CN100444001C - 液晶配向设备及使用该设备的配向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液晶配向设备及使用该设备的配向方法，该液晶配向设备包括一光源、一偏振光产生装置、一光分离装置、一光束反射装置及一光束转换装置，该偏振光产生装置接收自光源发出的光束同时生成偏振光束，该偏振光经过光分离装置反射及透射获得两束偏振光束，该两束偏振光束经过该光束反射装置及该光束转换装置后相交，并发生干涉。同时还提供使用该设备的液晶配向方法，采用该配向设备及配向方法直接用两束相干偏振光束在光敏感高分子层表面进行干涉，一次曝光达到诱导光敏感高分子有规则排列，在基板上形成配向层，使得使用该配向层的液晶显示更亮、分辨率更高，同时方便大尺寸液晶配向。

Description

液晶配向设备及使用该设备的配向方法

【技术领域】

本发明涉及一种配向设备及配向方法，尤其涉及一种用于液晶配向用的配向设备及使用该设备的配向方法。

【背景技术】

随着数字科技的发展，液晶显示产品已广泛地应用在日常生活的各个层面中，对液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)屏幕的画质要求也逐步提高，在显示画面视角、对比、显示均匀等问题上需要进一步改善。在液晶面板中有关液晶配向的控制技术、配向层的评估技术研究，直接地与上述的问题息息相关。

液晶分子因其在平行于分子轴方向与垂直于分子轴方向的正介电各向异性不同，因此可用电场来驱动控制液晶分子配向方向，应用在屏幕上；另一方面，由于液晶也具有双折射性能，可改变偏振光的偏振方向，使液晶分子在电场下因分子排列变化而产生光学上的变化。在液晶显示面板内，液晶分子必须朝着某一特定方向排列，才能达到显示效果，而欲使液晶分子产生均一且稳定排列有赖于液晶配向技术；因为液晶与配向层的接口有很强的粘附力(Anchoring Strength)，在电场关闭后液晶凭借该粘附力而恢复到原来的排列。

液晶配向可以采用摩擦配向技术、浸渍表面活性剂、蒸镀氧化硅及光照配向等。

其中摩擦配向技术中，液晶配向机制包含两种，其第一种配向机制为沟槽配向(Groove Alignment)，长形液晶分子具有沿着沟槽排列的倾向，因为当液晶分子长轴平行沟槽时形变最少，能量最低；第二种配向机制为高分子长链(Polymer Chain Alignment)配向，高分子配向层表面分子因定向摩擦，产生顺向性，或因为长形液晶分子易于沿着高分子链堆栈，以使液晶与高分子具方向性交互作用能量最低。

一种现有技术的摩擦配向技术，如图1所示，是在基板10表面上涂布一层高分子薄膜14，利用对高分子的表面施予绒布滚轮(Roller)13进行接触式顺向机械式摩擦，摩擦高分子表面所供的能量使高分子主链因延伸而顺向排列，达到液晶配向排列的方法，此项技术的优点是摩擦定向方式操作时间较短，在常温下操作即可，具有优异量产特性，但高分子薄膜材料具高极性、高吸水性，在储存或运送时容易变质而造成配向不均匀。另外，摩擦配向制程造成的粉尘颗粒、静电残留、刷痕等问题容易造成制程良率降低。而且，大尺寸摩擦控制不易，造成液晶的预倾角不一样而影响显示器的显示性能。单一方向摩擦配向会造成亮度和窄视角问题。

但是随着各式广视角的多区域(Multiple Dotmain)配向需求，一个像素区域需要多种预倾角(Pretilt Angle)和旋转角(Rotational Angle)，采用像素分割后，使用微影制程(Microlithography)定义各像素区域后，再进行绒布摩擦配向，使预倾角的方向改变来解决，但是较复杂。

采用光配向技术，可以有效设置预倾角和旋转角。在光配向技术中，以合适的光束照射在高分子薄膜上，利用分子结构中化学键的生成或破坏，使高分子链产生具有方向性的排列，进而达到排列液晶分子的目的。

