文章编号：1006-6268（2009）04-0005-06
摘要：介绍双稳态显示器件的原理、开展双稳态显示技术的意义和基本思路。在此基础上简要介绍现有比较成熟的几种双稳态显示器件的基本原理、基本特性、研究进展和存在的问题，包括以液晶材料为核心的双稳态器件、基于光干涉与机械双稳态机构的iMod显示器件、基于电泳现象的零电场双稳态E-ink显示器件。由于双稳态发展历史已经很久，本篇综述的宗旨不在于介绍最新的发展状况，而在于为提供双稳态显示器件较为完整的创造思想和方法。在液晶显示单元双稳态化的基础上，作者提出OLED阵列、FED阵列的双稳态结构的原理与技术途径。提出通过现有技术的组合，实现显示器件双稳态化的大屏幕显示器件的发展思路。
关键词：平板显示技术;双稳态;胆甾液晶;手性向列液晶
中图分类号：TN141.9文献标识码：A
Bistable Technology in Flat Panel Display：Actuality and Headway
HUANG Zi-qiang
(The School of Opto-electronic Information，University of Electronic
Science and Technology of China，Chengdu610054,China)
Abstract: The principle of the bistable display device, the significance of bistable display technique and the basic clue were introduced in the paper. Based on above knowledge, the current bistable display devices and its principle, research headway and existent problem were presented, including the bistable devices based on liquid crystal, based on combination of light interference and bistable mechanic display device(iMod), base on electrophoresis of zero electric field bistable E-ink display device. Due to history of development of bistable display device is quite long, Purpose of the overview is not only introduce the status of the field, moreover, purpose of the overview is to provide the creative ideas and the solutions for bistable display device.On the foundation of bistable idea, the bistable structure of OLED array, of FED will be presented. By combination of existed technology, the clue of development of large screen display by bistable technology is presented.
Keywords: flat panel display;bistable;cholesteric liquid crystal;chiral nematic mesophase
引言：问题的提出
用于电视、计算机显示的高质量LCD（Liquid Crystal Display）通常为有源矩阵LCD。这种显示器件需要在玻璃板上制造数以百万的薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）阵列，用于驱动每一个LCD像素。为了制造TFT，需要在大基板（例如第5代生产线基板尺寸为1,000 x 1,200 mm2）上淀积多晶硅、金属层、绝缘层等，并进行3至5次精度在1μm左右的光刻、套刻，生产设备极其昂贵。建造一条第5代的有源矩阵LCD生产线需数百亿人民币。
