一種lcos微顯示器件液晶盒結構及其制造方法

一種lcos微顯示器件液晶盒結構及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種LCOS微顯示器件液晶盒結構及其制造方法，所述的液晶盒結構呈層狀結構，包括上電極層、液晶材料層、納米柱以及硅基襯底層，其上電極層為石墨烯膜平板玻璃，納米柱采用氧化鋅或者二氧化鈦納米柱；其制造方法包括以下步驟：A)制備硅基襯底層；B)在硅基襯底層上制備納米柱，得到帶有納米柱的硅基襯底層；C)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層對接，組裝成液晶盒；D)在液晶盒內灌注液晶材料，形成液晶材料層。與現有技術相比，本發明透光率高，液晶盒厚度容易控制，并且工作溫度可以達到60度，從而使得器件的顯示性能大大提高。
【專利說明】—種LCOS微顯示器件液晶盒結構及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微顯示器件，尤其是涉及一種LCOS微顯示器件液晶盒結構及其制造方法。

【背景技術】
[0002]LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一種較成熟的先進技術。它是制作在單晶硅上的LCD新型顯示器，是LCD與CMOS集成電路有機結合的新興技術。LCOS具有高分辨率、反射式成像、低價格的特點。該技術最早出現在上世紀九十年代末期。其首批成型產品是由Aurora Systems公司于2000年開發出的。由于該產品具有高分辨率、高開口率、反射式成像的特點，所以立刻受到了人們高度關注，很多企業開始進行了研究與開發。其中如索尼、JVC、佳能、英特爾、飛利浦、臺聯電等企業。
[0003]LCOS的結構特點決定了其與常規IXD有著眾多的不同點，具有一些IXD及任何其他顯示器所無法比擬的技術特點。
[0004]I)外部引線少、連接簡單及整機裝配簡便。
[0005]普通的IXD有大量密集的外部引線，如一個1024X768像素點陣的IXD便有2592條外部引線，給整機裝配帶來了諸多不便，而LCOS由于是將LCD制于單晶硅片上，LCD的行、列引出線皆通過半導體工藝在硅片內與IC相連接，故留在外部的僅有數條數據控制線、時序線及電源線等。可利用通用連接端口與前級電路相連接，頗為簡便。
[0006]2)顯示的信息量密度大且體積小，使成本降低。
[0007]普通的IXD在制造過程中需在玻璃基板上進行光刻，制成像素。通常將像素制至0.28mm已屬不易，因在每個像素上還需制出一個有源器件。但LCOS的像素是制在單晶硅片上，硅片采用LSIC的工藝進行加工，可將像素制至4 μ m以下。故在一個僅零點數英寸的硅片上可制成1024X768像素，甚至1920X1240像素點陣密度的顯示產品。顯示的信息量密度增大了，而體積卻減少了(達0.35?0.5英寸)，材料費及成本自然便會大幅度地降低。LCOS可將驅動IC等外部電路完全制于CMOS基板上，減少外部IC的數量及封裝成本，并使體積減小。
[0008]3)分辨率高，畫質自然逼真。
[0009]由于LCOS的晶體管及驅動電路皆制于單晶硅基板內，位于反射面之下，并不占用表面面積，故僅有像素間隙才占用開口面積，不像透射式LCD的TFT及導線皆占用開口面積，所以理論上無論是分辨率還是開口率，LCOS都較透射式IXD高。由于LCOS采用半導體方式來控制分辨率，故分辨率很高，通常達到XVGA (1024 X 768像素)、SXGA等級(1280 X 1024像素)，較高的分辨率又導致較小的畫面像素，使畫質逼真自然。高解析度可隨半導體制造過程快速實現微細化，易于提高解析度，尤其適用于便攜式咨詢設備。迄今，它的制造工藝技術已日臻成熟。
[0010]4)色彩現實占用像素空間少，響應速度快。
[0011]通常，IXD的彩色化是采用微彩色膜方式，即將三個子像素制成紅、綠、藍三基色子像素，合成一個全色象素。這是一種空間混色法，占用了大量的像素空間，降低了分辨率。而LCOS則自身是黑白的，采用紅、綠、藍三基色光反復循環地照射，借助時間混色實現彩色顯示之目的。由于LCOS的響應速度可達μ s級，故此種實現彩色方法完全切實可行，而且大大地降低顯示器件的成本，提高了顯示的分辨率。
