【手機科學】想要讓你的手機電池活久一點嗎?關鍵在螢幕!

■手機最耗電的地方就是螢幕,偏偏我們的液晶顯示器其實是一種非常沒效率的發光元件,因為至少有50%被「偏振片」浪費掉了,如果能對光的偏振態動點手腳,減少能量損失,說不定你就不用每天晚上對著只剩5%電量的電池嘆息……

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Phoyo by Kerina Huang

撰文|方程毅

「偏振片」跟「光的偏振態」聽起來就是艱澀難懂的物理學名詞。但3D立體眼鏡、偏光太陽眼鏡或是液晶顯示器你應該就常常聽到吧。他們都是光偏振性的具體應用,因此在知道怎麼對它動手腳前,我們還是勉為其難的了解一下什麼是光的偏振性吧。

光,就是電磁波。也就是說光是靠電場與磁場以波動的方式不斷交互震盪而傳遞。想像一個三維座標XYZ,假設一道光是沿著Z軸行進,那麼電場跟磁場就會在XY平面震盪。拿電場的震盪來講,因為它都是在XY平面,任何一個震盪方向都可以被分解成X分量跟Y分量,而電場(或磁場)震盪方向就是所謂的「偏振態」。本篇文章中,我們都以討論電場方向為主。

「偏振片」是一種很普遍的光學元件,偏振片只會讓某一特定方向的偏振光分量通過,並阻擋垂直於這個震盪方向的分量。假設今天有一道沿Z軸行徑的光,前面提到電場震盪就都會在XY平面,也就是說所有的電場震盪方向都可以被向量分解成X分量跟Y分量。當選定坐標系,並將偏振片旋轉至特定角度時,所有Y分量就都會被擋住,只容許X分量通過(※這裡是指分量,因此一個與X軸Y軸都夾45度角的震盪方向仍然有√2/2的X分量可以通過)。

偏振片固然可以有效過濾掉不想要的偏振態,但被過濾掉的光同時也是一種損失。為什麼科學家在意這個損失呢?這是因為目前市面上的液晶螢幕中都會有偏振片,因此我們實際上看到的亮度最多只有實際背光板發出光量的一半(其實根本不可能到一半,因為還會有其他損失),因此不論手機或電腦螢幕其實都浪費許多能量,這也是科學家們為什麼想對光的偏振態動手腳的原因。

想像有一道光束,裡面含有各式各樣偏振態的光,而我們只要X偏振,如果能有一個光學元件可以讓X偏振且不改變其特性且順利通過,又可以把Y分量的偏振轉成X偏振,就可以減少因為偏振片擋掉損失的光了。來自猶他大學(University of Utah)電機系教授Rajesh Menon的研究團隊便研發出這麼一個神奇的奈米結構,相較於效率小於50%的一般偏振片,這種奈米結構讓偏振片的透光效率到達74%。因為這個元件可以將不想要的偏振態「轉」成想要的偏振態,而不像傳統偏振片將不想要的偏振態阻擋在外。這項研究也被發表在2014剛成立的光學期刊《Optica》中。

這樣研究中,他們使用的材料是矽,並經由nonlinear optimization algorithms決定矽表面的特殊奈米結構,再利用聚焦式離子束微影的方式(focused-ion-beam lithography)在矽表面做出結構。雖然效率可達74%,但因為他們使用的材料是可見光無法透光的矽,所以研究適用的波長是紅外光(波長1550nm)而非可見光。雖然這樣研究距離真正能延長你手機的壽命恐怕還要好一陣子,不過卻打破了以往對偏振片的想像。至於要怎麼改善,讓它可以在我們日常生活會用到的可見光波段工作並運用到手機或是電腦螢幕,恐怕還是要讓科學家們傷透腦筋。

參考資料:
1.New screen design could extend smart phone battery life
2.Bing Shen, Peng Wang, Randy Polson, and Rajesh Menon “Ultra-high-efficiency metamaterial polarizer” Optica, 1, 356 (2014).

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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