具有高對比度的近晶型液晶開關或顯示設備的製作方法

2023-09-20 03:27:35 2

專利名稱：具有高對比度的近晶型液晶開關或顯示設備的製作方法
基於作為電光活性層的近晶型液晶混合物的顯示器或電光顯示設備正由於其高響應速度而日益重要。
為了近晶型液晶在電光或全光學單元中的應用，需要能夠形成傾斜或正交近晶相且本身是光學活性的化合物，或通過用光學活性化合物摻雜儘管能形成這種近晶相但本身不是光學活性的化合物來誘導鐵電或電臨床(elektroklin)活性近晶相。所需相還應該在儘可能寬的溫度範圍內穩定以保證顯示器具有寬的操作範圍。尤其是，可獲得的對比度應該在整個操作範圍內儘可能高。液晶顯示器原則上可作為有源或無源矩陣顯示器操作。
在所謂的有源矩陣技術(AMLCD)中，非結構化基質通常與有源矩陣基質混合。電學非線性單元如薄膜電晶體被整合到有源矩陣基質的每個像素中。非線性單元也可以是二極體、金屬-絕緣體-金屬和類似單元，它們可有利地通過薄膜工藝來生產並描述於相關文獻(參見例如T.Tsukuda，TFT/LCD通過薄膜電晶體編址的液晶顯示器，Gordon和Breach 1996，ISBN 2-919875-01-9以及其中引用的參考文件)。
有源矩陣LCD通常用近晶型液晶以TN(扭曲近晶)、ECB(電控雙折射)、VA(垂直排列)、IPS(面內開關)或OCB(光學補償彎曲)模式操作。在每種情況下，通過有源矩陣在每個像素上產生個體強度的電場，產生排列上的變化和因此的雙折射變化，這又在偏振光光學可見。這些工藝的一個嚴重缺點在於視頻能力差，即近晶型液晶的響應時間過慢。尤其是，近晶LCD不能夠顯示劇烈移動的圖畫，這例如描述於Sueoka等人(K.Sueoka，H.Nakamura和Y.Taira)的SID 1997，p.203-206，ISSN1083-1312/97/1701-0203。
為此以及其它原因，已經在WO97/12355或在Ferroelctrics1996，179，141-152中或由W.J.A.M.Hartmann(IEEE Trans.Electron.Device 1989，36，9；Pt.1，pp.1895-9和Dissertation，Eindhoven，荷蘭，1990)提出了基於鐵電液晶材料和有源矩陣單元組合的液晶顯示器，但由於溫度範圍有限和難以再現近晶結構而在實踐上並未成熟。
儘管Hartmann採用電荷控制的雙穩性來顯示近乎連續的灰度，但Nito等人已經提出了一種單穩定FLC幾何(SID雜誌，1/2，1993，pp.163-169)，其中FLC材料通過較高電壓排列使得僅產生單個穩定位置，由此通過薄膜電晶體所施加的電場隨後形成許多中間態。如果在正交起偏振器之間單元幾何相配，這些中間態對應於許多不同亮度值(灰值)。
Nito等人的FLC的缺點在於出現條紋結構，這限制了該單元的對比度和亮度(參見前述引用文的圖8)。另外，該方法僅在最高為傾斜角的最大值的角範圍內產生開關，該角在Nito等人所用材料的情況下為約22°(參考165頁，圖6)，因此僅產生兩個平行偏振器透射率(Transmission)的50％的最大透射率。
Terada等人已經提出了一種單穩定FLC構型(Terada，M.，Togano，T.，Asao，Y.，Moriyama，T.，Nakamura，S.，Iba，J.，在應用物理會議上提交，1999年3月28日，日本東京；摘要No.28p-V-8)。關於相，Terada等人將序列I-N-C(見下文定義)定義為「充分的」。但這些原型尚未適合在較大溫度範圍內實際使用。原因之一是，I-N-C實際上是一個必要而非充分條件，而且實際使用中的適應性對液晶提出許多其它條件。
