（测试计量技术及仪器专业论文）多色低功耗反射式lcd的研制.pdf

摘要 反射式胆甾相液晶显示器件具有功耗小、图像保存时问长、重量轻、便于 携带等特性，是理想的电子纸显示装置，具有较为广泛的应用领域，而国内在 相关领域的研究相对滞后，仅处于单色显示的实现阶段。本文主要对胆淄相液 品显示器件的制作工艺以及实现液晶屏的多色显示途径加以研究。通过改变相 应的表面处理工艺参数，制备了一系列胆 相液晶显示器件，介绍分析了液晶 屏制备中各j _ 【= 艺对器件性能质量的影响i 并着重讨论了表面摩擦处理对胆甾相 液晶光电特性的影响这关键问题，通过对样屏的驱动测试以及在显微镜下对 液晶表面微观结构的观察分析，我们发现，经过相应表面处理后，液晶分子在 p 念时排列构成的明显的多畴结构以及多畴结构在f c 态时有较大的弛豫程度， 是胆筠相液晶器件具有较高对比度的根本原因。在实现单色屏较高对比度和灰 度昆示的基础上，通过点粘单色液晶屏验证了双屏叠加实现多色的可能性，并 给出了初步的实验结果。 关键词：反射式胆简相液晶表面处理多色 a b s t r a c t 。l h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e f l e c t i v ec h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( c h l c d ) a r el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s a v ei m a g e sf o ral o n gt i m e ，l i g h tw e i g h t ，p o r t a b i l i t y a n ds oo n i ti st h ei d e a le l e c t r o n i cp a p e rd i s p l a yd e v i c e ，a n di th a saw i d e a p p l i c a t i o nr a n g e i t sr e s e a r c hp r o g r e s so fo u rc o u n t r yi sb e h i n do t h e r s ，w ec a no n l y r e a l i z e s i n g l ec o l o ri n c h i n a t h i st h e s i s p r i m a r yf o c u so nt h er e s e a r c ho f e x p e r i m e n t sa n dt e c h n o l o g yo fc h - l c d ，a n ds oa sh o wt or e a l i z et h em u l t i p l e c o l o r so fi t as e r i e so fd i s p l a y sw a sm a d ei no u rl a b e f f e c t so fd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s t oc h l c d sp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h ee f f e c tof d i f f e r e n tr u b b i n gs t r e n g t h so na l i g n m e n tl a y e r st oc o n t r a s tr a t i o b yd r i v i n gt h e d i s p l a y sa n do b s e r v e du n d e rt h em i c r o s c o p e ，w ef o u n dt h a tt h ec o n t r a s tr a t i oo ft h e d i s p l a yi n c r e a s e df i r s ta n dt h e nr e d u c e dt oac o n s t a n tw i t ht h er u b b i n gs t r e n g t h e n h a n c e d ，a n dt h er e a s o ni st h a tw h e nt h el cm o l e c u l e sa r ei np l a n a rt e x t u r e 。