采用无偏振片反射式LCD及超低功耗驱动技术制造移动显示器件

Kiyoshi Minoura,Yasushi Asaoka,Eiji Satoh,Kazuhiro Deguchi,Takashi Satoh,Ichiro Ihara,

Sayuri Fujiwara,Akio Miyata,Yasuhisa Itoh1,Seijiro Gyoten,Noboru Matsuda,Yasushi Kubota

摘要:我们通过对材料和制备条件的精细化处理,生产出一种在低刷新频率下无闪烁和图像迟滞现象的反射式显示器。该显示器的功耗非常低,且可在宽温度范围内工作,是未来移动显示器件的潜力平台。

关键词:移动显示器;超低功耗;反射式LCD

中图分类号: TN141.9文献标识码:B

Making a Mobile Display Using Polarizer-Free Reflective LCDs and Ultra-Low-Power Driving Technology

Kiyoshi Minoura1,Yasushi Asaoka1,Eiji Satoh1,Kazuhiro Deguchi1,Takashi Satoh1,

Ichiro Ihara1, Sayuri Fujiwara1,Akio Miyata1,Yasuhisa Itoh1,Seijiro Gyoten2,

Noboru Matsuda2,Yasushi Kubota2

(1. Corporate Research & Development Group, Sharp Corp., Nara Japan;

2. Mobile Liquid Crystal Display Group, Sharp Corp., Mie Japan)

Abstract:Through refinement of materials and fabrication conditions, a reflective display with reduced flicker and image sticking at low frame rates was produced.The display consumes very little power and works in a wide range of temperatures, making it a potential platform for future mobile devices.

Keywords:mobile display; ultra-low-power; reflective LCD

引言

电子显示器已成为我们每日生活的一部分了,低功耗问题也就受到更多关注。传统电子显示器的功耗依旧偏高,影响了这些显示器的使用数量或者有效工作的应用环境。那些譬如反射式显示技术或者低刷新率驱动技术,同时兼备图像“记忆”能力,是实现低功耗显示的最佳候选。虽然采用电泳[1]或者胆甾型液晶[2]可以记忆图像(在图像发生变化前可以只用很少的能量就存储下来),但以这些技术为基础的显示器需要偏高的驱动电压,而且响应时间偏慢。

目前提出了一种综合有反射型液晶显示技术(RLCD)[3]与形如低场刷新率[4]或者像素记忆电路[5-6]驱动模式的方案,作为移动显示器件的首选。由于LCD模块的功耗取决于驱动频率,场频率越低模块功耗越小。而像素记忆电路技术可以在数据驱动线悬空的情况下调制“记忆”像素图像。

有一种采用多重分散液晶材料(PDLC)[7]的RLCD可以在不使用偏振片的情形下,控制入射光的传输或散射。由于不使用偏振片,这种显示模式拥有更高的光效率,视角问题也就不是问题了。通常PDLC要求较高的驱动电压,但有一种聚合物网格LC(PNLC)的驱动电压却较低,这种材料的LC成分很高,固含量范围在70～90%。因此,PNLC是节能电子显示纸的实现方案之一。但用TFT驱动PNLC时存在一些问题,如响应时间慢、信号保持率低。当然,近来在PNLC材料方面的发展已提高了上述性能[8]。

1 目标

我们的研究目标是采用1-位像素存储单元以及PNLC制作超低功耗的RLCD。这种显示器由一个设置在透明导电电极与镜面反射像素电极之间的PNLC层,以及制作在镜面反射像素电极下方的1-位像素存储单元电路构成。PNLC主要起散射作用,而镜面的反射作用形成图像,因此要实现高反射率(50%),3μm的厚度足矣。所有的显示电路采用低温多晶硅(LTPS)材料制备。

2 像素存储技术

图1所示为我们最新研发的像素存储显示器的系统框图。

这种显示器的接口界面非常简单,因为只需要5根操作线和电源线,配置有3根串行接口电路的时钟发生器、公共电极驱动电路、双极反转电路、设置在每个像素下方的像素记忆电路以及制作在玻璃基底上的扫描驱动电路和数据驱动电路。进行图像显示的时候,图像数据存储在像素记忆单元中,因此不需要输入图像数据进行更新,也就不消耗能量。而且整个系统使用CMOS数字电路,只需要5V电压供电,所以这种显示器可以实现超低功耗。

3PNLC技术

拥有液晶和聚合物网格(P.N.)微分离结构的PNLC膜层,是在UV光照下通过辐射单体混合物、液晶以及光敏感物制备而成。聚合物网格非晶态结构的电子扫描电镜照片如图2所示。

