Kein Folientitel - Hochschule Pforzheim
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Bereich IT Elektronische Displays Karlheinz Blankenbach Hochschule Pforzheim Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach Phone : +49 7231 - 28 - 6658 Pforzheim University Fax Tiefenbronner Str. 65 Email : [email protected] D-75175 Pforzheim, Germany Web : www.displaylabor.de Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 : +49 7231 - 28 - 6060 1 Bereich IT Elektronische Displays Future of Electronic Displays by CORNING Corning_ADayMadeofGlass.wmv Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 2 Bereich IT Elektronische Displays Future of Electronic Displays - Flexible Displays lope_c_videoclips_flexible_v1.wmv Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 3 Bereich IT Elektronische Displays 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. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 4 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 5 Bereich IT Elektronische Displays Lohnt die Vorlesung ? „Update“ 2015 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 6 Bereich IT Elektronische Displays 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), … Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 7 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 FOCUS Nov. 1999 8 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 9 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 10 Bereich IT Elektronische Displays “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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 11 Bereich IT Elektronische Displays Exhibitions • ELECTRONICA 2006 – 2010 • SID Display Week 2007 – 2012 • CeBIT 2001 (R&D BW) • Hannover Fair 2006 (R&D BW) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 12 Bereich IT Elektronische Displays From Students Project to Mass Production Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 13 Bereich IT Elektronische Displays Electronic Displays Conference : Student Paper Award Award for thesis or project dealing with displays, GUI, HMI, … … great for CV and contacts Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 14 Bereich IT Elektronische Displays 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”, …. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 15 Bereich IT Elektronische Displays 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: Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 3. Electives: - LCDs (SS) OLEDs (SS) - E-Paper (WS) - Touch, ..(WS). 16 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display Display overview overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 17 Bereich IT Elektronische Displays Display Applications CE Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Professional (Germany, …) 18 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 High cost E-Signage TV Color Signs Large size Monochr. reflective … influence professional displays 19 Bereich IT Elektronische Displays Consumer Trend Trend in consumer electronic devices • Integration of multiple functions in one device • Smart and convenient handling Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 20 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 21 Bereich IT Elektronische Displays Displays Are The Most Expensive Subassembly 1 2 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 22 Bereich IT Elektronische Displays 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, …) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 23 Bereich IT Elektronische Displays 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, …) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 24 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 25 Bereich IT Elektronische Displays 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? Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 26 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 27 Bereich IT Elektronische Displays 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„ Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 28 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 a y Technology space User and tasks: - Data to display, - User input, -… Display . - Parameters, - Environment, -… Hardware incl. - Display interface, - Display software, -… 29 Bereich IT Elektronische Displays 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 ! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 30 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 31 Bereich IT Elektronische Displays 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, …) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 32 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Niche or low volume techniques may provide chances for special applications 33 Bereich IT Elektronische Displays 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, … Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 34 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 35 Bereich IT LCDs Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 37 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 OLED Pixel 38 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 E-Paper Pixel 39 Bereich IT Elektronische Displays 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” Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 40 Bereich IT Elektronische Displays Information & Darstellung & Erkennen Wie viel unterschiedliche Zeichen und wie viele der „Minderheit‟ gibt es ? Fazit: Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 41 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 42 Bereich IT Elektronische Displays 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“ Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 43 Bereich IT Elektronische Displays 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! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 44 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 45 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 46 Bereich IT Elektronische Displays 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. • Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 47 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 48 Bereich IT Elektronische Displays 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. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 49 Bereich IT Elektronische Displays 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 : Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 d h 12 m 50 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 51 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Typical Examples 52 Bereich IT Elektronische Displays 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): Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 54 Bereich IT Elektronische Displays 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? Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 (not to scale) 55 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Row (line, scan) Display 56 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 57 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 58 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 59 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 60 Bereich IT Elektronische Displays 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) ! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Stored from last scan (frame) ! 61 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • Capacitor stores data during frame period • 1 TFT psp, SXGA : 4 Mio. TFTs 63 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 64 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 High resolution displays (mostly color) 65 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 66 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 67 Bereich IT Elektronische Displays 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 ! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 68 Bereich IT Elektronische Displays What is a Display System ? Application Display (technology) incl. - Parameters - Environment, -… Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Hardware incl. - Display interface, - Display controller, - Software incl. OS, -… 69 Bereich IT Elektronische Displays Example : Embedded System with Display Row & column drivers Interface EOC Matrix TCON Compare size of µC to display controller etc. Display controller, signal processing Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 µC 70 Bereich IT Elektronische Displays 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, .. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 71 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 72 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 high w/o OS or Lib minor (OS) 73 Bereich IT Elektronische Displays 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.). Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 74 Bereich IT Elektronische Displays Typical Design Flow of System with Display Product specification, idea Data to be displayed 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, … Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Redesign, optimization 75 Bereich IT Elektronische Displays Typical Design Flow of System with Display SS WS Product specification, idea Keyboard, mouse, touch Design of Embedded Systems Data to be displayed User input Display resolution Display driving & interfaces Viewing conditions Display Metrology Environment (T, illuminance, …), application Mechanics; Display production, … Effects Screen size Display technology Price, supply chain, … Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Graphics controller, µC, software, OS, … Display Market Redesign, optimization 76 Bereich IT Elektronische Displays Design Rules Examples : Data to be displayed 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 77 Bereich IT Elektronische Displays Design Rules Examples : 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 78 Bereich IT Elektronische Displays Design Rules Examples : 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 79 Bereich IT Elektronische Displays Design Rules Examples : Graphics controller, µC, software, OS, … • 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 80 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 81 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 82 82 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Price, supply chain, … • 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 Elektronische Displays 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 € Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 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 Elektronische Displays Summary • Emissive displays: + Multimedia - Bright light - High power • Reflective displays + Bright light + Low power - Multimedia Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • Display driving: - Segmented (SEG) - Multiplex (MUX) - Passive Matrix (PM) - Active Matrix (AM) • Other aspects: PPI, interface, customization, … 85 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 86 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects 50+/-% software & HW • 8-Bit µC, ARDUINO • LEDs: - RGB - Matrix Task: LED-based displays or animations Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 87 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects 50+/-% SW & HW • µC, ARDUINO, … • Low res. T6963 graphics controller Task: Built example application with I/Os etc. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 88 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 91 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects 50% software, 50% measurements • Static images like full screen RGBWK • Moving images (bars, …) • Tool: Programming language Task: Program test patterns and evaluate image quality Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 93 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 94 Bereich IT Elektronische Displays Proposals for Student Projects • Your idea •… x% software, y% hardware Task: tbd Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 95 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 96 Bereich IT Elektronische Displays 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) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 97 Bereich IT Elektronische Displays Worldwide Flat Panel Market Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 1 B$ 1 Mrd. € 98 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 99 Bereich IT Elektronische Displays WW Display Market vs. Applications Prof. PC monitor Notebook Mobile TV Prof < 10% Prof. Trends Source: NPD Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 100 Bereich IT Elektronische Displays Large & Small & Medium Displays by Application Professional market is small compared to consumer! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 102 Bereich IT Elektronische Displays 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 (?) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 104 Bereich IT Elektronische Displays Automotive Display Units per Year 80 Mio cars produced in 2012 Source: Displaysearch 2012 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 106 Bereich IT E-Signage Elektronische Displays … strong in Germany Source: Displaysearch 2012 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 107 Bereich IT E-Paper Display Million USD per year Elektronische Displays - Reflective: Sunlight readable - Bistable: Lowest to no power Source: DISPLAYBANK, 2009 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 108 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 111 Bereich IT Elektronische Displays 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? Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 112 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 113 Bereich IT Elektronische Displays Overview “§1 Introduction” Display overview What is a display ? What is a pixel ? Display systems Display market overview Display applications in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Some pictures etc. are courtesy of the companies named on the picture, others from, e.g., SID, … 114 Bereich IT Elektronische Displays Consumer Electronics Display Trends Source: JDI, APPLIED MATERIALS Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 115 Bereich IT Elektronische Displays The Big Picture CE Microdisplays Smart Smartphone Tablet (HWD) watches PC TV Signage “wearables” Size CE trends: High res, low power, flexible, gamut, outdoor Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 116 Bereich IT Elektronische Displays The Big Picture Professional Curved / Shaped / Round Transparent Portrait Mode Customizing by foils Professional display follow CE trends ! Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Aspect ratio 117 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 118 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • High ppi (resolution) • Multi touch, gesture control • Apps for “everything” 119 Bereich IT Elektronische Displays Consumer Systems Influencing Embedded Systems Source: Displaysearch 2012 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 120 Bereich IT Elektronische Displays Consumer Trend: Smart Home (Automation) “Today” HTML 5.0 Future Source: ELV, ENBW, VAILLANT, Pro-smart-metering.de, fair-news.de Key features with impact for professional displays Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • From large displays to small ones with basic HMI • Full control by CE devices & apps 121 Bereich IT Elektronische Displays 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 Key features with impact for professional displays • Added value for specialized displays • Touch Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 122 Bereich IT Elektronische Displays Industry Trend: Wired & Wireless Networks Same for smart buildings Future Source: ANEVTECH, SIEMENS Key features with impact for professional displays Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • From large displays to small ones with basic HMI • Few monitors + mobile devices 123 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 125 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 126 Bereich IT Elektronische Displays Education = E-Signage + Touch Source: Displaysearch … strong in Germany Education project in Turkey with 400,000 screens Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 127 Bereich IT Elektronische Displays 4K Displays (4x Full HD) 4K good for glass-free 3D Source: Displaysearch 2012 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 128 Bereich IT Elektronische Displays “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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 129 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 130 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 131 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 132 Bereich IT Elektronische Displays 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. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 133 Bereich IT Elektronische Displays 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, … Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 134 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 135 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 136 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 137 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 138 Bereich IT Elektronische Displays Automotive Displays Source: Adria European Advanced Displays Roadmap Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 139 Bereich IT Elektronische Displays MERCEDES Approach for Future Automotive Displays Seamless Experience: Enjoy digital lifestyle seamlessly and safely in the vehicle by continuous connectivity with the cloud Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 140 Bereich IT Elektronische Displays 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. Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 141 Bereich IT E-Signage Elektronische Displays … strong in Germany Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Source: Displaysearch 2012 143 Bereich IT Elektronische Displays E-Signage Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 Source: Displaysearch 2012 144 Bereich IT Elektronische Displays Industrial and E-Signage Systems Built in Europe Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 145 Bereich IT Elektronische Displays 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% Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 146 Bereich IT Elektronische Displays Household Appliances Refrigeration Low to high end Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 147 Bereich IT Elektronische Displays 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 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 148 Bereich IT Elektronische Displays 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, …) Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 150 Bereich IT Elektronische Displays The Race for Size SAMSUNG Cost for GEN 8 Fab = 1 B$ Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 156 Bereich IT Elektronische Displays The Race for Size SHARP GEN 10 (2.8 x 3.1 m²) fab 2010 Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 157 Bereich IT Elektronische Displays Summary • Professional apps follow CE trends • Professional displays with low volume, high requirements and long development duration Blankenbach / www.displaylabor.de / Einführung / SS 2016 • Major professional applications in Europe: - Automotive - White goods - E-Signage - Industrial - Medical, … differ in size & resolution 158