СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТРИЦЫ СВЕТОФИЛЬТРОВ ДЛЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MAKING OPTICAL FILTER MATRICES FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов производится разнесенными по плоскости светофильтрами с тремя первичными цветами (триадами), а модуляция каждого из цветов производится посредством жидкого кристалла (ЖК).
Известен элемент ЖК дисплея, содержащий слой ЖК, размещенного между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах, и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R - красный, G - зеленый, В - синий /1/. Светофильтры триады выполнены из полимера, в каждом из которых внедрен краситель одного из первичных цветов. Светофильтры, так же как и ЖК, расположены между подложками. Напротив каждого из светофильтров расположен участок ЖК, который с помощью поляроидов при приложении напряжения регулирует количество света, проходящего сквозь каждый из светофильтров, благодаря чему и создается цветное изображение. Дисплеи на базе таких элементов достаточно совершенны с точки зрения потребительских свойств и получили широкое применение.
Основным недостатком известного элемента является трудоемкая многостадийная технология изготовления множества элементов с триадами светофильтров - матрицы светофильтров. Стоимость изготовления матрицы светофильтров составляет около 1/3 всех затрат и включает около 30 различных операций: 3-кратная фотолитография с окрашенными полимерами, нанесение непрозрачных масок, выравнивающих слоев и т.д. /1/.
Для выполнения этих операций подложка, на которой формируется матрица светофильтров, должна перемещаться в зону выполнения различных операций не менее 10 раз, и после каждого перемещения необходимо точное совмещение с положением подложки во время выполнения предыдущей операции.
Результатом трудоемкой технологии являются высокая себестоимость производства и, как следствие, высокая цена изделия для массовых покупателей.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является термальный способ изготовления матрицы светофильтров, описанный в /2/, и аппаратура для его реализации /3/. Здесь матрица светофильтров с первичными цветами также выполняется из окрашенных полимеров. Однако наносятся они не многостадийным фотолитографическим методом, а путем испарения окрашенного полимера остро сфокусированным излучением ИК-лазера со специальной основы, расположенной вблизи подложки. ИК-лазер установлен на пишущей головке и механически перемещается относительно подложки, расположенной на неподвижном основании. Нанесение различных светофильтров обеспечивается путем смены основы с различными окрашенными полимерами. Благодаря такой технологии количество выполняемых операций снижается до 10, а число перемещений подложки с последующими совмещениями до 3-х.
Результатом сокращения числа операций и перемещений является значительное сокращение себестоимости производства, тем не менее, она еще достаточно высока.
Нами был предложен элемент жидкокристаллического дисплея, в котором функции светофильтров выполняют фазовые линзы Френеля и система щелей, выделяющих первичные цвета из спектра, сформированного этими линзами /4/. Основными узлами матрицы светофильтров на базе предложенного элемента являются прозрачная основа строго определенной толщины со слоем фотополимера на одной стороне и непрозрачным слоем со щелями на другой стороне. Матрица светофильтров в предложенной конструкции находится вне подложек, между которыми заключен слой ЖК. Дисплеи на основе предложенного элемента по потребительским свойствам, по крайней мере, не хуже всех известных. Однако ввиду более простой конструкции и малого числа операций должны иметь более низкую себестоимость в производстве. При получении патента на элемент - устройство /4/ экономичный способ его изготовления в условиях массового производства, особенно при больших размерах современных экранов (диагональ до 2,5 м у модулей 8-го поколения), не был разработан.
Целью настоящего изобретения является предложение способа изготовления матрицы светофильтров для жидкокристаллических модулей с использованием элементов, работающих на линзах Френеля, реализующего в массовом производстве все его преимущества, и аппаратуры для реализации предложенного способа.
Поставленная цель достигается тем, что используется пишущая головка, механически перемещающаяся относительно подложки со слоем фотополимера на одной стороне и непрозрачным слоем на другой. На пишущей головке установлен, по крайней мере, один источник УФ-излучения и 3 источника ИК-излучения. УФ-излучение проходит сквозь негатив с изображениями трех линз Френеля и создает на слое фотополимера систему экспонированных и неэкспонированных участков с разными показателями преломления, которые образуют три линзы Френеля с разными фокусными расстояниями. Каждый из 3 источников ИК-излучения сфокусирован на участке непрозрачного слоя на оптической оси одной линз и при перемещении пишущей головки испаряет непрозрачный слой, оставляя след в виде узкой прозрачной полоски-щели.
При наличии вышеописанного устройства последовательность операций при изготовлении матрицы светофильтров следующая:
1. Нанесение на одну из сторон подложки слоя фотополимера одним из известных способов.
