CN101581854A - 在液晶盒里获得受控的预倾角和方位角的方法 - Google Patents

Abstract

我们公开了一种制备液晶配向层的新方法，该方法能够产生接近0度到接近90度的可控的预倾角。本发明的方法基于将两种配向物料相继地堆叠，其中第一层配向物料是连续的，而第二层配向物料则是不连续的，从而使所述第一层的一部分暴露出来。

Description

在液晶盒里获得受控的预倾角和方位角的方法

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2008年5月6日提交的美国临时专利申请No.61/071,567的优先权，该美国临时专利申请的全文以引用方式并入本文。

技术领域

这个发明总体上涉及液晶盒，更具体地说，涉及在液晶盒里产生任意控制的预倾角和方位角。

背景技术

精确地控制液晶盒里的预倾角是一直为人所需的。有时在某些特定的应用上，会需要相当大的预倾角，这很难靠普通的配向方法来获得。

郭教授等人在美国专利申请公开No.2005/0260426里讲授了一种利用非同质性配向表面(inhomogeneous alignment surface)来产生大的可控预倾角的方法。所述的非同质性配向表面不是均匀的、也不是只用相同单一材料构成的，而是包含了纳米和微米大小的、由不同的配向物料形成的域(domain)。特别是，如果其中一种配向物料能够产生垂直的配向，而另一种则能够产生均一或水平的配向，那么所得的表面将产生一个中间的预倾角。

郭教授等人的专利申请公开应用了由两种不同的配向物料所形成的二元混合物在烘干时所产生的随机相位分离。域的分布是随机的，有时并不均衡，并且难以控制。所以，需要制造一个能够精确地控制的非同质性配向表面，并且需要在大基板上产生均衡的配向层。

发明内容

这里叙述的是一个在液晶盒里制作可精确控制的非同质性配向层的方法。在大基板上获得了一个非常均衡的配向层，其能广泛地应用于显示系统上。

根据一个实施方案，提供了一种位于包含最少一种液晶物料的液晶盒内的液晶配向层。该液晶配向层包含了一块基板、第一和第二配向层。第一配向层连续地设置在基板上，以用于在液晶材料中引起第一液晶预倾角和第一方位角。第二配向层连续或非连续地设置在第一配向层的表面上。第二配向层独立地在液晶材料中引起第二液晶预倾角和第二方位角。

根据进一步的实施方案，第二配向层包含多个岛状的结构。或第二配向层可包含一个或更多的网络结构。或第二配向层可包含“山冈”和“山谷”结构。“山冈”和“山谷”的高度差可为1纳米到200纳米不等。

根据另一个实施方案，提供了一种位于包含最少一种液晶材料的液晶盒中的液晶配向层的制作方法。这个方法包括(1)在基板上连续地设置第一配向层，(2)处理第一配向层令其在液晶材料中产生第一预倾角和第一方位角，(3)在第一配向层的表面上非连续地设置第二配向层，(4)处理第二配向层令其在液晶材料中产生第二预倾角和第二方位角。

附图说明

图1示出非同质性配向表面的模型示意图。

图2示出平均预倾角θ_AV相对于面积比例p的模拟结果。

图3示出因为θ₁＝-θ₂而产生的平均预倾角θ_AV(0)的不确定性，其中液晶以θ₁(左)或θ₂(右)中的任一角度排列。

图4示出用于有限微分法的格子，其中假设液晶分子在格子里是均一的，并且格子的大小为Δx×Δy×Δz。

图5展示垂直聚酰亚胺的极锚定能(polar anchoring energy)为W_pV＝0.2×10^-3J/m²，水平聚酰亚胺的极锚定能为W_pH＝0.2×10^-3J/m²(X＝200nm并且Z＝200nm)。

图6展示垂直聚酰亚胺的极锚定能为W_pV＝2×10^-3J/m²，水平聚酰亚胺的极锚定能为W_pH＝2×10^-3J/m²。(X＝200nm并且Z＝200nm)。

图7展示液晶倾角的标准差在z轴上的分布。

图8示出在不同的域比例(domain ratio)p条件下的比例l_EEL/L。

图9示出接近配向表面的液晶配置。水平聚酰亚胺的预倾角和方位角分别为0.5度和45度。而垂直聚酰亚胺的预倾角和方位角则分别为82度和0度。

图10示出接近配向表面的液晶配置，其中水平聚酰亚胺的预倾角和方位角分别为0.5度和60度，而垂直聚酰亚胺的预倾角和方位角则分别为82度和0度。

图11示出接近配向表面的液晶配置，其中水平聚酰亚胺的预倾角和方位角分别为0.5度和80度，而垂直聚酰亚胺的预倾角和方位角则分别为82度和0度。

图12示出在不同的扇形角φ_o且p＝0.5的条件下，液晶倾角的标准差在z轴上的分布。

图13示出在不同的扇形角φ_o且p＝0.5的条件下，液晶方位角的标准差在z轴上的分布。

图14示出当扇形角φ_o＝0且p＝0.5时，在X-Y平面上的液晶分子配向。

图15示出利用有图案的配向表面所产生的在不同的扇形角条件下的平均预倾角。

图16示出利用有图案的配向表面所产生的在不同的扇形角条件下的平均方位角。

图17示出K₂₂对方位角的影响。

图18示出包含玻璃/氧化铟锡/JALS2021/ROP-103的堆叠式结构。

图19示出氧化铟锡层的原子力显微镜图。

图20示出在氧化铟锡层上成功地涂上连续的配向层的原子力显微镜图。

图21示出经过机械式摩擦的连续配向层的原子力显微镜图，其中可以见到在摩擦方向上的有周期性的条纹的摩擦图案。

图22示出2％的ROP-103施加在垂直配向聚酰亚胺表面上。

图23示出4％的ROP-103施加在垂直配向聚酰亚胺表面上。

图24示出6％的ROP-103施加在垂直配向聚酰亚胺表面上。

图25示出8％的ROP-103施加在垂直配向聚酰亚胺表面上。

图26示出10％的ROP-103施加在垂直配向聚酰亚胺表面上。

图27示出由堆叠式配向方法产生的预倾角的结果，其中圆点表示实验结果。

图28示出由2％的ROP-103所引起的域比例p＝11.14％，其中白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。

