有机TFT驱动的聚合物分散型液晶显示技术分析

陈春荣

深圳市国显科技有限公司，广东深圳，518117

0 引言

聚合物分散型液晶又称为PDLC，在高清晰电视投影显示、智能玻璃、光调制器等方面具有广泛应用。聚合物分散型液晶，从根本上讲就是液晶，具有基本的光电性质，将液晶与高分子聚合物在一定比例下混合，利用光聚合、过热聚合等方法，促进二者间相互分离，以此形成液晶分子彼此靠拢的局面，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，最早是美国Kent州立大学的液晶研究小组提出的，研究小组将液晶与环氧树脂相互混合，在试验研究中发现在不通电的情况下，混合物呈现为乳白色混浊状态，在通电后，混合物状态就会变得透明，针对该特殊现象进行了后续的深入研究。

1 聚合物分散型液晶显示技术发展历程

1985年，相关研究人员将液晶与聚乙烯醇水溶液混合并搅拌，液晶不溶于水，在溶液中悬浮，以乳化胶液状态存在，基于此，对其进行干燥处理，发现其形成了一层薄膜，薄膜中具有大量的液晶微滴，且具有光散射的功能。在此基础上，在薄膜上叠加透明电极基板，形成液晶显示器，这是在研究和发展历程中，将聚合物液晶材料首次应用到显示器件当中的探索过程。在后续的研究中，相关专家提出了创新的聚合物液晶薄膜制备方式，尝试相分离方法。在实验过程中，将液晶聚合物溶液混合搅拌均匀，在紫外光聚合作用下，从聚合物中析出液晶，使得两种物质相互分离，并在聚合物中获得大量均匀分布的液晶小分子，经过分析发现其性能良好，尺寸较易控制，在某种意义上获得了技术飞跃，真正形成了聚合物分散型液晶显示器件。2007年，研究人员发现了甲基丙烯酸硬脂酸酯含量对LC微胶囊制备的聚合物分散液晶光电性能的影响，并得出随着甲基丙烯酸硬脂酸酯含量的增加，聚合物分散液晶的驱动电压和阈值均会提高的结论。2008年，将聚合物分散液晶显示技术应用于电子设备外壳，以作为辅助显示器，作为一项专利，再一次扩展了聚合物分散液晶技术的应用领域和功能方法等。在此后的研究当中，逐渐发现聚合物分散液晶显示材料如其他显示材料一般，均具有较高的响应速率且具有相应的光学特征，并且可以调制可见光和近红外光，证明了其在特殊环境下也具有一定的应用功能效果[1]。

2 有机TFT驱动的聚合物分散型液晶显示技术原理及制备方法

2.1 显示技术原理

相较于普通液晶类型，聚合物分散型液晶在工作上有着相当大的区别。在聚合物分散型液晶显示上，两块玻璃板之间附有透明电极，其中还夹着向列型液晶，预先对透明电极进行平行取向处理，使得液晶的取向与电极面保持垂直方向。在不施加电压时，自然光源在通过上偏振片后，经过玻璃板作用，只留下与透光轴相互平行的线性偏振光到达液晶层，或在特定条件下，以光波导形式，在液晶层中继续传播到另一侧的基板上。随着液晶分子方向的转变，光波导形式下的线性偏振光也发生同样旋转。在施加电压后，在电压作用下，液晶分子发生偏转，旋转至与电场相平行的方向，将扭曲结构解体，线性偏振光就不会继续发生旋转，而是按照原本方向到达输出面。

一般情况下，聚合物分散型液晶显示对取向没有特殊要求，所以在不施加电压时，就不会在基板之间保持分子的规则性排列，而是分子随机分布，方向不定，并且液晶微滴也会在聚合物胶水中随机性分散分布。出现这种情况的原因，主要是由于液晶分子的方向，会影响光纤传播方向，在自然光到达液晶层后，会持续发生散射现象，不仅容易使得输出光线散射到不同的方向，甚至可能导致光线散射到输入端，在外部看来，就会呈现为黑暗状态。而在对聚合物分散型液晶施加电压后，受电压影响，液晶分子就会全部按照特定方向分布至电场方向路线，这一过程中，液晶微滴也不会产生散射功能，入射光可以直接到达输出端，对外呈现为透明状态。

2.2 制备方法

聚合物分散型液晶显示制备方法主要包括相分离法、微胶囊法和空穴法。其中，微胶囊法出现较早，主要应用于控制药物释放类的药剂胶囊制造方面，液晶微胶囊的尺寸通常只有几十微米，最大的也就只有数百微米，可被制作成丝网印刷油墨，利用丝网印刷的方式，将其在ITO玻璃基板上进行印刷并显示。但这一制备方法在实际操作过程中，常出现液晶微滴尺寸不均匀现象，且存在响应效率低、驱动电压高、一致性效果差等问题[2]。空穴法通常得到的液晶微滴较为均匀，但也存在一定空穴缺陷，造成薄膜中有额外液滴出现的问题，降低其整体性能。

