低電光閾值的液晶盒及其製造方法

2023-05-24 11:13:36 3

專利名稱：：低電光閾值的液晶盒及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及液晶盒及其製造方法，具體地說，涉及一種製造液晶盒的方法，該液晶盒的電光閾值低於盒內含有的液晶材料的特徵電光閾值。降低液晶裝置的電光閾值有利於降低為在液晶盒的光學狀態之間進行切換所需的驅動電壓。例如，標準的扭曲向列液晶裝置的電光閾值約為2.0伏。這一閾電壓是液晶盒中含有的液晶材料的特徵。過去曾採用過兩種方法來降低標準的扭曲向列液晶盒的驅動電壓。一種方法需要使用具有低彈性常數的高介電常數液晶材料，另一種則要求採用高的預傾斜排列。圖1表示了用液晶材料和排列技術相結合製造的六個標準的扭曲向列液晶盒的電光閾值曲線(所鑑定的液晶材料由Merck公司製造)。例如，曲線1和2代表充滿同樣液晶材料的液晶盒，曲線1表示了具有高預傾斜角一氧化矽(SiO)排列的盒的性能，曲線2表示具有低預傾角聚乙烯醇(PVA)排列的盒的性能。高的預傾斜使電光閾值降低約0.6伏。由於以下原因，這些方法均不理想。高介電常數材料造成較高的高子溶解度，這在活性矩陣尋址顯示器中顯現出其圖象保留效應。高的預傾斜排列是通過蒸鍍排列實現的，這既不容易也不經濟。因此，需要一種能在圖像顯示系統中作為開關工作的液晶盒，它在較低的外施驅動電壓作用下改變光學狀態。本發明的目的之一是提供一種適合用於圖象顯示的電光閾值較低的液晶盒。本發明的另一目的是提供製造這種液晶盒的經濟合算的方法。本發明通過在液晶材料中摻加一種可光致固化的聚合物前體，並且在光固化期間對液晶盒施加電壓，使液晶盒的電光閾值顯著降低。在一項優選的實施方案中，要求在液晶材料中加入一種可光致固化的單體和特定的固化條件，以便顯著降低標準的扭曲向列液晶盒的驅動電壓。在液晶材料中加入可光致固化的聚合物前體大大降低了驅動電壓，一般是從2.2伏到1.2伏。電壓的降低與可光致固化單體聚合期間傾角的增加是一致的，因為它使電光閾值的最終降低結果和用一氧化矽蒸鍍法達到的相似。根據本發明製造的液晶顯示器至少可以具有以下兩個優點之一。第一個優點是，此方法可以用來製造目前需要用昂貴的形成高預傾角的方法製造的顯示器，例如超扭曲向列的聚醯亞胺液晶盒，超雙折射效應和鐵電體顯示器。第二個優點是，聚合物前體的使用明顯地捕獲或屏蔽了離子，從而減小了顯示器中與離子有關的問題。因此，此技術可用來製造要求低驅動電壓和對與離子有關的問題耐受力低的活性矩陣顯示器。本發明的其它目的和優越性在以下參照附圖對本發明優選實施方案的詳細說明中將變得顯而易見。圖1是用不同的先有技術排列方法和液晶材料配方及工藝製得的六種標準扭曲向列液晶盒的電光響應對比關係圖。圖2是根據本發明製造的液晶盒某些組成部件的側視圖。圖3是一個標準的扭曲向列液晶裝置和根據本發明製造的扭曲向列液晶裝置的電光響應曲線對比關係圖。圖4A和4B是根據本發明在不同的固化電壓下製得的不同厚度扭曲向列液晶盒的電光響應對比關係圖。圖2表示根據本發明製造的一個液晶盒10。參看圖2，液晶盒10包括一對通常是平行和分開的電極結構12和14，它們包含著向列液晶材料和聚合物材料的混合物16。混合物16中含有液晶與可光致固化的聚合物前體材料的規定混合物，該前體材料由紫外光固化，同時在電極12和14之間施加電壓。電極結構12包括一個玻璃介電基板18，基板的內表面上有一層導電但光學上透明的材料20，例如氧化銦錫。導電層20上最好塗有一層二氧化矽(未畫出)。在導電層20上敷加一個聚醯亞胺材料取向劑排列膜層22，它在電極結構12和液晶與聚合物材料的混合物16之間形成邊界。將膜22的與液晶材料接觸的表面摩擦，形成與膜22接觸的液晶材料中取向劑的預傾角。