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液晶显示的竞争前景以及液晶材料的未来应用

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发表时间:2021-07-06 16:30作者:液晶显示15818588929来源:荣晖(深圳)科技有限公司

1 液晶显示的技术前景

1.1 液晶屏的优势

液晶屏整体表现比较均衡,其相对AMOLED的优势主要体现在亮度、寿命、均一性、分辨率和护眼上,准确的说是AMOLED在这四个方面表现较差使LCD具备相对优势。寿命是AMOLED**的短板,其使用的有机材料尤其蓝光材料寿命普遍较短,长时间使用会产生亮度衰减、色偏、烧屏等问题[1];AMOLED另一短板是低灰阶均一性差,主要是受制造工艺影响,OLED像素之间存在细微差异,而EL器件在低电流密度下对这种差异非常敏感导致发光不均匀[2],直观表现就是显示低灰阶图像比如显示灰色就会呈现非常不规则的线条、晕纹乃至沙粒效果。在实际应用中,AMOLED一般运行亮度低于LCD并采用了一些妥协的技术解决寿命和均一度问题,也同时带来了分辨率降低和频闪的负面效果。

液晶屏每个像素都包含独立的RGB三色子像素,也被称为Real RGB,可以完整无损地显示标称分辨率的图像。而AMOLED屏则普遍使用了SPR(Sub Pixel Rendering)子像素渲染技术,减少发光效率低的子像素尤其蓝色子像素数量,相邻像素以共享子像素的方式来显示图像。这样的好处是提高了像素寿命,提高了面板开口率和亮度,也降低了AMOLED的制造难度和成本[3]。因此使用SPR技术的AMOLED屏物理子像素存在缩水的情况,在实际清晰度上明显逊色于同样分辨率的液晶屏,主要表现为颗粒感重、字体发虚、图形过渡彩边等。图1对比了目前市场主流AMOLED屏和液晶屏的像素排列。可以看出市场上主流的三种AMOLED SPR技术,其红色和蓝色子像素相对

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液晶屏的Real RGB,均缩水了一半。也就是说同样标称分辨率的显示屏,AMOLED的红色子像素数和蓝色子像素数只有液晶屏的一半,红绿蓝三色子像素总数只有液晶屏的三分之二,AMOLED的实际物理分辨率只有标称的三分之二。

健康护眼方面,液晶屏同样也优于AMOLED。AMOLED为了解决低灰阶均一度问题普遍使用了PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术。常规AMOLED通过控制电流大小来控制灰阶,也就是DC(Direct Current)直流调光,这种调光方式在低电流密度时对像素灰阶控制的精准度和均一度都比较差。使用PWM调光,通过恒定电流而控制像素发光时间来控制灰阶,不仅可以大幅提高灰阶精准度和均一度,并且有助于提高AMOLED的发光效率和寿命。但在提升显示效果的同时,PWM调光技术也因为高频闪烁引起了用户对AMOLED屏损伤视力的担忧。目前尚无权威研究说明PWM对视力的影响程度,但网络上已经有相当多的用户声称使用AMOLED手机导致了视力下降。同时厂商也重视用户的反馈,大多数新上市的AMOLED手机都提供了DC开关,用户可以自主选择牺牲画质和寿命来使用DC调光模式。PWM调光与DC调光的区别见图2。27e4c35e-bb23-40e1-9e8b-bd9139cf6185.jpg


1.2 液晶屏的劣势

液晶屏采用TFT驱动液晶面板控制背光的透过来实现彩色显示,与主动发光的AMOLED相比,在对比度、色域、响应时间、轻薄、柔性这四个方面存在先天差距,不过随着量子点技术、叠屏技术、Mini-LED技术等一系列新技术的引入,液晶屏也逐渐在弥补自身短板。

1.2.1 对比度

液晶屏背光常亮,通过液晶调制来控制灰阶,因为液晶漏光的影响无法显示纯净的黑色,导致对比度偏低。而AMOLED等主动发光显示屏可以直接控制像素的亮灭,黑色非常纯净,对比度远远高于液晶屏。近年来提升对比度也是液晶屏技术升级的重点,目前已经有叠屏和Mini-LED两个方案进入产品应用阶段,这两个方案都能实现液晶背光的精准控制。叠屏技术如图3所示,是在LED背光与液晶面板之间增加一个调光屏,通过调光屏可以实现像素级的背光控制,这项技术由海信在高端电视U9上首发。25.jpg

1.2.2 色域

传统的液晶屏受荧光粉、彩膜等多方面的限制,色彩表现一直是短板。近年来通过开发高色纯度的色转换材料比如量子点材料,液晶屏在色域上已经可以达到甚至超过AMOLED的水平,量子点高色域技术已经在高端液晶电视中被广泛采用[4]。图4是一种典型的量子点背光结构,使用封装有量子点材料的薄膜替代LED中的荧光粉作为色转换材料,可以大幅提升液晶屏色域。

