一种黑白反射式双稳态显示器件及材料的研究

储周硕 李广圣 叶宁 薛彦鹏 关月 成都中电熊猫显示科技有限公司

关键字：双稳态 反射 高折射率 胆甾相 白底黑字 高对比度 低电压驱动

1 引言

二十世纪末胆甾相液晶在零场下具有多稳定相态织构的现象被发现，随后人们对胆甾相液晶应用于显示技术的研究越来越广泛，其中一种新兴显示技术模式逐渐发展起来并且受到广泛关注，它就是反射式胆甾相液晶显示(简称：Ch-LCD，Cholesteric liquid crystal display) 。这种显示模式可以在零电场条件下长时间保持显示的内容，具有零场记忆特性优势 ，并且能耗十分低，大概是薄膜晶体管液晶显示模式的八分之一。并且反射式胆甾相液晶显示无需背光源与偏光片，因此具有宽视角显示效果和高反射能力，从而可实现阅读效果与纸质阅读相似，十分适合应用于电子货架标签、电子阅读产品、商业宣传广告等众多领域。许多国家在胆甾相液晶显示的研究与应用上投入了大量人力和物力，使得胆甾相液晶显示飞快发展。黄绿模式胆甾相液晶电子书籍阅读显示在2000 年被成功开发出来。如图1 所示传统胆甾相液晶显示的原理：

图1 胆甾相液晶双稳态显示原理图(a)平面态(b)焦锥态

由于胆甾相液晶布拉格反射特性，目前胆甾相液晶所制作电子器件都是有底色的，而人眼通常对类似报纸类的白底黑字显示舒适感是最佳的。所以人们不断投入资源进行白底黑字双稳态显示模式开发。

肯特州立大学研究将聚合物网络加入到胆甾相液晶中，发现这些聚合物网络可以分离出很多微米级别的畴在液晶盒中，由于每个微米级小畴内的液晶螺距分布各异，造成反射频谱也随之存在差异。每个像素中存在许多微米级别且彼此存在差异的畴，因此反射光内的反射频谱也被扩展，从而得到白光 。将显示器的背景涂为黑色，采用焦锥态即可显示黑字。

国内也有高校及企业，使用近晶相实现白底黑字，利用高频驱动减弱离子效应，使液晶分子在垂直于玻璃基板表面的方向排列，这种状态下显示器呈现透态，显示背景的黑色（黑色的字）；利用低频驱动造成离子扰乱液晶的排列，这种状态下显示器呈现雾态（白色的纸）；一般采用大于60V 的驱动电压，对比度在2.0 左右。显示原理如图2所示：

图2 近晶相液晶双稳态显示原理图(a)散射态(b)透明态

1895-1899 年期间关于E-Ink 技术的研究在美国麻省理工学院媒体实验室展开。1990-2000年期间，采用电泳技术电泳油墨（电子墨水）在E-Ink 公司被发明出来，这一发明促进了电子墨水屏的发展。电子墨水是指极其微小的“胶囊”中包裹着具有正电性的白色粒子和具有负电性的黑色粒子，如图3 所示。电子墨水屏具有柔性、易于阅读、能耗小的优势，但是具有刷新速度慢的缺点。

图3 电子墨水屏原理图

针对现有技术存在的一些问题，本文提出一种有别于寻常显示的胆甾相液晶，配合黑底，来实现白底黑字显示，如图4 所示：胆甾相液晶的反射波段设置在非可见光区域，液晶分子处于平面态时，反射非可见区域的光，可见光区域呈现出透明态，配合黑色基底实现黑字；焦锥态时，光线经过液晶分子发生散射，呈现雾态（白底）。由于需要靠液晶分子的散射来实现雾态（白底），其显示效果依赖于液晶材料的性能，本文提出了几种不同折射率的胆甾相液晶材料，评估对焦锥态的雾度、对比度的影响。

图4 反射非可见光的胆甾相双稳态显示原理(a)平面态（b）焦锥态

2 对比实验

我们分别制作了近晶相（样品A）、胆甾相（样品B）双稳态器件样品，如图5 所示。使用液晶参数如表1 所示，并测试其刷新电压及对比度（半球漫反射法）。样品cell gap 为4 um，基底为黑色，对比度采用Autronic Melchers DMS 505 进行测定，场频为50 Hz，驱动电压的输出为方波。测试结果如表2 所示，从测试结果可见，使用本文所述的显示模式，配合胆甾相液晶II（反射波长设置在1000 nm 的非可见光区），能够显示白底黑字，具有较低的刷新电压，相对高的对比度。

图5 近晶相和胆甾相双稳态样品

表1 近晶相和胆甾相双稳态样品所用液晶参数

表2 近晶相和胆甾相液晶双稳态显示的性能对比

我们使用不同折射率的向列相液晶，向其中加入手性材料制成胆甾相液晶，将反射波长设置为1000 nm，制成cell gap 为4 um、基底为黑色的双稳态器件样品，在相同条件下分别测试样品，如表3 所示为测试的刷新电压、对比度、液晶参数及双稳态器件数据。我们可以看到折射率影响着器件的对比度，更高折射率的液晶材料有着更好的显示效果。液晶材料的介电常数则影响着双稳态器件的刷新电压。液晶体系II 有着最低的刷新电压，相对大的对比度；液晶材料IV 有着最大的对比度，驱动电压则相对较高；液晶材料III 则有着适中的刷新电压和对比度。

表3 用不同折射率的胆甾相液晶材料制备双稳态显示器件的参数

3 总结

使用非可见光区胆甾相液晶配合黑色基材制成器件，可以有效的实现黑色字白色底的显示效果。使用大折射率大介电的液晶材料能有效提升焦锥态的雾度，从而提升整个器件的对比度，并降低驱动电压。基于这类液晶材料体系的显示器件光学对比度能做到3 以上，刷新电压小于10V。低刷新电压、快速响应、低成本等优势的这种胆甾相液晶器件在黑白反射式双稳态显示器件中有极其高的应用价值和广泛的应用前景。