双稳态技术

平板显示中的双稳态技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术,用于电视、计算机显示的高质量LCD（Liquid Crystal Display）通常为有源矩阵LCD。这种显示器件需要在玻璃板上制造数以百万的薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）阵列，用于驱动每一个LCD 像素。为了制造TFT，需要在大基板（例如第5 代生产线基板尺寸为1,000 x 1,200 mm2） 上淀积多晶硅、金属层、绝缘层等，并进行3 至5 次精度在1m 左右的光刻、套刻，生产设备极其昂贵。建造一条第5代的有源矩阵LCD 生产线需数百亿人民币。,TFT-LCD性能提高技术,塑料基板TFT- LCD 是目前大屏幕液晶显示器的发展方向。据日经新闻报道，东芝公司将制有TFT阵列的薄玻璃基板粘合在塑料基板上制造出了柔性LCD 显示器。在未来的5 年，NEC、大日本油墨等10家公司投入数十亿日元开展全塑料基板的有源矩阵LCD 研究，主要研究塑料基板上低温制造TFT 的技术，当然也包括用有机材料构成有源矩阵的制造技术的研究。在塑料基板上制造TFT 的困难除了基板的耐高温问题，还有微米级线条的光刻套刻的问题。,TFT-LCD性能提高技术,无论是多晶硅TFT 还是非晶硅TFT，或者是薄膜二端子器件阵列，其制造过程都伴随着资源浪费和严重污染，因为玻璃基板上所淀积的金属、硅、氧化物等最终不到10%被保留下来，其余的都被腐蚀清洗掉了。一条第5 代TFT 的生产线，每天内部循环再生污水3 万吨，向外部排放的不可再生的污水6,000 吨。随着基板尺寸和量产的扩大，这一问题愈加严重。鉴于TFT 生产的复杂性和对环境的破坏，有必要开发一种替代技术以解决上述问题。,TFT-LCD性能提高技术,事实上，TFT 的作用仅在于为每一像素提供显示存储的功能，若能利用显示器件本身的特点制造出具有双稳态显示特性的器件，则因双稳态显示本身就是存储型显示，就有可能省去TFT 有源矩阵，从而降低大型显示器件的投资要求和生产成本。,TFT-LCD性能提高技术,最广泛使用的日光灯就是一种双稳态气体放电发光器件。将日光灯两端的电极上加上180V的电压时，日光灯并不发光，只有给出一个极短的高压脉冲激发之后，日光灯才会在180V下发光。换言之，如同日光灯那样的气体放电发光器件在200V左右具有两个稳定状态：发光态与非发光态。200V为其状态的长期储存条件，该状态将被存储到再次被触发的时刻。触发也分两种情况：气体放电发光器件被高压触发成为发光态，而被零电压触发为非发光态。,TFT-LCD性能提高技术,PDP 等离子显示器件的工作方式与之类似，在行扫描期间外部驱动电路根据该行欲显示的内容予以触发，扫描以后的邻近一场的时间该行像素两端电极被置为180V, 或为存储态，PDP 像素的发光态或不发光态均要维持一场的时间，只有这样，PDP 才能达到可以接收的亮度和对比度。如上所述，由于PDP像素自身就具有存储的特性，所以PDP 不需要如TFT 那样的有源器件。,TFT-LCD性能提高技术,OLED 是另一种发光型显示器件。使用OLED构成显示器件的方式大致可分为两类：一类是直接用OLED 像素构成矩阵，称为纯矩阵OLED 显示器件；另一类为有源矩阵驱动的OLED，即在OLED显示器的每一个像素加上TFT 和电容构成等效的存储单元。,TFT-LCD性能提高技术,纯矩阵OLED 显示器件以OLED 作为像素，将OLED 像素的两个端子分别接在显示矩阵的行与列上，驱动电路按照逐行扫描的方式对像素寻址。称为直接寻址方式。这种方式的优点是结构简单，缺点是每一像素发光的时间只有行扫描被寻址的时间，即每场的1 / N（N 为扫描行的数量），其余时间不发光，所以图像极为暗淡。为了避免图像发暗，只好成N 倍地加大驱动电流，这又大大地降低了显示器的寿命。这种方法仅适用于扫描行的数量较少的显示器件，例如扫描行数不超过8 行的数码显示屏等。即使如此，纯矩阵的OLED 显示器寿命仍然会受到很大的影响。,TFT-LCD性能提高技术,有源矩阵驱动的OLED，是在OLED 显示器的每一个像素加上TFT 和电容器构成存储器。