智能手機(jī)電池對(duì)策詳解 - 全文

　　通過微細(xì)控制打破僵局，電池探索新思路

　　在智能手機(jī)領(lǐng)域，處理器、顯示器、RF電路無一不被要求兼顧低功耗和高性能。這些產(chǎn)品正設(shè)法通過“動(dòng)態(tài)電力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增長(zhǎng)空間有限的充電電池將開拓新的思路。

　　未來的智能手機(jī)要求應(yīng)用處理、無線通信處理以及畫面顯示等主要功能全部實(shí)現(xiàn)高性能化?！澳壳暗闹悄苁謾C(jī)在正常使用時(shí)，應(yīng)用處理、通信處理和顯示所需耗電量大約各占了1/3”（某手機(jī)企業(yè)的技術(shù)人員）。只減小其中某一項(xiàng)的耗電量，是無法兼顧高性能和低耗電量的。因此需要在各項(xiàng)要素中徹底削減耗電量。

　　在電力的使用方法和存儲(chǔ)方法上雙管齊下

　　本篇將對(duì)執(zhí)行應(yīng)用處理等的處理器、顯示器以及執(zhí)行無線通信處理的RF電路今后的低耗電量化技術(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)還會(huì)介紹旨在增加充電電池容量以及提高易用性的技術(shù)開發(fā)動(dòng)向。

　　處理器需要實(shí)現(xiàn)CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預(yù)計(jì)會(huì)通過半導(dǎo)體的微細(xì)化等繼續(xù)提高電力利用效率、徹底實(shí)施動(dòng)態(tài)電源切斷及電壓和頻率控制，以及推進(jìn)電路的混合化等。

　　不斷向大屏幕化和高精細(xì)化發(fā)展的顯示器，其關(guān)鍵在于提高液晶面板背照燈光的利用效率和提高有機(jī)EL面板的發(fā)光效率。另外，為支持新一代移動(dòng)通信規(guī)格而需要處理多頻帶無線信號(hào)的RF電路方面，根據(jù)發(fā)送電力的波形對(duì)電源電壓進(jìn)行微細(xì)控制的“包絡(luò)跟蹤（Envelope Tracking）”等技術(shù)備受關(guān)注。

　　鋰離子充電電池單位體積的能量密度增長(zhǎng)空間有限，目前正通過內(nèi)置電池組增加容積，以及通過快速充電功能減輕充電作業(yè)的負(fù)擔(dān)等嘗試。

　　電力使用部分和電力存儲(chǔ)部分，本系列將詳細(xì)報(bào)道各部分的技術(shù)革新動(dòng)態(tài)。

　　處理器——徹底提高效率與推進(jìn)動(dòng)態(tài)控制

　　執(zhí)行應(yīng)用處理任務(wù)的處理器會(huì)瞬間消耗最大1～2W的電力。在智能手機(jī)中，處理器是對(duì)電池耐久性和發(fā)熱影響最大的部件之一。針對(duì)無線通信的收發(fā)進(jìn)行信號(hào)處理的基帶處理LSI也會(huì)消耗較大的電力。

　　處理器的負(fù)荷在日益增加。美國(guó)谷歌公司2012年3月將“Android”應(yīng)用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的應(yīng)用將處理更多的數(shù)據(jù)，執(zhí)行更加復(fù)雜的處理工作。

　　注1） 雖然應(yīng)用APK文件的容量限制依然為50MB，不過最多可以使用2個(gè)最大2GB的擴(kuò)展文件。

　　“終端廠商要求‘在保持當(dāng)前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導(dǎo)體廠商）。為此，處理器需要實(shí)現(xiàn)能夠輕松處理今后亮相的高級(jí)應(yīng)用，并最大限度降低耗電量。

　　處理器的低耗電量化有兩大方向（圖1）。一是提高單位電力的處理性能（電力效率）。另一個(gè)是盡量減少通常處理時(shí)無需消耗的電量。

　　圖1：在提高電路的電力效率以及進(jìn)行極其細(xì)微的電力控制兩方面努力

　　為降低應(yīng)用處理器和基帶處理LSI的耗電量，在兩個(gè)方向采取舉措。需要通過微細(xì)化和低電壓化等提高電路的電力效率，根據(jù)運(yùn)行情況徹底對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制。

