一種黑白反射式雙穩(wěn)態(tài)顯示器件及材料的研究

儲周碩 李廣圣 葉寧 薛彥鵬 關月 成都中電熊貓顯示科技有限公司

關鍵字：雙穩(wěn)態(tài) 反射 高折射率 膽甾相 白底黑字 高對比度 低電壓驅動

1 引言

二十世紀末膽甾相液晶在零場下具有多穩(wěn)定相態(tài)織構的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，隨后人們對膽甾相液晶應用于顯示技術的研究越來越廣泛，其中一種新興顯示技術模式逐漸發(fā)展起來并且受到廣泛關注，它就是反射式膽甾相液晶顯示(簡稱：Ch-LCD，Cholesteric liquid crystal display) 。這種顯示模式可以在零電場條件下長時間保持顯示的內容，具有零場記憶特性優(yōu)勢 ，并且能耗十分低，大概是薄膜晶體管液晶顯示模式的八分之一。并且反射式膽甾相液晶顯示無需背光源與偏光片，因此具有寬視角顯示效果和高反射能力，從而可實現(xiàn)閱讀效果與紙質閱讀相似，十分適合應用于電子貨架標簽、電子閱讀產(chǎn)品、商業(yè)宣傳廣告等眾多領域。許多國家在膽甾相液晶顯示的研究與應用上投入了大量人力和物力，使得膽甾相液晶顯示飛快發(fā)展。黃綠模式膽甾相液晶電子書籍閱讀顯示在2000 年被成功開發(fā)出來。如圖1 所示傳統(tǒng)膽甾相液晶顯示的原理：

圖1 膽甾相液晶雙穩(wěn)態(tài)顯示原理圖(a)平面態(tài)(b)焦錐態(tài)

由于膽甾相液晶布拉格反射特性，目前膽甾相液晶所制作電子器件都是有底色的，而人眼通常對類似報紙類的白底黑字顯示舒適感是最佳的。所以人們不斷投入資源進行白底黑字雙穩(wěn)態(tài)顯示模式開發(fā)。

肯特州立大學研究將聚合物網(wǎng)絡加入到膽甾相液晶中，發(fā)現(xiàn)這些聚合物網(wǎng)絡可以分離出很多微米級別的疇在液晶盒中，由于每個微米級小疇內的液晶螺距分布各異，造成反射頻譜也隨之存在差異。每個像素中存在許多微米級別且彼此存在差異的疇，因此反射光內的反射頻譜也被擴展，從而得到白光 。將顯示器的背景涂為黑色，采用焦錐態(tài)即可顯示黑字。

國內也有高校及企業(yè)，使用近晶相實現(xiàn)白底黑字，利用高頻驅動減弱離子效應，使液晶分子在垂直于玻璃基板表面的方向排列，這種狀態(tài)下顯示器呈現(xiàn)透態(tài)，顯示背景的黑色（黑色的字）；利用低頻驅動造成離子擾亂液晶的排列，這種狀態(tài)下顯示器呈現(xiàn)霧態(tài)（白色的紙）；一般采用大于60V 的驅動電壓，對比度在2.0 左右。顯示原理如圖2所示：

圖2 近晶相液晶雙穩(wěn)態(tài)顯示原理圖(a)散射態(tài)(b)透明態(tài)

1895-1899 年期間關于E-Ink 技術的研究在美國麻省理工學院媒體實驗室展開。1990-2000年期間，采用電泳技術電泳油墨（電子墨水）在E-Ink 公司被發(fā)明出來，這一發(fā)明促進了電子墨水屏的發(fā)展。電子墨水是指極其微小的“膠囊”中包裹著具有正電性的白色粒子和具有負電性的黑色粒子，如圖3 所示。電子墨水屏具有柔性、易于閱讀、能耗小的優(yōu)勢，但是具有刷新速度慢的缺點。

圖3 電子墨水屏原理圖

針對現(xiàn)有技術存在的一些問題，本文提出一種有別于尋常顯示的膽甾相液晶，配合黑底，來實現(xiàn)白底黑字顯示，如圖4 所示：膽甾相液晶的反射波段設置在非可見光區(qū)域，液晶分子處于平面態(tài)時，反射非可見區(qū)域的光，可見光區(qū)域呈現(xiàn)出透明態(tài)，配合黑色基底實現(xiàn)黑字；焦錐態(tài)時，光線經(jīng)過液晶分子發(fā)生散射，呈現(xiàn)霧態(tài)（白底）。由于需要靠液晶分子的散射來實現(xiàn)霧態(tài)（白底），其顯示效果依賴于液晶材料的性能，本文提出了幾種不同折射率的膽甾相液晶材料，評估對焦錐態(tài)的霧度、對比度的影響。

圖4 反射非可見光的膽甾相雙穩(wěn)態(tài)顯示原理(a)平面態(tài)（b）焦錐態(tài)

2 對比實驗

我們分別制作了近晶相（樣品A）、膽甾相（樣品B）雙穩(wěn)態(tài)器件樣品，如圖5 所示。使用液晶參數(shù)如表1 所示，并測試其刷新電壓及對比度（半球漫反射法）。樣品cell gap 為4 um，基底為黑色，對比度采用Autronic Melchers DMS 505 進行測定，場頻為50 Hz，驅動電壓的輸出為方波。測試結果如表2 所示，從測試結果可見，使用本文所述的顯示模式，配合膽甾相液晶II（反射波長設置在1000 nm 的非可見光區(qū)），能夠顯示白底黑字，具有較低的刷新電壓，相對高的對比度。

圖5 近晶相和膽甾相雙穩(wěn)態(tài)樣品

表1 近晶相和膽甾相雙穩(wěn)態(tài)樣品所用液晶參數(shù)

表2 近晶相和膽甾相液晶雙穩(wěn)態(tài)顯示的性能對比

我們使用不同折射率的向列相液晶，向其中加入手性材料制成膽甾相液晶，將反射波長設置為1000 nm，制成cell gap 為4 um、基底為黑色的雙穩(wěn)態(tài)器件樣品，在相同條件下分別測試樣品，如表3 所示為測試的刷新電壓、對比度、液晶參數(shù)及雙穩(wěn)態(tài)器件數(shù)據(jù)。我們可以看到折射率影響著器件的對比度，更高折射率的液晶材料有著更好的顯示效果。液晶材料的介電常數(shù)則影響著雙穩(wěn)態(tài)器件的刷新電壓。液晶體系II 有著最低的刷新電壓，相對大的對比度；液晶材料IV 有著最大的對比度，驅動電壓則相對較高；液晶材料III 則有著適中的刷新電壓和對比度。

表3 用不同折射率的膽甾相液晶材料制備雙穩(wěn)態(tài)顯示器件的參數(shù)

3 總結

使用非可見光區(qū)膽甾相液晶配合黑色基材制成器件，可以有效的實現(xiàn)黑色字白色底的顯示效果。使用大折射率大介電的液晶材料能有效提升焦錐態(tài)的霧度，從而提升整個器件的對比度，并降低驅動電壓?；谶@類液晶材料體系的顯示器件光學對比度能做到3 以上，刷新電壓小于10V。低刷新電壓、快速響應、低成本等優(yōu)勢的這種膽甾相液晶器件在黑白反射式雙穩(wěn)態(tài)顯示器件中有極其高的應用價值和廣泛的應用前景。