CN101957521A - 一种高对比度的液晶电子纸显示器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高对比度的液晶电子纸显示器及其制造方法，所述液晶电子纸显示器的胆甾液晶层包含粘性间隔材料及非粘性间隔材料，粘性间隔材料的主要成分是由环氧树脂胶或紫外线固化的UV胶与间隔材料组成的混合物。在液晶电子纸显示器的制造方法中，通过高于液晶清亮点十度左右的高温处理，使液晶盒内的液晶分子排列处于焦锥态。在非显示部分，此焦锥态结构构成了显示背景，这样实现显示部分良好的对比度。此种结构的液晶盒，无论采用硬质的玻璃基板还是柔性塑料基板都可以实现抗机械冲击的液晶电子纸显示器。本发明通过添加粘性间隔材料和高温处理获得了良好对比度的液晶电子纸显示器，对同种液晶材料来说对比度提高到原来的1.2-1.3倍。

Description

一种高对比度的液晶电子纸显示器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种液晶盒结构的胆甾型液晶电子纸及其制造方法。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，显示技术和市场的重要地位越来越突出。随着传统的电视、电脑、便携式终端的显示领域日臻成熟。科学家对代替传统纸张的电子纸的关注度越来越高。作为电子书的黑白终端已经实用化，但是整个市场没有像人们的想象迅速扩大。究其原因，是电子纸的性能的局限性和高昂的成本限制其更广泛的应用。但是因为电子纸和其它类型的显示器相比具有不可替代的优点，科学家们一直在孜孜以求地解决这些问题。

同时液晶电子纸和其它类型电子纸相比，具有相同的优点：

1、重量轻、厚度薄，玻璃基板可以做到0.5mm，塑料基板可以做到更薄。

2、具有资料存储性，只有画面刷新时(例如由黑转到白)才耗电，电源关闭后显示内容仍然留存电子纸上，因此比TFT-LCD、STN-LCD等显示器更为省电。

3、在液晶电子纸的结构中，由于不使用偏光片，其反射率远远高于带有偏光片的反射式LCD，更接近报纸等印刷品的水平，有些厂商生产的产品甚至可达到影印水平，因此肉眼对所显示的文字内容更易辨识。

4、由于对基板和材料的特殊处理，和普通印刷的质量的报纸相比，对比度要略好。

液晶电子纸的建立可以追溯到上个世纪90年达，近二十年没有获得广泛的应用。其主要原因用于液晶电子纸的液晶材料非常匮乏，造成液晶电子纸显示对比度不高。除点阵显示外，应用于段码显示对比度极低。其节电的优点从根本上来说，无法弥补其缺点。伴随着液晶显示技术的进步，液晶电子纸的显示性能在不断提高。Fujitsu、ZBD Display等公司均积极进行液晶电子纸的技术研发，并将其导入实际应用的层面。在超市、百货公司等都以纸张作为价格标签，当价格更换时必须重新印制，不仅仅成本高而且费时，利用电子纸即可以无线传输的方式，将最新的价格信息传送到显示器上。另外，在公共场所的广告看板，以及车站内经常需要更新的信息等，也可以利用电子纸，除省却传统纸张重新制作的浪费外，并可免除耗时的人力拆卸与更换，且电子纸比LCD与LED省电，在阳光下也不会反光、刺眼。

从成本来看，液晶电子纸和粒子型电子纸相比，具有成本的优势。而且制造工艺和现有的液晶生产线的兼容度高。无论是显示及驱动电极的制造蚀刻加工，还是IC的装配，系统的集成等工艺都与现有的液晶显示器工艺高度一致。几乎不需要大规模的投资，对原有的生产线进行极少量的变更就可以实现大规模的生产。相比之下，电泳式粒子型的电子纸，尽管工艺过程液晶型比液晶电子纸的简单，但需要对许多工艺进行设备、材料、工艺条件等方面进行最优化，制造成本很难在短期内降低。由于这些电子纸，制造的电泳薄膜都贴附在电极基板上，或制造薄膜的过程中已经粘结了透明导电电极，复杂的薄膜加工工艺造成这种电泳薄膜价格昂贵。其用于显示的粒子，也是由特殊工艺处理，材料成本很难大幅度降低。相比之下，液晶电子纸的关键材料取向材料、液晶材料，随着市场的展开，成本会有非常大的下降空间。许多材料和现有的液晶显示器兼容，适合大规模生产。由于液晶型电子纸不需要使用偏光片，可以抵消取向材料和液晶材料的差异，而且容易实现多路驱动。因此，液晶电子纸模组的成本，从理论上来讲是可以降低到和TN、STN型液晶显示器件类似的水平。胆甾型电子纸和电泳等粒子型显示器相比，其彩色的亮度和色纯度都要好。在响应速度改善和工作温度范围方面也比电泳型电子纸具有优势。

