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东南大学硕士学位论文 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 摘要 多畴烈稳态胆甾相液晶反射显示是近几年发展起来的一种反射式液晶显示，它是利用 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。虽然 这类显示器的前景非常看好，但目前尚处于实验研制阶段。主要存在两个问题：1 驱动电压 高：2 响应速度慢，目前不适合动态视频显示。为此，许多研究人员在器件结构、驱动电路、 村料、制作工艺等方面进行了许多研究。 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，弗在此基础 上研究工艺参数与胆甾相液晶多畴结构形成的关系。在利用实验室现有的工艺设备和条件， 制备了反射型胆甾相液晶显示样屏。确定了制各表面处理型反射型胆甾相液晶显示器件的工 艺参数，并给出了各主要工艺实验结果示意图，其中重点讨论了摩擦表面处理工艺参数与多 畴结构形成的关系，并给出了初步的结论。驱动电路方面，阐述了目前流行的胆甾相驱动方 法，并给出了本文所运用的驱动方案，包括详细行、列、单元象索驱动波形图、电路模块图， 基本实现了全屏显示。 关键词：胆甾相液晶，反射显示，多畴结构，摩擦取向，驱动 东南大学硕士学位论文反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 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 y i nr e c e n ty e a r s t h i s d i s p l a yi s r e a l i z e d b yt h et w o c o n t r a s t i v es t a t e sb e t w e e np l a n n a lt e x t u r e s b r a g gr e f l e c t i v eb r i g h t s t a t ea n df o c a lc o n i c s s c a a e r e dd a r ks t a t e t w os t a b l es t a t e sa tz e r of i e l di si t sm o s tn o t a b l ec h a r a c t e r i s t i c ，s oi t i sal o w p o w e rr e f l e c t i v ed i s p l a y i ti sn op o l a r i z e r ，r e a d a b l ei ns u n l i g h t ，a l s op l a s t i cd i s p l a y , s u i t a b l et o e - p a p e ra p p l i c a t i o n ，a n dr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o n s i t sf u t u r ei sf i n e ，b u ta tp r e s e n ti sd e v e l o p i n gi n l a b b e c a u s et h e r ea l et w ol i m i t a t i o n s ：o n ei s h i g hd r i v i n gv o l t a g e ，t h eo t h e ri ss l o wr e s p o n s e s p e e d - s om a n yr e s e a r c h e sw e r ed o n eo nt h es t r u c t u r e ，d r i v i n gc i r c u i t ，m a t e r i a l ，m a n u f a c t u r e p r o c e s sa n ds oo n t h r o u g ht h em a n u f a c t u r eo ft h es u r f a c e - t r e a t e db i s t a b l er e f l e c t i v ec h l c d t h er e l a t i o ni s s o d i e db e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dc h o l e s t e r i cl i q u i d sm u l t i d o m a i nf o r m ，b y l a b se x i s t i n g p r o c e s se q u i p m e n t sa n dc o n d i t i o n s ，t h es a m p l eo fc h l c di sm a d e p r o c e s sp a l a m e t e r so ft h e s u r f a c e - t r e a t e db i s t a b l er e f l e c t i v ec h l c d sm a n u f a c t u r e a r ec o n f i r m e d ，a n dm a i np r o c e s ss k e t c h m a p sa r es h o w n a l lo fi t , t h er e l a t i o nb e t w e e nr u b b i n g a l i g n m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d m ”1 l i - d o m a i nf o r mi sd e e p l yd i s c u s s e da n dt h e p r i m a r yc o n c l u s i o ni sm a d e a tl a s t t h ep r e s e n t l y p o p u l 8 。d r l y i n gm e t h o d so f c h l c d a r ee x p l a i n e d a l s ot h ed r i v i n gs c h e m e p a p e ru s e di sp r e s e n l i n c l u d i n gt h ed r i v i n gw a v eo fr o w , c o l u m n ，a n dp i x e la n dt h ec i r c u i tm o d u l em a d f u 儿s c r e e n d i s p l a yi sr e a l i z e d k e ) c h l c d ，r e f l e c t i v e d i s p l a y , m u l t i d o m a i n ，r u b b i n ga l i g n m e n t , d r i v i n g i j 东南大学学位论文独创性声明 、，6 4 4 3 4 3 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：塞毯燕日期：吃型：1 2 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：基丛盏导师签名：查盔日期：脚啦；7 东南大学硕十学位论文 反射型腊甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 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 嚣什。