（物理电子学专业论文）反射型胆甾相液晶显示器件光电特性研究.pdf

东南大学顾十学位论文 摘要 硕f 研究生姓名：张俊导师姓名：李青学校：东南大学 多畴双稳态朋甾相液晶反射显示足近几年发展起来的种反射式液晶显示，它足利用平 面织构状态的b r a g g 反射亮态和焦锥织构状态的散射暗态构成对比态实现显示。其最显著特 点是具有零场双稳态，从而易实现低功耗反射显示。 本文着眼于表面处理型的双稳态反射型胆甾相液晶显示器件的工艺制各，主要包括电极 制作，取向剂的涂敷，摩擦取向及液晶灌注工艺。并在此基础上研究胆甾相液晶多畴结构以 及工艺参数与多畴结构和光电特性的关系。在多畴结构的研究中，主要关注p 态到f c 态的 转变，f c 态到h 态的转变及h 态到p 态或b - c 态的转变。在利用实验室现有的工艺设备和 条件，制备了反射犁胆甾相液晶显示样屏，优化了表面处理型反射犁朋甾相液晶显示器件的 工艺参数并针对某些工艺环节进行研究，并给出了各主要工艺实验结果示意图。应用胆甾相 液晶反射的光电特性模型，结合试验的数据，得出了胆甾相液晶反射的基本光学特性。其中 重点讨论了液晶材料，p i 同化，以及摩擦取向对于多畴结构的形成及光电特性的影响。减 小摩擦深度和滚轮速度，提高平台速度有利于形成我们所需要的多畴结构，降低相变电压。 关键词：胆甾相液晶，工艺流程，多畴结构，光电特性， 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i d o m a i nb i s t a b l er 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 s ( c h l c d ) h a v eb e e na k i n do fr e m a r k a b l er e f l e c t i v e d i s p l a yi n r 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 d b yt h et w o c o n t r a s t i v es l a t e sb e t w e e nr e f l e c t i v eb r i g h ts l a t e ( p l a n n a rt e x t u r e sb r a g g ) a n dd a r ks t a t e ( f o c a l c o n i c ss c a t t e r e d ) i ti sar e f l e c t i v ed i s p l a yw i t hl o wp o w e rc o n s u m eb e c a u s eo fi t st w os t a b l e s l a t e sa tz e r of i e l d t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e do nt e c h n o l o g yo fr e f l e c t i v ec h l c d i n c l u d i n gt h ef a b r i c a t i o no f e l e c t r o d e ，t h ep r j n t i n go fp lr u b b i n ga n dt h ep e r f u s i o no ff i q u i dc r y s t a l o nt h eb a s 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 so n m u l t i d o m a i ns t r u c t u r ea n d p h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i ch a d b e e n m s e a r e h e d d u r i n gt h er e s e u r c ho nm u l t i - d o m a i ns t m c t u r e ，t h et r a n s i t i o no f pp h a s et o 陀p h a s e ， f cp h a s et ohp h a s ea n dhp h a s et opp h a s eo rf cp h a s eh a db e e nm a i n l yr e s e a r c h e d u s i n gt h e e q u i p m e n to fo u rl i b ，o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so ft e c h