CC BY
59
УДК 535; 532.783
МЕТОД ФОТООРИЕНТАЦИИ КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
1 9
Р.А.Магарамов1, А.Б.Танаев2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются современные тенденции и перспективы развития в области фотоориентации жидких кристаллов. Способ ориентации директора жидкокристаллического (ЖК) вещества является ключевым вопросом технологии производства ЖК устройств визуализации. Рассмотрены основные методики ориентации ЖК вещества, описаны их преимущества и недостатки. Целью работы является демонстрация перспективности и необходимости исследований обозначенного метода ориентации как ориентанта в ЖК устройствах. Ил. 4. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: жидкий кристалл; фотоориентация; ЖК дисплеи; механизмы ориентации; электронная бумага.
PHOTO-ORIENTATION METHOD AS A PROMISING DIRECTION OF LCD VISUALIZER PRODUCTION
TECHNOLOGY
R.A. Magaramov, A.B. Tanaev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The paper discusses current trends and development prospects in the field of photo-orientation of liquid crystals. The key problem of the LCD visualizer production technology is the orientation way of the director of liquid-crystal substance. The main orientation methods of liquid-crystal substance are considered, their advantages and disadvantages are described. The aim of the paper is to demonstrate the potential and the need for researching the discussed method as an orientation in LCD devices. 4 figures. 9 sources.
Key words: liquid crystal; photo-orientation; LCD displays; orientation mechanisms; electronic paper.
Последние десятилетия ознаменовали переход человечества из индустриальной эпохи в информационную. Теперь понятия «информация» и «общество» неразрывно связаны между собой. Быстро растущие объемы накопленной информации требуют новых технологических устройств для ее обработки, передачи и хранения. Визуальные системы отображения информации играют значительную роль в современном обществе по причине того, что около 90% информации человек воспринимает в виде зримых образов [1]. Обязательным элементом таких систем являются информационные дисплеи, которые пришли на смену бумажным носителям информации.
В последнее время жидкокристаллические дисплеи получают все большее распространение среди устройств, отображающих информацию. Они одинаково хорошо применимы для производства экранов широкого диапазона размеров, в зависимости от назначения: как для больших дисплеев телевизоров, мониторов компьютеров, так и в миниатюрных экранах мобильных телефонов, часов, калькуляторов, микродисплеях медицинских и навигационных устройств, фото- и видеокамер. Конкурентными преимуществами
устройств на основе жидкокристаллических материалов являются их низкая стоимость, долговечность, высокая технологичность, экологическая безопасность, а также низкое энергопотребление производимой продукции [1]. Кроме того, изображение, получаемое на подобных устройствах, обладает высокими характеристиками яркости, контрастности и т.д.
Принцип работы всех жидкокристаллических (ЖК) устройств визуального отображения основан на уникальных свойствах жидкокристаллического вещества. Молекулы жидкого кристалла обладают дальним порядком ориентации, подобно молекулам в твердых кристаллах. В то же время подобно жидкостям, они обладают текучестью и принимают форму сосуда, в который их помещают. Основным действующим элементом любого ЖК дисплея является так называемая жидкокристаллическая ячейка. ЖК ячейка состоит из поляризаторов, управляющих электродов, ориентирующих подложек, цветного фильтра и слоя ЖК вещества.
