高通在2010巴塞隆納MWC移動通信世界大會展示了一台顯示器, 這台顯示器使用的是他們獨家研發的mirasol面板. 看習慣了液晶螢幕, 乍看之下會覺得mirasol只是個平凡的顯示器, 不夠廣的色域, 讓整體色彩飽和度與TFT-LCD相去甚遠更別說要與OLED相比了. 但是如果大家這麼覺得的話, 就真的太小看這片面板了! Mirasol顯示器在大會上可是眾所矚目的焦點, 除了是由晶片大廠Qualcomm所力推的顯示器, 最主要的特色就是它符合近來最夯的環保節能議題. 而且算是一個全新的顯示技術, 在現在面板產業的殺戮戰場, 是有機會創造成為新的藍海的!
話說十年前, 微機電(MEMS)這個名詞就已經變成機械領域的熱門話題了, 當初紅透半邊天的一張照片就是一隻螞蟻舉著一顆齒輪的照片, 這照片不知吸引了多少年輕學子跨入微機電領域, 其中微光機電(MOEMS)也是相當熱門的微機電領域. 光從字面上解釋MOEMS就包含光學、機械與電機三個領域, 應用範圍涵蓋了通信、顯示與感應器等產業. 只不過MOEMS開發難度實在太高, 經過多年, 台灣微機電產業始終沒能在這方向有所進展, 但是現在Qualcomm辦到了! 經由購入Mark W. Miles的專利, 整合Qualcomm的設計資源並結合台灣的半導體製造能力, 開始將實驗室的樣品導入量產化. 從晶片大廠的角色跨足微機電與顯示器領域開發出mirasol顯示器, 技術里程碑已經從單色2”進入到彩色5.7” 且支援解析度1024*768並具有前光源輔助的顯示規格, 不論在強光照射下或在暗室中都能讓使用者清楚辨識的畫面, 而且主打的節能規格在同尺寸的顯示面積下, 最多可節省96%的電力. 雖然色彩飽和度及對比的規格與TFT-LCD及OLED相差甚遠, 但做為電子書閱讀器已能提供不錯的使用性.
有興趣的朋友可以連上mirasol 官方網站www.mirasoldisplays.com ,Qualcomm提供相當多的訊息可供使用者查詢, 包含簡介短片、原理說明等, 可以看得出Qualcomm非常用心在經營這個產品, 利用淺顯易懂的動畫說明來讓讀者了解mirasol的基礎架構與運動方式. 大家會好奇的是, 為何網站處處都有的蝴蝶標誌? 其實這是在說明該技術是由蝶翼所得到的概念. 該技術發明人Mark W. Miles藉由模仿蝶翼鱗粉上的微結構, 以微機電的技術創造可進行分光與干涉的調變器, 這也是該產品技術Interferometric Modulator(IMOD)的主要核心概念. 蝶翼在SEM照片中會呈現陣列排列堆疊的樹枝狀結構, 就是讓蝴蝶擁有各種鮮艷的色彩最主要來源, 光線在微結構型成的空間中進行建設性與破壞性干涉, 將此原理應用在mirasol顯示器時, 當結構間隙為光波長1/4時, 就能留下特定的光波並將其他顏色消除. 以藍光(波長400~480nm)為例, 當間隙約110nm時, 大部分的頻譜能量皆會因干涉而大幅下降, 但藍光卻因建設性干涉而變得更強.
那微機電技術與mirasol有甚麼關連性呢? 大家熟悉的半導體技術主要是利用堆疊與蝕刻的方式來建構出複雜的電子電路, 而微機電製程除堆疊與蝕刻還包含有掏空(犧牲層)的方式, 經由掏空的製程來做出一個個可活動的元件. Mirasol顯示器的核心元件IMOD就是一個可活動的薄膜, 設計者建構出需要的孔洞與薄膜後, 透過靜電的驅動讓薄膜在孔洞中上下移動, 就能像液晶一樣當做開關來控制光線的折射. 也可以借此決定要呈現出何種波段的可見光.
為何要用靜電驅動呢? 微機電裝置的運動方式一般可區分為靜電、電磁、壓電與熱電方式來做驅動, 而其中最適合運用在顯示器的就屬靜電式的驅動方式, 可以達到顯示器需要的快速切換. 目前最快的液晶切換速度約可達到1ms, 但是靜電式的切換速度可低到10~15us, 這樣的反應速度可是比液晶快約100倍. 那除了很快的反應速度外, Mirasol還有甚麼特點呢? 其中最主要的就是節能訴求, 藉由反射與干涉來達到光線控制, 約可反射60%的入射光, 在明亮的環境下是不需要使用外加光源的, 而且環境越亮面板亮度與對比就更高. 這一點就與電子紙的表現方式接近. 而LCD因為需使用背光、偏光片與濾光片的設計, 使得光源使用率約只有6%. 以室外陽光照射的環境下, Mirasol因不需使用外加光源, 可比LCD多省下80%以上的電力需求.
在驅動方式上, Mirasol還有個秘密武器, 就是雙模態的驅動方式. 在不加控制電壓的狀態時, 不管是亮或暗的控制, 單體元件都可以固定在相同位置, 這在看單一畫面時幾乎是可以達到0功耗的電力表現. 這是為甚麼呢? 簡單來說就是靜電驅動的遲滯現象, 因為靜電式驅動方式就是用靜電力與機械力做抗衡, 當靜電力小於結構的機械力時元件會固定不動, 一旦有一瞬間大於機械力時, 元件就會作躍升的運動, 因此遲滯現象在顯示裝置上就變成了很大的優點. 雙模態的運動讓顯示元件可以在不通電狀態下保持在固定的位置, 所以在靜態畫面下同尺寸的顯示器可比TFT-LCD省下96%的電力, 非常適合作為電子書的應用. 而在動態畫面下這個功能也可以節省93%的耗電量, 也遠遠勝過LCD的能源消耗. 目前大部分LCD有個致命傷就是見光死, 相信大多數的使用者都有在室外強光下看不清楚LCD畫面的經驗吧! 主要因為外來光亮度大於LCD的背光亮度, 會讓面板透出的光線都被外在強光抵消掉. 但Mirasol因為是反射環境光來達到顯示功能, 因此環境光越強, 顯示幕亮度就越高, 在暗處的表現則可藉由前光光源的加入獲得一定程度的改善.
說完優點, 那Mirasol 顯示器有哪些困難尚待克服呢? 做為顯示器的技術開發, 從黑白到彩色是每種技術的必經之路, Mirasol已進入彩色階段但其中的色域、對比、灰階數都還有很大的努力空間! 而且還有量產技術待突破, 畢竟許多微機電系統的產品開發最終都是因為無法克服量產技術而終告失敗. 但就如同TFT-LCD的開發歷程, 也期待Qualcomm未來能成功製作出高彩度、低耗能且價格具競爭力的顯示器, 讓大家一窺蝴蝶振翅的奧秘囉!
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