一種改善的聚亞醯胺單元液晶顯示器的製作方法

2023-10-17 00:53:44

專利名稱：一種改善的聚亞醯胺單元液晶顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種液晶顯示器(LCD)，特別地，涉及通過提供一種改善的取向層來增加反應速度的LCD。
背景技術：
液晶顯示器(LCD)被用在很多應用中。液晶顯示器(LCD)的光學設計是其應用的重要主題。理想地，一個好的LCD模型應該具有卓越的對比度，寬闊的視角，高光學效率和快轉換速度。
主要應用之一在於顯示視頻信號。這包括LCD電視(LCDTV)。對於視頻速率信號顯示器，所述LCD的反應速度必須快，否則會有運動圖像的模糊現象。同樣，所述LCDTV的視角應該儘量寬，就像在傳統的陰極射線管一樣。通常在水平方向的要求是160°，在垂直方向的要求是90°。對於寬的視角，所述板內切換(IPS)模式和所述垂直取向(verticalalignment)模式以及其很多的變型對於視頻應用很有希望。然而，它們的切換速度需要從＞10ms提高到2ms。這樣，需要LCD光學模式具有快的切換速度和寬的視角。
用於快速切換LCD的一種可能的候選者是聚亞醯胺單元(pi-cell)。一個聚亞醯胺單元主要是一個彎曲變形的液晶單元。這個聚亞醯胺單元在1986年作為一種快速液晶切換被發明(P.Bos，美國專利No.4566758Rapid starting，high-speed liquid crystalvariable optical retarder)。在其被發明的原始形式中，所述單元實際上是一種斜展變形單元，其需要一個偏壓來轉換它成為一個彎曲單元或聚亞醯胺單元。與所述二軸補償膜一起，這個聚亞醯胺單元後來被改進，也被稱作光學補償彎曲排列(OCB)液晶顯示器(H.Nakamura等人，美國專利No.6069620Driving method of liquid crystal displaydevice)。所述聚亞醯胺單元基本上在向列液晶的多種彎曲變形之間工作。施加一個電壓改變所述液晶單元指向矢(director)的彎曲角度，因此改變它的全部的雙折射。這樣，所述聚亞醯胺單元的光學性質基本上是一個電控雙折射(electrically controlledbirefringent，ECB)單元的光學性質。這樣，它能夠容易地通過使用多種光學膜來補償以獲得一個寬的視角。
一種傳統的聚亞醯胺單元通過在所述液晶單元單元兩側的所述取向層的平行摩擦形成。在所述液晶單元兩側的傾斜角互相朝向對方傾斜，如圖2放大示出。符合這些邊界條件的可能的液晶指向矢取向是斜展變形(splay deformation，以後稱為S-狀態)，彎曲變形(bend deformation，以後稱為B-狀態)，以及π-扭轉變形(π-twist deformation，以後稱為T-狀態)。S-單元和B-單元分別在圖8A和8B中示出。圖10A和10B顯示了在(A)零電壓和(B)高電壓的彎曲取向。當施加一個高電壓時，所述B-狀態成為垂直取向(homeotropic alignment)。向所述的這種基本的結構引入π/4扭轉和π/8扭轉，存在這種基本取向的變化。在研究的所有情況下，最穩定的狀態是S-狀態。從更穩定的S-狀態到B-狀態的變形需要使用所述聚亞醯胺單元。(參閱，例如E J Acosta等人，Therole of surface tilt in the operation of pi-cell liquid crystal devices，Liquidcrystals，vol27，p977，2000；SHLee等人，Chiral doped optically-compensated bendnematic liquid crystal cell with continuous deformation from twist to twist-bendstate，Japanese J of Applied Physics，vol40，pL389，2001；SHLee等人，Geometricstructure for the uniform splay to bend transition in api-cell，Japanese J AppliedPhysics，vol42，pL1148，2003)。因為所述S和B變形不是拓撲等價的，需要發生有核的轉換。起初的S-狀態到B-狀態的所述「條件」是研究的主要領域。已經提出了很多方法，包括引入突起和添加手性分子摻雜物。同樣，為了所述聚亞醯胺單元只在所述B-狀態正常工作，要維持一個偏壓。
本發明的一個目的是，提供一種改進的聚亞醯胺單元。

發明內容
在本發明的一個方面，提供用在液晶單元的一種液晶取向層來取向液晶分子。所述取向層包括納米結構a.一種水平取向材料，能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的一個第一預傾角；b.一種垂直取向材料，能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的一個第二預傾角；其中與所述取向層接觸的和在所述取向層附近的所述液晶分子有效的預傾角能夠被控制以具有在所述第一預傾角和第二預傾角之間的一個值。在一個優選實施例中，所述第一預傾角在1°-10°以及所述第二預傾角在80°-90°。在一個更為優選的實施例中，所述第一預傾角在1°-8°以及所述第二預傾角在85°-90°。在另一個優選實施例中，所述取向層包括所述垂直取向材料或所述水平取向材料的納米結構。在另一個優選實施例中，所述納米結構既包括所述水平取向材料又包括所述垂直取向材料。在另一個實施例中，所述納米結構是水平取向材料。在另一個實施例中，所述納米結構是垂直取向材料。在另一個優選實施例中，所述納米結構大小是0-1微米的量級。
在一個優選實施例中，所述取向材料中的至少一種是一個聚合體。在一個更為優選的實施例中，所述取向材料中的至少一種是從包括聚醯亞胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚醯胺酸和聚乙烯醇的一個組中選擇出來的。在一個更為優選的實施例中，所述取向材料中的至少一種是聚醯亞胺。在另一個更為優選的實施例中，所述水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一組中選擇出來，並且所述垂直取向材料從包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一個組中選擇出來。在一個最優選的實施例中，所述水平取向材料是JALS9203，所述垂直取向材料是JALS2021。
在另一個優選的實施例中，所述重量所述水平取向材料相對於所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一個更優選的實施例中，所述重量所述水平取向材料相對於所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。
在另一個優選的實施例中，在所述取向層上的所述極角錨定能量在5×10-4J/cm2到2.5×10-3J/cm2之間。
在本發明的另一方面，提供了在一個液晶單元中製造一個取向層的方法，其包括a)在一個溶劑中溶解一種水平取向材料和一種垂直取向材料來形成一個均勻的溶液；b)用這個溶液在基板上形成一層液體膜；c)處理所述膜來形成一層變硬的固體膜；以及d)加工所述變硬的固體膜來得到一個統一的取向方向。
在一個優選的實施例中，所述水平取向材料能夠在所述取向層中提供一個第一預傾角，所述垂直取向材料能夠在所述取向層中提供一個第二預傾角。在整個說明書中使用的「水平取向材料」這個表達是指使液晶分子與其表面接觸處取向0°的水平取向材料以及使液晶分子與其表面接觸處取向大於0°的水平取向材料，例如，使液晶分子與其表面接觸處取向一個大於0°的角的水平取向材料，可以到大約12，11，10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0.5或0.1度。在整個說明書中使用的「垂直取向材料」這個表達是指使液晶分子與其表面接觸處取向90°的垂直取向材料以及使液晶分子與其表面接觸處取向小於90°的垂直取向材料，例如，使液晶分子與其表面接觸處取向一個小於90°的角的垂直取向材料，大約為78，79，80，81，82，83，84，85，86，87，88，89，89.5，或89.9度。在一個更為優選的實施例中，所述第一預傾角是1°-10°並且第二預傾角是80°-90°。在一個進一步優選的實施例中，所述第一預傾角是1°-8°並且第二預傾角是85°-90°。