因此，相对比而言，相分离技术是目前最为稳定高效的聚合物分离型液晶显示制备方法。其中，温度分相法就是将热塑性材料加热到熔点，使其与液晶均匀混合，将其在导电玻璃上均匀涂抹，直到冷却到室温后停止，进而使得混合物在温度降低下出现相互分离，得到液晶微滴。该过程操作简单，且成本相对较低，不足之处在于冷却速度决定着液晶微滴的尺寸，很可能最终得到预期性能外的材料，但若是能够有效控制蒸发速度，就可以得到理想的薄膜。聚合相分离法工艺也较为简单，且环保效果较好，将聚合物与液晶溶为一体，添加催化剂，经过热聚合反应后，使得液晶在聚合物网络中固化。

3 有机TFT驱动的聚合物分散型液晶显示设计制作

3.1 底层基板ITO设计

将有机TFT科学运用到LCD阵列显示当中至关重要。从某种程度上来看，液晶与电容存在诸多的相似之处，如电压响应时长设置等方面。在施加电压后，液晶分子都会在一定时间内旋转到同一方向，将电能转化为机械能，存储到液晶分子当中。并且，在电压撤掉后，液晶分子也会在一段时间内恢复原状，将能量释放，这一过程与电容原理基本相似。加之液晶本身为绝缘介质，这一电学特性使其被广泛利用。同一行的像素有机TFT栅极间相互连接，形成栅极母线，且同一列的像素漏极之间也相互连接，被称为漏极母线。液晶层和另外一层通过接地电极相互连接，并在另一侧基板处设置，因此被称为公共电极。有机TFT-LCD阵列显示屏的显示效果，通常由液晶的并联电容、自身电容、扫描速度等相关因素共同决定，若是显示效果要求一般，且像素数目相对较少，就可以通过提高液晶本身的电容，以此来延长放电时间。

其中，OFTT作为驱动控制主体，但只有经过电路将其连接到行列电极母线后，才能实现外部的控制，所以，底部基板还包括漏极母线、栅极母线等，相互交叉区域即为有机TFT后续制作的重点区域。在基板ITO设计过程中，使用AutoCAD 2018工具绘制设计图纸，控制玻璃基板大小，在右下方显示区域共有25个像素点分布[3]。横向电极线为栅极母线，由左至右的方向连接，宽度1.5mm，适当留出一定面积为后续加压提供便利；竖向电极为漏极母线，宽度也是1.5mm，使用连接桥将二者连接，连通同一列像素漏极，避免相互交叉短路等。在玻璃基板的四个角上，设置对位孔，其直径为2.2mm，控制对位孔位置准确性，以保证镀膜位置精准性。

3.2 掩模板设计

掩模板支撑特定的图形镀膜操作，并实现功能区镀膜。在该过程中，主要对绝缘层、半导体层和源漏电极层进行设计。其中，源漏电极可使用同种金属材料，放置在同一层，半导体层不需特定图形，同样也不需特定掩模板，所以，该设计中，掩模板主要包括金属层镀膜掩模板和绝缘层镀膜掩模板。通常情况下，绝缘薄膜的主要功能是组成有机TFT并控制上下层电极交叉短路，应尽量增大其尺寸，但又不能影响显示面积。金属层主要用来制作源漏电极，一般只需要确保电极与底层母线准确连接即可。考虑掩模板制作加工的经济性，以及为便于后续的加工和更改，使用方形掩模板，并在特定设计技巧下，将金属层掩模板和绝缘层掩模板设计为同一图案，进而实现掩模板的可重复利用。

3.3 COMSOL功能仿真

当前的有机TFT器件相关理论还需进一步探究和完善，工艺参数的探索工作也需在无机TFT基础上进行。为便于后续参数调整和优化，功能仿真过程中，主要从绝缘层厚度、沟道长度和有机层厚度三个方面进行，分析其对TFT转移特性曲线和输出特性曲线的影响。在功能仿真过程中，使用COMSOL软件，将有限元法作为操作基础，通过偏微分方程的求解，仿真物理现象。

