（物理电子学专业论文）柔性反射型胆甾相液晶显示器件制备工艺的研究.pdf

东南大学硕上学位论文 摘要 反射型多畴胆甾相液晶显示是近几年发展起来的一种新型反射式液晶显示，它是利用 胆甾相液晶平面织构状态( p l a n a rs t a t 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 c s t a t e ，f c 态) 的散射暗态构成了对比态从而实现显示。其最显著特点是具有零场稳态，从 而易实现低功耗反射显示。它无需偏振片，在阳光下可读，并且能够制作在软基底材料上， 非常适合电子书等纸片式显示，愈来愈受到人们的广泛关注。 本文在深入理解反射型多畴胆甾相液晶显示屏的显示原理基础上，重点研究玻璃基板 及柔性基底的表面处理犁胆甾相液晶显示屏的制备工艺，并研究多畴结构形成的条件。利用 平板显示器件的实验设备，在完成玻璃基板的反射型胆甾相液晶显示样屏制各基础上，完成 了柔性反射型胆甾相液晶显示样屏的制备，流通了柔性基底的工艺流程，并确定了相应的工 艺参数。 对柔性反射型胆甾相液晶显示屏的多畴结构形成的条件进行了初步研究，得到了工艺 参数和材料参数对多畴结构形成的影响，尤其是取向剂参数与多畴结构形成之间的关系。对 柔性屏形成的多畴结构的相变过程进行了微观观察，研究了在外加电压条件下p 态到f c 态 的相交，f c 态到h 态( h o m e o t r o p i cs t a t e ，h 态) 的相变，h 态到p 态或f c 态的相变过程， 为柔性反射型胆甾相液晶显示器件的进一步研究打下良好基础。 关键词：反射型胆甾相液晶显示器件，柔性显示，多畴结构，相变过程 东南大学硕士学位 a b s t r a c t t h er e f l e c t i v em u l t i d o m a i nb i s t a b l 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 s ( c h l c d ) i san e wk i n d o f r e m a r k a b l er e f l e c t i v ed i s p l a yd e v e l o p i n gi nr e c e n ty e a r s t h i sd i s p l a yi sr e a l i z e db yt h ec o n t r a s t s t a t eb e t w e e np l a n a rt e x t u r e sb r a g gr e f l e c t i v eb r i g h ts t a t ea n df o c a lc o n i c ss c a t t e r e dd a r ks t a t e t h em o s ti m p r e s s i v ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sd i s p l a yi st h es t a b l es t a t eu n d e rz e r of i e l dw h i c hi n d u c e s t h er e f l e c t i v ed i s p l a yo fl e s sp o w e rl o s s p e o p l ep u tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h i sd i s p l a y b e c a u s ei td o e sn o tn e e dp o l a r i z e r , i sr e a d a b l ei ns u n s h i n e ，a l s oc a nb em a d eo nt h ef l e x i b l e s u b s t r a c tw h i c hi ss u i t a b l ef o re - p a p e ra p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so ft h o r o u g h l ys t u d yo fr e f l e c t i v em u l t i - d o m a i nc 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 p r i n c i p l e ，t h et e c h n o l o g yo fs u r f a c et r e a t m e n tc h - l c do ng l a s sa n df l e x i b l es u b s t r a t ea t ef u r t h e r s t u d i e da sw e l l 硒t h ec o n d i t i o n so ff o r m i n gm u l t i d o m a i ns t r u c t u r e t h