Vi forklarer: Alt du skal vide om mobilskærme

Uden skarpe og tynde touch-skærme havde vi ikke haft vores smarte mobiler og tablets. Vi ser nærmere på teknikken, der gør det muligt for skærmene at både udkonkurrere tastaturerne og levere højt opløste billeder og video på mobilen.

I årene før mobiler med internet spillede skærmen ikke så stor en rolle. Et tegnvindue, der kunne vise cifre, rakte langt, da mobilerne var analoge, men funktioner som telefonbog og senere SMS gjorde, at producenterne tog det første tekniske skridt.

Fra numeriske displays med kun tal til alfanumeriske displays med understøttelse af tekst og andre tegn. I dag er farveskærm en selvfølge, men skærmen er stadig flad, hård og firkantet – og lavet i skrøbeligt glas.

Producenternes fremtidsvisioner peger dog i en anden retning – nye former og materialer er på vej. Vi besøgte institutionen for nanovidenskab på Chalmers tekniske universitet i Sverige for at få et indblik i, hvad det er, der gør mobiler i dag så skrøbelige, og hvad nye materialer kan indebære for skærmene.

Mikael Fogelström, professor på Calmers laboratorium for anvendt kvatefysik, fortæller, at en stor udfordring for mobilproducenterne er at finde en erstatning for et stof, der kaldes ITO (indium-tin-oxid). ITO er et gennemsigtigt metal, der leder strøm – en nødvendig komponent i mobilens touch-skærmssensor.

ITO er en vigtig del af forklaringen på, hvorfor det er så svært at lave en skærm, der kan bøjes og bukkes – materialet er meget skrøbeligt. Der er alternativer – for eksempel elektrisk ledende plast eller andre typer oxider, men de har alle mere eller mindre alvorlige mangler. Visse materialer er meget dyre, andre er giftige eller har dårligere ydeevne. Løsningen kan være supermaterialet grafen – en speciel form for kul.

”Grafen er todimensionelt, kun 2-3 atomer tykt. Det leder varme og strøm bedst af alle materialer og er både gennemsigtigt og kan bøjes”, siger Miakel Fogelström. Producenter som Samsung og Sony har allerede vist prototyper i form af både skærme og udstyr til at producere materialet.

Der er ikke brug for store mængder, men produktionsmetoderne skal alligevel forbedres, inden materialet kan produceres i den rette kvalitet og tilstrækkeligt billigt, for at det kan være et alternativ i mobiler, der produceres i millioner af eksemplarer. Mikael Fogelström mener, at 10 gram grafen kan dække adskillige fodboldbaner, men de kvantiteter, der produceres i laboratorierne på Chalmers måles i få kvadratcentimeter.

Der er stadig nogen år af grundlæggende forskning tilbage, før man kan begynde at få et overblik over grafens anvendelsesområder, men det er sandsynligt, at mobilskærme og bøjelig elektronik vil høre til de første forbedringer. Fortalerne for grafen mener, at vi snart vil se skærme, der både kan bøjes og rulles sammen. Mobiler som LG G Flex og Samsung Galaxy Round er altså kun en forsmag på det, der er på vej.

Sådan begyndte det
Der var en tid før farveskærme. Frem til midten af 90erne var det såkaldte tegndisplays, der dominerede – den type skærm, vi stadig finder på mange kaffeautomater, opvaskemaskiner og bankautomater. Skarpheden på moderne skærme afgøres af antallet af pixel. Med tegndisplays taler man i stedet om segmenter. Den enkleste type har syv segmenter og leverer de klassiske kantede tale, som vi finder på billige lommeregnere eller termometeret uden på køleskabet.

To forskellige typer teknik blev brugt i 90ernes mobiler med tegndisplay – segment bestående af lysdioder eller flydende krystaller. Lysdiodesegmentet – LED (Light Emitting Diode) – brugte betydeligt mere strøm, men havde bedre betragtningsvinkel og kunne skifte hurtigere i koldt vejr. Flydende krystaller – LCD (Liquid Crystal Display) – viste sig dog at være billigere og bedre, da antallet af tegn og segmenter steg, så fra midten af 90erne og frem benyttede stort set alle mobiler denne teknik.

Omtrent samtidig med, at LED-displays blev udfasede, begyndte de første mobiler med grafiske skærme at dukke op. Det drejede sig stadig om sorthvide billeder, men producenterne fjernede de tomme flader mellem tegnene, og hele skærmen var dækket af et net af billedpunkter. Et helt nyt marked voksede frem, og man kunne bestille forskellige typer sorthvide logoer til mobiler som Nokia 6110 og 3210

Teknikken i dag
Præcis som i tegndisplayenes tid er der i dag to hovedspor, når det gælder teknikken – skærme med flydende krystaller (LCD) eller lysdioder (LED). Skærmene med LCD-teknik har betegnelser som TFT, STN og IPS, mens LED-skærmene kaldes AMOLED. Mere om hvad der gemmer sig bag bogstaverne senere.