　　最大限度提高電力效率

　　為提高處理器的電力效率，各半導(dǎo)體廠商紛紛致力于半導(dǎo)體的微細(xì)化、電路的低電壓化以及漏電的削減等。LSI的動(dòng)態(tài)耗電量與工作頻率、負(fù)荷容量以及電源電壓的平方乘積成正比。盡量削減這些要素就能以更少的耗電量執(zhí)行相同的處理任務(wù)。

　　半導(dǎo)體的微細(xì)化在2012年是具有里程碑意義的一年。預(yù)計(jì)采用32nm/28nm工藝技術(shù)制造的產(chǎn)品將配備于智能手機(jī)（表1）。雖然漏電功率容易增加，但由于電路負(fù)荷容量減小，因此可以相應(yīng)削減耗電量。數(shù)年后的22nm/20nm工藝的應(yīng)用也有望利用這一效應(yīng)。

　　技術(shù)壁壘較高的是低電壓化。雖然半導(dǎo)體芯片截至90nm工藝一直在隨著微細(xì)化順利降低電壓，但之后SRAM的誤動(dòng)作成為瓶頸，低電壓化越來越難以實(shí)現(xiàn)。目前的便攜終端用處理器的標(biāo)準(zhǔn)電壓只降到1.0～1.1V左右，最小驅(qū)動(dòng)電壓降到0.8～0.9V左右。因此需要從根本上改進(jìn)電路技術(shù)。

　　推進(jìn)這類研究的是美國(guó)英特爾。該公司試制出了電力效率在閾值電壓附近最高的x86處理器“Claremont”。這是通過開發(fā)能以0.28V的極低電源電壓正常運(yùn)行的電路群來實(shí)現(xiàn)的。以接近閾值電壓的0.45V電源電壓運(yùn)行時(shí)，工作頻率為60MHz，電力效率最大為5830MIPS/W（整體耗電量為10mW）。以1.2V運(yùn)行時(shí)，工作頻率最大為915MHz，電力效率為1240MIPS/W（整體耗電量為737mW）。

　　漏電功率對(duì)策也在推進(jìn)

　　要想提高電力效率，還必須削減漏電功率。韓國(guó)三星電子在“Exynos”處理器上采用32nm工藝制造技術(shù)時(shí)，導(dǎo)入了high-k柵極絕緣膜/金屬柵極（即HKMG）。

　　與32nm工藝中未導(dǎo)入HKMG時(shí)相比，柵極漏電流降至約1/100，整體漏電流降至約1/10。另外，三星電子還首次采用了基板偏壓技術(shù)*。目的是根據(jù)裸片上的漏電功率和性能的監(jiān)控信息，減小制造偏差造成的性能下降和漏電功率。

　　*基板偏壓技術(shù)＝在硅基板上加載偏壓以動(dòng)態(tài)控制閾值電壓的技術(shù)。通過加載負(fù)電壓提高閾值電壓以暫時(shí)抑制漏電流的后基板偏壓，或者通過加載正電壓降低閾值電壓以暫時(shí)提高速度的前基板偏壓。

　　為盡量削減正常處理時(shí)無需消耗的電力，而實(shí)施的對(duì)策是根據(jù)負(fù)荷改變工作頻率和電壓的DVFS*，以及以電路塊為單位的電源切斷和時(shí)鐘切斷操作。處理器本來就導(dǎo)入了以動(dòng)態(tài)控制電力為目的的技術(shù)。通過將這些技術(shù)用于細(xì)微之處，使負(fù)荷和耗電量走勢(shì)基本上呈現(xiàn)同樣的曲線走勢(shì)。

　　*DVFS（dynamic voltage and frequency scaling）＝在LSI中，通過根據(jù)處理負(fù)荷等動(dòng)態(tài)控制電源電壓和工作頻率，從而削減耗電量的方法。以LSI根據(jù)軟件指示變更設(shè)定的形態(tài)運(yùn)行。

　　從細(xì)微之處入手，瑞薩移動(dòng)的做法可謂典型。該公司的母公司瑞薩電子在用于傳統(tǒng)手機(jī)的應(yīng)用處理及基帶處理整合型處理器“SH-Mobile G”系列中，將DVFS應(yīng)用到了CPU內(nèi)核中，并對(duì)電源域和時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)分化。