er e f l e c t i v ec h l c do n f l e x i b l es u b s t r a t eh a sb e e nc o m p l e t e d ，t h ew h o l ep r o c e d u r eo ff l e x i b l er e f l e c t i v ec h l c dh a sb e e n a c h i e v e da n dt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e dr e s p e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h er e f l e c t i v e c h - l c do ng l a s ss u b s t r a t eb yu s i n gt h ee q u i p m e n to fp a n e ld i s p l a y i nt h ei n i t i a ls t u d yo ft h ef o r m a t i o nc o n d i t i o n so fm u l t i d o m a i ns t r u c t u r e t h ee f f e c to f t e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a l so nm u l t i d o m a i ns t r u c t u r eh a sb e e no b t a i ne s p e c i a l l yf o rt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np ip a r a m e t e r sa n dm u l t i - d o m a i ns t r u c t u r e t h ec a r e f u l l yi n s p e c t i o no nt h e t r a n s i t i o np r o c e d u r eo fm u l t i - d o m a i ns t r u c t u r e ，t h es t u d yo ft h et r a n s i t i o n sf r o mpp h a s et of c p h a s e ，f r o mf cp h a s et ohp h a s ea n df r o mhp h a s et opp h a s eo rf cp h a s eh a v eb e c o m et h e s o u n df o u n d a t i o nf o rf l e x i b l ec h l c d sf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：c h l c d ，f l e x i b l ed i s p l a y , m u l t i - d o m a i ns t r u c t u r e ，t r a n s i t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：隧遍刍 日 期：匠：咝丑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：医日煎一导师签名： 杏嵩 日期：堕堑6 7 第一章绪论 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 ) 器件是6 0 年代末研制出来的一种新型平板显 示器件。在近三、四十年里，它的研制和产业取得了惊人的发展，同时带动了许多相关产业 的发展。而液晶显示器件的应用也从简单的钟表显示扩大到仪器、仪表、汽车电子设备、便 携式电脑显示、电视显示和大屏幕显示等，并逐步成为众多平面显示器件中发展最成熟、应 用面最广、已经产业化并且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 项液晶显示( t n l c d ) 、超扭曲向列项液晶显示( s t n l c d ) 及薄膜晶体管液晶显示 ( t f t l c d ) 为主。以上产品主要是透射型l c d ，但透射型液晶显示器的功耗较大，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，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近年 来普遍被人们关注，尤其在当今移动信息工具( m i t s ) ，个人数字助理( p d a s ) ，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被研制出来。 其中又以双稳态反射型_ l j l 日甾相液晶显示器尤其受到关注。主要类型有聚合物稳定胆甾相液晶 显示( p s c t ) 和多稳态胆甾相液晶显示( m l c d ) 。