CN107167978B - 蓝相液晶显示器、其制造方法、以及其所使用的手性材料 - Google Patents

Abstract

蓝相液晶显示器，包含第一基板、电极层、第二基板、第一界面层及蓝相液晶层。电极层位于第一基板的表面上。第二基板相对于第一基板。第一界面层位于第二基板的表面上，第一界面层包含手性材料。蓝相液晶层位于第一基板与第一界面层之间。第一界面层中的手性材料与蓝相液晶层的交互作用，增加靠近第二基板侧的蓝相液晶分子的螺旋节距，提升了相位延迟，进而提升了光穿透率。本发明还公开了蓝相液晶显示器的制造方法以及其所使用的手性材料。

Description

蓝相液晶显示器、其制造方法、以及其所使用的手性材料

技术领域

本发明涉及显示器领域，尤其是蓝相液晶显示器及其制造方法。

背景技术

在室温下，一般的液晶相具有光学异相性(optical anisotropicity)，但是蓝相液晶(Blue Phase Liquid Crystal，BPLC)却是具有光学等向相性(opticalisotropicity)。因此，蓝相液晶在未施加电压时，呈现暗态、施加电压后呈现亮态，因而具有优异的电压驱动效果。此外，蓝相液晶的应答速率(response time，RT)在毫秒(ms)至微秒(um)之间，具有应答快速的优点。基于上述的优异效果，被誉为未来显示器的新趋势。

十年来，为了将LCD显示器发展至CRT的水平，具快速应答速率特性的蓝相液晶又受到学术及产业界的重视。蓝相液晶目前已透过添加反应型单体(reactive monomer)或利用配方的改变扩张蓝相液晶的操作温度范围，克服了传统上操作温度区间过短的缺点，从而能够应用于目前的液晶显示器中。

此外，为了适用于液晶显示器的驱动条件，在蓝相液晶分子中添加手性物质(Chrial dopant)，使蓝相液晶分子形成双螺旋结构。在手性物质添加的浓度提高时，因绕射、反射所产生的光线的波长会落入紫外光区，这可以减少了暗态透光的问题。同时地，蓝相液晶分子之间的螺旋节距会缩短、相对地，操作电压会因此提升。相反的，手性物质添加的浓度不够时，虽然可以降低操作电压，但因绕射、反射所产生的光线的波长会落入可见光区，这使得未施加电压时，可能产生漏光。

随着液晶显示器的技术提升，目前的驱动电极可以仅设置于单侧，例如平面式开关(in-plane switch，IPS)电极。但由于此类型电极产生的电场，通常会产生靠近电极侧的电场强度大、远离电极侧的电场强度小的不均性。这容易造成蓝相液晶分子在远离电极侧的相位延迟(phase retardation)降低，换言之，在电场驱动下，远离电极侧的蓝相液晶分子受电场驱动的偏转角度小于靠近电极侧的偏转角度，因而减少了透光率，同时造成蓝相液晶显示器的光学质量降低。

发明内容

为了解决蓝相液晶显示器穿透率下降及光学质量降低的现象。在一实施例中，本申请案提供一种蓝相液晶显示器，蓝相液晶显示器包含第一基板、电极层、第二基板、第一界面层及蓝相液晶层。电极层位于第一基板的表面上。第二基板相对于第一基板。第一界面层位于第二基板的表面上，第一界面层包含手性材料(chiral)。蓝相液晶层位于第一基板与第一界面层之间。第一界面层的手性材料与蓝相液晶层的互相影响，增加了靠近第二基板侧的蓝相液晶分子的螺旋节距(helical pitch)，造成靠近第二基板侧的蓝相液晶分子的驱动电压下降，进而提升了相位延迟(phase retardation)，而提升了光穿透率。换言之，第一界面层的手性材料与蓝相液晶层之间的交互作用，造成靠近第二基板侧的蓝相液晶分子之间的内聚力减少，因此，在同样的电场驱动下产生较大的液晶偏转，从而靠近第二基板侧的蓝相液晶分子能充分偏转，以达到较高的穿透率。

