新型柔性液晶顯示屏：輕薄、柔性還便宜

背景

液晶顯示屏（ Liquid Crystal Display ），也稱LCD，是一種常用於電視機、電腦、智能手機等消費電子產品的螢幕顯示設備。

下圖所示：卡西歐電子表上液晶顯示屏。

說起液晶顯示屏，我們首先應該了解一下液晶是什麽？液晶是在1888年，由奧地利植物學家萊尼茨爾（Reinitzer）發現的，是一種介於固體與液體之間，具有規則性分子排列的有機化合物。在不同電流電場作用下，液晶分子會做規則旋轉90度排列，產生透光度的差別，這樣就會在電源開關下產生明暗差別，依此原理控制每個像素，便可構成所需影像。

液晶顯示屏的構造是在兩片平行的玻璃基板之間放置液晶盒，下基板玻璃上設定TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設定彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否，從而達到顯示的目的。

如今，電子產品的發展呈現出小型化、輕薄化、柔性化、低成本的趨勢（筆者介紹過許多體現這一趨勢的創新研究案例）。液晶顯示屏也不例外，16年年底時，筆者曾介紹過日本東北大學開發的超級柔性液晶顯示屏。這種柔性液晶顯示屏具有大面積、高分辨率、高穩定性等優點，可以應用於移動資訊終端、可穿戴設備和大型電子標牌等場景中。

創新

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

近日，東華大學與香港科技大學的光電子工程師們製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。有了這項技術，日報的內容可上傳到柔性顯示器上，如同新聞直播一樣快速更新。聽上去，這有點像從未來“穿越回來”的東西。但是科學家們評估認為，它的生產成本較低，一個5英寸的螢幕只需花費5美元。

這種光學可重寫的新型LCD設計，在這周發表於美國物理聯合會出版的《應用物理快報（Applied Physics Letters）》。

技術

為了實現高度柔性的設計，團隊主要有兩項關鍵創新值得我們關注。

第一，他們最近開發出光學可重寫的LCD。這種顯示器與傳統LCD一樣，也是三明治結構，兩塊基板之間充滿了液晶。但是，傳統液晶顯示屏通過板上的電氣連接創造出電場，對於單個像素點的明暗變化進行開關控制。可是，這種光學可重寫的LCD，通過特殊的分子塗覆基板，在偏振光作用下，這些分子會重新排列，對像素點進行開關控制。如此一來，就省去了傳統的電極，從而減小了結構的體積，並使得基板的厚度和種類有了更多選擇。因此，光學可重寫LCD比傳統LCD更薄，厚度不到一毫米，可通過柔性塑料製成，重量只有幾克。來自東華大學的論文合著者 Jiatong Sun 表示：“它僅僅比紙厚一點點。”

由於其結構簡單，光學可重寫的LCD經久耐用，製造成本低廉。更進一步說，如同電子書中的電子紙張螢幕一樣，能量隻用於切換顯示影像和文字。一旦影像寫到螢幕上，新型LCD無需花費能量維持影像，因此運行成本很低。

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 都使用了襯墊料來決定液晶的厚度。為了實現良好的對比度、響應時間、觀看角度，一個恆定的厚度是必需的。然而，當板材彎曲時，它會迫使液晶遠離撞擊部位，在螢幕上留下空白。所以，襯墊料的設計變化，對於防止柔性LCD中液晶過度移動來說非常關鍵。這種柔性設計的開發，將突破先前證實的頗具挑戰性的屏障。

研究人員嘗試了三種不同的襯墊料設計，發現網狀襯墊料能夠在LCD受到彎曲和撞擊時，防止液晶流動。這一創新讓他們設計出了首個柔性光學可重寫LCD。

此外，還有一項創新就是改善了顯色性。科學家們報告稱，在這項研究之前，光學可重寫的LCD只能同時顯示兩種顏色。現在，他們的光學可重寫LCD可同時顯示三種原色。他們在LCD後面放置一種特殊的液晶，反射出紅色、藍色、綠色。

價值

這項研究頗具創新性，使得傳統液晶顯示屏的設計走向了柔性化、輕薄化、低成本，從而可以帶來更好的用戶體驗以及更多的應用場景。

未來

為了使之成為一種商用產品，Sun 想要進一步提升柔性光學可重寫LCD的分辨率。Sun 表示：“現在我們擁有三種顏色，但是為了實現全色彩，我們需要讓像素足夠小以至於人眼無法分辨。”

關鍵字

液晶顯示屏、柔性電子、光學

參考資料

【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/paperlike-lcd-thin-flexible-tough-and-cheap?TRACK=aipp-china

【2】Yihong Zhang, Jiatong Sun, Yang Liu, Jianhua Shang, Hao Liu, Huashan Liu, Xiaohui Gong, Vladimir Chigrinov, Hoi Sing Kowk.A flexible optically re-writable color liquid crystal display. Applied Physics Letters, 2018; 112 (13): 131902 DOI: 10.1063/1.5021619