他们利用平面织构状态( p l a n a r ) 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 c ) 的散射暗态构成对比态实现显示。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，是天然反射式 的全彩色显示，同时在阳光下具有可读性。它不用t f t 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 品类的显示器，如手机、数字相机、电子书本和个人数据助理等，并且还适用于户外阳光下 显示。 1 1 反射型胆甾相液晶显示的发展现状 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 及实验室从事胆甾相液晶相关的研究。1 9 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，胆甾相和向列相之间存在相变( c - n 相变) ，他并预计在下个十年中该效应可 能应用于信息显示中。在1 9 6 9 至1 9 7 0 年间，r b m e y e r 2 j 和f r e d e r i cj k a h n 【3 】等人分别从 实验上观察了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，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 场强度对胆甾相液晶的光学特性的影响方面也进行了研肃【4 1 。 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( 4 占) 值较大的材料也不多，使相 变电压达到1 0 0 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开始出现。i s a k a t a 等人向列相 液晶里加入手性添加剂，得到胆甾相液晶。利用透明状态的p 态和f c 态的光散射这两种状 态进行存储显示。g r e u b l e 首次观察到胆甾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f c 态的散射态 进行显示。以上这几种显示模式都是在电场作用下进行的。n a c l a r k 等人在1 9 8 0 年给出 了零场下p 态，f c 态的双稳态曲线，直到1 9 9 0 年，美国肯特大学的液晶研究所利用胆甾相 的双稳态特性开始了反射式胆甾相液晶显示的研究。 东南大学硕上学位论文 由于双稳态反射胆甾相液晶显示所具有的优点及诱人的前景，在二十世纪九十年代一 经出现就引起人们强烈的关注，这期间取得了很多研究成果。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。这为胆甾相液晶的双稳态特性 得以长期稳定存在奠定了重要基础。研究同样发现，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 甚至可达到儿百毫秒。如果采用聚合物稳定指印胆甾相织构形成不完美的p 态和多畴指印 状态构成双稳态反射显示，可以提高对比度和响应时间，使相变时间降到7 0 m s 左右，但距 离实用还相距甚远。采用表面处理的方式形成双稳态胆甾相液晶反射显示，过程简单，类似 于传统的l c d 工艺。由于不添加聚合物，使材料粘度大为降低，可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，难以得到所需的多畴分布。直到美国a d s 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。该公司采用适当的表 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【们。 对于表面稳定型胆甾相液晶器件，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_ t 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1 7 声j 。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。有一项专利1 9 1 里也提到一种获得多畴、宽视 角的液晶显示，它的取向层是一种全新的成阶层间隔的墙似肿块状( s s w b ) 结构，既不需 要摩擦取向，也不用紫外光照射聚合物膜取向，能达剑的平均预倾角为3 。7 0 。可是， 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【l o 1 4 1 。9 0 年代初，s c h a d t 就 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成光控取向膜。