專利名稱：用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶芯片及制造，特別涉及一種用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片及其制造方法。
背景技術(shù)：
液晶材料是一種介于液體和固體之間的物質(zhì)，不同的溫度對應(yīng)液晶不同的晶相， 根據(jù)溫度由高到低的變化，液晶材料呈現(xiàn)的晶相依次為向列型、近晶型和膽留型。鐵電液晶中最主要的液晶分子是手性近晶相C*液晶(SmC*)分子。對于這種手性分子，最獨(dú)特的功能是旋光性質(zhì)，即改變?nèi)肷涔獾钠穹较?。將各向同性液體注入液晶盒，對其進(jìn)行降溫處理，那么液晶分子直接由手性向列相(N*)經(jīng)過近晶型A*相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻虲*相，這樣便可以得到鐵電液晶。鐵電液晶分子結(jié)構(gòu)較為特殊，其具有自發(fā)極化矢量，在交變電場的作用下，分子運(yùn)動呈螺旋式，具體結(jié)構(gòu)見圖3。由于液晶在轉(zhuǎn)變過程中需要經(jīng)過SmA*，這使得鐵電液晶分子的螺旋距離發(fā)生改變而出現(xiàn)缺陷。即使是一個均勻的樣本，在制取過程中分子層也會打折，左右方向連接區(qū)域形成鋸齒“之”字形缺陷，從而影響液晶的光學(xué)性能。解決這個問題常用的方法主要有兩種 一種是利用控溫技術(shù)，直接使液晶由N*轉(zhuǎn)變到SmC* ；另外一種是SiO斜向蒸鍍法(80度以上)有機(jī)取向?qū)?。但它們存在的缺陷是控溫技術(shù)在常溫情況下鍍膜，膜層不夠致密，吸潮顯著，在高溫情況下，難以涂鍍一些不耐高溫的塑料、聚合物；而SiO斜向蒸鍍法(80度以上)有機(jī)取向?qū)淤x型性差，液晶層的均勻性和批量生產(chǎn)性差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片及其制造方法。為解決其技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片，包括相互間隔且平行的玻璃基板和硅基板；在各自相對的側(cè)面上，在玻璃基板設(shè)置導(dǎo)電電極ITO層，在硅基板設(shè)置導(dǎo)電電極Al層；以環(huán)氧樹脂密封連接玻璃基板和硅基板形成液晶盒，其內(nèi)部注滿鐵電液晶；在所述導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層上分別設(shè)置取向?qū)樱?玻璃基板和硅基板之間由固定于兩個取向?qū)由系拈g隔子實現(xiàn)定位。作為一種改進(jìn)，所述間隔子是無機(jī)絕緣薄層。作為一種改進(jìn)，所述取向?qū)邮蔷埘啺穼?、聚乙烯醇層、尼龍層或聚乙烯醇層其中的任意一種。作為一種改進(jìn)，所述鐵電液晶具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)。作為一種改進(jìn)，所述鐵電液晶的準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)不是完全垂直于玻璃基板和硅基板的表面，而是呈一定的角度，該角度在15°以內(nèi)。進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了制作用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片的方法，包括以下步驟
(1)在玻璃基板上涂覆導(dǎo)電電極ITO層，在硅基板上涂覆導(dǎo)電電極Al層；(2)在導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層上分別涂覆一層取向?qū)?；然后，沿第一摩擦方向?qū)ΣＡЩ宓娜∠驅(qū)舆M(jìn)行摩擦處理，沿第二摩擦方向?qū)杌宓娜∠驅(qū)舆M(jìn)行摩擦處理，第一摩擦方向和第二摩擦方向按設(shè)定的角度相交；(3)以環(huán)氧樹脂密封膠連接玻璃基板和硅基板組成液晶盒，兩者之間的距離由沉積于任一取向?qū)由系臒o機(jī)絕緣薄層確定；(4)向液晶盒內(nèi)注入鐵電液晶，封口后進(jìn)行降溫處理，同時在液晶盒上加載交流信號以控制鐵電液晶層排布，得到具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)的反射式硅基鐵電液晶芯片。本發(fā)明中，所述步驟O)中的取向?qū)拥牟馁|(zhì)是聚酰亞胺、聚乙烯醇、尼龍或聚乙烯醇其中的任意一種。本發(fā)明中，所述步驟O)中的摩擦處理是指使用絲綢的滾子摩擦取向?qū)?，摩擦用力大小?0 50N，摩擦次數(shù)為20 50次，所述第一摩擦方向和第二摩擦方向是反向平行的。本發(fā)明中，所述步驟⑷中的降溫處理是，以3°C /min的速度降溫至25°C。