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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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光電顯示技術大躍進 新視覺時代來臨

文/魏茂國 攝/高國展

光電顯示技術大躍進  新視覺時代來臨
光電顯示技術大躍進 新視覺時代來臨

從能源到醫療,從生活到娛樂,
光電科技不僅為我們帶來更多更新的應用,更成為產業發展的重要推手。
於6月10至12日舉行的「2009台北國際光電週」中,
工研院特別整合光電技術、影像顯示、微系統與奈米科技等創新研發成果進行展出,
並能在這些先進科技中,窺知未來的生活潮流與取向。

LED 的應用、3D立體影像顯示、軟性顯示器等技術,都是近年相當熱門的光電科技發展,包括廠商業者與研究機構,都積極投入相關的領域。在2009台北國際光電週中,工研院也以「舞動新視界、動感Fu科技」為主題,強調視覺方面的技術與表現,並期望透過研發的突破與逐漸成熟,更能兼具產業導入與量產的效益,協助國內業者發展、提升民眾生活品質。

光電科技工業協進會董事長石大成表示,雖然受到金融風暴的影響,2008年台灣整體光電產業規模仍達新台幣1兆9,730萬元,並且在LED晶粒與封裝、STN/TFT-LCD面板、光碟機與光碟片、數位相機及OLED等產品的生產上,台灣皆居全球前三大,太陽能電池也為全球第四。這些成績不只顯示台灣是全球光電產業的重鎮,更是產官研等單位必須持續尋求優勢與利基的地方。

像是在節能的趨勢下,LED就是個不可或缺的重要角色。以LED照明為例,2008年工研院獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的AC LED技術,便克服了傳統LED供電與既有使用方式不同,以及專利限制與推廣不易的問題,也激發出許多利用與產品;目前更已串連上下游廠商,準備進軍國際市場,對於LED產量居世界之冠的台灣來說,也是個相當好的機會。

而在平面顯示器已為市場主流、各種大小尺寸螢幕隨處可見的同時,產業對於體積愈輕小、製造成本愈低廉的產品,需求不斷增高;而在傳統製程與技術的限制下,工研院提出更新的材料與技術,也帶來了不同的解決方法,不但可以撓曲、便於攜帶,而且更省電、耐撞擊,為未來3C產品提供新的樣貌。甚至在3D立體顯示方面,各式裸眼觀看或需戴眼鏡的呈現媒介,加上更具速度與效率的3D畫面內容產生技術,將可整合解決推廣3D產業的需求。

3D影像顯示,生活娛樂更豐富

過去數年好萊塢不斷推出3D立體效果的電影,更預計未來每年都有十部以上的3D電影上映,顯見3D影像顯示技術已有長足的進步,同時更加深人們對於突破2D平面顯示,邁向3D影像生活的可能與需求。3D影像顯示不僅更符合人類視覺,也帶來更多互動性與真實感,因此包括影音娛樂及遊戲產業,都相當注重這塊市場。而如何讓消費者能輕鬆舒適地觀賞,就成為技術研發上的一大考驗,例如能裸眼觀看就是相當吸引人的因素。

3D立體影像是近年來顯示技術開發的一大重點領域,事實上,對於3D影像顯示的效果好壞,眼睛與大腦的反應是最能直接辨別的;當畫面中的人物與景物愈細緻,有如跳出螢幕般,就愈能抓住觀眾的目光。因此在技術上,除了要能夠呈現更自然生動的畫面,並搭配現有的顯示設備外,3D影像內容的製作或轉換,更關乎於能否加速3D產業的發展及市場的推廣,軟硬體的整合才可建構更完整的效益。未來能夠以合理的成本,在家中就可欣賞到3D影像,也將會很快地實現。

3D畫框與3D數位看板】

工研院以更新的材料及技術,讓顯示器不但可撓曲便攜帶,而且更省電、耐撞擊,為未來3C產品提供新的樣貌。
工研院以更新的材料及技術,讓顯示器不但可撓曲便攜帶,而且更省電、耐撞擊,為未來3C產品提供新的樣貌。

