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新一代顯示器IMOD──陽光越強，螢幕越亮
- 模仿蝴蝶翅膀的呈色原理，這種新科技能使螢幕在烈日下依然清晰可見。
Brilliant Displays
作者╱沃德羅普 ( M. Mitchell Waldrop )
譯者╱王怡文
下一次購買手機時，請仔細看一下螢幕。如果科技發展如同高通公司（Qualcomm）所預期，那個色彩繽紛的小方塊可能會為「蝴蝶效應」一詞帶來全新的意義。其實，這家位於美國聖地牙哥的公司近期發表的干涉調變（interferometric modulator, IMOD）顯示器，與蝴蝶拍動翅膀時可能意外對氣候造成強烈影響的理論無關；不過，這種裝置使用陣列狀人工微結構產生斑斕色彩的原理，確實與熱帶蝴蝶的翅膀相同。高通公司打賭，這個原理將會讓IMOD擁有許多優勢，勝過今日主宰市場的液晶顯示器（LCD）技術。
最重要的是，IMOD顯示器可大幅降低手持式裝置電池的負擔，這項特性的重要性將與日俱增，因為人們越來越常用手機瀏覽網頁、傳簡訊、玩遊戲以及播放影片、聽音樂。螢幕使用度的增加，對 LCD的電源管理是項大挑戰，大部份LCD都必須有背光輔助，否則根本無法觀看；相對來說，IMOD顯示器就像紙張（或蝴蝶翅膀）一樣，只要反射周遭的光線即可。
高通光電科技事業發展部門副總裁凱西（James Cathey）說：「LCD螢幕消耗的電量佔手機的50%，但IMOD螢幕只佔6%。」也就是說，裝配IMOD的手機每次充電之後可以用得更久，即使算上在暗處所使用的輔助光源亦然。凱西表示：「在一般的使用情境下，我們估計配備IMOD的手機可播放140分鐘以上的影片，而LCD螢幕只能播放50幾分鐘。」
由於IMOD顯示器是反射式，在明亮的日光下遠較LCD螢幕容易觀看，它不會像大部份LCD螢幕那樣變暗，反而會更清晰、更鮮豔。凱西說：「如果你會用手機看影片、文字或照片，你就會想要在各種環境中擁有一致的視覺品質。」
IMOD顯示器單元（unit cell）的開關時間約在10微秒內，比LCD顯示器快約1000倍，這個特性使它遠比LCD更適合用來播放影片。此外，IMOD面板至少和LCD同樣耐用，根據高通公司的測試，IMOD單元至少禁得起120億次的開、關，相當於連續使用超過七年都不會損壞。
當然，LCD還有許多替代品，例如有機發光二極體（OLED）顯示器，乃至於運用電泳原理做的「電子紙」，每一種都具有某些和IMOD顯示器表現一樣好的特性，諸如低耗電、可在陽光下觀看、反應快速等，但是無一能囊括全部好處，這就是為何高通對IMOD寄予厚望。
從概念醞釀到實作
IMOD的概念最早是在1984年暑假出現在邁爾斯（Mark Miles）心中，他那時還是美國麻省理工學院（MIT）電機系的學生，正在洛杉磯的休斯飛機公司打工。
邁爾斯回憶說：「我偶然間讀到一篇文章，討論使用超微（submicroscopic）天線的陣列將陽光直接轉換成電流的可能方法，讓我深受吸引。」他熟悉雷達、電視及廣播使用的大型天線，也學過無線電波和一般可見光波本質上是一樣的：都是交纏的電場和磁場所組成，以波動的方式在空間中前進，速度每秒 30萬公里。唯一的不同點是，無線電波的波峰和波峰之間距離單位是公分、公尺，甚至公里，而光波的波長還不到公尺的百萬分之一。可見光的波峰與波峰距離，大約在700奈米（紅光）到400奈米（紫光）之間，彩虹其他所有顏色的波長都介於此範圍內。