[0012]在2004年，佳能發布了第一款采用LCOS技術的1400x1050高分辨率投影機SX50，與SX50 —同推出的還有佳能自己研發的AISYS光學照明系統技術。佳能利用自身的光學技術優勢將LCOS技術和自家的光學照明技術良好地融合在一起，使這款投影機的對比度和亮度都有了提高。這款投影機的推出，獲得了業內的廣泛好評，為LCOS陣營增添了一個強有力的產品。
[0013]2006年，佳能將第二代AISYS光學照明系統技術與LCOS技術再度融合，一口氣又發布了 SX60，SX6，Χ600三款SXGA+級的高分辨率投影機產品，完善了 LCOS投影產品線，使具有不同需求的客戶都可以找到適合自己的產品。采用了第二代佳能AISYS光學照明系統技術的投影機通過提高燈泡光線利用率和進行光線補償，使LCOS技術能夠顯示更加清澈細致，色彩豐富的投影畫面；因此，具有AISYS增強功能的LCOS技術不僅可以得到細膩穩定的畫面，而且更加節能。
[0014]2007年，佳能又發布了一款高分辨率投影機SX7，1000: I對比度的旗艦機型。將高分辨率、高亮度、卓越色彩還原和小巧機身完美地融合在一起，非常適合于藝術家、攝影師以及印刷人員等對色彩要求嚴格的用戶，其具有Adobe RGB/s RGB色域的色彩表現，可以使投影畫面保持原始圖像的色彩精確度。
[0015]在著名的光電廠商發展模式是走高端產品，少數人享受的同時，人們也在探討大眾化、普及型產品。由于LCOS微顯示器件是新型光電子顯示產品，屏幕畫面小于I英寸，但信號經包括LCOS微顯示和LED電光源組成的光學引擎處理后，可以使原本小于I英寸的畫面放大幾十至幾百倍，其清晰度可以支持1080P甚至更高，引起了人們的極大關注。但早期一些下游應用產品企業曾走過瞄準大型背投影為主攻方向的彎路，大型背投影機的應用失敗導致美國本來為數不多的幾家上游LCOS器件公司紛紛下馬。
[0016]2008年底隨著高亮度、長壽命LED電光源器件的突破，帶來了微型前投影的發展契機，實踐證明應用于前投影的LCOS微顯示器件前景廣闊，方興未艾。其應用整機產品還具有節能、環保、尺寸小、重量輕、方便攜帶等特點；LC0S微型投影機作為顯示終端產品，非常容易與機頂盒、DVD、衛星接收機、手機、筆記本電腦等電子產品有線或無線連接使用，這種投影微型顯示完全顛覆了傳統的玻璃屏幕概念，實現了新的白墻或幕布上的大屏幕顯示。被譽為家庭臥室和客廳正在發生的悄悄的影視革命。應用面涉及智能化的電視、電腦、手機等民生熱門領域，其應用市場前景非常廣闊，深受人們喜愛和青睞，是戰略性新興產業。它的研究符合走自主創新發展道路和未來經濟、社會發展的強大需求，將產生巨大的經濟、社會效益。
[0017]因此，由于該產品具有高分辨率、高開口率、反射式成像的特點，立刻受到人們的重視。目前，LCOS技術呈現出良好的發展態勢。在投影顯示技術上，目前LCOS技術也已經經過了十多年的發展期。業內分析預測，隨著技術進一步發展成熟，生產成本日益下降，LCOS投影顯示技術發展的春天正在向我們走來。
[0018]但是，到目前為止，國內尚未實現LCOS器件的產業化，也沒有國家和行業標準。目前，臺灣的HAIMAX代表了當代產業化水平，在向內地供貨。臺灣的LCOS器件雖然已經產業化，但它的產業化前的技術來自當時我們技術團隊的成員之一。卻產品的技術水平指標偏低:分辨率1024*768 ;對比度100: I ;亮度不到100流明；使用溫度不能超過50度。在與國外的DLP微顯示器的壟斷企業美國TI競爭中處于劣勢。因此，開展高清晰度高亮度LCOS微顯示器件更高水準(分辨率1280*1024 ;對比度1000: I ;亮度大于100流明；使用溫度達到60度。)的技術研究工作是十分必要的。加之，我們團隊領軍人物已獲得了國內第一個LCOS微顯示器件制造的國家發明專利(Z12010.0520661.9)，在此基礎上，通過技術創新，是有能力實現高清晰度微顯示器的設計和制造目標的。LCOS微顯示器件作為微型顯示終端產品的核心器件，是最前沿的核心技術，它集超大規模集成電路和微小(小于I英寸)液晶屏設計、制造技術于一身，是基礎性的高新工藝技術。
