CN101520565A - 一种快速响应液晶光开关及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速响应液晶光开关及其制备方法。本发明的快速响应液晶光开关，是利用电场改变Fabry－Perot腔内液晶的有效折射率，来调制入射激光的光通量。本发明的快速响应液晶光开关包括光学透明材料，以及在光学透明材料表面设置的反射膜层，两反射膜层形成Fabry－Perot腔；在反射膜层上设置透明电极膜层，控制信号在两透明电极膜层之间形成驱动电场；在透明电极膜层上设置设置取向膜层，对取向膜层进行摩擦处理，且两取向膜层的摩擦取向方向平行；在两取向膜层之间形成的空腔内设置液晶膜层，液晶分子在取向膜层的诱导下自组织为具有晶体特征的结构。本发明的快速响应液晶光开关适用于高刷新率、大屏幕、低功耗的液晶显示或紧凑型的光电开关等领域。

Description

一种快速响应液晶光开关及制备方法

技术领域

本发明属于控制激光通量的器件或装置领域，具体涉及一种快速响应液晶光开关及制备方法。本发明可用于大屏幕高质量显示、激光技术、光通讯等领域。

背景技术

在庞大的显示器件产业中，彩色显示布劳恩管、液晶显示器件、等离子体显示板三种显示器件技术上各具特点，占据了95％以上的的市场份额。针对三种显示器件的改进和革新技术也日新月异。而液晶显示器件具有低功耗、平板型结构、高分辨率、无辐射、被动型特点，是当前最具活力和发展潜力、影响最大的显示器件。液晶光开关是液晶显示器件的核心技术之一，目前高清视频标准的液晶显示器包含1920×1280个液晶光开关阵列单元。

液晶显示器件的较低的响应速度和较小的色域则是困扰其发展的最大障碍。全球顶级的企业和研究机构针对液晶显示的响应速度和色域做了大量的研究工作，随着红、绿、蓝三基色激光技术的突破，色域问题有可能在近几年得到有效解决，如日本三菱于2008年发布了激光做背光源的液晶投影显示工程样机，可实现超大色域和100英寸的大屏幕显示。而液晶显示的响应速度受液晶分子转动的动力学原理限制，存在一个驰豫时间上限，在解决响应速度问题方面的尚未取得大的进展。目前以SHARP、SONY、LG为代表的商用液晶显示器件研发商从控制信号方面着手，采用前沿陡峭的驱动电压脉冲，以“冲击”液晶分子的方式来提高响应速度，可使液晶显示的响应时间到达2～4ms；但未来高清视频播放、3D动态图形显示所需的200帧/s的刷新率，需要μs量级的显示响应时间，目前液晶显示器件的液晶光开关ms量级的响应时间远不能满足要求。

液晶Fabry-Perot器件可以在微秒量级内实现对激光透过率从0到1的控制，液晶Fabry-Perot器件用于显示领域，可使显示器件的响应时间从几毫秒提高到数百微秒甚至可达几个微秒，即响应速度提高数十倍至数千倍，从根本上解决液晶显示器件“拖尾”问题，将给液晶显示品质的提升带来质的飞跃。

此外，在激光检测技术中，用VISAR激光干涉法测量km/s量级的极高速度时，需要对激光通量进行快速调制。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种快速响应液晶光开关，同时提供一种快速响应液晶光开关的制备方法。

本发明的快速液晶光开关器件，包括第一光学透明材料和第二光学透明材料，在第一光学透明材料表面设置反射率为R的第一反射膜层，在第二光学透明材料表面设置反射率为R的第二反射膜层，由第一反射膜层和第二反射膜层形成Fabry-Perot腔，其间距为d；在第一反射膜层上设置第一透明电极膜层，在第二反射膜层上设置第二透明电极膜层，第一透明电极膜层和第二透明电极膜层与控制电路相联接，在第一透明电极膜层和第二电极透明膜层间形成驱动电场；在第一透明电极膜层上设置第一取向膜层，在第二透明电极膜层上设置第二取向膜层，对第一取向膜层和第二取向膜层分别进行摩擦处理，且摩擦取向方向平行；在第一取向膜层和第二取向膜层之间设置的形成的空腔内设置液晶膜层，液晶分子在取向膜层的诱导下自组织为具有晶体特征的结构，其有效折射率为n。

