摘要:早期的标准扭曲向列相分段显示LCD电子货架价签卡只能更新价格。控制信息显示量,可以在持续使用中极大地降低电池驱动显示屏的能耗,这满足了一部分零售商对低能耗的需求。而双稳态被动矩阵显示屏不仅可以为零售商提供更多的信息,电池还可以使用数年。文章讨论了双稳态LCD和RF整合的技术,旨在为零售商提供更强的功能性和便利性。
关键词:电子货架价签;双稳态LCD;射频;超低功耗
中图分类号:TN141.9 文献标识码:B
Approaching the “Zenith”: Bistable LCDs in a Retail Environment
Cliff Jones
(ZBD Displays, Ltd., U.K)
Abstract:Previous electronic shelf-edge labels based on standard twisted-nematic segmented LCDs have allowed updates of price only. Limiting the information shown meant ultra-low-power requirements for the battery-operated displays in constant use, which in turn supported the need for low cost on the part of retailers. Bistable passive-matrix displays allow retailers to supply more information while also enabling battery options that last for years. This article discusses a bistable LCD and RF protocol designed to provide both functionality and ease of use for retailers.
Keywords:ESL(electronic shelf-edge labels); bistable LCD; RF; ultra-low power
引 言
零售业未实现自动化前一直使用价签卡,价签卡是实现自动化前留下来的少数手段之一。纸质价签在零售业中已使用了数百年,但其灵活性较差,而且会产生不必要的运作成本。于是许多零售商开始采用新的方式,即可以自动更新产品信息、价格和促销内容,这套系统直接与库房以及零售点的计算机系统联网,可以在几秒钟内对市场变化作出反应。现有的电子货架价签(electronic shelf-edge labels,ESL)只能解决部分问题,一般只能显示价格。尽管是电子产品,但这些价签仍然需要在每个ESL旁增加传统的纸质价签,以提供必要的产品信息。理想的是采用矩阵显示屏——不仅要满足成本核算价格,还要符合信息显示的需要,即信息每周显示7天,每天显示24小时。然而,如何在显示屏上展示所需的全部信息呢?答案是使用双稳态显示屏。
使用过双稳态显示技术的零售部门都已经认识到双稳态ESL的巨大潜力。反射式双稳态LCD技术特别适合于此项应用,这不仅是因为其具备超低功耗的特点,还因为它可以作为被动矩阵进行寻址。由于它不使用TFT背板,因而有助于满足成本需求。图1所示为双稳态胆甾型显示屏(肯特显示公司[1]开发)、弱锚定双稳态向列相显示屏(Nemoptic[2]的Binem模式)以及ZBD[3]公司光栅取向显示屏的实例。
目前,ZBD公司正在开发一种新的显示技术,将它与超低能耗射频(RF)产品以及适合的软件相结合,组成一个综合系统。本文的重点就是介绍这种双稳态LCD与射频的组合。
1 光栅取向双稳态液晶显示屏
ZBD的首要目标是在向列相器件中采用光栅取向诱导产生双稳态,它采用双光栅产生两个正交的液晶取向方向,两个方向都位于液晶盒平面内部。虽然制备了双稳态显示屏,但还存在一个根本问题,即以常规方式将外表面电场施加于LCD内表面,两种面内双稳态产生的开关扭矩(switching torque)太小。这意味着不同稳态间的闩锁电压非常高(大于60V)。Bryan-Brown、Brown和Jones[4]在1995年有了突破性进展,他们认识到,在zenithal双稳态显示中,双稳取向不是处于低预倾角(平行于液晶盒)状态就是处于高预倾角(平行于外加电场)状态,可以在足够低的电压下,很容易地使用STN驱动器进行驱动。在器件中,这种zenithal双稳态的表面是由一种材料制备的深层单光栅(deep mono grating)构成,这种材料使与之接触的液晶分子垂直于光栅表面(垂面取向)。
