Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0060

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0060
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Название доклада
Разработка основ технологии производства высокоскоростных микро-приборов на основе интегральной структуры "Смектический жидкий кристалл на кремнии" для применения в трехмерных дисплеях, в голографии и адаптивной оптике
Докладчик
Компанец Игорь Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является проведение исследований, направленных на разработку и создание опережающих современный уровень микродисплеев и др. приборов на основе пространственного модулятора света со структурой смектический «жидкий кристалл на кремнии» (сокращенно ЖКнК, или LCoS), обладающей сверхвысоким быстродействием (оптический отклик менее 100 мкс, частота кадров не менее 1 кГц) при малом управляющем напряжении (до ± 3 В), отсутствием гистерезиса и способностью визуализировать непрерывную шкалу серого.
Задачи проекта: 1) создание СЖК-материалов с заданными свойствами, с устойчивыми термодинамическими характеристиками в широком диапазоне температур и внешних воздействий; разработка технологических методов изготовления бездефектных электрооптических СЖК-ячеек; исследование электрооптических свойств СЖК и параметров модуляции света в СЖК-ячейках;
2) моделирование электронных алгоритмов питания и управления СЖК- ячейкой и разработка интегральных схем высокоскоростного управления структурой СЖКнК;
3) разработка технологии и оптимизация электрооптических структур СЖКнК; изготовление управляющей кремниевой пластины, сборка и тестирование структуры СЖКнК (FLCoS),
4) разработка и исследование экспериментального образца микро дисплея на основе структуры СЖКнК; разработка рекомендаций по использованию микро дисплея в трехмерных дисплеях, в голографии и адаптивной оптике.
Проект ориентирован не только на национальный рынок (импортозамещение), но также на глобальный рынок, где отечественные СЖК- микро-дисплеи будут явно востребованы как существенно превосходящие мировой уровень по своим параметрам.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность: Коммуникационные приборы и системы не только завтрашнего, но уже и сегодняшнего дня требуют существенного повышения скорости визуализации, отображения и обработки массивов данных (изображений), в том числе кодированных, распознаваемых, принимаемых/передаваемых по интернету, формируемых на экранах компьютерных и телевизионных мониторов, разнообразных смарт-приборов, и др. Наибольшие возможности для быстрой адресации имеет интегральная структура ЖКнК (Жидкий Кристалл на Кремнии, или LCoS). На основе такой структуры с нематическим кристаллом (НЖК) созданы и широко производятся (к сожалению, не в России) разнообразные микро-дисплеи, используемые в телевизионных мониторах проекционного типа, в компактных дисплейных устройствах – пикопроекторах, в нашлемных дисплеях и многих др. приборах. Использование в структуре новых смектических кристаллов (СЖК) позволит создать микро-дисплеи с опережающими мировой уровень параметрами.
Новизна и инновационные преимущества: Известная структура LCoS с обычно используемым НЖК перестраивается на использование нового СЖК, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами и способного обеспечить в микро-дисплее не только в несколько раз более высокую скорость переключения оптических свойств (несколько кГц), но также более высокое качество изображения (благодаря увеличению вдвое их яркости и устранению структурированности вследствие использования последовательной во времени смены цветов, позволяющей обходиться без субпикселей и поглощающих RGB-фильтров) при уменьшенном втрое числе пикселей и вдвое меньшем управляющем напряжении (кстати, на порядок меньшем, чем в известных OLED- материалах).
Описание исследования

В качестве исходной структуры микродисплея используется базовая структура FLCoS без ЖК, разработанная и изготовляемая в Кембриджском университете.  В качестве электрооптического вещества в этой структуре используется слой СЖК, разработанного и изготовленного в ФИАН, в том числе негеликоидального (геликоид отсутствует за счет взаимодействия компонентов с противоположными знаками оптической активности), с малым управляющим напряжением (1,5…3,0 В) и способного модулировать свет с частотой до нескольких килогерц при сохранении непрерывной серой шкалы.

