CN101023392A - 一种改善的聚亚酰胺单元液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在液晶显示器中使用的一种聚亚酰胺单元，即使没有对液晶分子施加电压时，所述液晶分子处于弯曲状态。

Description

一种改善的聚亚酰胺单元液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器(LCD)，特别地，涉及通过提供一种改善的取向层来增加反应速度的LCD。

背景技术

液晶显示器(LCD)被用在很多应用中。液晶显示器(LCD)的光学设计是其应用的重要主题。理想地，一个好的LCD模型应该具有卓越的对比度，宽阔的视角，高光学效率和快转换速度。

主要应用之一在于显示视频信号。这包括LCD电视(LCDTV)。对于视频速率信号显示器，所述LCD的反应速度必须快，否则会有运动图像的模糊现象。同样，所述LCDTV的视角应该尽量宽，就像在传统的阴极射线管一样。通常在水平方向的要求是160°，在垂直方向的要求是90°。对于宽的视角，所述板内切换(IPS)模式和所述垂直取向(verticalalignment)模式以及其很多的变型对于视频应用很有希望。然而，它们的切换速度需要从＞10ms提高到2ms。这样，需要LCD光学模式具有快的切换速度和宽的视角。

用于快速切换LCD的一种可能的候选者是聚亚酰胺单元(pi-cell)。一个聚亚酰胺单元主要是一个弯曲变形的液晶单元。这个聚亚酰胺单元在1986年作为一种快速液晶切换被发明(P.Bos，美国专利No.4566758：Rapid starting，high-speed liquid crystalvariable optical retarder)。在其被发明的原始形式中，所述单元实际上是一种斜展变形单元，其需要一个偏压来转换它成为一个弯曲单元或聚亚酰胺单元。与所述二轴补偿膜一起，这个聚亚酰胺单元后来被改进，也被称作光学补偿弯曲排列(OCB)液晶显示器(H.Nakamura等人，美国专利No.6069620：Driving method of liquid crystal displaydevice)。所述聚亚酰胺单元基本上在向列液晶的多种弯曲变形之间工作。施加一个电压改变所述液晶单元指向矢(director)的弯曲角度，因此改变它的全部的双折射。这样，所述聚亚酰胺单元的光学性质基本上是一个电控双折射(electrically controlledbirefringent，ECB)单元的光学性质。这样，它能够容易地通过使用多种光学膜来补偿以获得一个宽的视角。

一种传统的聚亚酰胺单元通过在所述液晶单元单元两侧的所述取向层的平行摩擦形成。在所述液晶单元两侧的倾斜角互相朝向对方倾斜，如图2放大示出。符合这些边界条件的可能的液晶指向矢取向是斜展变形(splay deformation，以后称为S-状态)，弯曲变形(bend deformation，以后称为B-状态)，以及π-扭转变形(π-twist deformation，以后称为T-状态)。S-单元和B-单元分别在图8A和8B中示出。图10A和10B显示了在(A)零电压和(B)高电压的弯曲取向。当施加一个高电压时，所述B-状态成为垂直取向(homeotropic alignment)。向所述的这种基本的结构引入π/4扭转和π/8扭转，存在这种基本取向的变化。在研究的所有情况下，最稳定的状态是S-状态。从更稳定的S-状态到B-状态的变形需要使用所述聚亚酰胺单元。(参阅，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)。因为所述S和B变形不是拓扑等价的，需要发生有核的转换。起初的S-状态到B-状态的所述“条件”是研究的主要领域。已经提出了很多方法，包括引入突起和添加手性分子掺杂物。同样，为了所述聚亚酰胺单元只在所述B-状态正常工作，要维持一个偏压。

本发明的一个目的是，提供一种改进的聚亚酰胺单元。

发明内容

在本发明的一个方面，提供用在液晶单元的一种液晶取向层来取向液晶分子。所述取向层包括纳米结构：

a.一种水平取向材料，能够提供在与其接触处的所述液晶分子的一个第一预倾角；

b.一种垂直取向材料，能够提供在与其接触处的所述液晶分子的一个第二预倾角；

其中与所述取向层接触的和在所述取向层附近的所述液晶分子有效的预倾角能够被控制以具有在所述第一预倾角和第二预倾角之间的一个值。在一个优选实施例中，所述第一预倾角在1°-10°以及所述第二预倾角在80°-90°。在一个更为优选的实施例中，所述第一预倾角在1°-8°以及所述第二预倾角在85°-90°。在另一个优选实施例中，所述取向层包括所述垂直取向材料或所述水平取向材料的纳米结构。在另一个优选实施例中，所述纳米结构既包括所述水平取向材料又包括所述垂直取向材料。在另一个实施例中，所述纳米结构是水平取向材料。在另一个实施例中，所述纳米结构是垂直取向材料。在另一个优选实施例中，所述纳米结构大小是0-1微米的量级。

在一个优选实施例中，所述取向材料中的至少一种是一个聚合体。在一个更为优选的实施例中，所述取向材料中的至少一种是从包括聚酰亚胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚酰胺酸和聚乙烯醇的一个组中选择出来的。在一个更为优选的实施例中，所述取向材料中的至少一种是聚酰亚胺。在另一个更为优选的实施例中，所述水平取向材料从包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一组中选择出来，并且所述垂直取向材料从包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一个组中选择出来。在一个最优选的实施例中，所述水平取向材料是JALS9203，所述垂直取向材料是JALS2021。

在另一个优选的实施例中，所述重量：所述水平取向材料相对于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一个更优选的实施例中，所述重量：所述水平取向材料相对于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。

在另一个优选的实施例中，在所述取向层上的所述极角锚定能量在5×10^-4J/cm²到2.5×10^-3J/cm²之间。

在本发明的另一方面，提供了在一个液晶单元中制造一个取向层的方法，其包括：

a)在一个溶剂中溶解一种水平取向材料和一种垂直取向材料来形成一个均匀的溶液；

b)用这个溶液在基板上形成一层液体膜；

c)处理所述膜来形成一层变硬的固体膜；以及

d)加工所述变硬的固体膜来得到一个统一的取向方向。

在一个优选的实施例中，所述水平取向材料能够在所述取向层中提供一个第一预倾角，所述垂直取向材料能够在所述取向层中提供一个第二预倾角。在整个说明书中使用的“水平取向材料”这个表达是指使液晶分子与其表面接触处取向0°的水平取向材料以及使液晶分子与其表面接触处取向大于0°的水平取向材料，例如，使液晶分子与其表面接触处取向一个大于0°的角的水平取向材料，可以到大约12，11，10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0.5或0.1度。在整个说明书中使用的“垂直取向材料”这个表达是指使液晶分子与其表面接触处取向90°的垂直取向材料以及使液晶分子与其表面接触处取向小于90°的垂直取向材料，例如，使液晶分子与其表面接触处取向一个小于90°的角的垂直取向材料，大约为78，79，80，81，82，83，84，85，86，87，88，89，89.5，或89.9度。在一个更为优选的实施例中，所述第一预倾角是1°-10°并且第二预倾角是80°-90°。在一个进一步优选的实施例中，所述第一预倾角是1°-8°并且第二预倾角是85°-90°。

所述水平取向材料可能全部地或至少部分地与所述垂直取向材料溶混。

在另一个优选的实施例中，所述水平取向材料在混合前被溶解到一个第一溶剂中。在另一个优选的实施例中，所述垂直取向材料在混合前被溶解到一个第二溶剂中。

在另一个优选的实施例中，在步骤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纳米结构。在另一个实施例中，所述纳米结构既包括所述水平取向材料又包括垂直取向材料。所述纳米结构的大小是0-1微米的量级。

在另一个优选的实施例中，所述取向材料中的至少一种是聚合体。在一个更为优选的实施例中，所述取向材料中的至少一种是从包括聚酰亚胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚酰胺酸和聚乙烯醇的一个组中选择出来的。在一个更为优选的实施例中，所述取向材料中的至少一种是聚酰亚胺。在另一个实施例中，所述水平取向材料和所述垂直取向材料都是聚酰亚胺。在一个最优选的实施例中，所述水平取向材料是JALS9203，所述垂直取向材料是JALS2021。

在另一个优选的实施例中，所述第一和第二溶剂从包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲替甲酰胺(DMF)，γ-丁内酯(γBL)，丁基纤维素溶剂(BC)和THF(四氢呋喃)的一个组中选出来。在一个更为优选的实施例中，所述第一溶剂包括γBL，NMP和BC，所述第二溶剂包括NMP和BC。在一个最优选的实施例中，所述第一和第二溶剂是包含在JALS9203和JALS2021中的溶剂。