光配向反应机制主要包括：

光异构化：光诱导的顺反间的结构互变，利用构形的转换造成异向而诱导液晶的排列。

光分解化：利用高能量的光对光配向材料进行照射，使其不均向断键，以产生诱导液晶分子有序排列的效果。

光聚合化：在侧链中导入含有不饱和双键的感光基团，经偏振光照射后，进行聚合反应，使高分子表面产生光学各向异性(Anisotropy)，进而诱导液晶分子在某一方向上有规则排列。

另一种现有技术的光配向技术，采用线性偏振紫外光(UV)配合光罩照射涂布在基板表面的光敏感性高分子材料而形成配向层进行配向的方法，如图2所示。涂布一光敏感性高分子141在一基板10上，形成一高分子材料层14；提供一高压汞灯作为紫外光源系统11，用以发出一紫外光束12；提供一聚光透镜18，用以聚集紫外光束12成为一平行光束15，该平行光束15是一沿Z轴方向传输的电磁波，其具有一X轴方向的平行电场分量151及Y轴方向的垂直电场分量152；提供一偏振光产生装置16，并设置在聚光透镜18和光敏感性高分子层14之间，经偏振光产生装置16后形成的线性偏振紫外光束17透过一设置有既定图案的光罩19对光敏感性高分子材料层14进行曝光，多束干涉线性偏振紫外光17照射该光敏感性高分子材料层14，即获得可以沿偏振光方向配向的高分子材料层，即配向层。

该光敏感性高分子材料14含有不同的官能团，线性偏振紫外光束17可以引发不同的反应，如参与反应的主要官能团为含氮的(Azo)官能团，其光化学机制为光诱导的顺反式结构互变，利用沟形的转换造成异向而诱导液晶的排列；如果参与反应的主要官能团为苯甲酮(Benzophenone)型的高分子材料，则光照使得高分子材料光致交联(Photocrosslinking)形成长链分子；如配向层的感光材料并没有感光基存在，则利用具高能量的紫外光来进行不均匀断键，以诱导液晶分子排列；如高分子侧链中含有不饱和双键的感光基，经由线性偏振紫外光束照射后，进行聚合反应，使高分子表面产生各向异性，进而诱导液晶分子朝着某一方向有规则排列。

经偏振光产生装置16产生的偏振光具X轴方向的平行电场分量151，则在光敏感性高分子层14上获得可诱发液晶分子沿X轴方向光轴排列的各向异性光学薄膜；同样，经偏振光产生装置16产生的偏振光具Y轴方向的平行电场分量152，则在光敏感性高分子层14上获得可诱发液晶分子沿Y轴方向光轴排列的各向异性光学薄膜。

预倾角的产生需要两次曝光，先利用平行照射方式产生对液晶的排列，然后再改变线性偏振光方向，以斜向曝光方式产生预倾角。

在上述方法形成配向层过程中，利用摩擦配向，则不易大尺寸配向，且制程良率较低；利用线性偏振紫外光或是非线性偏振紫外光来产生光诱导液晶排列现象，需要多次曝光，即先平行照射方式产生对液晶的排列，然后再改变偏振光方向，以斜向曝光方式产生预倾角；而且光配向时，光波波长较长，光子能量不大，照射精确度不高，所以不能精确配向，降低液晶显示画面亮度；采用光罩对该波段的多束紫外线干涉引发反应，使得光学对比度不高。

【发明内容】

为解决上述使得液晶亮度不高，光学对比度不高，及不方便大尺寸配向的问题，有必要提供一种使得液晶亮度高，光学对比度高，及方便大尺寸配向的液晶配向设备。

为解决上述使得液晶亮度不高，光学对比度不高，及不方便大尺寸配向的问题，有必要提供一种液晶配向方法，使得液晶亮度高，光学对比度高，及方便大尺寸配向。

一种液晶配向设备，该设备包括：一光源、一偏振光产生装置、一光分离装置、一光束反射装置及一光束转换装置，该偏振光产生装置接收自光源发出的光束同时生成偏振光束，该偏振光经过光分离装置反射及透射获得两束偏振光束，该两束偏振光束经过该光束反射装置及该光束转换装置后相交，并发生干涉。