儘管知道這些，邁爾斯從來沒有想過要將這兩個觀念放在一起，做出能處理光波的微小裝置。他回憶說：「後來我突然想到，如果可以想辦法控制這些微結構的特性，視需要改變它們的吸收與反射，就可以做出絕妙的顯示器。」那會是一片簡單的面板，遠比當時電視機所採用的笨重映像管（CRT）要輕巧得多。
其實，對於如何打造這樣的顯示器，邁爾斯一點概念也沒有，但是沒關係。完成學業之後，他在電腦印表機產業擔任程式設計師，然後利用空閒時間研究這個問題，並且和MIT的教授討論。
後來他從其中一位教授那裡得知，有種光學儀器正符合他的需要，那就是法布立–培若干涉儀（Fabry-Pérot interferometer），或稱標準具（etalon）。它的基本構造是兩個平行的反射面中夾著一個空隙，光線穿過半透明的上表面射入空隙之後，會從下表面反射上來，然後在兩個表面之間無止盡地來回反射，每一次都有些許光線從上方透出。由於光具有所謂的干涉現象，這些反射使得其中大部份波長的光彼此抵消，不過當反射光波長與兩表面間距正好符合特定關係時，則會產生加強效果（見80頁〈IMOD運作原理〉）。因此，標準具的整體功能相當於只會反射一種顏色的鏡子，只要改變兩個表面的間距，就能選擇反射光的顏色。
這項技術十分切合邁爾斯的目的，不過還有一個問題。誠然，標準具是實驗室中用來測量並控制光線的珍貴工具，若要用在高解析度的顯示器中，則必須將它們縮小到微米級，然後將數百萬個微型標準具在螢幕表面排成陣列，並且分成小組，每組代表一個像素。結果，大自然早已將這項技藝呈現在藍默蝶（blue morpho）等熱帶蝴蝶的翅膀上，牠們的斑斕色彩就是由翅膀上的奈米構造所造成，其作用非常類似微小的標準具。但是邁爾斯要如何做出那樣微小的構造？緊接的問題是，要如何開關像素？
這些問題一直困擾著他，直到他認識了微機電系統（MEMS），這是一種用矽做成的微小機器。MEMS的基本概念最早出現在1970年代，目的是運用製作微處理器的那種技術，在矽晶圓上微雕出機械構造。MEMS研究人員已經知道如何做出各種齒輪、彈簧、懸臂和通道之類的構造，其中有部份已經開始進入產業。
邁爾斯說：「MEMS為我開啟了另一條道路，創造實際的裝置。」對MEMS製程毫無經驗的邁爾斯，白天繼續撰寫軟體維生，晚上則到MIT進修MEMS的課程。修業完畢後，他爭取到校方的允許，使用大學的MEMS製造設備。最後，他設計出一個可行的概念，那就是IMOD的最初版本。基本上，它就是一個微型標準具，平行的反射表面是以MEMS技術做出來的薄膜層。薄膜的間距可以在製造過程中設定成反射特定波長（顏色），如此一來，標準具在開啟的狀態下就相當於一個IMOD單元。
另外，微標準具底層使用彈性材質，因此要關閉IMOD單元並不難，只要在兩個表面間施以一次相當短暫的電壓脈衝，所造成的靜電吸引力會使下層向上凸起，於是空隙縮小，使得被反射的波長落到肉眼不可見的紫外線頻譜，看起來就像是黑色的了。而且，在切換回彩色之前，IMOD單元不需要再消耗電源即可保持黑色。要切換回彩色也不難，只要施以另一次電壓脈衝即可。
邁爾斯承認，最初版本的IMOD裝置既粗糙又醜陋，不過它們效果夠好，使邁爾斯看見通往商業化的道路。1990年代中期，邁爾斯辭去工作，與他在MIT時的同學拉森（Erik J. Larson）一同在劍橋成立伊利頓公司（Iridigm）。在他們改善這項技術的緩慢過程中，很難獲得金錢收入，但是數年後，其中一個投資者高通公司覺得時機到了，決定將該公司完全收購下來。2004年10月，伊利頓公司成為高通的MEMS科技部門。
