摘 要
反射式TFT-LCD保持了液晶显示原有的优势与特点，已成为当今液晶显示一大发展趋势，更是未来液晶显示持续发展的重要支柱之一。本文阐述了反射显示屏与显示性能、彩色显示与液晶模式、综合折衷考虑及提高显示性能的诸种有效措施。
Reflective TFT-LCD keeped intrinsical predominance and features of LCD,becomed a great development trend of LCD today,yet among important support of future LCD standing development. Reflective display screen and display performance,color display and LC mode,diverse efficient measure of synthetic tradeoff consideration with increasing display performance expatiated in this paper.
1、引言
作为被动式显示的液晶显示器（LCD），可有透射式和反射式两种显示方式。反射式的优点不言而喻，它利用并调制环境光满足显示需求，省电、节能皆源于此。早期的中低档LCD大都属于反射式。但由于普通扭曲向列型（TN ）LCD、超扭曲向列型（STN）LCD必须采用偏光片，故其显示底色灰暗，对比度低、显示质量差。随后，虽在透射式LCD背后增装了背光源，改善了显示质量，但功耗大为增加，又降低了微功耗的优势。当然，即便是如此，相对一些大功耗的主动式发光显示器，如PDP、CRT等还是具有优势的，但相对一系列新型低压、低功耗的主动式发光显示器，如OLED、PLED及FED等的不断问世，其优势则大减。
面对这一市场的竞争，近年来已逐渐形成了研制开发反射式LCD 的强劲势头。反射式LCD 得到了迅速的发展，某些不使用偏光片的液晶显示效果，如多稳态液晶显示已接近于黑纸写白字的显示效果。而硅基液晶LCoS则开创了反射式投影显示之先河。反射式LCD保持了液晶显示原有的优势与特点，已成为当今液晶显示一大发展趋势，更是未来液晶显示持续发展的重要支柱之一。
众多笔记本电脑及台式PC机的监视器皆采用了薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）。TFT-LCD的特点是具有颇高的分辨率及显示彩色活动图像的性能，而且显示亮度足够高。但因TFT-LCD需有背照光源的透射式LCD屏，故美中不足的是功耗较大，还占有一定的空间。TFT-LCD的厚度及重量限制其更为广泛的应用，如不适用于便携领域。
自20世纪90年代以来，人们试图通过不用背照光的方法，寻找实现薄型化、重量轻及低功耗的新型TFT-LCD。因此种方法是利用反射环境光来显示图像，故将其称为反射式（Reflective type）TFT-LCD。实际上，要想真正实现明亮的反射式TFT-LCD，必须解决众多的研究课题。下面仅以日本NEC公司功能器件研究所已开发出的3.8英寸反射式TFT-LCD为例，阐述如何解决反射显示屏与显示性能、彩色显示与彩色模式、综合折衷考虑及提高显示性能的有效措施等研制反射式TFT-LCD过程中所遇到的技术难点。
2、反射显示屏与显示性能
实践表明，反射式TFT-LCD中的反射显示屏是至关重要的部分，弄得不好便会像哈哈镜一样，令人哭笑不得。如在已制出的液晶盒（两块相隔有缝隙的平行玻璃基板中注入液晶后封装而成的部件）的后内壁上附着一块光滑的镜面用作反射屏，尽管图像信息驱动液晶起着光阀的作用，但观测者从液晶盒另一侧并不能很好地观测到所需的显示图像。不仅如此，更为严重的是有时观测者从LCD显示屏上却会观看到反射出自身面孔的图像，即产生出镜面发射现象。