　　而瑞薩移動(dòng)面向智能手機(jī)開發(fā)的“MP5232”則對(duì)CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定以及電源域和時(shí)鐘系統(tǒng)則進(jìn)行了更加細(xì)致的劃分（圖2）?！坝捎诒仨毰渲?a target="_blank">電源開關(guān)，因此并不是只要細(xì)分就完事了。我們?cè)O(shè)想了智能手機(jī)的使用情況，找到了最佳劃分點(diǎn)”（瑞薩移動(dòng)移動(dòng)多媒體事業(yè)本部SoC事業(yè)部事業(yè)部長(zhǎng)服部俊洋）。

　　圖2：根據(jù)利用情況對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制

　　瑞薩移動(dòng)面向智能手機(jī)開發(fā)的“MP5232”與用于傳統(tǒng)手機(jī)的處理器相比，可以根據(jù)利用情況對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制。CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定、電源域的數(shù)量以及時(shí)鐘系統(tǒng)的數(shù)量均大幅增加。

　　對(duì)每個(gè)CPU內(nèi)核控制頻率

　　美國(guó)高通的“Snapdragon”系列采用根據(jù)多個(gè)CPU內(nèi)核進(jìn)行DVFS的方式。向一個(gè)內(nèi)核施加較大負(fù)荷時(shí)，如果其他內(nèi)核的負(fù)荷較小，則會(huì)削減負(fù)載較小的內(nèi)核的工作頻率（圖3）。其他半導(dǎo)體廠商則采用對(duì)內(nèi)核群統(tǒng)一進(jìn)行DVFS的方法，即根據(jù)處理負(fù)荷統(tǒng)一改變多個(gè)CPU內(nèi)核的工作頻率。

　　圖3：按照多個(gè)CPU內(nèi)核進(jìn)行DVFS

　　高通在“Snapdragon”系列的多核產(chǎn)品中，按照各CPU內(nèi)核進(jìn)行了動(dòng)態(tài)控制電壓和頻率的DVFS。通過向各CPU內(nèi)核供給其他系統(tǒng)的電力和時(shí)鐘，提高了對(duì)處理負(fù)荷的追隨性。

　　按內(nèi)核進(jìn)行DVFS的方法存在電源電路部件增加的問題，不過“該方式能防止當(dāng)單線程的處理負(fù)荷較大時(shí)，其他內(nèi)核以不必要的高頻率運(yùn)行狀態(tài)，我們判斷這樣做的優(yōu)勢(shì)更大一些”（高通日本CDMA技術(shù)營(yíng)銷及業(yè)務(wù)開發(fā)統(tǒng)括部長(zhǎng)須永順子）。除了雙核產(chǎn)品外，四核產(chǎn)品也采用相同的方式。

　　DVFS和電源切斷的徹底實(shí)施在基帶處理LSI方面也得到了推進(jìn)。尤其是“在整合型處理器中，基帶處理部也容易細(xì)微地控制電力”（高通日本的須永）。不僅是成本和安裝面積，耗電量也可能成為選擇整合型處理器的理由。

　　適當(dāng)使用效率各異的CPU

　　今后，處理器將導(dǎo)入的新低耗電量化舉措之一是電路的“混合”化。在智能手機(jī)中，“所要求的處理動(dòng)態(tài)范圍比傳統(tǒng)手機(jī)大幅擴(kuò)大。今后還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大”（瑞薩移動(dòng)的服部）。在處理負(fù)荷非常小時(shí)和非常大時(shí)區(qū)分使用最佳電力效率的電路——這類對(duì)策將得到推進(jìn)。

　　混合化從耗電量尤其大的CPU部分開始。最先得到應(yīng)用的是美國(guó)英偉達(dá)在“Tegra 3”中采用的“4-PLUS-1”技術(shù)。這是在同一枚裸片上混載采用LP（低電力）工藝的低電力CPU內(nèi)核和采用G（普通）工藝的主CPU內(nèi)核群的做法，可根據(jù)負(fù)荷切換使用（圖4）。CPU內(nèi)核采用相同的微架構(gòu)。