图29示出由4％的ROP-103所引起的域比例p＝25.80％，其中白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。

图30示出由6％的ROP-103所引起的域比例p＝56.26％，其中白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。

图31示出由8％的ROP-103所引起的域比例p＝78.68％，其中白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。

图32示出由10％的ROP-103所引起的域比例p＝95.94％，其中白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。

图33示出在原子力显微镜实验结果中，域尺寸(L)与域比例(p)的关系。

图34示出作为域比例(p)的函数的最小域尺寸(L)。

图35展示由堆叠式配向方法产生的预倾角的实验结果，其中圆点表示实验结果，连续直线表示模拟结果。

图36展示在不同的扇形角条件下引起的预倾角的实验结果。

图37展示在不同的扇形角条件下引起的方位角的实验结果。

图38示出依照本发明的一个实施方案制造液晶盒内的液晶配向层的方法。

具体实施方式

近年来，对用于液晶的非同质性配向表面的研究已经有迅速增长的趋势。这是因为这些配向设置能够在液晶盒内产生高预倾角。很多的实验证明，高预倾角可以有不同的应用，例如：双稳态显示器和无偏压的弯曲式快速响应液晶模式。这些配向表面通常包含两种域，而这两种域会促成不同的液晶取向。这些配向表面可以排列成交替的条纹样式或者棋盘样式。

在文献Jones T.K.Wan，Ophelia K.C.Tsui，Hoi-Sing Kwok，Ping Sheng，“Liquid Crystal Pretilt Control by InhomogeneousSurfaces，”Phys.Rev.E 72，021711-1-021711-4(2005)中，描述了一个具有有限锚定能且有规律拼凑而成的图案。图1示出了这种模型的示意图。表面能量Fs跟Rapini-Papoular形式的液晶表面能量相似：

$F_S=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{w_i}{2}{W}_i{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}\left(0\right)-{\mathrm{\θ}}_{0i})---\left(1\right)$

上述等式中，全部的分布比重 $\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i=1,$ θ_AV(0)是在表面z＝0位置处的平均倾角，θ_0i是配向角(alignment angle)，而W_i是锚定能常数，其在10^-4至10^-3J/m²的范围内。每单位面积的任意形态的液晶系统的总能量可以表达为：

$\frac{U}{{\mathrm{\λ}}^2}=\frac{K_{11}}{\mathrm{\λ}}\left(\begin{array}{c}{\∫}_0^1{\∫}_0^1{\∫}_0^1{\tilde{F}}_e\left(n\right)\mathrm{dxdydz}\\ +\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^1{\∫}_0^1\frac{\mathrm{\λ}}{l_{\mathrm{ei}}}{f}_i(x,y)\frac{{\sin }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{0i})}{2}\mathrm{dxdy}\end{array}\right)---\left(2\right)$

上述等式中，λ是周期的大小(pitch)，f_i(x，y)∈{0，1}是域i的配置函数。n＝(x，y，z)是液晶的指向矢，l_ei≡K₁₁/A_i并且 ${\tilde{F}}_e\≡F_e/K_{11}.$ 当周期的大小λ→0(即，λ变得非常小)时，系统能量U一定是完全来自在z＝0处的表面能量，例如U＝∑F_Si。假设只有两个区域有着零扇形角配位方向(如φ_i＝0)，而各自的预倾角和锚定能则分别为θ₁、θ₂、W₁和W₂。因此预倾角必须能够令在等式(2)中的表面能量项减到最少。这可以简单地表示为θ_AV(0)满足等式(3)：

$\frac{d{F}_S}{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}}=0$

$\frac{1}{p}=1-\frac{W_1\sin (2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}-2{\mathrm{\θ}}_1)}{W_2\sin (2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}-2{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}={\mathrm{\θ}}_1+\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{(1-p)W_2\sin 2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{(p-1)W_2\cos 2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)-p{W}_1}\right)$

上述等式中，p是经过归一化的域比例。通过在等式(3)中代入θ₁＝85°和θ₂＝5°，图2显示出区域1和2的不同的锚定能比例的影响。

依照等式(3)，我们亦可以研究在一些特别情况下，边界角θ₁和θ₂对θ_AV(0)的影响。假设θ₁＞θ₂和 ${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1$ 和θ₂＝0+Δ₂，由(3)得出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1+\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{(1-p)W_2\sin 2(\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1-{\mathrm{\Δ}}_2)}{(p-1)W_2\cos 2(\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1-{\mathrm{\Δ}}_2)-p{W}_1}\right)---\left(4\right)$

如果Δ₁+Δ₂＝0，那么

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1+\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(0\right)---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AV}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_1={\mathrm{\θ}}_1$