在一实施例中，第一界面层为一聚酰亚胺层，其中聚酰亚胺与至少一具有手性结构的侧链基化合物键结。

在一实施例中，蓝相液晶显示器更包含第二界面层。第二界面层邻近蓝相液晶层，且第二界面层位于第一基板的表面上，第二界面层与第一界面层具有相同的手性材料。藉此，可藉由第一界面层与第二界面层与邻近蓝相液晶分子的相互影响，进一步地在高驱动电压时，具有较佳的穿透率。

在一实施例中，第一界面层中的手性材料，其中手性材料由聚酰亚胺层与具有手性结构的侧链基所组成，其中手性结构的侧链基包括烷基醇(alkylalcohol)衍生物、烷基n二醇(alkyl-1,n-diol)衍生物、异山梨酯(isosorbide)衍生物、乳酸(lactic acid)衍生物、乙苯二醇(phenylethane-1,2-diol)衍生物、联萘(binaphthyl)衍生物、1,2联苯-1,2乙二胺(1,2diphenyl-1,2diaminoethane)衍生物、环己基氨基醇(cyclohexylaminoalcohol)衍生物、胆固醇(cholesterol)衍生物、β雌二醇(β-estradiol)衍生物、马来酰亚胺(maleimide)衍生物、及三乙苯二醇(triphenylethane-1,2-diol)衍生物的至少其中之一。

进一步地，基醇衍生物包含化学结构式(1)及化学结构式(2)的官能基的至少其中之一；烷基n二醇衍生物包含化学结构式(3)的官能基；异山梨酯衍生物包含化学结构式(4)的官能基；乳酸衍生物包含化学结构式(5)的官能基；乙苯二醇衍生物包含化学结构式(6)的官能基；联萘衍生物包含化学结构式(7)、化学结构式(8)、化学结构式(9)的官能基的至少其中之一；1,2联苯-1,2乙二胺衍生物包含化学结构式(10)及化学结构式(11)的官能基的至少其中之一；环己基氨基醇衍生物包含化学结构式(12)的官能基；胆固醇衍生物包含化学结构式(13)的官能基；β雌二醇衍生物包含化学结构式(14)的官能基；马来酰亚胺衍生物包含化学结构式(15)及化学结构式(16)的官能基的至少其中之一；以及三乙苯二醇衍生物包含化学结构式(17)的官能基，其中：

化学结构式(1)：

化学结构式(2)：

其中R1为CH₃或CF₃，n＝2-12；

化学结构式(3)：

化学结构式(4)：

化学结构式(5)：

化学结构式(6)：

化学结构式(7)：

化学结构式(8)：

化学结构式(9)：

化学结构式(10)：

化学结构式(11)：

化学结构式(12)：

化学结构式(13)：

；

化学结构式(14)：

化学结构式(15)：

化学结构式(16)：

以及

化学结构式(17)：

在一实施例中，电极层系平面式开关(in plane-switching，IPS)电极，电极层产生的电场方向平行于第一基板的表面。在此，第一基板为阵列基板、而第二基板为彩色滤光基板。

在一实施例中，第一界面层中的手性材料与蓝相液晶层中的第二手性材料的旋性相反。在此，相互影响或交互作用系指手性材料旋性的交互作用，尤其是旋性相消产生的解旋作用。第一界面层与蓝相液晶层之间的解旋作用增加了靠近第二基板侧的蓝相液晶分子的螺旋节距(helical pitch)，降低了靠近第二基板侧的蓝相液晶分子的驱动电压，因此在相同的电场驱动下，靠近第二基板侧的蓝相液晶分子能充分偏转，使得穿透率提升。

在一实施例中，本申请案更提供一种蓝相液晶显示器的制造方法。蓝相液晶显示器的制造方法包含：形成电极层于第一基板的表面上；形成第一界面层于第二基板的表面上，第一界面层包含手性材料；以及填充蓝相液晶层于第一基板与第一界面层之间。

在一实施例中，蓝相液晶显示器的制造方法，更包含在填充蓝相液晶层的步骤之前，形成第二界面层于第一基板的表面上，其中第二界面层与第一界面层具有相同的手性材料，在形成蓝相液晶层的步骤之后，第二界面层邻近于蓝相液晶层。