Принцип работы элементарной ЖК ячейки изображен на рис.1. Ориентирующие подложки используются для того, чтобы задать первоначальную геомет-
1Магарамов Ризван Алифисович, аспирант, тел.: 89641263496, e-mail:rizzvan_08@mail.ru Magaramov Rizvan, Postgraduate, tel.: 89641263496, e-mail: rizzvan_08@mail.ru
2Танаев Андрей Борисович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий, тел.: 89247057808, e-mail:tanaev@istu.edu
Tanaev Andrei, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Quantum Physics and Nanotechnologies, tel.: 89247057808, e-mail: tanaev@istu.edu
Рис.1. Принцип работы ЖК ячейки TN (twisted nematic) дисплея: 1 - поляризованный свет; 2 - поляризатор; 3 - стеклянная подложка; 4 - ITO; 5 -слой НЖК; 6 - TFT; 7 - ориентирующий слой; 8 - цветной фильтр [1]
рию ориентации молекул жидкокристаллического вещества. Напряжение, подаваемое на электроды, служит для управления ЖК ячейкой. Оно позволяет изменить первоначальную ориентацию молекул вследствие анизотропии диэлектрических свойств ЖК материала. Электрическое поле вызывает такую деформацию ЖК, что результирующее распределение директора п(х,у7) минимизирует свободную энергию объема ЖК, состоящую из упругой и диэлектрической компонент [2]. Так, для нематического ЖК, для которого характерны дальний ориентационный порядок и полная свобода перемещения отдельных молекул, свободная энергия задается выражением
«-1 \
Ки (div п)" + К22 (п • rot п)" + +К}} (п х rot Иу - [Ё ■ п)
dV
где А£ - анизотропия диэлектрической проницаемости ЖК, а Кп, К22 и К33 - модули упругости для
поперечного, продольного изгиба и кручения соответственно [2]. Падающее излучение, проходя через поляризационную пленку, приобретает линейную поляризацию. Затем, при переходе через ЖК слой, в зависимости от расположения молекул в ЖК среде, происходит поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света на определенный угол. Толщина ЖК слоя обычно не превышает нескольких десятков мкм. И наконец, свет проходит через поляризационную пленку второй раз. Таким образом, падающий свет, проходя через ЖК ячейку, формирует на экране цвет определенной интенсивности в диапазоне от !т|П (черный) до 1тах (белый), который определяется геометрией ЖК слоя. Цветные фильтры используются в дисплеях, чтобы получить на выходе свет определенной длины волны (красный, синий или зеленый), что, в свою очередь, позволяет формировать цветное изображение [1].
Если не принимать во внимание конфигурацию жидкокристаллической ячейки, то для улучшения характеристик ЖК устройств визуализации наибольшее внимание следует уделять способам получения определенной ориентации жидких кристаллов. Это достигается либо непосредственно подбором состава жидкокристаллического вещества, либо улучшением принципов работы ориентирующей подложки. Данная работа посвящена одному из наиболее перспективных методов ориентации ЖК - методу фотоориентации. Однако прежде чем мы перейдем к описанию данного метода, необходимо рассмотреть основные традиционные методы ориентации жидкокристаллического вещества в ячейке.
Методы ориентации. Все методы ориентации можно условно разделить на две большие группы: методы механической и химической обработки подложек и методы нанесения на подложки поверхностно активных веществ (ПАВ). Существуют также и комбинированные методики [3].
Одним из ранних наиболее распространенных способов получения однородной планарной ориентации директора нематического ЖК является механическое натирание стеклянных подложек в одном направлении. При этом поверхностный слой стекла деформируется и образуется очень мелкий (десятки ангстрем) периодический рельеф, который в первом приближении можно считать синусоидальным. Тогда направление легкого ориентирования молекул нема-тических ЖК в плоскости подложки совпадает с направлением натирания. Ввиду сложности механической обработки стеклянной поверхности на подложку в настоящее время наносится слой полимерного вещества. На рис.2 показана типичная машина, используемая для обработки поверхности. Несмотря на очевидные недостатки, натирание вплоть до последнего времени являлось наиболее распространенным способом ориентации в производстве ЖК дисплеев благодаря быстроте процесса, его простоте и низкой стоимости. Кроме того, оно позволяет получать однородную ориентацию на больших расстояниях, поэтому до
Рис.2. Изображение устройства для натирания подложек, состоящего из барабана и платформы, на которой
размещен субстрат [5]
сих пор имеет важное значение в производстве широкоэкранных дисплеев ( более 3 м) [4].же известен способ ориентации с помощью косого напыления пленок окислов (БЮ, СеО и т.д.). При этом на поверхности образуются косые ступеньки напыленного вещества. Угол наклона луча напыления сильно изменяет структуру поверхности, в зависимости от которой директор ЖК материала принимает либо планарную ориентацию, перпендикулярную плоскости луча напыления, либо наклонную ориентацию в плоскости напыляющего луча (рис.3). В качестве процесса напыления обычно используется резистивный нагрев напыляемого вещества [5].
