CN1041242C - 液晶装置和在其盒壁上提供表面排列及分子预倾角的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶盒，该液晶盒中包含封闭在两个盒壁之间的具有一定排列和表面倾角的液晶材料层。在液晶盒壁上带有向所说液晶材料层施加电压的电极以形成显示。所说排列是由在交联过程中在不作用下变成有序的材料形成的。就是，一种在偏振光照射下在交联之后能够使液晶分子排列的材料。这样的一种材料为聚乙烯肉桂酸酯。该排列层用一个不对称光栅例如近似锯齿波形横截面的光栅；采用干涉仪法、倾斜入射光刻，或压纹技术调整轮廓。光栅的形状使液晶分子具有表面倾角。液晶材料可以是向列相、胆甾相，或近晶相的。

Description

液晶装置和在其盒壁上提供表面排列及分子预倾角的方法
本发明涉及液晶装置排列。这种液晶装置通常由封闭在盒壁之间的一薄层液晶材料构成。形成在盒壁上的光学透明电极结构使得作用在这一层液晶上的电场将液晶分子重新取向在一种通导(ON)状态。一旦撤掉电场这些液晶分子就恢复到它们的关闭(OFF)状态。
有三种已知类型的液晶材料，即向列相、胆甾相和近晶相液晶，它们分别具有不同的分子取向。
本发明具体涉及采用向列相或长螺距胆甾相液晶材料的液晶装置和对盒壁的表面排列处理。这种表面排列处理使与盒壁接触的液晶分子沿着一定的排列方向进行排列。通过将这些排列方向设置为正交方向，可以迫使液晶在其电压关断状态下具有扭曲结构。这种液晶盒被称为扭曲向列相液晶盒。在向列相液晶材料中加入少量胆甾相液晶材料使之具有选定的扭曲方向以确保液晶盒中的液晶分子具有一致的扭曲。此外还可以制成具有大于90°的扭曲角的液晶盒；例如在US-4,596,446中描述的超扭曲向列相液晶盒，或270°扭曲向列相液晶盒。排列处理的另一个要求是使在液晶盒壁处的液晶分子还具有一定的表面倾角。这种表面倾角对于确保某些液晶盒，例如在GB-1,472,247和1,478,592中所描述的液晶盒的均匀显示是必要的。
有一种导致排列的方法称为摩擦方法，这种方法使用一块软布单向摩擦具有或不具有聚合物层的液晶盒壁。液晶分子沿摩擦方向排列，根据聚合物层的情况通常具有大约2°或者更大的表面倾角。
另一种已知的排列技术为斜蒸技术，如斜蒸SiO技术，根据蒸发方向的角度不同，这种方法可以产生零表面倾角，或较大的倾角如30°。这种技术在大量制造时是很麻烦的，但是更重要的问题是它在液晶盒壁的整个大面积上难于形成均匀的排列方向和表面倾角。
构成热色显示的短螺距胆甾相液晶材料是借助于在塑料液晶盒壁上形成压纹的光栅结构排列的，这在GB-2,143,323中给予了介绍(McDonnell，1983年)。过去利用光栅来实现预倾排列是采用一个炫耀光栅与一个正弦光栅交叉(E.S.Lee等，SID 93文摘，957页)。液晶定向分子沿着正弦光栅的沟槽排列，然后沿着炫耀光栅的沟槽排列，以形成倾角。在JP-A-60060624中介绍了一种利用两束干涉条纹对一层光敏层曝光来制造炫耀光栅的方法。
其它排列技术包括采用Langmuir Bloggett技术(H.Ikeno等人，日本应用物理杂志第27卷，第495页，1988年)；在基板上施加磁场(N.Koshida和S.Kikui，应用物理通信杂志，第40卷，第541页，1982年)；或者采用通过机械拉伸形成的具有光学各向异性的聚合物膜(H.Aoyama等，分子晶体与液晶，第72卷，127页，1981年)。并且已经制成了只有一个表面经过摩擦的扭曲向列相结构(Y.Toko等，日本显示杂志92期491页)。
M.Schadt，K.Schmitt，V.Kozinkov和V.Chigrinov在日本应用物理杂志31卷，2155页(1992)中介绍了一种改进的摩擦聚合物排列方法。当用偏振光照射时这种聚乙烯肉桂酸酯材料形成具有各向异性分布的交联结构。这种各向异性使得表面上的液晶排列处于选定的方位角方向。向列相偶极子的方向垂直于用于使表面发生交联的光的偏振方向，并且具有零表面倾角(预倾角)。
对于大多数液晶盒来说，分子表面倾角对显示器的正确工作是十分必要的。
本发明的目的在于在液晶显示装置中提供适宜的液晶分子排列和表面倾角。
根据本发明在有序聚合物排列层中零表面倾角的问题是通过采用炫耀(不对称)光栅结构对交联层的表面轮廓整形来解决的。
