Панель дисплея и многослойная пластина для ее изготовления - RU2226293C2
Код документа: RU2226293C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к устройствам для отображения информации, в частности к элементам дисплея.
Традиционно дисплей выполняют в виде плоской кюветы, образуемой двумя плоскопараллельными пластинами, на внутренних поверхностях которых сформирована система электродов из оптически прозрачного электропроводящего материала (например, твердого раствора SnO2 и I2O3 - ITO). Поверхность пластин с электродами обычно покрывают слоем полиимида или другого полимера и подвергают его специальной обработке, которая обеспечивает заданную однородную ориентацию молекул жидкого кристалла (ЖК) у поверхности пластин и в объеме слоя ЖК в дисплее. После сборки кюветы ее заполняют ЖК, который образует слой толщиной 5-20 мкм. ЖК является активной средой, изменяющей свои оптические свойства под действием электрического поля. Изменение оптических свойств регистрируется в скрещенных поляризаторах, которые обычно наклеиваются с внешней стороны кюветы [Л.К.Вистинь. ЖВХО, 1983, том XXVII, вып.2, с.141-148].
В промышленности панель дисплея изготовляют из пластин, имеющих стеклянную подложку и проводящий слой. Стеклянные пластины должны обладать хорошей плоскостностью и не иметь пузырей и других оптических дефектов, В зависимости от условий работы дисплея используют заготовку с разными проводящими слоями. Для дисплеев, работающих на просвет, проводящие слои выполняют прозрачными. Для дисплеев, работающих на отражение, переднею панель дисплея изготовляют из пластины с прозрачным проводящим слоем, заднюю - из пластины с отражающим проводящим слоем. [А.А.Грошев, В.Б.Сергеев. Устройства отображения информации на основе ЖК. - Л: Энергия, 1977]. Прозрачные проводящие слои имеют поверхностное сопротивление от 10 до 102 Ом и коэффициент пропускания 0,7-0,9 в видимой области спектра. Проводящие слои формируют методами осаждения.
Обычно на каждой панели формируют матрицу дисплейных панелей. Необходимую конфигурацию электродов для каждой панели дисплея выполняют методами масочного травления. Электроды выходят к кромке стекла, где заканчиваются контактной площадкой, для пайки внешних выводов. Панели разделяют протравленными дорожками, по которым будет производиться склейка дисплея. Для создания необходимого зазора между панелями по их периметру укладывают спейсер-прокладки. Собранную панель (или матрицу панелей) заполняют в вакууме ЖК при подогретых пластинах. Этим достигается уменьшение вязкости и лучшее заполнение зазора. Затем дисплей в матрице отделяют друг от друга (scribe and break) и каждую ячейку герметизируют. Снаружи на дисплей наклеивают поляризаторы, содержащие на поверхности защитный слой, и/или закрывают стеклянной пластиной.
Для предотвращения диффузии ионов из стекла в ЖК в процессе работы дисплея обычно между стеклом и проводящим слоем формируют защитный слой. Обычно защитным слоем является пленка оксида кремния или оксидов тяжелых металлов, но могут использовать и некоторые полимеры. Защитный слой должен быть прозрачным в рабочей области спектра, а его толщина и плотность должны обеспечивать надежную изоляцию стекла от ЖК.
Существует большое разнообразие методов получения защитных покрытий: физические методы, основанные на испарении или распылении материала, или химические, основанные на использовании химических реакций [Н.П.Гвоздева и др. Физическая оптика. - М.: Машиностроение, 1991, с.178 и 179]. В настоящее время наиболее распространенным является испарение в вакууме. Метод заключается в термическом испарении необходимого материала в глубоком вакууме. Образующиеся при этом пары конденсируются в виде тонкой пленки на поверхности подложки. Процесс протекает быстро - от нескольких секунд до нескольких минут.
Другим физическим методом является катодное распыление. Процесс основан на выбивании атомов материала катода при бомбардировке его ионами разреженного газа высоких энергий. Атомы, вылетающие с поверхности катода, осаждаются на подложке. При реактивном катодном распылении в рабочую камеру вводят активный газ (например, кислород), что способствует получению пленок нужного химического состава.
К химическим методам относится, например, метод формирования пленок из растворов гидролизующихся соединений. При этом пленку оксида кремния формируют путем нанесения на вращающуюся в центрифуге заготовку раствора кремнеэтилового эфира.
В патенте US 5358739, 1994 описан способ формирования покрытия из оксида кремния путем нанесения на подложку силазанового полимера и последующего нагрева его в окислительной среде. Существуют также и другие методы.
