Pebble 的 e-Paper 螢幕

Kickstarter 頁面

在上個月底，Pebble 發表了最新的智慧型手錶 Pebble Time，除了新的 UI - Timeline 之外，最受人矚目的就是這塊彩色 e-paper 螢幕了。相較於過去的 Pebble 螢幕只有黑白雙色，Pebble Time 的確看起來亮眼多了，而且 Pebble 卓越的續航力也跟這塊螢幕脫不了關係，這次我就來談一談這塊螢幕背後的技術原理。

講到這裡有人會說 "哎唷，不就是電子墨水 (e-ink) 螢幕嗎？有啥好講的！" 這的確是一個誤區，眾多著名的科技媒體都弄錯了，像是 TechCrunch 直接寫錯、TheVerge 講得相對保守，但對 "e-paper-like" 一詞沒有解釋、Popular Science 先前寫 e-ink 但後來又在文末修正 ... 包括以前的我也搞錯。注意看官網的敘述 "... e-paper display ...."，從頭到尾都沒有明確地指出他們是用 e-ink 螢幕喔！而 e-paper 螢幕只是一個總稱，意指 "有電子紙特性的螢幕"。這樣一說好像越來越繞口，有電子紙特性的螢幕不就是 e-ink？事實上 e-paper 螢幕又稱 "雙穩態 (bistable) 螢幕"，種類非常多，有興趣的人可以參考它的 Wiki 專頁，而 e-ink 只是其中最著名，且效果最好的一種，但它也有不少缺點，故 Pebble 並沒有使用 e-ink。

我本身並沒有 Pebble，但在 Pebble Time 發表之後看了不少相關的影片，才發現 Pebble 的螢幕表現完全不像 e-ink 螢幕，比如說畫面反應比起 e-ink 相對快速很多，又沒有整面刷新的決定性特徵，而且色彩還算鮮豔，彩色 e-ink 的顯色簡直就是悲劇。至於我先前為何會認為它用的是 e-ink 螢幕呢？以訛傳訛或許是一個很好的解釋，而 Pebble 官方又刻意不澄清此事，如 Ink, Bits, & Pixels 之文中網友的回覆。那麼，Pebble 螢幕的真面目究竟為何？

謎底為 Sharp 的 Memory LCD。這是一款十分冷門的小眾產品，結合了兩種不常見的面板技術：Memory-In-Pixel (MIP) 及 Polymer Network Liquid Crystal (PNLC)。


Memory-In-Pixel (MIP)

圖片來源：Sharp 官方技術文件

MIP 說穿了也沒什麼，就是在每一個像素外都並聯一個小型的記憶體，如此一來，藉由該記憶體紀錄液晶當時應有的狀態，進而達成 "電子紙" 的效果。如果你覺得上述講得太抽象，不彷想想電子紙的技術是為何而生？從 LCD 到近年的 OLED 螢幕都有很好的螢幕表現，為何還需要顯示效果低劣的電子紙？原因就是 LCD 及 OLED 的光源過強使人眼睛乾澀，且由於該兩種螢幕均需使用 TFT (Thin Film Transistor 薄膜電晶體) 當作電極，而此物在運作時會使得螢幕不斷地閃動，進而造成眼睛疲勞，甚至加深雙眼散光 (亂視) 的程度。

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那為何螢幕會閃動呢？原因在於每一個像素都必須在 Gate line 及 Data line (如上圖) 的訊號同時到達時才能運作，但像素的數量這麼多，不可能為每一個像素配一組 Gate/Data line，所以 TFT 陣列是以 "逐行掃描" 的方式在運作，所以螢幕當然會閃動 (就算你沒感覺到閃動，你的眼睛是會感覺到的)。至於市面上所謂的 "不閃屏" 其實只是優化電路設計及像素內的電容設計，使得每一次掃描期間，各像素的表現能維持得久一些，以此達到 "類似" 不閃動的效果，事實上全是扯蛋，更別提某些人說螢幕顯示字體清楚與否會影響疲勞度，在我看來都是次要因素，只要你用的是一般 LCD 或 OLED 螢幕，就不要把舒適度一詞拿出來丟人現眼，它怎麼看都是累。

所以 MIP 是怎麼做的呢？它是用額外並聯的記憶體，將該像素當時的狀態紀錄下來，如此一來發光的東西照樣發光、液晶分子的旋轉也不受影響，就算不掃描 Gate line，它們也不會變回原來的樣子 (當然只是時間上維持較久)，這就跟 e-ink 的效果差不多了。但看到這裡應該有人明白了，這種技術注定了此類面板不可能有高像素，也不可能有極佳的顯色效果，甚至連黑白螢幕都做不好，因為每一個像素都需要一個記憶體，以現在比較 low 的 720p 螢幕來說，動輒都有九十幾萬顆像素，那得要給這塊面板多少記憶體？光電路設計就累死人！(想當初群創也有發表相關的 paper 在 IDW 上，但結果顯示每個像素加到 2bit 記憶體就是他們的極限了)