在一实施例中，本申请案更提供一种蓝相液晶显示器所使用的手性材料。手性材料包含烷基醇(alkylalcohol)衍生物、烷基n二醇(alkyl-1,n-diol)衍生物、异山梨酯(isosorbide)衍生物、乳酸(lactic acid)衍生物、乙苯二醇(phenylethane-1,2-diol)衍生物、联萘(binaphthyl)衍生物、1,2联苯-1,2乙二胺(1,2diphenyl-1,2diaminoethane)衍生物、环己基氨基醇(cyclohexylaminoalcohol)衍生物、胆固醇(cholesterol)衍生物、β雌二醇(β-estradiol)衍生物、马来酰亚胺(maleimide)衍生物、及三乙苯二醇(triphenylethane-1,2-diol)衍生物的至少其中之一。

综上所述，以上实施例藉由在界面层中添加的手性材料与蓝相液晶层的相互影响，对于单侧电极的蓝相液晶显示器，增加了远离电极层的蓝相液晶分子的螺旋节距、减少了驱动电压，进而能达到提升远离电极层处的蓝相液晶的相位延迟，进而提升透光率，改善蓝相液晶显示器的光学质量的效果。

附图说明

图1为蓝相液晶显示器一实施例的剖面示意图。

图2为蓝相液晶显示器另一实施例的剖面示意图。

图3a为邻近界面层的蓝相液晶分子螺旋节距(helical pitch)的示意图。

图3b为不邻近界面层的蓝相液晶分子螺旋节距(helical pitch)的示意图。

图4为蓝相液晶显示器制造方法的流程图。

图5a为本申请一实施例的蓝相液晶显示器与现有蓝相液晶显示器的穿透率-驱动电压比较图。

图5b为本申请一实施例的蓝相液晶显示器与现有蓝相液晶显示器的电压保持率-充电时间比较图。

其中，附图标记：

1 蓝相液晶显示器 10 第一基板

15 电极层 20 第二基板

30 第一界面层 35 第二界面层

40 蓝相液晶层 41 蓝相液晶分子

S1 蓝相液晶显示器的制造方法

S10 形成电极层于第一基板的表面

S15 形成第二界面层于第一基板的表面上

S20 形成第一界面层于第二基板的表面上

S30 填充蓝相液晶层于第一基板与第一界面层之间

具体实施方式

参阅图1，蓝相液晶显示器一实施例的剖面示意图。如图1所示，蓝相液晶显示器1包含第一基板10、电极层15、第二基板20、第一界面层30以及蓝相液晶层40。电极层15位于第一基板10的表面上、第二基板20相对于第一基板10。在此，蓝相液晶显示器1可以适用于单侧电极的各种形式，例如，第一基板10为阵列(array)基板、第二基板20为彩色滤光(color filter，CF)基板，电极层15位于第一基板10表面的平面式开关(in-plane switch，IPS)电极，且以透明导电材料所制成，电极层15产生的电场方向平行于第一基板10的表面，以上仅为示例，但不限于此。

第一界面层30位于第二基板20的表面上，并且面向第一基板10。第一界面层30为透明，且包含手性材料(Chiral)。举例而言，第一界面层30的主体为聚酰亚胺(polyimide，PI)，其中聚酰亚胺包括含有至少一具有手性结构的侧链基化合物。蓝相液晶层40位于第一基板10与第一界面层30之间，包含多个蓝相液晶分子41。详细而言，多个蓝相液晶分子41也掺杂手性材料(Chiral dopant)，其中第一界面层30的手性材料(Chiral)与多个蓝相液晶分子41中掺杂手性材料(Chiral dopant)不相同。

更详细地，第一界面层30中的手性材料由聚酰亚胺层与具有手性结构的侧链基所组成，其中手性结构的侧链基包括烷基醇衍生物、烷基n二醇衍生物、异山梨酯衍生物、乳酸衍生物、乙苯二醇衍生物、联萘衍生物、1,2联苯-1,2乙二胺衍生物、环己基氨基醇衍生物、胆固醇衍生物、β雌二醇衍生物、马来酰亚胺衍生物、及三乙苯二醇衍生物的至少其中之一。举例而言，化学结构式(1)、化学结构式(2)、化学结构式(3)化学结构式(4)化学结构式(5)与化学结构式(6)中所标示＊为手性中心(chiral center)，且手性结构的侧链基不具有对称平面。

