CN1535394A - 液晶显示器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于显示信息的装置，尤其是涉及液晶(LC)显示器，并且可用于各种用途的指示性技术中。根据本发明的液晶显示器包括一置于两板(3)之间的液晶层(2)，在每块板上已设置或形成电极(4)和至少一个偏振器层(5)，同时将在至少一块板上的电极制成透明的，并且在显示器中的至少一块板上的透明电极的内侧上形成的至少一层的至少一个偏振器是E型偏振器，并且由有机染料的分子有序结构的至少部分结晶膜制成。将置于透明电极上的、在透明电极的内侧上形成的至少一层E型偏振器局部区域进行改进以增大其传导率。

Description

液晶显示器及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于显示信息的装置，尤其是涉及液晶(LC)显示器，并且该显示器可用于各种用途的指示性技术中。
背景技术
有已知的显示器，其以扁平电池(flat cuvette)的形式实现，由两块并联的玻璃板构成，玻璃板的内侧特征在于由光学上透明的导电材料制成的电极以及取向层。在装配扁平电池之后利用液晶填充该电池，该液晶形成5-20μm厚的层并起活性介质的作用，并且在电场的作用下改变其光学性质(偏振面的旋转角)。光学性质的改变记录在正交偏振器上，将该正交偏振器通常粘结在电池的外表面上。其中，电极没有处在电压下的显示器区域将发出光并且看上去发亮，而处在电压下的区域将看上去发暗[L.K.Vistin.JVHO，1983，vol.XXVII，ed.2，pp.141-148]。
上述显示器的主要缺点是有限的速度、低成像对比度以及小观察角度，这是由于液晶(LC)显示器的多层结构是受在相对于显示器表面法线的有限的立体角内传播的光通量有效控制的。
作为这种显示器中的偏振器，通常使用基于单轴伸长的聚合物膜(例如聚乙烯醇)的偏振器，利用碘蒸气或有机染料来染该聚合物膜[US 5007942]。这种聚合物膜的偏振效率取决于聚合物膜中的碘或其它染料的浓度以及聚合物链的有序程度。
这种膜具有所谓的正介电各向异性和正二向色性。这意味着负责吸收光线的分子的光跃迁偶极距沿着伸长的方向取向。其中折射率的实部和虚部的角关系椭圆具有延伸(象针似的)形式。由所述膜获得的偏振器是O型偏振器，因为这种偏振器发射寻常波，而吸收非常波。
尽管由所述材料获得的偏振器具有高偏振效率，但是这种偏振器还具有重大的缺点，其中一些缺点是偏振器的光和热稳定性，以及需要制造大厚度的膜以便提供高效率。主要缺点之一是两个正交方向的偏振器对以相对偏振器表面的某一角度入射的光具有高透射率，尤其是在相对于偏振轴的方位角为±45°的方向上入射的光。
有一种具有内部偏振器的已知液晶显示器[RU 2120651]。作为这种液晶显示器中的偏振器，使用有机化合物-染料的分子有序结构的结晶薄膜[US 5739296]。染料的扁平分子组合在一起形成定向排序簇(clusters)-超分子复合物。分子平面和分子中的光跃迁偶极距布置的方向垂直于所获得薄膜的宏观方向的轴。为形成这样的结构，使用染料的液晶态，当在相互定向的一维或两维块中时，分子已经局部排序。当将这种系统沉积在基片上同时施加外部取向作用时，这种薄膜呈现出宏观取向，在干燥溶液的过程中该宏观方向不仅保持完整而且还会由于结晶作用得到增强。然后，使偏振轴沿着取向作用方向定向，与偏振器的沉积方向一致。在这种情况下，折射率的实部和虚部的角关系椭圆具有类似圆盘的形状。
这些偏振器是E型偏振器，因为它们发射非常波同时吸收寻常波。所述偏振器的特征在于良好的角度特性，所述偏振器是光稳定和热稳定的，由于在显示技术中所述偏振器看来是有希望的，因此所述偏振器适用于形成根据薄膜技术的显示器的结构。