同样地，如果我们假设θ₁＝0+Δ₁和 ${\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\Δ}}_2$ 和θ₁＜θ₂，我们亦能够得出一样的结果。这说明了如果我们有两个配向方向，以致它们的预倾角相差≥π/2并且Δ₁+Δ₂＝0，那么如图3所示，在任何地方，所得的θ_AV(0)将会偏向于θ₁或θ₂中的任何一个。通过很小的局部差异就可以控制精确的取向。这样的效果对控制液晶本体内的反跃作用方向(backflow flowing directions)是非常重要的。

θ_AV(0)的概念只有在域尺寸趋向无限小(即λ→0)时才有效。实际上，在高预倾角的研究中，域的尺寸对本体系统中的平均预倾角的影响才是最重要的问题。我们将在这里描述详细的模拟计算模型和结果。

平均预倾角的模拟是没有解析式的。给予表达自由能量密度的数学等式，目标是要将器件的能量减到最少，从而得出相应的指向矢分布。

依照一个实施方案，提供一种迭代的方法，其中液晶分子弛豫至平衡状态，例如n_i，j＝0 $\∀i,j\∈\{x,y,z\}.$ 这个方法的好处是能够照顾到扩展、弯曲的转换。在迭代中，并不存在奇异点。为了更能描述这个方法，给予拉格郎日(Lagrange)方程式：

${\left(\frac{\∂L}{\∂n_{i,j}}\right)}_{,j}-\frac{\∂L}{\∂n_i}=0---\left(6\right)$

其中L是拉格郎日函数：L＝K-U，K是动能密度，U是势能密度。n＝(n_x，n_y，n_z)。因为这个结构没有动能，因此K＝0。在方程式(7)中给出势能：

$L=-U=-F_s+\frac{1}{2}\mathrm{\λ}(n_x^2+n_y^2+n_z^2)---\left(7\right)$

$F_s=\frac{1}{2}{K}_{11}{(\▿\·n)}^2+\frac{1}{2}{K}_{22}{(n\·\▿\×n)}^2+\frac{1}{2}{K}_{33}{\left|\right|n\×\▿\×n\left|\right|}^2$

其中λ是用来维持指向矢n的单位长度的拉格郎日乘数，K_ii是弗兰克常数。当其中加入雷利分散函数时，公式(6)变成公式(8)：

${\left(\frac{\∂L}{\∂n_{i,j}}\right)}_{,j}-\frac{\∂L}{\∂n_i}+\frac{\∂F_d}{\∂{\stackrel{\·}{n}}_i}=0---\left(8\right)$

$F_d=\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_1({\stackrel{\·}{n}}_x^2+{\stackrel{\·}{n}}_y^2+{\stackrel{\·}{n}}_z^2)$

其中每一点代表参数相对于时间t进行的微分。γ₁是旋转粘度。结合公式(6)、(7)和(8)得出公式(9)：

$-{\left(\frac{\∂F_s}{\∂n_{i,j}}\right)}_{,j}+\frac{\∂F_s}{\∂n_i}-\mathrm{\λ}{n}_i+{\mathrm{\γ}}_1{\stackrel{\·}{n}}_i=0---\left(9\right)$

公式(9)重写为：

${\mathrm{\γ}}_1{\stackrel{\·}{n}}_i={\left(\frac{\∂F_s}{\∂n_{i,j}}\right)}_{,j}-\frac{\∂F_s}{\∂n_i}+\mathrm{\λ}{n}_i---\left(10\right)$

${\mathrm{\γ}}_1{\stackrel{\·}{n}}_i={\left[F_s\right]}_{n_i}+\mathrm{\λ}{n}_i$

依照进一步的实施方案，如果假设所有的弗兰克常数是一样的，K＝(K₁₁+K₂₂+K₃₃)/3，在y轴的尺寸为0(事实上，在x-z平面上的二维(2D)模拟已经足够了)，并且液晶是非扭转的，则F_e可以化简为：

F_s＝(n_x，x+n_z，z)²+(n_x，z-n_z，x)²(n_z ²+n_x ²)+(n_zn_z，y+n_xn_x，y)²                 (11)

因此公式(10)可以重写为公式(12)和(13)，

${\mathrm{\γ}}_1{\stackrel{\·}{n}}_x=\stackrel{\‾}{K}[n_z{(n_{x,z}-n_{z,x})}^2-(n_{x,x,x}+n_{z,x,z})$

$-{n_z}^2(n_{x,z,z}-n_{z,x,z})-{n_x}^2(n_{x,z,z}-n_{z,x,z})],---\left(12\right)$

$+\mathrm{\λ}{n}_x$

${\mathrm{\γ}}_1{\stackrel{\·}{n}}_z=\stackrel{\‾}{K}[n_z{(n_{x,z}-n_{z,x})}^2-(n_{z,z,z}+n_{x,x,z})$

$+{n_z}^2(n_{z,x,x}-n_{x,z,x})+{n_x}^2(n_{x,x,z}-n_{z,x,x})],---\left(13\right)$

$+\mathrm{\λ}{n}_z$

由以上的公式可以看出，笛卡儿坐标矢量形式比起θ-φ方法要容易得多，而且更直接地关联上了以下描述的系统几何结构。另外，当指向矢逼近垂直(即，θ＝90°)时，方位角将会变得不明确。这样会导致数字方面的困难，其中模拟程序通过尝试来决定哪一个方位角能够使自由能量F_e最小化。因此，θ-φ方法只用于所选的一维(1D)模拟。