因此，在每个OLED 像素上需要至少两只晶体管和一只电容器。寻址的亮度信号通过1 只晶体管被电容器储存起来，再利用电容器里储存的电平通过另一只场效应晶体管的栅极来而控制OLED 像素的发光。,TFT-LCD性能提高技术,由于电容器中的电平可以储存至少一场的时间，所以OLED 像素的发光时间为一帧的时间。这种方法的优点是扫描的行数可以达到上千行而不降低显示的亮度，用于高寻址路数的大容量彩色显示屏。有源矩阵驱动的OLED 的每个像素上的OLED、电容器和TFT 晶体管，一起等效于一个双稳态的发光像素。像素的状态由行扫描期间该像素被写入的内容确定：写入1 的像素在一场保持发光，写入0 的像素则保持为不发光。,TFT-LCD性能提高技术,有源矩阵驱动方式构成的双稳态像素的结构很复杂。例如，普通的有源矩阵OLED 显示器（例如VGA 格式，4806403 个像素）需要在多晶硅基片上制造百万只晶体管和几十万只电容。考虑到晶体管本身的结构就很复杂，制造电容的工艺与制造晶体管的工艺又不一样，加之这样规模的晶体管、电容的互连结构还要延展到整个显示屏幕上，而不是集成在制造IC 所用的硅片尺寸（小于8in）上，制造这种屏相当困难，对设备的要求也相当高。而且由于电容器的放电，OLED 发出光的强度会随时间而衰减，从而造成不稳定。,TFT-LCD性能提高技术,有源矩阵驱动的LCD 的原理与有源矩阵驱动的OLED 类似，只是LCD 为非发光显示器件，漏电流很小，所以有源LCD 的每一像素只需要一只晶体管，存储电容可以利用液晶绝缘性自然形成，因而有源LCD 要简单得多。有源LCD 上的每个显示像素加上TFT，一起等效于一个双稳态的显示像素。像素在一场中的状态由行扫描期间该像素被写入的内容确定：写入1 的像素在一场保持显示，写入0 的像素则保持为非显示。,TFT-LCD性能提高技术,由上所述，OLED 与LCD 本身不具有存储特性，所以需要以TFT 和电容为核心构造存储显示单元，而PDP 显示器件的像素的双稳态特性本身就代表了像素的存储特性，而只要具有存储特性的像素就不需要有源矩阵。因此，寻找适当的材料、结构和驱动方式来构造各种类型显示器件的双稳态像素的科学探索活动就一直没有停止过。,TFT-LCD性能提高技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术,传统液晶双稳态显示器件包括三类： 胆甾型液晶相变的双稳态液晶显示器件、手性向列液晶Friderikz 转变引起的双稳态、手性向列液晶表面锚定特性引起的双稳态,TFT-LCD性能提高技术,1 、胆甾型液晶场致相变的双稳态显示器件（相变型LCD）,这种情况下胆甾型液晶层的厚度d 比手性向列液晶的自发螺距大(dp 2)，基片作沿面取向处理，最好不作沿面平行取向处理，即基片涂布PI 烘烤以后不再摩擦。实验证明，基片表面的取向缺陷是获得双稳态的关键。作为例子，以下述条件制造液晶单元：两片做好沿面取向的、镀有ITO 的玻璃基板（以后简称ITO玻璃） 之间(盒厚6m 左右)，注入介电各向异性 为9（相对介电常数）、自发螺距为p0.8m的手性向列液晶,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,液晶的光学螺距落于可见光谱波长之外。相变液晶盒的初始状态平面态为透明态。提高电压，在3V附近，发生螺旋轴的90旋转，成指纹织构。进一步提高电压，在大于5V后形成焦锥(focalconic)织构。于是入射光被散射，液晶盒呈现乳白色，从而透射率降低。再提高电压达到17V左右，螺旋结构解体，液晶分子都朝向电场方向，呈向列型液晶的结构，液晶盒变透明。,TFT-LCD性能提高技术,若一点一点地降低电压，如图中箭头所示。到15V以下时，由于边界效应，胆甾型液晶的螺旋结构并不马上恢复，保持在向列型液晶的织构不变。继续降低场强，至7.5V以下，液晶的排列才成为焦锥织构，光透过率大大降低。再降低场强即成指纹织构，由于散射作用，透过率仍然较低，直至0V。若将电压缓慢降下来就再也得不到平面织构了。若要得到平面织构，只须将诱发向列相的高压瞬间去掉就可以了。