液晶裝置排列的製作方法
2023-05-15 01:21:41
專利名稱：液晶裝置排列的製作方法
技術領域：
本發明涉及液晶裝置排列。這種液晶裝置通常由封閉在盒壁之間的一薄層液晶材料構成。形成在盒壁上的光學透明電極結構使得作用在這一層液晶上的電場將液晶分子重新取向在一種通導(ON)狀態。一旦撤掉電場這些液晶分子就恢復到它們的關閉(OFF)狀態。
有三種已知類型的液晶材料，即向列相、膽甾相和近晶相液晶，它們分別具有不同的分子取向。
本發明具體涉及採用向列相或長螺距膽甾相液晶材料的液晶裝置和對盒壁的表面排列處理。這種表面排列處理使與盒壁接觸的液晶分子沿著一定的排列方向進行排列。通過將這些排列方向設置為正交方向，可以迫使液晶在其電壓關斷狀態下具有扭曲結構。這種液晶盒被稱為扭曲向列相液晶盒。在向列相液晶材料中加入少量膽甾相液晶材料使之具有選定的扭曲方向以確保液晶盒中的液晶分子具有一致的扭曲。此外還可以製成具有大於90°的扭曲角的液晶盒；例如在US-4,596,446中描述的超扭曲向列相液晶盒，或270°扭曲向列相液晶盒。排列處理的另一個要求是使在液晶盒壁處的液晶分子還具有一定的表面傾角。這種表面傾角對於確保某些液晶盒，例如在GB-1,472,247和1,478,592中所描述的液晶盒的均勻顯示是必要的。
有一種導致排列的方法稱為摩擦方法，這種方法使用一塊軟布單向摩擦具有或不具有聚合物層的液晶盒壁。液晶分子沿摩擦方向排列，根據聚合物層的情況通常具有大約2°或者更大的表面傾角。
另一種已知的排列技術為斜蒸技術，如斜蒸SiO技術，根據蒸發方向的角度不同，這種方法可以產生零表面傾角，或較大的傾角如30°。這種技術在大量製造時是很麻煩的，但是更重要的問題是它在液晶盒壁的整個大面積上難於形成均勻的排列方向和表面傾角。
構成熱色顯示的短螺距膽甾相液晶材料是藉助於在塑料液晶盒壁上形成壓紋的光柵結構排列的，這在GB-2,143,323中給予了介紹(McDonnell，1983年)。過去利用光柵來實現預傾排列是採用一個炫耀光柵與一個正弦光柵交叉(E.S.Lee等，SID 93文摘，957頁)。液晶偶極子沿著正弦光柵的溝槽排列，以及沿著形成預傾角的炫耀光柵的溝槽排列。
其它排列技術包括採用Langmuir Bloggett技術(H.Ikeno等人，日本應用物理雜誌第27卷，第495頁，1988年)；在基板上施加磁場(N.Koshida和S.Kikui，應用物理通信雜誌，第40卷，第541頁，1982年)；或者採用通過機械拉伸形成的具有光學各向異性的聚合物膜(H.Aoyama等，分子晶體與液晶，第72卷，127頁，1981年)。並且已經製成了只有一個表面經過摩擦的扭曲向列相結構(Y.Toko等，日本顯示雜誌92期491頁)。
M.Schadt，K.Schmitt，V.Kozinkov和V.Chigrinov在日本應用物理雜誌31卷，2155頁(1992)中介紹了一種改進的摩擦聚合物排列方法。當用偏振光照射時這種聚乙烯肉桂酸酯材料形成具有各向異性分布的交聯結構。這種各向異性使得表面上的液晶排列處於選定的方位角方向。向列相偶極子的方向垂直於用於使表面發生交聯的光的偏振方向，並且具有零表面傾角(預傾角)。
對於大多數液晶裝置來說，分子表面傾角對顯示器的正確工作是十分必要的。
根據本發明在有序聚合物排列層中零表面傾角的問題是通過採用炫耀(不對稱)光柵結構對交聯層的表面輪廓整形來解決的。
根據本發明提供表面排列和表面分子傾角的方法包括以下步驟形成一層能夠在液晶盒壁表面上發生交聯的材料，用偏振光照射這層材料，使之發生聚合，在該交聯層上形成一個不對稱光柵，從而使與這一層材料接觸的液晶分子在液晶盒壁的平面上發生排列和產生傾角。
這種材料可以是當用紫外光照射時其分子量增加的一種聚合物、低聚物、或單聚物，並且這種材料最好是與塑料或者玻璃盒壁兼容的。
構成光柵的溝槽可以沿著偏振光的偏振方向排列，或者沿著與偏振光方向成非零角度的方向排列。
