新型高光效液晶显示结构—中国光学光电子行业网

新型液晶显示结构高光效

●        可提高光利用效能6～10倍
●        在入光侧玻璃基板上设置红、绿、蓝三种金属线型光栅阵列
●        取消彩色滤光片和入光侧偏振片

数字图像的显示原理是这样的，一幅图像被分割成很多个像素，每个像素又由红绿蓝三个子像素构成，不同光强度的红绿蓝三束光组合成千变万化色彩的像素点，很多个色彩不同的像素点构成了一幅彩色图像。概括起来有两点：1要有三原色光，2每色光要有强度上的变化。
液晶分子简单地说有如下特性：在液晶的两侧加上电场，液晶分子的排列会发生偏转，当偏振光通过它时偏振方向也会跟着偏转。加上不同强度的电场，偏振光的偏转角度也跟着不同，当其再通过一个偏振片时，光通过的量就产生了变化。于是产生了光线的强弱变化，即灰度变化。
在实际的液晶显示中，是在薄片式液晶的两侧加上透明薄膜式矩阵电极（ITO），该电极的每个矩阵网格和其夹持的液晶即成为了每个子像素区域。通过矩阵运算可使该区域获得不同的电压差，即可对和每个子像素对应的液晶区域实现不同的电压控制。从而实现光线的灰度变化。再在此区域贴上对应的或红、或绿、或蓝三原色滤色片就可以得到需要的颜色。
光路过程是这样的，光线先通过一个偏振片，得到了偏振光，该偏振光穿过两侧被加了电场的液晶子像素区域时，偏振方向被扭转，再穿过滤色片某子像素区域时，变成单色光，其他色光被滤掉了。再穿过一偏振片，能够透过的单色光将是我们需要的具有特定光强的某色光。于是光的颜色变化和灰度变化都有了，形成了彩色图像。
这里面光利用有两个大问题，光线穿过第一个偏振片时得到偏振光，另一正交方向的偏振光被挡掉了，即只有50%的光被利用。再穿过滤色片某子像素区域时，白光变成单色光，另两色光被挡掉，即只有50%光中的1/3光被利用，大约为16.7%。
挡光的是两个东西，一个是偏振片，另一个是滤色片。被偏振片挡掉的光好处理，设法让其返回并进行偏振转换即可。被滤色片挡掉的光不太好处理。
从上文的第一节我们知道，图像显示1需要三原色光，2每色光需要有光强变化。现有的液晶显示技术可以这样简单的来说：液晶控制白光的强度变化，颜色由滤色片来控制。换个思路来看问题，液晶既然能控制白光的变化，自然也就能控制单色光的变化。如果能直接给液晶提供单色光来控制，岂不是可以省掉滤色片？所幸的是现有的技术发展已经能够实现这个想法。
现有的光栅技术可以做到让特定带宽范围的光透过，即光栅对光的颜色有选择性。金属线型光栅可以让某颜色光通过，其他的色光被反射。如此我们可以设置三种不同宽度和间隔的金属线栅来分别透过红、绿、蓝三原色光。将这三种金属线栅结构组合成阵列，并和液晶显示中的子像素一一对应。如此该金属线栅阵列将可以实现上面的想法，即直接分别提供红、绿、蓝三色光给相应的液晶区域来控制，从而可以抛弃滤色片。
具体来说，假定对透红光的金属线栅来说，和线栅方向垂直的偏振红光将透过，和线栅方向平行的偏振红光以及绿光、蓝光将被反射。被反射的光可用背光装置让其再回射。由于三种金属线栅结构密集排列，回射回来的偏振红光如果已经经过偏振转换将可以在其他位置出射。回射回来的绿光蓝光也将在其他的合适位置出射。对透绿光的金属线栅和对透蓝光的金属线栅均以此类推。
我们姑且将这种金属线栅阵列称为彩色偏振分光片。可以将此结构设置在现在液晶显示结构中入光一侧的玻璃基板和ITO之间。同时取消滤色片和入光一侧的偏振片。由此一种新型液晶显示结构生成。现有液晶屏的每个子像素周围还有黑框及晶体管开关及电容等挡光部分，这部分的光也应该加以利用，可以将彩色偏振分光片上和挡光部分对应的区域不设计成线栅结构，而仅是单纯的反射型金属薄膜，只起反光功能。
表面看来彩色偏振分光片和彩色滤光片（滤色片）在功能上似乎也没多少区别，都提供颜色选择功能。其实不然，滤色片在透射某色光的同时吸收了另两色光。而彩色偏振分光片在透射某色光时反射另两色光，功能细节上是有差别的，此其一。其二，在液晶显示结构中的位置不同，滤色片在液晶的出光一侧，而彩色偏振分光片在液晶的入光一侧。有其一才有其二，正是因为彩色偏振分光片能够反光，即分光，它才被安放在液晶的入光一侧，目的是把暂时不需要的光分走，以备处理后再利用，以便提高光的利用效率。
被彩色偏振分光片反射的光分为两部分，一部分是偏振光，一部分是非偏振光。非偏振光的再利用比较简单，因为彩色偏振分光片中像素排列的密集性，非偏振光的利用只需要用背光装置反射回来，即可以在合适的某像素位置处出射。对偏振光的利用则需要偏振光转换装置才可以。常规的转换方式是用亚波长的玻片来实现，目前来说玻片的成本较高，很难普遍使用。这里我们推荐一种组合装置，即用金属线栅式偏振分光片（含彩色偏振分光片）和反光碗（含反光碗阵列）组合。这是一种高效且廉价的一种方式。具体实现过程是这样的：射向反光碗的偏振光会有机会被反光碗多次反射或者连续2次反射，当再射向偏振分光片时会变成部分偏振光。将此部分偏振光进行矢量分解，和线栅方向垂直的偏振光将通过线栅出射，和线栅方向平行的偏振光将被反射而再次进入偏振转换循环。经过若干次循环后，除去反射损失外，绝大部分的偏振光都可以透过偏振分光片而获得利用。利用效率较高。