在另一个优选的实施例中，所述重量：所述水平取向材料相对于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一个更优选的实施例中，所述重量：所述水平取向材料相对于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。

在另一个优选的实施例中，所述处理包括在80℃-120℃的一个第一烘烤和在大约200℃-250℃的一个第二烘烤。在另一个实施例中，所述处理是光处理。

在另一个实施例中，所述薄膜是通过旋涂法，丝网印刷法，喷涂或喷墨印刷法形成。

在另一个实施例中，所述摩擦是通过一块织物以一个固定的方向的机械摩擦或通过用一个离子束在真空中以一个固定的方向在一个固定的入射角照射所述表面来完成。

在另一个实施例中，所述基板是覆盖铟锡氧化物的玻璃。在一个优选的实施例中，所述铟锡氧化物在一个无源矩阵显示器中被排列成行和列的图样。在一个更为优选的实施例中，所述基板包括用于有源矩阵驱动的一个薄膜晶体管数组。

在本发明的另一个方面，提供为准备一个取向层而形成一种溶液的处理，该取向层能够提供在8°和85°之间的一个第一预倾角。所述处理包括在一个溶剂中混合一个水平取向材料和一个垂直取向材料，其中所述水平取向材料能够在所述取向层中提供一个第一预倾角，并且所述垂直取向材料能够在所述取向层中提供一个第二预倾角。在一个优选的实施例中，所述第一预倾角是0°-10°，所述第二预倾角是80°-90°。在一个更为优选的实施例中，所述第一预倾角是0°-8°，所述第二预倾角是85°-90°。

在一个优选的实施例中，所述处理包括混合商业获得的水平和垂直取向材料。在一个更为优选的实施例中，所述水平取向材料从JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291中选择出来；并且所述垂直取向材料从JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211中选择出来。

在另一个实施例中，所述溶剂能够形成一个溶液，包括纳米大小的液滴。在一个优选的实施例中，所述液滴或者是水平的或者是垂直的取向材料。在另一个优选的实施例中，所述液滴是垂直的还有水平的取向材料。

在本发明中，我们还公开了一种聚亚酰胺单元，其不需要任何偏压并且总是处于弯曲变形，甚至于在零偏压。没有稳定的斜展变形状态。在后文中，这将被称作“无偏压弯曲”单元(no-bias bend，NBB单元)。因此，这个新的聚亚酰胺单元或NBB单元非常容易操作。由所述NBB单元制造的液晶显示器总的开启-关闭切换时间不到2ms，开启时间不到1ms。所述光学效率被优化到将近90％。这个NBB单元显示器还能被光学补偿来具有类似于传统聚亚酰胺单元的宽的视角。通过一个特殊液晶取向层的发明，这个NBB单元有可能在液晶单元中生成稳定的高预倾角。

本发明的要点是所述NBB单元。这个NBB单元通过取向层的应用获得，其可以为所述液晶分子提供大的预倾角，在30°-70°范围之内。

在本发明的另一方面，提供一个液晶单元，其包括：(a)互相面对的两个基板；(b)密封在所述两个基板之间的液晶层；所述液晶层具有1微米到10微米的厚度；所述液晶层包含具有正的介电异向性的液晶分子，即，ε∥＞ε_⊥；(c)提供在所述基板内表面上的两个取向层，朝向所述液晶层，为了取向所述液晶层，所述取向层是固体薄膜的形式，厚度为10-100nm。在所述液晶单元中，所述固体薄膜取向层包含垂直取向材料和平行(水平)取向材料的混合物；所述固体薄膜取向层能够提供在与其接触处的所述液晶分子的30°-70°预倾角。

在本发明的另一个实施例中，提供一种液晶显示器设备，包括(a)如上提到的所述NBB液晶单元；(b)设置在所述第一基板后表面上的一个第一起偏器(polarizer)。在一个实施例中，所述第一起偏器是一个输入起偏器。在另一个实施例中，所述液晶设备包括设置在所述第二基板后表面上的一个第二起偏器。在一个优选的实施例中，所述第二起偏器是一个输出起偏器。在图3A中，所述第二起偏器也被称为检偏器(analyzer)。

在另一个实施例中，如图3A所示的所述起偏角α和γ，与所述取向层的摩擦方向成正或负35°-55°角。在另一个实施例中，所述液晶层的厚度在1微米到10微米之间。在另一个实施例中，所述液晶层包含具有正的介电异向性的液晶分子，其中ε∥＞ε_⊥。在另一个实施例中，所述取向层的厚度为10-200nm。

在另一个实施例中，与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子具有预倾角10°-80°。在一个优选实施例中，与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子具有30°-70°的预倾角。

在另一个实施例中，与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子的预倾角基本上相同。优选地，所述预倾角在45°-90°范围内。

在本发明的另一个实施例中，提供包括一个液晶单元的一个弯曲状态液晶显示设备，包括：

a.  一个第一基板，其上具有一个第一取向层；

b.  一个第二基板，其上具有一个第二取向层；

c.一个液晶层，其夹心在所述第一和第二取向层之间，所述第一取向层引出一个第一液晶预倾角θ₁，其绝对值在17°-60°，所述第二取向层引出一个第二液晶预倾角θ₂，其绝对值在17°-60°；所述θ₁和θ₂定义在同一个坐标系中符号相反，并且所述液晶层在零偏压能够维持一个稳定的弯曲状态。

在本发明的另一个方面，提供包括液晶单元的一个弯曲状态液晶设备，包括：

a.一个第一基板，其上具有一个第一取向层，其被处理来给出与所述第一取向层接触的所述液晶分子的一个预倾角θ₁和一个方位角(azimuthal angle)φ₁；

b.一个第二基板，其上具有一个第二取向层，其被处理来给出与所述第二取向层接触的所述液晶分子的一个预倾角θ₂和一个方位角φ₂；

c.所述取向层的至少一个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够提供85°-90°的预倾角，所述水平取向材料能够提供0°-8°的预倾角；一个液晶层夹心在所述第一和第二取向层之间。本发明的前两个方面都包括一个实施例，其中所述液晶设备的θ₁和θ₂满足下述等式：

(K₃₃-K₁₁)(sin2θ₁+sin2θ₂)+2(π-2θ₁-2θ₂)(K₃₃+K₁₁)＝0

在该等式中，K33是液晶的弯曲弹性常数，K11是液晶的斜展弹性常数。

在这两个方面的一个优选实施例中，所述θ1和θ2基本上相同，并且在范围30°-60°。在另一个优选的实施例中，当K33/K11＝1.3时，所述θ₁和θ₂是47±5°。在另一个实施例中，当K33/K11＝1.3时，θ₁＝17±5°以及θ₂＝60±5°。

在这两个方面的另一个实施例中，至少其中一个取向层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够提供在与其接触处的所述液晶分子的0°-8°的预倾角，所述垂直取向材料能够提供在与其接触处的所述液晶分子的85°-90°的预倾角。在一个优选实施例中，所述取向层的至少一个包括纳米大小的结构，大小为0-1微米。在另一个优选实施例中，所述纳米大小结构包括所述水平和垂直取向材料的至少一种。在一个更优选的实施例中，所述取向层的水平取向材料从包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一个组中选择出来，并且所述取向层的垂直取向材料从包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一个组中选择出来。

在另一个实施例中，包括液晶的所述液晶层具有一个正的介电异向性。在一个优选实施例中，所述液晶层具有在1-15微米之间的厚度。

在另一个实施例中，所述取向层是固体薄膜，具有厚度10-200nm。

在另一个实施例中，与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子镜面对称地倾斜。在另一个实施例中，在所述液晶层两侧的所述预倾角以一种方式倾斜，使得当投射到所述取向层的表面上时，所述预倾角的方向平行。

在另一个实施例中，所述基板中的至少一个是一个有源矩阵底板，其包括以矩阵形式安排的薄膜晶体管。

在另一个实施例中，所述液晶层的处理是用一块布机械摩擦所述取向层。在另一个实施例中，所述取向层的处理是光取向，通过暴露所述取向层到偏振光的一个紫外线光束中进行。在另一个实施例中，所述取向层的处理是通过一个离子束在真空室中以一个角度照射所述取向层。