,TFT-LCD性能提高技术,电控相变效应的一个最突出的特点是8 伏和17 伏之间（上述2 区所表示）的双稳态性质，没有用偏振片观察时，在此区间液晶盒可以是向列型的透明状态，也可以是胆甾液晶焦锥织构的乳白色状态。该双稳态存在的区间为非零电场的双稳态区间。实现向列相的垂直排列后，缓慢降低电压到0V会得到指纹织构，快速降低电压可得到平面织构。,TFT-LCD性能提高技术,显然，相变效应的液晶显示器除了在8 伏和17 伏之间存在双稳态区域以外，在零电场至3 伏的区间也有一双稳态区域（所图2 的1 区所示），液晶既可以处于胆甾型液晶的平面状态，也可以处于胆甾液晶的焦锥状态，这一区域成为零场双稳态区域。零场双稳态区意味着这种显示单元维持双稳的状态不需要外加电场，即不需要耗电，仅仅在触发翻转的时候才需要用电，这对手持式设备意义重大。应用上的牵引使这种双稳态显示器件也成为了液晶显示器研究中的热点，也启发了研究工作者探索其它具有零场双稳态性质的器件和相应材料。,TFT-LCD性能提高技术,为了利用零场双稳态区的平面态与焦锥态之间的双稳态翻转来显示图像，胆甾型液晶的光学螺距被调节在可见光波长范围之内。于是平面态时胆甾型液晶反射出类似于孔雀羽毛那样的鲜艳的颜色，它可以是红绿蓝三色中任意一种颜色，仅需在调配液晶的时候将液晶的光学螺距调配成与反射光的波长相等就行了。焦锥态的略带散射的透明状态经显示器件背后涂布黑漆以后成为黑色的显示状态。胆甾型液晶的零场双稳态的显示效果是在鲜艳的颜色与黑色之间的翻转而获得。,TFT-LCD性能提高技术,注意到0V至3V的区域中，液晶显示单元还有一明显的阈值特性，即在3V以下液晶完全不响应外电场。这在矩阵型显示器的驱动极为关键的。它意味着矩阵驱动的交叉效应可以通过1/3 驱动法来消除，只要被选像素的驱动电压在9V以下，都可以通过1/3 驱动法在非选择像素上实现3V以下的偏压，从而获得极高的对比度。,TFT-LCD性能提高技术,胆甾型液晶的零场双稳态特性首先被用在电子书显示屏上，由于正常阅读条件下不用电，2 节AAA电池可以使用2 个月，比起传统的显示器在类似装置上电池只能使用3 个小时来，确实有很大进步。然而，正常的书是在白底上显示黑字，而不是绿底上显示黑字，如何才能使显示器的底色成为白色，成为研究的重要课题。,TFT-LCD性能提高技术,美国Kent 州立大学的研究人员在这种胆甾型液晶里加入聚合物网络，使液晶盒里分离出许多微米大小的小畴，各个畴内部液晶螺距的长度受液晶分子在聚合物网络上的锚定状态的影响而随机分布，液晶显示器的反射谱随畴而异。由于一个像素内包含成百上千的小畴，所以总体上看，反射光包含了各种光谱，反射谱得到展宽。国内电子科技大学的研究人员在除了在胆甾型液晶里加入了聚合物网络外，还将基片与液晶之间的界面制成凹凸不平的形状，让不同小畴区域的液晶分子在界面上与聚合物网络中的平面态有一定分布的随机的倾斜，多个小畴形成的像素可以进一步展宽反射光谱范围，实现白底黑字的显示。,TFT-LCD性能提高技术,然而，人们看惯了彩色显示器，这种黑白显示器的效果无法与彩色显示器相比，这就促使研究人员开发具有零场双稳态特性的彩色显示器。对于胆甾型液晶场致相变的零场双稳态显示器件而言，问题似乎很简单，将红绿蓝三层重叠为一体，红绿蓝分别由不同的驱动电路控制即可。Kent州立大学的研究人员以镀有ITO 薄膜的PET 为基材，做出了原理性演示样品。,TFT-LCD性能提高技术,上述显示单元的问题还在于响应速度较慢，只有3ms 左右。试想，1000 行的显示器，按每行3ms 的速度扫描，则刷新1 帧的时间需要3s，无法完成视频显示。针对于此，吴葆刚先生在液晶中通过添加少量的水与活性剂，利用液晶畴之间粘度较低的水作润滑，使液晶畴集体转向的时间降低到原先的1 / 100。,TFT-LCD性能提高技术,如上所述，这种场致相变显示单元从高电压下的向列相把电压降低为零时，可能会出现两种结果：快速降低时成为平面织构，缓慢降低时成为焦锥织构或指纹织构。研究发现，液晶分子在某一瞬态的流动造成了如上的差别。这意味着驱动电路只要能在这一瞬间提供恰当的电场，就能按意愿使液晶的织构成为平面态或焦锥态。对于此现象的深入研究，导致了3 相或5 相驱动法的发明，使每行的写入时间降低到40s，已经达到电视行（64s）的水平。