CN101523281A - 制造液晶显示装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种液晶注入系统，包含：狭缝式涂布系统以及用于精确控制由狭缝式涂布系统提供的液晶层厚度的控制器。

Description

制造液晶显示装置的方法
技术领域
本发明涉及用于液晶显示装置的制造方法和制造机器，尤其涉及近晶型液晶显示装置的注入方法。
背景技术
近来，液晶显示(liquid crystal display，LCD)装置在电视应用方面的新的发展是突出的。但是同时，这种LCDs在电视上新的应用需要比以前在LCDs上的应用要求具有更高的显示性能。高粘度的近晶型液晶材料很有可能实现电视应用方面所要求的高图像质量。然而，由于近晶型液晶的高粘度，向面板、尤其是大屏幕的电视面板注入液晶，仍存在一些关键性的难题。尽管现在采用滴下式注入法(One Drop Filling，ODF)将传统的向列型液晶材料注入大屏幕面板，但是对于高粘度的近晶型液晶来说，需要新的注入方法来满足高的生产能力。非常需要实现实际有效的近晶型液晶材料的制造方法。尤其是非常需要没有复杂系统、比如高真空和很精确温控的廉价注入机器，用于近晶型液晶显示器的高效批量制造。此外，不使用如100℃的高温、在可适用的周边密封材料的选择上具有较少的限制，都会使得近晶型液晶显示器的批量制造更有效。
目前制造方法的技术问题
传统用于制造的液晶注入方法
液晶显示技术近来的快速发展已经能够适用于大屏幕电视。这种发展也已经被应用到了如15英寸、17英寸和20英寸以上对角线屏幕(diagonal screens)的大电脑监视器。屏幕尺寸的快速增长需要用于批量生产的新的液晶注入方法。传统液晶注入方法，如公知的利用真空和标准大气压间压力差的方法(真空法)会耗费许多过量的液晶，尤其是对于大电视面板来说。此外，真空法要花费很长的时间来注入大的面板，有时长于12个小时，这使得生产能力很低。
为大面板注入而提出的ODF法需要极少量的液晶材料，并且所需时间比传统的真空法更短。因此，ODF法更加普遍，尤其是对于大屏幕面板的注入来说。
另一方面，对液晶电视显示器(LCD-TVs)大面板屏幕的要求需要比广泛使用的扭曲向列型(Twisted Nematic，TN)液晶显示器更高性能的液晶显示模式。TN-LCDs在光学响应时间和视角上具有明显的局限性，而这对于电视图像质量来说是最需要的。为了解决对电视图像质量的要求，正在开发几个向列型液晶型LCD模式以及近晶型液晶型LCD模式。尤其是基于铁电液晶模式(ferroelectric liquid crystal mode)的近晶型液晶显示器被寄望能成为既符合快速的光学响应又满足宽广视角的最有前途的技术之一。
然而，近晶型液晶具有很高的如蜡状材料的粘度，对于近晶型液晶来说，几乎不可能应用ODF方法。因此，非常需要建立新的能够以有效生产能力使高粘度近晶型液晶材料注入大屏幕面板的注入方法。为了满足这些要求，同一个发明人提出了温控ODF注入系统及其相关工艺。尽管该系统实现了高生产能力的制造，然而，所需的精确温控以及对真空系统的需要使得该系统非常复杂，并且，在与液晶材料的热膨胀系数(CTE)相匹配的物质方面，该系统对可适用的周边密封材料具有一些限制。
本发明所要解决的技术问题
下面两种用于大屏幕面板制造的液晶注入方法是公知的
(1)真空法
(2)ODF法
真空法利用真空室。将液晶面板和液晶材料置于真空室内。将液晶面板内的空气抽出，然后，将液晶面板的注入孔与液晶材料接触，使其被液晶材料覆盖。注入孔被液晶材料覆盖后，向真空室内吹入干燥的氮气或干燥的空气。吹入室内的气体将液晶推进面板。
ODF法使用非层压的玻璃基板。基板的一侧是预成型的周边密封图样。将精确定量的液晶滴在周边密封图样已预成形的基板上。然后，在真空室内，层压上另一张基板，从而完成面板的制作。
显然，ODF法比真空法在批量制造方面更有效。由于其液晶滴注法，ODF法对于低粘度的向列型液晶材料非常有效。滴注在预成型的周边密封基板上的液晶材料很容易通过层压的其它基板上施加的压力扩散到基板各处。相反，高粘度的近晶型液晶材料由于其高粘度很难通过层压压力扩散到面板各处。升高温度有助于降低近晶型液晶材料的粘度，并使其均匀扩散到面板各处。然而，温度升高带来的一个问题是材料的体积膨胀。在各向同性温度如100℃时，粘性近晶型液晶材料在室温下表现出低粘度。这种低粘度有效地使液晶材料散布在面板各处。将液晶在高温下注入后，液晶材料被注入到面板各处，面板由于高温而使其体积发生了膨胀。下降的环境温度使周边密封、玻璃基板、隔离材料和液晶之间产生了不同的体积收缩。如果液晶材料的热膨胀系数(CTE)最大，这是常会发生的，这种体积收缩就会由于CTEs的不同而在面板中产生气泡。这阻碍了ODF法应用于大面板注入。