts me too”, one of
the most interpreted blues songs.
133
Bereich IT
Display Degradations vs. Temperature
Materials (T-cycle, …)
Electronics
Materials (T-cycle, …)
Mechanics (TCE)
Electronics
High T degradation of polarizer
Mechanics (TCE)
CR (LCD)
TResponse (LCD)
Lifetime (OLED)
Temperature
- 40°C
+ 80°C
CE
Industrial
Automotive, ruggedized, …
134
Bereich IT
Übersicht Displayapplikationen in Deutschland
• Automotive, Industrie, Weiße Ware, Medizintechnik, E-Signage
• Diese Einsatzgebiete haben andere Anforderungen als
Consumer-Produkte wie Smartphones, Fernseher, Notebooks, Monitore, …
• Praktisch allgemein gültige Regel:
Trend zu größeren und hochwertigeren Displays:
- Diagonale im Industriemonitorbereich folgt PC-Trend
- Buchstaben  Grafik
- monochrom  farbig
- STN LCD  TFT LCD
- Tasten  Touch Screens
135
Bereich IT
Die wesentlichen Display - Märkte in Deutschland (Europa)
•
Haushalts-Geräte (Weisse Ware, white goods, household appliances)
Typischerweise höhere Stückzahlen (Mio. pa) und kleine Größen
•
Automotive
Typischerweise Stückzahlen 100.000 pa bei hohem T-Anforderungen
•
Industrie
- Stationär (z.B. Visualisierung in der Automatisierungstechnik)
mit kleinen Stückzahlen und langer Betriebsdauer, eher Monitor-artig
- Mobil (z.B. Messgeräte) größere Stückzahlen, eher kleinformatig
- Medizintechnik (Patienten-Monitor, Analysegeräte, …)
•
E-Signage
geringe Stückzahlen bei großen Diagonalen, Systemkompetenz,
oft Sonnenlicht-Ablesbarkeit
136
Bereich IT
Automotive Displays
For what purpose are displays used for in the car?
– Driver safety information within
instrument cluster
e.g. for on-board computer
new: head-up display
– Co-driver information, navigation
central information display / center console
and beyond e.g. for navigation
– Radio / heating / air conditioning
– Passenger entertainment
rear seats
137
Bereich IT
Challenges for Automotive Displays
Development and Life Cycle
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
iPhone iPhone 2 iPhone 3 iPhone 4 iPhone 5
2012
2013
2014
2015
2016
iPhone 6
iPhone
roadmap
163ppi
7“-display
c-class
Retina 326ppi
technical product
validation development
Smartphone
• New device generations with extended functionality and design face-lift every year
• Lifetime of displays 4 years, but with revolutionary development steps (retina resolution)
Automotive displays
• Perceived quality to displays of leading mobile devices shall be achieved (e.g. resolution)
• Development of automotive products implies conformance to automotive requirements
Source: Mercedes
138
Bereich IT
Automotive Displays
Source: Adria European Advanced Displays Roadmap
139
Bereich IT
MERCEDES Approach for Future Automotive Displays
Seamless Experience:
Enjoy digital lifestyle seamlessly and safely in the vehicle
by continuous connectivity with the cloud
140
Bereich IT
Industrial and Professional Displays
•
While displays for household appliances and
automotive displays can be assigned to small and
medium displays, industrial displays incl. medical
have a much broader range of application and thus
sizes.
•
The industrial field comprises a huge variety of
different applications and customer-specific
displays with only small lot sizes.
•
The upper end of industrial displays is often
referred to as public displays
•
Extremely large sizes (display-walls) often realized
by tiling a large number of individual displays, e.g.
rear-projection displays.
141
Bereich IT
E-Signage
143
Bereich IT
E-Signage
144
Bereich IT
Industrial and E-Signage Systems Built in Europe
145
Bereich IT
Household Appliances Market
300+ Mio. units produced in Europe with a total value of ~ 40 billion €
Market distribution of large and small household appliances (unitwise)
Cooking 21%
Small
household
appliances
45%
Dishwashing 4%
Drying 2%
Washing 8%
Refrigerator 8%
Hoods and Fans
12%
146
Bereich IT
Household Appliances Refrigeration
Low to high end
147
Bereich IT
Zusammenfassung Displayapplikationen in Deutschland
• Automotive, Industrie, Medizintechnik, E-Signage und Weiße Ware haben
viele identische aber auch unterschiedliche Anforderungen
• Gleiche Anforderungen:
- Lang andauernde Produktion der Displays (Handy 6 Monate)
- Hohe Qualitätsanforderungen (Umwelt, Vibration, Temperatur, …)
- Lange Lebensdauer (Jahrzehnte statt 2 Jahre bei Handies)
• Unterschiedliche Anforderungen:
- Automotive:
moderate Stückzahlen bei hohen Umweltanforderungen
- Industrie, Med.: eher kleine Stückzahlen bei moderaten Einsatzbedingungen
- Weiße Ware:
hohe Stückzahlen bei moderaten Einsatzbedingungen
(außer Herd)
- E-Signage:
Geringe Stückzahlen, oft im Außenbereich
148
Bereich IT
Professional Display Applications: Requirements (2nd Draft)
Stückzahl “Umwelt”
pro Jahr T, Vibration
Lebensdauer
Umgebungslicht
Hauptanforderung
Industrial displays
(Messgeräte, …)
Professional monitors
(“Leitwarte”, AV, …)
Household appliances
(Waschmaschine, Herd)
Medical displays
(Dignostik)
Public displays
(Werbung, Information)
Automotive displays
(Kombi, Navi, …)
150
Bereich IT
The Race for Size
SAMSUNG
Cost for GEN 8 Fab = 1 B$
156
Bereich IT
The Race for Size
SHARP GEN 10 (2.8 x 3.1 m²) fab 2010
157
Bereich IT
Summary
• Professional apps
follow CE trends
• Professional displays
with low volume,
high requirements
and long development
duration
• Major professional
applications in Europe:
- Automotive
- White goods
- E-Signage
- Industrial
- Medical, …
differ in size & resolution
158

Kein Folientitel - Hochschule Pforzheim

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