在另一个实施例中，所述液晶设备进一步包括一个输入和输出起偏器。所述起偏轴被设置与所述液晶单元的取向层的摩擦方向成正或负35°-55°角。在另一个实施例中，所述液晶设备进一步包括一个反射装置，被置于所述液晶单元的外部。在另一个实施例中，所述液晶设备进一步包括一个反射装置，其被置于所述液晶单元内部的有源矩阵底板上。在另一个实施例中，所述液晶设备进一步包括一个补偿延迟膜。

根据本发明的另一个方面，提供一个方法，用来在弯曲状态液晶设备中生成一个稳定的弯曲状态。所述弯曲状态液晶设备包括一个第一基板，其上具有一个第一取向层，一个第二基板，其上具有一个第二取向层。该方法包括：

a.夹心具有正的介电异向性的液晶在所述第一和第二取向层之间；

b.引出一个第一液晶预倾角，在17°-60°的范围内；

c.引出一个第二液晶预倾角，在17°-60°的范围内；以及

d.取向所述液晶在一个弯曲状态，其在零偏压电压和工作电压保持稳定。

在一个实施例中，所述预倾角通过提供取向层被引出，该取向层包括能够提供在与其接触处的所述液晶分子0°-8°预倾角的水平取向材料和能够提供在与其接触处的所述液晶分子85°-90°预倾角的垂直取向材料。

附图说明

图1A，1B和1C显示了根据本发明一个方面的一个液晶显示设备的一部分的截面图。

图2显示了根据本发明另一个方面的一个液晶单元的一部分的截面图。

图3显示了在Cartesian坐标系中的液晶指向矢。

图3A显示了根据本发明的另一个方面的起偏器，检偏器，光和观察者相对于所述液晶单元的位置。

图4显示了根据本发明的另一个方面的制作一个液晶取向层的过程。

图5A，5B和5C是一组照片，显示了根据本发明的另一个方面，由液晶层作用剂形成的一层固体膜的纳米和微米区域的例子。

图6A显示了根据本发明的另一个方面的，所述预倾角和垂直取向材料(JALS2021)的浓度之间的关系。所述取向膜由旋涂法形成。

图6B显示了根据本发明的另一个方面的，所述预倾角和垂直取向材料(JALS2021)的浓度之间的关系。这里，所述取向膜由滚筒印刷法形成。

图7显示了根据本发明的另一个方面的，所述极角锚定能量和垂直取向材料(JALS2021)的浓度之间的关系。

图8A和8B分别显示了根据本发明的另一方面的所述液晶层的所述(A)斜展和(B)弯曲变形取向。

图9显示了根据本发明的另一方面的一个液晶层的所述弯曲和斜展取向的所述弹性变形能量。

图10A和10B显示了根据本发明的另一方面的在(A)零电压和(B)高电压处的所述弯曲取向。

图11显示了根据本发明的另一方面的由例4准备的单元(1)的传输和电压之间的关系。

图12A和12B是示波器描迹，显示了根据本发明的另一方面的由例4准备的单元(I)的切换动态特性。

图13是一个三维图，显示了根据本发明的另一方面的反应时间(μs)，开始水平和结束水平的百分比之间的关系，即，由例4准备的单元(I)从灰度(grey level)到灰度的切换时间。

根据本发明的另一方面，图14显示了根据例5准备的单元(II)的传输和电压之间的关系。

图15是一个三维图，显示了根据本发明的另一方面的反应时间(μs)，开始水平和结束水平的百分比之间的关系，即，由例5准备的单元(II)从灰度到灰度的切换时间。

具体实施方式

两个角“基本上相同”是指所述两个角相差少于5°；优选地，少于3°；最优选地，少于1°。这里的“绝对值”是指一个实数的数值，而不考虑其符号。例如，-4的绝对值是4。也叫作数值。

参考图1A，显示了液晶显示器的一部分，包括一个液晶单元1和两个起偏器2和3。所述箭头指示通过所述液晶单元的光径。图1B显示了具有两个延迟膜13，14的穿透式液晶单元，这两个膜用来补偿色散并改善所述液晶显示器的视角。所述箭头指示通过所述液晶单元的光径。图1C显示了一个反射液晶单元的一部分，其具有一个延迟膜13，并且提供一个外部镜面12。或者，图1C中的反射镜面能够被形成在所述液晶单元内部作为无源和矩阵驱动显示器的象素结构的一部分。或者，提供延迟膜14而不是13。所述两个箭头指示所述单元的光径。

在图2中，显示了没有施加电压时的一个液晶单元，包括顶部基板4和底部基板5；两个透明的导电电极6和7，一个顶部取向层8和一个底部取向层9，一个液晶层10。在液晶分子10A的第一层和所述底部取向层9的表面之间形成的角θ₁被称作第一预倾角。在液晶分子10B的第一层和所述顶部取向层8的表面之间形成的角θ₂被称作第二预倾角。θ₁和θ₂可以基本上相同或者不同。在这个液晶显示器中，所述基板4和5可以由玻璃制成。所述玻璃基板中的一个，如5，可以是带有薄膜晶体管数组的一个有源矩阵底板。或者，所述基板中的一个，如4，可以由玻璃制成，而另一个基板5可以是不透明的材料，如硅。在这种情况下，可以在所述硅基板上构造一个有源矩阵数组。如果两块基板都是由玻璃制成，所述液晶显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个是不透明的，所述液晶显示器只能在反射式模式工作，所述反射镜被构造作为所述液晶单元内部的所述有源矩阵结构的一部分。

第一优选实施例的其它要素之一是所述液晶层10，其夹心在所述基板之间。通过所述液晶单元内部的间隔器(未示出)，所述液晶层的厚度被固定。所述液晶层的最重要的参数是在边界与所述取向层的所述预倾角。当不施加电压时，这些预倾角θ₁和θ₂决定所述液晶层10的θ₁(z)和φ(z)(参阅图3)。这里，为了简便，我们假设所述角只依赖于一个变量z，其是到所述液晶单元的垂直方向上的距离，如图3所示。一般地，θ和φ可以是( x，y，z)的函数。但是，在这里，它不影响本发明的表达。

这个液晶层通过具有方向θ和φ的一个液晶指向矢表征，θ和φ分别是极角(polarangle)和方位角(azimuthal angle)，在图3中示出。在本发明中，θ还指倾斜角(tiltangle)。所述倾斜角在与所述取向层的边界，θ(0)和θ(d)被称为预倾角。所述指向矢的取向，即，θ(z)和φ(z)的值决定所述液晶单元的光学特性。它基本上决定了所述液晶单元的穿透率和反射率。如图3所示，液晶分子n的所述指向矢由一个预倾角(倾斜角)θ和一个预倾角方向(扭转角)φ决定，θ对应于所述指向矢n的一个极角，φ对应于它的一个方位角。液晶分子的所述指向矢n的所述Cartesian坐标系被定义为：

n＝(cosθcosφ，cosθsinφ，sinθ)

通过在所述基板上进行取向处理来控制所述预倾角θ和所述预倾角方向φ，液晶的所述指向矢n可以被确定。

由所述液晶单元进行的光的传输或反射通过所述起偏器角α和所述检偏器角φ决定，如图3A所示，并且，由所述的液晶层10的所述取向条件决定。所述电极6，7和所述取向层8，9被用来控制所述液晶层10的所述取向条件。所述电极提供电压来控制所述θ(z)和φ(z)值。所述取向层和它们的处理决定θ(0)和φ(0)的值，其中d是所述液晶单元的厚度。本质上，θ(0)是θ1而θ(d)是θ2，如前所述。它们是等价的符号。θ(0)和φ(0)以及θ(d)和φ(d)的所述值和所述弹性Euler’s等式一起，决定θ(z)和φ(z)的解。所述液晶层的所述取向的物理意义在现有技术中是公知的，在文献中也有介绍，如Springer在1994年出版的由Blinov和Chigrinov写的专论“Electrooptic Effects in Liquid CrystalMaterials”。θ(0)和φ(0)被认为是液晶取向的易取向轴。

应该注意的是，在所述表面上所述液晶的真实的取向方向还依赖于取向表面的锚定能量。所述锚定能量是锚定条件有多强的一个测量。如果所述锚定能量很大，就很难从这个条件偏离，而取向角是由易取向轴的方向给出。对于弱锚定，在所述表面的液晶的真实角度可以偏离θ(0)和φ(0)。

