全球稀土金屬市場(chǎng)目前幾乎都由中國(guó)壟斷，加上不斷增加的價(jià)格以及供應(yīng)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(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)、京都同志社大學(xué)(Doshisha University)與東工大精密工學(xué)研究所(Precision and Intelligence Laboratory)的研究人員聯(lián)手組成的研究小組改用基于聲場(chǎng)的定向超音波來(lái)控制液晶，取代以稀有氧化銦錫(ITO)制作電場(chǎng)控制LCD畫(huà)素的方式。

在最新一期的《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters)期刊中，研究人員發(fā)表了這項(xiàng)主題為“利用超音波振動(dòng)控制液晶分子取向”(Control of liquid crystal molecular orientation using ultrasound vibration)的論文，文中強(qiáng)調(diào)透過(guò)將電場(chǎng)切換為聲場(chǎng)即可控制畫(huà)素，而無(wú)需移動(dòng)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(shù)，并探索這些定向樣本的光學(xué)特性，”研究人員在文中指出，“我們制造出厚度約5至25微米的超音波液晶單元，以及2個(gè)超音波鋯酸鈦酸鉛換能器。”

研究人員透過(guò)超音波液晶單元原型顯示，聲場(chǎng)就像電場(chǎng)或磁場(chǎng)一樣易于控制LCD光源

超音波換能器利用了液晶單元的“撓曲振動(dòng)模式”。由于聲學(xué)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(diào)整超音波驅(qū)動(dòng)的頻率和電壓，以改變液晶分子的空間分布，從而控制所發(fā)射的光強(qiáng)度分布。使用該機(jī)制在于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(dòng)控制液晶分子取向的技術(shù)，”研究人員指出，“利用聲場(chǎng)取代電場(chǎng)或磁場(chǎng)，就不需要使用ITO電極了。”

事實(shí)上，液晶是一種介于液體和固體之間的狀態(tài)，因延長(zhǎng)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(chǎng)或磁場(chǎng)控制，在每一畫(huà)素單元位置制作耦極。最常見(jiàn)的類型使用ITO薄膜濺鍍于限制液晶的玻璃板頂層，但這種方式不僅昂貴、耗時(shí)，而且由于光源必須傳輸穿過(guò)ITO而使光源衰減。

另一方面，超音波則無(wú)損于光傳輸，而且能以類似人眼晶體的方式簡(jiǎn)單地聚焦透鏡變形而進(jìn)行控制。根據(jù)研究人員表示，其結(jié)果是聲波可被調(diào)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(qiáng)度。

藉由改變?cè)撛偷?微米厚度(黑色)至10微米(紅色)與25微米(藍(lán)色)，可透過(guò)聲學(xué)調(diào)整液晶層的光傳輸強(qiáng)度分布

超音波液晶單元使用聚醯胺定向薄膜包覆于2個(gè)玻璃板夾層(120與 50- by-5-by-0.7)外部，2玻璃板之間并以5、10或25微米環(huán)氧樹(shù)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(duì)邊緣偏振厚度方向。PZT換能器在整個(gè)玻璃上產(chǎn)生連續(xù)的正弦駐波，導(dǎo)致可定向液晶的振動(dòng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)還有許多不同的諧振頻率能影響聲學(xué)激發(fā)的LCD，大部份都介于59～189 kHz之間;由于聲學(xué)訊號(hào)直接影響液晶層厚度，從而導(dǎo)致基板的可撓曲振動(dòng)與光傳輸?shù)母淖兓Ｑ芯咳藛T表示，透過(guò)玻璃基板的超音波撓曲振動(dòng)，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?shù)膹?qiáng)度。