Integratie van een flexibel display in een uitrekbaar...

Jeroen Goossens

polshorlogeIntegratie van een flexibel display in een uitrekbaar

Academiejaar 2007-2008Faculteit IngenieurswetenschappenVoorzitter: prof. dr. ir. Jan Van CampenhoutVakgroep Elektronica en informatiesystemen

Burgerlijk elektrotechnisch ingenieurScriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Jonathan Govaerts, ir. Dieter CuypersPromotoren: prof. dr. ir. Jan Vanfleteren, prof. dr. Herbert De Smet

D A N K W O O R D

Ik zou graag iedereen willen bedanken die me hebben bijgestaan bij het maken van deze thesis. In

het bijzonder de volgende mensen:

• Mijn promotoren Jan Vanfleteren en Herbert de Smet voor het mogelijk maken van

deze thesis.

• Jonathan Govaerts voor de begeleiding en de bijstand bij de productie van de PDLC-

schermen

• Thomas Vervust voor de begeleiding en de hulp bij het elektronische circuit

• Dieter Cuypers voor de opstelling bij de optische metingen en voor de raad met de

PDLC-assemblage

• Lieven Degrendele voor de hulp bij het PCB en de maskers.

• Bart Rekelmans en Kristof Dhaenens voor de hulp bij de polymide-substraten

• Bjorn Vandecasteele voor de hulp bij de PCB assemblage.

• Steven van Put voor de hulp bij het lasersealen

TOELATING TOT BRUIKLEEN

De auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van

het afstudeerwerk te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen

van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te

vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk.

Jeroen Goossens 2 juni 2008

Integratie van een flexibel display in een uitrekbaar polshorloge Door Jeroen Goossens

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van de graad van Burgerlijk elektrotechnisch ingenieur

Academiejaar 2007–2008

Universiteit Gent

Faculteit Toegepaste Wetenschappen

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen

Voorzitter: prof. dr. ir. J. Van Campenhout

Promotoren: prof. dr. ir. J. Vanfleteren, prof. dr. ir. H. De Smet

Thesisbegeleiders: ir. J. Govaerts, ir. T. Vervust, ir. D. Cuypers

Samenvatting

Flexibiliteit is een gebied in de elektronica dat nog in volle ontwikkeling is. Door te werken op

flexibele substraten worden producten vaak compacter, lichter en duurzamer. Er gebeurt dus

logischerwijs veel onderzoek op het vlak van flexibiliteit en rekbaarheid.

Aan de universiteit van Gent gebeurt dit door de vakgroep in het Centre for Microsystem

Technology (TFCG Microsystems Lab). Dit is een centrum voor ‘smart microsystem integration’.

De focus ligt op design en technologie onderzoek in verschillende domeinen. Zo wordt er veel

onderzoek verricht naar interconnectietechnieken. Zowel van component naar substraat als van

substraat naar substraat, maar ook interconnectie op het substraat zelf. Met groeiend belang van

flexibele en rekbare elektronica wordt er veel gewerkt aan het ontwikkelen van nieuwe

technieken bij niet-stijve substraten zoals plastics, papier en silicones.

In deze thesis wordt gevraagd om een flexibel display zelf te fabriceren. Dit kan dan uiteindelijk

in een werkend polshorloge moeten worden ingebed. Dit houdt in dat zowel de display-

fabricage, het elektronisch ontwerp en ook verschillende assemblagetechnieken moeten worden

bestudeerd. Deze thesis bestaat dus uit verschillende deelgebieden die moeten worden

uitgewerkt en op elkaar worden afgestemd.

In hoofdstuk 1: ‘Situering van de thesis’ wordt een beschrijving gegeven van de thesis. Het

hoofdstuk bevat zowel een inleiding tot de thesis, de doelstelling, de probleemstelling, en een

planning.

In hoofdstuk 2: ‘Het Flexibel Display’ wordt dan uitvoerig beschreven hoe er gekomen is tot een

flexibel display. Zowel de keuze van de technologie wordt besproken, de processtappen, enkele

contrastmetingen en ook het eindresultaat. Voor de productie van een flexibel display zijn er

veel deelaspecten, die elk afzonderlijk uitgewerkt en belicht zijn.

In hoofdstuk 3: ‘De elektronische schakeling’ wordt uitgelegd hoe de stuursignalen voor het

flexibele scherm worden gegenereerd. De verschillende componenten worden ook kort

besproken.

In hoofdstuk 4: ‘Resultaat en Mogelijke Verbeteringen’ wordt het eindresultaat nog eens kort

belicht. Een mogelijks verdere uitwerking en potentiële verbeteringen worden besproken.

Trefwoorden: Flexibel, Display, PDLC, technologie, substraten

Integration of a flexible display in a stretchable watch

Jeroen Goossens

Supervisors: Jan Vanfleteren, Herbert De Smet, Jonathan Govaerts, Thomas Vervust, Dieter Cuypers

Abstract� This article contains the results obtained during the

master thesis submitted to graduate as electronic engineer at the University of Ghent. The thesis combines different technologies that are being examined by the research group in the CFMT[1]. The goal of the thesis was to research and develop a working flexible display. The chosen technology for this was PDLC. An electronic circuit was built to generate the drive signals for this display.

Keywords� PDLC, substrates, flexible display, watch, bonding

I. INTRODUCTION

Flexibility is for most people not the first thing that pops into the mind when they think about electronics. In commercial products this kind of technology has not yet been applied much. There are however several advantages to using flexible electronics. Next to the flexibility, the products are lighter and thinner, more compact than their rigid counterparts. Furthermore they can be more durable because they are less likely to break from external forces. Even the production is in some cases cheaper when roll-to-roll manufacturing is possible. For these reasons, one can understand that flexibility and stretchability are two areas where a lot of research and innovation is happening at the moment.

At Ghent University in Belgium, this takes place in the Centre for Microsystem Technology[1] in the department ELIS. It is a centre for smart microsystem integration, which focuses on design and technology research in domains such as interconnections and sensors, large area electronics, smart power ASIC design and display systems. There is research on flexible and even stretchable substrates.

In this master thesis various technologies are combined to manufacture a flexible display. A small electronic circuit was designed and built to generate the driving signals in order to use the display as a watch.

Flexible displays are not a recent invention, for more than 20 years various technologies have been developed, each possessing certain strengths and weaknesses. Depending on the type of application the appropriate technology should be chosen.

This article explains the steps that were taken in order to produce the flexible display. It will elaborate on a couple of measurements that were taken on the displays and it will give some more information about the electronic circuit that was built to generate the drive signals for the screen.

II. THE FLEXIBLE DISPLAY

A. Technology choice

In this master thesis PDLC was the chosen technology to produce a flexible display. PDLC stands for Polymer Dispersed Liquid Crystals. The goal was to make a reflective display, which basically consists of two flexible substrates with between them a mixture of a polymer and a liquid crystal. This mixtures forms a self-adjusting layer.

When no voltage is applied to a pixel, the PDLC has a white color. When a sufficient voltage is applied, the PDLC becomes transmissive and a black or metallic background becomes visible. The main reason this technology was chosen was that there was already some experience with it in the research group.

Because it was an option to incorporate the display in a flexible watch, the objective was to keep the necessary drive voltage as low as possible. Usually the voltage needed to drive the displays are quite high, but research has shown that it is best to use a mixture of 20%wt polymer and 80%wt liquid crystal. This way the screen has good optical properties and a relatively low drive voltage.

The liquid crystal and polymer were respectively TL213 and PN393, both produced by Merck[2] and recommended by them for producing low-voltage displays.

The flexible substrates were made out of a polymer, PES and were coated with ITO as the conductor, they had a thickness of respectively 150 µm and 115 nm.

Another important factor is the cell gap. This is the thickness of the PDLC film between the substrates. This is controlled by choosing the size of the spacers. Spacers are little balls that are placed between the substrates to keep them separated. Some tests were done with spacers of different size and the result was that 10 µm spacers were the best option. They give a good optical result and a low drive voltage.

Figure 1: Structure PDLC Screen To produce a reflective background TiW was sputtered on

the back of the displays. Due to the high temperatures at which this happens some thermic stress was induced in the substrate. This made the substrate to curl up, as an unwanted side effect. The optic result was furthermore not satisfactory. In the end,

PES

PDLC Spacer

ITO

the best result was obtained by attaching a thin film of Aluminum to the back substrate using double-sided tape.

B. Measurements

To characterise our screens a bit a couple of measurements were done. The most interesting is probably the one which discribes the contrast of a pixel relative to the drive voltage applied. This drive voltage has to be an AC voltage, otherwise the PDLC structure is destroyed. A 50 Hz block wave was used, and all voltages mentioned in this article are amplitudes of the wave.

The pixel used to measure the contrast had an aluminum reflective background. Our screen is not a Lambertian surface, so the angle at which one looks at a screen is a factor. At a 45° angle from the specular direction the following contrast figure is obtained.

0 2,5 5 7,5 10 12,51

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Amplitude Voltage (V)

Con

trast

ratio

Figure 2: Measurement Contrast

From all measurements it was deducted that it would be best

to drive the screens with a voltage of 10V amplitude or higher.

C. Display Pattern

The goal was to produce a display for a watch, so a pattern was designed for this. To view the time one needs four numbers, each of them can be displayed using 7-segments. This pattern was then etched in ITO on the PES substrates. With the electronic circuit and certain interconnection techniques the drive voltages can be applied on the segments and the time is shown. A crossover is used to apply a drive signal to the backplane.

Figure 3: Display design

III. ELECTRONIC CIRCUIT

A. Concept

The circuit should basically be able to do two things: keep track of the time, and generate drive signals to show the time on the display. The number of components and the power consumption is kept low, so the screen could be used in a portable application, fed by a battery.

To generate the drive signals the LCD driver V6108 was chosen from EM Microelectronic[3]. This component works at

a drive voltage of 2 to 8 Volt. More interesting is that it has a different input where one can apply the voltage that is used for the output signals. For example a 12 Volt DC voltage can be used for our PDLC screen.

This LCD driver is controlled by a microcontroller, the MSP430F2012 from Texas Instruments[4]. This microcontroller keeps track of the time using a 32 kHz crystal. It is serially connected to the LCD driver and tells which segments to turn ‘on’ or ‘off’. With a couple of push buttons one can set the time or switch between different modes.

This design was implemented on a printed circuit board and

with the help of a ZIF-connector and a flat cable the signals can be transferred to a PDLC-screen. On the PCB there is a socket for a 12V-adaptor, and all necessary voltages are derived from there.

IV. RESULT

The end result was a working demonstrator. On figure 4 we can see the display, which is connected to the PCB.

Figure 4: Display and drive circuit

On figure 5 we can see a close-up of the active display.

There is a good contrast between the white PDLC and the active segments, so the time is well readable. To prevent deterioration of the display a sealing glue was applied at the edges of the display. Some tests were also done to use laser-sealing, but the PES substrates don’t give a good result with this.

Figure 5: PDLC Display

REFERENCES

[1] TFCG Microsystems – http://tfcg.elis.ugent.be [2] Merck - http://www.merck.de [3] EM Microelctronic - http://www.emmicroelectronic.com [4] Texas Instruments - http://www.ti.com

INHOUDSOPGAVE

Hoofdstuk 1 - Situering van de thesis .......................................................................................................1

1.1 Inleiding .....................................................................................................................................................................1

1.2 Doelstelling ...............................................................................................................................................................3

1.3 Probleemstelling.....................................................................................................................................................3

1.3 Planning .....................................................................................................................................................................4

Hoofdstuk 2 – Het flexible display .............................................................................................................5

2.1 Keuze Technologie.................................................................................................................................................5

2.1 PDLC Technologie ..................................................................................................................................................7

2.3 Eigen Uitwerking.................................................................................................................................................10

2.3.1 PDLC ......................................................................................................................................10

2.3.2 Substraten.............................................................................................................................13

2.3.3 Spacers..................................................................................................................................13

2.3.4 Fabricage scherm ..................................................................................................................14

2.4 Meting Elektro-optische Eigenschappen...................................................................................................18

2.4.1 Invloed van de spacergrootte ...............................................................................................18

2.4.2 Meting transmissief scherm .................................................................................................20

2.4.3 Meting reflectief scherm ......................................................................................................24

2.5 Display Patroon....................................................................................................................................................28

2.6 Crossover................................................................................................................................................................32

2.7 Reflectieve Achtergrond...................................................................................................................................35

2.8 Sealing......................................................................................................................................................................37

2.9 Bonding ...................................................................................................................................................................40

2.10 Uitgewerkte Schermen...................................................................................................................................43

2.11 Inbedden In Siliconen .....................................................................................................................................47

Hoofdstuk 3 – De Elektronische Schakeling........................................................................................ 48

3.1 Doel van de Schakeling .....................................................................................................................................48

3.2 Concept van de Schakeling..............................................................................................................................49

3.3 Componentenkeuze............................................................................................................................................51

3.3.1 LCD-Driver.............................................................................................................................51

3.3.2 Microcontroller .....................................................................................................................52

3.3.3 Kristal ....................................................................................................................................53

3.3.4 Voltage Translator.................................................................................................................54

3.3.5 Drukknoppen ........................................................................................................................55

3.3.6 Spanningsregulator...............................................................................................................55

3.3.7 Connector .............................................................................................................................55

3.4 Uitwerking van de Schakeling........................................................................................................................57

3.4.1 Testschakeling.......................................................................................................................57

3.4.2 PCB-Ontwerp ........................................................................................................................59

Hoofdstuk 4 – Resultaat en Mogelijke Verbeteringen ..................................................................... 62

4.1 Resultaten...............................................................................................................................................................62

4.2 Mogelijke Verbeteringen..................................................................................................................................64

Bijlage A – Code Microcontroller ............................................................................................................. 65

Bijlage B– Display Fabrication.................................................................................................................. 69

Bijlage C – Cu Patterning............................................................................................................................. 70

Bijlage D – ITO Patterning.......................................................................................................................... 72

Bijlage E –Display Bonding ........................................................................................................................ 72

Bijlage F – Meting Transmissief Scherm ............................................................................................... 73

Bijlage G – Meting Reflectief Scherm...................................................................................................... 76

Bibliografie...................................................................................................................................................... 79

TABEL VAN AFKORTINGEN EN SYMBOLEN

%wt – weight concentration, gewichtsconcentratie

Al – Aluminium

AC – Alternating Current, wisselstroom

ASIC – Application Specific Integrated Circuits

CFMT – Centre for Microsystem Technology

DC – Direct Current, gelijkstroom

E-Ink - Electronic Ink

E-paper – Electronic paper

FR-4 - Flame Retardant 4

Hg - Kwik

Hz – Hertz, s-1

ITO – Indium-Tinoxide

LC – Liquid Crystal

LCD – Liquid Crystal Display

PDLC – Polymer Dispersed Liquid Crystal

OLED – Organic Light Emitting Diode

PCB – Printed Circuit Board

PEN - Polyethylenenapthanate

PES – Polyether sulfone

PET – Polyethyleneterephthalate

TiW – Titaan-wolfraam

UV – Ultraviolet

VRMS – Root Mean Square Voltage

Xe – Xenon

ZIF – Zero Insertion Force

1

HOOFDSTUK 1

SITUERING VAN DE THESIS

1.1 INLEIDING

De wereld van elektronica is continu onderhevig aan snelle veranderingen. Deze voortdurende aanpassingen en innovaties worden gedreven door de technologische vooruitgang en klanten die bereid zijn veel geld neer te tellen voor de allernieuwste snufjes. Het is een trend die al een tijdje bestaat, maar recentelijk wordt ze nog verder gestimuleerd door de opkomst van het internet, een grotere vraag naar communicatie en een snel groeiende markt van consumenten, zeker met de explosieve groei in Azië momenteel.

De vooruitgang is merkbaar in verschillende gebieden: bijna alle producten worden sneller, goedkoper, kleiner en lichter, gebruiksvriendelijker. Een van de aspecten die nog volop aan het ontwikkelen is, en die mijn inziens nog een sterke groei zal doormaken in de komende jaren, is op het gebied van flexibiliteit. Een toepassing waar een grotere flexibiliteit van pas zou komen is bijvoorbeeld bij chips die ingebed worden in kleding. Een andere optie is het produceren van goedkope, polymeren chips die barcodes kunnen vervangen. Verder wordt er ook gewerkt aan flexibele batterijen, flexibele sensoren die toepasbaar zouden zijn voor biomedische toepassingen, … Ook flexibele schermen kunnen voor een groter gebruiksgemak zorgen. Het concept is allesbehalve nieuw: al meer dan 20 jaar wordt er onderzoek naar verricht. Eens de kwaliteit ervan goed genoeg is en de prijs voldoende laag zullen ze meer en meer op de voorgrond treden. Denken we maar aan boeken/tijdschriften, schermen voor allerlei elektrische apparaten, … Nieuwe toepassingen zijn ook niet uitgesloten: in toepassingen waar een grotere draagbaarheid en gebruiksgemak gewenst zijn, en niet noodzakelijk een perfecte beeldkwaliteit. Er is tevens een reductie in gewicht en dikte van het scherm, en de schermen zijn doorgaans beter bestand tegen schokken. Uiteindelijk zou het zelfs toepasbaar zijn in elektronica die we al als alledaags zijn gaan beschouwen: smart cards, gsm’s, laptops, mp3-spelers, …

De volgende stap naar robuuste en draagbare elektronica wordt dan bepaald door de uitrekbaarheid. Dit is een hot topic momenteel: zo zijn er al diodes en transistoren ontworpen die uitrekbaar zijn. Een mogelijke toepassing is bijvoorbeeld chirurgische handschoenen met ingebouwde sensoren of meetapparatuur die nauw aansluit op het lichaam.

2

FIGUUR 1.1 OLED-SCHERM FIGUUR 1.2 COVER SCIENTIFIC AMERICAN

In vele bedrijven en universiteiten wordt er onderzoek verricht op deze gebieden. Aan de universiteit van Gent gebeurt dit in het Centre for Microsystems Technology (TFCG Microsystems Lab)[1]. In het centrum wordt er onderzoek gedaan naar de integratie van microsystemen, met de focus op design en technologisch onderzoek in verschillende domeinen: hoge densiteit interconnecties, optische interconnecties en sensoren, display systemen en ASIC design. Binnen deze onderzoeksgroep is er dus veel expertise aanwezig op verschillende gebieden, onder andere over interconnectietechnieken. Dit is dan zowel van component naar substraat als van substraat naar substraat, maar ook interconnectie op het substraat zelf. Vroeger was dit vooral op stijve substraten zoals FR-4, glas en keramiek. Maar met het groeiend belang van flexibele en rekbare elektronica wordt er veel gewerkt aan het transfereren van de kennis, en ook aan het ontwikkelen van nieuwe technieken bij niet-stijve substraten zoals plastics, papier en silicones.