нормаль
луч напыления
Рис.3. Косое напыление оксида кремния [5]
Технология косого напыления позволяет избегать серьезных недостатков методики натирания, таких как накопление пыли и статический заряд на поверхности ориентирующей поверхности. Однако использование данной методики в производственных масштабах связано со значительными трудностями. Во-первых, необходим тщательный контроль угла напыления, который не должен изменяться более чем на 1-2 градуса на краях подложки. Для решения этой проблемы необходимо размещать напыляющую установку на значительных расстояниях от подложки. Кроме того, необходимость высокой однородности толщины слоя
в производстве ЖК дисплеев делает этот процесс достаточно трудоемким и продолжительным, с необходимостью контроля большого количества параметров, таких как напряжение и температура [5].
Существует множество способов создания микрорельефа различной геометрической формы на поверхности подложки, используемой для ориентации ЖК вещества. К ним относятся: метод реактивного ионного травления на стеклянных поверхностях с использованием хромированных фотошаблонов; метод фотолитографии фотореакционноспособных полимеров с использованием облучения и реактивного травления на поверхности БЮ2; прессование микро-рельфной поверхностью; воздействие ультрафиолетового излучения на фотоотверждаемой пленке полимера через фотошаблон [5].
При взаимодействии с поверхностью прямоугольной или трапецеобразной формы нематический ЖК принимает планарную ориентацию. Энергия сцепления возрастает с уменьшением периода и увеличением глубины рельефа. При взаимодействии нематиков с пилообразным рельефом поверхности для угла между зубцами в меньше некоторого критического значения вс образуется гомеотропная ориентация НЖК, для углов в > вс - планарная [3]. Однако перспективы использования в промышленном производстве имеют только два метода: фотолитографическое задание рельефа и метод штампования, воспроизводящий структуру вдавливаемой поверхности [5]. Создаваемый микрорельеф приводит к увеличению времени отклика и уменьшению светопропускания ЖК ячейки.
Еще одним методом ориентации ЖК является нанесение пленок Ленгмюра-Блоджета [5]. Для получения гомеотропной ориентации используют добавление ПАВ в ЖК фазу, которые, адсорбируясь на поверхности подложки, задают направление директору НЖК [3].
Метод фотоориентации. Фотоориентация была впервые упомянута в 1988 году в статье Икимуры и др. [6], в которой обсуждается возможность применения обратимости цис-транс изомеризации молекул
азобензина, присоединенных к твердой поверхности, для изменения ориентации ЖК слоя от планарной, неориентированной по азимутальному углу, к гомео-тропной и обратно. В изначальном значении, фотоориентация - это процедура обработки светом поверхности, которая приобретает способность ориентировать ЖК. Для ее реализации субстрат должен содержать слой светочувствительного материала, чьи молекулы или полученные в результате облучения продукты способны ориентационно упорядочиваться при облучении светом. Из-за анизотропного межфазного взаимодействия этот порядок определяет направление директора ЖК вещества на границе с поверхностью. Обычно для процесса фотоориентации используется УФ излучение [4].
С физической точки зрения фотоориентация - это процесс, вызванный способностью молекул селективно поглощать свет в зависимости от направления его поляризации. Если направления поляризации света и дипольного момента молекулы совпадают, то падающий фотон поглощается молекулой. По структуре фо-тоориентирующие вещества классифицируют на физически или химически адсорбированные низкомолекулярные фоточувствительные соединения, полимерные смеси фоточувствительных молекул, полимеры, включающие в себя фоточувствительные фрагменты в боковых и основной цепях. Фотоориентируемые материалы можно разделить в зависимости от механизма фотоориентации, которому они подвергаются. Различают несколько типов фотохимических реакций: фотоизомеризация, фоторазложение, фотосшивание [8]. Первый тип реакций приводит к транс-цис изомеризации вещества. Эта реакция является обратимой (рис.4). Переход от цис- к транс-состоянию осуществляется либо облучением определенной длиной волны, либо нагревом вещества. Такому типу реакций подвержены азо-красители и полимеры, содержащие их в боковых цепях, а также азо-красители в полимерных
матрицах. Существуют материалы, для которых несколько реакций могут протекать одновременно. Также для некоторых материалов ориентация происходит без протекания какой-либо химической реакции. В результате многократного поглощения и релаксации дипольный момент молекулы ориентируется перпендикулярно плоскости поляризации падающего излучения [7]. Ориентация ЖК вещества при любом механизме фотоориентации определяется характеристиками излучения, используемого для обработки фоточувствительной поверхности [7]. Стоит заметить, что адекватное объяснение явления фотоориентации до сих пор отсутствует. Ряд публикаций, появившихся в последнее время, дает лишь качественное объяснение [7].
