CN1145070C - 形成液晶定向层的方法 - Google Patents

Abstract

被公开的是一种用以形成供液晶显示盒之用的定向层的方法。本发明包括一种决定离子束源工作参量的方法，以提供一个扭曲角，该扭曲角小于预定的最大扭曲角。本发明还公开了一种用以形成改进了的液晶显示盒和改进了的液晶显示器的方法。

Description

形成液晶定向层的方法

技术领域

本发明一般涉及到液晶显示器，具体而言，涉及到构成液晶显示器一部分的液晶材料定向层的材料结构和制备方法。

背景技术

液晶显示器(LCD)技术在世界范围内被用于各种产品，其范围从手表到蜂窝式电话，再到计算机。据估计，与该工业相关的产值为每年数十亿美元。

制造液晶显示器的一个基本要求是在基板表面(以下称之为“定向表面”)上液晶分子的定向(以下称之为“定向层”)。在形成液晶显示盒以前，要将液晶分子置于定向表面。产生这一定向表面的普遍方法是在其上覆盖一层膜，如聚酰亚胺膜，然后对覆膜的表面用天鹅绒布进行摩擦。该摩擦工艺使聚酰亚胺表面重新定向以形成定向表面。该定向表面为与该表面相接触的液晶分子的定向提供了一个定向性的垫层。

摩擦法已是近三十年为提供LCD所需的定向表面而选用的工艺。然而，工业界承认，对于未来的制造工程而言，表面定向的一种非接触法或一种非摩擦法正是人们十分企求的。摩擦工艺在不那么清洁的清洁室环境中产生来自绒布的粉尘。摩擦工艺也能积聚静电电荷，破坏聚酰亚胺表面下方的晶体管。因为对现代的液晶显示器的工作而言这些晶体管是重要的，故提供一种在不致危及这些晶体管正常工作的情况下形成定向表面的方法是特别重要的。

授予Chaudhari等人的美国专利No.5,770,826示出了一种非接触技术，即用一种低能离子束更改一大类材料的表面以培育对形成定向层有用的定向性。于是这种定向性，或者说是取向顺序，可使液晶分子定向排列。业已表明，应用这些发明能制造出液晶显示屏。

液晶显示技术中的一个强大推动力量就是改善整个液晶显示屏的视觉质量。然而，人们不知道有什么办法来控制液晶的平行性。平行性是取得均匀液晶显示屏均匀性的一个关键因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用以形成供液晶显示盒之用的定向表面的方法。

本发明的另一目的在于提供一种改进了的非接触方法，用以制备供液晶显示盒之用的定向表面。

本发明的再一目的在于提供一种方法，用以决定至少一个离子束源工作参量，以得到一个扭曲角，该扭曲角小于预定的最大扭曲角。

本发明的又一目的在于提供一种方法，用以制备供液晶显示盒之用的定向表面。

本发明的进一步目的在于提供一种改进了的液晶显示盒和液晶显示器。

概括说来，本发明是一种方法，用以形成供液晶显示器之用的定向表面，它包括下述步骤：(1)提供一种粒子束源，它有从栅极表面发射的多个粒子微束；(2)提供一种定向层，它有一表面；(3)使该定向表面曝露到粒子束源，以建立定向表面。使该定向表面曝露到粒子束源的步骤进一步包括下列初始步骤：(3a)估算栅极表面处的电流密度；(3b)应用估算的电流密度去估算多个粒子微束中每一微束的束发散角；(3c)计算多个粒子微束的主束入射角；(3d)决定至少一个离子束源工作参量以得到一个扭曲角，该扭曲角小于预定的最大扭曲角。

附图说明

图1示出了根据本发明的坐标系统；

图2示出了根据本发明的束发散角的定义；

图3示出了根据本发明的电流密度与束发散的函数关系；

图4示出了在栅极表面处估算的电流密度分布与定向表面上实际测得的电流密度的比较，它是微束孔沿枪长度的位置的函数。

图5a示出了采用扭曲角的本发明优选实施方案的模型；

图5b示出了图5a所示模型沿5-5线的侧面图；而

图6的曲线示出了强度比率对束发散角的关系，可用来确定可接收的扭曲角标准。

具体实施方式

授予Chaudhari等人的共同受让的美国专利No.5,770,826所公开的内容，此处被整个列为参考。美国专利No.5,770,826的图1提供了可用来实施本发明的离子束系统例子的示意图。

