CN102819143B - 液晶盒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液晶技术，公开了一种液晶盒制备方法，包括平面取向层制备、统一取向、蚀刻，垂直取向层制备、清洗，以及液晶滴注和上下像素电极基板合并等步骤。本发明还公开了一种采用上述方法所制备的液晶盒。本发明通过在像素电极基板上制备平面取向层和垂直取向层相结合的液晶取向层，实现多畴液晶预倾角，可以降低驱动电压，提高液晶盒响应速度；垂直取向层厚度呈等差变化，实现液晶分子预倾角实现任意角度的变化控制，并且在与液晶分子直接接触的垂直取向层上避免了摩擦取向，避免机械划痕、静电对液晶的污染。

Description

液晶盒及其制备方法

技术领域

本发明涉及液晶技术，特别是涉及一种液晶盒及其制备方法。

背景技术

近年来，人们提出了采用液晶技术制备焦距可变的微透镜，液晶盒采用光透射方式，具有控制简单，可靠性高等优点，具有很大的应用潜质。美国物理学家制造了一种液晶盒，通过调节电压可改变透镜的焦距，这种新型液晶盒与以往类似产品所不同的是，它的相散很小，而且不散光，它可以用于变焦镜头或是微成像设备。大部分的液晶盒利用呈小杆状的液晶分子可以在电场中改变它们的指向这一特性，特别是当电场强度足够大的时候，所有的分子都会沿场强方向排列起来，在这个过程中液晶的折射率会发生改变，这就是液晶盒调焦的基本原理。

正是由于液晶盒具有电控改变焦距的特点，透镜焦距的改变不需要变换变焦机制和透镜的形状，所以液晶盒焦距调节和变换的结构简单，轻薄。然而对于液晶盒来说，存在最大的争议是对于相延迟要具有大的光功率。光功率P主要取决于透镜边缘和中心的折射率差值△n、液晶盒厚d和开口半径r，其表达式为：

$P=\frac{2\mathrm{\Δnd}}{r^2}$

对于△n来说，它是材料指数，只有很小的可变范围，所以，为了获得高的光功率，透镜的液晶盒厚通常比液晶显示器的盒厚要厚的多。根据液晶器件上升时间的表达式：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rise}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_1{d}^2/K{\mathrm{\π}}^2}{{(V/V_{\mathrm{th}})}^2-1}$

厚的液晶盒会导致慢的上升时间，也就是液晶器件的响应很慢。这一缺点极大的限制了液晶盒在快速自动对焦、快速变焦等功能上。为了解决这个问题，现有技术中有采用过驱动的方法实现液晶盒快速响应，但是该种方法不易控制。

对液晶器件而言，液晶分子的预倾角控制是至关重要的因素，因为它直接影响着液晶分子在基片表面的排列，从而影响器件特性。对液晶分子的预倾角的控制，所采用的取向层材料有聚酰亚胺，光活性的聚合物，表面活性剂，硅氧化物等，所有的材料都是局限在面内取向或者垂直取向，很难获得0°-90°间任意角度的预倾角。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何获得液晶分子在任意角度的预倾角，以提高液晶响应速度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种液晶盒制备方法，其包括以下步骤：

在像素电极基板上制备液晶平面取向层；

对平面取向层进行统一取向处理，每个像素区域对应的平面取向层区域包括互相对称的两个分区域，所述两个分区域中液晶分子的取向方向相反；

蚀刻平面取向层，使所述两个分区域中，平面取向层的厚度呈等差变化；

在平面取向层上制备液晶垂直取向层；

在像素电极基板上滴注液晶，将像素电极基板合并，形成液晶盒。

其中，对平面取向层进行统一取向处理时，在平面取向层上盖上掩模版，摩擦取向，使所述两个分区域中的第一分区域上，液晶分子取向方向统一；然后翻转掩模版，反向摩擦取向，使与第一分区域对称的第二分区域上，液晶分子的取向统一且与第一分区域上液晶分子取向方向相反。

其中，对平面取向层进行统一取向处理时，在平面取向层上盖上掩模版，紫外光照射，使所述两个分区域中的第一分区域上，液晶分子取向方向统一；然后翻转掩模版，紫外光照射，使与第一分区域对称的第二分区域上，液晶分子的取向统一且与第一分区域上液晶分子取向方向相反。

