日本顯示器公司運(yùn)用低溫多晶硅（LTPS）技術(shù)，在像素內(nèi)嵌入內(nèi)存，從而大幅降低了顯示圖片時(shí)的功耗。此外還解決了反射型LCD模塊以往存在的畫(huà)質(zhì)問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。本文是該公司研發(fā)本部系統(tǒng)開(kāi)發(fā)部的福永容子和仲島義晴撰寫(xiě)的相關(guān)論文。

　　日本顯示器公司已開(kāi)始面向可穿戴設(shè)備用途量產(chǎn)供貨實(shí)現(xiàn)了超低功耗的反射型LCD模塊。采用不使用背照燈的低功耗反射型LCD，為了進(jìn)一步降低功耗，采用了利用嵌入像素的內(nèi)存來(lái)保存圖像信息的“MIP（MemoryinPixel，像素內(nèi)存儲(chǔ)器）”技術(shù)。顯示圖片時(shí)幾乎不消耗電力，這樣用戶就可以長(zhǎng)時(shí)間使用可穿戴設(shè)備。至于反射型LCD原來(lái)存在的低畫(huà)質(zhì)問(wèn)題，我們通過(guò)采用新開(kāi)發(fā)的光散射層，提高了亮度和視認(rèn)性。

　　低功耗和室外視認(rèn)性十分重要

　　目前的智能手機(jī)等主流移動(dòng)設(shè)備的顯示器最為重視高畫(huà)質(zhì)。尤其是在室內(nèi)瀏覽顯示器時(shí)，畫(huà)質(zhì)會(huì)變得十分重要。但如果是可穿戴設(shè)備的話，優(yōu)先次序就會(huì)改變。比如，手表式終端要求一直顯示時(shí)鐘。盡管如此，人們?nèi)韵Ｍ姵刂辽倌軌虼龣C(jī)一周。因此，低功耗性能就變得非常重要。低功耗性能對(duì)生物傳感器類終端也很重要。其原因是，如果為了充電而頻繁摘下佩戴在身上的終端，易用性就會(huì)變差。如果是運(yùn)動(dòng)類終端，雖然低功耗性能也很重要，但還要求在室外具備較高的視認(rèn)性。這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)類終端經(jīng)常在用戶進(jìn)行跑步等戶外活動(dòng)時(shí)使用。

　　反射型LCD是最佳解決方案

　　什么樣的顯示器可以滿足可穿戴設(shè)備的要求呢？如果從室內(nèi)的畫(huà)質(zhì)要求來(lái)考慮，智能手機(jī)等使用的透射型IPSLCD及自發(fā)光型有機(jī)EL都非常出色。但是，從能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備所要求的室外視認(rèn)性及電池持久性的潛在能力來(lái)看，這些顯示器均無(wú)法充分滿足要求。

　　關(guān)于低功耗型顯示器，目前，被稱為電子紙、具備存儲(chǔ)性能的顯示元件已被電子書(shū)等產(chǎn)品采用。因?yàn)榭杀４娓膶?xiě)后的圖像，所以顯示圖片時(shí)不會(huì)消耗電力。但是，具有存儲(chǔ)功能的顯示元件與不具備存儲(chǔ)功能的顯示元件相比，改寫(xiě)圖像所需要的功耗要大一些。而且，原理上很難顯示彩色視頻。雖說(shuō)以圖片顯示為主，但如果是手表式終端的話，通常還需要顯示秒針，有時(shí)可能還想讓其顯示彩色視頻。這樣的話，電子紙就很難滿足要求了。雖然也有反射透射并用型（半透射型）LCD技術(shù)，但因?yàn)槭前胪干浒敕瓷?，所以?huì)犧牲作為反射型LCD的性能，從而導(dǎo)致無(wú)法滿足可穿戴設(shè)備的低功耗要求。

　　我們認(rèn)為反射型LCD是最佳解決方案。由于不需要使用耗電量在LCD中占80％的背照燈，所以功耗非常低。而且還使用了MIP技術(shù)，因此在顯示靜止圖片時(shí)，可進(jìn)一步使功耗降至1/10。但是，由于以前畫(huà)質(zhì)較為遜色，因此用途很難擴(kuò)大。

　　功耗和畫(huà)質(zhì)俱佳

　　于是，我們以超低功耗和高畫(huà)質(zhì)兼顧為目標(biāo)，一直在開(kāi)發(fā)反射型LCD。作為開(kāi)發(fā)成果，我們?cè)?012年的“FPDInternational2012”展會(huì)上公開(kāi)了采用MIP技術(shù)的超低功耗反射型LCD注1）。當(dāng)時(shí)展示了高反射率和高色純度兩種產(chǎn)品。