根据本发明提供表面排列和表面分子倾角的方法包括以下步骤：
形成一层能够在液晶盒壁表面上发生交联的材料，
用偏振光照射这层材料，使之发生各向异性交联反应，
在该交联层上形成一个不对称光栅，从而使与这一层材料接触的液晶分子在液晶盒壁的平面上发生排列和产生倾角。
这种材料可以是当用紫外光照射时其分子量增加的一种聚合物、低聚物、或单聚物，并且这种材料最好是与塑料或者玻璃盒壁兼容的。
构成光栅的沟槽可以沿着偏振光的偏振方向排列，或者沿着与偏振光方向成非零角度的方向排列。
偏振光的偏振特性可以从线性变化到含有一定量的椭圆偏振光。椭圆度改变了方向角锚定能量，即排列方向的强度。
根据本发明一种液晶盒包括：
两个分隔开的液晶盒壁，在其上相对的表面上具有电极结构以在电极交叉处形成象素，在其中至少一个相对表面上具有排列层，
封闭在所说盒壁之间的一层液晶材料，
其特征在于：
一层各向异性交联排列材料，它使液晶分子形成排列，和
位于该排列层表面上的具有不对称轮廓的光栅，
其设计是这样的，该排列层导致液晶分子沿着所要求的方向排列，并且具有表面分子倾角。
表面倾角的大小是由构成光栅的沟槽的角度和深度所确定的。
该不对称排列结构可以具有近似为锯齿波形的横截面形状。
该不对称的排列表面可以定义为这样一个平面，在该平面中不存在这样的一个h值：
Y(h-x)＝Y(h+x)    ……(1)
对于所有的x值，其中Y为描述表面幅度的函数。
液晶材料可以是向列相液晶、长螺距胆甾相液晶、胆甾相液晶、或近晶相液晶，包括铁电液晶材料，含有或不含有染料。
这种液晶装置可以构成具有例如90°扭曲角的扭曲向列相液晶盒或者具有例如270°扭曲角的超扭曲向列相液晶装置。这种扭曲向列相液晶装置可以用常规方法进行多路转换寻址或者利用在每个可寻址象素处设置了薄膜晶体管的有源矩阵阵列进行寻址。还可以构成铁电液晶盒例如表面稳定的铁电液晶装置(双稳液晶装置)。
一个或两个液晶盒壁可以用一种相对较厚的非柔性材料如玻璃构成，或者一个或两个液晶盒壁可以用一种柔性材料如一薄层玻璃或者塑料材料如聚乙烯构成。在其内表面上可以对一个塑料盒壁压纹以形成一个光栅。此外，这种压纹可以构成许多小支柱(例如1-3μm高，5-50μm宽或更宽)以帮助盒壁的正确分离，并且当液晶盒弯曲时构成阻挡液晶材料流的屏障。这些支柱也可以由排列层材料构成。
现在参照附图，仅以实施例的形式介绍本发明，在这些附图中：
图1为可多路转换寻址矩阵液晶显示器的平面图；
图2为图1所示显示器的横截面图；
图3为液晶盒壁的平面示意图，表示偏振方向和向列相液晶分子排列方向的取向；
图4为形成不对称排列结构的装置的示意图；
图5为经过图4所示装置处理的液晶盒的剖视图；
图6为用于形成不对称排列结构的另一种装置。
图1、图2所示的显示器包括一个由包含在玻璃壁3、4之间的向列相或长螺距胆甾相液晶材料层2形成的液晶盒1。分隔环5使两个壁之间保持6μm的间距。此外在液晶材料之间散布有许多直径为6μm的玻璃珠以精确保持液晶盒壁之间的间隔。在一个壁3上形成有条形的由例如SnO2或ITO构成的行电极6，在另一个壁4上形成有相似的列电极7。m-行n-列电极形成了可寻址单元或象素的一个m，n矩阵。每个象素由一个行电极和一个列电极的交叉点构成。
行驱动器8向每个行电极6施加电压。相似地，列驱动器9向每个列电极7施加电压。所施加电压的控制是由一个控制逻辑电路10完成的，该电路由电压源11供电，由时钟12提供时钟信号。
液晶盒的两侧为偏振片13，13’，它们的偏振轴彼此交叉，并平行于相邻的一个壁3、4上的排列方向，如下所述。
在液晶盒1的后面可以设置一个部分反射镜16以及一个光源15。这使得可以通过反射看到显示，和在昏暗的环境下从后面进行照明。对于透射型液晶盒，可以省略这个镜子。
在组装之前，盒壁3、4要经过表面排列处理。当用偏振光照射时聚乙烯肉桂酸酯材料层发生交联反应，生成一种可使液晶材料进行排列的有序结构。如图3所示，，液晶分子排列方向n垂直于偏振方向E。方向n指向x轴，而方向E指向y轴，液晶层厚度沿z轴方向延伸，垂直于液晶盒壁。具有一定的表面倾角是必要的，因而液晶分子并不位于图3所示的x，y平面内，而是与之成2-20°或更大角度。