为此，反射显示屏表面需凹凸不平，将入射光作为漫射光进行反射。假如将反射显示屏的表面制成规则的凹凸波纹，当向反射显示屏上入射白光时，则反射出的将是多种彩色光。此种表面便如同分光仪中衍射光栅一样，产生出相同的现象。因白光是由不同波长的光所组成，每一种波长的光，可反射的角度皆不尽相同。为解决这一问题，需消除反射角度与光波长相关的现象，反射显示屏上需具有凹凸不规则的表面结构。
通常情况下，当光线入射至具有凹凸不规则的表面结构的反射显示屏上时，可视为反射光既包含正向反射光，亦包括漫反射光的分量。通过上述的实际探索，虽基本上弄清反射显示屏表面应具有什么样的结构，但设计并制出实用的反射显示屏仍需做许多的工作。因室内和室外杂散光环境并不一样，需结合实际的使用条件优化设计并进行精确制造。
3、彩色显示与液晶模式
以IMT-2001手机为代表的现代便携式网络信息终端，皆需有能显示彩色图像的LCD屏。作为反射式TFT-LCD，突出的研究课题是兼顾显示亮度和彩色显示的性能。对于透射式TFT-LCD，需在液晶盒内壁上配置3基色（RGB）彩色滤光片。故作为显示光能被认可的部分，在RGB各子像素中仅有1/3入射白光透射出可供观看。尽管这样，因透射式TFT-LCD装有背照光源，可足以补偿由于透射率低而导致显示亮度的不足，故透射式TFT-LCD可兼顾显示亮度和彩色显示的性能。
然而，因反射式TFT-LCD依靠周围环境杂散光照明，兼顾显示亮度和彩色显示性能是其技术难点。目前虽正在研制RGB滤光片叠片方式，但单独控制RGB滤光片亦是很难的。迄今较为实用的方法，仍是在透射式TFT-LCD内的RGB滤光片结构基础上，进行特殊的设计。
对于反射式TFT-LCD，为实现兼顾显示亮度和彩色显示性能，必须提高光反射率，力求减少光损耗。如透射式TFT-LCD通常都是贴着液晶盒两壁装上两块偏光板，而在反射式TFT-LCD内设法利用一块偏光板，从而提高显示亮度。借助发展反射式TFT-LCD及改进背光源、提高开口率及增强偏光板透射率等多种方式提高显示亮度和对比度。日本NEC公司功能器件研究所还试图根本不用偏光板，从而消除了偏光板对光线的吸收作用，以期提高其显示亮度。
采用一种宾主（Guest-Host）液晶模式的TFT-LCD，可省掉偏光板，如图1所示。其中，宾主液晶层的方框表示液晶盒，盒壁内的透明电极及透明的玻璃基板盒壁皆可省掉，仅给出具有凹凸不规则表面的反射显示屏。现以该示意图为模型扼要介绍采用宾主液晶模式的反射式TFT-LCD的工作机理。所谓宾主液晶是指在液晶（Host）内掺入色素（Guest），其中，液晶分子和色素分子都采用棒状结构。此种棒状色素分子，对长轴向偏振光的吸收量颇大，而对短轴向偏振光的吸收量则较小。这便是色素分子的重要特点，作为掺入液晶内的色素分子，希望此种吸收量差愈大愈好。而且，液晶分子在电压信号作用下偏转时，色素分子的指向亦会随之改变。
从图1所示的示意图中，可显示出“明亮”和“黑暗”的状态。如当该显示器显示出“黑暗”的状态时，液晶分子环绕Z轴呈扭曲排列状。换句话说，在液晶层上部的液晶分子长轴沿X方向排列，而在液晶层下部的液晶分子长轴则沿Y方向排列。为此，从光源发出的光线入射至图1所示的LCD反射板，在液晶上层处X方向的线性偏振光几乎都被吸收掉，而在液晶下层处Y方向的线性偏振光亦被吸收掉。实际上，由于液晶层的扭曲，一面吸收偏振光一面产生偏振光面旋转的现象，这如同透射式TFT-LCD 中双扭曲型向列相液晶(Twisted-Nematic Liquid Crystal)原理一样，故液晶环绕Z轴需有最佳的扭转角度。
