CN103890648B - 具有强uv-二色性的光定向层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液晶的平面定向的光定向层。本发明的光定向层显示出在UV波长范围内二色性的特征性波长依赖性。本发明进一步涉及提供这种光定向层的方法以及包括它们的液晶器件。

Description

具有强UV-二色性的光定向层
技术领域
本发明涉及在UV波长范围内显示出二色性的特征性波长依赖性的光定向层。本发明进一步涉及提供这种光定向层的方法以及包括它们的液晶器件。
发明背景
当今液晶显示器(LCDs)在商业上用于其中电子显示信息的几乎任何领域。高分辨率的LCDs例如用于电视屏，计算机监控器，膝上型电脑，平板电脑，智能手机，移动电话和数码相机。尽管尺寸和应用完全不同，但所有这些LCDs是可视频的，且要求高速转换和高的对比度比。为了实现高的对比度，最重要的是提供非常低的暗态亮度。在“正常白”的LCD模式，例如标准TN-LCD中，通过施加电压到LCD上，来实现暗态。因此，可通过施加的电压来控制暗态下的光透射。在“正常黑”模式的LCD，例如垂直定向(VA)模式，广视角技术(IPS)或散射场转换(FFS)中，暗态对应于非活化状态，和因此暗态亮度不可能通过电压来调节。因此，暗态主要取决于LCD内液晶定向的质量。对于VA-模式的LCDs来说，若所有液晶分子几乎垂直于LCD表面定向，则实现了暗态亮度，因为从与屏幕垂直的方向观察的观察者沿着液晶分子的光轴方向观察，在所述方向内液晶没有显示出双折射。
在平面模式，例如IPS和FFS的情况下，暗态内的液晶导引子平行或垂直于附着的通常交叉偏振膜的偏振方向取向。在所需方向上并不完美地定向的液晶区引入双折射，这将引起光泄露，所述光泄露是由于光的去偏振导致的。因此，对于平面模式的LCDs来说，在定向层内液晶的非常明确的方位角锚定对于保证暗态亮度来说是关键的，尤其当在通常黑模式下操作时。
当施加电压到LCD上，使之转换成灰或亮态时，液晶层变形，和再者定向层必须提供用于液晶的强的锚定力，以便驱动它们回到起始的关闭状态的结构，一旦施加的电压低于LCD的阈值电压时。与起始关闭状态的结构的任何偏离作为图像残留会被观察到和因此降低图像质量。由于施加交流电(AC)电压，使LCD转换到不同的灰度水平，因此，在AC-电压变化或除去之后发生的图像残留也称为AC-记忆。
常规地，通过用布料刷涂在LCD基底上的薄的聚合物层，进行LCD生产中液晶的定向。由于母玻璃尺寸增加导致这一方法变得越来越挑战，因此强烈需要替代的定向方法。
替代刷涂方法的最有前景的方法是光定向。与刷涂相反，光定向避免了与定向层表面的机械接触。结果，光定向没有产生机械缺陷，和因此它提供非常高的生产率。
几年前，光定向被成功地引入到批量生产VA-LCDs中，和现在是用于LCD定向的已被确定的技术。另一方面，尽管LCD制造商强烈需求平面模式LCDs的光定向，但迄今为止，它没有被引入到生产这种LCDs中。理由是就显示对比度和图像残留来说，光定向材料迄今为止满足不了平面模式的LCDs的挑战性的定向质量要求。
因此，本发明的目的是提供新的光定向材料，和用于平面LCD模式的具有高锚定的光定向层，它使得能得到具有减少的AC-记忆的高对比度的LCDs。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供一种用于液晶平面定向的光定向层。光定向层是光学各向异性的，且在230nm以上的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ<-0.3的负的二色性，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ>0.07的正的二色性。
优选地，在230nm以上的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ小于-0.4，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ大于0.15。甚至更优选的是，在230nm以上的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ小于-0.5，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ大于0.2。最优选的是，在230nm以上的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ小于-0.7，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内每微米厚度ΔΑ大于0.3。
