一种基于光控取向技术的硅基液晶器件及制备方法与流程

1.本发明涉及液晶取向控制技术领域，尤其涉及一种基于光控取向技术的硅基液晶器件及制备方法。


背景技术：

2.lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)是一种基于反射模式且尺寸非常小的矩阵液晶显示装置，由于硅基液晶能够在空间上调制光束波长以及相位，在高清投影仪、增强现实、虚拟现实等显示领域均得到了较为广泛应用。同时，在光通讯领域中，硅基液晶器件还被用于波长选择开关、光调制解调设备等。
3.传统硅基液晶器件中的液晶分子是通过对聚酰亚胺等材料进行摩擦来实现取向，具有简单、方便、稳定性好等优点，但摩擦过程中会产生大量的粉尘和静电，对液晶器件造成污染。同时，摩擦取向法只可实现液晶分子固定方位角取向，无法实现微区内液晶分子的多畴取向。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶器件及制备方法，旨在解决现有技术中硅基液晶器件中的液晶分子是通过聚酰亚胺等材料进行摩擦来实现取向，摩擦取向法只可实现液晶分子固定方位角取向，无法实现微区内液晶分子的多畴取向的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.本发明第一实施例提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶器件，包括：pcb基板和设置在所述pcb基板上的硅基板，以及与硅基板相对设置的ito玻璃基板，所述硅基板与ito玻璃基板之间还设置有液晶层；
8.所述硅基板近邻所述液晶层的一侧设置有第一取向层，所述第一取向层为光控取向层；
9.所述ito玻璃基板近邻所述液晶层的一侧设置有第二取向层，
10.所述第一取向层和所述第二取向层用于控制所述液晶层的液晶分子的水平方向排布；
11.所述硅基板上设置有可独立寻址的像素电极，所述像素电极用于控制所述液晶层中对应像素位置的液晶分子在竖直方向上的旋转。
12.可选地，所述像素电极为对应每个像素的cmos电路组成的反射电极，所述反射电极与所述ito玻璃基板之间形成电场，以控制所述液晶层中对应像素位置的液晶分子在竖直方向上的旋转。
13.可选地，所述硅基板与ito玻璃基板之间还设置有间隔粒子，以支撑所述硅基板和ito玻璃基板形成所述液晶层的填充空间，并控制液晶层厚度。
14.可选地，所述第二取向层为光控取向层或摩擦取向层，所述第二取向层的取向方向为水平取向或垂直取向。
15.可选地，所述第二取向层为光控取向层，且取向方式与所述硅基板的上设置的光控取向层相同，控制近邻所述液晶层中液晶分子由所述硅基板至所述ito玻璃基板呈水平方向排布，所述液晶层中液晶分子水平方位角由所述ito玻璃基板和所述硅基板上设置的所述光控取向层共同控制。
16.可选地，所述第二取向层为光控取向层，取向方式与所述硅基板的上设置的光控取向层相同，且为单一方向均匀排列；则所述硅基板的光控取向层与所述ito玻璃基板光控取向层控制所述液晶层中的液晶分子由硅基板至ito玻璃基板呈渐变扭曲排列。
17.可选地，所述第二取向层为垂直取向层，所述液晶层中的液晶分子受近邻所述垂直取向层控制，其指向矢为垂直于所述ito玻璃基板方向排列分布；所述硅基板的光控取向层与所述ito玻璃基板的垂直取向层控制所述液晶层中液晶分子的倾角由所述硅基板的水平方向至ito玻璃基板的垂直方向呈混合渐变排列，且水平方位角分布图案由所述硅基板上的光控取向层控制。
18.可选地，所述光控取向层为染料分子，所述染料分子的材料为光交联材料、光降解材料、光顺反异构材料或光致分子旋转材料中的至少一种；
19.染料分子水平方位指向矢被紫外线偏振光照射取向，并随垂直于偏振方向排列，形成特定的控制图形；所述控制图形控制近邻所述液晶分子水平方位角，形成特定排布图形。
20.可选地，所述pcb基板上还设置有条形导电层，所述条形导电层分别与所述ito玻璃基板和所述硅基板的信号连接点之间电连接。
