CN103031131B - 蓝相液晶及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种蓝相液晶的制造方法，其包含一温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内；一降温步骤，使液晶混合物的温度下降而到达一蓝相的操作温度，且蓝相操作温度高于蓝相与更低温相的相转变温度；以及一重复步骤，重复温度控制步骤与温度下降步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种液晶及其制造方法，特别是涉及一种蓝相液晶及其制造方法。
背景技术
蓝相液晶(Blue phase liquid crystal，BPLC)为一个自聚集的三维光子晶体结构，这液晶相出现在等向相(Isotropic phase)与胆固醇相(Cholestericphase)之间，但也可以与其他结构液晶混合物组成例中出现，例如层列相液晶或弓型液晶(bend-shape，或称香蕉型液晶banana-shape)。蓝相液晶有着自组装的3D晶格特性，却保有流体的本性，且晶格参数易于变更，可有不同的光电特性，是绝佳的可调式光子晶体。
不均匀的蓝相液晶会因其布拉格反射受晶格面(Miller index，(h，k，l))影响，形成彩色盘状(platelet)结构，而无法应用于显示领域。因此，如何提供一种蓝相液晶及其制造方法，能够达到高均匀性，进而降低驱动电压、消除磁滞效应并可应用于显示领域，实为当前重要课题之一。
发明内容
蓝相液晶(Blue phase liquid crystal，BPLC)在降温长晶的过程中，因为温度梯度变化以及边界条件(boundary condition)不同会使得整体的均匀性(uniformity)不同，而均匀性指的是蓝相液晶的晶体大小与晶格转向(orientation，也指晶格面)。此外，不同晶体转向的蓝相液晶在电场下的电光特性不同，且有磁滞效应(hysteresis)。再者，对蓝相液晶应用于显示技术而言，过高的操作电压也是一大问题。
因此本发明的目的为提供一种能够达到高均匀性，进而降低驱动电压、消除磁滞效应并可应用于显示领域的蓝相液晶及其制造方法。
为达上述目的，依据本发明的一种蓝相液晶的制造方法包含一温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内；一降温步骤，使液晶混合物的温度下降而到达蓝相的一温度；以及一重复步骤，重复温度控制步骤与温度下降步骤。
在一实施例中，液晶混合物包含一液晶混合物、一聚合单体及一光起始剂。
在一实施例中，在该降温步骤中，温度下降速率介于0℃/分～5℃/分之间，但大于0℃/分。
在一实施例中，蓝相液晶的制造方法还包含一起始加热步骤，将该液晶混合物加热至该共存温度范围内。
在一实施例中，在重复步骤之后还包含：一聚合步骤，聚合液晶混合物。
为达上述目的，依据本发明的一种蓝相液晶的制造方法包含一温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相的一温度；一电场施加步骤，对液晶混合物施加一电场；一电场减少步骤，对液晶混合物减少电场；以及一重复步骤，重复电场施加步骤与电场减少步骤。
在一实施例中，电场减少步骤是将该电场完全移除。
在一实施例中，电场施加步骤是施加一第一电场，电场减少步骤是减少电场至一第二电场，第二电场强度小于第一电场强度。
在一实施例中，电场施加步骤对液晶混合物所施加的电场的偏压是介于蓝相液晶中的双股螺旋柱解构(deconstruction)成胆固醇相的电压的2倍以下之间。
在一实施例中，温度控制步骤是将液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内。
在一实施例中，液晶混合物包含一液晶混合物、一聚合单体及一光起始剂。
在一实施例中，电场、第一电场或第二电场是由一上基板与一下基板提供，液晶混合物填充于上基板与下基板之间。
在一实施例中，在重复步骤之后还包含一聚合步骤，聚合液晶混合物。
为达上述目的，依据本发明的一种蓝相液晶，其包含一特定晶格面的液晶，在一单位面积内，特定晶格面的液晶所占的面积比例介于20％与95％之间。