在液晶电子纸中，达到实用化水平的双稳型液晶电子纸显示器主要分为两大类：胆甾型液晶型电子纸和双稳向列相型电子纸，前者不需要偏光片，后者需要偏光片。对类纸型显示器来讲，胆甾型电子纸反射亮度高，是更接近于纸张的液晶电子纸显示器。

胆甾型(Cholesteric)液晶有两个稳定状态分别为平面态(Planar Texture)和焦锥态(FocalConic Texture)，其特点为不需使用偏光片，具有较高的反射率与不错的对比度。在没有外加电压场时，由于具有双稳态，因此在驱动之后不需要继续施加电压即可维持稳定影像的显示，只有在两种稳定状态的转换需要时，才需要施加驱动电压。因为不需要实时扫描驱动，加电的时间在整个显示期间所占比例极小，因此整体上耗电量非常低。其原理为平面态时，当入射光满足Bragg反射条件，光波长会形成干涉，而将该波长的入射光反射回来称为亮态。通过改变平面态液晶分子排列的螺距来控制反射光的波长，就可以显示不同的颜色。当施加不同的电压，可以使液晶分子杂乱无章的排列，液晶分子会散射入射光，并且通过吸光层吸收入射光线，此时显示状态为暗态。

在应用过程中，随着材料的改进和工艺水平的提高，ChLCD的亮度和反射率逐年改进，显示品质已经达到人们可以接受的水平。由于ChLCD反射环境光是依靠液晶分子的几何排列的布拉格反射，其反射模式直接依赖于分子排列的有序度和方向。其排列是由弱锚定实现的，当外力(如机械力、高温作用)作用于电子纸表面，如果液晶层的受到影响，分子将不能恢复。当受到机械力作用时，分子排列倾向于平面态；当受到高温作用时，分子排列倾向于焦锥态。高温作用在通常的使用环境中可以避免，但是意外压力等机械力的冲击很难避免。尽管冲击后，可以通过刷新手段来解决，使液晶电子纸的功能大打折扣。特别是非显示部分，没有办法通过刷新来解决；显示部分的刷新，也是被动刷新，既通过给予指令才能实现。对于胆甾型液晶电子纸来说，非显示区域仍然在在平面态，无法处于焦锥态。通常焦锥态作为背景，显示部分在平面态，依靠其布拉格反射的高反射率获得高对比度。如果能实现非显示区域全部为焦锥态，就可以获得高对度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何制造高对比度、抗机械力冲击的液晶电子纸。使液晶电子纸可以实现高对比度，在各种环境下，具有优良的存储性能。为解决上述问题，提出一种高对比度的液晶电子纸显示器及其制造方法，其技术解决方案是：

一种高对比度的液晶电子纸显示器，其主要包括如下组成和结构，按照从前表面到后表面的顺序：第一层为基板A，第二层为附着于基板A上的ITO透明电极层A，第三层为垂直取向膜A，第四层为胆甾型液晶层，第五层为分布于胆甾型液晶层中的非粘性间隔材料，第六层为垂直取向膜B，第七层为ITO透明电极层B，第八层基板B，第九层为吸光层，还包括封口和密封圈边框部分；在胆甾型液晶层中还添加有粘性间隔材料，基板A和基板B平面根据ITO透明电极层的图案以一定间隔贴合，与封口和四周密封圈组成密闭盒体。