上市的艱鉅挑戰
為了要成功，IMOD必須盡可能取得助力。專門提供顯示器產業新聞及分析服務的洞見媒體公司（Insight Media）總經理奇諾克（Chris Chinnock）指出，手持式顯示器的市場競爭相當激烈，他說：「這裡已經有LCD這個大金剛了。」LCD在技術發展和製造設備方面的起步早了數十年，已經有系統地征服了平面顯示器市場的每個區塊，囊括手持設備、電腦螢幕到壁掛式電視。因此奇諾克警告：「挺身和它們面對面作戰，就像是找死。」此外，敵手還包括LCD的所有替代品──OLED、電子紙等，更別提LCD技術本身也有許多改良版。
儘管如此，市場仍舊相當龐大。奇諾克說：「手機領導廠商諾基亞，一年生產3億5000萬支手機，將近每天100萬支。」全世界的手機產出每年以10億計，而這還不包括數位音樂播放機、個人數位助理、GPS 接收器以及其他手持式電子裝置。奇諾克的結論是：「因此，市場滲透率不需太大，就能帶來可觀的銷售量。」
高通公司的挑戰，在於將IMOD推出市面。高通公司的凱西指出，在實驗室裡做出可用的顯示器是一回事，而創造出堅固耐用的消費產品又是相當不同的另一回事。他舉一個問題為例：「你能夠將它調整成適合量產嗎？」答案是可以：個別IMOD單元比LCD單元構造簡單多了，但是又夠類似，因此用現有的面板製造設備就能生產IMOD顯示器。凱西指出，這是個相當大的優勢，因為建造一座全新的廠房得花上10億美元。不過，接下來還必須解決生產良率的問題：生產線做出來的顯示器，實際可用的比例有多少？還有品質控管問題，凱西說：「顯示器是站在第一線的，如果有壞點，或者有一小塊不均勻，人們一眼就看得到。」成本控管更是頭號問題，凱西補充：「在這個市場裡，我們的價格必須有競爭力。」
最後是顏色的問題。就像LCD等其他顯示器一樣，顯示顏色時，每個像素事實上必須包含三個小像素，各呈現紅藍綠三原色中的一色。而這三個小像素，又各是由多個單元（小小像素）組成，每個小小像素都能各自開關，以呈現色域及亮度。凱西說，在這樣的條件下，一個 IMOD單元寬度必須小於100微米，才能確保良好顯示品質。
凱西說，由於學習曲線陡峭，該公司的策略是從小規模開始發展，以累積經驗，並且在發展過程中逐一解決生產瑕疵。高通的最初產品只有單色──在背景色（例如金色）上顯現黑色。但是他宣稱，全彩的IMOD顯示器即將誕生。「我們尚未發表這項進階款產品，但是我們在這方面將能和其他顯示技術相競爭，也許甚至能超越它們。」
2007年5月，高通簽下第一個公開授權合約，對象是南韓的電子產品公司優比森（Ubixon）。優比森在2007年11月初推出一系列裝配有IMOD的藍芽耳機，這款耳機可無線連接到手機和數位音樂播放機，單色IMOD螢幕可用來顯示文字訊息和歌曲名稱。
很顯然，高通希望IMOD技術很快就能迎頭趕上。凱西透露，該公司正同時在研究數種非顯示器用途的產品，但不便透露研究細節。正如邁爾斯所言：「IMOD是很有威力的光學裝置，可以和其他多種光處理方面的裝置整合。」然而凱西認為，顯示器終將是IMOD表現最亮眼的領域──囊括手機、攝影機，乃至於電子書、電腦螢幕、壁掛式電視以及更多產品。他說：「我們會把規模擴展到那個程度，只要給我們一些時間！」 （本文出自SA 200711） End
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科學人 2008年1月號 第 71 期