21.本发明的另一实施例提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶器件制备方法，用于制备上述任一项所述的硅基液晶器件，包括：
22.在所述硅基板朝向所述ito玻璃基板的一侧涂覆取向材料，生成第一取向层；第一取向层为光控取向层；
23.在所述ito玻璃基板朝向所述硅基板的一侧涂覆取向材料，生成第二取向膜，第二取向层为光控取向层、摩擦取向层或垂直取向层中的一种；
24.对所述第一取向层和第二取向层进行多步重叠曝光，采用无掩膜动态投影曝光系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的辐照光偏振方向，依次进行曝光；
25.在所述硅基板上设置间隔粒子，并与所述ito玻璃基板封装，其中所述第一取向层与所述第二取向层一侧相对设置；
26.在所述硅基板和所述ito玻璃基板之间灌注液晶层，所述硅基板光控取向膜和所述ito玻璃基板所控制近邻所述液晶层中液晶分子由所述硅基板至ito玻璃基板呈平行排列、渐变排列或混合渐变排列；
27.将所述硅基板粘贴至pcb基板，利用焊接金线连接硅基板与所述pcb基板对应电极，利用导电层对所述ito玻璃基板与所述pcb基板实现电连接。
28.有益效果：本发明实施例基于上述基板设计方案，可以灵活地通过控制照射偏振光的偏振方向，便可以控制液晶分子的水平方位角，实现对液晶器件几何相位的调制。与此同时，结合所述硅基板中可独立寻址半导体电极控制的微型像素结构，对所述液晶分子倾
角进一步调控，实现动态响应的光子器件，具有小型化、易集成、轻薄化的特点，在显示、光通讯等领域有着极大的应用潜力。
附图说明
29.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
30.图1为本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件较佳实施例的层级结构图；
31.图2为本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的具体应用实施例的液晶盒横截面结构示意图；
32.图3为本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的制备方法的较佳实施例的流程图；
33.图4a是本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的具体应用实施例提供的图案化光控取向硅基板与图案化光控取向玻璃基板间液晶分子排列图；
34.图4b是本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的具体应用实施例提供的图案化光控取向硅基板与单一方向取向玻璃基板间液晶分子排列图；
35.图4c是本发明一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的具体应用实施例提供的图案化光控取向硅基板与竖直取向玻璃基板间液晶分子排列图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.以下结合附图对本发明实施例进行介绍。
38.本发明实施例提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶器件，如图1所示，包括pcb基板13和设置在所述pcb基板13上的硅基板16。所述硅基板16上设置有液晶层14，以及所对应设置的ito(indium tin oxide,氧化铟锡)透明导电玻璃基板11，所述ito玻璃基板11在所述pcb基板13上的投影包括覆盖所述硅基板16的中心区域，以及围绕中心区域的周边区域，在周边区域形成有条形导电层12，分别与所述ito玻璃基板11和所述pcb基板13的信号连接点之间电连接。
