反射型TFT-LCD

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。