由于瞬态液晶分子流动的理论模型尚未建立，这一领域的研究还只限于实验研究。,TFT-LCD性能提高技术,2、手性向列液晶Friderikz 转变引起的双稳态,这种情况下，液晶盒厚度d 与螺距p 之比在 l 左右。连续弹性理论分析结果表明，将手性液晶充入平面取向的液晶盒中，当液晶在盒内的扭曲角达到270时，中心液晶分子随电压变化的陡峭度为无穷大。通常情况下没有考虑扭曲角超过270以后液晶的指向随电压如何变化。,TFT-LCD性能提高技术,数值计算结果表示，在使用介电各向异性为正、扭曲角超过270的长螺距的手性向列液晶的液晶盒(dpl 时)时，指向矢随电压的变化会出现指向矢随电压滞后的特性。螺旋轴与电极面垂直的平面螺旋结构受到足够强的电场Esat 作用，除了盒表面附近的液晶分子以外，其他液晶分子均与电场方向平行，降低电场时液晶分子在较低的场强下才转回为平面状态。特别地，在施加电场时，这种液晶盒容易发生条带状或格栅状的图案。,TFT-LCD性能提高技术,Berreman 和Heffner 证明了在两电极面上具有大预倾角(2535)的倾斜取向时，条带状或格栅状的图案就会消失，而且证明了在此相变中会产生双稳定态。图3 是用计算方法算出在具有大预倾角、扭曲360的液晶盒中，液晶层中心部分的液晶分子的倾斜角是怎样随电压变化的，如实线所示。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,从此图可以看出，电压在约1.8V 2.3V的范围内时，中心液晶分子的指向矢在大于2.3V时陡然偏向90，降低电压时，直到1.8V前均维持90变化不大，直到1.8V以下才陡然降到0左右。在1.8 至2.3 之间为双稳态区间。在此区间，液晶的指向矢可以为0的状态，也可以是90的状态。,TFT-LCD性能提高技术,当然，液晶指向矢的偏向用眼睛是看不到的，将此种效应用于器件时，需要使用两枚正交偏振片。在偏向角接近于0时，液晶盒对于可见光，若满足莫根条件，则将入射偏振光透过液晶层旋转了360，所以，若用正交放置的偏振片，则视野很暗。在倾角接近于90时，液晶仅在中心部位指向矢接近于90，而在其它位置接近于0，由于液晶等效偏振波导被破坏，所以，入射到液晶层的直线偏振光在离开液晶层后就变成椭圆偏振光，因而液晶盒变得明亮。,TFT-LCD性能提高技术,进一步地，能产生双稳态性质的电压范围V取决于d / p ，dp 增大，则工作电压降低的同时，其双稳态电压范围变窄。还取决于液晶材料的弹性常数的数值大小，例如，k33 的值越大，双稳区域越宽。从原理上看到，这种显示单元显现双稳态特点的范围在2V 左右，为非零场双稳态模式，维持显示需耗费能量，对比度与亮度均不高，视角范围很窄，响应时间也比较慢。此外，这种显示模式不存在零场双稳态区域。由于上述原因，极少看到这类显示器的研究报告。,TFT-LCD性能提高技术,3 、手性向列液晶表面锚定特性引起的双稳态,由手性向列液晶表面锚定所引起的双稳态的两个要点是：1)两片沿面平行取向的基片中，基片A 为低预倾角强锚定取向（小于3），基片B 为中预倾角（1020）取向；2)液晶在基片A 上成强锚定，向列型液晶中添加适量的手性剂使之成自然扭曲的状态时，与基片B 表面的取向正好垂直。,TFT-LCD性能提高技术,以上下基片平行取向为例，添加手性剂的向列型液晶的螺距应该为盒厚的1 / 4，即盒内液晶的自然扭曲角为90。由于上下基片的锚定作用，液晶在盒内的稳定状态只能是0或180。为了在上述两个稳定状态实现较好的对比度，上下两张偏振片是必不可少的，而且要用琼斯矩阵或扩展琼斯矩阵为工具计算最佳的盒厚与液晶的双折射乘积。,TFT-LCD性能提高技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术,大多数双稳态器件都是以液晶材料为核心。除了传统的铁电液晶双稳态、顶点双稳态外，最近还有论文报告了向列相中纳米质点的泳动所引起的双稳态现象。,TFT-LCD性能提高技术,研究与构造双稳态显示单元的目的在于实现纯矩阵驱动的显示器件。然而，并非凡是具有双稳态特性的器件都能够以纯矩阵方式驱动。