39.具体实施时，液晶的光控取向技术是指聚合物薄膜在偏振紫外光照射情况下，会引发光致异构、光交联、光降解等现象，並产生表面各向异性，使得液晶分子在薄膜上发生取向排列。这种非接触式配向方法可在微区内精确控制液晶分子的水平方位角，可实现q波片、分束器、透镜、涡旋玻片等液晶光子器件。液晶层的材料包括向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的至少一种。
40.因此，本领域需要提出在微区内精准控制液晶分子水平方位角的同时，又能实现微小尺寸像素级电压调制的硅基液晶器件。
41.可选的，所述导电层12的材料为导电银胶，导电银胶的设置形式可以为多点组成，或者为整条导电银胶形成的层级。胶体材料具有一定的粘附性，相对于其他的导电材料来说，其与电连接的元件之间的粘结性较佳，在元件之间的附着性较好，导电银胶，特别是纳米银胶作为一种导电性能较好的材料，可通过滴注的方式形成所需位置並经过固化实现固定，常用于光学器件的导电连接，还可以选用纳米导电金胶、纳米导电铜胶、纳米导电锡胶
等纳米导电材料。此外，还可在所述pcb基板13导电层预先设置零欧姆电阻以增加所述导电层12高度，将导电银胶滴注于零欧姆电阻上或者还包括零欧姆电阻的周围，通过导电银胶和零欧姆电阻共同作为所述导电层12，实现对所述ito玻璃基板11与所述pcb基板13的电连接。零欧电阻的作用其实只是把电极抬高一些，是硅基液晶背板厂家设计提供的，所以其实不加也可以。导电银胶也是厂家提供的器件制备工艺中推荐的导电材料，也可以用导电银漆等其他导电材料。
42.图2为本发明实施例提供的一种硅基液晶光学器件中液晶盒的剖面结构示意图，如图2所示，所述硅基液晶器件包括：相对设置的ito玻璃基板11和硅基板16，以及位于所述ito玻璃基板11和硅基板16之间的液晶层14；其中，所述ito玻璃基板11与硅基板16之间设置有间隔粒子15，以支撑所述液晶层14；在所述硅基板16和ito玻璃基板11之间且环绕所述液晶层14的外周设置封框胶，以使硅基液晶器件形成封装的密封结构。
43.在此，需要说明的是，所述ito玻璃基板11和硅基板16近邻所述液晶层14的一侧分别设置有光控取向膜110和光控取向膜160，所述光控取向膜110和光控取向膜160指向矢方向图案化排布並相对设置；所述ito玻璃基板11光控取向膜110和硅基板16光控取向膜160控制所述液晶层14中的液晶分子由ito玻璃基板11至硅基板16呈平行排布，即竖直方向上的液晶分子水平方位角均相同。本实施例中，所述ito玻璃基板11和硅基板16设置的光控取向膜110和光控取向膜160均采用偶氮染料sd1染料分子水平方位指向矢可被紫外线偏振光照射取向，并随垂直于偏振方向排列，形成特定的控制图形。由于染料分子表面的各向异性，形成水平方位的锚定能并施加给近邻液晶分子，所述控制图形控制近邻所述液晶分子水平方位角，形成特定排布图形。特定排布图形都是通过线偏振紫外光的偏振方向来控制。
44.若染料分子指向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布的控制图形，在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图形在极轴上指向矢角度和/或q值按照预设的规律变化，所述控制图形控制液晶分子指向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布，即可制备一种液晶q波片，其中液晶分子指向矢变化的周期数为2|q|。q值是指线偏振紫外光照射所制备的q波片中的拓扑荷，是这个q波片器件的特性之一。
45.在此，需要补充是，如图1所示，所述硅基板16设置于所述pcb基板13上，所述硅基板16与所述pcb基板之间实现模组连接。所述硅基板16对应于硅基液晶器件中的工作区域，在所述硅基板16上形成有对应每个像素的cmos(complementary metal oxide semiconductor,互补式金属氧化物半导体)电路组成的反射电极，用于与所述ito玻璃基板11之间形成电场以控制所述液晶层14中对应像素位置的液晶分子在竖直方向上的旋转。
