Характеристики нанотолщинных композиционных слоистых покрытий на гибких подложках после деформации

СОДЕРЖАНИЕ Аннотация Список сокращений Введение

1. Анализ конструкции, принципа действия и технологии изготовления дисплейных ячеек на основе нанослоев ориентантов (Обзор литературы)

1.1 Особенности принципа действия, конструкции и технологии гибких дисплейных ячеек

1.2 Физико-технологические ограничения при изготовлении гибких дисплейных ячеек

2.2 Исследование характеристик нанотолщинных композиционных слоистых покрытий на гибких подложках (экспериментальная часть)

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

2.3 Экспериментальные результаты

2.3.1 Результаты исследования микрошероховатости нанотолщинных слоистых композиционных покрытий деформированных и недеформированных

2.3.2 Результаты исследования удельного поверхностного сопротивления нанотолщинных слоистых композиционных покрытий деформированных и недеформированных

2.3.3 Результаты исследования влияния способов обработки поверхности на термодинамические характеристики подложек гибких дисплейных ячеек

2.3.4 Результаты исследования электрооптических, механических и термодинамических характеристик нанослоев фоточувствительного ориентанта и низкотемпературного полиимидного ориентанта на гибких подложках

2.3.5 Результаты исследования дисплейных характеристик гибких деформированных и недеформированных ячеек

2.4 Выводы по экспериментальной части и оптимизация технологического процесса Заключение Список литературы

АННОТАЦИЯ Работа содержит: 65 страниц, 46 рисунков, 14 таблиц.

В главе 1 «Анализ конструкции, принципа действия и технологии изготовления дисплейных ячеек на основе нанослоев ориентантов (Обзор литературы)» проанализирована конструкция, рассмотрены принцип действия, выбор материалов для гибких жидкокристаллических модуляторов, а также основные операции типового технологического процесса изготовления таких устройств. В разделе 1.2 рассмотрены основные физико-технологические ограничения при изготовлении гибких оптических модуляторов.

В главе 2 «Исследование характеристик нанотолщинных композиционных слоистых покрытий на гибких подложках (экспериментальная часть)» проанализированы экспериментальные зависимости, приведены сравнения с модуляторами на других подложках и сделаны выводы по влиянию толщины нанотолщинного композиционного слоистого покрытия на устойчивость к деформации.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ДМФА — диметилформамид ЖК — жидкий кристалл ПАК — полиамидокислота ПИ — полиимид ПМДА-ОДА (PMDA-ODA) — полиимид на основе пиромеллитового диангидрида и 4,4'-оксидианилина ПО — программное обеспечение ПХО — плазмохимическая обработка ПХТ — плазмохимическое травление ПЭТФ (PETF) — полиэтилентерефталат ПЭС (PES) — полиэфирсульфон УФ — ультрафиолетовое излучение

ITO — indium tin oxid, электропроводящий оксид индия и олова

ВВЕДЕНИЕ

Жидкокристаллические индикаторы широко используют в оптических устройствах отображения информации, в частности, как составную часть жидкокристаллических дисплеев. В зависимости от материала подложек различают жесткие (стеклянные подложки) и гибкие (пластиковые подложки) индикаторы. Преимущества гибких индикаторов в компактности, произвольности формы и размеров, возможности размещения на искривленных поверхностях, что позволяет применять их в очках, шлемах, часах, автомобильных панелях. На основе жестких подложек это выполнить невозможно. В этой связи исследование характеристик нанотолщинных композиционных слоистых покрытий на гибких подложках является задачей актуальной.

Целью работы является исследование влияния толщины нанослоев ориентантов и методов химической обработки на оптические, термодинамические и механические характеристики гибких дисплейных ячеек на основе нанослоев ориентантов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— рассмотреть конструкцию гибких ЖК ячеек и принцип действия;

— рассмотреть основные операции технологического процесса изготовления дисплейных ячеек на основе ЖК;

— определить требования, предъявляемые к материалам для гибких ЖК ячеек;

— исследовать зависимость удельного поверхностного сопротивления при различных толщинах композиционного слоистого покрытия и оценить влияние толщины покрытия на устойчивость к деформации;

— исследовать влияние способов обработки поверхности на термодинамические характеристики подложек гибких дисплейных ячеек;

— исследовать электрооптические, механические и термодинамические характеристики нанослоев фоточувствительного и низкотемпературного полиимидного ориентантов на гибких подложках

— оптимизировать технологический процесс с целью улучшения характеристик гибких дисплейных ячеек.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ, ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСПЛЕЙНЫХ ЯЧЕЕК НА ОСНОВЕ НАНОСЛОЕВ ОРИЕНТАНТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Особенности принципа действия, конструкции и технологии гибких дисплейных ячеек Жидкий кристалл — это вещество, которое находится в промежуточном состоянии между жидкостью и твердым телом. ЖК обладает упорядоченной структурой, и его свойства сильно зависят от внешних факторов. В связи с упорядоченностью ЖК способен поляризовать свет.

ЖК ячейка используется для создания устройств отображения информации. Она способна под действием управляющих факторов (напряжения) менять интенсивность проходящего через нее света. Ячейка представляет собой две оптически прозрачные подложки, склеенные между собой с заданным зазором, заполненным жидким кристаллом. В зависимости от материала подложек различают жесткие (стеклянные подложки) и гибкие (пластиковые подложки) ячейки. В качестве оптически прозрачного проводящего слоя для электродов используется пленка ITO. Зазор между подложками задается калиброванными спейсерами. Спейсеры могут быть стеклянными и полиимидными, иметь шарообразную, цилиндрическую или столбчатую форму.