对具有单向方式的显示器件而言，例如LED 或OLED 矩阵，总是能够采用纯矩阵的方式实现驱动，但是对于双向方式的显示器件，在非驱动的像素单元上总有一定的电压，如图4 所示。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,纯矩阵显示器件第1 行像素被驱动时，第1 行加上了S 的电平，第1 行从左至右第1、3、4 个像素若要显示，则对应的列电极加上了- D 的电平，于是第1 行标记为方框的像素（以下称为被选择像素，简称为Sel 像素）被加上了S+D的电压。同理，标记为X 的电极没有被显示（称为非选择像素，简称Non 像素），加上了S- D 的电压，其余行的电极（标记为圆圈的像素，称为半选择像素，简称为H 像素），则被加上了- D 或+D的电压。依1/2 偏压驱动法，S =V/2，D=V/2，则Sel 上的电压为V，Non 上的电压为0，H 像素上的电压为V/2 。依1/3 偏压驱动法，S=2V/3 ，D=V/3，则Sel 上的电压仍然为V，但Non 像素上的电压有所升高，为V/3，而H 像素上的电压降为V/ 3 。,TFT-LCD性能提高技术,从以上分析可知，具有N 行的显示器件，其单元处于半选择（H 像素）的时间为（N- 1）/N，而处于被选择（Sel 像素）或非选择（Non 像素）的时间只有1/N。若N 接近1,000 行时，这个差异是非常大的。以上分析可见，即使采用1/3 偏压驱动法，欲使被选择像素上的电压达到V，非选择与半选择像素上将会有V/3 的电压，这就是所谓的交叉效应。为了能够顺利地实现双稳态显示单元的驱动，要求双稳态显示单元的阈值电压必须大于其驱动电压值的1/3。于是，在刷新这种纯矩阵显示屏的时候，Non 像素与H 像素才不会受到扫描电平S 与信号电平D的影响。,TFT-LCD性能提高技术,绝大多数双稳态液晶显示单元均有较高的阈值电压，可以采用纯矩阵驱动。然而，作为当前热门的双稳态显示单元的E- Ink 虽然其双稳态的原理已广为人知，但是这种显示器件却因为没有明显的阈值电压而无法采用纯矩阵方式驱动。,TFT-LCD性能提高技术,初始阶段，E- Ink 显示单元的灰度等级正比于电压乘以时间，直至饱和以后时间才不起作用。如普通的纯矩阵显示器件一样，具有N 行的E- Ink 显示器每行的被选时间仅有1/N 场的时间，若N 较大，则由于1/N 的时间里显示单元受到V电压的驱动，V 与时间的乘积比较只有V/N；而在（N- 1）/N 的时间里单元受到V/3 的电压的驱动，乘以时间就变成V（N- 1）/(3 N)。只要N 大于3 行，E- Ink 显示器被选像素的灰度甚至还不如半选像素的灰度，背景灰度将彻底淹没欲显示的图像。现阶段的E- Ink 显示器不得在每一像素单元上加上晶体管，以有源矩阵来驱动。,TFT-LCD性能提高技术,综上所述，双稳态显示单元实现纯矩阵驱动的另一必要条件为阈值电压Vth 大于其驱动电压值Vsat 的1/3。由于液晶双稳态显示技术，包括铁电液晶表面效应双稳态、顶点双稳态，以及向列相中纳米颗粒泳动、场致- 展曲转变等液晶的双稳态效应已为众所周知，这里不再介绍。常规的E- Ink 电子墨水由于没有明显的阈值特性也不再介绍。以下仅介绍满足上述纯矩阵驱动条件的非液晶类的新型双稳态显示单元。,TFT-LCD性能提高技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术,被动式显示器件指的自身不发光，靠外加电场调制自身对外界光的反射率或透光率而达到显示效果的器件。被动式显示器件的好处是可以降低显示器件的能耗，零场双稳态器件还能做到无功耗阅读；外界光越亮，显示效果越好。缺点是夜间需照明才能使用。除了液晶显示单元以外，近期开发成功的具有双稳态驱动特性的被动式显示器件有以下三种：,TFT-LCD性能提高技术,3.1 流体微球显示器（liquid powder display,LPD）让黑白颜色的纳米球分别带上正负电荷，将其置于两片相向放置的ITO 玻璃之间，ITO 面向内。若在两ITO 膜上加上一定的电压，则两ITO 膜之间形成较强的静电场，于是黑球向负极板积淀，白球向正极板积淀。最终黑白纳米球被分离在两张基片的内表面，其中一面表现为黑色，另一面表现为白色。