「3D畫框」與「3D數位看板」結合了裸眼式3D顯示器與視訊播放器,也就是不需配戴特殊的眼鏡,就能夠觀看到3D的畫面;利用傾斜擺設的視差光柵技術,將影像做特殊的排列,使左右眼看到不同的影像,而產生3D立體的顯示,並減少水平解析度的損失,同時還能降低左右眼影像疊影的困擾,提供9個視域且舒適、不易暈眩的觀賞效果。

目前在高解析的「3D畫框」上,已可達到四倍的Full HD螢幕解析度,高達3,840×2,160,3D立體解析度更可達1,280×720,畫質更細緻清晰,因此適合用在畫展、博物館導覽、立體劇院等高解析度水準要求的場合。而在解析度較低的「3D數位看板」方面,則是強調影音串流處理的速度,並可達到1,920×1,080的螢幕解析度,與640×360的3D解析度,可用在電子看板、戶外廣告等多媒體視訊的播放,讓呈現的影像內容更能吸「睛」。



【iScreen高畫質3D影像顯示技術】

透過配帶特殊設計的快門眼鏡,對左右眼快速播送交錯切換的畫面,就可以形成3D立體影像。
透過配帶特殊設計的快門眼鏡,對左右眼快速播送交錯切換的畫面,就可以形成3D立體影像。

一般的立體顯示器技術,不是立體視角太小,就是立體解析度過低,「iScreen高畫質3D影像顯示技術」則彌補了這兩項缺點;透過多台投影機的陣列,以影像集合投影的方式,可將畫面分割投影,取得更佳的觀看視角與畫質,同時隨著投影機數量的增加,解析度也跟著提高,並具有極佳的系統擴充性。

由於「iScreen高畫質3D影像顯示技術」訴求的是高畫質的用途,能提供觀賞者具有空間深度的視覺感受,以更自然逼真的方式呈現影像資訊,因此像是醫療或專業設計,以及數位廣告、娛樂等都相當合適。

【快門眼鏡立體3D顯示器技術】

想用一般的LCD顯示器觀看3D立體影像,「快門眼鏡立體3D顯示器技術」就是個簡便的方法;也就是利用時間差的方式,透過配戴特殊設計的快門眼鏡(shutter glasses),對左右眼快速播送交錯切換的畫面,形成3D立體的影像。

「快門眼鏡立體3D顯示器技術」的關鍵,在於運用了動態背光模組設計及電控技術,消除動態殘影,並搭配快門眼鏡同步技術,使眼鏡與影像同步,因而能產生正確且相當逼真清楚的影像;所見到的解析度,即為全部的解析度,可達1,680×1,050,且干擾少、成本低,沒有視覺角度的限制。

工研院研發的3D影像轉換最新技術,首次運用在偶像劇上,首創國內第一齣3D偶像劇。
工研院研發的3D影像轉換最新技術,首次運用在偶像劇上,首創國內第一齣3D偶像劇。

【2D/3D可切換式立體顯示器】

要使3D影像顯示更容易推廣使用,就必須克服目前以LCD平面顯示器為主流,且3D內容不足的市場狀況。採裸眼式立體顯示的「2D/3D可切換式立體顯示器」,是以微位相差膜製程專利技術,以及切換式液晶架構,在既有的LCD顯示器上,就能視播放內容與需要,進行2D與3D模式間的切換。

「2D/3D可切換式立體顯示器」的技術用途相當廣泛,包括LCD電視與顯示器、電腦、數位相框、手機等,而且不需要額外添購整套設備才能觀看3D影像,對消費者更具吸引力。

【2D轉3D影像技術】

目前推廣3D影像顯示的一大問題,在於3D內容不夠充足,也因此較難促使消費者購置相關設備。但是利用「2D轉3D影像技術」的軟體運算,只要透過簡單的步驟,就能將一般所拍攝的2D數位照片或影片,經由影像的分析與計算,轉換成3D的影像內容,塑造層次感,供3D立體顯示器播放;並可針對不同的內容類型,套用不同的演算法。

