CN102141704A - 液晶显示元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶显示元件及其制造方法，其中该液晶显示元件表现出连续灰度记忆性质以及与具有向列液晶的液晶显示元件基本类似的各种显示特性，同时能够实现连续色调显示。本发明的液晶显示元件包括：彼此相对的第一基板(1)和第二基板(2)；通过磨擦方法取向并分别设置在第一基板(1)和第二基板(2)的相对侧上的第一对准膜(5)和第二对准膜(6)；以及通过在第一基板(1)和第二基板(2)之间充入包含高分子量铁电液晶的液晶材料形成的液晶层(7)。

Description

液晶显示元件及其制造方法
本申请要求2010年1月28日提出的日本专利申请No.JP 2010-016705的权益，在此将其并入本文作为参考，就如同在此完全阐述一样。
技术领域
本发明涉及一种包括作为液晶材料的高分子量铁电液晶(下文称为“高分子FLG”)的液晶显示元件，以及其制造方法。
背景技术
近来，作为具有诸如薄厚度、轻重量和低能耗等改进特点的图像显示设备，液晶显示(LCD)设备得到广泛应用。所属领域公知的常用的大多数LCD设备使用向列液晶(NLC)。
如图8所示，包含NLC的LCD元件通常包括两个相对基板51、分别在相对基板51的相对侧提供的透明电极52、通过磨擦方法取向并在基板51的透明电极52的每一个上提供的对准膜53、以及通过在基板51之间导入(或者充入)向列液晶而形成的液晶层54。
当前采用使用NLC的各种LCD模式，如TN(扭曲向列)、ECB(电控双折射)、STN(超扭曲向列)、IPS(面内切换)以及VA(垂直对准)等。然而，基于NLC的LCD元件尽管能够实现连续色调显示，但是其不具有任何固有双稳态(记忆特性)。
基于NLC的LCD元件表现出取向上改进的一致性，因此能够实现高对比度的显示。为了取向NLC，可使用通过磨擦方法取向的对准膜，即在NLC的取向中可使用磨擦方法。尽管基于NLC的LCD元件能够获得适合标准家用电视之类(适合标准运动图像重放)的响应时间，但是NLC的固有特性使得很难获得小于1ms的高速响应。
因此，为了改进LCD元件的响应时间，提出了代替NLC而使用低分子量铁电液晶形成的表面稳定型铁电液晶(SS-FLC)模式LCD元件。这些使用低分子量铁电液晶(下文称为“低分子FLC”)的SS-FLC模式LCD元件具有这样的结构：其中低分子FLC应用到如图8所示的液晶层54。
与基于NLC的LCD元件相比，具有低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件可改进响应时间。然而，由于SS-FLC模式LCD元件的固有双稳态，这种LCD元件不能容易地实施连续色调显示。由使用低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件提供的连续色调显示带来特定的技术挑战，例如区域覆盖灰度、域灰度、帧灰度等(参见日本未审专利公开No.S62-131225)、复杂的结构、高制造成本等等。
在使用低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件中，与基于NLC的LCD元件相比，低分子FLC具有分层结构，表现出降低的取向稳定性。其它的问题，比如与基于NLC的LCD元件相比一致取向的困难、对比度的降低等也会存在。而且，为了取向NLC，可使用通过磨擦方法取向的对准膜，即，在NLC的取向中可使用磨擦方法。
已经公开了在损害包含低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件的良好双稳态的情况下，提供连续色调显示的半V(H-V)模式或者V模式LCD元件(参见日本未审专利公开No.2004-86116)。