因此我們可以從 Pebble (Time) 的螢幕表現及技術規格看出一些端倪，有些看似很奇怪的限制都是有其原因的：

1. 屏佔比極低，邊框超厚：面板做不大，且為了面板走線需留下較大的空間。
2. 色彩表現差：黑白款的 Pebble 只有黑白兩色，連灰階都沒有！而彩色的 Pebble Time 只能顯示 64 種顏色？！這是因為黑白款只給每一個像素配 1bit 記憶體，故只有黑及白；彩色款則是配 2bit 記憶體，故能顯示的顏色有 2² x 2² x 2² = 64 種。
3. 不支援觸控螢幕：為了降低功耗，黑白款 Pebble 刻意把更新頻率降低至 1Hz，這樣的觸控肯定不跟手，乾脆不支援；彩色款雖解除此限制，但由於手錶的輕量使用特性，還是不支援觸控，面對 Digital Crown 的問世可直接回以呵呵二字 (咦)。
4. 續航力中上：雖然說 7 天的續航力已經秒殺其他智慧型手錶，但相較於 e-ink 動輒半個月的續航水平還是有不小的差距，它畢竟還是塊 LCD 啊！

Polymer Network Liquid Crystal (PNLC)

如果說 MIP 是讓此面板成為電子紙的主要功臣，那 PNLC 則是一等一的省電幫手。從字面上來看，PNLC 也是使用液晶，但 Polymer Network (PN) 是什麼？如上圖所示，PN 為高分子骨架，藉由它的存在使得液晶在未施加電場時 (Off State) 能夠散亂地隨意排列，這樣一來就能達成極高的散射率，而在施加電場後 (On State)，由於液晶變成規則的排列，故散射率降低。看似沒什麼，但它能輕易地達成絕大多數 LCD 望塵莫及的事：

1. 可以當作穿透式面板也可以當作反射式面板：大多數面板在陽光下的效果差是因為對比度太低，太強的環境光在面板的裡外產生反射光，而面板本身的畫面亮度又不足以強過反射光，故對比度下降，這也就是所謂的陽光下不可視 (Sunlight unreadable)，而一般的解決方案就是調高整體亮度去跟陽光硬幹。可是紙張完全沒這問題，因為它就是利用環境光來凸顯對比度，而反射式面板則是以面板的結構去模擬紙張對光的散射，進而達成類似的效果。PNLC 的強項之一就是可反射也可穿透 (Sharp 的技術文件是畫反射式的簡圖，可是 Pebble 內有背光模組，故穿透式也佔了很大的部份)，要做成 "transflective" (半穿反) 面板毫無問題，相較於一般 LCD 需要更改像素設計、增加光罩及製程難度，還要另購 QWP 光學膜等，費這麼大勁效果還不見得好 (所以各廠商寧可提升亮度)，PNLC 在這方面的確有其優勢。
2. 不需使用偏光板：這一點算是 PNLC 最大的賣點，因為一般的 LCD 都需要偏光板來做光極化方向的選擇，進而選擇光的穿透強度 (嘿嘿，以為 OLED 就沒事了嗎？由於層與層的干涉現象，故 OLED 螢幕也需要偏光板，只是類型不同)，可是偏光板是以 "吸收" 不同極化方向的光當作選擇的機制，也就是說它會造成極大比例的能源損耗，即使加入增光模，所挽救的能量還是杯水車薪。然而，PNLC 可單純用電場調整散射/穿透光的比例，所以不需要使用偏光板，光是這一點就可以讓 Pebble 的背光減少很多功耗，因為不需要調得那麼亮，而且還有反射的部份幫它分擔顯示的壓力。

不過呢，既然 PNLC 這麼好，那一般面板為何不用？你說 MIP 做不好，但那跟 PNLC 沒關係啊！原因就是 PNLC 對於散射光的控制並沒想像中地好，可當亮態也可當暗態 (如果你仔細看上圖若切換成反射式面板，就會了解其中的矛盾)，所以對比度普遍不高，只有在陽光下比其他面板有優勢，一般狀態下顯示的品質是差很多的，而面板廠不會因為陽光下的特殊使用場景去遷就整體的顯示效果，況且提升亮度或加些抗反射鍍膜後的效果也不差啊！(話說我在某前公司就看過研發單位有人在做 PNLC 面板，但我從未想過它有商品化的一天 ...)

然而，由於 Pebble 的特殊使用需求，顏色不夠鮮豔或對比度差不是什麼問題 (反正不像 Apple Watch 要顯示照片，Pebble 從一開始就限制了使用範圍，現在看來是非常聰明的決定)，反倒是低功耗及陽光下可視的特色給了它不少好處及賣點，故最終 Pebble 選用了這款十分冷門的面板當作自家產品中最重要的一部分。綜合上述所示，Pebble 之所以能獲得一定程度的成功，各方面的考量都很深，這樣的用心值得每個創業公司學習。

喔對了，Pebble 在四天前終於公布 "千呼萬喚始出來" 的中文支援 beta 版，以後中文通知就不會都是方塊了，可喜可賀～希望未來能有機會親自體驗，至於 Apple Watch？那價錢還是算了吧。