Billedpunkterne er krympet og er blevet flere, produktionsteknikken er forfinet og ydeevnen forbedret, men valget står stadig mellem de samme to principper i opbygningen af en skærm. På en farveskærm består hvert billedpunkt eller pixel af flere dele – såkaldte subpixel. På et plasma- eller gammeldags TV kan man se de røde, grønne og blå subpixel i hvert billedpunkt, hvis man går tæt på, men på en mobil er de for små til at kunne udskilles med det blotte øje.

Den store forskel mellem skærme, der bygger på LCD og LED, er, hvordan de enkelte subpixel fungerer. Med LED-teknikken udgør hver subpixel en lyskilde, mens subpixels i LCD-skærme i stedet blokerer lyset fra en baggrundsbelysning.

AMOLED – lysende subpixel
Hvis du finder betegnelsen AMOLED i specifikationerne af din mobil, har du en skærm, hvor hver subpixel består af en minimal lysdiode.

Forkortelsen står for Active Matrix Organic Light Emitting Diode. Bogstavet O fortæller, at de lysende elementer består af organiske foreninger – altså elementer, der indeholder kul-atomer – til forskel fra de lysdioder, der findes i belysninger og indikationer, hvor de lysende elementer ikke er organiske. Fælles for alle lysdioder er, at lyset kommer fra en proces, der kaldes elektroluminiscens.

Et halvledende materiale får energi fra elektricitet der afgives som fotoner – lys. Glødepærer bygger på et helt andet princip, sortlegemestråling, hvor lyset kommer fra varmen, der dannes, når strømmen går gennem glødetråden. Lysdioder er omtrent fem gange så effektive som glødelampe og har desuden den egenskab, at lyset holder sig inden for et smalt bølgelængdeområde – det indeholder altså kun farve.

Man behøver ikke lægge et farvefilter på, der stjæler energi fra lyset, men vælger forskellige materialer, der giver det røde, grønne og blå lys, som subpixelene skal levere.

Bogstavet A i AMOLED står for Active Matrix. Den aktive matrix består af tyndfilmstransistorer (TFT), der gør, at skærmen kan reagere hurtigere og bruger mindre strøm. AMOLED-skærmen består af flere lag og i bunden er TFT-matrixen.

Oven på den ligger de lysende elementer, der danner subpixels. Subpixelene får deres pluspol (anoden) fra TFT-matrixen, og minuspolen (katoden) fra en gennemsigtig elektrisk leder, der udgør det øverste lag under en beskyttende plade af glas eller plast.

LCD – dæmpende subpixel
Uden alle de filtre og subpixels, der er i en LCD-skærm, ville hele fladen lyse hvidt. Skærmen har nemlig en baggrundsbelysning, der altså er på, når skærmen er aktiv. Det kan være en hvilken som helst type lyskilde, der giver et hvidt lys, men i mobiler er det mest almindeligt med lysdioder, eftersom de har god levetid og ikke bruger så meget strøm.

Oven på baggrundsbelysningen ligger et polariseringsfilter – samme type filter, der er i mange solbriller og kamerafiltre. I briller og kameraer skal filteret mindske reflekser og give bedre farver, men i LCD-skærmen udfylder det en anden funktion.

Det hvide lys fra skærmens baggrundsbelysning stråler ud i mange forskellige vinkler, og polariseringsfilteret slipper kun lys igennem, der er ordnet i en og samme retning.

Tættere på skærmens ydre glas sidder yderligere et polariseringsfilter. Det gør, at alt lys ville blive blokeret, hvis ikke det fik hjælp til at slippe igennem dette andet filter. Det er her LCD-skærmens subpixels kommer ind. De sidder mellem polariseringsfiltrene og består af flydende krystaller – et materiale der får andre optiske egenskaber, når man sætter strøm til. Alt efter strømstyrken kan krystallerne vende polariseringen i forskellig grad, så den rette mængde lys komme igennem det ydre filter.

Som med hver subpixel er der også et farvefilter – rødt, grønt eller blåt – der gør det muligt at kombinere sig frem til en valgfri nuance med LCD-teknikken.