人们不禁会问，采用宾主液晶模式的反射式TFT-LCD能显示出“明亮”的状态吗？回答是肯定的，因液晶上电压信号足够大时，液晶分子的长轴可沿Z方向排列（如图1所示的竖立状），而且色素分子亦呈竖立状。故从光源发出的X方向和Y方向的线性偏振光几乎不被吸收。于是，入射光透过液晶层到达反射板的凹凸不规则的表面后，又被反射出去，显示出“明亮”的状态。
4、综合折衷考虑
纵观反射式TFT-LCD的关键技术，制约因素颇多，每种技术亦不是十全十美。如采用宾主液晶模式的反射式TFT-LCD中，宾主液晶的对比度和亮度并不能兼顾，为获得高对比度，必须增大“黑暗”状态下的光吸收量，有效的方法是增加色素的浓度，可是，色素浓度一增加，显示“明亮”状态时，色素的作用导致亮度的降低。现实中理想的色素材料又难以找到。
当前不仅应密切关注新材料及液晶显示器件的最新进展，当务之急恐怕还需综合折衷考虑有关反射显示屏、彩色滤光片及液晶的光学设计技术，开发出实用化宾主液晶模式的反射式TFT-LCD新品。
日本NEC公司研制出采用宾主液晶模式的3.8英寸NL3224ER24-031反射式TFT-LCD新品，采用无定形TFT有源矩阵驱动方式，显示画面尺寸为76.8㎜×57.6㎜，对角线9.6㎝（3.8英寸），显示彩色为262144种（RGB各64灰度级），像素点数为320（S）×240(V)=76800,子像素点数为76800×3=230400（1个像素点=3个RGB子像素点），RGB滤光片为纵向带状片，像素点间距为0.24㎜（S）×0.24㎜(V)，反射率的目标值为40%，对比度目标值为40：1，RGB亮度信号数字化接口（RGB各6位），耗电为40Mw(包括LCD显示屏、驱动器、控制器及DC/DC变换器的耗电)。
NL3224ER24-031反射式TFT-LCD新品，非常适用于室外便携。尤其是当将反射式TFT-LCD与透射式TFT-LCD相比较时，此种优势更为明显。透射式TFT-LCD在室外强阳光照射环境下工作时，对比度显著下降，目视性劣化。这是由于在LCD显示屏表面处，反射环境光的比例有所增加之缘故。然而，由于设计反射式TFT-LCD时，已考虑到环境光反射的因素，故使其对比度不会有很大的变化。
便携式产品正推动着反射式TFT-LCD的市场发展。反射式彩色TFT-LCD已开始商品化。如分辨率400×234、画面宽高比16：9的5.8英寸反射式彩色TFT-LCD，其反射率达30%、响应速度30ms及功耗为0.15W。NEC公司研制的反射式TFT-LCD主要应用于便携领域，像掌上电脑（PDA）、数码相机及移动电话手机等便携终端宜采用此种LCD显示屏。由于此种新技术发展颇快，深信不久将会出现在室内和室外皆能很好应用的反射式TFT-LCD新品，比如像带有辅助光源的反射式TFT-LCD便是其中之一的新品。
5、 提高显示性能的有效措施
5.1 采用新型衬底技术
夏普美洲微电子公司采用一种连续晶粒硅（Continuous Grain-Silicom,CG-Silicom）技术研制成电子迁移率分别为非晶硅和低温多晶硅的600倍和4倍的反射式TFT-LCD。CG-Silicom技术促进了系统LCD（SLCD）的发展，此种SLCD将所有的驱动器及各种电路，其中包括LCD驱动器、数字逻辑电路、I/O接口电路及信号处理电路等皆集成至玻璃衬底上。
与非晶硅和低温多晶硅不同，CG-Silicom在晶粒的边界处具有原子级连续性的硅晶格。该项技术由于无需将外部电路焊至显示器上，故可制成体积更小、厚度更薄、用途更广、性能更强且功耗更低的移动式设备。
SLCD还可在有源矩阵显示区内设置一个单片电路，该电路包括一个带多功能模块的全彩色源驱动器、一个门驱动器及一个时钟发生器。在最近一次原理性验证演示中还将一个8位CPU集成至LCD的玻璃衬底上，这表明所有的电路最终皆可被集成至LCD显示器的玻璃衬底上。