膜22經摩擦產生的預傾角最好在相對於膜22的表面約3°至10°之間。電極結構14的結構與電極12相似，其中與電極結構12相對應的部件用同一數字加「，」表示。電極結構12和14的長邊彼此偏移一小段距離，以便利用導電層20和20′在接點24和24′與合適的驅動器(未畫出)輸出導線相連。襯墊26可以是任何合適的材料(例如玻璃纖維)，用以保持電極結構12和14之間的通常的平行關係。下面作為例子來說明本發明的液晶盒10是通過在一個Corning公司硼矽酸鹽玻璃基板18上沉積一個塗鍍上二氧化矽的氧化銦錫層而製得的。一個旋轉塗敷並加熱固化的聚醯亞胺排列層22提供了處在約3°-4°的預傾角。襯墊26是Morex黑襯墊型，噴濺在每個液晶盒10的一個玻璃基板18上。將液晶盒10裝配成90°扭曲液晶盒。主體液晶材料是MerckZLI4718，其中摻雜了濃度為0.05%的ZLI3786手性添加劑，以防止倒轉的扭曲旋轉位移。可光致固化的聚合物前體是單體DesotechDSM950-044，在半暗的房間裡於最小的光照條件下將它以1%至5%的濃度加到不同液晶盒10的主體液晶材料中。將所形成的摻雜的液晶材料在機械振蕩器中攪動幾分鐘，加熱到混合物變成各向同性，使用前儲存在黑箱子中。將混合物再次徹底攪動，然後在最小的光照條件下裝入液晶盒10中。使用Tamarack曝光臺在從0到50伏(均方根值)的電壓下將盒10固化5分鐘。使用兩個與液晶盒10的結構相似的對照液晶盒作為參考。對照液晶盒的電極結構之間使用5.5μm和7.5μm的襯墊，中間充滿△n＝0.085的主體液晶材料。聚合物濃度和固化條件是影響液晶盒10的電光響應特性的兩個重要參數。關於聚合物濃度，實驗表明摻雜1%DSM(DSM指的是動態散射模式摻加劑)的液晶盒在任何固化電壓下均未顯示出電光閾值電壓的下降;摻雜5%DSM的液晶盒在低至5伏(均方根值)的固化電壓下顯示出垂面排列的結構;而摻雜4%DSM的液晶盒只是在5-10伏(均方根值)的電壓下才顯示電光閾值電壓降低，但是在固化電壓大於10伏(均方根值)時顯示出垂面排列的結構。在5-10伏(均方根值)下固化的摻雜4%DSM的液晶盒在偏振顯微鏡下檢驗時有散射現象。下面引用摻雜2%DSM的液晶盒得到的結果作為例子，因為這種液晶盒產生最好和最恆定的結果。關於固化條件，實驗表明固化電壓大於20伏(均方根值)的液晶盒在剛剛固化後反差很差，但在暗處放置時反差有顯著改進。一旦固化之後，液晶盒需要至少72小時使取向劑鬆弛到最低能量構型並建立穩定的聚合物構型。松馳時間與固化電壓有關，在超過20伏的電壓下固化的液晶盒需要較長的鬆弛時間。實施例1此實施例表明，通過將液晶材料和適當濃度的聚合物前體混合併且在由施加在裝置兩端的電壓產生的固化電場存在下進行固化，電光閾值電壓和飽和電壓降低。圖3表示一個扭曲向列液晶裝置在用紫外光和外施固化電場固化前後的電光響應曲線A和B的協同關係。該扭曲的向列液晶盒放置在交叉的偏振片之間以得到光學響應曲線，扭曲向列液晶盒厚5.5μm，裝滿摻有2%濃度DSM950-044的ZLI-4716，用Nisson610聚醯亞胺材料排列取向。曲線A代表在液晶盒受紫外光曝光前得到的高電壓響應，曲線B表示在DSM950-044聚合物前體在盒的兩端施加40伏(均方根值)下用紫外光固化後得到的低電壓響應。曲線A和B顯示出在10%透光率時閾值電壓降低1.0伏，在90%透光率時飽和電壓降低0.8伏。實施例2此實施例顯示了不同固化電壓對所固化的六個6.0μm液晶盒10的電光響應特性及開關速度的影響。這些液晶盒屬於扭曲向列型，在相同的條件下裝配和填充，並且以10伏間隔在從0到50伏(均方根值)下進行固化。對六個液晶盒在固化5天、9天和19天後進行三個系列的電光測量。