CN1102712A - 低电光阈值的液晶盒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

加到液晶材料中的可光致固化的聚合物前体发 生聚合以形成混合物，它显著降低了标准扭曲向列液 晶盒的阈值电压和饱和电压。所形成的显示装置的 性能特点与具有很高预倾角的装置类似，从而提供了 制造一类需要高度预倾斜排列的液晶盒的经济合算 的方法。聚合物的存在大大减小了与离子有关的不 利作用，例如在液晶显示装置中的光学衰减和电荷保 留。

Description

本发明涉及液晶盒及其制造方法，具体地说，涉及一种制造液晶盒的方法，该液晶盒的电光阈值低于盒内含有的液晶材料的特征电光阈值。
降低液晶装置的电光阈值有利于降低为在液晶盒的光学状态之间进行切换所需的驱动电压。例如，标准的扭曲向列液晶装置的电光阈值约为2.0伏。这一阈电压是液晶盒中含有的液晶材料的特征。
过去曾采用过两种方法来降低标准的扭曲向列液晶盒的驱动电压。一种方法需要使用具有低弹性常数的高介电常数液晶材料，另一种则要求采用高的预倾斜排列。图1表示了用液晶材料和排列技术相结合制造的六个标准的扭曲向列液晶盒的电光阈值曲线（所鉴定的液晶材料由Merck公司制造）。例如，曲线1和2代表充满同样液晶材料的液晶盒，曲线1表示了具有高预倾斜角一氧化硅（SiO）排列的盒的性能，曲线2表示具有低预倾角聚乙烯醇（PVA）排列的盒的性能。高的预倾斜使电光阈值降低约0.6伏。
由于以下原因，这些方法均不理想。高介电常数材料造成较高的高子溶解度，这在活性矩阵寻址显示器中显现出其图象保留效应。高的预倾斜排列是通过蒸镀排列实现的，这既不容易也不经济。
因此，需要一种能在图像显示系统中作为开关工作的液晶盒，它在较低的外施驱动电压作用下改变光学状态。
本发明的目的之一是提供一种适合用于图象显示的电光阈值较低的液晶盒。
本发明的另一目的是提供制造这种液晶盒的经济合算的方法。
本发明通过在液晶材料中掺加一种可光致固化的聚合物前体，并且在光固化期间对液晶盒施加电压，使液晶盒的电光阈值显著降低。在一项优选的实施方案中，要求在液晶材料中加入一种可光致固化的单体和特定的固化条件，以便显著降低标准的扭曲向列液晶盒的驱动电压。在液晶材料中加入可光致固化的聚合物前体大大降低了驱动电压，一般是从2.2伏到1.2伏。电压的降低与可光致固化单体聚合期间倾角的增加是一致的，因为它使电光阈值的最终降低结果和用一氧化硅蒸镀法达到的相似。
根据本发明制造的液晶显示器至少可以具有以下两个优点之一。第一个优点是，此方法可以用来制造目前需要用昂贵的形成高预倾角的方法制造的显示器，例如超扭曲向列的聚酰亚胺液晶盒，超双折射效应和铁电体显示器。第二个优点是，聚合物前体的使用明显地捕获或屏蔽了离子，从而减小了显示器中与离子有关的问题。因此，此技术可用来制造要求低驱动电压和对与离子有关的问题耐受力低的活性矩阵显示器。
本发明的其它目的和优越性在以下参照附图对本发明优选实施方案的详细说明中将变得显而易见。
图1是用不同的先有技术排列方法和液晶材料配方及工艺制得的六种标准扭曲向列液晶盒的电光响应对比关系图。
图2是根据本发明制造的液晶盒某些组成部件的侧视图。
图3是一个标准的扭曲向列液晶装置和根据本发明制造的扭曲向列液晶装置的电光响应曲线对比关系图。
图4A和4B是根据本发明在不同的固化电压下制得的不同厚度扭曲向列液晶盒的电光响应对比关系图。
图2表示根据本发明制造的一个液晶盒10。参看图2，液晶盒10包括一对通常是平行和分开的电极结构12和14，它们包含着向列液晶材料和聚合物材料的混合物16。混合物16中含有液晶与可光致固化的聚合物前体材料的规定混合物，该前体材料由紫外光固化，同时在电极12和14之间施加电压。电极结构12包括一个玻璃介电基板18，基板的内表面上有一层导电但光学上透明的材料20，例如氧化铟锡。导电层20上最好涂有一层二氧化硅（未画出）。
