導(dǎo)讀

近日，東華大學(xué)與香港科技大學(xué)的光電子工程師們制造出一種紙張般的液晶顯示屏（LCD），它不僅輕薄，而且具有柔性和韌性。

背景

液晶顯示屏（ Liquid Crystal Display ），也稱(chēng)LCD，是一種常用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的屏幕顯示設(shè)備。

下圖所示：卡西歐電子表上液晶顯示屏。

（圖片來(lái)源：維基百科）

說(shuō)起液晶顯示屏，我們首先應(yīng)該了解一下液晶是什么？液晶是在1888年，由奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾（Reinitzer）發(fā)現(xiàn)的，是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。在不同電流電場(chǎng)作用下，液晶分子會(huì)做規(guī)則旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光度的差別，這樣就會(huì)在電源開(kāi)關(guān)下產(chǎn)生明暗差別，依此原理控制每個(gè)像素，便可構(gòu)成所需圖像。

液晶顯示屏的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板之間放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過(guò)TFT上的信號(hào)與電壓改變來(lái)控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而達(dá)到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否，從而達(dá)到顯示的目的。

如今，電子產(chǎn)品的發(fā)展呈現(xiàn)出小型化、輕薄化、柔性化、低成本的趨勢(shì)（筆者介紹過(guò)許多體現(xiàn)這一趨勢(shì)的創(chuàng)新研究案例）。液晶顯示屏也不例外，16年年底時(shí)，筆者曾介紹過(guò)日本東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的超級(jí)柔性液晶顯示屏。這種柔性液晶顯示屏具有大面積、高分辨率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于移動(dòng)信息終端、可穿戴設(shè)備和大型電子標(biāo)牌等場(chǎng)景中。

（圖片來(lái)源：日本東北大學(xué)）

創(chuàng)新

今天要介紹的液晶顯示屏的創(chuàng)新研究成果，又一次體現(xiàn)了小型化、輕薄化、柔性化、低成本的創(chuàng)新趨勢(shì)。

近日，東華大學(xué)與香港科技大學(xué)的光電子工程師們制造出一種紙張般的液晶顯示屏（LCD），它不僅輕薄，而且具有柔性和韌性。有了這項(xiàng)技術(shù)，日?qǐng)?bào)的內(nèi)容可上傳到柔性顯示器上，如同新聞直播一樣快速更新。聽(tīng)上去，這有點(diǎn)像從未來(lái)“穿越回來(lái)”的東西。但是科學(xué)家們?cè)u(píng)估認(rèn)為，它的生產(chǎn)成本較低，一個(gè)5英寸的屏幕只需花費(fèi)5美元。

（圖片來(lái)源：Zhang et al）

這種光學(xué)可重寫(xiě)的新型LCD設(shè)計(jì)，在這周發(fā)表于美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)（Applied Physics Letters）》。

技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高度柔性的設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)主要有兩項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新值得我們關(guān)注。

第一，他們最近開(kāi)發(fā)出光學(xué)可重寫(xiě)的LCD。這種顯示器與傳統(tǒng)LCD一樣，也是三明治結(jié)構(gòu)，兩塊基板之間充滿了液晶。但是，傳統(tǒng)液晶顯示屏通過(guò)板上的電氣連接創(chuàng)造出電場(chǎng)，對(duì)于單個(gè)像素點(diǎn)的明暗變化進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。可是，這種光學(xué)可重寫(xiě)的LCD，通過(guò)特殊的分子涂覆基板，在偏振光作用下，這些分子會(huì)重新排列，對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。如此一來(lái)，就省去了傳統(tǒng)的電極，從而減小了結(jié)構(gòu)的體積，并使得基板的厚度和種類(lèi)有了更多選擇。因此，光學(xué)可重寫(xiě)LCD比傳統(tǒng)LCD更薄，厚度不到一毫米，可通過(guò)柔性塑料制成，重量只有幾克。來(lái)自東華大學(xué)的論文合著者 Jiatong Sun 表示：“它僅僅比紙厚一點(diǎn)點(diǎn)。”

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)可重寫(xiě)的LCD經(jīng)久耐用，制造成本低廉。更進(jìn)一步說(shuō)，如同電子書(shū)中的電子紙張屏幕一樣，能量只用于切換顯示圖像和文字。一旦圖像寫(xiě)到屏幕上，新型LCD無(wú)需花費(fèi)能量維持圖像，因此運(yùn)行成本很低。

第二，就是分隔塑料基板或者玻璃基板所用的襯墊料。Sun 表示：“我們將襯墊料放在玻璃層之間，以保持液晶層的均勻性。” 所有的LCD 都使用了襯墊料來(lái)決定液晶的厚度。為了實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)比度、響應(yīng)時(shí)間、觀看角度，一個(gè)恒定的厚度是必需的。然而，當(dāng)板材彎曲時(shí)，它會(huì)迫使液晶遠(yuǎn)離撞擊部位，在屏幕上留下空白。所以，襯墊料的設(shè)計(jì)變化，對(duì)于防止柔性LCD中液晶過(guò)度移動(dòng)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。這種柔性設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)，將突破先前證實(shí)的頗具挑戰(zhàn)性的屏障。

研究人員嘗試了三種不同的襯墊料設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀襯墊料能夠在LCD受到彎曲和撞擊時(shí)，防止液晶流動(dòng)。這一創(chuàng)新讓他們?cè)O(shè)計(jì)出了首個(gè)柔性光學(xué)可重寫(xiě)LCD。

此外，還有一項(xiàng)創(chuàng)新就是改善了顯色性。科學(xué)家們報(bào)告稱(chēng)，在這項(xiàng)研究之前，光學(xué)可重寫(xiě)的LCD只能同時(shí)顯示兩種顏色。現(xiàn)在，他們的光學(xué)可重寫(xiě)LCD可同時(shí)顯示三種原色。他們?cè)贚CD后面放置一種特殊的液晶，反射出紅色、藍(lán)色、綠色。

價(jià)值

這項(xiàng)研究頗具創(chuàng)新性，使得傳統(tǒng)液晶顯示屏的設(shè)計(jì)走向了柔性化、輕薄化、低成本，從而可以帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)以及更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

未來(lái)

為了使之成為一種商用產(chǎn)品，Sun 想要進(jìn)一步提升柔性光學(xué)可重寫(xiě)LCD的分辨率。Sun 表示：“現(xiàn)在我們擁有三種顏色，但是為了實(shí)現(xiàn)全色彩，我們需要讓像素足夠小以至于人眼無(wú)法分辨。”