在40伏和50伏(均方根值)下固化的液晶盒分別在固化5天和9天後顯示出取向劑完全鬆弛，在固化19天後沒有變化。圖4A表示這些液晶盒在固化2個月後的電光響應曲線。在0伏特下固化的液晶盒比只裝入主體液晶材料的5.5μm對照液晶盒有較高的閾值電壓和飽和電壓。這表明這些液晶盒需要接受外加的固化電壓。在10伏(均方根值)下固化的液晶盒顯示出很微小的總電壓降低，而且液晶盒比對應於第一幹涉最小值的厚度似乎要厚。在20伏或更高固化電壓下固化的液晶盒顯示出閾值電壓和飽和電壓明顯降低。這些液晶盒有高的反差，而且可以認為處在第一幹涉最小值的厚度。測量了六個6μm液晶盒的接通和斷開速度，與它們在室溫(25℃)下的閾值電壓和飽和電壓一起列在表1中。接通(τon)和斷開(τoff)響應時間分別用先施加5伏脈衝信號來接通液晶盒、然後在液晶盒兩端造成短路使其斷開來進行測量。在50伏下固化的液晶盒的τoff響應比對照液晶盒的慢。與對照液晶盒相比，在零伏下固化的液晶盒的閾值電壓和飽和電壓較高，但Ioff響應較快。表1液晶盒V10％(伏)V90％(伏)Ton(毫秒)Tott(毫秒)對照樣2.13.41014O伏固化2.44.0111110伏固化1.93.59.51620伏固化1.63.1102230伏固化1.52.99.42440伏固化1.32.98.62850伏固化1.22.88.635實施例3此實施例表明了不同的固化電壓對所固化的四個7.5μm液晶盒10的電光響應特性和開關速度的影響。這些液晶盒屬於扭曲向列型，在相同的條件下裝配和填充，並且在10、30、45和50伏(均方根值)下固化。對這四個液晶盒在固化1和2個月後進行兩個系列的電光測量。未觀察到有明顯變化。圖4B表示只裝入主體液晶材料的7.5μm對照液晶盒和在不同的固化電壓下固化電壓下固化的四個7.5μm液晶盒10的電光響應曲線。7.5μm對照液晶盒和在10伏(均方根值)下固化的7.5μm液晶盒在其電光曲線上有一凹下部分，這是液晶盒厚度大於第一幹涉最小值液晶盒的特徵。在30伏(均方根值)下固化的液晶盒的凹下部分較淺。此液晶盒在固化後約一個月內的四個不同的日期和固化後兩個月時進行試驗。每次測量都顯示出類似的電光響應曲線，從而表明此液晶盒已被穩定到低能態。在較高電壓下固化的其餘三個7.5μm液晶盒可以認為厚度與第一幹涉最小值相近;但是，當測定它們的接通和斷開速度時，在較高電壓下固化的液晶盒的響應時間較慢、因為2%聚合物濃度很低，看來液晶材料的粘度不會增高到使響應時間變慢。表2表示四個7.5μm液晶盒的接通和斷開速度，以及它們在室溫(25℃)下的閾值和飽和電壓。表2實施例4此實施例表明在液晶材料中混入聚合物使離子的作用減小。測定在0、30和50伏(均方根值)下固化的6.0μm液晶盒10中存在的離子並與5.5μm對照液晶盒比較。這是通過測定作為顯示器工作的液晶盒的光學衰減(即，原因不明的透光率變化)和電荷保留來實現的。為了測量電荷保留，在驅動脈衝之間的時間裡在液晶盒的兩端造成開路。光學衰減定義為在16毫秒間隔裡透光率的變化。電學響應的電荷保留定義為在16毫秒幀像周期結束時保留在液晶電容器內的電荷百分數。將液晶盒驅動器設計成能提供32毫秒的雙極電壓驅動脈衝，頻率為60赫茲，並且在驅動脈衝之間以高阻抗浮動。調節脈衝電壓使平均透光率為最大透光率的50%。用Tamarack曝光臺將一個5.5μm對照液晶盒在紫外光下曝光5分鐘。表3總結了表徵5.5μm對照液晶盒和6μm液晶盒10的液晶電容器特性的光學衰減和電荷保留數據。表35.5μm對照液晶盒在50%透光率時顯示出大的光學衰減，與6.0μm的液晶盒相比，保留電荷較少。經紫外曝光的5.5μm對照液晶盒的光學衰減和電荷保留與未曝光的5.5μm對照液晶盒相似。相反，6μm液晶盒10顯示出更好的電荷保留和較小的光學衰減。用在30伏(均方根值)下固化的液晶盒估算一個6μm液晶盒的電阻率。