t h e y a r r a n g e da n dt h eo b v i o u sm u l t i d o m a i na p p e a r e d ，a tt h es a m et i m e ，w h e nt h el c m o l e c u l e sa r ei nf o c a lc o n i ct e x t u r e ，t h em u l t i d o m a i nd i s a p p e a r e da sm u c ha s p o s s i b l e b a s i co nt h er e a l i z eo fg o o do p t i c a lc h a r a c t e rs i n g l ec o l o rc h l c d ，w e p r o v et h ep o s s i b i l i t yo fr e a l i z i n gm u l t i p l ec o l o r sb ys t a c kt w os i n g l ec o l o r c h l c d s ，a n dt h ep r i m a r yr e s u l tw a sg i v e ni nt h et h e s i s k e yw o r d s ：r e f l e c t i v e ，c h l c d ，r u b b i n gs t r e n g t h so na l i g n m e n tl a y e r ，m u l t i p l e c 0 1 0 r 插图清单 1 1 胆甾相液晶显示的研制成果4 2 1 随意螺旋轴取向的胆甾相液晶的b r a g g 散射关系 2 2 胆甾相液晶分子周期性螺旋结构排列9 2 ： 肘鬲相液品的四种状态10 2 z t 脉7 i f l 改变液晶显示状念的原理】l 2 5 三段动态驱动法的方波图形 12 2 6 三层叠加实现多色的结构l4 2 7 处于不同织构下的三层液晶叠加得到的反射色l4 2 8 肯特公司单基板实现多色的原理l5 2 9 黄、蓝色度坐标连线图l5 2 10 工t o 电极模型16 2 1 li t 0 电极侧面部分截面图1 6 2 12 双层胆f ； 相液晶屏的建模1 6 2 13 仿真显示的图像16 ：3 1 所设计液晶盒的基本结构17 3 2 实验中用到的一种光刻菲林版】8 3 3 丝网版的制作流程19 3 4 用于丝网印刷的菲林1 9 3 5 辊涂光刻胶的设备“2 1 ：3 6 旋转涂覆的结构示意图一2 1 ：3 7 曝光的工艺流程图2 3 3 8 菲林版放大图2 3 ：3 。9 电极l 、自j 隔区仍有胶膜2 4 3 10 电极间隔中的毛刺2 4 3 1 1 显影后电极的缺陷1 一2 4 ： 12 显影后电极的缺陷2 2 4 ： 1 ：3 显影好的显示区域2 5 ：3 14 电极引出区一2 5 ：3 15 显影坚膜完毕的i t 0 基板- 2 5 3 16 刻蚀过量qm , oo 2 6 3 i7 由灰尘造成的缺陷2 6 3 18 短路2 6 3 l9 刻蚀完毕后的显示电极和引出电极2 6 ： 2 0p i 涂覆中的缺陷2 7 图图图附图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图： 2l 烘于后的pt 胶2 8 煳： 2 2pj 涂覆较好的多电极基板2 8 劁：j 2 3 制盒工艺流程2 ：； 图： 2 4 喷粉的结构图2 9 图： 2 5 玻璃基板上的s p a c e r 3 0 图：3 2 6 取向后制得的液晶盒中像素的微观图：j l 图： 2 7 灌晶完毕的液晶盒微观图3 l 图3 2 8 单像素液晶盒样片3 2 图4 。l 取向层的摩擦方法3 4 图4 2 影响摩擦强度的各因素3 5 图4 3 摩擦强度为2 5 2 6 m m 时p 态与f c 态的反射特征曲线3 6 图4 4 摩擦强度与p 念、f c 态反射率的关系3 7 图4 5 摩擦强度与对比度关系图3 7 图4 6 摩擦强度3 3 5 8 m m 液晶屏的微观图一3 8 图4 7 摩擦强度4 2 。l o m m 液晶屏的微观图3 8 图4 8 不同摩擦程度下的胆淄相液晶p 态微观结构3 9 图4 9 不同摩擦强度下胆甾相液晶f c 态微观结构4 0 图4 1 0 不同摩擦次数下样屏的p 态、f c 态反射率的关系4 0 图4 - 1 1 不同摩擦次数的样屏对应的对比度4 l 图4 12 处于p 态的样屏3 及样屏6 4 l 图4 13 处于f c 态的样屏3 及样屏6 4 2 图5 1 驱动电压示意图“”4 3 图5 2 摩擦强度为2 5 2 6 m m 液晶屏的反射率曲线4 4 图5 ：j 摩擦强度为l6 8 4 m m 液晶屏的反射率曲线4 4 图5 4 摩擦强度4 2 1o m m 液晶屏的电压反射率曲线4 5 图b 5 不同脉冲宽度下液晶屏的反射率曲线4 6 图5 。