本发明的快速响应液晶光开关的制备方法，包括下列内容：

a)将第一光学透明材料和第二光学透明材料分别切割成所需尺寸；

b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料和第二光学透明材料进行清洗，并在110℃，100级洁净条件下，烘干30分钟～40分钟；

c)在第一光学透明材料表面镀制第一反射膜层，反射率为85％～99.5％，在第二光学透明材料表面镀制第二反射膜层，反射率为85％～99.5％；

d)在第一反射膜层表面镀制第一透明电极膜层，在第二光学透明材料表面镀制第二透明电极膜层；

e)在第一透明电极膜层表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成约厚度约为80nm的第一取向膜；在第二透明电极膜层表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成厚度约80nm的第二取向膜；

f)将第一取向膜和第二取向膜进行摩擦处理，将摩擦处理过的第一光学透明材料和第二透明材料对位贴合，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜的摩擦方向和第二取向膜的摩擦方向平行；

g)设置第一取向膜层和第二取向膜层之间的间距d；

h)灌注液晶，封边。

本发明的快速响应液晶光开关，是利用电场改变Fabry-Perot腔内液晶的有效折射率，来调制入射激光的光通量。Fabry-Perot腔内液晶的有效折射率n由腔内液晶分子的排列取向决定。液晶分子指向矢的微小偏转，可以改变有效折射率n，从而使液晶Fabry-Perot器件的透射率发生大的变化。即当透过率从0到1变化过程中，从关态到开态液晶分子的转动角度在0°到10°范围内，与当前TN、STN、ECB等模式中液晶分子从0°到90°全程转动相比，偏转时间和回复时间都低一个量级，对入射光实现一次开关，液晶分子全程动作时间也就大大减少。

Fabry-Perot腔内液晶分子的偏转，可由施加在液晶面板上的电压来驱动，由于只需微小偏转，所需的驱动电压也较小，适合于制作高刷新率、大屏幕、低功耗的液晶显示器件或紧凑型的光电开关器件。

当Fabry-Perot腔的间距d、反射层反射率R、背光源激光的波长λ确定后，其透过率可由液晶膜层的有效折射率n来控制，液晶膜层的有效折射率n的改变则由第一透明电极膜层和第二电极透明膜层间的电场来驱动。当给定一个控制信号时，液晶Fabry-Perot腔的透过率即可实现从0到1渐次变化，即对入射光完成一次开关动作。

本发明的快速响应液晶光开关，通过透明电极将图像信号或其他控制信号以电压的形式施加在液晶膜层上，液晶分子在电场的驱动下偏转，液晶分子微小的转动引起折射率n发生Δn的变化，折射率的改变将使入射光以相应的透过率通过Fabry-Perot腔，即液晶分子微小的转动角度即可控制入射光的通量，完成一次开关动作。而TN、STN等传统工作模式的液晶显示器件，只有当驱动电压超过某一阈值，使液晶分子旋转90°才能完成一次开光动作，撤除驱动电压后，液晶分子需再旋转90°复位，等待下一次动作，因而在响应时间方面，F-P型工作模式的液晶光开关较传统的TN、STN型工作模式的液晶光开关要小得多。(适用技术范围)

附图说明

图1为本发明的快速响应液晶光开关的结构示意图

图2为快速响应液晶光开关的响应时间特性测试光路图

图3为快速响应液晶光开关的时间特性测试信号图图中，1.第一光学透明材料      2.第一反射膜层     3.第一透明电极膜层   4.第一取向膜层     5.F-P腔间距控制隔垫    6.液晶膜层      7.第二取向膜层     8.第二透明电极膜层     9.第二反射膜层    10.第二光学透明材料

具体实施方式

下面结合附图对快速液晶光开关进行详细的描述。

图1为快速响应液晶光开关结构示意图。

其中第一光学透明材料1采用碱土金属硼-硅铝酸盐玻璃，在可见光谱段具有良好的光学透过性，将玻璃切割成所需的尺寸形状，对玻璃进行磨边，利用超声波清洗机对玻璃进行清洗，将玻璃上各种污染物和黏附的灰尘等彻底清洗干净，然后在110℃，1000级洁净条件下烘干。把第一光学透明材料1作为基板，在第一光学透明材料1基板上镀制第一反射膜层2，其反射率在85％～99.5％，根据所采用激光光源带宽选择相应的反射率；把第二光学透明材料10作为基板，在第二光学透明材料10基板上镀制第二反射膜层9，其反射率在85％～99.5％，亦根据所采用激光光源带宽选择相应的反射率，由第一反射膜层2和第二反射膜层9形成Fabry-Perot腔。

在第一反射膜层2上采取磁控溅射的方法镀制第一透明电极膜层3，在第二反射膜层9上采取相同的方法镀制第二透明电极膜层8，透明电极的材料在本发明实验中采用ITO，ITO透明电极可与控制模块联接，控制信号在第一透明电极膜层和第二透明电极膜层之间形成相应的驱动电场。

