因为众所周知的几个原因,在显示器上实现双稳态(图像保持能力)仍然是一个很有吸引力的特性。在80至90年代,它被视为一种不需要有源矩阵背板就能实现高显示行数的方法。最近,双稳态显示在许多图像更新不频繁、电池寿命很重要的应用中得到了广泛应用。

为了实现这种操作,人们研究了多种方法,包括双稳态液晶(向列相、胆甾相、近晶A相和铁电相)、电泳、电润湿、电致变色和相变显示。只有唯数不多的几个这样的例子曾经“跨越鸿沟”,并成功地进入大规模生产。一个例子是ZBD-LCD技术——发明于20世纪90年代,广泛应用于电子货架标签。

ZBD-LCD技术在无源矩阵显示器中使用标准向列相液晶材料。然而,驱动面板的一个表面不再是使用摩擦定向聚酰亚胺层,而是一个微观衍射光栅,该光栅与液晶材料中的长程有序性相互作用,允许在没有任何保持电压的情况下获得两种不同的光学状态。

对光栅表面进行处理,以迫使液晶垂直于局部表面方向(顺势排列)。这会在凹槽内和凹槽附近的液晶层中产生弯曲和倾斜扭转。基于最佳的光栅振幅与光栅间距之比,在表面附近有两种不同的向列相液晶结构,它们具有相同的扭转能量。关键的是,这两种结构在光栅上方的向列相液晶中产生两种截然不同的预倾排列。

总之,具有最佳尺寸和化学性质的微观表面光栅为相邻的向列相液晶提供两个稳定的预倾角(通常为90°和5°)。当然,这还不足以创建双稳态显示,因为我们仍然需要一种方法在两种状态之间切换。光栅引起的向列相扭转再一次提供了答案。

挠曲电性是向列相液晶材料的一个很少使用的特性,它产生于液晶分子本身的微观形状,并在液晶分子受到弯曲或张开变形时导致液晶内部的宏观极化。

对于高倾斜状态,净偏振朝向光栅表面,对于低倾斜状态,净偏振远离光栅表面。因此,可以通过选择所施加电脉冲的极性(以类似于铁电液晶的闭锁方式)来在状态之间进行选择。

由于两个光栅状态之间存在明显的能量屏障,因此存在一个定义明确的电压阈值(对于任何给定的脉冲长度),在该阈值之上,状态之间将发生切换,而在该阈值之下,系统将简单地返回其启动状态。为了允许被动矩阵寻址,需要双稳态和阈值。这与电泳法不同,例如,电泳法缺乏明确的阈值,因此需要一个电阈值元件(TFT背板)。

虽然标准的无源矩阵STN显示器难以处理超过256行,但ZBD LCD的阈值特性允许寻址数千行被动显示矩阵。事实上,显示复杂度的实际上限受到电极电阻率和驱动器成本的限制,而不是显示技术本身。

制造ZBD液晶显示器的最大挑战是实现一种成本效益高的方法,将高分辨率衍射光栅图形化到液晶显示器的母板玻璃上。直接光刻法证明太慢,太贵。因此,建立了一种复制工艺,将高成本的光刻胶主光栅复制到镍(类似于CD/DVD镍压模)中,然后将镍图案复制到薄膜(类似于全息图制作)中,该薄膜便宜到可以用作最终紫外固化复制步骤的常规耗材以将光栅制作到液晶显示母板玻璃表面。复制进程速度与STN生产线上的其它制程速度相似。

在光栅复制步骤之后,该母玻璃与常规摩擦定向聚合物表面的另一片玻璃面对面贴合组成液晶空盒。此步骤之后所有下游制程使用与STN通用的设备和材料。在最常见的ZBD-LCD结构中,光栅被放置在摩擦定向面的对面,使得低倾斜光栅状态导致90°TN排列,而高倾斜状态导致HAN(混合向列相)排列。通常,前后偏光片的排列使TN状态为白色,而HAN状态为黑色。与连续寻址TN显示器不同,ZBD液晶显示器中的双稳态TN态在整个单元中具有非常低的倾斜角,因此具有更宽的视角。

传统上,反射型液晶显示器会受到“金属状”反射的影响,这意味着它们只有在显示器朝向用户和光源的镜面反射条件时才会显示出高反射率。近年来,新的光成形扩散膜已经被开发出来,它已与ZBD LCD配置结合使用,以达到与电泳显示类似的真正纸质反射效果。

ZBD-LCD技术的最新进展还将工作温度范围极大提升,操作温度范围达到-10°C至+90°C。图像在显示器上的保持温度范围扩展到了-40°C至+110°C。此外,这些显示器可以满足车载应用测试规格(例如,在85°C 500小时)。这些综合特性使得该显示技术可以满足各种各样的便携式、户外应用,以及一些其它显示技术无法满足的严酷应用环境。

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