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作者╱沃德羅普 ( M. Mitchell Waldrop )
譯者╱王怡文
下一次購買手機時，請仔細看一下螢幕。如果科技發展如同高通公司（Qualcomm）所預期，那個色彩繽紛的小方塊可能會為「蝴蝶效應」一詞帶來全新的意義。其實，這家位於美國聖地牙哥的公司近期發表的干涉調變（interferometric modulator, IMOD）顯示器，與蝴蝶拍動翅膀時可能意外對氣候造成強烈影響的理論無關；不過，這種裝置使用陣列狀人工微結構產生斑斕色彩的原理，確實與熱帶蝴蝶的翅膀相同。高通公司打賭，這個原理將會讓IMOD擁有許多優勢，勝過今日主宰市場的液晶顯示器（LCD）技術。
最重要的是，IMOD顯示器可大幅降低手持式裝置電池的負擔，這項特性的重要性將與日俱增，因為人們越來越常用手機瀏覽網頁、傳簡訊、玩遊戲以及播放影片、聽音樂。螢幕使用度的增加，對 LCD的電源管理是項大挑戰，大部份LCD都必須有背光輔助，否則根本無法觀看；相對來說，IMOD顯示器就像紙張（或蝴蝶翅膀）一樣，只要反射周遭的光線即可。
高通光電科技事業發展部門副總裁凱西（James Cathey）說：「LCD螢幕消耗的電量佔手機的50%，但IMOD螢幕只佔6%。」也就是說，裝配IMOD的手機每次充電之後可以用得更久，即使算上在暗處所使用的輔助光源亦然。凱西表示：「在一般的使用情境下，我們估計配備IMOD的手機可播放140分鐘以上的影片，而LCD螢幕只能播放50幾分鐘。」
由於IMOD顯示器是反射式，在明亮的日光下遠較LCD螢幕容易觀看，它不會像大部份LCD螢幕那樣變暗，反而會更清晰、更鮮豔。凱西說：「如果你會用手機看影片、文字或照片，你就會想要在各種環境中擁有一致的視覺品質。」
IMOD顯示器單元（unit cell）的開關時間約在10微秒內，比LCD顯示器快約1000倍，這個特性使它遠比LCD更適合用來播放影片。此外，IMOD面板至少和LCD同樣耐用，根據高通公司的測試，IMOD單元至少禁得起120億次的開、關，相當於連續使用超過七年都不會損壞。
當然，LCD還有許多替代品，例如有機發光二極體（OLED）顯示器，乃至於運用電泳原理做的「電子紙」，每一種都具有某些和IMOD顯示器表現一樣好的特性，諸如低耗電、可在陽光下觀看、反應快速等，但是無一能囊括全部好處，這就是為何高通對IMOD寄予厚望。
從概念醞釀到實作
IMOD的概念最早是在1984年暑假出現在邁爾斯（Mark Miles）心中，他那時還是美國麻省理工學院（MIT）電機系的學生，正在洛杉磯的休斯飛機公司打工。
邁爾斯回憶說：「我偶然間讀到一篇文章，討論使用超微（submicroscopic）天線的陣列將陽光直接轉換成電流的可能方法，讓我深受吸引。」他熟悉雷達、電視及廣播使用的大型天線，也學過無線電波和一般可見光波本質上是一樣的：都是交纏的電場和磁場所組成，以波動的方式在空間中前進，速度每秒 30萬公里。唯一的不同點是，無線電波的波峰和波峰之間距離單位是公分、公尺，甚至公里，而光波的波長還不到公尺的百萬分之一。可見光的波峰與波峰距離，大約在700奈米（紅光）到400奈米（紫光）之間，彩虹其他所有顏色的波長都介於此範圍內。