显而易见地，θ(0)和φ(0)以及θ(d)和φ(d)的所述值或正好在所述取向层附近的所述液晶分子的取向在设计所述液晶单元的光电特性中很重要。所述液晶分子的取向能够通过很多装置得到，并且在液晶物理学和工程领域中是一个被很好地研究的问题。所述预定的取向条件一般，例如，通过摩擦取向层8，9得到。

所述取向层被处理使得它们能够取向在其附近的液晶分子。所述处理大多由机械摩擦完成。有时也会采用其它的技术，如，光取向或离子束取向。为了本发明的公开，我们不限于任何一种取向技术。对于下面的讨论，我们使用摩擦作为所述取向层处理的一个例子。

在所述取向层上的摩擦方向决定φ(0)和φ(d)，而所述预倾角θ(0)和θ(d)的值主要由所述取向层8，9的材料特性决定。有平行取向材料，如，聚酰亚胺，其可以为生产扭曲向列(TN)和超级扭曲向列(STN)液晶显示器提供1°-8°的预倾角。这种材料还被称作水平取向材料。还有材料能够为生产向列型垂直取向(vertically aligned nematic，VAN)液晶显示器提供预倾角为85°-90°的垂直取向。这种材料还可称作垂直取向材料。这些平行和垂直材料可商业上获得。很多发明已经公开了不同种类的化学制品，它们可以提供水平或垂直取向。但是应该注意的是，这些取向层只能提供接近水平或接近垂直取向。不可能得到处于水平或垂直之间的取向极角(alignment polar angles)。具体而言，在实践中，没有已知的聚酰亚胺取向材料可以提供接近45°的预倾角，虽然过去有宣称可以得到这种预倾角。这些聚酰亚胺取向材料已经很好地服务于液晶显示器工业。大量地用于制造实际的液晶显示器(LCD)。

在这个第一优选实施例中，所述取向层8，9被特殊处理，使所述液晶层10具有一个高预倾角。图3显示了用来可视化不同角度的坐标系。这个坐标系用于描述整个液晶单元中的n，φ(z)和θ(z)。对于一个传统的聚亚酰胺单元，φ(0)＝φ(d)，并且θ(0)(与θ1相同)和θ(d)(与θ2相同)正负值相反。这可通过平行摩擦所述顶部和底部取向层简单地得到。在这个第一优选实施例中，所述预倾角可造成一个稳定的聚亚酰胺单元，即使在没有施加电压的情况下。换而言之，θ1和θ2的值足够大使得所述单元的稳定结构是一个弯曲单元，即使没有电压施加到所述液晶单元。这与一般的聚亚酰胺单元不同，其所述液晶单元的零电压取向是一个斜展单元，并且需要一个偏压和转化方法来维持所述弯曲取向。

图4显示了根据本发明一个方面的所述液晶取向层的制作过程的一个实施例。在步骤1，一个垂直取向材料40在溶剂A中稀释，溶剂A能与所述垂直取向材料40完全溶混，形成一个垂直材料溶液42。在步骤2，所述垂直溶液42和一种水平取向材料44都溶解在一种溶剂C中，形成一个最终的混合物46。或者在可选步骤2’中，所述水平取向材料44首先溶解在一种溶剂B中，在与所述垂直材料溶液42在溶剂C中混合之前，形成一个水平材料溶液45。在步骤3，所述混合溶液46被涂到一块基板上来形成一层固体膜48。所述固体膜48就被热处理，其包括步骤4中的预烤和最终的烘烤处理来形成一层硬的固体膜50。所述硬的固体膜具有10nm-300nm的厚度。所述硬的固体膜50在步骤5中被摩擦，以生成所需的液晶取向层52。所述摩擦可以通过机械摩擦进行，其包括以一块织物在一个固定的方向上施力。

以上提到的处理只是本发明的实施例。存在很多其它的方法来实施本发明，这些都是本领域技术人员公知的。例如，所述步骤4中的处理过程也可以用光处理进行。所述步骤5中的摩擦也可以通过一个离子束在真空中以一个固定方向在一个固定入射角照射所述取向层的表面来进行。还可能在可选步骤3’中，从溶液46首先获得一层液体膜47，然后在步骤3”中，所述液体膜就被处理以得到固体膜48。干燥所述液体膜来获得所述固体膜的方

通过在所述液晶单元的两侧平行摩擦，形成一个传统的聚亚酰胺单元。满足这些边界条件的可能的指向矢取向是所述斜展变形(S-状态)，所述弯曲变形(B-状态)，以及所述π扭转变形(T-状态)。当施加一个高电压时，所述B-状态变成所述垂直取向(H-状态)。在一个传统的聚亚酰胺单元中，所述预倾角小于10°。这样，所述S-状态具有较低的弹性变形能量，因此更稳定。从这个更稳定的S-状态到所述B-状态的转化需要使用所述聚亚酰胺单元。(参阅，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)。因为所述S和B变形不是拓扑等价的，需要发生有核的转换。初始的S-状态到B-状态的所述“条件”是研究的主要领域。已经提出了很多方法，包括引入突起和添加手性分子掺杂物。同样，为了所述聚亚酰胺单元只在所述B-状态正常工作，要维持一个偏压。

这样，在传统的聚亚酰胺单元中，所述S-状态变形比所述B-状态变形更稳定，因为小的预倾角。在本发明中，我们公开一种新方法来产生更加稳定的B-状态变形，即使在零偏压。

众所周知，无扭曲液晶单元的每单位面积的弹性能量由下式给出

$E=\frac{1}{2}\underset{0}{\overset{d}{\∫}}(K_{11}{\cos }^2\mathrm{\θ}+K_{33}{\sin }^2\mathrm{\θ}){\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}^2\mathrm{dz}$

其中K₁₁和K₃₃分别是斜展和弯曲弹性常数。θ是所述倾斜角，其为所述单元内部的距离z的一个函数。在θ(z)几乎是线性分布的条件下(对于大多数液晶材料成立)，所述B单元和所述S单元的能量可以被计算。它们在图9中示出。可以很清楚地看到，如果所述预倾角增加，将有助于B-变形。然而，在传统的LCD构造技术中，很难制造大于10°的高预倾角。

我们可以很容易地估计形成所述B单元所需要的预倾角。如果在所述液晶层两侧的所述预倾角分别是θ₁和θ₂，如果满足下述条件，所述斜展和弯曲单元将具有相同的弹性能量：

(K₃₃-K₁₁)(sin2θ₁+sin2θ₂)+2(π-2θ₁-2θ₂)(K₃₃+K₁₁)＝0

如果在所述单元两侧的所述预倾角相同并且等于θ₁，上述条件可以被简化成：

(K₃₃-K₁₁)sin2θ₁+(π-4θ₁)(K₃₃+K₁₁)＝0

通过解这个等式，可以得到使得所述斜展和弯曲变形能量相同的所述预倾角的条件。例如，对于p-methyoxybenzylidene-p’-butylaniline(MBBA)，K₃₃/K₁₁＝1.3，因此，θ大约是47°。它也符合图9中显示的图表。一般地，可以看到，对于K₃₃/K₁₁的所有的值，θ总是在45°和58°之间。这样，如果在所述液晶单元上的所述预倾角比临界角大，所述弯曲变形将比所述S-变形更稳定。换而言之，所述液晶单元将总是处于所述B-状态。这是没有偏压下的聚亚酰胺单元。我们称之为无偏压弯曲(NBB)单元。对于不对称的液晶单元，在一侧的所述预倾角可以比θ小，并且在另一侧的所述预倾角必须比θ大。例如，如果θ是30°，则根据上述等式，θ2须比67°大，如果K₃₃/K₁₁＝1.3。

构造这样一个聚亚酰胺单元的重要步骤是所述高预倾角取向层的准备。过去曾经介绍了很多技术，用来在一个液晶单元中得到高预倾角。这包括SiO_x蒸镀，离子束，光控取向技术和反向机械摩擦。在本发明中，我们结合所述聚亚酰胺单元和一种特殊技术，其可以生成我们发明的一个高预倾角。

本发明中得到这样高预倾角的方法是摩擦一个经特殊准备的取向层。液晶单元被取向层8和9取向。这些特殊取向层的准备细节已经在上文中结合图4进行了描述。当一个垂直取向材料和一个水平取向材料在溶液中以合适的比例混合时，有可能形成一个取向层，其可以生成任何角度的预倾角。图6A和6B显示了针对这个实施例的实验结果。在该图中，显示了通过将所述垂直取向材料，在这种情况下，其是从Japan Synthetic Rubber公司得到的商业材料，货号为JALS2021，和一种水平取向材料混合，如JALS9203，有可能得到10°-80°任何值的预倾角。