SLCD另一重要特点是能对图像分辨率及色浓度进行动态控制，从而提供多种分辨率模式的输出，并降低总功耗。采用CG-Silicom技术制成的3.7英寸反射式TFT-LCD的功耗分别为14mW (彩色VGA)、8mW (彩色QVGA)及2mW (单色QVGA)。采用SLCD构架的首款商品化的产品是夏普公司的Zaurus SL-C700PDA，它不久将在美国市场首次推出。CG-Silicom新型衬底技术使LCD显示器件的集成度达到前所未有的水平，并预示着新一代移动和手持式产品即将问世。最终，就连设备的CPU都能被集成至玻璃衬底上。
5.2 采用离子枪技术，取消传统擦拭工艺
采用离子枪技术，取消传统擦拭工艺，不仅提高了反射式TFT-LCD的分辨率，而且还提高其成品率。此外，该新工艺还可应用到洁净室内的生产线上，进一步显著地降低生产成本。
在生产LCD显示屏的流程中，长期以来一直使用法兰绒辊擦拭玻璃衬底，以使晶体分子能按一定方向排列。这是一个非常棘手的处理工序，亦是众多公司长期以来不懈努力寻找解决的一个技术难题。不久前，IBM公司成功开发出 一种能使晶体按一定方向排列，而又无需接触LCD显示屏的新工艺。此种新工艺可替代目前所用的擦拭工艺。
新工艺先淀积一层类似金刚石的碳层作衬底，而不是用聚合物作衬底。然后，用离子枪从一定角度喷射出原子，将表面上的碳原子推至一边去，形成一列列的原子排列。当棒状液晶分子施加在表面上后，每个液晶分子的一个棒端都将连接至一个裸露的碳原子上，这样便可使液晶分子按碳原子列的方向排列了。
取消擦拭工艺后，明显地提高了LCD的生产成品率，可为制造厂家节约成千上万美元的生产成本。该项新工艺还可提高LCD的分辨率，扩大LCD的视角。这是传统旧工艺所无法比拟的，这一切都是由于采用新工艺可准确地排列液晶分子所致。利用这种新工艺已制成22英寸的反射式TFT-LCD，分辨率高达200dpi，这是迄今最高的生产水平。
5.3 改进子像素布局的格式
美国Clair Voyante公司推出一种新型彩色子像素布局的格式，称之为波形瓦阵列(Pantile Matrix)。可显著地提高反射式TFT-LCD的分辨率，降低对数据驱动电路的需求。Pantile阵列将每个轴向的、可按地址访问的像素分辨率及调制传输功能提高了一倍。（参见图2）。
反射式TFT-LCD显示屏在基本原理上，与彩色玻璃窗略有差别。彩色玻璃窗对透过的光线进行调制，给观测人员产生出一幅彩色的图像。为产生出活动的图像，要求图像的像元尽量小，并且要求像素间的距离尽量接近，以便能调制邻近的像素，产生出合适的色彩。
按Pantile阵列子像素布局格式，每种色彩都分别由另两种色彩所包围，采用一种由红色与绿色色彩交替出现的图案，以传送像素的基本信息。蓝色像素仅提供低分辨率的色度信息，这与人们的视觉特性相适应，但却可减少数据驱动器的电路。
传统的彩色LCD使用三个子像素，即RGB三基色，形状则呈垂直的条形。此种布局格式存在一个主要的缺陷，即它依靠蓝色像素来传送高分辨率的亮度。而此种布局格式由于受到人眼视觉生理构造的限制，难以满足需求。
假如采用同样大小的RGB条作为子像素的布局格式，由于受到寻址机制的限制，寻址能力仅能提高到两倍；假如采用Pantile阵列子像素布局格式，则在横向与纵向皆能使寻址能力倍增，共可提高4倍。此外，Pantile阵列子像素布局格式还有另一优点，即它呈现的图形接近于旋转性对称，因此，假如将其用于移动式装置，则显示屏可方便地旋转，观视人员可从不同方向进行观看，对于其他类似的装置，假如需要根据所显示的信息来为从不同方向观视的人员提供显示屏幕，亦十分方便。