6 不同脉冲个数下液晶屏的反射率曲线4 6 图5 7 点粘的双屏叠加液晶盒：4 7 图5 8 双屏叠加两面的反射特性曲线1 4 7 图5 9 双屏叠加两面的反射特性曲线2 4 8 图5 1 ( ) 字符显示的胆甾样屏4 8 i v 表格清单 实验设计的液晶屏结构数据】7 不同脉冲宽度下液晶屏的反射率4 5 不同脉冲个数下液晶屏的反射率4 6 v 】 i 2 一 一 _ ：一o 5 表表表 独创性声明 本人声明所甲交的学何论文是本人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特j j u 加以标志秆f 致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥避! ：些叁堂 或其他教育机构 的。学位或证i5 而使川过的材料。与我一同i ：作的同占对本研究所做的任何贡献均己 住论文中作了明确的说明并表示谢意。 学何论文作者签字 签字日期：罗年叫川日 学位论文版权使用授权书 本学何论文作者完全了解 佥8 巴：二! ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部f j 或机构送交论文的复印彳，f ：和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金g 坠! ：些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采朋影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后透h _ 本授权 s ) 学位论文者签名： 稳青阿 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 泸 舄 向 玄 q 后 年 业 篇yf毕者 ： 作 ： ： 端 文 何 址 日 论 单 地 字 做 作 讯 签 学 r 通 致谢 值此论文完成之际，谨向所有曾经给予我关心、支持、鼓励和帮助的老师、 同学和家人致以最衷心的感谢。 首先要感谢读研期恻我的导师吕囤强教授和平板显示技术研究室的陆红波 老师。在近三年的研究生学习生涯中，吕国强教授和陆红波老师给予了我很多 的帮助和教育。本论文是在两位导师悉心教导下完成的，他们不仅指导和激励 我完成科研工作和论文，而且培养了我良好的科研创新能力和独立分析解决问 题的能力。目国强老师认真严谨的治学态度、勤奋求实的工作作风、诲人不倦 的商尚师德，时刻感染着我，对我以后的工作和生活产生了极大的影响。陆红 波老师循循善诱的教导方式和不拘一格的思路给予了我无尽的启迪，在课题完 成过程中，两位老师都提供了的很多良好的建议，在此致以最诚挚的感谢和祝 福。 然后感谢光电技术研究院的胡俊涛老师、方勇老师，显示器件课题组的杨 春来、徐涛，夏果、韩少飞、李英杰同学，谢谢他们在科研工作中无私的帮助 与协作，祝愿他们在工作和学习中取得更大的进步! 向所有参与本论文送审、 评审和答辩的老师致敬! 感谢他们为本论文所付出的辛勤劳动t 总之，非常荣幸能在光电技术研究院、特种显示教育部重点实验室学习、 研究，衷心感谢光电院所有的老师和同学们! 祝福你们! 1 1 液晶恩示技术概述 第一章绪论 液晶显示( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 技术是二十世纪的重大发明之一。 在近三、四十年罩，它得到了很大的发展，尤其是与现代电子技术特别是大规 模集成电路、微电子技术的结合，使液晶显示器件得到了广泛的应用，并逐步 成为众多平板显示器件中发展最成熟、应用面最广、仍在迅猛发展着的一种显 示器件。 目前，l c d 产品以扭曲向列相液晶显示( t w i s t e dn e m a t i c l c d ，t n 。l c d ) 、 超扭曲向列相液晶显示( s u p e rt n l c d ，s t n l c d ) 及薄膜晶体管液晶显示 ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r - l c d ，t f t - l c d ) 为主，在从小尺寸面板到大尺寸面板 的整个领域中，上述产品都占据着相当大的市场份额。现在人们几乎可以处处 看到液晶漫示器的身影，其极大推进了信息产业的迅猛发展，为当今的信息社 会增添了无数色彩。同时，信息技术的快速兴起，又为信息显示技术提供了广 阔的市场和良好的机遇。 液晶显示的动态响应时间主要取决于液晶分子的大小、形状、长轴转动惯 量、粘滞系数、弹性系数、表面锚泊力矩和外电场作用力矩及形变弹性力矩之 问的平衡等因素，目前的水平大致在毫秒量级内，正好适应人眼跟踪的需要。 另外，用于显示的液晶材料的色散和吸收在可见光频段内都没有十分剧烈的变 化，可满足人类视觉对色彩的要求和当前的工艺水平，并且，单畴尺寸大小按 目前的工艺水平可至几个微米量级，能够满足人类视觉对完整波阵面的感觉。 这就是为什么尽管遇到了其它平板显示技术( 例如等离子体技术，有机发光二 极管技术等) 的强烈竞争，当代工业仍然把液晶平板显示推到了一个年产值超 过6 0 0 亿美元的庞大的市场，而且还在更为迅速地扩张，预计到2 0 1 0 年还会有 三倍的增长“。 