Дисплеи на жидких кристаллах

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавливаемые в комнате аттракционов в местах общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исполнении.

Первой такой игрой в России стала игра "Ну, погоди!", освоена отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементом является жидкокристаллический матричный дисплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления, заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее "высвечивается" время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый момент времени.

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка, которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя.

Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного "скручивания" слоев молекул ЖК на 90° между стеклами. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК. Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект "скручивания" поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (и приблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллическим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее, ученые и конструкторы добились налицо грандиозных успехов в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма "Сони" наладила производство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с цветным изображением и размером экрана 3,6 см.

ГЛАВА 2. ОРИЕНТАЦИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ НА ПОВЕРХНОСТИ

2.1 Метод натирания

Метод натирания используется для создания планарной гомегенной ориентации НЖК. Исследование методом электронной микроскопии натертой поверхности выявили систему параллельных выступов и канавок шириной 1 мкм, вдоль которых укладываются молекулы НЖК. Экспериментально было установлено, что планарная ориентация вызывается индуцированной анизотропией межфазной энергии. С увеличением анизотропии, имеющей порядок 10^-1 эрг/см², энергия сцепления молекул НЖК с поверхностью возрастает. Важным результатом, определившим дальнейшее направление поиска методов ориентации, явилось установление ее зависимости от оптической или топологической анизотропии поверхности. Обычно анизотропия межфазной энергии достигается натиранием поверхности, покрытой слоем полимера. На начальной стадии исследований в качестве ориентирующих материалов использовались разбавленные растворы длинноцепных полимеров: как правило, полиимида, в котором наводится оптическая анизотропия. Натирание по полиимидным пленкам в одном направлении создает малые углы ориентации молекул ЖК (6 – 9⁰). Используя параллельное или антипараллельное натирание стенок ЖК ячеек, можно получить слой со статической деформацией поперечного изгиба или однородной наклонной структурой.

Натирание поливинилового спирта (ПВС) приводит к укладыванию полимерных цепочек (-СНОН-СН₂-СН₂-СН₂-) в направлении натирания. Параллельность цепи ПВС поверхности стекла или слою ITO обеспечивается путем адсорбции ПВС из раствора на силикановые группы ОН-Si≅. Наклон молекул НЖК к подложке вызван асимметрией в расположении петель макромолекул, ориентированных натиранием. Предварительное натирание прозрачных электродов алмазной пастой с размером зерна 0,5 – 1 мкм дает более однородную ориентацию при последующем нанесении ПВС и уменьшает угол наклона директора к подложке на 0,5^о. К недостаткам ориентации натиранием относят недостаточно сильное сцепление ЖК с подложкой, трудность получения оптической однородности из-за загрязнения поверхности при натирании и возникновения локальных электростатических полей. При нагревании поверхности до температуры 500 ^оС возникает опасность исчезновения индуцированной анизотропии.

Для придания анизотропных свойств поверхности были также разработаны другие методы, не имеющие упомянутых недостатков: косого напыления окислов, нанесения лэнгмюр-блоджеттовких пленок, создания голографических решеток и микрорельефа средствами микроскопии сверхвысокого разрешения, а также воздействия поляризованным облучением.

Картинки? еще инфа?

2.2 Метод косого напыления

Метод косого напыления различных материалов для создания планарной ориентации ЖК был предложен Яннингом. Он состоит в создании микрорельефа хрома, платины, алюминия, золота, моноокиси кремния или германия, и других материалов толщиной менее 1000 ангстрем на подложке при напылении под углом примерно 85о к нормали. Поверхностная структура зависит от напыляемого материала и режимов напыления: угла, скорости и толщины пленки. Так, при косом напылении SiOпод углом 80о молекулы МББА ориентируются длинными осями под углом до 28о к подложке при толщине ориентата более 50 ангстрем и параллельно направлению напыления, а при толщине менее 50 ангстрем - перпендикулярно направлению напыления в плоскости подложки. Если после напыления SiO под углом 60о образец поворачивали на 90о и вторично напыляли слой толщиной порядка 5 ангстрем под углом 85о, ориентация директора оказывалась параллельной направлению вторичного напыления. Увеличение толщины слоя SiO при вторичном напылении увеличивает угол наклона молекул НЖК до 30о. При одновременном напылении SiO из двух источников обеспечивается ориентация директора под углом 6о. Напыление MgF2 дает аналогичные результаты, но с меньшими углами наклона директора.

