反射型TFT-LCD

很多筆記本電腦和臺式PC機的監(jiān)視器都采用薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）。TFT-LCD的特點是已具備相當(dāng)高的分辨率和彩色活動圖像顯示能力，而且還有足夠的顯示亮度。但因為TFT-LCD需要背照光源透射過LCD板，因而美中不足的是功耗可觀，又占居一定空間。TFT-LCD的厚度和重量制約了它的更廣泛應(yīng)用，例如，它不符合便攜式應(yīng)用領(lǐng)域的要求。
　　
自二十世紀(jì)九十年代開始，人們試圖通過不用背照光的方法，探討實現(xiàn)薄型化、重量輕和低電力消耗的新型TFT-LCD。因為這種方法是利用周圍的光線反射顯示圖像，故稱反射型（Reflective type）TFT-LCD。實際上，真正實現(xiàn)明亮顯示的反射型TFT-LCD，必須解決諸多的研究課題。本文以NEC功能器件研究所現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出的3.8英寸反射型TFT-LCD為例，說明如何解決反射板和顯示性能、彩色顯示和液晶模式等中間存在的具體課題。

反射板和顯示性能
　　
實踐表明，反射型TFT-LCD中的反射板是十分關(guān)鍵的部分，弄得不當(dāng)會像哈哈鏡一樣，令人啼笑皆非。為此，反射板表面需要凸凹不平，把入射光作為漫射光進行反射（這就像人影清晰可見的平靜湖面，微風(fēng)吹過，泛起漣漪，人影消失的情形一樣）。如果把反射板的表面制成有規(guī)則的凸凹波紋，當(dāng)向反射板上入射白光時，則反射出的又是多種彩色的光。這種表面就和分光儀中的衍射光柵一樣，產(chǎn)生相同的現(xiàn)象。因為白光是由不同波長的光所組成，每一種波長的光，其可反射角度都各不相同。為了解決這一問題，也就是消除反射角度和光的波長相關(guān)現(xiàn)象，需要反射板上具有不規(guī)則凸凹的表面結(jié)構(gòu)。
　　
一般情況下，當(dāng)光線一入射到具有不規(guī)則凸凹表面的反射板上時，可以認為反射光既包括正反射光也有漫反射光成分。通過上述的實踐探索，雖然基本上搞清了反射板表面應(yīng)具備的結(jié)構(gòu)，但是設(shè)計和制造出實用的反射板還有許多工作待做。因為室內(nèi)和室外光源環(huán)境不一樣，需要結(jié)合實際使用條件優(yōu)化設(shè)計和精細制造。

彩色顯示和液晶模式
　　
以IMT-2001手機為代表的現(xiàn)代便攜式網(wǎng)絡(luò)信息終端，都要求能顯示彩色圖像的LCD板。作為彩色顯示的反射型TFT-LCD，突出的課題是兼顧亮度和彩色顯示能力。對于透射TFT-LCD，需要在液晶槽內(nèi)壁上配置3色（R.G.B）彩色濾光片。因此，作為顯示光能夠被視認的部分，在各子像素R.G.B像素里僅有入射白光的1/3透射出來供觀察。盡管如此，因為透射型TFT-LCD具備背照光源，可充分補償由于透射率低而導(dǎo)致的顯示亮度不足，所以，透射型TFT-LCD可兼顧亮度和彩色顯示功能。

然而，因為反射型TFT-LCD依賴周圍環(huán)境的光線照明，兼顧顯示亮度和彩色顯示能力是很難的研究課題?，F(xiàn)在，雖然正在研究R.G.B濾光片迭片方式，但是單獨控制R.G.B濾光片也是十分困難的。目前比較實用的方法，仍然還是在透射型TFT-LCD內(nèi)的R.G.B濾光片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，進行特殊設(shè)計。
　　
對于反射型TFT-LCD，為了實現(xiàn)兼顧顯示亮度和彩色顯示能力，必須提高光反射率，力求縮小光損耗。例如，透射型TFT-LCD通常都是貼著液晶槽兩壁共有兩塊偏振光板，而在反射型TFT-LCD里設(shè)法利用一塊偏振光板，從而提高顯示亮度。NEC功能器件研究所試圖根本不用偏振光板，因此，去掉了偏振光板對光線的吸收作用，以期提高顯示亮度。