Принцип действия.

Ориентант имеет толщину 8−25 нм и укладывает прилегающие к нему молекулы в заданном направлении. Таким образом с помощью двух ориентантов мы задаем исходное направление ЖК, что будет соответствовать исходной поляризации света, т. е интенсивности света. К ITO подводится напряжение около 1.5−5 В, создавая разность потенциалов между ними. Под действием этой разности потенциалов ЖК меняют свое направление. Из-за этого меняется интенсивность проходящего света, так как изменение направления ЖК изменяет направление поляризации света. Спейсеры необходимы для сохранения величины оптического зазора и имеют размер около 0.8−50 мкм. При уменьшении зазора количество ЖК тоже уменьшится, следовательно увеличится интенсивность света. Герметизирующая прокладка ограничивает объем, занимаемый ЖК, не давая ему вытечь. Стекло или пластик являются подложками для ITO и служат корпусом ячейки. Толщина подложки около 2 мм, толщина слоя ITO 200−300 нм [3].

Поток света сначала проходит через первый поляроид 1. При этом теряется 50% светового потока. Остальной поток поляризованного света 4 проходит через слой ЖК 2, который поворачивает его плоскость поляризации. Ориентация плоскости поляризации этого потока теперь совпадает с плоскостью поляризации второго поляроида, и поток проходит через него почти без потерь.

Если приложить электрическое поле, то проходящий через слой ЖК поток света уже не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается во втором поляроиде, плоскость поляризации которого смещена по отношению к плоскости поляризации светового потока.

Анализ свойств материалов.

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой — для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия.

Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.).

Молекулы ЖК в дисплейной ячейке имеют палочкообразную вытянутую форму и ориентированы строго в одном направлении. Ориентация молекул ЖК в дисплейных ячейках может быть гомеотропной, планарной и конфокальной. Соответственно различают гомеотропную, планарную и конфокальную текстуру слоев ЖК. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.

Смектическая фаза характеризуется слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за высокой вязкости смектические жидкие кристаллы не получили широкого применения в технике.

В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора.

Холестерическая фаза на молекулярном уровне похожа на нематическую. Однако вся ее структура дополнительно закручена вокруг оси, перпендикулярной молекулярным осям. В результате получается слоистая винтовая структура с шагом спирали — порядка 300 нм.

Под текстурой понимается поле обзора слоя ЖК в поляризационном микроскопе, когда этот слой находится между скрещенными поляризаторами. При гомеотропной ориентации молекул текстура ЖК остается однородно темной при повороте ячейки на 180 градусов между скрещенными поляризаторами. Свет распространяется вдоль главной оптической оси слоя ЖК, которая во всей ячейке перпендикулярна гибким подложкам. Принято считать, что длинные оси молекул в этом случае тоже перпендикулярны подложкам.

При гомогенной планарной ориентации текстура ЖК однородна по всей апертуре ячейки, и обладает двулучепреломлением, как монокристалл. При вращении ячейки между скрещенными поляризаторами происходит модуляция светопропускания, что имеет место в том случае, если свет распространяется под углом к главной оптической оси. В первом приближении считается, что при планарной ориентации длинные оси макромолекул параллельны подложкам. Конфокальная текстура также двулучепреломляющая, но не однородная по апертуре ячейки. Она представляет собой конгломерат монокристаллов различных размеров (для сегнетоэлектрических ЖК 1−10 мкм) и формы, оптические оси которых ориентированы хаотично во всех возможных направлениях. Такая текстура является светорассеивающей, что неприемлемо в устройствах отображения информации.

Жидкие кристаллы весьма чувствительны к температуре и при этом меняют свою окраску. Они сильно реагируют на изменения напряженности электрического и магнитного полей, изменяя при этом свою прозрачность и другие оптические характеристики, что создает возможность использовать их в качестве управляемых материалов для этого вида внешних воздействий. Большое количество световых эффектов, например поворот плоскости поляризации луча, двойное лучепреломление, спектральное изменение поглощения и отражения, «световая память», делает их интересными и для применения в оптике. При использовании ЖК в качестве индикаторных устройств следует помнить, что они требуют внешнего освещения, а индикация может зависеть от угла зрения. Большая чувствительность к различным энергетическим воздействиям обязывает учитывать соотношение сигнал/помеха. Как и во всех органических материалах, в ЖК наблюдаются процессы старения.

Существование того или иного типа ориентации молекул ЖК в ячейке определяется структурой поверхностей подложек и способом их обработки, которые в решающей степени определяют смачиваемость этих поверхностей жидкими кристаллами. Переход от конфокальной ориентации к гомогенной планарной приводит к улучшению оптического качества ЖК модулятора.

Материал ориентирующего слоя для гибкого модулятора на основе СЖК должен обладать хорошим светопропусканием, способностью стабильно ориентировать молекулы СЖК, не иметь оптического искажения. При использовании СЖК, обладающих значительно большим быстродействием, необходимо применение ориентантов наноразмерных толщин.

В случае применения в качестве ориентанта полиимидных композиций при использовании обоих способов заполнения может наблюдаться незначительная локальная разупорядоченность, в том числе в виде поверхностных дисклинаций и точечных дефектов. Такие участки концентрируются в области изменения рельефа подложки (края электродов) или вблизи края пластин, где имеет место неустановившийся режим взаимодействия щетки с ориентантом. Для полного устранения дефектов ориентации, связанных с заполнением, достаточно провести непродолжительный (30 — 40 мин) прогрев заполненного модулятора при температуре, превышающей на 10 — 15 К температуру перехода ЖК в изотропное состояние (Т_пр).

