解構:科大新熒幕技術 FLCD【真 AV 教室】

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七月 16, 2018 •家居無線, 影音產品

談起熒幕技術,相信大家大都會聯想起 OLED、LCD、LED,而影音愛好者或者會再加多 Plasma 這種已經「壽終正寢」的熒幕技術。而早前香港科技大學先進顯示與光電子技術國家重點實驗室,就宣佈成功研發一種全新的 LCD 顯示技術、名為「有源驅動鐵電液晶顯示器(Ferroelectric Liquid Crystal Display,簡稱 FLCD),號稱有著像素、光度大幅提升,兼且能夠節能省電兼減省開發成本的眾多優勢。

究竟這種港產技術背後是甚麼葫蘆便賣甚麼藥?艾域就專訪到該團隊的「統領」、科大電子及計算機工程學系講座教授郭海成,交由他為大家深入解構吧。

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改用鐵電液晶   反應速度快 1000 倍

據郭教授表示,傳統 LCD 液晶熒幕排列方式主要都是相列式,而今次的 FLCD 則顧名思義,改用鐵電式液晶。他指出:「鐵電式其實之前已經很多人做過,但一直無法成功,但今次我們的就好特別。以前的鐵電液晶依靠『Surface Stabilization』(表面穩定)技術,很難製造而且十分不穩定,但我們就找尋到新材料及結構,令這種液晶能夠十分穩定,無需使用 Surface Stabilization。」他續指出,以往的鐵電液晶,一觸碰就會因為破壞內部序列而即時損壞,但 FLCD 就無這個問題,可以隨便觸碰熒幕表面。

FLCD 改用新型鐵電液晶,最大好處就是能夠大幅度提升反應速度,由傳統 LCD 熒幕最快的數毫秒(ms),提升至十數微秒(μs),足足快上 1000 倍!

▲ 香港科技大學先進顯示與光電子技術國家重點實驗室研究團隊,開發出全新 LCD 熒幕技術 FLCD(有源驅動鐵電液晶顯示器)。

▲ 現時 FLCD 的示範原型由研究團隊與台灣友達光電(AUO)共同製造,熒幕尺寸為 3 吋。(相片由科技大學提供)

能夠改用場序式顯示   去除彩色濾光片及子像素

郭教授繼續解釋,之所以要使用反應速度大幅提升的鐵電液晶,是因為 FLCD 採用的顏色顯示方法與現有熒幕不同。「傳統上彩色熒幕共有兩種顯示顏色方法,一種是 Spatial Coloring(空間式),另一種則是 Field Sequential Coloring(場序式),兩種方法都是將紅、藍、綠光在眼睛中混合成不同的顏色。」

他指後者其實存在已久,在最早期 47 至 48 年、美國品牌 RCA 推出之彩色電視機中,就是採用時間場序式技術,不過這種技術必須要 RGB 顏色畫面驅動得夠快,才可以令眼睛看到混合出正確顏色,技術相對上就比較困難做得到,因此在 50 年代就改為使用空間式,每個像素中包含 RGB 三原色子像素並加入彩色濾光片,並一直沿用至今。

但如前文所述,由於鐵電液晶的反應時間大幅提升,足以應付使用場序式顯示時,快速順序地輸出 RGB LED 背光系統所提供之紅、藍、綠三原色光源畫格(Frame),確保觀看者雙眼不會看到「色分離」(Color Breakup)問題。而由於用上場序式顯示,因此 FLCD 熒幕就可以刪去每個像素點內的子像素,以及將彩色濾光片一併移除。

▲ FLCD 示範原型於 5 月在美國洛杉磯舉行之 SID Display Week 2018,就取獲 I-Zone(Innovation Zone)最佳原型獎項(相片由科技大學提供)。

▲ 傳統 LCD 熒幕,每個像素都會再設有 RGB 三原色子像素,並在 TFT 薄膜電晶體後方設有彩色濾光片,亦主要採用白光或 RGB LED 組合輸出白光的 LED 背光系統。

▲ 至於 FLCD 熒幕,則會刪去 RGB 子像素及彩色濾光片,而 LED 背光燈系統亦只會採用 RGB LED。郭教授解釋雖然現時不少高階 LCD 電視機都與 FLCD 同樣使用 RGB LED 背光系統,但其實兩者「既是相同又是不同」,傳統 LCD 的 RGB LED 背光在發送至 TFT 薄膜電晶體時會組合成白光,而 FLCD 的畫格就會以全紅、全綠、全藍方式,按時間順序高速驅動發送,再由視覺系統混合成彩色影像,因此可顯示色域更廣闊之餘,亦能有效提高色彩飽和度。

FLCD 優勢:解像度/亮度提升、節省成本/能源    適用於手提電話/VR 裝置/電視機

說到這裡,究竟 FLCD 熒幕有何好處呢?首先是移除成本佔 LCD 熒幕達 30% 之彩色濾光片,整體生產成本自然較傳統 LCD 熒幕為低。另外,由於不設子像素,因此能夠將像素空間用盡,從而令同一尺寸下解像度可提升 3 倍。而由於不設子像素及彩色濾光片,FLCD 熒幕的透光率亦因而提升,令背光消耗大幅降低,不論是用於流動還是家用裝置,也能夠達到節省能源及省電目的。

因此,郭教授認為 FLCD 十分適合用於手提電話、平板及手提電腦等流動裝置,而由於解像度可提升 3 倍,因此也可用作改善 VR 裝置的畫面細緻度。若用於電視機之中,則因為受惠於 RGB LED 背光系統,令畫面顏色表現以至整體飽和度都可有更佳的效果。不過雖然優點不少,但究竟何時能夠商品化,仍然需視乎廠商的取態。

▲ 同場對比 FLCD 及傳統 LCD 熒幕,可以發現前者的亮度明顯高得多。

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