所述水平取向材料可能全部地或至少部分地與所述垂直取向材料溶混。
在另一個優選的實施例中，所述水平取向材料在混合前被溶解到一個第一溶劑中。在另一個優選的實施例中，所述垂直取向材料在混合前被溶解到一個第二溶劑中。
在另一個優選的實施例中，在步驟b)中形成的薄膜包括所述垂直取向材料或所述水平取向材料的納米結構。在另一個實施例中，所述納米結構既包括所述水平取向材料又包括垂直取向材料。所述納米結構的大小是0-1微米的量級。
在另一個優選的實施例中，所述取向材料中的至少一種是聚合體。在一個更為優選的實施例中，所述取向材料中的至少一種是從包括聚醯亞胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚醯胺酸和聚乙烯醇的一個組中選擇出來的。在一個更為優選的實施例中，所述取向材料中的至少一種是聚醯亞胺。在另一個實施例中，所述水平取向材料和所述垂直取向材料都是聚醯亞胺。在一個最優選的實施例中，所述水平取向材料是JALS9203，所述垂直取向材料是JALS2021。
在另一個優選的實施例中，所述第一和第二溶劑從包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲替甲醯胺(DMF)，γ-丁內酯(γBL)，丁基纖維素溶劑(BC)和THF(四氫呋喃)的一個組中選出來。在一個更為優選的實施例中，所述第一溶劑包括γBL，NMP和BC，所述第二溶劑包括NMP和BC。在一個最優選的實施例中，所述第一和第二溶劑是包含在JALS9203和JALS2021中的溶劑。
在另一個優選的實施例中，所述重量所述水平取向材料相對於所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一個更優選的實施例中，所述重量所述水平取向材料相對於所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。
在另一個優選的實施例中，所述處理包括在80℃-120℃的一個第一烘烤和在大約200℃-250℃的一個第二烘烤。在另一個實施例中，所述處理是光處理。
在另一個實施例中，所述薄膜是通過旋塗法，絲網印刷法，噴塗或噴墨印刷法形成。
在另一個實施例中，所述摩擦是通過一塊織物以一個固定的方向的機械摩擦或通過用一個離子束在真空中以一個固定的方向在一個固定的入射角照射所述表面來完成。
在另一個實施例中，所述基板是覆蓋銦錫氧化物的玻璃。在一個優選的實施例中，所述銦錫氧化物在一個無源矩陣顯示器中被排列成行和列的圖樣。在一個更為優選的實施例中，所述基板包括用於有源矩陣驅動的一個薄膜電晶體數組。
在本發明的另一個方面，提供為準備一個取向層而形成一種溶液的處理，該取向層能夠提供在8°和85°之間的一個第一預傾角。所述處理包括在一個溶劑中混合一個水平取向材料和一個垂直取向材料，其中所述水平取向材料能夠在所述取向層中提供一個第一預傾角，並且所述垂直取向材料能夠在所述取向層中提供一個第二預傾角。在一個優選的實施例中，所述第一預傾角是0°-10°，所述第二預傾角是80°-90°。在一個更為優選的實施例中，所述第一預傾角是0°-8°，所述第二預傾角是85°-90°。
在一個優選的實施例中，所述處理包括混合商業獲得的水平和垂直取向材料。在一個更為優選的實施例中，所述水平取向材料從JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291中選擇出來；並且所述垂直取向材料從JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211中選擇出來。
在另一個實施例中，所述溶劑能夠形成一個溶液，包括納米大小的液滴。在一個優選的實施例中，所述液滴或者是水平的或者是垂直的取向材料。在另一個優選的實施例中，所述液滴是垂直的還有水平的取向材料。
在本發明中，我們還公開了一種聚亞醯胺單元，其不需要任何偏壓並且總是處於彎曲變形，甚至於在零偏壓。沒有穩定的斜展變形狀態。在後文中，這將被稱作「無偏壓彎曲」單元(no-bias bend，NBB單元)。因此，這個新的聚亞醯胺單元或NBB單元非常容易操作。由所述NBB單元製造的液晶顯示器總的開啟-關閉切換時間不到2ms，開啟時間不到1ms。所述光學效率被優化到將近90％。這個NBB單元顯示器還能被光學補償來具有類似於傳統聚亞醯胺單元的寬的視角。通過一個特殊液晶取向層的發明，這個NBB單元有可能在液晶單元中生成穩定的高預傾角。
本發明的要點是所述NBB單元。這個NBB單元通過取向層的應用獲得，其可以為所述液晶分子提供大的預傾角，在30°-70°範圍之內。
在本發明的另一方面，提供一個液晶單元，其包括(a)互相面對的兩個基板；(b)密封在所述兩個基板之間的液晶層；所述液晶層具有1微米到10微米的厚度；所述液晶層包含具有正的介電異向性的液晶分子，即，ε∥＞ε⊥；(c)提供在所述基板內表面上的兩個取向層，朝向所述液晶層，為了取向所述液晶層，所述取向層是固體薄膜的形式，厚度為10-100nm。在所述液晶單元中，所述固體薄膜取向層包含垂直取向材料和平行(水平)取向材料的混合物；所述固體薄膜取向層能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的30°-70°預傾角。
在本發明的另一個實施例中，提供一種液晶顯示器設備，包括(a)如上提到的所述NBB液晶單元；(b)設置在所述第一基板後表面上的一個第一起偏器(polarizer)。在一個實施例中，所述第一起偏器是一個輸入起偏器。在另一個實施例中，所述液晶設備包括設置在所述第二基板後表面上的一個第二起偏器。在一個優選的實施例中，所述第二起偏器是一個輸出起偏器。在圖3A中，所述第二起偏器也被稱為檢偏器(analyzer)。
在另一個實施例中，如圖3A所示的所述起偏角α和γ，與所述取向層的摩擦方向成正或負35°-55°角。在另一個實施例中，所述液晶層的厚度在1微米到10微米之間。在另一個實施例中，所述液晶層包含具有正的介電異向性的液晶分子，其中ε∥＞ε⊥。在另一個實施例中，所述取向層的厚度為10-200nm。
在另一個實施例中，與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子具有預傾角10°-80°。在一個優選實施例中，與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子具有30°-70°的預傾角。
在另一個實施例中，與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子的預傾角基本上相同。優選地，所述預傾角在45°-90°範圍內。
在本發明的另一個實施例中，提供包括一個液晶單元的一個彎曲狀態液晶顯示設備，包括a. 一個第一基板，其上具有一個第一取向層；b. 一個第二基板，其上具有一個第二取向層；c.一個液晶層，其夾心在所述第一和第二取向層之間，所述第一取向層引出一個第一液晶預傾角θ1，其絕對值在17°-60°，所述第二取向層引出一個第二液晶預傾角θ2，其絕對值在17°-60°；所述θ1和θ2定義在同一個坐標系中符號相反，並且所述液晶層在零偏壓能夠維持一個穩定的彎曲狀態。
在本發明的另一個方面，提供包括液晶單元的一個彎曲狀態液晶設備，包括a.一個第一基板，其上具有一個第一取向層，其被處理來給出與所述第一取向層接觸的所述液晶分子的一個預傾角θ1和一個方位角(azimuthal angle)φ1；
b.一個第二基板，其上具有一個第二取向層，其被處理來給出與所述第二取向層接觸的所述液晶分子的一個預傾角θ2和一個方位角φ2；c.所述取向層的至少一個包括垂直取向材料和水平取向材料的混合物，所述垂直取向材料能夠提供85°-90°的預傾角，所述水平取向材料能夠提供0°-8°的預傾角；一個液晶層夾心在所述第一和第二取向層之間。本發明的前兩個方面都包括一個實施例，其中所述液晶設備的θ1和θ2滿足下述等式(K33-K11)(sin2θ1+sin2θ2)+2(π-2θ1-2θ2)(K33+K11)＝0在該等式中，K33是液晶的彎曲彈性常數，K11是液晶的斜展彈性常數。
在這兩個方面的一個優選實施例中，所述θ1和θ2基本上相同，並且在範圍30°-60°。在另一個優選的實施例中，當K33/K11＝1.3時，所述θ1和θ2是47±5°。在另一個實施例中，當K33/K11＝1.3時，θ1＝17±5°以及θ2＝60±5°。