При применении в качестве ориентанта диоксида кремния однородную ориентацию ЖК возможно получить только в условиях его изотропного состояния в процессе заполнения модулятора. Но в этом случае появляются множественные поверхностные дефекты не устранимые при повторном прогреве.

В последние годы все более популярным становится использование фоточувствительного ориентанта. Их преимущества в более простом способе и быстром создании анизотропии. Исследователи в работах и говорят о перспективности данного вида ориентантов.

В работах и говорится, что добавлением наноструктур в ориентант можно добиться лучшей ориентации ЖК.

Герментик Фактором, определяющим возможность использования материалов в качестве герметизирующих при производстве гибких модуляторов, является величина адгезии.

В качестве герметизирующего материала обычно используется ПВБ пленка. Адгезия ПВБ к гибкой подложке и токопроводящему покрытию составляет 3 — 3,5 МПа. Полиимидный ориентант снижает величину адгезии ПВБ к гибкой подложке до 0,6 — 0,7 МПа, а к токопроводящему покрытию до 0,5 — 0,6 МПа. Эти величины, согласно требованиям к механической прочности гибкого модулятора считаются недостаточными. Поэтому в качестве герметика вместо ПВБ применяют пленки на основе ПВБ-БЭН клеев. В таком случае адгезия герметика повышается в 1,5 — 2 раза. Согласно [5], в процессе жестких испытаний (одиночные удары с ускорением 1000 — 1500 g, вибрация с ускорением до 10g, с частотой 1 — 2 Гц, а также 3000 — 4000 ударов с ускорением 100 — 1500 g) отслаивания полиимидного ориентанта от токопроводящего покрытия или появления каких-либо других дефектов, связанных с разориентацией молекул ЖК, не наблюдается.

Спейсеры Материал спейсеров должен обладать диэлектрическими свойствами и быть химически инертным к ЖК. Такими материалами являются диоксид кремния, из которого изготавливают спейсеры шарообразной формы, а так же фоточувствительный полиимид марки durimid 5510, используемый для получения спейсеров столбчатой формы методом фотолитографии.

Главная задача спейсеров в гибком ЖК модуляторе обеспечить однородность зазора между пластиковыми подложками. Но шарообразные спейсеры при изгибе перемещаются, что приводит к изменению величины зазора, и как следствие, нарушению ориентации ЖК. Такого не наблюдается при применении столбчатых спейсеров.

Основные операции технологического процесса формирования полиимидных ориентантов для дисплейных ячеек на основе жидких кристаллов

Объектом входного контроля являются гибкие подложки со слоем ITO. Контроль заключается в:

*измерении поверхностного сопротивления слоя;

*визуальном осмотре внешнего вида подложек.

*проверке прочности приклеивания слоя ITO к гибкой подложке.

*проверке толщины и однородности слоя ITO.

Резка заключается в разметке листа материала и разделении его на подложки необходимого размера режущим инструментом. Поверхность ITO подготавливается с помощью химической обработки в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, затем плазмохимической обработки в кислородосодержащей плазме.

Формирование ориентирующего слоя производится из растворов центрифугированием. Для получения полиимидного слоя этим методом применяются 1 — 12% (вес.) растворы полиамидокислот в амидных растворителях (ДМФА) [5], а для получения слоя фоточувствительного ориентанта на основе SD-1 применяются 0.1 — 5% (вес.) растворы в ДМФА.

Оптимальное число оборотов в минуту выбирается с учетом, чтобы слой получился равномерным, и составляет 3000±200 для полиимидного слоя и 700±100 для слоя фоточувствительного ориентанта, время центрифугирования 10−20 с, количество раствора 1−2 капли на 1 см² площади подложки.

После нанесения слоя ПАК необходимо проводить термоимидизацию. На основании результатов анализа процесс имидизации должен проводиться в двухступенчатом режиме нагревания (рис. 3). Обычный процесс термоимидизации на кремниевых подложках проходит в две стадии при температурах 453 и 573 К. На первой стадии удаляется основная масса растворителя (сушка до 453 К в течение 30 мин). Далее температура постепенно повышается до 573 К. При этой температуре протекает реакция имидизации — превращения ПАК в полиимид. Слой SD-1 не нужно термоимидизовать, достаточно сушки при 373 К в течение 30 мин.

Рис 3 — Температурно-временная характеристика при получении полиимидных ориентантов методом двухстадийной термоимидизации.

При использовании подложек из ПЭС (температура стеклования 496 К) недопустимо проводить процесс формирования полиимидного ориентанта при температуре 573 К. Необходимо снизить температуру имидизации и увеличить время выдержки в термошкафу. Поэтому возникает необходимость исследовать влияние температуры имидизации и времени выдержки в термошкафу на термодинамические характеристики ориентантов.

От времени и температуры нагрева сильно зависит механическая прочность полиимидного слоя. Поэтому при термической имидизации возможны два крайних случая: перегрев полиимидного слоя или, наоборот, его недогрев. В первом случае происходит растрескивание ориентирующего слоя, что приводит к появлению дефектов ориентации молекул ЖК. Во втором случае при эксплуатации устройств отмечается постепенный рост токов потребления. Это связано с тем, что остатки ДМФА и низкомолекулярных продуктов имидизации вступают во взаимодействие с ЖК, растворяясь в них.