在一实施例中，特定晶格面为(110)、或(100)，但在其他实施例中只要是体心立方(Body-Centered Cubic Crystal Structure，BCC)或是面心立方(Face-Centered Cubic Crystal Structure，FCC)结构可产生的晶格面族均可，在此仅举(110)、或(100)的晶格面为例。
为达上述目的，依据本发明的一种蓝相液晶，其反射一特定波段的辐射，在一单位面积内，反射该特定波段的辐射占整个单位面积的比例介于20％与95％之间。
在一实施例中，在单位面积内，晶体大于10μm且所占的面积比例是介于20％与95％之间。
承上所述，本发明是利用两种外力(温度或电压)破坏蓝相液晶的晶体，再令其为了符合最低自由能的条件重新长晶，而改善其均匀性。第一种方法是控制升降温的过程来改善蓝相液晶的均匀性，主要是利用升温达蓝相(BP)与等向相(Isotropic)共存温度时，不同晶体转向会有不同的相变(BP→Isotropic)速率，这些相变区域会成为再次降温至一蓝相操作温度时重新长晶或晶体扩张的区域，最后较符合此系统的蓝相液晶晶体转向会大致填满整个空间，此发明即是利用温度对蓝相液晶晶体的破坏与建构来改善其均匀性。利用此方法，经过10次循环升降温后，晶体大小可放大成原本的4～5倍，若利用0.1℃/min的降温速率做循环，较大的晶体可例如达到60μm，同晶格转向的面积可例如高达90％以上。第二种方法是利用电场来对蓝相液晶的晶体转向做选择。在电场的作用下，只有特定的晶体转向没有转动力矩，其余的晶体转向会因力矩的影响转到没有力矩的面。但若在多个晶体的条件下，晶体无法转动，以致转动力矩会破坏蓝相液晶晶体，在放电压或减少电压后会长成没有力矩(或没有被力矩破坏)的晶体转向。本发明不仅可以改善蓝相液晶的均匀性，更可通过改善均匀性而消除磁滞效应并降低驱动电压。
附图说明
图1为本发明第一实施例的蓝相液晶的制造方法的步骤图；
图2为本发明第二实施例的蓝相液晶的制造方法的步骤图；以及
图3为本发明第二实施例的电场施加步骤的示意图。
主要元件符号说明
101：液晶混合物
102：上基板
103：下基板
S01～S03、S11～S14：蓝相液晶的制造方法的步骤
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的一种蓝相液晶及其制造方法，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
图1为本发明第一实施例的蓝相液晶的制造方法的步骤图，其中包含步骤S01～S03。
首先，制造方法包含步骤S01：一温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相(blue phase)与等向相(isotropic phase)的一共存温度范围内。于此，液晶混合物可包含至少一液晶种类，且液晶可具有旋性(chirality)或无旋性。当该液晶种类的旋性较低或没有旋性时，液晶混合物可还包含旋性物质(chiral dopant)，以使液晶具有旋性或加强其旋性。另外，液晶混合物可还包含一单体(monomer)与一光起始剂(photo initiator)，光起始剂的作用在于使单体于照光时产生光聚合反应。如此可在之后进行光照以聚合单体，而使液晶混合物中的单体形成聚合物进而稳定液晶的结构，而成为高分子稳定蓝相液晶(Polymer-stabilized blue phase liquid crystal，PSBP-LC)。液晶混合物可置放在透光容器内、或非透光容器内。于此不特别限制容器的材质，其可例如为玻璃。然后，可通过提高温度或降低温度而使液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内，在此共存温度范围内同时存在蓝相与等向相。在本实施例中，蓝相与等向相的一共存温度例如为45.6℃。另外，蓝相液晶的制造方法更包含一起始加热步骤，其是将液晶混合物由环境温度(例如为室温)加热至共存温度范围内。
接着，制造方法包含步骤S02：一降温步骤，使液晶混合物的温度下降而到达的一蓝相操作温度，蓝相操作温度低于上述的共存温度，且高于蓝相与比蓝相更低温相的相转变温度，例如高于蓝相与胆固醇相(Cholesteric)的相转变温度或是高于蓝相与层状液晶相(Sematic)的相转变温度。在本实施例中，液晶混合物的温度可例如下降至44.5℃，温度下降速率可介于0℃/分～5℃/分之间，但不等于0℃/分。