在导电层20上敷加一个聚酰亚胺材料取向剂排列膜层22，它在电极结构12和液晶与聚合物材料的混合物16之间形成边界。将膜22的与液晶材料接触的表面摩擦，形成与膜22接触的液晶材料中取向剂的预倾角。膜22经摩擦产生的预倾角最好在相对于膜22的表面约3°至10°之间。电极结构14的结构与电极12相似，其中与电极结构12相对应的部件用同一数字加“，”表示。
电极结构12和14的长边彼此偏移一小段距离，以便利用导电层20和20′在接点24和24′与合适的驱动器（未画出）输出导线相连。衬垫26可以是任何合适的材料（例如玻璃纤维），用以保持电极结构12和14之间的通常的平行关系。
下面作为例子来说明本发明的液晶盒10是通过在一个Corning公司硼硅酸盐玻璃基板18上沉积一个涂镀上二氧化硅的氧化铟锡层而制得的。一个旋转涂敷并加热固化的聚酰亚胺排列层22提供了处在约3°-4°的预倾角。衬垫26是Morex黑衬垫型，喷溅在每个液晶盒10的一个玻璃基板18上。将液晶盒10装配成90°扭曲液晶盒。主体液晶材料是Merck  ZLI  4718，其中掺杂了浓度为0.05%的ZLI3786手性添加剂，以防止倒转的扭曲旋转位移。可光致固化的聚合物前体是单体Desotech  DSM  950-044，在半暗的房间里于最小的光照条件下将它以1%至5%的浓度加到不同液晶盒10的主体液晶材料中。将所形成的掺杂的液晶材料在机械振荡器中搅动几分钟，加热到混合物变成各向同性，使用前储存在黑箱子中。将混合物再次彻底搅动，然后在最小的光照条件下装入液晶盒10中。
使用Tamarack曝光台在从0到50伏（均方根值）的电压下将盒10固化5分钟。
使用两个与液晶盒10的结构相似的对照液晶盒作为参考。对照液晶盒的电极结构之间使用5.5μm和7.5μm的衬垫，中间充满△n＝0.085的主体液晶材料。
聚合物浓度和固化条件是影响液晶盒10的电光响应特性的两个重要参数。关于聚合物浓度，实验表明掺杂1%DSM（DSM指的是动态散射模式掺加剂）的液晶盒在任何固化电压下均未显示出电光阈值电压的下降;掺杂5%DSM的液晶盒在低至5伏（均方根值）的固化电压下显示出垂面排列的结构;而掺杂4%DSM的液晶盒只是在5-10伏（均方根值）的电压下才显示电光阈值电压降低，但是在固化电压大于10伏（均方根值）时显示出垂面排列的结构。在5-10伏（均方根值）下固化的掺杂4%DSM的液晶盒在偏振显微镜下检验时有散射现象。下面引用掺杂2%DSM的液晶盒得到的结果作为例子，因为这种液晶盒产生最好和最恒定的结果。
关于固化条件，实验表明固化电压大于20伏（均方根值）的液晶盒在刚刚固化后反差很差，但在暗处放置时反差有显著改进。一旦固化之后，液晶盒需要至少72小时使取向剂松弛到最低能量构型并建立稳定的聚合物构型。松驰时间与固化电压有关，在超过20伏的电压下固化的液晶盒需要较长的松弛时间。
实施例1
此实施例表明，通过将液晶材料和适当浓度的聚合物前体混合并且在由施加在装置两端的电压产生的固化电场存在下进行固化，电光阈值电压和饱和电压降低。
图3表示一个扭曲向列液晶装置在用紫外光和外施固化电场固化前后的电光响应曲线A和B的协同关系。该扭曲的向列液晶盒放置在交叉的偏振片之间以得到光学响应曲线，扭曲向列液晶盒厚5.5μm，装满掺有2%浓度DSM950-044的ZLI-4716，用Nisson  610聚酰亚胺材料排列取向。
曲线A代表在液晶盒受紫外光曝光前得到的高电压响应，曲线B表示在DSM950-044聚合物前体在盒的两端施加40伏（均方根值）下用紫外光固化后得到的低电压响应。曲线A和B显示出在10%透光率时阈值电压降低1.0伏，在90%透光率时饱和电压降低0.8伏。
实施例2
此实施例显示了不同固化电压对所固化的六个6.0μm液晶盒10的电光响应特性及开关速度的影响。这些液晶盒属于扭曲向列型，在相同的条件下装配和填充，并且以10伏间隔在从0到50伏（均方根值）下进行固化。对六个液晶盒在固化5天、9天和19天后进行三个系列的电光测量。在40伏和50伏（均方根值）下固化的液晶盒分别在固化5天和9天后显示出取向剂完全松弛，在固化19天后没有变化。