基醇衍生物包含化学结构式(1)及化学结构式(2)的官能基的至少其中之一，其中：

化学结构式(1)为

以及

化学结构式(2)为

其中R1为CH₃或CF₃，n＝2-12。

烷基n二醇衍生物包含化学结构式(3)的官能基，其中：

化学结构式(3)为

异山梨酯衍生物包含化学结构式(4)的官能基，其中：

化学结构式(4)为

乳酸衍生物包含化学结构式(5)的官能基，其中：

化学结构式(5)为

乙苯二醇衍生物包含化学结构式(6)的官能基，其中：

化学结构式(6)为

联萘衍生物包含化学结构式(7)、化学结构式(8)、及化学结构式(9)的官能基的至少其中之一，其中：

化学结构式(7)为

化学结构式(8)为

以及

化学结构式(9)为

1,2联苯-1,2乙二胺衍生物包含化学结构式(10)、及化学结构式(11)的官能基的至少其中之一，其中：

化学结构式(10)为

以及

化学结构式(11)为

环己基氨基醇衍生物包含化学结构式(12)的官能基，其中：

化学结构式(12)为

胆固醇衍生物包含化学结构式(13)的官能基，其中：

化学结构式(13)为

β雌二醇衍生物包含化学结构式(14)的官能基，其中：

化学结构式(14)为

马来酰亚胺衍生物包含化学结构式(15)及化学结构式(16)的官能基的至少其中之一，其中：

化学结构式(15)为

以及

化学结构式(16)为

三乙苯二醇衍生物包含化学结构式(17)的官能基，其中：

化学结构式(17)为

进一步地，蓝相液晶层40中含有第二手性材料，其目的是使蓝相液晶分子41形成双螺旋结构。在此，蓝相液晶层40与第一界面层30的相互影响或交互作用，主要是指手性材料与第二手性材料的旋性的交互作用。第一界面层30中的手性材，可以选择与蓝相液晶层40中的第二手性材料旋性相反的手性材料。例如，第二手性材料的旋性为左旋时，选择右旋的手性材料添加于第一界面层30中；而当第二手性材料的旋性为右旋时，选择左旋的手性材料添加于第一界面层30中。以上仅为示例，但不限于此，实际上并不限于旋性相反的选择方式。当选择旋性相反的手性材料时，第一界面层30与蓝相液晶层40中手性材料之间产生解旋现象(racemic effect)，使得远离电极层15的蓝相液晶分子41之间的内聚力减少，进而使得远离电极层15的蓝相液晶分子41的螺旋节距(helical pitch)增加，从而提升了相位延迟，也就是，较容易受电压驱动偏转。

参阅图2，蓝相液晶显示器另一实施例的剖面示意图。在另一实施例中，蓝相液晶显示器1更包含第二界面层35。第二界面层35邻近蓝相液晶层40，第二界面层35位于第一基板10的表面上，第二界面层35亦为透明，第二界面层35与第一界面层30具有相同的手性材料，第二界面层35亦可选择与第一界面层30旋性相同的手性材料，而相异于第一界面层30的手性材料。更详细地，第二界面层35的主体为聚酰亚胺(polyimide，PI)，其中聚酰亚胺包括含有至少一具有手性结构的侧链基化合物。在此，第二界面层35可以覆盖电极层15，也可填充于图案化的电极层15之间。此实施例在高驱动电压的条件下，可以使蓝相液晶显示器1具有较高的穿透率。

