【一种利用反射电极偏压的半反半透ＬＣＤ】三电极偏压

　　Zhibing Ge Xinyu Zhu Robert Lu Thomas X. Wu and Shin-Tson Wu College of Optics and Photonics
　　University of Central Florida, Orlando, Florida 32816
　　
　　摘要：介绍了一种VA模式反射电极偏压的常黑单盒厚半反半透LCD。在透射区，形成连续且均匀的贯穿液晶层的电场；而在反射区，电场则主要由电极表面形状控制。由此，可使透射区的位相延迟约是反射区的2倍。这样一种半反半透LCD不论透射区还是反射区都有很高的光透过率（>90%），同时二者灰阶特性重合度也很好。
　　关键词：垂直阵列模式；半反半透液晶显示器；反射电极偏压
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A
　　
　　Transflective liquid crystal display using commonly biased reflectors
　　
　　Zhibing Ge, Xinyu Zhu, Robert Lu, Thomas X. Wu, and Shin-Tson Wu_
　　（College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando ,USA）
　　Abstract：A normally black single cell gap transflective liquid crystal display _LCD_ using vertical alignment and commonly biased patterned reflectors is developed. In the transmissive region, continuous and uniform vertical electric fields are formed throughout the LC cell. On the other hand, in the reflective region, the electric fields are mainly confined near the substrate surfaces. As a result, the phase retardation in the transmissive region is approximately two times as that of the reflective region. Such a transflective LCD shows a high light efficiency __90%_ for both transmissive and reflective modes and well matched gray scales. 2007 American Institute of Physics.
　　Keywords: vertically aligned(VA) model; transflective LCD; biased reflectors
　　
　　半反半透LCD由于其低功耗、室外可读性好而被广泛应用于手机、PDA等移动显示设备。一般地，半反半透LCD根据液晶层结构分为二大类：单盒厚和双盒厚。双盒结构的透过区和反射区有不同的盒厚来补偿光程差。因此，具有高的透过率和反射率。同时，其V-T曲线和V-R曲线能够很好的重叠。但是，这种结构的制程非常复杂且透反两区的响应时间是不同的。与之相比，单盒结构的透射区和反射区有着相同的盒厚，生产工艺比前者简单且透反两区域的响应时间是相同的。因此，单盒结构更受研究者的青睐。单盒结构有两个技术难点：（1）很难同时在透反区获得高的透过率；（2）透反区的灰阶特性重合度往往很差。
　　本文提出了一种沿特定方向摩擦的VA模式常黑单盒厚半反半透LCD，这种显示器通过给反射电极以偏压获得反射区与透射区不同的电场。这样，在获得高透过率的同时，也实现了V-T和V-R曲线的良好匹配。