因此，对于近晶型液晶显示装置的批量制造来说，非常需要一种对粘性近晶型液晶材料有效的液晶注入方法，该方法能够通过温度升高来降低粘度，同时又不会在降温时产生气泡。此外，对于大于30英寸对角线的大面板来说，温度的升高需要精确的温度均匀性。这种温度均匀性要求控制温度升高和降低时的温度控制。这并不容易，尤其是当面板尺寸很大，比如大于30英寸对角线时。另外，外周密封材料的玻璃化温度(Tg)和热膨胀系数(CTE)都被严格限制到一定的数值，以保持液晶注入工艺的高生产能力。由于周边密封材料和近晶型液晶之间的Tg和CTE的不同，要求从高温到室温要很慢的降温，以避免对面板中近晶型层的形成造成干扰。然而，缓慢降温对于液晶注入工艺来说要花费很长的时间。这种长时间的过程使液晶注入工艺的生产能力比可接受的速度耗时更长，导致不切实际的产量和产品成本。因此，迫切需要能摆脱这种在精确温控下长时间的降温，以提供大尺寸液晶面板的高产量。这种需求对于室温下高粘度的液晶材料比如近晶型液晶材料来说尤为重要，然而，该需求的本质是为了实现大尺寸液晶面板的高产量。很显然上述需求不仅限于近晶型液晶材料，还适用于所有室温下粘性液晶材料。
极化屏蔽的近晶型液晶显示器或有望用于更高图像质量的电视应用上的PSS-LCD，需要精确的温控，具体说，需要比如在整个面板上每1分钟1℃的降温过程。这就要求非常精确的温控以及整个大面板的屏幕上都均匀。因此，避免液晶注入过程中的精确温控，同时又不在面板上产生任何气泡或过量的注入液晶材料是高生产能力的关键问题。
发明内容
解决技术问题的方法
上述技术问题正在研究解决。有两个主要问题正在研究。一个是避免ODF法中精确温控的方法；另一个是防止在面板层压过程中产生气泡的解决方案。
从下文的详细描述中，本发明进一步可适用的范围将变得显而易见。然而，应该理解的是，在阐述本发明的优选实施例时，仅通过示例的方式给出具体的描述和特定的实施例，因为对于本领域的技术人员来说，通过本发明的详细描述，属于本发明精神和范围内的各种变化和修改将变得显而易见。
附图说明
图1是表示根据本发明的构成涂布液晶注入工艺的步骤的实施例的示意性透视图。
图2是表示周边密封图样和涂布的液晶的区域之间的间隙的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图3是表示层压前后周边密封图样实施例的示意性截面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图4是表示层压后周边密封图样和涂布的液晶的区域之间关系的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图5是表示设定的周边密封图样的宽度和高度实施例的示意性透视图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图6是表示层压前后确定周边密封的实施例的示意性截面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图7是表示16：9宽屏区的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图8是表示设定的带开口区的周边密封图样的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图9是表示层压后设定的带开口区的周边密封图样的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图10是表示构成另一种狭缝式涂布液晶注入工艺步骤的实施例的示意性透视图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图11是表示采用了本发明的涂布液晶层区的实施例的示意性平面图(a)和示意性透视图(b)，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图12是表示涂布液晶区形成后周边密封图样的实施例的示意性平面图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图13是表示传统的单面板液晶注入的实施例的示意性透视图。
图14是表示在单个基板上进行多面板液晶注入的布置的示意性透视图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
图15是表示避免涂布不必要的区域的分隔喷嘴结构的实施例的示意性透视图，其在根据本发明的狭缝式涂布液晶注入工艺中是有用的。
本发明的最佳实施方式
以下将按照要求结合附图对本发明进行详细说明。在以下说明中，除非另有说明，表示量的比例或比率的“％”和“份数”是基于质量的。
避免精确的温控
本发明的发明人申请过一项均匀温度控制的近晶型液晶材料及实用方法的专利(美国专利：公布号2006/0044508A1)。尽管该方法在实践上是有效的，但是发明人仍然在考虑更有效、具有更高生产能力的液晶注入方法。