另一方面，上述的三种液晶显示器件主要是透射型l c d ，其功耗相对较大， 没有体现出液晶显示器件低功耗的优点，原因在于透射式液晶显示器必须采用 背光源，而器件功耗的8 0 消耗在背光源上。因此，不使用背光源、低功耗、 重量轻的反射式液晶显示器件近年来引起了人们的普遍关注。 反射式液晶显示器件作为被动显示型显示器，本身不能发光，它靠调制外 界光而显示，即单纯依靠对外界光的反射形成不同对比度来达到显示的目的。 但出于在自然界中，入类所感知的视觉信息中9 0 以上是靠外部物体的反射光 得到的，并非依赖于物体本身的发光，所以，被动显示更适合于人眼视觉，不 容易引起疲劳。这个优点在大信息量、高密度、快速变换、长时间观察的显示 时尤其重要。除了低功耗以外，反射式显示器的另一个优点是其可以制备成类 似予纸张的外观形状。 在当今移动信息工具，个人数字助理，电子报纸及其他小尺寸显示器件需 求急剧增长的形势下，各种模式的反射式液晶显示器件被研制出来。其中又以 双稳念反射式胆甾相液晶显示器尤其受到关注。双稳态反射式胆甾相液晶显示 主要类型有聚合物稳定胆潲相液晶显示( p o l y m e rs t a b i l i z e dc h o l e s t e r i ct e x t u r e ， p s c t ) 和表面处理反射式胆f 相液晶显示( s u r f a c e m o d i f i e dr e f l e c t i v e c h o l e s t e r i cd i s p l a y ，s m r c ) 。它们利用平面织构状态( p l a n a rt e x t u r e ，p 态) 的b r a g g 反射亮态和焦锥织构状态( f o c a lc o n i ct e x t u r e ，f c 态) 。醇的散射暗念 构成对比实现显示。该类器件具有反射亮度高，对比度高，功耗小，视角宽等 特点，并且断电后能长期保留图像，是天然的反射式全彩色显示器件。它不用 t f ，r 阵列就可实现大容量，高分辨率显示，并可以制备在软基底上。因为不使 用偏振片，光亮度损失很小，非常适合于移动电子产品类的显示，并且由于在 阳光下具有可读性，其还适用于户外显示。鉴于其良好的发展和应用前景，根 据实验室的现有条件，本文主要对表面处理反射式胆甾相液晶显示器件加以研 究。 1 2 双稳态胆甾相液晶显示器件的发展 早在二十世纪6 0 年代到7 0 年代，液晶显示器刚刚发明时，美国、欧洲就 有许多学者及实验室人员从事胆甾相液晶( c h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ， c h l c d ) 相关的研究。19 6 8 年，r b m e y e r 根据实验指出，在电场或磁场的 作用下，胆帑相和向列相之问存在相变( c n 相变) ，他预计在下个十年中该 效应有可能应用于信息显示中。在1 9 6 9 至1 9 7 0 年问，r b 。m e y e r 3 和f r e d e r i c j k a h n 1 等人分别从实验上观察到在磁场和电场作用下胆甾相液晶的螺距产生 发散直到变成场致向列相态( h o m e o t r o p i ct e x t u r e ，h 态) ，即垂直取向的情况。 j j w y s o c k i 、h b a l s s l e r 等给出了电场强度对相变影响的初步结果，并且就 电场强度对胆箔相液晶的光学特性的影响方面也进行了研究口刖。虽然当时从实 验中观察到相变，但对相变机理不十分了解。加之当时合成胆甾相液晶的稳定 性( 尤其是化学稳定性) 不好，介电常数各向异性值较大的材料也不多，使相 变电压达到1o o v 左右。因此，在随后的几年间，有关胆甾相液晶的研究几乎 处于停顿状态。直到7 0 年代末到8 0 年代初，相变模式的胆甾相液晶显示器 丌始出现。i s a k a t a 等人在向列相液晶里加入手性添加剂，得到胆甾相液晶。 利用反射念的p 态和散射态的f c 态这两种状态进行存储显示。g r e u b l e 首次观 察到胆 相液晶在电场作用下c - n 相变存在滞后现象，b k e r l l e n e v i c h 、 k a w a c h i 、t o h t s u k a 等先后通过实验得到滞后现象与偏置电压的关系，并指 出在滞后现象存在的前提下，器件工作在一定偏压下，可利用h 态的透明态 2 和f c 态的散射态进行显示。n a c l a r k 等人在1 9 8 0 年给出了零场下p 念、f c 念的双稳念曲线。1 9 9 0 年，美圈肯特大学的液晶研究所利用胆箔相的双稳态特 性) j ：始了反射式胆鬲相液晶显示器件的研究，并取得一系列相关的成果。 