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摄成熟、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 t - 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 器什低功耗的优点，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近年来普遍被人们关 注，尤其在当令移动信息工具( 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 反射型胆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 ) 。它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 e c a l c 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象，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 制各在软基底上。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 d 2 1 和f r e d e r i cj k a h n 御等人分别 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 寅取向的情况。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 东南大学硕士学位论文 反射型胆鞘相液晶显示器件多畴结构形成及研究 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j 。 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 ) 值较大的材料也不多，使相 变电压达到l o o v 左右。因此，在随后的几年间，有关胆甾相液晶的研究儿乎处于停顿状态。 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 ，lo 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。 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：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。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【6 j 。 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【7 。1 。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 2 东南大学硬士学位论文 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 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 | 里也提到一种获得多畴、宽视 角的液晶显示，它的取向层是种全新的成阶层间隔的墙似翳块状( 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 。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【】o “1 。9 0 年代初，s c h a d t t l 0 1 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 i l 。一些研究者开发出新的取向材料【1 21 ”，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盼”l 。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l 使显示亮度改善两倍：为降低工作电压，开发出了一种a 8 - 6 0 的高介电各向异性化台物作为掺台物。m i n - k y uk i m ”喀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。 反射式艟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”】， 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，响应时间达几十毫秒，比较适合显 示静态图象，而不适台动态图象的显示。为提高响应时间驱动方法采用了些新的方法。 x - y 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，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 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f “。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 h k a 等人在 a k 。z a c h e n k o , v _ s 。r o k i n i g h 等人的u 互”动态显示方案基础上，提出了“u 、驱”动 东南大学硕士学位论文 反射型艟甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 态驱动方案，实现了更多线程驱动，加快了平均寻址速度并降低了驱动电压。肯特公司2 2 1 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， 结台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【2 3 1 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。 