Ориентирующий микрорельеф на полученном покрытии формируется механическим натиранием для ПИ слоев и облучением анизотропным УФ для слоев фоточувствительного ориентанта.

При формировании ПИ столбчатых спейсеров слой будет не нанотолщинным, а микротолщинным: 2−4 мкм. Форма спейсеров выбрана Г-образной, чтобы они образовывали ячейки размерами около 100×100 мкм, что соответствует размеру домена ЖК.

Рис 4 — Полиимидные Г-образные спейсеры на поверхности ПЭТФ подложки.

Сборка дисплейной ячейки Сборка ЖК ячейки производится путем совмещения пластин проводящими сторонами друг другу. Главная задача этого процесса в обеспечении однородности зазора между пластинами и точности совмещения.

Однородность зазора обеспечивается равномерным усилием прижима в механическом прессе. Фиксация совмещенных подложек осуществляется путем их склеивания при контакте герметизирующим материалом, при этом оставляются отверстия (не проклеенные области) для заполнения ЖК.

Производственное помещение, в котором осуществляется операция сборки, должно иметь чистоту воздуха соответствующую классу 1 (классификация по ГОСТ ИСО 14 644−1-2002).

Заполнение ЖК, герметизация и приклеивание поляризаторов Сложность процесса введения ЖК в межэлектродный зазор заключается в том, что его воспроизводимость, технологичность и другие экономические характеристики зависят от состава и свойств применяющихся ориентантов. Это особенно относится к вакуумному способу заполнения, при котором ЖК запрессовывается в зазор воздухом в вакуумированной камере установки заполнения. Длительность процесса в целом определяется продолжительностью обезгаживания.

В случае применения органических ориентантов, обладающих высокой абсорбционной способностью, необходимо учитывать газовыделение внутренних поверхностей пустого межэлектродного зазора. На практике время обезгаживания модулятора, собранного на органических ориентантах, увеличивается в 10³ — 10⁴ раз по сравнению с модуляторами на неорганических ориентирующих слоях.

Заполнение ЖК сопровождается сложными гидродинамическими и ориентационными эффектами. Конфигурация фронта заполнения и градиент скорости по сечению потока ЖК зависят от текстуры ориентанта и ее анизотропии, рельефа электродов на подложке, толщины и равномерности капилляра, температуры системы, вязкостных характеристик ЖК. Как показывают экспериментальные данные [5], в ряде случаев особенности ориентационного распределения директора в потоке оказывают отрицательное действие на однородность граничной упорядоченности ЖК в твист-модуляторах.

Исключение влияния гидродинамических эффектов на ориентацию ЖК является обязательным условием при изготовлении любых типов модуляторов.

Существуют два способа заполнения: первый основан на действии капиллярных сил при введении ЖК в зазор; второй (вакуумный) — на действии дополнительного давления атмосферы, что резко увеличивает скорость заполнения.

После заполнения ЖК необходимо провести герметизацию отверстий, через которые вводился жидкий кристалл. Далее на внешнюю поверхность ПЭС подложек наклеиваются поляризаторы.

Перед приклеиванием листы поляризатора разрезаются на части, равные по размеру рабочей области гибкого ЖК модулятора. Для этого используется режущий инструмент.

Готовые разрезанные листы накладываются на ЖК модулятор с помощью ламинатора (устройство с роликами). Поляризатор накладывается на две стороны. Перед этим поверхность ПЭС подложки протирается салфеткой смоченной в спирте и обрабатывается сжатым воздухом. С клейкой стороны поляризатора удаляется защитная пленка, и он накладывается на край поверхности ПЭС подложки. После прохождения через ролики ламинатора поляризатор приклеивается по всех поверхности ПЭС подложки.

Проверка модуляторов заключается в осмотре устройства с приклеенным поляризатором. Поляризатор должен покрывать всю область наблюдения гибкого ЖК модулятора и не выступать за края. Допускается перекос не более чем на 5 градусов. Размеры визуальных дефектов (грязь, воздушный пузырек) не должны превышать 0,08 мм.

Выходной контроль осуществляется в три этапа:

1. Визуальный контроль заполненных гибких ЖК ячеек (Контроль размеров, внешнего вида, визуальный осмотр совмещенных подложек при комнатном свете и в монохроматическом свете).

2. Электрический тест жидкокристаллических ячеек

3. Тест на механические свойства [13]

1.2 Физико-технологические ограничения при изготовлении гибких оптических модуляторов дисплейный композиционный деформация ячейка Технологический процесс изготовления гибких ЖК ячеек на основе СЖК представляет собой набор технологических операций, последовательность которых обеспечивает получение устройств с заданным качеством и требуемыми технико-экономическими показателями. Важно, чтобы подложки для гибких ЖК ячеек могли выдержать все эти технологические операции.

Подложки со слоем ITO должны быть равномерно покрыты слоем ITO, иметь заданное поверхностное сопротивление и толщину, слой ITO должен быть хорошо приклеен. Для проверки этих свойств производится входной контроль, объектом которого являются гибкие подложки со слоем ITO.

При формировании ориентирующего слоя необходимо, чтобы слой получился равномерным. Для этого экспериментально выбирается скорость центрифугирования и температурные режимы термообработки с учетом термостойкости пластиковой подложки. Если перегреть подложку, произойдет растрескивание ориентирующего слоя, что приведет к появлению дефектов ориентации молекул ЖК. Если подложку недогреть, то при эксплуатации устройств отмечается постепенный рост токов потребления.