然后，制造方法包含步骤S03：一重复步骤，重复温度控制步骤(S01)与温度下降步骤(S02)。本实施例可重复温度控制步骤与温度下降步骤各至少一次。以下说明本实施例的蓝相液晶制造方法的原理。
在持续降温的情况下，由于容器基板的表面自由能影响，会筛选出适合在此系统中长晶的晶体转向。在此假设红色晶格面(即反射红光，例如(100))与蓝色晶格面(即反射蓝光，例如(110))皆可在此系统中长晶。当中又以蓝色晶格面较符合基板自由能，所以长晶的速度会比红色晶格面的晶体快许多。待晶体长晶至最完整(例如晶体不再扩大)的情况下，加热使温度往高温移动。当升温至蓝相与等向相的共存温度范围内时，由于蓝色晶格面最符合整个系统的自由能条件，所以在高温下可保留较完整的晶体，而红色晶格面会因高温的影响产生严重的相变。故利用此原理筛选出最适合在此系统自由能下长晶的晶体转向(假设是(110)面)。接着，再次进行降温步骤，此时因(110)面留下的晶体结构较完整，且最符合基板表面自由能所以长晶速度较快，故(110)面所占的面积会比(100)面大。又因整体长晶的空间是有限的，所以蓝色晶格面的晶体甚至会抑制到红色晶格面的长晶。因此，通过本实施例的升降温循环法(thermal recycling)，可控制蓝相液晶主要由一特定晶格面的晶体所组成。
若蓝相液晶有包含单体，则制造方法可更包含一聚合步骤，聚合该单体以形成高分子，于此可利用照光来达到聚合反应。在其他实施例中，可由于材料因素而通过加热来达到聚合反应。形成的高分子有利于蓝相液晶结构的稳定。
通过本发明的多次升降温循环，可使蓝相液晶达到高均匀性，且晶体尺寸变大。例如，当温度下降速率为1℃/分，仅作1次循环时，蓝色晶格面于单位面积下所占的面积比例为20％，但若增加至10次循环时，则蓝色晶格面占的面积比例增加至39％；若温度下降速率为0.5℃/分，作10次循环时，蓝色晶格面于单位面积下所占的面积比例则增加为68％。经本发明验证，在相同温度下降速率的条件下，越多次升降温循环可达到越好的均匀性，也就是单一种晶格面的所占面积愈大，例如为蓝色晶格面。且就相同次数循环而言，温度下降速率越小者，其均匀性越佳。
另外经本发明验证，在相同温度下降速率的条件下，循环次数越多，则特定晶格面的晶体尺寸越大。并且在相同循环次数的条件下，温度下降速率越小者，晶体尺寸越大。例如，当温度下降速率为1℃/分，仅作1次循环时，蓝相液晶的晶体尺寸为6μm，但若进行10次循环时，则蓝相液晶的晶体尺寸增加为20μm；若温度下降速率为0.5℃/分，作10次循环时，蓝相液晶的晶体尺寸则增加至30μm；若温度下降速率为0.1℃/分，蓝相液晶的晶体尺寸可增加至62μm。
图2为本发明第二实施例的蓝相液晶的制造方法的步骤图，其中包含步骤S11～S14。
首先，制造方法包含步骤S11：一温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相的一温度。由于液晶混合物已于上详述，故于此不再赘述。另外，本实施例是将液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内，由此可增加液晶混合物的流动性以提升长晶效率。
接着，制造方法包含步骤S12：一电场施加步骤，对液晶混合物施加一电场。图3为电场施加步骤的示意图，其中，液晶混合物101置放于一容器中，该容器具有一上基板102以及一下基板103，上基板102上设有一电极层，而下基板103上也设有一电极层，该多个电极层可接收电压信号而形成该电场。电场所施加的偏压为蓝相液晶中的双股螺旋柱解构(deconstruction)成胆固醇相的电压，此电压会随样品材料与样品电极设计不同而不同，若定义全面解构电压为Vd，则施加的偏压低2倍的Vd。在本实施例中，液晶混合物所施加于电场的偏压为13V。
然后，制造方法包含步骤S13：一电场减少步骤，对液晶混合物101减少该电场。于此，电场减少步骤是将该电场完全移除。
然后，制造方法包含步骤S14：一重复步骤，重复电场施加步骤(S12)与电场减少步骤(S13)。本实施例可重复电场施加步骤与电场减少步骤各至少一次。以下说明本实施例的蓝相液晶制造方法的原理。