　　圖4：利用不同的制造工藝安裝

　　區(qū)分使用CPU的英偉達(dá)在“Tegra3”中導(dǎo)入了可以區(qū)分使用以低電力工藝制造的CPU內(nèi)核以及以普通工藝制造的CPU內(nèi)核的“4-PLUS-1”技術(shù)。為了不使切換點(diǎn)附近頻繁發(fā)生切換，采取了預(yù)防措施。

　　“從決定切換到完成切換所需時(shí)間不到2ms，用戶應(yīng)該注意不到”（英偉達(dá)日本技術(shù)營(yíng)銷工程師Steven Zhang）。不過，如果負(fù)荷剛好在切換邊界附近變化，可能會(huì)頻繁進(jìn)行切換處理，因此配備了在重復(fù)切換點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際切換次數(shù)調(diào)整切換點(diǎn)的學(xué)習(xí)功能。

　　通過微細(xì)化獲得可行對(duì)策

　　2013年前后有望實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的，是切換不同微架構(gòu)CPU內(nèi)核的方法。英國(guó)ARM公司發(fā)布了可以切換使用相同指令集架構(gòu)CPU內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)（圖5）。通過混合使用為提高最高性能而開發(fā)的A15內(nèi)核，以及為優(yōu)先提高電力效率而開發(fā)的A7內(nèi)核，兼顧了負(fù)荷較小時(shí)的低電力運(yùn)行和負(fù)荷較大時(shí)的高性能運(yùn)行 注2）。兩種內(nèi)核在寄存器范圍等方面存在差異，不過這種差異可以利用二者配備的虛擬支援機(jī)構(gòu)吸收。“在同一枚裸片上混載制造工藝各異的電路可能會(huì)增加掩模費(fèi)用。將來采用閾值較少的big.LITTLE的廠商應(yīng)該會(huì)增加”（某半導(dǎo)體廠商的技術(shù)人員）。

　　圖5：在不同架構(gòu)的CPU中切換使用的“big.LITTLE”

　　ARM公司正在開發(fā)可以切換使用指令集兼容的Cortex-A15內(nèi)核群和Cortex-A7內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)。處理負(fù)荷較低時(shí)利用電力效率較高的A7內(nèi)核群，負(fù)荷較高時(shí)利用單位頻率的處理性能較高的A15內(nèi)核。

　　注2） big.LITTLE技術(shù)有切換使用A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“Task Migration”模式，以及同時(shí)運(yùn)行A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“MP”模式。MP模式需要擴(kuò)展OS的調(diào)度器（Scheduler），ARM公司正面向big.LITLLE的實(shí)用化時(shí)間進(jìn)行開發(fā)。

　　混合化得以推進(jìn)的背景在于，CPU內(nèi)核在處理器上所占的面積比例減小。在目前的雙核產(chǎn)品中，CPU內(nèi)核的面積只占整體的1～2成。今后，如果電路面積也隨著半導(dǎo)體的進(jìn)一步微細(xì)化而出現(xiàn)充裕空間，GPU內(nèi)核等其他電路也有望采用混合構(gòu)造。

　　顯示器——大屏幕和高精細(xì)化不斷增加功耗，液晶及有機(jī)EL均瞄準(zhǔn)耗電量減半

　　智能手機(jī)配備了比普通手機(jī)尺寸大且高精細(xì)的顯示面板，顯示面板的耗電量也隨之增加。現(xiàn)有智能手機(jī)配備的顯示面板，無論液晶面板還是有機(jī)EL面板，其耗電量均超過了600mW（圖1）。有機(jī)EL面板在全白顯示時(shí)的耗電量甚至達(dá)到了約1800mW。

　　圖1：耗電量高的智能手機(jī)用面板

　　智能手機(jī)配備的液晶面板或有機(jī)EL面板的耗電量超過了600mW。圖中為各終端廠商通過實(shí)施圖像處理等降低耗電量的情況。（圖中的面板耗電量為L(zhǎng)G顯示器的數(shù)據(jù)）

　　加之智能手機(jī)不以語音通話為主，而主要是用于Web網(wǎng)站瀏覽和郵件收發(fā)，這種用法的改變，使得顯示面板會(huì)一直保持點(diǎn)亮狀態(tài)?？梢哉f，一直消耗著600mW以上電力的顯示面板是令智能手機(jī)電池耐久性惡化的主要原因。