已经提出将使用低分子FLC的H-V模式或者V模式的LCD元件作为基于NCL的LCD元件的快速响应时间版本。
更具体地，这些使用低分子FLC的H-V或者V模式LCD元件提供了比基于NLC的LCD元件更快的响应时间，此外，能够在损害良好双稳态的情况下实现连续色调显示。
对于使用低分子FLC的H-V模式或者V模式LCD元件，低分子FLC具有分层结构，表现出比基于NLC的LCD元件差的取向稳定性。其它的问题，比如与基于NLC的LCD元件相比一致取向的困难、对比度的降低等也会存在。而且，为了取向NLC，可使用通过磨擦方法取向的对准膜，即，在NLC的取向中可使用磨擦方法。
为了提高包含低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件的取向稳定性，公开了包含高分子FLC的改进的SS-FLC模式LCD元件(例如日本未审专利公开No.S56-107216；H02-240192；H02-271326；H03-42622以及H06-281966)。
如图9所示，这种使用高分子FLC的SS-FLC模式LCD元件通常包括两个相对基板61、分别在相对基板61的相对侧上提供的透明电极62、以及通过在基板61之间导入高分子FLC而形成的液晶层63。在此，当在两个基板61之间施加电压的同时向基板61提供剪切应力(称为“剪切方法”)，可实现高分子FLC的取向，由此实现液晶层63的取向。
使用高分子FLC的SS-FLC模式LCD元件表现出与基于NLC的LCD元件相当的响应时间，尽管存在由于FLC的高分子量和相对高的粘性导致的一些缺点，如比基于低分子FLC的SS-FLC模式LCD元件慢的响应时间(即，较长的响应时间)。由于使用高分子FLC的SS-FLC模式LCD元件表现出固有的双稳态，简单的连续色调显示是不可能的。为了执行连续色调显示，还需要上面所述的诸如区域覆盖灰度、域灰度、帧灰度等的特定技术。然而，在这种情况下，肯定会带来如复杂结构、高制造成本等一些问题。
由于使用高分子FLC的SS-FLC模式LCD元件具有高分子FLC的分层结构以及相对高的分子量，取向稳定性比包含低分子量FLC的LCD元件好，同时比基于NLC的LCD元件差。由于这种包含高分子FLC的分层结构，很难提供一致取向。因此，上述LCD元件的对比度与基于NLC的LCD元件的对比度没有可比性。而且，由于它们的高分子量意味着使用磨擦方法不能容易地得到一致取向，应当使用更复杂的剪切方法提供一致取向。
另外，传统的基于NLC的LCD元件，基于低分子FLC的LCD元件(SS-FLC模式、H-V模式、V模式)和基于高分子FLC的LCD元件(SS-FLC(剪切方法))都能实现连续色调显示，但是当电压中断时，不具有用以保持(或记忆)灰度的当前状态的连续灰度记忆特性。在此，图10示出传统LCD元件的不同显示特性的列表。
图11表示实现连续色调显示(如NLC、H-V模式、V模式)的LCD元件的取向角(通过施加电压而变化)与电势之间的关系(电势曲线)。从图11可以看出，使用磨擦方法取向的对准膜的使用对电势曲线具有显著影响。
对于具有低分子或者高分子FLC的双稳态的SS-FLC模式的LCD元件，在施加电压时液晶分子移动到双稳态位置。图12表示包含低分子或者高分子FLC的SS-FLC模式的LCD元件的取向角与电势之间的关系(电势曲线)。
如上所述，一旦不再施加电压，传统LCD元件不能保持所设置的灰度。
因此，传统LCD元件会带来如下问题：当电压中断时，其不能表现用以保持(或者记忆)连续色调显示的当前灰度的灰度记忆功能，而仍旧执行连续色调显示。
在这种情况下，公开了应用域灰度来提供连续灰度记忆特性(例如，参见Hideo Fujikake等“Polymer-stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Devices withgrayscale Memory”，Jpn.J.Appl.Phys，第36卷，第6449-6454页，1997年)。