FIGUUR 1.3 FLEXIBLE SYSTEMS (TFCG) FIGUUR 1.4 STRETCHABLE ELECTRONICS (TFCG)

3

1.2 DOELSTELLING

De bedoeling is om een flexibel display te fabriceren. Dit zou dan uiteindelijk in een werkend polshorloge moeten worden ingebed. Het geheel zou dan rekbaar zijn. Dit houdt in dat zowel de display-fabricage, het elektronisch ontwerp en ook verschillende assemblagetechnieken moeten worden bestudeerd.

Deze thesis bestaat uit verschillende deelgebieden die moeten worden uitgewerkt en op elkaar worden afgestemd. De kennis die op verschillende deelgebieden is opgedaan moet uiteindelijk gecombineerd worden. Maar aangezien deze deelaspecten heel uiteenlopend zijn, werd er niet gevraagd dat elk aspect tot het bot werd uitgediept. Voor sommige delen kon ik mij ook baseren op de thesis van Thomas Vervust van het voorgaande jaar (2006-2007)[2]. Daarin werd een flexibel polshorloge met geïntegreerde elektronica gerealiseerd, maar dan met een commercieel LCD-scherm. Dit heeft dus stijve, glazen substraten.

FIGUUR 1.5 DEMONSTRATOR THESIS THOMAS VERVUST

1.3 PROBLEEMSTELLING

Eerst en vooral was het belangrijk dat uiteindelijk een werkend, flexibel schermpje verkregen werd. Aangezien dit schermpje dan geïntegreerd moet worden in een polshorloge is het van belang dat ik ook een elektronische schakeling uitwerkte die de klokfunctie bijhield en die de juiste stuursignalen genereerde zodanig dat de tijd ook effectief te zien was op het scherm.

Eens die twee deelaspecten volledig zijn uitgewerkt is het ook de bedoeling om het schermpje en de schakeling dan in te bedden op een flexibel substraat, en uiteindelijk alles in een siliconenbandje in te bouwen met behulp van een speciaal te ontwerpen mal.

Wat mij vooral aantrok in deze thesis en waar ook de grootste nadruk op is gelegd is het fabriceren van een flexibel display voor het digitale polshorloge. We hebben uiteindelijk voor de PDLC-technologie gekozen omdat deze geschikt leek voor onze toepassing, en er expertise aanwezig is in de vakgroep hierover. Filip Bruyneel heeft hierover zijn doctoraat geschreven[3].

4

1.4 PLANNING

De eerste stap was om een goed beeld te krijgen van de thesis en van de technologie. Daarna kan ik beginnen met het produceren van het scherm. Ondertussen kan ook al gezocht worden naar componenten voor de schakeling. Eens die gevonden zijn kan gestart worden met het bouwen van een schakeling die gebruikt zal worden om het scherm aan te sturen. Deze kan dan ook dienen om het scherm te testen eens beide aspecten af zijn. Daarna is het de bedoeling om de schakeling en het scherm op flexibele substraten te verwerken en in te bedden in het siliconenbandje.

De verschillende deelaspecten van deze thesis kunnen niet allemaal tegelijk uitgewerkt worden. Op figuur 1.6 heb ik proberen duidelijk te maken hoe de planning ineen zat, welke delen eerst moesten worden aangepakt, en waar er gelijktijdig aan kon worden gewerkt. Op voorhand was het moeilijk om een exacte duur te kleven op elk deelaspect. Zo zijn er bij de productie van het scherm vele deelaspecten die elk problemen kunnen opleveren en waar het moeilijk is in te schatten hoeveel tijd ze elk zullen vragen. Uiteindelijk bleken de originele doelstellingen iets te ambitieus om ze volledig uit te werken. De thesis was bedoeld voor 1 à 2 personen; met een tweede persoon erbij was het misschien wel mogelijk geweest alle aspecten te bekijken.

FIGUUR 1.6 PLANNING

5

HOOFDSTUK 2

HET FLEXIBEL DISPLAY

2.1 KEUZE TECHNOLOGIE

Flexible schermen hebben een aantal voordelen t.o.v. schermen die werken met glazen substraten. Naast de flexibiliteit zijn ze meestal ook lichter en compacter. Ze zijn ook robuuster en zullen niet zo snel breken. Er zijn natuurlijk ook nadelen aan verbonden. De thermische stabiliteit is vaak niet zo hoog, en de substraten kunnen makkelijk aangetast worden door chemicaliën. Het is bovendien moeilijker om een scherm van hoge kwaliteit te produceren.

Voor de uitwerking van een flexibel display zijn er verschillende opties. Er bestaan diverse technologiën zoals e-ink, emissive organic light-emitting diodes (OLED), Cholesteric LCD, PDLC, PNLC …

FIGUUR 2.1 CHOLESTERIC LCD-DISPLAY[4] FIGUUR 2.2 CHOLESTERIC LCD-DISPLAY

Er zijn gedurende de laatste twintig jaar verschillende technologieën ontwikkeld voor flexibele displays. Een goed display moet voldoen aan verschillende voorwaarden. Het moet immers duurzaam zijn en goedkoop maar ook een voldoende resolutie, contrast, schakelsnelheid en kijkhoek aanbieden. Afhankelijk van de gewenste applicatie zijn sommige eigenschappen meer of minder belangrijk. Bijvoorbeeld, voor een scherm gevoed op netspanning is een laag vermogenverbruik minder essentieel, maar zullen de eisen voor resolutie en contrast waarschijnlijk hoger liggen. Ook is bistabiliteit een belangrijke eigenschap. Bij bistabiele schermen (zoals bv. bij e-ink in figuur 2.3) legt men een spanning aan om een beeld op het scherm te zetten. Indien men de spanning aflegt blijft het beeld staan, tot er een spanningsveld voor een nieuw beeld wordt aangelegd. De spanningen die hiervoor nodig zijn, zijn hoger dan voor ‘normale’ schermen, maar ze moeten slechts kortstondig aangelegd worden. We kunnen dus besluiten dat er niet één technologie het “beste” is, ze hebben elk hun voor- en nadelen. Afhankelijk van de eisen van de toepassing moet de meest gepaste optie gekozen worden.

6

FIGUUR 2.3 E-INK DISPLAY[ 5]

Het is moeilijk om flexibele displays commercieel te verkrijgen, of zelfs maar samples te bekomen. Daarom werd de keuze gemaakt om zelf een flexibel display te fabriceren. Een eerste mogelijkheid was e-paper, hiermee is er echter weinig ervaring in de vakgroep. Filip Bruyneel heeft een doctoraat gedaan aan de universiteit van Gent over PDLC en PNLC. Daaruit bleek dat de beeldkwaliteit van een PNLC scherm over het algemeen hoger is dan bij PDLC. Zo zijn de schakeltijden en hysteresis lager en de reflectie en contrast van het scherm hoger dan bij PDLC. De schakelspanning is dan weer lager bij PDLC en aangezien wij werken naar een scherm dat gevoed zou moeten worden door een batterij is dit de belangrijkste eigenschap. Er werd dan uiteindelijk gekozen voor de PDLC-technologie, waarvoor het materiaal ook reeds aanwezig was.

7

2.2 PDLC TECHNOLOGIE

Ik zal kort de werking van een PDLC-scherm uitleggen. PDLC staat voor Polymer Dispersed Liquid Crystals. Er wordt vertrokken van een mengsel van vloeibaar kristal, een monomeer en een photo-initiator. Door deze mengsels met UV te belichten start een polymerisatieproces waardoor er een stabiele film ontstaat. De polymerisatie zorgt voor een fasescheiding van het polymeer en het vloeibaar kristal. Het uiteindelijke PDLC bestaat uit een polymeermatrix die het vloeibaar kristal omsluit in druppels. Het bijzondere aan de kristallen is dat deze een anisotripische brekingsindex (n) en diëlektrische constante (ε) hebben.

Doordat de brekingsindex anisotroop is zal het licht dat invalt een verschillende brekingsindex n ondervinden afhankelijk van de oriëntatie van de molecule t.o.v. de voortplantingsrichting van het licht. Stel dat we nu ons PDLC mengsel tussen twee substraten plaatsen. Indien er geen spanning staat over de twee substraten, dan hebben de kristaldruppels een random oriëntatie. Door het verschil in brekingsindex zal het inkomend licht random verstrooid worden, en zien we een opaak, witte kleur.

FIGUUR 2.4 WERKING PDLC[ 6]

Indien we echter een spanningsverschil aanleggen over de twee substraten, dan hebben de kristallen de eigenschap dat ze zich richten volgens het elektrisch veld. Dit komt door hun anisotropische diëlektrische constante of permittiviteit. In deze richting hebben de kristallen dezelfde brekingsindex als het polymeer. Doordat er geen verschil is in brekingsindex, kan het licht zich ongestoord voortplanten. Er is dus een verstrooiende 'off-state' en een transparante 'on-state'. Indien we aan de andere zijde dan een spiegelend of een zwart oppervlak zouden houden, dan krijgen we een zwart segment te zien. PDLC heeft een grote optische transparantie en het gebruik van een polarizer (zoals bij normale LCD schermen) is niet noodzakelijk. Zoals ook te zien is op de figuur, is dit enkel voor lichtstralen die evenwijdig lopen met het elektrisch veld. Indien er een hoek gemaakt wordt met de normaal op het scherm dan is er toch een lichte afbuiging van het licht. Voor onze toepassing vormt dit geen probleem. Toepassingen waar PDLC voor gebruikt wordt zijn direct view displays, smart windows en projectie televisie. Op figuren 2.5 en 2.6 is bijvoorbeeld te zien hoe PDLC wordt gebruikt voor ‘privacy glass’ [7].

8

FIGUUR 2.5 PRIVACY GLASS – SPANNING AAN FIGUUR 2.6 PRIVACY GLASS – GEEN SPANNING

Net zoals bij gewone LCD-schermen moet de spanning die we over het scherm zetten een wisselspanning zijn. Bij gelijkspanning zou het scherm kapot gaan: de kristalmoleculen zouden permanent gericht worden. Het scherm is niet bistabiel, in tegenstelling tot andere technologiën zoals e-ink of cholesteric LCDs. Dus als de spanning wordt afgelegd verdwijnt het beeld van het scherm.

Het grote verschil met de gewone LCD technologie is dat het scherm kan gebogen worden zonder dat het kapot gaat of dat het beeld te erg wordt vervormd. Dit komt doordat de kristaldruppels vervat zitten in de polymeermatrix. Het polymeer is dus noodzakelijk omdat het een zelfhechtende en duurzame laag vormt. Hierdoor kunnen we werken met plooibare substraten in plaats van glas. Als materiaal gebruiken we daarvoor PES (Polyether sulfone), een doorzichtig polymeer. Andere opties zijn bijvoorbeeld PET (Polyethyleneterephthalate), PEN (Polyethylenenapthanate), …

FIGUUR 2.7 STRUCTUUR PDLC SCHERM

Om de spanning over het PDLC te zetten, zit er aan de binnenzijde van onze substraten een heel dun laagje ITO. Dit is Indium-Tinoxide: een doorzichtige geleider. ITO heeft het voordeel dat de depositie ervan op een substraat bij een redelijk lage temperatuur gebeurt (<100° C). Dit is belangrijk omdat sommige substraten (in het bijzonder PET) niet goed tegen een hoge temperatuur bestand zijn. Verder heeft ITO ook een lage weerstand. Het nadeel van ITO is dat het vrij broos is. Als het te veel wordt gebogen begint het barsten te vertonen. Dit is goed zichtbaar op figuur 2.8.

PES

PDLC Spacer ITO

9

Figuur 2.8 Beschadiging ITO – Bij 2%(links) en 3%(rechts) Strain[8]

Ook andere stoffen dan ITO zouden bruikbaar kunnen zijn. Er zou een coating van carbon nanotubes kunnen gebruikt worden, dit vormt een robuuster alternatief voor ITO. Een andere optie is het gebruik van een geleidend polymeer. Dit is een klasse van organische materialen met de elektrische, optische en magnetische eigenschappen van metalen maar met de flexibiliteit en verwerkbaarheid van conventionele polymeren. Deze opties lijken heel interessant, maar ze zijn niet gebruikt. Er is weinig ervaring mee, en werken met ITO zou niet echt een probleem mogen geven. Ook ligt de geleidbaarheid van de polymeren een stuk lager. Verder was er op de vakgroep nog PES-substraten aanwezig waarop tijdens het productieproces al ITO was aangebracht. Er werd beslist om dit te gebruiken voor de uitwerking van het PDLC-scherm.

De twee ITO-lagen aan de binnenkant van de twee substaten mogen uiteraard geen contact hebben met elkaar. Anders ontstaat kortsluiting en zal ons schermpje niet werken. Dit wordt vermeden door spacers aan te brengen tussen de substraten. Dit zijn eigenlijk doorzichtige bolletjes die we kunnen spinnen over het substraat. Deze bolletjes houden de twee ITO-lagen dus overal gescheiden.

Bij het uitwerken van een PDLC-scherm zijn er verschillende aspecten belangrijk. Enerzijds is er de “opacity” van het scherm wanneer er geen spanning is (“off-state”). Dit is de ondoorzichtige witte kleur die we willen. Deze wordt beïnvloed door verschillende factoren: de cell gap, de keuze van het kristal, de droplet diameter van het kristal, … Ook is er de “on-state clarity”. Deze is optimaal wanneer het verschil in brekingsindex tussen het polymeer en de kristallen (in ordinaal richting) zo klein mogelijk is. De mogelijke kijkhoek hangt grotendeels af van de keuze van het kristal. De responstijd is afhankelijk van de viscositeit, de droplet grootte, de aandrijfspanning. De totale responstijd is (ton + toff) is typisch in het gebied van tienden van milliseconden. De belangrijkste eigenschap in deze thesis is de “switching voltage”. Meestal ligt deze tussen de 20 en 80 Volt. Maar ze is afhankelijk van verschilende factoren:

- De dikte van de film. (De grootte van de spacers.)

- De diëlektrische anisotropiteit van het vloeibaar kristal (Δε)

- De resistieve en diëlektrische eigenschappen van de film

- De grootte van de kristaldruppels. Kleinere druppels hebben grotere spanningen nodig om gealigneerd te worden door een elektrisch veld.

10

2.3 EIGEN UITWERKING

2.3.1 Pdlc

Zowel voor de keuze van het prepolymeer als voor het vloeibare kristal bestaan er verschillende opties. Deze hebben elk hun voor- en nadelen. Wij hebben geöpteerd voor het kristal TL213 en het prepolymeer PN393 van Merck. Deze zijn vrij verkrijgbaar, en waren ook aanwezig in de onderzoeksgroep. Verder heeft Filip Bruyneel in zijn thesis ook gebruik gemaakt van deze stoffen.

FIGUUR 2.9 PDLC MENGSEL EN SPUIT

PDLC-schermen hebben typisch een vrij hoge schakelspanning. Om deze laag te houden wordt PN393 ook aangeraden door Merck[9]: “Low voltage PDLC films can be made using about 80% TL liquid crystal in combination with a suitable polymer such as PN393. This is a UV-curable pre- polymer mixture which, when cured with low power light at a controlled temperature (e.g. Philips "Blacklight", 4-6 mW/cm² at 25-30°C ) provides films with a switching voltage (V90) of 6-8V in a 10μm cell.” Afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het scherm kunnen deze stoffen gebruikt worden in verschillende concentraties. Aangezien het ons doel was om een schermpje te maken voor een polshorloge willen we vooral dat de schakelspanning zo laag mogelijk is. De optimale mix dan 20%wt prepolymeer en 80%wt vloeibaar kristal. Dit is een goed compromis waarbij de benodigde spanning laag is, en de optische kwaliteit van het scherm toch nog goed blijft. In zijn doctoraat heeft Filip Bruyneel ook consistent deze verhouding gebruikt, en ook in deze thesis is er gewerkt met deze gewichtsverhoudingen.

Door deze concentraties wat aan te passen beïnvloedt men ook andere eigenschappen van schermen zoals de hysteresis, switching time, … Maar deze zijn minder belangrijk voor onze toepassing (een horloge). In het doctoraat van Filip Bruyneel is dit dieper onderzocht.

Het mengsel van prepolymeer en kristal moet na het aanbrengen tussen de substraten nog belicht worden met een UV-bron. Dit is nodig voor het curen van het prepolymeer zodat ook de fasescheiding plaatsvindt, en de kristaldruppels worden gevormd. Deze belichting kan gebeuren met verschillende soorten lampen.

Uit het doctoraat blijkt dat het type lamp van belang is, dit heeft te maken met het UV-spectrum. Als men gedurende eenzelfde tijdsperiode belicht met een Hg lichtbron en met een HgXe

11

lichtbron, dan is de schakelingspanning veel lager bij een Hg lichtbron. Het omgekeerde is waar voor de schakeltijden. De bron is dus belangrijk, maar ook de UV-intensiteit en de tijd van de belichting spelen een rol bij het curen van het prepolymeer en de phase separation tussen het kristal en het polymeer (dit is het vormen van een matrixstructuur met kristaldruppeltjes erin).

In onze uitwerking van het scherm is gebruikt gemaakt van een Hg-bron. De belichtingstijd en intensiteit hebben we dan afgeleid uit de thesis van Filip Bruyneel. Er is te zien dat binnen een bepaald tijdsinterval de elektro-optische eigenschappen van PDLC nagenoeg constant zijn (zie figuur 2.10 en 2.11). In zijn doctoraat besluit Filip Bruyneel: “A wide range in UV curing parameters has only a small influence on the electro-optical properties. This suggests that the PDLC material of Merck is rather robust concerning UV curing parameters.”

FIGUUR 2.10 FIGUUR 2.11

In zijn doctoraat had Filip Bruyneel de schermen met een cell gap van 4 µm belicht met een HgXe lamp met een intensiteit van 44mW/cm². Zoals blijkt uit de grafieken zijn de belichtingstijd en -intensiteit niet zo cruciaal. Als ze te kort is, vindt er geen fasescheiding plaats en als de belichtingstijd te lang is gaat de kwaliteit van het scherm achteruit. Wij hebben 180 seconden belicht aan een intensiteit van 12,5 mW/cm². Dit gebeurde met de Hg-lamp in de yellow room van de clean room. Dit is een kamer met speciale lampen die licht produceren met weinig UV-straling. Daardoor kan er gewerkt worden met UV-gevoelige materialen.