在胆甾型液晶层中添加的粘性间隔材料是本发明的一大特点，在目前商用的一般间隔材料中，也有粘性类型的，但是其粘性只能达到使微小的间隔材料在震动时不滑动，不能应用于于本发明的目的。为了改善本发明液晶电子纸的抗机械冲击性能，要求上下基板在外力的作用下，不会发生机械形变，设计的粘性间隔材料，其主要成分是热固化的环氧树脂胶和间隔材料的混合物，其类型和主要性能和密封圈边框材料具有相同的或相似的性能，形成一个个微小的粘性连接和支撑。另外，加工时在胆甾型液晶层中还喷洒非粘性间隔材料，确保液晶电子纸具有足够的反方向支撑力。一般说来，粘性间隔材料的分布越稀疏越好，粘性间隔材料所占的体积越小越好，其体积是指其所占的底面积和盒厚的积，底面积是指粘性间隔材料和基板接触的面积。通常粘性间隔材料的体积小于3000dμm3，其中d为盒厚，这样可以在显示部分实现良好的对比度。

所述的胆甾型液晶层是有手性液晶和向列相液晶组成的混合物，其厚度从4μm-12μm。

所述的垂直取向膜A、B是经过高温处理的，根据材料不同，有180±10℃，230±10℃等等，厚度为100-1000埃的均匀厚度。

所述的非粘性间隔材料和粘性间隔材料中的间隔材料，是直径在4-12μm的玻璃棒或塑料球，且对可见光吸收小于5％，透光率越高越好。

粘性间隔材料由热固化胶和间隔材料组成，所述的热固化胶，具有和液晶接触稳定，常温不固化，通过加热固化的特性。热固化胶中添加的间隔材料直径为4-12μm，添加比例为0-2％。

所述密封圈边框部分可以和粘性间隔材料中的热固化胶用相同的材料，密封圈边框中掺杂的间隔材料的直径是4.2-12.4μm。密封圈边框中的间隔材料的直径与粘性间隔材料中间隔材料的直径近似相等，根据所用材料的直径大小区别，其直径通常相差3-10％。

所述吸光层是指在基板B的下表面经过磨砂处理，在微观上形成不规则的凸起和凹陷，然后涂覆或粘贴一层黑色、蓝色、或红色的吸光层。具体颜色由电子纸的显示颜色来决定。通过磨砂处理增加吸光层的有效吸光面积。

本发明设计的粘性间隔材料也可以是一种紫外线固化的UV胶和间隔材料混合。UV胶的颜色以透明为好。同时形成垂直取向膜的取向材料要使用耐紫外的垂直取向材料。具体来说，就是在UV照射过程中，垂直取向膜的性能不会因为紫外光的照射而发生改变。通常垂直取向材料固化形成的取向膜被照射之后，照射能量超过50mw没有变化即可。

加工时，和常见的TN和STN液晶显示器的工艺过程基本相同，区别在于取向剂的涂覆采用凸版印刷的方法，将PI垂直取向材料涂布于清洗干净的带ITO透明电极层的基板表面，涂覆后先经过80℃、30分钟预烘，再经过180℃、60分钟的固化处理，工作温度的误差范围为±5℃，加热时间的误差范围为±1分钟；在带ITO透明电极层的基板表面上，形成一层PI垂直取向膜，其厚度控制在400埃左右，其厚度误差允许为±100埃以内；PI垂直取向材料使用日产化学的SE1211，涂覆时稀释剂的固含量调整到5％，其误差范围为0.1％；根据设计的密封圈定位符号，使用丝网印刷的方法一次性形成密封圈和粘性间隔材料；密封圈和粘性间隔材料一次印在SEG电极所在的基板A上，同时在COM电极所在基板B上喷洒10.5μm的塑料球；印刷之后，预烘30分钟80℃后，SEG基板A和COM基板B贴合固化5小时150℃；在以上的工序完成之后，经过划破片、液晶注入、紫外封口、液晶清洗等工序转入吸光层印刷；在完成以上的工作之后，液晶电子纸基本完成，转入高温加热重结晶处理。