　　目前是以圖像處理來降低耗電量

　　如果只單純配備耗電量超過600mW的顯示面板，智能手機(jī)是無法避免電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間太短的問題的。各終端廠商現(xiàn)在是通過實(shí)施諸如相對(duì)于輸入影像信號(hào)及周圍亮度的伽瑪校正以及畫面亮度控制等圖像處理，來降低顯示面板耗電量的。

　　由圖像處理降低顯示面板耗電量的方法“在普通手機(jī)上從2008年前后開始導(dǎo)入，隨著顯示面板的大屏幕化和高精細(xì)化，能夠更加精細(xì)地進(jìn)行控制”（NEC卡西歐移動(dòng)的并木）。

　　配備有機(jī)EL面板的智能手機(jī)除圖像處理外，還在顯示內(nèi)容方面下了工夫。通過在菜單畫面等上以黑色顯示背景，以白色顯示文字，減小了白顯示在畫面整體所占的面積?？梢哉f這是全白顯示時(shí)的耗電量高的“有機(jī)EL面板機(jī)型必須要做的處理”（NEC卡西歐移動(dòng)的并木）。

　　高精細(xì)化變成瓶頸

　　盡管終端廠商采取了措施，但據(jù)稱在瀏覽Web網(wǎng)站時(shí)顯示面板的耗電量“仍占智能手機(jī)整體的約3成”（多家終端廠商）。要想從根本上解決問題，需要降低顯示面板自身的耗電量。

　　但從面板廠商的開發(fā)動(dòng)向來看，智能手機(jī)用顯示面板的耗電量今后還可能進(jìn)一步增加。因?yàn)橐壕姘宓染诓粩嗤七M(jìn)大屏幕化和高精細(xì)化。

　　目前，各終端廠商的高端機(jī)型開始普遍采用分辨率在300ppi以上的顯示面板（圖2）。在2012年底～2013年，分辨率有可能會(huì)提高到近500ppi。精細(xì)度提高，單位像素的開口率就會(huì)降低，耗電量就會(huì)進(jìn)一步增加。

　　圖2：精細(xì)度的提高，會(huì)使面板開口率降低

　　智能手機(jī)配備的液晶面板不斷推進(jìn)大屏幕化和高精細(xì)化。隨著分辨率的提高，面板開口率逐漸降低。

　　各面板廠商需要開發(fā)兼顧高精細(xì)化和低耗電量化的面板。雖然進(jìn)展緩慢，但液晶面板和有機(jī)EL面板均已開始采取旨在大幅削減耗電量的措施。

　　已采用了多種技術(shù)

　　液晶面板通過控制液晶分子的電壓部分遮蔽背照燈光來表現(xiàn)灰階。降低耗電量的對(duì)策有增加面板開口率、降低驅(qū)動(dòng)電壓、提高背照燈光源——白色LED的發(fā)光效率，以及提高光學(xué)材料性能等。耗電量的降低，正是這些措施“一點(diǎn)點(diǎn)積累的結(jié)果”（日立顯示器）注1）。

　　注1）東芝移動(dòng)顯示器、索尼移動(dòng)顯示器和日立顯示器三家公司2012年4月合并成了日本顯示器，本文中使用的是原公司名稱。

　　現(xiàn)有智能手機(jī)用液晶面板已經(jīng)采用了多種低耗電量化技術(shù)（圖3）。顯示模式采用可提高開口率的“FFS（fringe field switching）”方式*，驅(qū)動(dòng)元件采用載流子遷移率高、可小型化的低溫多晶硅（LTPS）TFT。光學(xué)部材使用了多片可提高亮度的薄膜。

　　*FFS方式＝與IPS方式一樣是橫向電場(chǎng)控制用顯示技術(shù)。與IPS方式不同的是，像素電極和通用電極配置在上下方向。中小型液晶面板大部分都采用FFS方式，但稱為IPS方式。

　　圖3：配備8個(gè)白色LED

　　分辨率超過300ppi的液晶面板最多可配備8個(gè)白色LED。為提高背照燈光的利用效率，采用了旨在提高開口率的面板技術(shù)和光學(xué)部材。（圖為富士通的“Arrows X LTE”配備的4.3英寸、1280×720像素的液晶面板。Fomalhaut Technology Solutions協(xié)助拆解）

