平板显示中的双稳态技术:现状与进展(三)

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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长,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(3)

HUANG Zi-qiang

(The School of Opto-electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, 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

4 发光型双稳态显示器件

以前介绍的双稳态器件都是被动式显示器件,需要在外界光的照射下才能显示｡

发光型双稳态器件以对比度高､视角范围大､响应时间快为特点,对产业界更具有吸引力｡这里先介绍等离子放电发光型､OLED发光型两种双稳态显示器件｡

4.1 等离子放电发光型双稳态显示器

这种显示器以PDP(Plasma Display Panel,PDP)为代表,其原理已经本文的第一部分以日光灯气体放电原理作了说明｡早期的气体放电显示器是按照纯矩阵方式,将行､列电极分别印制在上下玻璃基板上,依本文第二部分的图4方式将行､列电极作横竖排列,像素之间以障壁隔离以防止放电离子横向扩散而引燃相邻像素,再抽去空气､充以稀薄的氖气就构成了橘红色的等离子放电显示器｡如此简单结构的等离子显示器需要300V左右的高压来驱动,即行扫描每一条电极上的电压值均在300V至0V之间依扫描的时间而起伏变化｡同时,由于行扫描与列驱动电极的数量数以千条,它对集成电路的要求是高密度､耐高压､且具有较大电流供给能力,如此要求的集成电路至今仍未能实现｡

曾流行过具有自扫描功能的气体放电显示板,以降低对扫描电路的依赖｡然而这种显示器不具备双稳态特性,像素只在被扫描寻址的瞬间点亮,因而亮度与发光量子效率都很低｡这种显示器不在本文介绍的范围之中｡

PDP的实质性进步是富士通公司1990年提出的寻址与显示分离的三电极结构,这种结构一直沿用至今｡图13为这种结构的截面图｡其中PDP内充氦氖为主的惰性气体,在放电时发出紫外光,紫外光激发随位置而不同的荧光粉分别发出红､绿､蓝三基色,从而构成彩色显示器｡氧化镁层用于保护电极,高介电常数的介质膜将电极上的交流电场有效地耦合到放电气体之中｡下部两条电极称为汇流电极,因制作成条状也称作汇流条,上部的电极称为信号电极,受控于集成电路｡要说明的是,实际的荧光粉上也覆盖了相当厚度的氧化镁,保护荧光粉不受放电离子的轰击｡

三极式PDP的工作原理以图14所示｡

PDP的写入过程分4个过程:① 预写入｡此时信号电极保持为0V,在汇流条上以短暂的300伏峰-峰值让气体放电,此时正离子在汇流条之间呈弧线随交流电的波动而来回飞行,由于离子速度呈正态分布,一些离子的速度较大而在切线方向飞出,黏附在荧光粉表面,最终在荧光粉表面形成离子附着层,其电位接近交流电的峰值,约为250V｡② 整理壁电荷｡ 该步骤时间短,电压只有100V,电弧熄灭,残存离子在100V交流下与电子复合,在荧光粉上留下250V的电位,其余地方电位为零｡③ 信号写入｡所有的汇流电极上均保持为180V交流,然后根据图像是否要点燃该像素,确定是否要在信号电极上施以+50V的电压｡凡是加上+50V电压的像素,加之荧光粉上留下的250V电位,像素均成功点火,而没有在信号电极施加+50V电压的像素均没有被点燃｡该步骤实现了像素图像的写入｡④ 显示保持｡此过程只须维持汇流条电极为交流180V即可,此过程维持一场时间,于是被写入的像素维持一场时间的发光,与老式的自扫描型PDP显示器相比,亮度成百倍提高｡

此外还可以看到,由于荧光粉上粘附的离子而带来的250V的电位,信号电极的点火电压由300伏降到50V,且只起引电弧的作用,显示像素的发光功率由汇流电极提供｡于是,驱动集成电路的电压与电流均降下来了｡

PDP的缺点在于屏幕的烧伤效应:那些一直被点燃像素的荧光粉逐渐老化,亮度逐渐降低,而没有被点燃的像素亮度较高｡这一效应不能象液晶那样通过扩散､流动而使差异变小｡当从文字切换到电视显示时,文字原来的位置(例如电视台标处)将留下灰黑色的潜影｡这也是PDP显示器一直无法用于桌面显示器的原因,随着3G网络和图文电视的开通,这一缺点将会更加突出｡

4.2 OLED的双稳态发光技术

虽然OLED被誉为下一代的显示器,由于其单向导电特性,能构成最为简单的纯矩阵图形显示器,曾被认为是成本最低的图形显示器｡但是现实中的OLED显示器却不能脱俗,无法摆脱对TFT的依赖｡实用的OLED显示器对TFT的要求更高,需要非晶硅材料制造的TFT阵列,更甚一步,每像素一只TFT管还不行,最少要两只,最好用4只｡这使得OLED显示器的实际情况与预想相去甚远｡

有以下两种方法能去掉TFT,一是采用具有电气双稳态特性的有源器件与OLED像素单元串联,二是采用光学双稳态的方法构建双稳态像素｡以下分别介绍｡

(1)串联型双稳态OLED显示单元

串联型双稳态OLED显示单元的想法是YangYang课题组提出来的｡首先他们构建了具有双稳态非线性伏安特性的有机膜中夹金属膜的结构,如图15中的右图所示｡

双稳态非线性器件的结构为铝电极-AIDCN-铝膜-AIDCN-铝电极,AIDCN为有机化合物,具体结构见图15｡其伏安特性见图16,其中的O代表有机薄膜,括号中的数代表厚度｡