图6A和6B中指示的所述预倾角对于相同的溶液混合物产生不一样的结果。它表明可得到的预倾角依赖于所述固体取向层的准备方法。在图6A中，使用一种旋涂技术来准备所述固体取向层。在图6B中，使用滚筒涂层以及随后快速加热的方法来准备所述固体膜。有很多其它方法来从所述溶液形成所述取向层的一层薄膜。有可能，例如，使用丝网印刷法，喷墨印刷法，浸入涂层或刮墨刀技术来形成所述薄膜。为了本发明的公开，我们只使用滚筒印刷和旋涂的例子。但是，所有其它的技术都包含在本发明的一部分中。可以说，对于准备固体膜的每一种方法，存在可得到的预倾角相对于溶液混合比率的唯一依赖性。在初始准备之后的所述固体膜的处理可以通过热的装置来执行，如，放置所述基板在一个加热的炉子内，或通过光处理照射强紫外线光到所述液体膜上。

如果所述预倾角大于40°，将会得到所述弯曲结构，即使在没有电压的情况下。如果所述取向层的摩擦取向条件是平行的，就得到一个聚亚酰胺单元或弯曲取向单元。如果所述输入起偏器和输出起偏器2，3和所述液晶单元摩擦方向成45°和-45°角，所述聚亚酰胺单元的传输由下列等式给出

$T={\sin }^2\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\underset{0}{\overset{d}{\∫}}\mathrm{\Δn}\left(z\right)\mathrm{dz}$

其中入是波长，d是所述液晶层的厚度并且Δn是所述液晶层的双折射，其依赖于所述取向条件如

Δn(z)＝n_c(θ(z))-n_o

$\frac{1}{n_e^2\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{n_e^2}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{n_o^2}$

其中n_e是液晶材料的寻常折射率，n_o是液晶材料的非常折射率。随着θ(z)的变形变化，所述液晶单元的传输也变化。这是电控双折射(ECB)单元的基础。如图8A和8B所示，针对于无电压状态和高电压状态，可以使用标准计算机软件仿真以此方式构造的所述聚亚酰胺单元的传输值。在高电压，可以得到所述液晶层的垂直取向。

取向层通常用来获得液晶层的取向来制造液晶显示器。文献中提到很多用于此用途的取向材料。这些材料大部分是对于热和光稳定的聚合体。例如，聚酰亚胺(PI)，聚乙烯醇(PVA)，聚酯和聚酰胺酸(PA)。这些材料通常被旋涂或丝网印刷到所述基板4和5上。需要预烤和最终烘烤步骤来硬化和处理所述聚合的材料。这些聚合取向作用剂中的一些能够提供具有一定度数预倾角的平行取向条件。一些特殊的取向作用剂能够为具有将近90°预倾角的所述液晶提供垂直取向。两种聚合体都能够被涂到所述基板上，并进行处理，用来在基板4，5上制造取向层，并且这都是本领域内公知的。

在本发明的这个第一优选实施例中，对于所有工作电压，所述液晶层的取向保持一个B单元的取向。因此，切换时间非常快。不像传统的聚亚酰胺单元那样，不需要任何条件来转化所述聚亚酰胺单元从斜展到弯曲变形。在所述液晶层两侧的所述预倾角可以相同或不同。在一个实验中，在一侧的预倾角是17°，而在另一侧的预倾角是60°。这是预倾角极端不相等的一个例子。图11显示了所述实验单元的传输相对于电压的特征。图12A和12B显示了我们构造的一个原型的切换时间。因为所述切换可能非常快，即使对于瞬时电压，我们绘制了8个灰度的切换时间。图13中显示了结果。可以看出需要的最大时间为3ms，而最快的时间大大少于1ms。在这个特别的例子中，不同参数的值在表I中标明。

表I：液晶单元参数

单元间隙	7微米
		液晶材料	Merck MLC-6080
预倾角	17°和60°
		垂直取向作用剂	JALS2021
水平取向作用剂	JALS9203
		输入起偏器角度	45°
输出起偏器角度	-45°

在另一个例子中，在所述液晶层两侧的预倾角被制成一样。在这种情况下，需要53°的预倾角。图14显示了这样一个样本的传输相对于电压的曲线。它和不对称的情况没有太大不同。然而，由于较小的总的双折射，这个样本的绝对传输比前一个样本的低。图15总结了由这样一个样本得到的所述切换时间。可以看到，所述反应时间更快，并且通常少于2ms。表II显示了这个实验样本的参数。

表II：液晶单元参数

单元间隙	7微米
		液晶材料	Merck MLC-6080
预倾角	53°
		垂直取向作用剂	JALS2021
水平取向作用剂	JALS9203
		输入起偏器角度	45°
输出起偏器角度	-45°

在本发明的第二个优选实施例中，使用在第一个优选实施例中描述的技术，所述液晶层的预倾角还是被制造的较大。因此，所述液晶层的取向还是所述弯曲单元或所述聚亚酰胺单元的取向。然而，现在允许所述取向层的摩擦方向对于所述顶部和底部取向层是不平行的。这样，允许对于所述液晶单元存在一定的扭转角度。这样做的目的是使得所述单元传输能够被修正，成为所述扭曲向列单元的传输，而不是所述电控双折射单元的传输。这样，所述单元间隙可以更小，并且反应时间可以更快。可以使用LCD仿真来优化第二个实施例的光学特性。在这种情况下，所述单元间隙以及所述液晶单元的扭转角度允许被改变。条件是对比度应该好，并且所述亮状态的亮度接近于一致。

在本发明的第三个优选实施例中，所述液晶显示器是一个反射显示器。有一个输入起偏器而没有输出起偏器。如图1C所示，在所述液晶单元后面却放置了一个镜面12。或者，对于反射式薄膜晶体管(TFT)LCD的情况，所述镜面可以是所述有源矩阵底板的一部分。所述液晶单元还是和第一个优选实施例中的相同。然而，因为所述光束通过所述液晶单元两次，所需的双折射会与第一个优选实施例不同。这对于所述液晶单元的反应速度很重要。现在所述单元间隙可以被减半，速度可以快差不多4倍，因为通常，一个液晶单元的反应时间与所述单元间隙的平方成反比。同样，因为现在所述路径长度变成两倍于第一个优选实施例中的长度，故所述液晶材料的双折射Δn可以有更多选择。

在所有优选实施例中，可能使用延迟膜13，14来补偿色散并改善所述液晶显示器的视角。在一些情况下，只需要一个膜。在另外一些情况下，为了精确的补偿，在所述液晶单元的两侧都需要一层膜。

例1

例1示出了准备一个取向层的过程，该取向层可以提供44度的预倾角。材料：

·所述水平取向材料：从Japan Synthetic Rubber公司购买(货号：JALS9203)，是溶液形式。(JSR Corporation，5-6-10 Tsukiji Chuo-ku，Tokyo，104-8410，Japan)。JALS9203中的所述溶剂，包括γ-丁内酯(γBL)，甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纤维素溶剂(BC)。

·所述垂直取向材料：从Japan Synthetic Rubber公司购买(货号：JALS2021)，是溶液形式。JALS2021中的所述溶剂，包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纤维素溶剂(BC)。

·基板：带有电极的一块ITO玻璃，从中国深圳南玻公司购买。

过程：

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，并充分搅拌。所述混合物被涂到所述基板上，使用旋涂法以得到一层软的固体膜。所述旋涂法开始时以800rmp的转速操作10秒钟，然后以3500rmp的转速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一层软膜和剩余的溶剂。

为了除去所有剩余的溶剂，并加工聚合体，所述被涂层的玻璃被置于一个烤炉中。一开始，以100℃烤10分钟(软烤)，然后以230℃烤90分钟(硬烤)。一层硬膜，即所述的取向层，就形成了。

