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反射型TFT-LCD
ldyinjy | 2007-12-27 17:19:51    阅读:1607   发布文章

反射型TFT-LCD

很多笔记本电脑和台式PC机的监视器都采用薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)。TFT-LCD的特点是已具备相当高的分辨率和彩色活动图像显示能力,而且还有足够的显示亮度。但因为TFT-LCD需要背照光源透射过LCD板,因而美中不足的是功耗可观,又占居一定空间。TFT-LCD的厚度和重量制约了它的更广泛应用,例如,它不符合便携式应用领域的要求。

自二十世纪九十年代开始,人们试图通过不用背照光的方法,探讨实现薄型化、重量轻和低电力消耗的新型TFT-LCD。因为这种方法是利用周围的光线反射显示图像,故称反射型(Reflective type)TFT-LCD。实际上,真正实现明亮显示的反射型TFT-LCD,必须解决诸多的研究课题。本文以NEC功能器件研究所现在已经开发出的3.8英寸反射型TFT-LCD为例,说明如何解决反射板和显示性能、彩色显示和液晶模式等中间存在的具体课题。

反射板和显示性能
实践表明,反射型TFT-LCD中的反射板是十分关键的部分,弄得不当会像哈哈镜一样,令人啼笑皆非。例如,在已制造出来的液晶槽(两块相隔有缝隙的平行玻璃板中间注入液晶后密封成的整体)的后内壁上附着一块光滑的镜面作为反射板,尽管有图像信息驱动液晶实现光阀作用,但是观察者从液晶槽的另一面并不能很好地观察到所要显示的图像。不仅如此,更重要的是,有时观察者从LCD板上竟看到反射出来的是自己面孔的图像,即产生镜面反射现象。
为此,反射板表面需要凸凹不平,把入射光作为漫射光进行反射(这就像人影清晰可见的平静湖面,微风吹过,泛起涟漪,人影消失的情形一样)。如果把反射板的表面制成有规则的凸凹波纹,当向反射板上入射白光时,则反射出的又是多种彩色的光。这种表面就和分光仪中的衍射光栅一样,产生相同的现象。因为白光是由不同波长的光所组成,每一种波长的光,其可反射角度都各不相同。为了解决这一问题,也就是消除反射角度和光的波长相关现象,需要反射板上具有不规则凸凹的表面结构。
一般情况下,当光线一入射到具有不规则凸凹表面的反射板上时,可以认为反射光既包括正反射光也有漫反射光成分。通过上述的实践探索,虽然基本上搞清了反射板表面应具备的结构,但是设计和制造出实用的反射板还有许多工作待做。因为室内和室外光源环境不一样,需要结合实际使用条件优化设计和精细制造。

彩色显示和液晶模式
以IMT-2001手机为代表的现代便携式网络信息终端,都要求能显示彩色图像的LCD板。作为彩色显示的反射型TFT-LCD,突出的课题是兼顾亮度和彩色显示能力。对于透射TFT-LCD,需要在液晶槽内壁上配置3色(R.G.B)彩色滤光片
。因此,作为显示光能够被视认的部分,在各子像素R.G.B像素里仅有入射白光的1/3透射出来供观察。尽管如此,因为透射型TFT-LCD具备背照光源,可充分补偿由于透射率低而导致的显示亮度不足,所以,透射型TFT-LCD可兼顾亮度和彩色显示功能。
然而,因为反射型TFT-LCD依赖周围环境的光线照明,兼顾显示亮度和彩色显示能力是很难的研究课题。现在,虽然正在研究R.G.B滤光片迭片方式,但是单独控制R.G.B滤光片也是十分困难的。目前比较实用的方法,仍然还是在透射型TFT-LCD内的R.G.B滤光片结构基础之上,进行特殊设计。
对于反射型TFT-LCD,为了实现兼顾显示亮度和彩色显示能力,必须提高光反射率,力求缩小光损耗。例如,透射型TFT-LCD通常都是贴着液晶槽两壁共有两块偏振光板,而在反射型TFT-LCD里设法利用一块偏振光板,从而提高显示亮度。NEC功能器件研究所试图根本不用偏振光板,因此,去掉了偏振光板对光线的吸收作用,以期提高显示亮度。