Wanneer de twee stoffen gemengd worden is het geheel niet direct homogeen. De kristallen zien er helder uit, en het prepolymeer is een soort witte wolk op de bodem. Als dit mengsel wordt getrild in een speciale waterbak in de cleanroom mengen deze stoffen wel een beetje, maar het beste is om gewoon flink manueel te schudden.

Meestal was er na het maken van een aantal schermen nog mengsel over dat dan in een koelkast werd bewaard voor de volgende keer. De kwaliteit van het mengsel bleek wel snel achteruit gaat. De witte kleur in de “off-state” wordt minder uitgesproken zodat het contrast tussen de aan- en de uit-stand van de segmenten minder groot wordt. Het polymeer PN393 blijf sowieso maar een drietal maanden goed. Ik vermoed dat dit dus redelijk onstabiel is, en dat men dus best bij elke sessie nieuw PDLC-mengsel aanmaakt voor de productie van de schermen.

Ter illustratie hiervan zijn de foto’s (figuren 2.12, 2.13, 2.14). De eerste foto laat zien hoe een normaal goed scherm er uit ziet onder de microscoop. Dit is een foto van het PDLC na de UV-belichting. Op de tweede foto was het kristal niet goed gemengd met het prepolymeer voor we het scherm hadden belicht. Ik had de mengeling wel laten trillen, maar er niet grondig manueel mee geschud. De derde foto is een PDLC-mengsel dat al enige tijd in de koelkast stond en dat opnieuw was gebruikt. De kwaliteit van de laatste twee schermen was zichtbaar lager, en dit is

12

ook merkbaar indien de structuur wordt bekeken onder de microscoop. Het koperkleurig gedeelte op de foto zijn de baantjes in ITO. Op figuur 2.12 is het PDLC mooi homogeen. Op de ITO-baantjes maar ook ernaast ziet men iets lichtere stipjes, dit zijn de spacers die nog net te onderscheiden zijn. Op figuur 2.13 is duidelijk te zien dat het PDLC niet homogeen is, er zijn duidelijke vlekken te onderscheiden. Dit zijn geen luchtbellen, maar waarschijnlijk komt dit doordat de kwaliteit van het prepolymeer te veel achteruit gegaan is, zodat de polymerisatie niet goed verloopt. Indien er onvoldoende geschud was, gaf dit nog een ander effect (figuur 2.14). Wederom is te zien dat de vloeistof niet mooi homogeen was.

FIGUUR 2.12 GOEDE KWALITEIT PDLC

FIGUUR 2.13 SLECHT GEWORDEN PDLC

13

FIGUUR 2.14 PDLC ONVOLDOENDE GESCHUD

2.3.2 Substraten

Er is gebruik gemaakt van PES-substraten van het bedrijf Sheldahl waarop al een dun laagje ITO van 115 nm gecoat is,. De substraten zelf zijn 150 µm dik en zijn redelijk buigzaam. Ze nemen hun oorspronkelijke vlakke stand terug aan als de buigende kracht weggenomen wordt. De weerstand van het ITO is 100 ohm per vierkant. Er was ook gecoat PES-materiaal aanwezig met een dikte van 200 µm maar dit is niet gebruikt.

2.3.3 Spacers

De dikte van de cell gap wordt bepaald aan de hand van de grootte van de spacers. De spacers houden de twee substraten immers uiteen en de grootte ervan zal dus ongeveer bepalen hoeveel ruimte er zit tussen de substraten, dus hoe dik de laag PDLC is.

FIGUUR 2.15 SPACERS VAN 10µM

De grootte van de spacers is niet altijd exact gelijk aan de cell gap. In het doctoraat van Filip Bruyneel is te vinden: “In de praktijk kan er een verschil optreden tussen de gewenste en werkelijke cell gap. Dit kan te wijten zijn aan de druk die gebruikt werd bij de assemblage, capillaire krachten tijdens het vullen van de beeldschermen met vloeibaar kristal, uitharden van de afdichtingslijmnaad rond het beeldscherm, stofdeeltjes, concentratie spacers,…” Op bepaalde stukken kunnen er bijvoorbeeld weinig spacers liggen waardoor de substraten daar dichter bij mekaar komen. Ook kan het zijn dat de spacers een beetje in de substraten gedrukt worden bij het aandrukken van de substraten op mekaar. Voor deze thesis zijn deze effecten echter niet zo belangrijk.

14

2.3.4 Fabricage Scherm

Etsprocedure Ik zal kort uitleggen hoe er te werk gegaan is om het display te fabriceren. De maskers van de patronen die geëtst moeten worden in ITO moeten natuurlijk op voorhand besteld worden. Van de etsprocedure volgt hieronder een korte beschrijving, dit gebeurt met fotolithografie. Alle precieze details zijn te vinden in het bijlage D. De substraten worden eerst opgewarmd om ze helemaal droog te maken, en dan afgeblazen met stikstofgas om elke onzuiverheid te verwijderen. Dan legt men een fotogevoelige organische laag (fotoresist of fotolak genoemd) op de substraten (de ITO-zijde) tot ongeveer 2/3 van de oppervlakte wordt bedekt (zie figuur 2.16). Belangrijk is om geen luchtbelletjes te laten zitten in het fotoresist omdat deze fouten kunnen veroorzaken. Daarna wordt er 1 minuut gespind aan 2000 toeren per minuut om een uniforme laag te bekomen. Door de snelheid en de duur aan te passen kan men de dikte van de laag beïnvloeden. Hierna neemt men de substraten en legt ze onder een lamp. Het masker van het gewenste patroon wordt erop geplaatst en er wordt 10 seconden belicht met een UV-lamp. Deze belichting mag niet te kort zijn, maar zeker ook niet te lang. Indien het te lang gebeurt kan het zijn dat door reflectie en verstrooiing, het licht onder de dunste baantjes van het masker“kruipt”. Zo kan het zijn dat deze uiteindelijk niet in het patroon komen te staan. Hierna wordt het onbelichte deel van het fotoresist verwijderd door het in een ontwikkelbad te dompelen. Bijna al het ITO ligt nu vrij, enkel het gewenste patroon is nog bedekt door fotoresist. De substraten worden weer opgewarmd om ze proper te krijgen en dan wordt het vrije ITO nu ook weggeëtst door de substraten onder te dompelen in een bad van BHF10. Vervolgens wordt alle fotoresist verwijderd met aceton zodat nu enkel het patroon in ITO op de substraten staat.

FIGUUR 2.16 AANBRENGEN VAN FOTOLAK MET PIPET 2.17 SUBSTRATEN OP KERAMIEKEN PLAATJES

In hoofdstuk 2.2 had ik vermeld dat ITO vrij broos is, en tijdens deze thesis was dit ook merkbaar. Bij het etsen werden de PES-substraten aan één zijde vastgekleefd op keramieken plaatjes (figuur 2.17). Nadat de patronen dan waren geëtst moesten de substraten dan weer losgetrokken worden. Hierdoor vormden er zich echter barsten in de ITO-baantjes doordat deze te veel gekromd werden. Op figuur 2.18 is dit duidelijk merkbaar. Toch was er nog voldoende geleiding. Dit probleem kan wat opgevangen worden door de keramieken plaatjes met de substraten erop even op te warmen. Daardoor komt het PES veel makkelijker los, en moeten de substraten minder gekromd worden. Ter vergelijking is in figuur 2.19 een baantje in ITO te zien dat nog in goede staat verkeert. Het schermpje was nog niet geplooid en het baantje ziet eruit als een gaaf oppervlak.

15

FIGUUR 2.18 GEKRAAKT ITO-BAANTJE 2.19 GAAF ITO-BAANTJE

Aanbrengen Spacers Na de fabricage van de substraten moeten de spacers aangebracht worden. Eerst verwarmen we de substraten om ze volledig droog te krijgen, zodat er geen onzuiverheden meer zijn die de werking van het PDLC kunnen verstoren. De spacers zijn opgelost in aceton, en moeten voor het gebruik eerst geschud en getrild worden zodat zij loskomen van elkaar. We laten het substraat spinnen en laten een paar druppels van het mengsel (aceton+spacers) erop vallen. Het aceton verdampt bijna onmiddellijk en de spacers worden verspreid over het substraat door de draaiende beweging. Het is een beetje zoeken naar de juiste snelheid waaraan we moeten spinnen om de spacers goed verspreid te krijgen. Indien het te snel gaat loop je het risico dat alle spacers ervan vliegen. Indien het te traag is, is er te weinig spreiding en klitten de spacers wat samen. Dit is te zien op figuur 2.20. Ook moet men afhankelijk van de grootte van de spacers de spin-snelheid en de duur van het spinnen wat aanpassen.

FIGUUR 2.20 SPACERS BIJEEN 2.21 SPACERS VERSPREID

Voor spacers met een grootte van 10 µm gebruikte ik een snelheid van 3000 toeren/min gedurende 45 seconden. Dit gaf een redelijk resultaat (zie figuur 2.21). Voor spacers van 5,2 µm was de snelheid en het aantal toeren dan weer een stukje lager: 30 seconden aan 2000 toeren. De spacers zijn goed te zien met behulp van een microscoop. Het is dus handig om na het spinnen eens te controleren of er voldoende spacers op het substraat liggen.

16

Aanbrengen PDLC Hierna wordt het gewenste volume PDLC mengsel op dit substraat gelegd met behulp van een spuit en met een aligneermachine kunnen we het bovenste substraat er ook op bevestigen. In deze thesis wordt een mengsel van 80% vloeibaar kristal en 20% polymeer gebruikt voor het vormen van het PDLC. Door goed te schudden bekomen we dan een homogeen mengsel.

FIGUUR 2.18 DRUPPEL AANBRENGEN OP PES

In deze thesis is gebruik gemaakt van de druppelvulmethode, zoals die ook beschreven staat in het doctoraat van Filip Bruyneel. Hij beschrijft ook nog de capillaire vulmethode en een aangepaste vacuümvulmethode, maar de druppelvulmethode leek het eenvoudigst om toe te passen. Het principe is dat men een druppel legt op 1 substraat, en dat men dan het bovenste substraat erop legt, de druppel verspreidt zich dan tussen de twee substraten. Het bleek hierbij best om de PDLC al wat uit te spreiden over het substraat en dus niet 1 grote druppel te leggen. Op deze manier kunnen we de richting waarin het PDLC uitvloeit wat beïnvloeden en zo bereikt het PDLC alle randen. Soms raken er nog wel luchtbelletjes ingesloten terwijl het PDLC zich verspreid. Deze belletjes blijven ook zichtbaar op het eindresultaat. Naar het einde van de thesis toe kon dit echter al grotendeels worden vermeden.

FIGUUR 3 DE DRUPPEL PDLC VERSPREIDT ZICH

17

Het is belangrijk het bovenste substraat heel langzaam te laten zakken op het onderste. Het PDLC begint zich immers langzaam uit te spreiden tot het volledige scherm wordt bedekt. Indien men te veel PDLC legt, loopt men het risico dat de vloeistof overloopt aan de randen van het scherm. Indien er te weinig is, dan is er geen PDLC op bepaalde delen van het scherm. De hoeveelheid PDLC die moet gelegd worden ertussen is dus een beetje zoeken, alhoewel je meestal al een schatting kunt maken aan de hand van de oppervlak van het scherm. (Ook de grootte van de cell gap speelt hierin een rol, maar in deze thesis is bijna altijd gewerkt met 10 µm spacers.) Voor een gebied van 4 cm² is bijvoorbeeld tussen de 6 en 7 µl voldoende.

Belichting Daarna wordt het segment belicht met UV-licht tot het polymeer volledig gecured is. Er is 180 seconden belicht aan een intensiteit van 12,5 mW/cm² met een Hg-lamp. Opvallend is dat het PDLC na een tiental seconden helder wit begint op te lichten (zie figuur 2.24). Dit is het polymerisatieproces dat in actie treedt. Normaal moet men hierna een werkend scherm bekomen.

FIGUUR 2.24 BELICHTING PDLC

18

2.4 METING ELEKTRO-OPTISCHE EIGENSCHAPPEN

2.4.1 Invloed van de spacergrootte

In de vakgroep zijn er spacers aanwezig van verschillende grootte. In de beginfase leek het ons interessant om te testen wat de invloed is van de cell gap op de schakelspanning. Er zijn dan verschillende spacergroottes gebruikt om segmenten te maken.

FIGUUR 2.25 PDLC SEGMENTEN MET VERSCHILLENDE SPACERS

De grootte van de spacers die getest zijn bedroegen 10, 40, 75 en 130 µm. Naarmate de spacers groter worden, worden de segmenten meer en meer ondoorzichtig en krijgen ze een wittere kleur (grotere opaciteit). Dit verschil is merkbaar maar ook niet spectaculair. Eens deze segmenten gemaakt waren, kon er gemeten worden welke spanningen nodig waren om ze aan te sturen. De segmenten met spacers van 10 µm begonnen doorzichtig te worden rond 4 Volt (de amplitude van onze blokgolf van 50 Hz die we aanleggen), en rond 8-9 Volt was het scherm compleet doorzichtig. Als de spanning hierna nog werd opdreven was de verbetering minimaal.

FIGUUR 2.26 SEGMENT ‘OFF’ 2.27 SEGMENT ‘ON’

19

Dit is eerst gewoon met het blote oog getest. Aangezien het doel is om een werkend schermpje te krijgen moesten we een idee te krijgen welke stuurspanningen ongeveer nodig waren om een goed resultaat te bekomen.

Voor de andere segmentjes was de nodige spanning te hoog om exact uit te meten. Op de segmenten met spacers van 40 µm legde ik een wisselspanning aan van 60 Volt en dit was nog onvoldoende om het schermpje “aan” te zetten. Het was niet mogelijk om nog een hogere spanning te genereren in de meetruimte, en deze spanningen liggen toch te hoog voor het uiteindelijke doel. Later heb ik ook nog eens spacers van 5,2 µm getest. Hier was er een van de segmentjes kortgesloten. Andere segmenten werkten soms wel bij lagere spanning, maar er kwam een kortsluiting indien de spanning tussen de substraten te hoog werd.

In tegenstelling tot de spacers van 10 µm waren er hier dus redelijk wat problemen om goede schermpjes te krijgen. Een mogelijke verklaring is dat de spacers niet groot genoeg zijn om overal kortsluiting te verhinderen, bijvoorbeeld op gebieden waar er minder spacers liggen. Ook kunnen de spacers ietwat in het plastiek gedeukt worden wanneer de twee PES-substraten op mekaar gelegd worden.

FIGUUR 2.28 SPACERGROOTTE 10 µM 2.29 SPACERGROOTTE 5,2 µM

Op de fotos (figuren 2.28 en 2.29) zijn de segmenten op een stalen achtergrond gelegd. Er is te zien dat er een paar luchtbellen in het PDLC zijn gebleven. Toch is duidelijk merkbaar dat bij het schermpje met de 10 µm spacers het PDLC redelijk homogeen is. Bij de 5,2 µm spacers zijn er lichtere en donkere plekken merkbaar in het PDLC, de kwaliteit van deze schermpjes is dus heel wat minder.

Dit alles in acht nemend, besloten we dan om verder te werken met spacers van 10 µm. Deze geven weinig problemen bij de fabricatie van een scherm. De schermpjes hebben voldoende contrast en een stuurspanning die niet te hoog is.

20

2.4.2 Meting Transmissief Scherm

Het leek interessant om ook enkele metingen te doen met zelf gefabriceerde PDLC-segmenten. Zo kan men een idee krijgen wat de kwaliteit ervan is en bij welke spanning het PDLC voldoende doorzichtig wordt. De opstelling van figuur 2.30 werd daarom gebouwd.

FIGUUR 2.30 MEETOPSTELLING

Aan de rechterkant op figuur 2.30 staat de lichtbron. Dit is een Xe-lamp, met een ingebouwde UV- en infrarood-filter: op deze manier heeft de meting enkel betrekking op het zichtbaar licht. Met behulp van het diafragma dat net voor de lamp staat kan dan de grootte van de spot worden ingesteld. De lichtstralen gaan door een lens, vervolgens door ons PDLC-segment, en vervolgens terug door een lens. Dit lenzensysteem is nodig om de lichtstralen te focussen zodat zij uiteindelijk mooi op de fotodiode terechtkomen. Deze fotodiode staat links op de figuur, zij zet het ontvangen licht om in een spanningsniveau tussen 0 en 10 Volt. Dit niveau wordt dan weergegeven op een oscilloscoop. De fotodiode is heel gevoelig, het is dus belangrijk om de invloed van het omgevingslicht te beperken. Bij de metingen wordt er daarom een zwarte kap boven op de fotodiode gezet. De metingen worden ook gedaan in een donkere kamer. Het zou nog beter zijn om ook alle witte objecten in de omgeving af te dekken met donkere doeken om de weerkaatsing van het licht zoveel mogelijk te beperken. Bij deze metingen is dit laatste niet gedaan wegens het ontbreken van het materiaal.

21


Zelfs indien we dit alles doen, dan blijft de fotodiode nog gesatureerd op 10V, omdat er te veel licht op invalt. De lichtbron is blijkbaar te sterk. Daarom werden er een viertal Titaan-Wolfraam plaatjes net voor de fotodiode geplaatst. Dit zijn neutraal-densiteit filters: zij attenueren het licht dat invalt, en ze doen dit op een gelijkaardige wijze voor alle golflengtes. Op deze manier wordt de fotodiode niet meer gesatureerd indien er geen scherm in het midden wordt geplaatst. Zo kunnen alle metingen gedaan worden in het lineaire gebied.

Zonder scherm was er een spanning van 4,553 Volt af te lezen van de oscilloscoop. Vervolgens werd er een transmissief PDLC-segment (dus zonder reflectieve achtergrond) ertussen geplaatst en lazen we een spanning af van 0,496 Volt. Het PDLC zal ervoor zorgen dat het licht dat invalt wordt verstrooid zodanig dat er minder licht invalt op de fotodiode. Bij deze meting speelt de afstand van de fotodiode tot het PDLC-scherm wel een rol. Nu stond ze op 33,02 cm (13 inch), maar als ze bijvoorbeeld op 10 cm wordt geplaatst zal er uiteraard meer licht invallen waardoor de spanning die we aflezen hoger zal zijn.

Hierna heb ik een spanningsbron aangesloten op het scherm, en heb ik een 50 Hz blokgolf aangelegd. Ik liet de amplitude (bij een blokgolf is dit gelijk aan de VRMS) hiervan oplopen en keek telkens welke uitgangsspanning ik bekwam. De hoeveelheid licht die invalt op de fotodiode nam toe naarmate de spanning toeneemt. Als we de spanningen die we bekomen op de oscilloscoop delen door de spanning bij vrije doorgang van het licht (4,553 V) hebben we een soort maat voor de transparantie van het scherm. Alle meetresultaten en grafieken zijn te vinden in bijlage F, de meest interessante zijn hieronder weergegeven.