从图16看到,从小于0.5V至3V的双稳态区域,电流变化的倍数达到6个数量级｡将OLED与上述器件相串联,自然可以获得双稳态的OLED像素[1]｡

(2)采用光学双稳态的方法构建的双稳态像素

我们曾提出了将OLED与光导薄膜重叠而构成的正反馈体系实现双稳态OLED发光单元的发明专利[2]｡原理如下:OLED与光导薄膜重叠起来接到电压源上;光导薄膜接收到外来的光激发信号后电阻瞬时降低,而使流过OLED的电流增大,OLED瞬时发光;光导薄膜接收到OLED的光维持为低阻,OLED持续发光,进而使光导薄膜保持为低阻,这种强烈的正反馈过程达到了OLED持续发光的稳定态｡若要擦除上述状态,只需要将电源瞬时切断,而后OLED不再发光,光导薄膜维持为高阻,OLED由发光稳定态翻转到暗态稳定态｡

图17是双稳态OLED像素的结构示意图｡其中有机发光层包括Alq､电子传输层､空穴传输层｡Mg-Ca(也可以是Mg-Ag)电极很薄,为半反射半透射膜,与金属电极一起构成微腔,通过设置适当光程厚度的有机发光层,使发射光谱变窄｡在光导倍增薄膜朝向入射光一面比较粗糙并附有一层极薄的金属,建立起适当的肖特基势垒,以诱导光电子倍增效应｡

入射光通过ITO窗口照射到光导倍增膜上,引发光导倍增膜的光电倍增效应形成漏电流,使OLED发出微光,微光增强了光导倍增膜中的漏电流,使OLED发出较强的光｡如此正反馈过程使OLED导通发光｡这一发光稳态在没有入射光时靠正反馈过程而继续维持｡如果要擦除这种状态,只需要通过外电路瞬时断开电源就可以了｡

上述正反馈体系的特点是存在明显的阈值,当输入光达到阈值时引起正反馈体系不稳定而触发为双稳态OLED的"1"稳态(发光稳定态)｡若入射光强度达不到阈值,不足以在OLED中引起发光,则上述过程不会发生｡该过程与混合型光学双稳态类似,为非线性的动力学过程｡

要强调的是,由于光电导与OLED发光的量子效率均小于1,它们的组合其总量子效率只有1%左右,因此,引发"1"的过程的必要条件是光导倍增膜应具有足够大的光电子增益,一般须达到100倍以上｡

用发光二极管(LED)､光敏三极管(增益为200倍)配以若干电阻(如图18)进行了模拟实验,发现在一定的条件下,利用上述元件所组成的正反馈体系可以实现双稳态｡

图18左为用于模拟混合型光学双稳态所用的电路,其中光敏晶体管的直流放大倍数为150倍,用于模拟本项目中的光电导倍增薄膜;L2用于模拟与OLED重合的那一部分OLED;L1用于模拟没有与OLED重合的､对外输出的那部分OLED;电阻模拟光电导倍增薄膜的漏电阻｡上图为R=12kΩ时所测的电压-L1发光强度曲线｡我们发现,当R的值在10kΩ至20kΩ时都可以观察到如上图所示的典型的电滞特性曲线｡这时,双稳态的触发靠外接电阻的漏电流,在增加电压到某一程度的时候引起双稳态系统的突然翻转而实现｡

在以上电路的光敏晶体管和L2放在不透光的管内｡我们发现,若外加电压在其双稳态电压(2.1 V~2.7V)范围内,通过不透光管上的微孔漏过的微光就可以触发从L1和L2从不发光态翻转为发光态｡而后无论是否将微孔关闭,L1和L2都保持为发光的状态｡这是靠外界光触发的例子｡

由此看来,能否实现双稳态OLED的关键在于能否制造出具有倍增效应的光导倍增膜｡K. Nakayama等人用p化合物薄膜制得的光电导膜,其增益达到了5个数量级[3],用于双稳态OLED应该绰绰有余｡

要说明的是,OLED仍然有烧伤的问题｡

用类似的正反馈结构也可以构成双稳态FED显示器,限于篇幅,将另撰文介绍｡

5 结 语

本文简要介绍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,其中包括了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､基于电泳动现象的固体双稳态显示器件,还介绍了三极式PDP显示器件的结构与原理,介绍较为前沿的具有双稳态特性的OLED单元的构成与原理｡

本综述的目的仅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,希望从前人工作得到启示,创造出新类型､新原理､新结构的双稳态显示单元,最终实现显示器件的简单化,以减小显示器件生产中的污染和成本｡

参考文献

[1]Seungmoon Pyo, et.al., Organic bistable devices and their applications, 2002, Polymer Preprints, Vol.43(2), p512.

[2]中国发明专利CN03117475.2

[3]K. Nakayama, et. al., Photocurrent Multiplication at Organic/Metal Interface and Surface Morphology of Organic films, 2000, J. Apply Physics, Vol. 87, No. 7, p.3365-3369.

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,现为《液晶与显示》与《现代显示》编委,E-mail:｡