[0019]但是，目前傳統的LCOS微顯示器件的液晶盒結構如圖1所示，最上層由ITO膜玻璃作為上電極層I ;中間一層填充液晶材料2，液晶盒厚度由玻璃球31來控制；最下層為硅基襯底層4。采用此種結構的微顯示器件，無法在高溫下使用，并且分辨率及對比度有限。


【發明內容】

[0020]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種LCOS微顯示器件液晶盒結構及其制造方法。
[0021]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0022]一種LCOS微顯示器件液晶盒結構，所述的液晶盒結構呈層狀結構，包括上電極層、液晶材料層、納米柱以及硅基襯底層，所述的硅基襯底層位于下層，上電極層位于上層，液晶材料層和納米柱位于中層，通過改變納米柱的高度調節液晶盒的厚度，所述的上電極層為石墨烯膜平板玻璃，可以提高透光率，所述的納米柱為氧化鋅或者二氧化鈦納米柱，可以精細地控制液晶盒的厚度，有利于提高清晰度、色度以及對比度。
[0023]所述的液晶材料層為高溫反射式液晶，使得液晶盒可以在60度的溫度下工作。
[0024]一種制造上述LCOS微顯示器件液晶盒的方法，包括以下步驟:
[0025]A)制備硅基襯底層；
[0026]B)在娃基襯底層上制備納米柱，得到帶有納米柱的娃基襯底層；
[0027]C)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層對接，組裝成液晶盒；
[0028]D)在液晶盒內灌注液晶材料，形成液晶材料層。
[0029]步驟A具體包括以下步驟:
[0030]Al)在單晶硅基片上制成X-Y像素矩陣下的有源矩陣、驅動電路、信號電路；
[0031]A2)制作遮光層；
[0032]A3)制作平坦化層；
[0033]A4)像素矩陣表面化學拋光；
[0034]A5)像素矩陣表面蒸鍍反光層。
[0035]步驟B具體包括以下步驟:
[0036]BI)采用氧化鋅或者二氧化鈦納米材料通過納米膜生成設備在硅基襯底層上制備納米膜；
[0037]B2)使用旋涂光刻工藝，將在硅基襯底層上的納米膜刻蝕出器件所需要的納米柱，隨后清除納米柱位置以外納米膜。
[0038]步驟C具體包括以下步驟:
[0039]Cl)獲取厚度為0.1mm的平板玻璃；
[0040]C2)采用原子沉積和激光脈沖誘導的物理方法，利用石墨烯膜生成設備在平板玻璃上制備石墨烯膜，獲取石墨烯膜平板玻璃；
[0041]C3)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層上下對接，組裝形成液晶盒。
[0042]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0043]1.采用石墨烯膜平板玻璃取代ITO膜玻璃，提高LCOS器件的光透過率、溫度穩定性和光引擎的光密度。將世界重大的、獲得2010年諾貝爾獎的發明一石墨烯技術首次引ALCOS器件制作中來，用石墨烯納米膜替代ITO膜可以顯著提高器件的光透過率、溫度穩定性和光引擎的光密度。單層原子石墨烯薄膜厚度僅0.34nm，它是一種SP2碳原子組成的六角形晶體二維材料，具有很高的透光率和電導率。其透光率可以達到97%，電阻僅幾個歐姆，而且有很好的力學性質。用石墨烯薄膜替代ITO膜可以顯著提高器件的光透過率、電子遷移率(即電導率)、溫度穩定性、光引擎的光密度以及力學性質。因此石墨烯薄膜的應用是前沿性的應用研究。