参阅图3a及图3b，分别为邻近界面层的蓝相液晶分子螺旋节距(helical pitch)的示意图与不邻近界面层的蓝相液晶分子螺旋节距(helical pitch)的示意图。同时参阅图1及图2，图3a所示的为邻近第一界面层30或邻近于第二界面层35的蓝相液晶分子41、而图3b为不邻近第一界面层30及第二界面层35的蓝相液晶分子41。由于第一界面层30与第二界面层35中的手性材料会与蓝相液晶分子41的相互影响，主要是手性材料的旋性的影响，使得邻近第一界面层30或邻近于第二界面层35的蓝相液晶分子41的螺旋节距(helicalpitch)相较于不邻近第一界面层30及第二界面层35的蓝相液晶分子41增加。换句话说，邻近第一界面层30或邻近于第二界面层35的蓝相液晶分子41的内聚力减少。因而，当施加电场时，邻近于第一界面层30或邻近于第二界面层35的蓝相液晶分子41的相位延迟提升，也就是，较为容易受电压驱动偏转。因而，可以解决单侧设置电极层15造成电场不均匀，从而解决透光率及光学质量不佳的问题。

参阅图4，蓝相液晶显示器制造方法的流程图。如图4所示，蓝相液晶显示器制造方法S1包含形成电极层于第一基板的表面上的步骤S10、形成第一界面层于第二基板的表面上的步骤S20及填充蓝相液晶层于第一基板与第一界面层之间的步骤S30。举例来说，电极层15为透明导电材料，形成电极层于第一基板的表面上的步骤S10可以利用蒸镀、溅镀、物理气相沉积(Physical vapor deposition，PVD)，或是化学气相沉积(chemical vapordeposition，PVD)等方式沉积于第一基板10的表面。形成第一界面层于第二基板的表面上的步骤S20中，可以将第一界面层30的材料，如聚酰亚胺(PI)与手性材料预先形成凝胶态，以旋涂、滚涂或喷涂等方式于第二基板20的表面，再经过干燥而在第二基板20的表面形成第一界面层30。

在此，形成电极层于第一基板的表面上的步骤S10与形成第一界面层于第二基板的表面上的步骤S20可以同时进行，也可以先后进行。同时参考图1，也就是，可以预先形成电极层15于第一基板10上、形成第一界面层30于第二基板20上而制成二组半成品，再将半成品之间进行以灌注方式填充蓝相液晶层40。

更进一步地，同时参阅图2，在填充蓝相液晶层于第一基板与第一界面层之间的步骤S30之前，更包含形成第二界面层35于第一基板的10表面上的步骤S15，其中第二界面层35与第一界面层30具有相同的手性材料，亦可选择与第一界面层35旋性相同的手性材料，而相异于第一界面层35的手性材料。第二界面层35的主体为聚酰亚胺(polyimide，PI)，其中聚酰亚胺包括含有至少一具有手性结构的侧链基化合物。更详细第，第二界面层35中的手性材料由聚酰亚胺层与具有手性结构的侧链基所组成。在填充蓝相液晶层于第一基板与第一界面层之间的步骤S30之后，第二界面层35邻近于蓝相液晶层40。也就是，可以预先形成电极层15及第二界面层35于第一基板10上、形成第一界面层30于第二基板20上而制成二组半成品，再将半成品之间进行填充蓝相液晶层40。

参阅图5a及图5b，图5a是本申请一实施例的蓝相液晶显示器与现有蓝相液晶显示器的穿透率-驱动电压曲线比较图。而图5b是本申请一实施例的蓝相液晶显示器与现有蓝相液晶显示器的电压保持率-充电时间比较图。本申请案实施例以手性材料的第一界面层30的实施例为例。如图5a所示，实线呈现的是本案实施例的蓝相液晶显示器的穿透率-驱动电压曲线，而虚线呈现的是现有的蓝相液晶显示器的穿透率-驱动电压曲线。值得注意的是，在驱动电压超过40V以上的区段，现有蓝相液晶显示器的穿透率-驱动电压出现平缓，本案实施例的蓝相液晶显示器仍呈持续上升的趋势，穿透率明显高于现有蓝相液晶显示器。整体而言，本案实施例的蓝相液晶显示器的穿透率，约高于现有蓝相液晶显示器的穿透率13％。

如图5b所示，各直线图右侧为是本申请一实施例的蓝相液晶显示器的电压保持率，而左侧为现有蓝相液晶显示器的电压保持率，分别对应不同的充电时间，在此时间单位为微秒(μs)。值得注意的是，在不同的充电时间，本案实施例的蓝相液晶显示器的电压保持率(Voltage Holding Ratio，VHR)都高于现有蓝相液晶显示器的电压保持率，整体的电压保持率能提升2％。