塑料基板TFT-LCD是目前大屏幕液晶显示器的发展方向。据日经新闻报道，东芝公司将制有TFT阵列的薄玻璃基板粘合在塑料基板上制造出了柔性LCD显示器。在未来的5年，NEC、大日本油墨等10家公司投入数十亿日元开展全塑料基板的有源矩阵LCD研究，主要研究塑料基板上低温制造TFT的技术，当然也包括用有机材料构成有源矩阵的制造技术的研究。在塑料基板上制造TFT的困难除了基板的耐高温问题，还有微米级线条的光刻套刻的问题。
无论是多晶硅TFT还是非晶硅TFT，或者是薄膜二端子器件阵列，其制造过程都伴随着资源浪费和严重污染，因为玻璃基板上所淀积的金属、硅、氧化物等最终不到10%被保留下来，其余的都被腐蚀清洗掉了。一条第5代TFT的生产线，每天内部循环再生污水3万吨，向外部排放的不可再生的污水6,000吨。随着基板尺寸和量产的扩大，这一问题愈加严重。
鉴于TFT生产的复杂性和对环境的破坏，有必要开发一种替代技术以解决上述问题。
事实上，TFT的作用仅在于为每一像素提供显示存储的功能，若能利用显示器件本身的特点制造出具有双稳态显示特性的器件，则因双稳态显示本身就是存储型显示，就有可能省去TFT有源矩阵，从而降低大型显示器件的投资要求和生产成本。
最广泛使用的日光灯就是一种双稳态气体放电发光器件。将日光灯两端的电极上加上180V的电压时，日光灯并不发光，只有给出一个极短的高压脉冲激发之后，日光灯才会在180V下发光。换言之，如同日光灯那样的气体放电发光器件在200V左右具有两个稳定状态：发光态与非发光态。200V为其状态的长期储存条件，该状态将被存储到再次被触发的时刻。触发也分两种情况：气体放电发光器件被高压触发成为发光态，而被零电压触发为非发光态。PDP等离子显示器件的工作方式与之类似，在行扫描期间外部驱动电路根据该行欲显示的内容予以触发，扫描以后的邻近一场的时间该行像素两端电极被置为180V,或为存储态，PDP像素的发光态或不发光态均要维持一场的时间，只有这样，PDP才能达到可以接收的亮度和对比度。如上所述，由于PDP像素自身就具有存储的特性，所以PDP不需要如TFT那样的有源器件[1]。
OLED是另一种发光型显示器件。使用OLED构成显示器件的方式大致可分为两类：一类是直接用OLED像素构成矩阵，称为纯矩阵OLED显示器件[2]；另一类为有源矩阵驱动的OLED，即在OLED显示器的每一个像素加上TFT和电容构成等效的存储单元[3]。
纯矩阵OLED显示器件以OLED作为像素，将OLED像素的两个端子分别接在显示矩阵的行与列上，驱动电路按照逐行扫描的方式对像素寻址。称为直接寻址方式。这种方式的优点是结构简单，缺点是每一像素发光的时间只有行扫描被寻址的时间，即每场的1 / N（N为扫描行的数量），其余时间不发光，所以图像极为暗淡。为了避免图像发暗，只好成N倍地加大驱动电流，这又大大地降低了显示器的寿命。这种方法仅适用于扫描行的数量较少的显示器件，例如扫描行数不超过8行的数码显示屏等。即使如此，纯矩阵的OLED显示器寿命仍然会受到很大的影响。
有源矩阵驱动的OLED，是在OLED显示器的每一个像素加上TFT和电容器构成存储器。因此，在每个OLED像素上需要至少两只晶体管和一只电容器。寻址的亮度信号通过1只晶体管被电容器储存起来，再利用电容器里储存的电平通过另一只场效应晶体管的栅极来而控制OLED像素的发光。由于电容器中的电平可以储存至少一场的时间，所以OLED像素的发光时间为一帧的时间。这种方法的优点是扫描的行数可以达到上千行而不降低显示的亮度，用于高寻址路数的大容量彩色显示屏。有源矩阵驱动的OLED的每个像素上的OLED、电容器和TFT晶体管，一起等效于一个双稳态的发光像素。像素的状态由行扫描期间该像素被写入的内容确定：写入1的像素在一场保持发光，写入0的像素则保持为不发光。
如前所述,有源矩阵驱动方式构成的双稳态像素的结构很复杂。例如，普通的有源矩阵OLED显示器（例如VGA格式，480×640×3 个像素）需要在多晶硅基片上制造百万只晶体管和几十万只电容。考虑到晶体管本身的结构就很复杂，制造电容的工艺与制造晶体管的工艺又不一样，加之这样规模的晶体管、电容的互连结构还要延展到整个显示屏幕上，而不是集成在制造IC所用的硅片尺寸（小于8in）上，制造这种屏相当困难，对设备的要求也相当高。而且由于电容器的放电，OLED发出光的强度会随时间而衰减，从而造成不稳定。