一种液晶配向方法，该液晶配向方法包括：提供一基板；在该基板上涂布光敏感高分子层；提供一光源；提供一偏振光产生装置，用以接收光源产生的光束，获得偏振光束；提供一光分离装置，用以接收该偏振光束，同时反射及透射该偏振光束，获得两束偏振光束；提供一光束转换装置，用以接收由光分离装置反射及透射的偏振光束，并改变其传输方向，获得两束平行偏振光束；提供一聚光透镜，接收光分离装置反射及透射的偏振光束，同时使得该反射及透射偏振光束会聚于光敏感分子层表面；该两束偏振光束经聚光透镜后，会聚并发生干涉以形成配向层。

对于上述实施方式的改进在于：该光源可以産生波長介於1.0纳米至250纳米的深紫外光束。

相较于现有技术，上述液晶配向设备及方法采用不改变偏振光振动方向的光分离装置，分离出两束振动方向相同的相干偏振光，照射光敏感高分子层以致精确配向，且不使用光罩，避免使用多次曝光，适用于形成大尺寸配向层，获得可使液晶显示更亮、对比度更高及方便大尺寸配向的配向层。

在上述液晶配向设备及方法中可选取光源发出的光束中光子能量较高的1.0纳米至250纳米波段，即可采用两束高能量的光束干涉配向，因为光子能量较大，避免低能量的光子仅能令分子产生剧烈振动，引发其它副反应，两束光干涉光学对比度高于多束光干涉，以达到液晶配向，使得可获得使液晶显示更亮、对比度更高及方便大尺寸配向的配向层。

【附图说明】

图1为一种现有技术的摩擦配向技术示意图。

图2为一种现有技术的光配向技术示意图。

图3为本发明第一实施方式所揭露的光配向技术示意图。

图4为在基板上涂布光敏感高分子层示意图。

图5为采用图3所揭露的光配向技术形成的配向层示意图。

图6为图3所揭露的光配向技术在另一方向配向示意图

图7为图6所揭露的光配向技术形成的配向层示意图。

图8为图6所揭露的光配向技术所形成的另一配向层示意图。

图9为本发明第二实施方式所揭示的光配向技术示意图。

【具体实施方式】

图3是本发明第一实施方式的液晶配向设备示意图，该液晶配向设备2包括一光源50、一偏振光产生装置51、一偏振光分离装置52、一光束方向控制装置54、一光束反射装置(图未示)及一光束转换装置53。该光束反射装置是由三个光束反射镜561、562、563组成。

该光源50为一高压光源，产生电磁光束。该偏振光产生装置51可以产生偏振光束。该偏振光分离装置52，其可以通过反射及透射方式获得两束偏振光束。该光束反射装置可以改变射入其内的偏振光束的传输方向，获得两束平行相干偏振光束。该光束转换装置53为一会聚透镜，可以使得经过的光线会聚。

该光线自光源50发出后，依次穿过该偏振光产生装置51、该光束方向控制装置54、该偏振光分离装置52、该光束反射装置及该光束转换装置53，最终照射至涂布在一基板20表面的光敏感高分子层30，当该两束平行相干偏振光束经过该光束转换装置53后，会聚并发生干涉。

请一并参阅图3至图8，是一种实施方式所揭示的液晶配向方法示意图，其中该液晶配向方法采用上述液晶配向设备进行配向。

该液晶配向方法包括如下步骤：

提供基板20。在图4中，采用旋转涂布法将一光敏感高分子301均匀涂布在基板20上，在基板20上形成一光敏感高分子层30。因为该光敏感高分子301受其周围分子作用力影响，分子取向排列趋于杂乱无规则。

