有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的聚合物分散型液晶顯示技術(shù)分析

陳春榮

深圳市國(guó)顯科技有限公司，廣東深圳，518117

0 引言

聚合物分散型液晶又稱為PDLC，在高清晰電視投影顯示、智能玻璃、光調(diào)制器等方面具有廣泛應(yīng)用。聚合物分散型液晶，從根本上講就是液晶，具有基本的光電性質(zhì)，將液晶與高分子聚合物在一定比例下混合，利用光聚合、過(guò)熱聚合等方法，促進(jìn)二者間相互分離，以此形成液晶分子彼此靠攏的局面，分散在聚合物中，形成聚合物分散型液晶。聚合物分散型液晶的概念，最早是美國(guó)Kent州立大學(xué)的液晶研究小組提出的，研究小組將液晶與環(huán)氧樹脂相互混合，在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)在不通電的情況下，混合物呈現(xiàn)為乳白色混濁狀態(tài)，在通電后，混合物狀態(tài)就會(huì)變得透明，針對(duì)該特殊現(xiàn)象進(jìn)行了后續(xù)的深入研究。

1 聚合物分散型液晶顯示技術(shù)發(fā)展歷程

1985年，相關(guān)研究人員將液晶與聚乙烯醇水溶液混合并攪拌，液晶不溶于水，在溶液中懸浮，以乳化膠液狀態(tài)存在，基于此，對(duì)其進(jìn)行干燥處理，發(fā)現(xiàn)其形成了一層薄膜，薄膜中具有大量的液晶微滴，且具有光散射的功能。在此基礎(chǔ)上，在薄膜上疊加透明電極基板，形成液晶顯示器，這是在研究和發(fā)展歷程中，將聚合物液晶材料首次應(yīng)用到顯示器件當(dāng)中的探索過(guò)程。在后續(xù)的研究中，相關(guān)專家提出了創(chuàng)新的聚合物液晶薄膜制備方式，嘗試相分離方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將液晶聚合物溶液混合攪拌均勻，在紫外光聚合作用下，從聚合物中析出液晶，使得兩種物質(zhì)相互分離，并在聚合物中獲得大量均勻分布的液晶小分子，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)其性能良好，尺寸較易控制，在某種意義上獲得了技術(shù)飛躍，真正形成了聚合物分散型液晶顯示器件。2007年，研究人員發(fā)現(xiàn)了甲基丙烯酸硬脂酸酯含量對(duì)LC微膠囊制備的聚合物分散液晶光電性能的影響，并得出隨著甲基丙烯酸硬脂酸酯含量的增加，聚合物分散液晶的驅(qū)動(dòng)電壓和閾值均會(huì)提高的結(jié)論。2008年，將聚合物分散液晶顯示技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)備外殼，以作為輔助顯示器，作為一項(xiàng)專利，再一次擴(kuò)展了聚合物分散液晶技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和功能方法等。在此后的研究當(dāng)中，逐漸發(fā)現(xiàn)聚合物分散液晶顯示材料如其他顯示材料一般，均具有較高的響應(yīng)速率且具有相應(yīng)的光學(xué)特征，并且可以調(diào)制可見光和近紅外光，證明了其在特殊環(huán)境下也具有一定的應(yīng)用功能效果[1]。

2 有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的聚合物分散型液晶顯示技術(shù)原理及制備方法

2.1 顯示技術(shù)原理

相較于普通液晶類型，聚合物分散型液晶在工作上有著相當(dāng)大的區(qū)別。在聚合物分散型液晶顯示上，兩塊玻璃板之間附有透明電極，其中還夾著向列型液晶，預(yù)先對(duì)透明電極進(jìn)行平行取向處理，使得液晶的取向與電極面保持垂直方向。在不施加電壓時(shí)，自然光源在通過(guò)上偏振片后，經(jīng)過(guò)玻璃板作用，只留下與透光軸相互平行的線性偏振光到達(dá)液晶層，或在特定條件下，以光波導(dǎo)形式，在液晶層中繼續(xù)傳播到另一側(cè)的基板上。隨著液晶分子方向的轉(zhuǎn)變，光波導(dǎo)形式下的線性偏振光也發(fā)生同樣旋轉(zhuǎn)。在施加電壓后，在電壓作用下，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至與電場(chǎng)相平行的方向，將扭曲結(jié)構(gòu)解體，線性偏振光就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而是按照原本方向到達(dá)輸出面。