Полученная подложка с ориентирующим слоем должна оставаться прозрачной. Для этого толщина ориентационного слоя должна быть очень маленькой, т. е. покрытие должно быть наноразмерным. При этом сопротивление не должно сильно возрастать. И покрытие должно быть как можно более ровным, чтобы количество дефектов было наименьшим.

В процессе сборки ячейки главная задача — обеспечить однородность зазора между подложками и точность совмещения. Однородность зазора обеспечивается равномерным усилием прижима в механическом прессе. Соответственно подложки должны иметь достаточную механическую прочность и гибкость. Фиксация совмещенных подложек осуществляется путем их склеивания при контакте герметизирующим материалом, при этом оставляются отверстия (не проклеенные области) для заполнения ЖК.

Производственное помещение, в котором осуществляется операция сборки, должно иметь чистоту воздуха соответствующую классу 1 (классификация по ГОСТ ИСО 14 644−1-2002).

В дальнейшем на основе этих подложек будут собраны ЖК дисплеи, которые могут монтироваться на неровных поверхностях (например, стекло автомобиля). Значит, чтобы обеспечить гибкость всей конструкции, необходимо обеспечить гибкость подложки. Таким образом, для того, чтобы подложки прошли технологический процесс и дальнейшую эксплуатацию, необходимо исследовать их физико-механические и оптические свойства.

В работе была рассмотрена конструкция и принцип дисплейной ячейки на основе полимерной матрицы. Рассмотрен технологический процесс создания дисплейных ячеек на основе жидких кристаллов, который включает в себя ряд технологических стадий с соблюдением толщин покрытий.

Рассмотрено получение низкотемпературных полиимидных покрытий методом двухстадийной термоимидизации. Описано формирование ориентирующего микрорельефа методом механического натирания и УФ облучения, свойства которого весьма чувствительны к морфологическим воздействиям.

Рассмотрены физико-технологические ограничения при изготовлении гибких дисплейных ячеек и показана необходимость измерения их физико-механических и оптических свойств.

Правильный выбор режимов предварительной обработки поверхности и формирования ориентанта позволит значительно улучшить характеристики дисплейной ячейки. Для этого необходимо провести экспериментальную работу по исследованию влияния химической обработки поверхности и различной толщины ориентантов на термодинамические и электрооптические характеристики, выбрать оптимальную толщину ориентанта для применения в технологии изготовления гибких дисплейных ячеек для ЖК дисплеев.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОТОЛЩИННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СЛОИСТЫХ ПОКРЫТИЙ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ)

2.1 Объекты исследования

— образцы пленки PETF (США) со слоем ITO;

— образцы пленки PETF (США) со слоем ITO с фоточувствительным ориентантом на основе SD-1 различной толщины;

— образцы пленки PETF (США) со слоем ITO с низкотемпературным полиимидным ориентантом различной толщины;

— деформированные и недеформированные образцы пленки PES фирмы Sumitomo Bakelite (Япония) со слоем ITO с низкотемпературным полиимидным ориентантом различной толщины;

— гибкая дисплейная ячейка на основе нанослоев ориентантов.

ПИ ориентант получали нанесением из растворов ПАК в ДМФА различных объемных долей центрифугированием при 3000об/мин в течение 20с, затем ориентант подвергали двухстадийной термоимидизации при 453К в течение получаса и 493К в течение двух часов. Анизотропный ПИ ориентант получали натиранием вручную бязью вдоль длинной стороны (100 движений). Фоточувствительный ориентант получали нанесением из растворов SD-1 в ДМФА различных объемных долей центрифугированием при 700об/мин в течение 20с, затем ориентант сушили при 373 К. Анизотропный фоточувствительный ориентант получали облучением УФ светом через поляризатор в течение получаса. Склейку ячеек производили силиконовым клеем по периметру подложек, зазор обеспечивали равномерным сдавливанием в вакуумном упаковщике.

2.2 Методы исследования Удельное поверхностное сопротивление определяли с использованием измерителя типа ИУС-3 усреднением по трем точкам. Так как при деформации наибольшая нагрузка приходится на центр, то одна из точек помещается в центральную область, а две другие справа и слева в 5 мм от нее. С учетом того, что образцы деформировали вдоль длинной стороны, а, следовательно, вдоль короткой стороны удельное поверхностное сопротивление не изменялось, расположение точек для измерения удельного сопротивления выбрали как показано на рис. 10.

Точки были пронумерованы по порядку с левого края от 1 до 3 и расположены на расстоянии 15, 20 и 25 мм от левого края образца и посередине относительно короткой стороны.

Микрошероховатость поверхности ITO до и после деформации измеряли на Ntegra фирмы NT-MDT (Россия) контактным методом, обрабатывая результаты методом Roughness Analysis.

Кривизну поверхности рассчитывали следующим образом: для деформации образца использовали штангенциркуль, помещая в него образец с ITO наружу. Далее накладывали его на миллиметровую бумагу и измеряли прогиб p. Зная прогиб p и основание k (показания штангенциркуля), определяли радиус кривизны R по формуле, которая выводилась из приближения, что поверхность изгибается цилиндрически:

Где р — прогиб, R — радиус кривизны, k — размер основания (показания штангенциркуля). Для малых k<20 считали радиус кривизны равным k/2.

После определения радиуса кривизны измеряли удельное поверхностное сопротивление в трех точках. После этого деформировали образец и повторяли измерения кривизны и удельного сопротивления до тех пор, пока ITO не разрушится.

После разрушения первого образца деформировали второй образец в штангенциркуле ITO внутрь и производили измерения, как с первым образцом.

