日本顯示器公司運用低溫多晶硅（LTPS）技術，在像素內嵌入內存，從而大幅降低了顯示圖片時的功耗。此外還解決了反射型LCD模塊以往存在的畫質問題，最終實現(xiàn)量產。本文是該公司研發(fā)本部系統(tǒng)開發(fā)部的福永容子和仲島義晴撰寫的相關論文。

　　日本顯示器公司已開始面向可穿戴設備用途量產供貨實現(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，為了進一步降低功耗，采用了利用嵌入像素的內存來保存圖像信息的“MIP（MemoryinPixel，像素內存儲器）”技術。顯示圖片時幾乎不消耗電力，這樣用戶就可以長時間使用可穿戴設備。至于反射型LCD原來存在的低畫質問題，我們通過采用新開發(fā)的光散射層，提高了亮度和視認性。

　　低功耗和室外視認性十分重要

　　目前的智能手機等主流移動設備的顯示器最為重視高畫質。尤其是在室內瀏覽顯示器時，畫質會變得十分重要。但如果是可穿戴設備的話，優(yōu)先次序就會改變。比如，手表式終端要求一直顯示時鐘。盡管如此，人們仍希望電池至少能夠待機一周。因此，低功耗性能就變得非常重要。低功耗性能對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，易用性就會變差。如果是運動類終端，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性。這是因為運動類終端經(jīng)常在用戶進行跑步等戶外活動時使用。

　　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備的要求呢？如果從室內的畫質要求來考慮，智能手機等使用的透射型IPSLCD及自發(fā)光型有機EL都非常出色。但是，從能夠實現(xiàn)可穿戴設備所要求的室外視認性及電池持久性的潛在能力來看，這些顯示器均無法充分滿足要求。

　　關于低功耗型顯示器，目前，被稱為電子紙、具備存儲性能的顯示元件已被電子書等產品采用。因為可保存改寫后的圖像，所以顯示圖片時不會消耗電力。但是，具有存儲功能的顯示元件與不具備存儲功能的顯示元件相比，改寫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，但因為是半透射半反射，所以會犧牲作為反射型LCD的性能，從而導致無法滿足可穿戴設備的低功耗要求。

　　我們認為反射型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，因此在顯示靜止圖片時，可進一步使功耗降至1/10。但是，由于以前畫質較為遜色，因此用途很難擴大。

　　功耗和畫質俱佳

　　于是，我們以超低功耗和高畫質兼顧為目標，一直在開發(fā)反射型LCD。作為開發(fā)成果，我們在2012年的“FPDInternational2012”展會上公開了采用MIP技術的超低功耗反射型LCD注1）。當時展示了高反射率和高色純度兩種產品。

　　注1）屏幕尺寸為7.03英寸（對角線為17.9cm），顯示圖片時的功耗僅為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（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品的3/4。

　　篇首提到的我們已開始量產的可穿戴設備用反射型LCD的基礎技術就是那時開發(fā)出來的。下面就詳細介紹一下這項技術。

　　通過導入光散射層來提高畫質

　　如上所述，反射型LCD以前存在的課題是畫質較低。我們以下面三點為目標提高了畫質。（1）沒有炫光，看起來像紙張一樣；（2）反射率高、亮度大；

　　 （3）沒有彩虹干擾光斑。

　　發(fā)生炫光和彩虹光斑的原因在于以前的反射電極結構。以前的反射電極為了擴散反射，在電極表面形成了有規(guī)則的微細凹凸圖案。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，稍微傾斜一點就會變亮或變暗，這同樣是反射電極的結構造成的。于是，我們將反射電極改成了平坦的表面。

　　但若只是這樣，會導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，只能說，采用的是讓光線向特定方向散射的設計。從特定方向觀看時，比使用讓光線均勻散射的散射層時更加明亮注3）。