本發(fā)明中，所述步驟中加載交流信號時，控制交變電場為3V/um。本發(fā)明中采用具有手性近晶相C液晶材料，這種材料以碳為中心的四個基功能各異，可以對入射光進(jìn)行調(diào)制。通過對液晶盒進(jìn)行特殊處理進(jìn)而影響近晶相C的液晶材料，使其具有手性結(jié)構(gòu)，即可以對入射的偏振光狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制。。準(zhǔn)書架型結(jié)構(gòu)由取向?qū)拥哪Σ练较虼_定。對上下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行取向處理，上部結(jié)構(gòu)沿第一摩擦方向進(jìn)行摩擦處理，下部結(jié)構(gòu)沿第二摩擦方向進(jìn)行摩擦處理，該第一摩擦方向和第二摩擦方向反向平行摩擦處理。液晶盒在注入液晶之前經(jīng)過摩擦處理，那么液晶層內(nèi)的液晶分子主軸相對于摩擦方向會扭曲一個預(yù)定的角度。根據(jù)摩擦強(qiáng)度的不同，會對注入的液晶分子產(chǎn)生一個錨定能， 促使鐵電液晶分子指向失沿某一方向排布。其中強(qiáng)摩擦?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)錨定，弱摩擦出現(xiàn)弱錨定。 錨定能不同，鐵電液晶分子的初始狀態(tài)也不同。由于鐵電液晶分子具有自發(fā)極化矢量，若錨定能過弱，不利于鐵電液晶分子旋轉(zhuǎn)，在這里我們選擇強(qiáng)錨定，即需要對取向?qū)舆M(jìn)行強(qiáng)摩擦。如附圖3所示，鐵電液晶盒中摩擦方向?qū)σ壕Х肿优挪嫉挠绊?。鐵電液晶分子的預(yù)傾角由摩擦決定，這種取向決定了反射式硅基鐵電液晶芯片的對比度，預(yù)傾角越小，對比度越高。如果在硅基鐵電液晶芯片的制取過程中，施加直流電壓， 也可以得到無缺陷芯片，此時芯片的對比度和響應(yīng)時間都得到極大提高。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明通過設(shè)置獨(dú)特的取向?qū)硬⑦M(jìn)行的摩擦處理，得到準(zhǔn)書架型結(jié)構(gòu)的反射式硅基鐵電液晶排布。這種排列方式提高了反射式硅基鐵電液晶芯片排布的均勻性，提高了其響應(yīng)時間，增加了對比度和亮度。該芯片制作方法有機(jī)地結(jié)合了集成電路技術(shù)和液晶技術(shù)，在硅基板上集成硅基液晶芯片的把各種視頻信號處理電路，包括掃描驅(qū)動、時鐘電路、存儲器等周邊驅(qū)動電路和尋址開關(guān)矩陣，通過引線接入控制電路，減小芯片的尺寸，同時結(jié)合傳統(tǒng)液晶技術(shù)，提高了像素的分辨率，縮小投影機(jī)的尺寸，為工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。通過摩擦技術(shù)得到準(zhǔn)書架形結(jié)構(gòu)的鐵電液晶排布，結(jié)合硅基板集成電路技術(shù)最終得到的反射式硅基鐵電液晶芯片，該芯片具有高速響應(yīng)度、高對比度和雙穩(wěn)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。
圖1為硅基鐵電液晶芯片結(jié)構(gòu)圖；圖2為硅基鐵電液晶摩擦定向圖；圖3為準(zhǔn)書架式結(jié)構(gòu)鐵電液晶層排布圖；圖4為外加電場鐵電液晶分子扭曲圖(暗態(tài))；圖5為外加電場鐵電液晶分子扭曲圖(亮態(tài))；圖6為反射式鐵電液晶芯片制作流程圖。其中圖中的附圖標(biāo)記為1玻璃基板、2導(dǎo)電電極ITO層、3取向?qū)印?間隔子、5導(dǎo)電電極Al層、6硅基板、7準(zhǔn)書架式鐵電液晶層結(jié)構(gòu)、8偏振片。
具體實施例方式下面參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實例，將更加詳細(xì)地說明這種反射式硅基鐵電液晶芯片及其制作方法。如圖1所示，反射式硅基鐵電液晶芯片包括相互間隔且平行的玻璃基板1和硅基板6 ；在各自相對的側(cè)面上，在玻璃基板1設(shè)置導(dǎo)電電極ITO層2，在硅基板6設(shè)置導(dǎo)電電極 Al層5 ；以環(huán)氧樹脂密封連接玻璃基板1和硅基板6形成液晶盒，其內(nèi)部注滿鐵電液晶；在所述導(dǎo)電電極ITO層2和導(dǎo)電電極Al層5上分別設(shè)置取向?qū)?，玻璃基板1和硅基板6之間由固定于兩個取向?qū)?上的間隔子4實現(xiàn)定位。間隔子4是無機(jī)絕緣薄層，可用CVD方法沉積無機(jī)絕緣薄層。這些薄層用于控制液晶盒的厚度，實現(xiàn)整塊芯片均勻化。取向?qū)?是聚酰亞胺層、聚乙烯醇層、尼龍層或聚乙烯醇層其中的任意一種。如圖 2所示，上下取向?qū)?