g u y p e t e r b r y a n b r o w n 等人在他们 的专利里介绍了一种新颖的光取向技术。它是的取向材料是乙烯聚会肉桂酸，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、横截面大约锯齿状的取向排列t i l l 。一些研究者开发出新的取向材料【1 2 tb 】，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。还有一种非接触式的取向方法近来也得到了发展【l5 1 6 1 。它是用带电低能离子束轰 击取向膜层，通过改变离子束能鼍及其入射角，从而得到一定的预倾效果。 也有些研究者从胆甾相液晶材料入手，为了提高胆甾相液晶显示亮度开发出了a n 0 3 5 的高双折射率新型混和液晶i j 川，使显示亮度改善两倍；为降低工作电压，开发出了一种a e - - 6 0 的高介电各向异性化合物作为掺合物。m i n - k y uk i m i i s 等人在胆甾相液晶中添加了低分子材 料，也达到了降低驱动电压的目的。 反射式胆甾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来越受到人们的关注。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，飞利浦实验室研制的4 2 英寸的软基底c t l c 显示器件【1 9 j ， 不仅性能上优于传统玻璃基板显示，而且其柔韧性强，甚至在显示中，也能弯曲成半径2 0 m m 弧度，而不影响显示图像，非常适用于电子书、电子布告等纸片式显示。 在器件驱动方面，如果采用逐行扫描的驱动方法，响应时问达几十毫秒，比较适合显 示静态图象，而不适合动态图象的显示。为提高响应时间，驱动方法采用了一些新的方法。 x yh u a n g ，y - m z h u ，d - k y a n g 等人相继提出了三段动态驱动方案，四段动态驱动方 案，五段动态驱动方案等，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 2 第一章绪论 水平。同时，为提高显示质_ 昔，消除显示中的黑带，还提出了管道输远方案l 珊。在这之后， 更多的研究者投入了胆甾相液品的驱动工作中。为了，降低驱动电压，ar y b a l o c h k a 等人在 ak o z c h e n k o ，v s o m k i n l 2j l 等人的“w 4 2 ”动态显示方案基础上，提出了“u q 3 2 ”动 态驱动方案，实现了更多线程驱动，脚快了平均寻址速度并降低了驱动电压。肯特公司删 提h 1 了一种低成本的驱动方案，他们利用现有的s t n 驱动茁片针对s t n 芯片的局限性 结台胆甾相液晶驱动原理，建立了辛新的动态驱动方案，使每行成本低于0 0 3 美元，可能 是目前堆低的胆甾相液晶驱动。 在实现反射式胆甾捕液晶彩色显示方面，jk i m 等人利用b m g g 反射自然光的特性研制 出采用叠层结构m 怖不采用滤色器实现彩色显示的方案使之成为该粪器件实现彩色显示 的有效途径。 为了实现反射式j | 日甾相液晶扶度，利用了胆甾相液晶的多稳态特性，k h & s h i m o t 0 1 2 4 i 等 人实现了多级灰度驱动，从而可以实现反射式胆甾相液品的全色显示。 1 ，2 柔性反射型胆甾相液晶显示器的发展现状 柔性显示器具有重量轻薄化、厚度超薄 随地可将显示器卷曲后带着走，并更加省电 旦进入批量商用，市场潜力近乎无限。 具备如报纸般可以弯曲的恃性让消费者随时 这些无疑是传统液晶显示器所无法比拟的， 按照目前使耳i 的情况匡分，柔性显示器可分为几种型态： ( 1 ) 且备纸张画质的柔性显示器( p a p e rr e p l a c e m e n t ) ：未来主要应用于书本或广告看 板等绑分市场，因此在产品特性上需要具备鞋薄、低耗掂量，弯曲特性则并非重点，目前适 台的技术有l c d ，e p d 与m e m s 。 ( 2 ) 具备微弯曲特性的柔性显示器( c o n f o r m a b l e ) ：顽具备低耗电、厚度最好在于o5 r a m 以下且具备较佳的画面特性，显示器弯曲程度的要求却不需要很高，e p d 、o l e d 与l c d 技术都极为适台发展。 ( 3 ) 卷曲式的秉性显示器( r o l a b l e ) ：须具备低耗电、厚度最好在于o5 r a m 以下且且 备较佳的域面特性，显示器本身需要具备可以弯曲，甚至可咀卷曲带着走，e p d ，o l e d 与 l c d 技术都极为适合发展。 在某些产品市场，秉性显示技术属于潜在的替代竞争者，例如：手机、p d a 、车用显示 器等。此外，柔性显示技术还可以传造出新的应用市场和产品，例如s m a r t c a r d 、电了标示 显示器或软性e - b o o k 。柔性显不器产值预计将于2 0 1 0 年达到5 亿美元、2 0 1 5 年将接近1 9 亿美元。