研究发现，在胆甾相液晶添加聚合物或对基板进行表面处理均可以得到零 场稳定的f c 态。添加聚合物形成聚合物网络结构，虽然能够实现零场稳定的 f c 态，但对提高双稳态胆甾相液晶的响应速度极为不利，其响应时间甚至可达 到几百毫秒。而采用表面处理的方式形成的双稳态胆j ； 相液晶显示，制作过程 简单，类似于传统的l c d 工艺，且由于不添加聚合物，使材料粘度大为降低， 田以进一步提高响应速度。但表面处理方式的均一性难以控制，故而不易得到 所需的多畴分布。直到美国a d 公司发明了快速响应的多畴稳态胆甾相液晶显 示( m l c d ) 这种情况才有所转变。该公司采甩适当的表面处理技术，使器件 的相变时间大为提高，同时取得螺旋轴的适当分布，以扩大视角降3 。 对于表面稳定型胆掰相液晶器件，取向技术是获得其多畴结构的主要手段 之一。而液晶分子的取向涉及到取向材料的结构和性质、表面处理的方法、固 液界面的相互作用等一系列比较复杂的问题。控制液晶取向的方法有多种，如 倾斜蒸镀s i 0 2 、摩擦法、l b 膜法、光控取向法等。从最初的倾斜蒸镀s i 0 2 取 向到现在广泛使用的摩擦取向，许多研究人员还在不断探索更好的取向技术， 并且做了大量的工作。v a k o n o v a l o v 等人就提出了一种新的栅格取向获得多 畴的方法“。实验证明，用栅格取向技术不仅不影响视角，而且畴的数量及 其位置容易控制，并且获得的畴的边界比较分明，通过调整栅格的高度及其斜 度，有可能改变显示亮度、图像对比度、灰度级及响应时间。在一项专利明罩 也提到一种获得多畴、宽视角的液晶显示器件，它的取向层是一种全新的成阶 层阳j 隔的墙似肿块状结构，既不需要摩擦取向，也不用紫外光照射聚合物膜取 向，能达到的平均预倾角为3 。7 0 。更多的研究者在光取向技术及取向材 料方面表现出浓厚的兴趣。9 0 年代初，s c h a d t 1 1 提出用线性紫外偏振光照射聚 合物可以使液晶分子取向，其工艺过程就是在带有光敏基团的聚合物成膜后， 用线性紫外偏振光照射而形成光控取向膜。g u yp e t e r 、b r y a nb r o w n 等人在他 们的专利里介绍了一种薪颖的光取向技术，它的取向材料是聚乙烯醇肉桂酸酯， 在其交叉耦合时，先经过光诱导排列，然后通过干涉法或斜入射照相平板技术 或压纹技术，获得类似不对称摩擦、横截面大约为锯齿状的取向排列1 。一些 研究者丌发出新的取向材料，同时给出了新材料应用于线性偏振紫外光取向法 的特性表现，证明了新取向材料应用于液晶显示的可行性孔。还有一种非接 触式的取向方法近来也得到了发展l 1 ，它是用带电低能离子束轰击取向膜层， 通过改变离子束能量及其入射角，从而得到一定的预倾效果。 另外有些研究者从胆隔相液晶材料入手，为了提高胆甾相液晶显示亮度， 丌发出了a n 0 3 5 的高双折射率新型混合液晶制，使显示亮度改善两倍：为降 3 低| 作电压，丌发出了一种a e 6 0 的高介电各向异件化台物作为掺合物。m i n k y uk i m “等人在胆阱相液晶中添加了低分子材料，也达到了降低驱动电压的 f 1 0 a 器料驰。山方面，如果采用逐行扫描的驱动方法，响应时问达几十毫秒 比较适合碌示静忐旧象，而不适合动卷图象的显示。为提高响应日f 削，就需要 采片 些新的驰动方法。xy h u a n g 、y mz h u 、d + ky a n g 等人相继提出丁三段 动态驱动方案四段动态驱动方案，_ = l 段动态骀动方案等，较好地改善了响应 速度，使响应速度进一步接近动画视频显示的水平。同时，为提高显示质量， 消除显示f t i 的黑带，还提出了管道输运方案”1 。之后，更多的研究者投入了胆 州液晶的驱动研究工作中。为了降低驱动电压，a r y b a l o c h k a 等人往 a k o z a c h e n k o 咀及v s o r o k i n “等人的“u ，2 ”动态显示方案基础上提出丫 “u g v 2 ”动态驱动方案，实现了更多线程驱动，加快了平均寻址速度井降低 了驯动电压。肯特公司”提出了种低成本的驱动方案，他们利用现有的s t n 驱动芯片纠列s t n 芯片的局限性，结合胆 相液晶驱动原理，建立了全新的 动小驰动方棠，实现了成奉很低的胆带相液晶驱动。 在实现j 亘刺式胆鬲相液晶彩色显示方面，j k i m 等人利用b r a g g 反射自然 光的特性研制出采用叠层结构”而不采用滤色器实现彩色显示的方案，使之成 为浚类器件实现彩色显示的有效途径。kh a s h i m o t o “”等人利用胆f f 相液晶的多 稳态特性，实现了多级扶度驱动，从而可以实现反射式胆f 相液晶的全色显示。 肯特显示公司在三层叠加结构的基础上提出了改进的r o b 实现多色的方法即 用甲基板实现了多色显示”“。 反射式胆 相液晶显示还可以实现软基底显示。