所述取向层的表面要接受摩擦处理，使用一块尼龙布，每次以一个方向摩擦所述层。

结果：

根据例1生成的所述取向层的预倾角是44度。

例2

例2示出了准备一个取向层的过程，该取向层可以提供53度的预倾角。材料：

·所述水平取向材料：从Japan Synthetic Rubber公司购买(货号：JALS9203)，是溶液形式。

·所述垂直取向材料：从Japan Synthetic Rubber公司购买(货号：JALS2021)，是溶液形式。

·基板：带有电极的一块ITO玻璃，从中国深圳南玻公司购买。

过程：

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，并充分搅拌。所述混合物被涂到所述基板上，使用如下的印刷涂层法得到一层软的固体膜：

一根直径为2厘米，长为5英寸的不锈钢棒被放置于所述基板上。在棒的下面放几滴所述混合溶液，直到溶液沿所述钢棒和所述基板的表面之间的接触线扩散开。所述钢棒就滚动或者沿所述基板的表面滑行，以形成一层液体膜。

被涂层的基板就被置于一个100℃的热板上，10分钟，来去除所有的溶剂。然后就放于一个烤炉内，在230℃硬烤90分钟。就得到包括垂直和水平取向材料的一层硬膜。所述旋涂法开始时以800rmp的转速操作10秒钟，然后以3500rmp的转速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一层软膜和剩余的溶剂。

为了除去所有剩余的溶剂，并加工聚合体，所述被涂层的玻璃被置于一个烤炉中。一开始，以100℃烤10分钟(软烤)，然后以230℃烤90分钟(硬烤)。一层硬膜，即，所述的取向层，就形成了。所述取向层的表面要接受摩擦处理，使用一块尼龙布，每次以一个方向摩擦所述层。

结果：

根据例2生成的所述取向层的预倾角是53度。

在例1中，通过旋涂法，所述液体膜变成了软的固体膜。所述溶剂慢慢地蒸发，使得水平取向和垂直取向的区域趋向于更大。而且，水平取向和垂直取向区域的表面积的比率，将有助于在所述混合的溶剂中具有较高溶解性的材料，因为具有较低溶解性的材料将先沉淀。

在例2中，由于在一块热的板子上加热，所以凝固得很快。这样，所述区域倾向于更小。所述水平取向和垂直取向区域面积的比率不会因为材料的不同溶解性而受到太大的影响。

由例1和例2的工艺过程得到的预倾角不同，即使对于相同的水平取向和垂直取向取向作用剂的混合物。这是因为使用不同的过程得到不同的区域结构。这里有一个表格，列出了对于相同的混合物使用所述两种不同的方法得到的所述预倾角。

结果

与所述取向层接触的液晶分子的预倾角是通过晶体旋转方法测量。

在所述取向层表面上的所述锚定能量通过Chigrinov等人的公开中描述的方法进行测量(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)。

所述取向层的表面上的区域结构被标准原子力显微镜方法和光学显微镜方法观察。图8A显示了包含5％JALS2021的所述取向层上的纳米结构。图8B显示了包含10％JALS 2021的所述取向层上的纳米结构。图8C显示了包含15％JALS2021的所述取向层上的纳米结构。

例3

除了例1和例2，本发明还可根据不同比例的垂直取向层(JALS2021)和水平取向层(JALS9203)以及基本上与例1和例2相同的过程来生成具有不同预倾角的取向层。通过旋涂法生成的取向层的细节由表1显示。通过印刷涂层法生成的取向层的细节由表2显示。

表1.通过旋涂法生成的取向层

JALS2021的浓度(Wt％)	JALS9203的浓度(Wt％)	预倾角(度)
			0	100	5
0.566	99.434	12.9
			1.69	98.31	22.8
2.587	97.413	40.95
			3.47	96.53	51.1
5.34	94.66	72.4
			12.35	87.65	77
36	64	83.5
			100	0	87

表2.通过印刷涂层法生成的取向层

JALS2021的浓度(Wt％)	JALS9203的浓度(Wt％)	预倾角(度)
			2.3	97.7	4.8
6	94	5.25
			15.8	84.2	21.7
18.7	81.3	24.75
			27.3	72.7	37.4
36	64	53.4
			51	49	77
69	31	86
			100	0	87

准备所述新的取向层中的关键步骤是在所述固体膜形成过程中的纳米结构的形成。因为，所述两种取向材料在所述固体膜形成过程中的不同时间沉淀，就形成纳米-和微结构。图5A-5C显示了在标准原子力显微镜方法下观察的根据本发明形成的膜结构。在这些图中，较亮的区域显示了所述垂直取向材料。从图5A到5C，垂直取向材料的百分比在增加。这些样本通过旋涂法生成，其中所述从液体膜到固体膜的转化相对较慢，并且允许有更多的时间用于所述两种取向材料的分离。在这些例子中，所述纳米结构的特征是几分之一微米的量级的大小。在很多其它的情况中，所述纳米结构可以小到几个纳米。所述纳米结构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岛状物的形式存在。这个结构由表面张力，表面能量，弹性和所述两种材料的其它物理性质以及所述普通溶剂的物理性质决定。它们对于这个实施例都是有用的。

使用上述的取向层，一个液晶单元被准备，同时也获得完美的统一的取向。所述液晶分子的预倾角如图6A所示。图6A显示了在JALS2021的不同浓度测量的预倾角。可以看出所述预倾角可以通过JALS2021的百分比来控制，从大约5°到将近80°，同时JALS2021的浓度从0％到达大约14％。

所述取向层表面的极角锚定能量也被测量，由图7示出。可以看出，所述锚定能量根据JALS2021的百分比变化。

从所述溶液混合物准备所述固体膜的方法在确定所述取向层的纳米结构中和因此得到的预倾角中是重要的。图8A-8C显示了所述取向层的表面结构的光学显微照片，该取向层通过印刷法得到，随后进行快速加热来转化所述液体膜到固体膜。在这种情况下，所述纳米结构是由垂直取向和水平取向材料组成的区域。在这些照片中，暗的部分是垂直取向材料，而亮的部分是水平取向材料。图8A，8B，8C中的垂直取向材料的百分比分别是2.8％，5.8％和11.4％。所述照片的宽度对应于50微米。这样，可以看出，所述纳米区域通常小于1微米。图9显示了对于很多涂层方法，作为垂直取向材料的相对浓度的函数获得的预倾角。旋涂法的情况已经在图6中看到。可以看出，得到所述预倾角，非常依赖于所述固体膜的准备的方法。

图9显示了，对于相同的溶液混合物，得到非常不同的预倾角。这是不同纳米结构的结果。在本发明中，我们不穷尽所有从所述溶液混合物准备固体膜的方法。可以说，对于从所述溶液混合物46准备固体膜的每一种方法，将有一套新的预倾角结果对应于所述垂直取向材料的百分比。

得到的所述预倾角和所述固体膜的准备的方法的相关性可以概念地理解。就物理意义讲，所述的两种区域将与所述液晶分子互相作用。它们的取向力将互相竞争，产生一种取向，该取向介于垂直取向和水平取向之间。通过改变所述垂直取向和平行取向材料的相对浓度，可以产生不同值的预倾角。

由上述纳米区域引起的所述液晶层方向的改变可以被看作在距离所述取向表面很短的距离生成一个统一的取向层，如图4A所示。在这个图中，所述垂直(V)和水平(H)材料被混合，但是主要的部分作为在所述取向层中互相接近的岛状物。得到的最终的预倾角很大程度上依赖于所述垂直取向(V)和水平取向(H)材料的相对面积比率。在从所述液体膜到所述固体膜的形成过程中，垂直取向材料相对于水平取向材料的体积比率可以与垂直取向材料相对于水平取向材料的面积比率不同。在慢的沉淀的情况下，具有较小溶解性的所述材料将先固化。这个固体会粘附在所述基板上。这样，从具有较高溶解性的材料中沉淀的所述固体将在整个膜的顶部出现。这样，垂直取向材料相对于水平取向材料的面积比率比其实际的体积比率要高很多。根据沉淀在顶部的所述第二种材料的表面张力，能够形成如图4C和4D示意出的区域，或形成如图5C所示的网络。另一方面，如果所述固体的形成很快，则所述纳米结构更可能被图4E的显示所代表。这里，所述垂直取向材料相对于水平取向材料的面积比率和体积比率会非常相同。

根据本发明的描述产生的所述取向层可以有很多应用。例如，它可以被用于一个液晶显示器(LCD)设备的液晶单元中。使用本发明的所述取向层的LCD设备具有很多优点，如，提高的反应速度，宽的视角以及卓越的图像无残影现象性质。本领域技术人员能想到的其它应用，这里就不再详述。