Из литературы [WO 94/28073] известен поляризатор, получаемый на основе жидкокристаллических растворов органических красителей. Поляризатор согласно данной технологии изготавливается путем нанесения тонкой пленки ЖК раствора красителя на стеклянную или полимерную подложку одним из известных методов. Особенность технологии заключается в том, что ориентация молекул красителя происходит в процессе нанесения пленки, так что сразу после ее высыхания на подложке получается тонкое термостойкое поляризующее покрытие. Их применение позволяет создать новые конструкции жидкокристаллических дисплеев, в которых поляризаторы могут формироваться непосредственно на стенках ЖК ячейки, причем как на ее внешних, так и на внутренних сторонах. Внутреннее расположение поляризаторов является более предпочтительным, поскольку позволяет увеличить прочность и надежность дисплея, а также упростить его конструкцию и уменьшить число технологических операций.
При соответствующем выборе условий нанесения и величины ориентирующего воздействия возможно получать дихроичный поляризатор, содержащий анизотропную пленку, по крайней мере часть, которая имеет кристаллическую структуру [РСТ RU 99/00400]. Такие дихроичные поляризаторы обладают более высокой степенью анизотропии и термоустойчивостью.
В дисплее с внутренним поляризатором дихроичный поляризатор обычно формируют над системой электродов [RU 2139559]. Для этого электроды покрывают специальным планаризующим слоем, который также способствует хорошей адгезии материала дихроичного поляризатора. Это приводит к увеличению числа слоев в дисплее (его толщины) и количества технологических операций при производстве. Кроме того, в этом случае дихроичный поляризатор можно наносить только после формирования системы электродов, что снижает гибкость производства для изменения ассортимента продукции.
Настоящее изобретение направлено на создание многослойной пластины, которая может быть использована в производстве дисплеев, а также на конструкцию дисплея с внутренним поляризатором.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение надежности и уменьшение толщины дисплея, а также снижение затрат на производство, увеличение выхода годной продукции, снижение количества операций при сборке дисплея.
Технический результат достигается тем, что многослойная пластина содержит оптически прозрачную подложку, защитный слой, электропроводящий слой, по крайней мере один слой анизотропного пленочного кристалла. Пленочный кристалл образован веществом, которое содержит ароматические кольца и имеет Брэгговский рефлекс (3,4±0,2)
Подложка многослойной пластины может быть выполнена из стекла, а защитный слой может быть выполнен из оксида кремния, и/или оксида(-ов) тяжелых(-ого) металлов(-а), или полимера(-ов). Электропроводящий слой обычно выполняют из ITO.
Иногда на слой ITO могут наносить металлическую сетку (например, методами масочного напыления) с целью увеличения проводимости слоя. При этом общая площадь поверхности металлической сетки должна быть менее 10% от общей поверхности многослойной пластины.
Обычно пленочный кристалл является поляризатором Е-типа. Иногда пленочный кристалл может одновременно выполнять функции поляризатора и фазозадерживающего слоя.
Иногда по крайней мере часть защитного слоя могут выполнять проводящей (например, путем легирования поверхности).
При транспортировке с целью предотвращения повреждений предпочтительно многослойную пластину дополнительно покрывать полимерной(-ыми) пленкой(-ами).
Кроме того, заявленный технический результат достигается тем, что панель дисплея содержит оптически прозрачную подложку, защитный слой, систему электродов и по крайней мере один слой пленочного кристалла. Пленочный кристалл образован веществом, которое содержит ароматические кольца и имеет Брэгговский рефлекс (3,4±0,2)
На слой ITO в панели дисплея могут наносить металлическую сетку. При этом общая площадь поверхности металлической сетки должна быть менее 10% от общей площади электродов.
В дисплее пленочный кристалл обычно является поляризатором Е-типа. Иногда пленочный кристалл в дисплее может совмещать функции поляризатора и фазозадерживающего слоя.
Дополнительно панель дисплея может содержать адгезионный(-ые) слой(-и).
Многослойная пластина по заявленному изобретению содержит следующие основные слои: оптически прозрачную подложку, обычно натрий-кальциевое стекло (soda-lime glass); оптически анизотропный слой - пленочный кристалл, образованный веществом, содержащим ароматические циклы, и имеющий Брэгговский рефлекс (3,4±0,2)
Оптически анизотропный слой будет выполнять в дисплее функции поляризатора или одновременно функции поляризатора и фазозадерживающего слоя. Необходимо, чтобы указанный слой был по крайней мере частично кристаллический, это обеспечит высокую устойчивость его структуры и требуемые оптические параметры. Начальный выбор материала для формирования такого слоя определяется наличием развитой системы π-сопряженных связей в ароматических циклах и наличием в молекулах групп типа аминных, фенольных, кетонных и т.д., лежащих в плоскости молекулы и являющихся частью ароматической системы связей. Сами молекулы или их фрагменты имеют плоское строение. Например, это могут быть такие органические вещества, как индантрон (Vat Blue 4), или дибензоимидазол 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой кислоты (Vat Red 14), или дибензоимидазол 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты, или хинакридон (Pigment Violet 19) и другие, производные которых или их смеси образуют стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу.
