反射式液晶显示(LCD)器件的新技术

1.前言
 反射式LCD器件具有低功耗，在强环境光下清晰度高等优点。但这种LCD器件却有着在暗环境中清晰度差，以致不得不配备外部照明光源的缺点。因而反射式LCD器件长期以来主要应用于手机，手表等小尺寸显示领域；而用于电视与笔记本电子计算机(CPU)的LCD器件基本上都是属于透射式的。 
 近年来，随着材料科学、电子科学及制作工艺的进步，对反射式LCD器件的研究与开发步骤趋于加快，并取得了引人注目的成果。 
 　2.反射式LCD器件的基本状况
 反射式LCD器件可分为四种类型，即：
 （1） 玻板后配置扩散反射电极型；
 （2） 玻板内配置扩散反射层型；
 （3） 液晶层后面配置光吸收层型；
 （4） 玻板内配置镜面反射层型。在以上四型中，（2）、（4）两型均有有或无偏振光片两种，这样，反射式LCD器件共有四型六种。就显示模式而言，反射式LCD器件有黑底白字符(黑显白，NB)与白底黑字符(白显黑，NN)两种。 
 近几年推出的一些反射式LCD器件新品种与所采用的新技术反映了这种LCD技术的发展动态，本文对此将择要加以介绍。 
 　3.反射式TFT-LCD器件
 这种LCD器件是一种高反射率薄膜晶体管(HR-TFT)LCD器件。与同尺寸的透射式TFT-LCD器件相比，前者的厚度，重量与功耗仅分别为后者的1/3、1/2与1/7。图1是这种LCD器件的结构。 
 在HR-TFT LCD器件中，其反射电极具有微反射结构。这种结构是在反射极铝层或银层上制作出微型凹凸结构，使反射与散特性分离，并同时实现两者，避免了因视差造成的图像劣化，并取得了较大了视角。 
 HR-TFT LCD器件的显式模式为NW，并能通过采用微滤色器，以加法滤色法实现多色显示。这种LCD器件除了具有高反射率的优点外，还具有高亮度、高对比度及色品度优异的长处。 
 　4.反射式宾主型LCD（GH-LCD）器件
 这种LCD器件的基本原理是将二向色素溶解到母体液晶中；在电场作用下，二向色素分子轴向发生变化，使光的透射率也随之发生变化并由此实现显示。GH-LCD有使用与不使用偏振片两种。 
 不使用偏振片的GH-LCD是两层型的。其中的一层用于代替偏振片，能同时实现高对比度与高反射率；但其两层结构也带来了制造困难与易产生视差的缺点，因而使用偏振片的GH-LCD应用得较为广泛。在这种GH-LCD中，新开发出的非晶态向列相GH-LCD（a-N+GH-LCD）是其中的佼佼者。在制造时，是通过调节分子螺旋节距而不是传统的摩擦方式取向的，故这咱GH-LCD结构简单而可靠。 
 a-N+GH-LCD现能够实现32级灰度，并且其显示的灰度无返转现象；因而能够实现象印刷品那样的显示效果，而且它的功耗也很低。此外，由于a-N+GH-LCD的液晶材料具有300°的扭曲角，因而它的视角也较宽。a-N+GH-LCD的上述性能使其在便携式通信终端、电子课本等方面有着广泛的应用前景。 
 　5.单偏振片彩色反射式超扭曲向列LCD（STN-LCD）器件
 传统的反射式STN-LCD是由两偏振片与夹在它们间的液晶层组成的，反射层位于其中一偏振片的外表面。如果再配以适当的滤色器，即可实现彩色显示。但在这种结构中，由于入射光与反射光全都需要在滤色器和液晶层后面的许多层中通过较长距离(图2)，因而会造成视差，视差的存在会使这咱器件的色纯度很差。 
 要避免视差，取得高色纯度，就应使入射光在紧靠滤色层处被反射。这就需要将反射层装在器件内靠近液晶层与滤色层处，这样一来，就只需要一片偏振片了。单偏振片反射式彩色STN-LCD就是基于这一点设计的，图3即为其结构。 
 传统的反射式STN-LCD是利用双折射膜来xx视差的，而在单偏振片反射式彩色STN-LCD器件中，则通过将两层优化的双折射膜，偏振片及反射层作为一透镜来实现xx视并显示的。在推出的单偏振片反射式彩色STN-LCD上，目前已实现了NN是NB模式的消视差显示。对于单偏振片反射式彩色STN-LCD器件来说，其在NW显示模式的消视差显示。对于单偏振片反射式彩色STN-LCD器件来说，其在NW显示模式下的对比度要略低于其在NB显示模式下的；但在NW显示模式下，这种器件 的视角却优于其在NW显示模式下的。 
 单偏振片反射式彩色STN-LCD器件同STN-LCD器件一样，存在着响应速度与对比度不如CRT的缺点，为了克服这两个缺点，最近还推出了单偏振片反射式反铁电液晶显示(AFLCD)器件。 
 　6.单偏振片反射式AFLCD器件
 AFLCD器件的{zd0}长处是它具有极快的响应速度。这是因为反铁电液晶材料的结构中存在着起主要作用的分子对，它们在近晶层中作横向对极运动。分子对的形成与因占空效应而导致的信息存储是反铁电液晶材料反铁电性的关键所在。在足够的外部电场作用下，反铁电液晶分子对会克服配对能，引起场致迁移，即由反铁电状态快速经中介铁电(FI)状态转为铁电(FO)状态。