儘管知道這些，邁爾斯從來沒有想過要將這兩個觀念放在一起，做出能處理光波的微小裝置。他回憶說：「後來我突然想到，如果可以想辦法控制這些微結構的特性，視需要改變它們的吸收與反射，就可以做出絕妙的顯示器。」那會是一片簡單的面板，遠比當時電視機所採用的笨重映像管（CRT）要輕巧得多。
其實，對於如何打造這樣的顯示器，邁爾斯一點概念也沒有，但是沒關係。完成學業之後，他在電腦印表機產業擔任程式設計師，然後利用空閒時間研究這個問題，並且和MIT的教授討論。
後來他從其中一位教授那裡得知，有種光學儀器正符合他的需要，那就是法布立–培若干涉儀（Fabry-Pérot interferometer），或稱標準具（etalon）。它的基本構造是兩個平行的反射面中夾著一個空隙，光線穿過半透明的上表面射入空隙之後，會從下表面反射上來，然後在兩個表面之間無止盡地來回反射，每一次都有些許光線從上方透出。由於光具有所謂的干涉現象，這些反射使得其中大部份波長的光彼此抵消，不過當反射光波長與兩表面間距正好符合特定關係時，則會產生加強效果（見80頁〈IMOD運作原理〉）。因此，標準具的整體功能相當於只會反射一種顏色的鏡子，只要改變兩個表面的間距，就能選擇反射光的顏色。
這項技術十分切合邁爾斯的目的，不過還有一個問題。誠然，標準具是實驗室中用來測量並控制光線的珍貴工具，若要用在高解析度的顯示器中，則必須將它們縮小到微米級，然後將數百萬個微型標準具在螢幕表面排成陣列，並且分成小組，每組代表一個像素。結果，大自然早已將這項技藝呈現在藍默蝶（blue morpho）等熱帶蝴蝶的翅膀上，牠們的斑斕色彩就是由翅膀上的奈米構造所造成，其作用非常類似微小的標準具。但是邁爾斯要如何做出那樣微小的構造？緊接的問題是，要如何開關像素？
這些問題一直困擾著他，直到他認識了微機電系統（MEMS），這是一種用矽做成的微小機器。MEMS的基本概念最早出現在1970年代，目的是運用製作微處理器的那種技術，在矽晶圓上微雕出機械構造。MEMS研究人員已經知道如何做出各種齒輪、彈簧、懸臂和通道之類的構造，其中有部份已經開始進入產業。
邁爾斯說：「MEMS為我開啟了另一條道路，創造實際的裝置。」對MEMS製程毫無經驗的邁爾斯，白天繼續撰寫軟體維生，晚上則到MIT進修MEMS的課程。修業完畢後，他爭取到校方的允許，使用大學的MEMS製造設備。最後，他設計出一個可行的概念，那就是IMOD的最初版本。基本上，它就是一個微型標準具，平行的反射表面是以MEMS技術做出來的薄膜層。薄膜的間距可以在製造過程中設定成反射特定波長（顏色），如此一來，標準具在開啟的狀態下就相當於一個IMOD單元。
另外，微標準具底層使用彈性材質，因此要關閉IMOD單元並不難，只要在兩個表面間施以一次相當短暫的電壓脈衝，所造成的靜電吸引力會使下層向上凸起，於是空隙縮小，使得被反射的波長落到肉眼不可見的紫外線頻譜，看起來就像是黑色的了。而且，在切換回彩色之前，IMOD單元不需要再消耗電源即可保持黑色。要切換回彩色也不難，只要施以另一次電壓脈衝即可。
邁爾斯承認，最初版本的IMOD裝置既粗糙又醜陋，不過它們效果夠好，使邁爾斯看見通往商業化的道路。1990年代中期，邁爾斯辭去工作，與他在MIT時的同學拉森（Erik J. Larson）一同在劍橋成立伊利頓公司（Iridigm）。在他們改善這項技術的緩慢過程中，很難獲得金錢收入，但是數年後，其中一個投資者高通公司覺得時機到了，決定將該公司完全收購下來。2004年10月，伊利頓公司成為高通的MEMS科技部門。
上市的艱鉅挑戰