其中，手机、数字看板、f ，b o o k 与s m a r t c a r d 机会虽大。 1 、s m a r t c a r d s m a r tc a r d 产品是一种全新的革命性应用产品，可以让许多数据储藏在其中，具体可应 用于银行提款卡与信用卡、停车或是票券使用、身份辨识使用、收费站过路费使用等。进一 步思考，现代人身上携带的卡片越来越多，信闱号、银行提款卡甚至健保卡等可达到数十张 之多，如果能开发出可取代所有的多功能智能卡片，则市场潜力更大。这种智能卡，需包含 简单m c u 、内存甚至显示器等组建。显示器所要扮演的角色，在于提供简单讯息让使用者 丁解到目前这张卡内有哪些数据、情况如何。我们预期显示器本身并不需要具备彩色或是高 画质要求，反而需要具备省电、可弯曲、成本低等特性需求。 2 、e b o o k 理想中的e - b o o k 显示器需要具备下面几点要求： a 高分辨率。 东南 学学位论立 b 重晕厚度要求 c 低耗电量 d 画质要求 3 、数字看板( d i g i t a ls i g n s ) 根据统计，美国异大囊场用于制作价格标示、促销产品看板等费用高达6 0 亿美元，用丁_ 户外的广告展扳制作费用年花费也高达6 3 亿美元。相较十传统的液晶显示器，柔性显示器 应用于数字看板时具备更仕的成本优势。 由于柔性显示器不仅拥有广泛的应用领域，可用于交通、安全、医疗及生活等多方面， 还有良好的市场前景，欧美、韩和我国台湾地区税极着手新材料研究、开发新工艺技术、研 制新设备。 在材料方面，针对p e e k ( 聚醚醚酮1 、p e t ( 聚对苯二甲酸乙二酯) 、p i ( 策酰! ；f ! 胺) 和 p c ( 聚碳酸酩) 等材料开展研究，争取成为取代玻璃基扳的替代材料。v i c t r e x 从1 9 7 8 年开 始投入p e e k 生产，拥有关键技术专利，p e e k 材料且有抗化性、耐高温、高延展性等特点， 有望成为秉性显示材料的主要来源。杜邦、帝人则应用p e t 材料开发塑料基扳；g e 公司则 应用p c 材料开发基板。 在工艺方面，三星电子、爱普生、台湾工研院等改装t f t - - l c d 三代面板线，用于开发 使用塑料基板生产柔性显示面板试制工作；飞利浦公司则研究电涌显示技术加上a - s it f t 技术开发柔性显示面板等技术。 在产品方而，英国p o l y m e r v i “o n 与意太利电信台作推出使用有机液晶显1 i 面板( o t f t ) 技术开发的柔性面板屏幂的手机：美国a s uf l e x i b l e d i s p l a y c e m e r 开发出了柔性地幽、柔 性键盘和电于纸等产品。 双稳忐胆甾相渡品屁示器( b i s t a b l 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 s c h l c d ) 是一种纯反射、不使削偏振片、补偿膜或者背光社；| ，井粟片j 简单行，寻址方式( 无源驱动) 驱动类型的显示器。正是这种简单结构和驱动方式使其实现了多种显矾模式，比如柔性显示 器和蒋层全色显示器。而且通过采用乳化和分相的古式完成封装，可以制造出相当结实的 柔性显示器。在乳化方式中，液晶材料以滴状封装，滁敷在水成体系巾：在分相方式中，首 先涂敷液晶材料与单基物的均匀棍台物，然后采用聚台诱导分相( p o l y m e r i z a t i o ni n d u c e d p h a s es e p a r a t i o n ，p ip s ) 形成滴状。柔性显示器方面的发展已经带来很多革新并且自q 造 了超薄显示器，这种显示器非常柔软，甚至可以披挂。这些柔性显示器不仅具备了所有c h l f d 的传统特征而且薄、重量轻。不仅如此在应用方面最有价值的是其积稳态性( 可零功耗 观看静态罔像) 和反射性。柔性器件革新和全色模式正处于篷勃发展阶段。 当前胆甾相液晶显示器技术包括饭多新模式和可能的应用途径，譬如u s b 闶存中的显示 器、便携式硬盘中的显示器等。随着_ 龊稳态和反射模式应用需求的增加，c h l c d 将继续渗透 到市场的方方面面。作为大众个 消费品的一个重要特征，u s b 闪存的显示屏上使用电子标 识变得非常普遍。在这类应用中，显示器具备职稳态特性非常关键。图1l 给出了相关典犁 应用的照片。 第一章结论 图i1u s b 闪存和便携式硬盘中的胆甾相液晶显示器 就柔性显示器而言运崩分相法的产舳研投上e 在积极进行当中。相关的制造工艺、可 靠性和新产品设计正在研投当中。圈12 展示了一个制作在p e t 基底( 厚度l2 5um ) 上的柔性 显示器显示对角线l 。8 5 i n 分辨率l o o d p i 。该显示器为1 6 级灰度，工作温度范围一5 。c 5 0 。c 异 在安全 上或其他方面。显示器以矩阵形式制作在约3 2 0 mx 3 7 0 m m 的尺寸范围内 然疥埘激光分割，加热密封，甩置连接。驱动器灶标准现货的l c d 驱动。 