当对液晶混合物施加电场的时候，蓝相液晶会产生转动力矩，其力矩的大小为可由τ＝P×E表示，其中τ为转动力矩、P为极化向量、E为外加电场。不同的晶体转向会引起不同的极化向量P，而产生不同转向与大小的力矩，这些力矩会倾向于将晶体转动到没有力矩的转向。但由于是在多个晶体下施加电场，任一晶体都被周围其他的晶体固定住，所以无法随着电场引起的力矩转动，最后晶体承受不了力矩的压力结构被破坏，蓝相液晶中的双股螺旋柱被解构(deconstruction)成单螺旋的胆固醇态，也称为电场引起的相转变(electric-field induce phase transition)。当移除外加电场的时候，因为相变成胆固醇的区域的周围被没有被力矩破坏的蓝相液晶包围，故该区域在为了符合最低自由能的条件下，会在重新长出蓝相液晶并且转向会与周围没有力矩的转向一致。因此，通过本实施例的电场循环法(electric field recycling)，可控制蓝相液晶主要由一特定晶格面的晶体所组成。
另外，在其他实施例中，电场施加步骤可施加一第一电场，电场减少步骤是减少该电场至一第二电场，第二电场强度的绝对值小于第一电场强度的绝对值。其中，在施加第二电场时，相变成胆固醇的区域的周围也会重新长出蓝相液晶并且转向会与周围没有力矩的转向一致。此外，也可通过第二电场来选择另一特定晶格面的晶体，使得制成的蓝相液晶具有两种特定晶格面的晶体。
若蓝相液晶有包含单体，则制造方法可还包含一聚合步骤，聚合该液晶混合物，于此可利用照光来达到聚合反应。在其他实施例中，可由于材料因素而通过加热来达到聚合反应。
通过本发明的多次电场循环，可使蓝相液晶达到高均匀性，且晶体尺寸变大。例如，仅作1次循环时，蓝色晶格面在单位面积下占27％，但若进行45次循环后，蓝色晶格面则可占单位面积的70％。故经本发明验证，越多次电场循环可达到越好的均匀性，即特定晶格面所占的面积越大，且循环次数并无上限限制。
另外经本发明验证，随着电场循环次数增加，可使特定晶格面的晶体尺寸变大，而其他晶格面的晶体尺寸变小。例如，仅作1次循环时，红色晶格面的晶体尺寸为8μm，而蓝色晶格面的晶体尺寸为9μm，但当进行45次循环后，红色晶格面的晶体尺寸变小成5μm，而蓝色晶格面的晶体尺寸则变大为17μm。
通过上述第一实施例的方法、或第二实施例的方法、或其结合的方法可制造出高均匀性的蓝相液晶，使得本发明可制造出一种蓝相液晶，其包含一特定晶格面的液晶，且在一单位面积内，该特定晶格面的液晶所占的面积比例介于20％与95％之间。需注意者，在使用上述实施例的方法且未控制温度之前，液晶混合物内不存在蓝相液晶；通过上述实施例的蓝相液晶的制造方法，并在循环越多次的情况下，特定晶格面的液晶所占的面积比例就越高，最高可以达到95％。
其中，该特定晶格面例如为(110)、或(100)。此外，高均匀性使得本发明的一种蓝相液晶可反射一特定波段的辐射，且在一单位面积内，反射该特定波段的辐射占整个单位面积的比例介于20％与95％之间。其中，该特定波段的光线为一可见光或一非可见光。此外，在单位面积内，晶体大小会大于10μm且所占的面积比例可介于20％与95％之间。
综上所述，本发明利用两种外力(温度或电压)破坏蓝相液晶的晶体，再令其为了符合最低自由能的条件重新长晶，而改善其均匀性。第一种方法是控制升降温的过程来改善蓝相液晶的均匀性，主要是利用升温达蓝相(BP)与等向相(Isotropic)共存温度时，不同晶体转向会有不同的相变(BP→Isotropic)速率，这些相变区域会成为再次降温时重新长晶或晶体扩张的区域，最后较符合此系统的蓝相液晶晶体转向会大致填满整个空间，此发明即是利用温度对蓝相液晶晶体的破坏与建构来改善其均匀性。利用此方法，经过10次循环升降温后，晶体大小可放大成原本的4～5倍，若利用0.1℃/min的降温速率做循环，较大的晶体可例如达到60μm，同晶格转向的面积可例如高达90％。第二种方法是利用电场来对蓝相液晶的晶体转向做选择。在电场的作用下，只有特定的晶体转向没有转动力矩，其余的晶体转向会因力矩的影响转到没有力矩的面。但若在多个晶体的条件下，晶体无法转动，以致转动力矩会破坏蓝相液晶晶体，在放电压或减少电压后会长成没有力矩(或没有被力矩破坏)的晶体转向。本发明不仅可以改善蓝相液晶的均匀性，还可通过改善均匀性而消除磁滞效应并降低驱动电压。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。