n o l o g y , t h er e s u l t s o ft e c h n o l o g y e x p e r i m e n t sa n ds a m p l es c r e e nh a v eb e e na c h i e v e d a p p l y i n gt h er e f l e c t e dm o d e lo fc h l c d p h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c ，c o n n e c t i n g t h ed a t e so fe x p e r i m e n t s ，t h eb a s i cr e f l e c t e dr u l eo f c h l c dh a db e e na c h i e v e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l s ，s o l i d i f y , r u b b i n g a n dp h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i ch a db e e ng i v e n w e a k e n i n gt h er u b b i n gt h ep i l ei m p r e s s i o na n d r o t a t i o nf r e q u e n c y , i n c r e a s i n gt h er o l l e rt r a n s p o r tv e l o c i t ya r eh e l p f u lt of o r mt h em u l t i d o m a i n a n dl o wt h ep h a s et r a n s i t i o nv o l t a g e k e y w o r d s ：c h l c d ，t e c h n o l o g ym u l t i d o m a i n ，p h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e f i s t c v 东南大学硕士学位论文 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员献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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。 一魏玛l 一名：盟一硼垆j l n 第章绪论 第一章绪论 俄幽著名作家高尔基说：“书籍是人类进步的阶梯”。书籍在人类文明的传承和发展中起 着不可替代的作用，人类正是踩着书籍这个文明的阶梯，完成了从风餐露宿，茹毛饮血的猿 人到“顺风耳，千里眼”的现代人的进化。随着e 时代的来l 临，传统的纸质书籍越米越不 能满足人类发展的需要。随着显尔技术的高速发展，电子书( e - - b o o k ) 的出现逐渐成为可 能，最早出现的c r t 可以像书籍一下显示文字图像信息，可以算是最早的电子书雏形，但 其笨重的外j f ：和功耗完全不能满足真正电子书的要求。6 0 年代末，液晶显示的出现揭开了 叩板显示的序幕，在近二三、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。向液晶显示器件的麻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 扭曲向列相液晶显示( t n l c d ) 、超扭曲向列相液晶显示( s t n l c d ) 及薄膜晶体管液晶显 示( t f r - l c d ) 为主。以上产品主要是透射型l c d ，但透射式液晶显示器的功耗较大，没有体 现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、重罱轻的反射式液晶显示近年柬普 遍被人们关注，尤其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被研制出来。比较成熟的类型有聚合 物电子微粒、电泳显不以及双稳态且日甾相液晶显示( b i s t a b l e c h l c d ) 1 l o 前者利用了聚合 物微粒在电场作用下的电泳作用显示所需的颜色，通常聚合物中有黑色颗粒和白色颗粒或者 足一种颗粒一半是n 色一半是黑色，通过电场可以控制所需显示的颜色。后者利用平面织构 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 r 阵列就可 实现大容荤，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。 