有源矩阵驱动的LCD的原理与有源矩阵驱动的OLED类似，只是LCD为非发光显示器件，漏电流很小，所以有源LCD的每一像素只需要一只晶体管，存储电容可以利用液晶绝缘性自然形成，因而有源LCD要简单得多。有源LCD上的每个显示像素加上TFT，一起等效于一个双稳态的显示像素。像素在一场中的状态由行扫描期间该像素被写入的内容确定：写入1的像素在一场保持显示，写入0的像素则保持为非显示。
由上所述，OLED与LCD本身不具有存储特性，所以需要以TFT和电容为核心构造存储显示单元，而PDP显示器件的像素的双稳态特性本身就代表了像素的存储特性，而只要具有存储特性的像素就不需要有源矩阵。因此，寻找适当的材料、结构和驱动方式来构造各种类型显示器件的双稳态像素的科学探索活动就一直没有停止过。
本文简要介绍现有比较成熟的几种双稳态显示器件的基本原理、基本特性、研究进展和存在的问题，包括以液晶材料为核心的双稳态器件、基于光干涉与机械双稳态机构的iMod显示器件、基于电泳现象的零电场双稳态E-ink显示器件。上述显示器件的数理模型限于篇幅不在本文介绍。由于双稳态发展历史已经很久，本篇综述的宗旨不在于介绍最新的发展状况，而在于为读者提供双稳态显示器件较为完整的创造思想和方法。为了方便国内读者参考和查阅，论文的参考资料尽量使用中文文献。为了引起大家对知识产权的重视，本文尽量使用专利文献。
液晶显示单元双稳态化思想的基础上，作者提出OLED阵列、FED阵列的双稳态结构、原理与技术途径。提出通过现有技术的组合，实现显示器件双稳态化的大屏幕显示器件的发展思路。
1 经典的双稳态液晶显示器件
传统液晶双稳态显示器件包括胆甾型液晶相变的双稳态液晶显示器件、手性向列液晶Friderikz转变引起的双稳态、手性向列液晶表面锚定特性引起的双稳态三类，分述如下。
1.1 胆甾型液晶场致相变的双稳态显示器件（相变型LCD）
这种情况下胆甾型液晶层的厚度d比手性向列液晶的自发螺距大(d／p > 2)，基片作沿面取向处理，最好不作沿面平行取向处理，即基片涂布PI烘烤以后不再摩擦。实验证明，基片表面的取向缺陷是获得双稳态的关键[4]。
作为例子，以下述条件制造液晶单元：两片做好沿面取向的、镀有ITO的玻璃基板（以后简称ITO玻璃）之间(盒厚6μm左右)，注入介电各向异性Δε为9（相对介电常数）、自发螺距为p～0.8μm的手性向列液晶。
图1中的a、b、c、d表示随电场增强胆甾相→向列相相变过程中的织构变化，其中的线段表示液晶指向矢的方向，线段一层层变短表示指向矢逐步扭转至垂直于纸面。
图2表示透射率与电压的关系，此时液晶的光学螺距落于可见光谱波长之外。相变液晶盒的初始状态平面态①为透明态。提高电压，在3V附近，发生螺旋轴的90°旋转，成指纹织构②。进一步提高电压，在大于5V后形成焦锥(focalconic)织构③。于是入射光被散射，液晶盒呈现乳白色，从而透射率降低。再提高电压达到17V左右，螺旋结构解体，液晶分子都朝向电场方向，呈向列型液晶的结构④，液晶盒变透明。
若一点一点地降低电压，如图中箭头所示。到15V以下时，由于边界效应，胆甾型液晶的螺旋结构并不马上恢复，保持在向列型液晶的织构④不变。继续降低场强，至7.5V以下，液晶的排列才成为焦锥织构③，光透过率大大降低。再降低场强即成指纹织构②，由于散射作用，透过率仍然较低，直至0V。若将电压缓慢降下来就再也得不到平面织构了。若要得到平面织构，只须将诱发向列相的高压瞬间去掉就可以了。
电控相变效应的一个最突出的特点是8伏和17伏之间（上述2区所表示）的双稳态性质，没有用偏振片观察时，在此区间液晶盒可以是向列型的透明状态，也可以是胆甾液晶焦锥织构的乳白色状态。该双稳态存在的区间为非零电场的双稳态区间。
实现向列相④的垂直排列后，缓慢降低电压到0V会得到指纹织构②，快速降低电压可得到平面织构①。显然，相变效应的液晶显示器除了在8伏和17伏之间存在双稳态区域以外，在零电场至3伏的区间也有一双稳态区域（所图2的1区所示），液晶既可以处于胆甾型液晶的平面状态，也可以处于胆甾液晶的焦锥状态，这一区域成为零场双稳态区域。