Технология фотоориентации лишена недостатков, присущих методу натирания, таких как образование на подложке частиц пыли и накопление электростатического заряда. Метод фотоориентации может использоваться для придания ЖК веществу наклона от 0° до 90° относительно поверхности без изменения ориен-тируещего вещества, что выгодно отличает его от традиционной технологии натирания. Ориентация директора может контролироваться изменением направления поляризации или угла падения луча, тогда как натирание ориентирует молекулы в заданном направлении. Энергия сцепления с подложкой в случае фотоориентации может изменяться временем облучения или изменением интенсивности падающего света. Экспериментальные данные определения энергии сцепления в ЖК ячейках приводятся в [7]. Натирание же задает только сильное сцепление Жк молекул с подложкой. Стоимость оборудования, необходимого для промышленного применения, и время, затраченное на процесс производства с использованием сравниваемых технологий, примерно одинаковы [5]. Ориентация ЖК ячейки может быть задана как отдельной обработкой подложек, так и облучением
Рис.4. Обратимый переход от гомеотропной ориентации к планарной с помощью цис-транс фотоизомеризации
молекул азобензина [7]
пустых либо заполненных ЖК ячеек, что невозможно достичь при применении технологии натирания [4]. Технология фотоориентации может также использоваться на гибких подложках благодаря возможности бесконтактной обработки поверхности.
Все перечисленные преимущества делают достаточно перспективным использование технологии фотоориентации в промышленности как для улучшения характеристик существующих ЖК дисплеев, так и для создания устройств визуализации принципиально нового типа. Однако, несмотря на значительные возможности технологии фотоориентации, этот метод не имел практического использования на протяжении длительного времени. Это было вызвано недостатками существующих материалов. Они имели недостаточную стабильность к УФ излучению, времени и температуре. Еще одной проблемой был эффект остаточного изображения предыдущего кадра в ЖК дисплеях. Этот эффект обусловлен двумя причинами. Во-первых, он вызван накоплением остаточного заряда вблизи поверхности фотоориентанта, который релак-сирует медленнее, чем время кадра. Во-вторых, слабая энергия сцепления приводит к смещению легкой оси ориентации под воздействием электрического поля и поляризованного света (глайдинг эффект) [7]. Эти проблемы в настоящий момент успешно преодолеваются полимеризацией и применением новых фоточувствительных материалов.
Применение фотоориентации. Впервые преимущества технологии фотоориентации в производстве ЖК дисплеев были продемонстрированы в работе Шкадта и др. [9]. Возможность контролировать направление директора в собранных ячейках, предоставляет возможность создавать уникальные ЖК дисплеи, недоступные при использовании традиционной технологии. Так были созданы всевозможные типы оптически перезаписываемых ЖК экранов, в которых изображение может многократно записываться и стираться с помощью УФ излучения и температуры соответственно [7].
С экономической точки зрения промышленное производство ЖК устройств визуализации на основе технологии фотоориентации требует больших инвестиций. Поэтому замена создания однородной ориентации с помощью технологии натирания на фотоориентацию не сразу представляется возможной. Однако потребность в экранах высокого разрешения и широкоформатных дисплеях предполагает создание более высокой однородности ориентации директора, что позволяет найти для технологии фотоориентации практическое применение в производстве.
Применение технологии натирания приводит к образованию бороздок, размеры которых значительно превышают размеры молекул ЖК. Смещенные молекулы занимают большую часть маленьких пикселей, что приводит к образованию крапинок. Эти крапинки недоступны для наблюдения невооруженным глазом в дисплеях прямого видения, но представляют значительную проблему в ЮОБ-микродисплеях высокого разрешения, используемых для получения проекционных изображений. Помимо этого применение техноло-
гии фотоориентации позволяет уменьшить время переключения и пороговое напряжение ЖК ячеек. Сообщается, что созданный прототип обладает высокой контрастностью и отвечает всем требованиям стандартов, предъявляемых к микродисплеям [7]. Таким образом, достаточно перспективным выглядит применение фотоориентации в производстве микродисплеев отражательного типа на основе кремния.
