CN104330909B - 一种lcos微显示器件液晶盒结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LCOS微显示器件液晶盒结构及其制造方法，所述的液晶盒结构呈层状结构，包括上电极层、液晶材料层、纳米柱以及硅基衬底层，其上电极层为石墨烯膜平板玻璃，纳米柱采用氧化锌或者二氧化钛纳米柱；其制造方法包括以下步骤：A)制备硅基衬底层；B)在硅基衬底层上制备纳米柱，得到带有纳米柱的硅基衬底层；C)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层对接，组装成液晶盒；D)在液晶盒内灌注液晶材料，形成液晶材料层。与现有技术相比，本发明透光率高，液晶盒厚度容易控制，并且工作温度可以达到60度，从而使得器件的显示性能大大提高。

Description

一种LCOS微显示器件液晶盒结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微显示器件，尤其是涉及一种LCOS微显示器件液晶盒结构及其制造方法。

背景技术

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一种较成熟的先进技术。它是制作在单晶硅上的LCD新型显示器，是LCD与CMOS集成电路有机结合的新兴技术。LCOS具有高分辨率、反射式成像、低价格的特点。该技术最早出现在上世纪九十年代末期。其首批成型产品是由Aurora Systems公司于2000年开发出的。由于该产品具有高分辨率、高开口率、反射式成像的特点，所以立刻受到了人们高度关注，很多企业开始进行了研究与开发。其中如索尼、JVC、佳能、英特尔、飞利浦、台联电等企业。

LCOS的结构特点决定了其与常规LCD有着众多的不同点，具有一些LCD及任何其他显示器所无法比拟的技术特点。

1)外部引线少、连接简单及整机装配简便。

普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024×768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便，而LCOS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。

2)显示的信息量密度大且体积小，使成本降低。

普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件。但LCOS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工，可将像素制至4μm以下。故在一个仅零点数英寸的硅片上可制成1024×768像素，甚至1920×1240像素点阵密度的显示产品。显示的信息量密度增大了，而体积却减少了(达0.35～0.5英寸)，材料费及成本自然便会大幅度地降低。LCOS可将驱动IC等外部电路完全制于CMOS基板上，减少外部IC的数量及封装成本，并使体积减小。

3)分辨率高，画质自然逼真。

由于LCOS的晶体管及驱动电路皆制于单晶硅基板内，位于反射面之下，并不占用表面面积，故仅有像素间隙才占用开口面积，不像透射式LCD的TFT及导线皆占用开口面积，所以理论上无论是分辨率还是开口率，LCOS都较透射式LCD高。由于LCOS采用半导体方式来控制分辨率，故分辨率很高，通常达到XVGA(1024×768像素)、SXGA等级(1280×1024像素)，较高的分辨率又导致较小的画面像素，使画质逼真自然。高解析度可随半导体制造过程快速实现微细化，易于提高解析度，尤其适用于便携式咨询设备。迄今，它的制造工艺技术已日臻成熟。

4)色彩现实占用像素空间少，响应速度快。

通常，LCD的彩色化是采用微彩色膜方式，即将三个子像素制成红、绿、蓝三基色子像素，合成一个全色象素。这是一种空间混色法，占用了大量的像素空间，降低了分辨率。而LCOS则自身是黑白的，采用红、绿、蓝三基色光反复循环地照射，借助时间混色实现彩色显示之目的。由于LCOS的响应速度可达μs级，故此种实现彩色方法完全切实可行，而且大大地降低显示器件的成本，提高了显示的分辨率。

在2004年，佳能发布了第一款采用LCOS技术的1400x1050高分辨率投影机SX50，与SX50一同推出的还有佳能自己研发的AISYS光学照明系统技术。佳能利用自身的光学技术优势将LCOS技术和自家的光学照明技术良好地融合在一起，使这款投影机的对比度和亮度都有了提高。这款投影机的推出，获得了业内的广泛好评，为LCOS阵营增添了一个强有力的产品。

2006年，佳能将第二代AISYS光学照明系统技术与LCOS技术再度融合，一口气又发布了SX60，SX6，X600三款SXGA+级的高分辨率投影机产品，完善了LCOS投影产品线，使具有不同需求的客户都可以找到适合自己的产品。采用了第二代佳能AISYS光学照明系统技术的投影机通过提高灯泡光线利用率和进行光线补偿，使LCOS技术能够显示更加清澈细致，色彩丰富的投影画面；因此，具有AISYS增强功能的LCOS技术不仅可以得到细腻稳定的画面，而且更加节能。

2007年，佳能又发布了一款高分辨率投影机SX7，1000:1对比度的旗舰机型。将高分辨率、高亮度、卓越色彩还原和小巧机身完美地融合在一起，非常适合于艺术家、摄影师以及印刷人员等对色彩要求严格的用户，其具有Adobe RGB/s RGB色域的色彩表现，可以使投影画面保持原始图像的色彩精确度。