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

　　利用像素內存實現(xiàn)超低功耗

　　反射型LCD的功耗本來就很低，但為了使功耗降低一個數(shù)量級，我們導入了MIP（MemoryinPixel）技術。當顯示圖片時，若將圖像信息寫入像素 內存一次，就可以持續(xù)使用，不需要再逐幀（一般為1/60秒一次）寫入。因無需對源極線加載高頻率數(shù)據(jù)信號傳輸至各像素，源極線周圍的充放電會驟減。其結 果，面板功耗便可降至1/10以下。

　　采用MIP技術的反射型LCD的系統(tǒng)，像素的各個子像素中均嵌入了兩個SRAM。這必須要有CMOS電路，只能通過低溫多晶硅（LTPS）TFT來實現(xiàn)。 圖像顯示以開/關二值顯示為基礎，采用了面積灰階方式。由主機發(fā)送至顯示器的信號會以提高面積灰階方式的畫質為目的，進行Dithering（誤差擴散， 也較抖動顯示）所需運算。其結果會被發(fā)送至行內存。而改寫信號的顯示行則會被V解碼器和門控緩沖器選中，并由信號緩沖器發(fā)送對應于該顯示行的數(shù)據(jù)信號。

　　采用新像素結構和誤差擴散技術

　　我們開發(fā)的反射型LCD模塊，使用寫入子像素內2bitSRAM的圖像信息，并在分割為三部分的子像素的各區(qū)域內進行白色或黑色顯示，從而實現(xiàn)了4灰階表 現(xiàn)能力。對于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，這種方法會因為灰階層次 不同而導致子像素內的濃淡（黑白）重心上下錯位。這可能會造成線狀顯示缺陷。為了解決這一問題，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子像素構成的各像素均可進行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散技術。要防止誤差擴散特有的點狀不均或閃爍變得明顯，誤差擴散法需要根據(jù)具體的圖片和視頻內容靈活運用。

　　確保在昏暗處的視認性

　　反射型LCD的缺點是在沒有外部光線的昏暗處看不到顯示。在像素內設置外部光線反射區(qū)域和背照燈透射區(qū)域的反射透射并用型（半透射型）技術可解決這個問 題。可為反射電極設置開口部，將其用作透射區(qū)域。不過，設置透射區(qū)域會導致反射區(qū)域的面積縮小，因此會造成反射率降低。由于智能手機更重視透射性能，因此 這不是什么大問題，但對于經(jīng)常在戶外瀏覽屏幕的可穿戴設備而言，這是一個很重要的問題。

　　于是，為了不犧牲反射率，我們開發(fā)出了將像素和像素之間的區(qū)域作為透射區(qū)域（開口部）的技術。該開口部沒有下部電極，但液晶分子會像非開口部一樣移動，因此顯示沒有問題。我們對比了明亮處的反射顯示和昏暗處的透射顯示，確認了視認性。

　　另外，我們還開發(fā)出了基于模擬灰階的高畫質高精細度反射型LCD。這種顯示屏不使用像素內存，而是通過與普通LCD相同的方式來驅動。雖然比不上使用像素 內存的產品，但因為是反射型，所以功耗較低，只有普通顯示屏的1/5左右。設想用于不需要像可穿戴設備那樣的超低功耗，但非常重視畫質的用途。這種顯示屏 已在“FPDInternational2013”展會上公開。

　　對于使用像素內存的面積灰階方式反射型LCD，其精細度與灰階數(shù)或顯示色數(shù)量之間存在此消彼長的關系。原因是，采用面積灰階方式時，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，要使用像素內存，就要將內存集成到子像素內，這樣就限制了子像素的小型化（高精細化）。因此， 使用像素內存的面積灰階反射型LCD試制品的精細度僅為182ppi，灰階數(shù)為4，顯示色數(shù)只有64色。

　　而2013年公開的高畫質產品的各色的模擬灰階為6bit，因此可實現(xiàn)64灰階、26萬色顯示。屏幕尺寸為7英寸，像素數(shù)為1200×1920，精細度高達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品。