「2D轉3D影像技術」的運算及轉檔過程,可以達到全自動化,減少人工編修的需要;以單張數位照片為例,僅約一分鐘就能轉換完成,並可以無線方式傳輸,方便快速觀看。未來無論是用在立體數位相框、立體顯示的手機或相機、虛擬窗戶及立體畫框等立體顯示器上,都能節省不少時間,甚至可即拍即看,營造生活情趣。

【高畫質立體影像拍攝系統】

除了透過軟體運算的方法來產生3D內容,對於直接拍攝3D立體影像視訊,「高畫質立體影像拍攝系統」提供了較低成本的製作方案;主要是由兩台具攝影功能的數位單眼相機所組成,並可解決傳統立體影像拍攝的問題。

首先是在變焦方面,「高畫質立體影像拍攝系統」利用時規皮帶,對兩台數位相機進行機解械式同步變焦,避免一般攝影機可能因線路或馬達的延遲,造成無法同時變焦的落差。而在時序同步上,進行3D影像視訊拍攝時,皆會希望能達到同時開始、同時結束,並且減少硬體本身所產生的拍攝差距;因此在軟體處理上,除了利用閃光燈做為起始與結束的同步訊號供軟體辨識,使兩台數位相機所拍攝的影片長度能夠相同之外,也利用軟體對左右視訊進行自動或半自動的校正,進一步提升3D影像的呈現效果。

軟性顯示器,輕薄攜帶更方便

大面積單色膽固醇顯示器可應用字畫展示,或是戶外大面積看板,還能隨時更換不同的畫面內容。
大面積單色膽固醇顯示器可應用字畫展示,或是戶外大面積看板,還能隨時更換不同的畫面內容。

無論是電視、電腦,或是手機、PDA、數位相框等,在現代生活裡,很難想像沒有顯示器存在的日子,也說明了顯示器做為獲取資訊與溝通的重要介面。不過就以當今主流的LCD液晶顯示器來說,是採用玻璃材質為基板製造,加上背光模組等元件而成,雖然目前已使用得相當普遍,卻也相對帶來了不小的體積與重量,也是廠商與技術研發單位亟欲克服的問題。

因此,軟性顯示器的開發目的,主要除了要能減少體積和重量外,可撓曲的特性更不用擔心破損等狀況,方便攜帶、收納與更換,且耗電量更低,解析度也愈來愈高,並能藉由材料與製程的改善設計,降低生產或設備轉換的成本,同時增加市場應用的可能,而成為光電技術研發的方向。

軟性顯示器不只有機會可以取代傳統的LCD,並能運用在螢幕顯示、廣告看板及手持裝置上,或是做為電子紙、電子書的用途,以及各種室內外場所的內容展示使用,可以說相當具有發展的潛力,工研院也以多種角度切入,為廠商提供不同的新世代顯示技術解決方案。

【大面積單色膽固醇液晶顯示器】

膽固醇液晶具有雙穩態的優點,只有在畫面更新時才需供電,即使切斷電源,仍會停留在最後顯示的畫面,並且不需要背光源,而是靠環境反射式光源來顯示,因此耗能低、非常省電,畫面也不會閃爍,相當適合用在影像的顯示。在結構上,「大面積單色膽固醇液晶顯示器」還利用了特殊的微胞化技術,改善傳統膽固醇液晶的色差與視角問題,並具有耐壓力、耐衝擊的特性。

「大面積單色膽固醇液晶顯示器」是以塑膠為基板,採用捲對捲(Roll to Roll)的製程,包括雷射製作電極圖案化,並塗佈膽固醇液晶與吸收層,再以網印方式印上銀電極、加強導電;由於結構簡單,不只製程速度快,製程長度也幾乎不受限制,因而可以大面積的生產,成本也相當低。

因此有如電子紙般,也可想像成是不用換紙的印表機,由於軟性的膽固醇液晶面板可以捲曲收納,當面板收回時,即利用電場將畫面清除;當面板輸出時,透過機台的熱寫頭與電腦,就可將想要的畫面呈現出來。目前「大面積單色膽固醇液晶顯示器」可運用電、熱、光(雷射)等模式進行寫入,實際輸出的寬度和解析度則取決於熱寫頭,約2分鐘就能顯示一公尺長的畫面;可以做為告示及字畫的展示,或是用於戶外大面積的看板,並能更換不同的畫面內容。