酬l2 制作在厚度为1 2 5 岫的p e t 上的柔性显示器，i t o 作电极，采用现有的l c d 驱动器 k e n td i s p l a y s 公司还研究于反射和近红外显示器的胆固醇型c h o e s 怕n c ) 液晶。已开 发出柔性显示嚣用胆甾型渡晶聚合物封装技术。选种技术能在垂直方向把耋i 绿蓝反射面组装 在一起，因而c h o l e s t e r i c 液晶可咀形成不需要滤光器的全彩色的反射式显示器。 东自 学砸i 学位论文 幽13 不需要滤光器的全彩色的反射式显示器 台湾1 ：业技术研究院( i t r i ) 日前艘示r 一项摄新的柔性显示屏技术，毗及采用这一技 术的1 0 4 英寸彩色胆同醇液晶显示器( c h o l e s t e r l cl c d ，c h l c d ) - z 图i41 0 4 英寸彩色胆固醇液晶显示器 据i t r i 介纲，与采用传统的玻璃村底不同，这款1 0 4 英寸的彩色c h - l c d 显示器使用 丁两个塑料感光底层，厚度不超过1 0 毫米。它的结构设计十分简单井且具备义轻又薄的 特点，厚度比传统的彩色c h - l c d 显示屏薄了半。这种柔性1 04 英寸显示器的n t s c 色 彩饱和度是5 7 。 另外，i t p j 还演示了一献3 5 英寸单色c h - l c d 柔性显示屏它使月j 了单个塑料感光底 层，可以片j 在电子节等滚动式产品( r o l l t o - r o l l ) 中。 第一章绪论 幽i53 5 央寸旱色c h l c d 秉性显不衅 1 3 本论文主要研究内容 本文就是以柔性反射型胆甾相液品显示器件的制备工艺为研究对蒙，研究柔性基板的耐 性埘液晶盒制备的影响，在柔性基板上制备出可显示的反射聱! 胆甾相液品显示屏，实现壮屏 驱动，并研究制各工艺以及材料对样品的显示参数的影响，从而完善制备r 艺。具体工作如 f ： 1 了解反射型胆甾相液晶显示器件的i ，作躁理莆l 制备【艺在玻璃基板上制备山可显 示的反射性胆甾相液晶显示屏研究制各上艺以及材料对样品的显示参数的影响。 2 利用光刻技术，在柔性基板上制各电极，研究柔性基板的耐性对电极制各及液晶盒 制备的影响。 3 利用l c i ) 制备工艺在柔性基扳上制备出可显示的反射性胆甾相液晶显示屏。研究制 备工艺及材料对显示参数的影响，重点研究柔性基板对盘厚控制及均匀性的影响，完普制备 j 二艺。 4 观察经表面处理的柔性反射型胆甾相液品显示样屏内部的微观结构，研究其多畴结 构及其在施加电场后的变化，同时结合工艺制备参数，讨论工艺参数及材料与多畴结构形成 的关系，给出初步的结论。 东南大学顷l 学位论立 第二章反射型胆甾相液晶显示器件的工作原理 2 1 反射型胆甾相液晶显示器件的基本工作原理 将手性分子溶解在向列相液晶中，液品结构 出现螺旋畸变这种螺旋结构在纯胆甾醇酯中也 存在，故将这种螺旋向列相液品称作胆甾相液品。 胆甾相液晶的分子在同一平面上分子的长轴相互 平行，在不同平面上有不同的取向，各平面的指 向矢递层扭曲阜周期性螺旋结构排列，如幽2 - 1 所示。其螺距定义为指向矢扭转h 弧度的两个层 瓜的距离。 胆甾相液晶具有三种不同的分子排列结构， 一种是平面织构状态( p l a n a r t e x t u r e ) 称为p 态； 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 鏊璧誊瑟魄 么鹜鬻藤嚣融 瑟蟊蠢琵翟k 田2 - l 胆出相液的丝结构 为f c 态：另一种是垂直织构( h o m e o t r o p i ct e x t u r e ) ，或称为场致向列相称为h 态。 上述三种状态如图2 - 2 所示，在零电场下处于p 态的胆甾相液晶如图2 - 2 ( a ) 所示， 此时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。在p 态时如果 射光 的波k 与螺距p 相匹配，即o = 印( 一是液晶的平均折射率) ，恍将被反射，反射光为圆 偏振光，此时，p 态是一个零稳定态。反射波长 可由螺距来控制，所片j 的胆甾相液晶是 由丝状渣晶和手性材料拖台而成，螺旋距p 和手性材科浓度x c 的关系是8 ” p ：l ( i - 1 ) ( n r e ) + x c 其中h t p 是与手性材料有关的常数。通过诲节手性材料的浓度，很容易改变反射光的 颜色。 忡+ _ “冉蚺址- 山- ， o 怫h _ r 柏d 伍。一 塌欺向列相旧哺。附叩瑚 圈 2 胆甾相凄昌聃三种状态 对p 态胆甾相液晶施加一定强度的电场，则胆甾相渣晶可以从p 态转换为f c 态如图2 - 2 ( b ) 所示这是一种多畴结构，其螺旋轴分布杂乱无章，基本取向于平行基板的范围。当 此电场变为零时，f c 态在一定条什f 是稳定的构成了另一个零场稳定态。目前为使f c 态 在零场处于稳定状态，通常采用的方法有：在胆甾相液晶中添加粱台物，相应产生的器件称 为聚合物稳定胆籀相液晶( p s c t ) 类型；或对器柞进行表面处理，以形成零场稳定的f c 志，相应的器件称为表面处理反射胆甾相液晶显示( s u r f a c e m o d i f i e dr e f l e c t i v ec h o l e s t e r i c 纛 第二章反射型胆甾相液晶显示器件的t 作原理 d i s p l a y ) 。 