Условиями ориентации можно управлять плазменной обработкой поверхности слоев после полимеризации. К таким слоям относится аморфный гидрогенизированный углерод α-С:Н, дающий стабильную планарную ориентацию смесей на основе гомологов цианобифенилов и нашедший применение для оптической блокировки и в качестве отражающего покрытия в ЖК модуляторах.

Для создания анизотропного микрорельефа поверхности были предложены и другие методы ориентации: ионное травление диэлектрической пленки, сканирование электронным или лазерным лучом, литографическое и голографическое нанесение решетки выступов и впадин. Создание периодической решетки комбинацией голографического и литографического методов на стеклянной подложке со слоем ITO также обеспечивает однородную и воспроизводимую однородную ориентацию. На решетках с шагом 0,5 и 0,7 мкм и глубиной 400 ангстрем достигнута величина поверхностного ориентационного порядка S_s = 0,66.

Планарная ориентация НЖК на рельефной поверхности рассматривалась с позиций теории континуума. Рассмотренная модель объясняет, почему директору легче ориентироваться вдоль канавок планарно. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало, что ориентация на поверхности полимера определяется не только рельефом поверхности, но и эффектами объемного ориентационного упорядочения и силами межмолекулярного взаимодейтвия полимера и ЖК.

Для создания планарной ориентации использовались мономолекулярные слои ориентантов, наносимые на поверхность методом Лэнгмюра-Блоджетт (ЛБ). Поверхностная анизотропия в монослое достигается за счет направленного потока, возникающего при осаждении мономолекулярного слоя на поверхность. Планарная ориентация НЖК объясняется химическим взаимодействием с поверхностью с учетом вклада упругой энергии деформации. С увеличением усилия натирания и понижением температуры угол наклона молекул к подложке возрастает.

еще инфа? или норм?

2.3 Метод нанесения поверхностно-активных веществ.

Нанесение поверхностно-активных веществ (ПАВ) обеспечивает воспроизводимую гомеотропную ориентацию. ПАВ абсорбируются поверхностью или пограничным слоем, изменяя соотношение энергии на поверхности раздела.

Для создания гомеотропной ориентации НЖК применялись слои полиамидной смолы, лецитина, гексадецилтриметиламония бромистого. Лецитин ориентировал МББА гомеотропно независимо от того, натиралась ли подложка или нет. Ориентирующая сила различных амфифильных пленок уменьшается с увеличением плотности упаковки. Это позволило объяснить механизм ориентации НЖК физико-химическим взаимодействием. Надежная гомеотропная ориентация возникает при использовании полярных подложки и ПАВ, обеспечивающих сильную адсорбцию на поверхности и способствующих большей энергии сцепления гомеотропно ориентированного слоя с подложкой.

ПАВ можно не добавлять в НЖК, а наносить его непосредственно на поверхность. Поскольку адсорбированные слои ориентата могут изменяться со временем, то применяют слои с сильной связью с подложкой. К ним относятся органосиланы.

(есть рисунок, хз надо ли)

Ориентация НЖК поверхностью подложки обусловлена физико-химическими процессами (диполь-дипольное взаимодействие, водородные связи) и механическими взаимодействиями, вызванными анизотропией упругой энергии НЖК. Физико-химическое взаимодействие обычно является преобладающим. Исключение составляет косое напыление ориентата, когда при слабом сцеплении топографический аспект преобладает над физико-химическим. Это подтверждено экспериментами с решетками разного шага (0,3 – 3,33 мкм) на различных покрытиях (SiO, SiO₂, ITO) с НЖК различных структур. Поведение НЖК на гладкой поверхности стекла и косонапыленной пленке SiO (60^о) вблизи фазового перехода в изотропную жидкость по наблюдению остаточного двулучепреломления и переориентации директора в магнитном поле. На стекле остаточное двулучепреломление сохранялось при превышении температуры просветления почти на 10 ^оС, а на границе с косонапыленной пленкой SiO возникала полидоменная структура. Это объясняет различие в полученных результатах.