46.液晶分子具有各向异性的电学特性，也就是说通过控制电路来控制液晶分子两端电极中所施加的方波幅值，即可控制液晶分子的倾角，从而控制所在像素中的有效折射率，最终调制反射光的相位。所述硅基板16对应的每个像素都可以单独主动寻址驱动，通过改变电压值的大小来控制对应像素位置的液晶分子在竖直方向上的倾角，此时入射光的偏振方向与液晶分子光轴有一夹角θ，则所述像素位置的有效双折射率n
eff
(θ)为：
[0047][0048]
其中，公式1中n
e
和n
o
分别为所述液晶层14中液晶分子的非寻常光折射率和寻常光
折射率。因此对于该入射偏振光，经过所述液晶层14后的传播相位延迟γ为：
[0049][0050]
其中，λ为入射光在真空中的波长；d为所述液晶层14的厚度。
[0051]
另外，需要补充的是，与上述通过加载电压控制液晶分子指向矢倾角引入不同液晶有效折射率外，本发明利用所述光控取向膜110和光控取向膜160控制所述液晶层14中的液晶分子水平方位角，因此，对不同方位角排列的液晶分子同一线偏振而言，其有效折射率也是不同的。注：此时的方位角即上述夹角θ，相应的有效双折射率δn
eff
为：
[0052][0053]
入射偏振光经过的光程差为：
[0054][0055]
因此，通过控制所述液晶层14中液晶分子指向矢的排列方向，可实现对入射光的相位调制，可以获得其他任意模式的矢量光束。
[0056]
另外，需要说明的是，可以通过改变间隔粒子15的尺寸来改变所述ito玻璃基板11和硅基板16之间的间距，即改变所述液晶层14的厚度d，从而改变偏振入射光在硅基液晶器件中的非寻常光和寻常光之间的相位差，从而实现线偏振入射光在硅基液晶器件中的非寻常光和寻常光之间的传播相位延迟γ。其中间隔粒子通常采用二氧化硅。
[0057]
本发明实施例提供了一种基于光控取向技术的硅基液晶器件的制备方法，请参阅图3，图3为本发明一种于光控取向技术的硅基液晶器件的制备方法较佳实施例的流程图。如图3所示，其包括步骤：
[0058]
步骤s100、在所述硅基板朝向所述ito玻璃基板的一侧涂覆取向材料，生成第一取向层；第一取向层为光控取向层；
[0059]
步骤s200、在所述ito玻璃基板朝向所述硅基板的一侧涂覆取向材料，生成第二取向膜，第二取向层为光控取向层、摩擦取向层或垂直取向层中的一种；
[0060]
步骤s300、对所述第一取向层和第二取向层进行多步重叠曝光，采用无掩膜动态投影曝光系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的辐照光偏振方向，依次进行曝光；
[0061]
步骤s400、在所述硅基板上设置间隔粒子，并与所述ito玻璃基板封装，其中所述第一取向层与所述第二取向层一侧相对设置；
[0062]
步骤s500、在所述硅基板和所述ito玻璃基板之间灌注液晶层，所述硅基板光控取向膜和所述ito玻璃基板所控制近邻所述液晶层中液晶分子由所述硅基板至ito玻璃基板呈平行排列、渐变排列或混合渐变排列；
[0063]
步骤s600、将所述硅基板粘贴至pcb基板，利用焊接金线连接硅基板与所述pcb基板对应电极，利用导电层对所述ito玻璃基板与所述pcb基板实现电连接。
[0064]
具体实施时，准备液晶光控取向材料溶液；在所述基板上涂布液晶光控取向材料溶液；烘干已涂布液晶光控取向材料溶液的基板；
[0065]
进一步地，在上述步骤的液晶光控取向材料溶液中，所述光控取向材料是能够进行光控取向的材料，包含顺反异构化材料、光降解材料、光交联材料和光致分子旋转偶氮染料，优选光致分子旋转偶氮染料sd1；所述有机溶剂为n
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(nmp)、二甲基甲酰胺(dmf)或具各种混合溶剂。所述光控取向材料占所述溶液总重量的0.1％