22

gesealed 10 dagen oud schermpje, 10 µm spacers Spanning over scherm (V) Spanning Oscilloscoop (V) Transparantie (%)

0 0,387 8,499890182 1,05 0,414 9,092905776 1,99 0,495 10,87195256 3,03 0,722 15,85767626 3,95 1,197 26,29035801 5,04 2,109 46,32110696

6 2,857 62,74983527 7,01 3,322 72,96288162 8,1 3,535 77,64111575

9 3,604 79,15660004 10,08 3,644 80,03514166 10,99 3,653 80,23281353 11,88 3,661 80,40852185

We kunnen dit uitzetten op een grafiek en bekomen figuur 2.32

10 dagen oud gesealedPDLC Segment, 10 µm spacers

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15

Amplitude Spanning (Volt)

Tra

nspa

rant

ie (%

)

3 maanden oudPDLC Segment, 10 µm spacers

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15


Tra

nspa

ran

tie (

%)


Deze meting was met een gesealed segment van 10 dagen oud. Ik heb dezelfde meting ook gedaan voor een gesealed segment dat 3 maanden oud was. De grafiek hiervan is weergegeven op figuur 2.33 (voor de meetwaarden: zie bijlage F). Hieruit bleek dat de transparantie van het scherm bij 0V heel wat groter was: 20,6%. Bij 12 Volt was ze ongeveer gelijk: 77,2%.

Het scherm was dus iets doorzichtiger geworden, de verstrooiende eigenschap van het licht was achteruit gegaan. Dit komt overeen met een slechtere opaciteit, een witte kleur die minder uitgesproken is. Aan de andere kant zien we dat de schakelspanning iets omlaag is gegaan. Bij het nieuwe scherm hebben we bij 7,01 Volt een transparantie van 73%. Bij het 3 maanden oude scherm is er al bij 6,08 Volt een transparantie van 71%.

Ik had ook een drie maanden oud segment dat niet gesealed was. Dit is zichtbaar meer achteruit gegaan qua kwaliteit dan het gesealed segment: er zijn onzuiverheden langs de zijkanten binnengedrongen en sommige plekken van het segment zijn lichter. Ik heb de metingen gedaan

23

op een deel van het segment dat er nog redelijk goed uitzag. Daaruit bleek dat de transparantie bij 0 Volt 22% was, wat dus ietsje slechter is dan bij het gesealede segment. Ik heb geen spanning gezet op dit segment, omdat bij het vastklemmen van de substraten (zie figuur 2) deze nogal makkelijk van mekaar loskomen bij niet-gesealede schermen. Er zouden nog metingen met meerdere segmentjes op verschillende tijdstippen nodig zijn om echt harde conclusies te kunnen trekken.

Ook voor segmenten met een spacergrootte van 5,2 µm heb ik enkele metingen gedaan. Zoals al eerder gezegd zijn er hierbij wat problemen om goed werkende schermpjes te bekomen. Verder ziet het PDLC er niet echt homogeen uit: er zijn wittere en meer doorzichtige plekken te zien. Deze metingen gebeurden op een relatief wit stuk van het scherm. De transmissie bij 0V is iets groter (11%), en de schakelspanningen liggen wat lager: hier is er bij 4,5 V een transparantie van 60%, terwijl er bij het nieuwe segment met 10 µm spacers 6V nodig is om 63% te bereiken. Er bleek wederom dat deze segmenten niet betrouwbaar zijn, want bij een spanning van 6,5 V was er een kortsluiting en verdere metingen waren niet meer mogelijk.

FIGUUR 2.34

24

2.4.2 Meting Reflectief Scherm

Gerichte Bundel Omdat wij voor onze toepassing niet zullen werken met een transmissief scherm, maar met een reflectief scherm werd hiervoor nog een andere meetopstelling opgezet.


Er wordt nog altijd met dezelfde lichtbron gewerkt. Uiterst links op figuur 2.35 staat het PDLC-segment in een houder. Nu is er echter een Aluminium-laagje tegen het achterste substraat geplakt. Het diafragma voor de lichtbron staat nu heel wat groter, om een grotere spot te bekomen op het PDLC. De metingen gebeuren in een donkere kamer, met enkel de Xe-lamp die aanstaat.

Met behulp van een illuminantiemeter kunnen we de hoeveelheid licht meten die invalt per oppervlakte-eenheid. Dit meetinstrument heeft een cirkelvormig oppervlakte met een straal van 1,2 cm waarop het invallende licht wordt gemeten. Normaal moeten de lichtstralen deze oppervlakte compleet bedekken om een goede meting te bekomen. Deze lamp gaf hiervoor echter een te kleine straal. Ik stelde dan het diafragma in op een straal van 0,8 cm. Vervolgens nam ik de illuminantiemeter en in een donkere kamer mat ik de sterkte van de lichtbron: 204000 lux (lumen/m²). Ik deed dit door het cirkelvormig oppervlak tegen het diafragma te houden. Omdat daardoor slechts 44,4 % van het cirkelvormig oppervlak werd bedekt komt deze meting overeen met een werkelijke waarde van 459000 lux. Deze waarde zou normaal gezien buiten het bereik liggen van de illuminantiemeter, deze gaat tot 299000 lux.

Met behulp van een spectrometer wordt dan de luminantie of lichtintensiteit van het scherm gemeten. Dit is de hoeveelheid licht die per oppervlakte-eenheid wordt uitgestraald of weerkaatst. We kunnen dit toestel verplaatsen en metingen doen onder verschillende hoeken. Bij 45° werd een luminatie 103142 cd/m² gemeten. Hieruit kunnen we de reflectiviteit van het segment berekenen. Als we dit getal vermenigvuldigen met de waarde π en delen door de illuminantie bekomen we een waarde van 71%. Voor een diffuus oppervlak, zoals witte verf, is de reflectiviteit uniform. Het zijn Lambertiaanse oppervlakken: de stralen worden in alle richtingen evenveel gereflecteerd. Voor een echt witte kleur zouden we dus een waarde dicht bij de 100% moeten bekomen. Hier is er wat absorptie door het aluminium en door het PDLC.

25

Ik heb dan de spanning over het scherm laten oplopen en telkens een luminantiemeting gedaan. Hoe hoger de spanning wordt, hoe meer het PDLC doorzichtig wordt en hoe meer het aluminium de lichtstraal gewoon terug zal weerkaatsen in dezelfde richting. Daarom zal de hoeveelheid licht die invalt op ons meettoestel, dat onder een hoek van 45° staat, kleiner worden. Het contrast van het scherm is dan de verhouding tussen de ‘witte’ en ‘zwarte’ kleur die het kan weergegeven. Om dit te berekenen nemen we de verhouding tussen de meetwaarden van een segment dat ‘uit’ staat (op 0V), en een segment dat onder een bepaalde spanning staat. Voor 12V zien we een contrast van ongeveer 10:1.

Spanning Luminantie Contrast (V) (cd/m²)

0 103142 1 1,02 102686 1,00444072 2,09 98377 1,04843612 3,14 87545 1,1781598 4,02 76697 1,34479836 4,99 57568 1,79165509 6,15 42394 2,43293862 7,08 32652 3,15882641 8,1 22970 4,49029168

9,14 18024 5,72248114 10,11 14921 6,91253937 11,03 12214 8,4445718 11,97 10477 9,84461201


Deze meting werd hierna nog eens uitgevoerd onder andere hoeken. Éénmaal stond het meettoestel onder een hoek van 30° met het vlak van het scherm, bij de andere meting stond het onder een hoek van 70°. Ik moet wel vermelden dat deze metingen iets minder betrouwbaar zijn naar mijn mening. Bij deze opstellingen was het wat moeilijker om telkens op dezelfde spot te focussen, wat de resultaten kan beïnvloeden. Alle meetwaarden en grafieken zijn te zien in bijlage F.

26

FIGUUR 2.38

Bij 30° bekwam ik een contrast van 8,2 en een reflectiviteit van 40%. Bij 70° bekwam ik een contrast van 8,0 en een reflectiviteit van 96%. We kunnen dus besluiten dat het scherm bij deze hoeken nog goed leesbaar blijft, maar dat de reflectiviteit redelijk wat verschilt. Het scherm gedraagt zich dus niet als een Lambertiaans oppervlak.

Het feit dat men bij 70 graden zo een hoge reflectantie meet, heeft te maken met het niet perfect lambertiaans zijn van de witte pixels. Men ziet duidelijk een ‘gain-effect’ naarmate men dichter bij de speculaire reflectie-richting komt (een hoek van 90° op de figuur). Daardoor kan een pixel er schijnbaar witter dan wit papier uitzien als men vanuit de juiste richting kijkt. De constante factor Pi is niet geldig omdat de verdeling dus niet lambertiaans is. Het wit ziet er dan een beetje metallisch uit.

De ideale richting voor de maximale helderheid is dan zodanig dat het licht (bv. de zon) van over de schouder op het scherm schijnt en dat men zelf met het hoofd voor de nodige donkere achtergrond zorgt zodanig dat de transparante pixels er donker uitzien. Helaas wordt bij die grote hoeken ook het contrast kleiner; dat is omdat de transparante pixels ook nog altijd een klein beetje licht verstrooien. En hoe dichter je bij de speculaire richting komt, hoe meer licht je als waarnemer zult zien. Het gain-effect blijkt in de praktijk belangrijker voor de zwarte pixels dan voor de witte pixels, waardoor netto het contrast een beetje afneemt.

FIGUUR 2.39

27

Diffuus Licht De metingen tot nu toe zijn allen gedaan met een gerichte lichtbundel. Meestal zal het scherm bekeken worden onder diffuus licht. Daarom zijn er ook nog enkele metingen gedaan in een normaal verlichte kamer. Er werd een zwart oppervlak achter het PDLC-segment geplaatst, zodanig dat als er 12 Volt spanning stond op het segment, er een zwarte kleur gezien werd met de spectrometer (door de spiegelende werking van het aluminium). Zo kan men het hoogste contrast verkrijgen.

FIGUUR 2.40

Bij elke hoek was de luminantie eerst opgemeten met een luxmeter. Alle meetwaarden zijn te vinden in bijlage F. De resultaten zijn hieronder weergegeven. Wederom is het gain-effect merkbaar, waardoor de effectieve reflectiecoëfficient toeneemt naarmate de hoek stijgt. Bij een hoek van 70° komt het PDLC aan 70° van de ‘witheid’ van het papier (A4 Multi-use white HP Home and Office paper).

Ook blijkt dat de zwarte inkt ietwat blinkt, en dus het licht reflecteert bij hoge hoeken. Hierdoor is het contrast van de zwarte letters op het papier veel lager bij 70°. We zien dat we voor ons display lagere contrastwaarden halen dan bij de gerichte bundel. Daar haalden we een maximum waarde van 10:1 bij 45°. Hier is dat ongeveer 7:1 bij 70°. Om dit ietwat te plaatsen: bij een krant is het een succes als men voor zwarte letters op wit papier een contrastratio van 8:1 krijgt, en een leszaal-beamer in een niet volledig verduisterd lokaal haalt doorgaans minder dan 3:1.

Hoek Contrast van display Contrast van zwarte letters Effectieve reflectiecoëfficient Op wit papier PDLC

30° 4,389484979 25,33870968 0,430562332 45° 3,815129622 27,92514535 0,46847414 70° 6,717910448 13,05637982 0,696568552

Hoek Effectieve reflectiecoëfficient Verhouding luminanties Wit papier PDLC/Wit papier

30° 0,826709146 0,520814768 45° 0,802099535 0,584059857 70° 1,021406897 0,681969697

Lichtbron

(lampen – diffuus licht)

PDLC-segment

Spectrometer (70 °)



Zwart oppervlak

28

2.5 DISPLAY PATROON

Het doel van ons display is om de tijd weer te geven. Dus nu moest er nog een patroon gemaakt worden in het ITO dat daartoe in staat is. Het principe is eigenlijk gelijkaardig aan de meeste digitale klokken.

Om de cijfers 0 tot 9 weer te geven volstaan 7 segmenten. Afhankelijk van welke segmenten “aan” of “uit” staan, kan men de verschillende cijfers tonen. Er zijn twee cijfers nodig om de uren weer te geven, twee om de minuten weer te geven.

Ik ben dan aan de slag gegaan in Coreldraw om het patroon te tekenen. Op figuur 2.40 en figuur 2.41 staat de eerste versie van het display-ontwerp. Links staat het onderste substraat weergegeven, rechts staat het patroon voor het bovenste substraat.


Voor de grootte en de breedte van de segmentjes heb ik me wat laten inspireren door het LCD-display van VARITRONIX. Deze display werd gebruikt verleden jaar door Thomas Vervust. Deze grootte was geschikt om in te bouwen in een polshorloge, vandaar dat ik ongeveer dezelfde waarden gebruikt heb. Het ontwerp van het display zelf is echter redelijk verschillend.

De rechthoeken onderaan zijn de contactpunten. Hier wordt de spanning op gezet die via de contactbaantjes naar de juiste segmenten wordt geleid. Deze contactpunten hebben een breedte van 500 μm, wat overeenkomt met een pitch van 1000 μm. De pitch is de afstand waarover een patroon zich herhaalt.

Bij veel schermen zijn er contactpunten bovenaan en onderaan van het display. Dit zou het makkelijker maken om de verbindingsbaantjes te leggen van de contactpunten naar de segmenten. Er zou dan echter een dubbele bonding moeten gebeuren i.p.v. een enkele zoals in dit geval (zie hoofdstuk 2.9). Zoals te zien is, vertrekt er uit elk contactpunt een verbindingslijn (met een breedte van 100 µm) naar 1 of meerdere segmenten. Als de contactpunten ‘aan’ of ‘uit’ worden gezet kunnen we de segmenten dus bereiken en zo de gewenste cijfers weergeven.

29

FIGUUR 2.42

Aangezien wij enkel de tijd moeten kunnen weergeven, was er de mogelijkheid om wat te vereenvoudigen aan ons ontwerp. Voor de tientallen van de uren hebben we enkel de cijfers 1 of 2 nodig. Het segment dat normaal links bovenaan staat kunnen we dus al laten wegvallen. Verder kunnen er 4 segmenten samengenomen worden omdat die altijd ofwel samen “aan” staan, ofwel samen “uit” staan. Op het display in figuur 2.40 is dan ook te zien dat ik die segmenten heb doorverbonden. Het voordeel van zo te werken is dat het aantal contactpunten dat er nodig is onderaan vermindert. Er valt al 1 weg, door het segment dat wegvalt. En doordat de vier segmenten zijn verbonden met elkaar is er maar 1 contactpunt nodig in plaats van vier. De tientallen van de minuten moeten enkel de cijfers 0 tot 5 weergeven. Als we deze bekijken zien we dat er ook twee segmenten zijn die altijd samen “aan” of “uit” staan. Deze segmenten heb ik ook samengenomen, zoals te zien is op de figuur 2.40. Doordat deze contactpunten wegvielen bleef het ontwerp van ons scherm zo klein mogelijk.

Men kan zich nu afvragen waarom ik ook een patroon gemaakt heb voor de voorzijde van het display (figuur 2.41). Moest er hier gewerkt worden met 1 groot vlak ITO en daar een spanning op zetten, dan zou het display ook werken. Het probleem is dat dan de contactlijnen ook zichtbaar zouden zijn. Daar staat immers ook een spanning op, en indien de voorzijde 1 vlak is, zou er ook dus een spanningsverschil tussen voorzijde en de contactlijnen zijn. Alhoewel de contactlijnen dun zijn, zouden ze wel zichtbaar zijn en dit zou nogal storend overkomen.

FIGUUR 2.43 MASKERS VOOR HET ETSEN VAN ITO

Vandaar dat ik voor de voorzijde een patroon heb gemaakt dat identiek is aan dat van de achterzijde, wat de segmenten betreft. Zoals te zien is op figuur 2.41 kan ik alle segmenten met elkaar verbinden. Er staat dus een gelijke spanning over het gehele patroon van de voorzijde. Ik heb er speciaal op gelet dat er geen enkel contactlijntje van de achterzijde gekruist wordt. Dus indien er een spanningsverschil is tussen de voorzijde en 1 van de segmenten van de achterzijde, dan wordt enkel dat segment zelf zichtbaar, en geen enkel deel van de contactlijn naar dat segment. Voor meer uitleg hoe het scherm precies wordt aangestuurd: zie hfst3.

30

De maskers die gemaakt zijn van beide patronen zijn te zien op figuur 2.43. Aan de linker- en rechterzijde zijn er kruisen zichtbaar. Dit zijn aligneringskruisen, en deze kunnen gebruikt worden om de patronen op elkaar af te stemmen wanneer ze op elkaar worden geplaatst. Als de maskers over elkaar gelegd worden ziet men direct dat de segmenten mooi overlappen, en dat er geen overlap is van de contactlijnen.

FIGUUR 2.44 MASKERS OP ELKAAR GELEGD

Er moet natuurlijk wel rekening gehouden worden met het feit dat beide patronen moeten geëtst worden in ITO op onze PES-substraten. Deze substraten leggen we dan op elkaar met de ITO aan de binnenkant. Het ene patroon wordt dus als het ware omgedraaid. Als we beide patronen gewoon zouden etsen en zo op elkaar leggen zouden de patronen niet overlappen. Indien we bij het belichten het masker van de bovenzijde omgedraaid houden, dan wordt het probleem opgelost. Het patroon in ITO zal dan gespiegeld worden geëtst, en de twee patronen zullen perfect op elkaar passen. In figuur 2.45 is te zien hoe de substraten er dan uitzien tijdens de etsprocedure van het ITO.

31

FIGUUR 2.45 SUBSTRATEN TIJDENS ETSEN

Hierna heb ik ook nog een tweede ontwerp gemaakt, voor een meer algemeen display (figuur 2.46). Dit ontwerp is vooral gemaakt om een beter leesbaar scherm te bekomen. Ik heb er hier voor gezorgd dat alle segmenten apart aanstuurbaar zijn, waardoor het aantal contactpunten toeneemt. De segmenten zijn iets groter wat de duidelijkheid van het scherm ten goede moet komen. De contactlijnen naar de segmenten liggen wat verder uit elkaar en zijn iets breder. Hierdoor hoopte ik tegen te gaan dat bepaalde segmenten niet werkten, of dat er kortsluiting optreedt.