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1.2.3 响应时间

LCD画面刷新需要控制液晶偏转,响应时间一般为毫秒级;而AMOLED为主动发光显示,响应时间快的多,可以达到微秒级。但是在实际应用中的画面刷新率LCD与AMOLED并无显著差距,甚至有液晶屏已经可以实现360 Hz刷新率,而AMOLED目前最快的只有144 Hz。这是因为AMOLED像素虽然理论响应时间比LCD要快的多,但是现阶段AMO-LED的驱动技术并不能发挥出OLED快速响应的优势,同时LCD的极限响应时间已经可以满足人眼需求。追求过高的刷新率对于显示芯片和驱动芯片的能力、制造成本、功耗等方面都是负担,因此AMO-LED响应时间的优势在实际产品应用中并不显著。

1.3 液晶屏的前景

在关系画质的对比度和色域特性方面,高端液晶屏已有技术方案可以媲美AMOLED。但是受限于显示原理,在柔性和轻薄方面的物理形态上还存在难以弥补的差距。虽然已经有面板厂商在尝试制作柔性LCD,但是其制造难度和成本远超柔性AMOLED,很难取得市场成功。

整体而言AMOLED目前在性能上并未对LCD形成压倒性的优势,而成本则成为AMOLED和LCD之间竞争的关键因素。在中低端市场LCD市场地位稳固,而高端市场上使用Mini-LED背光和量子点薄膜的LCD也具备相当的成本优势。在未来很长一段时间,LCD仍将是最主流的显示技术。

2 液晶的应用潜力

人们常说的液晶一般指的都是液晶屏,然而真正的液晶远远不止应用于显示,液晶也在各行各业造福人类。液晶既具备晶体的各向异性又具备液体的流动性,这决定了液晶具备强可调制的电光特性,也就是可以通过电场的调制,让液晶实现干涉、散射、衍射、旋光、吸收的光学现象。因此选用合适的液晶材料可以通过电场实现对光线和电磁场的动态调制,这种特性决定了液晶具备非常广泛的应用场景。

2.1 调光玻璃

调光玻璃可以使玻璃在透明和不透明状态之间切换,也是目前液晶比较成熟的应用。最常见的调光玻璃使用聚合物分散液晶PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)来调光。聚合物分散液晶是液晶以微米量级的小微滴分散在有机固态聚合物基体内,由于由液晶分子构成的小微滴的光轴处于自由取向,其折射率与基体的折射率不匹配,当光通过基体时被微滴强烈散射而呈不透明的乳白状态或半透明状态[5]。如图5所示,液晶分子在不加电状态处于自由取向,因此光线通过时会被随机散射,从而呈现毛玻璃样的不透明态。当在加电状态时,液晶分子随电场取向一致,则呈现透明态。利用这种特性,可以制造调光玻璃自由控制玻璃在透明和不透明状态之间切换。

PDLC调光玻璃主要应用在商用办公场景。除了全局切换透明和不透明态,调光玻璃还可以通过电极图形化来定制图案,比如百叶窗形状或公司LOGO等。

与PDLC原理类似,聚合物网络液晶PNLC(Polymer Network Liquid Crystal)也可以制作调光玻璃,PNLC对光的调制性能比PDLC优异很多,驱动电压低、响应速度快,并且可实现多级调制,即不仅仅只有开和关两种状态,而是可以通过电压来调节透明度。这样的特性使PNLC有了更广泛的应用,比如应用于汽车玻璃。现在汽车玻璃巨头比如大陆、福耀等都在致力于这种智能玻璃的研发,宝马计划在2021年发布的i NEXT电动车预计会采用使用智能调光玻璃的全景天窗。

此外使用染料液晶的调光玻璃也在开发当中。染料液晶是将二向性染料掺入传统向列相液晶中,染料分子与液晶分子取向一致并可以随液晶分子偏转。因此通过电压调节液晶分子偏转时也同步调节染料分子偏转,这样就可以实现染料液晶层的透过率调节。具体原理如图6所示,未加电状态染料分子随液晶分子垂直取向,智能玻璃呈透明态。加电状态液晶分子受电场力作用平行于Glass基板呈螺旋状排列,二色性染料随液晶分子也呈螺旋排列,不同偏振方向入射光被所对应长轴方向的二色性染料吸收,呈现暗态;透过施加不同的电场可以获得不同的透明度。

京东方作为显示面板大厂对不同技术路径的调光玻璃均进行了研究并取得了很好的进展。2020年6月1日京东方与汽车玻璃龙头福耀玻璃签署了战略合作协议,在汽车调光玻璃和车窗显示等领域进行战略合作[6],汽车上普及调光玻璃的时代已经不远了。