本發明的一個目的是提供一種合適的手性近晶型液晶混合物和包含該合適手性近晶型液晶混合物的開關設備(Schaltvorrichtung)或顯示設備，其中所述液晶混合物由於其優異的排列性能和特定的有利排列角而有可能在寬溫度範圍內獲得非常高的對比度。
在寬溫度範圍內的甚高對比度的前提條件是LCD單元的極小暗透射率(Dunkeltransmission)。這本身又一方面僅在該混合物排列性能優異時才能獲得，因為來自暗位置(Dunkelstellung)的方向子(Direktor)的任何缺陷或局部偏差都可明顯降低對比度，另一方面在排列僅隨著溫度稍微變化時才能獲得。如果考慮到例如-10℃至+60℃，優選0℃至+55℃，尤其是10℃至50℃的寬操作溫度範圍，這尤其適用。
按照本發明，該目的通過一種包含手性近晶型液晶混合物的液晶開關或顯示設備而實現，其特徵在於，該液晶混合物中的磨擦方向和近晶層法線(Schichtennormale)之間的角度與傾斜角(Tiltwinkel)的比率Δ/Θ至少為0.41。
優選地，該目的通過一種採用具有相序I-N-C的手性近晶型液晶混合物的手性近晶開關或顯示設備而實現，所述符號具有以下含義I＝各向同性相N＝向列或膽甾相C＝手性的或包含手性摻雜劑(為了簡化表示，省略文獻中常見的符號*)的近晶C相(包括C相的所有子類)或另一傾斜相，且所述排列使得定義為w＝Δ/Θ的角度比率w至少為0.41，其中Δ是磨擦方向(

圖1的軸1)和近晶層法線(圖1的軸2)之間的角度，其中術語磨擦方向包括通過磨擦處理之外的其它方法如光定向或類似方法得到的優先方向，且Θ是傾斜角，優選利用電壓或X-射線分析根據響應行為來確定(分別為圖1的軸2和4』或2和4)。
w值優選至少為0.45，特別優選大於0.53，尤其是0.55-0.99，最優選0.60-0.85。
特別優選，w至少為0.41，同時將傾斜角範圍限制至19-39°，優選20-36°，特別優選22-34°，最優選23-33°，尤其是24-32°(在25℃下)。
另外，按照本發明，該目的通過一種包含手性近晶型液晶混合物的手性近晶開關或顯示設備而實現，所述液晶混合物具有單穩定排列的相序I-N-C，所述排列使得磨擦方向與單穩定位置(最大暗位置，圖1中的軸1和3)之間的角度ρ至少為1°，優選至少1.3°，特別優選至少1.6°，尤其是至少1.9°。
優選將本發明液晶開關和顯示設備的上述第一和第二、第一和第三、第二和第三、或第一、第二和第三實施方案的特徵結合在一起。
特別優選w至少為0.41，同時角度ρ超過1°。
特別優選w至少為0.41，同時將傾斜角範圍限制至19-39°(在25℃下)，且作為附加條件，角度ρ超過1°。
特別優選，w至少為0.41，同時將傾斜角範圍限制至19-39°(在25℃下)，角度ρ超過1°且作為附加條件，自發極化小於150nC/cm2。
優選的是具有相序I-N-C的混合物，其中在操作溫度範圍內的自發極化小於150nC/cm2，特別優選小於70nC/cm2，甚至特別優選小於35nC/cm2，尤其是小於15nC/cm2，最尤其是4.1-9.9nC/cm2。
這種顯示器具有幾乎或完全無缺陷的排列和非常暗的暗位置，並因此在寬溫度範圍內具有高對比度。這種顯示器的例子為有源矩陣顯示器或無源矩陣顯示器。
按照本發明，該目的同樣通過一種手性近晶開關或顯示設備，尤其是通過一種包含液晶混合物的有源矩陣顯示器和通過具有相(過渡)序列I-N-C的液晶混合物本身而實現，所述液晶混合物具有中度，即不太強和不太弱的的受抑近晶A相，其表現出一個或兩個以下特徵-基於總混合物，增加該混合物中能誘導近晶A相的至少一種組分的濃度25％重量導致在該混合物中出現明顯的smA相範圍，而增加濃度僅5％重量不會導致出現smA相，或-基於總混合物，加入10％重量的近晶A誘導物，優選組分A，CAS-Reg.-Nr.156682-16-5，名稱5-[6-(辛基氧基)-3-吡啶基]-2-(辛基氧基)嘧啶 導致出現低於5.5℃(相寬度)的smA相範圍，但在加入基於總混合物25％重量的組分A時至少為0.1℃。