为了实现反射式胆甾相液晶灰度，利用了胆甾相液晶的多稳态特性，k h a s h i m o t o l 2 4 1 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，这种螺旋结构在纯胆甾醇酯 中也存在故将这种螺旋向列相液晶称作胆甾相 液晶。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 面的指向矢逐层扭曲，呈周期性螺旋结构排列， 如图1 - 1 所示。其螺距定义为指向矢扭转2 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， 一种是平面织构状态( p l a n a rt 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 c t e x t u r e ) ，称为f c 态；另一种是垂直织构 图1 - l 胆甾相液晶的螺旋结构 ( 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。上述三种状态如图卜2 所示，在零电场下，处于p 态的胆甾相液晶如图1 - 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 果入射光的波阪与螺距p 相匹配，即0 = 印( h 是液晶的平均折射率) ，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 4 查堕查兰堡主堂焦堡壅 星墅型塑望塑堕曼星墨竖竖堕丝塑受堕垦! ! ! l 尸= 丽1( 册p ) + 皿 其中h t p 是与手性材料有关的常数。通过调节手性材料的浓度，很容易改变反射光的 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 态在一定条件下是稳定的构成了另个零场稳定态。目前为使f c 态在零场处丁二稳定状态，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 d i s p l a y ) 。 芒= = = = = = = = ， ( 町平面织构( p l a n a r t e x t u r e ) 卜。 ( b ) 焦锥织构( f 。8 1 1 讪他) c ) 场致向列相( ho meo tr o p ic 图卜2 胆甾相液晶的三种状态 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1 - 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。 此外，加在液晶显示器上的电压都式脉冲式的矩形波，不能用快降或慢降的方式来控 制液晶的状态，但对双稳态胆甾相液晶，这却不成问题。可以用脉冲来改变液晶的状态，其 原理如图1 - 3 所示。如要把液晶从f c 态改变到p 态，我们就对液晶加一个高脉冲，在高脉 冲期间液晶变到h 态。商脉冲过后，液晶跃迁到p 态。如要把液晶从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 态。 5 查塑盔兰堡主兰垡笙苎 垦塾翌望堂塑堕曼星茎墨生童堕丝塑堑盛墨堡壅 v o i 8 这类显示器的前景非常看好，但目前 尚处丁实验研制阶段。主要存在两个问题， 一是驱动电压比其它液晶器件高，达儿十 伏，二是响应速度较慢，在儿毫秒甚至 l 十毫秒数量级上，目前不适合动画、视 频显示，只适合静态显示。驱动电压的降 低主要取决于胆甾相液晶材料的合成及物 理参数的改进，一旦材料方面研究取得进 展驱动电压就可能降至几伏至十几伏， l t e c t i o h 厦射书 p f cf c产c h t 图卜3 用脉冲来改变胆甾相液晶显示器的状态 满足实用需要。而影响响应速度的因素主要有胆搿相液晶的相变机理，多畴结构的形成及其 驱动方法等等，而各种驱动方法取决于器件工作机理。胆甾相液晶的相变姓一个非常复杂的 动力学过程，多畴结构的形成涉及到液晶中的缺陷的产生、成核过程，同样也是一个非常复 杂的过程，有待于专家们进一步的研究。 1 3 本论文主要研究内容 液晶是介于晶体和液体之间的一种物质状态，既具有液体的流动性，又在一定程度上具 有晶体的有序性。另一个液晶和晶体的相似性常常被人们忽略，这就是晶畴结构 2 ”。在晶 体生长的过程中，由于杂质、边界、振动和温度变化等因素的影响，一般都很难长成单晶， 而是长成多晶畴结构。晶畴的大小和取向是很稳定的。液晶也有类似的情形，但不及晶体那 样稳定。即使一瓶有序性很好的向列相液晶，也并非是全部分子取向大体一致的连续整体， 而是分成许多液晶畴。在每个畴内，分子有大体一致的取向，称作指向矢，各畴的指向矢呈 无序分布。液晶呈乳白色，这是因为光线通过指向矢各异的畴时，因其折射率不同，而造成 的光散射。把这种液晶注入狭窄的液晶盒中( 例如1 n 盒的间距一般为1 0 以i l l 左右) ，使 上下边界取向相互垂直。在不加电场时，各畴的指向矢在边界作用下，从上表面到下表面均 匀地旋转9 0 度。在加电场后，所有晶畴的指向矢随之变化，这和把液晶看成一个整体的宏 观光学结构没有差异，液晶畴的存在被淹没了。在这种边界和电场条件下，向列相液晶畴不 具有稳定性a 把向列相液晶换成胆甾相液晶后情况就可能发生变化。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。 黑线表示每个畴中腮甾相液晶的对称轴- 在集合中，各液晶畴对称轴的分布可以从大体一致 6 查壹查兰堡主兰丝笙兰垦堑型丝笪塑堕曼望委墅堡童堕丝塑堡堕垦! ! 壅一 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 ) 表示在半螺距中，液晶分子指向矢的旋转和对称轴的关系。 f l 一对称抽 图1 - 4 ( a ) 胆甾相液晶畴的集合；( b ) 在半螺距中分子指向矢的旋转和对称轴的关系 本文就是以胆甾相液晶晶畴结构为研究对象，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胆甾相液晶显示器件多畴结构形成的关系。通过调整工艺 参数，微观上观察腿甾相液晶多畴的形成及其相变的过程。 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，研究了反射式胆甾相液晶显示工作原理，同时 确立了本课题的主要研究方向。 利用实验室现有的工艺设备和条件，研究了反射型胆甾相液晶显示器件的整个制各工 艺流程，包括掩模版设计一1 1 d 电极刻蚀一取向膜涂覆一摩擦取向一封框胶印刷一s d 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，制备了反射型胆甾相液晶显示样屏，确 定了制备表面处理型反射型胆甾相液晶显示器件的工艺参数，并给出了各主要工艺实验结果 示意图，为获得胆甾相液晶的多畴结构奠定了实验基础。 采用带偏光系统的e 4 0 0 生物显微镜，观察了经表面处理的胆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 摩擦表面处理工艺参数与多畴结构形成的关系，并给出了初步的结论。 