‑
5％，优选0.5％
‑
2％。
[0066]
进一步地，所述基板为所述硅基板16、ito玻璃基板11。涂布方式优选旋涂，旋涂参数优选：低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂30秒，转速3000转/分钟。在上述步骤c中，烘干已涂布所述光控取向材料的基板，烘干温度为约80℃
‑
110℃，烘干时间为约5
‑
10分钟，形成光控取向膜，可选的，光控取向膜厚度可为10nm
‑
50nm。
[0067]
进一步地，用偏振紫外或蓝光照射所述基板上的所述光控取向膜。优选405nm偏振光。在偏振紫外光辐照下，这些偶氮染料分子将在空间旋转以使其配向垂直于入射光的偏振方向。可选的，对所述光控取向膜进行处理，光控取向膜中的分子指向矢可通过控制照射光的偏振方向进行设定，具体的可以通过多次重叠曝光形成0
°‑
180
°
的指向矢角度分布。因此，对所述光控取向膜进行多步曝光，以形成预设的分子指向矢方向分布图案。
[0068]
可选的，对所述光控取向膜进行曝光，曝光方式包括：干涉法、激光直写法、基于dmd(digital micromirror device，数控微镜阵)或基于slm(spatiallightmodulator，空间光调制器)的动态无掩膜曝光法。所述干涉法是指用目标光束和平面参考光相干涉形成全息图，记录在所述光控取向膜上。所述激光直写法是通过微缩物镜将激光器的出射光束缩小到很小的尺寸范围，然后对光控取向膜逐点扫描曝光，並同步旋转偏振片，做到点对点的精确取向控制。所述基于slm的动态无掩膜曝光法是指一束均匀准直的偏振紫外光被反射到slm芯片上，slm芯片作为一个动态偏振调制器件，通过电脑控制端输入不同的图形来控制每个像素的相位延迟，所反射的紫外光携带像素级偏振分布图案，记录在所述光控取向膜上。所述基于dmd的动态无掩膜曝光法是将dmd芯片取代slm芯片，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的照射光偏振方向，依次进行记录在所述光控取向膜上。
[0069]
在此，需要说明的是，所述光控取向分子指向矢与所述照射光偏振方向垂直，而近邻所述液晶层中液晶分子指向矢与光控取向分子指向矢方向相同，因此，通过改变所述照射光的偏振方向分布，即可控制所述液晶层中液晶分子的指向矢分布。
[0070]
在此，需要说明的是，所述间隔粒子可通过喷洒方式均匀设置在所述硅基板上，以控制所述硅基板与所述ito玻璃基板之间间隔，即所述液晶层厚度。其中，所述液晶层厚度可通过改变不同直径的所述间隔粒子来控制。在所述硅基板上制作边框胶，将所述硅基板与所述ito玻璃对位压制成盒。所述边框胶为紫外胶水、热固胶水或ab胶水，优选紫外胶水，通过紫外光照射可迅速固化。
[0071]
可选的，所述间隔粒子可与边框胶均匀混合，通过间隔粒子控制所述液晶层厚度。使用点胶机对所述硅基板进行点胶封框，框定所述液晶层所在区域，並留一个开口以便灌注液晶。
[0072]
在此，需要说明的是，液晶灌注完成后，用所述边框胶进行封口。
[0073]
另外，需要补充的是，所述硅基板与ito玻璃基板上的所述光控取向膜提供给所述液晶分子层中的液晶分子水平方位锚定能，所述近邻液晶分子均平行排布。由于所述光控取向膜均有图案化分布，所述近邻液晶分子指向矢沿着光控取向膜指向矢分布同向排布，
如图4a所示，其中所述液晶分子在竖直方向上，从所述硅基板至ito玻璃基板平行排布，但水平方向上指向矢沿所述光控取向层指向矢图案排列分布。具体地，玻璃基板上的取向膜为光控取向膜，其取向方式及水平方位角分布与所述硅基板一侧相同。所述控制图形控制近邻所述液晶分子水平方位角，形成特定排布图形。进一步的，所述液晶分子在所述硅基板与玻璃基板之间呈水平方向排布，排布图案与所述光控取向层所述控制图形相同。
[0074]
