“阳光越强，屏幕越亮”的新一代显示器IMOD

近期，位于美国圣地牙哥的高通公司（Qualcomm）发表干涉调制（interferometric modulator, IMOD）显示器，这种装置使用阵列状人工微结构产生斑斓色彩的原理。高通公司打赌，这个原理将会让IMOD拥有许多优势，胜过今日主宰市场的液晶显示器（LCD）技术。

最重要的是，IMOD显示器可大幅降低手持式装置电池的负担，这项特性的重要性将与日俱增，因为人们越来越常用手机浏览网页、传简讯、玩游戏以及播放影片、听音乐。屏幕使用度的增加，对LCD的电源管理是项大挑战，大部份LCD都必须有背光辅助，否则根本无法观看；相对来说，IMOD显示器就像纸张（或蝴蝶翅膀）一样，只要反射周遭的光线即可。

高通光电科技事业发展部门副总裁凯西（James Cathey）说：“LCD屏幕消耗的电量占手机的50%，但IMOD屏幕只占6%。”也就是说，装配IMOD的手机每次充电之后可以用得更久，即使算上在暗处所使用的辅助光源亦然。凯西表示：“在一般的使用情境下，我们估计配备IMOD的手机可播放140分钟以上的影片，而LCD屏幕只能播放50几分钟。”
　
由于IMOD显示器是反射式，在明亮的日光下远较LCD屏幕容易观看，它不会像大部份LCD屏幕那样变暗，反而会更清晰、更鲜艳。凯西说：“如果你会用手机看影片、文字或照片，你就会想要在各种环境中拥有一致的视觉品质。”IMOD显示器单元（unit cell）的开关时间约在10微秒内，比LCD显示器快约1000倍，这个特性使它远比LCD更适合用来播放影片。此外，IMOD面板至少和LCD同样耐用，根据高通公司的测试，IMOD单元至少禁得起120亿次的开、关，相当于连续使用超过七年都不会损坏。
　
当然，LCD还有许多替代品，例如有机发光二极管（OLED）显示器，乃至于运用电泳原理做的“电子纸”，每一种都具有某些和IMOD显示器表现一样好的特性，诸如低耗电、可在阳光下观看、反应快速等，但是无一能囊括全部好处，这就是为何高通对IMOD寄予厚望。

从概念酝酿到实作

IMOD的概念最早是在1984年暑假出现在迈尔斯（Mark Miles）心中，他那时还是美国麻省理工学院（MIT）电机系的学生，正在洛杉矶的休斯飞机公司打工。迈尔斯回忆说：“我偶然间读到一篇文章，讨论使用超微（submicroscopic）天线的阵列将阳光直接转换成电流的可能方法，让我深受吸引。”他熟悉雷达、电视及广播使用的大型天线，也学过无线电波和一般可见光波本质上是一样的：都是交缠的电场和磁场所组成，以波动的方式在空间中前进，速度每秒30万公里。唯一的不同点是，无线电波的波峰和波峰之间距离单位是公分、公尺，甚至公里，而光波的波长还不到公尺的百万分之一。可见光的波峰与波峰距离，大约在700奈米（红光）到400奈米（紫光）之间，彩虹其他所有颜色的波长都介于此范围内。

尽管知道这些，迈尔斯从来没有想过要将这两个观念放在一起，做出能处理光波的微小装置。他回忆说：“后来我突然想到，如果可以想办法控制这些微结构的特性，视需要改变它们的吸收与反射，就可以做出绝妙的显示器。”那会是一片简单的面板，远比当时电视机所采用的笨重映像管（CRT）要轻巧得多。其实，对于如何打造这样的显示器，迈尔斯一点概念也没有，但是没关系。完成学业之后，他在电脑印表机产业担任程式设计师，然后利用空闲时间研究这个问题，并且和MIT的教授讨论。

后来他从其中一位教授那里得知，有种光学仪器正符合他的需要，那就是法布立–培若干涉仪（Fabry-Pérot interferometer），或称标准具（etalon）。它的基本构造是两个平行的反射面中夹着一个空隙，光线穿过半透明的上表面射入空隙之后，会从下表面反射上来，然后在两个表面之间无止尽地来回反射，每一次都有些许光线从上方透出。由于光具有所谓的干涉现象，这些反射使得其中大部份波长的光彼此抵消，不过当反射光波长与两表面间距正好符合特定关系时，则会产生加强效果。因此，标准具的整体功能相当于只会反射一种颜色的镜子，只要改变两个表面的间距，就能选择反射光的颜色。
　
这项技术十分切合迈尔斯的目的，不过还有一个问题。标准具是实验室中用来测量并控制光线的珍贵工具，若要用在高解析度的显示器中，则必须将它们缩小到微米级，然后将数百万个微型标准具在屏幕表面排成阵列，并且分成小组，每组代表一个像素。结果，大自然早已将这项技艺呈现在蓝默蝶（blue morpho）等热带蝴蝶的翅膀上，它们的斑斓色彩就是由翅膀上的奈米构造所造成，其作用非常类似微小的标准具。但是迈尔斯要如何做出那样微小的构造？紧接的问题是，要如何开关像素？
　
这些问题一直困扰着他，直到他认识了微机电系统（MEMS），这是一种用矽做成的微小机器。 MEMS的基本概念最早出现在1970年代，目的是运用制作微处理器的那种技术，在矽晶圆上微雕出机械构造。 MEMS研究人员已经知道如何做出各种齿轮、弹簧、悬臂和通道之类的构造，其中有部份已经开始进入产业。
　
迈尔斯说：“MEMS为我开启了另一条道路，创造实际的装置。”对MEMS制程毫无经验的迈尔斯，白天继续撰写软体维生，晚上则到MIT进修MEMS的课程。修业完毕后，他争取到校方的允许，使用大学的MEMS制造设备。最后，他设计出一个可行的概念，那就是IMOD的最初版本。基本上，它就是一个微型标准具，平行的反射表面是以MEMS技术做出来的薄膜层。薄膜的间距可以在制造过程中设定成反射特定波长（颜色），如此一来，标准具在开启的状态下就相当于一个IMOD单元。
　
另外，微标准具底层使用弹性材质，因此要关闭IMOD单元并不难，只要在两个表面间施以一次相当短暂的电压脉冲，所造成的静电吸引力会使下层向上凸起，于是空隙缩小，使得被反射的波长落到肉眼不可见的紫外线频谱，看起来就像是黑色的了。而且，在切换回彩色之前，IMOD单元不需要再消耗电源即可保持黑色。要切换回彩色也不难，只要施以另一次电压脉冲即可。
　
迈尔斯承认，最初版本的IMOD装置既粗糙又丑陋，不过它们效果够好，使迈尔斯看见通往商业化的道路。 1990年代中期，迈尔斯辞去工作，与他在MIT时的同学拉森（Erik J. Larson）一同在剑桥成立伊利顿公司（Iridigm）。在他们改善这项技术的缓慢过程中，很难获得金钱收入，但是数年后，其中一个投资者高通公司觉得时机到了，决定将该公司完全收购下来。 2004年10月，伊利顿公司成为高通的MEMS科技部门。 [!--empirenews.page--]