　　注1）屏幕尺寸為7.03英寸（對(duì)角線為17.9cm），顯示圖片時(shí)的功耗僅為3mW。

　　高反射率品使用顏色較淡的彩色濾光片，以亮度為優(yōu)先。反射率高達(dá)40％，可與EInk公司的電子紙（電泳顯示器）抗衡。盡管色彩表現(xiàn)范圍按NTSC比只有5％，但比電子紙出色。

　　高色純度品在紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三色之外增加了白色（W）子像素，并使用了色彩較濃的彩色濾光片。通過(guò)增加白色子像素獲得了較高反射率，雖加深了彩色濾光片的顏色，但顯示效果并沒(méi)有變暗。色彩表現(xiàn)范圍按NTSC比為36％，反射率為28％注2）。

　　注2）水平方向的分辨率是高反射率產(chǎn)品的3/4。

　　篇首提到的我們已開(kāi)始量產(chǎn)的可穿戴設(shè)備用反射型LCD的基礎(chǔ)技術(shù)就是那時(shí)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。下面就詳細(xì)介紹一下這項(xiàng)技術(shù)。

　　通過(guò)導(dǎo)入光散射層來(lái)提高畫(huà)質(zhì)

　　如上所述，反射型LCD以前存在的課題是畫(huà)質(zhì)較低。我們以下面三點(diǎn)為目標(biāo)提高了畫(huà)質(zhì)。（1）沒(méi)有炫光，看起來(lái)像紙張一樣；（2）反射率高、亮度大；

　　 （3）沒(méi)有彩虹干擾光斑。

　　發(fā)生炫光和彩虹光斑的原因在于以前的反射電極結(jié)構(gòu)。以前的反射電極為了擴(kuò)散反射，在電極表面形成了有規(guī)則的微細(xì)凹凸圖案。這是出現(xiàn)炫光和彩虹光斑的主要原因。而且，顯示器與紙張不同，稍微傾斜一點(diǎn)就會(huì)變亮或變暗，這同樣是反射電極的結(jié)構(gòu)造成的。于是，我們將反射電極改成了平坦的表面。

　　但若只是這樣，會(huì)導(dǎo)致反射電極變得像反射鏡一樣。要想呈現(xiàn)紙張一樣的白色，還必須讓光線發(fā)生散射。于是，我們新開(kāi)發(fā)了光散射層，并將其配置在反射電極的前面。該光散射層的詳情還不能公開(kāi)，只能說(shuō)，采用的是讓光線向特定方向散射的設(shè)計(jì)。從特定方向觀看時(shí)，比使用讓光線均勻散射的散射層時(shí)更加明亮注3）。

　　注3）從斜向或較偏的角度觀看時(shí)，顯示比較暗淡，但由于是用于個(gè)人使用的可穿戴設(shè)備，便采用了這樣的設(shè)計(jì)。

　　利用像素內(nèi)存實(shí)現(xiàn)超低功耗

　　反射型LCD的功耗本來(lái)就很低，但為了使功耗降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，我們導(dǎo)入了MIP（MemoryinPixel）技術(shù)。當(dāng)顯示圖片時(shí)，若將圖像信息寫(xiě)入像素 內(nèi)存一次，就可以持續(xù)使用，不需要再逐幀（一般為1/60秒一次）寫(xiě)入。因無(wú)需對(duì)源極線加載高頻率數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至各像素，源極線周圍的充放電會(huì)驟減。其結(jié) 果，面板功耗便可降至1/10以下。

　　采用MIP技術(shù)的反射型LCD的系統(tǒng)，像素的各個(gè)子像素中均嵌入了兩個(gè)SRAM。這必須要有CMOS電路，只能通過(guò)低溫多晶硅（LTPS）TFT來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖像顯示以開(kāi)/關(guān)二值顯示為基礎(chǔ)，采用了面積灰階方式。由主機(jī)發(fā)送至顯示器的信號(hào)會(huì)以提高面積灰階方式的畫(huà)質(zhì)為目的，進(jìn)行Dithering（誤差擴(kuò)散， 也較抖動(dòng)顯示）所需運(yùn)算。其結(jié)果會(huì)被發(fā)送至行內(nèi)存。而改寫(xiě)信號(hào)的顯示行則會(huì)被V解碼器和門控緩沖器選中，并由信號(hào)緩沖器發(fā)送對(duì)應(yīng)于該顯示行的數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　采用新像素結(jié)構(gòu)和誤差擴(kuò)散技術(shù)