公式(10)表明最基本的问题就是如何确定导数n_i，j。可以利用两个普遍的方法用来达成：一个是有限元方法(FEM)，另一个是有限差分法(FDM)。依照一个实施方案，用有限元方法来确定导数n_i，j，其中假设该方法可以与有限的元素函数集(δ_i)的线性组合 $(f\left(x\right)\≈\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\mathrm{\δ}}_i\left(x\right))$ 近似。依照另一个实施方案，系数a_i是由计算中所用到的特定方式的有限元方法来确定的。

跟有限元方法比较起来，有限差分方法通常没有那么复杂，所以提供了一个更合意的方法用来确定导数。

依照一个实施方案，提供了一个有限差分方法，其中，计算的域被分割为正方体(即，格子)，其如图4所示，全部尺寸都一样。

之后估测这些格子的导数。为了导出可用于估测上述导数的公式，利用泰勒级数展开：

$f(x+\mathrm{\Δx})=f\left(x\right)+f^{\′}\left(x\right)\mathrm{\Δx}+\frac{f^{\′\′}\left(x\right)}{2}\mathrm{\Δ}{x}^2+...---\left(14\right)$

$f(x-\mathrm{\Δx})=f\left(x\right)-f^{\′}\left(x\right)\mathrm{\Δx}+\frac{f^{\′\′}\left(x\right)}{2}\mathrm{\Δ}{x}^{2-}...---\left(15\right)$

解出在公式(14)中的一阶导数f′(x)，得出向前的导数为：

$f^{\′}\left(x\right)=\frac{f(x+\mathrm{\Δx})-f\left(x\right)}{\mathrm{\Δx}}-\frac{f^{\′\′}\left(x\right)}{2}\mathrm{\Δx}+...---\left(16\right)$

$f^{\′}\left(x\right)\≈\frac{f(x+\mathrm{\Δx})-f\left(x\right)}{\mathrm{\Δx}}$

相似地，得出向后的导数为：

$f^{\′}\left(x\right)=\frac{f\left(x\right)-f(x-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}+\frac{f^{\′\′}\left(x\right)}{2}\mathrm{\Δx}+...---\left(17\right)$

$f^{\′}\left(x\right)\≈\frac{f\left(x\right)-f(x-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}$

重新排列公式(16)和(17)得出中间差分公式，其到二阶时会更准确：

$f^{\′}\left(x\right)=\frac{f(x+\mathrm{\Δx})-f(x-\mathrm{\Δx})}{2\mathrm{\Δx}}-\frac{f^{\′\′\′}\left(x\right)}{6}\mathrm{\Δ}{x}^2+...---\left(18\right)$

$f^{\′}\left(x\right)\≈\frac{f(x+\mathrm{\Δx})-f(x-\mathrm{\Δx})}{2\mathrm{\Δx}}$

对二阶导数f″(x)，得出公式(19)为：

$f^{\′\′}\left(x\right)=\frac{f(x+\mathrm{\Δx})+f(x-\mathrm{\Δx})-2f\left(x\right)}{\mathrm{\Δ}{x}^2}-\frac{f^{\′\′\′\′}\left(x\right)}{12}\mathrm{\Δ}{x}^2---\left(19\right)$

$f^{\′\′}\left(x\right)\≈\frac{f(x+\mathrm{\Δx})+f(x-\mathrm{\Δx})-2f\left(x\right)}{\mathrm{\Δ}{x}^2}$

现在，所有用来实行由公式(10)控制的弛豫的数字导数都已经被导出。但是，不能用公式(12)和(13)来解新指向矢n_x、n_z和λ。所以，撇走λ项，并且将指向矢在每次迭代后重新归一化为单位长度。因此公式(10)变成：

${\mathrm{\γ}}_1\frac{\mathrm{\Δ}{n}_i}{\mathrm{\Δt}}=-{\left[F_e\right]}_{n_i}---\left(20\right)$

而且，新指向矢在每次迭代后为：

$n_i^{\mathrm{new}}=\frac{n_i^{\mathrm{old}}-\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\γ}}_1}{\left[F_e\right]}_{n_i}}{\sqrt{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{(n_j^{\mathrm{old}}-\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\γ}}_1}{\left[F_e\right]}_{n_j})}^2}},j\∈\{x,y,z\}---\left(21\right)$

根据公式(21)，其中一个最重要的决定计算速度的参数是时间步长值Δt。当利用弛豫方法时，存在着最大的时间步长，其中当时间步长太大时，数值计算会得出错误结果。事实上，当时间步长值大于此数值，则结果会是随机数。当然，时间步长Δt的数值与诸如边界条件、格子尺寸和液晶粘度之类的参数不同。最大的时间步长可以通过测试以下简化的弛豫公式(relaxation equation)而近似地得到：

$\frac{d{n}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{K_{33}}{{\mathrm{\γ}}_1}\frac{d^2{n}_i}{d{z}^2}---\left(22\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_{\max }=\frac{{\mathrm{\γ}}_1\mathrm{\Δ}{z}^2}{2K_{33}}$

指向矢和表面之间的相互作用可以用“锚定强度”来表征。这是指向矢能在表面维持其方向的刚性的量度。锚定强度越大，指向矢更有可能固定在适当的位置。为了描述指向矢和表面之间的相互作用，这里描述了极锚定能和方位锚定能。极锚定能涉及要用多少能量才能将指向矢拉离开表面。方位锚定能是将指向矢在配向表面上向右旋转所需的能量的量度。

为了可以更好地描述何世阿书-弗兰克理论(Oseen-Frank theory)中的有限锚定效应，这里描述了Rapini和Papoular(RP)表达式。这是假设当指向矢偏离了理想的配向方向时，锚定能密度会以正弦平方的方式增加：