可选的，所述ito玻璃基板上的所述光控取向膜120，通过定向偏振紫外曝光，所述光控取向膜指向矢为单一方向均匀分布，即所述近邻液晶层中液晶分子指向矢沿单一方向定向分布，如图4b所示。所述硅基板光控取向膜与所述ito玻璃基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子由硅基板至ito玻璃基板呈渐变扭曲排列。
[0075]
另外，需要说明的是，在所述ito玻璃基板上实现所述近邻液晶分子单一方向均匀分布不限于使用光控取向材料，也可使用水平摩擦取向剂。其制备流程为：在所述ito玻璃基板导电膜一侧旋涂摩擦取向剂，高温下固化，在摩擦机下进行摩擦取向。具体实施时，液晶分子在所述硅基板与玻璃基板之间呈水平方向排布，但由于所述硅基板与所述玻璃基板指向矢排布图案不同，其所述近邻液晶分子水平方位角随所述取向层方向图案排布，因此所述液晶分子呈水平扭转型排布，扭转角范围为0
°
到90
°
之间。
[0076]
可选的，所述ito玻璃基板上设置垂直取向膜130，其制备流程为：在所述ito玻璃基板导电膜一侧旋涂垂直取向剂，高温下固化。此时，所述液晶层中的液晶分子受近邻所述垂直取向膜控制，其指向矢为垂直于所述ito玻璃基板方向排列分布，如图4c所示。所述硅基板光控取向膜与所述ito玻璃基板垂直取向膜控制所述液晶层中液晶分子的倾角由所述硅基板的水平方向至ito玻璃基板的垂直方向呈混合渐变排列，且水平方位角分布图案由所述硅基板上光控取向膜控制。具体实施时，述玻璃基板上的取向膜为光控取向材料或聚酰亚胺等材料所制的垂直取向膜，其指向矢方向垂直于所述玻璃基板，所述液晶分子指向矢方向同样垂直于所述玻璃基板。进一步的，所述液晶分子在所述硅基板与玻璃基板之间呈混合配向(hybridalignment)，即近邻所述硅基板的液晶分子呈水平方向配向，预倾角为0
°
，其水平方位角分布由偏振曝光控制。与此同时，近邻所述玻璃基板的液晶分子呈竖直方向配向，预倾角为90
°
，其指向矢垂直于所述玻璃基板方向。所述液晶分子在所述两片基板中预倾角逐渐变化。
[0077]
所述pcb基板排座17与外置驱动器连接，输入控制信号，用以控制像素电压，从而实现对所述液晶层中液晶分子倾角控制，最终实现所述硅基液晶器件相位调制功能。
[0078]
上述实施例中所有列出的百分数，以至任何具体数字乃属示例性质，它们可以根据实际应用情况在合理的范围内调整。所有列出的烘烤温度、时间、辐照波长及剂量均属示例性质。
[0079]
需要说明的是，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。
[0080]
除了其他之外，诸如"能够'、"能"、"可能"或"可以"之类的条件语言除非另外具体地陈述或者在如所使用的上下文内以其他方式理解，否则一般地旨在传达特定实施方式能包括(然而其他实施方式不包括)特定特征、元件和/或操作。因此，这样的条件语言一般地还旨在暗示特征、元件和/或操作对于一个或多个实施方式无论如何都是需要的或者一个
或多个实施方式必须包括用于在有或没有输入或提示的情况下判定这些特征、元件和/或操作是否被包括或者将在任何特定实施方式中被执行的逻辑。
[0081]
已经在本文中在本说明书和附图中描述的内容包括能够提供线索流转的优化方法及装置的示例。当然，不能够出于描述本公开的各种特征的目的来描述元件和/或方法的每个可以想象的组合，但是可以认识到，所公开的特征的许多另外的组合和置换是可能的。因此，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下能够对本公开做出各种修改。此外，或在替代方案中，本公开的其他实施例从对本说明书和附图的考虑以及如本文中所呈现的本公开的实践中可能是显而易见的。意图是，本说明书和附图中所提出的示例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们在通用和描述性意义上被使用并且不用于限制的目的。