根据这里公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员是显而易见的。虽然，本发明的大部分实施例使用聚合体混合物混合两种聚合体，其在形成取向层时分别提供垂直和水平取向能力，可以理解也可以使用其它聚合体来准备取向层。例如，除了JALS9203，可以使用其它的商业产品作为水平取向材料，如AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492以及SE-5291。除了JALS2021，可以使用其它的商业产品作为垂直取向材料，如，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211。

对于另一个例子，可以使用一种均聚合物，其具有提供水平取向能力的一种侧链接构和提供垂直取向能力的另一种侧链接构。所述均聚合物的侧链可以被处理以得到理想的预倾角。另一个例子，也可以使用一种共聚物，其包括提供垂直取向能力的一种单体和提供水平取向能力的另一种单体。所述共聚物中的组成单体也可以被控制来获得理想的预倾角。

虽然在这些例子中，商业购买的所述取向材料已经溶解在溶剂中，也有可能分别选择取向材料和溶剂，如图4所描述的。能够使用的溶剂是那些既与水平取向材料又与垂直取向材料易混合的溶剂。所述溶剂应该与两种材料都容易混合，使得当所述两种材料溶解在所述溶剂中时，将形成包括如纳米大小的液滴的一种均匀的溶液。当所述取向层从这样的溶液中形成，所述两种材料的纳米大小的结构可以使用标准原子力显微镜方法进行观察。Indratmoko Har iPoerwanto和Gudrun Schmidt-Naake(Telaah，JilidXXII，No.1-2，2001)提供用于预测聚合体可混和性的一种实际的方案。基于现有的知识，相信本领域技术人员应该能够根据本发明，以理想的可混和性来选择合适的溶剂来溶解所述垂直的和水平的取向材料。

例4

一种液晶单元I(单元I)通过下列方法制造：

成分：

液晶：Merck MLC-6080；向列的；等方向性相转变温度：95℃；(介电异向性)：Δε；Δn(折射率异向性)：0.2024；K₁₁：14.4；K₃₃：19.1

第一基板：从CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd购买；货号：STN＜30Ω；大小：14″×16″×1.1mm

第二基板：同上

取向层：下列例子1-3来准备能够提供17°和60°预倾角的取向层

紫外线环氧树脂(UV epoxy)：从BOIS Technology Ltd购买

间隔器(spacer)：从BOIS Technology Ltd购买；货号PF70

过程：

标准LCD单元构造过程：所述玻璃基板被清洗并涂上取向层。所述取向层被摩擦形成一个空的单元。所述单元在真空室中被充满液晶。所述单元的末端被环氧树脂密封。所述环氧树脂被用紫外光处理。所述起偏器以合适角度被层压：输入起偏器角度：45°；输出起偏器角度：-45°。

单元I的构造：

单元间隙：7微米

预倾角：17°和60°

液晶层的取向：在所有工作电压处于弯曲状态

所述第二个基板是一个有源矩阵底板，包括在一个基板上的薄膜晶体管，如以一个矩阵形式排列的玻璃。

所述单元的状态(弯曲或斜展)通过观察所述单元的颜色被确认，其相关于所述液晶单元的延迟。绿色代表所述单元处于斜展状态。白色代表所述单元处于弯曲状态。当施加电压时，白色变成灰色然后黑色。

在单元I，与所述顶部取向层和所述底部取向层接触的所述液晶分子的预倾角分别是17°和60°。这是预倾角极端不相等的情况。图11显示了单元I的传输和电压之间的关系。图12显示了我们构造的单元I的切换时间。因为所述切换可能非常快，即使对于瞬时电压，我们绘制了8个灰度的切换时间。图13中显示了结果。可以看出需要的最大时间为3ms，而最快的时间大大少于1ms。图11(以及图14)中的传输相对于电压的曲线通过使用Autronics DMS501机器得到。图12A和12B是示波器描迹，显示了单元(I)的切换动态特性。图13中的反应时间通过使用红色激光器(632nm)，快速检测器和示波器获得。

在这个单元I中，所述液晶取向层的取向对于所有工作电压保持B状态，包括零电压。因此所述切换时间非常快。不像传统的聚亚酰胺单元那样，从S状态到B状态转换单元I不需要任何条件。

例5

第二种液晶单元II(单元II)通过下列方法制造：

成分：

第一基板：从CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd购买；货号：STN＜30Ω；大小：14″×16″×1.1mm

第二基板：同上

液晶：Merck MLC-6080；向列的；等方向性相转变温度(isotropic phase transitiontemperature)：95℃；Δε(介电异向性)：7.2；Δn(折射率各向异性)：0.2024；K₁₁：14.4；K₃₃：19.1

取向层：下列例子1-3来准备能够提供大于53°预倾角的取向层

紫外线环氧树脂：从BOIS Technology Ltd购买

间隔器(spacer)：从BOIS Technology Ltd购买；货号PF50

过程：

标准LCD单元构造过程：所述玻璃基板被清洗并涂上取向层。所述取向层被摩擦形成一个空的单元。所述单元在真空室中被充满液晶。所述单元的末端被环氧树脂密封。所述环氧树脂被用紫外光处理。所述起偏器以合适角度被层压：输入起偏器角度45°；输出起偏器角度：-45°。

单元(II)的构造：

单元间隙：5微米

两个取向层的预倾角：53°；互相之间成45°角

液晶层的取向：在所有工作电压处于弯曲状态

图14显示了单元II的传输相对于电压曲线。与单元I的曲线没有太大不同。然而，由于较小的总的双折射，单元II的绝对传输比单元I的低。图15总结了由单元II获得的切换时间。可以看出，所述反应时间更快，一般少于2ms。

使用一个标准的摩擦机器，所述取向层被摩擦，使得所述顶部取向层和所述底部取向层的方向互相成45°角。这样，就允许对于所述液晶单元有一定量的扭转角度。这样做的目的是使得所述单元传输能被修正并成为一个扭曲向列单元的传输，而不是电控双折射单元的传输。这样，所述单元间隙可以更小并且所述反应时间可以更快。可以使用LCD模拟来优化这个第二实施例的光学特性。在这个仿真中，所述液晶单元的单元间隙和扭转角度允许被改变。要求是所述对比度好并且所述亮状态亮度接近于一。

例6

一个反射式液晶显示器I(LCDI)通过下列方法制造：

成分：

第一基板：从CSG Shenzhen Wellight Conductive Coating Co.，Ltd购买；货号：STN＜30Ω；大小：14″×16″×1.1mm

第二基板：带有铝涂层的一块玻璃

液晶：MLC-6080；向列的；等方向性相转变温度：95℃；Δε(介电异向性)：7.2；Δn(折射率向异性)：0.2024；K₁₁：14.4；K₃₃：19.1

取向层：根据例子1-3来准备能够提供50°预倾角的取向层

镜面：直接蒸镀铝膜到所述玻璃上。内部实施。

紫外线环氧树脂：从BOIS Technology Ltd购买

间隔器：从BOIS Technology Ltd购买；货号PF50

准备所述LCD单元的过程与例4和5中描述的相同。另外，如图1C(12)所示，一个镜面被放置在所述液晶单元的后面。在其它例子中，所述镜面可以被放置于所述液晶单元内部和在所述基板的顶部作为所述有源矩阵底板的一部分。所述起偏器是一个输入起偏器，被置于如图1C(2)所示的一个位置。在这个例子中，没有输出起偏器。

构造：

单元间隙：3微米

两个取向层的预倾角：50°(正负号相反)

液晶层的取向：在所有工作电压处于弯曲状态

因为所述光束通过所述单元两次，需要的双折射比单元I的例子所需的少。这对于所述液晶单元的反应速度很重要。因为现在所述单元间隙可以被减半，速度可以快差不多4倍。(通常，一个液晶单元的反应时间与所述单元间隙的平方成反比。)并且，因为现在所述路径长度变成两倍于单元I和单元II的长度，这里对于所述液晶材料的双折射Δn可能有更多选择。

根据本发明的描述产生的取向层可以有很多应用。例如，它可以被用于一个LCD设备的一个液晶单元中。使用本发明的所述取向层的LCD设备具有很多优点，如，提高的反应速度，宽的视角以及卓越的图像无残影现象性质。本领域技术人员能想到的其它应用，这里就不再详述。

根据这里公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员是显而易见的。希望本说明书和例子只被当作是范例，本发明真正的范围和精神将被后面的权利要求指明。