Микрошероховатости измеряли в центральной точке (номер 2) до деформации и после разрушения.

За предельный радиус кривизны брали такое наибольшее значение, при котором удельное поверхностное сопротивление возрастало на 30%.

Эллипсометрические измерения производились на «Спектральном эллипсометрическом комплексе «Эллипс-1891 САГ» (Институт физики полупроводников СО РАН) 4-точеченым методом на воздухе в диапазоне длин волн 300−1100 нм при угле падающего света 70° с усреднение по пяти точкам и на IR-VASE (J. A. Woollam Co., Inc., USA). Анализ эллипсометрических данных проводился с помощью программного обеспечения WVASE32 с использованием метода наименьших квадратов в качестве модели.

Термодинамические характеристики поверхностей — свободную поверхностную энергию и ее составляющие определяли методом Дана-Кейбла-Фаукса по измеренным на гониометре CAM-101 и микроинтерферометре МИИ-4 углам смачивания эталонными жидкостями (водой и альфа-бромнафталином), решая систему уравнений Вендта-Оуэнса:

1+cosИ=2(г_s^d*г^d_Вода)^½/ г_Вода+2(г_s^p*г_l^p_Вода)^½/ г_Вода

1+cosИ=2(г_s^d*г^d_АБН)^½/ г_АБН+2(г_s^p*г_l^p_АБН)^½/ г_АБН [17]

Усреднение проводили по пяти измеренным точкам, углы смачивания измеряли до достижения равновесного значения.

Изображение островковых пленок были получены на электронном микроскопе Quantro 600 °F. Изображение полиимидных спейсеров были получены на оптическом микроскопе Axioscope фирмы Carl Zeiss. Спектры поглощения и пропускания получены на спектрофотометре фирмы Ocean.

2.3 Экспериментальные результаты

2.3.1 Результаты исследования микрошероховатости нанотолщинных слоистых композиционных покрытий деформированных и недеформированных

Таблица 1. Толщина слоя полиимидного ориентанта на поверхности PES с ITO до деформации при различных соотношениях объемных долей ПИ к ДМФА при скорости вращения ротора центрифуги 3000 об/мин.

Из Таблицы 1 видно, что с уменьшением концентрации полимера толщина покрытия уменьшается.

Таблица 2. Микрошероховатость покрытия образцов на основе пленки PES с ITO после деформации сжатия и растяжения.

Микрошероховатость покрытия играет важную роль в ориентации ЖК, т.к. ЖК ориентируется в направлении минимальной микрошероховатости.

Таблица 3. Микрошероховатость покрытия образцов на основе пленки PES с ITO до и после деформации растяжения.

При деформации растяжения микрошероховатость покрытия образца на основе PES без нанесенного ориентанта возрастает на 80%, а при деформации сжатия на 220%. При деформации сжатия микрошероховатости на 80% выше, чем при деформации растяжения, что связано с более высокими пиками, которые образуются вследствие столкновения верхних слоев образца под действием сжимающей силы. Плотность трещин выше при деформации растяжения.

Рис 7 — Фотография образца на основе PES без нанесенного ориентанта после деформации растяжения.

Рис 8 — Фотография образца на основе PES без нанесенного ориентанта после деформации сжатия Рис 9 — Профиль поверхности образца на основе PES без нанесенного ориентанта после деформации растяжения.

Рис 10 — Профиль поверхности образца на основе PES без нанесенного ориентанта после деформации сжатия.

После деформации растяжения Ra покрытия на основе PES без нанесенного ориентанта увеличилось на 600%, а Rz на 10%, что связано с появлением трещин на поверхности образца. Плотность трещин составляет около 200 штук на миллиметр длины, перпендикулярно направлению трещин.

Рис 11 — Образец на основе PES без покрытия после деформации растяжения.

После нанесения полимера в концентрации 1:10 Ra увеличилось на 750%, Rz уменьшилось на 50% для изотропного ориентанта; Ra увеличилось на 1500%, Rz уменьшилось на 20% для анизотропного ориентанта. Трещины перестали быть ровными и периодичными, они начали пересекаться друг с другом. Также увеличились пики, что связано с разрушением покрытия. Плотность трещин возросла примерно до 300 штук на миллиметр. Это объяснятся тем, что по постулатам механики трещин твердые тела всегда имеют дефекты структуры, служащие источниками трещин. Тогда с резким ростом микрошероховтости растет и количество дефектов, следовательно, возрастает и плотность трещин. Толщина покрытия получилась равной 23 нм.

Рис 12 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 23 нм после деформации растяжения.

При нанесении полимера в концентрации 1:20 пленка получается сплошной.

Рис 13 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 17 нм недеформированный.

При нанесении полимера в концентрации 1:40 пленка получается островковой, что видно на рисунке. Толщина пленки около 8 нм, поэтому из-за малой толщины ее разрывает под действием сил поверхностного натяжения, что не позволяет ей ложиться сплошным слоем.

Рис 14 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 8 нм недеформированный.

Сравнивая профили поверхности, полученные атомно-силовой микроскопией на Ntegra, подтверждаются результаты, что трещины уменьшают свою плотность с уменьшением толщины покрытия. При этом анизотропия ориентанта уменьшает концентрацию трещин.

Рис 15 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 23 нм с изотропным ориентантом, профиль поверхности после деформации растяжения.

Рис 16 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 23 нм с анизотропным ориентантом, профиль поверхности после деформации растяжения.

Рис 17 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 17 нм с изотропным ориентантом, профиль поверхности после деформации растяжения.