偏振光的偏振特性可以從線性變化到含有一定量的橢圓偏振光。橢圓度改變了角錨定能量，即排列方向的強度。
根據本發明一種液晶裝置包括兩個分隔開的液晶盒壁，在其上相對的表面上具有電極結構，在其中至少一個相對表面上具有排列層，在兩個盒壁之間封閉有一層液晶材料，其特徵在於它包括一層排列材料，它在發生聚合反應時能夠在光作用下變得有序，和位於該排列層表面上的具有不對稱輪廓的光柵，其設計是這樣的，該排列層導致液晶分子沿著所要求的方向排列，並且具有表面分子傾角。
表面傾角的大小是由構成光柵的溝槽的角度和深度所確定的。
該不對稱排列結構可以具有近似為鋸齒波形的橫截面形狀。
該不對稱的排列表面可以定義為這樣一個平面，在該平面中不存在這樣的一個h值Y(h－x)＝Y(h＋x) ……(1)對於所有的x值，其中Y為描述表面幅度的函數。
液晶材料可以是向列相液晶、長螺距膽甾相液晶、膽甾相液晶、或近晶相液晶，包括鐵電液晶材料，含有或不含有染料。
這種液晶裝置可以構成具有例如90°扭曲角的扭曲向列相液晶盒或者具有例如270°扭曲角的超扭曲向列相液晶裝置。這種扭曲向列相液晶裝置可以用常規方法進行多路轉換尋址或者利用在每個可尋址象素處設置了薄膜電晶體的有源矩陣陣列進行尋址。還可以構成鐵電液晶盒例如表面穩定的鐵電液晶裝置(雙穩液晶裝置)。
一個或兩個液晶盒壁可以用一種相對較厚的非柔性材料如玻璃構成，或者一個或兩個液晶盒壁可以用一種柔性材料如一薄層玻璃或者塑料材料如聚乙烯構成。在其內表面上可以對一個塑料盒壁壓紋以形成一個光柵。此外，這種壓紋可以構成許多小支柱(例如1-3μm高，5-50μm寬或更寬)以幫助盒壁的正確分離，並且當液晶盒彎曲時構成阻擋液晶材料流的屏障。這些支柱也可以由排列層材料構成。
現在參照附圖，僅以實施例的形式介紹本發明，在這些附圖中
圖1為可多路轉換尋址矩陣液晶顯示器的平面圖；圖2為圖1所示顯示器的橫截面圖；圖3為液晶盒壁的平面示意圖，表示偏振方向和向列相液晶分子排列方向的取向；圖4為形成不對稱排列結構的裝置的示意圖；圖5為經過圖4所示裝置處理的液晶盒的剖視圖6為用於形成不對稱排列結構的另一種裝置。
圖1、圖2所示的顯示器包括一個由包含在玻璃壁3、4之間的向列相或長螺距膽甾相液晶材料層2形成的液晶盒1。分隔環5使兩個壁之間保持6μm的間距。此外在液晶材料之間散布有許多直徑為6μm的玻璃珠以精確保持液晶盒壁之間的間隔。在一個壁3上形成有條形的由例如SnO2或ITO構成的行電極6，在另一個壁4上形成有相似的列電極7。m-行n-列電極形成了可尋址單元或象素的一個m，n矩陣。每個象素由一個行電極和一個列電極的交叉點構成。
行驅動器8向每個行電極6施加電壓。相似地，列驅動器9向每個列電極7施加電壓。所施加電壓的控制是由一個控制邏輯電路10完成的，該電路由電壓源11供電，由時鐘12提供時鐘信號。
液晶盒的兩側為偏振片13，13』，它們的偏振軸彼此交叉，並平行於相鄰的一個壁3、4上的排列方向，如下所述。
在液晶盒1的後面可以設置一個部分反射鏡16以及一個光源15。這使得可以通過反射看到顯示，和在昏暗的環境下從後面進行照明。對於透射型液晶盒，可以省略這個鏡子。
在組裝之前，盒壁3、4要經過表面排列處理。當用偏振光照射時聚乙烯肉桂酸酯材料層發生交聯反應，生成一種可使液晶材料進行排列的有序結構。如圖3所示，，液晶分子排列方向n垂直於偏振方向E。方向n指向x軸，而方向E指向y軸，液晶層厚度沿z軸方向延伸，垂直於液晶盒壁。具有一定的表面傾角是必要的，因而液晶分子並不位於圖3所示的x，y平面內，而是與之成2-20°或更大角度。
現在利用由炫耀光柵調整的表面可以增加預傾角。可以看到當向列相偶極子子指向垂直於炫耀光柵溝槽的方向時就得到一定的預傾角。如果在聚乙烯肉桂酸酯表面上刻劃一個炫耀光柵，使得溝槽方向沿著y軸，就可以滿足這個條件。於是向列相偶極子n就相交於溝槽方向(沿x軸方向)，並具有預傾角。在這個意義上說炫耀表面如上所定義。