上市的艰巨挑战
　
为了要成功，IMOD必须尽可能取得助力。专门提供显示器产业新闻及分析服务的洞见媒体公司（Insight Media）总经理奇诺克（Chris Chinnock）指出，手持式显示器的市场竞争相当激烈，他说：“这里已经有LCD这个大金刚了。” LCD在技术发展和制造设备方面的起步早了数十年，已经有系统地征服了平面显示器市场的每个区块，囊括手持设备、电脑屏幕到壁挂式电视。因此奇诺克警告：“挺身和它们面对面作战，就像是找死。”此外，敌手还包括LCD的所有替代品──OLED、电子纸等，更别提LCD技术本身也有许多改良版。
　
尽管如此，市场仍旧相当庞大。奇诺克说：“手机领导厂商诺基亚，一年生产3亿5000万支手机，将近每天100万支。”全世界的手机产出每年以10亿计，而这还不包括数位音乐播放机、个人数位助理、GPS接收器以及其他手持式电子装置。奇诺克的结论是：“因此，市场渗透率不需太大，就能带来可观的销售量。”
　
高通公司的挑战，在于将IMOD推出市面。高通公司的凯西指出，在实验室里做出可用的显示器是一回事，而创造出坚固耐用的消费产品又是相当不同的另一回事。他举一个问题为例：“你能够将它调整成适合量产吗？”答案是可以：个别IMOD单元比LCD单元构造简单多了，但是又够类似，因此用现有的面板制造设备就能生产IMOD显示器。凯西指出，这是个相当大的优势，因为建造一座全新的厂房得花上10亿美元。不过，接下来还必须解决生产良率的问题：生产线做出来的显示器，实际可用的比例有多少？还有品质控管问题，凯西说：“显示器是站在第一线的，如果有坏点，或者有一小块不均匀，人们一眼就看得到。”成本控管更是头号问题，凯西补充：“在这个市场里，我们的价格必须有竞争力。”
　
最后是颜色的问题。就像LCD等其他显示器一样，显示颜色时，每个像素事实上必须包含三个小像素，各呈现红蓝绿三原色中的一色。而这三个小像素，又各是由多个单元（小小像素）组成，每个小小像素都能各自开关，以呈现色域及亮度。凯西说，在这样的条件下，一个IMOD单元宽度必须小于100微米，才能确保良好显示品质。
　
凯西说，由于学习曲线陡峭，该公司的策略是从小规模开始发展，以累积经验，并且在发展过程中逐一解决生产瑕疵。高通的最初产品只有单色──在背景色（例如金色）上显现黑色。但是他宣称，全彩的IMOD显示器即将诞生。 “我们尚未发表这项进阶款产品，但是我们在这方面将能和其他显示技术相竞争，也许甚至能超越它们。”
　
2007年5月，高通签下第一个公开授权合约，对象是南韩的电子产品公司优比森（Ubixon）。优比森在2007年11月初推出一系列装配有IMOD的蓝芽耳机，这款耳机可无线连接到手机和数位音乐播放机，单色IMOD屏幕可用来显示文字讯息和歌曲名称。

高通希望IMOD技术很快就能迎头赶上。凯西透露，该公司正同时在研究数种非显示器用途的产品，但不便透露研究细节。正如迈尔斯所言：“IMOD是很有威力的光学装置，可以和其他多种光处理方面的装置整合。”然而凯西认为，显示器终将是IMOD表现最亮眼的领域──囊括手机、摄影机，乃至于电子书、电脑屏幕、壁挂式电视以及更多产品。他说：“我们会把规模扩展到那个程度，只要给我们一些时间！”

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干涉调变（IMOD）显示器运用物理学的干涉效应，只需耗用少许电量就能产生亮丽的色彩，适用在手机等电池电量有限的行动装置上。这种显示器在烈日下也能清晰可见。

IMOD显示器的基本单元是两片镜面夹着一个空隙的微小结构，这个空隙决定光线照射显示器时所反射的颜色。

无线电子业界的巨头──高通公司，希望IMOD技术能够攻占液晶显示器所主宰的行动电子产品市场。

（编辑：文静）