在图3中，提供光源50，该光源50发出一平行深紫外光束501，配合一滤波装置(图未示)，选择使用不同波段的滤光片，以配合不同感光基的需要，获得相对稳定的深紫外光束，取波长介于100纳米至250纳米的深紫外光束。该平行深紫外光束501为一沿平行于Z轴传输的电磁波，且该沿平行于Z轴传输的电磁波具有一平行于X轴的平行电场分量502与一平行于Y轴的垂直电场分量503，该平行于X轴的平行电场分量502及该平行于Y轴的垂直电场分量503均在一XY平面内振动。

提供该偏振光产生装置51，其接收具有平行于X轴的平行电场分量及平行于Y轴的垂直电场分量的电磁波，并将其转化为具有单一平行于X轴的平行电场分量或者单一平行于Y轴的垂直电场分量，同时射出。该偏振光产生装置51用以接收该平行深紫外光束501，经偏振光产生装置51后，即获得一具平行于X轴的平行电场分量的深紫外偏振光束502。

提供该偏振光分离装置52，用以接收偏振光，且同时反射及透射该偏振光，即获得平行或者垂直电场分量。偏振光分离装置52可以为一穿透式分光器(Beam-Splitter)，该偏振光分离装置52设置在该偏振光产生装置51与该光束转换装置53之间，该偏振光分离装置52接收具平行X轴的平行电场分量的深紫外偏振光束502后，即获得一具平行X轴的平行电场分量的反射深紫外偏振光束521及一具平行X轴的平行电场分量的透射深紫外偏振光束522，所以该反射深紫外偏振光521及该透射深紫外偏振光522为具相同频率的相干光束。同时提供一光束反射装置56，其包括第一光束反射镜561、第二光束反射镜562及第三光束反射镜563，该第一光束反射镜561设置在该反射深紫外偏振光521传输路径上，该第二光束反射镜562及第三光束反射镜563设置在该透射深紫外偏振光522的传输路径上，用来改变光传输方向，保证该两束相干偏振光束平行射出。

提供一光束方向控制装置54，其设置在偏振光分离装置52侧，自偏振光产生装置51射出的偏振光射入该偏振光分离装置52时，以一定角度射入，取与基板20平行的表面为水平面XY，垂直于该水平面XY的方向设为法线N方向。该偏振光分离装置52与该水平面X成θ角，该光束以π/2-θ角度射入偏振光分离装置52。该光束方向控制装置54可以沿垂直于该水平面XY的一旋转轴(图未示)自由旋转，该光束方向控制装置54的旋转角度来决定射入该偏振光分离装置52的角度，因旋转造成入射光的电场方向偏离时，该光束方向控制装置54产生一反馈信号至偏振光产生装置51，凭借该反馈信号来调整射向偏振光分离装置52时的角度。

提供该光束转换装置53，用以接收平行偏振光束，并将该平行偏振光束会聚。该光束转换装置53设置在该偏振光分离装置52与该光敏感高分子层30之间。该反射深紫外偏振光束521及该透射深紫外偏振光束522平行射入该光束转换装置53，该光束转换装置53接收该平行相干光束后，会聚在该光敏感高分子层30表面。该反射深紫外偏振光束521及该透射深紫外偏振光束522穿过该光束转换装置53后，获得平行于X轴的平行电场分量。

再请参阅图5，该反射深紫外偏振光束521及该透射深紫外偏振光束522照射该光敏感高分子层30(参阅图4)，该光敏感高分子301吸收该深紫外偏振光光子能量后，被诱导沿X电场方向排列，即获得一X轴方向的平行电场分量配向层60。

再请参阅图6、图7所示，如果偏振光分离装置52接收深紫外偏振光束503后，获得一具平行Y轴的垂直电场分量的反射深紫外偏振光束523及一具平行Y轴的垂直电场分量的透射深紫外偏振光束524，那么照射该光敏感高分子层30后，该光敏感高分子301吸收该深紫外偏振光光子能量后，被诱导沿Y电场方向排列，即获得一具平行于Y轴的平行电场分量配向层61。