  近来推出的一种AFLCD器件是以涂有氧化铟锡(ITO)膜的玻璃作为基底的。在这种基底上涂以聚酰亚胺，以通过单向摩擦来改变平面校准，利用玻璃隔板使反铁电液晶材料层的厚度保持在2μm。在FO状态下，反铁电液晶分子的自发偏转与倾角分别为-798/cm2与29度。图4是单偏振片AFLCD器件在不同状态下的截面图。图中，偏振片与反铁电液晶层的上表面接触，而反射层则被配置于反铁电液晶层之下，在反铁电液晶层与反射层之间设有一单轴延迟膜。偏振片与反铁电液晶层的光学轴平行，延迟膜具有136nm的相位延迟。在AFLCD器件中，AF(反铁电)——FO态转换是通过施加直流脉冲电场实现的，脉冲的振幅为0～17V/μm。在无电场的情况下，反铁电液晶层的光学轴与偏振片的夹角为0度，AFLCD获得亮态，若要得到暗态，就需要进行光学补偿，否则不易在FO态阈值以上产生暗态。为了取得高对比度的全暗态，可采用无延迟膜单偏振片结构，并且同时采用暗背景；也可以对光学单轴延迟膜引入相当于入射光波长1/4的相位差，以被偿光线通过反铁电液晶层时产生的相位差。 
 在开发单偏振片反射式AFLCD器件方面，已研制出了具有几十微秒级响应速度与5：1对比度的器件，图5就是这种AFLCD器件的等对比度线；该图还表明，这种器件具有较宽的视角。 
 　7.透反薄膜晶体管LCD(TFT-LCD)器件
 反射式LCD器件在强环境光下具有较高的清晰度，而透射式LCD器件 则在暗环境中具有较高的清晰度。最近，国外通过把透射式LCD技术与反射式LCD技术相结合，研制开发出了一种被称为透反FTF-LCD器件(以下简称透反器件，也即先进器件)的TFT-LCD器件，图6与图7分别是这种器件的各层结构与截面图。 
 透反器件的每个象素均分为透射区与反射区两部分。其反射电极是用铝制作在绝缘层上的；而其透射电极则为TIO膜。为使透射区的单元间距为反射区的两倍，故使绝缘层厚度与透射区单元的间距基本相等。为了实现彩色，对这种透反器件配置了滤色器，图8是透反器件的色度标图。 
 目前已研制成2-7英寸对角线的透反器件。表1是其中2英寸对角线透反器件的技术参数。透反器件的透射区与反射区面积比为4：6。这个比例是优化选择的结果：如果透射区太小，则会因而透射率下降而不得不提高背光源亮度，从而加大了能耗。反之，如透射区过大，就会与透射式TFT-LCD器件接近，从而显不出反射式LCD器件在强环境光下高对比度的优势。 
 图9是在透反器件与透射式LCD器件上，入射光与反射光之间的关系。图中：IR为入射光，RP为偏振片表面的反射光，Rw是在亮态下的反射光，Tw是发自背光源，并穿越亮态下透射电极的光束；Rin为玻璃表面与内层极的表面与内层极的反射光。透反器件的亮度取决于Tw、Rw与Rb的总和，Rin在通过延迟膜后，被偏振片吸收；故只有Rp会降低清晰度；而在透射式LCD器件中，除了Rp外，Rin也会降低清晰度，而决定亮度的却只有Tw与Rb了。在透射式LCD器件中，当环境亮度增加时，除背光源外，器件的表面反射也会增加，从而使对比度降低；而这时在透反器件中，反射电极的反射会增加得比表面反射更快，从而保持了良好的清晰度；即使在25000lux的环境照度下，其清晰度也高于透射式LCD器件的。图10是两种LCD器件亮度与环境照度关系。 
 当环境照度增加时，因为表面反射的增加，透反器件与透射式LCD器件的对比度均会有所下降。但透反器件会因其反射电极反射的增加，而使其对比度下降的程度大大小于透射式LCD器件的。图11是这两种LCD器件的对比度与环境的关系。图12是环境照度与两种LCD器件色品度的关系。对于透射式LCD器件来说，当环境照度增加时，其色域会下降，直至下降到零；而透反器件在同样的环境照度下，其色域至少能维持在15%以上。图13与图14分别是透射式LCD器件与透反LCD器件的亮度与对比度关系。当环境照度增加时，在透射式LCD器件中，会因背光源反射的增加而使其亮度也有所增加，但同时也会因偏振片与玻璃基底表面反射的增加而使对比度下降；而在此情况下，在透反器件中，由于其亮度同时取决于背光源亮度与反射电极反射亮度之和；所以当环境照度增加时，其亮度的增加要比透射式LCD器件更为显著。 
 虽然对比度会因偏振片表面反射的增加而降低，但这也会因反射电极的反射而受到一定程度的抑制，因而使其对比度下降的程度大大低于透射式LCD器件的。透反器件适用于要求低功耗，并且在室外具有高清晰度显示的场合，如移动通信及摄像机等。  
 　8.结束语
 目前，透射式LCD器件占据着LCD器件的主导地位，特别是在电视及计算机(特别是笔记本式计算机)等应用范围内；但是研制高效高象质彩色反射式LCD器，并使之进入电视与计算机应用，一直是LCD技术研究人员不懈努力追求的目标。经过多年努力，已取得了一批可观的成果；除了前文所述的外，还有全息制备多聚散射式反射型LCD器件、高反射基底型LCD器件等。这些研究开发的成果使反射式LCD器件的性能不断提高，品种不断增多，应用范围也在不断扩大。可以说，再经过几十年的发展，反射式LCD器件可能会在电视、计算机等要求高象质显示的应用领域中取得稳固的一席之地，并可能会因其低功耗等优点而更加受到用户的青睐。