在這兩個方面的另一個實施例中，至少其中一個取向層包括水平取向材料和垂直取向材料的混合物，所述水平取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的0°-8°的預傾角，所述垂直取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的85°-90°的預傾角。在一個優選實施例中，所述取向層的至少一個包括納米大小的結構，大小為0-1微米。在另一個優選實施例中，所述納米大小結構包括所述水平和垂直取向材料的至少一種。在一個更優選的實施例中，所述取向層的水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一個組中選擇出來，並且所述取向層的垂直取向材料從包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一個組中選擇出來。
在另一個實施例中，包括液晶的所述液晶層具有一個正的介電異向性。在一個優選實施例中，所述液晶層具有在1-15微米之間的厚度。
在另一個實施例中，所述取向層是固體薄膜，具有厚度10-200nm。
在另一個實施例中，與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子鏡面對稱地傾斜。在另一個實施例中，在所述液晶層兩側的所述預傾角以一種方式傾斜，使得當投射到所述取向層的表面上時，所述預傾角的方向平行。
在另一個實施例中，所述基板中的至少一個是一個有源矩陣底板，其包括以矩陣形式安排的薄膜電晶體。
在另一個實施例中，所述液晶層的處理是用一塊布機械摩擦所述取向層。在另一個實施例中，所述取向層的處理是光取向，通過暴露所述取向層到偏振光的一個紫外線光束中進行。在另一個實施例中，所述取向層的處理是通過一個離子束在真空室中以一個角度照射所述取向層。
在另一個實施例中，所述液晶設備進一步包括一個輸入和輸出起偏器。所述起偏軸被設置與所述液晶單元的取向層的摩擦方向成正或負35°-55°角。在另一個實施例中，所述液晶設備進一步包括一個反射裝置，被置於所述液晶單元的外部。在另一個實施例中，所述液晶設備進一步包括一個反射裝置，其被置於所述液晶單元內部的有源矩陣底板上。在另一個實施例中，所述液晶設備進一步包括一個補償延遲膜。
根據本發明的另一個方面，提供一個方法，用來在彎曲狀態液晶設備中生成一個穩定的彎曲狀態。所述彎曲狀態液晶設備包括一個第一基板，其上具有一個第一取向層，一個第二基板，其上具有一個第二取向層。該方法包括a.夾心具有正的介電異向性的液晶在所述第一和第二取向層之間；b.引出一個第一液晶預傾角，在17°-60°的範圍內；c.引出一個第二液晶預傾角，在17°-60°的範圍內；以及d.取向所述液晶在一個彎曲狀態，其在零偏壓電壓和工作電壓保持穩定。
在一個實施例中，所述預傾角通過提供取向層被引出，該取向層包括能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子0°-8°預傾角的水平取向材料和能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子85°-90°預傾角的垂直取向材料。


圖1A，1B和1C顯示了根據本發明一個方面的一個液晶顯示設備的一部分的截面圖。
圖2顯示了根據本發明另一個方面的一個液晶單元的一部分的截面圖。
圖3顯示了在Cartesian坐標系中的液晶指向矢。
圖3A顯示了根據本發明的另一個方面的起偏器，檢偏器，光和觀察者相對於所述液晶單元的位置。
圖4顯示了根據本發明的另一個方面的製作一個液晶取向層的過程。
圖5A，5B和5C是一組照片，顯示了根據本發明的另一個方面，由液晶層作用劑形成的一層固體膜的納米和微米區域的例子。
圖6A顯示了根據本發明的另一個方面的，所述預傾角和垂直取向材料(JALS2021)的濃度之間的關係。所述取向膜由旋塗法形成。
圖6B顯示了根據本發明的另一個方面的，所述預傾角和垂直取向材料(JALS2021)的濃度之間的關係。這裡，所述取向膜由滾筒印刷法形成。
圖7顯示了根據本發明的另一個方面的，所述極角錨定能量和垂直取向材料(JALS2021)的濃度之間的關係。
圖8A和8B分別顯示了根據本發明的另一方面的所述液晶層的所述(A)斜展和(B)彎曲變形取向。
圖9顯示了根據本發明的另一方面的一個液晶層的所述彎曲和斜展取向的所述彈性變形能量。
圖10A和10B顯示了根據本發明的另一方面的在(A)零電壓和(B)高電壓處的所述彎曲取向。
圖11顯示了根據本發明的另一方面的由例4準備的單元(1)的傳輸和電壓之間的關係。
圖12A和12B是示波器描跡，顯示了根據本發明的另一方面的由例4準備的單元(I)的切換動態特性。
圖13是一個三維圖，顯示了根據本發明的另一方面的反應時間(μs)，開始水平和結束水平的百分比之間的關係，即，由例4準備的單元(I)從灰度(grey level)到灰度的切換時間。
根據本發明的另一方面，圖14顯示了根據例5準備的單元(II)的傳輸和電壓之間的關係。
圖15是一個三維圖，顯示了根據本發明的另一方面的反應時間(μs)，開始水平和結束水平的百分比之間的關係，即，由例5準備的單元(II)從灰度到灰度的切換時間。
具體實施例方式
兩個角「基本上相同」是指所述兩個角相差少於5°；優選地，少於3°；最優選地，少於1°。這裡的「絕對值」是指一個實數的數值，而不考慮其符號。例如，-4的絕對值是4。也叫作數值。
參考圖1A，顯示了液晶顯示器的一部分，包括一個液晶單元1和兩個起偏器2和3。所述箭頭指示通過所述液晶單元的光徑。圖1B顯示了具有兩個延遲膜13，14的穿透式液晶單元，這兩個膜用來補償色散並改善所述液晶顯示器的視角。所述箭頭指示通過所述液晶單元的光徑。圖1C顯示了一個反射液晶單元的一部分，其具有一個延遲膜13，並且提供一個外部鏡面12。或者，圖1C中的反射鏡面能夠被形成在所述液晶單元內部作為無源和矩陣驅動顯示器的象素結構的一部分。或者，提供延遲膜14而不是13。所述兩個箭頭指示所述單元的光徑。
在圖2中，顯示了沒有施加電壓時的一個液晶單元，包括頂部基板4和底部基板5；兩個透明的導電電極6和7，一個頂部取向層8和一個底部取向層9，一個液晶層10。在液晶分子10A的第一層和所述底部取向層9的表面之間形成的角θ1被稱作第一預傾角。在液晶分子10B的第一層和所述頂部取向層8的表面之間形成的角θ2被稱作第二預傾角。θ1和θ2可以基本上相同或者不同。在這個液晶顯示器中，所述基板4和5可以由玻璃製成。所述玻璃基板中的一個，如5，可以是帶有薄膜電晶體數組的一個有源矩陣底板。或者，所述基板中的一個，如4，可以由玻璃製成，而另一個基板5可以是不透明的材料，如矽。在這種情況下，可以在所述矽基板上構造一個有源矩陣數組。如果兩塊基板都是由玻璃製成，所述液晶顯示器可以在穿透模式或透反射式模式工作。如果所述基板中的一個是不透明的，所述液晶顯示器只能在反射式模式工作，所述反射鏡被構造作為所述液晶單元內部的所述有源矩陣結構的一部分。
第一優選實施例的其它要素之一是所述液晶層10，其夾心在所述基板之間。通過所述液晶單元內部的間隔器(未示出)，所述液晶層的厚度被固定。所述液晶層的最重要的參數是在邊界與所述取向層的所述預傾角。當不施加電壓時，這些預傾角θ1和θ2決定所述液晶層10的θ1(z)和φ(z)(參閱圖3)。這裡，為了簡便，我們假設所述角只依賴於一個變量z，其是到所述液晶單元的垂直方向上的距離，如圖3所示。一般地，θ和φ可以是( x，y，z)的函數。但是，在這裡，它不影響本發明的表達。
這個液晶層通過具有方向θ和φ的一個液晶指向矢表徵，θ和φ分別是極角(polarangle)和方位角(azimuthal angle)，在圖3中示出。在本發明中，θ還指傾斜角(tiltangle)。所述傾斜角在與所述取向層的邊界，θ(0)和θ(d)被稱為預傾角。所述指向矢的取向，即，θ(z)和φ(z)的值決定所述液晶單元的光學特性。它基本上決定了所述液晶單元的穿透率和反射率。如圖3所示，液晶分子n的所述指向矢由一個預傾角(傾斜角)θ和一個預傾角方向(扭轉角)φ決定，θ對應於所述指向矢n的一個極角，φ對應於它的一個方位角。液晶分子的所述指向矢n的所述Cartesian坐標系被定義為
n＝(cosθcosφ，cosθsinφ，sinθ)通過在所述基板上進行取向處理來控制所述預傾角θ和所述預傾角方向φ，液晶的所述指向矢n可以被確定。