為了要成功，IMOD必須盡可能取得助力。專門提供顯示器產業新聞及分析服務的洞見媒體公司（Insight Media）總經理奇諾克（Chris Chinnock）指出，手持式顯示器的市場競爭相當激烈，他說：「這裡已經有LCD這個大金剛了。」LCD在技術發展和製造設備方面的起步早了數十年，已經有系統地征服了平面顯示器市場的每個區塊，囊括手持設備、電腦螢幕到壁掛式電視。因此奇諾克警告：「挺身和它們面對面作戰，就像是找死。」此外，敵手還包括LCD的所有替代品──OLED、電子紙等，更別提LCD技術本身也有許多改良版。
儘管如此，市場仍舊相當龐大。奇諾克說：「手機領導廠商諾基亞，一年生產3億5000萬支手機，將近每天100萬支。」全世界的手機產出每年以10億計，而這還不包括數位音樂播放機、個人數位助理、GPS 接收器以及其他手持式電子裝置。奇諾克的結論是：「因此，市場滲透率不需太大，就能帶來可觀的銷售量。」
高通公司的挑戰，在於將IMOD推出市面。高通公司的凱西指出，在實驗室裡做出可用的顯示器是一回事，而創造出堅固耐用的消費產品又是相當不同的另一回事。他舉一個問題為例：「你能夠將它調整成適合量產嗎？」答案是可以：個別IMOD單元比LCD單元構造簡單多了，但是又夠類似，因此用現有的面板製造設備就能生產IMOD顯示器。凱西指出，這是個相當大的優勢，因為建造一座全新的廠房得花上10億美元。不過，接下來還必須解決生產良率的問題：生產線做出來的顯示器，實際可用的比例有多少？還有品質控管問題，凱西說：「顯示器是站在第一線的，如果有壞點，或者有一小塊不均勻，人們一眼就看得到。」成本控管更是頭號問題，凱西補充：「在這個市場裡，我們的價格必須有競爭力。」
最後是顏色的問題。就像LCD等其他顯示器一樣，顯示顏色時，每個像素事實上必須包含三個小像素，各呈現紅藍綠三原色中的一色。而這三個小像素，又各是由多個單元（小小像素）組成，每個小小像素都能各自開關，以呈現色域及亮度。凱西說，在這樣的條件下，一個 IMOD單元寬度必須小於100微米，才能確保良好顯示品質。
凱西說，由於學習曲線陡峭，該公司的策略是從小規模開始發展，以累積經驗，並且在發展過程中逐一解決生產瑕疵。高通的最初產品只有單色──在背景色（例如金色）上顯現黑色。但是他宣稱，全彩的IMOD顯示器即將誕生。「我們尚未發表這項進階款產品，但是我們在這方面將能和其他顯示技術相競爭，也許甚至能超越它們。」
2007年5月，高通簽下第一個公開授權合約，對象是南韓的電子產品公司優比森（Ubixon）。優比森在2007年11月初推出一系列裝配有IMOD的藍芽耳機，這款耳機可無線連接到手機和數位音樂播放機，單色IMOD螢幕可用來顯示文字訊息和歌曲名稱。
很顯然，高通希望IMOD技術很快就能迎頭趕上。凱西透露，該公司正同時在研究數種非顯示器用途的產品，但不便透露研究細節。正如邁爾斯所言：「IMOD是很有威力的光學裝置，可以和其他多種光處理方面的裝置整合。」然而凱西認為，顯示器終將是IMOD表現最亮眼的領域──囊括手機、攝影機，乃至於電子書、電腦螢幕、壁掛式電視以及更多產品。他說：「我們會把規模擴展到那個程度，只要給我們一些時間！」 （本文出自SA 200711） End
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科學人 2008年1月號 第 71 期
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