При растворении такого органического соединения в подходящем растворителе образуется коллоидная система (лиотропный жидкий кристалл), в которой молекулы объединяются в супрамолекулярные комплексы, являющиеся кинетическими единицами системы. ЖК является предупорядоченным состоянием системы, из которого в процессе ориентации супрамолекулярных комплексов и последующего удаления растворителя образуется анизотропная кристаллическая пленка (или в других терминах пленочный кристалл).
Способ получения пленочных кристаллов из коллоидной системы с супрамолекулярными комплексами предусматривает
нанесение этой коллоидной системы на подложку; коллоидная система должна также обладать свойством тиксотропии, для этого коллоидная система должна находиться при заданной температуре и иметь определенную концентрацию дисперсной фазы;
приведение нанесенной или наносимой коллоидной системы в состояние повышенной текучести путем любого вида внешнего воздействия, обеспечивающего уменьшение вязкости системы (это может быть нагрев, деформация сдвига и т.д.); внешнее воздействие может продолжаться в течение всего последующего процесса ориентирования или занимать время, необходимое для того, чтобы система не успела релаксировать в состояние с повышенной вязкостью за время ориентирования;
внешнее ориентирующее воздействие на систему, которое может быть произведено как механическим, так и любым другим способом; степень указанного воздействия должна быть достаточна для того, чтобы кинетические единицы коллоидной системы получили необходимую ориентацию и образовали структуру, которая и будет являться основой будущей кристаллической решетки получаемого слоя;
перевод ориентированной области получаемого слоя из состояния с уменьшенной вязкостью, которое было достигнуто первоначальным внешним воздействием, в состояние с первоначальной или более высокой вязкостью системы; ее осуществляют таким образом, чтобы не произошла разориентация структуры формируемого слоя и не возникло дефектов на поверхности слоя;
следующей операцией является операция сушки (удаление растворителя), в процессе которой и происходит непосредственно образование кристаллической структуры;
обычно заключительной операцией является перевод пленочного кристалла в водонерастворимую форму путем обработки его поверхности раствором, содержащим ионы 2- и 3-валентных металлов.
В полученном слое плоскости молекул параллельны друг другу, и молекулы образуют трехмерный кристалл по крайней мере в части слоя. При оптимизации способа производства возможно получение монокристаллического слоя. Оптическая ось в таком пленочном кристалле будет перпендикулярна плоскости молекул. Такой пленочный кристалл будет обладать высокой степенью анизотропии и по крайней мере для одного направления высоким показателем преломления.
Для получения слоев с требуемыми оптическими характеристиками можно смешивать коллоидные системы (в этом случае будут образовываться в растворе совместные супрамолекулярные комплексы). В слоях, полученных из смесей коллоидных растворов, поглощение и преломление могут принимать различные значения в пределах, определяемых исходными компонентами. Смешивание различных коллоидных систем с образованием совместных супрамолекулярных комплексов возможно в связи с совпадением одного из размеров молекул указанных выше органических соединений (3,4
Контроль толщины слоя осуществляют по содержанию твердого вещества в наносимом растворе и толщине влажного слоя на подложке. Технологическим параметром при формировании таких слоев является концентрация раствора, которую удобно контролировать при производстве. Степень кристалличности слоя можно контролировать по рентгенограмме или оптическими методами.
Отличительной особенностью пленочного кристалла является высокая термостабильность, что особенно важно при современной технологии производства дисплеев.
Слой оксида кремния необходим для защиты анизотропного слоя от разрушающих внешних воздействий в технологическом процессе, в частности при операции травления ITO и изолировании его при работе дисплея от контакта с электродами и ЖК. Формируют слой оксида кремния известными способами: испарением в вакууме при нагреве, катодным распылением, так называемым “мокрым способом” - из растворов и др. Защитный слой, помимо оксида кремния, может содержать также оксиды тяжелых металлов. Например, состав CERAMATE для формирования защитного слоя из раствора содержит до 6 вес.% твердой фазы (ТiO2, ZrO2, SiO2, Sb2O5). Слой, получаемый из раствора, обычно спекают при повышенной температуре. Эта операция при производстве многослойных пластин возможна благодаря высокой термостабильности анизотропного слоя. Он может выдерживать нагрев до 180°С или кратковременный нагрев до 250°С и выше без существенного изменения оптических характеристик.
В качестве защитного слоя могут использовать также различные термостабильные и химически устойчивые полимеры. Термостабильность всех слоев многослойной пластины необходима, поскольку ряд технологических операций при производстве дисплея (например, формирование планаризующего и ориентирующего слоя полиимида на системе электродов) включает высокотемпературный нагрев.
Проводящий слой (ITO) формируют одним из известных способов.