以上实施例主要是藉由蓝相液晶显示器在结构的变化，能改善单侧电极的蓝相液晶显示器的光学质量。主要的变化在于在远离电极层的基板上蓝相液晶分子与第一界面层中的手性材料相互影响，增加了远离电极层的蓝相液晶分子的螺旋节距、减少了驱动电压，从而在以同样电场驱动时，提升远离电极层的蓝相液晶分子的相位延迟提升，也就是增加偏转角度，进而提升透光率及改善蓝相液晶显示器的光学质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种蓝相液晶显示器，其特征在于，包含：

一第一基板；

一电极层，位于该第一基板的一表面上；

一第二基板，相对于该第一基板；

一第一界面层，位于该第二基板的表面上，该第一界面层包含一手性材料；以及

一蓝相液晶层，位于该第一基板与该第一界面层之间；

其中，该第一界面层中的该手性材料与该蓝相液晶层中的一第二手性材料的旋性相反，该蓝相液晶层中的蓝相液晶分子在该第二手性材料的作用下形成双螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的蓝相液晶显示器，其特征在于，该第一界面层为一聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺包括含有至少一具有手性结构的侧链基化合物。

3.根据权利要求1所述的蓝相液晶显示器，其特征在于，该手性材料包括烷基醇衍生物、烷基n二醇衍生物、异山梨酯衍生物、乳酸衍生物、乙苯二醇衍生物、联萘衍生物、1,2联苯-1,2乙二胺衍生物、环己基氨基醇衍生物、胆固醇衍生物、β雌二醇衍生物、马来酰亚胺衍生物、及三乙苯二醇衍生物的至少其中之一。

4.根据权利要求3所述的蓝相液晶显示器，其特征在于，该烷基醇衍生物包含化学结构式(1)及化学结构式(2)的官能基的至少其中之一；该烷基n二醇衍生物包含化学结构式(3)的官能基；该异山梨酯衍生物包含化学结构式(4)的官能基；该乳酸衍生物包含化学结构式(5)的官能基；该联萘衍生物包含化学结构式(9)的官能基；该1,2联苯-1,2乙二胺衍生物包含化学结构式(10)及化学结构式(11)的官能基的至少其中之一；该环己基氨基醇衍生物包含化学结构式(12)的官能基；该胆固醇衍生物包含化学结构式(13)的官能基；该β雌二醇衍生物包含化学结构式(14)的官能基；以及该三乙苯二醇衍生物包含化学结构式(17)的官能基，其中：

化学结构式(1)：

化学结构式(2)：

其中R₁为CH₃或CF₃，n＝2-12；

化学结构式(3)：

化学结构式(4)：

化学结构式(5)：

化学结构式(9)：

化学结构式(10)：

化学结构式(11)：

化学结构式(12)：

化学结构式(13)：

化学结构式(14)：

以及

化学结构式(17)：

5.根据权利要求1所述的蓝相液晶显示器，其特征在于，更包含：

一第二界面层，邻近该蓝相液晶层而该第二界面层位于该第一基板的表面上，该第二界面层与第一界面层具有相同的该手性材料。

6.根据权利要求1所述的蓝相液晶显示器，其特征在于，该电极层为一平面式开关电极，该电极层产生的一电场方向平行于该第一基板的表面。

7.一种蓝相液晶显示器的制造方法，其特征在于，包含：

形成一电极层于一第一基板的表面上；

形成一第一界面层于一第二基板的表面上，该第一界面层包含一手性材料；以及

填充一蓝相液晶层于一第一基板与该第一界面层之间；

其中，该第一界面层中的该手性材料与该蓝相液晶层中的一第二手性材料的旋性相反，该蓝相液晶层中的蓝相液晶分子在该第二手性材料的作用下形成双螺旋结构。

8.根据权利要求7所述的蓝相液晶显示器的制造方法，其特征在于，更包含：

在填充该蓝相液晶层的步骤之前，形成一第二界面层于该第一基板的一表面上，该第二界面层与该第一界面层具有相同的该手性材料，在形成该蓝相液晶层的步骤之后，该第二界面层邻近于该蓝相液晶层。

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