2. Нанесение на другую сторону подложки непрозрачного слоя.
3. Экспозиция слоя фотополимера актиничным УФ-излучением сквозь негатив с изображениями линз Френеля и одновременное испарение 3 узких полосок непрозрачного слоя при перемещении пишущей головки.
Таким образом, при одном проходе пишущей головки вдоль подложки на всем ее протяжении образуются три линзы Френеля и три щели, через каждую из которых проходит свет только одного из первичных цветов, т.е. линейка светофильтров, которые в комплекте с полоской ЖК и поляроидов образуют линейку пикселей дисплея. Для формирования матрицы светофильтров на всей площади подложки пишущую головку смещают на ширину триады и повторяют процесс формирования линз и щелей до заполнения всей площади подложки.
Для ускорения процесса изготовления может быть установлено N пишущих головок, перемещающихся синхронно, и тогда время изготовления уменьшится в N раз.
При использовании предложенного способа и устройства для его осуществления стоимость изготовления матрицы светофильтров снижается в несколько раз.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где изображены:
Фиг.1 - основные элементы устройства для изготовления матрицы (вид в направлении, перпендикулярном направлению движения пишущей головки),
Фиг.2 - основные элементы устройства для изготовления матрицы (вид в направлении вдоль направления движения пишущей головки),
Фиг.3 - основные элементы устройства для изготовления матрицы (вид сверху),
Фиг.4 - ход лучей в одном пикселе изготовленной матрицы.
com
э
нэ
Устройство для изготовления матрицы светофильтров включает в себя пишущую головку 1 и основание 2, которые имеют возможность взаимного перемещения вдоль одного из направлений (указано стрелкой 3). На пишущей головке 1 размещены: источник УФ-излучения 4 и 3 источника ИК-излучения 5, например полупроводниковые лазеры (Фиг.1-3). На пишущей головке размещен шаблон с негативными изображениями цилиндрических линз Френеля 6, которые при помощи проекционной системы 7 проецируются на слой фотополимера 8 толщиной 2-3 мкм, например поливинилциннамата (ПВЦ). Слой фотополимера 8 расположен на верхней стороне прозрачной подложки 9, выполненной, например, из полимера и имеющей толщину f. Мощность источника УФ-излучения 4 выбрана такой, чтобы при заданной скорости перемещения пишущей головки 1 в слое фотополимера 8 образовывались экспонированные участки 8, соответствующие прозрачным участкам шаблона, в то время как участки фотополимера, соответствующие непрозрачным участкам шаблона, оставались неэкспонированными - участки 8. На нижней стороне подложки 9 расположен непрозрачный слой 10, выполненный, например, из легкоплавкого полимера с внедренным в него пигментом или красителем. Излучение ИК источника 4 сфокусировано на непрозрачном слое 10. Мощность источника 4 выбрана такой, чтобы при заданной скорости перемещения пишущей головки 1 непрозрачный слой 10 нагревался до температуры, достаточной для испарения участка слоя, и в нем образовывались прозрачные полосы - щели 11 шириной 10-100 мкм. Щели 11 формируются таким образом, чтобы они располагались на оптических осях линз Френеля. Прозрачная подложка 9 с непрозрачным слоем и слоем фотополимера размещена на основании 2. Для увеличения производительности аппаратуры для изготовления матрицы светофильтров пишущих головок 1 может быть предусмотрено более одной (N). Тогда производительность аппаратуры будет в N раз больше.
пр
непр
Шаблон с изображениями цилиндрических линз Френеля 6 имеет прозрачные (6) и непрозрачные (6) участки (Фиг.2, 3). Расстояния от оптической оси до границ участков задаются в соответствии с формулой:
где R - расстояние до очередного участка, k - порядковый номер участка, λ - длина волны, f - фокусное расстояние линзы.
k
R
G
B
R
G
B
com
э
нэ
Для того чтобы линзы Френеля можно было использовать для формирования трех первичных цветов в жидкокристаллических дисплеях и заменить обычно используемые для этих целей микросветофильтры с поглощающими красителями, формируют триаду линз Френеля - три линзы с различным набором расстояний R (Фиг.4). Набор расстояний выполнен так, что фокусное расстояние первой линзы триады для красного цвета - f равно фокусному расстоянию второй линзы для зеленого цвета - f и равно фокусному расстоянию третьей линзы для синего цвета - f. Таким образом, f=f=f=f - толщине подложки 9. Каждая из линз Френеля, составляющих триаду, выполнена из экспонированных (8) и неэкспонированных (8) участков фотополимера 8.