F_RP＝Wsin²(θ-θ_o)              (23)

其中W是称为锚定强度的标量，θ-θ_o是偏离配向方向的角度。RP锚定能是广泛采用的近似表达式，并且通常在与其他锚定能表达式比较时作为基准。当极锚定强度和方位锚定强度之间具有差异时，RP表达式的一般形式是：

F_RPgen＝W_psin²(θ-θ_o)+W_acos²(θ-θ_o)sin²(φ-φ_o) (24)

其中W_p，W_a分别为极锚定强度和方位锚定强度。(θ-θ_o)，(φ-φ_o)分别是指向矢和配向方向的倾角和方位角。

在文献：Zhao等人，“Week Boundary Anchoring，Twisted NematicEffect，and Homeotropic to Twisted Planar Transition，”Phys.Rev.E 65，2002里已经展示了一个各向异性的表面能量密度的表达式可以化简为：

锚定能系数可以利用比较(24)的球形和声学展开式(sphericalharmonics expansions)中的等阶数项来找到，

依照一个实施方案，表面指向矢一定要能够移动以便实现锚定能对液晶器件的操作方面的影响。因此，公式(24)一定要在模拟迭代中达到最小。

依照一个实施方案，φ₁-φ₂＝0。这种特定情况假设两个配向域拥有一样的方位配向角。依照这个实施方案，l_EEL其实会随着域比例和配向域的锚定能而改变。最大的l_EEL值可以变成≤L。这里会报告对锚定能效应和当量外推长度的更严格的测试。

下面描述锚定能对当量外推长度的影响。假设垂直聚酰亚胺产生82度的预倾角，水平聚酰亚胺产生0.5度的预倾角，并且域比例p为0.5。模拟空间为x_max＝200nm×z_max＝200nm。垂直聚酰亚胺的极锚定能为0.2×10^-3J/m²，水平聚酰亚胺的极锚定能为0.2×10^-3J/m²。图5呈现出相应的指向矢分布。我们可以看到倾角偏离了理想的倾角。这种影响在两个域的分界处更为明显。

如果配向表面的锚定能增加，则这种影响会受到抑制，如图6所示的那样。而且，通过将这两幅图比较，我们可以发现l_EEL由锚定能所调节。可以由图7进行这种观察。液晶呈指数地在z方向上弛豫至均一倾角。强的锚定能使得衰减率大幅度减慢，并且导致l_EEL≈L。由于典型的聚酰亚胺锚定能是大约2×10^-3J/m²，因此l_EEL一定要小于＜L。图7亦展示出重要信息，随着锚定能降低，当量外推长度同样地会减小。

除了锚定能之外，域比例p在l_EEL调制中亦起到重要作用。图8展示出不同p的相应的影响。最大的l_EEL的位置由比例p和域面积的预倾角支配。在这个时候锚定能没有起任何作用。最大的l_EEL的研究对反跃作用方向控制是很重要的。

φ₁-φ₂≠0的情况对液晶配置的控制很重要。通过控制主配向轴和次配向轴的扇形角，可以改变液晶的所得的预倾角和方位角。这给液晶模式设计师或者光学波导设计师提供了有用的工具，来控制液晶本体中的所得预倾角的精确位置和大小。

图9至11展示出不同的扇形角条件下的分子配置。这些图的域比例p＝0.5，所得的预倾角通过表面的扇形角而改变。同样，还存在初始的方位角φ_o＝|φ₁-φ₂|，其由上述配向布置方式产生。

图12画出在z方向上的倾角和方位角的标准差。可以观察到当扇形角增加时，当量外推长度亦增加。

这些模拟结果可以用公式(2)解释。由于针对不同的扇形角φ_o而言，表面分布p是一样的，因此表面锚定能保持不变。但是存在有由弗兰克能量中引起的扭曲项。因此，为了使得总能量达到最小，当量外推长度必须要增加。可以预测到具有较大K₂₂的液晶会更进一步增加。

图13展示了对不同的φ_o而言，液晶方位角的标准差在z轴上的分布。域比例p为0.5。这个情况与极角相似。最大的当量外推长度大约是L。

在φ_o＝0时，有一些方位角的混乱情况。假设这种影响在z方向上应该等于0。实际上，这是由图案结构的边缘效应引起的。为了用图说明这个问题，图14展示了在X-Y平面上的液晶分子配向。当z/L＝0.0时，强的锚定能防止分子配向偏离慢轴。但是，当锚定能影响在高位置z/L＝0.23处降低时，边缘效应出现。最后，锚定能消失，并且在z/L＞0.5的系统中，弗兰克弹性能量起主要作用。因此，这些边缘效应最终消失。

平均预倾角的模拟结果与Wan描述的那些有所分别。据发现，如果域尺寸L与外推长度l_e＝K/W不具可比性，则预倾角与域比例p成线性比例。此外，只要弗兰克常数K₁₁＜K₃₃，如果扇形角φ_o＞0，则平均预倾角总是大过φ_o＝0情况下的平均预倾角。实际上，这种特性对于一般的液晶来说永远是对的。

图15展示了由数值模拟得到的在p＝0.1和p＝0.9条件下的非线性效应。由于模拟尺寸是L＝200nm，因此p＝0.1和p＝0.9分别促使L_0.1H/0.9V＝20nm/180nm和L_0.9H/0.1V＝180nm/20nm。模拟的锚定能为2×10^-3J/m²。外推长度为 $l_e=\hat{K}/W=15.25\×{10}^{-12}/2\×{10}^{-3}=7.625\mathrm{nm}.$ 由于这些数值相当，所以，在曲线的头部和尾部可以找到非线性效应。