在胆甾相液晶显示驱动电路方面，阐述了当前流行的胆甾相液晶显示驱动方法，包括 动态驱动法、p 态刷额法、累计驱动法，并结合三段动态驱动法的驱动原理，给出了本文所 运用的驱动方案，包括详细行、列、单元象素驱动波形图、电路模块图，基板实现了全屏显 示。 东南大学硕士学位论文 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 第二章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阃变化的尺寸，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，rc 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艮棒，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。这三类液晶分 子的排列如图1 - 2 所示。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 一个平滑的矢量场月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h 看作描述液晶分子的长轴取向，矢量n 称为指向矢。由于体系的对称性，w 和 无区别。在体系为平衡状态时，箍个宏观体系的指向矢是一定的，表示为h 。( 基态) 。通常， 当月受到容器壁，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。 囡此，n 是位置( 位置用矢量，表示) 和时间t 的函数，即n = h ( r ，0 。静态情况下，月只依赖 ，t h = h ( ，) 。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，n 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k t | k 2 2 ，k ”。 对于温度为t ，体积为圪的液晶体系，在位置函数的指向矢空间( 指向矢场) 中当 系统内部发生弹性形变，驭向状态由基态n o 变化到”( ，) 状态时。经过推导可得到液晶的 f r a n k 自由能密度g 的表达式： f 5 i 州v 妒+ 似n v n - k 。2 ) 2 + 如( 棚) 2 】 在电场e 作用下，体积为v 。的液晶系统的自由能为 ( 2 】) 8 查堕查兰堡主堂垡丝苎 垦堑型望堕塑鎏曼星鲞登壁兰堕堕塑丝堕墨堑壅 f = 三e m - + 砂2 + 吒：p v 力一惫，2 + 蜀，阳v 矿一石1 口口p r ( 2 _ 2 ) 式中岛是与液晶材料螺距有关的弹性常数。 。 二三三三三二7 向列相液晶和胆甾相液晶是光学单轴性 二二三蚤= 二：7 的各向异性流体，因此( 2 ，1 ) 式和( 2 2 ) z 二三三! ! 三：三二 式对于胆甾相液晶是适用的。当胆甾相液晶 二三三三二7 。 二三三= 二= 7 处于零场时，能量处于最低状态，液晶中相 二二三三! 二7 邻两平面中的措向矢 具有螺旋式转动的状 着 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h 和4 是相当的，所以螺旋结构的重复性周期，即空间周期为弩，即”毒i 。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q 。 2 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。当乎行于螺旋轴 施加电场时，电场值超过某个阚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 ur 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z 为 9 东南大学硕士学位论文 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 e 2 ，= 鼍瓜瓦( 鼍) ( ) 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 在接近平行基扳方向的区域内随机取向。分子 的指向矢如图2 - 2 所示，设分子层与x o y 平面 的夹角为只它与小畴转动过程中螺旋轴与基 ( 2 ，5 ) 图2 - 2p - f c 态相变中指向矢的表示 板法线的夹角相等，所以。0 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 1 7 ，= c o s 妒( z ) c o s0 n y = s i n e ( z ) ( 2 6 ) i 7 。= c o s ( z ) s i n0 式中十0 ) 是分子指向矢的扭曲角是外加电场的函数，以下用m 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。 j 毋= s i n 2 s i n 2 妒 k ( 妒) 2 + ，( ) 2 一2 s i n 2 8 ( 1 + k c o s 2 妒) + f f c o s 2 口 妒 = 0 = s i n 2 目 ( 1 + k c o s 2 庐) ( 庐) 2 一f ( 币) 2 2 2r ( v ) 2 c o s 2 妒 + 2 s i n ：0 ( 2 7 ) i 毋= 2 2 ( i + y c o s 2 妒s i n 2 0 ) y ”+ ，s i n 2 庐s i n 2 0 庐1 = 0 热护警_ 。= 窘加= 警m = 岩 2 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，如添加聚台物或进 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。 x 图2 - 3 f c 态胆甾相液晶指向矢 1 0 东南大学硕士学位论文 反射型胆甾相波晶显示器件多畴结构形成及研究 处丁f c 态的胆甾相液晶的指向矢如图2 - 3 示，可表示为 f 几；c o s ) 力，= 0 ( 2 墙) 【力：= s i n # ( y ) 式中，是分子的扭曲角，是外加电场的函数，下面简单表示为 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l 艋界场强时，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臣，其表达式为： 弹n 2 罄一 ， 2 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 z 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 f ，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 - 4 所示，可表示为： 图2 4 p 态到h 态相变过程中的指向矢 口，= c o s 妒( z ) c o sd ( z ) 以= s i n 矿( z ) c o s 日( z j ( 2 。