由所述液晶單元進行的光的傳輸或反射通過所述起偏器角α和所述檢偏器角φ決定，如圖3A所示，並且，由所述的液晶層10的所述取向條件決定。所述電極6，7和所述取向層8，9被用來控制所述液晶層10的所述取向條件。所述電極提供電壓來控制所述θ(z)和φ(z)值。所述取向層和它們的處理決定θ(0)和φ(0)的值，其中d是所述液晶單元的厚度。本質上，θ(0)是θ1而θ(d)是θ2，如前所述。它們是等價的符號。θ(0)和φ(0)以及θ(d)和φ(d)的所述值和所述彈性Euler’s等式一起，決定θ(z)和φ(z)的解。所述液晶層的所述取向的物理意義在現有技術中是公知的，在文獻中也有介紹，如Springer在1994年出版的由Blinov和Chigrinov寫的專論「Electrooptic Effects in Liquid CrystalMaterials」。θ(0)和φ(0)被認為是液晶取向的易取向軸。
應該注意的是，在所述表面上所述液晶的真實的取向方向還依賴於取向表面的錨定能量。所述錨定能量是錨定條件有多強的一個測量。如果所述錨定能量很大，就很難從這個條件偏離，而取向角是由易取向軸的方向給出。對於弱錨定，在所述表面的液晶的真實角度可以偏離θ(0)和φ(0)。
顯而易見地，θ(0)和φ(0)以及θ(d)和φ(d)的所述值或正好在所述取向層附近的所述液晶分子的取向在設計所述液晶單元的光電特性中很重要。所述液晶分子的取向能夠通過很多裝置得到，並且在液晶物理學和工程領域中是一個被很好地研究的問題。所述預定的取向條件一般，例如，通過摩擦取向層8，9得到。
所述取向層被處理使得它們能夠取向在其附近的液晶分子。所述處理大多由機械摩擦完成。有時也會採用其它的技術，如，光取向或離子束取向。為了本發明的公開，我們不限於任何一種取向技術。對於下面的討論，我們使用摩擦作為所述取向層處理的一個例子。
在所述取向層上的摩擦方向決定φ(0)和φ(d)，而所述預傾角θ(0)和θ(d)的值主要由所述取向層8，9的材料特性決定。有平行取向材料，如，聚醯亞胺，其可以為生產扭曲向列(TN)和超級扭曲向列(STN)液晶顯示器提供1°-8°的預傾角。這種材料還被稱作水平取向材料。還有材料能夠為生產向列型垂直取向(vertically aligned nematic，VAN)液晶顯示器提供預傾角為85°-90°的垂直取向。這種材料還可稱作垂直取向材料。這些平行和垂直材料可商業上獲得。很多發明已經公開了不同種類的化學製品，它們可以提供水平或垂直取向。但是應該注意的是，這些取向層只能提供接近水平或接近垂直取向。不可能得到處於水平或垂直之間的取向極角(alignment polar angles)。具體而言，在實踐中，沒有已知的聚醯亞胺取向材料可以提供接近45°的預傾角，雖然過去有宣稱可以得到這種預傾角。這些聚醯亞胺取向材料已經很好地服務於液晶顯示器工業。大量地用於製造實際的液晶顯示器(LCD)。
在這個第一優選實施例中，所述取向層8，9被特殊處理，使所述液晶層10具有一個高預傾角。圖3顯示了用來可視化不同角度的坐標系。這個坐標系用於描述整個液晶單元中的n，φ(z)和θ(z)。對於一個傳統的聚亞醯胺單元，φ(0)＝φ(d)，並且θ(0)(與θ1相同)和θ(d)(與θ2相同)正負值相反。這可通過平行摩擦所述頂部和底部取向層簡單地得到。在這個第一優選實施例中，所述預傾角可造成一個穩定的聚亞醯胺單元，即使在沒有施加電壓的情況下。換而言之，θ1和θ2的值足夠大使得所述單元的穩定結構是一個彎曲單元，即使沒有電壓施加到所述液晶單元。這與一般的聚亞醯胺單元不同，其所述液晶單元的零電壓取向是一個斜展單元，並且需要一個偏壓和轉化方法來維持所述彎曲取向。
圖4顯示了根據本發明一個方面的所述液晶取向層的製作過程的一個實施例。在步驟1，一個垂直取向材料40在溶劑A中稀釋，溶劑A能與所述垂直取向材料40完全溶混，形成一個垂直材料溶液42。在步驟2，所述垂直溶液42和一種水平取向材料44都溶解在一種溶劑C中，形成一個最終的混合物46。或者在可選步驟2』中，所述水平取向材料44首先溶解在一種溶劑B中，在與所述垂直材料溶液42在溶劑C中混合之前，形成一個水平材料溶液45。在步驟3，所述混合溶液46被塗到一塊基板上來形成一層固體膜48。所述固體膜48就被熱處理，其包括步驟4中的預烤和最終的烘烤處理來形成一層硬的固體膜50。所述硬的固體膜具有10nm-300nm的厚度。所述硬的固體膜50在步驟5中被摩擦，以生成所需的液晶取向層52。所述摩擦可以通過機械摩擦進行，其包括以一塊織物在一個固定的方向上施力。
以上提到的處理只是本發明的實施例。存在很多其它的方法來實施本發明，這些都是本領域技術人員公知的。例如，所述步驟4中的處理過程也可以用光處理進行。所述步驟5中的摩擦也可以通過一個離子束在真空中以一個固定方向在一個固定入射角照射所述取向層的表面來進行。還可能在可選步驟3』中，從溶液46首先獲得一層液體膜47，然後在步驟3」中，所述液體膜就被處理以得到固體膜48。乾燥所述液體膜來獲得所述固體膜的方通過在所述液晶單元的兩側平行摩擦，形成一個傳統的聚亞醯胺單元。滿足這些邊界條件的可能的指向矢取向是所述斜展變形(S-狀態)，所述彎曲變形(B-狀態)，以及所述π扭轉變形(T-狀態)。當施加一個高電壓時，所述B-狀態變成所述垂直取向(H-狀態)。在一個傳統的聚亞醯胺單元中，所述預傾角小於10°。這樣，所述S-狀態具有較低的彈性變形能量，因此更穩定。從這個更穩定的S-狀態到所述B-狀態的轉化需要使用所述聚亞醯胺單元。(參閱，例如，EJ Acosta等人，The role surface tilt in theoperation of pi-cell liquid crystal devices，Liquid crystals，vol27，p977，2000；SHLee等人，Chiral doped optically-compensated bend nematic liquid crystal cellwith continuous deformation from twist to twist-bend state，Japanese J of AppliedPhysics，vol40，pL389，2001；SHLee等人，Geometric structure for the uniform splayto bend transition in a pi-cell，Japanese J Applied Physics，vol42，pL1148，2003)。因為所述S和B變形不是拓撲等價的，需要發生有核的轉換。初始的S-狀態到B-狀態的所述「條件」是研究的主要領域。已經提出了很多方法，包括引入突起和添加手性分子摻雜物。同樣，為了所述聚亞醯胺單元只在所述B-狀態正常工作，要維持一個偏壓。
這樣，在傳統的聚亞醯胺單元中，所述S-狀態變形比所述B-狀態變形更穩定，因為小的預傾角。在本發明中，我們公開一種新方法來產生更加穩定的B-狀態變形，即使在零偏壓。
眾所周知，無扭曲液晶單元的每單位面積的彈性能量由下式給出E=120d(K11cos2+K33sin2).2dz]]>其中K11和K33分別是斜展和彎曲彈性常數。θ是所述傾斜角，其為所述單元內部的距離z的一個函數。在θ(z)幾乎是線性分布的條件下(對於大多數液晶材料成立)，所述B單元和所述S單元的能量可以被計算。它們在圖9中示出。可以很清楚地看到，如果所述預傾角增加，將有助於B-變形。然而，在傳統的LCD構造技術中，很難製造大於10°的高預傾角。
我們可以很容易地估計形成所述B單元所需要的預傾角。如果在所述液晶層兩側的所述預傾角分別是θ1和θ2，如果滿足下述條件，所述斜展和彎曲單元將具有相同的彈性能量
(K33-K11)(sin2θ1+sin2θ2)+2(π-2θ1-2θ2)(K33+K11)＝0如果在所述單元兩側的所述預傾角相同並且等於θ1，上述條件可以被簡化成(K33-K11)sin2θ1+(π-4θ1)(K33+K11)＝0通過解這個等式，可以得到使得所述斜展和彎曲變形能量相同的所述預傾角的條件。例如，對於p-methyoxybenzylidene-p』-butylaniline(MBBA)，K33/K11＝1.3，因此，θ大約是47°。它也符合圖9中顯示的圖表。一般地，可以看到，對於K33/K11的所有的值，θ總是在45°和58°之間。這樣，如果在所述液晶單元上的所述預傾角比臨界角大，所述彎曲變形將比所述S-變形更穩定。換而言之，所述液晶單元將總是處於所述B-狀態。這是沒有偏壓下的聚亞醯胺單元。我們稱之為無偏壓彎曲(NBB)單元。對於不對稱的液晶單元，在一側的所述預傾角可以比θ小，並且在另一側的所述預傾角必須比θ大。例如，如果θ是30°，則根據上述等式，θ2須比67°大，如果K33/K11＝1.3。
構造這樣一個聚亞醯胺單元的重要步驟是所述高預傾角取向層的準備。過去曾經介紹了很多技術，用來在一個液晶單元中得到高預傾角。這包括SiOx蒸鍍，離子束，光控取向技術和反向機械摩擦。在本發明中，我們結合所述聚亞醯胺單元和一種特殊技術，其可以生成我們發明的一個高預傾角。