Claims (50)

1、包含一个液晶单元的一个弯曲状态液晶设备，包括：

a.一个第一基板，其上具有一个第一取向层；

b.一个第二基板，其上具有一个第二取向层；

c.一个液晶层，其夹心在所述第一和第二取向层之间，所述第一取向层引出一个第一液晶预倾角θ₁，其绝对值在17°-60°范围内，所述第二取向层引出一个第二液晶预倾角θ₂，其绝对值在17°-60°范围内；所述角θ₁和θ₂定义在同一个坐标系中符号相反，并且所述液晶层在零偏压能够维持一个稳定的弯曲状态。

2、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述θ₁和θ₂满足等式

(K₃₃-K₁₁)(sin2θ₁+sin 2θ₂)+2(π-2θ₁-2θ₂)(K₃₃+K₁₁)＝0在5°范围内；

即，在实践中，所述角θ₁和θ₂的值可以稍微偏离于此等式给出的精确值；

特别地，所述角θ₁和θ₂能够被允许相当地大于这个等式给出的精确值，例如，在5°内。

3、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述θ₁和θ₂基本上相同，并在30°-60°范围内。

4、根据权利要求1所述的液晶设备，其中当K₃₃/K₁₁＝1.3时，所述θ₁和θ₂是47±5°。

5、根据权利要求1所述的液晶设备，其中当K₃₃/K₁₁＝1.3时，θ₁＝17±5°并且θ₂＝60±5°。

6、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述取向层中的至少一个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够提供在与其接触处的所述液晶分子的0°-8°的预倾角，所述垂直取向材料能够提供在与其接触处的所述液晶分子的85°-90°的预倾角。

7、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述取向层的至少一个包括纳米大小的结构，大小为0-1微米。

8、根据权利要求7所述的液晶设备，其中所述纳米大小的结构包括所述水平和垂直取向材料中的至少一种。

9、根据权利要求6所述的液晶设备，其中所述取向层的水平取向材料从包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一个组中选择出来。

10、根据权利要求6所述的液晶设备，其中所述取向层的垂直取向材料从包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一个组中选择出来。

11、根据权利要求1所述的液晶设备，包含液晶的所述液晶层具有一个正的介电异向性。

12、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述液晶层具有在1-15微米之间的厚度。

13、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述取向层是固体薄膜，具有厚度10-200nm。

14、根据权利要求1所述的液晶设备，其中与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子倾斜的方式为镜面对称。

15、根据权利要求1所述的液晶设备，其中在所述液晶层两侧的所述预倾角以一种方式倾斜，使得当投射到所述取向层的表面上时，所述预倾角的方向为平行的。

16、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述基板中的至少一个是一个有源矩阵底板，其包括以矩阵形式排列的薄膜晶体管。

17、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述液晶层的处理是用一块布机械摩擦所述取向层。

18、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述取向层的处理是光取向，通过暴露所述取向层到偏振光的一个紫外线光束中进行。

19、根据权利要求1所述的液晶设备，其中所述取向层的处理是通过一个离子束在真空室中以一个角度照射所述取向层进行。

20、根据权利要求1所述的液晶设备，进一步包括一个输入起偏器和一个输出起偏器，其中所述起偏轴被设置与所述液晶单元的取向层的摩擦方向成正或负35-55°角。

21、根据权利要求1所述的液晶设备，进一步包括一个反射装置，被置于所述液晶单元的外部。

22、根据权利要求1所述的液晶设备，进一步包括一个反射装置，其被置于所述液晶单元内部的有源矩阵底板上。

23、根据权利要求1所述的液晶设备，进一步包括一个补偿延迟膜。

24、包含一个液晶单元的一个弯曲状态液晶设备，包括：

a.一个第一基板，其上具有一个第一取向层，其被处理来给出与所述第一取向层接触的所述液晶分子的一个预倾角θ₁和一个方位角1；

b.一个第二基板，其上具有一个第二取向层，其被处理来给出与所述第二取向层接触的所述液晶分子的一个预倾角θ2和一个方位角2；

c.所述取向层的至少一个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够提供85°-90°的预倾角，所述水平取向材料能够提供0°-8°的预倾角；

d.一个液晶层夹心在所述第一和第二取向层之间。

25、根据权利要求24所述的弯曲状态液晶设备，其中所述方位角φ₁和φ₂在0°-45°范围内。

26、根据权利要求24所述的弯曲状态液晶设备，其中所述方位角φ₁和φ₂基本上相等。

27、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述θ₁和θ₂满足下列等式

(K₃₃-K₁₁)(sin2θ₁+sin2θ₂)+2(π-2θ₁-2θ₂)(K₃₃+K₁₁)＝0

在5°范围内；即，在实践中，所述角θ₁和θ₂的值可以稍微偏离于此等式给出的精确值；具体地说，所述角θ₁和θ₂能够被允许相当地大于这个等式给出的精确值，例如，在5°内。

其中K₃₃是所述液晶的弯曲弹性常数，K₁₁是所述液晶的斜展弹性常数。

28、根据权利要求27所述的液晶设备，其中所述θ₁和θ₂基本上相同，并在30°-60°范围内。

29、根据权利要求27所述的液晶设备，其中当K₃₃/K₁₁＝1.3时，所述θ₁和θ₂是47±5°。

30、根据权利要求27所述的液晶设备，其中当K₃₃/K₁₁＝1.3时θ₁＝17±5°并且θ₂＝60±5°。

31、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述取向层中的至少一个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够提供在与其接触处的所述液晶分子的0°-8°的预倾角，所述垂直取向材料能够提供在与其接触处的所述液晶分子的85°-90°的预倾角。

32、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述取向层的至少一个包括纳米大小的结构，大小为0-1微米。

33、根据权利要求32所述的液晶设备，其中所述纳米大小的结构包括所述水平和垂直取向材料中的至少一种。

34、根据权利要求31所述的液晶设备，其中所述取向层的水平取向材料从包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一组中选择出来。

35、根据权利要求31所述的液晶设备，其中所述取向层的垂直取向材料从包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一组中选择出来。

36、根据权利要求24所述的液晶设备，其中包含液晶的所述液晶层具有一个正的介电异向性。

37、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述液晶层具有在1-15微米之间的厚度。

38、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述取向层是固体薄膜，具有厚度10-200nm。

39、根据权利要求24所述的液晶设备，其中与所述第一和第二取向层接触的所述液晶分子镜面对称地倾斜。

40、根据权利要求24所述的液晶设备，其中在所述液晶层两侧的所述预倾角以一种方式倾斜，使得当投射到所述取向层的表面上时，所述预倾角的方向平行。

41、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述基板中的至少一个是一个有源矩阵底板，其包括以矩阵形式排列的薄膜晶体管。

42、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述液晶层的处理是用一块布机械摩擦所述取向层。

43、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述取向层的处理是光取向，通过暴露所述取向层到偏振光的一个紫外线光束中进行。

44、根据权利要求24所述的液晶设备，其中所述取向层的处理是通过一个离子束在真空室中以一个角度照射所述取向层进行。

45、根据权利要求24所述的液晶设备，进一步包括一个输入起偏器和一个输出起偏器，其中所述起偏轴被设置与所述液晶单元的取向层的摩擦方向成正或负35-55°角。

46、根据权利要求24所述的液晶设备，进一步包括一个反射装置，被置于所述液晶单元的外部。

47、根据权利要求24所述的液晶设备，进一步包括一个反射装置，其被置于所述液晶单元内部的有源矩阵底板上。

48、根据权利要求24所述的液晶设备，进一步包括一个补偿延迟膜。

49、在一个弯曲状态液晶设备中，所述弯曲状态液晶设备包括一个第一基板，其上具有一个第一取向层，一个第二基板，其上具有一个第二取向层，一个方法来生成一个稳定的弯曲状态，包括：

e.夹心具有正的介电异向性的液晶在所述第一和第二取向层之间；

f.引出一个第一液晶预倾角，在17°-60°的范围内；

g.引出一个第二液晶预倾角，在17°-60°的范围内；以及

h.取向所述液晶在一个弯曲状态，其在零偏压和工作电压保持稳定。

50、根据权利要求49所述的方法，其中所述预倾角通过提供取向层被引出，该取向层包括能够提供在与其接触处的所述液晶分子0°-8°预倾角的水平取向材料和能够提供在与其接触处的所述液晶分子85°-90°预倾角的垂直取向材料。

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