对以上内容做个综述如下：
将一种彩色偏振分光片放置在液晶显示结构中液晶的入光一侧，并取消滤色片和入光一侧的偏振片。由此构成一种新型液晶屏。其中的彩色偏振分光片是由三种不同宽度和周期的金属线栅组合而成的像素阵列。此新型液晶屏可以将被滤色片吸收而浪费掉的另两色光反射从而有机会将其再利用。
此新型液晶屏的背光部分如果采用反光碗，那么二者将构成一种廉价且高效的偏振光转换装置。其核心是偏振分光片和反光碗的组合。偏振分光片可以是金属线栅也可以是塑料的反射型偏振片。此偏振光转换装置还可以用于汽车灯。

当上述含彩色偏振分光片的新型液晶屏结构用于图像显示时，似乎存在一点理论缺陷。某像素中被金属线栅反射走的光，当其被背光装置再反射回来时，一般不会通过原像素点，而是从其他像素点通过。如此从理论上来说，对于某一像素点，其中的三原色可能将不再均衡，即三原色合成后将有可能不是白光，而是和白光略有差异。不过，由于巨量的像素的密集性，以及匀光板的补偿，以及光路设计的优化，此差异将非常微小，乃至似乎可以忽略。

光线通过金属线栅后获得的偏振光比通过塑料偏振片获得的偏振光，其线偏振度更高，所成图像也将更锐利。
金属线栅可通过光蚀刻法一次成型在玻璃基板上。和ITO薄膜矩阵电极的制程很类似，因此也基本不需要改变现有液晶屏的制程。相较于滤色片的制作需要多次上色、烤制来说要简单的多，因此抛弃滤色片，在其对面设置彩色偏振分光片，并取消入光一侧的偏振片将使这种新型液晶屏成本更低。
在具体的工艺选择上，纳米压印技术是最好的选择，可以大面积一次成型，高效快速。但目前该项技术良品率还不高，量产化还有些问题需要克服。可以预见在不远的未来几年中将会逐步成熟。那么，目前就没有办法了吗？有。现在ITO制程中的曝光设备所使用的光波的波长比较长，加工精度只能达到微米级，达不到金属线栅所要求的100至几百纳米级别。但在微电子芯片加工制程中已经达到了10纳米数量级，其使用的也是掩模曝光蚀刻技术，和ITO制程的原理是一样的。我们可以借鉴芯片曝光工艺，将其移植到液晶面板金属线栅的制造中来。虽然芯片曝光工艺中单次曝光面积较小，但可以通过快速移动工件台或曝光头进行多次拼接曝光来解决。金属线栅内的线与线之间要求的精度很高，纳米量级的，但金属线栅之间（即像素与像素之间）的距离却是微米级的，这就为我们快速移动工件台或曝光头提供了可能。比如最普通的机床的工件台，其移动精度都可达到微米级的。曝光中用的掩模可通过激光直写获得。
借鉴芯片制程中的曝光技术来应用到液晶面板中金属线栅的大面积快速曝光，所需的设备只要定制即可。此中皆为成熟技术，只不过需要重新组合，应该说不会太难实现。而且投入也不大，但见效却会很快。相较于纳米压印未来的不确定性，这应该是个不错的选择。
苏州大学的纳米级紫外激光干涉光刻系统也可以借鉴上述思路进行设备定制以获得大面积快速曝光应用。
目前液晶生产线动辄几百亿的投资，所采用的技术却每每落后于日、韩和台湾。我们太需要革命性的技术了。本技术方案已经和多名面板厂的技术人员沟通过。目前均是卡在金属线栅的制作上，现在的液晶ITO制程做不了。这就需要有魄力的公司高层来推动此事，借鉴芯片曝光技术或苏州大学的技术来定制我们所需的大面积快速曝光设备，风险并不大，见效却很快，何乐而不为？！或许还会发现更好的办法亦未可知！

简单综述：上述新型液晶显示方式将比现有方式至少提高光效6倍以上，新型液晶屏制作成本更低，所成图像更锐利。

上述核心内容正在申请专利中（包括PCT申请）。因实用新型和发明专利同日申请，目前实用新型的申请已经获得了授权。

李冠军 13305131207

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