一般情況下，聚合物分散型液晶顯示對(duì)取向沒(méi)有特殊要求，所以在不施加電壓時(shí)，就不會(huì)在基板之間保持分子的規(guī)則性排列，而是分子隨機(jī)分布，方向不定，并且液晶微滴也會(huì)在聚合物膠水中隨機(jī)性分散分布。出現(xiàn)這種情況的原因，主要是由于液晶分子的方向，會(huì)影響光纖傳播方向，在自然光到達(dá)液晶層后，會(huì)持續(xù)發(fā)生散射現(xiàn)象，不僅容易使得輸出光線散射到不同的方向，甚至可能導(dǎo)致光線散射到輸入端，在外部看來(lái)，就會(huì)呈現(xiàn)為黑暗狀態(tài)。而在對(duì)聚合物分散型液晶施加電壓后，受電壓影響，液晶分子就會(huì)全部按照特定方向分布至電場(chǎng)方向路線，這一過(guò)程中，液晶微滴也不會(huì)產(chǎn)生散射功能，入射光可以直接到達(dá)輸出端，對(duì)外呈現(xiàn)為透明狀態(tài)。

2.2 制備方法

聚合物分散型液晶顯示制備方法主要包括相分離法、微膠囊法和空穴法。其中，微膠囊法出現(xiàn)較早，主要應(yīng)用于控制藥物釋放類的藥劑膠囊制造方面，液晶微膠囊的尺寸通常只有幾十微米，最大的也就只有數(shù)百微米，可被制作成絲網(wǎng)印刷油墨，利用絲網(wǎng)印刷的方式，將其在ITO玻璃基板上進(jìn)行印刷并顯示。但這一制備方法在實(shí)際操作過(guò)程中，常出現(xiàn)液晶微滴尺寸不均勻現(xiàn)象，且存在響應(yīng)效率低、驅(qū)動(dòng)電壓高、一致性效果差等問(wèn)題[2]?？昭ǚㄍǔ５玫降囊壕⒌屋^為均勻，但也存在一定空穴缺陷，造成薄膜中有額外液滴出現(xiàn)的問(wèn)題，降低其整體性能。

因此，相對(duì)比而言，相分離技術(shù)是目前最為穩(wěn)定高效的聚合物分離型液晶顯示制備方法。其中，溫度分相法就是將熱塑性材料加熱到熔點(diǎn)，使其與液晶均勻混合，將其在導(dǎo)電玻璃上均勻涂抹，直到冷卻到室溫后停止，進(jìn)而使得混合物在溫度降低下出現(xiàn)相互分離，得到液晶微滴。該過(guò)程操作簡(jiǎn)單，且成本相對(duì)較低，不足之處在于冷卻速度決定著液晶微滴的尺寸，很可能最終得到預(yù)期性能外的材料，但若是能夠有效控制蒸發(fā)速度，就可以得到理想的薄膜。聚合相分離法工藝也較為簡(jiǎn)單，且環(huán)保效果較好，將聚合物與液晶溶為一體，添加催化劑，經(jīng)過(guò)熱聚合反應(yīng)后，使得液晶在聚合物網(wǎng)絡(luò)中固化。

3 有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的聚合物分散型液晶顯示設(shè)計(jì)制作

3.1 底層基板ITO設(shè)計(jì)

將有機(jī)TFT科學(xué)運(yùn)用到LCD陣列顯示當(dāng)中至關(guān)重要。從某種程度上來(lái)看，液晶與電容存在諸多的相似之處，如電壓響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)設(shè)置等方面。在施加電壓后，液晶分子都會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)到同一方向，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，存儲(chǔ)到液晶分子當(dāng)中。并且，在電壓撤掉后，液晶分子也會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀，將能量釋放，這一過(guò)程與電容原理基本相似。加之液晶本身為絕緣介質(zhì)，這一電學(xué)特性使其被廣泛利用。同一行的像素有機(jī)TFT柵極間相互連接，形成柵極母線，且同一列的像素漏極之間也相互連接，被稱為漏極母線。液晶層和另外一層通過(guò)接地電極相互連接，并在另一側(cè)基板處設(shè)置，因此被稱為公共電極。有機(jī)TFT-LCD陣列顯示屏的顯示效果，通常由液晶的并聯(lián)電容、自身電容、掃描速度等相關(guān)因素共同決定，若是顯示效果要求一般，且像素?cái)?shù)目相對(duì)較少，就可以通過(guò)提高液晶本身的電容，以此來(lái)延長(zhǎng)放電時(shí)間。