必需要高温的最主要的理由是由于要求更低的粘度以满足ODF法。然而，一旦温度升高到100℃，需要能在液晶材料、周边密封材料和玻璃基板之间产生足够小体积变化的散热过程，以避免室温下在面板中产生气泡或液晶量短缺。如发明人所申请的专利(美国专利：公布号为2006/0044508A1)，热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)的精细匹配以及精心设计的周边密封图样形成了在实践上有效的用于高粘度近晶型液晶注入的ODF法。然而，这种精细的匹配有时限制了面板制造中使用材料的选择。由于对上述材料的多种要求，比如密封材料的可分配性和CTE、密封材料的硬化工艺(hardening process)和Tg、密封材料的纯度和CTE等等，使得找出合适类型的周边密封材料并不容易。为了在制造面板时有更多种类的材料选择，这在高效批量制造LCD面板中通常是必需的，发明人重新考虑了更实用、更有效和更经济的液晶注入方法，使液晶注入工艺能够实现高的生产能力。
注入高粘度液晶的基本概念
通常，近晶型液晶材料表现出高的粘度。其粘度远大于向列型液晶材料的粘度。有时，近晶型液晶的粘度太高，以致于无法通过用于向列型液晶材料的所谓旋转粘度的标准量度方法来计量。旋转粘度通常通过E型粘度计(E-type visco-meter)来测定。这种方法使用圆锥板来测定旋转粘度。圆锥由于液晶材料的粘度而受到略有不同的机械阻力。当圆锥在液晶材料中旋转时，E型粘度计检测该机械阻力。对于大多数近晶型液晶材料来说，由于其比向列型液晶材料具有高得多的粘度，使得其提供给圆锥高得多的机械阻力，致使产生远远饱和的粘度。因为没有用近晶型液晶材料进行真正批量生产液晶显示装置，所以实际粘度、具体说是旋转粘度尚未测定。然而，这并不代表近晶型液晶材料的粘度实际上表现出的是未知的粘度。事实上，近晶型液晶材料的粘度太高了，以致于不能通过工业的标准测定方法来测定。
这就是为什么需要用高温来达到足够低的粘度从而来满足已知液晶注入方法的理由。发明人认为如果用全新的液晶注入方法提供高粘度的近晶型液晶材料。那么新的液晶注入工艺必须摆脱高温加热以避免任何热膨胀系数(CTE)匹配的问题。因此，新方法必须在室温下操作从而避免由于CTE的匹配问题带来的材料选择的局限性。
大多数近晶型液晶材料的粘度接近于用于半导体制造的光阻材料的粘度。更具体地说，高粘度的光阻材料通过称作狭缝式涂布机的机器被涂布在硅片上。总体上，该工艺能在常压下很好地管理控制层厚度，而不会产生气泡。因此，在室温下将近晶型液晶注入到面板的涂布方法被研究认为是实践上有效的制造方法。既然涂布方法使层厚度上具有足够好的均匀度，那么高粘度的液晶材料就适合于所谓的狭缝式涂布方法。然而，和半导体制造不同，液晶注入需要在玻璃基板上涂布的位置很精确，从而在一定的周边密封图样的情形下能与相对的玻璃基板具有精确的层压，而不会在层压板中产生任何气泡或缺少液晶材料。
首先，要考察何种涂布方法适用于该特定的目的。有几种适合粘性材料的涂布方法。辊式涂布机用于涂以厚度相对薄层的、相对低粘度的材料。狭缝式涂布机用于涂以厚度相对厚层的，比如1微米以上厚度的、相对高粘度的材料。通常，狭缝式涂布机或辊式涂布机用于在平板显示器制造和半导体制造中涂上薄层阻挡材料。典型的涂层厚度为1微米至5微米，其中在厚度均匀度方面会有3～5％的变化。此外，这种均匀的涂层用在使用称作第6代母玻璃尺寸的平板显示器的批量制造上，其用足够快的操作时间比如80秒涂布1200mm×1600mm尺寸的玻璃基板，而不会在涂层上产生任何气泡。
因此，对于近晶型液晶材料来说，发明人选择狭缝式涂布方法用于液晶注入。发明人对狭缝式涂布机进行的进一步研究，弄清楚了下列事实，即某一类型的狭缝式涂布系统足以在大面积范围内以足够均匀的涂布厚度涂布在精确的位置上，比如能满足称作第8代的母玻璃。对于大多数近晶型液晶显示装置和液晶装置来说，要求小于2微米的面板间隙。这就意味着所要求的用某一类型的狭缝式涂布机器涂布的涂层厚度应该小于2微米。而对于反射型显示板来说，通常要求透射型装置面板间隙的一半。这种情形中，涂布厚度应该为1微米。根据近晶型液晶显示装置的不同，所要求的液晶层厚度容限会有一些变化，然而，在大多数情形中，下面的层厚度容限是必需的。
(1)一般：2+/-0.1微米(10％)
(2)优选：2+/-0.05微米(5％)
最优选：2+/-0.03微米(3％)
目前使用的用于批量制造平板显示器的狭缝式涂布系统还不足以达到如上所述的比如小于5％的厚度均匀度的层厚度均匀度。
尽管最近一些类型的狭缝式涂布机系统具有非常精确和均匀的涂层厚度控制，但是上述的厚度均匀度水平有时仍是不容易达到的。然而，对于有些情形，目前的狭缝式涂布技术提供了足够好的均匀度。因此，需要通过某一类型的狭缝式涂布机用附加的工艺以必要基数来补偿涂布的液晶层的某些不均衡。