經(jīng)過沿第一摩擦方向a和第二摩擦方向b的雙向摩擦處理，并且二摩擦方向成預(yù)定的角度，摩擦次數(shù)在3次以內(nèi)，摩擦壓入量大小在5N/cm2以內(nèi)。第一摩擦方向 a和第二摩擦方向b之間的夾角δ對應(yīng)于所采取的鐵電液晶材料的扭曲角度，而θ對應(yīng)于鐵電液晶分子旋轉(zhuǎn)角。根據(jù)瓊斯矩陣和空間參量法，利用MATLAB可以模擬出鐵電液晶材料的預(yù)傾角值，此處選取鐵電液晶的預(yù)傾角大小在在60° 80°間。在硅基鐵電液晶芯片的制作過程中，通過斜蒸鍍SiO分子材料實現(xiàn)，其中蒸鍍分子材料的傾角范圍也在60° 80°間，由此可以得到鐵電液晶的預(yù)傾角。這種取向?qū)咏徊娣较虻哪Σ撂幚?，通過與外加電場作用于所采用的液晶材料而產(chǎn)生的扭曲角度相對應(yīng)，從而提供了穩(wěn)定的定向特性。所述鐵電液晶具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)，層與層之間相互平行，但是每一層分子都有一個預(yù)定的傾斜角。具有書架式層結(jié)構(gòu)的鐵電液晶層與上下兩個基板成90°垂直，但這是一種理想情況，在工藝上難以達(dá)到，一般得到的鐵電液晶層排布具有“人”字形缺陷，為了解決這種問題，在鐵電液晶降溫過程中施加交變電場，得到準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)，其中降溫過程控制在3°C /min附近，交變電場控制在5V/um。與理想的書架式層結(jié)構(gòu)相比，準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)并不是完全垂直于基板表面，而是呈一定角度，該角度控制在15°以內(nèi)。由于鐵電液晶分子特殊結(jié)構(gòu)，其在電場作用下做圓錐運(yùn)動。在圖3的準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)中，每層的液晶分子穩(wěn)定地保持在以中心角θ為中心的圓周范圍運(yùn)動。在這個范圍內(nèi)，由于液晶分子自身存在一個自發(fā)極化矢量，無論加什么電壓，液晶分子都會反復(fù)地扭曲為與取向?qū)拥囊粋€表面平行，因此具有非常好的雙穩(wěn)態(tài)，同時響應(yīng)速度非常高。圖4和圖5很好地說明了摩擦方向?qū)Ψ瓷涫焦杌F電液晶的影響。當(dāng)光經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光，由于摩擦方向不同，硅基鐵電液晶盒中分子的排列也不同，對入射光線的調(diào)制也不同。入射光經(jīng)過液晶層后，由于鐵電液晶分子的旋光性，會對入射偏振光相位進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，當(dāng)它經(jīng)過硅基板發(fā)生鏡面反射后，再次經(jīng)過鐵電液晶盒出射，由于出射光的相位發(fā)生變化，偏振態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的變化，通過偏振片出射的光也呈現(xiàn)“亮” “暗”兩種狀態(tài)。圖6詳細(xì)說明了反射式硅基鐵電液晶的制作流程。首先完成ITO玻璃基板和CMOS硅基板的制作，它們分別構(gòu)成上下兩個部分，下部結(jié)構(gòu)由硅基板、下導(dǎo)電電極Al層和下取向?qū)禹樞驑?gòu)成；上部結(jié)構(gòu)由玻璃基板，上導(dǎo)電電極 ITO層和上取向?qū)禹樞驑?gòu)成，這兩個部分在工藝流程中可以同步進(jìn)行。取向?qū)拥闹饕饔檬谴_定鐵電液晶預(yù)傾角，實現(xiàn)液晶層的均勻化排布，得到具有良好光電性能的芯片。目前公知的方法都可以用于液晶層的取向，一般是用絲綢的滾子摩擦取向?qū)樱Σ劣昧Υ笮?0 50N，摩擦次數(shù)為20 50次，而且上下部分摩擦方向反向平行。接著在芯片的上部分或者下部分用CVD方法沉積無機(jī)絕緣薄層，這些薄層作為間隔子控制液晶盒的厚度，實現(xiàn)整塊芯片均勻化。最后將上下部分基板對準(zhǔn)貼合后切割，用環(huán)氧樹脂密封膠印將兩者緊緊連接在一起，留出一個液晶的注入口。將90攝氏度下的液態(tài)鐵電液晶通過毛細(xì)現(xiàn)象注入到液晶盒中后密封上注射口， 然后進(jìn)行降溫處理至25°C，其中降溫過程控制在3°C /min,同時在液晶盒的兩端加載一定頻率的交流信號控制鐵電液晶層排布，交變電場控制在3V/um。最后得到具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)的反射式硅基鐵電液晶芯片。與傳統(tǒng)反射式硅基液晶芯片制作方法相比，采用此摩擦方法制作的反射式硅基鐵電液晶芯片的反射率、對比度和響應(yīng)時間等都有極大提高。硅基鐵電液晶芯片的反射率提高到80%附近，對比度由10 1提高到127 1，響應(yīng)時間也有最初的IOOms附近提高 400us附近。