其中，OFTT作為驅(qū)動(dòng)控制主體，但只有經(jīng)過(guò)電路將其連接到行列電極母線后，才能實(shí)現(xiàn)外部的控制，所以，底部基板還包括漏極母線、柵極母線等，相互交叉區(qū)域即為有機(jī)TFT后續(xù)制作的重點(diǎn)區(qū)域。在基板ITO設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用AutoCAD 2018工具繪制設(shè)計(jì)圖紙，控制玻璃基板大小，在右下方顯示區(qū)域共有25個(gè)像素點(diǎn)分布[3]。橫向電極線為柵極母線，由左至右的方向連接，寬度1.5mm，適當(dāng)留出一定面積為后續(xù)加壓提供便利；豎向電極為漏極母線，寬度也是1.5mm，使用連接橋?qū)⒍哌B接，連通同一列像素漏極，避免相互交叉短路等。在玻璃基板的四個(gè)角上，設(shè)置對(duì)位孔，其直徑為2.2mm，控制對(duì)位孔位置準(zhǔn)確性，以保證鍍膜位置精準(zhǔn)性。

3.2 掩模板設(shè)計(jì)

掩模板支撐特定的圖形鍍膜操作，并實(shí)現(xiàn)功能區(qū)鍍膜。在該過(guò)程中，主要對(duì)絕緣層、半導(dǎo)體層和源漏電極層進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，源漏電極可使用同種金屬材料，放置在同一層，半導(dǎo)體層不需特定圖形，同樣也不需特定掩模板，所以，該設(shè)計(jì)中，掩模板主要包括金屬層鍍膜掩模板和絕緣層鍍膜掩模板。通常情況下，絕緣薄膜的主要功能是組成有機(jī)TFT并控制上下層電極交叉短路，應(yīng)盡量增大其尺寸，但又不能影響顯示面積。金屬層主要用來(lái)制作源漏電極，一般只需要確保電極與底層母線準(zhǔn)確連接即可。考慮掩模板制作加工的經(jīng)濟(jì)性，以及為便于后續(xù)的加工和更改，使用方形掩模板，并在特定設(shè)計(jì)技巧下，將金屬層掩模板和絕緣層掩模板設(shè)計(jì)為同一圖案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)掩模板的可重復(fù)利用。

3.3 COMSOL功能仿真

當(dāng)前的有機(jī)TFT器件相關(guān)理論還需進(jìn)一步探究和完善，工藝參數(shù)的探索工作也需在無(wú)機(jī)TFT基礎(chǔ)上進(jìn)行。為便于后續(xù)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，功能仿真過(guò)程中，主要從絕緣層厚度、溝道長(zhǎng)度和有機(jī)層厚度三個(gè)方面進(jìn)行，分析其對(duì)TFT轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線的影響。在功能仿真過(guò)程中，使用COMSOL軟件，將有限元法作為操作基礎(chǔ)，通過(guò)偏微分方程的求解，仿真物理現(xiàn)象。

首先，建立基本的仿真模型在模擬物理參數(shù)時(shí)，必須滿足在一個(gè)有限邊界的基本前提條件，所以，必須先建立合適的幾何模型，支撐COMSOL仿真。建立整體尺寸為3μm×7μm的仿真模型，其溝道長(zhǎng)度為2μm，使用多條線段表示對(duì)應(yīng)電極。在結(jié)構(gòu)設(shè)置完成后，添加主體材料，通過(guò)COMSOL自帶的物理材料庫(kù)，設(shè)定相應(yīng)的參考值，為仿真提供重要條件。同時(shí)，還需設(shè)置絕緣層厚度、摻雜模型相關(guān)參數(shù)以及金屬電極接觸類型等。半導(dǎo)體模型當(dāng)中，將最后一行的薄絕緣柵層設(shè)置介電常數(shù)和絕緣層厚度，使得該結(jié)構(gòu)與頂柵接觸有機(jī)TFT結(jié)構(gòu)基本相同。

其次，設(shè)置物理場(chǎng)，計(jì)算確定相關(guān)參數(shù)，包括計(jì)算變量和計(jì)算方法等。首先需構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，一般選擇默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建；接下來(lái)確定研究對(duì)象，設(shè)定仿真對(duì)象和參數(shù)值，一般需設(shè)置兩個(gè)穩(wěn)態(tài)研究?jī)?nèi)容，分別為固定漏極電壓和閾值電壓，用來(lái)改變柵極電壓和漏極電壓[4]。在仿真模型構(gòu)建后，需要觀察電子濃度圖和電勢(shì)圖，確定其結(jié)果可信度。

3.4 絲網(wǎng)印刷ITO圖案

以上設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行器件的制作，其中，絲網(wǎng)印刷為第一環(huán)節(jié)。絲網(wǎng)印刷的印版分網(wǎng)孔區(qū)域，可以使得油墨通過(guò)其中，油墨的漏印會(huì)到達(dá)承印物上，留下相應(yīng)的信息或圖案。對(duì)于不同的印刷圖案，必須制作新的絲網(wǎng)印版。在印刷過(guò)程中，將油墨攤倒在絲網(wǎng)印刷的一端，按照一定的傾斜角度，使用印刷刀刮動(dòng)油墨，油墨就會(huì)按照所給方向進(jìn)行流動(dòng)，受到壓力的作用，滲透到網(wǎng)孔，并與承印物之間出現(xiàn)粘連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油墨的轉(zhuǎn)移，以復(fù)刻預(yù)期圖形。

