CN1180419A - 液晶器件排列 - Google Patents

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Abstract

一种液晶显示单元包括两个分开的单元壁并包封一层液晶材料。单元壁上设置有电极结构,例如排列成行和列形成可编址元件或像素的x,y矩阵。液晶材料排列为栅格(槽)结构在一个或两个单元壁上。这种栅格结构为对称栅格和非对称栅格的双栅格结构,非对称栅格垂直于对称栅格。非对称栅格的槽深度方向上的变化或长度方向的非对称产生局部变化的预倾斜角,其平均的较长的范围提供了预倾斜角的优选范围,例如,约2—24°。

Description

液晶器件排列
本发明涉及液晶器件排列。这种器件一般包括包含单元壁的液晶材料薄层。壁上的透光电极结构使电场施加在层上引起液晶分子重新排序处于ON状态。移去电场分子弛豫回到OFF状态。
已知的液晶材料有三种类型：向列型、胆甾型和近晶型，每种都有不同的分子排列顺序。
本发明特别涉及使用向列型、长间距胆甾型或铁电材料，并且对单元壁表面进行排列处理的器件。该表面排列使液晶分子沿排列方向与壁接触。正交地排列这些方向，在电压OFF状态液晶被迫采用螺旋的结构。这种器件被称做螺旋向列型器件。在向列型材料中加入少量的胆甾型引入优选旋转方向以确保器件中一致的旋转。同样可以制成旋转角度大于90°器件；例如US-4,596,446中介绍的超螺旋向列型器件，或270°螺旋向列型器件。排列处理的另一个要求是在单元壁处也给予液晶分子的表面倾斜角。这种表面倾斜角在一些器件中很必要，可以确保如GB-1,472,247和1,478,592中介绍的均匀的显示。
形成排列的一个方法为被称做摩擦法，即使用柔软的布料单向的摩擦带有或不带有聚合层的单元壁。液晶分子沿摩擦方向排列，通常表面倾斜角约为2°或更大，取决于聚合层。
另一个排列的方法为斜向蒸发例如SiO，形成的表面倾斜角可为零，或高倾斜角30°取决于蒸发方向角。对于大规模的制造，这种技术很麻烦；但更重要的问题是对于大面积的单元壁很难提供统一的排列方向和表面倾斜角。
形成热变色显示的短间距胆甾型材料可以通过压制成塑料单元壁的栅格结构进行排列；这在GB2143323(McDonnell，1983)中有介绍。以前得到预倾斜角排列的栅格使用与正弦光栅交叉的红外光栅(US4521080，Funada et al，1985和Leeet al SID 93文摘p.957)。
然后液晶导向器离开正弦槽并因此经过产生表面倾斜角的红外槽。预倾斜角排列对液晶器件很必要，可以避免导致器件性能变坏的反向的倾斜角旋错。这个现有技术的一个缺点在于它仅能提供有限范围的预倾斜角。
根据本发明通过选择预倾斜角的值来改变沿槽长度的槽剖面来克服这个问题。
根据本发明的液晶器件包括：
两个分开放置并且包封一层液晶材料的单元壁；
两个单元壁上的电极结构；
单元壁上用于形成液晶材料排列的表面排列；
特征在于
至少一个单元壁带有用预倾斜角提供表面排列的双栅格；
双栅格包括相互之间成非零角度的非对称调制的栅格和对称调制的栅格，两个栅格的槽深度或间距值不同，为液晶材料提供排列和表面预倾斜角。
两个栅格基本上相互垂直，或为其他非零角度，例如40到50°，或80到100°。
非对称栅格比对称栅格有更小的槽深度和/或更长的间距。
非对称栅格槽的长度可以是不变量或沿长度方向不均匀地变化。
栅格可以基本上在单元的整个显示区域上排列或仅在显示像素区域排列。而且，在每个像素区域内，或相邻的像素之间的每个像素点处的两个栅格的形状可以不同。每个像素区域或相邻的像素之间的栅格方向可以不同。
可以在两个单元壁上设置栅格，并且每个壁上的形状可能相同或不同。
可以在一个或两个单元壁的整个或部分壁上涂敷表面活性剂。
壁可以是基本上刚性的，例如玻璃材料，或柔性的例如聚烯烃。
栅格可以由光刻胶材料形成，或由塑料材料例如聚烯烃压制形成。压制的材料也可以提供小的立柱(例如或1-3μm高和5-50μm或更宽)帮助校正单元壁的间距并且当单元弯曲时也可以作为阻挡层阻止液晶材料的流动。此外立柱也可以由栅格的材料形成。