【膽固醇液晶顯示器的e-POP應用】

利用膽固醇液晶顯示器,「e-POP電子廣告」就是一項簡單且可多樣化設計的應用;也就是不只是廣告,舉凡裝飾或擺設,都可以採用相同的技術來達成。工研院為此特別與大可意念合作,以電子鐘的概念呈現膽固醇液晶顯示器的特性,並以區段驅動的方式,針對需要特別突顯的圖塊進行閃動(秒針、分針等),達到提醒或吸引觀看者的目的。

其他像是商店與餐廳外的促銷告示、裝飾藝術或禮品玩具等,都能運用同樣的手法,即使撓曲也不會影響正常顯示。另外,因膽固醇液晶顯示器方便攜帶,只要具有對應的驅動設備,就能將膽固醇液晶顯示器帶到不同的地方使用,更添便利。

將膽固醇憶晶顯示器用於行銷用途,除文字與靜止畫面外,還能支援動態圖像顯示。
將膽固醇憶晶顯示器用於行銷用途,除文字與靜止畫面外,還能支援動態圖像顯示。

【10吋彩色電子閱讀器】

單層彩色膽固醇液晶顯示器將電子書從黑白帶進彩色,實物影像呈現相當具有真實性。
單層彩色膽固醇液晶顯示器將電子書從黑白帶進彩色,實物影像呈現相當具有真實性。

膽固醇液晶顯示器不只能顯示單色,彩色的顯示更能符合實際需求、增加附加價值。「彩色電子閱讀器」(e-Reader)包含了高彩度膽固醇液晶材料開發、面板結構設計、面板製程開發及驅動系統等主要技術,是以噴墨或分道注入方式將RGB三種顏色的膽固醇液晶噴印在畫素中,不同於以往三色分層堆疊的結構,僅為一單層彩色液晶,因此可降低面板厚度與重量,同時解決色差與視角的問題,並能簡化製程,有效提升產品良率,減少生產成本。

【AMOLED可撓曲螢幕】

AMOLED可撓曲螢幕不需背光模組重量與厚度也大幅減少適合播放多媒體影音動態內容
AMOLED可撓曲螢幕不需背光模組重量與厚度也大幅減少適合播放多媒體影音動態內容

「AMOLED可撓曲螢幕」主要是結合了透明的塑膠PI基板取下技術,以及可撓曲矽晶薄膜電晶體技術,並整合有機發光二極體(OLED)顯示介質,所開發而成的可撓性主動顯示器背板,其特色在於具有高影像顯示、高反應速率,以及可自發光、耗電少,不需背光模組,重量與厚度也大幅減少,更不易破裂,因此適合播放多媒體影音動態內容,並應用在筆記型電腦、手機、PDA、GPS等可攜式及手持裝置上。

利用AMOLED的特性,還可為產品進行特殊的設計,例如將螢幕做成捲曲的型式收納,需要觀看使用時再抽出使用,不僅可省下產品體積,並能維持顯示的功能。另外,「AMOLED可撓曲螢幕」能立即與目前的產業製程銜接,以既有的設備,便能進行軟性電晶體下板生產,並預計年底前能將技術提升為彩色顯示,也提供國內廠商轉型與自製的機會。

【有機電晶體應用於軟性電子紙】

以有機薄膜電晶體(OTFT)進行軟性顯示器的開發技術,是在塑膠軟板上做OTFT的陣列,進行畫面的顯示,同時因其有機高分子材料具有延展性,而具備了可撓性與輕薄短小、低溫製程等優點,以及連續式生產的潛力;整合於電子紙的概念時,更可帶來行動化與個性化的便利,還能節省印刷成本。