В ходе исследований по данному проекту использованы следующие методы и подходы:

- моделирование смектических наноструктур с СЖК, в рамках которого набор макроскопических параметров стабильных состояний системы (распределение директора и спонтанной поляризации, длина волны спирали, константы упругости, вязкость и т. д.) определяется, исходя из широкого набора молекулярных параметров: геометрии молекул (длины, диаметра, хиральности, двуосности и т.д.) и взаимодействия молекул (дисперсионного и электростатического) между собой и с пограничными поверхностями;

- исследование применимости разработанных ранее критериев устойчивости, связанных с параметрами петли гистерезиса, для исследования наличия и отсутствия бистабильных и мультистабильных состояний оптического пропускания электрооптических ячеек на основе СЖК;

- рассмотрение взаимодействия и согласования между собой слоев в составе электрооптической ячейки с СЖК; теоретическое и экспериментальное обоснование методов формирования механически и термодинамически устойчивых электрооптических структур с помощью тонких анизотропных слоёв, ограничивающих слой СЖК;

- разработанные ранее методы исследования сегнетоэлектрических жидких кристаллов: дифференциальный метод измерений статической диэлектрической восприимчивости, методы измерения вращательной вязкости и упругости хиральных смектиков, методы измерений энергии сцепления СЖК с ограничивающими их твёрдыми поверхностями, метод измерения свободной поверхностной энергии СЖК, метод измерения двулучепреломления и деформации эллипсоида показателей преломления;

- рассмотрение на основе теории упругости Ландау механизма диссипации энергии в СЖК при изменении их вязкости и частоты внешнего электрического воздействия; исследование влияния молекулярного строения СЖК на частоту перехода с аррениусовского на максвелловский механизм диссипации;

- выявление в тонком слое спирального СЖК условий частичной раскрутки спирали в отсутствие электрического поля и ориентации директора вследствие движения доменных стенок;

- исследование в тонком слое бесспирального СЖК периодической пространственной деформации смектических слоев в отсутствие электрического поля и ориентации директора СЖК вследствие движения солитонных волн;

- разработка и изготовление СЖК с шагом спирали, много меньшим длины волны, изготовление структур с гомеотропной и планарной ориентацией молекул, исследование квадратичной по полю двуосной оптической анизотропии для фазовой модуляции света электрическим полем;

- исследование характеристик фазовой модуляции света и определение влияния на этот процесс материальных параметров СЖК и граничных условий, в том числе в условиях слабого сцепления СЖК с поверхностью при большой толщине ячейки (от 5 до 50 мкм), исследование зависимости управляемого эффективного двулучепреломления от состава СЖК и параметров знакопеременного электрического поля;

- моделирование электронных алгоритмов управления СЖК-ячейкой в высокоскоростном режиме с учетом статического заряда, обусловленного спонтанной поляризацией;

- моделирование и оптимизация электронных алгоритмов управления структурой FLCoS и микродисплеем, определение допустимого частотного интервала и формата (разрешающей способности), разработка программного обеспечения;

- выявление особенностей изготовления покрытий (ориентирующих полиимидных и защитных окисно-алюминиевых слоёв) и сборки структуры FLCoS с учетом свойств новых СЖК и вариаций толщины слоя;

- определение критериев применения стандартных испытаний структуры LCoS и их адаптация к структуре FLCoS;

- исследование новых методов записи и отображения трехмерных данных и методов голографии и обработки информации в системах с высокоскоростным (1000 кадров/сек.) микродисплеем;

- исследование возможности не дисплейных применений микро-приборов на основе структуры FLCoS, в том числе для фазовой модуляции излучения в ИК-области спектра, в том числе на длине волны 1550 нм.

Результаты исследования
  1. Описание механизмов деформации СЖК и переориентации директора в биполярном импульсном электрическом поле при частотах, меньших и больших максвелловской;
  2. Описание модуляции рассеяния света в электрооптических ячейках, в том числе в бистабильном режиме с быстрым оптическим откликом (менее 100 мкс) и долговременной памятью (несколько десятков секунд);
  3. Описание фазовой пространственно-неоднородной модуляции света в электрооптических ячейках и экспериментальные результаты по подавлению спеклов;
  4. Композиции СЖК и экспериментальные электрооптические ячейки с СЖК, оптимизированные для структуры СЖКнК и обеспечивающие непрерывную безгистерезисную серую шкалу при минимальном управляющем напряжении (±1,5…3,0 вольта) на повышенных частотах модуляции света (не менее 1 кГц);
  5. Описание технологии изготовления компонентов и сборки СЖК-ячеек;
  6. Описание технологии изготовления компонентов и сборки структур СЖКнК;
  7. Схема адресации структуры СЖКнК при частоте модуляции света 1 кГц и более;
  8. Действующие экспериментальные образцы структуры СЖКнК;  
  9. Описание оптической схемы считывания данных со структуры СЖКнК и коррекции изображений;
  10. Экспериментально обоснованные результаты разработки новых методов отображения в системах с  СЖКнК - микродисплеями и рекомендации по их развитию и применению;
  11. Научные статьи и доклады, новые объекты интеллектуальной собственности.      