其中密封圈边框和粘性间隔材料一体印刷，可以形成非常均匀的盒厚，通过非粘性间隔材料的支撑作用形成不变形的液晶盒。间隔材料是塑料材质的时候，使中间塑料间隔材料的粒径比粘性间隔材料的粒径大2％～10％左右，根据所使用的间隔材料的粒子直径不同而不同，间隔材料的粒子直径越大，其百分比越小。

当胆甾型液晶材料通过真空注入方法时，通过对基板的表面施加均匀的压力同时紫外封口之后，形成均匀的液晶纸。如果使用滴灌技术(One DropFilling)，真空注入技术中的各个步骤在一道工序完成。

本发明的制作方法的主要特点是在形成完整的液晶电子纸之后，需要经过加热重结晶处理，而且重结晶的温度要超过液晶层的清亮点温度10°以上，加热的目的是使液晶盒内的液晶分子的排列在一个散射的焦锥状态，加热时间通常15分钟以上就可以。此状态形成后，由于液晶电子纸采用本发明的抗压力结构，会产生均匀一致的背景底色。当一个高电压作用于显示部分的时候，然后迅速减小到低电压，形成平面态，显示明亮的反射状态。在背景底色的反衬下，形成高对比度显示。

本发明的有益效果是：本发明在不改变材料的前提下，通过加高温形成焦锥态的半透明背景，反衬出黑色膜(或视显示需要的其它颜色)，形成均匀的背景，而显示部分则为平面态和焦锥态的切换，形成高对比度的液晶电子纸显示器。当使用超薄的玻璃基板或使用塑料基板时，液晶电子纸也具有可弯曲性，显示内容不会因为弯曲而改变。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明装置的结构原理示意图。

图2是基板A上的SEG电极示意图。

图3是基板B上的COM电极示意图。

图4是密封圈与粘性间隔材料的示意图。

图5是SEG电极/COM电极/密封圈/粘性间隔材料贴合后的示意图。

图中，1.基板A，2.ITO透明电极层A，3.垂直取向膜A，4.胆甾型液晶层，5.非粘性间隔材料，6.粘性间隔材料，7.垂直取向膜B，8.ITO透明电极层B，9.基板B，10.吸光层，11.密封圈，12.封口。

具体实施方式：

本实施例高对比度的液晶电子纸显示器，其主要包括如下组成和结构，按照从前表面到后表面的顺序：第一层为基板A1，第二层为附着于基板A上的ITO透明电极层A2，第三层为垂直取向膜A3，第四层为胆甾型液晶层4，第五层为分布于胆甾型液晶层中的非粘性间隔材料5和粘性间隔材料6，第六层为垂直取向膜B7，第七层为ITO透明电极层B8，第八层基板B9，第九层为吸光层10，还包括封口12和密封圈11边框部分；基板A和基板B平面根据ITO透明电极的图案以数微米的间隔贴合(例如，10μm)，与封口和四周密封圈组成密闭盒体。本实施例中基板A1、基板B9为玻璃基板、粘性间隔材料为热固化的环氧树脂胶和间隔材料的混合物。

所述的胆甾型液晶层4是有手性液晶和向列相液晶组成的混合物，其厚度为10μm。

所述的垂直取向膜A3、垂直取向膜B7是经过180±10℃高温处理的，厚度为400埃的均匀厚度。

所述的非粘性间隔材料5和粘性间隔材料中的间隔材料，是直径在10μm的玻璃棒，且对可见光吸收小于5％。

粘性间隔材料由热固化胶和间隔材料组成时，所述的热固化胶，具有和液晶接触稳定，常温不固化，通过加热固化的特性。热固化胶中添加的间隔材料直径为10μm，添加比例为1％。

所述密封圈11边框部分可以和粘性间隔材料中的热固化胶用相同的材料，密封圈边框中掺杂的间隔材料的直径是8.3μm。

所述吸光层10是指在基板B的下表面经过磨砂处理，在微观上形成不规则的凸起和凹陷，然后涂覆一层吸光层10。磨砂处理可增加吸光层10的有效吸光面积。

加工时，密封圈11边框和粘性间隔材料一体印刷，形成非常均匀的盒厚，通过非粘性间隔材料的支撑作用形成不变形的液晶盒。胆甾型液晶材料通过真空注入方法，通过对基板的表面施加均匀的压力同时紫外封口之后，形成均匀的液晶纸。