通过将光定向材料曝光于定向光下，生成在所述至少两个波长范围内的二色性。
在本申请中所使用的术语“光学各向异性”是指一般地光学参数，例如是指吸光或折射指数，其中一个或多个这些光学性能可以是各向异性的。各向异性可以存在于覆盖UV-、可见光和红外光的波长范围内的任何处。在本发明的上下文中，定向光是可引发光定向的波长的光。优选地，该波长在UV-A、UVB和/或UV/C-范围内或者在可见光范围内。这取决于波长合适的光定向材料。
定向光是线性或椭圆形偏振的，其中术语偏振还应当包括部分偏振的光。优选地，定向光以大于10:1的偏振度线性偏振。
在本发明的上下文中所使用的术语“预倾斜角”是在不存在任何外力例如电场或磁场的情况下，液晶导引子和定向层表面之间的角度。液晶导引子应当是指液晶分子的长轴的平均方向。在本发明的上下文中，“平面定向”应当是指预倾斜角小于30°。
在液晶材料内通过定向层诱导的预倾斜角不仅取决于定向层的性能，而且取决于液晶材料的性质。因此，可存在当与本发明的定向层接触时没有平面定向的液晶材料。然而，这不从具有平面定向的应用中排除这种光定向层，只要存在其中可实现平面定向的合适的液晶即可。因此，关于预倾斜角范围的优选值不应当是指在任何液晶材料内诱导这种预倾斜角，而应当是指存在其中可诱导相应范围内的预倾斜角的液晶材料。
优选地，光定向层可在合适的液晶材料内诱导小于10°的预倾斜角。更优选的是光定向层可在合适的液晶材料内诱导小于5°的预倾斜角，和最优选的是光定向层可在合适的液晶材料内诱导小于1°的预倾斜角。
定向光方向应当指在曝光过程中定向层表面和定向光的偏振平面的交线。若定向光椭圆偏振，则偏振面应当是指由光的入射方向和由偏振椭圆的主轴确定的平面。
在本发明的上下文中使用术语“定向光方向“不仅描述曝光过程持续时间的方向，而且在曝光之后是指在定向层上的定向光的方向，当它在曝光过程中被采用时。
在本发明的上下文中，二色性ΔΑ(λ)定义为沿着定向光的方向测量的吸光度Αp(λ)和与定向光方向垂直的方向测量的吸光度As(λ)之差，其中λ是光的波长。
在某一波长下正的二色性应当是指在这一波长下ΔΑ>0，而负的二色性应当是指ΔΑ<0。
术语“光定向层”应当是指通过将可光定向的材料曝光于定向光下而获得的定向层。光定向材料可以是任何种类的光敏材料，它可通过曝光于定向光下而定向，而与光反应机理无关。因此，合适的光定向材料例如是其中一旦曝光于定向光下通过光-二聚合、光-分解、顺式-反式异构化或光-Fries重排诱导定向的材料。因此，本发明的优选的光定向层是其中通过光-二聚合、光-分解、顺式-反式异构化或光-Fries重排引起二色性的那些。
根据本发明的第二方面，提供一种生成光定向层的方法，所述光定向层显示出本发明的二色性的性能。该方法包括在基底上制备合适的光-定向材料的层，和将该层曝光于定向光下。选择光-定向材料，使得一旦暴露于定向光下，则得到具有本发明的特征二色性性能的光定向层。
根据本发明的第三方面，提供一种具有液晶的平面定向的液晶显示器件，所述液晶显示器件掺入了以上所述的至少一层光定向层。由于通过本发明光定向层提供的锚定能强，因此，这些LCDs显示出高的对比度和低的AC-记忆。根据本发明，在LCD中的液晶材料内的光定向层诱导的预倾斜角小于30°。优选地，在LCD中的液晶材料内的光定向层诱导的预倾斜角小于10°。更优选的在LCDs中通过液晶材料内的光定向层诱导的预倾斜角小于5°，和最优选的在LCDs中通过液晶材料内的光定向层诱导的预倾斜角小于1°。
本发明的LCDs可使用具有平面定向的任何种类的显示模式，例如扭曲向列型(TN),IPS或FFS。优选地，在LCD内的电极使得一旦施加电压到电极上，则产生电场，所述电场在液晶层内的某些位置处平行于定向层的表面。为了实现这，典型地提供电压到在两个基底的仅仅一个之上的电极上。对于这一目的来说，可使用叉指电极，例如梳形的形式。特别优选的是使用IPS或FFS模式的LCDs。
附图简述
图1示出了由不同光-聚合物制备的光定向层的二色性的测量。
图2示出了现有技术的光聚合物中光定向层的二色性。图2对应于Schadt等人，Jpn.J.Appl.Phys,Vol.34(1995),3240的图4a。