由此可见，传统技术存在下列问题：
应用域灰度来提供连续灰度记忆特性会带来诸如复杂结构或者复杂制造工艺、增加制造成本、降低产率等很多问题。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。本发明的目的是提供一种液晶显示元件，其在具有与通常基于NLC的LCD元件基本相当的良好显示特性的同时，能实现连续色调显示，并表现出连续灰度记忆特性，而不需要复杂的结构或者制造工艺。
根据本发明，提供了一种液晶显示(LCD)元件，包括：彼此相对的第一基板和第二基板；第一对准膜和第二对准膜，所述第一对准膜和第二对准膜通过磨擦方法取向并分别设置在所述第一基板和第二基板的相对侧上；以及液晶层，所述液晶层通过在所述第一基板和第二基板之间充入包含高分子量铁电液晶(或称为“高分子FLC”)的液晶材料而形成。
根据本发明，还提供了一种制造LCD元件的方法，包括：准备第一基板和第二基板，使其彼此面对；分别在所述第一基板和第二基板的相对侧上设置通过磨擦方法取向的第一对准膜和第二对准膜；以及在其上分别形成有所述第一对准膜和第二对准膜的第一基板和第二基板之间充入包含高分子FLC的液晶材料，以形成液晶层。
对于根据本发明的LCD元件及其制造方法，通过磨擦方法取向的第一和第二对准膜分别在第一和第二基板的相对侧上形成。此外，包含高分子FLC的液晶材料充入到第一和第二基板之间，由此形成液晶层。用于制造本发上述明的LCD元件的结构和工艺与用于制造基于NLC的LCD元件的那些最大的不同在于：本发明在此使用的液晶在结构上与基于NLC的LCD元件的液晶不同。
在此，由于通过磨擦方法取向的对准膜与高分子FLC结合，能够改进取向的一致性，并能够获得与基于NLC的LCD元件基本相当的对比效果。而且，通过磨擦方法取向的对准膜与高分子FLC的这种结合使得在LCD元件的电势曲线上能够形成平坦区。
因此，通过本发明，能够在无需复杂的结构或制造工艺的条件下制造能实现连续色调显示、具有与典型的基于NLC的LCD元件的那些显示特性相当的显示特性、且能够实现连续灰度记忆的LCD元件。
附图说明
附图包含在本申请中构成本申请的一部分，用于给本发明提供进一步理解。附图图解了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图中：
图1是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的技术构造的横截面视图；
图2是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的电势曲线图；
图3是表示根据本发明一个实施方式，示出在恒定电压施加时间的情况下变化的施加电压与LCD元件的灰度记忆特性之间的关系的图表；
图4是表示根据本发明一个实施方式，示出在恒定施加电压的情况下变化的电压施加时间与LCD元件的灰度记忆特性之间的关系的图表；
图5是表示根据本发明一个实施方式，黑白和灰度显示状态的液晶取向的极化光学显微照片；
图6是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的另一电势曲线图；
图7是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的显示特性与传统LCD相比的差别的图；
图8是表示根据现有技术包含NLC的LCD元件技术配置的横截面图；
图9是表示根据现有技术包含高分子FLC的SS-FLC模式LCD元件技术构造的横截面图；
图10是表示传统LCD元件的不同显示特性的图；
图11是表示根据现有技术实现连续色调显示器的LCD元件的电势曲线图；以及
图12是表示根据现有技术低分子或者高分子FLC的电势曲线图。
具体实施方式