Рис 18 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 17 нм с анизотропным ориентантом, профиль поверхности после деформации растяжения Рис 19 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 8 нм с изотропным ориентантом, профиль поверхности после деформации растяжения.

Рис 20 — Образец на основе PES с покрытием толщиной 8 нм с анизотропным ориентантом после деформации растяжения.

2.3.2 Результаты исследования удельного поверхностного сопротивления нанотолщинных слоистых композиционных покрытий деформированных и недеформированных Рис 21 — Удельное поверхностное сопротивление при различных радиусах кривизны деформации растяжения и сжатия.

При деформации растяжения предельный радиус кривизны получился равным 8.6 мм, а при деформации сжатия 7.4 мм, что на 14% меньше.

Рис 22 — Удельное поверхностное сопротивление при различных толщинах ориентанта и радиусах кривизны деформации растяжения.

Таблица 4. Предельные радиусы кривизны образцов на основе PES и PETF с изотропным и анизотропным ориентантом после деформации растяжения.

Существует некоторая тенденция к уменьшению радиуса кривизны вместе с уменьшением толщины пленки для образцов на основе PES. Однако удельное поверхностное сопротивление ощутимо возрастает на величину от 70 до 130%. Для образцов на основе PETF наоборот более толстые покрытия дают лучший предельный радиус кривизны. Удельное поверхностное сопротивление возрастает на величину от 50 до 100%.

Пока нет экспериментальных результатов образцов на основе PETF с анизотропным ориентантом, поэтому сравним образцы на PETF с образцами на PES с изотропным ориентантом.

Таблица 5. Предельные радиусы кривизны образцов на основе PES и PETF с изотропным ориентантом после деформации растяжения.

В обоих случаях наиболее толстое покрытие дает наилучший радиус кривизны. В сравнении образец на основе PETF выглядит лучше, так как его предельные радиусы кривизны меньше, чем у образца на PES. С другой стороны, удельное поверхностное сопротивление образца на PES почти на 90% меньше.

В дальнейшем можно ожидать, что образец на основе PETF с анизотропным ориентантом покажет себя лучше образца на PES с меньшим предельным радиусом кривизны в среднем на 0.5−1 мм.

Сравним толщину ориентанта образцов на основе PES с ПИ ориентантом и образцов с фоточувствительным ориентантом SD-1.

Таблица 6. Характеристики ориентантов образцов на основе PES и образцов SD-1.

Толщина ориентанта образцов на основе PES приблизительно равна толщине фоточувствительного ориентанта SD-1 (Таблица 6). Теперь сравним гибкость образцов PES с образцами PET, PEN и PEEK.

Образцы PET, PEN и PEEK меняют сопротивление на 5% при радиусе кривизны 6 мм и амплитуде 5 мм и на 60% при радиусе кривизны 3 мм и амплитуде 15 мм. При амплитудах 15 мм образцы PES показывают худшие результаты, а при амплитудах 5 мм сопоставимые с образцами PET, PEN и PEEK.

2.3.3 Результаты исследования влияния способов обработки поверхности на термодинамические характеристики подложек гибких дисплейных ячеек Рис 23- Образец на PES с толщиной ориентанта 8 нм, наблюдаемый в электронном микроскопе Для исследования влияния способов обработки поверхности на термодинамические характеристики подложек гибких дисплейных ячеек использовались подложки стекла и PETF полиимидным ориентантом толщиной 8 нм. Изображения, полученные электронной микроскопией, показывают, что такой ориентант ложится островковой пленкой. Это и определяет свойства поверхности.

Таблица 7. Обработка в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде

Таблица 8. Обработка в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, затем обработка диметилформамидом

Таблица 9. Обработка в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, затем плазмохимическая обработка в кислородосодержащей плазме.

Рис 24- Свободная поверхностная энергия различных подложек с полиимидным ориентантом толщиной 8 нм при различных способах химической обработки [22]

Дисперсионная составляющая свободной поверхностной энергии зависит только от материала поверхности, что подтверждается экспериментальными данными: г_s^d меняется слабо и составляет в среднем 43±1 мДж/м². Полярная составляющая свободной поверхностной энергии зависит от наличия диполей на поверхности, например воды или другой полярной жидкости, грязи. Следовательно, химическая обработка способна повлиять на полярную составляющую, что тоже подтверждается экспериментально. Таким образом, основное влияние обработки поверхности на свободную поверхностную энергию проявляется через изменение полярной составляющей свободной поверхностной энергии.

Наибольшую энергию имеют образцы, обработанные в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, — около 70 мДж/м², что аналогично свободной поверхностной энергии подложек с ITO в работе и стеклянных подложек с ITO в работе.

Наименьшую энергию имеют образцы, обработанные в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, а затем в диметилформамиде. Это связано с тем, что ДМФА, будучи неполярной жидкостью, связывает молекулы воды, убирая с поверхности свободные диполи, что приводит к уменьшению полярной составляющей, а, следовательно, и полной свободной поверхностной энергии.

Обработка в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, затем плазмохимическая обработка в кислородосодержащей плазме не дает дальнейшего увеличения свободной поверхностной энергии по сравнению с обработкой в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, что связано с тем, что до ПХТ поверхность уже достаточно чиста и обработка в плазме не способна очистить ее еще больше.

После термоимидизации образцы, обработанные в хромовой смеси на основе серной кислоты с последующей промывкой в деионизованной воде, а затем промытые в ДМФА, не смачиваются некоторыми типами ЖК (Рис 23 и 24). Все остальные типы химической обработки позволяют создать поверхность, смачиваемую всеми рассмотренными типами ЖК. Как видно из Рис 22−24, при формировании нанослоев смачивание уменьшается, свободная поверхностная энергия падает.