一種賓主（Guest-Host）液晶模式的TFT-LCD，可以省略偏振光板，如圖1所示。其中，賓主液晶層的方框表示液晶槽，槽壁內(nèi)的透明電極和透明的玻璃板槽壁均省略，僅畫出具有不規(guī)則凸凹表面的反射板?，F(xiàn)以該示意圖作為模型簡單說明賓主液晶模式的反射型TFT-LCD工作原理。所謂賓主液晶，實際上是在液晶（Host）里混入色素（Guest），其中，色素分子和液晶分子同樣都是棒狀結(jié)構(gòu)的分子。這種棒狀色素分子，對于長軸方向的偏振光吸收量很大，而對于短軸方向偏振光的吸收量較小；這是色素分子重要特征，作為混入液晶中的色素分子，希望這種吸收差距愈大愈好。而且，液晶分子在電壓信號作用下偏轉(zhuǎn)時，色素分子的指向也隨著改變。
　　
因此，從圖1所示的賓主液晶模式反射型TFT-LCD模型里，可以顯示出“明亮”和“黑暗”狀態(tài)。例如，當(dāng)該顯示器顯示出“黑暗”狀態(tài)時，液晶分子圍繞Z軸呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)排列狀。也就是說，在液晶層上部分的液晶分子的長軸沿X方向排列，而在液晶層下部分的液分子的長軸沿Y方向排列。為此，從光源發(fā)出來的光線一入射到圖1所示的LCD板，在液晶上層處X方向的直線偏振光大致都被吸收掉，而在液晶下層處Y方向的直線偏振光也可被吸收。實際上，液晶層因為扭轉(zhuǎn)，一面吸收偏振光一面產(chǎn)生偏振光面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這同透射型TFT-LCD里雙扭曲式向列相液晶（Twisted-nematic Liquid Crystal）是同樣的原理。因此，液晶圍繞Z軸需要有最佳的扭轉(zhuǎn)角度。 嵌入式開發(fā)網(wǎng)
　　
人們不禁要問，那么賓主模式反射型TFT-LCD能夠顯示出“明亮”狀態(tài)嗎?；卮鹗强隙ǖ?，因為液晶上電壓信號足夠大時，液晶分子的長軸可沿Z方向排列（即如圖1所示的豎立狀），而且色素分子也是呈現(xiàn)豎立狀。因此，從光源發(fā)出的X方向和Y方向的直線偏振光幾乎不被吸收。于是，入射光穿過液晶層到達反射板的不規(guī)則凸凹表面后，又被反射出去，顯示“明亮”狀態(tài)。

綜合平衡
　　
縱觀反射型TFT-LCD的關(guān)鍵性技術(shù)，制約因素甚多，每種技術(shù)也各有短長。例如，賓主液晶模式的反射型TFT-LCD中，賓主液晶的對比度和亮度不能兼?zhèn)洌簽榱双@得高對比度，必須增加“黑暗”狀態(tài)下的光吸收量，有效方法是增加色素濃度；可是，色素濃度一增加，顯示“明亮”狀態(tài)時，色素的作用導(dǎo)致亮度降低。現(xiàn)實中理想的色素材料也實難尋覓。
　　
當(dāng)前我們不僅應(yīng)密切關(guān)注新材料和液晶器件的新進展，而當(dāng)務(wù)之急恐怕還是綜合有關(guān)反射板、彩色濾光片和液晶的光學(xué)設(shè)計技術(shù)，開發(fā)實用化的賓主液晶模式的反射型TFT-LCD新產(chǎn)品。
　　
NEC公司開發(fā)出的賓主液晶模式的反射型TFT-LCD（3.8英寸NL3224ER24-031）新產(chǎn)品，采用無定形TFT有源矩陣驅(qū)動方式，顯示畫面尺寸（76.8×57.6mm2）,對角線長9.6cm(3.8英寸)，顯示彩色為262144種彩色（R.G.B各64灰度級），像素點數(shù)目為水平（320）×垂直（240）=76800（像素點）, 子像素點數(shù)為76800×3=230400個（1個像素點=3個RGB子像素點），濾光片RGB為縱帶狀片，像素點間距（水平0.24mm×垂直0.24mm），反射率的目標(biāo)值為40％，對比度目標(biāo)值為40:1， RGB亮度信號數(shù)字化接口（RGB各6位），耗電為40mW（包括LCD板，驅(qū)動器，控制器和DC/DC變換器耗電）。

反射型TFT-LCD新產(chǎn)品，非常適合在室外攜帶應(yīng)用。特別是當(dāng)把透射型TFT-LCD和反射型TFT-LCD相比較時，這種差別尤為顯著。透射型TFT-LCD在室外的強陽光照射環(huán)境下工作時，對比度顯著降低，目視性劣化。這是由于在LCD板表面處，反射的周圍光線的比例有所增加的緣故。然而，反射型TFT-LCD由于設(shè)計時已考慮到環(huán)境光線的因素，使其對比度不會有很大的變化。
　　
因此，NEC的反射型TFT-LCD主要是針對便攜應(yīng)用，如像PDA等便攜終端宜采用這種LCD板。由于這種新技術(shù)進步很快，深信不久將會出現(xiàn)在室內(nèi)和室外都能很好應(yīng)用的反射型TFT-LCD新產(chǎn)品，比如像帶有輔助光源的反射型TFT-LCD就是其中之一。