其中，平面取向层厚度的公差为1nm-5nm。

其中，垂直取向层的上表面为水平面。

其中，对平面取向层采用干法蚀刻。

其中，所述面内液晶取向剂和垂直液晶取向剂的材质为聚酰亚胺或聚酰胺。

其中，所述面内液晶取向剂和垂直液晶取向剂的材质为肉桂酸酯或香豆素。

其中，所述紫外光的波长为250nm-310nm。

本发明还公开了一种液晶盒，包括由上像素电极基板和下像素电极基板粘接形成的腔体，涂覆在下像素电极基板上的液晶取向层，以及滴注在液晶取向层上的液晶分子层；所述液晶取向层包括平面取向层和涂覆在平面取向层上的垂直取向层；下像素电极基板上每个像素区域对应的平面取向层区域，包括互相对称的第一分区域和第二分区域，第一分区域中平面取向层的厚度呈等差变化。

其中，所述第一分区域和第二分区域上的平面取向层对液晶分子的取向方向相反。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的液晶盒制备方法及所制备的液晶盒中，在像素电极基板上制备平面取向层和垂直取向层相结合的液晶取向层，实现多畴液晶预倾角，可以降低驱动电压，提高液晶盒响应速度；垂直取向层厚度呈等差变化，实现液晶分子预倾角实现任意角度的变化控制，并且在与液晶分子直接接触的垂直取向层上避免了摩擦取向，避免机械划痕、静电对液晶的污染。

附图说明

图1是本发明实施例的液晶盒制备方法的流程图；

图2是本发明实施例1中下像素电极基板上一个像素区域上涂覆的液晶平面取向层侧视图；

图3是本发明实施例1中下像素电极基板上一个像素区域上液晶平面取向层经摩擦取向和蚀刻之后的侧视图；

图4是本发明实施例1中下像素电极基板上一个像素区域上液晶平面取向层上涂覆液晶垂直取向层之后的侧视图；

图5是本发明实施例1中液晶滴注和上下像素电极基板合并之后一个像素区域上形成的液晶盒的侧视图；

图6是本发明实施例1液晶盒中液晶分子预倾角实现的原理图示。

其中，1：平面取向层介质；2：垂直取向层介质；3：液晶分子介质；11：下像素电极基板；12：上像素电极基板；13：液晶取向层；14：液晶分子层；a：摩擦取向和蚀刻前的平面取向层；b：摩擦取向和蚀刻后的平面取向层；c：垂直取向层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

图1示出了本实施例中液晶盒制备方法的流程图，如图所示，其包括以下步骤：

首先，在像素电极基板上制备液晶平面取向层。

平面取向层可以制备在上像素电极基板上或者下像素电极基板上，本实施例以下像素电极基板为例进行描述。在下像素电极基板上涂覆面内液晶取向剂，并进行固化处理，形成平面取向层，如图2中a所示，未经摩擦取向和蚀刻的平面取向层为具有一定厚度的规则体。

本实施例中，选用聚酰亚胺作为面内液晶取向剂，涂覆在下像素电极基板上。对面内液晶取向剂进行固化处理时，首先在80℃下，预固化10分钟，以除去聚酰亚胺中的溶剂；然后将预固化好的面内液晶取向剂在210℃下，固化1小时，形成液晶平面取向层。

本实施例中，对面内液晶取向剂进行固化处理的工艺根据所选用的面内液晶取向剂的材料而选择，不同的材料具有不同的物理特性，当聚酰胺等其它材料作为面内液晶取向剂时，固化工艺相应改变。

然后，对完成固化处理的液晶平面取向层进行统一取向处理，每个像素区域对应的平面取向层区域包括互相对称的两个分区域，所述两个分区域中液晶分子的取向方向相反。

本实施例中，选用摩擦机对平面取向层进行摩擦取向。首先，在平面取向层上盖上掩膜版，由摩擦机沿水平向左方向摩擦，平面取向层根据掩膜版的设计，能够实现每个像素区域对应的平面取向层区域上，液晶分子在互相对称的两个分区域中的第一分区域上统一向左取向；然后，翻转掩膜版，由摩擦机沿水平向右方向摩擦，使与第一分区域对称的第二分区域上液晶分子统一向右取向，如图3中b所示。