在著名的光电厂商发展模式是走高端产品，少数人享受的同时，人们也在探讨大众化、普及型产品。由于LCOS微显示器件是新型光电子显示产品，屏幕画面小于1英寸，但信号经包括LCOS微显示和LED电光源组成的光学引擎处理后，可以使原本小于1英寸的画面放大几十至几百倍，其清晰度可以支持1080P甚至更高，引起了人们的极大关注。但早期一些下游应用产品企业曾走过瞄准大型背投影为主攻方向的弯路，大型背投影机的应用失败导致美国本来为数不多的几家上游LCOS器件公司纷纷下马。

2008年底随着高亮度、长寿命LED电光源器件的突破，带来了微型前投影的发展契机，实践证明应用于前投影的LCOS微显示器件前景广阔，方兴未艾。其应用整机产品还具有节能、环保、尺寸小、重量轻、方便携带等特点；LCOS微型投影机作为显示终端产品，非常容易与机顶盒、DVD、卫星接收机、手机、笔记本电脑等电子产品有线或无线连接使用，这种投影微型显示完全颠覆了传统的玻璃屏幕概念，实现了新的白墙或幕布上的大屏幕显示。被誉为家庭卧室和客厅正在发生的悄悄的影视革命。应用面涉及智能化的电视、电脑、手机等民生热门领域，其应用市场前景非常广阔，深受人们喜爱和青睐，是战略性新兴产业。它的研究符合走自主创新发展道路和未来经济、社会发展的强大需求，将产生巨大的经济、社会效益。

因此，由于该产品具有高分辨率、高开口率、反射式成像的特点，立刻受到人们的重视。目前，LCOS技术呈现出良好的发展态势。在投影显示技术上，目前LCOS技术也已经经过了十多年的发展期。业内分析预测，随着技术进一步发展成熟，生产成本日益下降，LCOS投影显示技术发展的春天正在向我们走来。

但是，到目前为止，国内尚未实现LCOS器件的产业化，也没有国家和行业标准。目前，台湾的HAIMAX代表了当代产业化水平，在向内地供货。台湾的LCOS器件虽然已经产业化，但它的产业化前的技术来自当时我们技术团队的成员之一。却产品的技术水平指标偏低：分辨率1024*768；对比度100：1；亮度不到100流明；使用温度不能超过50度。在与国外的DLP微显示器的垄断企业美国TI竞争中处于劣势。因此，开展高清晰度高亮度LCOS微显示器件更高水准(分辨率1280*1024；对比度1000：1；亮度大于100流明；使用温度达到60度。)的技术研究工作是十分必要的。加之，我们团队领军人物已获得了国内第一个LCOS微显示器件制造的国家发明专利(Zl2010.0520661.9)，在此基础上，通过技术创新，是有能力实现高清晰度微显示器的设计和制造目标的。LCOS微显示器件作为微型显示终端产品的核心器件，是最前沿的核心技术，它集超大规模集成电路和微小(小于1英寸)液晶屏设计、制造技术于一身，是基础性的高新工艺技术。

但是，目前传统的LCOS微显示器件的液晶盒结构如图1所示，最上层由ITO膜玻璃作为上电极层1；中间一层填充液晶材料2，液晶盒厚度由玻璃球31来控制；最下层为硅基衬底层4。采用此种结构的微显示器件，无法在高温下使用，并且分辨率及对比度有限。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种LCOS微显示器件液晶盒结构及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种LCOS微显示器件液晶盒结构，所述的液晶盒结构呈层状结构，包括上电极层、液晶材料层、纳米柱以及硅基衬底层，所述的硅基衬底层位于下层，上电极层位于上层，液晶材料层和纳米柱位于中层，通过改变纳米柱的高度调节液晶盒的厚度，所述的上电极层为石墨烯膜平板玻璃，可以提高透光率，所述的纳米柱为氧化锌或者二氧化钛纳米柱，可以精细地控制液晶盒的厚度，有利于提高清晰度、色度以及对比度。