零场双稳态区意味着这种显示单元维持双稳的状态不需要外加电场，即不需要耗电，仅仅在触发翻转的时候才需要用电，这对手持式设备意义重大。应用上的牵引使这种双稳态显示器件也成为了液晶显示器研究中的热点，也启发了研究工作者探索其它具有零场双稳态性质的器件和相应材料。
为了利用零场双稳态区的平面态与焦锥态之间的双稳态翻转来显示图像，胆甾型液晶的光学螺距被调节在可见光波长范围之内。于是平面态时胆甾型液晶反射出类似于孔雀羽毛那样的鲜艳的颜色，它可以是红绿蓝三色中任意一种颜色，仅需在调配液晶的时候将液晶的光学螺距调配成与反射光的波长相等就行了。焦锥态的略带散射的透明状态经显示器件背后涂布黑漆以后成为黑色的显示状态。胆甾型液晶的零场双稳态的显示效果是在鲜艳的颜色与黑色之间的翻转而获得。
注意到0V至3V的区域中，液晶显示单元还有一明显的阈值特性，即在3V以下液晶完全不响应外电场。这在矩阵型显示器的驱动极为关键的。它意味着矩阵驱动的交叉效应可以通过1/3 驱动法来消除，只要被选像素的驱动电压在9V以下，都可以通过 1/3 驱动法在非选择像素上实现3V以下的偏压，从而获得极高的对比度。
胆甾型液晶的零场双稳态特性首先被用在电子书显示屏上，由于正常阅读条件下不用电，2节AAA电池可以使用2个月，比起传统的显示器在类似装置上电池只能使用3个小时来，确实有很大进步。然而，正常的书是在白底上显示黑字，而不是绿底上显示黑字，如何才能使显示器的底色成为白色，成为研究的重要课题。
美国Kent州立大学的研究人员在这种胆甾型液晶里加入聚合物网络，使液晶盒里分离出许多微米大小的小畴，各个畴内部液晶螺距的长度受液晶分子在聚合物网络上的锚定状态的影响而随机分布，液晶显示器的反射谱随畴而异。由于一个像素内包含成百上千的小畴，所以总体上看，反射光包含了各种光谱，反射谱得到展宽[5]。
在国内，受上述研究的启发，电子科技大学的研究人员在除了在胆甾型液晶里加入了聚合物网络外，还将基片与液晶之间的界面制成凹凸不平的形状，让不同小畴区域的液晶分子在界面上与聚合物网络中的平面态有一定分布的随机的倾斜，多个小畴形成的像素可以进一步展宽反射光谱范围，实现白底黑字的显示[6]。
然而，人们看惯了彩色显示器，这种黑白显示器的效果无法与彩色显示器相比，这就促使研究人员开发具有零场双稳态特性的彩色显示器。
图2相变型液晶的电光特性
对于胆甾型液晶场致相变的零场双稳态显示器件而言，问题似乎很简单，将红绿蓝三层重叠为一体，红绿蓝分别由不同的驱动电路控制即可。Kent州立大学的研究人员以镀有ITO薄膜的PET为基材，做出了原理性演示样品[7]。
上述显示单元的问题还在于响应速度较慢，只有3ms左右。试想，1000行的显示器，按每行3ms的速度扫描，则刷新1帧的时间需要3s，无法完成视频显示。针对于此，吴葆刚先生在液晶中通过添加少量的水与活性剂，利用液晶畴之间粘度较低的水作润滑，使液晶畴集体转向的时间降低到原先的1 / 100[8]。
如上所述，这种场致相变显示单元从高电压下的向列相把电压降低为零时，可能会出现两种结果：快速降低时成为平面织构，缓慢降低时成为焦锥织构或指纹织构。研究发现，液晶分子在某一瞬态的流动造成了如上的差别。这意味着驱动电路只要能在这一瞬间提供恰当的电场，就能按意愿使液晶的织构成为平面态或焦锥态。对于此现象的深入研究，导致了3相或5相驱动法的发明，使每行的写入时间降低到40μs，已经达到电视行（64μs）的水平[9]。由于瞬态液晶分子流动的理论模型尚未建立，这一领域的研究还只限于实验研究[10]。
随后的研究发现，其它类型的液晶双稳态显示也有类似的情况：由一种状态转向另一种状态的某一时刻，电场的大小起关键的作用，因而也适用于多相驱动法[11]。
2.2手性向列液晶Friderikz转变引起的双稳态
这种情况下，液晶盒厚度d与螺距p之比在l左右。
连续弹性理论分析结果表明，将手性液晶充入平面取向的液晶盒中，当液晶在盒内的扭曲角达到270°时，中心液晶分子随电压变化的陡峭度为无穷大。通常情况下没有考虑扭曲角超过270°以后液晶的指向随电压如何变化。