　　盡管如此，現(xiàn)有智能手機(jī)的液晶面板仍必須使用最多8個(gè)白色LED來確保亮度。雖然白色LED的發(fā)光效率“有望以年均5～10％左右的幅度提高”（日亞化學(xué)工業(yè)），但隨著高精細(xì)化的發(fā)展，發(fā)光效率提高的部分可能會(huì)被抵消掉。僅改良現(xiàn)有技術(shù)只能提高數(shù)％左右，難以從根本上解決問題。

　　從像素構(gòu)成入手

　　在大幅削減耗電量上備受關(guān)注的液晶技術(shù)，也就是子像素排列的變更。具體為，在R（紅）G（綠）B（藍(lán)）3色的子像素中添加未配備彩色濾光片（CF）的W（白）來提高面板透射率，從而降低耗電量。雖然這是原來就有的技術(shù)，但目前將其應(yīng)用于高精細(xì)面板中的討論在加速。

　　通過變更子像素的排列降低了液晶面板耗電量的終端已經(jīng)面世。那就是英國(guó)索尼移動(dòng)通信（Sony Mobile Communications）2012年2月發(fā)布的智能手機(jī)“Xperia P”。該機(jī)型配備了索尼開發(fā)的“WhiteMagic”液晶面板（圖4）。

　　圖4：采用RGBW方式的WhiteMagic

　　索尼移動(dòng)通信在該公司的智能手機(jī)“Xperia P”上采用了索尼開發(fā)的液晶面板“WhiteMagic”（a）。通過采用在RGB中追加W的4色子像素，與原產(chǎn)品相比不但將耗電量削減約50％，還可將亮度提高至約2倍（b）。

　　WhiteMagic在一個(gè)像素上配置了RGBW四色的子像素。即使背照燈亮度減半，面板畫面仍可實(shí)現(xiàn)與此前產(chǎn)品相同的亮度。其特點(diǎn)是，如果背照燈亮度與原產(chǎn)品相同，則畫面亮度可提高至2倍左右。

　　索尼移動(dòng)采用WhiteMagic時(shí)，調(diào)整了對(duì)輸入影像的圖像處理。這是因?yàn)?，如果只單純追加W，影像的對(duì)比度感會(huì)降低。索尼移動(dòng)與索尼共同反復(fù)調(diào)整了將RGB影像信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGBW時(shí)的圖像處理參數(shù)。由此，“實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)使用時(shí)可削減耗電量，在戶外時(shí)畫面明亮容易看清的效果”（索尼移動(dòng)）。

　　將RGBW分配給兩個(gè)像素

　　韓國(guó)三星電子正在研究同樣采用RGBW四色子像素，但將其分配給兩個(gè)像素的“Pentile”方式。由于將一個(gè)像素的子像素?cái)?shù)從以往的3個(gè)減為2個(gè)，因此更方便提高面板透射率。雖然因像素減少而被指畫質(zhì)劣化，但不失為削減耗電量的有效手段。

　　三星采用Pentile方式試制的10.1英寸、2560×1600像素的液晶面板，驅(qū)動(dòng)元件采用遷移率低、TFT難以小型化的非晶硅TFT，但卻可實(shí)現(xiàn)299ppi的高分辨率（圖5）。耗電量最大為3.4W，與采用RGB三色CF的10.1英寸1280×800像素產(chǎn)品相同。“最早預(yù)定在2012年內(nèi)開始量產(chǎn)”（三星）。

　　圖5：以Pentile方式降低耗電量

　　三星電子正探討在高精細(xì)面板中導(dǎo)入將RGBW四色子像素分配給兩個(gè)像素的“Pentile”方式。據(jù)稱在10.1英寸產(chǎn)品的比較中，導(dǎo)入該方式的2560×1600像素產(chǎn)品的耗電量與采用RGB三色子像素的1280×800像素產(chǎn)品為同等水平。

　　關(guān)鍵在于提高發(fā)光元件的性能

　　有機(jī)EL面板屬于自發(fā)光型器件，與液晶面板相比構(gòu)成部材較少。用于智能手機(jī)的有機(jī)EL面板采用在TFT基板相反的一側(cè)提取光的頂部發(fā)光構(gòu)造，因此不會(huì)被TFT遮擋住光線。要降低耗電量，需要提高有機(jī)EL元件的內(nèi)部量子效率和光提取效率。