东南大学硕十学位论文 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 及实验室从事胴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 能应用十信息显示中。在1 9 6 9 至1 9 7 0 年间，r b m e y e f l 2 l 和f r e d e r i cj k a h n 3 1 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究陆”。 虽然当时从实验中观察到相变，但对相变机理不十分了解。加之当时合成朋甾相液晶的 稳定性( 尤其是化学稳定性) 不好，介电常数备向异性( 出) 值较人的材料也不多，使相变 电压达到i o o v 左右。因此，在随后的几年间，有关脾甾相液晶的研究几乎处十停顿状态。 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。ls a k a t a 等人向列相 液晶里加入于性添加剂，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胜的关系，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。以上这几种显不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 i j 相 的双稳态特性开始了反射式胆甾相液晶显示的研究。 由于双稳态反射且日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费基础。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府速度极为不利，其响戍时间甚 至可达到几百毫秒。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 2 第章绪论 统的l c d 工艺。由于不添加聚合物，使材料粘度大为降低，可以进一步提高响府速度。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，以扩大视角嘲。 对于表面稳定犁胆甾相液晶器件，取向技术足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，许多研究人员还住不 断探索更好的取向技术，并且做了大罩的工作。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”捌。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 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，能达到的平均预倾角为3 。7 0 4 。可足，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 yp e t e rb 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1 “。一些研究者开发出新的取向材科1 2 1 ”，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m 。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。 也有些研究者从胆甾相液晶材料入手，为了提高且日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，使显示亮度改善两倍；为降低丁作电压，开发出了一种e 6 0 的高介电各向异性化合物作为掺合物。m i n k y ul ( i m t ”1 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雎的目的。 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 3 东南大学硕十学位论文 薄，重罩轻，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 m c 显不器件”， 不仅性能上优于怙统玻璃基板显示，向且其柔韧性强，甚至在显示中，也能弯曲成半径2 0 m m 弧度，i 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。 