处于f c 态的胆甾相液晶螺旋结构的周期性不复存在，呈现多畴状态，但每个畴内的螺 旋结构仍存在，因此它对入射光产生散射。如果在液晶上施加足够高电压的电场，液晶将变 化到h 态，如图2 2 ( c ) 所示。此状态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。而p 态和f c 态在零场下均为稳态，这样p 态时的反射态和f c 态时的 散射态构成一组对比态，这便是双稳态反射式胆甾相液晶显示器件的基本工作原理。 2 2 胆甾型液晶的多畴结构理论 反射型胆甾相液晶显示器件是零场双稳态的，即在不加电压的情况下，有反射的亮态( p 态) 和散射的暗态( f c 态) 两组对比态。但是，要使这种显示成为实用性显示，还必须有 一定范围的视角和足够快的响应时间。因此，提出了胆甾相液晶的多畴结构。对于单畴胆甾 相液晶，当光斜入射时，产生的b r a g g 反射光的波长和强度会随着入射角的变化而产生偏移。 但是，产生螺旋轴具有一定分布的多畴结构，则可弥补这种偏移，使一定视角范围内波长的 偏移量减小，从而满足实用的要求。另外，从相变角度来看，胆甾相液晶产生多畴结构后， 产生相变的时间可以缩短，从而改善器件的响应时间及驱动电压。 目前，形成胆甾相液晶的多畴结构并获得零场的散射f c 态，是通过添加聚合物或表面 处理使之稳定的。采用添加聚合物而获得多畴胆甾相液晶已经进行了许多研究，包括形成聚 合物网络结构，调整聚合物掺浓等等。但是，添加聚合物将会使获得的胆甾相液晶的粘度增 大，这对器件的响应时间不利。采用表面处理方式获得多畴胆甾相液晶反射显示样品，即对 基板表面采取适当的摩擦取向，可以产生多畴结构，对器件的响应时间没有大的影响。 胆甾相液晶由向列相液晶添加手性材料混合制成。胆甾相液晶螺距的大小，通过调整手 性材料的浓度来控制。胆甾相液晶多畴结构是由许多边界较明显的大畴构成，每个大畴中又 包含许多颜色深浅不一、波长相近的小畴。虽然大畴尺寸各不相同，但它们小畴尺寸比较接 近。其中，大畴称为向错畴，小畴称为核心畴。因此，胆甾相液晶的多畴结构可描述成由向 错畴将液晶内部划分成许多大的区域，每个向错畴内部又限定着许多核心畴。 胆甾相液晶的多畴结构可简单地用图2 3 表示。其中小圆内部的图形表示螺旋结构及螺 旋轴的取向6 l 。 图2 - 3 多畴结构的简化示意图 9 东南大学硕士学位论文 2 3 弹性连续体理论在胆甾相液晶中的应用 当组成物质的原子或者分子的空间尺寸远大它们随时间变化的尺寸，同时其变化过缓慢 时，把组成物质的每个原子、分子的微观状态看作连续体，以此用来描述宏观的物理性能。 将基于这些观点的理论称为连续体理论，用来描述在弹性力学、流体力学或者电磁学方面各 向异性流体的宏观物理性能。液晶中许多物理现象的研究都可以忽视单个主成分子的存在， 而将其视为连续介质进行处理。二十世纪五十年代，f - c f r a n k 在前人研究的基础上，整理 并提出了曲率弹性理论，也就是我们现在所称的液晶连续体弹性形变理论，简称液晶连续体 理论，它是描述液晶对外场的响应、流体性能及取向起伏的液晶性能的有效手段。 液晶一般都是由大的、近乎刚性的分子构成的，在某一方向上分子的线度要比其余两 个额方向上的线度大许多或者小许多。前一种情况呈现长形的分子，后一种情况呈现扁平的 分子。对于长形分子，最简单的模型是把它看作刚性长棒，或刚性椭球，目前显示器件中经 常使用的三类液晶。向列相液晶、胆甾相液晶、近晶相液晶均属于棒状分子。在宏观上把液 晶当作连续体来处理的液晶连续体理论中，经常引用一个平滑的矢量场力来描述液晶中的排 列状态，进而讨论液晶的各种各向异性的物理特征，可以把刀看作描述液晶分子的长轴取向， 矢量力称为指向矢。由于体系的对称性，刀和哦无区别。在体系为平衡状态时，整个宏观 体系的指向矢是一定的，表示为1 1 0 ( 基态) 。通常，当厅受到容器壁，外场( 外力、电场、 磁场) 热起伏的作用时将引起空间和时间上的变化。因此，n 是位置( 位置用矢量，表示) 和时间t 的函数，即甩= 霄( 厂 ，) 。静态情况下，一只依赖，刀= 刀( ，) 。在液晶连续体理论中，假 设除去在液晶中的一些奇异点或奇异线之外，一是位置，缓慢变化的连续函数。当液晶各 处的指向矢偏离了它们在平衡状态时所指的方向时，则液晶发生了形变。液晶的形变可分为 三种类型：展曲，扭曲和弯曲，与之对应的弹性常数记为局，k 2 2 ，局，。 f 。j 1 【t ，砂2 + 如伽v 刀一i k 2 夕2 + 髟，向v 砂2 一寺f - 刀p f ( 2 - 2 ) 一篆袅簟二篡了舶(2-3)- 啪搐 f 2 j 爿刀( 力。v 刀一意) 图2 4 胆甾相液晶的螺旋结构 一 召 1 0 第二章反射型胆甾相液晶显示器件的工作原理 胆甾相液晶的同有螺距p 为 p=乏7【挈(2-4) r 2 矿0 ，为正螺距，即右螺旋结构，p 0 ，为负螺旋结构，即左旋结构。