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,LPD 显示的原理与E- Ink 的原理颇为类似，前者是荷电粒子在空气中（或真空中）向相反极性的带电极板上的“飞翔” 淀积来实现显示，后者则是荷电粒子在液体中被电场作用通过泳动而实现显示。但是，运动的环境不同使得LPD 与电子墨水有下述两方面的根本不同：,TFT-LCD性能提高技术,(1)阈值电场LPD 显示单元中，零电场下正负荷电微球之间靠静电力粘在一起，微球以范德尔瓦斯力吸附在基板内表面，需较大的电场力才能将它们分开。而一旦分离，正负荷电的微球在稍高的电场下就能积淀到对向的极板上。因此，LPD 显示单元具有明显且较大的阈值电场Eth，饱和电场Esat 比阈值电场Eth 只是略高一点。,TFT-LCD性能提高技术,换言之，若达不到这个阈值电场，带正负电荷的微球相互吸引而不会分开，吸附在基板内表面的微球也不会脱落。按照前述矩阵驱动的要求，Non 像素与H 像素上要加上的Esat/3 的电场，若Esat/3 小于LPD 的阈值Eth，即使时间很长也不会对非选和半选的像素有任何影响。因此，LPD 可以采用纯矩阵方式驱动，不需要有源矩阵。,TFT-LCD性能提高技术,E- Ink 显示单元中的正负荷电微球之间的结合力因为液体的存在要弱得多，这是因为液体的极化特性使然，这就造成E- Ink 显示单元没有明显的阈值。E- Ink 显示单元灰度的变化与电场乘以时间的积成正比（驱动的初始阶段）。结果，Non 像素与H 像素上所加上的Vsat/3 的电压在时间稍长的情况下即造成背景灰度的混乱，显示图形被淹没在混乱的背景之下。E- Ink 显示器，无论其图像显示容量有多大，必须要有源矩阵才行。,TFT-LCD性能提高技术,(2)响应时间LPD 显示单元中的带电微球被电场驱动而在空气中或真空中飞翔，阻力小，速度高。一般可以达到0.2ms 级的开关时间，离视频响应的时间（PAL 制为64s）已经相差不多。E- Ink 显示单元中的带电微球在液体中运动，阻力大，运动速度低，开关时间能做到23ms 就算不错了。,TFT-LCD性能提高技术,LPD 显示器的缺点也显而易见驱动电压高。由于带电微球之间的结合不止是静电力，还有范德尔瓦斯力以及微球表面所吸附的气体所带来的黏附作用，欲使正负微球分开的静电场极大。阈值电场的典型值为6V/m，基板间距的典型值为2060V/m，可以算出其驱动电压超过百伏，一般达到数百伏。,TFT-LCD性能提高技术,LPD 容易出现的问题是正负荷电的纳米颗粒容易团聚成球，造成器件失效。由于LPD 显示特性对盒厚依存关系不是很强，通过在每一像素四周构造壁腔，在围腔中填入三基色纳米微球，也很容易实现柔性化、彩色化。图6 为Bridgestone 公司制作的彩色LPD 样品，可以看到，具有零场双稳态特性的LPD 在显示的时候确实不用电，仅在刷新时才用电。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,2 、IMod 显示器件（interferometricmodulator,IMod）,这是一种基于光干涉与机械双稳态机构的显示器件。水面上的油膜在日光下会出现美丽的干涉颜色，干涉色取决于油膜的厚度；蝴蝶翅膀的亮丽颜色并不是翅膀上有某种颜料化合物成分，而是薄薄的翅膀还是空腔的结构，颜色来自于空腔上下薄膜反射光所造成的干涉，干涉色取决于空腔的厚度。若能改变空腔的厚度，则干涉颜色就会发生改变。为了空腔的厚度实现双稳态可变，高通公司建构了图7 结构的IMod 单元。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,IMod 单元是由镀有ITO（作为下电极）的玻璃面板、膜金属电极（上电极）、支撑柱所构成，上下电极间自然形成空腔。金属膜表面作黑化处理。为了防止短路，在ITO 上还有一层薄薄的绝缘膜。上下电极间加电时，由于静电引力，金属向ITO 膜靠近，直至空腔的厚度小于光波长，此时没有光的干涉，单元显示金属膜的黑色。这种情况正如盛于黑色容器中的水面那样。