下文中，将结合附图详细描述根据本发明的LCD元件的优选实施方式。附图中相同或相似的组成部分由相同的参考标号表示。
示范性实施方式
图1是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件技术构造的横截面图。
参照图1，LCD元件包括：第一基板1、第二基板2、第一透明电极3、第二透明电极4、第一对准膜5、第二对准膜6和液晶层7。
相对的第一基板1和第二基板2均是玻璃板，在第一基板1和第二基板2之间充入或导入包括高分子量铁电液晶(即高分子FLC)的液晶材料。这种液晶材料是高分子FLC和低分子量液晶的混合物。用作光源的背光(未示出)安装在第一基板1上与液晶层7相反的一侧，来自背光的光入射到第一基板1上。
第一透明电极3设置在与第二基板2相对的第一基板1的一侧。类似地，第二透明电极4形成在与第一基板1相对的第二基板2的一侧。第一透明电极3和第二透明电极4可分别作为像素电极和对置电极，并形成与第一基板1和第二基板2垂直的电场。
第一对准膜5设置在第一基板1的第一透明电极3的顶部，并通过磨擦方法取向。类似地，第二对准膜6在第二基板2的第二透明电极4的顶部形成，并通过磨擦方法取向。液晶层7的垂直方向朝着磨擦操作的方向取向。优选地，第一和第二对准膜分别设置在第一和第二基板的相对侧上。
接下来，下面将顺序地描述制造根据本发明前述实施方式的LCD元件的步骤处理。
首先，通过惯用的方法例如溅射，在第一基板1上形成第一透明电极3和薄膜晶体管(TFT，未示出)。然后，在第二基板2上形成滤色器(未示出)，并在第二基板2的滤色器上形成第二透明电极4。
在清洗第一基板1和第二基板2之后，将聚酰亚胺分别施加到第一基板的第一透明电极3和TFT以及第二基板2的第二透明电极4上。接着，使涂覆有聚酰亚胺的第一基板1和第二基板2经受预烘焙处理和主固化处理，之后通过磨擦实现其取向。结果，在第一基板1和第二基板2上分别形成第一对准膜5和第二对准膜6。
随后，在清洗第一基板1和第二基板2之后，将密封材料施加到第一基板1的外围侧，将第一基板1粘附到第二基板2。然后，在彼此粘附的第一基板1和第二基板2之间充入或导入包括由下列化学式1表示的高分子FLC和低分子FLC的混合物的液晶材料，之后对液晶材料进行退火，由此形成液晶层7。在此，使高分子FLC和低分子FLC混合可降低液晶材料的粘性，因此改进了响应时间，增加了液晶材料可移动(或者具有迁移率)的操作温度范围。在此，液晶材料可仅包括高分子FLC。
化学式1
Figure BSA00000415189400071
代替在粘附的第一基板1和第二基板2之间导入液晶材料，可在第一基板1和第二基板2彼此粘附之前，将液晶材料逐滴地施加到涂覆有密封材料的第一基板1的顶部。在基板上直接以水滴形式滴落液晶材料可显著减少在基板之间充入液晶所需的时间。
接下来，在向其施加电压(或者调整所施加的电压)的同时使包含有在其上形成的液晶层7的LCD元件经受老化处理，以将LCD元件缓慢冷却到室温，由此将FLC精确地取向到任何期望的双稳态位置。
如上所述，具有高分子FLC的传统SS-FLC模式LCD元件需要在向LCD元件施加电压的同时在老化期间施加剪切应力来对高分子PLC取向的复杂处理。然而，根据本发明一个实施方式的上述LCD元件不需要这样的复杂处理。
下面的描述将解释根据上述制造工艺制造的LCD元件的不同显示特性的评估结果。
(1)关于连续色调显示、连续灰度记忆特性和双稳态
当通过磨擦方法取向的第一对准膜5和第二对准膜6通过包含高分子FLC的液晶材料结合时，根据本发明一个实施方式的LCD元件可具有通过结合图11和图12所示的单个电势曲线而获得的电势曲线。
图2表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的电势曲线。这样的电势曲线表示LCD的理想状态。