本發明中得到這樣高預傾角的方法是摩擦一個經特殊準備的取向層。液晶單元被取向層8和9取向。這些特殊取向層的準備細節已經在上文中結合圖4進行了描述。當一個垂直取向材料和一個水平取向材料在溶液中以合適的比例混合時，有可能形成一個取向層，其可以生成任何角度的預傾角。圖6A和6B顯示了針對這個實施例的實驗結果。在該圖中，顯示了通過將所述垂直取向材料，在這種情況下，其是從Japan Synthetic Rubber公司得到的商業材料，貨號為JALS2021，和一種水平取向材料混合，如JALS9203，有可能得到10°-80°任何值的預傾角。
圖6A和6B中指示的所述預傾角對於相同的溶液混合物產生不一樣的結果。它表明可得到的預傾角依賴於所述固體取向層的準備方法。在圖6A中，使用一種旋塗技術來準備所述固體取向層。在圖6B中，使用滾筒塗層以及隨後快速加熱的方法來準備所述固體膜。有很多其它方法來從所述溶液形成所述取向層的一層薄膜。有可能，例如，使用絲網印刷法，噴墨印刷法，浸入塗層或刮墨刀技術來形成所述薄膜。為了本發明的公開，我們只使用滾筒印刷和旋塗的例子。但是，所有其它的技術都包含在本發明的一部分中。可以說，對於準備固體膜的每一種方法，存在可得到的預傾角相對於溶液混合比率的唯一依賴性。在初始準備之後的所述固體膜的處理可以通過熱的裝置來執行，如，放置所述基板在一個加熱的爐子內，或通過光處理照射強紫外線光到所述液體膜上。
如果所述預傾角大於40°，將會得到所述彎曲結構，即使在沒有電壓的情況下。如果所述取向層的摩擦取向條件是平行的，就得到一個聚亞醯胺單元或彎曲取向單元。如果所述輸入起偏器和輸出起偏器2，3和所述液晶單元摩擦方向成45°和-45°角，所述聚亞醯胺單元的傳輸由下列等式給出T=sin20dn(z)dz]]>其中入是波長，d是所述液晶層的厚度並且Δn是所述液晶層的雙折射，其依賴於所述取向條件如Δn(z)＝nc(θ(z))-no1ne2=cos2ne2+sin2no2]]>其中ne是液晶材料的尋常折射率，no是液晶材料的非常折射率。隨著θ(z)的變形變化，所述液晶單元的傳輸也變化。這是電控雙折射(ECB)單元的基礎。如圖8A和8B所示，針對於無電壓狀態和高電壓狀態，可以使用標準計算機軟體仿真以此方式構造的所述聚亞醯胺單元的傳輸值。在高電壓，可以得到所述液晶層的垂直取向。
取向層通常用來獲得液晶層的取向來製造液晶顯示器。文獻中提到很多用於此用途的取向材料。這些材料大部分是對於熱和光穩定的聚合體。例如，聚醯亞胺(PI)，聚乙烯醇(PVA)，聚酯和聚醯胺酸(PA)。這些材料通常被旋塗或絲網印刷到所述基板4和5上。需要預烤和最終烘烤步驟來硬化和處理所述聚合的材料。這些聚合取向作用劑中的一些能夠提供具有一定度數預傾角的平行取向條件。一些特殊的取向作用劑能夠為具有將近90°預傾角的所述液晶提供垂直取向。兩種聚合體都能夠被塗到所述基板上，並進行處理，用來在基板4，5上製造取向層，並且這都是本領域內公知的。
在本發明的這個第一優選實施例中，對於所有工作電壓，所述液晶層的取向保持一個B單元的取向。因此，切換時間非常快。不像傳統的聚亞醯胺單元那樣，不需要任何條件來轉化所述聚亞醯胺單元從斜展到彎曲變形。在所述液晶層兩側的所述預傾角可以相同或不同。在一個實驗中，在一側的預傾角是17°，而在另一側的預傾角是60°。這是預傾角極端不相等的一個例子。圖11顯示了所述實驗單元的傳輸相對於電壓的特徵。圖12A和12B顯示了我們構造的一個原型的切換時間。因為所述切換可能非常快，即使對於瞬時電壓，我們繪製了8個灰度的切換時間。圖13中顯示了結果。可以看出需要的最大時間為3ms，而最快的時間大大少於1ms。在這個特別的例子中，不同參數的值在表I中標明。
表I液晶單元參數

在另一個例子中，在所述液晶層兩側的預傾角被製成一樣。在這種情況下，需要53°的預傾角。圖14顯示了這樣一個樣本的傳輸相對於電壓的曲線。它和不對稱的情況沒有太大不同。然而，由於較小的總的雙折射，這個樣本的絕對傳輸比前一個樣本的低。圖15總結了由這樣一個樣本得到的所述切換時間。可以看到，所述反應時間更快，並且通常少於2ms。表II顯示了這個實驗樣本的參數。
表II液晶單元參數

在本發明的第二個優選實施例中，使用在第一個優選實施例中描述的技術，所述液晶層的預傾角還是被製造的較大。因此，所述液晶層的取向還是所述彎曲單元或所述聚亞醯胺單元的取向。然而，現在允許所述取向層的摩擦方向對於所述頂部和底部取向層是不平行的。這樣，允許對於所述液晶單元存在一定的扭轉角度。這樣做的目的是使得所述單元傳輸能夠被修正，成為所述扭曲向列單元的傳輸，而不是所述電控雙折射單元的傳輸。這樣，所述單元間隙可以更小，並且反應時間可以更快。可以使用LCD仿真來優化第二個實施例的光學特性。在這種情況下，所述單元間隙以及所述液晶單元的扭轉角度允許被改變。條件是對比度應該好，並且所述亮狀態的亮度接近於一致。
在本發明的第三個優選實施例中，所述液晶顯示器是一個反射顯示器。有一個輸入起偏器而沒有輸出起偏器。如圖1C所示，在所述液晶單元後面卻放置了一個鏡面12。或者，對於反射式薄膜電晶體(TFT)LCD的情況，所述鏡面可以是所述有源矩陣底板的一部分。所述液晶單元還是和第一個優選實施例中的相同。然而，因為所述光束通過所述液晶單元兩次，所需的雙折射會與第一個優選實施例不同。這對於所述液晶單元的反應速度很重要。現在所述單元間隙可以被減半，速度可以快差不多4倍，因為通常，一個液晶單元的反應時間與所述單元間隙的平方成反比。同樣，因為現在所述路徑長度變成兩倍於第一個優選實施例中的長度，故所述液晶材料的雙折射Δn可以有更多選擇。
在所有優選實施例中，可能使用延遲膜13，14來補償色散並改善所述液晶顯示器的視角。在一些情況下，只需要一個膜。在另外一些情況下，為了精確的補償，在所述液晶單元的兩側都需要一層膜。
例1例1示出了準備一個取向層的過程，該取向層可以提供44度的預傾角。材料·所述水平取向材料從Japan Synthetic Rubber公司購買(貨號JALS9203)，是溶液形式。(JSR Corporation，5-6-10 Tsukiji Chuo-ku，Tokyo，104-8410，Japan)。JALS9203中的所述溶劑，包括γ-丁內酯(γBL)，甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纖維素溶劑(BC)。
·所述垂直取向材料從Japan Synthetic Rubber公司購買(貨號JALS2021)，是溶液形式。JALS2021中的所述溶劑，包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纖維素溶劑(BC)。
·基板帶有電極的一塊ITO玻璃，從中國深圳南玻公司購買。
過程0.95克水平取向材料的溶液和0.05克垂直取向材料的溶液混合在一起，並充分攪拌。所述混合物被塗到所述基板上，使用旋塗法以得到一層軟的固體膜。所述旋塗法開始時以800rmp的轉速操作10秒鐘，然後以3500rmp的轉速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一層軟膜和剩餘的溶劑。
為了除去所有剩餘的溶劑，並加工聚合體，所述被塗層的玻璃被置於一個烤爐中。一開始，以100℃烤10分鐘(軟烤)，然後以230℃烤90分鐘(硬烤)。一層硬膜，即所述的取向層，就形成了。
所述取向層的表面要接受摩擦處理，使用一塊尼龍布，每次以一個方向摩擦所述層。
結果根據例1生成的所述取向層的預傾角是44度。
例2例2示出了準備一個取向層的過程，該取向層可以提供53度的預傾角。材料·所述水平取向材料從Japan Synthetic Rubber公司購買(貨號JALS9203)，是溶液形式。
·所述垂直取向材料從Japan Synthetic Rubber公司購買(貨號JALS2021)，是溶液形式。
·基板帶有電極的一塊ITO玻璃，從中國深圳南玻公司購買。
過程0.5克水平取向材料的溶液和0.5克垂直取向材料的溶液混合在一起，並充分攪拌。所述混合物被塗到所述基板上，使用如下的印刷塗層法得到一層軟的固體膜一根直徑為2釐米，長為5英寸的不鏽鋼棒被放置於所述基板上。在棒的下面放幾滴所述混合溶液，直到溶液沿所述鋼棒和所述基板的表面之間的接觸線擴散開。所述鋼棒就滾動或者沿所述基板的表面滑行，以形成一層液體膜。