本实施例中掩膜版的设计尤为重要，使用该掩膜版，通过摩擦机两次摩擦，即能够实现每个像素区域对应的平面取向层区域上液晶分子向相反的两个方向取向。

接下来，对平面取向层进行蚀刻，在每个像素区域对应的平面取向层区域中，使互相对称的两个分区域上，平面取向层的厚度呈等差变化；因为两个分区域互相对称，所以当第一分区域的平面取向层厚度由左至右逐渐递增时，第二分区域的平面取向层厚度则从左至右依次递减，如图3中b所示。

本实施例中，优选干法蚀刻对平面取向层进行蚀刻，平面取向层厚度的公差为1nm-5nm，根据液晶分子的尺寸大小和液晶分子预倾角的需要，可以优选最佳的公差值。

再接下来，在平面取向层上制备液晶垂直取向层。具体为，在平面取向层上涂覆垂直液晶取向剂，并进行固化处理，形成垂直取向层，如图4中c所示，垂直取向层与平面取向层结合之后形成规则的液晶取向层，即需要将垂直取向层涂覆在平面取向层上实现垂直取向层的上表面为水平面，由此可以保证垂直取向层的厚度呈等差变化。

本实施例中，选用聚酰亚胺作为垂直液晶取向剂，涂覆在平面取向层上。对垂直液晶取向剂进行固化处理时，首先在80℃下，预固化10分钟，以除去聚酰亚胺中的溶剂；然后将预固化好的垂直液晶取向剂在180℃下，固化1小时，形成液晶垂直取向层。

本实施例中，对垂直液晶取向剂进行固化处理的工艺根据所选用的垂直液晶取向剂的材料而选择，不同的材料具有不同的物理特性，当聚酰胺等其它材料作为垂直液晶取向剂时，固化工艺相应改变。

最后，清洗垂直取向层，在垂直取向层上滴注液晶，液晶规律地分布在液晶取向层表面，然后使用粘框胶将下像素电极基板和上像素电极基板合并，形成液晶盒。

如图5所示，为对应下像素电极基板上一个像素区域形成的液晶盒的侧视图。液晶取向层13附着在下像素电极基板上11上，液晶分子滴注在液晶取向层13上，形成液晶分子层14，上像素电极基板12与下像素电极基板上11粘合，形成一个密封的液晶盒。对于一个像素区域，液晶取向层13结合了平面取向层和厚度呈等差变化的垂直取向层，液晶分子受水平方向和垂直方向力的作用，在液晶分子层内呈一定的预倾角，该预倾角的大小通过垂直取向层的厚度的改变来实现，其原理示意图如图6所示。

图6中，一个液晶分子总的自由能可以表示成f＝f₁₂+f₂₃+f₁₃，其中，f_ij是介质i和介质j之间的相互作用能，1为平面取向层介质，2为垂直取向层介质，3为液晶分子介质。由于f₂₃对液晶分子的取向没有影响，所以，可以忽略。根据Rapini-Papoular方程：

其中A_ij与液晶分子的极性有关，是液晶分子的平均预倾角，是介质j的快轴。由于第三层介质被屏蔽，所以其表达式为：

其中k为德拜长度系数，l为屏蔽介质的厚度。所以，总的自由能表达式可以写成：

对自由能取最小值后，关于的表达式可以表示为：

其中，r为A₁₃与A₁₂的比值，从的表达式中很容易看出，液晶预倾角与垂直取向层的厚度l有直接关系，当垂直取向层的厚度l为2nm时，液晶预倾角为9°，当l增加到6nm时，液晶预倾角可以达到80°，即l在2nm-6nm变化，液晶分子预倾角实现9°-80°之间变化。

实施例2

本实施例中，采用紫外光照射技术来实现平面取向层的统一取向处理，以替代摩擦机对平面取向层的摩擦取向。

在使用紫外光照射进行平面取向层的取向时，在平面取向层上盖上掩模版，利用紫外光照射，使互相对称的两个分区域中的第一分区域上液晶分子取向方向统一；然后翻转掩模版，利用紫外光照射，使与第一分区域对称的第二分区域上液晶分子的取向统一且与第一分区域上液晶分子取向方向相反。

