搞要

本文在扼要论述了铣电液晶显示的特性及工作原理基础上，介绍了其研发状况，并对一些新的铣电液晶技术作了说明。

On the base of the property and operating principle, the development of ferroelectric li-quid-crystal display technologies are introduced in this paper. Some new fervoelectric liguid-crystal technologies are also described.

1、前言

液晶显示（LCD）技术目前在平板显示（FPD）领域中居于统治地位；而在LCD技术中，铣电液晶（FLC）技术是一种后起的新型液晶显示技术。这种技术若与先进的硅技术，如互补金属氧化物半导体（CMOS）一类结合在一起，则其响应速度与分辨率可以达到使普通LCD技术望尘莫及的地步，这会促使消费类平板显示器件发生很大的进步。

2、FLC的工作原理与优点

2.1 FLC的工作原理

FLC能够根据电场的变化极快地改变其光学特性，因而具有极高的响应速度。FLC之所以有以上特点，是因为它能够在有序系统中安排电偶极子。其固态的铣电材料可象磁性材料编排成极化磁畴一样，由外电场强迫反射成相反的电极性。

上述转变所耗能量务必能被再次投入，从而使偶极子返回到其初始状态，这一效应被称之为滞后，它可使FLC的磁盘驱动器等磁介质用作为信息存储系统，从而产生非易失性存储。

FLC能够在电极间进行切换，如以存储器单元的电场驱动FLC，则可形成高速的显示。

2.2 FLC的优点

FLC主要有以下的优点：

分子取向可在两种光状态间作快速转变；
可以与具有动态随机存储器（DRAM）单元之电场的驱动器匹配，因而具有超大规模集成的密度；
与标准CMOS工艺兼容，因而能降低制作成本，并缩短开发周期。

3、FLC显示器件的开发

FLC显示器件的基本结构如图1所示。这是以FLC像素与标准CMOS混合后道工序用存储器制作的，是由美国Displaytech公司推出的。该公司在开发这种显示器中，使用了CMOS.DRAM等技术。他们把静态随机存储器（SRAM）芯片用作了显示器的存储器，使用了嵌入现成显示器材底中的完整高分辨率电子驱动系统。在该器件的每个存储单元上均有一碟形槽，其底部为连接到SRAM单元的抛光铝电极，碟形槽内为FLC材料；在FLC材料上制有氧化铟锡（ITO）透明导电电极层。该器件以反射方式工作；光通过ITO与FLC层，再由反射面反射出去，并返回到芯片正面。

Displaytech公司已于1997年开发出了具有640×480象素的FLC显示器件，并将进一步开发具有SXVGA级分辨率的FLC显示器件。

英国GEC.Marconi与CRL.Smectic公司也分别开发出了具有176×176象素及256×256象素的小型显示器。该两公司采用的FLC技术是由英国爱丁堡大学转让的，这所大学在转让其上述FLC技术之后，又开发出了具有512×512象素的FLC显示器；目前正在研制具有1280×1024象素的FLC显示器。

值得一提的是，在开发FLC器方面，日本是走在世界前面的，他们开发出的新型柔性FLC器件与具有400dpi分辨率的FLC显示器是非常引人注目的。

3.1 新型柔性FLC器件

在制作电视用大尺寸，重量轻的FLC显示板时，需使用柔性膜，但在传统的表面稳定FLC器件中；脆弱的较准分子层结构难以保持在柔性基底上，而器件图象的灰度性能也会因双稳态分子开关而较难提高。为此，日本NHK科技试验室与东京大学联合开发了一种新型的柔性FLC聚合物过滤膜，该膜是以光聚合诱导相位分离法制作的，并以由固定的膜材料制作的复合膜为支撑。

3.1.1 新型柔性FLC器件的结构与工作原理

图2是本器件的结构。在器件中，FLC膜与聚合物过滤膜被置于两氧化锢锡（ITO）电极层之间，器件的基底是塑料的。固定的聚合物过滤层被制在两柔性的塑料基底上。为了避免FLC的校准受到机械冲击的危害，需使器件厚度保持均匀。

聚合物过滤膜具有各向异性形态，从而有效地保证了FLC的校准。聚合物的固有特性与FLC的扭曲弹性力只允许FLC分子的校准倾斜于聚合物过滤层内的取向。由于分子构架的电气双极运动，FLC分子有自发的偏振性，并能在如图2所示的圆锥面内旋转，能在垂直于过滤层的方向上形成桭LC近晶层。

当对两ITO电极层施加外部电压时,FLC在圆锥面内就有了两个校准方向。两倾斜的FLC校准模式依据所施电压的极性而在器件平面内切换。当把这种转换的FLC器件夹在交叉的偏振片间时,它就能通过调制入射光而实现显示。