可以简单地进行示意,液晶取向方向与深层光栅表面紧密相关,zenithal双稳态是这样产生的:位于沟槽顶部和底部的光栅倾向于诱导产生垂面取向,而表面的侧壁倾向于诱导产生沿面取向,实际上,两种状态可以通过向列相缺陷的差别来区分。在其中一种状态中,向列相指向矢沿光栅产生连续弹性形变(C-态),而在其它状态(D-态),位于沟槽顶部和底部的形变缺陷(即位错:disclination)使得这种弹性形变减少。在强度适当的电压脉冲的作用下,两种状态间发生闩锁,在光栅上施加负电压锁定C-态,而正电压锁定D-态。向列相液晶材料发生展曲或弯曲形变而产生flexo偶极矩,从而产生闭锁力矩。通常情况下,这种偶极矩非常小,对传统LCD的行为无关紧要。然而,在ZBD中,靠近光栅的形变很强,并位于沟槽顶部和底部,正是在这些区域中需要这些形变成核并消除向列相缺陷。这意味着,电场低至1.6V/μm时就可以诱导产生闩锁(即5μm盒厚的显示屏需要8V)。
2 实现低成本目标
从表面上看,在LCD内表面整合光栅结构是一个复杂、异乎寻常、昂贵的过程。光栅间距可能在0.6～1.5μm之间,深距比(depth-to-pitch ratio)在0.8～1.2 之间。沟槽底部和ITO电极间任何不必要的光刻胶都会引起光栅偏移,使液晶盒产生压降,这可能增加不同液晶盒之间工作电压的偏差。
实际上,从LCD制造业的角度来看,光栅制造是一个简单的步骤,类似于它所取代的摩擦工艺,制造简便是这种技术的优点之一。ZBD及其合作伙伴制作了一张PET载体膜,载体膜的一面有所需光栅的反转图形,然后使用载体膜在光致聚合物上制备光栅,如图2所示。
光致聚合物的组成被设计为使液晶分子产生垂面取向。压花机仅仅由两个橡胶涂覆的滚筒组成,玻璃和薄膜从两滚筒之间通过。然后基板进行365nm紫外曝光、光致聚合物环化、移除薄膜,并在LCD板上留下完美的复制光栅。光栅高度保真,工艺条件范围广,只要保证膜压压力和滚筒的肖氏硬度足够高,就可以实现零偏移。
工艺比较复杂的部分是薄膜的原始生产,开始要认真控制掌握单个光栅的结构,随后,这个光栅结构要复制数十万次。很多方法都可以用来制造原始主光栅,包括接触光刻法、投影光刻法、激光扫描法和钻石切割法。每个主光栅都必须是完美的,光学特性均匀,可以检查缺陷,虽然进行大量复制,但并不影响最终的光栅成本。主光栅一旦完成,使用CD/DVD产业中的标准电铸工艺复制到镍上,即使在制造过程中主光栅被毁坏了,但第一次镍副本可以复制数十次。最后一步是采用光学薄膜行业中通用的连续式滚印法(roll-to-roll embossing method)把镍副本上的光栅形状模压到薄膜上,随后LCD制造商使用这个薄膜把光栅取向层模压到LCD的一个玻璃基板上。
光栅一旦完成,玻璃基板即可以用于制备标准的扭曲向列相液晶显示屏(twisted-nematic LCD,TNLCD),光栅基板与磨擦聚酰亚胺基板的间距为5μm,呈90°扭曲结构,光栅为低预倾角D-态。当光栅锁定在垂直的C-态时(由此形成杂化取向或HAN态),为非扭曲杂化取向态,如图3所示。
该显示屏使用标准的偏振片、液晶材料和超扭曲向列相(supertwisted-nematic,STN)液晶驱动器。通过适当调整偏振片方向,它可以以常白(normally white,NW)或常黑(normally black,NB)TN模式工作。实际上,作为LCD的另一个优点是,它可以直接使用LCD通用组件,例如彩色滤色板、反射偏振片、内反射器以及其它光学元件。
很多影响因素都有助于ZBD生产低成本显示屏。当然,对于逐行被动矩阵寻址的双稳态显示屏,理想的是具有精确的阈值电压。简单的压花工艺不需要什么资本投入,放置于标准TN或STN生产线旁边。与STN产品相比,它的成本更低,因为它可以使用不打磨的 TN 玻璃和更便宜的液晶材料。它不使用STN LCD面板所需的光学补偿片,光栅薄膜与光学补偿片的费用相近,二者相互抵消了。
3 实现最佳器件性能
除了成本之外,ZBD设备的外观设计要吸引零售商。而高反射率、对比度和视角是产品设计的固有特性。与传统的TN显示不同,不施加电场时,ZBD设备显示的光学特性更好。NW TN模式预倾角小,具有高反射率和大视角;HAN模式则为非扭曲模式,暗态更出色。