发明详述
本发明的可光定向的材料掺入可光定向的部分，该部分一旦曝光于定向光下能产生优选的方向和因此诱导液晶的定向能力。
可光定向的部分优选具有各向异性吸收性能和优选显示出波长范围为230-500nm的吸收。
优选地，可光定向的部分具有碳-碳，碳-氮，或氮-氮双键。
例如，可光定向部分是取代或未取代的偶氮染料，蒽醌，香豆素，mericyanine，甲烷，2-苯基偶氮噻唑，2-苯基偶氮苯并噻唑，芪，氰基芪，查耳酮，肉桂酸酯，stilbazolium，1,4-双(2-苯基乙烯基)苯，4,4'-双(芳基偶氮)芪，二萘嵌苯，4,8-二氨基-1,5-萘醌染料，具有与两个芳环共轭的酮基团或酮衍生物的二芳基酮，例如取代的二苯甲酮，二苯甲酮亚胺，苯腙，和半卡巴腙。
制备以上列举的各向异性吸收材料的方法是公知的，例如Hoffman等人的美国专利No.4,565,424，Jones等人的美国专利No.4,401,369,Cole,Jr.等人的美国专利No.4,122,027，Etzbach等人的美国专利No.4,667,020和Shannon等人的美国专利No.5,389,285中所示。
优选地，可光定向的部分包括芳基偶氮，聚(芳基偶氮)，芪，和二芳基酮衍生物和肉桂酸酯，更优选可光定向的部分包括肉桂酸酯。
光定向材料可具有单体、低聚物或聚合物形式。可光定向的部分可在聚合物或低聚物的主链内或者在侧链内共价键合，或者它们可以是单体的一部分。
聚合物表示例如聚丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸酯，聚酰亚胺，聚酰胺酸，聚马来酰亚胺，聚-2-氯丙烯酸酯，聚-2-苯基丙烯酸酯；未取代或被C1-C6烷基取代的聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酰胺，聚-2-氯丙烯酰胺，聚-2-苯基丙烯酰胺，聚乙烯醚，聚乙烯酯，聚苯乙烯衍生物，聚硅氧烷，聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的直链或支链的烷酯；聚苯氧基烷基丙烯酸酯，聚苯氧基烷基甲基丙烯酸酯，聚苯基烷基甲基丙烯酸酯，其中烷基残基具有1-20个碳原子；聚丙烯腈，聚甲基丙烯腈，聚苯乙烯，聚-4-甲基苯乙烯，或其混合物。
进一步地，优选的可光定向单体或低聚物或聚合物公开于美国专利No.5,539,074,美国专利No.6,201,087,美国专利No.6,107,427,美国专利No.6,335,409和美国专利No.6,632,909中。
已发现，具有权利要求1中性能的光定向层提供对液晶强的锚定，这导致高的对比度和低的AC-记忆，当在LCDs中采用时。用于本发明的光定向层的合适的可光-定向的材料例如是光聚合物1，2，10,11和12：
实施例1
测量由光聚合物1制造的光定向层的二色性
通过在NMP内首先溶解固体光聚合物并搅拌该溶液直到固体聚合物完全溶解，制备在NMP和丁基溶纤剂的1:1重量溶剂混合物内的含4.0wt%光聚合物1的溶液S1。然后添加丁基溶纤剂，并再次搅拌整个组合物，获得最终的溶液。
在熔凝硅石基底上，在1700rpm的旋转速度下旋涂光聚合物1的上述溶液30秒。随后在200℃下烘烤涂布过的基底40分钟，形成厚度为约70nm的聚合物薄层。
然后，将光聚合物层曝光于定向光下，所述定向光是波长范围为280-340nm的来自高压汞灯的线性偏振光。定向光垂直于基底(0°)入射。曝光剂量是200m J/cm2。
使用Perkin Elmer分光计(Lambda900)，分别采用与定向光方向平行和垂直偏振的光，在190nm-400nm的波长范围内，测量UV吸收度Αp(λ)和Αs(λ)。在图1中描绘了以Α(λ)=Αp(λ)-Αs(λ)形式计算的二色性。
二色性在约240nm-340nm的波长范围内为负，且在约285nm下最低值为约-0.04，这对应于每微米厚度约-0.57。在190nm至220nm之间二色性为正，且在190nm下最大值为约0.013，这对应于每微米厚度约0.18。
实施例2
测量由光聚合物2制造的光定向层的二色性
以与实施例1所述相同的方式，制备在1:1重量的NMP和丁基溶纤剂的溶剂混合物内含4.0wt%光聚合物2的溶液S2。随后，在熔凝硅石基底上制备70nm的光聚合物2的薄层，其中使用如实施例1中所述相同的参数，将其进一步曝光于定向光下。