迄今为止尚不能提供一种方法来控制束发散的积累效应，这种积累效应来自栅极中多个离子源栅极微束孔内单个束发散角的总和。需要有一种通过非接触离子束技术来控制影响制造液晶显示屏的整个束发散的方法。然而，原子束或离子束之类的粒子束，却有对应于高斯曲线的固有发散。粒子束的固有发散(以下称之为“主束入射角”)沿x轴方向扩展。主束入射角和扭曲角是影响定向表面形成的相关参量。

参照本申请的图1，如所周知，当采用氩离子束，特别是低压氩离子束来轰击定向膜表面，而该束处于不与表面垂直的角度时，该束就产生定向作用。因此，定向层及其表面就与x轴成一夹角φ来配置。离子束源70是如此配置，使得离子枪的整个栅极表面被准直到与x轴平行，与y轴垂直，并且与定向层的表面成一夹角φ。如果每个微束的强度是均匀的，则主束入射角沿枪的长度方向也是均匀的，液晶沿y轴定向排列。此外，每个微束有一个对积累束发散有贡献的束发散。当一个微束的束发散与相邻或紧邻微束的束发散相干时，主束入射角的均匀性通常受到影响。主束入射角的任何方差将影响基板表面上液晶定向的均匀性。在x-y面液晶定向的偏移角就是“扭曲角”。因此，术语“主束入射角”和“扭曲角”是相关参量。“主束入射角”指束与y轴的夹角，而“扭曲角”指液晶定向与y轴的夹角，它来源于非均匀主束入射角。

对离子束过程的一种解释现陈述如下。

粒子束的漫射过程

参照图2，任何粒子束的发散均遵循如下面式(1)所述的两维高斯函数：

$G_{\mathrm{\σ}}\left(r\right)=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\σ}}^2}\exp \left(\frac{{-r}^2}{{4\mathrm{\π\σ}}^2}\right),---\left(1\right)$

其中，σ²是方差，r是垂直于微束主轴的距离。

参照图1和图2，由来自全部栅孔(x，y，z)＝(X_i，Y_i，Z_i)(i＝1，...，N)的微束的贡献造成的定向层表面位置(x，y，z)＝(x_i，0，0)处的离子束电流密度，用下式(2)来计算，其中，N＝栅极微束孔(下文称之为“微束孔”)的数目：

$J_s(x_1,\mathrm{0,0})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{J_i^0\cos \mathrm{\φ}}{4{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\σ}}_i^2}\exp \left(\frac{{-r}_i^2}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_i^2}\right),---\left(2\right)$

r_i ²＝(X_i-x_i)²+Y_i ²其中，J_s是定向层表面处的电流密度，φ是定向层的倾角，σ_i ²是在距离Z_i处的方差，i＝1，…，N，而J_i ⁰是在栅极表面(z＝Z_i)处的电流密度。

Z_i和σ_i成正比，这是由于粒子束的扩展与从来源行进的距离成正比。因此，式(2)可改写成下列式(3)。

$J_s(x_1,\mathrm{0,0})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{J_i^0\cos \mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\π}}^2{k}_i^2{Z}_i^2}\exp \left(\frac{-r_i^2}{4\mathrm{\π}{k}_i^2{Z}_i^2}\right),---\left(3\right)$

其中，k_iZ_i＝σ_i，k是常数。

束发散角定义

从每个微束孔发射的粒子微束(已中性化)遵循上面已经讨论并示于图2的两维高斯分布。此处将束发散定义为一个半角，即在电流密度衰减到其峰值一半时的角度。参照图1，并采用式(1)，得到下述方程。

G_σ(O)＝2G_σ(r_H)其中，r_H是半衰减的位置。对r_H求解此方程，得到

$r_H=2\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}\ln 2}.---\left(4\right)$

如何估算束发散角

参照图2，束发散角和k_i之间的关系可用下列式(5)计算：

${\tan \mathrm{\θ}}_i=\frac{r_H}{Z_i}\≅\frac{2\sqrt{\mathrm{\π}\ln 2}\·{\mathrm{\σ}}_i}{Z_i}=2\sqrt{\mathrm{\π}\ln 2}\·k_i.---\left(5\right)$

图3示出了各种微束发散在z＝0处的电流密度分布。因此，借助于将图3和实际电流密度分布进行比较，可估算出实际的束发散角。

通过求解高斯漫射过程的逆问题夹估算栅极表面处的电流密度

在定向层表面处的电流密度分布是每个微束的高斯漫射过程的结果。因此，如果我们知道在定向层表面的束发散角和电流密度，在栅极表面处的电流密度就可通过求解逆问题而估算出来。为了决定栅极表面处的电流密度，重要的是估算主束入射角，这将在下面作出解释。