被塗層的基板就被置於一個100℃的熱板上，10分鐘，來去除所有的溶劑。然後就放於一個烤爐內，在230℃硬烤90分鐘。就得到包括垂直和水平取向材料的一層硬膜。所述旋塗法開始時以800rmp的轉速操作10秒鐘，然後以3500rmp的轉速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一層軟膜和剩餘的溶劑。
為了除去所有剩餘的溶劑，並加工聚合體，所述被塗層的玻璃被置於一個烤爐中。一開始，以100℃烤10分鐘(軟烤)，然後以230℃烤90分鐘(硬烤)。一層硬膜，即，所述的取向層，就形成了。所述取向層的表面要接受摩擦處理，使用一塊尼龍布，每次以一個方向摩擦所述層。
結果根據例2生成的所述取向層的預傾角是53度。
在例1中，通過旋塗法，所述液體膜變成了軟的固體膜。所述溶劑慢慢地蒸發，使得水平取向和垂直取向的區域趨向於更大。而且，水平取向和垂直取向區域的表面積的比率，將有助於在所述混合的溶劑中具有較高溶解性的材料，因為具有較低溶解性的材料將先沉澱。
在例2中，由於在一塊熱的板子上加熱，所以凝固得很快。這樣，所述區域傾向於更小。所述水平取向和垂直取向區域面積的比率不會因為材料的不同溶解性而受到太大的影響。
由例1和例2的工藝過程得到的預傾角不同，即使對於相同的水平取向和垂直取向取向作用劑的混合物。這是因為使用不同的過程得到不同的區域結構。這裡有一個表格，列出了對於相同的混合物使用所述兩種不同的方法得到的所述預傾角。
結果與所述取向層接觸的液晶分子的預傾角是通過晶體旋轉方法測量。
在所述取向層表面上的所述錨定能量通過Chigrinov等人的公開中描述的方法進行測量(V Chigrinov，A Muravski，H S Kwok，H Takada，H Akiyama和H Takatsu，Anchoringproperties of photo-aligned azo-dyes materials，Physical Review E，vol68pp61702-61702-5，2003)。
所述取向層的表面上的區域結構被標準原子力顯微鏡方法和光學顯微鏡方法觀察。圖8A顯示了包含5％JALS2021的所述取向層上的納米結構。圖8B顯示了包含10％JALS 2021的所述取向層上的納米結構。圖8C顯示了包含15％JALS2021的所述取向層上的納米結構。
例3除了例1和例2，本發明還可根據不同比例的垂直取向層(JALS2021)和水平取向層(JALS9203)以及基本上與例1和例2相同的過程來生成具有不同預傾角的取向層。通過旋塗法生成的取向層的細節由表1顯示。通過印刷塗層法生成的取向層的細節由表2顯示。
表1.通過旋塗法生成的取向層

表2.通過印刷塗層法生成的取向層

準備所述新的取向層中的關鍵步驟是在所述固體膜形成過程中的納米結構的形成。因為，所述兩種取向材料在所述固體膜形成過程中的不同時間沉澱，就形成納米-和微結構。圖5A-5C顯示了在標準原子力顯微鏡方法下觀察的根據本發明形成的膜結構。在這些圖中，較亮的區域顯示了所述垂直取向材料。從圖5A到5C，垂直取向材料的百分比在增加。這些樣本通過旋塗法生成，其中所述從液體膜到固體膜的轉化相對較慢，並且允許有更多的時間用於所述兩種取向材料的分離。在這些例子中，所述納米結構的特徵是幾分之一微米的量級的大小。在很多其它的情況中，所述納米結構可以小到幾個納米。所述納米結構通常是以在所述平行取向材料的背景下的垂直取向材料的島狀物的形式存在。這個結構由表面張力，表面能量，彈性和所述兩種材料的其它物理性質以及所述普通溶劑的物理性質決定。它們對於這個實施例都是有用的。
使用上述的取向層，一個液晶單元被準備，同時也獲得完美的統一的取向。所述液晶分子的預傾角如圖6A所示。圖6A顯示了在JALS2021的不同濃度測量的預傾角。可以看出所述預傾角可以通過JALS2021的百分比來控制，從大約5°到將近80°，同時JALS2021的濃度從0％到達大約14％。
所述取向層表面的極角錨定能量也被測量，由圖7示出。可以看出，所述錨定能量根據JALS2021的百分比變化。
從所述溶液混合物準備所述固體膜的方法在確定所述取向層的納米結構中和因此得到的預傾角中是重要的。圖8A-8C顯示了所述取向層的表面結構的光學顯微照片，該取向層通過印刷法得到，隨後進行快速加熱來轉化所述液體膜到固體膜。在這種情況下，所述納米結構是由垂直取向和水平取向材料組成的區域。在這些照片中，暗的部分是垂直取向材料，而亮的部分是水平取向材料。圖8A，8B，8C中的垂直取向材料的百分比分別是2.8％，5.8％和11.4％。所述照片的寬度對應於50微米。這樣，可以看出，所述納米區域通常小於1微米。圖9顯示了對於很多塗層方法，作為垂直取向材料的相對濃度的函數獲得的預傾角。旋塗法的情況已經在圖6中看到。可以看出，得到所述預傾角，非常依賴於所述固體膜的準備的方法。
圖9顯示了，對於相同的溶液混合物，得到非常不同的預傾角。這是不同納米結構的結果。在本發明中，我們不窮盡所有從所述溶液混合物準備固體膜的方法。可以說，對於從所述溶液混合物46準備固體膜的每一種方法，將有一套新的預傾角結果對應於所述垂直取向材料的百分比。
得到的所述預傾角和所述固體膜的準備的方法的相關性可以概念地理解。就物理意義講，所述的兩種區域將與所述液晶分子互相作用。它們的取向力將互相競爭，產生一種取向，該取向介於垂直取向和水平取向之間。通過改變所述垂直取向和平行取向材料的相對濃度，可以產生不同值的預傾角。
由上述納米區域引起的所述液晶層方向的改變可以被看作在距離所述取向表面很短的距離生成一個統一的取向層，如圖4A所示。在這個圖中，所述垂直(V)和水平(H)材料被混合，但是主要的部分作為在所述取向層中互相接近的島狀物。得到的最終的預傾角很大程度上依賴於所述垂直取向(V)和水平取向(H)材料的相對面積比率。在從所述液體膜到所述固體膜的形成過程中，垂直取向材料相對於水平取向材料的體積比率可以與垂直取向材料相對於水平取向材料的面積比率不同。在慢的沉澱的情況下，具有較小溶解性的所述材料將先固化。這個固體會粘附在所述基板上。這樣，從具有較高溶解性的材料中沉澱的所述固體將在整個膜的頂部出現。這樣，垂直取向材料相對於水平取向材料的面積比率比其實際的體積比率要高很多。根據沉澱在頂部的所述第二種材料的表面張力，能夠形成如圖4C和4D示意出的區域，或形成如圖5C所示的網絡。另一方面，如果所述固體的形成很快，則所述納米結構更可能被圖4E的顯示所代表。這裡，所述垂直取向材料相對於水平取向材料的面積比率和體積比率會非常相同。
根據本發明的描述產生的所述取向層可以有很多應用。例如，它可以被用於一個液晶顯示器(LCD)設備的液晶單元中。使用本發明的所述取向層的LCD設備具有很多優點，如，提高的反應速度，寬的視角以及卓越的圖像無殘影現象性質。本領域技術人員能想到的其它應用，這裡就不再詳述。
根據這裡公開的本發明的說明書和實踐，本發明的其它實施例對於本領域技術人員是顯而易見的。雖然，本發明的大部分實施例使用聚合體混合物混合兩種聚合體，其在形成取向層時分別提供垂直和水平取向能力，可以理解也可以使用其它聚合體來準備取向層。例如，除了JALS9203，可以使用其它的商業產品作為水平取向材料，如AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492以及SE-5291。除了JALS2021，可以使用其它的商業產品作為垂直取向材料，如，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211。
對於另一個例子，可以使用一種均聚合物，其具有提供水平取向能力的一種側連結構和提供垂直取向能力的另一種側連結構。所述均聚合物的側鏈可以被處理以得到理想的預傾角。另一個例子，也可以使用一種共聚物，其包括提供垂直取向能力的一種單體和提供水平取向能力的另一種單體。所述共聚物中的組成單體也可以被控制來獲得理想的預傾角。
雖然在這些例子中，商業購買的所述取向材料已經溶解在溶劑中，也有可能分別選擇取向材料和溶劑，如圖4所描述的。能夠使用的溶劑是那些既與水平取向材料又與垂直取向材料易混合的溶劑。所述溶劑應該與兩種材料都容易混合，使得當所述兩種材料溶解在所述溶劑中時，將形成包括如納米大小的液滴的一種均勻的溶液。當所述取向層從這樣的溶液中形成，所述兩種材料的納米大小的結構可以使用標準原子力顯微鏡方法進行觀察。Indratmoko Har iPoerwanto和Gudrun Schmidt-Naake(Telaah，JilidXXII，No.1-2，2001)提供用於預測聚合體可混和性的一種實際的方案。基於現有的知識，相信本領域技術人員應該能夠根據本發明，以理想的可混和性來選擇合適的溶劑來溶解所述垂直的和水平的取向材料。