液晶材料可以是向列型、长螺距正性或负性介电各向异性的胆甾型材料，或铁电材料。长螺距的胆甾型材料一般有几微米或更大的螺距。对于向列型或长螺距的胆甾型材料，一般层厚度约为4-7μm，对于铁电材料为1-3μm。
电极由排列为可编址元件或显示像素的x，y矩阵的一系列行和列电极组成。一般电极为200μm宽相距20μm。
同样，电极可以排列为其它显示形式，例如r-θ矩阵，或7或8段显示。
根据本发明的另一方面在液晶器件单元壁的表面上提供表面排列和表面分子倾斜角的方法包括以下步骤：
在液晶单元壁的表面上形成一层光刻胶材料，
将光刻胶材料在灯下通过掩摸曝光，形成多个不连续的不透明区域，其中光刻胶的一些区域接受对称曝光而另外一些区域接受不对称曝光。
显影光刻胶层选择性的去除光刻胶，
烘干剩余的光刻胶，
形成两个栅格的排列，一个为对称形状而另一个为非对称形状，单元壁的表面上为非对称变化。
现在结合附图仅通过实施例介绍本发明：
图1为多路编址液晶显示矩阵的平面图；
图2为图1显示的剖面图；
图3为现有技术双栅格的示意图；
图4a，b显示的是产生图3的双栅格的掩模和曝光的细布图；
图5a，b为在不同栅格处显示液晶导向器局部变化的液晶材料的剖面图；
图6产生本发明的双栅格的掩模和曝光的细布图；
图7为本发明双栅格的示意图，显示了两个不同位置处的剖面；
图8显示的是预倾斜角与曝光时间(因此有不同的栅格剖面)的关系图，
图9显示的是在不同的表面预倾斜角下中间层导向器倾斜角与外加电压的关系图，并且
图10为三个类似的单元的表面预倾斜角与温度的关系图，每个都填充相同的液晶材料。
图1、2显示了包括含在玻璃壁3，4之间的向列型或长螺距的胆甾型的液晶材料层2形成的液晶单元1。隔离环5使壁之间一般保持6μm的间隔。此外大量的直径为6μm玻璃珠分布在液晶材料中用于保持准确的壁间距。细长条的行电极6例如SnO2或ITO在一个壁3上形成，类似的列电极7在另一个壁4上形成。m-行和n-列电极形成可编址的m.n矩阵的元素或像素。每个像素由行和列电极交叉形成。
行驱动器8为每个行电极6提供电压。类似地，列驱动器9为每个列电极7提供电压。由从电源11接受电源和从时钟12接受定时的控制逻辑10控制所加电压。
单元1的每侧为偏振轴相互交叉并且与相邻壁3、4上的排列方向平行的起偏振器13、13’，将在以后介绍。
部分反射镜16和光源15一起安置在单元1的后面。这样可在通过反射看到显示并且环境光线暗淡时从后面照亮。对于传输器件，可以省略镜子。
在装配之前，使用双栅格提供所需的表面预倾斜角对单元壁3、4进行表面排列处理，见以后的介绍。例如具有约270°螺旋的单元预倾斜角约为5-15°。
合适的液晶材料为E7(向列型)，ZLI2293(向列型)，和或混合胆甾型例如CB15，或SCE8x(近晶型Sc*)可由E Merck得到。
图3显示的结构在现有技术中已进行了介绍，该结构包含与基本非对称调制的间距L2相交的基本对称调制的间距L1。液晶与对称槽的槽平行并且由非对称槽引入预倾斜角。可以显示出，见下面介绍的，由该结构得到的预倾斜角的范围被限制在不包括所需范围的两个窄范围内。实验的方法依靠离轴照相平版法，但可以用干涉照相法或凹凸印刷法代替。
一片涂敷ITO形成单元壁的玻璃用丙酮和异丙醇清洗，然后在3000rpm下持续30秒旋转涂敷光刻胶(Shipley 1813)，得到1.5μm厚的涂敷层。然后在90℃下持续30分钟进行轻烘干。
然后使用含0.5μm的线和0.5μm的间隙(因此整个间距为1μm)的铬掩模进行两次接触曝光，如图4所示。对于第一次曝光，栅格掩模的定位原则为槽位于与通常的面成60°的离轴曝光的平面内，见图4a。这个曝光的几何图形说明光刻胶为对称强度分布(因此得到图3的对称栅格)。然后将掩模从基片上释放，旋转90°并重新夹紧，这样槽的方向基本上与图4b中显示的入射平面垂直。在这个几何图形内的曝光产生光刻胶内的非对称强度分布，并产生图3中显示的非对称栅格(例如见B.J.Lin，J.Opt.Soc.Am.，62,976(1972))。