在显示器件介质基底方面， 传统大多采用玻璃基板，但近年来塑料软基底越柬越受到人们的关注，因为采 用软基底使得显示器件很薄，重量轻，柔韧性、持久性好。图1 1 为2 0 0 7 年台 湾1 _ 研院研制成功的柔性胆衔相彩色显示器件，不仅能实现良好的显示，而儿 其柔韧性强，甚至在显示中。也能弯曲成较大弧度而不影响显示图像，此类妊 吓器件非常适用于电子书、电子布告等纸片式显示。 e m i s s i o ne u r o p e 公司的胆甾液品显示台湾r 研院的柔性胴鳝相彩色显示器f | ： 圈1i 胆甾相液品显示的研蒂成果 胆甾相液晶显示器的前景非常看好，但尚未商业化。目前国外以及台湾地 区对反射式胆箔相液晶显示器件的研究走在前列，己能实现柔性彩色显示。而 因内的研究相对滞后，尚停留在单色显示器件的研究阶段。 对胆衔相液晶的研究，主要存在以下几个问题乜引：一是器件的彩色化显示 方面，尚未有成熟的应用技术；二是驱动电压比其它液晶器件高，在几十伏的 量缴：三是响应速度较慢，在几毫秒，甚至几十毫秒数量级上，故而其目前不 适合动画、视频显示，只适合静态显示。 驱动电压的降低主要取决于胆 = ；相液晶材料的合成及工艺参数的改进，最 近，国内已有厂商通过改进相关工艺降低了它的驱动电压数值。影响响应速度 的因素比较复杂，主要有胆甾相液晶的相变机理、多畴结构的形成及其驱动方 法等许多方面，相信上述问题在相关人员努力下不断解决的同时也必能促进胆 潲液晶的产业化发展。 1 3 本文主要的研究内容 本课题来源于某重点工程项目。由于国内对多色反射式胆甾相液晶显示器 件的研究基本还处于实验室研制阶段，可供参考的技术数据有限，本论文拟根 据实验室的现有条件；通过实际的制作，研究胆j ： ；相液晶显示的机理，实现多 灰度显示，同时，得到反射式液晶显示器件的彩色化方案和具体的工艺参数。 本文拟从反射式液晶显示器的研究状况出发，阐述双稳态胆甾相液晶显示 器件的发展前景。并在此基础上，研究反射式胆甾相液晶显示的工作原理，同 时确立本课题的主要研究方向：在制备反射式胆甾相液晶显示器件的基础上， 研究工艺参数与反射式胆帑相液晶显示器件性能的关系，观察胆甾相液晶多畴 的形成及其对器件光电特性的影响。根据相关的仿真模拟结果，采取多层叠加 结构实现多色，在制得样片基础上，进行相应的电光特性测试，之后为扩展至 高像素多色低功耗液晶显示的进一步研究打下良好的基础。 具体的研究内容如下： 利用实验室现有的设备和条件，研究反射式胆给相液晶显示器件的制备工 艺、流程，包括菲林版设计一i t o 电极刻蚀一取向膜涂覆一摩擦取向一封框胶 印刷一s p a c e r 撒布一对位成盒一灌注液晶一封口固化等一系列步骤，确定制备 表面处理型反射式胆甾相液晶显示器件的工艺参数，并给出各主要工艺的实验 过程、结果示意图。 利用显微镜，观察经不同表面处理的胆甾相液晶显示器件中液晶层的微观 结构，研究其多畴结构对器件反射特性曲线的影响。同时结合工艺制备参数， 重点讨论表面摩擦处理工艺与器件光电特性的关系，并给出初步的结论。 采用双盒叠加的方式，初步实现胆f ： 掖晶器件的多色显示，并进行相应的 巾j 光特性测试。 5 在胆帑相液晶显示器件的驱动电路方面，调研并阐述目前几种常见的胆隔 相液晶显示驱动方法，包括动态驱动法、p 态刷新法、累计驱动法等，继而给 出本课题研究中所运用的驱动方案，最终得到有相应显示效果的样屏。 6 第二二章胆甾相液晶显示的原理与多色实现 2 ，1 胆甾相液晶简介 2 1 1 胆帑相液晶材料 胆甾相液晶可以通过两种方法得到，一是直接合成，其一般是胆简醇的羟 酸酯和碳酸酯化合物。另外是在向列相液晶中加入手性剂配制。现在所用的多 稳态液晶材料即是用手性添加剂和宽温向列相液晶配制而成的胆甾相液晶材 料。 胆箔相液晶呈螺旋结构，有一定的对称性，且具有特殊的光学性质。胆箔 相液晶手性添加剂的用量一般控制在0 1 1 。加入过多的手性添加剂，可能引 起t 体液品性能大的变化。在扭曲向列相液晶显示材料中常用的手性添加剂是 c bl5 ( 右旋构型) 和c n ( 左旋构型) 。在超扭曲向列相液晶显示材料和薄膜 晶体管液晶显示材料中使用的手性添加剂主要是s 8 1 1 通过多年的研究与开 发，国内已掌握以上手性添加剂的合成技术。特别是s 8 1 1 的合成研究，一些科 研机构已探索出比国外更经济易行的合成方法心。石家庄实力克液晶材料有限 公司已经研制出的胆f ：；液晶材料在一2 0 。6 0 范围内其螺距不随温度变化。 与其他液晶材料相比，胆粥相液晶材料的螺距较短、双折射率大、手性组分 含量高。液晶材料的螺距p 和手性添加剂的螺旋扭曲力常数( h e l i c a lt w i s t i n g p o w e r ，简称h t p 值) 及其在液晶组合物中的含量x c 关系心叼是： 尸：l( 2 1 ) ( h t p ) 木x c 胆 ；相液晶材料的h t p 值出手性添加剂自身性质决定。