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反射式平面显示器的新方向
 

【作者: M. Miles等】2003年07月05日 星期六

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由于数字信息变得更行动化,数字显示器也逐渐融入日常生活中,而对于行动产品的市场来说,需要的是一个不贵、低耗电,而且提供全彩的平面显示科技。


一个行动组件的大小和重量主要是由它的耗电力所决定,而平面显示器(FPD)通常占了大部份的消耗电力。FPD至今仍尚未被广大市场接受,除了影像质量外,尺寸及价格是两个主要的瓶颈。如果平面显示器可以更有效率,那么在相同操作时间内就只需要较少的电力,也就可以使用较小且轻的电池。此外,价格也应该符合成本效益,并可以整合至产品中。


近几年来,反射液晶显示器(LCD)在明亮度及色彩对比这两方面虽有进展,但进展的速度似乎慢了些,现今研究工程师朝向提高辅助组件的特性,例如反光薄膜或增加背光模块以提高穿透和反射的效率。以液晶和其他材料制成的Bistable display已经达到部份的效果,但在量产和产品商业化方面却较缓慢。


透过适当的微机电系统(MEMS)装置来产生干涉调节(interferometric modulation),可提供高明亮度和对比,并且适合大面积的生产。本文将以Iridigm Display公司提出的iMoDTM技术为例,说明如何应用简单的构造来提供调节、颜色选择和记忆功能,并省略不需要的组件,例如主动数组(active matrices),滤光片(color filter)和偏极化片(polarizer)。这种技术以STN-LCD价格提供了一个有主动数组性能的高画质平面显示器。


技术理论和构造

从制造面的基板上来看,iMoD的每一层构造都是双元的(binary)。从色彩应用面来看,它会从黑色转变到反射性的红色、绿色或蓝色。这个概念结合了微机电(MEMS)和薄膜光学组件。微机电能够在低耗电和固有的迟滞(hysteresis)特性下以高速调节显微构造。这些薄膜以高效率调节入射光。


这个平面显微构造能藉由控制光学共振腔(optical resonant cavity)内的空气间隙来产生黑、白及彩色(图一)。因为它们的体积很小,反应时间可低到微秒,并且以低于5伏特的波形去驱动组件。早期的设计已经藉由缩小支撑结构的大小来增加影像色彩面积和改良色彩。现今有效利用面积大约是70%。根据组件的大小,300 dpi(单色)或200 dpi(彩色)的分辨率可以由现今制造液晶平面显示器的光刻蚀仪器(Lithographic tools)来制造。


iMoD在弱光及低电力下亦可随时使用,这可说它的一大特色。在影像播放的速度下,它的耗电量亦可低于几百毫瓦/平方英吋。由于这个组件具有记忆和高分辨率的功能,色彩明暗度可以藉由调节线条宽度和空间画素(pixel)变动完成。这样就可以提供显示器设计者更大的设计空间。


《图一 iMoD的简单构造》
《图一 iMoD的简单构造》

iMoD并具有双稳定(bistable)的功能,它让电荷可轻易地输出到任何画素(array)并永久保持输出影像。影像已被验证可维持数十小时(图二)。虽然不太可能完全不耗电,但iMoD的双稳定功能在减少电力消耗上已扮演重要角色。


《图二 图中单色显示器在无电力状况下仍能维持超过10小时的影像》
《图二 图中单色显示器在无电力状况下仍能维持超过10小时的影像》

彩色显示器的原型

在(图三)中为一个用微机电技术所制成的彩色可直视反射式显示器案例,这个显示器在100 dpi具有240x160彩色画素(pixel)。整个iMoD包含了200万的基本iMoD组件。彩色画素的尺寸是257x257μm。画素可区分为红色、绿色和蓝色色带。每一个子像素(subpixel)皆有不同的空气间隙,进而产生欲呈现的颜色(图四)。这空气间隙的大小是由不同厚度的牺牲层在制造过程中被移去而控制。


《图三 具有240x160画素(pixel)分辨率的iMoD矩阵彩色显示器》
《图三 具有240x160画素(pixel)分辨率的iMoD矩阵彩色显示器》
《图四 每个画素被区分为红、绿和蓝色色带,每个子像素(subpixel)有不同的空气间隙,因而产生所需的色彩》
《图四 每个画素被区分为红、绿和蓝色色带,每个子像素(subpixel)有不同的空气间隙,因而产生所需的色彩》

与其他技术的比较分析

iMoD显示器是完全反射式并且以行动装置应用为目标。iMoD显示器藉由干涉而不是偏光(polarization)来形成色彩,所以并没有因偏光片或彩色滤光片所造成的损失。此外,iMoD显示器比一般的反射式/穿透反射式(transflective)液晶显示器和STNs的反射率至少多两倍。因为行动组件必须在不同光线条件如室内或室外产生反射光,iMoD显示器比其他穿透式或射出式(emissive)平面显示器及有机发光二极管(OLED)更为卓越,因为它们能随着周围的光源而调整。它们更有液晶显示器所没有经改良而完全对称的视角锥(view angle cone)。


电力消耗是另外一个重要特性。iMoD具有快速的反应时间(~50μs),并且是双稳定(bi-Stable),所以画素(pixel)本身在静止影像下并不消耗电力,更甚者,设计者只需要联系或更新所需更改的画素。iMoD的高反射率大大降低所需的辅助光源。将以上这些因素结合起来﹐iMoD显示器是一项具有低消耗电力潜力的显示器技术。


最后,iMoD显示器是无机的(inorganic),所以不受紫外线影响,有一个很大的温度和湿度的应用范围,并且非常耐用。


制造和研发的方向

iMoD 的面板可以使用传统的溅射(sputtering)来生产薄膜,并利用侵蚀(etching)和光刻蚀(Lithographic)等成熟的低温制程。这低温制程最适合于使用塑料基板。除此之外,基本的尺寸相当大并且初步的实验数据显示如此可增加良率(yield),因为这个制程几乎不受颗粒缺陷的影响。


生产所需材料在液晶显示器工业随手可得。如此一来,现成液晶显示器设备很容易配合上新制程。设计上并不需要主动数组(active matrix)、偏光器(polarizer)或滤光片(color filter),所以更可符合成本效益且制程上并不比液晶显示器复杂。


结论

现今研发工作的重点在于提升此新型先进的显示器,并且改善现有的充填面积(fill factor)和对比率(contrast ratio)。持续降低驱动电压将可使用以CMOS为主的驱动电路,更进一步降低生产成本、系统复杂性和电力消耗。现在也正进一步改良明亮度、对比、灰阶及反应速率(refresh rate)。


这个技术可以将颜色像在白纸上一样显示,且几乎没有色差,因此适用于全彩手机,或具照片画面质量的个人数字助理(PDA)和超低耗电的电子书。未来亦可能使用于大体积产品,如高画质电视(HDTV)。总而言之,反射式显示器具有在最宽广的光源条件和最低的电力消耗下的可视度(viewability),是极具发展潜力的新显示器技术。(作者作职于 Iridigm Display)


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