表1基本光電參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片，包括相互間隔且平行的玻璃基板和硅基板；在各自相對的側(cè)面上，在玻璃基板設(shè)置導(dǎo)電電極ITO層，在硅基板設(shè)置導(dǎo)電電極 Al層；以環(huán)氧樹脂密封連接玻璃基板和硅基板形成液晶盒，其內(nèi)部注滿鐵電液晶；其特征在于，在所述導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層上分別設(shè)置取向?qū)?，玻璃基板和硅基板之間由固定于兩個取向?qū)由系拈g隔子實現(xiàn)定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式硅基鐵電液晶芯片，其特征在于，所述間隔子是無機(jī)絕緣薄層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式硅基鐵電液晶芯片，其特征在于，所述取向?qū)邮蔷埘啺穼?、聚乙烯醇層、尼龍層或聚乙烯醇層其中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的反射式硅基鐵電液晶芯片，其特征在于，所述鐵電液晶具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射式硅基鐵電液晶芯片，其特征在于，所述鐵電液晶的準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)不是完全垂直于玻璃基板和硅基板的表面，而是呈一定的角度，該角度在 15°以內(nèi)。
6.一種制作用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在玻璃基板上涂覆導(dǎo)電電極ITO層，在硅基板上涂覆導(dǎo)電電極Al層；(2)在導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層上分別涂覆一層取向?qū)?；然后，沿第一摩擦方向?qū)ΣＡЩ宓娜∠驅(qū)舆M(jìn)行摩擦處理，沿第二摩擦方向?qū)杌宓娜∠驅(qū)舆M(jìn)行摩擦處理， 第一摩擦方向和第二摩擦方向按設(shè)定的角度相交；(3)以環(huán)氧樹脂密封膠連接玻璃基板和硅基板組成液晶盒，兩者之間的距離由沉積于任一取向?qū)由系臒o機(jī)絕緣薄層確定；(4)向液晶盒內(nèi)注入鐵電液晶，封口后進(jìn)行降溫處理，同時在液晶盒上加載交流信號以控制鐵電液晶層排布，得到具有準(zhǔn)書架式層結(jié)構(gòu)的反射式硅基鐵電液晶芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的取向?qū)拥牟馁|(zhì)是聚酰亞胺、聚乙烯醇、尼龍或聚乙烯醇其中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟( 中的摩擦處理是指使用絲綢的滾子摩擦取向?qū)?，摩擦用力大小?0 50N，摩擦次數(shù)為20 50次，所述第一摩擦方向和第二摩擦方向是反向平行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中的降溫處理是，以3°C/ min的速度降溫至25 °C。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中加載交流信號時，控制交變電場為3V/um。
全文摘要
本發(fā)明涉及液晶芯片及制造，旨在提供一種用于投影顯示的反射式硅基鐵電液晶芯片及其制造方法。該芯片包括相互間隔且平行的玻璃基板和硅基板；在各自相對的側(cè)面上設(shè)置導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層；以環(huán)氧樹脂密封連接玻璃基板和硅基板形成液晶盒，其內(nèi)部注滿鐵電液晶；在所述導(dǎo)電電極ITO層和導(dǎo)電電極Al層上分別設(shè)置取向?qū)?，玻璃基板和硅基板之間由固定于兩個取向?qū)由系拈g隔子實現(xiàn)定位。其制造關(guān)鍵點(diǎn)在于對取向?qū)友夭煌较驅(qū)蓚€取向?qū)舆M(jìn)行摩擦處理。本發(fā)明通過設(shè)置獨(dú)特的取向?qū)硬⑦M(jìn)行摩擦處理，提高了反射式硅基鐵電液晶芯片排布的均勻性，提高了其響應(yīng)時間，增加了對比度和亮度，具有高速響應(yīng)度、高對比度和雙穩(wěn)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02F1/141GK102436108SQ20111042839
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者林斌, 能芬, 郝麗芳 申請人:浙江大學(xué)