[0044]2.采用氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒制備納米微柱，取代通常用的玻璃球控制盒厚；提高LCOS器件顯示對比度、色度、清晰度。選用氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒具有以下優點:A.可以根據需要控制納米柱的厚度，例如1_2μπι厚度；B.由于氧化鋅或者二氧化鈦納米材料是一種光致發光材料，例如在可見光波長400-500nm氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒表現出極強的發光信號。選擇黑色的材料，有利于提高對比度。C.有利于采用光刻技術，光刻技術可以精確地控制納米柱的厚度，做到精細加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1為傳統LCOS微顯示器件液晶盒結構；
[0046]圖2為本發明的液晶盒結構；
[0047]圖3為本發明制造方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0049]實施例
[0050]如圖2所示，一種LCOS微顯示器件液晶盒結構，所述的液晶盒結構呈層狀結構，包括石墨烯膜上電極層1、液晶材料層2、納米柱3以及硅基襯底層4，硅基襯底層4位于下層，上電極層I位于上層，液晶材料層2和納米柱3位于中層，通過改變納米柱3的高度調節液晶盒的厚度。
[0051]本發明與現有技術的主要區別點在于:
[0052]1、上電極層I為石墨烯膜平板玻璃。
[0053]采用石墨烯膜取代ITO膜，提高LCOS器件的光透過率、溫度穩定性和光引擎的光密度。將世界重大的、獲得2010年諾貝爾獎的發明一石墨烯技術引入LCOS器件制作中來，用石墨烯納米膜替代ITO膜可以顯著提高器件的光透過率、溫度穩定性和光引擎的光密度。單層原子石墨烯薄膜厚度僅0.34nm,它是一種SP2碳原子組成的六角形晶體二維材料，具有很高的透光率和電導率。其透光率可以達到97%，電阻僅幾個歐姆，而且有很好的力學性質。用石墨烯薄膜替代ITO膜可以顯著提高器件的光透過率、電子遷移率(即電導率)、溫度穩定性、光引擎的光密度以及力學性質。因此石墨烯薄膜的應用是前沿性的應用研究。
[0054]2.納米柱為氧化鋅或者二氧化鈦納米柱。
[0055]采用氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒制備納米微柱，取代通常用的玻璃球控制盒厚；提高LCOS器件顯示對比度、色度、清晰度。選用氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒具有以下優點:A.可以根據需要控制納米柱的厚度，例如1_2μπι厚度；B.由于氧化鋅或者二氧化鈦納米材料是一種光致發光材料，例如在可見光波長400-500nm氧化鋅或者二氧化鈦納米微粒表現出極強的發光信號。選擇黑色的材料，有利于提高對比度。C.有利于采用光刻技術，光刻技術可以精確地控制納米柱的厚度，做到精細加工。
[0056]3.液晶材料層為高溫反射式液晶，取代傳統的普通液晶材料，使得工作溫度可以達到60度，進而提高亮度，使其顯示參數達到更高的水準:分辨率1280X1024 ;對比度1000: I;亮度大于100流明。
[0057]上述LCOS微顯示器件液晶盒可以通過如圖3所示的步驟制造，具體如下:
[0058]A)制備硅基襯底層，具體步驟為:
[0059]Al)在單晶硅基片上制成X-Y像素矩陣的有源矩陣、驅動電路、信號電路；
[0060]A2)制作遮光層；
[0061]A3)制作平坦化層；
[0062]A4)像素矩陣表面化學拋光；
[0063]A5)像素矩陣表面蒸鍍反光層。
[0064]B)在硅基襯底層上制備納米柱，得到帶有納米柱的硅基襯底層，具體步驟為:
[0065]BI)采用氧化鋅或者二氧化鈦納米材料通過納米膜生成設備在硅基襯底層上制備納米膜；
[0066]B2)使用旋涂光刻工藝，將在硅基襯底層上的納米膜刻蝕出器件所需要的納米柱，隨后清除納米柱位置以外納米膜。
[0067]其優點在于:可以根據需要控制納米柱的厚度，例如1_2μπι厚度；利用納米柱取代玻璃球，能夠精細控制盒厚，卻一致性好，可以用于制造高清晰度、高亮度、高對比度LCOS器件制造技術。
[0068]C)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層對接，組裝成液晶盒，具體步驟為:
[0069]Cl)獲取傳統工藝中ITO膜玻璃(厚度通常為0.3?0.7mm)更薄的平板玻璃(厚度為 0.1mm)；
[0070]C2)采用原子沉積和激光脈沖誘導的物理方法，利用石墨烯膜生成設備在平板玻璃上制備石墨烯膜，獲取石墨烯膜平板玻璃；
[0071]C3)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層上下對接，組裝形成液晶盒。
[0072]其優點在于:用石墨烯膜替代ITO膜可以顯著提高器件的光透過率、電子遷移率(即電導率)、溫度穩定性、光引擎的光密度以及力學性質。
[0073]D)對盒前的LCOS硅基沉底和石墨烯膜玻璃都要按傳統的IXD液晶涂P1、摩擦工藝形成液晶取向層，附著在LCOS硅基沉底和石墨烯膜玻璃上；成盒后，在液晶盒內灌注液晶材料，形成液晶材料層。
[0074]由本發明的制造方法，結合FS (場序)彩色精準控制技術等，可以得到一種新型的LCOS微顯示器件，它可以制成高清高亮的各類投影儀，用于教育、衛生、科研、會議交流、休閑娛樂、家庭影院；可以制成視頻眼鏡成為“隨身看”供個人用于學習、消遣而不影響他人；頭戴顯示器可以配夜視儀、電子望遠鏡、瞄準器等軍用。還可以與手機、電腦、衛星接收機、有線和網絡機頂盒、攝像機、DVD等電子影像設備結合起來、制作一體化產品，具有重大的實用意義。
【權利要求】
1.一種LCOS微顯示器件液晶盒結構，其特征在于，所述的液晶盒結構呈層狀結構，包括上電極層、液晶材料層、納米柱以及硅基襯底層，所述的硅基襯底層位于下層，上電極層位于上層，液晶材料層和納米柱位于中層，通過改變納米柱的高度調節液晶盒的厚度，所述的上電極層為石墨烯膜平板玻璃，所述的納米柱為氧化鋅或者二氧化鈦納米柱。
2.根據權利要求1所述的一種LCOS微顯示器件液晶盒結構，其特征在于，所述的液晶材料層為高溫反射式液晶。
3.—種LCOS微顯示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: A)制備娃基襯底層； B)在娃基襯底層上制備納米柱，得到帶有納米柱的娃基襯底層； C)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層對接，組裝成液晶盒； D)在液晶盒內灌注液晶材料，形成液晶材料層。
4.根據權利要求3所述的一種LCOS微顯示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步驟A具體包括以下步驟: Al)在單晶硅基片上制成X-Y像素矩陣下的有源矩陣、驅動電路、信號電路； A2)制作遮光層； A3)制作平坦化層； A4)像素矩陣表面化學拋光； A5)像素矩陣表面蒸鍍反光層。
5.根據權利要求3所述的一種LCOS微顯示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步驟B具體包括以下步驟: BI)采用氧化鋅或者二氧化鈦納米材料通過納米膜生成設備在硅基襯底層上制備納米膜； B2)使用旋涂光刻工藝，將在硅基襯底層上的納米膜刻蝕出器件所需要的納米柱，隨后清除納米柱位置以外納米膜。
6.根據權利要求3所述的一種LCOS微顯示器件液晶盒的制造方法，其特征在于，步驟C具體包括以下步驟: Cl)獲取厚度為0.1mm的平板玻璃； C2)采用原子沉積和激光脈沖誘導的物理方法，利用石墨烯膜生成設備在平板玻璃上制備石墨稀I吳，獲取石墨稀I吳平板玻璃； C3)將石墨烯膜平板玻璃與帶有納米柱的硅基襯底層上下對接，組裝形成液晶盒。
【文檔編號】G02F1/1339GK104330909SQ201310309665
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年7月22日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】邢彥文, 馬仁祥, 付敏恭, 李傳南, 姚正鋼, 付夢雨 申請人:上海長城計算機網絡工程有限公司