本發明還涉及一種尋找合適的液晶混合物的方法，包括上述方法步驟。
另外，如果該LCD單元具有非對稱結構則是有利的，即，除了可能的有源矩陣結構(薄膜電晶體)本身，該單元的上側和下側在至少一個特徵上不同。這尤其是以下情況●如果使用非對稱的或非對稱處理的排列層(例如在反平行磨擦時)●如果省略兩個排列層之一●如果省略或改變兩個排列層之一的磨擦步驟●如果例如通過在其上和下側具有不同性能的附加絕緣層而引入非對稱層結構●採用最終導致液晶域相對平行於電極表面的對稱平面暴露於非對稱環境的所有措施。
明確包括在內的是，有利地將本發明的新材料和混合物用於有源矩陣顯示器、反鐵電顯示器和近晶顯示器，其中術語「顯示器」是指任何類型光學顯示器或開關設備，與其尺寸、結構、光導、編址和用途無關。
尤其是，本文所用的術語「有源矩陣顯示器」也包括LCD，其中兩個基質之一由IC晶片(IC＝集成電路)的背面替代，如例如描述於D.M.Walba，Science 270，250-251(1995)或http//www.dispaytech.com，即所謂的LCOS(矽上LC)技術。
尤其是，本文所用的術語「有源矩陣顯示器」也包括LCD，其中兩個基質之一由等離子體單元(等離子體編址LCD)的背面替代。
一般來說，優選的是電極間距0.7-3.0μm的顯示器，尤其是電極間距0.8-2.0μm的有源矩陣顯示器，其中包含一種具有弱受抑smA相的手性近晶混合物。
特別優選一種採用脈衝或快速變換背光(「順序背光」技術)的顯示器。
該目的同樣通過在單穩定開關和顯示設備或顯示器中使用一種具有相序I-N-C的手性近晶型液晶混合物作為電光活性層而實現，其特徵在於，所述手性近晶型液晶混合物具有以下的性能組合TC大於50℃和TNI小於105℃和19°＜傾斜角(25℃)＜39°和自發極化小於150nC/cm2和膽甾型螺旋的螺距大於2μm和在低於Tc(光學活性近晶相存在範圍的上限)15℃和5℃下測定的傾斜角的差值低於9.5°。有利的是該混合物包含總量至少為20％重量的N-和/或S-雜環化合物。特別優選噻吩衍生物。
在附圖中圖1是各個所用角度的相對位置的示意2是實施例1的相3顯示對於實施例6化合物，試驗單元的光學透射率與電壓的之間關係。
本發明通過以下實施例更詳細描述實施例1為了說明中度受抑smA相，由混合物M1和組分B製備出一種混合物 組分B的濃度連續變化。這樣，得到該混合物相圖的二維部分，描繪於圖2。表1試驗混合物M1的組成
NAC三臨界點出現在([M1]＝66％重量，[B]＝34％重量)時，例如描繪於圖2(在圖2中，T表示攝氏溫度，[B]表示組分B基於總混合物的重量百分數)。I、N、C已定義如上。A表示近晶A相。按照本發明，NAC點的附近測定如下。
製備出具有以下組成的6種試驗混合物表2試驗混合物P-U及其相序
所得混合物與作為smA誘導物的10％重量組分A(定義如上)混合。得到以下相範圍表3加入組分A(參見以上，10％重量)之後的試驗混合物PA-UA及其相序
這些數據說明，混合物U、T、S在本發明的優選範圍內，因為它們足夠遠離NAC多臨界點且smA足夠強地受到抑制。尤其是，通過加入25％的組分A，在混合物T、S和U中出現超過0.1℃的smA相範圍。