获得精确均匀的液晶层厚度的方法
不像用于半导体制造的光阻材料，由狭缝式涂布机制备的涂层被被用作液晶面板。这就意味着液晶面板层压工艺还产生更多的机会来控制精确的液晶层厚度。本发明的基本理念如下。
(1)通过某些类型的涂布机来制备几乎均匀厚度的液晶层
(2)通过周边密封图样、液晶材料区以及液晶材料涂层区之间特定的平衡来调整液晶层的厚度
(3)上述过程原则上在室温下进行
(4)层压过程在足够好的真空条件下进行
图1表示本发明的实际工艺流程。第一，确定作为液晶显示装置的一个设计参数的液晶涂布区。第二，用狭缝式涂布机系统在其中的一个玻璃基板上的设定区域涂布液晶材料。第三，根据预先设定的平板间隙和外周密封的高度和面积，将外周密封图样分布在涂布的液晶材料周围。第四，密封胶变干之后，将涂布的玻璃基板和其它用于层压的玻璃基板置于真空室内。第五，除气过程完成后，记下两块玻璃基板的位置，并在真空条件下进行层压。周边密封完全变干后，层压板被升温到设定的温度，又被冷却到室温以回到最初的液晶分子排列。在这个连续的过程中，第一个液晶涂布过程是整个工艺的一个关键。根据对液晶层厚度的均匀度的要求，有时涂层厚度足够好到能用于液晶显示器。如果要求的液晶层厚度的均匀度和/或液晶层的绝对厚度不能满足预设值，则图1所示的连续过程解决了这个问题。通常，液晶层厚度由设在玻璃基板表面上或分散在玻璃基板表面上的隔离物高度来决定。对于近晶型液晶注入来说，其粘度使得很难用已知的注入方法，根据玻璃基板上的隔离物高度来调整液晶层厚度，通过引入下述的新概念可以适用于基于隔离物高度的层厚度控制。
为什么近晶型液晶的层厚度的调整是困难的或不可能的，其理由很简单，就是由于其高粘度。因为其高粘度，近晶型液晶材料在面板中的润滑性通常太低，导致很难或不可能调整层厚度。发明人研究了根据液晶面板上隔离物的高度对近晶型液晶材料层厚度可能的可调整性。尽管近晶型液晶材料的粘度与向列型液晶材料的粘度相比很高，近晶型液晶仍略显粘稠。已经证实，基于小空间的近晶型液晶材料润滑性的细致的数值考察能够根据玻璃基板上隔离物的高度对其层厚度进行调整。图2表示周边密封和近晶型液晶材料之间有精确间隙的周边密封胶和近晶型液晶材料的精确定位通过两块有被玻璃基板上的隔离物高度设定了面板间隙的玻璃基板的层压补偿了设定间隙。图3表示层压之前周边密封的宽度，图4表示层压后周边密封图样的宽度。原密封宽度l和高度d(图5)分别变成dl/m和m。该周边密封宽度的变化是由层压的压力造成的。这种面对液晶涂布层的面板内部的变化使周边密封的宽度增加dl/2m-l/2。因此，涂布液晶层的边缘和扩展的密封线边缘之间的间隙应该按照下列方程(1)来设定。
Δ＝(dl/2m)-(l/2)             (1)
对均匀度和绝对厚度来说，需要更精确的层厚度，近晶型层厚度或面板间隙通过图6所示的附加厚度补偿法是可调整的。这种类型的根据上面的Δ非常精确的调整对于相对小尺寸的显示器或者具有更大的周边密封区与液晶区比值的面板、比如小于15英寸对角线的面板来说通常是必需的。总体上，周边密封区和液晶层区之间的比值在如图7所示的具有16:9宽特征屏幕的情形下有如下比值。
英寸表示的屏幕对角线尺寸：周边密封区/液晶层区：
50                               1.5％
40                               1.9％
30                               2.5％
20                               3.7％
15                               5.0％
10                               7.5％
5                                15.1％
2                                37.6％
上述比值是在周边密封宽度相同(3mm)的前提下，而不管屏幕对角线的尺寸。
如上所述的比值明显提示对角线尺寸小于15英寸的屏幕表现出大于5％的比值。大于5％的比值可能需要一些其它的补偿方法，以避免层压后缺少液晶材料，或者避免面板中过量的液晶材料，而导致面板间隙的不均衡。
图8和图9表示利用近晶型液晶材料有限的润滑性质对近晶型液晶层厚度提出的附加的新概念。如上所讨论的，近晶型液晶材料的总体润滑性远远小于向列型液晶材料的润滑性。然而，面板中过量的近晶型液晶材料所需要的调整量是非常小的，比如是周边密封区和液晶层区比值的百分之几，并且与近晶型液晶材料的粘度相比，数值研究表明有如上述的可能性。目前可用的狭缝式涂布机为粘性材料如近晶型液晶材料在层厚度上提供了足够好的均匀度，因此，只要屏幕对角线的尺寸大于15英寸对角线，近晶型液晶层所需的调整量就是足够小的。小于15英寸对角线尺寸的面板将适用于常温控制的注入方法。然而，更大尺寸的面板如大于15英寸对角线的屏幕绝对需要更有效的液晶注入方法。
以42英寸的宽屏面板为例，目前的一些狭缝式涂布机使近晶型液晶材料能够具有2微米+/-0.05微米的涂层。这里，假设预先设计的固定面板间隙是1.95微米。这种情形中，在1.95微米的平板间隙中，将最多过量0.1微米的近晶型液晶材料。在所有大于42英寸的屏幕中，最多总量为48.64mm3的近晶型液晶材料需被推出面板。该过量的48.64mm3是玻璃基板上总涂布量的5.13％。如果需要更快地推出过量的近晶型液晶材料，需要稍微增加温度，比如高于室温20度就可以有效加速推出。环境温度的少量增加比如高于室温20度，不会引起有关材料CTEs的显著不匹配，并且无需精确的温度控制和温度均匀度。
上述从面板中推出过量的近晶型液晶材料需要面板中的“排出”系统。为了具有这种“排出”系统，引入如图8和图9所示的周边密封图样中的开口区。周边密封的开口区间必须仔细设计以保持面板间隙足够好的均匀度，并且以足够快的过程有效推出过量的近晶型液晶材料。这种“开口区间”设计理念由面板中近晶型液晶材料的总量和近晶型液晶材料的粘度决定。下面是“开口区间”长度设计理念的实例。假设用近晶型液晶材料注入42英寸的宽屏面板，近晶型液晶材料的粘度是500mPa.s。预期过量的近晶型液晶材料为34.05mm3(此为玻璃基板上总涂布近晶型材料的3.6％。该量由最初涂布的液晶层的均匀度估算出来。由于层厚度的某些变化，假设70％的液晶层具有0.1微米较厚的厚度)。为了在5分钟内推出该过量的近晶型液晶材料，根据实验结果，“开口区间”在两侧的长度都应该大于6mm的长度。如果环境温度上升到40℃，那么近晶型液晶材料的粘度就会下降25％，这样，“开口区间”长度应该大于4mm。周边密封4到6mm的长度是周边密封图样总长度的0.138％至0.206％。这种小的开口区没有带来面板间隙中任何的不均衡。用层压压力通过该开口区间区域将过量的液晶材料推出后，清理掉被推出的液晶材料，然后将该开口区间区域用可紫外线固化的密封材料(UV curable sealmaterial)削去。
上述方法的注入工艺时间由屏幕尺寸、液晶材料的粘度、面板间隙和周边密封的区间尺寸来决定。根据面板尺寸，该注入工艺的工艺时间通过考虑周边密封的区间尺寸可以调整。由于液晶材料的粘度和面板间隙是预设的参数，所以无论如何，密封图样的区间长度可以根据注入工艺的设计生产能力进行调整。
涂布液晶注入系统的一个优点是其使用更多样的周边密封工艺。不像传统的ODF，或真空到常压、或温控ODF，液晶层具有很小的润滑性。此外，由于其室温和常压工艺，不仅可以有更广的周边密封材料选择，而且还可以有更广的工艺选择。由于近晶型液晶材料的高粘度性质，其周边密封成型工艺适用于传统的分布工艺、传统的密封印刷工艺、冲压工艺和密封胶带工艺如遮蔽胶带工艺。这些在周边密封材料上及其成型工艺上更广的选择使狭缝式涂布液晶注入工艺能够在注入工艺生产能力和液晶注入质量方面都更加有效。
其它获得精确均匀的液晶层厚度的方法
图10表示其它用足够快的液晶注入时间获得精确均匀的液晶层厚度的方法。图1和图10的区别是近晶型液晶的涂布和周边密封工艺的顺序。在图10中，首先制作周边密封图样，然后涂布近晶型液晶材料。该方法适合于较大尺寸的具有如图2所示的相对较大Δ的面板。周边密封图样通常形成具有比设定的面板间隙高度更高的高度。例如，设定面板间隙是2微米，那么形成的周边密封图样在固化前为3至3.5微米。利用狭缝式涂布机边缘和玻璃基板之间的弯月面特性在周边密封图样中形成用某种类型的狭缝式涂布机涂布的近晶型液晶材料涂层。因此，如果Δ足够大而形成弯月面，那么可以在近晶型液晶材料被涂布在玻璃基板上之前形成周边密封图样。
根据使用周边密封材料，比如热固性的、光聚合型的光温胶以及印刷电路基板类型的胶条，选择上述两种基于密封工艺和液晶涂布工艺次序的不同工艺扩大周边密封材料的选择。
同一理念在除了近晶型液晶材料上的延伸应用
如上所述，本发明的基本理念是利用液晶材料的高粘度性质。所有的向列型液晶材料具有足够低的粘度将传统的液晶注入方法应用于液晶显示板。小尺寸的液晶显示面板比如10英寸或更小的，利用上述传统的真空注入方法可以有足够好的生产能力。然而，更大尺寸的面板在用低粘度的向列型液晶材料时仍具有下面的技术问题。
对于中到大尺寸的向列型液晶显示器比如10到50英寸尺寸的面板来说，目前的真空注入和ODF注入方法要求单个确定了尺寸的面板，用于如图13所示的液晶注入工艺。由于需要注入孔，真空注入方法需要使用单切面板。ODF必须同时进行液晶注入工艺和密封工艺，这样ODF才可以一次处理单个面板。因此，不论是真空注入方法还是ODF注入方法，传统的注入方法需要单个面板处理。目前液晶显示面板的批量生产具有一个极大的优点是其同时能处理多个面板。例如，TFT基板和彩色滤光片基板的层压工艺在各自的基板上被作为多个面板处理。该工艺显著地节约了处理时间，达到更高的批量生产能力。然而，如上所述，目前的向列型液晶显示器生产牺牲了该多面板系统在其液晶注入工艺中的有益之处。