由于露和讲 是相当的，所以螺旋结构的重复性周期，即空间周期为粤，即兀薏身。在电场作用下，指 向矢发生形变，导致胆甾相液晶相态的变化。下面研究在电场作用下液晶的弹性连续体理论 在胆甾相液晶中的应用【6 2 6 】。 2 3 1 胆甾相液晶平面织构到焦锥织构的转变机理 通常胆甾相液晶的初始态是平面织构状态( p 态) ，当平行于螺旋轴施加电场时，根据 所加电场的大小，它将转变为焦锥织构状态( f c 态) 或者场致向列相态织构状态( h 态) 。 胆甾相液晶处于p 态时，分子是螺旋结构，螺旋轴垂直于玻璃基板。当平行于螺旋轴 施加电场时，电场值超过某个阈值电场时，分子层将产生一定畸变，整个平面结构裂变成许 多小畴，由于取向各不相同，因而产生强烈的散射，即变成焦锥织构( f o c a lc o n i ct e x t u r e ， f c 态) ，当电场撤除后，这些畴仍继续存在。根据h e l f r i c h 公式闽值电场e e f 为 曝= 笔瓜瓦瓮) ( 毛) 式中d 为盒厚，其余参数如前定义。 在电场作用下，由于分子间作用力，处 于f c 态的小畴仍具有螺旋结构，并且处于 f c 态的小畴随机取向，宏观呈现散射态， 螺旋轴在接近平行基板方向的区域内随机 取向。分子的指向矢如图2 5 所示，设分子 层与x o y 平面的夹角为良它与小畴转动过 程中螺旋轴与基板法线的夹角相等，所以， 口亦代表小畴螺旋轴的分布。因此，可得到 指向矢在外加电场作用下的表达式为 f 以= c o s 矽( z ) c o s0 l 乃= s i n q k ( z ) (2-6) f 刀。：c o s 矽( z ) s i np l ( 2 5 ) 式中巾( z ) 是分子指向矢的扭曲角，是外加电场的函数，以下用巾表示。 将式( 2 - 6 ) 代入自由能公式( 2 2 ) 中，经推导可得在电场作用下由p 态转换到fc 态时， 分子指向矢及小畴螺旋轴分布的理论方程。 东南大学硕士学位论文 l 毋= s i n 2 s i n 2 # k ( # ) 2 + y ( u ) 2 一2 s i n 2 口( 1 + k c o s 2 ) + f c o s 2 0 ”= 0 g z = s i n 20 ( 1 + k c o s 2 ) ( 矽) 2 一f ( 妒) 2 2 y ( u ) 2 c o s 2 + 2 s i n 矽= 0( 2 7 ) l9 3 = 2 4 ( 1 + yc o s 2 矽s i n 2 0 ) 矿”+ ys i n 2 s i n 2 8 u ，= 0 热炉丝d z 一= 堕d z 2m = 警朋= 窘 2 3 2 胆甾相液晶焦锥织构到向列相态织构的转变机理 处于f c 态的胆甾相液晶，撤除电场后在某种 外界条件下，如添加聚合物或进行基板表面处理， 这种状态仍然维持，这就是胆甾相液晶的另一个 零场稳定态。 处于f c 态的胆甾相液晶的指向矢如图2 6 示，可表示为 f 7 ，= c o s ) n y = 0 ( 2 - 8 ) 【吃= s i n ) 式中，触) 是分子的扭曲角，是外加电场的函 数，下面简单表示为。 r 图2 - 6f c 态胆甾相液晶指向矢 在外加电场的作用下，螺距结构产生畸变，研究表明随着电场的增加，螺距增大，畸变 加剧。当电场继续增加，接近某个临界场强时，此时的螺距趋向于无穷大，液晶接近于向列 相态。可见，当电场达到临界场强，螺距p 发散，便产生了螺旋结构的解旋，从而得到场致 向列相态( h 态) 。相应的临界电场称为解旋电场疋，其表达式为： 乞：2 兀2 f 生1 2 ( 2 9 ) 8 0 s a1 p o 2 3 3 胆甾相液晶平面织构到向列相态织构的转变机理 处于零场的p 态，需要显示的信息已被记 录，当需要刷新时，通常在电场作用下将p 态 变成场致向列相态。 对于处于p 态的胆甾相液晶，其螺旋轴垂 直于基板，施加垂直于基板的静电场层，当电场 值高于一定值时，指向矢将发生倾斜，螺旋结构 产生而畸变形成锥状结构，指向矢如图2 7 所 示，可表示为： 1 2 z 图2 7p 态到h 态相变过程中的指向矢 第二章反射型日h 甾相液晶显示器件的工作原理 p ( z ) 为分子倾角，妒( z ) 为分子扭曲角，均为外加电场的函数，以下简单表示为鲫。 为研究简便起见，研究一个小畴，高度为h ，h 通常可取一至二个螺距长( 1p 2 p ) ， 并假定它处于上下基板中间，基板的边界对其影响可以忽略，而对其核心小畴本身，由于分 子间作用力，分子呈扭曲3 6 0 。排列，它的边界可假定为强锚泊情况。经前人推导得到，平 衡状态下的欧勒拉格朗日方程组： i 蜀= s i n 2 0s i n 2 够 k ( 9 ) 2 + y ( v ) 2 一2 s i n 2 0 ( 1 + k c o s 2 妒) + f c o s 2 0 妒”= o g e = s i n 20 ( 1 + k c o s 2 妒) ( 妒) 2 一f ( c o ) 2 2 7 ( ) c o s 2 够 + 2 力 s i n0 妒= 0 lg s = 2 ( 1 + yc o s