全球稀土金屬市場目前幾乎都由中國壟斷,加上不斷增加的價格以及供應量受限,促使日本研究人員積極尋找可控制液晶顯示器(LCD)的其他替代方式。一支由東京工業大學(Tokyo Tech)、京都同志社大學(Doshisha University)與東工大精密工學研究所(Precision and Intelligence Laboratory)的研究人員聯手組成的研究小組改用基於聲場的定向超音波來控制液晶,取代以稀有氧化銦錫(ITO)製作電場控制LCD畫素的方式。

在最新一期的《應用物理快報》(Applied Physics Letters)期刊中,研究人員發表了這項主題為「利用超音波振動控制液晶分子取向」(Control of liquid crystal molecular orientation using ultrasound vibration)的論文,文中強調透過將電場切換為聲場即可控制畫素,而無需移動元件,也不必再使用稀土金屬——銦。

「我們提出了一種利用超音波控制向列式液晶向的技術,並探索這些定向樣本的光學特性,」研究人員在文中指出,「我們製造出厚度約5至25微米的超音波液晶單元,以及2個超音波鋯酸鈦酸鉛換能器。」

![20160401 LCD NT01P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/2VVSsGcBgkkwOiW8ey42Ye/f021fad4cf0e23af5565324a1dd93f6b/20160401_LCD_NT01P1.jpg)研究人員透過超音波液晶單元原型顯示,聲場就像電場或磁場一樣易於控制LCD光源
(來源:Tokyo Tech & Doshisha University)

超音波換能器利用了液晶單元的「撓曲振動模式」。由於聲學輻射迫使液晶層變換分子取向,從而改變了光傳輸能力的特性。研究人員調整超音波驅動的頻率和電壓,以改變液晶分子的空間分佈,從而控制所發射的光強度分佈。使用該機制在於以超音波改變液晶厚度。

「為此,我們提出一種利用超音波振動控制液晶分子取向的技術,」研究人員指出,「利用聲場取代電場或磁場,就不需要使用ITO電極了。」

事實上,液晶是一種介於液體和固體之間的狀態,因延長各向異性(在x、y和/或z平面分別具有不同屬性)而組成。液晶通常是由電場或磁場控制,在每一畫素單元位置製作耦極。最常見的類型使用ITO薄膜濺鍍於限制液晶的玻璃板頂層,但這種方式不僅昂貴、耗時,而且由於光源必須傳輸穿過ITO而使光源衰減。

另一方面,超音波則無損於光傳輸,而且能以類似人眼晶體的方式簡單地聚焦透鏡變形而進行控制。根據研究人員表示,其結果是聲波可被調整成諧振模式,使得玻璃基板得以改變受限液晶的分子取向及其光傳輸強度。

![20160401 LCD NT01P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/5OF3sGKRR6agmwMQaM0qam/2e7117484cb8f5d61e1f6ed7c10fb0ed/20160401_LCD_NT01P2.jpg)藉由改變該原型的5微米厚度(黑色)至10微米(紅色)與25微米(藍色),可透過聲學調整液晶層的光傳輸強度分佈
(來源:Tokyo Tech & Doshisha University)

超音波液晶單元使用聚醯胺定向薄膜包覆於2個玻璃板夾層(120與 50- by-5-by-0.7)外部,2玻璃板之間並以5、10或25微米環氧樹脂邊緣微滴作為間隔層。利用超音波壓電鋯酸鈦酸鉛(PZT)換能器,從玻璃板之間液晶夾層的相對邊緣偏振厚度方向。PZT換能器在整個玻璃上產生連續的正弦駐波,導致可定向液晶的振動。

研究人員發現還有許多不同的諧振頻率能影響聲學激發的LCD,大部份都介於59~189 kHz之間;由於聲學訊號直接影響液晶層厚度,從而導致基板的可撓曲振動與光傳輸的改變化。研究人員表示,透過玻璃基板的超音波撓曲振動,可望控制向列式液晶分子的取向,從而精確地控制液晶厚度與光傳輸的強度。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Ultrasonic LCDs Sans ITO,by R. Colin Johnson)