一种宾主(Guest-Host)液晶模式的TFT-LCD,可以省略偏振光板,如图1所示。其中,宾主液晶层的方框表示液晶槽,槽壁内的透明电极和透明的玻璃板槽壁均省略,仅画出具有不规则凸凹表面的反射板。现以该示意图作为模型简单说明宾主液晶模式的反射型TFT-LCD工作原理。所谓宾主液晶,实际上是在液晶(Host)里混入色素(Guest),其中,色素分子和液晶分子同样都是棒状结构的分子。这种棒状色素分子,对于长轴方向的偏振光吸收量很大,而对于短轴方向偏振光的吸收量较小;这是色素分子重要特征,作为混入液晶中的色素分子,希望这种吸收差距愈大愈好。而且,液晶分子在电压信号作用下偏转时,色素分子的指向也随着改变。
因此,从图1所示的宾主液晶模式反射型TFT-LCD模型里,可以显示出“明亮”和“黑暗”状态。例如,当该显示器显示出“黑暗”状态时,液晶分子围绕Z轴呈现扭转排列状。也就是说,在液晶层上部分的液晶分子的长轴沿X方向排列,而在液晶层下部分的液分子的长轴沿Y方向排列。为此,从光源发出来的光线一入射到图1所示的LCD板,在液晶上层处X方向的直线偏振光大致都被吸收掉,而在液晶下层处Y方向的直线偏振光也可被吸收。实际上,液晶层因为扭转,一面吸收偏振光一面产生偏振光面旋转现象,这同透射型TFT-LCD里双扭曲式向列相液晶(Twisted-nematic Liquid Crystal)是同样的原理。因此,液晶围绕Z轴需要有最佳的扭转角度。
人们不禁要问,那么宾主模式反射型TFT-LCD能够显示出“明亮”状态吗。回答是肯定的,因为液晶上电压信号足够大时,液晶分子的长轴可沿Z方向排列(即如图1所示的竖立状),而且色素分子也是呈现竖立状。因此,从光源发出的X方向和Y方向的直线偏振光几乎不被吸收。于是,入射光穿过液晶层到达反射板的不规则凸凹表面后,又被反射出去,显示“明亮”状态。

综合平衡
纵观反射型TFT-LCD的关键性技术,制约因素甚多,每种技术也各有短长。例如,宾主液晶模式的反射型TFT-LCD中,宾主液晶的对比度和亮度不能兼备:为了获得高对比度,必须增加“黑暗”状态下的光吸收量,有效方法是增加色素浓度;可是,色素浓度一增加,显示“明亮”状态时,色素的作用导致亮度降低。现实中理想的色素材料也实难寻觅。
当前我们不仅应密切关注新材料和液晶器件的新进展,而当务之急恐怕还是综合有关反射板、彩色滤光片和液晶的光学设计技术,开发实用化的宾主液晶模式的反射型TFT-LCD新产品。
NEC公司开发出的宾主液晶模式的反射型TFT-LCD(3.8英寸NL3224ER24-031)新产品,采用无定形TFT有源矩阵驱动方式,显示画面尺寸(76.8×57.6mm2),对角线长9.6cm(3.8英寸),显示彩?62144种彩色(R.G.B各64灰度级),像素点数目为水平(320)×垂直(240)=76800(像素点), 子像素点数为76800×3=230400个(1个像素点=3个RGB子像素点),滤光片RGB为纵带状片,像素点间距(水平0.24mm×垂直0.24mm),反射率的目标值为40%,对比度目标值为40:1, RGB亮度信号数字化接口(RGB各6位),耗电为40mW(包括LCD板,驱动器,控制器和DC/DC变换器耗电)。
反射型TFT-LCD新产品,非常适合在室外携带应用。特别是当把透射型TFT-LCD和反射型TFT-LCD相比较时,这种差别尤为显著。透射型TFT-LCD在室外的强阳光照射环境下工作时,对比度显著降低,目视性劣化。这是由于在LCD板表面处,反射的周围光线的比例有所增加的缘故。然而,反射型TFT-LCD由于设计时已考虑到环境光线的因素,使其对比度不会有很大的变化。
因此,NEC的反射型TFT-LCD主要是针对便携应用,如像PDA等便携终端宜采用这种LCD板。由于这种新技术进步很快,深信不久将会出现在室内和室外都能很好应用的反射型TFT-LCD新产品,比如像带有辅助光源的反射型TFT-LCD就是其中之一。

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