为了保持向列型液晶材料或低粘度液晶材料的液晶注入工艺的多面板处理的益处，本发明在其方法上略作改进。本发明最重要的一点是使用高粘度的液晶材料而非低粘度的液晶材料。本发明为适用更低粘度的向列型液晶材料的必要改进包括下列两条：(1)在液晶材料的相序中插入近晶型液晶相，(2)为狭缝式涂布工艺增加降温功能。下面是将本发明应用到更低粘度的向列型液晶材料的实际方法。目前所有商业上可接受的用于液晶显示装置的向列型液晶材料均是由许多单一液晶材料组分混合组成。某些单一组分在其相序中具有近晶型液晶相。某些单一组分在其相序中没有近晶型液晶相。某些单一组分甚至在其相序中没有向列型液晶相。使用这些类型的各个单一液晶或非液晶状材料，来制备实践上用于液晶显示装置的液晶混合物。对向列型液晶混合物的重要要求是显示与所需的电光性能一样的向列型液晶相的足够宽的温度范围。因此，本发明适用于包括在向列型液晶混合物中具有高粘度近晶型液晶相的向列型液晶混合物。总体上，液晶材料不管是单组分还是混合物，都会根据温度范围表现出多种液晶相。典型的相序为：各向同性相、向列相、近晶A相和晶体。从自由能需要来说，近晶相出现在比向列相更低的温度范围。因此，根据各液晶相的表观温度，在向列型液晶相下包括近晶型液晶相是不难的。只要向列型液晶混合物具有近晶型液晶相，本发明就可以通过另一个附加的改进而变得可适用。具有近晶型液晶相的向列型液晶混合物在比向列相的温度范围更低的温度范围时，必须是可以适用本发明的高粘度的近晶型液晶相。由于要在本发明的注入工艺过程中保持高粘度的近晶型液晶相，因此必需保持低温来稳定近晶型液晶相。为了保持低温，狭缝式涂布工艺和面板层压工艺在低温环境下进行。如图14所示，本发明方法能够使多面板液晶注入同时在同一个TFT基板和同一个彩色滤光片基板上进行。如图15所示，为此高效的液晶注入工艺，狭缝式涂布系统的喷嘴具有若干隔板以避免涂布到多个面板基板上相邻面板之间的间隙中。与用于向列型液晶混合物的传统液晶注入方法不同，具有较低温度近晶相材料的本发明可以在多面板单基板上选择性地进行液晶涂布。这种多面板工艺提供了更高的生产效率。
下面将参照具体的实施例更加详细地说明本发明。
实施例
实施例1
(本发明)
使用300mm×200mm×0.7mmt尺寸的无钠玻璃基板，和具有用旋转涂布法涂布并用洁净烘箱固化的聚酰亚胺(Polymide，PI)层的1000A氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)透明电极，使用定制的狭缝式涂布机将近晶型液晶材料涂布在基板上。使用的近晶型液晶材料是自制的混合物。近晶型液晶混合物的主要成分是苯基-嘧啶母核(phenyl-pyrimidine core)材料。为了确定涂层的厚度，可以采用下列的方法。首先，在将近晶型液晶材料涂布在基板上前，测定具有PI层的300mm×200mm×0.7mmt的ITO涂层基板的重量。玻璃基板的实际重量是92.4632g。用狭缝式涂布机在260mm×180mm的区域上涂布近晶型液晶后，测定涂布后的玻璃基板的总重量。还测定了实际的近晶型液晶涂布区，其与设定的区域260mm×180mm相同。测定的所涂液晶层的总重量为93.6mg。这里，液晶材料的重量与涂布区有下列的关系。
a×b×c×gl＝W         (2)
在方程式(2)中，a和b是涂布区的横向和纵向尺寸，c是涂布层的层厚度，gl是近晶型液晶材料的比重，W是涂布的液晶层的重量，gl通过漂浮测定法(floating measuring method)测定出。其为1.04。如图11所示，利用a、b、gl和W的测定值得平均层厚度c为1.92微米。
使用相同尺寸的玻璃基板(300mm×200mm×0.7mmt)，将由二氧化硅制成的平均粒度大小为1.9微米的间隔球(spacer ball)分散在基板上。用湿法分散法将间隔球分散成每平方毫米30个粒子。用湿法分散法将将间隔球分散后，80℃下干燥30分钟。在该基板上，使用武藏高科技股份有限公司(Musashi Engineering)制造的分布系统(dispenser system)(型号：SHOTMASTER 300)分布周边密封图样。形成的周边密封图样示于图12。如图12所示，形成的周边密封图样宽度为1mm，Δ为0.29mm。该Δ值根据方程式(1)得出。
将具有间隔球的基板和具有用狭缝式涂布系统涂布的液晶材料的基板置于真空室内。室温下，在15毫托(mTorr)的真空水平下保持30分钟。然后，将分散有间隔球的基板和涂有液晶的基板在真空室内层压。