Также многослойная пластина может содержать дополнительные наружные слои, защищающие ее при транспортировке и удаляемые при изготовлении дисплея.
Такая многослойная пластина является заготовкой для производства дисплейных панелей и уже содержит основные функциональные слои дисплея. Это позволяет упростить технологию изготовления дисплеев, сократив число производственных операций.
Размеры многослойной пластины определяются требованиями, предъявляемыми производителями дисплеев. Обычно на каждой пластине умещается несколько дисплейных панелей. На пластине для каждой дисплейной панели формируется соответствующая система электродов, а также формируются дорожки, по которым будет производиться склейка дисплеев. Удаление материала проводящего слоя на соответствующих участках пластины могут осуществлять методами фотолитографии, лазерной абляции и др.
Плотность и толщина защитного слоя должна быть достаточна, чтобы при фотолитографии или других аналогичных методах травления проводящего слоя не происходило разрушение анизотропного пленочного кристалла.
При применении лазерной абляции в местах, на которых формируют дорожки для склейки ЖК-ячейки, одновременно с удалением проводящего слоя могут спекать стекло с защитным слоем оксида кремния.
Затем система электродов обычно покрывается слоем полиимида, который выполняет функции планаризующего и ориентирующего ЖК-слоя. В качестве планаризующего слоя могут использовать и другие материалы, в частности оксид кремния. В этом случае материал слоя будет дополнительно играть роль изолятора, препятствуя пробою между электродами.
После формирования матрицы передних и задних панелей дисплеев соответствующие пластины склеивают и образовавшиеся ячейки заполняют ЖК. После чего происходит разделение ЖК-дисплеев. Сформированные ЖК-дисплеи имеют внутренние поляризаторы. Это позволяет упростить конструкцию дисплея, уменьшить его толщину и повысить надежность в эксплуатации.
Панель дисплея может содержать несколько слоев анизотропного пленочного кристалла, при этом один из слоев может выполнять роль поляризатора, а другой - ретардера (фазозадерживающего слоя). Как известно, использование фазосдвигающих слоев в дисплеях, например, STN-типа приводит к увеличению угла обзора и уменьшению хроматических аберраций изображения.
В качестве материала для фазозадерживающего слоя выбирают ароматические соединения, не поглощающие или имеющие слабое поглощение в видимой области спектра и способные образовывать стабильную лиотропную жидкокристаллическую фазу. Такой пленочный кристалл будет обладать высокой степенью анизотропии и для одного направления высоким показателем преломления.
Слои анизотропного пленочного кристалла могут быть разделены промежуточным защитным слоем или быть нанесены непосредственно друг на друга. В последнем случае нижний слой необходимо предварительно перевести в водонерастворимую форму путем обработки его поверхности раствором, содержащим ионы 2- и 3-валентных металлов.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: на Фиг.1 изображена схема многослойной пластины по заявленному изобретению; на Фиг.2 представлена схема ЖК дисплея с внутренними поляризаторами.
Многослойная пластина в одном из примеров реализации (Фиг. 1) содержит оптически прозрачную подложку 1 из натрий-кальциевого стекла; поляризатор 2, являющийся пленочным кристаллом, сформированным из 9,5%-ного водного раствора сульфированного индантрона. Толщина поляризатора составляет около 100 нм. Сверху наносят защитный слой 3 оксида кремния и затем проводящий слой 4, обычно ITO. При транспортировке пластину обычно защищают сверху полимерными пленками 5.
Такая многослойная пластина является заготовкой для производства дисплейных панелей и уже содержит основные функциональные слои дисплея. Одна из возможных конструкций такого дисплея с внутренними поляризаторами представлена на Фиг. 2. Дисплей представляет собой плоскую кювету, образованную двумя параллельными стеклянными пластинами 6, на внутренних поверхностях которых последовательно сформированы слой поляризатора 2, защитный слой 3 из оксида кремния, система электродов 7 из оптически прозрачного электропроводящего материала (ITO) и слой 8 полиимида, являющийся ориентирующим слоем. После сборки кюветы ее заполняют жидким кристаллом 9 и герметизируют, например, герметиком 10.
Конструкция дисплея с внутренним поляризатором позволяет уменьшить толщину устройства и увеличить его надежность при эксплуатации. Кроме того, оптические свойства пленочных кристаллов, используемых в таких дисплеях в качестве анизотропных слоев, позволяют создавать устройства с высоким контрастом и широким углом обзора.
Реферат
Изобретение относится к устройствам отображения информации. Многослойная пластина содержит оптически прозрачную подложку, защитный слой, электропроводящий слой, а также по крайней мере один слой анизотропного пленочного кристалла, причем пленочный кристалл образован веществом, которое содержит ароматические кольца и имеет Брэгговский рефлекс (3,4± 0,2)