所述的液晶材料层为高温反射式液晶，使得液晶盒可以在60度的温度下工作。

一种制造上述LCOS微显示器件液晶盒的方法，包括以下步骤：

A)制备硅基衬底层；

B)在硅基衬底层上制备纳米柱，得到带有纳米柱的硅基衬底层；

C)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层对接，组装成液晶盒；

D)在液晶盒内灌注液晶材料，形成液晶材料层。

步骤A具体包括以下步骤：

A1)在单晶硅基片上制成X-Y像素矩阵下的有源矩阵、驱动电路、信号电路；

A2)制作遮光层；

A3)制作平坦化层；

A4)像素矩阵表面化学抛光；

A5)像素矩阵表面蒸镀反光层。

步骤B具体包括以下步骤：

B1)采用氧化锌或者二氧化钛纳米材料通过纳米膜生成设备在硅基衬底层上制备纳米膜；

B2)使用旋涂光刻工艺，将在硅基衬底层上的纳米膜刻蚀出器件所需要的纳米柱，随后清除纳米柱位置以外纳米膜。

步骤C具体包括以下步骤：

C1)获取厚度为0.1mm的平板玻璃；

C2)采用原子沉积和激光脉冲诱导的物理方法，利用石墨烯膜生成设备在平板玻璃上制备石墨烯膜，获取石墨烯膜平板玻璃；

C3)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层上下对接，组装形成液晶盒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用石墨烯膜平板玻璃取代ITO膜玻璃，提高LCOS器件的光透过率、温度稳定性和光引擎的光密度。将世界重大的、获得2010年诺贝尔奖的发明---石墨烯技术首次引入LCOS器件制作中来，用石墨烯纳米膜替代ITO膜可以显著提高器件的光透过率、温度稳定性和光引擎的光密度。单层原子石墨烯薄膜厚度仅0.34nm，它是一种SP2碳原子组成的六角形晶体二维材料，具有很高的透光率和电导率。其透光率可以达到97％，电阻仅几个欧姆，而且有很好的力学性质。用石墨烯薄膜替代ITO膜可以显著提高器件的光透过率、电子迁移率(即电导率)、温度稳定性、光引擎的光密度以及力学性质。因此石墨烯薄膜的应用是前沿性的应用研究。

2.采用氧化锌或者二氧化钛纳米微粒制备纳米微柱,取代通常用的玻璃球控制盒厚；提高LCOS器件显示对比度、色度、清晰度。选用氧化锌或者二氧化钛纳米微粒具有以下优点：A.可以根据需要控制纳米柱的厚度，例如1-2μm厚度；B.由于氧化锌或者二氧化钛纳米材料是一种光致发光材料，例如在可见光波长400-500nm氧化锌或者二氧化钛纳米微粒表现出极强的发光信号。选择黑色的材料，有利于提高对比度。C.有利于采用光刻技术，光刻技术可以精确地控制纳米柱的厚度，做到精细加工。

附图说明

图1为传统LCOS微显示器件液晶盒结构；

图2为本发明的液晶盒结构；

图3为本发明制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图2所示，一种LCOS微显示器件液晶盒结构，所述的液晶盒结构呈层状结构，包括石墨烯膜上电极层1、液晶材料层2、纳米柱3以及硅基衬底层4，硅基衬底层4位于下层，上电极层1位于上层，液晶材料层2和纳米柱3位于中层，通过改变纳米柱3的高度调节液晶盒的厚度。

本发明与现有技术的主要区别点在于：

1、上电极层1为石墨烯膜平板玻璃。

采用石墨烯膜取代ITO膜，提高LCOS器件的光透过率、温度稳定性和光引擎的光密度。将世界重大的、获得2010年诺贝尔奖的发明---石墨烯技术引入LCOS器件制作中来，用石墨烯纳米膜替代ITO膜可以显著提高器件的光透过率、温度稳定性和光引擎的光密度。单层原子石墨烯薄膜厚度仅0.34nm，它是一种SP2碳原子组成的六角形晶体二维材料，具有很高的透光率和电导率。其透光率可以达到97％，电阻仅几个欧姆，而且有很好的力学性质。用石墨烯薄膜替代ITO膜可以显著提高器件的光透过率、电子迁移率(即电导率)、温度稳定性、光引擎的光密度以及力学性质。因此石墨烯薄膜的应用是前沿性的应用研究。

2.纳米柱为氧化锌或者二氧化钛纳米柱。

采用氧化锌或者二氧化钛纳米微粒制备纳米微柱，取代通常用的玻璃球控制盒厚；提高LCOS器件显示对比度、色度、清晰度。选用氧化锌或者二氧化钛纳米微粒具有以下优点：A.可以根据需要控制纳米柱的厚度，例如1-2μm厚度；B.由于氧化锌或者二氧化钛纳米材料是一种光致发光材料，例如在可见光波长400-500nm氧化锌或者二氧化钛纳米微粒表现出极强的发光信号。选择黑色的材料，有利于提高对比度。C.有利于采用光刻技术，光刻技术可以精确地控制纳米柱的厚度，做到精细加工。

3.液晶材料层为高温反射式液晶，取代传统的普通液晶材料，使得工作温度可以达到60度，进而提高亮度，使其显示参数达到更高的水准：分辨率1280×1024；对比度1000：1；亮度大于100流明。