为了使液晶分子有序排列，需设计取向膜层。本发明中采用聚酰亚胺PI作为取向膜材料，在第一透明电极膜层3表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成约厚度约为80nm的第一取向膜4；在第二透明电极膜层8表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成厚度约80nm的第二取向膜7；第一取向膜层4与第二取向膜层7之间形成空腔，空腔的间距由由绝缘隔垫5来控制，绝缘隔垫5通常采用4～10um的玻璃微珠或塑料微珠。第一取向膜层4摩擦方向与第二取向膜层7的摩擦方向相互平行，然后往第一取向膜层4与第二取向膜层7之间形成空腔内灌注液晶材料6。

取向膜诱导液晶盒内液晶分子自组织为有晶体特征的组织结构，使液晶呈现双折射特性，沿着摩擦方向为o光光轴，与摩擦方向垂直的方向为e光光轴，并具有特定的有效折射率n值。在第一透明电极膜层和第二透明电极膜层之间电场驱动下，o光光轴和e光光轴偏转，有效折射率n值发生改变，即第一反射膜层2和第二反射膜层9形成的Fabry-Perot腔内介质折射率n发生改变，引起Fabry-Perot腔透射特性变化，其透过率改变可由下式表述：

$T=\frac{1}{1+F{\sin }^2(\mathrm{\δ}/2)}$

其中

δ＝2πnd/λ

F＝4R/(1-R)²

上式中，d为第一反射膜层2和第二反射膜层9形成Fabry-Perot腔的间距，n为Fabry-Perot腔内液晶膜层6的有效折射率，R为第一反射膜层2和第二反射膜层9的反射率，λ为激光光源波长。若选用的激光波长λ为532nm，反射率R为95％，由上式可以计算出，当n值变化0.01时，透射率T可从0到1变化，即完成一次开光，所需的驱动电压约为4伏，液晶分子取向即o光光轴仅旋转5°，响应时间小于0.3ms。

本发明的快速液晶光开关的实验检测光路图如附图2所示，选用激光波长λ＝532nm的绿激光，第一反射膜层2与第二反射膜层9之间的距离d＝20mm，第一反射膜层2与第二反射膜层9的反射率R均为95％，选用Δn＝0.22的石家庄实力克公司的液晶材料。绿激光通过快速响应液晶光开关器件调制后，由光电探测器接收，信号经示波器读出处理。实验结果如图3所示。

图3中，当输入12v的驱动信号时，在第一透明电极膜层和第二透明电极膜层之间将建立相应的驱动电场，液晶分子取向随之发生偏转，即F-P腔内液晶膜层6的折射率发生变化。此时激光透过率从0到1经历了44个周期，而传统TN型、STN型液晶光开关在该驱动电压下其透射率从0到1变化只能完成一个周期，即本发明的快速液晶光开关在该实验条件下，其响应速度是传统TN型、STN型液晶光开关响应速度的44倍。

Claims (2)

1.一种快速响应液晶光开关，其特征在于：所述的快速响应液晶光开关包括第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(10)，在第一光学透明材料(1)表面设置反射率为R的第一反射膜层(2)，在第二光学透明材料(10)表面设置反射率为R的第二反射膜层(9)，由第一反射膜层(2)和第二反射膜层(9)形成Fabry-Perot腔；在第一反射膜层(2)上设置第一透明电极膜层(3)，在第二反射膜层(9)上设置第二透明电极膜层(8)，控制信号在第一透明电极膜层(3)和第二电极透明膜层(8)形成驱动电场；在第一透明电极膜层(3)上设置第一取向膜层(4)，在第二透明电极膜层(8)上设置第二取向膜层(7)，在第一取向膜层(4)和第二取向膜层(7)之间设置的形成的空腔，空腔的间距由由绝缘隔垫(5)来控制，在第一取向膜层(4)和第二取向膜层(7)之间设置液晶膜层(6)，液晶分子在取向膜层的诱导下自组织为具有晶体特征的结构，其有效折射率为n。

2.一种快速响应液晶光开关的制备方法，其特征在于包括下列内容：

a)将第一光学透明材料和第二光学透明材料分别切割成所需尺寸；

b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料和第二光学透明材料进行清洗，并在110℃，100级洁净条件下，烘干30分钟～40分钟；

c)在第一光学透明材料表面镀制第一反射膜层，反射率为85％～99.5％，在第二光学透明材料表面镀制第二反射膜层，反射率为85％～99.5％；

d)在第一反射膜层表面镀制第一透明电极膜层，在第二光学透明材料表面镀制第二透明电极膜层；

e)在第一透明电极膜层表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成约厚度约为80nm的第一取向膜；在第二透明电极膜层表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃～80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为250℃～300℃下进行正式固化，形成厚度约80nm的第二取向膜；

f)将第一取向膜和第二取向膜进行摩擦处理，将摩擦处理过的第一光学透明材料和第二透明材料对位贴合，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜的摩擦方向和第二取向膜的摩擦方向平行；

g)设置第一取向膜层和第二取向膜层之间的间距d；

h)灌注液晶，封边。

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