FIGUUR 2.46 FINAAL PATROON

32

2.6 CROSSOVER

Zoals ik in hoofdstuk 2 al heb uitgelegd moet er een spanningsverschil bestaan tussen beide substraten opdat de kristallen zich zouden richten, en het PDLC doorzichtig zou worden. Via de contactpunten kunnen we spanning zetten op de segmenten van het ene substraat, de achterzijde van ons scherm. De vraag is nu natuurlijk: hoe zetten we een spanning op de voorzijde van ons scherm. Hier zijn er immers geen contactpunten. Daarom moest er gewerkt worden met een crossover. Zoals te zien is op figuur 2.40 is er een links een extra contactpunt dat gaat naar een vierkantje. Dit vierkantje vinden we ook terug op het ontwerp van het top substraat (figuur 2.41). De bedoeling is om tijdens de productie van het scherm, een klein beetje geleidende lijmpasta te plaatsen op dit vierkantje. De vierkantjes van het bottom en top substraat worden dan kortgesloten. Op het top-substraat zijn alle segmenten van het display kortgesloten en in contact met dit vierkantje. Zo komt het gehele top substraat in verbinding met het meest linkse contactpunt van het onderste substraat. Als men hier dan een spanning op zet, kan er een spanningsverschil gecreëerd worden tussen de segmenten van het onderste en van het bovenste substraat.

De geleidende lijm die gebruikt is voor deze crossover komt van het merk Gentec en heeft de naam EE129-4 . Het bestaat uit twee componenten, van elke component moet dezelfde hoeveelheid (in gewicht) met elkaar gemengd worden. Het resultaat is een soort metaalkleurige pasta.

FIGUUR 2.47 GELEIDENE LIJM

Van dit mengsel wordt er een kleine hoeveelheid aangebracht op het vierkantje van ons patroon. Dit doet men nadat de spacers zijn gespind, maar voordat het PDLC is aangebracht. Er wordt ook een kring van doorzichtige isolerende lijm (Norland Optical Adhesive 68) aangebracht rond deze crossover. Zo is er voor gezorgd dat er geen contact is tussen de geleidende lijm en het PDLC. Deze zouden anders reageren met elkaar en hierdoor elkaars werking aantasten.

33

FIGUUR 2.48 CLOSE-UP VAN CROSSOVER

Deze crossover werd uiteraard ook getest en deze bleek te doen wat verwacht werd. Met een multimeter was te zien dat er contact was tussen het top substraat en het contactpunt links. De weerstand van het contactpunt naar het vierkant op het base substraat is +- 500 ohm. De weerstand van de ITO op het top substraat van het vierkant naar de bovenste balk (deze hadden we er niet afgesneden, speciaal voor deze test) bedraagt ongeveer 3,5 kOhm. Na het maken van de crossover mat ik de weerstand van het contactpunt op het base substraat naar de bovenste balk op het top substraat (dus met de crossover ertussenin) en bekwam ik een weerstand van ongeveer 4 kOhm. We kunnen dus besluiten dat de weerstand van onze crossover te verwaarlozen is t.o.v. de weerstand van het ITO.

FIGUUR 2.49 CROSSOVER OP SCHERM

34

Zoals ook te zien is op figuur 2.49, geeft het aanbrengen van deze isolerende lijm wel een visueel ietwat storend effect. Dit komt omdat het manueel heel moeilijk is om een heel dunne laag lijm te plaatsen. Deze lijm loopt ook nog wat uit als we het top substraat aanbrengen waardoor er een plek ontstaat waar geen PDLC aanwezig is. Bij het tweede ontwerp heb ik hier rekening mee gehouden. De crossover heb ik iets meer naar links geplaatst t.o.v. het de cijfers, waardoor alle segmenten nu volledig bedekt zouden moeten zijn met PDLC, en de vlek die wordt veroorzaakt door de crossover minder storend wordt.

Dit probleem kan een heel stuk verbeterd worden nog. Met een dispenser moet het mogelijk zijn om een heel dun baantje isolerende lijm te leggen. Dit vereist wel dat de machine daarvoor geprogrammeerd wordt en dat er getest wordt wat de juiste instellingen zijn voor dit type lijm. Het is dus een proces dat ook redelijk wat tijd zou in beslag nemen.

Nog een andere methode is om gewoon niet met een crossover te werken. Als er aan het ontwerp een contactpunt wordt toegevoegd aan het bovenste substraat kan er daar ook gebond worden (zie hoofdstond 2.9 voor de bonding) en zo de spanning erop worden gezet. Het nadeel is dan dat we voor 1 scherm een dubbele bonding moeten uitvoeren.

Nog een ander idee is om de crossover te leggen buiten het scherm. Dit principe heb ik proberen schetsen in figuur 2.51. Figuur 2.50 is het scherm dat we nu fabriceren. De zwarte lijnen zijn de ITO-baantjes op het onderste substraat. Het rood is het ITO-patroon op het bovenste substraat. Het meest linkse contactpunt gaat naar de crossover (de rode vierhoek) en zo naar het bovenste substraat.


Nu zouden we het ontwerp wat kunnen aanpassen en het bovenste PES-substraat iets groter maken. We laten nog een klein extra rechthoekje links onderaan toe en zetten daar de crossover op. Met wat geleidende lijm kunnen we deze dan verbinden met het contactpunt op het bottom substraat. Er kan wat isolerende lijm gelegd worden bovenaan om te voorkomen dat het PDLC erin uitloopt. Op deze manier kan er gewerkt worden met een crossover, maar de crossover ligt buiten het eigenlijke scherm en werkt dus visueel niet storend meer. Als het scherm later ergens wordt ingebouwd blijft immers alleen de grote ‘grijze’ rechthoek zichtbaar.

Deze technieken zijn het overwegen waard, maar er zou te veel tijd in kruipen om een ‘perfecte’ oplossing te vinden. Daarom werd besloten om verder te werken met de originele display-patronen.

35

2.7 REFLECTIEVE ACHTERGROND

Het uiteindelijke doel is om een reflectief scherm uit te werken. Hierbij wordt het omgevingslicht weerkaatst met behulp van een spiegelende achtergrond. Dit in tegenstelling tot transmissieve schermen, waarbij er een lichtbron achter het display geplaatst wordt.

Om de spiegelende werking te bekomen was het eerste idee om een metaallaag te sputteren aan de achterkant van het scherm. Dit zou dan gebeuren nadat de patronen in ITO geëtst zijn, en voordat het PDLC wordt aangebracht. De etsprocedure van het ITO zou immers de spiegelende metaallaag kunnen aantasten, of erdoor beïnvloed worden. En de hoge temperaturen die ontstaan bij het sputteren zouden het PDLC aantasten.

Een eerste test die gedaan werd, is het sputteren van Titaan wolfraam op de achterzijde van enkele substraten. Na afloop bleek echter dat de substraten redelijk wat gekromd waren. Het probleem is dat het metaal bij het sputteren een zeer hoge temperatuur aanneemt. Dit metaal komt dan terecht op het substraat dat ook opwarmt. Nadat het sputteren gedaan is, koelen beide materialen af, maar door het verschil in uitzettingscoëfficiënt van het PES en het metaal treden er krachten op die het materiaal kromtrekken. Deze krachten zijn als het ware “ingebouwd”, dus het helpt niet om het substraat plat te duwen.

Het metaal opdampen in plaats van te sputteren is een andere optie, maar het metaal moet hier eveneens op een zeer hoge temperatuur gebracht worden zodat dit waarschijnlijk geen verbetering zou geven. Een andere optie is om een heel dunne aluminiumfolie te bestellen en dit te proberen lijmen aan de achterkant van het display. Dit zou waarschijnlijk te lang duren om te bestellen, en het zou niet meer mogelijk geweest zijn in het tijdsbestek van de thesis. Verder is het niet zeker wat voor effect dit zou geven, of het spiegelend effect wel voldoende groot zou zijn. Nog een andere optie is om metaal te sputteren aan beide zijden van een ander, dun substraat bijvoorbeeld polymide. Dit geheel zouden we dan kunnen plakken met een doorzichtige lijm aan de achterzijde van ons display. Aangezien de metaallaag hier aan beide zijden van het substraat wordt gesputterd heffen de krachten die optreden bij afkoeling mekaar op, waardoor het geheel in theorie vlak zou moeten blijven. Deze techniek zou wel kunnen geprobeerd worden in de vakgroep maar wegens tijdsgebrek is dit niet uitgevoerd.

Er is nog eens geprobeerd om te sputteren met een ander metaal, dit keer Aluminium. Aluminium hecht wel niet zo goed op het substraat waardoor er eerst een hele dunne laag Titaan-wolfraam moet aangebracht worden door sputtering. Hierna wordt het Aluminium gesputterd op het substraat.

FIGUUR 2.52 TI-W SUBSTRAAT (LINKS) EN ALUMINIUM SUBSTRAAT (RECHTS)

36

Zoals ook te zien is op figuur 2.52, is er nog altijd sprake van een kromming. Het is wel duidelijk dat de reflectiecoëfficient van aluminium (Al: 92%) hoger is dan die van titaan-wolfraam (TiW: 82-84%), waardoor de spiegelende werking veel beter tot uiting komt.

Het zou in principe wel mogelijk moeten zijn om te sputteren op een zodanige manier dat de substraten compleet vlak blijven. Door bepaalde parameters aan te passen tijdens het sputterproces is het mogelijk bij TiW films de stress op te vangen (zie [10]). Op een gelijkaardige manier zou het waarschijnlijk ook mogelijk zijn om dit te doen voor Aluminium.

Dit probleem is dus niet zo makkelijk op te lossen. Er zou redelijk wat tijd in kruipen en na onderling overleg is er uiteindelijk voor gekozen om eerst de andere delen van de thesis verder af te werken.

Op figuren 2.53 en 2.54 zijn enkele achtergronden met mekaar vergeleken. Op figuur 2.53 vinden we bovenaan een display waarvan de achterzijde besputterd is met Titaan-Wolfraam. Het scherm is daardoor wat kromgetrokken. Hierdoor was het moeilijk om PDLC goed aan te brengen, waardoor er vrije plekken in het scherm te zien zijn. Eronder ligt een schermpje waar aan de onderzijde een substraat is gekleefd waarop aluminium was gesputterd. Deze tape is eigenlijk een soort doorzichtige folie die aan twee zijden plakt. Het aluminium is hierop gekleefd met een soort dubbelzijdige tape van Nitto Denko, met de aluminium-zijde bovenaan.

FIGUUR 2.53 FIGUUR2.54

Op figuur 2.54 staat bovenaan weer het met TiW besputterde scherm. Daaronder ligt een display op een stalen plaatje. Op de figuren is duidelijk te zien dat het TiW de slechtste achtergrond is. Het geeft een soort metaalachtige kleur. Het stalen plaatje is al beter, hier ziet het scherm er vrij wit uit. Aluminium geeft het beste resultaat van deze drie mogelijkheden.

37

2.8 SEALING

Een ander probleem dat moest opgelost worden is het sealen. Na enkele maanden gaat de kwaliteit van onze schermpjes achteruit. Dit komt waarschijnlijk door de vochtigheid en onzuiverheden die langs de randen binnenkomen. De opake kleur gaat merkbaar achteruit. Verder is het schermpje niet echt stevig: twee substraten komen vrij makkelijk los van mekaar als we ze apart proberen vast te klemmen om er een spanning op te zetten bijvoorbeeld.

Er is gekeken naar een oplossing hiervoor. Het eerste idee was om een isolerende lijm aan te brengen aan de zijkant van onze schermen. Hiervoor zijn er verschillende opties aanwezig. Diegene die hier getest is, is Norland Optical Adhesive 68. Dit is dezelfde lijm die er gebruikt is om de crossover te isoleren van het PDLC.

FIGUUR 2.55 SEALING AAN RANDEN MET LIJM

De lijm werd aangebracht aan de randen nadat de schermen al gefabriceerd waren. Hierna moest de lijm belicht worden met een UV-bron om volledig uit te harden (ongeveer 400 seconden aan 10,5 mW/cm²). Deze langdurige UV-belichting leek gelukkig geen effect te hebben op het PDLC. Na ongeveer 3 maanden is de foto op figuur 2.56 dan getrokken. Het rechtse segment is gesealed, het linkse segment was niet gesealed. De lijm lijkt een redelijk goede bescherming te bieden tegen de achteruitgang van het PDLC. Verder komt het ook de stevigheid en robuustheid van de schermpjes ten goede, aangezien beide substraten nu minder makkelijk loskomen van elkaar.

38

FIGUUR 2.56 EFFECT SEALING OP ACHTERUITGANG VAN PDLC

Er bestaan nog andere manieren om een scherm te sealen, zoals het gebruik van een tape, of het gebruik van siliconen. Een interessante optie was om de randen aan elkaar te bevestigen met behulp van een laser. Dat dit mogelijk is, blijkt uit het artikel van Kent Electronics [11]. Daar gebruiken ze een laser met infrarood licht om twee thermoplastische substraten aan elkaar te lassen. De substraten absorberen het infrarood licht, warmen op en versmelten dan om een sterke hechting te vormen. Een beperking hierbij is dat enkel pure thermoplastische materialen gebruikt kunnen worden omdat onzuiverheden in het materiaal de band kunnen vervuilen en zorgen voor het mislukken van de sealing.

FIGUUR 2.57 SCHERM MET LASERSEALING

In het artikel maken ze gebruik van Polyethylene Terephthalate (PET) substraten en een CO2 laser om te zorgen voor een goede sealing. Wij hebben gebruik gemaakt van de CO2-laser in de onderzoeksgroep om eens te kijken of we ook niet van deze technologie kunnen gebruikmaken. Het sealen met PET-substraten werd dan eerst eens getest. Dit verloopt zonder veel problemen, eerst moet men natuurlijk wat zoeken om de parameters van de laser aan te passen. Bij de eerste tests was het PET wel gesmolten, maar op sommige stukken was het niet goed aan mekaar “gelast”, waardoor er gaten vielen. Dit is te zien op de figuur 2.58. Na wat zoeken echter kon er een mooie laslijn gevormd worden die redelijk stevig was ook, zie figuur 2.58

39


De ingestelde parameters waren: Lens L2 – diamagnificatie van 4,5, een masker van 6000 micro, een attenuatie van 0% en een ingestelde ablatie van 1 mm/s . Hierna probeerden we dit ook eens op PET met nog een ITO-laag op. Dit lijkt niet mogelijk. Het ITO oxideert snel, en geeft aanleiding tot een gasontwikkeling. Het geeft een zwarte, aangebrande kleur en de substraten plakken niet samen. Nu is dit geen ramp, aangezien onze sealing toch moet gebeuren op gebieden waar de ITO al weggeëtst is. We testten daarna ook eens onze substaten van PES (en niet PET zoals tot hiertoe al gebruikt), aangezien wij tot nu toe met PES hadden gewerkt om onze schermpjes te maken. Vreemd genoeg bleek de laser hier heel wat minder goed te werken. Het smelten van het PES gaat veel minder goed dan bij het PET en het geeft aanleiding tot een zwarte verkleuring.

FIGUUR 2.60 SEALING BIJ PES

De eigenschappen van PES (poly-ether sulfone) zijn nogal verschillend van die van PET. PES heeft namelijk een hoge bestendigheid tegen hitte en stoom, het wordt o.a. gebruikt om materiaal te maken om mee te koken en ook voor producten die moeten kunnen worden gesteriliseerd. PES polymeren hebben een hoge glastransitietemperatuur door de aanwezigheid

40

van de sulfoon groep. Dat is de reden waarom het moeilijk smelt. De aanwezigheid van PDLC tussen de substraten is een extra probleem. Dit gaf aanleiding tot een gasontwikkeling, en wederom een verkleuring van de substraten. De aanwezigheid van onzuiverheden in of op de substraten maakt het blijkbaar onmogelijk om een goede sealing te bekomen.

Na deze tests bleek dat het dus niet evident is om te sealen met een laser. We hebben dan ook besloten om verder te werken met onze sealing met lijm en andere aspecten van de thesis verder uit te werken.

2.9 BONDING

Zoals eerder al vermeld, wordt als geleider ITO gebruikt op de PES-substraten van ons display. Er is echter een schakeling nodig die het scherm aanstuurt. Aangezien deze schakeling ingebouwd moet worden in een horloge is het de bedoeling dat deze schakeling komt op een flexibel substraat van polymide. Daarop liggen dan geleidende koperbaantjes. Op deze koperlaagjes is er dan nog eens een laagje tin en een dun laagje goud aangebracht ter protectie, opdat het koper niet in rechtstreeks contact zou komen met de lucht en er corrosie zou kunnen optreden. Om het scherm aan te sturen zal er voor moeten gezorgd worden dat er een verbinding is tussen het koper van de schakeling en het ITO van het display. Daarom zijn er ook eerst bondingtests gedaan om dit probleem op te lossen. Er werden patronen ontworpen om te etsen in het koper, en matchende patronen om in ITO te etsen. Deze patronen zijn op mekaar afgestemd, dus als we de twee substraten (het polymide en het PET) dan verbinden met elkaar zou er geleiding moeten zijn tussen het ITO en het koper.


Dit is gedaan voor patronen met verschillende pitchwaarden. (De pitch is de afstand waarover het patroon zich periodiek herhaald.) De breedte van een baantje hier is even groot als de ruimte tussen baantjes, dus een pitchwaarde van bv. 1000 µm komt overeen met een breedte van de baantjes van 500 µm. De pitchwaarden bedroegen 200, 500, 750, 1000 en 2000 µm. Op figuur 2.62 zijn de maskers zichtbaar. Links zijn de patronen in ITO, rechts op de foto is het masker voor het matchende patronen in koper.

41


Eens beide substraten dan geëtst waren, kon de eigenlijke bonding gedaan worden. Dit gebeurt aan de hand van een speciale lijm. In deze lijm zitten gecoate goudbolletjes. De lijm ziet er eigenlijk uit als een soort dunne, dubbelzijdige tape, met aan beide kanten een strookje dat er kan worden afgetrokken (figuur 2.63). Eerst brengen we de lijm aan op het PES. Daarna worden de substraten gealigneerd, zodat de patronen goed afgestemd zijn. Hierna wordt de lijmlaag aangedrukt en ook licht verwarmd. De coating van de goudbolletjes wordt hierdoor gekraakt. Deze bolletjes zorgen dan voor de geleiding tussen het koper van het polymide-substraat en het ITO op het PES-substraat. Doordat de bolletjes geen contact hebben met mekaar zal er in de lijm zelf geen geleiding zijn. Anders konden er verschillende baantjes (koperbaantjes of ITO-baantjes) met mekaar kortgesloten worden. Tijdens het aandrukken van de lijm is het best van de PDLC te beschermen tegen de warmte door er een siliconen interposer over te leggen. In de bijlage E zijn alle details van de bonding terug te vinden.