在器件驱动力面，如果采用逐行扫描的驱动方法，响应时间达几十毫秒，比较适合显示 静态图象，而不适合动态图象的显示。为提高响应时问，驱动方浊采用了一些新的方法。 x “h 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，百段动态驱动方案等，较好地改善了响应速度，使响应速度进4 步接近动画视频显示的 水平。同时，为提高显示质量，消除显示中的黑带，还提出了管道输运方案2 0 】。在这之后， 更多的研究者投入了胆甾相液晶的驱动工作中。为了，降低驱动电压，a r y b a l o c l 咄a 等人在 a k o z a c h e n k o , v s o r o k i n l 2 1 1 等人的“u i ”动态显示方案基础上，提出了“u 万”动 态驱动方案，实现了更多线稃驱动，加快了平均寻址速度并降低了驱动电压。肯特公司 提出了一种低成本的驱动方案，他们利用现有的s t n 驱动芯片，针对s t n 芯片的局限性， 结合胆甾相液晶驱动原理，建立了全新的动态驱动方案，使每行成本低于0 0 3 美元，可能 是目前最低的胆甾相液晶驱动。 在实现反射式胆甾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 出采用叠层结构嘲而不采用滤色器实现彩色显示的方案，使之成为该类器件实现彩色显示 的有效途径。 为了实现反射式胪甾相液晶灰度，利用了胆甾相液晶的多稳态特性，i c h a s h i m o t o 2 4 等 人实现了多级灰度驱动，从而可以实现反射式胆甾相液晶的全色显示。 1 2 反射型胆甾相液晶显示器件的工作原理 将手性分子溶解在向列相液晶中，液晶结构出现 螺旋畸变，这种螺旋结构在纯且日甾醇酯中也存在，故 将这种螺旋向列相液晶称作胆甾相液晶。腰甾相液晶 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，各平面的指向矢逐层扭曲，呈周 4 田i - l 里督相麓矗的螺肇鲒樟 第章绪论 期性螺旋结构排列，如图i - i 所示。其螺距定义为指向矢扭转知弧度的两个层面的距离。 胆甾相液晶具有三种不同的分子排列结构，一。种是甲面织构状态( p l a n a rt e x t u r e ) ，称 为p 态；第_ 种足焦锥织构状态( f o c a lc o n i ct e x t u r e ) ，称为f c 态；另一种足垂直织构 ( 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i - 2 所示，在零电场下，处于p 态的胪甾相液晶如图i - 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，如果入射光 的波长与螺跑p 相匹配，即= n p ( n 足液晶的平均折射率) ，则光将被反射，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，所用的胆甾相液晶是 由丝状液晶和手性材料混合而成，螺旋距p 和手性材料浓度x c 的关系是 p ：l ( h t p ) + 其中 r r p 是与手性材料有关的常数。通过调节手性材料的浓度，很弈易改变反射光的 颜色。 对p 态胆甾相液晶施加一定强度的电场，则胆甾相液晶可以从p 态转换为f c 态，如图 1 - 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 态在一定条件下足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聚合物，相应产生的器件 称为聚合物稳定胆甾相液晶( p s c t ) 类型；或对器件进行表面处理，以形成零场稳定的f c 态，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 fr t + ( b ) 焦锥织构( f o c a lt e x t u r e ) = = = ! ! 嚣= 竺= 、ll ( c ) 场致向列相c h o m e o t r o p i c ) 图l 一2 胆甾相液晶的三种状态 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 5 鳖一 东南丈乎硕十中位论j 化到h 态，如图1 2 ( c ) 所示。此状态分子都沿电场方向排列，液晶足透明的。对处于h 态的胆甾相液晶。当电挂迅速降到霉时，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。i f 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。