图4A表示这些液晶盒在固化2个月后的电光响应曲线。在0伏特下固化的液晶盒比只装入主体液晶材料的5.5μm对照液晶盒有较高的阈值电压和饱和电压。这表明这些液晶盒需要接受外加的固化电压。在10伏（均方根值）下固化的液晶盒显示出很微小的总电压降低，而且液晶盒比对应于第一干涉最小值的厚度似乎要厚。在20伏或更高固化电压下固化的液晶盒显示出阈值电压和饱和电压明显降低。这些液晶盒有高的反差，而且可以认为处在第一干涉最小值的厚度。
测量了六个6μm液晶盒的接通和断开速度，与它们在室温（25℃）下的阈值电压和饱和电压一起列在表1中。接通（τon）和断开（τoff）响应时间分别用先施加5伏脉冲信号来接通液晶盒、然后在液晶盒两端造成短路使其断开来进行测量。在50伏下固化的液晶盒的τoff响应比对照液晶盒的慢。与对照液晶盒相比，在零伏下固化的液晶盒的阈值电压和饱和电压较高，但Ioff响应较快。
表1
液晶盒 V10％（伏） V90％（伏） Ton（毫秒） Tott（毫秒）
对照样 2.1 3.4 10 14
O  伏固化 2.4 4.0 11 11
10  伏固化 1.9 3.5 9.5 16
20  伏固化 1.6 3.1 10 22
30  伏固化 1.5 2.9 9.4 24
40  伏固化 1.3 2.9 8.6 28
50  伏固化 1.2 2.8 8.6 35
实施例3
此实施例表明了不同的固化电压对所固化的四个7.5μm液晶盒10的电光响应特性和开关速度的影响。这些液晶盒属于扭曲向列型，在相同的条件下装配和填充，并且在10、30、45和50伏（均方根值）下固化。对这四个液晶盒在固化1和2个月后进行两个系列的电光测量。未观察到有明显变化。
图4B表示只装入主体液晶材料的7.5μm对照液晶盒和在不同的固化电压下固化电压下固化的四个7.5μm液晶盒10的电光响应曲线。7.5μm对照液晶盒和在10伏（均方根值）下固化的7.5μm液晶盒在其电光曲线上有一凹下部分，这是液晶盒厚度大于第一干涉最小值液晶盒的特征。
在30伏（均方根值）下固化的液晶盒的凹下部分较浅。此液晶盒在固化后约一个月内的四个不同的日期和固化后两个月时进行试验。每次测量都显示出类似的电光响应曲线，从而表明此液晶盒已被稳定到低能态。在较高电压下固化的其余三个7.5μm液晶盒可以认为厚度与第一干涉最小值相近;但是，当测定它们的接通和断开速度时，在较高电压下固化的液晶盒的响应时间较慢、因为2%聚合物浓度很低，看来液晶材料的粘度不会增高到使响应时间变慢。表2表示四个7.5μm液晶盒的接通和断开速度，以及它们在室温（25℃）下的阈值和饱和电压。
表2
液晶盒 V10％（伏） V90％（伏） Ton（毫秒） Tott（毫秒）
对照样 2.4 3.5 10.5 14
10  伏固化 2.1 3.7 12.0 17.5
30  伏固化 1.6 3.1 10.0 30.0
45  伏固化 1.2 3.0 8.6 48.0
50  伏固化 1.0 2.6 8.8 58.0
实施例4
此实施例表明在液晶材料中混入聚合物使离子的作用减小。
测定在0、30和50伏（均方根值）下固化的6.0μm液晶盒10中存在的离子并与5.5μm对照液晶盒比较。这是通过测定作为显示器工作的液晶盒的光学衰减（即，原因不明的透光率变化）和电荷保留来实现的。为了测量电荷保留，在驱动脉冲之间的时间里在液晶盒的两端造成开路。光学衰减定义为在16毫秒间隔里透光率的变化。电学响应的电荷保留定义为在16毫秒帧像周期结束时保留在液晶电容器内的电荷百分数。将液晶盒驱动器设计成能提供32毫秒的双极电压驱动脉冲，频率为60赫兹，并且在驱动脉冲之间以高阻抗浮动。调节脉冲电压使平均透光率为最大透光率的50%。用Tamarack曝光台将一个5.5μm对照液晶盒在紫外光下曝光5分钟。
表3总结了表征5.5μm对照液晶盒和6μm液晶盒10的液晶电容器特性的光学衰减和电荷保留数据。
表3