断电以后，金属膜弹起，金属膜与ITO 之间构成厚度为数个波长的空腔，金属膜表面的反射与ITO 表面的反射之间产生光干涉，相当于水面增加了一层油膜，显示单元表面呈现出一定的颜色。,TFT-LCD性能提高技术,经过带牺牲层的多次光刻制作，制成的IMod 显示单元在没有加电的情况下有图7（a）所示的自然结构特征：金属膜电极微微向上凸起。若加上电压，金属膜在电场下被ITO 膜吸引而克服弹性能向下弯曲，最终达到图7（b）所示的情况。至于图8 所示的形状则是一种假象的中间状态，此时金属膜两端被压缩，应力最大，所以最不稳定。这有点类似于弹片按键开关的情形，开与关之间的中间状态不是稳定状态。由于中间状态的不稳定，IMod 在逐渐升高驱动电压，再逐步降低驱动电压就会呈现出滞后的特性。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,图9 所示为IMod 单元的电光特性曲线。IMod 单元上加上逐渐升高的电压，稍超过Vth 反射率便陡然降低，迅速达到Vsat 之后，反射率降低至接近于0。若降低电压至Vth 时，IMod 单元的反射率并不增高，只有当电压降低到Vd 以后反射率才迅速增至最大。显然，Vd 至Vth 之间的电压区间存在一个双稳态区域，依前述纯矩阵驱动的要求，Non 像素与H 像素上所加的电压为Vsat/3，若Vsat/3 小于Vth，就能实现纯矩阵方式的驱动。IMod 单元容易满足上述条件。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,3 、基于电湿润原理构建的双稳态显示器件,电湿润显示单元基于极性液体（例如水）在疏水表面（例如聚四氟乙烯）上的湿润角随电场增加而显著增加的现象。电湿润显示单元的工作原理示于图11，其中下基板的ITO 膜上淀积了一层含氟的聚合物，如聚四氟乙烯薄膜，兼做疏水介质与介电层，水作为导电液体将上电极ITO 上的电位传导至聚四氟乙烯薄膜介质上。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,显然，电湿润显示单元并不具有双稳态的特性。虽然飞利浦报道了TFT 驱动的电湿润显示器件样品，但由于其没有双稳态特性，不在本文的介绍的范围。为了实现双稳态显示，K. Blankenback 等人建造了如图12 所示的“Droplet- Driven isplay”(简称为D3)。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,每个D3 单元具有1 个公共电极、2 个驱动电极，电极表面作疏水处理。显示单元用两个电源驱动。初始阶段，水滴在显示单元的左边，V2 接通，水滴开始向电极上浸润，如图12(a)。随后电源V1 也接通，V2 减小，驱动水滴向右，如图12(b)。之后，V2 断开，V1 接通，水滴完全达到右边的电极。接下来V1、V2 均可以断开，水滴在右边定点下来。只要将下基板的两个ITO 电极之一换成不透光的金属电极，就获得了具有零场双稳态特性的显示单元。,TFT-LCD性能提高技术,由此看来，D3 显示单元属于零电场双稳态单元，做成矩阵显示器的话，在显示的期间是不需要电的，只有在刷新的时候才需要用电。为了采用数字方式驱动，图12 所示的D3 显示单元的下电极被分成4 个，水滴从电极12 到电极23，再到电极34，再断电。,TFT-LCD性能提高技术,D3 显示单元的建构，说明将原本没有双稳态特性的显示单元，通过巧妙的电极与驱动方式布局，可以建构成具有双稳态特性的单元，这对于其他类型的显示器件，特别是发光型显示器件是有借鉴意义的。,TFT-LCD性能提高技术, 问题的提出 经典的双稳态液晶显示器件 纯矩阵驱动方式对双稳态显示器件 被动式双稳态显示器件 发光型双稳态显示器件,TFT-LCD性能提高技术,以前介绍的双稳态器件都是被动式显示器件，需要在外界光的照射下才能显示。发光型双稳态器件以对比度高、视角范围大、响应时间快为特点，对产业界更具有吸引力。这里先介绍等离子放电发光型、OLED 发光型两种双稳态显示器件。,TFT-LCD性能提高技术,4.1 等离子放电发光型双稳态显示器,这种显示器以PDP （Plasma Display Panel，PDP）为代表，其原理已经本文的第一部分以日光灯气体放电原理作了说明。