液滴相互之间没有隔离,呈现海绵状,其直径约1～2μm。聚合物网格的非晶态状态对PNLC的光电特性至关重要,该非晶状态受到光化聚合作用的支配,这就取决于光敏感物浓度、UV光强度、UV处理温度以及对基底表面的处理。

该显示系统没有偏振片,通过调制PNLC材料层在散光态和透光态之间变换来实现图像显示。无电压作用时,LC液滴内方向轴对称的差异造成光散射,这导致不同液滴的反射率不能匹配;有合适电压作用时,LC液滴内方向轴垂直对准,不同液滴的反射率相互匹配,从而消除了光散射。如图3(a)所示,散射状态的PNLC消除了特别方向上的反射光,观众看到光就识别图像为亮(白)态;如图3(b)所示,透明状态的PNLC形成镜面反射,只有在特别方向上才有光反射,那么观众看不到光就识别图像为暗(黑)态。

PNLC通常显示为白态,也就是说,在白态时PNLC的供给电压为0V;在黑态时PNLC的供给电压为某些特定值。通过像素记忆电路对数据的存储作用,将零电位或某一特定电压值稳定地作用在像素电极上。这种驱动模式可以在较低的场刷新率下无故障工作,其电压保持率几乎是100%。使用像素记忆电路的低场刷新率可以很大程度地降低功耗,这是因为降低了数据驱动器的驱动频率。

4功耗

一般来说,LCD的功耗与驱动频率和所显示的图像相关。图4所示为1.35in原型机中场刷新率与功耗的关系曲线。

功耗随着场刷新率的下降而下降。显示时钟频率为1Hz的单色图像的功耗为10μW,而显示相应的彩色图像却为25μW;显示时钟频率为1Hz的单色黑色图像的功耗为15μW,而显示相应的彩色图像却为30μW。通过对那些能够减小TFT漏电流的工作进行良好控制,就可以实现超低功耗屏的制作。在彩屏中每个像素由RGB子像素和彩色滤光片构成,屏的功耗与像素的数目相关,彩屏的功耗高于单色屏也就不足为奇了。

5闪烁和图像迟滞

通常情况下人的眼睛对频率低于60Hz的闪烁现象非常敏感,而对低于30Hz的闪烁现象不太敏感。因此,低于30Hz的低频驱动模式中很多问题是减小闪烁现象。低频驱动模式中的另一个大问题是图像迟滞现象,这是由液晶中杂质离子造成的。为了实现一种超低功耗的PNLC显示器,既降低闪烁又抑制图像迟滞是非常关键的。

在本文所述的这个显示器中,低刷新率驱动模式下没有出现因为电压保持率小于100%而带来的问题。然而,当场刷新率低至1Hz的时候,杂质离子自由运动而形成双电层。伴随着显示图像从暗态(电压作用)转换为亮态(电压解除),双电层降低了PNLC的作用电压值,并且由于液晶材料的悬浮松弛而成为闪烁或图像迟滞的诱因,图5中的粗实线表示了闪烁或图像迟滞的情况。

用Otsuka公司的LCD5200测量仪测到30/0的反射系数,此时使用30°偏振的平行光垂直入射屏幕。在1～21s(x轴)的时间内,暗态的反射系数呈现周期性的矩形波状变化,这种反射系数的震荡可视为闪烁。当从暗态变到亮态,在21s之后反射系统逐渐上升,这种缓慢的反应可视为图像迟滞。

为了降低闪烁并抑制图像迟滞,需要对PNLC提供合适的饱和驱动电压,并且尽可能减少PNLC中的杂质。PNLC的光电特性不仅是由譬如杂质浓度、供给饱和电压等LC材料的特性决定,而且与光敏聚合物作用的聚合物网格几何形状相关。

通过修正PNLC中的单体和LC配比,可以在不影响反射系数的结果下降低杂质浓度和饱和电压。降低了PNLC中光敏诱导物的含量后,闪烁水平和图像迟滞松弛时间得到改善(如表1所示)。

这里将闪烁值定义为暗态时30/0反射系统的标准差。松弛时间分别定义为暗态时30/0反射系统从0%变化到97%所需的时间,亮态时从0%变化到100%所需的时间。这些结果表明,即使经过UV处理,光敏诱导材料在PNLC中仍然起到杂质的影响作用。但是减少光敏诱导材料会减弱反射系数,并影响PNLC中聚合物网格的作用。因此材料准备工作相当重要,这正如PNLC需要娴熟的工艺一样,特别是采用低刷新率工作模式的时候。