当方位角(扇形角)不同时，会出现其它效应。图16画出了这种结果。可以见到，当比例p增加时，方位角最终会转变到水平聚酰亚胺的主配向方向上。结果表明，这种转变并不是线性的。这是因为弗兰克常数K₂₂和K₃₃的不同。依照弗兰克弹性能量，弯曲项实际上由K₂₂和K₃₃合作而成。它对扭曲项造成非线性效应。这种效应在高预倾角p＜0.4的情况下更加显著，因为弯曲效应支配着本体能量。为了抑制这种效应，如图17所示，建议使用较弱的K₂₂。

基于以上的模型和非同质性配向的模拟结果，以下描述本发明的各种实施方案。

存在着很多不同的非同质性液晶配向方法，例如电子束处理、微摩擦、混合聚酰亚胺材料和深紫外光表面处理。混合聚酰亚胺材料一般包含两种聚酰亚胺材料，其分别导致不同的液晶取向。可以通过水平和垂直聚酰亚胺混合物的相位分离在三维上的流体效应(hydrodynamic effect)来获得微域。在现有的系统中，域尺寸大约为2微米。但是这种尺寸并不在之前提过的高预倾角配向的合适范围内。

事实上，拼凑而成的图案的尺寸由相位分离的流体效应所支配。很难在液体混合物中控制相位分离。分离源自以下的方面：液体混合物中存在两种相关的输送机制(即扩散现象和流体流动)，并且它们复杂地彼此耦合。只有前者与阶数变量在时间上的增加有关(两个相位在组成上的分别)，而后者只会导致几何上的粗大化。因为它们在非局部和非线性的耦合方面具有复杂的性质，因此就算对简单的液体混合物而言，流体效应对相位分离的影响仍然未被完全了解。例如，尚没有确定的理论去描述三维液体混合物的相位分离动力学。由于缺乏控制相位分离速率的好方法，因此制造出来的预倾角的重复性和均匀性皆很差。由于这些问题，因此上述方法并不是在液晶内获得高预倾角的理想模型，因此本文描述了更理想的方法。

在一个实施方案中，提供一种两步法用来制造新的配向层。首先将均匀的配向层涂在基底上。之后将第二配向层涂在第一配向层上。第二配向层不连续地分布。根据进一步的实施方案，第二配向层为不连续的岛状结构的形式。或第二配向层可包含一个或更多的网络结构。或第二配向层可包含“山冈”和“山谷”结构。“山冈”和“山谷”的高度差可为1纳米到200纳米不等。

如图18所示，与现有的在液晶里获得配向的方法不同，本文所描述的方法利用了堆叠结构。依照一个实施方案，第一配向层是由Japan Synthetic Rubber公司获得的垂直配向聚酰亚胺，其型号为JALS2021。第二配向层包括光学配向物料。在这个例子中，它是由Rolic公司获得的商用物料(型号ROP-103)，以引起水平配向。还存在适合于第一或第二配向层的其它替代性物料，如垂直或平面配向的聚酰亚胺或包括偶氮染料和丙烯酸衍生物的光学配向物料。

图18所示出的结构只是为了实验方便而已。各层可以存在着其它的布置方式。例如，依照另一个实施方案，两种配向物料的次序可以交换或翻转。换句话说，连续地涂在基底上的第一配向层是光学配向物料(如ROP-103)，非连续地涂在第一配向层上的第二配向层是垂直配向聚酰亚胺，如JALS2021。

以下描述详细的实验步骤用来获得在图18和38中示出的结构。第一，以3000rpm的转速将包括垂直聚酰亚胺的第一配向层旋转涂布在包括钠钙玻璃和氧化铟锡的基底之上，涂布时间为240秒(方块3802)。其它的涂布法可以是喷墨印刷法。之后处理第一配向层以在液晶盒里产生第一预倾角和第一方位角(方块3804)。具体而言，在100℃下对基底进行300秒的软烤。第三，在200℃～230℃下对基底进行大约1～1.5小时的硬烤，以使聚酰亚胺酰亚胺化并变成永久固定性的。在第一层完结之后，将另一配向层(也就是第二配向层)施加在第一配向层之上(方块3806)。和第一配向层相似，第二层也是用旋转涂布机涂在基底上。涂布参数为1000rpm和60秒。然后，处理第二配向层，以在液晶盒中产生第二预倾角和方位角(方块3808)。具体而言，在130℃下对包括配向层的基底进行300秒的软烤。最后，用340nm的偏振光源将基底曝光。剂量大约是200mJ/cm²。可供选择的是，剂量可以大于200mJ/cm²。如图18所示，上面的配向层(即第二配向层)其实是非连续的膜，但布置在第二配向层下面的第一配向层却是连续的膜。利用这种结构，不仅第二配向层会对液晶配向有影响，第一配向层也会对液晶配向有所影响。

依照进一步的实施方案，可以通过在软烤过程中控制Bénard-Marangoni对流来操控配向层，以提供非连续与连续的配向膜。为了获得这个堆叠结构，一种高粘性溶剂，称为S₁，被选择作为第一(底)配向层的配向物料，因此Marangoni数低于80。因此，在溶剂蒸发后获得一个连续配向膜。在另一方面，一个低粘性溶剂，称为S₂，被选择作为第二(顶)配向层的配向物料，因此，Marangoni数(Ma)会增加并且在软烤中会出现对流。因为配向物料拥有一个高很多的沸点温度，所以，当溶剂蒸发时，配向物料会记录对流图案。依照更进一步的实施方案，选择底配向层的配向物料使其不能够溶解在S₂中。其中一个被提议的组合为JALS2021 4重量％∶N-甲基吡咯烷酮96重量％/ROP-103＜10重量％∶环戊酮＞90重量％。