自發極化可通過加入合適的手性物質或物質混合物而調節至基本上任何值。例如，向混合物T中加入5％重量的組分C8(參見以下實施例3)得到具有相序I 115 N 84 C(Ps＝-7,8nC/cm2且傾斜角為27°(在25℃下))的手性近晶混合物。
實施例2 LCD試驗單元LCD試驗單元由透明的並塗有氧化錫銦而導電性的市售玻璃板製成。將板旋塗上排列層LQT-120(來自Hitachi Chemicals KK)(2500μ/分鐘，10秒)，它使用N-甲基吡咯烷酮稀釋至其原固體含量的8.3％，加熱(230℃，1小時)固化並隨後通過將它們進行磨擦工藝(磨擦材料人造絲型YA-20-R*，間隙0.2毫米，一次，輥速度700rpm，基材速度10釐米/秒，輥直徑10釐米)而排列。
將磨擦的玻璃板在與磨擦方向反平行的情況下粘附粘結成試驗單元並通過定距片(Abstandhalter)設定1.3μm的間距。
將FLC混合物填入單元中並通過冷卻起始排列成近晶或膽甾相。通過進一步冷卻，施加3伏特直流電壓並在2K/分鐘的冷卻速率下將單元變換到smC相(手性近晶C)範圍內。在此過程中，如果使用按照本發明的混合物，形成單穩定域。
磨擦方向(如果不是已知的)可通過加熱變換到近晶相併隨後確定正交偏振器之間的暗位置而實驗確定。
傾斜角通過在操作溫度下開關該單元而實驗確定。在此，觀察到在正和負壓(通常為20V)下的光學透射率的飽和作用，這與特定的旋轉角(圖1中的軸4，4』)有關。飽和時的角度差異得到值2Θ(＝傾斜角的2倍)，且角度二等分線得到層法線(圖1中的軸2)。暗位置可簡單地被確定。
實施例3實驗混合物由以下組分C1-C8(混合物V、W、X，參見表4)製成。描述於實施例2並使用這些混合物製成的單元的相變和某些性能匯總於表5。 組分C1組分C2 組分C3 組分C4 組分C5組分C6 組分C7組分C8表4混合物V、W、X的組成
表5手性近晶混合物和通過實施例2所述方法製成的單元的性能
混合物W和X具有相序I-N-C和Δ/Θ比率0.41(V)和0.49(W)。相反，使用具有相序I-N-A-C的混合物V不能導致本發明意義上的有利的用途。
實施例4將混合物W、X又與組分A混合，使得組分A在這些新混合物中的濃度為10％重量。得到以下的smA相寬度(ΔSa)表6具有10％重量組分A的smA相範圍(℃)
這些數據表明，混合物W和X具有足夠強受抑的smA相，它出現在加入10％ smA誘導物時，且寬度低於5.5℃。如果加入25％重量的組分A，得到超過0.1℃的smA相範圍。
實施例5檢查填充有混合物W和X的試驗單元的響應性能(表2)。為此，研究正交偏振器之間光學透射率與所加電壓(具有頻率60赫茲＝8.3ms寬度的雙極性脈衝序列)之間的關係。在30℃溫度下得到以下結果。
表7使用混合物W和X的模擬灰度
混合物W的響應時間(10V)0.22ms(0-50％)或0.15ms(100-50％)混合物X的響應時間(10V)0.20ms(0-50％)或0.12ms(100-50％)
可有利地使用具有中度但足夠強受抑的smA相的兩種混合物，因為可在低自發極化值下實現類似的灰度和亞毫秒響應。
實施例6製備出包含以下組分的其它8種試驗混合物
組分C9 組分C10
組分C11組分C12
組分C13組分C14
組分C15組分C16
組分C17表8試驗混合物Y1-Y8的組成。數量以重量百分數給出。
現在研究混合物Y1-Y8的響應性能、排列質量、對比度和傾斜角的溫度依賴性、圖1所示角、角度比率w和近晶A相的抑制度。實驗結果匯總於表9。在該表中，數值TC(對比度的溫度依賴性)和排列通過視覺檢查和和光學測量劃成三類(+良好，0中間，-差)而歸類。數值TT由傾斜角在低於Tc(smC存在範圍的限度)5℃(Θ5)和15℃(Θ15)下的溫度依賴性的測量值確定。即TT＝(Θ15-Θ5)/10.