　　图1给出了本文提到的LCD结构原理图，在液晶层的两侧各有一片圆偏光片。每个像素被分成独立的透射区和反射区，液晶层被夹在上下两块透明ITO电极之间。在反射区的下侧像素电极上分布着周期排列的导电层作为反射层，所有像素的反射层电极被偏压到特定电压（低于阈值电压）。不加电压时，液晶分子垂直排列，光线通过液晶层没有位相延迟而一直保持其偏振态，这样在透反两区都是黑态。而当所加电压超过阈值时，液晶分子倾斜导致光线的位相延迟。理想状况下，为获得最大的透过率和反射率，透反两区的位相延迟值应分别为λ/2和λ/4。
　　
　　图2表示了像素电极加6.5V电压时模拟计算所得的等电势线分布图，相邻两等电势线电势之差0.25V，此时，所有反射层电极被偏压到0V。此例所用液晶为负性液晶（Merck MLC-6608）,其折射率为ne=1.5578,no=1.4748(波长589nm)，其介电常数分别为ειι =3.6和ε⊥＝7.8 ，其弹性常数分别为K11=16.7 pN和K33=18.1 pN.，盒厚为5μm，反射电极宽度2μm，间隔5μm，图2中反射电极的尺寸归一化以便准确反映其相对位置。在透射区（x∈[0,0.18],[0.32,0.68], [0.82,1]）电压值纵向均匀递减，说明透射区的电场是均匀分布的；而在反射区（x∈[0.18，0.32], [ 0.68，0.82]）只是在表面处沿纵向均匀递减，例如z=0到0.3和z=0.7到1.0处，相应地，强的垂直电场仅被限制在盒的表面区域，而在液晶层中产生了超低电场区。这种电场分布主要是由于反射电极偏压导致的电场屏蔽获得的，我们称这种现象为表面场效应。在这种电场分布下，透射区液晶分子倾角要比反射区大，这就意味着透射区的有效位相延迟比反射区要大。这正是半反半透LCD需要的。
　　 如图2所示，由于存在着很强的横向电场，摩擦方向就对LCD透过率起着很重要的作用。图3给出了用扩展琼斯矩阵方法计算所得透过率随时间变化曲线（摩擦角度相对于反射电极x正方向分别为Ф=0o，Ф=50o，Ф=90o）。此时，预倾角为88o，像素电压6.5V，反射电极被偏压到0V。由图3可以看出，当Ф=50o和Ф=90o时，透过率从0%到90%单调增加且t>80ms时达到饱和状态。而当Ф=0o时（即图1中沿x轴正向），t100ms时，所有的液晶分子指向都向y轴正向扭转，从而透过率再次增加。但是，如图3所示，这个变化过程需要很长时间。
　　 如果摩擦角度很大(比如90o)，液晶分子的重新取向过程就会变得很平缓。图4(b)给出了Ф=90o，t=110ms时液晶分子指向分布。一旦施加一个高电压，垂直电场就会使液晶分子充分地向y轴正向倾斜，同样地，反射电极边缘(A、B区域)的水平电场分量会使此处的液晶分子向相反方向旋转。因为多数液晶分子已经倒向y轴正向，二者之间能够达到平衡。这样，透过率随时间变化曲线就会很平滑，并且比摩擦角Ф=0o更快达到稳定状态。同理，摩擦角度Ф=50o的盒，通过表面摩擦获得的预倾角也会使得液晶分子平缓倾斜且在垂直电场作用下迅速达到摩擦的方向（图3所示）。
　　在反射区域，电场主要被限制在上下表面附近，在Ф=90o时此处的液晶分子指向会优先向y轴正向倾斜。但因为液晶分子是连续的，表面液晶分子的重新取向会进一步影响低电场区的液晶分子。由于低电场区域的存在，使得反射区所有液晶分子倾斜角低于透射区域。通过优化反射电极的宽度和间距、摩擦方向、反射电极偏压值等参数，就能够在透射区和反射区同时获得高的透过率和仅有微小偏差的V-T和V-R曲线。
　　
　　图5(a)给出了对一款单盒厚半反半透LCD模拟计算所得V-T和V-R曲线，设定盒厚5μm，反射电极宽度Ｗ2μm，间距Ｇ5μm，整个像素反射电极偏压值为0V。摩擦角为90o，预倾角88o。模拟结果显示，在6.5V电压时，V-T和V-R曲线都达到了90%左右（T：91%左右，R：93%左右）的透过率，除此之外，V-T和V-R曲线有相当好的重合度。为了进一步减少V-T和V-R曲线之间的差别，将1.5V小电压（低于阈值电压而又不影响黑态）加在反射电极上，反射电极的宽度和间距分别为3μm和6μm，摩擦角度为50o。图5(b)给出了对应的V-T和V-R曲线，结果发现获得了更好的灰阶特性重合性。除此之外，这种设计由于反射层的凹凸不平还满足于较宽的盒厚变化范围。
　　总而言之，我们提出了一种反射层偏压的VA模式单盒厚半反半透LCD。透射区液晶分子指向主要取决于均匀的纵向电场，而反射区则取决于表面电场，这样得到倾斜程度较小的液晶分子指向。因此，反射区的位相延迟接近透射区的一半。这种产品的潜在应用是有低电耗和室外可读性要求的移动显示产品。
　　（深圳天马微电子公司李曙新
　　译自《APPLIED PHYSICS LETTERS》
　　90，22111（2007））