现在利用由炫耀光栅调整的表面可以增加预倾角。可以看到当向列相偶极子子指向垂直于炫耀光栅沟槽的方向时就得到一定的预倾角。如果在聚乙烯肉桂酸酯表面上刻划一个炫耀光栅，使得沟槽方向沿着y轴，就可以满足这个条件。于是向列相偶极子n就相交于沟槽方向(沿x轴方向)，并具有预倾角。在这个意义上说炫耀表面如上所定义。
实际上如在下面所解释的，可以在聚合反应过程的同时刻划光栅。
图4表示用于形成光栅的装置。如图所示从一个线性偏振光氦镉激光器31中发出的光30(波长为325nm)经过一个第一透镜32聚焦在一个固定的漫射器33和一个旋转漫射器34上。一个第二透镜35使已经散开的激光束30重新成为平行光，然后用一个半镀铝的分光器36将其分光到两个镜面37、38上。在位于两个镜面37、38之间的样品支架40中安装有形成光栅的基片39。在两个镜面37、38之间反向传播的光束建立起一个标准光波，即具有半个激光波长的周期的干涉条纹。为了形成正确的聚合物链方向。激光束偏振方向E沿着光栅沟槽的方向，即从图4页面向外的方向。
在将涂覆有铟锡氧化物(ITO)的玻璃基片39安装到样品支架40上之前，先将其在丙酮和异丙醇中清洗，然后以3000rpm在氯苯和二氯代甲烷(50∶50溶液)中旋覆聚乙烯肉桂酸酯2％溶液30秒钟以形成覆盖层41。在90℃温度下软态烤60分钟。然后如图4所示将基片39安装在样品支架40上，并以一定的倾角在从激先器31中发出的标准图形光波下曝光。这是制造干涉光栅的一个实例，参见M.C.Hutley，衍射光栅(学术出版社，伦敦1982)，95-125页。
如图5所示，干涉条纹记录在光聚合物层41中。光栅的间距依赖于基片39与标准光波之间的角度。通常对样品以1.5mW/cm2的能量密度曝光300秒钟。将样品在氯苯中旋转显影15秒钟，然后在异丙醇中清洗15秒钟。
制作光栅的第二种方法如图6所示。在这种情况下光栅图案是利用汞灯发出的线性偏振光通过一个光刻掩膜曝光取得的。如图所示，液晶盒壁45上涂覆由一层光聚物46。掩膜47是由玻璃片49上的铬条纹图案48构成的。线性偏振光由一台汞灯50产生，偏振方向为E。离轴照射确保得到炫耀光栅(在氯苯中显影之后)。还必须使照射偏振光的电矢量沿着沟槽的方向。
上述两种方法都使用了在聚乙烯肉桂酸酯的光学敏感范围内的光源(300-350nm)。其它可能的制造方法包括用激光直接光刻、或压纹、或载体层转换。
在本申请中描述的结构原则上说可以应用于任何在聚合反应过程中在光作用下能够变成有序状态的物质。在液晶排列方面，还可以通过采用椭圆偏振光代替线性偏振光来减小聚合物层的角锚定强度。这是由于减弱了x方向的有序度。此外，预倾角可以独立于锚定强度而改变，因为前者只是拓扑结构函数。
顶点锚定能量还可以通过改变光栅材料，或者通过在光栅表面使用表面活性剂(例如lethecin)来控制。
光栅41可以覆盖液晶盒壁的整个表面，或者覆盖每个象素的全部或部分，或者可以稍稍延伸出各个象素的边界。光栅可以位于整个光栅材料层的象素区域，而在象素之间的区域覆盖有不含有光栅或者没有发生交联的聚合物。另外象素区域的光栅可以是由象素之间不含有光栅的聚合物分隔区的光栅构成。象素之间不含有光栅的区域可以用于改进显示器通导(ON)和关闭(OFF)状态之间的对比度，因为这些无光栅区域在正常的白色扭曲向列相显示器上会显示为黑色。这样就不必象在目前使用的某些显示器中那样，在电极之间的液晶盒壁上设置黑色图形。
在象素的不同部分，或在相邻的象素之间，每个象素处的沟槽方向可以是不同的，例如两半象素处的沟槽方向彼此正交。此外，沟槽的不对称性和/或沟槽的深度在一个象素区域内可以是变化的(因而导致表面预倾角)以增加灰度能力，特别是对于STN液晶盒(扭曲角在180和360度之间，例如270度)。这种象素细分特性可以改善显示器的视角。
上述预倾排列还可以用于近晶相和胆甾相液晶装置。

Claims (19)

1、一种在液晶装置(1)的盒壁(3、4、41、46)上提供表面排列和表面分子预倾角的方法，包括以下步骤：
在液晶盒壁(3、4、41、46)表面上形成一层(41、46)能够发生交联的物质，
用偏振光照射所说的这层物质(41、46)，以使之发生各向异性交联反应，