组对比态，这便足双稳态反射式胪甾相液晶显示器件的基本 作原理。 1 3 本论文主要研究内容 胆甾相液晶畴在狭窄的盒内能够保持各自不同的取向并具有长期的稳定性。图1 - 4 ( a ) 表示胆甾相液晶畴的集合。黑线表示每个畴中且日甾相液晶的对称轴，在集合中，各液晶畴对 称轴的分布可以从大体1 致到完全散乱。胆甾相液晶分子指向矢在每个畴中呈旋转排列，左 旋或右旋，旋转一周的厚度称螺距p 。图1 - 4 ( b ) 表示在半螺跑中，液晶分子指向矢的旋 转和对称轴的关系。 本文主要研究胆甾相液晶显示器件 的宏观光电特性和其体工艺参数的关系。 在制各反射型胆甾相液晶显示器件的工艺 基础上，研究工艺参数与反射型且日甾相液 晶显示器件相变电胩和反射率的关系。通 过调整下艺参数，微观上观察胆甾相液晶 多畴的形成及其相变的过程，宏观上检测 图1 - 4 ( a ) 胆甾相液晶畴的集合；( b ) 在半螺距中 记录相变电压和反射率来得出反射型胆甾 分子指向矢的旋转和对称轴的关系 相液晶显示器件的显示规律。 本文从反射式液晶显示器的发展状况出发，阐述了多畴双稳态胆甾相液晶反射显示良好 的发展前景和目前的研究状况。在此基础上，利用实验室现有的丁艺设备和条件，研究了反 射型胆甾相液晶显示器件的整个制备t 艺流程，制备研究多畴结构和光电特性所需的样屏。 在研究多畴结构的过秤中，采用带偏光系统的f a 0 0 生物显微镜，观察了经表面处理的膪甾 相液晶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，重点讨论了摩擦表面处理下艺参数与多畴结构形成的关系。引入胆甾相液晶反射 模型，重点研究不同的工艺参数对光电特性的影响，结合试验所得的数据研究表面取向型胆 甾相液晶的反射规律。 6 第审反射颦且u 饼， 同液晶8 孙辟的制蔷 第二章反射型胆甾相液晶显示屏的制备 液晶显示器件( l c d ) 制造技术足在加世纪7 0 年代发展起来的一门新兴产业。液晶显 示器件由于体积小、重帚轻、功耗低等诸多优点，正被广泛地心用于各种显示领域。其制造 工艺随翥新丁艺、新材料的开发及使用蛰求的提高而不断得到更新。基于反射型胆甾相液晶 显示屏的结构，它的许多t 艺流程与现自成熟的t n s t n - l c d 、t f t - l c d 制造工艺相兼容。 2 1 设计与制版 首先，在制备反射型且日甾相液晶显示样屏之前，确定了实验样屏的外观尺寸、显示面积、 电极数1 = t 及宽度等参数，具体如下 取向层面积封接框宽 外观面积显不面积电极宽度电极间隔 度 4 0 x 4 0l 尺寸6 8 5 94 0 x 4 03 5o 5 注：单位m m 。 另外，在样屏制备过程中，需要在导电玻璃的导电层上制成所要求的电极图形，这个过 程日前都是用咒刻技术柬完成的。光刻l ，要用到具有特定图形的光刻掩模版。光刻掩模版分 铬板和胶片两种，常用的软性胶片掩模版通常称为菲林，习惯上又叫做掩模。由于使用正性 胶设计成正版图，通过制版方法在胶片制成与电极图形对应的黑白图案，黑色区域能遮挡光， i f 盯透明区域能让咒通过，它类似平常所见的黑白照相底片。 样屏制备丁艺中几个比较重要的工序分为光刻、p i 涂覆、摩擦取向、丝印成盒等几个 工序。光刻工序足在i t o 玻璃上刻出电极图形，其中曝光中所用的掩模版需要设计，通常 冈为l e d 盒由上、下i 啦层基板组成，所以有上基板光刻掩模版和下基板光刻掩模版。p i 涂 覆方式有几种，但i ：1 前较流行的是选择涂覆。选择涂覆需要用一种凸版，制作凸版需要菲林 胶片，这种菲林胶片也需要依l c d 向设计。丝印成盒工序需要丝网印刷，丝网印刷所用的 7 东南大学硕十学位论文 丝网制作，也斋璺曲张菲林胶片，一张足丝印封边框的s e a l 版，另张足印导电点的d o t 版。 至此，根据所要制作的液晶显示器的外形j t 寸、显示内容、显示逻辑等要求，可以进行 抢模版版图设计及制作。基本制版稃序如下图所示。 厂一否百一厂一i i i 荔磊l - r 丽i 囊一 一一一一一一一一一 硅4 一 镕j 鬻 一 r 一一 _ ”* h j # g # ，一一一。 l i p 一一一 l 一 糍畦辫巍# 8 糕簿一 l 一。一一 一、光刻抢模版 光刻掩模版制作通常使用两种方法，一种是传统的贴膜照相翻版的方法；一种足用计算 机处理光绘制版的方法。 ( 1 )照相制版 一般先做出负片然后冉翻成适合使用的正片。菲林的制作过程简单地说是先照相，然后 将放大了的红膜图形( 通常放大1 0 倍) 固定在一个板面上，用初缩机将原图进行初步缩小； 初缩后的图像再用精缩机制成与设计要求尺寸相同的图形；然后分步重复曝光，再把已照相 ( 曝光) 的菲林放入显影液中显影，显影后对图像进行定影，再冲沈菲林上的药液，冲洗干 净后凉干，裁去多余的边角，这样就制成了符合要求的菲林版。 ( 2 )光绘制版 光绘制版与照相制版不同在于它用仪器代替了大部分手1 ：操作。具体地讲，它是把计算 机设计的图形软件转换成光绘机能够运行的文件，用光绘机光源直接在菲林上曝光制成与设 计要求完全一致的图形。它的特点足精度高，速度快。 二、取向剂掩模版 取向剂抢模版通常称之为a p r 版，它是用于印刷取向剂工序，它的制作过稗如图所示。 三、丝网掩模版 丝网版用于丝网印刷t 序，分为印框版和印点版两种。丝网版的制作流稃如同所示。 8 第一章反射型j l i 甾相液晶显不屏的制备 田圈圈 下： 按以上程序，制作了实验使用的咒刻掩模版、取向层掩模版、丝网掩模版，样图分别如 2 2 工艺流程 反射型胆甾相液晶显示器主要由i t o 导电玻璃、液晶、封接材料、导电胶、取向层、 衬垫料等组成。样屏制备过程就是这些材料的加工和组合过程。其具体工艺流程如下图 2 2 - 1 ，2 2 - 2 所示。 一 r r l ( a ) j 口口 口口 如) 圈誉冒圈 ( c ) 图2 2 1 ( a ) r i o 光刻掩膜版图；( b ) 丝网封框掩膜版图；( c ) 取向层掩膜版图 9 东南大学硕士学位论文 “。 一 一”6o “= = 。 # d j 一。g 圣，絮i 璺- 簪? a “一一 一 ： t n 。一严一一一 型璺壁 委算萝冠 z j “、 一 i - _ - - _ ltt，tf 套= ，# = 二一 图2 2 - 2 样屏制备工艺过程示意图 2 2 1 透明导电电极的制作 透明导电膜是一层透明导电的金属氧化物，目前有两种材料，种是i t o ，它是掺有锡 的氧化铟，本实验中就采用i t o 膜：另一种是s n 0 2 。一般采用溅射法或蒸发沉积法整板涂 敷透明导电膜，膜厚要均匀，以保证有均匀的亮度。透明导电电极的形状由显示方式或内容 决定，可用光刻蚀法来完成。首先在i t o 玻璃表明用贴膜机均匀地压上一层保护膜，保护 膜应该很紧密地和1 t o 玻璃接触，不能产生气泡。把掩膜紧密的平压在要曝光的i t o 玻璃 表面，在掩膜和1 t o 玻璃之间不应该有气泡，不然会在曝光中导致个别坏点，从而影响最 终的电极质量。曝光后的i t o 玻璃在n a h c 0 3 溶液中去胶，刻蚀，用于f r o 膜光刻的刻蚀 液一般用热盐酸水溶液中加1 硝酸，或氯化铁刻蚀液，刻蚀速率为每分钟2 0 8 0 n m 。最 后用碱液沈去保护膜，再用去离子水清洗i t o 玻璃，纯净的带有所需图案的1 t o 电极就制 各好拉。 1 0 一， = 学 。一 鳕一 第一二章反射犁h 臼；i 相液晶显示肼的制备 2 2 2 摩擦取向t 艺 在反射犁且日岱相液晶显示样屏制备t 艺中，取向排列t 艺是一个关键t 艺，它能使液晶 分子在屏内按一定方向排列。是实现且日甾相液晶多畴结构的重要手段之一。 取向方式有倾斜蒸镀法、摩擦法以及近来发展起来的紫外光照射取向法，本实验使用的 是摩擦取向方法。 摩擦法足沿一定的方向摩擦玻璃基片，或是摩擦涂覆在玻璃基片表面的无机物或有机物 覆盖膜，以使液晶分子沿着摩擦方向排列。用棉布等材料摩擦玻璃基片表面可以实现对液晶 分子取向的约束，但其取向效果不佳。一般采用的方、法是在玻璃基片上涂覆一层无机物膜或 有机物膜，冉进行摩擦，这样可以获得较好的取向效果。本实验使用的是有机物聚酰亚 胺，因为聚酰哑胺不仅涂覆方便，对液晶分子有良好的取向效果，而且还具有强度高、耐腐 蚀、致密性好等优点。 摩擦取向的一般工艺流程如图所示。 圈日困咂咽 涂膜一般采用液体涂布的方法，这样可以依靠液体的表面张力得到平整、厚度均匀的膜， 然后预烘得到初步的同体膜，最后经过高温缩合周化成所需的取向膜。常用的涂布方法有三 种：一种足旋转涂膜法；把基板固定在在一个高速旋转的圆盘上并滴上若干滴取向剂，通过 圆盘的高速旋转，依靠离心力把取向剂均匀地涂敷在基板表面，通过调节旋转的速度和时间 可以控制最后成膜的厚度。对于旋转涂敷法，取向剂的粘度有一定要求，如果太稀，不易成 膜，如果太稠，由于张力不够，容易晕线状，浪费溶剂，而且不易成膜。另一种足浸泡法； 把基板浸到溶剂中，取出飓去多余溶剂。浸泡法的缺点是溶剂用晕大，不易形成均匀的膜厚。 再一种是凸版印刷法；首先将图案印刷到一个转印板上，让后把转印板上的图形印刷到基板 上。凸版印刷的优点足成膜比较薄，比较均匀，但工序比较复杂。本实验使用的是丝网印刷 法和旋转涂敷法。丝网印刷法工序相对简单，适合小批量的试验。选择涂敷法成膜比较均匀， 比较薄，工艺也相对简单。涂敷好的取向膜层在静置3 0 分钟左右流平，先通过8 0 c 9 0 东南大学硕十学位论文 的预烘，将溶剂挥发掉，然后在通过梯度升温法固化l 2 小时，脱水形成取向膜。 目前取向力法土要自i 摩擦法和紫外取向法。摩擦法：在取向膜上用绒布向一个力向摩擦， 就可以形成取向层，取向层处的液晶分子将按照摩擦的方向排列。