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什么是ZBD LCD?2019-12-19

因為眾所周知的幾個原因,在顯示器上實現雙穩態(圖像保持能力)仍然是一個很有吸引力的特性。在80至90年代,它被視為一種不需要有源矩陣背板就能實現高顯示行數的方法。最近,雙穩態顯示在許多圖像更新不頻繁、電池壽命很重要的應用中得到了廣泛應用。

為了實現這種操作,人們研究了多種方法,包括雙穩態液晶(向列相、膽甾相、近晶A相和鐵電相)、電泳、電潤濕、電致變色和相變顯示。只有唯數不多的幾個這樣的例子曾經“跨越鴻溝”,并成功地進入大規模生產。一個例子是ZBD-LCD技術——發明于20世紀90年代,廣泛應用于電子貨架標簽。

ZBD-LCD技術在無源矩陣顯示器中使用標準向列相液晶材料。然而,驅動面板的一個表面不再是使用摩擦定向聚酰亞胺層,而是一個微觀衍射光柵,該光柵與液晶材料中的長程有序性相互作用,允許在沒有任何保持電壓的情況下獲得兩種不同的光學狀態。

對光柵表面進行處理,以迫使液晶垂直于局部表面方向(順勢排列)。這會在凹槽內和凹槽附近的液晶層中產生彎曲和傾斜扭轉。基于最佳的光柵振幅與光柵間距之比,在表面附近有兩種不同的向列相液晶結構,它們具有相同的扭轉能量。關鍵的是,這兩種結構在光柵上方的向列相液晶中產生兩種截然不同的預傾排列。

總之,具有最佳尺寸和化學性質的微觀表面光柵為相鄰的向列相液晶提供兩個穩定的預傾角(通常為90°和5°)。當然,這還不足以創建雙穩態顯示,因為我們仍然需要一種方法在兩種狀態之間切換。光柵引起的向列相扭轉再一次提供了答案。

撓曲電性是向列相液晶材料的一個很少使用的特性,它產生于液晶分子本身的微觀形狀,并在液晶分子受到彎曲或張開變形時導致液晶內部的宏觀極化。

對于高傾斜狀態,凈偏振朝向光柵表面,對于低傾斜狀態,凈偏振遠離光柵表面。因此,可以通過選擇所施加電脈沖的極性(以類似于鐵電液晶的閉鎖方式)來在狀態之間進行選擇。

由于兩個光柵狀態之間存在明顯的能量屏障,因此存在一個定義明確的電壓閾值(對于任何給定的脈沖長度),在該閾值之上,狀態之間將發生切換,而在該閾值之下,系統將簡單地返回其啟動狀態。為了允許被動矩陣尋址,需要雙穩態和閾值。這與電泳法不同,例如,電泳法缺乏明確的閾值,因此需要一個電閾值元件(TFT背板)。

雖然標準的無源矩陣STN顯示器難以處理超過256行,但ZBD LCD的閾值特性允許尋址數千行被動顯示矩陣。事實上,顯示復雜度的實際上限受到電極電阻率和驅動器成本的限制,而不是顯示技術本身。

制造ZBD液晶顯示器的最大挑戰是實現一種成本效益高的方法,將高分辨率衍射光柵圖形化到液晶顯示器的母板玻璃上。直接光刻法證明太慢,太貴。因此,建立了一種復制工藝,將高成本的光刻膠主光柵復制到鎳(類似于CD/DVD鎳壓模)中,然后將鎳圖案復制到薄膜(類似于全息圖制作)中,該薄膜便宜到可以用作最終紫外固化復制步驟的常規耗材以將光柵制作到液晶顯示母板玻璃表面。復制進程速度與STN生產線上的其它制程速度相似。

在光柵復制步驟之后,該母玻璃與常規摩擦定向聚合物表面的另一片玻璃面對面貼合組成液晶空盒。此步驟之后所有下游制程使用與STN通用的設備和材料。在最常見的ZBD-LCD結構中,光柵被放置在摩擦定向面的對面,使得低傾斜光柵狀態導致90°TN排列,而高傾斜狀態導致HAN(混合向列相)排列。通常,前后偏光片的排列使TN狀態為白色,而HAN狀態為黑色。與連續尋址TN顯示器不同,ZBD液晶顯示器中的雙穩態TN態在整個單元中具有非常低的傾斜角,因此具有更寬的視角。

傳統上,反射型液晶顯示器會受到“金屬狀”反射的影響,這意味著它們只有在顯示器朝向用戶和光源的鏡面反射條件時才會顯示出高反射率。近年來,新的光成形擴散膜已經被開發出來,它已與ZBD LCD配置結合使用,以達到與電泳顯示類似的真正紙質反射效果。

                                                                                                                              帶擴散膜和不帶擴散膜的ZBD液晶顯示器的比較

                                                                                                             左圖:正常顯示屏(左)和帶擴散膜顯示屏(右)接近鏡面條件視角

                                                                                                             右圖:正常顯示屏(左)和帶擴散膜顯示屏(右)遠離鏡面條件視角

ZBD-LCD技術的最新進展還將工作溫度范圍極大提升,操作溫度范圍達到-10°C至+90°C。圖像在顯示器上的保持溫度范圍擴展到了-40°C至+110°C。此外,這些顯示器可以滿足車載應用測試規格(例如,在85°C 500小時)。這些綜合特性使得該顯示技術可以滿足各種各樣的便攜式、戶外應用,以及一些其它顯示技術無法滿足的嚴酷應用環境。

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