上述LCOS微显示器件液晶盒可以通过如图3所示的步骤制造，具体如下：

A)制备硅基衬底层，具体步骤为：

A1)在单晶硅基片上制成X-Y像素矩阵的有源矩阵、驱动电路、信号电路；

A2)制作遮光层；

A3)制作平坦化层；

A4)像素矩阵表面化学抛光；

A5)像素矩阵表面蒸镀反光层。

B)在硅基衬底层上制备纳米柱，得到带有纳米柱的硅基衬底层，具体步骤为：

B1)采用氧化锌或者二氧化钛纳米材料通过纳米膜生成设备在硅基衬底层上制备纳米膜；

B2)使用旋涂光刻工艺，将在硅基衬底层上的纳米膜刻蚀出器件所需要的纳米柱，随后清除纳米柱位置以外纳米膜。

其优点在于：可以根据需要控制纳米柱的厚度，例如1-2μm厚度；利用纳米柱取代玻璃球，能够精细控制盒厚，却一致性好，可以用于制造高清晰度、高亮度、高对比度LCOS器件制造技术。

C)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层对接，组装成液晶盒，具体步骤为：

C1)获取传统工艺中ITO膜玻璃(厚度通常为0.3～0.7mm)更薄的平板玻璃(厚度为0.1mm)；

C2)采用原子沉积和激光脉冲诱导的物理方法，利用石墨烯膜生成设备在平板玻璃上制备石墨烯膜，获取石墨烯膜平板玻璃；

C3)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层上下对接，组装形成液晶盒。

其优点在于：用石墨烯膜替代ITO膜可以显著提高器件的光透过率、电子迁移率(即电导率)、温度稳定性、光引擎的光密度以及力学性质。

D)对盒前的LCOS硅基沉底和石墨烯膜玻璃都要按传统的LCD液晶涂PI、摩擦工艺形成液晶取向层，附着在LCOS硅基沉底和石墨烯膜玻璃上；成盒后，在液晶盒内灌注液晶材料，形成液晶材料层。

由本发明的制造方法，结合FS(场序)彩色精准控制技术等，可以得到一种新型的LCOS微显示器件，它可以制成高清高亮的各类投影仪，用于教育、卫生、科研、会议交流、休闲娱乐、家庭影院；可以制成视频眼镜成为“随身看”供个人用于学习、消遣而不影响他人；头戴显示器可以配夜视仪、电子望远镜、瞄准器等军用。还可以与手机、电脑、卫星接收机、有线和网络机顶盒、摄像机、DVD等电子影像设备结合起来、制作一体化产品，具有重大的实用意义。

Claims (6)

1.一种LCOS微显示器件液晶盒结构，其特征在于，所述的液晶盒结构呈层状结构，包括上电极层、液晶材料层、纳米柱以及硅基衬底层，所述的硅基衬底层位于下层，上电极层位于上层，液晶材料层和纳米柱位于中层，通过改变纳米柱的高度调节液晶盒的厚度，所述的上电极层为石墨烯膜平板玻璃，所述的纳米柱为氧化锌或者二氧化钛纳米柱。

2.根据权利要求1所述的一种LCOS微显示器件液晶盒结构，其特征在于，所述的液晶材料层为高温反射式液晶，即耐受温度上限高于60度的反射式液晶。

3.一种LCOS微显示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)制备硅基衬底层；

B)在硅基衬底层上制备纳米柱，得到带有纳米柱的硅基衬底层，所述的纳米柱为氧化锌纳米柱或者二氧化钛纳米柱；

C)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层对接，组装成液晶盒；

D)在液晶盒内灌注液晶材料，形成液晶材料层。

4.根据权利要求3所述的一种LCOS微显示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步骤A)具体包括以下步骤：

A1)在单晶硅基片上制成X-Y像素矩阵下的有源矩阵、驱动电路、信号电路；

A2)制作遮光层；

A3)制作平坦化层；

A4)像素矩阵表面化学抛光；

A5)像素矩阵表面蒸镀反光层。

5.根据权利要求3所述的一种LCOS微显示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步骤B)具体包括以下步骤：

B1)采用氧化锌或者二氧化钛纳米材料通过纳米膜生成设备在硅基衬底层上制备纳米膜；

B2)使用旋涂光刻工艺，将在硅基衬底层上的纳米膜刻蚀出器件所需要的纳米柱，随后清除纳米柱位置以外纳米膜。

6.根据权利要求3所述的一种LCOS微显示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步骤C)具体包括以下步骤：

C1)获取厚度为0.1mm的平板玻璃；

C2)采用原子沉积和激光脉冲诱导的物理方法，利用石墨烯膜生成设备在平板玻璃上制备石墨烯膜，获取石墨烯膜平板玻璃；

C3)将石墨烯膜平板玻璃与带有纳米柱的硅基衬底层上下对接，组装形成液晶盒。