Рис 25 — Огибающие смачиваемости для PETF c ITO с полиимидным ориентантом толщиной 8 нм при различных способах химической обработки Рис 26 — Огибающие смачиваемости для стекла c ITO с полиимидным ориентантом толщиной 8 нм при различных способах химической обработки

2.3.4 Результаты исследования электрооптических, механических и термодинамических характеристик нанослоев фоточувствительного ориентанта и низкотемпературного полиимидного ориентанта на гибких подложках Таблица 10. Толщина слоя фоточувствительного ориентанта SD-1 на поверхности ITO при различных соотношениях объемных долей SD-1 к ДМФА и скорости вращения ротора центрифуги 700 об/мин.

Рис 27 — Толщина слоя фоточувствительного ориентанта SD-1 на поверхности ITO при различных соотношениях объемных долей SD-1 к ДМФА и скорости вращения ротора центрифуги 700 об/мин в сравнении с данными работы [24]

С увеличением объемной доли SD-1 в ДМФА толщина увеличивается. Данные соотносятся с работой [24], где аналогичные объемные доли SD-1 к ДМФА получены центрифугированием при большей угловой скорости. Обе зависимости линейны, а угол наклона кривой отвечает за скорость центрифугирования.

Таблица 11. Коэффициент преломления фоточувствительного ориентанта SD-1 на поверхности ITO при различных толщинах ориентанта.

Рис 28 — Показатель преломления фоточувствительного ориентанта SD-1 на поверхности ITO при различных толщинах ориентанта в сравнении с работой [6]

Показатель преломления в направлении перпендикулярно направлению анизотропии больше, чем в направлении параллельно направлению анизотропии. При этом нельзя говорить о том, что коэффициент преломления изотропного ориентанта не зависит от толщины ориентанта из-за недостатка эллипсометрического метода измерения, а именно из-за невозможности одновременного измерения толщины и коэффициента преломления образца. Один и тот же спектр может соответствовать тонкому образцу с высоким коэффициентом преломления и толстому образцу с малым коэффициентом преломления. В связи с этим в соответствии с работой на длине волны 635 нм был выбран коэффициент преломления равный 1,7. Таким образом, все показания нормированы относительно этой величины.

Таблица 12. Толщина слоя полиимидного ориентанта на поверхности ITO при различных соотношениях объемных долей ПАК в растворителе и скорости вращения ротора центрифуги 3000 об/мин.

Рис 29 — Толщина слоя полиимидного ориентанта на поверхности ITO при различных соотношениях объемных долей ПАК в растворителе и скорости вращения ротора центрифуги 3000 об/мин С увеличением доли ПАК в растворителе толщина слоя полиимидного ориентанта на поверхности ITO увеличивается.

Таблица 13. Изменение коэффициента преломления ориентанта на основе ПМДА-ОДА при разных толщинах и направлениях ориентации

Рис 30 — Показатель преломления ориентанта на основе ПМДА-ОДА при разных толщинах и направлениях ориентации С ростом толщины изотропного ориентанта коэффициент преломления возрастает. При анизотропии коэффициент преломления в направлении перпендикулярно направлению анизотропии становится больше, чем в направлении параллельно направлению анизотропии.

Таблица 14. Свободная поверхностная энергия фоточувствительного ориентанта на основе SD-1 при различных толщинах ориентанта.

Рис 31 — Свободная поверхностная энергия фоточувствительного ориентанта на основе SD-1 при различных толщинах ориентанта Выход на плато связан с переходом островковой пленки в сплошную, что подтверждается другими экспериментами, приведенными выше.

Образцы на основе пленки PETF со сформированным слоем ITO с нанесенным фоточувствительным ориентантом на основе SD-1 смачиваются всеми рассмотренными типами ЖК, начиная с толщины ориентанта 3 нм.

Рис 32- Огибающие смачиваемости для PETF c ITO с фоточувствительным ориентантом при различных толщинах ориентанта

2.3.5 Результаты исследования дисплейных характеристик гибких деформированных и недеформированных ячеек На Рис. 33−38 представлены фотографии оптической микроскопии разрушения жидких кристаллов в ячейке при различных локальных нагрузках. Как видно, при давлениях до 0.4 ГПа на ЖК не оказывается заметного влияния, а при 0.5 ГПа начинает проявляться разрушение ЖК. Уже с 0.6−0.7 ГПа разрушение ЖК становится очень серьезным, что видно в виде помутнения в центре на Рис. 37−38. Таким образом, можно сделать вывод, что ячейка выдерживает локальные давления до 0.5 ГПа.

Рис 33 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.2 ГПа Рис 34 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.3 ГПа Рис 35 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.4 ГПа Рис 36 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.5 ГПа Рис 37 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.6 ГПа Рис 38 — ПИ спейсеры при нагрузке 0.7 ГПа На рис. 39(а) и (б) показаны фотографии светлого и темного состояний ЖК ячейки, полученные методом оптической микроскопии под действием управляющего напряжения ячейки 10 В. Как видно из иллюстраций, контрастность достаточно высока.

Рис 39(а) — Светлое состояние ячейки Рис 40(б) — Темное состояние ячейки.

Рис 41 — Спектр интенсивности полиимидного ориентанта Рис 42 — Спектр поглощения полиимидного ориентанта Рис 43 — Спектр пропускания полиимидного ориентанта