Планарная и гомеотропная ориентации являются идеализированными, поскольку почти всегда директор несколько отклонен от нормали или от поверхности. Наклонную ориентацию создают иногда специально, комбинируя топологический фактор и ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия. Примеров является получение больших углов наклона директора (106 – 125^о) при нанесении НЖК 7ЦБ на косонапыленную пленку SiO, покрытую ПАВ, дающую после натирания гомеотропную ориентацию. Углы наклона НЖК, образуемые при различных скоростях напыления ориентата (1-15 А/с) на основе SiO₂, TiO₂, MgF₂, Al₂O₃ и SiO толщиной около 2000 А также уже были измерены учеными. Дополнительные возможности в получении наклонной ориентации МББА на стеклянно подложке дают ПАВ. Предполагалось, что ПАВ с короткими алифатическими цепями вместо гомеотропной должны давать наклонную ориентацию. Для этого изучалась зависимость угла ориентации МББА на поверхности с мономолекулярными слоями алифатических моноаминов (С_nН_2n+1-NH₂) с различными длинами цепи (6 <= n <= 16). Коноскопические исследования показали, что при n>=12 создается гомеотропная ориентация, а при n<= 10 – наклонная, причем угол наклона от нормали увеличивается с уменьшением длины цепи.

В ЖК-ячейке с наклонной ориентацией НЖК возможны два случая. В первом – направления натирания совпадают, и угол наклона по толщине не является однородным; во втором – направления натирания противоположны, а угол наклона по толщине одинаков. Второй случай более предпочтителен. Угол наклона можно определить из величины порога переориентации однородного слоя НЖК под действием электрического и магнитного полей при определенной геометрии эксперимента. Для различных применений нужны разные условия ориентации. Малый угол наклона (1-2^о) для твистовых ЖК-дисплеев создается натиранием по полиимидной пленке. Для обеспечения углов наклона 5^о и более для супертвистовых ЖК-дисплеев используют пленки полиимида с алкиламиновыми цепями, подвергаемые натиранию. Большие углы получают добавлением к полиимиду хромовых солей или трифторкарбоновых соединений, что используется в проекционных дисплеях, эксплуатируемых при температурах до 60 ^оС.

Зависимость угла наклона молекул от температуры для различных структур изучена в работах ученых. Она является квадратичной функцией упругой поверхностной энергии и зависит от топографии поверхности и ван-дер-ваальсовских сил взаимодействия. Разработка методов наклонной ориентации вызвала необходимость измерения углов наклона директора к подложке. Для этого были разработаны несколько методов измерения, основанных на наблюдениях коноскопической картины ориентированных одноосных НЖК, полному внутреннему отражению и фазовой задержке, релеевском светорассеянии, флуоресценции красителей в ЖК-матрице.

2.4 Метод светоиндуцированной ориентации.

Из рассмотренных методов наибольшее применение получил метод натирания по полиимиду. Однако он имеет ряд недостатков. В процессе натирания поверхность может загрязняться посторонними включениями, подвергаться механическому разрушению и на ней возникают электростатические заряды, ухудшающие качество ориентации. Поэтому в последние годы был разработан новый бесконтактный метод светоиндуцированной ориентации.

Метод светоиндуцированной ориентации является бесконтактным и исключает загрязнение и разрушение поверхности, а также наведение электростатических зарядов. К его достоинствам относится возможность создания ЖК-структур с заданным азимутальным направлением директора в выбранной области, что обеспечивает увеличение углов обзора, а также повышение производительности в изготовлении ЖК-дисплеев с активно-матричной адресацией. Метод позволяет получать желаемые углы наклона ЖК к подложке и контролируемую энергию сцепления с ней, обеспечивая высокую стабильность ориентации при воздействии УФ-излучения и температуры.

