公共电极和反射器作互补的单盒式透反射型液晶显示器 10种脑干反射检查手法

　　摘要：给出了一种单盒式透反射型液晶显示器，它采用顶板公共电极和底板的反射器形成互补。这些狭长的公共电极和反射器在透射区域(T区)产生出强劲的纵向电场，而在反射区域(R区)带来微弱的边缘场。无论透射显示模式还是反射显示模式，均给出高的光学效率和良好的匹配灰度。
　　关键词：互补电极图案；边缘场；透反射式液晶显示器；垂直阵列
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：A
　　
　　A Single-Cell-Gap Transflective Liquid Crystal Display with Complementary Common Electrodes and Reflectors
　　
　　Xinyu Zhu1, Zhibing Ge2,IEEE, and Shin-Tson Wu1,
　　(1. College of Optics and Photonics, University of Central Florida (UCF), Orlando, USA;
　　2. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Central Florida, Orlando, USA)
　　
　　Abstract:A single-cell-gap transflective liquid crystal display with complementary common electrodes on the top substrate and reflectors on the bottom substrate is demonstrated. These slit-patterned common electrodes and reflectors generate a strong longitudinal electric field in the transmissive region (T-region) and a weak fringe field in the reflective region (R-region). Both transmissive and reflective display modes show high optical efficiency and well-matched grayscales.
　　Keywords：complementary electrode pattern; fringe field; transflective liquid crystal display (TR-LCD); vertical alignment
　　
　　1介绍
　　
　　透反射型液晶显示器(TR-LCD)早已广泛运用在移动显示领域，这是由于它们具备室内和室外的可读性。因为透射区和反射区的光路有着根本的不同，所以设计TR-LCD的最简方法是采用双盒技术[1][2]。但是双盒TR-LCD仍然存在一些缺陷，比如R区的响应时间小于T区，盒厚均匀性控制困难，以及在R区和T区的边界附近存在缺陷。
　　近来出现几种单盒式TR-LCD的报道[3]~[12]，但要补偿T模式与R模式之间的光路差异，对液晶盒的设计仍然相当复杂，这当中很多需要采用盒内延迟膜。相比之下，在R区采用局部转换机理的单盒式TR-LCD展现出更多的魅力[13]。比如R区和T区的灰度衔接就相当好。当然，如果采用金属材质的反射器，且能与像素电极保持绝缘，则不会产生边缘场。而绝缘反射器会在R区形成杂散电容，场扫描期间该电容器的电荷很难释放。尽管可以采用不连续公共电极来解决这些问题，但在R区公共电极下的电场依然非常强。结果是LC偏转角度可能会超过限度。
　　在这篇文章中，我们给出一种单盒式TR-LCD，它对电极和反射器的图形进行了特殊设计[14]。与其他单盒式TR-LCD相比，我们的新设计没有使用复杂的制作工艺，当然也就不需要盒内延迟膜。更重要的是，这种单盒式TR-LCD在T模式和R模式之间展现出非常好的灰度匹配性。T模式的光效率达到约98%，而R模式超过了80%。
　　
　　2器件结构和工作原理
　　
　　图1给出了新型TR-LCD的截面视图。垂直取向的负性液晶层夹在顶板和底板之间，每个像素区盒厚均匀。顶板公共ITO电极采用狭长图形，而底板上的像素ITO电极在像素区内却是一整块。反射器也在像素电极上形成图形。更特殊的是，底反射器电极图形与顶公共电极的形成互补，换句话说，没有ITO公共电极正好在反射区的上方，也没有反射器正好在ITO公共电极之下。这里起伏不平的反射器可以是薄层金属膜，也可以是多层绝缘膜。如果使用薄膜金属层，那么反射器和像素电极电位一样；如果使用绝缘反射镜，为了避免特别反射以获得宽视角，那么在偏振片上要叠加光控膜。在LC屏的上下两面，一层半波膜和一层四分之一波长膜叠加在检振器和析偏器的内侧，以便形成宽带圆偏振器。这种圆偏振器对与R模式获得良好的暗态特性是很必需的。基于这样的配置，要T模式同时达到与R模式一致的暗态和亮态，横向底部圆偏振器是很必要的。
　　在这种互补公共电极与反射器的设计中，T区与R区的电场分布十分不一样。图2给出了电场的模拟分布。在T区中，顶公共电极与底ITO像素电极间产生均匀纵向电场；而在R区中，由于反射器上方没有公共电极存在，因此出现了边缘场。如果适当地设计盒厚，以及公共电极与反射器形状，就能确保R区中的电场平均纵向部分约是T区的一半。
　　
　　由于T区的电场是R区的2倍，那么T区中LC的偏转角度(与法面的夹角θT)也约是R区的(θＲ)2倍，如图3所示。在这种情形下，开态电压作用时，T区LC层的相位推延迟大约是R区的2倍大小。因为背光经过T区一次，而环境光经过R区两次，那么T区中的积累相位延迟就可与R区中的相比拟。也就是说，它们间的灰度能衔接得非常好。
　　如图1所示，关态电压作用时， VA (垂直取向)液晶层不会对入射偏振光产生任何相位变化。具体地说，在T区中，非偏振光经过底部圆偏振器变成圆偏振光，由于VA 液晶层不会引起相位变化，则输出光受到顶部圆偏振器的阻挡；在R区中，入射的圆偏振环境光穿越VA液晶层时没有发生相位变化，但当从起伏不平的反射器反射回来时，出现p相位变化，因此受到顶部圆偏振器的阻挡，结果产生了暗态。开态电压作用时，LC偏转再取向，即T区中的LC层等效为一个半波相位延迟器，而R区中的则为四分之一波相位延迟器。其结果是无论T区还是R区均处于亮态。
　　表面处理对于在R区和T区中形成稳定畴至关重要。在模拟过程中，如果图1至图3的摩擦方向沿着电极方向，即垂直于纸面，我们发现R区和T区的畴稳定；如果摩擦方向垂直于电极方向，即平行于纸面，由于跨过R区和T区出现推拉互作用，则畴不稳定。
　　
　　3模拟结果
　　
　　为了验证上述概念，我们采用2dimMOS(德国autronic-MELCHERS公司制作)软件完成2-维的计算机模拟。被模拟的LC在4Vrms作用下的偏转性能如图4所示，负性LC材料使用MLC-6608(Merck公司出品)，表面摩擦取向指向纸面。为了获得优化的光电性能，我们选择5mm的液晶盒厚以及11μm宽的反射器。
　　
　　图4中T区的液晶取向具有相当一致的倾斜角，这是因为T区电场既均匀又是纵向的。如图5所示，在截面配置圆偏振片的情况下，如此均匀的倾斜角分布在T区产生了非常一致的透过性能。但在R区情形迥异，其电场是非常不均匀的边沿场，越接近R区中央电场越弱，因此，中央的倾斜角(相对于标准情形)比边沿附近的小，如图4所示。在R区如此不均匀的倾斜角分布导致了不一致的反射性能，如图5所示。在这里子像素宽80μm，入射光波长550nm。正如图4所示，在R区和T区中LC偏转形成多畴，这有助于扩大R区和T区的视角。
　　图6(a)给出了正入射情形下模拟出来的电压与透过率(VT)曲线，和电压与反射率(VR)曲线。因为存在LC偏转分布不均匀性，我们对整个T区和R区的透射值与反射值进行了平均化。在供给电压Ｖ约4Vrms时T和R模式分别达到了最大值。与T模式相比较，R模式的光效率仅达到80%，原因有两个方面：1) R区铝反射器的反射率仅约91%，2) R区因为存在不均匀的边沿场，其LC的偏转就非常不均匀。因此，即便在截面配置圆偏振片的情况下，整个反射区域的反射分布就不是平坦的(如图5所示)，反而略降低了光效率。
　　
　　对TR-LCD来说，背光源与环境光源的绝对亮度值通常是不相等的。因此，如图6(b)所示，比较归一化的透过率和反射率而不是绝对值将更具代表性。从图6(b)中看，T和R模式均存在2 Vrms的阈值和在4Vrms时达到最大值，而在灰度值的中间部分，R模式曲线比T模式的更直一些。总的来说它们的灰度之间彼此匹配得很好。无争的事实是，顶板的公共电极图形与底板的反射器图形不必彼此互补，两者之间有一定程度的失配或者间隙是允许的。这就为优化VT和VR曲线提供了又一个自由度。
　　
　　4结论
　　
　　本文展示了一种新的单盒式TR-LCD，该设计不需要盒内延迟膜。为了补偿T区和R区光路差异，我们采用了奇特互补的顶板公共电极和底板反射器。这种互补图形的设计在T区产生出强大的纵向电场，在R区产生弱小的边沿场。通过优化器件参数，可以使得T区和R区的灰度之间彼此匹配得很好。而且，这种设计的制造工艺完全与当下的批量生产工艺技术相吻合。可以预计新型TR-LCD将有广泛的用途。
　　
　　参考文献
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　　[13] W. K. Choi and S. T. Wu, "Transflective liquid crystal display with partial switching," U.S. Patent 7 015 997, Mar. 21, 2006.
　　[14] X. Zhu, Z. Ge, and S. T. Wu, "Transflective liquid crystal display with vertical alignment," U.S. Patent pending, 2005.
　　
　　（南开大学代永平译自
　　《JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY》, VOL. 3, NO. 3, SEPTEMBER 2007, P247~249）