例4一種液晶單元I(單元I)通過下列方法製造成分液晶Merck MLC-6080；向列的；等方向性相轉變溫度95℃；(介電異向性)Δε；Δn(折射率異向性)0.2024；K1114.4；K3319.1第一基板從CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd購買；貨號STN＜30Ω；大小14″×16″×1.1mm第二基板同上取向層下列例子1-3來準備能夠提供17°和60°預傾角的取向層紫外線環氧樹脂(UV epoxy)從BOIS Technology Ltd購買間隔器(spacer)從BOIS Technology Ltd購買；貨號PF70過程標準LCD單元構造過程所述玻璃基板被清洗並塗上取向層。所述取向層被摩擦形成一個空的單元。所述單元在真空室中被充滿液晶。所述單元的末端被環氧樹脂密封。所述環氧樹脂被用紫外光處理。所述起偏器以合適角度被層壓輸入起偏器角度45°；輸出起偏器角度-45°。
單元I的構造單元間隙7微米預傾角17°和60°液晶層的取向在所有工作電壓處於彎曲狀態所述第二個基板是一個有源矩陣底板，包括在一個基板上的薄膜電晶體，如以一個矩陣形式排列的玻璃。
所述單元的狀態(彎曲或斜展)通過觀察所述單元的顏色被確認，其相關於所述液晶單元的延遲。綠色代表所述單元處於斜展狀態。白色代表所述單元處於彎曲狀態。當施加電壓時，白色變成灰色然後黑色。
在單元I，與所述頂部取向層和所述底部取向層接觸的所述液晶分子的預傾角分別是17°和60°。這是預傾角極端不相等的情況。圖11顯示了單元I的傳輸和電壓之間的關係。圖12顯示了我們構造的單元I的切換時間。因為所述切換可能非常快，即使對於瞬時電壓，我們繪製了8個灰度的切換時間。圖13中顯示了結果。可以看出需要的最大時間為3ms，而最快的時間大大少於1ms。圖11(以及圖14)中的傳輸相對於電壓的曲線通過使用Autronics DMS501機器得到。圖12A和12B是示波器描跡，顯示了單元(I)的切換動態特性。圖13中的反應時間通過使用紅色雷射器(632nm)，快速檢測器和示波器獲得。
在這個單元I中，所述液晶取向層的取向對於所有工作電壓保持B狀態，包括零電壓。因此所述切換時間非常快。不像傳統的聚亞醯胺單元那樣，從S狀態到B狀態轉換單元I不需要任何條件。
例5第二種液晶單元II(單元II)通過下列方法製造成分第一基板從CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd購買；貨號STN＜30Ω；大小14″×16″×1.1mm第二基板同上液晶Merck MLC-6080；向列的；等方向性相轉變溫度(isotropic phase transitiontemperature)95℃；Δε(介電異向性)7.2；Δn(折射率各向異性)0.2024；K1114.4；K3319.1取向層下列例子1-3來準備能夠提供大於53°預傾角的取向層紫外線環氧樹脂從BOIS Technology Ltd購買間隔器(spacer)從BOIS Technology Ltd購買；貨號PF50過程標準LCD單元構造過程所述玻璃基板被清洗並塗上取向層。所述取向層被摩擦形成一個空的單元。所述單元在真空室中被充滿液晶。所述單元的末端被環氧樹脂密封。所述環氧樹脂被用紫外光處理。所述起偏器以合適角度被層壓輸入起偏器角度45°；輸出起偏器角度-45°。
單元(II)的構造
單元間隙5微米兩個取向層的預傾角53°；互相之間成45°角液晶層的取向在所有工作電壓處於彎曲狀態圖14顯示了單元II的傳輸相對於電壓曲線。與單元I的曲線沒有太大不同。然而，由於較小的總的雙折射，單元II的絕對傳輸比單元I的低。圖15總結了由單元II獲得的切換時間。可以看出，所述反應時間更快，一般少於2ms。
使用一個標準的摩擦機器，所述取向層被摩擦，使得所述頂部取向層和所述底部取向層的方向互相成45°角。這樣，就允許對於所述液晶單元有一定量的扭轉角度。這樣做的目的是使得所述單元傳輸能被修正並成為一個扭曲向列單元的傳輸，而不是電控雙折射單元的傳輸。這樣，所述單元間隙可以更小並且所述反應時間可以更快。可以使用LCD模擬來優化這個第二實施例的光學特性。在這個仿真中，所述液晶單元的單元間隙和扭轉角度允許被改變。要求是所述對比度好並且所述亮狀態亮度接近於一。
例6一個反射式液晶顯示器I(LCDI)通過下列方法製造成分第一基板從CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd購買；貨號STN＜30Ω；大小14″×16″×1.1mm第二基板帶有鋁塗層的一塊玻璃液晶MLC-6080；向列的；等方向性相轉變溫度95℃；Δε(介電異向性)7.2；Δn(折射率向異性)0.2024；K1114.4；K3319.1取向層根據例子1-3來準備能夠提供50°預傾角的取向層鏡面直接蒸鍍鋁膜到所述玻璃上。內部實施。
紫外線環氧樹脂從BOIS Technology Ltd購買間隔器從BOIS Technology Ltd購買；貨號PF50準備所述LCD單元的過程與例4和5中描述的相同。另外，如圖1C(12)所示，一個鏡面被放置在所述液晶單元的後面。在其它例子中，所述鏡面可以被放置於所述液晶單元內部和在所述基板的頂部作為所述有源矩陣底板的一部分。所述起偏器是一個輸入起偏器，被置於如圖1C(2)所示的一個位置。在這個例子中，沒有輸出起偏器。
構造
單元間隙3微米兩個取向層的預傾角50°(正負號相反)液晶層的取向在所有工作電壓處於彎曲狀態因為所述光束通過所述單元兩次，需要的雙折射比單元I的例子所需的少。這對於所述液晶單元的反應速度很重要。因為現在所述單元間隙可以被減半，速度可以快差不多4倍。(通常，一個液晶單元的反應時間與所述單元間隙的平方成反比。)並且，因為現在所述路徑長度變成兩倍於單元I和單元II的長度，這裡對於所述液晶材料的雙折射Δn可能有更多選擇。
根據本發明的描述產生的取向層可以有很多應用。例如，它可以被用於一個LCD設備的一個液晶單元中。使用本發明的所述取向層的LCD設備具有很多優點，如，提高的反應速度，寬的視角以及卓越的圖像無殘影現象性質。本領域技術人員能想到的其它應用，這裡就不再詳述。
根據這裡公開的本發明的說明書和實踐，本發明的其它實施例對於本領域技術人員是顯而易見的。希望本說明書和例子只被當作是範例，本發明真正的範圍和精神將被後面的權利要求指明。
權利要求
1.包含一個液晶單元的一個彎曲狀態液晶設備，包括a.一個第一基板，其上具有一個第一取向層；b.一個第二基板，其上具有一個第二取向層；c.一個液晶層，其夾心在所述第一和第二取向層之間，所述第一取向層引出一個第一液晶預傾角θ1，其絕對值在17°-60°範圍內，所述第二取向層引出一個第二液晶預傾角θ2，其絕對值在17°-60°範圍內；所述角θ1和θ2定義在同一個坐標系中符號相反，並且所述液晶層在零偏壓能夠維持一個穩定的彎曲狀態。
2.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述θ1和θ2滿足等式(K33-K11)(sin2θ1+sin 2θ2)+2(π-2θ1-2θ2)(K33+K11)＝0在5°範圍內；即，在實踐中，所述角θ1和θ2的值可以稍微偏離於此等式給出的精確值；特別地，所述角θ1和θ2能夠被允許相當地大於這個等式給出的精確值，例如，在5°內。
3.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述θ1和θ2基本上相同，並在30°-60°範圍內。
4.根據權利要求1所述的液晶設備，其中當K33/K11＝1.3時，所述θ1和θ2是47±5°。
5.根據權利要求1所述的液晶設備，其中當K33/K11＝1.3時，θ1＝17±5°並且θ2＝60±5°。
6.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述取向層中的至少一個包括水平取向材料和垂直取向材料的混合物，所述水平取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的0°-8°的預傾角，所述垂直取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的85°-90°的預傾角。
7.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述取向層的至少一個包括納米大小的結構，大小為0-1微米。
8.根據權利要求7所述的液晶設備，其中所述納米大小的結構包括所述水平和垂直取向材料中的至少一種。