Op figuur 2.65 zijn de goudbolletjes duidelijk te zien in de lijm. Deze zijn slechts een paar micrometer groot. Op figuur 2.66 is er aan de linkerzijde een koperbaantje te zijn. Rechts daarvan is er polymide en daarop is de lijm zichtbaar met daarin de goudbolletjes.

De uitlijning zelf moet uiteraard zeer precies gebeuren. Dit bleek niet echt een probleem te zijn. Zoals te zien is op de foto is het voor kleinere pitchwaarden niet evident (op figuur 2.68: 500 µm pitch). De baantjes wijken wat af van mekaar, maar geven nog altijd een goed contact. Voor bredere baantjes kan er heel precies gealigneerd worden.

42


Uitwaaipatroon

Het bonden met het koper zal gebeuren op de contactpunten in ITO die onderaan het display zijn voorzien (zie figuur 2.46). Het ITO-patroon heeft een pitch van 1000 µm. Uit de bondingtests bleek dat deze waarde zeker geen probleem mag vormen om goed te aligneren. Eens het ITO-patroon met het koperpatroon wordt gebond is het scherm verbonden met de elektrische schakeling. Er is hier gewerkt naar een enkelvoudige bonding van het onderste substraat. Alle contactpunten liggen onderaan. Moest de helft van de contactpunten bovenaan liggen, zou de pitch dubbel zo groot mogen zijn. Dit zou als grootste voordeel hebben dat de contactlijnen makkelijker te plaatsen zijn bij het ontwerp van het patroon van het display. Bij dit ontwerp moet men maar 1 keer aligneren en bonden en dit zou het makkelijker moeten maken om het display met een schakeling te verbinden. Er kroop dan wel meer werk in het goed plaatsen van de contactlijnen.

ITO is heel fragiel, dus als men de schermpjes wil testen is het best van hier niet direct de spanningen aan te brengen. Bij het plaatsen van de contacten van onze spanningsbron zouden we immers het ITO kunnen beschadigen. Het is daarom veel handiger om de spanning aan te brengen op de grotere en duurzamere koperen contactpunten. Zo kunnen we de schermpjes die we gemaakt hebben makkelijk testen. Zoals ik al uitgelegd heb, gebruiken we een substraat van polymide met daarop koperbaantjes om spanningen op het scherm te zetten. Ik heb dus een uitwaaierpatroon ontworpen dat geëtst wordt in het koper (zie bijlage C voor details).


43

Dit patroon past perfect op de contactbaantjes van het ontwerp van mijn display in ITO. Het polymide-substraat met de koperbaantjes wordt dan gebond met het PES-substraat waarop de ITO-baantjes van het display liggen.

Het eerste idee was om op het koper dan draadjes te solderen en zo elk segment apart aan te sturen. Het polymide is echter vrij dun en fragiel hiervoor. Verder is dit systeem ook niet zo handig. Men moet dan bij elk scherm dat men maakt voor alle segmenten een draadje solderen en verbinden met de elektronische schakeling. Daarna moeten deze draadjes terug losgesoldeerd worden van de schakeling om een ander scherm te kunnen testen… Met behulp van connectoren heb ik dit probleem kunnen omzeilen. Dit wordt verder uitgelegd in hoofdstuk 3.

2.10 UITGEWERKTE SCHERMEN

Een aantal schermen werden dan ook volledig getest met behulp van deze uitwaaipatronen. Op 1 scherm waren er twee segmenten kortgesloten. Deze gingen altijd samen aan of uit. De exacte reden hiervoor is niet meer te achterhalen natuurlijk, eens de schermen volledig gefabriceerd zijn. Een mogelijke verklaring is dat de contactlijnen in het eerste ontwerp soms dicht bijeen liggen. Indien het etsen niet perfect gebeurt kan het zijn dat er nog een kleine verbinding is tussen twee segmenten of contactlijnen. Een andere optie is dat er in de lijm die gebruikt werd bij het bonden een geleidend pad is ontstaan tussen twee ITO-baantjes of koperbaantjes. Dit laatste lijkt me het minst waarschijnlijk.

Op de andere schermen waren er vaak enkele segmenten die niet werkten. Waarschijnlijk was een slechte verbinding in het ITO de oorzaak hiervan. Zoals ook te zien is op figuur 2.71, begint ITO snel barsten te vertonen indien het geplooid wordt. De verbindingsbaantjes die lopen van de contactpunten naar de segmenten zijn bovendien zeer dun (tussen 100 en 200 µm). Bij het etsen van het ITO worden de substraten vastgeplakt op keramieken plaatjes. Daarna moeten ze worden losgetrokken. Het zou kunnen dat bij dit proces enkele baantjes te veel gekraakt zijn, en dat er geen geleiding meer mogelijk is. Het is dus belangrijk zeer voorzichtig te handelen bij alle stappen in het fabricageproces van de schermen.

44

FIGUUR 2.71 DISPLAY MET TI-W BESPUTTERD

Op figuur X is een uitgewerkt schermpje te zien. Het achterste substraat was besputterd met TiW. Doordat dit een kromming vertoonde is het PDLC niet mooi verdeeld over het schermpje en zijn er aan de zijkanten twee lege vlekken te zien. Zoals al eerder geconstateerd komt de witte kleur van het PDLC niet goed tot uiting bij TiW. Toch is het scherm nog redelijk leesbaar. De twee segmenten die aanstaan zijn duidelijk te onderscheiden. Links onderaan van het display is een klein wit vlekje te zien, dit is de crossover. De horizontale donkere strook die te zien is op het polymide is de strook lijm die gebruikt werd bij het bonden. Zij zorgt voor de verbinding tussen de contactpunten van het polymide en de contactpunten van het ITO.


Op figuren 2.72 en 2.73 zijn er twee verschillende PDLC schermpjes gewoon op zwarte ondergronden gelegd. Er zijn stuurspanningen aangelegd (zie hoofdstuk 3) zodat de tijd op het scherm verschijnt. Hier is de opaciteit (de wittere kleur) duidelijk beter t.o.v. het TiW. Het contrast tussen de witte en zwarte kleur hangt wat af van de belichting en de hoek waaronder men kijkt.

45

FIGUUR 2.74 DISPLAY MET ALUMINIUM ACHTERGROND

Het beste resultaat is te zien op het schermpje met de aluminium achtergrond. Op figuur 2.74 staat de tijd weergeven op zo een scherm. Op de segmenten die ‘aan’ staan kan men nog kleine onzuiverheden zien. Deze zijn waarschijnlijk afkomstig zijn van de lijm, of omdat het aluminium al ietwat vuil was voordat het werd bevestigd. Bij de meeste schermen zijn er wel een paar segmenten die niet werken. Waarschijnlijk komt dit doordat de contactlijnen in ITO te veel gekraakt werden zodat er geen geleiding meer is. Indien men een nieuw ontwerp zou maken voor een display zou ik deze contactlijnen veel breder maken, zodat ze minder snel zouden breken. Tot nu toe zijn ze vrij dun gehouden (200 μm) uit vrees dat ze zichtbaar zouden zijn op het eindresultaat. Deze vrees was blijkbaar ongegrond. De flexibiliteit van onze schermen is ook niet bijzonder groot. Als ze te veel gekromd worden gaan ze kapot. Dit is een probleem dat voorkomt bij vele flexibele schermen. Het scherm blijkt wel dunner, lichter en robuuster dan normale LCD-schermen.

Deze schermpjes werden aangestuurd met een 50 Hz blokgolf met amplitude van 12 Volt. Ik heb eens getest met lagere spanningen ook om te kijken welk effect dit zou hebben op het eindresultaat. Op figuur 2.75 is het scherm (met Al achtergrond) aangestuurd met 4 Volt. Op figuur 2.76 en 2.77 was dat respectievelijk 6 en 8. Bij spanningen lager dan 4 Volt waren de segmenten die aanstaan nauwelijks te onderscheiden. Tot mijn verbazing was het scherm al redelijk goed leesbaar op 4 Volt, alhoewel de hoek waaronder men naar het scherm keek ideaal moet zijn. Als men de spanning laat oplopen neemt het contrast merkbaar toe, en ook de mogelijke kijkhoeken.

46

FIGUUR 2.75 – 4 VOLT SPANNING



47

2.11 INBEDDEN IN SILICONEN

Om een polshorloge te maken zou er een bandje gemaakt kunnen worden uit siliconen. De schakeling en het scherm zouden dan hierin ingebed moeten worden. Dit zal waarschijnlijk nog voor extra stevigheid zorgen. Voorts zou het ook verhinderen dat er langs de randen van het scherm onzuiverheden binnendringen. Het is dus als het ware nog een extra sealing. Er was niet voldoende tijd om dit allemaal uit te werken in deze thesis. Om het prinicipe toch eens te testen zijn er enkele schermpjes ingebed in het silicone Sylgard 186 van Dow Corning. Dit silicone is vrij doorzichtig, zodat het scherm goed zichtbaar blijft. Zij kan uitharden bij lage temperaturen, zodat het PDLC niet beschadigd wordt. Op figuur 2.78 is er een ingebed schermpje te zien. Dit scherm ligt op een matte zwarte achtergrond, en er zijn twee segmenten aangezet. Men kan dit nog verder uitwerken, en andere types siliconen gebruiken, met een hogere transparantie bijvoorbeeld.

FIGUUR 2.78

48

HOOFDSTUK 3

DE ELEKTRONISCHE SCHAKELING

3.1 DOEL VAN DE SCHAKELING

Eenmaal het PDLC-scherm is afgewerkt is het natuurlijk de bedoeling dat het kan worden aangestuurd zodat de tijd zichtbaar is op het display. We hebben dus een schakeling nodig, die voldoet aan een aantal eisen:

- Een laag vermogenverbruik

- Ze bevat kleine en dunne componenten

- Ze moet zo eenvoudig mogelijk zijn, liefst met een klein aantal componenten

Deze eisen zijn er omdat de schakeling uiteindelijk moet ingebed worden in een polshorloge die werkt op een batterij. Een klein aantal componenten met een laag vermogenverbruik is gewenst opdat de batterij een voldoende lange levensduur zou hebben. Een klein aantal componenten zou ook goed zijn omdat dan het gevaar van falen bij de productie wordt geminimaliseerd, en ook het vermogenverbruik wordt op die manier laag gehouden.

Het is de bedoeling dat deze schakeling op een PDLC-scherm de tijd weergeeft. Grofweg gezien moet hij aan twee taken voldoen. Enerzijds moet hij de tijd nauwkeurig bijhouden, en anderzijds moet hij ook de stuursignalen genereren die ervoor zorgen dat de juiste cijfers op het schermpje komen.

Voor het nauwkeurig bijhouden van de tijd is een eenvoudige microcontroller geschikt. De stuursignalen die nodig zijn om een PDLC-scherm aan te sturen zijn eigenlijk dezelfde als voor een normaal LCD-schermpje. Het gaat in beide gevallen om wisselspanning, een blokgolf van rond 50 Hz. In het doctoraat van Filip Bruyneel wordt ook een blokgolf van 50 Hz gebruikt. Eigenlijk is een blokgolf niet echt vereist, een sinusgolf zou ook volstaan. Een wisselspanning is echter noodzakelijk omdat anders het scherm kapot zou gaan (zie hoofdstuk 2).

Ons scherm heeft twee substraten: een voorzijde en een achterzijde van het scherm. Op de achterzijde zijn alle segmenten apart aanstuurbaar via de contactpunten onderaan. Op de voorzijde zijn alle segmenten met elkaar verbonden, deze kunnen we aansturen via de crossover. Indien er geen spanningsverschil is tussen een segment en de voorzijde dan zijn de kristallen random georiënteerd, en is het segment niet zichtbaar (witte kleur). Indien er wel een spanningsverschil is tussen een segment en de voorzijde dan richten de kristallen zich volgens het spanningsveld. Het omgevingslicht wordt doorgelaten, en wordt gereflecteerd op de spiegelende achtergrond. Het segment wordt zichtbaar (metaalkleur).

49

FIGUUR 3.1 GOLFVORMEN VOOR AANSTURING LCD/PDLC-DISPLAY

Het principe is vrij eenvoudig. De common is het signaal dat het bovenste substraat heeft, waar de segmenten zijn doorverbonden. Via het contactpunt dat naar de crossover leidt leggen we hier een blokgolf aan. Het spanningsverschil tussen de voorzijde en de segmenten die “uit” staan moet nul zijn. We moeten deze segmenten dus met hetzelfde signaal aansturen als de common. De segmenten die “aan” staan kunnen we aansturen met een signaal dat in tegenfase is met het common-signaal. Zo krijgen we een wisselspanning over deze segmenten.

3.2 CONCEPT VAN DE SCHAKELING

Oorspronkelijk dacht ik dat ik mij voor deze schakeling grotendeels zou kunnen baseren op die van Thomas Vervust van het vorige jaar. Hij had immers een schakeling uitgewerkt die een normaal LCD-display aanstuurde. Het leek me dus goed te doen om een gelijkaardige schakeling te bouwen die een PDLC-display aanstuurt.

In Thomas zijn finale uitwerking gebruikte hij een component, die bestond uit een microcontroller met ingebouwde LCD-driver (de MSP430f413 van Texas Instruments). Met 1 component kon dus eigenlijk alles gerealiseerd worden, en ze voldeed ook aan de gewenste eigenschappen. Ze was specifiek gemaakt voor draagbare toestellen, en had verschillende “low-power modes”, die voor een laag vermogenverbruik zorgden.

FIGUUR 3.2 CONCEPT THESIS THOMAS VERVUST

Het grote verschil met deze thesis is dat Thomas gebruik maakte van een klein commercieel LCD-schermpje. Het voordeel daarvan is dat het scherm werkt bij lage stuurspanningen. De voedingsspanning van ongeveer 3 Volt was ook de uitgangsspanning van de component ,dus de

50

LCD-driver gaf een wisselspanning met een amplitude van 3 Volt. Dit bleek genoeg om het schermpje aan te sturen.

Zoals uit de metingen is gebleken, is dit onvoldoende om een PDLC-scherm met 10 µm spacers aan te sturen. Mijn idee was dan om te zoeken naar een gelijkaardige component, die wel spanningen van minstens 10 Volt kon produceren. Dus een microcontroller met ingebouwde LCD-driver, maar waarbij de LCD-driver een instelbare uitgangsspanning had. Dit is dan een aparte input-poort waaraan je zelf de spanning aanlegt die de amplitude is van de signalen die gegenereerd worden door de LCD-driver.

FIGUUR 3.2 EERSTE IDEE

Ik heb hier redelijk lang naar gezocht. Ik heb verschillende exemplaren gevonden waarbij de instelspanning lager, of gelijkaardig is dan de voedingsspanning (deze is meestal tussen de 3 en 6V), maar dit is dus onvoldoende. Uiteindelijk heb ik toch een component gevonden waarbij aan een aparte ingangspin de uitgangsspanning van de LCD-driver kan aangelegd worden, tot boven de 10V. De EM6626 van EM Microelectronic, dit was echter een 4:1 multiplex driver, en geen static LCD-driver zoals in onze toepassing eigenlijk nodig is. Verder wilde het bedrijf hier geen samples van voorzien.

Ik had al redelijk wat tijd gestopt in het zoeken naar een dergelijke component, maar het bleek dus heel moeilijk te zijn om zo een component te bekomen. Uiteindelijk werd besloten dat het belangrijkste was dat we een schakeling hadden die werkte, die dus het scherm kon aansturen. Ik ben dan gestopt met zoeken en overgestapt naar een ander concept.

Het nieuwe concept was om te werken met een aparte microcontroller en LCD-driver. Als je deze componenten apart zoekt is het aanbod al heel wat groter en het leek me dus beter haalbaar om hier resultaat te boeken.

51

FIGUUR 3.3 CONCEPT FINALE REALISATIE

3.3 COMPONENTENKEUZE

3.3.1 LCD-Driver

Het doel was nu het vinden van een LCD-driver die een voldoende grote uitgangsspanning kan genereren, maar die toch een laag vermogenverbruik heeft en liefst een lage voedingsspanning. De meeste LCD-drivers voor kleinere schermen hebben een voedingsspanning (op de figuur wordt deze aangeduid als Vin) tussen de 3V en 6V, en als amplitude van hun stuursignalen hebben ze dezelfde spanning. Ik ben op zoek gegaan naar een driver met een aparte input-pin waar de uitgangsspanning zelf kan aangelegd worden. Dit bleek al makkelijker te vinden. Het bedrijf EM Microelectronic werd dan gecontacteerd, waarna deze een paar gratis samples opgestuurd hebben van de LCD-driver V6108. Deze driver werkt aan een voedingsspanning tussen de 2 en 8 Volt, en we kunnen een LCD-spanning aanleggen tot 12 V. De aangelegde spanning is een DC-spanning, maar door de wijze waarop een LCD-driver werkt wordt hiermee een wisselspanning gegenereerd met een amplitude van 12V over de twee substraten.

De LCD-driver wordt serieel aangestuurd. Figuur 3.4 illustreert het principe. Op de data input (DI) wordt aangelegd welke segmenten ‘aan’ moeten staan. Elke keer de klokingang (CLK) hoog komt wordt er een bit ingelezen, deze worden dan opgeslagen in het shift register. Als de STR input hoog komt, wordt dit register dan overgebracht naar de latches, waar ze bewaard worden tot de volgende keer STR hoog komt. Deze latches sturen dan de LCD-outputs aan, elke latch komt overeen met 1 segment van het scherm. Er is ook te zien op de figuur dat er links onderaan een aparte input is om de VLCD aan te leggen, de outputspanning van de LCD-driver.

52

FIGUUR 3.4 SCHEMA LCD DRIVER

Op de FR-input moet een clocksignaal aangelegd worden, om de frequentie van de uitgangsspanning te sturen. Op de input VSS leggen we de aarding aan, en op VDD de voedingsspanning. De DO-output wordt niet gebruikt. Deze is enkel nodig als er verschillende LCD-drivers parallel moeten worden aangestuurd. De R-input wordt ook niet gebruikt. Indien deze hoog komt worden alle output-signalen doorverbonden met de aarding, waardoor het scherm uit komt te staan. Bij het testen van deze driver had ik hier eerst geen spanning aangelegd, het was dus een zwevende pin. Dit maakte dat het scherm op random tijdstippen wel of niet werkte. Uiteindelijk heb ik deze pin dan kortgesloten met de aarding, waardoor deze input constant laag stond en alles naar behoren werkte.