当p 值一定时，手性添 加剂的h t p 值越大，其在液晶材料中的含量( x c ) 相对越少，越有利于胆筠相 液晶的性能改善。由于不同胆甾相液晶显示模式具有不同的螺矩，只有通过调 节不同h t p 值的手性剂组分及其在液晶材料中的含量来改变螺矩和反射波长 ( 或显示屏颜色) 。要改善胆箔相液晶显示性能、降低工作电压、增加亮度、 提高响应速度和工作温度范围、实现黑自或全色彩的高对比度显示，除了改进 显示方法外，必须在提高液晶材料的双折射率、扩大介电各向异性、降低粘度、 减少手性添加剂组分含量等方面解决问题。 2 1 2 胆甾相液晶的选择反射 一束x 射线入射到一块金属表面上，会发生著名的b r a g g 散射，其中第 一级谱公式为： 7 五= 2 a s i n 其中，口是品格间距：矽是入射角，满足这个条件的为最强反射。 中也可以观察到上述b r a g g 反射，如果胆浴相液晶处于平面织构， 直于玻璃基片，反射波长为： 旯= n p s i n q 9 = n p c o s 0 荔为平均折射系数， 矽为入射角，p 为胆甾相液晶的螺距， 纳米，其反射宽度为： ( 2 2 ) 胆甾相液晶 即螺旋轴垂 ( 2 3 ) 一般为数百 a 2 = a n p s i n 6 p ( 2 - 4 ) 其中，打为液晶的双折射率，胆帑相液晶的b r a g g 反射就是胆甾相液晶在观察 时裎示出多种彩色的缘故。 空- 5 f 【 一 i。 图2 1 随意螺旋轴取向的胆甾相液晶的b r a g g 散射关系 对于一个在空间具有随意螺旋轴取向的胆甾相液晶畴，如图2 1 所示， 当入射角和出射角分别为i 和r 时，具有如下关系： s i n j r ：s i n i n ( 2 - 5 ) s i n ，：s i n r 荔 ( 2 - 6 ) 则反射光的波长为： 五：万尸c o s 占 ( 2 - 7 ) 螺旋轴与玻璃基片法线的夹角占为： 1 一 一 s = 去 a r c s i n ( s i n f 刀) 一a r c s i n ( s i nr n ) ( 2 - 8 ) z 如果液晶盒背面途有层高反射率的材料，如镀上一薄层a l ，如图2 1 所示，则反射波长为 1 一 兄= 舻s i n 砖 a r c s i n ( s i n f 刀- a r c s i n ( s i n r n ) ) ) ( 2 - 9 ) z ! 量卜r 喇 五：n p ( s i n i n ) = p s i n f ( 2 1 0 ) 与折射系数没有关系。川。 反射特定颜色光线的选择性反射波长、双稳定性是胆 ；相液晶的最重要的 特性，其显示原理也f 是基于此的。 2 2 胆甾液晶的显示原理 将手性剂分子溶解在向列相液晶中，液晶结构出现螺旋畸变，这种螺旋结 构在纯胆箔醇酯中也存在，故将这种螺旋向列相液晶称作胆f ； 相液晶。胆箔相 液品分子在同平面i = = 的长轴相互平行，在不同的平面上有不同的取向，各个 平i f j i 的指向矢逐层扭曲，呈周期性螺旋结构排列，如图2 2 所示，其螺距定义 为指向矢扭转27 弧度的两个层面的距离。 仁 r x 图2 2 胆甾相液晶分子周期性螺旋结构排列 胆甾相液晶有四种不同的分子排列结构，如图2 3 。第一种是平面织构状 念( p l a n a rt e x t u r e ) ，称为p 念；第二种是焦锥织构状态( f o c a lc o n i ct e x t u r e ) ， 称为f c 念；第三种是垂直织构态( h o m e o t r o p i ct e x t u r e ) ，称为h 态；第四种 是短暂的平面态( t r a n s i e n tp l a n a rt e x t u r e ) ，称为p 宰态。在零电场下，处于p 念的胆 = 相液晶具有周期性的螺旋结构，其螺旋轴基本与液晶盒表面垂直，如 果入射光的波长知满足b r a g g 方程： 矗= 异 ( 2 一1 1 ) 其r 1 是平均折射率，p o 为液晶材料螺距，则光将被反射，反射光为圆偏振 光，此时的p 念是一个零场稳定态，反射的波长可通过螺距来控制。 对处于p 态的胆帑相液晶施加一定强度的电场，胆甾相液晶可以从p 态转 换为f c 态，其螺旋轴分布杂乱无章，基本取向与基板平行。当此电场变为零 时，f c 态在一定条件下构成了另一个零场稳定态。 图2 3胆甾相液晶的四种状态 目自i ，为使f c 念在零场处于稳定状念，通常采用的方法有：在胆甾相液 晶中添加聚合物，相应产生的器件称为聚合物稳定胆f 相液晶( p s c t ) 类型； 或对器件进行表面处理，相应的器件称为表面处理反射式胆帑相液晶显示 ( s m r c ) 。处于f c 态的胆鬲相液晶螺旋结构的周期性不复存在，呈现多畴状 念，但每个畴内的螺旋结构仍存在，因此它对入射光产生散射。如果对液晶施 加足够高的电场，液晶将变化到h 态，此状态下的分子都沿电场方向排列，液 晶是透明的。