摩擦的方法是用包在旋转 滚筒上的绒布对传送带或运动台面上的玻璃基板进彳了摩擦。摩擦方向的调节可以用两种方 法， 一种足调节滚筒的角度，如图2 2 2 一l ( a ) 所示；一种是调节玻璃基板的角度，如图 2 2 2 1 ( b ) 所示。摩擦丁岂上的调整主要包括滚筒转速的调整、传送带走选的调整和摩擦 布绒毛艉入深度的调整。摩擦的效果可以用摩擦密度或摩擦强度束进行衡晕。摩擦密度定义 为： 雕攘封始 # 剜l 踱 善w 摩橼鳓寐 氇。厂酶蠕 t $ 苍 ( b ， 2 2 2 一l 摩擦取向示意图 m ：肘( 竺一1 ) v 其中，m 是摩擦次数；r 足滚筒半径； v 是平台的走速；。是滚筒转速。 摩擦效果的好坏直接由以下几个 i 4 素 决定：摩擦布绒毛压入深度； 平台走 速；o 滚筒转速；摩擦布类理； 滚筒 的半径。 紫外取向法足用线性紫外偏振光照射 聚合物可以使液晶分子取向，其丁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 yp e t e rb 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梓酸，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。一些研究者开发出新的取向材料，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。 2 2 3 制盒工艺 制盒就足把两片导电玻璃对叠，利用封接胶贴合起来并同化，制成间隙为特定厚度的玻 璃盒。其工艺流稃如图 1 2 第章反射型胂甾相 f | 【晶品不肼的制备 离：离：固+ 回圈+ 困划d 一、封框胶的印刷 液晶显示用封框胶主要有两大类：热同化胶和紫外光( u v ) 同化胶。两种胶主要区别 在十其固化上式的不同。实验中使用的足热周化胶。液晶封框胶一般足用丝网印刷法将封框 胶印刷在玻蝻基板上的。首先丝网印刷油墨是由封框胶、衬垫料和溶剂组成，它们充分搅拌 后放入真空室除去多余气泡，然后上印刷台使用。需要注意的足：封框胶应在o c 以下，干 燥的环境中储存，在使用前2 4 小时左右从冰箱中取出，放至室温后使用，使用中要保证一 定的粘度。 二、衬垫的撒布 为保证液晶层间隙的均匀性，必须在封框胶中掺加定比例的玻璃纤维，同时也必须在 显不区内均匀散布一定阜相府粒径的甥料衬垫料( s p a c e r ) ，两者共同作用来保证盒间隙的 一致性。衬垫的种类很多，主要有树脂制成的球状衬垫，玻璃纤维制成的棒状衬垫，还有由 z n o b 2 0 ，s i 0 2 系统为基础的玻璃微珠团。球状衬垫的平均球径和棒状衬垫的棒直径为衬垫 粒径，一般在3 7 9 m 。目前采用的衬垫撒布方式有阿种：干式撒布和湿式撒布，分别对应 有两种撤布设备。撤布设备如下图2 2 3 一l 所示。 2 2 3 1 擞播设备示意囝 1 3 干式撒布使用的 设备是千喷机。其工作 原理是利用一定的气 压下，使同态衬垫在一 定大小的空腔内以一 定速度作空间运动，从 而使衬垫均匀地撤布 在空腔中放置的i t o 东南大中硕十学位论文 玻璃上。为了保让撤布的均匀性，需要严格控制电压，气压、速度及衬垫用晕的调整。此种 机器操作过稃为：放置玻璃一加料( 开机喷撒) 一取走玻璃。 另一种是湿式撒布方式，对府使用的设备是湿喷机。它有三个喷头，分别用股管与不断 旋转的盛料筒相接，对每根胶管加入。定的等值气压，喷头以。定速度和角度摆动。调节每 个喷头的喷洒量，使每片自动从轨道运行到位的r i o 玻璃上被撒布一层衬垫。把衬垫混入 易挥发的自机溶剂中用气压将溶液从喷嘴中高速喷出成雾状，然后j l l i i 落在i t o 玻璃上，溶 液挥发后衬垫就附在了玻璃上。衬垫的密度取决十衬垫在溶液l l 的含鼍和喷射时间，速度。 这种方法要求衬垫在溶液里璺均匀分布，而且溶液对衬垫无反应，在常温下能快速挥发。 三、对位热压固化工艺 印刷完封框胶的上、下玻璃基板在基板已撒布好衬垫料后，就可进行对位压合工艺。 首先，按照对位标记，上、下玻璃基板先对位粘合进行预压，至预定的厚度后就在1 5 0 ( 2 左 右烘烤6 0 9 0 分钟，使封框胶固化。固化时在上、下玻璃上加一。定的压力，以使盒厚保持 均匀。同时筚料衬垫料在热压过程中产生的永久性形变与热压丁艺确密切关系。实验表明， 热压时间、热压胩力、热肤温度都影响衬垫料的永久性形变，并且随热雎时间的延长、热压 温度的升高和热压压力的增大而增大。冈此，为了得到一致性良好的盒厚，热压工艺的波动 要尽可能小，除热豫时间、压力要得到精确的控制外，热压温度更要尽晕均匀。 2 2 4 液晶灌注及封口工艺 灌注液晶及封u 的作用在于：向空盒中灌入液晶并严密封口，形成稳定、均匀的液晶盒， 同时还必须避免杂质或气体的侵入而影响显示器的品质。 