对于这种双曝光法，重要之处仅在于第二次曝光的入射角非零。而且这个角度不必为60°。在水银灯的入射强度为0.8mW/cm2时，一般第一次曝光的时间(t1)为120s，第二次曝光的时间(t2)为107s。(对于所有的样品，t1＞t2可确保在所需的方向内的排列)。二次曝光后，在ShipleyMF319中显影10秒钟并在等离子水中清洗。这样就在抗蚀剂表面留下双栅格，其中对称调制与非对称调制相交。在105℃下进行10小时的硬烘烤以使液晶中的光刻胶不可溶。每个基片都进行预倾斜角的排列，其中导向器在第二次、非对称曝光入射平面内，并向入射方向预倾斜。这就是在现有技术中介绍的使用双栅格结构形成的预倾斜角排列。
然后将这些基片构成10μm厚的预倾斜单元并填充向列型液晶(E7，Merck)。然后使用晶体旋转法或磁性无效法测量预倾斜角(T.J.Scheffer and J.Nehring，J.Appl.Phys.，48，5，1783(1977))。对于t1＝120s且t2＝107s的样品(见前面定义的)，测量到的预倾斜角范围为25.0°-32.0°。当曝光时间减小到t1＝90s且t2＝80s时，测量到的预倾斜角范围为1.5°-2.4°。随后调节曝光时间不会产生范围为2.4°-23.1°的预倾斜角。
本发明的目的在于产生范围为2.4°-23.1°的预倾斜角。
在红外槽上的液晶导向器构形显示在图5a、b中。图中显示出存在着两种相区别的状态。
对于较浅的槽或非对称槽，槽上的导向器变形主要为图5a显示的弯曲变形。如果增加槽的深度或非对称性，那么构形内将发生巨大的变化，现在变形包括大量的倾斜的斜边(图5b)；前者的构形总是引入小预倾斜角，而后者给出大预倾斜角。范围不易达到的确切程度取决于液晶材料、表面剖面和表面方位结合能(表示相对于局部表面第一分子层被正切方向扰乱的程度)。这样在以上和在现有技术中介绍的构形总是有不易达到的预倾斜角范围。
现在介绍一种不同于现有技术的产生预倾斜角的方法。该方法可较好地将表面预倾斜角调节到对TN(例如90°)，STN(例如270°)和铁电应用有用的范围。该方法在非对称槽的剖面随它的长度变化的位置建立一个结构，因此可以局部改变预倾斜角。肉眼观察到的预倾斜角有唯一的一个值，该值取决于非对称中变化的方式。现在介绍该原理的实施例。
首先如前面介绍在基片上涂敷光刻胶，然后使用图6中的双栅格进行一次离轴曝光。在给出的例子中，包含铬的双栅格掩模，尺寸为0.7×0.8μm的矩形，在两个方向上被0.5μm的间隙分开。因此表面调制的整个间距为1.2μm和1.3μm。间距不同是为确保在一致的方向进行排列。在60°进行持续227秒的曝光(0.8mW/cm2)，和以前一样后接MF319中的10秒显影。参见图6，由于基片的非对称照射仅发生在区域(b)，而由区域(a)在曝光中不存在非对称情况，因此这个掩模形成的表面产生小预倾斜角。
因此由该方法产生的栅格具有如图7显示的变化的剖面。这将导致局部变化的预倾斜角，因此有较低的预倾斜角。硬烘烤这种栅格并制成10μm的反向平行的预倾斜角单元。已发现表面曝光227秒产生15.4°的预倾斜角，而曝光200产生13.8°的预倾斜角。图8为预倾斜角与曝光时间的曲线图。
现在预倾斜角可以在对TN、STN和铁电应用有用的范围内变化。已发现这种构形的最大预倾斜角小于使用两次曝光法得到的最大预倾斜角，但由于非对称的周期性变化，所以并没有受图5中显示的两个相区别状态的影响。
在玻璃或聚合物上形成这种栅格表面可用以上的方法或凹凸印刷法(M.T.Gale et al，J.Appl.Photo.Eng.，4，2，41(1978))，光栅划线法(E.G.Loewen and R.S.Wiley，Proc.SPIE 815，88(1987))或干涉照相法(M.C.Hutley，Diffraction Grating，Academic Press，London，pp.95-125)。
栅格表面也可以构图所以可以限制在像素区域内。之后不论何时如通常的白色螺旋向列型的、未排列的象元间隙等的构形将出现空白，需分配黑像素。
像素内的栅格也可以分为不同排列方向的几个区域，产生改善的视觉角度。另外栅格特性将像素上的倾斜角作为控制变量，产生较好的灰度特性。例如在STN结构中，域值电压为倾斜角的函数。例如见图9，以及T.Scheffer和J.Nehring，pp A-4/19，Seminar Notes，Eurodisplay 93，SID中介绍的内容。