軟性電子紙、書籍、軟性顯示器等,都是軟性有機薄膜電晶體可應用的範圍,且容易攜帶、耐撞擊而不易破損。目前工研院已與鑼洤科技合作,開發出國內第一個全軟電子紙,加上採用反射光源,感覺就像是一般紙張。另外,有機電晶體還可進行其他應用,例如智慧標籤上的電路辨識,或是智慧電子卡上的內容顯示等,就可由遠端控制與更改。

【快速反應微流體顯示器】

提到印刷品,很多人就會聯想到油墨;但是到了電子印刷品的階段,能否還是使用油墨來完成顯示?「快速反應微流體顯示器」所使用的主要原料,只有特殊處理過的油和水,當施加電壓時,就會驅使透明的水來推動具有顏色的油,以呈現出不同的影像,更像是本電子書;不只結構簡單、成本低廉,同時反射率較反射式的LCD為高,與傳統LCD顯示器的製程相容性也高,易於廠商轉換承接。

「快速反應微流體顯示器」因具有反應速度快的特性,像是消費性電子產品,或是兼具遮陽功能與圖像顯示的情境式窗戶都很適用。未來還可搭配噴墨式製程(Ink Jet Printing; IJP),將RGB三色的顯色介質注入同一個面板中,達到彩色顯示的功能,無需外加裝彩色濾光片,並有機會能改良開發成為軟性顯示器。

【多點觸控印製型觸覺感測陣列】

「多點觸控印製型觸覺感測陣列」為一軟性陣列感測器,使用電阻式的材料,以Roll to Roll的網版印刷方式印製與貼合,因此成本更低、方便量產,並利用特殊掃描程序和電路技術完成Multi-Touch的功能,達到全像式投影多點觸控的技術,以及目前市面上電阻式感測器無法達到的多點式觸控功能,更不必如傳統電容式觸控螢幕需以特殊導體為感應。

將「多點觸控印製型觸覺感測陣列」整合於手機、PDA等裝置上時,就能提供手寫或筆觸的功能,從小面積的觸控板,到大型的電子白板都可應用;而具可撓曲的特性,即使彎曲也不會產生不必要的感測訊號。如果與溫度及壓力的感測陣列結合,還可以進行更全面性的感測監測,例如可應用於機器人或電子寵物身上的電子皮膚,提高互動性,或是用在遊戲機的互動裝置,以及醫療所使用的壓力床、保全監測等。

【全彩軟性背光源】

軟性顯示器最明顯的一大優點,就是更輕薄、可彎曲,也是目前一般LCD與背光模組所無法達到的。而針對背光源的部分,「全彩軟性背光源」的技術,即是開發直下式薄型全彩RGB軟性區域控制背光模組,為一可彎折的面型照明光源,也可提供軟性顯示器所需;具有區域控制技術,並搭配零間隙新一代複合型光學擴散膜片,不但可降低厚度,更能減少光損耗、提升光使用效率,使光更均勻分布。

「全彩軟性背光源」可以協助國內廠商建立全彩軟性背光技術,有效提升軟性顯示器開發時程,並可用於LED顯示器,或是需要輕薄功能的照明光源及LED指示器上,另外對於易彎折的特性,更能做為時尚設計的用途,例如衣物的裝飾等。

LED邁向成熟,技術結合打造多元應用

當夏季來臨、電價喊漲,大家都為用電一事苦惱時,也開始找尋更節能省電的方式來因應;而改用較省電的電器用品或設備,其實是最直接有效的方法之一。以日常生活所需的照明來說,燈具的選擇就是一大關鍵,除了採用耗電量較低的燈泡與燈管之外,LED更是一項頗具未來性的趨勢。

LED原本就具備耗電量少、發光效率高、壽命長等特性,因此也成為LCD背光源與照明的最佳來源,但事實上,LED在現今的消費市場中,卻遲遲未能產生廣泛的應用,也是廠商極力想轉變的態勢。而隨著節能減碳概念愈加深化,相關技術愈為成熟,LED在家庭與室內的用途上,已有了更具實用與便利的發展;尤其是AC LED技術的研發,能讓一般燈具更方便地轉換使用LED燈,而不需另行購置設備,也減少損壞更換的不便。