将光在某种媒质中传播的空间路程，通过乘以媒质的折射率，折算为光在相同时间内相同的波数在真空里的传播路程，就是它的光程，两束光能产生相干的最大光程差为相干长度ΔL，在图3及图6中，取该反射深紫外偏振光束521、523传输至光敏感高分子层30所经过的光程为L1，取该透射深紫外偏振光束522、524传输至光敏感高分子层30所经过的光程为L2，L1与L2的光程差值L2-L1必须在光波相干长度ΔL内，即L2-L1＜L满足光干涉条件。光束干涉引起光强度的重新分布，光敏感高分子301吸收光子能量后，破坏光敏感高分子301的键结构。如果导致键结不均向断裂，诱发光裂解反应；或者导致感光基中的不饱和双键进行聚合反应，引致高分子表面产生光学异向性。

采用两束高能量的深紫外光干涉诱导光敏感高分子301有序排列，因为光子能量较大，如波长为248纳米的深紫外光束，其光子能量约可以达到5eV，避免低能量的光子仅能令分子产生剧烈振动，引发其它副反应；同时，两束光干涉光学对比度高于多束光干涉。

采用该种实施方式，在曝光过程中，省略使用光罩，而且由于该干涉光光子能量大，一次曝光可以实现预倾角设置，不必进行第二次曝光，使得流程更加简单，节约了成本，同时提高了精度。

另，该第一光反射镜561及该第三光反射镜563可以沿平行与该水平面X方向上自由移动，凭借该第一光反射镜561及该第三光反射镜563的移动可以分别调整每一束干涉光的入射倾角，使得光敏感高分子层形成具有不对称的预倾角。取经第一光反射镜561后的入射光线与法线N方向夹角为θ1，取经该第二光反射镜562后的入射光线与该法线方向夹角为θ2，令 $\mathrm{\θ}3=\frac{(\mathrm{\θ}1+\mathrm{\θ}2)}{2},$ 则形成微沟槽周期为： $p=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}3},$ 选择不同波长的光束配合设定好的入射光线的倾角进行曝光，获得不同周期的微沟槽及预倾角。

提供一排气管58，用以排除光敏感高分子层30接收偏振光束照射后，引发化学反应产生的杂质气体、小颗粒等。

提供一光强控制装置59，设置在该偏振光产生装置51与该偏振光分离装置52之间，因为紫外光束传输过程中，能量被消耗，该装置可以实时调整紫外光束的强度。

对于不同的光敏感高分子材料，诱发其键结发生反应需要不同波长的光波照射。选择可以产生超紫外光束的光源，取波长介于1.0纳米至100纳米，如波长为13纳米的超紫外光束，光子能量可达95eV，所以当光敏感高分子吸收高能量的光子后，可以使得光敏感高分子层表面键接分解而蒸发，形成微沟槽，如图8所示。因为当液晶分子长轴平行沟槽时形变最少，能量最低，长形液晶分子有沿着沟槽排列的倾向。这样，在基板22上形成一配向层62。

另外，因为采用波长介于1.0纳米及100纳米间的超紫外光束，几乎所有物质对该波段的光波呈强烈吸收特性，所以使用大掠角(GratingAngle)反射光学元件可以避免光强度衰减，再请参阅图9，为另一实施方式所揭示的液晶配向方法示意图。

在图9中，该液晶配向设备3同样包括一光源70、一偏振光产生装置71、一光分离装置72、一光强控制装置79、一光束方向控制装置74、一光束反射装置(图未示)，该光束反射装置包括一第一光束反射装置761及一第二光束反射装置762，一光束转换装置73及一排气装置78，该光分离装置72为一全像衍射光学元件(Holographic Diffractive Optical Element)，该光束转换装置73为一反射式光学元件，用反射式光学元件取代上一实施方式中的会聚透镜。