PNLC的光电特性还与UV处理问题相关,UV光的强度直接影响了光聚合物作用。随着UV处理温度和UV强度的降低,反射系数也降低。反射系数受到PNLC层中液滴直径的影响,随着直径的减小而降低。较低的UV处理温度和低UV光强度会引起缓慢的光聚合诱导相变分离现象(PIPS),由于LC中的单体扩散长度较长,缓慢的PIPS作用形成较大的LC团,导致低反射系数。相反的是,由于POPS的快速作用,较高的UV处理温度和高UV光强度形成小液滴。然而,小液滴结构的PNLC又会因为LC与聚合物网格之间锚定界面的增多而导致较高的饱和电压。获得高反射系数和低饱和电压需要一个适中的温度范围,即UV处理后温度升高3℃,我们的材料处理后温度升高10℃,在这一温度范围没有闪烁现象。与此同时,如图6所示,闪烁值随着UV强度的增大而减小。

在可见光谱范围内,闪烁值低于0.5%时闪烁现象是看不到的。通过采用高UV光强度的方法可以得到没有闪烁的PNLC。使用高UV光强度之所以能够消除闪烁可能是因为增大了聚合物壁厚,从而减小了液滴尺寸,这能够阻止杂质离子的运动,或者减少局部的杂质离子。

总而言之,我们通过修正材料配比以及优化PNLC层的制备条件,成功地消除了低刷新率下的闪烁和图像迟滞现象,如图5中的细实线所示。

6性能

图7给出了1Hz刷新率时的显示图像。

单色显示器和彩色显示器的综合反射系数值d/8(定义为散射态下8°偏振角时所侦测的结果)分别超过50%和20%。采用CM2002(Konica Minolta Sensing)测量d/8反射系数。标准白(MgO面)用作100%反射系数的参考值。其对比度分别为10:1和5:1。这些显示器在低场刷新率(1Hz)工作模式下,高温(70℃)和低温(-20℃)超过500小时,没有出现闪烁或者图像迟滞等显示问题。另外,在-30℃和80℃的贮存之后,在阳光下测试500小时也没有出现问题。这种对环境条件的适应性堪比目前移动显示应用中的LCD。

表2所示为所研发的显示器与商用代表性显示器的规格参数比较。

综合反射系数是常规采用偏振片RLCD的两倍,比电泳显示高出25%。在正常使用情况下,所研发的显示器功耗是常规采用偏振片RLCD的1/60,是电泳显示的1/3,尽管功耗与显示内容相关[9]。我们所研发的显示器还有其它优点,如运动图像显示兼容性、宽使用温度等,相比之下,电泳显示运动图像有很多困难,最高工作温度只能到50℃。

7结论

这种把像素记忆电路与新型PNLC材料相结合的显示器拥有很多移动显示器所需的特性:良好可视性、低功耗、运动图像显示、工作温度范围宽。我们通过采用精细材料和改进制造条件,可以在低刷新率模式下降低闪烁和图像迟滞的级别。

8感谢

衷心感谢夏普移动液晶显示器组I. Takahashi、T. Yamaguchi、Y. Moriya和S. Nishi先生的帮助与交谈。

参考文献

[1] T. Whitesides, et al. Towards Video-Rate Microencapsulated Dual-Particle Electrophoretic Display[J]. SID Symposium Digest 35, 133-135(2004).

[2] M. Okada, et al. Reflective Multicolor Display Using Cholesteric Liquid Crystal[J]. SID Symposium Digest 28, 1019-1022(1997).

[3] Y. Itoh, et al. Reflective LCDs with a Single Polarizer[J]. SID Symposium Digest 29, 221-224 (1998).

[4] K. Tsuda, et al. Ultra low power consumption technologies for mobile TFT-LCD[J]. IDW’02 Digest, 295-298(2002).

[5] M. Inoue, et al. Low Power Consumption TFT-LCD with 4-bit Dynamic Memories Embedded in Each Pixel[J]. IDW’01 Digest, 1599-1602(2001).

[6] Y. Nakajima, et al. Ultra-Low-Power LTPS TFT-LCD Technology Using a Multi-Bit Pixel[J].

[7] P. S. Drzaic. Liquid Crystal Dispersions[M]. World Scientific Publishing Co., Pte., Ltd, 1995, pp. 392-399.

[8] Y. Itoh, et al. Super Reflective Color LCD with PDLC Technology[J]. SID Symposium Digest 38, 1362-1365(2007).

[9] R. W. Zehner, et al. Power Consumption of Micro-encapsulated Electrophoretic Displays for Smart Handheld Applications[J]. SID Symposium Digest 33, 1378-1381(2002).

作者简介:Kiyoshi Minoura,任职于夏普公司合作研发组。

(南开大学代永平

译自《Information Display》 10/09)