2.2 液晶光栅

光栅具备干涉和衍射的特性,通过不同的设计可以实现色散、分束、偏振、相位调制等效果并早已在各行各业得到广泛应用。比如光谱仪使用光栅作为色散元件,激光器可以使用光栅作为选模调谐元件,光栅制作的光分束器则是大规模集成光路的核心元件,光通信中阵列波导光栅可用于波分复用系统中的光复用器,精密仪器中还广泛使用光栅传感器用于位移监测[7],光栅还可以制作偏振片、1/2波片、1/4波片、相位补偿片应用在显示、传感等领域。另外在裸眼3D显示中也使用光栅作为双目视障器件。

液晶光栅作为光栅的一种,在理论上也可以替代传统光栅应用于很多场景。虽然实际上液晶光栅在精细度和分光效果上还有差距,但液晶光栅具有可调制的优势。因此在需要可调光栅场景时,液晶光栅不可替代。以裸眼3D为例,使用普通光栅虽然也可以形成双眼视差产生3D效果,但是因为光栅固定,不能实现2D/3D切换的功能且观看者有视点限制。而使用可以调制的液晶光栅则不存在这些问题。如图7所示,当液晶光栅不加电时,处于透明态,显示2D图像;当对相应电极施加周期性的电场时,液晶分子呈周期性排布形成光栅效果,显示3D图像[8]。同时还可以结合眼球追踪技术追踪人眼的位置,自动调整液晶光栅电场,使3D视点随眼球自动调节。

其实裸眼3D只是液晶光栅最基础的应用,从广义上来说下文提到的液晶相控阵、液晶透镜等都是液晶光栅的应用分支,只不过其特性和应用具备独立性和代表性,因此将其单独分类出来。

2.3 液晶相控阵

说起相控阵,一般能想起相控阵雷达,比如大名鼎鼎的美国“宙斯盾”驱逐舰上装备的AN/SPY-1系列相控阵雷达。我国最新入役的055级驱逐舰也配备了不逊色于美国的相控阵雷达。

相控阵雷达如图8所示,利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面,每个天线单元都由独立的移相开关控制,通过控制各天线单元发射的相位,就能合成不同方向波束。相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的笨重、可靠性差等问题,并且相控阵的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子对抗能力等都远优于传统雷达。

液晶相控阵的核心是液晶移相器阵列,这是一种光学移相器,相较常见的电子移相器件体积小、重量轻、功耗低,且更易形成驱动阵列,尤其适合低功率高集成度小型化的微波或光学相控阵雷达。液晶移相的原理如图9所示,电磁波信号耦合输入移相单元后沿微带线传输并被束缚在液晶层中,通过电压调节液晶偏转改变液晶的介电常数使电磁波的相速度发生变化,进而改变其中电磁波的相位,然后通过耦合缝隙和天线贴片向外发射。通过可编程的液晶移相器阵列可灵活调节发射电磁波的波束方向。

2.4 液晶透镜

介绍液晶透镜,首先需要介绍一下菲涅尔透镜。常规的透镜不论凸透镜还是凹透镜都是球面镜,度数越高球差越高,镜片也就越厚。菲涅尔透镜则提供了一种轻薄透镜的实现方式,菲涅尔透镜可以看作是透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。如图10所示,从剖面看,其表面由一系列锯齿型凹槽组成,中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽与相邻凹槽之间角度都不同,但都将光线集中一处,形成中心焦点,也就是透镜的焦点。

液晶透镜则是通过控制透明的环形电极控制液晶的偏转,通过对不同的电极施加不同的电压形成不同的液晶偏转,并产生环形的折射率阶梯分布,形成等效的菲涅尔透镜。如下图11所示,控制电极越精细形成的折射率台阶阶数越多,等效的菲涅尔透镜效果就更理想,光效也越高。

事实上再精细的液晶菲涅尔透镜,其光学效果也无法媲美物理菲涅尔透镜。但是因为液晶的可调制性,使液晶菲涅尔透镜具备变焦这一单一物理透镜无法实现的效果,因此具备非常巨大的应用潜力。比如使用液晶透镜制作近视眼镜,可以根据佩戴者的近视程度自动调节度数而不需要更换眼镜;或者应用在VR虚拟现实设备中,单透镜就可以取代体积庞大的物理变焦光学系统,自动适配不同近视程度的用户,缩小VR设备的体积和重量;也可以应用在手机中,现有的手机镜头受限于体积无法安装光学变焦系统,只能通过安装不同焦距的多个摄像头矩阵并通过算法来实现混合变焦,而使用液晶透镜则可以在有限体积内实现单镜头的光学变焦。

3 总结

虽然新兴显示技术层出不穷,但受限于技术成熟度和成本,液晶显示技术在未来很长一段时间仍将保持主流显示技术地位,尤其在中大尺寸显示产品中。除此之外,液晶因为优秀的可调制光电特性在非显示领域同样具备广阔的应用前景,尤其在光纤通信、相控阵天线等前沿科技领域应用前景和应用价值巨大。可以预见,虽然在显示上液晶面临新兴技术的竞争,但液晶材料作为一种优异的光电材料将会在国民生活和科技发展中发挥越来越重要的作用。




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