3.1.2 新型柔性FLC器件的制作

新型柔性FLC器件的制作工艺主要有以下几步：
（1）将FLC单质溶液涂在摩擦的聚酰亚胺校准层上，该层是涂在具有ITO电极的柔性聚碳酸脂基底上的；
（2）再复以摩擦的聚酰亚胺核准层，以形成夹层结构，两层以FLC溶液中含有的直径为2μm的隔离颗粒隔离；
（3）以波长为365nm的紫外光照射通过基底的FLC单质溶液；
（4）由上，校准的单质分子聚合，具有大分子质量的聚合物从FLC中分离出来（图3）；
（5）聚集的聚合物凝集为校准聚合物过滤层构架。
在这一过程中，FLC在其分子轴方向上的热运动使聚合物的构架难以在FLC分子轴方向上扩展。

3.1.3 新型柔性FLC器件的特性

这种新型柔性FLC器件含有聚合物过滤层，是具有一定可曲度的。此外，夹在两偏振层间这种FLC器件能够在一定的直流电压下与FLC分子的校准方向平行，从而使得FLC器件在不同的施加电压下具有不同的灰度。由于在过滤层附近，FLC开关阈值的提高及内部的分子力，聚合物会使被加快的FLC分子固定，从而使聚合物过滤层的扩散引起阈值电压的空间变化，产生出稳定的微区域。这样，通过施加电压，即可因阈值电压的空间调制而能控制FLC域的大小与数量（图4）。
目前，日本夏普公司已研制出有效面积为25×30mm的这种新型柔性FLC器件，它可以弯曲，透明，无光杂射，并具有优越的灰度光调制能力。

3.2 具有400dpi分辨率的车载反射式FLC显示器件

车载显示器件要求长寿命与低功率，采用反射式LCD技术可以显著地降低功耗。但以超扭曲向列（STN）型LCD以及薄膜晶体管（TFT）型LCD为基础的反射式LCD器件的功耗仍嫌大了些；因为在这类LCD器件中，为了保持图象质量，液晶的状态须保持不断更新；同时，在分辨率方面，上两种LCD器件的分辨率因受到提高基础导址（对于STN）或成本（对于TFT）的限制而很少能达到200dpi以上。

相比之下，表面稳定的FLC是内部双稳态的，因此在显示固定图象时，几乎无任何功耗。此外，双稳态机制可使得有源矩阵具有无限可导址象素；同时，在低功率器件中，对响应时间的抑制也得到了缓解，这也有利于降低开关电压。上述FLC的特点加上近年来对多路调制及快速开关的改进，使利用FLC实现高响应速度、高对比度、高分辨率及低功耗显示成为可能。日本夏普公司最近开发之具有400dpi分辨率的车载存储式FLC显示器件便是成功的一例。

3.2.1 400dpi分辨率FLC显示器件的光学结构与工作原理

具有400dpi分辨率之车载FLC器件的光学结构是经过优化的。在器件内使用了单偏振率；其反射层装在器件内用以抑制象差。传统FLC器件装有一可在0度到45度之间开关的1/4波长板，板的开关状态分别对应于屏的黑场与白场。这种装配模式会使黑场具有较高的色品度，从而会使对比度下降。对比，一般是以一外部的半波延时器来补偿色品度；但1/4波长板会使单元间隙小到4μm以下，从而使FLC材料在零电压时，难以取得45度的开关角。具有400dpi分辨率的这种FLC器件将1/4波长板与FLC层相结合，通过对FLC层与波长有关的延迟作补偿来对黑白场进行优化，从而达到了消色差的目的（图5）。这样做的另一个好处就是只需要作22.5度的转换，FLC层即可具有更为合理的1.6μm半波板的厚度。

为了获得尽可能好的对比度，通过对FLC器件施加介电双稳态材料偶合的交流电压来改变FLC材料的有效锥角；并以相对于摩擦方向69度与0度的角分别校准反射中层（RM）与偏振层，这样便可以得到优异的黑场，但同时亮度会有所降低。对比，具有400dpi分辨率的车载显示器件是通过采用内外散射膜，并使膜表面光洁化的方法，来取得与TFT-LCD相当的亮度与对比度的。

FLC器件受到机械冲击时，校准质量会下降。这是因为FLC材料在碟状槽内流动，如果碟状槽中存在着如颗粒、间隙等势垒，则FLC就会在碟状槽所在层间渗透，使校准不稳定；同时，显示基底的毛边也会引起校准的不稳定，最终导致结构的损坏。400dpi车载FLC显示器件通过采用垂直于碾状层且厚度超过器件之厚度的聚合物壁，使FLC的流动性降低，同时使毛边减少，这就使FLC显示器件的机械强度提高了。