参照图2，LCD元件的电势曲线具有平坦区。因此，在电势曲线的平坦区中，可依据电压施加时间来施加电压或者实施连续灰度控制，另外，即使当电压中断时，也能够记忆灰度的当前状态。
在向LCD元件施加恒定时间(1ms)的电压之后，在调整所施加电压的强度的同时，测量电路断开时亮度的变化(从黑到白)。由此获得如图3所示的结果。可选择地，在向LCD元件施加恒定电压之后，在改变电压施加时间的同时测量电路断开时亮度的变化(从黑到白)。由此获得如图4所示的结果。参照图3和图4，电路断开时的时间被定义为“0”。从图3和图4可以清楚看出，依据电压强度或者电压持续时间可控制灰度，并且可记忆灰度的当前状态(即，可实现灰度记忆功能)。
图5是表示根据本发明一个实施方式的LCD元件的液晶取向在黑白和灰度模式下的极化光学显微照片。从图5可以看出，即使在灰度显示期间，取向也是一致的，在LCD元件中没有出现任何域(domain)。因此，能够确定根据本发明的连续灰度记忆特性不是域灰度特性，而是固有灰度记忆特性，因为分子取向的变化在全部像素上都是一致的。
换言之，根据本发明一个实施方式的LCD元件可以实现连续色调显示而不需要例如区域覆盖灰度、域灰度、帧灰度等特定技术，并且表现出当电压中断时保持灰度的当前状态的连续灰度记忆特性。
可选择地，与图2所示的理想电势曲线不同，当电势曲线如图6所示在中间具有凸起区域时，基于这种电势曲线驱动的LCD元件表现出双稳态。由于高分子FLC的粘弹性的影响，上述LCD元件也能实现连续色调显示，并可表现出连续灰度记忆。即，可同时实现双稳态和连续色调显示。
(2)关于响应时间
使用LCD元件测试装置(由Otsuka Electronics有限公司制造的LCD-5200)来测量根据本发明一个实施方式的LCD元件的响应时间。
作为测量的结果，发现当施加电压为10V时，LCD元件从黑(透射率10％)转换到白(透射率90％)所用的时间“tr”为1.90ms，而LCD元件从白(透射率90％)转换到黑(透射率10％)所用的时间“tf”为1.67ms。此外，当施加电压是20V时，LCD元件从黑(透射率10％)转换到白(透射率90％)所用的时间“tr”为0.79ms，而LCD元件从白(透射率90％)转换到黑(透射率10％)所用的时间“tf”为0.73ms。
从上述测量的结果可以看出，基于高分子FLC的特点，根据本发明一个实施方式的LCD元件在响应时间上表现得等于或者优于基于NLC的LCD元件。另外，当施加电压是20V时，能够获得快速的亚毫秒级响应时间(小于1ms)。
(3)关于对比度
利用LCD元件测试装置(Otsuka Electronics有限公司制造的LCD-5200)确定根据本发明一个实施方式的LCD元件的对比度。作为测量结果，发现当施加电压是10v时，透射对比度是大约140。
上述测量结果明确地表明，根据本发明一个实施方式的LCD元件提供了与具有NLC的IPS模式LCD元件相当的对比度。确信上述结果归功于以下方式的结合：通过磨擦方法对第一对准膜5和第二对准膜6取向；使用包含高分子FLC的液晶材料的，由此提高了取向的一致性。
(4)关于取向稳定性(耐冲击性)
根据本发明一个实施方式的LCD元件的FLC具有分层结构，因此表现出与基于NLC的LCD元件基本相似的取向稳定性。然而，由于高分子FLC具有相对高的分子量，使用这种高分子FLC的LCD元件表现出的取向稳定性显著优于包含低分子FLC的LCD元件。即，本发明的LCD元件可具有与上述基于高分子FLC的LCD元件(SS-FLC(剪切方法))基本相同的取向稳定性。
(5)关于磨擦方法的使用
如上所述，对于制造LCD元件的工艺，与具有高分子FLC的LCD元件(SS-FLC(剪切方法))相比，根据本发明一个实施方式的LCD元件可被实施磨擦方法。因此，本发明的LCD元件可在制造LCD元件的惯用生产线上制造。
图7示出与传统LCD元件相比，根据本发明一个实施方式的LCD元件不同显示特性的列表。