　　要提高有機(jī)EL元件的內(nèi)部量子效率，最有效的方法莫過于采用磷光材料。三重態(tài)激勵(lì)發(fā)光的磷光材料與從單重態(tài)激勵(lì)發(fā)光的螢光材料相比，在理論上內(nèi)部量子效率更高。目前的狀況是，在智能手機(jī)用有機(jī)EL面板上，R發(fā)光材料已經(jīng)實(shí)用化，G發(fā)光材料即將得到采用。但B的磷光材料由于色純度和壽命較低，實(shí)用化尚需時(shí)日 注2）。

　　注2） 為使磷光材料從三重態(tài)發(fā)光，而要采用Ir（銥）和Pt（白金）等昂貴的金屬。因此存在成本高的課題。九州大學(xué)以數(shù)年后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化為目標(biāo)，正在開發(fā)不含Ir和Pt的發(fā)光材料。通過將單重態(tài)和三重態(tài)激發(fā)狀態(tài)的能量順序之差降到50meV，而在將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)換。據(jù)2012年3月發(fā)布的開發(fā)成果，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了86.5％的高轉(zhuǎn)換效率。

　　出光興產(chǎn)采用現(xiàn)有的B螢光材料提高了內(nèi)部量子效率（圖6）。該公司通過在電子輸送層和發(fā)光層之間設(shè)置“EEL（efficiency enhancement layer）”層，開發(fā)出了超過螢光材料理論界限的B發(fā)光元件?！癊EL通過使三重態(tài)激子在發(fā)光元件內(nèi)保留一定的時(shí)間，使激子之間發(fā)生碰撞，從而將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)移”（出光興產(chǎn)電子材料部電子材料中心主任研究員熊均）。由此提高了內(nèi)部量子效率。

　　圖6：耗電量降至1/2以下

　　出光興產(chǎn)通過追加高效率層提高了B螢光材料的內(nèi)部量子效率，并通過追加覆蓋層改善了光提取效率（a，b）。取得了4英寸的800×480像素產(chǎn)品的耗電量在全白顯示時(shí)為644mW，平均為143mW的模擬結(jié)果（c）。（圖由本刊根據(jù)出光興產(chǎn)的資料制作）

　　出光興產(chǎn)還設(shè)法提高了有機(jī)EL元件的光提取效率。通過在發(fā)光元件的負(fù)極上設(shè)置折射率較高的有機(jī)物覆蓋層，“抑制了表面離子體在負(fù)極表面上造成的消光現(xiàn)象”（熊均）。該公司采用B螢光材料以及R和G磷光材料試制出了設(shè)置有EEL和覆蓋層的有機(jī)EL元件。將其用于800×480像素的4英寸品時(shí)，預(yù)計(jì)耗電量在全白顯示時(shí)為644mW，平均為143mW，可降至目前的1/2以下。

　　還可能有第三種顯示元件

　　除了液晶面板和有機(jī)EL面板外，還有其他降低了耗電量的顯示器技術(shù)。其中之一就是美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Pixtronix開發(fā)的MEMS顯示器（圖7）。

　　圖7：以MEMS快門顯示

　　CMI和日立顯示器等試制了采用Pixtronix公司自主技術(shù)的MEMS顯示器（a，b）。與液晶面板相比，光的利用效率比較高（c）。（圖根據(jù)Pixtronix公司的資料制作）

　　Pixtronix開發(fā)的MEMS顯示器技術(shù)由MEMS快門、采用RGB三色LED的背照燈、TFT、反射板及玻璃基板等構(gòu)成。通過高速開關(guān)MEMS快門，控制LED背照燈的透射光和自然光量來顯示灰階。透射模式通過依次驅(qū)動(dòng)RGB三色LED背照燈來顯示彩色。由于無需像液晶面板那樣使用偏光板和CF，因此光利用效率可提高至60～80％左右，比液晶面板的6～8％有大幅提升。

　　Pixtronix已在向奇美電子（CMI）、日立顯示器以及三星等知名面板廠商提供技術(shù)授權(quán)。CMI已公開了5.14英寸的640×480像素試制品，日立顯示器也公開了2.5英寸的320×240像素試制品。CMI的試制品耗電量為550mW，“是相同性能參數(shù)液晶面板的2/3左右”（CMI）。