在图5中，假设在所有点导向器与局部表面相切。如果栅格表面材料现在是垂直，然后可以获得倾斜的垂直排列。进行以下附加工艺步骤可以获得。栅格显影后，用深UV辐射(254nm)处理光刻胶来进一步聚合表面。然后样品在180℃下硬烘烤30分钟。现在表面可以接受例如溶解在异丙醇中的卵磷脂等的垂直表面活性剂。改变栅格剖面可以得到60°和90°之间的预倾斜角。这种排列可以用做ECB(电可控的双折射)，ECB使用负性Δε材料并依靠有垂直到平面构形的切换。垂直的预倾斜角要避免反向倾斜角旋错。满足这一要求的栅格表面比使用摩擦的卵磷脂的常规器件具有更高的对比度。倾斜的垂直栅格也可以用做如GB-9402513中介绍的栅格排列的双稳定的向列型中的双稳定表面。
这种排列方法的另一个特性为预倾斜角对温度的依赖很小。图9显示了三个单元测量的预倾斜角与温度的函数关系(每个单元填有E7)。所有单元中的液晶材料层的厚度大约为10μm；只有单元间的栅格稍有不同，给出稍有不同的预倾斜角。在每种情况中，在整个向列型的范围内仅观察到很小的起伏。这种趋势与观察摩擦的聚合物排列得到的结果正好相反，后者由于表面排序参数减小所以预倾斜角通常随温度降低。在器件中，这种减少是有问题的，会导致高温时特性变坏(在TN中的反向倾斜角旋错和STN中的斑纹)。因此观察到的栅格排列趋势当然最好，甚至可以给予其他效应少量的温度补偿(域值电压、开关速度等)。栅格排列的预倾斜角对温度很小的依赖意味着它与弹性的常数比率无关。
这可由再制作两个完全相同的单元并填充不同的材料来证实。填充E7(k33/k11＝1.54)的单元预倾斜角为15.6°，而填充E170(k33/k11＝1.01)的单元预倾斜角为16.3°，这几乎在实验误差内。这种与预倾斜角无关的材料是栅格排列的又一优点。

Claims (23)

1.一种液晶器件，包括：
两个分开放置并且包封一层液晶材料的单元壁；
在两个单元壁上的电极结构；
单元壁上形成液晶材料排列的表面排列；
特征在于
至少一个单元壁带有用预倾斜角提供表面排列的双栅格；
双栅格包括相互之间成非零角度的非对称调制的栅格和对称调制的栅格，两个栅格的槽深度或间距值不同，为液晶材料提供排列和表面预倾斜角。
2.据权利要求1的器件，其中两个栅格基本上相互垂直。
3.根据权利要求1的器件，其中非对称的栅格比对称的栅格有更小的槽深度和/或更长的间距。
4.根据权利要求1的器件，其中非对称的栅格比对称的栅格有更长的间距。
5.根据权利要求1的器件，其中非对称的栅格沿它的长度非对称的不变。
6.根据权利要求1的器件，其中非对称的栅格沿它的长度非对称的变化。
7.根据权利要求1的器件，其中栅格基本上排列在单元的整个显示区域中。
8.根据权利要求1的器件，其中栅格基本上仅排列在显示像素区域。
9.根据权利要求1的器件，其中在每个像素区域内、或相邻的像素间，在每个像素处的两个栅格的形状不同。
10.根据权利要求1的器件，其中在每个像素区域内或相邻的像素间的栅格的方向不同。
11.根据权利要求1的器件，其中栅格设置在两个单元壁上并且每个壁的形状相同或不同。
12.根据权利要求1的器件，其中一个或两个单元壁的全部或部分壁上涂敷表面活性剂。
13.根据权利要求1的器件，其中单元壁基本上为刚性材料。
14.根据权利要求1的器件，其中单元壁基本上为柔性材料。
15.根据权利要求1的器件，其中栅格由光刻胶材料形成。
16.根据权利要求1的器件，其中栅格由塑料材料形成。
17.根据权利要求1的器件，其中栅格由压制的塑料材料形成。
18.根据权利要求1的器件，其中液晶材料为向列型材料。
19.根据权利要求1的器件，其中液晶材料为具有长螺距的胆甾型材料。
20.根据权利要求1的器件，其中液晶材料为铁电材料。
21.根据权利要求1的器件，其中液晶材料具有正性介质各向异性。
22.根据权利要求1的器件，其中液晶材料具有负性介质各向异性。
23.根据权利要求1的器件，其中电极由排列为可编址元件或显示像素的x，y矩阵的一系列行和列电极组成。
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