　　我們開(kāi)發(fā)的反射型LCD模塊，使用寫(xiě)入子像素內(nèi)2bitSRAM的圖像信息，并在分割為三部分的子像素的各區(qū)域內(nèi)進(jìn)行白色或黑色顯示，從而實(shí)現(xiàn)了4灰階表 現(xiàn)能力。對(duì)于2bit的圖像信息，通常是以2比1的面積比例將子像素分成兩部分，把前者用于高位顯示，把后者用于低位顯示。但是，這種方法會(huì)因?yàn)榛译A層次 不同而導(dǎo)致子像素內(nèi)的濃淡（黑白）重心上下錯(cuò)位。這可能會(huì)造成線狀顯示缺陷。為了解決這一問(wèn)題，我們把子像素分成了三部分，把上下區(qū)域分配給了高位顯示， 把中間區(qū)域分配給了低位顯示。采用這種方法，濃淡的重心就會(huì)一直位于中間。

　　由于各子像素均為4灰階，因此由RGB子像素構(gòu)成的各像素均可進(jìn)行64色顯示。但是，要順暢地顯示自然景色，灰階還不夠，因此我們采用了剛才提到的誤差擴(kuò)散技術(shù)。要防止誤差擴(kuò)散特有的點(diǎn)狀不均或閃爍變得明顯，誤差擴(kuò)散法需要根據(jù)具體的圖片和視頻內(nèi)容靈活運(yùn)用。

　　確保在昏暗處的視認(rèn)性

　　反射型LCD的缺點(diǎn)是在沒(méi)有外部光線的昏暗處看不到顯示。在像素內(nèi)設(shè)置外部光線反射區(qū)域和背照燈透射區(qū)域的反射透射并用型（半透射型）技術(shù)可解決這個(gè)問(wèn) 題。可為反射電極設(shè)置開(kāi)口部，將其用作透射區(qū)域。不過(guò)，設(shè)置透射區(qū)域會(huì)導(dǎo)致反射區(qū)域的面積縮小，因此會(huì)造成反射率降低。由于智能手機(jī)更重視透射性能，因此 這不是什么大問(wèn)題，但對(duì)于經(jīng)常在戶外瀏覽屏幕的可穿戴設(shè)備而言，這是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

　　于是，為了不犧牲反射率，我們開(kāi)發(fā)出了將像素和像素之間的區(qū)域作為透射區(qū)域（開(kāi)口部）的技術(shù)。該開(kāi)口部沒(méi)有下部電極，但液晶分子會(huì)像非開(kāi)口部一樣移動(dòng)，因此顯示沒(méi)有問(wèn)題。我們對(duì)比了明亮處的反射顯示和昏暗處的透射顯示，確認(rèn)了視認(rèn)性。

　　另外，我們還開(kāi)發(fā)出了基于模擬灰階的高畫(huà)質(zhì)高精細(xì)度反射型LCD。這種顯示屏不使用像素內(nèi)存，而是通過(guò)與普通LCD相同的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。雖然比不上使用像素 內(nèi)存的產(chǎn)品，但因?yàn)槭欠瓷湫?，所以功耗較低，只有普通顯示屏的1/5左右。設(shè)想用于不需要像可穿戴設(shè)備那樣的超低功耗，但非常重視畫(huà)質(zhì)的用途。這種顯示屏 已在“FPDInternational2013”展會(huì)上公開(kāi)。

　　對(duì)于使用像素內(nèi)存的面積灰階方式反射型LCD，其精細(xì)度與灰階數(shù)或顯示色數(shù)量之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。原因是，采用面積灰階方式時(shí)，為了增加灰階數(shù)或顯示 色數(shù)量，必須縮小子像素的尺寸，并把像素分割得更小。但是，要使用像素內(nèi)存，就要將內(nèi)存集成到子像素內(nèi)，這樣就限制了子像素的小型化（高精細(xì)化）。因此， 使用像素內(nèi)存的面積灰階反射型LCD試制品的精細(xì)度僅為182ppi，灰階數(shù)為4，顯示色數(shù)只有64色。

　　而2013年公開(kāi)的高畫(huà)質(zhì)產(chǎn)品的各色的模擬灰階為6bit，因此可實(shí)現(xiàn)64灰階、26萬(wàn)色顯示。屏幕尺寸為7英寸，像素?cái)?shù)為1200×1920，精細(xì)度高達(dá)321ppi。將RGBW子像素改成了2×2配置，反射率高于采用條紋配置的產(chǎn)品。