早期的气体放电显示器是按照纯矩阵方式，将行、列电极分别印制在上下玻璃基板上，依本文第二部分的图4 方式将行、列电极作横竖排列，像素之间以障壁隔离以防止放电离子横向扩散而引燃相邻像素，再抽去空气、充以稀薄的氖气就构成了橘红色的等离子放电显示器。,TFT-LCD性能提高技术,如此简单结构的等离子显示器需要300V 左右的高压来驱动，即行扫描每一条电极上的电压值均在300V至0V之间依扫描的时间而起伏变化。同时，由于行扫描与列驱动电极的数量数以千条，它对集成电路的要求是高密度、耐高压、且具有较大电流供给能力，如此要求的集成电路至今仍未能实现。,TFT-LCD性能提高技术,曾流行过具有自扫描功能的气体放电显示板，以降低对扫描电路的依赖。然而这种显示器不具备双稳态特性，像素只在被扫描寻址的瞬间点亮，因而亮度与发光量子效率都很低。这种显示器不在本文介绍的范围之中。,TFT-LCD性能提高技术,PDP 的实质性进步是富士通公司1990 年提出的寻址与显示分离的三电极结构，这种结构一直沿用至今。图13 为这种结构的截面图。其中PDP 内充氦氖为主的惰性气体，在放电时发出紫外光，紫外光激发随位置而不同的荧光粉分别发出红、绿、蓝三基色，从而构成彩色显示器。氧化镁层用于保护电极，高介电常数的介质膜将电极上的交流电场有效地耦合到放电气体之中。下部两条电极称为汇流电极，因制作成条状也称作汇流条，上部的电极称为信号电极，受控于集成电路。要说明的是，实际的荧光粉上也覆盖了相当厚度的氧化镁，保护荧光粉不受放电离子的轰击。,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,TFT-LCD性能提高技术,PDP 的写入过程分4 个过程： 预写入。此时信号电极保持为0V，在汇流条上以短暂的300 伏峰- 峰值让气体放电，此时正离子在汇流条之间呈弧线随交流电的波动而来回飞行，由于离子速度呈正态分布，一些离子的速度较大而在切线方向飞出，黏附在荧光粉表面，最终在荧光粉表面形成离子附着层，其电位接近交流电的峰值，约为250V。,TFT-LCD性能提高技术, 整理壁电荷。该步骤时间短，电压只有100V，电弧熄灭，残存离子在100V交流下与电子复合，在荧光粉上留下250V的电位，其余地方电位为零。 信号写入。所有的汇流电极上均保持为180V交流，然后根据图像是否要点燃该像素，确定是否要在信号电极_上施以+50V的电压。凡是加上+50V电压的像素，加之荧光粉上留下的250V电位，像素均成功点火，而没有在信号电极施加+50V电压的像素均没有被点燃。该步骤实现了像素图像的写入。,TFT-LCD性能提高技术, 显示保持。此过程只须维持汇流条电极为交流180V 即可，此过程维持一场时间，于是被写入的像素维持一场时间的发光，与老式的自扫描型PDP 显示器相比，亮度成百倍提高。此外还可以看到，由于荧光粉上粘附的离子而带来的250V的电位，信号电极的点火电压由300伏降到50V，且只起引电弧的作用，显示像素的发光功率由汇流电极提供。于是，驱动集成电路的电压与电流均降下来了。,TFT-LCD性能提高技术,PDP 的缺点在于屏幕的烧伤效应：那些一直被点燃像素的荧光粉逐渐老化，亮度逐渐降低，而没有被点燃的像素亮度较高。这一效应不能象液晶那样通过扩散、流动而使差异变小。当从文字切换到电视显示时，文字原来的位置（例如电视台标处）将留下灰黑色的潜影。这也是PDP 显示器一直无法用于桌面显示器的原因，随着3G 网络和图文电视的开通，这一缺点将会更加突出。,TFT-LCD性能提高技术,4.2 OLED 的双稳态发光技术,虽然OLED 被誉为下一代的显示器，由于其单向导电特性，能构成最为简单的纯矩阵图形显示器，曾被认为是成本最低的图形显示器。但是现实中的OLED 显示器却不能脱俗，无法摆脱对TFT 的依赖。实用的OLED 显示器对TFT 的要求更高，需要非晶硅材料制造的TFT 阵列，更甚一步，每像素一只TFT管还不行，最少要两只，最好用4 只。这使得OLED显示器的实际情况与预想相去甚远。,TFT-LCD性能提高技术,有以下两种方法能去掉TFT，一是采