9.根據權利要求6所述的液晶設備，其中所述取向層的水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一個組中選擇出來。
10.根據權利要求6所述的液晶設備，其中所述取向層的垂直取向材料從包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一個組中選擇出來。
11.根據權利要求1所述的液晶設備，包含液晶的所述液晶層具有一個正的介電異向性。
12.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述液晶層具有在1-15微米之間的厚度。
13.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述取向層是固體薄膜，具有厚度10-200nm。
14.根據權利要求1所述的液晶設備，其中與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子傾斜的方式為鏡面對稱。
15.根據權利要求1所述的液晶設備，其中在所述液晶層兩側的所述預傾角以一種方式傾斜，使得當投射到所述取向層的表面上時，所述預傾角的方向為平行的。
16.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述基板中的至少一個是一個有源矩陣底板，其包括以矩陣形式排列的薄膜電晶體。
17.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述液晶層的處理是用一塊布機械摩擦所述取向層。
18.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述取向層的處理是光取向，通過暴露所述取向層到偏振光的一個紫外線光束中進行。
19.根據權利要求1所述的液晶設備，其中所述取向層的處理是通過一個離子束在真空室中以一個角度照射所述取向層進行。
20.根據權利要求1所述的液晶設備，進一步包括一個輸入起偏器和一個輸出起偏器，其中所述起偏軸被設置與所述液晶單元的取向層的摩擦方向成正或負35-55°角。
21.根據權利要求1所述的液晶設備，進一步包括一個反射裝置，被置於所述液晶單元的外部。
22.根據權利要求1所述的液晶設備，進一步包括一個反射裝置，其被置於所述液晶單元內部的有源矩陣底板上。
23.根據權利要求1所述的液晶設備，進一步包括一個補償延遲膜。
24.包含一個液晶單元的一個彎曲狀態液晶設備，包括a.一個第一基板，其上具有一個第一取向層，其被處理來給出與所述第一取向層接觸的所述液晶分子的一個預傾角θ1和一個方位角1；b.一個第二基板，其上具有一個第二取向層，其被處理來給出與所述第二取向層接觸的所述液晶分子的一個預傾角θ2和一個方位角2；c.所述取向層的至少一個包括垂直取向材料和水平取向材料的混合物，所述垂直取向材料能夠提供85°-90°的預傾角，所述水平取向材料能夠提供0°-8°的預傾角；d.一個液晶層夾心在所述第一和第二取向層之間。
25.根據權利要求24所述的彎曲狀態液晶設備，其中所述方位角φ1和φ2在0°-45°範圍內。
26.根據權利要求24所述的彎曲狀態液晶設備，其中所述方位角φ1和φ2基本上相等。
27.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述θ1和θ2滿足下列等式(K33-K11)(sin2θ1+sin2θ2)+2(π-2θ1-2θ2)(K33+K11)＝0在5°範圍內；即，在實踐中，所述角θ1和θ2的值可以稍微偏離於此等式給出的精確值；具體地說，所述角θ1和θ2能夠被允許相當地大於這個等式給出的精確值，例如，在5°內。其中K33是所述液晶的彎曲彈性常數，K11是所述液晶的斜展彈性常數。
28.根據權利要求27所述的液晶設備，其中所述θ1和θ2基本上相同，並在30°-60°範圍內。
29.根據權利要求27所述的液晶設備，其中當K33/K11＝1.3時，所述θ1和θ2是47±5°。
30.根據權利要求27所述的液晶設備，其中當K33/K11＝1.3時θ1＝17±5°並且θ2＝60±5°。
31.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述取向層中的至少一個包括水平取向材料和垂直取向材料的混合物，所述水平取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的0°-8°的預傾角，所述垂直取向材料能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子的85°-90°的預傾角。
32.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述取向層的至少一個包括納米大小的結構，大小為0-1微米。
33.根據權利要求32所述的液晶設備，其中所述納米大小的結構包括所述水平和垂直取向材料中的至少一種。
34.根據權利要求31所述的液晶設備，其中所述取向層的水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一組中選擇出來。
35.根據權利要求31所述的液晶設備，其中所述取向層的垂直取向材料從包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一組中選擇出來。
36.根據權利要求24所述的液晶設備，其中包含液晶的所述液晶層具有一個正的介電異向性。
37.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述液晶層具有在1-15微米之間的厚度。
38.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述取向層是固體薄膜，具有厚度10-200nm。
39.根據權利要求24所述的液晶設備，其中與所述第一和第二取向層接觸的所述液晶分子鏡面對稱地傾斜。
40.根據權利要求24所述的液晶設備，其中在所述液晶層兩側的所述預傾角以一種方式傾斜，使得當投射到所述取向層的表面上時，所述預傾角的方向平行。
41.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述基板中的至少一個是一個有源矩陣底板，其包括以矩陣形式排列的薄膜電晶體。
42.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述液晶層的處理是用一塊布機械摩擦所述取向層。
43.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述取向層的處理是光取向，通過暴露所述取向層到偏振光的一個紫外線光束中進行。
44.根據權利要求24所述的液晶設備，其中所述取向層的處理是通過一個離子束在真空室中以一個角度照射所述取向層進行。
45.根據權利要求24所述的液晶設備，進一步包括一個輸入起偏器和一個輸出起偏器，其中所述起偏軸被設置與所述液晶單元的取向層的摩擦方向成正或負35-55°角。
46.根據權利要求24所述的液晶設備，進一步包括一個反射裝置，被置於所述液晶單元的外部。
47.根據權利要求24所述的液晶設備，進一步包括一個反射裝置，其被置於所述液晶單元內部的有源矩陣底板上。
48.根據權利要求24所述的液晶設備，進一步包括一個補償延遲膜。
49.在一個彎曲狀態液晶設備中，所述彎曲狀態液晶設備包括一個第一基板，其上具有一個第一取向層，一個第二基板，其上具有一個第二取向層，一個方法來生成一個穩定的彎曲狀態，包括e.夾心具有正的介電異向性的液晶在所述第一和第二取向層之間；f.引出一個第一液晶預傾角，在17°-60°的範圍內；g.引出一個第二液晶預傾角，在17°-60°的範圍內；以及h.取向所述液晶在一個彎曲狀態，其在零偏壓和工作電壓保持穩定。
50.根據權利要求49所述的方法，其中所述預傾角通過提供取向層被引出，該取向層包括能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子0°-8°預傾角的水平取向材料和能夠提供在與其接觸處的所述液晶分子85°-90°預傾角的垂直取向材料。
全文摘要
本發明涉及在液晶顯示器中使用的一種聚亞醯胺單元，即使沒有對液晶分子施加電壓時，所述液晶分子處於彎曲狀態。
文檔編號G02F1/13GK101023392SQ200480043861
公開日2007年8月22日 申請日期2004年10月25日 優先權日2004年6月26日
發明者郭海成, 楊思恩 申請人:香港科技大學