液晶盒 紫外光曝光 脉冲高度（伏） 光学衰减（％） 电荷保留（％）
对照 无 3.6 29 60
对照 曝光 4.0 23 60
6.0μm 在0伏下曝光 2.8 <5 95
6.0μm 在30伏下曝光 1.8 <5 95
6.0μm 在50伏下曝光 1.6 <5 92
5.5μm对照液晶盒在50%透光率时显示出大的光学衰减，与6.0μm的液晶盒相比，保留电荷较少。经紫外曝光的5.5μm对照液晶盒的光学衰减和电荷保留与未曝光的5.5μm对照液晶盒相似。相反，6μm液晶盒10显示出更好的电荷保留和较小的光学衰减。
用在30伏（均方根值）下固化的液晶盒估算一个6μm液晶盒的电阻率。作法是用一个并联电阻器连接盒的两端，将其电阻值从10MΩ减小到光学衰减增加的起点。10MΩ电阻器看来作用很小，1.0MΩ电阻器则作用很大。材料的电阻率明显地优于ρ＝R·A/d（其中R＝1.0MΩ，d＝6.0μm，A＝3.0×103m2）＝5.0×108Ω-m，可以高出至少一个数量级。看来在固定了聚合物之后，电阻率显著增加。如果在固化期间液晶盒10内有任何离子形成，这些离子显然被捕获在聚合物中，或是被屏蔽在界面处。

Claims (22)

1、一种制造液晶盒的方法，该液晶盒的电光阈值低于盒中所含液晶材料的特征电光阈值，所述的方法包括：
在液晶材料中加入预定浓度的可固化的聚合物前体以形成它们的混合物；
使聚合物前体固化；和
在固化聚合物前体的同时，在混合物中加上固化场，固化场的强度和预定的聚合物前体浓度一起，使液晶盒的电光阈值低于特征电光阈值。
2、权利要求1的方法，其中聚合物前体的预定浓度处在混合物的1%和5%之间。
3、权利要求1的方法，其中聚合物前体是可光致固化型。
4、权利要求1的方法，其中的固化场是电场。
5、权利要求4的方法，其中在横跨盒的两端施加5-50伏（均方根值）的电压以产生电场。
6、权利要求1的方法，其中液晶盒是扭曲向列液晶型。
7、权利要求1的方法，其中液晶盒包含着装在两个分开的电极之间的液晶材料，电极各有一个涂敷着排列层的内表面，液晶材料含有取向剂，排列层使取向剂形成3°-5°到预倾角。
8、权利要求7的方法，其中排列层是聚酰亚胺型。
9、根据权利要求1的方法制造的液晶盒。
10、一种液晶盒，它减小了显示装置中与离子有关的透光率问题，其中含有：
包含在一对电极结构内表面之间的液晶材料与聚合物材料的混合物，液晶材料含有分子，所述的内表面包括一种排列材料，它使与排列材料接触的液晶分子具有小于10°的预倾角，聚合物材料在混合物中的浓度大于1%、但小于5%。
11、权利要求10的液晶盒，其中的排列材料是聚酰亚胺型。
12、权利要求10的液晶盒，其中排列层被定向，以形成扭曲向列型液晶盒。
13、权利要求10的液晶盒，其中聚合物材料是聚合的可光致固化的单体。
14、权利要求10的液晶盒，其中预倾角在3°至5°之间。
15、一种制造液晶盒的方法，该液晶盒减小了装有该盒的液晶显示装置中与离子有关的透光率变化，所述的方法包括：
构成液晶材料和预定浓度可固化聚合物前体的混合物;
使聚合物前体固化;和
在固化聚合物前体的同时，在混合物中加上固化场，固化场的强度和预定浓度的聚合物前体一起作用，减小液晶盒作为显示装置工作时与离子有关的透光率变化。
16、权利要求15的方法，其中聚合物前体的预定浓度为混合物的1%-5%。
17、权利要求15的方法，其中聚合物前体是可光致固化型。
18、权利要求15的方法，其中固化场是通过横跨液晶盒施加5-50伏（均方根值）电压而产生的电场。
19、权利要求15的方法，其中液晶盒是扭曲向列型。
20、权利要求15的方法，其中液晶盒包括装在两个分开的电极之间的液晶材料，两个电极各有一个涂着排列层的内表面，液晶材料含有取向剂，排列层使取向剂形成3°-5°的预倾角。
21、权利要求20的方法，其中排列层是聚酰亚胺型。
22、根据权利要求15的方法制造的液晶盒。
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