實際上如在下面所解釋的，可以在聚合反應過程的同時刻劃光柵。
圖4表示用於形成光柵的裝置。如圖所示從一個線性偏振光氦鎘雷射器31中發出的光30(波長為325nm)經過一個第一透鏡32聚焦在一個固定的漫射器33和一個旋轉漫射器34上。一個第二透鏡35使已經散開的雷射束30重新成為平行光，然後用一個半鍍鋁的分光器36將其分光到兩個鏡面37、38上。在位於兩個鏡面37、38之間的樣品支架40中安裝有形成光柵的基片39。在兩個鏡面37、38之間反向傳播的光束建立起一個標準光波，即具有半個雷射波長的周期的幹涉條紋。為了形成正確的聚合物鏈方向。雷射束偏振方向E沿著光柵溝槽的方向，即從圖4頁面向外的方向。
在將塗覆有銦錫氧化物(ITO)的玻璃基片39安裝到樣品支架40上之前，先將其在丙酮和異丙醇中清洗，然後以3000rpm在氯苯和二氯代甲烷(50∶50溶液)中旋覆聚乙烯肉桂酸酯2％溶液30秒鐘以形成覆蓋層41。在90℃溫度下軟態烤60分鐘。然後如圖4所示將基片39安裝在樣品支架40上，並以一定的傾角在從雷射器31中發出的標準圖形光波下曝光。這是製造幹涉光柵的一個實例，參見M.C.Hutley，衍射光柵(學術出版社，倫敦1982)，95-125頁。
如圖5所示，幹涉條紋記錄在光聚合物層41中。光柵的間距依賴於基片39與標準光波之間的角度。通常對樣品以1.5mW/cm2的能量密度曝光300秒鐘。將樣品在氯苯中旋轉顯影15秒鐘，然後在異丙醇中清洗15秒鐘。
製作光柵的第二種方法如圖6所示。在這種情況下光柵圖案是利用汞燈發出的線性偏振光通過一個光刻掩膜曝光取得的。如圖所示，液晶盒壁45上塗覆由一層光聚物46。掩膜47是由玻璃片49上的鉻條紋圖案48構成的。線性偏振光由一臺汞燈50產生，偏振方向為E。離軸照射確保得到炫耀光柵(在氯苯中顯影之後)。還必須使照射偏振光的電矢量沿著溝槽的方向。
上述兩種方法都使用了在聚乙烯肉桂酸酯的光學敏感範圍內的光源(300-350nm)。其它可能的製造方法包括用雷射直接光刻、或壓紋、或載體層轉換。
在本申請中描述的結構原則上說可以應用於任何在聚合反應過程中在光作用下能夠變成有序狀態的物質。在液晶排列方面，還可以通過採用橢圓偏振光代替線性偏振光來減小聚合物層的角錨定強度。這是由於減弱了x方向的有序度。此外，預傾角可以獨立於錨定強度而改變，因為前者只是拓撲結構函數。
頂點錨定能量還可以通過改變光柵材料，或者通過在光柵表面使用表面活性劑(例如lethecin)來控制。
光柵41可以覆蓋液晶盒壁的整個表面，或者覆蓋每個象素的全部或部分，或者可以稍稍延伸出各個象素的邊界。光柵可以位於整個光柵材料層的象素區域，而在象素之間的區域覆蓋有不含有光柵或者沒有發生交聯的聚合物。另外象素區域的光柵可以是由象素之間不含有光柵的聚合物分隔區的光柵構成。象素之間不含有光柵的區域可以用於改進顯示器通導(ON)和關閉(OFF)狀態之間的對比度，因為這些無光柵區域在正常的白色扭曲向列相顯示器上會顯示為黑色。這樣就不必象在目前使用的某些顯示器中那樣，在電極之間的液晶盒壁上設置黑色圖形。
在象素的不同部分，或在相鄰的象素之間，每個象素處的溝槽方向可以是不同的，例如兩半象素處的溝槽方向彼此正交。此外，溝槽的不對稱性和/或溝槽的深度在一個象素區域內可以是變化的(因而導致表面預傾角)以增加灰度能力，特別是對於STN液晶盒(扭曲角在180和360度之間，例如270度)。這種象素細分特性可以改善顯示器的視角。
上述預傾排列還可以用於近晶相和膽甾相液晶裝置。
權利要求