以下描述的是可以获得上面描述的配向结构的一个例子。具体而言，如原子力显微镜图19所示，第一配向层被施加在氧化铟锡基底上。在硬烤后，拍下另一张原子力显微镜图20。比较图19和图20的图像图案揭示了，经过烘烤过程之后，氧化铟锡图案完全消失，从而表明连续的配向层已经被成功地涂在氧化铟锡表面上。

随后，对经涂布的基底进行机械摩擦。因此，如图21所示，在摩擦方向上引入了一个有周期性的图案。

现在基底准备好用于最后的步骤。将第二配向物料溶液施加在第一配向层上。为了实验目的，五个实验结构分别使用不同浓度的ROP-103(也就是，2％、4％、6％、8％和10％)。原子力显微镜图22至26展示出所得的结构。该结构是由高分子薄膜脱湿或上文所述的Bénard-Marangoni对流而得到的。如这些图所示，当ROP-103的浓度增加时，在相同的旋转涂布条件下，配向层的厚度亦相应地增加。随着配向层的厚度增加，高分子薄膜变得难以脱湿，最后连续的膜覆盖在第一配向层上(图26)。此时，所得的预倾角应当很低，甚至等于第二配向层的主预倾角。图22至26的原子力显微图像展示了实验结果和推测是很一致的。具体而言，在图22中，第二层包含由白点表示的孤立的岛状结构。随着ROP-103浓度的增加，这种孤立的结构开始融合而形成一个或更多的网络结构(图23-24)。随着ROP-103浓度继续增加，在第二层上开始形成山岗和山谷结构(图25)。

图22更进一步展示出当ROP-103的浓度为2％时，有很多细小的域均匀地分布在配向表面上。这是因为冷流体的位置下降或热流体的位置上升、并且当溶剂蒸发走时高沸点的聚酰亚胺堆积在那些位置而造成的。当浓度增加到4％时，如图23所示，一些网络片段开始形成。在图24和25中，ROP-103的浓度分别增加到6％、8％，这时可以找到更多明显的六角对称单元。当溶液的浓度增加到10％时，如图26所示，溶液的粘性亦会增加，因此，结果形成一个连续的膜。

图22-25还展示了域的均匀性。各片的平均尺寸(mean patchsize)为约250纳米。像之前所讨论的那样，假设配向物料具有强的锚定能，并且域尺寸和它们的外推长度不具有可比性，则产生的预倾角变化几乎与两个域的比例成正比。为了证明这个假设，测试了六个具有反平行配向方向的样品盒。每个样品盒的配向表面都是依照堆叠式配向层结构而制备的。具体而言，每个样品上都涂上了不同浓度的ROP-103溶液作为非连续层。ROP-103溶液的浓度选自0％、2％、4％、6％、8％和10％。用5微米的间隔物隔开上面和下面的配向层基底。所有样品都填充得自Merck公司的液晶MLC-6080。用晶体旋转方法测量产生的预倾角。以下描述实验结果。

如样品测试盒的实验所展示，较高浓度的溶液意味着水平配向物料在域中具有较高的比例p，因此，可以获得较低的预倾角。图27示出这种推论。为了证实之前描述的模拟模型，获得了一个浓度和暗示比例p的精确相互关系。依照一个实施方案，计算域尺寸的比例，并且对图22至26所示的每张原子力显微镜图都进行边缘检测。因此，获得水平域和垂直域的分界。而且，它们的面积比例等于暗示比例p。图28-32展示了结果。白色区域属于垂直域，而黑色区域属于水平域。

在上面的实验中，纯ROP-103的极锚定能是1x10^-3J/m²。极锚定能是用高电压方法测量的。依照图28-32所示的原子力显微镜图，不同的域比例条件下的真正域尺寸实际上是不同的。为了研究这种差别，应用了图像处理技术。

对原子力显微镜图应用不同的样品域尺寸，并且确定了最小的域尺寸，使得域比例是不变的数值。图33示出实验结果。

图34展示了测量的域尺寸与域比例p的关系。可以看出，平均域尺寸是大约400纳米至580纳米(包含所有数据点)。这样的域尺寸对于产生高预倾角来说是最理想的。这是因为表面锚定作用使得域尺寸L和外推长度不具可比性，可以避免非线性影响。因此，可以以大的处理窗口(processing window)获得30至60度的高预倾角。另外，液晶显示器制造过程的常规液晶盒间隙为大约4至5微米。域尺寸L比盒间隙小一个数量级。因此，盒间隙影响也可以忽略。

获得实验性的域比例p和域尺寸L之后，将之前讨论的模型和实验结果作比较。如图35所展示，垂直聚酰亚胺的极锚定能设为5x10^-4J/m²，水平聚酰亚胺的极锚定能设为1x10^-3J/m²，这和ROP-103一样。图35展示了，模拟结果和实验结果充分地一致。实验结果进一步表明，非线性效应可以被忽略。这是因为垂直域和水平域的外推长度l_e＝K/W和域尺寸L不具有可比性。预倾角基本上随着域比例p线性地变化。这些结果和之前的讨论一致。