在图1中还描绘了由测量值Αp(λ)和Αs(λ)计算的光聚合物2的曝光层的二色性。
二色性在约240nm-340nm的波长范围内为负，且在约285nm下，最低值为约-0.042，这对应于每微米厚度约-0.6。在190nm至220nm之间二色性为正，且在190nm下最大值为约0.018，这对应于每微米厚度约0.26。
实施例3
具有由光聚合物1制造的定向层的液晶盒
按照实施例1中所述的工序，在两个ITO涂布的玻璃基底上制备光聚合物1的层。在20mJ/cm2的剂量下，将所得聚合物层曝光于实施例1的定向光下。定向光垂直入射在基底上。
使用这两个基底，组装在该盒内部具有彼此面对的曝光聚合物层的液晶盒。相对于彼此调节基底，以便相应的定向光方向平行于彼此。用具有正的介电各向异性的液晶MLC3005(Merck KGA)毛细填充该盒。在该盒内的液晶显示出非常确定和均匀的平面取向。在倾斜补偿器的辅助下，确定在该盒内的液晶垂直于定向光方向定向。使用旋转分析仪方法，采用获自Shintech的Optipro21-250A，测量到预倾斜角为0.1°。
实施例4
具有倾斜曝光的光定向层的液晶盒
与实施例3一样制备液晶盒，其中唯一区别是定向光相对于基底的法向以40°的倾斜角入射。偏振平面在定向光的入射平面内。
在该盒内的液晶显示出非常确定和均匀的平面取向，且发现垂直于定向光方向定向。使用旋转分析仪方法，测量到预倾斜角为0.03°。
实施例5
具有由光聚合物2制造的定向层的液晶盒
按照实施例3的工序，制备液晶盒，但使用实施例2的溶液S2替代S1，和使用100mJ/cm2的定向光曝光剂量。
在该盒内的液晶显示出非常确定和均匀的平面取向，且发现垂直于定向光方向而定向。使用旋转分析仪方法，测量到预倾斜角为0.2°。
实施例6
在IPS盒内的对比度比
分别由实施例3和5中所述的聚合物溶液S1(盒1)和S2(盒2)为起始制备LC盒，不同是每个盒内两个基底中仅仅一个具有ITO层。构图这一ITO层，并形成具有10微米宽长条的梳形叉指电极，所述长条彼此隔开10微米。为了光聚合物层的曝光，相对于电极长条的方向选择定向光方向为78°。在每一情况下曝光剂量为100mJ/cm2。对于盒1来说，定向光垂直入射，和对于盒2来说，相对于基底的法向以40°的倾斜角入射。
在用液晶MLC3005毛细填充该盒之后，经10分钟加热该盒到92℃并再次冷却到室温。在该盒内的液晶显示出非常确定和均匀的平面取向。
为了测量该盒中的对比度比，在交叉偏振器之间排列各盒，以便在盒内光定向层的各自的定向光方向平行于偏振器之一的偏振方向。对于各盒的暗态和亮态来说，测量白光的透射率。只要没有施加电压到各盒上，则它们看起来是暗的。一旦施加电压到叉指电极上，则透射过的光的强度增加。为了该盒的最大的透射率(它被定义为亮态)，调节电压。以亮态中透射过的光强度与暗态中的光强度之比形式计算对比度比。
对于盒1来说，测定到对比度比为1800:1，而对于盒2来说，测定到1900:1的数值。
实施例7
定向层的ACM性能
使用实施例6的盒1和2，来测定由光聚合物1和2制造的光定向层的ACM图像残留性能。
与针对实施例6中的对比度比测量一样，排列各盒，其不同是使用589nm的确定波长。测定该盒透过1%它的最大透射率(T1)时的电压V0。通过24小时施加应力电压V1到该盒上，诱导图像残留。再次测量电压V0时该盒的透射率(T1`)，并如下所述计算ACM：ACM(t)=T1`(t)/T1x100%，其中t表示测量的时间依赖性。在我们的测量中，测定ACM(2min)。该盒显示出它的最大透射率时的电压V1为7.15V。针对盒1和2测定的ACM(2min)分别为116%和117%。
实施例8
由光聚合物10-12制造的光定向层的二色性
以与实施例1中针对光聚合物1描述的相同方式，分别由光聚合物10-12制备溶液S10-S12。使用上述溶液，在熔凝硅石上制备厚度为约70nm的聚合物层，和随后使用实施例1中描述的相同参数，将该层曝光于定向光下。
如实施例1所述，测定每一层的二色性ΔΑ(λ)。对于每一层来说，在230nm以上的至少一个波长范围内具有负的二色性，和在190nm至230nm之间的至少一个波长范围内具有正的二色性。
下表中列出了在这两个波长范围的每一个中的数值ΔA(max)，它是具有最大绝对值的数值ΔΑ(λ)：
实施例9
使用光聚合物10-12在IPS盒内的对比度比
根据实施例6的说明，针对每一光聚合物10-12，制备IPS盒单元(盒10-12)，但使用相应的溶液S10-S12。