该光源70为一高压光源，产生电磁光束；该偏振光产生装置71可以产生偏振光束，当接收光源产生的光束后，同时生成偏振光束；该偏振光分离装置72，用以接收该偏振光束，同时反射及衍射方式获得两束相干偏振光束；该光束反射装置的光束反射镜761、762分别接收由光分离装置反射及透射的偏振光束；其中经过第二光束反射镜762的衍射偏振光再次经光束转换装置73反射后，被改变传输方向，与第一反射镜761反射的反射偏振光束相交在光敏感高分子层701表面。

该实施方式所揭示的液晶配向方法步骤与上一实施方式基本相同，其中区别在于：提供该全像衍射光学元件作为光分离装置72，用以接收偏振光，获得两束振动方向一致的衍射偏振光，其分别为第一衍射偏振光702与第二衍射偏振光703。

经过该光分离装置72后的第一衍射偏振光束702经第一光束反射镜761反射后，射向一形成在基板40上的光敏感高分子层41；经过该光分离装置72后的第二衍射偏振光束703经第二光束反射镜762及光束转换装置73反射后，与经第一光束反射镜761反射后的第一衍射偏振光束702在该光敏感高分子层41表面相交，并发生干涉以形成配向层。取平行与该基板表面方向为XY平面，该第一反射镜761与该光束转换装置73可以沿该XY平面自由移动，以改变光线入射角度，形成预期的倾角。

上述实施方式相较于接触式顺向机械式摩擦，避免了刷膜制程造成的粉尘颗粒、静电残留、刷痕产生等问题容易造成制程良率降低；以及大尺寸摩擦控制不易，造成液晶的预倾角不一样而影响显示器的稳定；针对单一方向摩擦配向所造成的窄视角问题。

Claims (10)

1.一种液晶配向设备，其包括：一光源、一偏振光产生装置、一偏振光分离装置、一光束反射装置及一光束转换装置，该偏振光产生装置接收自光源发出的光束同时生成偏振光束，该偏振光经过光分离装置反射及透射获得两束偏振光束，该两束偏振光束经过该光束反射装置及光束转换装置后相交并发生干涉。

2.如权利要求1所述的液晶配向设备，其特征在于：该光束反射装置包括两个能够沿水平方向自由移动的光束反射镜。

3.如权利要求1所述的液晶配向设备，其特征在于：该光源产生波长介于1.0纳米至250纳米之间的光束。

4.如权利要求1所述的液晶配向设备，其特征在于：该光束转换装置为一能够沿平行于水平方向自由移动的反射式光学元件。

5.如权利要求1所述的液晶配向设备，其特征在于：还包括一光束方向控制装置，设置在该光束分离装置与该偏振光产生装置之间，控制光束沿着设定方向传输。

6.一种液晶配向方法，其包括下述步骤：提供一基板；在该基板上涂布一光敏感高分子层；提供一光源，发出深紫外光束；提供一偏振光产生装置，用以接收光源产生的光束，获得偏振光束；提供一光分离装置，用以接收偏振光束，同时反射及透射该偏振光束，获得两束偏振光束；提供一光束反射装置，用以接收光分离装置反射及透射之偏振光束，并改变其传输方向，获得两束平行偏振光束；提供一光束转换装置，接收光分离装置反射及透射的偏振光束，同时使得该反射及透射偏振光束相交在光敏感高分子层表面，并发生干涉以形成配向层。

7.如权利要求6所述的液晶配向方法，其特征在于：该光束反射装置包括两个能够沿平行于基板方向自由移动的光束反射镜，其中一光束反射镜用来改变经光分离装置获得的反射偏振光束，另一光束反射镜用来改变经光分离装置获得的透射偏振光束。

8.如权利要求6所述的液晶配向方法，其特征在于：该光源产生电磁波为波长介于1.0纳米至250纳米之间的光束。

9.如权利要求6所述的液晶配向方法，其特征在于：该反射偏振光束与该透射偏振光束自光分离装置至光敏感高分子层表面的光程差在相干长度内。

10.如权利要求6所述的液晶配向方法，其特征在于：该光束转换装置为一能够沿平行于基板方向自由移动的反射式光学元件。

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