Известно, что под действием актиничного УФ-излучения величина показателя преломления фотополимера, например поливинилциннамата, увеличивается (наведенный показатель преломления). Время экспозиции и мощность экспонирующего УФ источника выбраны такими, чтобы наведенный показатель преломления на экспонированном участке обеспечивал набег фазы не менее чем π/2 по сравнению с неэкспонированным участком.
R
G
B
com
R
G
R
G
B
Известно, что система участков с различными показателями преломления, границы которых определяются формулой (1), представляет собой многофокусную фазовую линзу Френеля. При правильно выбранных набегах фаз в фокусах первого порядка такие линзы могут сконцетрировать до 85-95% световой энергии, падающей на линзу, причем каждая из длин волн сконцетрирована в разных точках оптической оси (Фиг.4). Поскольку для фокусных расстояний соблюдается вышеприведенное соотношение: f=f=f=f, то в каждую из щелей 11 непрозрачного слоя 10 будут проходить длины волн ограниченного спектрального состава. Так, в щель 11 будет проходить свет с длиной волны R - преимущественно красный, в щель 11 - с длиной волны G - преимущественно зеленый, а в щель 11 в с длиной волны В - преимущественно синий. Спектральный состав каждого из прошедших сквозь щели цветов определяется шириной щелей 11 в непрозрачном слое 10. При ширине щелей порядка 20 мкм прошедшие цвета будут практически монохроматическими, но иметь маленькую интенсивность. При ширине щелей порядка 100 мкм спектры цветов, прошедших сквозь щели 11, 11, 11, еще не перекрываются и имеют достаточную интенсивность. Изготовитель имеет возможность компромиссного выбора между чистотой цвета и потерями интенсивности.
Пучки белого света 12, содержащие цветные компоненты R, G, B, после прохождения одной из линз превращаются в пучки одного из первичных цветов R, G, B. Три линзы триады составляют единый пиксель дисплея. Модуляция интенсивности каждого из цветов по отдельности осуществляется участком (субпикселем) жидкокристаллического дисплея (в настоящем описании система модуляции не приведена ввиду общеизвестности).
Таким образом, имея устройство с вышеперечисленными компонентами, способ изготовления матрицы светофильтров представляет собой следующую последовательность операций.
Операция 1 - нанесение на одну из сторон подложки 9 непрозрачного слоя 10 одним из известных способов, например напылением, поливом, вытаскиванием из раствора, накаткой, приклеиванием и т.д.
Операция 2 - нанесение на противоположную сторону подложки 9 слоя фотополимера 8 одним из способов, использованных при выполнении Операции 1. При выполнении Операций 1 и 2 не требуется никакого согласования взаимного их положения и они могут быть выполнены независимо и непосредственно на подложке, расположенной на основании, без какого-либо перемещения.
R
G
B
Операция 3 - экспонирование слоя фотополимера 8 УФ-излучением сквозь шаблон 6 и формирование щелей в непрозрачном слое 10 путем термического распыления от источника ИК-излучения 5. Полученная в результате операции 3 структура: фотополимер с системой экспонированных и неэкспонированных участков, основа, непрозрачный слой с испаренными участками в форме щелей - используется в качестве матрицы светофильтров. Операция 3 выполняется при движении пишущей головки 1 относительно подложки 9, расположенной на основании 2. При одном проходе головки вдоль подложки на всем ее протяжении будут сформированы триада линз Френеля и щели 11, 11, 11, расположенные на оптических осях линз. Поскольку взаимное положение фокусов линз и щелей задано конструктивно, то не требуется никаких операций совмещения их в процессе изготовления. При каждом следующем проходе головки формируется очередная триада линз и щелей, для чего головка смещается на ширину уже сформированной триады. В устройстве может быть установлено N пишущих головок, тогда одновременно будет формироваться N триад и производительность устройства возрастет в N раз. В принципе, число головок N может равняться числу пикселей дисплея, и тогда матрица светофильтров будет сформирована за один проход, а производительность будет максимальна.
К настоящему времени жидкокристаллические дисплеи, использующие матрицы светофильтров, получили широчайшее распространение и достигли высокого уровня совершенства. Продажные их цены вполне приемлемы для покупателей и непрерывно падают. Но для того чтобы в этих условиях производители могли сохранить приемлемый уровень прибыльности, они должны снижать себестоимость производства. Предложенный способ позволяет осуществить эту возможность.
Источники информации
1. Патент США 5528398, приор. 18.06.1996.
2. Патент США 6921614, приор. 26.07.2005.
3. www.duPont/DuPont Electronics_Displays_LCD_Thermal_Color_Filters
4. Патент России 2196350, приор. 23.11.1998.