數值Vo和Vs在圖3中定義(分別為閾電壓和飽和電壓)。圖3描繪了對於非常合適的混合物Y7，試驗單元的光學透射率與電壓的之間關係。
表9試驗混合物Y1-Y8的測量數據
權利要求
1.一種包含手性近晶型液晶混合物的液晶開關或顯示設備，特徵在於，該液晶混合物中的磨擦方向和近晶層法線之間的角度與傾斜角的比率Δ/Θ至少為0.41。
2.根據權利要求1所要求的液晶開關或顯示設備，特徵在於，該液晶混合物具有相序I-N-C且在25℃下的傾斜角Θ為19-39°。
3.一種包含手性近晶型液晶混合物的液晶開關或顯示設備，所述液晶混合物具有單穩定排列的相序I-N-C，特徵在於磨擦方向與單穩定位置之間的角度ρ至少為1°。
4.一種包含手性近晶型液晶混合物的液晶開關或顯示設備，所述液晶混合物具有單穩定排列的相序I-N-C，特徵在於在低於Tc15℃和5℃下測定的傾斜角的差值低於9.5°，Tc為光學活性近晶相存在範圍的上限。
5.根據權利要求1-4之一所要求的液晶開關或顯示設備，特徵在於所述混合物的自發極化小於150nC/cm2。
6.根據權利要求1-4之一所要求的液晶開關或顯示設備，特徵在於所述設備是有源矩陣或無源矩陣顯示器。
7.具有相序I-N-C的手性近晶型液晶混合物作為電光活性層在單穩定開關和顯示設備中的用途，特徵在於，所述手性近晶型液晶混合物具有以下的性能Tc大於50℃和TNI小於105℃和19°＜傾斜角(25℃)＜39°和自發極化小於150nC/cm2和膽甾型螺旋的螺距大於2μm和在低於Tc15℃和5℃下測定的傾斜角的差值低於9.5°，所述Tc為光學活性近晶相存在範圍的上限。
8.根據權利要求7所要求的用途，特徵在於所述開關和顯示設備如權利要求1-6之一定義。
9.根據權利要求8所要求的用途，特徵在於含氮或含硫的雜環化合物在該混合物中的總含量至少為20％重量。
10.根據權利要求9所要求的用途，特徵在於所述混合物包含至少一種噻吩衍生物。
11.一種具有相序I-N-C的手性近晶型液晶混合物，特徵在於，加入基於總混合物10％重量的近晶A誘導物導致出現低於5.5℃的近晶A相範圍，且加入基於總混合物的25％重量導致出現至少為0.1℃的近晶A相範圍。
全文摘要
液晶開關或顯示設備包含手性近晶型液晶混合物,其中該液晶混合物中的摩擦方向和近晶層法線之間的角度與傾斜角的比率Δ/H至少為0.41。優選地,該液晶混合物具有相序I－N－C且在25℃下的傾斜角為H19－39°。
文檔編號C09K19/34GK1364187SQ00810863
公開日2002年8月14日 申請日期2000年7月24日 優先權日1999年7月28日
發明者H-R·杜巴爾, B·赫農, 野中敏章 申請人:克拉裡安特國際有限公司