3.3.2 Microcontroller

Qua microcontroller was de keuze heel wat groter. Er zijn heel wat microcontrollers op de markt die voldoen aan de gewenste eisen. Heel wat draagbare apparaten vereisen immers compacte microcontrollers met een laag vermogenverbruik. Ik heb gekozen om te werken met een microcontroller van Texas Instruments. Hiermee was verleden jaar al wat ervaring opgedaan. Verder zijn ze makkelijk te bestellen op be.farnell.com, en de code kan geschreven worden in o.a. C en C++ via een freeware programma (Kickstart). De C-code die ik heb geschreven voor de microcontroller is te vinden in bijlage A.

Via een J-Tag kabel kan de microcontroller ook aangesloten worden op de com-poort van een pc, zo kan er zonder veel problemen gedebugd worden.

Er is maar een heel eenvoudige microcontroller nodig. Ik heb gekozen voor de compononent MSP430f2012. De volgende eigenschappen van deze microcontroller leken me interessant:

- Lage voedingsspanning: van 1,8 tot 3,6 V: Het is dus geschikt om gevoed te worden met een kleine batterij.

53

- Een laag vermogenverbruik.

- Vijf power-saving modes.

- De mogelijkheid om er een kristal op aan te sluiten om nauwkeuriger de tijd bij te houden.

- Het is een kleine microcontroller. Er zijn wel maar weinig input/output poorten, maar zoveel zijn er niet nodig.

- Er kon een bordje bijbesteld worden: een zogenaamde SMD-adaptor. Dit maakt het veel makkelijker om te solderen en een testschakeling te bouwen.

Op figuur X staat de device pinout gegeven. Vcc en Vss zijn respectievelijk voor de voedingsspanning en de aarding. De TEST en RST ingangen zijn niet bruikbaar, wat maakt dat er nog 10 input/output pinnen overblijven. Pinnen 12 en 13 (Xin en Xout) zijn specifiek om een kristal op aan te sluiten.

FIGUUR 3.5

De poorten P1.0, P1.1, P1.2 en P1.3 werden gebruikt om respectievelijk de STR, DI, CLK en FR input van de LCD-driver aan te sturen. Om te werken met dit type microcontrollers zijn er handige ‘user guides’ te vinden op de website van Texas Instruments. Verder is er ook voorbeeld code te downloaden, en had Thomas Vervust al een documentje geschreven hoe het werken met de J-Tag connector precies verloopt. Als de controller wordt geprogrammeerd wordt de code in het flash-geheugen ingeladen. Zij blijft daar dus, ook als de stroom naar de controller wordt afgesloten. De volgende keer dat de controller opnieuw stroom krijgt begint de microcontroller terug aan het begin van zijn code te lopen.

3.3.3 Kristal

Aan de microcontroller wordt dus een extern kristal geconnecteerd om een stabiele tijdsbasis te bekomen. Dit doet men door twee poorten van de microcontroller (de poorten Xin en Xout) te verbinden met het kristal ertussen. Standaard voor polshorloges zijn kristallen met een resonantiefrequentie van 32 kHz (32768 Hz). Deze frequentie is namelijk gelijk aan 2^15, zodat ze eenvoudig te delen is via machten van 2. Voor een laag vermogenverbruik zijn enkel kristallen met een lage frequentie bruikbaar, want bij hogere frequenties stijgt het stroomverbruik significant.

Voor mijn uitwerking heb ik gekozen voor een kristal van EPSON TOYOCOM, deze heeft een frequentie van 32768 Hz en een capacitieve last van 6 pF. Deze laatste waarde mag ook niet te

54

hoog worden. In de handleiding van de microcontroller staat gespecificeerd dat deze tussen 0 en 12,5 pF mag zijn. Het is dus belangrijk dat je het kristal zo dicht mogelijk bij de microcontroller plaatst. In de testschakeling had ik het kristal eerst verbonden met draden naar de poorten van de microcontroller, waardoor er geen signaal meer doorkwam. Door de lengte van de draadjes was de capacitieve last waarschijnlijk te groot geworden.

FIGUUR 3.6

3.3.4 Voltage translator

Het feit dat we een “speciale” LCD-driver moesten zoeken, stelt ons voor een extra probleem. In de datasheet van de LCD-driver vond ik dat hij normaal werkte aan een voedingsspanning van 5 Volt. Op zijn data-input poorten verwacht hij bij een hoog signaal een inputspanning van minstens 3,5 V. De microcontroller geeft als “hoog” signaal een outputspanning van ongeveer 3V, dezelfde spanning als de voedingsspanning van de microcontroller. Ik ging dus op zoek naar een manier om dit op te vangen. Een eerste idee was om dit via een eenvoudig schakeling met een transistor te doen.

FIGUUR 3.7

Dit is eigenlijk een invertor-schakeling. Maar software-matig kan dit eenvoudig opgevangen worden door de output “high” en “low” te verwisselen. De output van onze microcontroller leggen we dus aan op de basis van onze transistor. Als deze hoog is, geleidt de transistor, en komt de output op 0 Volt te staan. Als deze laag is, dan is er geen geleiding en is de output gelijk aan Vcc (bijvoorbeeld 5V). Het vermogenverbruik kan laag gehouden worden door de weerstand R zeer hoog te kiezen. Daardoor is er weinig stroom door de transistor in de “aan”-stand. Voor sommige toepassingen kan het zijn dat de transistor niet snel genoeg kan schakelen, maar in dit geval zou het niet echt een probleem zijn. Voor elke aparte input van de LCD-driver was er dan wel een dergelijke schakeling nodig.

Er bestaan echter al componenten die dit werk voor ons verrichten. Dit probleem van spanningen komt vaak voor in schakelingen met verschillende componenten, en op de site van texas instruments konden we tussen heel wat voltage translaters kiezen. Uiteindelijk heb ik gekozen voor component ADG3304 van Analog Devices. Deze is niet te groot, heeft een laag vermogenverbruik en 4 input/output combinaties. Wat voldoende is in ons geval.

55

Na het bouwen van een testschakeling bleek de LCD-driver op lage voedingsspanningen (tot ongeveer 2 Volt) ook perfect te blijven werken. De nodige spanning van het input-signaal in hoge stand wordt ook omlaag gebracht. Als die gelijk is aan de voedingsspanning van de LCD-driver geeft dit nooit een probleem. Uiteindelijk heb ik de LCD-driver aangestuurd met dezelfde voedingsspanning als de microcontroller: 3,3 Volt. Op deze manier kunnen de outputs van de microcontroller rechtstreeks aangesloten worden op de inputs van de microcontroller, en wordt de voltage translator overbodig.

3.3.5 Drukknoppen

Net zoals Thomas vorig jaar gedaan heeft, leek het me wel handig om enkele knoppen aan te sluiten op de microcontroller waarmee je dan de tijd kunt instellen. Voor mijn testschakeling heb ik enkele eenvoudige drukknoppen gebruikt om dit principe ook uit te testen.

3.3.6 SpanningsRegulator

Er zijn nu twee DC-spanningen nodig. Een spanning van rond de 10 Volt om het PDLC-scherm aan te sturen. En een spanning van rond de 3 Volt, dit is de voedingsspanning die nodig is om de microcontroller en de LCD-driver te doen werken. In de test-opstelling wordt gewerkt met een gewoon LCD-scherm, deze werkt zowel bij heel lage als heel hoge spanningen. Om de uiteindelijke schakeling na te bootsen stuur ik hier toch aan met een spanning van rond de 10V. Dit betekent dat er 2 spanningsbronnen nodig zouden zijn, wat niet zo handig is. Met behulp van een spanningsregulator kunnen we 1 bron gebruiken van rond de 10 Volt.

Dit is een heel simpele component met drie poorten: een input, een aarding en een output. Bij lage spanningen is de uitgangsspanning gelijk aan de ingangsspanning. Als er aan de ingang een spanning wordt aangelegd die groter is dan 3,3 Volt, dan komt er aan de uitgang een stabiele spanning van 3,3 Volt. De gekozen component is LE00 van STMicroelectronics.

3.3.7 Connector

Om het scherm met de schakeling te verbinden kunnen we draadjes solderen op een uitwaaierpatroon dat we bonden aan het ITO (zie hoofdstuk 2.9). Het polymide is echter vrij dun en fragiel hiervoor. Dit systeem is ook niet zo handig: men moet dan bij elk scherm dat men maakt voor alle segmenten een draadje solderen en verbinden met de LCD-driver. Daarna moeten deze draadjes terug losgesoldeerd worden van de LCD-driver om een ander scherm te kunnen testen… Als we op de PCB-schakeling een connector plaatsen, en op elk scherm een gelijksoortige connector solderen kunnen de verschillende schermpjes makkelijk uitgetest en weer losgekoppeld worden met behulp van een kabel die de signalen overbrengt.

Er zijn dertig signalen nodig om de tweede versie van het display ontwerp aan te sturen. We hebben 4 cijfers met elk 7 segmenten, twee stipjes in het midden die tesamen worden aangestuurd, en een common-signaal die het bovenste substraat aanstuurt. De gebruikte connector is een 30-way ZIF-connector (Zero Insertion Force) van Molex, als kabel koos ik de 30-way flat cable van Molex. De kabel kan vrij makkelijk terug losgemaakt worden uit deze connectors.

56

FIGUUR 3.8 UITWAAIERPATROON

Deze connector kan niet rechtstreeks worden aangesloten op de contactpunten van het ITO, dus is er ook een uitwaaierpatroon ontworpen (zie figuur 16) met 30 contactpunten waar de connector op kan gesoldeerd worden. Dit uitwaaierpatroon moet dan gebond worden op het ITO-patroon van het PDLC-schermpje. Op figuur 3.8 is te zien hoe een schermpje gebond is met het uitwaaierpatroon. Daarop is vervolgens de connector gesoldeerd. In deze connector zit de kabel. De andere kant van de kabel kan verbonden worden met een connector die is aangesloten op de schakeling.

FIGUUR 3.9 SCHERM, UITWAAIERPATROON, CONNECTOR EN KABEL

57

3.4 UITWERKING VAN DE SCHAKELING

3.4.1 Testschakeling

Eerst heb ik een testschakeling gemaakt door alle componenten te solderen op een bordje. Het bleek best om deze één voor één te testen. Zo weet je direct waar de fout ligt als de schakeling niet doet wat je er van verwacht. Een test was daarna om een gewoon LCD-schermpje aan te sturen. Ik schreef dus de code voor de microcontroller, en uiteindelijk bleek dit te lukken. Het is uiteindelijk de bedoeling om met deze schakeling het PDLC-scherm aan te sturen. Het ontwerp van het PDLC-scherm (versie 2) staat weergegeven in hoofdstuk 2. Ik heb het LCD-schermpje gesoldeerd op een bordje, op een zodanige wijze dat de lay-out van het PDLC-ontwerp wordt nagebootst. De dertig groene draden onderaan liggen dus op een identieke wijze als de dertig contactpunten die we hebben bij ons PDLC-ontwerp. Op deze manier kunnen we exact dezelfde schakeling en code gebruiken om later het PDLC segment aan te sturen.

FIGUUR 3.10 LCD SCHERM

Op figuur 3.9 is het schermpje te zien, alsook de LCD-driver. Deze is gesoldeerd op een uitwaaierbordje, wat het mogelijk maakt om de uitgangen van de LCD-driver te verbinden met de pinnen van het schermpje.

Op figuur X staat dan het testbordje weergegeven waarop de schakeling is gebouwd. De lay-out hiervan is niet zo schitterend. Dit komt doordat er gaandeweg elementen zijn toegevoegd die eerst niet voorzien waren. Maar het werkt, en dit is uiteindelijk het belangrijkste bij een test-opstelling.

58

FIGUUR 3.11 TESTSCHAKELING

Rechts is de J-TAG connector te zien, deze wordt gebruikt om de Microcontroller te verbinden met de COM-poort van een computer, en hem zo te programmeren en te debuggen. Links bovenaan is de spanningsregulator aangebracht. Aan de ingang leggen we een hoge spanning (10 Volt) aan. Deze spanning vertrekt dan via een draad naar de LCD-driver. Zij wordt ook omgezet naar 3,3 V en deze spanning wordt dan gebruikt als voedingsspanning voor de microcontroller en de LCD-driver. Er zijn ook drie drukknoppen aangesloten op de microcontroller. Twee knoppen zijn er om de uren en de minuten in te stellen. Met de andere knop kun je switchen tussen verschillende modes: in mode 1 geeft het scherm de minuten en de seconden weer, in mode 2 geeft hij de uren en minuten weer, in mode drie geeft het scherm de letters ‘CMTS’ weer. Moesten we bijvoorbeeld een temperatuursensor aansluiten op de microcontroller zouden we ook de temperatuur dus eenvoudig kunnen laten weergeven op het schermpje aan de hand van deze knoppen. Vanuit de microcontroller vertrekken eveneens vier draden naar de LCD-driver. Deze worden gebruikt om hem serieel aan te sturen. De LCD-driver zit op een uitwaaierbordje zodat het soldeerwerk heel wat makkelijker verloopt.

FIGUUR 3.12 COMPLETE TESTSCHAKELING

59

De LCD-driver heeft ook 40 outputs, 30 ervan worden gebruikt om de segmenten van ons scherm aan te sturen. Elk van deze outputs kan gebruikt worden om de common (ook wel backplane genoemd) van een scherm aan te sturen. Hier hebben we segment S40 van de LCD-driver aangesloten op de backplane. Via de microcontroller laden we een “0”-bit in het register van dit segment. Elk segment dat in zijn register een “1”-bit heeft staan zal in tegenfase worden aangestuurd als de common, en zal dus aanstaan. Elk segment dat in zijn register een “0”-bit heeft staan zal in fase worden aangestuurd met de common. Er is geen spanningsverschil, en dus zal het segment uit staan.

3.4.2 PCB-Ontwerp

Nu onze testschakeling naar behoren werkte, was het wenselijk om deze ook op een PCB uit te werken. Via het programma EAGLE maakte ik dan een 2-laags PCB-ontwerp. Sommige componenten (zoals de microcontroller) zijn vrij makkelijk te vinden in libraries die online staan, andere heb ik zelf moeten definiëren. Zoals al eerder gezegd, hebben we voor onze schakeling een voedingsspanning nodig van rond de 10V. Met behulp van een 12V-adaptor en bijhorende socket kan het bordje overal makkelijk aangesloten worden op het elektriciteitsnet. De connector van deze adaptor wordt dan ook gesoldeerd op het PCB. Indien men een andere uitgangsspanning dan 12 Volt wil aanleggen, kan men dit doen door een DC-spanningsbron te verbinden met de input en de aarding van de voltage regulator die gesoldeerd is op het bordje. Ik had eerst de J-Tag connector over het hoofd gezien. Zonder deze kan de microcontroller niet geprogrammeerd worden. Daarom zijn er extra draadjes gesoldeerd op het bordje. Eens de controller is geprogrammeerd blijft de code bewaard. De volgende keer als we de adaptor aansluiten op het bordje begint de code dus opnieuw te lopen.

FIGUUR 3.13 PCB ONTWERP: SMD COMPONENTEN

60

Links op figuur 3.13 is de connector te zien. De grootste component in het midden is de LCD-driver. De kleinere component is de microcontroller. Verder zijn er ook enkele weerstanden en capaciteiten op het PCB gesoldeerd.

FIGUUR 3.14 PCB ONTWERP: BOVENZIJDE VAN HET BORD

Op figuur 3.14 is dan de andere zijde van het PCB te zien. Rechts bovenaan staat de socket waar de adaptor op kan aangesloten worden. Links ervan is de Voltage regulator te zien. Verder ziet men nog enkele drukknoppen en ook het kristal dat erop is gesoldeerd.

FIGUUR 3.15 COMPACTER PCB ONTWERP

61

Het ontwerp van het PCB is nog niet optimaal. De componenten kunnen dichter bij elkaar geplaatst worden, en de J-Tag connector moet er ook op geplaatst worden. Daarom heb ik een ontwerp gemaakt voor nog een verbetering van het PCB. Dit is te zien op figuur 3.15. Er was niet voldoende tijd meer om dit te bestellen en te bestukken, maar aangezien het vorige ontwerp ook naar behoren werkte vormde dit geen probleem.

62

HOOFDSTUK 4

RESULTAAT EN MOGELIJKE VERBETERINGEN

4.1 RESULTATEN

Deze thesis bestond eigenlijk uit twee grote delen. Er moest een flexibel scherm worden gefabriceerd, en een elektronische schakeling die het scherm aanstuurt. Deze moeten vervolgens worden geconnecteerd. Het eindresultaat van dit alles is te zien in figuur 4.1. Zowel het scherm als de schakeling werkte naar behoren.

FIGUUR 4.1 PCB MET SCHERM

De finale schakeling is een Printed Circuit Board. Deze wordt aangestuurd met een 12-Volt adaptor. Zij houdt de tijd bij en genereert de stuursignalen voor het flexible scherm. Het flexibel scherm is gemaakt in de PDLC-technologie. Het is een 7-segment reflectief display met 4 cijfers waarop de tijd wordt weergegeven (zie figuur X). Er wordt gebruik gemaakt van een crossover om het ‘backplane’ aan te sturen, en de reflectieve achtergrond is een aluminium substraat. Het scherm werkt op een AC spanning. Hier is gebruik gemaakt van een 64 Hz blokgolf met als amplitude 12 Volt.

63

FIGUUR 4.2 FLEXIBEL SCHERM

Er zijn enkele metingen gedaan op PDLC met een aluminium achtergrond. Bij gebundeld licht werd een contrastratio van 10:1 gemeten onder een hoek van 45°. Bij diffuus licht was dit heel wat lager. Onder een hoek van 45° werd een waarde van 4:1 bekomen.

64

4.2 MOGELIJKE VERBETERINGEN

Er zijn veel verschillende deelaspecten aan bod gekomen bij deze thesis. Ik heb deze in zekere mate proberen uitwerken, maar ze zijn elk nog voor verbetering vatbaar. Het scherm zelf werkt naar behoren, maar er kan bijvoorbeeld nog gewerkt worden naar een lagere schakelspanning, een beter contrast, een mooiere afwerking. De metingen op het PDLC en zijn eigenschappen kunnen verder uitgewerkt worden om de eigenschappen van het scherm te karakteriseren. Er kan bijvoorbeeld ook gekeken worden of er schermpjes produceerbaar zijn met een kleinere spacergrootte, iets tussen de 5 en 10 μm. Dit zou in theorie de schakelspanning omlaag moeten brengen. Er kan gezocht worden naar manieren om de crossover visueel minder storend te maken. Ik heb al enkele ideeën hiervoor besproken in hoofdstuk 2. De reflectieve achtergrond zou beter tot zijn recht komen als het aluminium gesputterd zou zijn op het achterste substraat. Een oplossing voor dit probleem is wel niet evident.