另外，图36-37展示了，在不同的扇形角下测量了预倾角和方位角。实验结果亦和之前讨论的模拟结果一致。如上所示，提供了一种在液晶里获得任意的预倾角的新方法。

本文已经示出并描述了本发明主题的优选实施方案及其多样性中的多个例子。应当理解，本发明的主题能够用于各种其他的组合和情况，并且其在本文所表达的发明构思的范围内可以有所改变和/或更改。例如，还可以用喷墨印刷法将第一层设置在基板上，同样也可以用喷墨印刷法将第二层设置在基板上。特别是，喷墨印刷法可以通过控制墨滴的尺寸或分布来调整液晶盒不同部分的层厚。

本文所引用的所有参考文献(包括专利申请公开、专利申请和专利)都以同等程度按照引用的方式并入本文，如同已经单独并具体地表示将每篇文献分别以引用的方式并入本文、并且其全文已在本文中列出一样。

除非本文中另外指明，或者明显与上下文相悖，否则在描述本发明的上下文中(特别是所附的权利要求书中)使用的词语“一种”、“一个”、“该”、“所述”或未指明数量的情况等都应该被解释为既涵盖单数形式，又涵盖复数形式。除非另外指明，否则词语“包含”、“拥有”、“包括”和“含有”都应被解释为开放的表达方式(即，“包括但不限于”)。除非另外表明，否则本文所述的数值范围仅仅作为单独引用该范围的各个独立数值的简略表达方式，并且各个独立的数值已并入本说明书中就好像其已在本文中单独阐述一样。除非本文中另外指明，或者明显与上下文相悖，否则可以以任何合适的次序进行本文所述的所有方法。除非另外声明，否则采用任何和所有例子或者本文所用的示例性语言(例如，“如”)都仅仅旨在更好地阐释本发明，而不是对本发明的范围进行限制。本说明书中的任何语言都不应解释为要指出任何不要求保护的实施本发明的基本要素。

本文描述了本发明的优选实施方案，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅览以上说明书之后，对这些优选实施方案进行各种改变对本领域的技术人员来说是显而易见的。发明人预料技术人员会采用适当的变化，并且发明人的意思是本发明可以以不同于本文具体描述的方式实施。因此，如适用法律所许可的那样，本发明包括本文所附权利要求书中所述的主题的所有更改方式和等同方式。此外，除非本文中另外指明，或者明显与上下文相悖，否则本发明涵盖上述元素在其所有可能的变化范围内的任意组合。

Claims (22)

1.一种位于包含最少一种液晶材料的液晶盒内的液晶配向层，所述液晶配向层包括：

基底；

连续地设置在所述基底上的第一配向层，其用于在所述的最少一种液晶材料内产生第一液晶预倾角和第一方位角；以及

非连续地设置在所述第一配向层的表面上的第二配向层，其中所述第二配向层在所述的最少一种液晶材料内独立地产生第二液晶预倾角和第二方位角。

2.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第二配向层包含多个非连续的岛状结构。

3.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第二配向层包含一个或更多的二维网络结构。

4.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第二配向层包含“山冈”和“山谷”结构，所述“山冈”和所述“山谷”结构的高度差为1纳米到200纳米不等。

5.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第一配向层包含选自聚酰亚胺和光学配向物料中之一的液晶配向物料，所述的光学配向物料包括偶氮染料和丙烯酸衍生物。

6.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第二配向层包含选自聚酰亚胺和光学配向物料中之一的另一种液晶配向物料，所述的光学配向物料包括偶氮染料和丙烯酸衍生物。

7.权利要求2所述的液晶配向层，其中所述的多个岛状结构是由喷墨打印获得的。

8.权利要求3所述的液晶配向层，其中所述的一个或更多的二维网络结构是由喷墨打印获得的。

9.权利要求4所述的液晶配向层，其中所述的“山冈”和“山谷”结构是通过喷墨打印获得的。

10.权利要求1所述的液晶配向层，其中所述第二配向层通过喷墨打印方式设置在所述第一配向层的表面上。

11.权利要求2所述的液晶配向层，其中所述岛状结构的平均尺寸为0.1至10微米。

12.一种位于包含最少一种液晶材料的液晶盒内的液晶配向层的制造方法，所述方法包括：

在基底上连续地设置第一配向层；

处理所述第一配向层，以在所述的最少一种液晶材料中产生第一预倾角和第一方位角；

在所述第一配向层的表面上非连续地设置第二配向层；

处理所述第二配向层，以在所述的最少一种液晶材料中产生第二预倾角和第二方位角。

13.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，进一步包括：

将溶液施加在所述基底上；以及

干燥所述溶液，以在所述基底上设置所述配向层；以及

固化所述配向层。

14.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中所述的第一配向层和第二配向层分别包含选自由聚酰亚胺、偶氮染料和丙烯酸衍生物组成的组中的最少一种配向物料。

15.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中所述第二配向层包含多个非连续的岛状结构。

16.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中所述第二配向层包含一个或更多的二维网络结构。

17.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中所述第二配向层包含“山冈”和“山谷”结构。

18.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中通过喷墨打印方式将所述第二配向层设置在所述第一配向层的表面上。

19.依照权利要求17所述的制造液晶配向层的方法，其中所述的“山冈”和“山谷”结构的高度差为1纳米到200纳米不等。

20.依照权利要求15所述的制造液晶配向层的方法，其中所述岛状结构的平均尺寸为0.1至10微米。

21.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，还包括对所述第一配向层和所述第二配向层中的至少一者进行机械摩擦。

22.依照权利要求12所述的制造液晶配向层的方法，其中所述第一配向层和所述第二配向层中的至少一者包含光学配向物料。

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