利用紫外光照射进行平面取向层的取向，适合的面内取向剂为肉桂酸酯或香豆素等。紫外光优选采用波长为250nm-310nm之间。

实施例3

本实施例提供了一种采用上述实施例所述液晶盒制备方法所制备的液晶盒，其包括由上像素电极基板和下像素电极基板粘接形成的腔体，涂覆在下像素电极基板上的液晶取向层，以及滴注在液晶取向层上的液晶分子层；液晶取向层包括平面取向层和涂覆在平面取向层上的垂直取向层；下像素电极基板上每个像素区域对应的平面取向层区域，包括互相对称的第一分区域和第二分区域，第一分区域中平面取向层的厚度呈等差变化，相对应的，第二分区域中平面取向层的厚度也呈等差变化。根据平面取向层的结构，涂覆在平面取向层上的垂直取向层的厚度也呈相对应的等差变化。为了实现液晶分子的任意角度的预倾角，第一分区域和第二分区域上的平面取向层对液晶分子的取向方向相反，由此能够根据平面取向层和垂直取向层对液晶分子的作用，实现液晶分子的任意角度倾斜。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过在下像素电极基板上制备平面取向层和垂直取向层相结合的液晶取向层，实现多畴液晶预倾角，可以降低驱动电压，提高液晶盒响应速度；垂直取向层厚度呈等差变化，实现液晶分子预倾角实现任意角度的变化控制，并且在与液晶分子直接接触的垂直取向层上避免了摩擦取向，避免机械划痕、静电对液晶的污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.液晶盒制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在像素电极基板上制备液晶平面取向层；

对平面取向层进行统一取向处理，每个像素区域对应的平面取向层区域包括互相对称的两个分区域，所述两个分区域中液晶分子的取向方向相反；

蚀刻平面取向层，使所述两个分区域中，平面取向层的厚度呈等差变化；

在平面取向层上制备液晶垂直取向层，垂直取向层的厚度呈等差变化；

在像素电极基板上滴注液晶，将像素电极基板合并，形成液晶盒。

2.如权利要求1所述的液晶盒制备方法，其特征在于，对平面取向层进行统一取向处理时，在平面取向层上盖上掩模版，摩擦取向，使所述两个分区域中的第一分区域上，液晶分子取向方向统一；然后翻转掩模版，反向摩擦取向，使与第一分区域对称的第二分区域上，液晶分子的取向统一且与第一分区域上液晶分子取向方向相反。

3.如权利要求1所述的液晶盒制备方法，其特征在于，对平面取向层进行统一取向处理时，在平面取向层上盖上掩模版，紫外光照射，使所述两个分区域中的第一分区域上，液晶分子取向方向统一；然后翻转掩模版，紫外光照射，使与第一分区域对称的第二分区域上，液晶分子的取向统一且与第一分区域上液晶分子取向方向相反。

4.如权利要求1所述的液晶盒制备方法，其特征在于，平面取向层厚度的公差为1nm-5nm。

5.如权利要求1所述的液晶盒制备方法，其特征在于，垂直取向层的上表面为水平面。

6.如权利要求1所述的液晶盒制备方法，其特征在于，对平面取向层采用干法蚀刻。

7.如权利要求2所述的液晶盒制备方法，其特征在于，平面取向层采用面内液晶取向剂，垂直取向层采用垂直液晶取向剂，所述面内液晶取向剂和垂直液晶取向剂的材质为聚酰亚胺或聚酰胺。

8.如权利要求3所述的液晶盒制备方法，其特征在于，平面取向层采用面内液晶取向剂，垂直取向层采用垂直液晶取向剂，所述面内液晶取向剂和垂直液晶取向剂的材质为肉桂酸酯或香豆素。

9.如权利要求3所述的液晶盒制备方法，其特征在于，所述紫外光的波长为250nm-310nm。

10.一种液晶盒，包括由上像素电极基板和下像素电极基板粘接形成的腔体，涂覆在下像素电极基板上的液晶取向层，以及滴注在液晶取向层上的液晶分子层；其特征在于，所述液晶取向层包括平面取向层和涂覆在平面取向层上的垂直取向层；下像素电极基板上每个像素区域对应的平面取向层区域，包括互相对称的第一分区域和第二分区域，第一分区域中平面取向层的厚度呈等差变化；所述垂直取向层呈等差变化。

11.如权利要求10所述的液晶盒，其特征在于，所述第一分区域和第二分区域上的平面取向层对液晶分子的取向方向相反。