3.5 磁控濺射氮化硅絕緣層

首先，選擇合適的柵絕緣層材料，保證其絕緣性能和抗壓性能，滿足有機(jī)TFT的要求。一般選擇穩(wěn)定性較強(qiáng)、抗高溫氧化能力較強(qiáng)的材料，使其在高溫環(huán)境下也可正常工作，不會(huì)受到外界環(huán)境影響而出現(xiàn)化學(xué)變化等。使用氮化硅薄膜，可以有效借助其本身雜質(zhì)離子擴(kuò)散阻擋和水汽滲透等優(yōu)勢(shì)，與ITO之間互不反應(yīng)，提高制作完成后器件的壽命。其次，選擇合適的制備方法。在薄膜晶體管當(dāng)中，絕緣層占據(jù)重要地位，與有機(jī)半導(dǎo)體層薄膜之間發(fā)生直接接觸，載流子的傳輸能力也與其有很大關(guān)聯(lián)，因此為制備出優(yōu)質(zhì)的氮化硅薄膜，一般采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法和磁控濺射鍍膜。相比較而言，磁控濺射鍍膜技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，它利用輝光放電反應(yīng)，產(chǎn)生電子碰撞氬原子，使得其在電場(chǎng)作用下，氬氣正離子高速運(yùn)動(dòng)直擊陰極靶材，使得其中的分子、原子等全部濺射到基底的表面，完成沉積薄膜。在磁控濺射鍍膜操作過(guò)程中，主要經(jīng)過(guò)清洗基片、磁控濺射預(yù)準(zhǔn)備、磁控濺射和清洗機(jī)器四個(gè)步驟。先對(duì)加工完成后的ITO玻璃進(jìn)行清洗，將其表面油污、灰塵等清理干凈，以避免鍍膜后影響其性能。預(yù)準(zhǔn)備工作重點(diǎn)包括啟動(dòng)磁控濺射機(jī)、啟動(dòng)水冷系統(tǒng)和安裝靶材等方面。磁控濺射工作需要高功率支持，且選擇的濺射絕緣層本身需要基底溫度支撐，所以必須先啟動(dòng)水冷系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，安裝氮化硅靶材，并做好相應(yīng)的擦洗和打磨工作，將其對(duì)準(zhǔn)玻璃基片并固定，放置在磁控濺射臺(tái)中[5]。而后，按照中真空抽氣、高真空抽氣和加熱、通氬氣至低真空、預(yù)濺射、上調(diào)分壓正式濺射和退火的順序，進(jìn)行磁控濺射操作。

3.6 激光刻蝕銅電極層

激光刻蝕銅電極層主要是聚焦高光束質(zhì)量的小功率激光束使其成為極小光斑，發(fā)揮其在焦點(diǎn)處的功率密度，使得材料瞬間汽化蒸發(fā)。該操作雖然準(zhǔn)確性存在一定不足，但總體而言，成本較低且操作簡(jiǎn)單，對(duì)于電子行業(yè)的器件制備應(yīng)用效果較好。在操作過(guò)程中，首先將顯微鏡歸位，將已經(jīng)濺射了氮化硅的基板放置在合適位置，使用5倍鏡對(duì)角，并按照先后順序進(jìn)行刻蝕，轉(zhuǎn)換為20倍鏡對(duì)角，通過(guò)多次試驗(yàn)，調(diào)整校正偏差，確定最終的有機(jī)TFT溝道寬度?？涛g過(guò)程中，重點(diǎn)調(diào)整激光頻閃次數(shù)和功率，并保證刻蝕連續(xù)進(jìn)行[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要就有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的聚合物分散型液晶顯示技術(shù)進(jìn)行研究，研究了該技術(shù)的可行性，并通過(guò)一系列參數(shù)探索，獲得一定成果。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)基板ITO圖紙的設(shè)計(jì)、TFT的COMSOL功能仿真以及制作工藝等，能夠有效實(shí)現(xiàn)有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)模塊的制備，并將其應(yīng)用到聚合物分散型液晶顯示當(dāng)中。但本文僅僅在理論上，就有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的聚合物分散型液晶顯示技術(shù)進(jìn)行猜測(cè)，實(shí)際的應(yīng)用操作過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期驅(qū)動(dòng)效果、實(shí)現(xiàn)完整陣列顯示器的制作還未可知，還需進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。