灌注液晶的方法有针头式灌注、浸泡式灌注及近来发展起米的滴下式注入法( o d f ) 。 实验中使用的足浸泡式灌注法，将空盒放置在抽真空的液晶灌注密闭室内，盒中的气体由封 口处抽出，然后使封口处接触液晶，并向真空室内充气，液晶在外界气压作用下，被充入空 盒内。灌注液晶如图2 2 4 1 所示。 1 4 第一章反射型且h f ； 相液晶显示屏的制备 一 藏晶盒露注示雷图 l 誓l2 2 4 1 通过试验我们发现，加热灌注对液晶材料本身并无破坏作用，但灌注后立即封口，会产 生低温发泡及黑点。这可能是因为被加热得液晶粘度变低表面张力变小，有一定量的空气存 在于液晶分子之间，冷冻时，液晶分子间隙变小，分子问的空气被挤出，使其凝聚成气泡或 者黑点，所以我们认为最佳的灌注条件是陶：1 环境温度控制在2 3 c 2 6 c 。2 对粘度低 于4 0 m 2 s1 的液晶，宜采用常温灌注方式，调配液晶的粘度需根据实际情况调整。3 对粘度 高于4 0 m 1 2 s1 的液晶，宜采用加热灌注方式，加热温度选5 0 6 0 c 为宜。液晶灌注后，不 应将玻璃片立即取出进行封口。而应当继续放在液晶槽内，等冷却至室温后再进行封口。 封口工艺是采用密封胶粘接封口，通过冷冻方法，让封口胶恰当地收缩带入封 | 内，再 通过光或热的作用，使其本身发生化学交联或聚合作用，形成牢固的封口。封口工艺可采用 两种方法达到密封效果。一种是让液晶盒内的液晶受热膨胀从盒内排出一少部分的液晶，然 后点封口胶，让胶少量收缩再将胶固化；另一种是先用封口胶把封口封住，然后冷冻使液晶 收缩带入少量的封口胶，并固化。而封口胶的同化方法有紫外光固化和热同化两种，紫外光 固化足利用紫外光照射的方法使封口胶固化；热同化是使用加热的方法使封口胶同化。 2 2 5 试验制备的样屏 通过上述工艺流程，最后制得试验所需要的样屏如图2 2 5 1 和2 2 5 2 所示。 东南大学硕十学位论文 图2 2 5 1 液晶屏外观图 2 3 工艺参数研究 2 3 1 取向膜的涂覆 图2 2 5 2 液晶微观图 对于取向荆，本实验使用的是上海交通人学高分子研究所研制的p i - 5 型聚酰砸胺。它 的各项技术参数为 固体含量粘度粘附性 钠含量 1 2 3 0 0 0 厘泊( 3 0 )1 0 0 合格 l p p m 实验使用的是旋转涂膜法，如图所示2 3 1 1 。将待涂膜的玻璃基板置十转盘上，在玻 璃基板上滴取向剂溶液，然后开动旋转台高速旋转，在离心力和液体表面张力作用下就可形 成一层很薄的均匀膜层，膜厚可以通过液体粘度及旋转台转速来调节。这种方法成膜简单， 实验也证明膜厚也比较均匀，但成膜率比较低，且只适于膜层很薄的场合，并且膜层区域定 位较困难，而且还会影响银点胶的导通性和封框处的结合性。鉴于这些考虑，实验改用丝网 印刷法制取取向膜。此种方法的优点是可以把取向膜印制在指定范围的区域内，这样就不会 影响到银点处的导通性和边框处的气密性。膜厚可以通过取向剂溶液浓度、印刷压力及网版 距等来调节。丝网印刷好的取向膜在静置3 0 分钟左右流平后，先通过8 0 c 9 0 c 的预烘， 将溶剂挥发掉，然后在2 0 0 下固化1 2 小时，脱水形成取向膜。 1 6 第一章反射型月u 幽相液晶显不屏的制备 2 3 2 摩擦取向 图2 3 1 1 旋转涂敷 厶 台 未经处理的p l 层本身是不具有定向能力的。使p i 层具有定向能力的方法是，用特殊的 绒布( 称摩擦布) 往一个方向摩擦。与p i 层表面接触的液晶分子将按照摩擦的方向平行排 列，这样可获得一。致的取向。摩擦取向的机理解释目前尚有争议，一种比较被广泛接受的理 论是“表面沟纹理论”。即经过摩擦后，p i 层表面被“刨”出很密集的深浅，宽窄不一的沟 纹，然后液晶分子尺寸相当的那些极细微沟纹( 纳米级) 使起到了取向的作用。摩擦时如果 出现了较多的宽大的沟纹，这些宽大的沟纹不仅对取向无益，反f i i 是影响取向效果的主要因 素之一。为了获得良好的摩擦效果，应该在减少宽大沟纹的同时，增加细微沟纹的密度。 滚筒的旋转方向一般选择正向，即旋转的力向与玻璃前进的方向相同。冈此，必须根据 滚筒的旋转方向来确定摩擦布绒毛的倾斜方向，一般摩擦布上的绒毛都是按一定角度倾斜排 列的，如图所示2 3 2 1 麓鍪羹 锵椭鳓删俐，参 i 憾 1 7 东南大学顾十学位论文 如祟绒毛方向与滚筒方向的对应关系出错，则摩擦时p i 层会被破坏f i 】出现摩擦划痕， 划痕力向与摩擦方向相晕直，并按+ 定间隔均匀排列。所以，在贴装摩擦布时，需事先辨认 好绒毛的倾斜方向，以免出错。同时，摩擦布贴装后，可以用以下方法来检验安装的正确与 否：用曲片涂有p l 并同化好的玻璃，按4 5 。方向摩擦后，在。片玻璃上滴上回收的向列相 液晶，另一片玻璃按贴合方向贴合，放在有偏光系统的光台上观察，因为9 0 。的旋咒效应， 贴合后的玻璃间匀液晶的