LCD eller AMOLED?
Selvom skærmene er opbygget på så forskellige måder, kan det være svært at se forskel på skærme med AMOLED og LCD – i hvert fald i normal belysning. I et mørkt rum er det lettere. AMOLED-skærme har ekstremt høj kontrast, eftersom man kan slå subpixelene helt fra – uden strøm bliver den kulsort. På LCD-skærme er der altid lidt lys, der lækker igennem, så længe baggrundsbelysningen er aktiv.

Det kan lyde som om, AMOLED-skærmen altid giver det bedste billede i svag belysning, men LCD har en stor fordel – baggrundsbelysningens styrke og subpixelenes lystransmission kan styres uafhængigt af hinanden. Det gør, at LCD-skærmen har bedre muligheder for at tilpasse sig til omgivelsernes lys.

Med AMOLED-skærme er der kun en variabel at justere på – effekten af subpixelene. Sammenlignet med en god LCD bliver AMOLED-skærmene ofte lidt for lyse i et mørkt rum, og lidt for mørke udenfor i solskin. LCD har ofte større omfang, når det gælder lysstyrken, men AMOLED har større farverum.

Det betyder, at skærmene kan vise en større andel af de farver, øjet kan opfatte. AMOLED-skærmene består også af færre lag af forskellige materialer end en LCD-skærm. Det giver lidt bedre betragtningsvinkel, eftersom billedet skabes tættere på overfladen, og hele skærmen kan gøres lidt tyndere.

En LCD-skærm bruger omtrent lige meget strøm ved et givent niveau af baggrundsbelysningen. Et billede, der indeholder meget hvidt, kræver betydeligt mere effekt end et billede med store sorte eller mørke partier.

Touch-skærme
Skærmen skal ikke kun kunne vise billede og video – den skal også modtage information, når vi styrer mobilen og taster numre og tekst. De første touch-mobiler – med systemer som PalmOS, S60 og Uiq – benyttede såkaldte resistive skærme. En resistiv touch-skærm kan man trykke på med fingeren eller en pen, og den bygges lag på lag oven på en LCD- eller AMOLED-skærm.

To lag består af en gennemsigtig film, der er dækket af en meget tynd metaloverflade. Metaloverfladen er så tynd, at den slipper det meste lys fra displayet igennem, men metallet er ikke nok til at lede elektrisk strøm. Filmen ligger med metalfladerne mod hinanden, men for at det ikke skal kortslutte, holdes de to flader fra hinanden med et fint net af små isolerende punkter.

Oven på den øverste film ligger et plastlag, der beskytter skærmen mod ridser. Når en pen eller en finger trykker på touch-skærmen, vil metalfladerne komme i kontakt med hinanden mellem de isolerende punkter.

Alt efter, hvor på skærmen man trykker, bliver strækningen, strømmen føres, forskellig længde. Touch-skærmen måler spændingen rundt om skærmen, og eftersom den falder med afstanden, bliver den også et mål for, hvor de to metalflader er kommet i kontakt med hinanden. Den analoge spænding digitaliseres, og processoren kan regne fingerens position på skærmen ud.

Resistive touch-skærme var længe billigere at producere, men den analoge teknik kræver kalibrering, og skærmene reagerer langsomt sammenlignet med alternativerne. At producere en resistiv touch-skærm med understøttelse af multi-touch er svært, og det har gjort, at teknikken næsten helt er forsvundet fra mobiler og tablets.

Fordelen ved resistive skærme er, at de fungerer med både fingre og med alle typer handsker, penne og andre spidse genstande. Det gør, at skærmteknikken stadig er populær i navigatorer, bankautomater, kopieringsmaskiner og andre apparater, der har touch-skærm, men ikke skal kunne holde styr på flere fingre samtidig.

I dag benytter næsten alle mobiler kapacitive touch-skærme. LG Prada fra 2006 var først ude med teknikken, og året efter kom iPhone. Kapacitive touch-skærme har ingen bevægelige dele og reagerer ikke på tryk men måler i stedet ændringer i de elektriske egenskaber i et net af usynlige ledninger i skærmen. Ledningerne er lavet i materialet ITO (indium-tin-oxid), der er gennemsigtigt, men alligevel fører strøm.

Når en finger kommer tilstrækkeligt tæt på skærmen, kan man registrere en ændring i kapacitansen – evnen til at lagre elektrisk ladning – på netop det punkt, og mobilen ved præcis, hvor du trykker.

Hvert punkt på skærmen leverer en egen værdi, så det er let at følge flere fingre samtidig. Mobiler benytter en variant af teknikken, der kaldes projiceret kapacitiv touch-skærm. Den har den store fordel, at ITO-trådene ikke behøver ligge i overfladen, man kan lægge et stykke beskyttende glas øverst.

I dag er mobilskærmen central. Grafen og andre innovationer er lovende for en fortsat spændende udvikling.