Nu geeft het scherm al een redelijk goed resultaat als het wordt aangestuurd met 5 à 6 Volt. Als de schakelspanning nog wat verder omlaag gebracht kan worden, kan het scherm misschien aangestuurd worden via twee kleine 3-Volts batterijen.

Het elektronisch circuit kan dan van dezelfde vorm zijn als in deze thesis. Maar bij dat soort spanningen kan het elektronisch circuit waarschijnlijk ook wat vereenvoudigd worden: er zijn microcontrollers op de markt met ingebouwde LCD-drivers die nog werkzaam zijn bij een dergelijke voedingsspanning en die ook hun uitgangssignalen zo hoog kunnen sturen (bijv. [12]).

Het circuit kan dan uitgewerkt worden op flexibele substraten, en verbonden worden met het scherm. Het geheel zou dan ingebed kunnen worden in een siliconenband, om dan een volledig flexibel polshorloge te bekomen. Dit proces is ook niet vanzelfsprekend, maar Thomas Vervust heeft dit uitgewerkt in zijn thesis.

Dit alles was eigenlijk al min of meer de doelstelling van deze thesis, maar het bleek iets te ambitieus. Deze thesis en die van Thomas Vervust kunnen echter een mooie basis vormen voor een toekomstige realisatie ervan.

65

Bijlage A – Code Microcontroller

#include <msp430x20x2.h> int seconds = 0; int minutes = 0; int hours = 0; int i=0; int teller=0; int mode = 0; // mode op 0: minutes/seconds weergeven, mode op 1:

// hours/minutes weergeven // mode op 3: CFMT weergeven (center for microsystem technology) void putTime(void); void clockTick(void); void putOne(void); void putZero(void); void putNumber(int a); void putLetters(); // functie om CFMT weer te geven #define Pin1 0x10 // Drukknop: switch on P1.4 #define Pin2 0x20 // Drukknop: switch on P1.5 #define Pin3 0x40 // Drukknop: switch on P1.6 int main( void ) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop watchdog timer to prevent time out reset P1DIR |= 0x01; // P1.0 op output mode zetten -> STR P1DIR |= 0x02; // P1.1 op output mode zetten -> DI P1DIR |= 0x04; // P1.2 op output mode zetten -> Clock P1DIR |= 0x08; // P1.3 op output mode zetten -> FR P1IES = Pin1 + Pin2 + Pin3; // P1 edge select = high to low // Drukknop gaat van hoge naar lage spanning P1IE = Pin1 + Pin2 + Pin3; // P1 interrupts enabled P1IFG = 0x00; // Clear port 1 flags P1OUT = 0x00; // Ouputs op nul zetten TACCR0 = 32768/128; // 64 Hz TACTL = TASSEL_1 + MC_1; // TACLK = ACLK, up mode CCTL0 |= CCIE; // enable CCRO interrupt __enable_interrupt(); while(1){ _BIS_SR(LPM3_bits + GIE); // Power saving mode } return 0; } void putTime(void) { int h1 = hours/10; int h2 = hours%10; int m1 = minutes/10; int m2 = minutes%10; int s1 = seconds/10; int s2 = seconds%10; if(mode == 0){ // Minuten en seconden weergeven op het scherm putZero(); //S40 is de common putNumber(m1); putNumber(m2); putOne(); putNumber(s1); putNumber(s2); } if(mode == 1){ // De uren en minuten weergeven op het scherm putZero();

66

putNumber(h1); putNumber(h2); putOne(); putNumber(m1); putNumber(m2); } if(mode == 2){ // De letters CFMT op het scherm zetten putLetters(); } // Nog tien segmenten zijn op de LCD-driver niet ingevuld for(int j=0;j<9;j++) putOne(); putZero(); P1OUT |= 0x01; // Zet STR op 1 for (int j = 50; j>0; j--); P1OUT &= ~0x01; // STR weer op 0 for (int j = 50; j>0; j--); } void putLetters(){ // CFMT weergeven putZero(); // S40 is de Common // De C for(int j=0;j<4;j++) putOne(); for(int j=0;j<3;j++) putZero(); // De F for(int j=0;j<3;j++) putOne(); putZero(); putZero(); putOne(); putZero(); // Nu de twee puntjes putZero(); // De M for(int j=0;j<3;j++) putOne(); putZero(); putOne(); putZero(); putOne(); // De T putZero(); putOne(); putOne(); putOne(); putZero(); putOne(); putZero(); } void putNumber(int a){ // Afhankelijk van het cijfer moeten de juiste segmenten aan (putOne) of uit (putZero) staan switch (a) { case 0: for(int i=0;i<5;i++) putOne(); putZero(); putOne(); break; case 1: for(int i=0;i<4;i++) putZero(); putOne(); putZero(); putOne(); break; case 2: putOne();

67

putZero(); for(int i=0;i<2;i++) putOne(); putZero(); putOne(); putOne(); break; case 3: putOne(); for(int i=0;i<2;i++) putZero(); for(int i=0;i<4;i++) putOne(); break; case 4: putZero(); putOne(); for(int i=0;i<2;i++) putZero(); for(int i=0;i<3;i++) putOne(); break; case 5: for(int i=0;i<2;i++) putOne(); putZero(); for(int i=0;i<3;i++) putOne(); putZero(); break; case 6: for(int i=0;i<6;i++) putOne(); putZero(); break; case 7: putOne(); for(int i=0;i<3;i++) putZero(); putOne(); putZero(); putOne(); break; case 8: for(int i=0;i<7;i++) putOne(); break; case 9: for(int i=0;i<2;i++) putOne(); putZero(); for(int i=0;i<4;i++) putOne(); break; default: break; } } void putOne(void) // een 1 zetten op DI, en 1 clocktick { P1OUT |= 0x02; // Zet DI op 1 P1OUT |= 0x04; // Zet P1.1 op 1 P1OUT &= ~0x04; // terug op nul P1OUT &= ~0x02; } void putZero(void) // een nul zetten op DI, en 1 clocktick { P1OUT &= ~0x02; // Zet DI op nul P1OUT |= 0x04; // Zet P1.1 op 1 P1OUT &= ~0x04; // terug op nul } void clockTick(void) { seconds++; // update time if (seconds >= 60)

68

{ seconds = 0; minutes++; if (minutes >= 60) { minutes = 0; hours++; if (hours >= 25) { hours = 0; } } } } // Timer A0 interrupt service routine #pragma vector=TIMERA0_VECTOR __interrupt void Timer_A (void) { // Er worden 128 interrupts per seconde gegenereerd teller++; if(teller>=127){ // Na 128 interrupts is er dus 1 seconde gepasseerd teller = 0; clockTick(); // Aanpassen van de tijd putTime(); // Correcte tijd weergeven op het scherm } P1OUT ^= 0x08; // Toggelen van P1.3(FR) // We gebruiken hier dus 64 Hz om de LCD driver aan te sturen } #pragma vector=PORT1_VECTOR __interrupt void Port_1(void) { if (P1IFG & Pin1) // If "Pin1" btn pressed { seconds = 0; } if (P1IFG & Pin2) // If "Pin2" btn pressed { minutes++; if (minutes >= 60) { minutes = 0; hours++; if (hours >= 25) { hours = 0; } } } if (P1IFG & Pin3) // If "Pin3" btn pressed { // Schakelen tussen modes (zie putTime) mode++; if(mode >= 3){ mode = 0; } } // Debouncer: eventjes wachten om de flags te clearen om een eventueel dubbel // contact op te vangen for (double t1 = 1000; t1>0; t1--); P1IFG = 0x00; }

69

Bijlage B – Display Fabrication

Technology, run n°, responsible: Thesis_PDLC_test_6 JG Substrates, number, tags: PES (150µm) - ITO (0.115µm) (none)

30mm x 20mm (6)

Purpose: segment PDLC display trial

Substr. Header Step n° Step code Parameters Remarks

1. Preparation 15601 POST_BAKE 30' @ 120˚C to dry out the substrates, no carrier 13100 MASK 30", no mask

2. ITO layer patterning 1209 SPIN_18 1' @ 2000rpm

5600 HOT_PLATE 2' @ 90˚C

13100 MASK 10", glass mask SHIFT resistances preferable to use black background and NO contact to avoid bubbles

13000 DEV_SHIP 45" 16000 CON_PROJ green filter OK 15601 POST_BAKE 30' @ 120˚C 4107 WET_ITO 2', BHF10 6001 CON_ITO OK 3200 STRIP 1' aceton, 1' DI, rinse and dry 6001 CON_ITO resistance measurable OK 3. Display assembly 11200 SPIN_SPAC 30" @ 3000rpm 10 micron spacers

12000 APP_PDLC 6-7 ul for 20mm by 20 mm "active area"

homogenity important, avoid bubbles, no pressing preferred (rather dropping substrate)

13101 ILLUM_FRONT 200" @ 14.5/10.5 mW better with mask holder removed after PES is placed (ring in middle) 5. Functionality test begin: 5V; fully switched: 10V

70

Bijlage C – Cu Patterning

Technology, run n°, responsible: Thesis_bond_test

patterns JG

Substrates, number, tags: PI (25µm) - Cu (9µm) (none) 100mm x 100mm (2)

Purpose: Cu patterning on foils for test bonding


(if exc.) 1. Preparation flex foils to rigid carrier for handling Nitto Denko double-sided tape 14101 µETCH_CU 1' microetch, 1' 10%-HCL, rinse 2. Cu layer 11202 SPIN_4562 1' @ 2000rpm 15601 POST_BAKE 30' @ 90˚C 13100 MASK 22.5", mask thesis bond test 13000 DEV_SHIP 10min 16000 CON_PROJ green filter OK 15601 POST_BAKE 30' @ 120˚C 4109 WET_CU 11. Plating 12301 BUMP_PCB 3' cleaner 400C #VERW! 2' rinse #VERW! rinsing water hose #VERW! 3' micro-etch #VERW! rinsing water hose

71

#VERW! 4' Pd-activator 15" rinse 15" rinse 8' @ 90°C Ni ~3µm, commercieel Ni-bad + 50 ml 25MTA + 50 ml 5ATB + 20 ml 50PA3 1' rinse rinsing water hose 8' @ 70°C Au drying N2-gun 45' @ 150°C #VERW! 3. Release #VERW! 5' @ 150°C: flex foils released from carrier

72

Bijlage D – ITO Patterning Technology, run n°, responsible: Thesis_bond_test_pattern_ITO JG

Substrates, number, tags: PES (150µm) - ITO (0.115µm) (none) 50mm x ~30mm (5)

Purpose: ITO patterning on foils for test bonding


(if exc.)

1. Preparation 15601 POST_BAKE 30' @ 120˚C to dry out the substrates, no carrier

2. ITO layer 1209 SPIN_18 1' @ 2000rpm 5600 HOT_PLATE 2' @ 90˚C 13100 MASK 10", mask thesis ITO patterns 13000 DEV_SHIP 45" 16000 CON_PROJ green filter OK 15601 POST_BAKE 30' @ 120˚C 4107 WET_ITO 2', BHF10 6001 CON_ITO OK 3200 STRIP 1' aceton, 1' DI, rinse and dry 6001 CON_ITO resistance measurable OK

Bijlage E – Display Bonding

Bonding PES display to PI flex pre-bonding (manual) 1mm silicone interposer 5" @ 170°C

final bonding (Farco automatic) 1 0.2mm silicone interposer 2.5 bar buildup 30" @ 200°C OK

73

Bijlage F – Meting Transmissief Scherm

Transmissief scherm Spanning oscilloscoop (V) Vrije doorgang licht 4,553 1 PES-substraat 3,883 Lichtstraal geblokkeerd 0,03 gesealed 3 maand oud schermpje, 10 µm spacers

gesealed 10 dagen oud schermpje, 10 µm spacers

Amplitude Spanning Meting Amplitude Spanning Meting

over scherm (V) Oscilloscoop (V) Transparantie (%) over scherm (V) Oscilloscoop (V) Transparantie

(%) 0 0,94 20,64572809 0 0,387 8,499890182

1,15 0,993 21,80979574 1,05 0,414 9,092905776 2,06 1,155 25,3678893 1,99 0,495 10,87195256 3,08 1,554 34,13134197 3,03 0,722 15,85767626 4,15 2,372 52,09751812 3,95 1,197 26,29035801 5,12 2,956 64,92422579 5,04 2,109 46,32110696 6,08 3,22 70,72260048 6 2,857 62,74983527 7,13 3,374 74,10498572 7,01 3,322 72,96288162 8,05 3,44 75,5545794 8,1 3,535 77,64111575 9,12 3,483 76,49901164 9 3,604 79,15660004

10,16 3,503 76,93828245 10,08 3,644 80,03514166 11,05 3,513 77,15791786 10,99 3,653 80,23281353 11,92 3,517 77,24577202 11,88 3,661 80,40852185

niet gesealed 3 maand oud schermpje, 10 µm Contrast Ratio 9,45994832

Scherm (V) Oscilloscoop (V) 0 1,03 22,62244674

74

10 dagen oud gesealedPDLC Segment, 10 µm spacers

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15


Tra

nspa

rant

ie (%

)

3 maanden oudPDLC Segment, 10 µm spacers

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15


Tra

nspa

ran

tie (

%)

10 dagen oud gesealedPDLC segment 5,2 µm spacers

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7


Tra

nspa

rant

ie (

%)

75

Transmissief scherm

Spanning op oscilloscoop (V)

Vrije doorgang licht 4,536 Licht volledig geblokkeerd 0,03 gesealed 10 dagen oud schermpje: 5,2 µm spacers Spanning over scherm (V) Meting Oscilloscoop (V) Transparantie (%)

0 0,496 10,93474427 0,52 0,604 13,31569665 1,01 0,645 14,21957672 1,58 0,734 16,18165785 2,11 0,87 19,17989418 2,51 1,011 22,28835979 3,08 1,307 28,81393298 3,5 1,701 37,5

4,14 2,251 49,62522046 4,57 2,7 59,52380952 5,16 3,049 67,21781305 5,52 3,199 70,52469136 6,13 3,4 74,95590829

Vanaf hier ging het mis: kortsluiting 3 maanden oud, gesealed

0 0,4 8,818 3 maanden oud, niet gesealed

0 1,871 41,248

76

Bijlage G – Meting Reflectief Scherm Reflectief scherm – Gerichte bundel Gemeten Lichtsterkte 204000 Lux Straal van luxmeter 1,2 Cm Oppervlakte 4,523904 Cm² Straal van diafragma 0,8 Cm Oppervlakte 2,010624 Cm² Werkelijke Lichtsterkte 459000 Lux

Hoek van meettoestel met vlak van het scherm

Hoek 30° Hoek 45° Hoek 70°

Amplitude Spanning Meting Spanning Luminantie Contrast Spanning Luminantie over scherm (V) Oscilloscoop (V) (V) (cd/m²) (V) (cd/m²)

0 58390 0 103142 1 0 139735 1,02 102686 1,00444072

1,96 54936 2,09 98377 1,04843612 3,14 87545 1,1781598 3,03 120755

4,03 40338 4,02 76697 1,34479836 4,99 57568 1,79165509

6,01 24618 6,15 42394 2,43293862 6,02 98613 7,08 32652 3,15882641

8,02 14657 8,1 22970 4,49029168 9,14 18024 5,72248114 9,07 32339

10,12 9458 10,11 14921 6,91253937 11,03 12214 8,4445718

11,92 7095 11,97 10477 9,84461201 11,92 17563 Contrast 8,229739253 Contrast 9,844612007 Contrast 7,95621477 Reflectiviteit 0,399647111 Reflectiviteit 0,705949689 Reflectiviteit 0,956408444

77

12 dagen oud scherm (10 µm) - Hoek van 30°

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 5 10 15

Amplitude Spanning (V)

Lum

inan

tie (c

d/m

²)


0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0 5 10 15


Lum

inan

tie (c

d/m

²)


020000400006000080000

100000120000140000160000

0 5 10 15


Lum

inan

tie (c

d/m

²)


0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15

Amplitude Voltage (V)C

ontra

st ra

tio

78

Reflectief scherm – Diffuus licht Gesealed 14 dagen oud schermpje: 10 µm spacers

Hoek Illuminantie Luminantie PDLC op 0V Luminantie PDLC op 12 V Wit papier Zwarte letter op wit

papier (lux) (cd/m²) (cd/m²) (cd/m²) (cd/m²)

30° 597 81,82 18,64 157,1 6,2 45° 602 89,77 23,53 153,7 5,504 70° 406 90,02 13,4 132 10,11

Hoek Contrast van display Contrast van Papier Effectieve reflectiecoëfficient Effectieve

reflectiecoëfficient Verhouding luminanties PDLC Wit papier PDLC/Wit papier

30° 4,389484979 25,33870968 0,430562332 0,826709146 0,520814768 45° 3,815129622 27,92514535 0,46847414 0,802099535 0,584059857 70° 6,717910448 13,05637982 0,696568552 1,021406897 0,681969697

79

Bibliografie

[1 ]http://tfcg.elis.ugent.be/

[2] Thomas Vervust: Realisatie van een “Flexible and stretchable wristworn display”

[3] Filip Bruyneel: “Introductie van kleur in reflectieve PDLC en PNLC microdisplays”

[4] http://www.kentdisplays.com/tech/papers.html

[5] http://www.eink.com/technology/flexible.html

[6] HTTP://WWW.NHK.OR.JP/STRL/OPEN98/4-5/PDLC-E.HTML

[7] http://stanleyglass.trustpass.alibaba.com/product/11517063/

PDLC_Liquid_Crystal_Glass_Privacy_Glass.html

[8] http://www.usdc.org/resources/tutorials/Overview_Flex_Tech_Oct2005.pdf

[9] Merck: http://www.merck.de

[10] http://www.flipchips.com/tutorial22.htm

[11] http://www.kentdisplays.com/tech/papers/2007/New%20Development

%20in%20Flexible%20Cholesteric%20Liquid%20Crystal%20Displays.pdf

[12] Microcontroller van Philips:

http://www.nxp.com/#/pip/pip=[pip=P89LPC9401_1]|pp=[t=pip,i=P89LPC9401_1

Integratie van een flexibel display in een uitrekbaar...

Documents

Transcript of Integratie van een flexibel display in een uitrekbaar...