新型柔性液晶显示屏：轻薄、柔性、便宜！

导读

近日，东华大学与香港科技大学的光电子工程师们制造出一种纸张般的液晶显示屏（LCD），它不仅轻薄，而且具有柔性和韧性。

背景

液晶显示屏（ Liquid Crystal Display ），也称LCD，是一种常用于电视机、计算机、智能手机等消费电子产品的屏幕显示设备。

下图所示：卡西欧电子表上液晶显示屏。

（图片来源：维基百科）

说起液晶显示屏，我们首先应该了解一下液晶是什么？液晶是在1888年，由奥地利植物学家莱尼茨尔（Reinitzer）发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，这样就会在电源开关下产生明暗差别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

液晶显示屏的构造是在两片平行的玻璃基板之间放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否，从而达到显示的目的。

如今，电子产品的发展呈现出小型化、轻薄化、柔性化、低成本的趋势（笔者介绍过许多体现这一趋势的创新研究案例）。液晶显示屏也不例外，16年年底时，笔者曾介绍过日本东北大学开发的超级柔性液晶显示屏。这种柔性液晶显示屏具有大面积、高分辨率、高稳定性等优点，可以应用于移动信息终端、可穿戴设备和大型电子标牌等场景中。

（图片来源：日本东北大学）

创新

今天要介绍的液晶显示屏的创新研究成果，又一次体现了小型化、轻薄化、柔性化、低成本的创新趋势。

近日，东华大学与香港科技大学的光电子工程师们制造出一种纸张般的液晶显示屏（LCD），它不仅轻薄，而且具有柔性和韧性。有了这项技术，日报的内容可上传到柔性显示器上，如同新闻直播一样快速更新。听上去，这有点像从未来“穿越回来”的东西。但是科学家们评估认为，它的生产成本较低，一个5英寸的屏幕只需花费5美元。

（图片来源：Zhang et al）

这种光学可重写的新型LCD设计，在这周发表于美国物理联合会出版的《应用物理快报（Applied Physics Letters）》。

技术

为了实现高度柔性的设计，团队主要有两项关键创新值得我们关注。

第一，他们最近开发出光学可重写的LCD。这种显示器与传统LCD一样，也是三明治结构，两块基板之间充满了液晶。但是，传统液晶显示屏通过板上的电气连接创造出电场，对于单个像素点的明暗变化进行开关控制。可是，这种光学可重写的LCD，通过特殊的分子涂覆基板，在偏振光作用下，这些分子会重新排列，对像素点进行开关控制。如此一来，就省去了传统的电极，从而减小了结构的体积，并使得基板的厚度和种类有了更多选择。因此，光学可重写LCD比传统LCD更薄，厚度不到一毫米，可通过柔性塑料制成，重量只有几克。来自东华大学的论文合著者 Jiatong Sun 表示：“它仅仅比纸厚一点点。”

（图片来源：参考资料【2】）

由于其结构简单，光学可重写的LCD经久耐用，制造成本低廉。更进一步说，如同电子书中的电子纸张屏幕一样，能量只用于切换显示图像和文字。一旦图像写到屏幕上，新型LCD无需花费能量维持图像，因此运行成本很低。

第二，就是分隔塑料基板或者玻璃基板所用的衬垫料。Sun 表示：“我们将衬垫料放在玻璃层之间，以保持液晶层的均匀性。” 所有的LCD 都使用了衬垫料来决定液晶的厚度。为了实现良好的对比度、响应时间、观看角度，一个恒定的厚度是必需的。然而，当板材弯曲时，它会迫使液晶远离撞击部位，在屏幕上留下空白。所以，衬垫料的设计变化，对于防止柔性LCD中液晶过度移动来说非常关键。这种柔性设计的开发，将突破先前证实的颇具挑战性的屏障。

研究人员尝试了三种不同的衬垫料设计，发现网状衬垫料能够在LCD受到弯曲和撞击时，防止液晶流动。这一创新让他们设计出了首个柔性光学可重写LCD。

此外，还有一项创新就是改善了显色性。科学家们报告称，在这项研究之前，光学可重写的LCD只能同时显示两种颜色。现在，他们的光学可重写LCD可同时显示三种原色。他们在LCD后面放置一种特殊的液晶，反射出红色、蓝色、绿色。

价值

这项研究颇具创新性，使得传统液晶显示屏的设计走向了柔性化、轻薄化、低成本，从而可以带来更好的用户体验以及更多的应用场景。

未来

为了使之成为一种商用产品，Sun 想要进一步提升柔性光学可重写LCD的分辨率。Sun 表示：“现在我们拥有三种颜色，但是为了实现全色彩，我们需要让像素足够小以至于人眼无法分辨。”