Эффект вызываемой светом ориентации ЖК является следствием фотоиндуцированной оптической анизотропии и дихроизма поглощения в тонких аморфных пленках. Метод светоиндуцированной ориентации был предложен в 1988 году. Для управления ориентацией был использован обратимый переход между цис-транс изомерами молекул азобензола, нанесенных на подложку, для изменения ориентации ЖК из гомеотропной в планарную при освещении неполяризованным светом. Позже была использована полимерная пленка с красителем, экспонируемая поляризованным светом. Молекулы ЖК, граничащие с освещенной областью, однородно переориентировались перпендикулярно вектору поляризации лазерного излучения и сохраняли ориентацию после экспозиции. В дальнейшем для создания светоиндуцированной ориентации были предложены новые материалы: гребнеобразные полимеры на основе циннаматов и полиимидов. В настоящее время это направление интенсивно развивается за счет использования новых материалов и передовых технологий, что стимулируется потребностью массового производства ЖК-дисплеев высокого качества.

Прогресс в использовании метода светоиндуцированной ориентации вызывает необходимость в фундаментальных исследованиях ее механизма. Однако полная картина этих явлений до сих пор отсутствует. Существующее к настоящему времени описание механизмов ориентации носит качественный характер и основывается на фотохимических и фотофизических процессах, происходящих в фоточувствительных слоях. Различают несколько механизмов светоиндуцированной ориентации:

· обратимые фотохимические процессы цис-транс изомеризации, происходящие под действием УФ излучения в азокрасителях, содержащихся в слоях полимеров, и чистых красителях;

· фотофизическая переориентация молекул азокрасителей хромофора или в растворах, происходящая под действием поляризованного света;

· фотохимическая сшивка в гребнеобразных полимерах с группами циннаматов;

· фотодеградация в полиимидах.

Первые два механизма являются обратимыми, остальные – необратимыми.

Цис-транс изомеризация, происходящая под действием неполяризованного УФ-излучения в слоях чистых азокрасителей, проиллюстрирована на рисунке.

блабла бла рисунок

Недостатками этих слоев, называемых «командными», являются неудовлетворительное обеспечение азимутального направления молекул ЖК при переходе к планарной ориентации, самопроизвольное их возвращение к исходной гомеотропгой ориентации и недостаточная фотохимическая стабильность слоя красителей, ограничивающего число реверсивных переключений.

Позже было показано, что ориентация ЖК может быть создана в полимерном слое, содержащем краситель, под действием поляризованного света. Цис-транс переход в азокрасителях, находящийся в боковых цепях полимеров, имеет следующие стадии: транс-изомер, параллельный вектору поляризованного УФ-света, переходит в цис-изомер, а затем в транс-изомер, который перпендикулярен к вектору света. В результате осцилляторы поглощения ориентируются перпендикулярно к вектору поляризованного света. (РИС???)

Для светоиндуцированной ориентации использовались и молекулы диазодиамина, растворенные в сополимерах кремниевого полиимида и в смесях азокрасителей, введенных в объем ЖК.

Для создания твист-ориентации полимерный слой с красителем, нанесенный на подложки, подвергался натиранию. ЖК-ячейка освещалась через металлическую маску Ar+ лазером с длиной волны 490 нм, близкой к области максимального поглощения красителя. Направление поляризации излучения было параллельно натиранию. В освещенной области молекулы азокрасителя переориентировались перпендикулярно направлению поляризации (рис 5).

Дальнейшие исследования относились к созданию светоиндуцированной ориентации за счет азокрасителей, растворенных в объеме ЖК, с использованием эффекта «гость-хозяин».

Энергия взаимодействия электрического поля с молекулой определяется соотношением

,

i, j = x, y, z; αij – компоненты тензора поляризуемости молекулы; Ei, Ej – компоненты вектора электрического поля в той же системе координат.

Пусть луч света с волновым вектором k падает под углом g к нормали n к поверхности. n’ направлена по оси z лабораторной системы координат x, y, z. y0z – плоскость поляризации излучения (рис. 1).

Поиск по сайту: