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1、电子纸在胆甾相液晶方面的开发技术摘要：随着电子纸产品在市场上崭露头角，确定一下这些相关技术怎样以各种不同的方式从发展阶段进入大规模生产的路线图是很有趣的。本文研究液晶电子纸显示怎样使用现有的液晶技术由以胆甾相液晶技术进行开发。关键词：电子纸；胆甾相液晶Abstract ：As e-paper products begin to emerge into the marketplace,it is interesting to examine the roadmap of how these technologies work their way from the development stag
2、e into the mass manufacturing .Here is a case study that examines how e-paper displiays make use of the existing LCD expecially in Cholesteric to work.Keywords :E-paper; Cholesteric crystal一、引言所谓“电子纸”，是指“像纸一样薄、可檫写的显示的统称”。电子纸也叫数字纸，是目前备受关注的未来一代显示技术，电子纸显示器的特性包括柔性（Flexible displays），易读性（Readable）和多功能性（M
3、ulti-function，柔性是指器件轻薄可弯曲，用于制造可携带计算机，可卷曲显示器，便携电视机，易读性应该特指它舒适方便，环保是指阅读时不耗电，应该是双稳态；多功能是指输入、音频及无线通讯等功能。目前作为电子书的主流技术有电泳电子墨水（E-Ink）、电湿润显示（EWD）以及液晶显示（LCD）等技术这些技术正迅速趋于成熟，市场的增长和发展规模前景看好推动着这项技术持续向前发展。目前，索尼、Amazon这些大厂商已经进入这个领域。对于内容提供商以及终端设备制造商来说，和其他想要抓住良机并创造新型的经济模式的人一样，这可能是从这个非凡的创新中获得经济价值的合适的时机。韩国三星电子LCD研发中心L
4、CD部门元器件解决方案业务副总裁Sung Tae Shin在“FPD International 2009 Forum”电子纸会议“挑战彩色化及视频，双模方式及着色粒子亮相”上，就众多电子纸技术的发展前景发表观点认为“电子纸技术最终将收敛于胆甾相（Cholesteric）液晶”。二、基本原理1. 电子纸液晶技术我们处于一个电子信息时代，因为传统信息显示媒体有难以克服的缺点，许多年来人们一直在寻求一种可以替代传统媒体的显示方式。与现有的显示器（LCD、LED、以及CRT等）相比，电子纸显示器表现出像纸一样的易读性、超低功耗、柔软性、彩色显示等优点，并且现在已有了有源矩阵基板，可以做成矩阵屏，关闭
5、电源后仍然可以保留显示画面，这种性能是能以显示材料的存储性能获得的。 电子书是美国报刊回顾2009科技新品最最第三位。可以用于电子纸的液晶显示技术，首推聚合物分散胆甾相液晶，聚合物墙近晶A也有双稳，还有一些液晶双稳技术，但是显示需要偏光片，不能达到白纸效果，没有优势。尽管现在电泳电子墨水具有一定优势，被看好，但是效果不能令人满意，再有驱动电压高，对比度差，制造陈本高等问题，难以推广实用。因此胆甾相液晶以其独特的光学、电光和力学性质吸引了我们的视线。2.胆甾相液晶的特性胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不
6、同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。（1）选择性反射有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。（2）旋光效应在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视
7、场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。（3）圆二色性圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。（4）退螺旋效应对于介电各向异性 0的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相
8、液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。（5）方格栅效应当对液晶施加电场时，所施加的电场还未达到退螺旋效应的阈值之前，会出现另一种形式的畸变，即胆甾相的层面出现周期起伏，且在两个相互垂直的方向上叠加出现，从而可以观察到方格栅图案，这种效应一般在螺距比较大时出现。（6）记忆效应记忆效应也被称为存储效应（Storage effect），胆甾相液晶的记忆效应最早由Heilmeier和Goldmacher发现。当对某些处于平面织构的胆甾相液晶施加一个低频电场时，液晶会发生动态散射，处于焦锥织构，呈现牛奶一样的乳白
9、色，关掉电场乳白色将继续保持一段时间，几天甚至几年；对处于焦锥织构的液晶再施加一个高频电场，液晶会立刻变成透明，处于平面织构，关掉电场，透明状态也将继续保持,这也称为双稳态。二、 技术途径纵观所有的电子纸技术，所有可能被列为电子纸张的显示组件均共同具有双稳态的特性，因此才可以再不需要加上电压驱动时也可以维持其影像的显示。这些所谓电子纸张的显示组件，铁电式液晶、胆甾相液晶与微机电式反射板目前均仍以玻璃作为基板，并不足以称的上是“纸张”，不过作为电子书本倒是相当合适。胆甾相液晶双稳态电子纸技术，胆甾相液晶在彩色显示和视频显示的性能上表现出色。对于胆甾相液晶多稳态技术，螺距在布拉格反射黄绿光时，显示
10、屏背面涂黑漆，平面态反射黄绿光，焦锥态散射和透射光被黑底吸收，得到远底黑字效果。党螺距调在布拉格反射黄光，背面涂蓝漆，得到白底蓝字效果。当用聚合物稳定胆甾相液晶，螺距覆盖布拉格反射全波段可见光，可得到白底黑字效果。采用三层结构，得到彩色显示效果。美国科特率先开发了胆甾相液晶电子墨水技术。在液晶盒中胆甾相液晶分子通常采取平面态。由于液晶螺距相应的可见光布拉格反射，对于反射胆甾相液晶显示来说就会显示白色状态。胆甾相液晶分子螺旋取向还可以取焦锥态结构，使光投射，使胆甾醇液晶分子可以显示不同的文字符号或图案。液晶分子变成不同的螺旋取向状态以后，即便关闭外加的驱动电流，螺旋状的液晶分子也能够长期维持原有
11、取向；胆甾醇液晶分子具有“双稳态”，其显示原理图如图1所示图1. 胆甾相液晶双稳态电子纸显示原理图二、 存在问题在LCD韧性技术方面，LCD的柔性化仍然存在三大难点。其一，玻璃柔韧性并不理想。玻璃板必须尽可能的薄以提高其柔韧性，而如果玻璃基板达不到厚度的要求，改用其它材料代替则需大幅改进工艺，成本压力极大。其二，LCD的图像取决于聚合物之间的单元间隙，面板的弯曲会造成间隙改变，进而影响图像质量。其三，背光模块的设计难度会大幅增加，保证屏幕亮度均匀性就显得尤为困难。其四，柔性背板与LCD一起工作得不是很好，当显示屏弯曲的时候会扭曲图像在LCD面板的制作方面，过程中需要真空蒸镀与刻蚀工艺，因此基板
12、除了要耐高温外，还得耐强酸强碱的腐蚀。而塑料只能承受相对较低的生产温度，该温度通常比显示材料工艺中所用的温度低得多，而且塑料在强酸、强碱下老化迅速，因此并不适合作为LCD基板。在没有其他合适材料的替代下，继续采用玻璃作基板成了不二选择。在色彩方面，无论是显色数、饱和度还是色域，目前的彩色电子纸都不能与液晶和OLED显示相提并论，现在还没有厂商能够开发接近液晶色彩效果的电子纸。未来彩色电子纸在显示效果上达到液晶显示技术的水平是发展方向之一。在视频播放方面，目前主流电子纸的刷新速度很难达到视频播放的标准。在手写和触摸方面，可能将和彩色显示功能一起成为下一代电子书阅读器的标准配置。这就需要提高响应速
13、度，实现较为快速的帧切换。胆甾相液晶显示存在响应速度较慢、驱动电压较高、对比度偏低等突出的问题。在膜后面附上反射膜，可以的到很白的“纸面”，自题却是镜面亮字，读者一侧为黑暗背景，则显示效果好，读者一侧如果是白色背景，则显示效果一塌糊涂。液晶技术必须在提高“白”度上下工夫。三、 实际操作方案制作一个更好的背板。虽然柔性背板与LCD一起工作得不是很好，当显示屏弯曲的时候会扭曲图像，但是，柔性显示屏与OLED和电子纸显示屏在一起工作得很好。亚利桑那州立大学柔性显示中心（FDC）主管尼古拉斯科拉内里（Nicholas Colaneri）称，关键问题是，你如何把薄膜晶体管阵列制作到能够弯曲的东西上面。目
14、前，有两种方法可以做这个事情。一个方法是三星电子、LG显示公司和其他一些显示屏厂商支持的方法，利用液晶显示屏工厂中使用的现有的玻璃硅（silicon-on-glass）蚀刻加工技术，并且把这种技术应用到一块柔性基板上。但是，基于硅或者其他非碳成分的传统无机半导体，必须在很高的温度条件下沉积在这个基板上。这种工艺在玻璃上工作的很好，但是却会融化普通塑料。替代的方法是，这些厂商正在研制抗热材料，如使用不锈钢制作的像纸一样薄的箔纸。台湾工业技术研究所（ITRI）开发出一种能够承受这个沉积过程的高温而不融化的塑料。这种塑料层在加工过程中沾到一块玻璃衬里上，然后在上面应用薄膜晶体管阵列之后再剥离下来。I
15、TRI称，这种方法的好处是它适用于现有的液晶显示屏生产线。与建造一个全新的加工设施相比，现有的液晶显示屏生产线在玻璃上加工薄膜晶体管的时候变化比较小。1.富士通公司在2005年开发了基于胆甾醇型液晶的彩色电子纸技术。胆甾醇型液晶的分子呈螺旋状，如果加以电场，随着电压脉冲的大小和时间的变化，胆甾醇型液晶的螺旋结构的轴向会相应变化，从而反射或者透过入射光。当螺旋的轴向与电子纸的平面方向一致时，就会反射入射光；当轴向与电子纸的平面方向垂直时，可以透过入射光。通过添加不同光学特性的旋光剂，液晶分子可以反射出不同颜色的光，因此采用胆甾醇液晶的彩色电子纸不需要滤光片和偏光板，可以实现超薄设计。此外，胆甾醇
16、液晶型彩色电子纸擦写时需要的能量很小，A4尺寸仅为10-100 mW左右，这一能量与非接触IC卡差不多，可以轻松实现无限擦写。它的缺陷是色彩稍淡，擦写时间长达几秒钟，而且对压力较为敏感。富士施乐在IDW 2007上发布的胆甾醇液晶型彩色电子纸则比前者有了不小的进步，它的显示层为将胆甾醇液晶分散和保持在明胶阵列中的PDLC（高分子分散液晶）结构，同样为RGB3层显示层重叠，利用有机感光体和光写入来控制RGB各色的显示层。它的亮度高、对比度大、色彩浓艳，擦写速度也较快，但依然对压力敏感。2009年3月，富士通推出了8英寸的彩色电子纸终端FLEPia，它可以显示26万色，但刷新时间长达8秒。不过，该设备配备了电磁感应笔，能够支持触摸输入2.富士施乐在2007年12月5-7月举行的IDW上，发布了光写入彩色电子纸质制品。其亮度高、对比度大、色彩之浓艳和改写速度之快，引起轰动。改电