获得的近晶型液晶面板未显示有任何气泡。通过偏振显微镜在周边密封和液晶区之间的交界区仔细观察，未显示有任何液晶材料的缺失。还通过牛顿环(Newton Rings)的数目关注了面板间隙的均匀度。所获得的液晶面板未显示有任何牛顿环，这表示面板间隙不均衡最多在0.1微米内。还通过外部电压施加下光量的均匀度测定了更加实际的面板间隙均匀度。因为该面板具有单个电极，当向面板施加外部电压时，在面板间隙均匀的前提下，整个电极区应该具有均匀的光量。通过使用偏振显微镜和光增益器作为光电探测器来测定面板25个点的光量。通过施加1kHz的、峰到峰为5V的矩形波来测定这些光量。表1表示各测定点的光量测定结果。
[表1]
表1：使用本发明的光量的均匀度
表1
Figure A200780036787D00191
测量数据是以mV计的光量
实际测量点大小是在各测量点的2mm直径区域。测量结果显示了整个屏幕区域上不到1.4％的光量评价。表1明确提示这种新的室温液晶注入方法实现了足够均匀的面板间隙，而在面板中没有任何气泡或液晶材料缺失。该液晶注入的整个工艺时间不到20分钟。
实施例2
(本发明)
使用具有300mm×200mm×0.7mmt尺寸的无钠玻璃基板，和具有用旋转涂布法涂布并用洁净烘箱固化的聚酰亚胺(Polymide，PI)层的1000A氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)透明电极，使用图7所示的定制狭缝式涂布机将近晶型液晶材料涂布在基板上。使用的近晶型液晶材料是自制的混合物。近晶型液晶混合物的主要成分是苯基-嘧啶母核材料。为了确定涂层的厚度，可以采用下列的方法。首先，在将近晶型液晶材料涂布在基板上前，测定具有PI层的300mm×200mm×0.7mmt的ITO涂层基板的重量。玻璃基板的实际重量是92.9841g。使用该玻璃基板，将周边密封材料分布在事先设定的区域中。分布区域由方程式(1)计算得到。这里，Δ被设定为0.29mm，其中分布的密封宽度为1mm。得到分布的周边密封后，再次测量玻璃基板的总重量。该重量为95.5713。然后，用狭缝式涂布机在260mm×180mm的区域上涂布近晶型液晶，测定涂布后玻璃基板的总重量。并测定实际的近晶型液晶涂布区，其与设定区260mm×180mm相同。测定的涂布的液晶层的总重量为93.5mg。这里，液晶材料的重量与涂布区有以下的关系。
a×b×c×gl＝W      (2)
在方程式(2)中，a和b是涂布区的横向和纵向尺寸，c是涂布层的层厚度，gl是近晶型液晶材料的比重，W是涂布的液晶层的重量，gl通过漂浮测定法(floating measuring method)测定出。其为1.04。利用a、b、gl和W的测定值得平均层厚度c为1.92微米。
使用相同尺寸的玻璃基板(300mm×200mm×0.7mmt)，将由二氧化硅制成的平均粒度大小为1.9微米的间隔球(spacer ball)分散在基板上。用湿法分散法将间隔球分散成每平方毫米30个粒子。用湿法分散法将将间隔球分散后，80℃下干燥30分钟。将具有间隔球的基板和具有用狭缝式涂布系统涂布的液晶材料的基板置于真空室内。室温下，在15mTorr的真空水平下保持30分钟。然后，将分散有间隔球的基板和涂有液晶的基板在真空室内层压。获得的近晶型液晶面板未显示有任何气泡。用偏振显微镜仔细观察周边密封和液晶区之间的交界区，未显示有任何液晶材料的缺失。还通过牛顿环的数目关注了面板间隙的均匀度。所获得的液晶面板未显示有任何牛顿环，这表示面板间隙的不均衡最多在0.1微米内。还通过外部电压施加下光量的均均度来测定更实际的面板间隙均匀度。因为该面板具有单个电极，当向面板施加外部电压时，在面板间隙均匀的前提下，整个电极区应该具有均匀的光量。通过使用偏振显微镜和光增益器作为光电探测器来测定面板25个点的光量。通过施加1kHz的、峰到峰为5V的矩形波来测定这些光量。表2表示各测定点的光量测定结果。
[表2]
表2：使用其它类型的本发明的光量的均匀度
表2
Figure A200780036787D00211
测量数据是以mV测定的光量
实际测定的点大小是在各测量点的2mm直径区域。测量结果显示了整个屏幕区域上不到1.4％的光量评价。表2明确提示这种新的室温液晶注入方法实现了足够均匀的面板间隙，而在面板中没有任何气泡或液晶材料缺失。该液晶注入的整个工艺时间不到20分钟。
实施例3
(对照)
使用一对具有300mm×200mm×0.7mmt尺寸的无钠玻璃基板，和具有通过旋转涂布法涂布并用洁净烘箱固化的聚酰亚胺(Polymide，PI)层的1000A氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)透明电极，用空白面板层压。在该层压中，将平均粒度大小为1.9微米的二氧化硅粒子用作间隔物。通过湿法分散法将这些间隔球分散在一个基板上。80℃下干燥30分钟后，进行面板层压。使用的周边密封是热固胶。将这种密封材料分布在其它的基板上。预固化后，完成层压。