在經濟部技術處與工研院的輔導下,目前國內已由AC LED應用研發聯盟廠商完成產品開發,並進入量產階段,同時也進軍國際照明委員會(CIE),提出全球首件AC LED元件量測標準草案,讓台灣LED產品領能先各國標準進度,快速切入國際市場新商機。而工研院也在LED的研發基礎上,持續開發各類產品與相關技術,使LED具有更多的應用,帶動產業發展。

【可撓曲AC LED照明光源】

燈光照明的設備,一定都是硬梆梆的嗎?做為照明用途,LED堪稱是最具多樣性的光源。相較於一般燈具僅有固定的外型或角度,缺少變化的靈活特質與彈性,「可撓曲AC LED照明光源」一方面運用了AC LED的技術,無需變壓器就可進行操作,增添家用的方便性;同時還以薄型化的AC LED晶粒與單片式導光擴散板,加以薄膜封裝技術製成,使其可以撓曲,並將整體封裝厚度降至2mm以下,彎曲半徑可小於5cm。

現代人對於居家或室內環境的自主性愈來愈高,都希望能有自我的風格,照明正是布置與裝飾時的要角,以往也多會受到燈具與光源的限制;「可撓曲AC LED照明光源」可以隨家中擺飾或裝潢造型進行彎曲貼合,或是配合燈具創意設計任意撓曲,讓家中的照明可隨環境需求適當地調整,營造出燈光情境與多樣化的氛圍,也能使燈具的樣式更加多元,提供更多的應用。



【AC LED投射燈】

在我們的生活環境中,隨處皆有照明的需求;除了居家與工作的必要用途外,具美化作用的商品照明也經常可見。「AC LED投射燈」的技術,主要就是應用在百貨商場、展示中心、商業大樓、商店等範圍,做為商業照明之用。

目前所開發的「AC LED投射燈」,是以10W的AC LED,以20度的發光角進行聚光式的照明,預計可以取代傳統30W的鹵素燈,並省下因採用AC LED而無需變壓整流裝置的空間。另外在光學設計上,單體封裝的方式可以避免照射物體時出現鬼影,加上燈罩反射面是採用多重反射面鏡,還可提升LED燈具的配光色彩均勻度。

【可變張角LED探照燈具】

由於發光效率高,對於需要光線照明的戶外場所,正是LED可以發揮所長之處,像是路燈或是公共場所與建築等。而可輸出達8,000流明的「可變張角LED探照燈具」,則是結合了高功率LED(200瓦)、變焦鏡組、散熱與電控模組等,可在10度至20度間的發光角度快速進行變化,改變照射區域的面積,改善傳統探照燈具僅有單一發光張角的缺點,滿足遠近照明的需求。

「可變張角LED探照燈具」還具有均勻照明的優點,可替代舞台所使用的聚光燈,未來也可以加上RGB光源,進行多種顏色的照明。另外在探照的功能上,則可使用於搜尋救援、建築或道路照明等用途。

【自擴散型光導板/擴散板加工技術】

發展LED應用時最常面臨的問題之一,就是要克服其「點」光源的特性,使光線能更均勻地擴散,達到照明的效果。「自擴散型光導板/擴散板加工技術」是利用雙相動態交聯技術,將奈米級高擴散粒子混於透明的高分子材料中,像是壓克力或PC等,再搭配精密加工射出技術,成為高擴散型導光材料。

運用光導板中的奈米擴散粒子,可將光線進行多向散射,使LED發出的光能均勻擴散到整個透明材質,形成「面」光源,達到「勻光」的效果,甚至可以RGB混光的方式,呈現出不同的顏色與情境。「自擴散型光導板/擴散板加工技術」能廣泛應用在LED、面板、及光電相關產品上,包括家具、家電、燈具、裝飾,或是3C用品、戶外廣告、指示看板、商品外殼等;例如與家具結合,就能成為可發光的桌、椅、櫃等。

特別是在製程與尺寸方面,「自擴散型光導板/擴散板加工技術」可採用既有的模具射出,或是以無限制的灌鑄方式來製造,不僅簡單、方便,而且成本低廉,更能兼具省電的優點。

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