JDI可穿戴性顯示器報告

1、可穿戴：需兼顧超低功耗和高畫質發(fā)布時間：2014-7-24 日本顯示器公司以論文的形式講解該公司面向可穿戴設備開始量產(chǎn)的超低功耗反射型LCD模塊技術。該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。此外還提高了反射型LCD模塊以往存在的課題畫質，并最終實現(xiàn)量產(chǎn)。以下是該公司研發(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。可穿戴設備用反射型LCD市場有望增長目前主流LCD顯示器均傾向于向高畫質方向發(fā)展，而另一個進化方向則是低功耗化。日本顯示器面向可穿戴設備開發(fā)出了超低功耗反射型LCD模塊。對今后的市場增長充滿期待。日本顯示器公司已開始面向可穿戴設備用

2、途量產(chǎn)供貨實現(xiàn)了超低功耗的反射型LCD模塊（圖1）。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（Memory in Pixel，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。圖1開始量產(chǎn)超低功耗反射型LCD模塊2014年1月開始量產(chǎn)供貨。利用嵌在像素里的內存來保存圖像信息，因此在顯示圖片時，可通過持續(xù)保存數(shù)據(jù)，以超低功耗顯示圖像。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。

3、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)先順序就會發(fā)生改變。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？（圖2）如果從室內的畫質要求來考慮，智能手機等使用的透射型IPS LCD及自發(fā)光型有機EL都非常出色

4、。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。圖2什么是可滿足可穿戴設備要求的顯示器對于低功耗和外部光線下出色的視認性等要求，反射型LCD具備很高的潛力。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(chǎn)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

5、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。功耗和畫質均不遜色于是，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“FPD International 2012”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

6、度兩種產(chǎn)品（圖3）。圖3開發(fā)出同時實現(xiàn)超低功耗和高畫質的反射型LCD導入了不僅可提高反射型LCD的畫質還能在顯示圖片時大幅降低功耗的技術。采用通用的基礎技術，試制出了重視色彩表現(xiàn)性和重視反射率兩種設計的反射型LCD。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。高反射率產(chǎn)品使用顏色較淺的彩色濾光片，優(yōu)先考慮了亮度。反射率高達40，可與E Ink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。高色純度產(chǎn)品在紅（R）、綠（G）、藍（B）三色之外增加了白色（W）子像素，并使用了色彩較深的彩色濾光片。通過增加白色子像素獲得了較高反

7、射率，雖加深了彩色濾光片的顏色，但顯示效果并不暗淡。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始量產(chǎn)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進行擴散反射，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

8、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。不過，只是這樣的話，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（圖4）。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）。圖4提高反射型LCD的畫質通過采用新開發(fā)的光散射層，實現(xiàn)了前所未有的出色畫質。不僅看起來更接近紙張，還提高了反射率（a）。 還可抑制擴散反射板原來存在的彩虹光斑問題（b）。注3）從斜向

9、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MIP實現(xiàn)超低功耗反射型LCD的功耗本來就很低，但為了進一步大幅降低功耗，我們導入了MIP（Memory in Pixel）技術（圖5（a）。顯示圖片時，將圖像信息寫入像素內存中一次之后，可以繼續(xù)使用這些信息，不需要逐幀（一般為1/60秒一次）寫入圖像信息。無需讓頻率較高的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由源極線傳輸至各像素，因此源極線周圍的充放電會驟減。這樣，面板功耗便可降至1/10以下。圖5通過MIP技術實現(xiàn)超低功耗MIP技術可在各子像素的反射電極下形成SRAM。這樣就不再需要在顯示圖片時進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)了超低功耗

10、（a）。SRAM為2bit（b）。圖5（b）為采用MIP技術的反射型LCD的系統(tǒng)構成。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2bit SRAM的圖像信息，并在分割為三部分的

11、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（圖6）。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（如圖6所示），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。圖6采用將子像素分成三份的新的像素結構將2bit信息用分成三份的子像素來顯示。如圖所示，通過4灰階表現(xiàn)，使各bit的重心均等，從而防止了顯示的不協(xié)調感?？赏ㄟ^RGB各

12、色的4灰階表現(xiàn)，顯示64種顏色。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（圖7）。圖7通過誤差擴散法改善畫質由于是面積灰階方式，要確保一定的精細度（分辨率）的話，就要犧牲灰階（顯示色數(shù)） 。為了彌補這一點，日本顯示器公司采用了誤差擴散法 。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

13、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（圖8）。圖8可確保在暗處的視認性想出了將像素之間作為開口部來透過背光的方法（a）。由此大幅削減了原來的半透射型液晶顯示器常見的反射損失。在普通照明燈下

14、的反射顯示和在暗處的透明顯示幾乎為同等畫質（b）。還開發(fā)出了模擬灰階高畫質產(chǎn)品以上是2014年開始量產(chǎn)的可穿戴設備用反射型LCD模塊的基礎技術。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（圖9）。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(chǎn)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“FPD International 2013”展會上公開。圖9開發(fā)出了不采用MIP技術的模擬灰階高精細高畫質產(chǎn)品設想用于彩色電子書等用途。功耗沒有采用MIP方式的反射型LCD那么低，但在不使用背照燈的反射型LCD中實現(xiàn)了較低的功耗。沒有在像素內嵌入內存，而是采用與目前普遍使用的透射型LCD相同的模擬驅動方式，容易實現(xiàn)高精細度和高畫質。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