数值计算结果表示，在使用介电各向异性为正、扭曲角超过270°的长螺距的手性向列液晶的液晶盒(d／p～l时)时，指向矢随电压的变化会出现指向矢随电压滞后的特性。螺旋轴与电极面垂直的平面螺旋结构受到足够强的电场Esat作用，除了盒表面附近的液晶分子以外，其他液晶分子均与电场方向平行，降低电场时液晶分子在较低的场强下才转回为平面状态。特别地，在施加电场时，这种液晶盒容易发生条带状或格栅状的图案。
Berreman和Heffner证明了在两电极面上具有大预倾角(25°~35°)的倾斜取向时，条带状或格栅状的图案就会消失，而且证明了在此相变中会产生双稳定态。图3是用计算方法算出在具有大预倾角、扭曲360°的液晶盒中，液晶层中心部分的液晶分子的倾斜角是怎样随电压变化的，如实线所示。
从此图可以看出，电压在约1.8V ~ 2.3V的范围内时，中心液晶分子的指向矢在大于2.3V时陡然偏向90°，降低电压时，直到1.8V前均维持90°变化不大，直到1.8V以下才陡然降到0°左右。在1.8至2.3之间为双稳态区间。在此区间，液晶的指向矢可以为0°的状态，也可以是90°的状态。当然，液晶指向矢的偏向用眼睛是看不到的，将此种效应用于器件时，需要使用两枚正交偏振片。在偏向角接近于0°时，液晶盒对于可见光，若满足莫根条件，则将入射偏振光透过液晶层旋转了360°，所以，若用正交放置的偏振片，则视野很暗。在倾角接近于90°时，液晶仅在中心部位指向矢接近于90°，而在其它位置接近于0°，由于液晶等效偏振波导被破坏，所以，入射到液晶层的直线偏振光在离开液晶层后就变成椭圆偏振光，因而液晶盒变得明亮。
进一步地，能产生双稳态性质的电压范围ΔV取决于d / p，d／p增大，则工作电压降低的同时，其双稳态电压范围变窄。还取决于液晶材料的弹性常数的数值大小，例如，k33的值越大，双稳区域越宽。
从原理上看到，这种显示单元显现双稳态特点的范围在2Ｖ左右，为非零场双稳态模式，维持显示需耗费能量，对比度与亮度均不高，视角范围很窄，响应时间也比较慢。此外，这种显示模式不存在零场双稳态区域。由于上述原因，极少看到这类显示器的研究报告。
2.3手性向列液晶表面锚定特性引起的双稳态
由手性向列液晶表面锚定所引起的双稳态的两个要点是：
1)两片沿面平行取向的基片中，基片A为低预倾角强锚定取向（小于3°），基片B为中预倾角（10°~20°）取向；
2)液晶在基片A上成强锚定，向列型液晶中添加适量的手性剂使之成自然扭曲的状态时，与基片B表面的取向正好垂直。
以上下基片平行取向为例，添加手性剂的向列型液晶的螺距应该为盒厚的1 / 4，即盒内液晶的自然扭曲角为90°。由于上下基片的锚定作用，液晶在盒内的稳定状态只能是0°或180°。为了在上述两个稳定状态实现较好的对比度，上下两张偏振片是必不可少的，而且要用琼斯矩阵或扩展琼斯矩阵为工具计算最佳的盒厚与液晶的双折射乘积。
有关利用手性向列液晶表面锚定特性实现的双稳态液晶显示器的研究，可详见解志良等人于1999年第3期发表于本刊的论文[12]，这里不再赘述。（待续）
图3 扭曲角达到360°时外加电压与中心分子的倾角的关系
参考文献
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[8]吴葆刚等，CN1184534，超快速响应、多重稳定、反射型胆甾液晶显示器.
[9]杨登科等，CN1231048，用于双稳态液晶显示的动态驱动方法和装置.
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[12]周萼，吴葆刚等，零场双稳态液晶显示器[J].现代显示，1998(1):55.
作者简介：黄子强，教授，1982年毕业于华南理工大学无线电陶瓷专业，1986年在电子科技大学取得物理电子技术专业硕士学位，1992年开始以课题负责人的身份完成了LED大屏幕项目（3×5m2），随后获得意大利政府奖学金以访问学者身份赴Calabria大学，1996年在烟台留学人员创业中心的万润精细化工公司工作，2000年到电子科技大学从事液晶电子学的研究与教学至今。在Journal of Applied Physics、光学学报、中国激光等刊物发表文章30余篇，参加了《液晶显示技术》（电子科技大学出版社）一书有关章节的编写工作，独立编著《液晶显示原理》（国防工业出版社）。主要兴趣点在零场双稳态、可变视角、3D、机载、雷达用显示器、液晶光衍射元件与系统等方面。《液晶与显示》与《现代显示》编委。