对处于h 态的胆甾相液晶，当电压迅速降到零时，液晶分子回到 p 态；当电压缓慢降低时，液晶分子则转变为f c 态。胆甾相液晶的这些状态中， 只有p 态和f c 态在无外场时是稳定的。垂直织构态仅当有外场时才存在，p 木 态是一个具有螺距( k 3 3 偈2 ) p o 类平面态，主要出现于液晶分子从垂直排列态 向平面态过渡的过程中。p 念时的反射态和f c 态时的散射态构成一组对比念， 这便是双稳态反射式胆箔相液晶显示器件的基本工作原理。 此外，加在液晶显示器上的电压都是脉冲式的矩形波形，不能用快降或慢 降的方式来控制液晶状态，但对双稳态胆箔相液晶，这却不是问题。我们可以 利用脉冲来改变胆甾相液晶的状念，其原理图如图2 4 所示。如果要把液晶从 f c 念改变到p 念，我们就对液晶加一个高脉冲，在高脉冲期间，液晶变到h 态。高脉冲过后，液晶跃迁到p 态。如果要把液晶从p 态变化到f c 态，我们 就对液晶加一个低脉冲，在低脉冲期间，液晶变到f c 态，低脉冲过后，液晶 保持在f c 念。 l o 翼：三凇塑|li三i|lii|辅竺|li三i|li|埔 电压 反射事 。 l t f cf cf c r 图2 4 脉冲改变液品显示状态的原理 2 3 胆甾相液晶器件的驱动方法 虽然胆 = 相液晶显示器件有很多传统液晶显示器件无法比拟的优点，但是 胆鬲相液晶的响应时间较长，如采用传统的寻址方法，每行寻址时间达2 0m s ， 不能满足实用需要。因此，如何驱动这类显示器成为主要的研究方向之一。通 过相关研究者的努力【：。3 ，目前已研制出的卓有成效的驱动方法有动态驱动法、 p 念刷新驱动法、累积驱动法等，每行寻址时间提高到1 m s ，甚至更短，使之 能广泛应用在电子书籍、电子报纸、文件阅读器和地图指示器等显示中，同时 为这种有发展潜力的新型液晶器件向视频显示方向发展奠定了基础。 一、动态驱动法 动态驱动法目前主要有三种：三段动态驱动法、四段动态驱动法、五段动 态驱动法。三段动态驱动法的驱动波形如图2 5 所示，它分为三个阶段，即准备 段、选择段和擦除段。驱动过程可描述如下：在准备段，施加幅值为v p 、脉宽 足够长( 约6 0 m s ) 的电压脉冲，首先将胆f 相液晶变成h 态；进入选择段，v 。 值选取不同值，当v 。值较高为v o 。时，液晶材料继续维持h 态，而v 。值较低 为v o 许时，液晶将从h 念转变为p 半念；到擦除段，施加幅值为v 。，宽度约为 6 0 m s 的电压脉冲，h 态的液晶仍将维持，而p 木态的液晶将相变为f c 态。当移 去擦除脉冲成为零场时，h 态的液晶很快成为p 态，而处于f c 态的液晶仍将 维持f c 态，这样，p 态和f c 态两个零场稳定态就构成了能够显示的对比态。四 段驱动法是对三段驱动法的改进，使寻址速度提高了一倍，并改善了显示中出 现的黑带现象。五段驱动法在四段驱动法基础上，进一步提高了寻址速度，结 合具体的器件，能使每行寻址时间达到5 0us 。 选择段一 t e = 6 0 b 晖 t p = 6 0 m s t s = 1 m $ o v e v o n v o f f 幽2 5 三段动态驱动法的方波图形 m s 二、p 念刷新驱动法 动念驱动法具有寻址速度快的优点，在静态图像显示上已获得很好的应用。 但是这种方法所需的电压高：线路复杂，驱动成本较大。另外，无法彻底消除 由于光学滞后引起的黑带现象。由f h y u 等人提出的p 态刷新驱动法，基本克 服了上述不足。p 态刷新驱动法是基于传统的寻址驱动法加以改进实现的。它 利用p f c 相变大大快于f c p 相变的特性，首先将整板刷新至p 态，然后 逐行扫描，仅把选择态的p 态转换为f c 态，而非选择态的p 态不受旋加电压 的影响，仍保持p 态。 三、累积驱动法 累积驱动法的提出，使双稳态反射式胆衡相液晶显示向着动态视频显示方 向的发展更近了一步。其也是基于传统的寻址驱动实现的，但改进之处是当p 念和p c 态之间相互转变时，不是通过一个电压脉冲实现，而是利用累积效应 通过多步完成，每步的寻址时间很短，使寻址速度得到提高。 累积驱动法可达到1 m s 绗和o 5 m s l 行的寻址速度，并且无交叉效应和黑带 现象，这种准视频显示为双稳态反射式胆甾相液晶显示达到实用的视频显示拓 宽了道路。 本文实验中，在对液晶盒进行反射特性测试时使用了p 念刷新法，即首先 将显示器件在较大电压脉冲下刷成p 态，而后从低电压始，不断增加脉冲电压 值，使处于p 态的显示器件逐步转成f c 态，而后又转为p 态，实验证明此方 法能较好的实现液晶屏相态的转变，实现灰度显示。 2 4 胆甾相液晶器件的多色实现 印刷品的反射率在5 0 8 0 ，对比度约为5 ：1 ，而多色反射式液晶显示 器件的目标之一就是取代印刷品形成电子书，研究表明，对于反射式液晶显示 器件，反射亮度和对比度是影响其可读性的重要指标。由此，在研究胆甾相液 晶器件的多色实现前，看必