用电流计算逆矩阵的方法为工艺界所熟知。例如，假定J_i ⁰是栅极表面处的电流密度，J_i是定向层表面处的电流密度，则J_i ^O可用漫射矩阵得到。为了简化解释，一维栅极的一种计算在式(6)中陈述如下。

$J\left(x_i\right)=\underset{j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{J}_j^0{G}_j\left(x_i\right),---\left(6\right)$

其中，G_j(x_i)是位置x_i的第j个高斯漫射函数。

然后将式(6)换算为矩阵式(7)，

通过计算逆矩阵，即可应用下面的式(8)得到J_i ⁰。

其中，[]^T表示逆矩阵。然而J_i ⁰(对于所有的i)一定不能是负的，因为这是电流密度的一个值。不幸的是，由于噪声和J_i的测量误差，计算栅极表面处电流密度的该方法对于J_i ⁰可得到很大的负值。因此，应用式(8)计算逆矩阵的方法解决不了计算栅极表面处电流密度的问题。

按照本发明估算栅极表面处电流密度的方法

本发明提供了一种估算栅极表面处电流密度的优选方法，这就是使栅极表面处现实或实际的电流密度和估算的电流密度之间的均方差减至最小。

$E(J_1^0,J_2^0,K,J_N^0)=\∫{|f\left(x\right)-\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n^0{G}_n\left(x\right)|}^2\mathrm{dx}---\left(9\right)$

其中，f(x)是在定向表面上观察到的电流密度分布。为将式(9)中的E减至最小，E对J_i ⁰的梯度必须对所有i为零，如下面的式(10)所述。

$\frac{\∂E}{{\∂J}_i^0}=-2\∫f\left(x\right)G_n\left(x\right)\mathrm{dx}+2\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{J}_j^0{\∫G}_i\left(x\right)G_j\left(x\right)\mathrm{dx}=0,---\left(10\right)$

采用在式(11)中所述的如下矩阵符号，式(10)可改写为，

按照式(11)计算逆矩阵，即可采用式(12)估算J_i ⁰如下。

图4示出了栅极表面处的估算电流密度与定向表面处观察到的电流密度的比较结果。在图14中，粗实线代表在定向表面处观察到的电流密度。虚线代表按照本发明所作计算得到的栅极表面处的估算电流密度。

计算主束入射角的方法

采用栅极表面处的估算电流密度，即可计算主束入射角。各微束中间的最大分量可在下述式(13)中计算出来。

$J_{\max }(x_1,\mathrm{0,0})=\underset{i}{\max }\frac{J_i^0\cos \mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\π}}^2\text{2}}\exp \left(\frac{-r_i^2}{4\mathrm{\π}{k}_i^2{Z}_i^2}\right)---\left(13\right)$

参照图5a，在定向表面上的点10处，如果来自微束孔22的束发散分量大于来自任何其它微束孔的束发散分量，则r₂即为r_imax。因此，一旦得到最大值i，主束入射角即可按式(14)计算出来。

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{r_{i\max }}{Z_{i\max }}\right),---\left(14\right)$

其中，r_imax是离子束源参量，它补偿来自r₂的束发散分量。因此，可用电流密度分布和束发散来计算主束入射角。另外，因为定向表面和栅极表面应该平行，故对每一微束孔，Z_i均相同，亦即，Z₁＝Z₂＝…＝Z_n…。

主束入射角和液晶的定向方向之间的关系

在定向层表面，液晶倾向于跟随主束入射角所形成的定向层。这是真实的，其原因是表面能量的X-Y各向异性沿该方向最大。

决定为得到液晶定向的Ψ度扭曲角标准所需的离子束参量

参照图5a，在栅极表面18上相邻微束孔12的间距(“栅格间距”)40，42，44为r_i，栅极表面与定向层16的定向表面14上的点10的距离30(“工作距离”)为Z_i。如果定向表面14上点10处从相邻微束孔22发射的第二微束50的束强度大于从点10正上方微束孔20发射的第一微束60的束强度，则液晶的组合扭曲角Ψ可用下式计算：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \frac{r_1}{Z_1}$

微束孔r₁对主束入射角的贡献可用式(15)计算：

$J_s(x_1,\mathrm{0,0}){|}_{{J_1}^0}=\frac{J_1^0\cos \mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\π}}^2{k_1}^2{Z}_1^2}\exp \left(\frac{-r_1^2}{4\mathrm{\π}{k}_1^2{Z}_1^2}\right)=\frac{J_1^0\cos \mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\π}}^2{k_1}^2{Z}_1^2},---\left(15\right)$