作法是用一個並聯電阻器連接盒的兩端，將其電阻值從10MΩ減小到光學衰減增加的起點。10MΩ電阻器看來作用很小，1.0MΩ電阻器則作用很大。材料的電阻率明顯地優於ρ＝R·A/d(其中R＝1.0MΩ，d＝6.0μm，A＝3.0×103m2)＝5.0×108Ω-m，可以高出至少一個數量級。看來在固定了聚合物之後，電阻率顯著增加。如果在固化期間液晶盒10內有任何離子形成，這些離子顯然被捕獲在聚合物中，或是被屏蔽在界面處。權利要求1.一種製造液晶盒的方法，該液晶盒的電光閾值低於盒中所含液晶材料的特徵電光閾值，所述的方法包括在液晶材料中加入預定濃度的可固化的聚合物前體以形成它們的混合物；使聚合物前體固化；和在固化聚合物前體的同時，在混合物中加上固化場，固化場的強度和預定的聚合物前體濃度一起，使液晶盒的電光閾值低於特徵電光閾值。2.權利要求1的方法，其中聚合物前體的預定濃度處在混合物的1%和5%之間。3.權利要求1的方法，其中聚合物前體是可光致固化型。4.權利要求1的方法，其中的固化場是電場。5.權利要求4的方法，其中在橫跨盒的兩端施加5-50伏(均方根值)的電壓以產生電場。6.權利要求1的方法，其中液晶盒是扭曲向列液晶型。7.權利要求1的方法，其中液晶盒包含著裝在兩個分開的電極之間的液晶材料，電極各有一個塗敷著排列層的內表面，液晶材料含有取向劑，排列層使取向劑形成3°-5°到預傾角。8.權利要求7的方法，其中排列層是聚醯亞胺型。9.根據權利要求1的方法製造的液晶盒。10.一種液晶盒，它減小了顯示裝置中與離子有關的透光率問題，其中含有包含在一對電極結構內表面之間的液晶材料與聚合物材料的混合物，液晶材料含有分子，所述的內表面包括一種排列材料，它使與排列材料接觸的液晶分子具有小於10°的預傾角，聚合物材料在混合物中的濃度大於1%、但小於5%。11.權利要求10的液晶盒，其中的排列材料是聚醯亞胺型。12.權利要求10的液晶盒，其中排列層被定向，以形成扭曲向列型液晶盒。13.權利要求10的液晶盒，其中聚合物材料是聚合的可光致固化的單體。14.權利要求10的液晶盒，其中預傾角在3°至5°之間。15.一種製造液晶盒的方法，該液晶盒減小了裝有該盒的液晶顯示裝置中與離子有關的透光率變化，所述的方法包括構成液晶材料和預定濃度可固化聚合物前體的混合物;使聚合物前體固化;和在固化聚合物前體的同時，在混合物中加上固化場，固化場的強度和預定濃度的聚合物前體一起作用，減小液晶盒作為顯示裝置工作時與離子有關的透光率變化。16.權利要求15的方法，其中聚合物前體的預定濃度為混合物的1%-5%。17.權利要求15的方法，其中聚合物前體是可光致固化型。18.權利要求15的方法，其中固化場是通過橫跨液晶盒施加5-50伏(均方根值)電壓而產生的電場。19.權利要求15的方法，其中液晶盒是扭曲向列型。20.權利要求15的方法，其中液晶盒包括裝在兩個分開的電極之間的液晶材料，兩個電極各有一個塗著排列層的內表面，液晶材料含有取向劑，排列層使取向劑形成3°-5°的預傾角。21.權利要求20的方法，其中排列層是聚醯亞胺型。22.根據權利要求15的方法製造的液晶盒。全文摘要加到液晶材料中的可光致固化的聚合物前體發生聚合以形成混合物，它顯著降低了標準扭曲向列液晶盒的閾值電壓和飽和電壓。所形成的顯示裝置的性能特點與具有很高預傾角的裝置類似，從而提供了製造一類需要高度預傾斜排列的液晶盒的經濟合算的方法。聚合物的存在大大減小了與離子有關的不利作用，例如在液晶顯示裝置中的光學衰減和電荷保留。文檔編號G02F1/1333GK1102712SQ94105808公開日1995年5月17日申請日期1994年5月13日優先權日1993年5月14日發明者P·J·博斯,J·A·拉曼申請人:特克特朗尼克公司