如实施例6中所述，测量各盒的对比度比。获得下述数值：
对比度比
光聚合物10 盒10 2400:1
光聚合物11 盒11 2200:1
光聚合物12 盒12 1800:1
实施例10
对比光聚合物
由下述对比的光聚合物3-9获得的光定向层没有显示出本发明的权利要求1所要求的二色性性能。光聚合物9是现有技术已知的。
实施例11
对比的光聚合物3-8的层的二色性
以与实施例1中针对光聚合物1所述的相同方式，分别由光聚合物3-8制备溶液S3-S8。在熔凝硅石上使用上述溶液制备厚度为约70nm的聚合物层，和随后使用与实施例1中所述相同的参数，将各层曝光于定向光下。
如实施例1所述和图1所描绘的，测定每一层的二色性。对于每一层来说，在230nm以上的至少一个波长内具有负的二色性。然而，在每一情况下，二色性的绝对值小于0.02，相当于每微米厚度小于0.3。低于230nm下，在每一情况下中，二色性小于0.005，相当于每微米厚度小于0.07。
实施例12
对比光聚合物9的定向层的二色性
根据Schadt等人的现有技术(Schadt等人，Jpn.J.Appl.Phys,Vol.34(1995),3240)，光聚合物9和光聚合物9的光定向层的二色性是已知的。与本发明的权利要求1相反，在光聚合物9的情况下，在低于230nm的波长范围内二色性为负，正如图2所示，这对应于Schadt等人的图4a。
实施例13
使用对比的光聚合物3-8在IPS盒内对比度比
根据实施例6的描述，针对每一光聚合物3-8，制备IPS盒(盒3-8)，但使用相应的溶液S3-S8。
直接在各盒内填充液晶之后，使用对比的光聚合物制造的所有盒显示出定向缺陷。在92℃下热处理各盒10分钟之后，缺陷部分消失，但对于一些盒来说保持可见。
对于每一盒3-8来说，对比度比小于1400:1，这对于要求非常高对比度的LCD应用例如LCD-TVs来说是不足的。
在盒3-8每一个内的液晶平行于定向光方向定向。
本发明不应当被视为限制到以上所述的特定实施例上，相反应当理解为覆盖在权利要求中清楚地列出的本发明的所有方面。所有修饰，等价方法，以及本发明可应用到其上的许多结构对本发明涉及的领域的技术人员来说是明显地显而易见的。

Claims (14)

1.一种用于液晶的平面定向的光定向层，其中所述光定向层通过将可光定向的材料曝光于定向光下而获得，所述可光定向的材料掺入可光定向的部分，所述可光定向的部分包括肉桂酸酯，
其中所述光定向层是光学各向异性的，且在230nm以上的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ<-0.3的负的二色性，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ>0.07的正的二色性。
2.权利要求1的光定向层，其中在230nm以上的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ<-0.5的负的二色性，和在190nm至230nm的至少一个波长范围内具有每微米厚度ΔΑ>0.2的正的二色性。
3.权利要求1或2的光定向层，它能定向与定向层表面接触的合适的液晶材料使得所述液晶的倾斜角小于10°。
4.权利要求3的光定向层，它能定向与定向层表面接触的合适的液晶材料使得液晶的倾斜角小于1°。
5.权利要求1或2的光定向层，其中通过顺式-反式异构化，引起二色性。
6.权利要求1或2的光定向层，其中通过光-二聚合，引起二色性。
7.权利要求1或2的光定向层，其中通过光-分解，引起二色性。
8.权利要求1或2的光定向层，其中通过光-Fries重排，引起二色性。
9.权利要求1或2的光定向层，其中所述光-定向材料包括下述光聚合物中的至少一种：
10.一种液晶显示器件，它包括前述任何一项权利要求的光定向层。
11.权利要求10的液晶显示器件，其中通过光定向层诱导的液晶材料内的预倾斜角小于10°。
12.权利要求10的液晶显示器件，其中通过光定向层诱导的液晶材料内的预倾斜角小于1°。
13.权利要求10-12任何一项的液晶显示器件，其中电极使得一旦施加电压到电极上则产生电场，在液晶层内的某些点处，所述电场平行于定向层的表面。
14.权利要求10-12任何一项的液晶显示器件，它采用IPS或FFS模式。
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