图7显示了根据本发明一个实施方式的LCD元件具有卓越的显示特性，在图7中列出的全部项目中可表示为“O”。同时，实现了表现出连续灰度记忆特性、双稳态和连续色调显示的改进的LCD模式。
如上所述，根据本发明一个实施方式，通过磨擦方法取向的第一和第二对准膜可分别形成在第一基板和第二基板的相对侧。此外，可通过在第一和第二基板之间导入包含高分子FLC的液晶材料来形成液晶层。用于制造本发明的LCD元件的结构和工艺与用于基于NLC的LCD元件的那些最大的不同在于：本发明在此使用的液晶与基于NLC的LCD元件的液晶不同。
在此，通过磨擦方法取向的对准膜与高分子FLC的结合可提高取向的一致性，并提供与基于NLC的LCD元件相当的对比度。另外，通过磨擦方法取向的对准膜与高分子FLC的结合可在LCD元件的电势曲线上产生平坦区。
因此，能够在无需复杂的结构和/或制造工艺的条件下，制造能够实现连续色调显示并在电压中断之后能够记忆灰度当前状态、同时具有与所属领域通常使用的基于NLC的LCD元件相当的显示特性的改进的LCD元件。
此外，由于本发明的LCD元件在实施连续色调显示的同时可表现出连续灰度记忆特性，可以实现能够获得运动图像响应并且在冻结帧(或者静止图像)显示期间电压中断之后能够记忆灰度当前状态的电子纸。可选择地，可提供双稳态和连续色调显示，因此实现2维灰度的完全静止图像显示。在静止图像显示期间，电压中断，当前灰度保留，因此有效地降低了功耗。
由于连续色调显示可以在不需其它技术如区域覆盖灰度、域灰度、帧灰度等的情况下执行，因此本发明既不需要复杂结构，也不需要高生产成本。另外，由于未采用域灰度，能够获得高对比度。而且，本发明可使用磨擦方法，因此能够使用惯用生产线制造LCD元件。
尽管已经描述了本发明的技术构成和其它特点，但是对于所属领域普通技术人员显而易见的是，本发明不限于上面描述的示范性实施方式和附图，而是可以涵盖在不脱离所附权利要求书限定的发明范围的条件下对本发明的各种替代、修改和/或变形。

Claims (10)

1.一种液晶显示元件，包括：
彼此相对的第一基板和第二基板；
第一对准膜和第二对准膜，所述第一对准膜和第二对准膜通过磨擦方法取向并分别设置在所述第一基板和第二基板的相对侧上；以及
液晶层，所述液晶层通过在所述第一基板和第二基板之间充入包含高分子量铁电液晶的液晶材料而形成。
2.如权利要求1的液晶显示元件，其中该液晶材料仅包括高分子量铁电液晶。
3.如权利要求1的液晶显示元件，其中该液晶材料包括高分子量铁电液晶和低分子量液晶的混合物。
4.一种用于制造液晶显示元件的方法，包括：
准备第一基板和第二基板，使其彼此面对；
分别在所述第一基板和第二基板的相对侧上设置通过磨擦方法取向的第一对准膜和第二对准膜；以及
在其上分别形成有所述第一对准膜和第二取向膜的第一基板和第二基板之间充入包含高分子量铁电液晶的液晶材料，以形成液晶层。
5.如权利要求4的方法，其中该液晶材料仅包括高分子量铁电液晶。
6.如权利要求4的方法，其中该液晶材料包括高分子量铁电液晶和低分子量液晶的混合物。
7.如权利要求4的方法，其中在所述基板之间充入包含高分子量铁电液晶的液晶材料之后，对该液晶材料退火。
8.如权利要求4的方法，还包括：在所述基板之间充入包含高分子量铁电液晶的液晶材料之前，向所述第一基板的外围侧施加密封材料，并将所述第一基板和第二基板结合。
9.如权利要求4的方法，其中通过在涂覆有密封材料的第一基板上直接以水滴形式滴落所述液晶材料，形成所述液晶层。
10.如权利要求4的方法，其中，通过调整施加的电压使在其上形成有所述液晶层的第一基板和第二基板经受老化处理，以将所述基板缓慢冷却到室温，从而使所述高分子量铁电液晶朝着任何双稳态位置取向。
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