Claims (15)
1.一种蓝相液晶的制造方法，包含：
温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的一共存温度范围内；
降温步骤，使该液晶混合物的温度下降而到达一蓝相操作温度，且该蓝相操作温度高于蓝相与更低温相的相转变温度；以及
重复步骤，重复该温度控制步骤与该温度下降步骤。
2.如权利要求1所述的蓝相液晶的制造方法，其中该液晶混合物包含一液晶、一单体及一光起始剂。
3.如权利要求1所述的蓝相液晶的制造方法，其中在该降温步骤中，温度下降速率介于0℃/分～5℃/分之间，但不等于0℃/分。
4.如权利要求1所述的蓝相液晶的制造方法，还包含：
起始加热步骤，将该液晶混合物加热至该共存温度范围内。
5.如权利要求1所述的蓝相液晶的制造方法，在该重复步骤之后还包含：
聚合步骤，聚合该液晶混合物。
6.一种蓝相液晶的制造方法，包含：
温度控制步骤，将一液晶混合物的温度控制在蓝相与等向相的共存温度范围内；
电场施加步骤，对该液晶混合物施加一电场；
电场减少步骤，对该液晶混合物减少该电场；以及
重复步骤，重复该电场施加步骤与该电场减少步骤。
7.如权利要求6所述的蓝相液晶的制造方法，其中该电场减少步骤是将该电场完全移除。
8.如权利要求6所述的蓝相液晶的制造方法，其中该电场施加步骤是施加一第一电场，该电场减少步骤是减少该电场至一第二电场，该第二电场强度小于该第一电场强度。
9.如权利要求6所述的蓝相液晶的制造方法，其中该电场施加步骤对该液晶混合物所施加的电场的偏压小于蓝相液晶中的双股螺旋柱解构成胆固醇相的电压的2倍，但不等于0倍。
10.如权利要求6所述的蓝相液晶的制造方法，其中该液晶混合物包含一液晶、一单体及一光起始剂。
11.如权利要求6、7或8所述的蓝相液晶的制造方法，其中该电场、该第一电场或该第二电场是由一上基板与一下基板提供，该液晶混合物填充于该上基板与该下基板之间。
12.如权利要求6所述的蓝相液晶的制造方法，在该重复步骤之后还包含：
聚合步骤，聚合该液晶混合物。
13.一种蓝相液晶，其包含一特定晶格面的液晶，该特定晶格面是指最符合表面自由能的晶格面，在一单位面积内，朝向同一方向的该特定晶格面的液晶占该单位面积的比例是39％以上。
14.如权利要求13所述的蓝相液晶，其中该特定晶格面为面心立方或体心立方结构晶面族的晶面。
15.一种蓝相液晶，其包含一特定晶格面的液晶，该特定晶格面反射一特定波段的光线，该特定晶格面是指最符合表面自由能的晶格面，在一单位面积内，朝向同一方向的反射该特定波段的光线的该特定晶格面占整个单位面积的比例是39％以上。
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 518109 Guangdong, Shenzhen, town, Foxconn science and Technology Industrial Park E District, building 4, building 1, building Applicant after: Qunkang Technology (Shenzhen) Co., Ltd. Applicant after: Innolux Display Group Address before: 518109 Guangdong, Shenzhen, town, Foxconn science and Technology Industrial Park E District, building 4, building 1, building Applicant before: Qunkang Technology (Shenzhen) Co., Ltd. Applicant before: Chimei Optoelectronics Co., Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141210 Termination date: 20170930 |