由于r₁＝0。

微束孔r₂对主束入射角的贡献可用式(16)计算。

$J_s(x_1,\mathrm{0,0}){|}_{J_2^0}=\frac{J_2^0\cos \mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\π}}^2{k_2}^2{Z}_2^2}\exp \left(\frac{{{-r}_2}^2}{4\mathrm{\π}{k}_2^2{Z}_2^2}\right).---\left(16\right)$

因此，若J_s(x，0，0)|j₂ ⁰＞J_s(x，0，0)|j₁ ⁰，则在定向表面的位置x_i处，液晶将扭曲Ψ度(亦即扭曲角)。

应用式(15)和(16)，可计算出J_s(x，0，0)|j₂ ⁰/J_s(x，0，0)j₁ ⁰的容许比，以决定为减少或消除定向表面上液晶扭曲角所需的离子束源工作参量。

$\frac{J_s(x,\mathrm{0,0}){|}_{j_2^0}}{J_s(x,\mathrm{0,0}){|}_{j_1^0}}=\frac{J_2^0}{J_1^0\exp \left(\frac{{-r}_2^2}{4\mathrm{\π}{k}_2^2{Z}_2^2}\right)}=\frac{J_2^0}{J_1^0\exp \left(\frac{-\ln 2\·{\tan }^2\mathrm{\ψ}}{{\tan }^2\mathrm{\θ}}\right)}---\left(17\right)$

其中，θ为束发散角，ψ为扭曲角。

因此，当

$\frac{J_s(x,\mathrm{0,0}){|}_{j_2^0}}{J_s(x,\mathrm{0,0}){|}_{j_1^0}}=\frac{J_2^0}{J_1^0\exp \left(\frac{-\ln 2\·{\tan }^2\mathrm{\ψ}}{{\tan }^2\mathrm{\θ}}\right)}>1$

时，在定向表面上位置x₁处，液晶将扭曲Ψ度。于是，要得到所期望的扭曲角ψ，则所期望的参量可按式(18)进行改写。

$\frac{J_2^0}{J_1^0}<\exp \left(\frac{-\ln 2\&CenterDot;{\tan }^2\mathrm{\&psi;}}{{\tan }^2\mathrm{\&theta;}}\right),---\left(18\right)$

其中，θ为束发散角，Ψ为扭曲角。

例1

参照图5a和5b，当栅极表面上相邻微束孔的间距(r)(亦即“栅格间距”)为4.2mm，工作距离(Z_i)为240mm，从相邻微束孔22发射的第二微束50在定向表面的强度大于从微束孔20发射的第一微束60的强度时，则液晶的扭曲角变为1度。

          arctan(4.2/240)＝1[度]

可参照图6，其中，可以根据可接受扭曲角的这一最大量来选择可接受的工作标准。

根据对本公开内容的评论，对本发明的各种修正和改动是可以理解的。这些增改被认为在下列权利要求所定义的本发明的构思与范围之内。

Claims (4)

1.一种用以形成供液晶显示盒之用的定向表面的方法，它包括下列步骤：

提供一种粒子束源，它有从栅极表面发射的多个粒子微束；

提供一种定向层，它有一表面；并且

将所述表面曝露到所述多个粒子微束以建立定向表面，

其中，曝光步骤包括下列初始步骤：

估算在所述栅极表面处的所述多个粒子微束的电流密度；

采用所述估算的电流密度来估算所述多个粒子微束中每一微束的束发散角；

计算所述多个粒子微束的主束入射角；以及

由所述估算的束发散角和所述主束入射角决定所述粒子束源的一个工作参量以得到一个扭曲角，该扭曲角小于预定的最大扭曲角。

2.权利要求1的方法，其特征是所述多个粒子微束包括具有一个第一束入射角的第一粒子微束和具有一个第二束入射角的第二粒子微束，并且决定所述工作参量的步骤，进一步包括作为所述第一和第二束入射角的函数关系计算所述扭曲角的步骤。

3.权利要求2的方法，其特征是其中所述函数可表达为

$\frac{J_2^0}{J_1^0}<\exp \left(\frac{-\ln 2\&CenterDot;{\tan }^2\mathrm{\&psi;}}{{\tan }^2\mathrm{\&theta;}}\right).$

其中：j₁ ⁰＝在所述栅极表面的第一孔和所述第一粒子微束的电流密度；

j₂ ⁰＝在所述栅极表面的第二孔和所述第二粒子微束的电流密度；

Ψ＝所述扭曲角；以及

θ＝主束发散角。

4.权利要求1的方法，其特征是还包括用所述多个粒子微束轰击所述定向表面的步骤。

Images