同样重要的是,ESL需具有显示与纸质价签相同内容的能力。因此ZBD显示屏通常为110dpi,以保证最小文字的清晰,对条形码阅读器有良好的反应。
出于竞争考虑,整个连锁超市均使用全彩显示屏就太昂贵了。其实零售商只需要有限的几种颜色即可,例如在宣传活动期间用于突出标识,只要在偏振片下的玻璃上印刷一小块彩色区域就可以了,这很容易做到,如图4所示。
由于ZBD器件的对比度高(通常超过20:1),显示的彩色区域可以制成纯黑的——区分促销品和标准产品的基本特征。图5所示为另一种显示模式,接近于纸张白。
在零售行业的应用中,有些技术并不是重点。如显示屏的工作温度规定在-20～+60℃之间,但是零售产品的实际工作温度范围在-5～+45℃之间。同样,目前显示屏更新页面通常需要0.5秒,这主要是受最高30V工作电压的限制。如果使用40V驱动器,则可以实现更宽的温度范围和100毫秒/页的刷新速度。
4 优化电池寿命
设备厂商的初始目标是开发出5年以上的电池寿命,显而易见,这种超低功耗双稳态显示屏可以实现这个目标。显示屏每天可能只需要更新2～3次,对于4in的QVGA ZBD显示屏,每次更新所需的电流不到30mA(包括显示屏和电子驱动器),对于普通电池,这意味着能提供20多万次更新,如果每天更新50次,其寿命也将超过10年(虽然这很可能已经超过普通电池的保质期了)。相比之下,同样大小的STN LCD面板的耗电量约为20mA,这与ZBD显示屏的电流相当,因为二者使用类似的液晶材料、盒厚和工作电压。然而STN LCD面板必须持续供电,因此使用同样规格的电池,STN LCD面板只能工作25小时。当然,其通信系统实际上也会消耗较多的电池电量。
即使显示屏大部分时间没有供电,通信系统仍然需要定期唤醒,以检查是否有必要的更新。此外为了保证可靠性,客户需要双向系统:每个价签必须对所有更新事件进行回复。射频(RF)通信系统不仅能提供简单的基础设施,还能提供矩阵信息所需的带宽。相对于其它选择,它使用免执照ISM频段(868～915MHz),这使ZBD可以实现超低功耗方案。每次唤醒还包括一个同步信号,以保证维持连续唤醒之间的计时——通过最小化实时时钟电路的精确需求,有助于保持价签能耗最低。带宽为25kbps,但时分复用有助于确保最大限度地提高带宽效率。每个价签都有自己的编号(ID),并进行编码以确保安全。多通道(在868MHz有10个频道,在915MHz有60个频道)可以满足重叠网络或多路通讯器的需求。每一次唤醒,所有的处理(射频接收、记忆图像写入、确认的传送)需要消耗约40mA。当唤醒频率在6～10秒之间时,待机与同步电流每天最多消耗0.1mAh。因此,当使用两节纽扣电池、每天更新5次时,每个价签很容易实现电池目标寿命5年以上。
整个系统最大的好处是安装简便,这是相对于传统ESL系统而言的,因为传统ESL系统的无线终端需要许多路由器。对于一个大型超市,这很昂贵并具有破坏性,较小的零售商会对这种系统望而却步。该ZBD系统的操作使用单一射频发射器,它可以与商店内100m开外的所有价签进行可靠的通讯,并可与现有销售点的基础设施直接连接,例如,使用USB连接可在几分钟内完成安装,这有助于保证价签的总体成本非常低。
5 结 论
简单双稳态显示技术与超低功耗RF产品相结合的技术在零售市场已经得到证明,无论小型还是大型店铺的客户需求都能得到满足。而且,单个元件或二者的组合并不仅仅局限于零售界应用,预计未来几年内在其它行业的应用也会得到快速增长。
参考文献
[1] D. K. Yang, J. L. West, L. C. Chien, J. W. Doane. J. Appl. Phys. 76, 20(1994). Kent Displays, Inc, /products/products.html.
[2] I. Dozov, M. Nobili, G. Durand. Appl. Phys. Lett. 70, 1179(1997). Nemoptic, /index.php.
[3] J. C. Jones. J. Soc. Info. Display 16/1, 143-154(2008).
[4] G. P. Bryan-Brown, C. V. Brown, J. C. Jones. U.S. Patent 6, 249, 332(1995).
作者简介:Cliff Jones,英国人,ZBD显示器公司创始人兼首席技术官,E-mail:jcjones@zbd.co.uk。
(北京科技大学 石琳
译自《Information Display》 03/09)