Результаты исследования показали, что НЖК-технология исчерпала свои возможности и уже не является конкурентом СЖК-технологии, поскольку не обеспечивает даже последовательной во времени смены цветов. По сравнению с зарубежными бистабильными (без полутонов) материалами СЖК- материалы, разработанные в ФИАН, имеют вдвое меньшее управляющее напряжение, хорошо совместимое с кремниевыми интегральными схемами, и обладают физически реализуемой непрерывной шкалой серого в интервале частот до 3,5 кГц, что позволяет формировать изображения без электронных ухищрений и потерь в быстродействии.

СЖК-технология имеет неоспоримые преимущества и перед другими (не жидкокристаллическими) дисплейными технологиями, а именно перед наиболее продвинутыми технологиями DLP (на базе матрицы микро-зеркал) и OLED (на базе органических люминесцентных материалов). Действительно, по сравнению с LCoS технология DLP в несколько раз более дорогая и энергоёмкая, к тому же мало способная к уменьшению размеров пиксела и к надежной работе на высоких частотах (в силу механического принципа отклонения микро-зеркал и их залипания). микро-дисплея имеет преимущества и перед По отношению к широко рекламируемой OLED- технологии СЖК- технология обеспечивает лучшую направленность излучения (важна для проекционного отображения на большой экран) и более правильную передачу и широкую гамму цветов, возможную при считывании данных излучением только лазеров;  имеет на порядок меньшее по отношению к OLED энергопотребление и потому сохраняет неизменность параметров в течение длительного срока службы и тем более при повышенной (до сотен Гц) частоте кадров, когда OLED - материал греется и деградирует.

Практическая значимость исследования
Результаты исследования перспективны для использования в быстродействующих микродисплеях FLCOS с управляющей кремниевой матрицей; в проекционных ТВ и в пикопроекторах на основе микродисплея; в активно-матричных экранах смарт-дисплеев; в пространственных модуляторах света, в том числе в фазо-модулирующих и в бесполяроидных инфракрасных; в фазированных антенных решётках, устройствах адаптивной оптики и голографии; в скоростных системах обработки, кодирования и распознавания данных; в трехмерных системах отображения данных, в том числе с объемным экраном.
Например, трёхмерный безочковый дисплей со скоростным СЖК-видеопроектором, формирующим массивы данных с кадровой частотой не менее 2,5 кГц, и с объёмным экраном на основе пакета светорассеивающих СЖК-затворов, позволит вводить не менее 100 изображений сечений 3D-объекта (сцены) в объемный экран трехмерного дисплея, где эти сечения визуализируются в реальном времени как единое целое, без использования стерео-очков и для всех наблюдателей одновременно. Такой дисплей визуализирует объект или сцену как «ясновидящий» (т. е. сцена видится в объемном экране как бы насквозь), что имеет широкую нишу научно-технических, модельных, военных и др. применений, где заданы координаты и желательна или необходима визуализация внутренней пространственной структуры объекта. Наглядными примерами таких применений могут служить отображение в реальном времени позиций летательных аппаратов в контролируемой аэро- или космической зоне, визуализация томографических данных в медицине (четырехмерная диагностика), охрана и таможенный контроль, 3D тренажеры, компьютерное моделирование и конструирование, визуализация данных сейсморазведки полезных ископаемых, моделирование пространственно-временных распределений электромагнитных полей и многое другое, не исключая 3D рекламу и компьютерные игры.
Видеопроектор с кадровой частотой не менее 5 кГц обеспечит формирование и обработку информационных массивов размерностью порядка и более 1000х1000 бит и цветностью до 8 бит с производительностью до 1012 бит/сек и позволит быстро менять согласованные фильтры в оптоэлектронных распознающих корреляторах и выполнять высокопроизводительное кодирование-декодирование массивов информации.