首先，建立基本的仿真模型在模拟物理参数时，必须满足在一个有限边界的基本前提条件，所以，必须先建立合适的几何模型，支撑COMSOL仿真。建立整体尺寸为3μm×7μm的仿真模型，其沟道长度为2μm，使用多条线段表示对应电极。在结构设置完成后，添加主体材料，通过COMSOL自带的物理材料库，设定相应的参考值，为仿真提供重要条件。同时，还需设置绝缘层厚度、掺杂模型相关参数以及金属电极接触类型等。半导体模型当中，将最后一行的薄绝缘栅层设置介电常数和绝缘层厚度，使得该结构与顶栅接触有机TFT结构基本相同。

其次，设置物理场，计算确定相关参数，包括计算变量和计算方法等。首先需构建网络，一般选择默认的网络构建；接下来确定研究对象，设定仿真对象和参数值，一般需设置两个稳态研究内容，分别为固定漏极电压和阈值电压，用来改变栅极电压和漏极电压[4]。在仿真模型构建后，需要观察电子浓度图和电势图，确定其结果可信度。

3.4 丝网印刷ITO图案

以上设计完成后，需要进行器件的制作，其中，丝网印刷为第一环节。丝网印刷的印版分网孔区域，可以使得油墨通过其中，油墨的漏印会到达承印物上，留下相应的信息或图案。对于不同的印刷图案，必须制作新的丝网印版。在印刷过程中，将油墨摊倒在丝网印刷的一端，按照一定的倾斜角度，使用印刷刀刮动油墨，油墨就会按照所给方向进行流动，受到压力的作用，渗透到网孔，并与承印物之间出现粘连，进而实现油墨的转移，以复刻预期图形。

3.5 磁控溅射氮化硅绝缘层

首先，选择合适的栅绝缘层材料，保证其绝缘性能和抗压性能，满足有机TFT的要求。一般选择稳定性较强、抗高温氧化能力较强的材料，使其在高温环境下也可正常工作，不会受到外界环境影响而出现化学变化等。使用氮化硅薄膜，可以有效借助其本身杂质离子扩散阻挡和水汽渗透等优势，与ITO之间互不反应，提高制作完成后器件的寿命。其次，选择合适的制备方法。在薄膜晶体管当中，绝缘层占据重要地位，与有机半导体层薄膜之间发生直接接触，载流子的传输能力也与其有很大关联，因此为制备出优质的氮化硅薄膜，一般采用等离子增强化学气相沉积法和磁控溅射镀膜。相比较而言，磁控溅射镀膜技术发展相对成熟，它利用辉光放电反应，产生电子碰撞氩原子，使得其在电场作用下，氩气正离子高速运动直击阴极靶材，使得其中的分子、原子等全部溅射到基底的表面，完成沉积薄膜。在磁控溅射镀膜操作过程中，主要经过清洗基片、磁控溅射预准备、磁控溅射和清洗机器四个步骤。先对加工完成后的ITO玻璃进行清洗，将其表面油污、灰尘等清理干净，以避免镀膜后影响其性能。预准备工作重点包括启动磁控溅射机、启动水冷系统和安装靶材等方面。磁控溅射工作需要高功率支持，且选择的溅射绝缘层本身需要基底温度支撑，所以必须先启动水冷系统，在此基础上，安装氮化硅靶材，并做好相应的擦洗和打磨工作，将其对准玻璃基片并固定，放置在磁控溅射台中[5]。而后，按照中真空抽气、高真空抽气和加热、通氩气至低真空、预溅射、上调分压正式溅射和退火的顺序，进行磁控溅射操作。

3.6 激光刻蚀铜电极层

激光刻蚀铜电极层主要是聚焦高光束质量的小功率激光束使其成为极小光斑，发挥其在焦点处的功率密度，使得材料瞬间汽化蒸发。该操作虽然准确性存在一定不足，但总体而言，成本较低且操作简单，对于电子行业的器件制备应用效果较好。在操作过程中，首先将显微镜归位，将已经溅射了氮化硅的基板放置在合适位置，使用5倍镜对角，并按照先后顺序进行刻蚀，转换为20倍镜对角，通过多次试验，调整校正偏差，确定最终的有机TFT沟道宽度。刻蚀过程中，重点调整激光频闪次数和功率，并保证刻蚀连续进行[6]。

4 结语

综上所述，本文主要就有机TFT驱动的聚合物分散型液晶显示技术进行研究，研究了该技术的可行性，并通过一系列参数探索，获得一定成果。通过研究发现，经过基板ITO图纸的设计、TFT的COMSOL功能仿真以及制作工艺等，能够有效实现有机TFT驱动模块的制备，并将其应用到聚合物分散型液晶显示当中。但本文仅仅在理论上，就有机TFT驱动的聚合物分散型液晶显示技术进行猜测，实际的应用操作过程能否实现预期驱动效果、实现完整阵列显示器的制作还未可知，还需进一步验证和研究。