在交联层(41、46)中形成不对称光栅，从而使与所说交联层(41、46)接触的液晶分子(2)具有排列并且相对于液晶盒(3、4、41、46)壁平面具有倾角。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所说光栅是采用偏振光干涉仪或倾斜照射光刻方法形成的。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所说偏振光是线性偏振光。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所说偏振光是椭圆偏振光。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所说光栅(41、46)的沟槽沿着或以与偏振光偏振轴具有非零角度的方向排列。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所说光栅(41、46)的轮廓是变化的，以改变表面倾角。
7、一种液晶装置包括：
两个分隔开的液晶盒壁(3、4)，在其上两个相对表面上具有电极结构(6、7)以在电极(6、7)交叉处形成象素，在其中至少一个相对表面(3、4)上具有排列层(41、46)，
封闭在所说盒壁(3、4)之间的一层液晶材料层(2)，
其特征在于：
一层各向异性交联排列材料(41、46)，它能够使液晶分子形成排列，和
位于该排列层(41、46)表面上的具有不对称轮廓的一个光栅，
所说排列材料层和光栅是这样安排的，该排列层(41、46)使液晶分子沿着所要求的方向形成排列，并且具有表面分子倾角。
8、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：具有不对称轮廓的光栅(41、46)形成在构成象素的电极(6、7)交叉处，其间间隙不包含光栅。
9、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说具有不对称轮廓的光栅(41、46)方向在每个象素的不同区域或在相邻的象素区域是不同的。
10、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说具有不对称轮廓的光栅(41、46)的不对称性在每个象素的不同区域或在相邻的象素区域是不同的。
11、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说具有不对称轮廓的光栅(41、46)中沟槽的深度在每个象素的不同区域或在相邻的象素区域是不同的。
12、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说具有不对称轮廓的光栅(41、46)涂覆有一层表面活性剂。
13、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说液晶材料(2)为向列相、胆甾相、或近晶相液晶材料。
14、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：在液晶盒壁(3、4)上设置有与排列方向(R)相应的偏振片(13、13’)，以在液晶材料(2)的两种转换状态之间形成最大的对比度。
15、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：包括用于向液晶盒电极(6、7)施加寻址电压的装置(8、9、10、11、12)。
16、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：液晶盒壁(3、4)是由玻璃制成的。
17、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：液晶盒壁(3、4)是由柔性塑料制成的。
18、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：在一个或两个液晶盒壁(3、4)上形成有分隔柱。
19、如权利要求7所述的液晶装置，其特征在于：所说分隔柱是由在一个或两个盒壁(3、4)上构成光栅的材料(41、46)形成的。
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