l o ) 力；= s i n 日( z ) 口( z ) 为分子倾角，为分子扭曲角，均为外加电场的函数以下简单表示为甜口凼 为研究简便起见，研究个小畴- 高度为h ，h 通常可取一至二个螺距长( 1p 印) ， 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f 的欧勒，拉格朗日方程组： 东南大学硕士学位论文反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 晶= s i n 2 0s i n 2 妒 k ( 母) 2 + y ( u ) 2 一2 s i n 2 8 ( 1 + k c o s 2 p ) + f c o s 2 日 驴 = 0 g ? = s i n 20 ( 1 + k c o s 2 妒) ( 妒) 2 一f ( 妒) 2 2 y ( u ) c o s 2 t p + 2 彳 s i n 日妒= 0 = 2 ( 1 + y c o s 2 妒s i n 2 8 ) 矿”+ y s i n 2 舻s i n 2 日妒u = 0 ( 2 1 1 ) 式中各参数含义如上所定义。 对于一个小畴，其边界条件为 式中p 为胆甾相液晶的螺距。 反射型胆甾相液晶之所以能够实现显示，理论上就是依据上节中所叙述的胆甾相液晶各 相态之间的相互转变机理。其三种状态之间的相互转变与电压的关系见图2 5 所示。 固型固 彳鬈m 回 图2 - - 5 胆甾相液晶三态转变图 1 2 查塑查堂堡主堂竺丝苎垦塾型里垡塑堕曼星重矍! 堕堕丝塑登壁垦! ! ! ! 一 第三章反射型胆甾相液晶显示屏的制备 液晶显示器件( l c d ) 制造技术是在2 0 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、重量轻、功耗低等诸多优点，正被广泛地应用于各种显示领域。其制 造t 艺随着新工艺、新材料的开发及使用要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工艺流程与现有成熟的t n s t n l c d 、t f t - l c d 制造工艺相兼 容，本文在现有实验室工艺设备及条件下，制各了表面稳定型反射型胆甾相液晶显示样屏， 并确立了一套完整的制备工艺参数，为此后的胆甾相液晶多畸结构形成研究奠定了基础。 3 1 设计与制版 首先，在制备反射型胆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、电极数目及宽度等参数，具体如下 取向层面积封接框宽 外观面积显示面积电极宽度电极间隔 度 尺寸6 8 5 94 0 4 01l4 0 4 01 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 程目前都是用光刻技术来完成的。光刻中要用到具有特定图形的光刻掩模版。由于使用正性 胶故设计成正版图，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 光而透明区域能让光通过，它类似平常所见的黑白照相底片口”。 样屏制备工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 ：】二序。光刻工序是在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 因为l c d 盒由上、下两层基板组成，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。目前较流行的是选择涂覆，实验中用到了旋转涂膜法和丝网印刷法。丝网印 刷取向膜需要菲林胶片，这种菲林胶片也需要依l c d 而设计。丝印成盒工序中封框胶的印 制也是丝网印刷，也需要制作菲林胶片。 至此，根据所要制作的液晶显示器的外形尺寸、显示内容、显示逻辑等要求，可以进 行掩模版版图设计及制作具体如下： 东南大学硕十学位论文 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及耐f 究 一、光刻掩模版 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；一种是用计 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再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( 通常放火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，再冲洗菲林上的药液，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工操作。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。它的特点是精度高。速度快。 二、取向剂掩模版 取向剂掩模版通常称之为a p r 版，它是用于印刷取向荆工序，它的制作过程为：菲林版制 作一a p r 版曝光一a p r 版冲洗一烘干。 三、丝网掩模版 丝网版用于丝网印刷工序，分为印框版和印点版两种。丝网版的制作流程如图3 - l 所示。 + 田+ 圈圈 图3 - l 丝网版的制作流程 按以上程序，制作了实验使用的光刻掩模版、取向层掩模版、丝网掩模版，样图分别 如图3 - 2 所示： 3 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3 3 所示。 j 4 东南大学硕士学位论文反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构形成及研究 口口 r l f 时 图3 - 3 样屏制各工艺过程示意图 3 2 1 透明导电电极的制作 查堕查兰堡主兰丝堡壅 堡塾型坚堂塑壅曼里重堡堡兰堕堕塑墅堕墨! ! ! l 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t 一种是i t o ，它是掺锡的 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扳涂敷 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。用于1 t 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 。具体工艺见图3 - - 3 ( a ) ( f ) 。 3 2 ，2 摩擦取向工艺 在反射型胆甾相液晶显示样屏制备工艺中，取向排列工艺是一个关键工艺，它能使液 晶分子在屏内按一定方向排列，是实现胆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。 摩擦法是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，再进行摩擦，这样可以获得较