将该层压的空白面板放置在真空室内。该真空室装备具有精密温控系统的加热器。在空白面板被放在真空室中的加热器上后，将该室保持在15mTorr、100℃下1小时。真空条件之后，将近晶型液晶材料分布在面板的注入孔附近。就在将近晶型液晶材料分布在面板上之后，液晶被升温到各向同性相，然后再进入面板。保持真空和升温条件30分钟，在确认注满整个面板区域后，开始向该室内吹入干燥的氮气。然后，面板的温度以每分钟下降1℃的速率直到温度下降到35℃。整个上述工艺包括在液晶注入的各工艺之间的准备时间总共用时175分钟。
获得的近晶型液晶面板未显示有任何气泡。通过偏振显微镜在周边密封和液晶区之间的交界区仔细观察，发现仅在液晶区和周边密封区之间有很少的液晶缺失区。还通过牛顿环的数目关注了面板间隙的均匀度。获得的液晶面板有两个牛顿环，表示面板间隙的不均匀度至多在0.6毫米以内。更实际的面板间隙不均匀度是通过外部电压施加下的光量均匀度来测定的。因为面板具有单电极，当外部电压施加在面板上时，在面板间隙均匀的前提下，整个电极区应该具有均匀的光量。通过使用偏振显微镜和作为光电探测器的光增益器来测定面板的25个点的光量。通过施加1kHz、具有5V峰到峰的矩形波来测定这些光量。表3表示各测定点的光量测定结果。
[表3]
表3：使用传统注入方法的光量均均匀度
表3
测量数据是以mV测定的光量
实际测定的点大小是在各测量点的2mm直径区域。测量结果显示了整个屏幕区域上5.3％的光量评价。表3清楚地提示这种传统的液晶注入方法在面板间隙均匀度和工艺时间方面明显次于新发明的方法。
工业实用性
本发明实现了以前在室温下不可能被注入的粘性近晶型液晶材料的有效注入。通过狭缝式涂布系统对液晶层厚度的精确控制使液晶注入能够在室温和常压下完成。室温和常压下的液晶注入实现了非常粘的液晶材料比如近晶型液晶材料的极为有效的液晶注入。没有了为了降低液晶材料的粘度的升温，就没有必要花费长时间在精确的温控下降低温度。这使得在工艺的生产能力方面实现极其高效的液晶注入工艺。此外，室温和常压下的液晶注入由于其不用与粘性液晶材料有精确的CTE匹配，从而提供了可适用的周边密封材料的更宽的选择。
综上所述，本发明实现了曾被认为是在没有相当大的对注入设备的投资的情况下就不可能实现的近晶型液晶显示装置的大批量生产，并拓宽了对可适用的周边密封材料的选择。

Claims (14)

1.一种液晶注入系统，其特征在于，该系统包含：
狭缝式涂布系统，以及
控制器，用于精确控制由狭缝式涂布系统提供的液晶层的厚度。
2.根据权利要求1所述的液晶注入系统，其特征在于，狭缝式涂布系统在室温下工作。
3.根据权利要求1所述的液晶注入系统，其特征在于，狭缝式涂布系统在常压下工作。
4.根据权利要求1所述的液晶注入系统，其特征在于，该系统与如下限定的特定的设计的周边密封图样一起使用：周边密封图样和涂布的液晶层之间的相对位置具有特定的关系：相对位置被定义为
Δ＝(d1/2m)-(1/2)
其中，Δ是周边密封图样层的边缘和涂布的液晶区的边缘之间的间隙，d是周边密封图样层的高度，1是周边密封图样层的宽度，m是层压后的面板间隙。
5.根据权利要求4所述的液晶注入系统，其特征在于，用于液晶面板层压的基板被加工形成液晶涂布层和同一块基板上的周边密封图样。
6.根据权利要求4所述的液晶注入系统，其特征在于，首先通过分布法、印刷法、冲压法或胶贴法形成设计的周边密封图样，然后，形成狭缝式涂布液晶层。
7.根据权利要求4所述的液晶注入系统，其特征在于，先形成狭缝式涂布液晶层，然后，首先通过分布法、印刷法、冲压法或胶贴法形成设计的周边密封图形。
8.根据权利要求4所述的液晶注入系统，其特征在于，设计的周边密封图形至少有一个开口区。
9.根据权利要求8所述的液晶注入系统，其特征在于，过量涂布的液晶材料从设计的周边密封图样开口区被推出，然后，擦掉被推出的液晶材料，并用密封材料将开口区密封。
10.一种液晶注入系统，其特征在于，该系统包含：
狭缝式涂布系统，以及
控制器，用于精确控制由狭缝式涂布系统提供的液晶层的厚度，
其中，狭缝式涂布系统能够具有向列型液晶混合物的近晶型液晶相，从而使向列型液晶混合物能够进行狭缝式涂布。
11.根据权利要求10所述的液晶注入工艺，其特征在于，狭缝式涂布系统在显示近晶型液晶相的低温下工作。
12.根据权利要求10所述的液晶注入工艺，其特征在于，狭缝式涂布系统具有降温系统。
13.一种液晶显示装置，其特征在于，该装置包含：
一对基板，以及
置于该对基板之间的液晶层，
其中，液晶层通过狭缝式涂布形成。
14.根据权利要求13所述的液晶显示装置，其特征在于，液晶层被位于该对基板之间的密封材料所包围。
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