1.一種在液晶裝置的壁上提供表面排列和表面分子預傾角的方法，包括以下步驟在液晶盒壁表面上形成一層能夠發生交聯的物質，用偏振光照射所說的這層物質，並使之發生聚合反應，在交聯層中形成不對稱光柵，從而使與所說交聯層接觸的液晶分子具有排列並且相對於液晶盒壁平面具有傾角。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說光柵是採用幹涉儀或傾斜照射光刻方法形成的。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說偏振光是線性偏振光。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說偏振光是橢圓偏振光。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說光柵的溝槽沿著或以與偏振光偏振軸具有非零角度的方向排列。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說光柵的輪廓是變化的，以改變表面傾角。
7.一種液晶裝置包括兩個分隔開的液晶盒壁，在其上兩個相對表面上具有電極結構，在其中至少一個相對表面上具有排列層，在兩個盒壁之間封閉有一層液晶材料，其特徵在於一層交聯排列材料，它能夠排列液晶分子，和位於該排列層表面上的具有不對稱輪廓的一個光柵，其設計是這樣的，該排列層導致液晶分子沿著所要求的方向排列，並且具有表面分子傾角。
8.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於具有不對稱輪廓的光柵形成在構成象素的電極交叉處，其間間隙不包含光柵。
9.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於所說具有不對稱輪廓的光柵方向在每個象素的不同區域或在相鄰的象素區域是不同的。
10.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於所說具有不對稱輪廓的光柵的不對稱性在每個象素的不同區域或在相鄰的象素區域是不同的。
11.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於所說具有不對稱輪廓的光柵中溝槽的深度在每個象素的不同區域或在相鄰的象素區域是不同的。
12.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於所說具有不對稱輪廓的光柵塗覆有一層表面活性劑。
13.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於所說液晶材料為向列相、膽甾相、或近晶相液晶材料。
14.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於在液晶盒壁上設置有與排列方向配合的偏振片，以在液晶材料的兩種轉換狀態之間形成最大的對比度。
15.如權利要求7所述的液晶裝置，其特徵在於包括用於向液晶盒電極施加尋址電壓的裝置。
16.如權利要求1所述的液晶裝置，其特徵在於液晶盒壁是由玻璃製成的。
17.如權利要求1所述的液晶裝置，其特徵在於液晶盒壁是由柔性塑料製成的。
18.如權利要求1所述的液晶裝置，其特徵在於在一個或兩個液晶盒壁上形成有分隔柱。
19.如權利要求1所述的液晶裝置，其特徵在於所說分隔柱是由在一個或兩個盒壁上構成光柵的材料形成的。
全文摘要
本發明提供一種液晶盒，該液晶盒中包含封閉在兩個盒壁之間的具有一定排列和表面傾角的液晶材料層。在液晶盒壁上帶有向所說液晶材料層施加電壓的電極以形成顯示。所說排列是由在交聯過程中在光作用下變成有序的材料形成的。就是，一種在偏振光照射下在交聯之後能夠使液晶分子排列的材料。這樣的一種材料為聚乙烯肉桂酸酯。該排列層用一個不對稱光柵例如近似鋸齒波形橫截面的光柵，採用幹涉儀法、傾斜入射光刻，或壓紋技術調整輪廓。光柵的形狀使液晶分子具有表面傾角。液晶材料可以是向列相、膽甾相，或近晶相的。
文檔編號G02F1/13GK1145120SQ9519246
公開日1997年3月12日 申請日期1995年1月30日 優先權日1994年2月9日
發明者G·P·布賴恩-布朗, D·G·麥唐奈爾, M·J·陶勒 申請人:英國國防部