本发明液晶电子纸的制造方法和常见的TN和STN液晶显示器的工艺过程基本相同，特别是在图形显示区和引线电极部分几乎没有区别。同样都是对基板的清洗与干燥、在基板表面涂光刻胶及加热固化、利用MASK曝光、经过显影液显影、加温坚膜、蚀刻液刻蚀、剥离液剥离显影后剩余的光刻胶，这些过程和黑白液晶显示器几乎没有任何的差异，使用的条件别无二致。

本发明液晶电子纸从垂直取向材膜料涂覆工序开始，与常见的显示器所采用的工艺和材料有很大的差异，现简要介绍如下：取向剂的涂覆采用凸版印刷的方法，将PI垂直取向材料涂布于清洗干净的带ITO透明电极层的基板表面，涂覆后先经过80℃、30分钟预烘，再经过180℃、60分钟的固化处理，工作温度的误差范围为±5℃，加热时间的误差范围为±1分钟。在带ITO透明电极层的基板表面上，形成一层PI垂直取向膜，其厚度控制在400埃左右，其厚度误差允许为±100埃以内。PI垂直取向材料使用日产化学的SE1211，涂覆时稀释剂的固含量调整到5％，其误差范围为0.1％。

根据设计的密封圈定位符号，使用丝网印刷的方法一次性形成密封圈和粘性间隔材料。所用的环氧树脂胶为XN-5A，其中掺杂间隔材料是直径为10μm的玻璃棒，玻璃棒含量百分比为1％。其混合物需要使用搅拌器搅拌1个小时以上，使间隔材料均匀地分布于环氧树脂胶中。丝网材料：丝网的目数为640目，材质为不锈钢，感光胶膜的厚度为12μm。密封圈和粘性间隔材料一次印在SEG电极所在的基板A上，同时在COM电极所在基板B上喷洒10.5μm的塑料球作为非粘性间隔材料。印刷之后，预烘30分钟80℃后。SEG基板A和COM基板B贴合固化5小时150℃。密封圈和粘性间隔材料如图4所示，方框为密封边框，小点为粘性间隔材料。基板A上的SEG电极如图2所示，基板B上的COM电极如图3所示，SEG电极/COM电极/密封圈/粘性间隔材料贴合后的示意图如图5所示，在图5中，省略了垂直取向层和非粘性间隔材料。

在以上的工序完成之后，经过划破片、液晶注入、紫外封口、液晶清洗等工序转入吸光层印刷。液晶使用商用的材料，其型号为RDP-99965ChBZ1(90％)和RDP-99794(10％)的混合物(大日本油墨公司)。以显示绿色图像为例，说明吸光层的作用。液晶分子的排列处于平面态时，对所选择波长(绿色)进行选择反射。其它波长的光透过液晶层，如果没有吸光层，这部分光会有部分或全部反射回来，和绿色叠加降低对比度。这里我们选择黑色的油墨印刷到液晶盒的背面。吸光层的厚度以不透光为标准，通常50μm以上即可。

在完成以上的工作之后，液晶电子纸基本完成。转入高温加热重结晶处理，根据RDP-99965ChBZ1(90％)和RDP-99794(10％)的混合物的特性，液晶电子纸使用80℃的温度进行重结晶，烘烤之后液晶电子纸处于均匀的焦锥态，当外加电压作用后显示绿色的图案。形成鲜明的对比。液晶电子纸具有良好的抗机械冲击能力，经过高温处理后，以焦锥态为背景的液晶电子纸具有良好的视觉差异。因为使用的技术都是液晶显示行业常用的技术，适合大规模的批量生产。