Технология фотоориентации позволяет решить проблемы с градацией шкалы серого в сегнетоэлек-трических ЖК дисплеях. Был создан пассивно-матричный сегнетоэлектрический ЖКД отражательного типа с высокой контрастностью и памятью 4 градаций шкалы серого [7]. Низкая стоимость пассивных сегнетоэлектрических дисплеев с эффектом памяти может иметь применение в устройствах визуализации с низким потреблением энергии, таких как электронные книги или телефоны.
Прорыв в использовании технологии фотоориентации произошел в недавнее время. В 2009 году компания Sharp по технологии Rolic's technologies запустила производство широкоэкранных дисплеев на основе мультидоменных вертикально ориентированных структур, так называемые UV2A режимы [4]. UV2A имеет лучшую пропускную способность, а также требует меньших затрат материалов и энергии на производство. ЖК телевизоры, использующие данную технологию, отличаются высокой яркостью, контрастностью изображения, насыщенностью цветов, а самое главное - потреблением меньшего количества энергии [4].
Большое внимание следует уделить устройствам визуализации на гибких носителях. В лаборатории Гонконгского университета науки и технологии разработаны основы технологии оптической записи и стирания информации с использованием тонкопленочных гибких дисплеев - аналогов, так называемой, электронной бумаги. Тонкопленочные оптически перезаписываемые (ORW) ЖК дисплеи, основанные на технологии фотоориентации, в перспективе заменят обычную бумагу, сохранив при этом качество изображений. В их устройстве отсутствуют электроды, для просмотра изображения не требуется потребления энергии, полученное изображение имеет большой угол обзора и высокий контраст. Этот новый вид устройств нечувствителен к ширине зазора ЖК ячейки, так как изменение ширины даже на 50% не приведет к заметному изменению светопропускания. Для оптической перезаписи ЖК бумаги предполагается использовать специальные «принтеры» [7].
В заключение можно сделать вывод о перспективности развития технологии фотоориентации для промышленного применения в производстве ЖК устройств визуализации. Область использования метода фотоориентации охватывает обширный спектр таких устройств - от микродисплеев до широкоформатных экранов и 3D телевизоров. Уникальным использованием технологии фотоориентации является возможность изготовления электронной бумаги, которая обладает огромным экономическим потенциалом.
Можно выделить следующие основные направле-
ния развития промышленного применения технологии фотоориентации: 1) разработка и исследование новых светочувствительных материалов; 2) совершенствование методов обработки поверхности фотоориен-тантов световым излучением; 3) разработка новых схем технического применения фотоориентанта в устройствах визуализации; 4) развитие технологии
промышленного производства, совершенствование машин для производства. Исследования в обозначенных направлениях позволят в скором времени получить рост промышленного производства устройств визуализации с применением метода фотоориентации.
1. Томилин М., Невская Г. Дисплеи на жидких кристаллах. СПб.: ИТМО, 2010.
2. Каманина Н. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов - перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения. СПб.: ИТМО, 2008.
3. Блинов Л., Кац Е., Сонин А. Физика поверхности термот-ропных жидких кристаллов // Уфн. 1987. Т. 152, вып.3.
4. O. Yaroshuk, Y. Reznikov. Photoalignment of liquid crystals: basics and current trends // J. Mater. Chem., 2012, 22, 286.
5. Kohki Takatoh, Masaki Hasegawa, Mitsuhiro Koden et al. Alignment technologies and applications of liquid crystal devices
ский список
// 2005.
6. K. Ichimura, Y. Suzuki, T. Seki, A. Hosoki and K. Aoki, Lang-muir, 1988, 4, 1214-1216.
7. V.Chigrinov, V. Kozenkov, Kwok. Photoalignment of liquid crystalline materials // HKUST, 2008.
8. M. Chrzanowski, J. Zielinski, M. Olifierczuk, J. K^dzierski, E. Nowinowski-Kruszelnicki. Photoalignment - an alternative aligning technique for Liquid Crystal Displays // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 48/1 (2011) 7-13.
9. M. Schadt, H. Seiberle and A. Schuster, Nature, 1996, 381, 212-215.