随着显示制造技术的进步，未来人们阅读报纸或书籍不必再到报亭去买报纸，只要一按按钮输入你的订购密码或银行卡号，新闻的内容就会源源不断地显示在电子纸上。辅以无线网络传输方式，随时随地下载报社或出版社实时的新闻或信息，兼顾环保与便利；办公室内的会议演示文稿资料，也能以电子纸来呈现，并可反复重写使用，节省纸张的印刷与消耗。除此之外，电子纸也可应用各种微型智能卡上的信息显示，以及票务订购系统，也有人想要用来作为窗帘及墙壁的装饰，甚至时装等等。可预见的，一旦这项技术发展日趋成熟，能替代纸张和普通显示器的领域增多，纸张的消耗量会大幅度减少，电力消耗会大幅度减少，对人们的日常生活带来积极的意义。

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高对比度的液晶电子纸显示器，其主要包括如下组成和结构，按照从前表面到后表面的顺序：第一层为基板A(1)，第二层为附着于基板A(1)上的ITO透明电极层A(2)，第三层为垂直取向膜A(3)，第四层为胆甾型液晶层(4)，第五层为分布于胆甾型液晶层中的非粘性间隔材料(5)，第六层为垂直取向膜B(7)，第七层为ITO透明电极层B(8)，第八层基板B(9)，第九层为吸光层(10)，还包括封口(12)和密封圈(11)边框部分；其特征在于：在胆甾型液晶层中还添加有粘性间隔材料(6)，基板A(1)和基板B(9)平面根据ITO透明电极层的图案以一定间隔贴合，与封口(12)和四周密封圈(11)组成密闭盒体。

2.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述的粘性间隔材料(6)，其主要成分是热固化的环氧树脂胶和间隔材料的混合物，形成一个个微小的粘性连接和支撑；添加的间隔材料直径为4-12μm的玻璃棒，且对可见光吸收小于5％，添加比例为0-2％。

3.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述的粘性间隔材料(6)，是一种紫外线固化的UV胶和间隔材料混合。

4.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述的胆甾型液晶层(4)是有手性液晶和向列相液晶组成的混合物，其厚度从4μm-12μm。

5.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述的垂直取向膜A(3)、垂直取向膜B(7)是经过高温处理的，厚度为100-1000埃的均匀厚度。

6.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述密封圈(11)边框部分和粘性间隔材料(6)中的热固化胶用相同的材料，密封圈(11)边框中掺杂的间隔材料的直径是4.2-12.4μm；密封圈(11)边框中的间隔材料的直径与粘性间隔材料(6)的间隔材料的直径近似相等，其直径通常相差3-10％。

7.如权利要求1所述的一种高对比度的液晶电子纸显示器，其特征在于：所述的基板B(9)下表面经过磨砂处理，在微观上形成不规则的凸起和凹陷，然后涂覆一层带色的吸光层(10)；通过磨砂处理增加吸光层(10)的有效吸光面积。

8.一种如权利要求1所述的高对比度的液晶电子纸显示器的制造方法，和常见的TN和STN液晶显示器的工艺过程基本相同，其特征在于：取向剂的涂覆采用凸版印刷的方法，将PI垂直取向材料涂布于清洗干净的带ITO透明电极层的基板表面，涂覆后先经过80℃、30分钟预烘，再经过180℃、60分钟的固化处理，工作温度的误差范围为±5℃，加热时间的误差范围为±1分钟；在带ITO透明电极层的基板表面上，形成一层PI垂直取向膜，其厚度控制在400埃左右，其厚度误差允许为±100埃以内；PI垂直取向材料使用日产化学的SE1211，涂覆时稀释剂的固含量调整到5％，其误差范围为0.1％；根据设计的密封圈定位符号，使用丝网印刷的方法一次性形成密封圈和粘性间隔材料；密封圈和粘性间隔材料一次印在SEG电极所在的基板A上，同时在COM电极所在基板B上喷洒10.5μm的塑料球；印刷之后，预烘30分钟80℃后，SEG基板A和COM基板B贴合固化5小时150℃；在以上的工序完成之后，经过划破片、液晶注入、紫外封口、液晶清洗等工序转入吸光层印刷；在完成以上的工作之后，液晶电子纸基本完成，转入高温加热重结晶处理，重结晶的温度超过液晶层的清亮点温度10°以上，使液晶盒内的液晶分子的排列在一个散射的焦锥状态，加热时间在15分钟以上。

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