因为最近制造的主要目的是装置的小型化，因此在制造上述显示器中起点任务是这个问题，即减小装置单独部件和伴随的功能性元件的尺寸，同时确保它们的功能。上述偏振器和基于这些偏振器的其它各向异性膜广泛地用于各种用途的便携式显示器中。在制造小型显示器中出现的主要难题之一是电源尺寸的减小，电源尺寸的减小促成了功率消耗的降低以及显示器中控制电场的使用效率的提高。功率损失是由于透明电极的低传导率以及跨越在电极与液晶层之间的中间层的电压降造成的。
有各种已知的提高透明电极的传导率的方法，透明电极通常由氧化铟-锡制成，且具有传导率不足的特征。从而，可能在大约250℃对这种透明电极进行退火[US 6198051]。也可能以实线(solid lines)的形式在部分透明电极的表面上或以多孔涂层的形式在电极的整个表面上形成一种由高导电材料制成的辅助电极结构[US6198051]。
发明内容
本发明的技术效果是具有内部偏振器的液晶显示器的制造设计与方法的开发，其特征在于低功率消耗，同时保持高操作性能、薄度(thinness)、以及设计的可制造性与简化。
为了获得上述技术效果，液晶(LC)显示器包含一个置于两个板之间的液晶层，每个板的特征在于电极和至少一层偏振器，其中在至少一个板上的偏振器是E型偏振器，并且将其沉积在透明电极的内侧。E型偏振器是由有机染料的分子有序结构的至少部分结晶的膜制成的，同时将置于透明电极之上的E型偏振器区域进行改进以便提供增大的传导率。
作为E型偏振器中的有机材料，可以使用至少一种有机材料，该至少一种有机材料的化学式包含至少一种有机材料的化学式包含至少一种为了形成溶致液晶相在极性溶剂中提供溶解性的离子团，和至少一种极性相反的离子(anti-ion)。这种有机材料可以是任何有机染料，该有机染料或该有机染料的衍生物能够形成稳定的溶致液晶相。这些染料用于光学上各向异性的膜的制造中，包括偏振涂层[4]。例如，这种染料是阴丹酮(瓮蓝4)、二苯并咪唑1，4，5，8-萘四羧酸(瓮红14)、二苯并咪唑3，4，9，10-苝四羧酸、喹吖啶酮(颜料紫19)和其它染料，以及它们的混合物。
所述有机染料能够吸收以下光谱范围至少之一：从200nm到400nm、从400nm到700nm、以及从0.7μm到13μm。
通过把至少一种可增大偏振器局部区域传导率的材料的原子浸渍E型偏振器局部区域，可以将E型偏振器局部区域进行改进。这种材料可以是银、和/或铝、和/或镍、和/或其它导电材料。
显示器可以另外包括：至少一个用于调整液晶的层、和/或至少一个漫反射层、和/或至少一个相移层、和/或至少一个双折射层、和/或至少一个导电层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个各向同性和/或各向异性层、和/或至少一个绝缘层、和/或至少一个平坦化层、和/或漫反射或镜面反射层、和/或至少一个同时起至少两个上述层作用的层。
E型偏振器层可以同时用作相移层、和/或双折射层、和/或用于调整液晶的层、和/或保护层、和/或同时起至少两个上述层的任何组合作用的层。
每个透明电极可以具有金属辅助结构，其施于部分电极的表面上以增大透明电极传导率。
优选地，选择显示器中层的光学厚度，使其在显示器的出口提供干涉极值。
上述的液晶显示器制造方法包括：制造具有电极和偏振器的显示器板，紧固该显示器板同时利用间隔物(spacer)形成一个用于液晶的腔，用液晶填充该腔并将其进行密封，同时在至少一块板的内表面上制作的透明电极的表面上涂覆至少一层由有机染料的至少部分结晶的定向膜制成的E型偏振器，在此之后在电极之上的区域中用金属离子浸渍涂层，以便增大这些区域中膜的传导率。
可以用电化学方法在包含要浸渍的金属离子的电解质溶液中完成将金属离子浸渍到膜的局部区域中。然后，透明电极起阴极作用，而阳极可以是具有起催化作用的涂层例如铂的任何电极。选择电解质溶液的浓度和电化学处理的参数，以便注入金属离子而不减小偏振器的各向异性度。如果使用电解质的水溶液，则偏振器在进行处理之前必须先转变为不溶于水的形式。为此，利用二价和三价金属例如氯化钡的盐溶液处理偏振器膜(polarizer film)。在这个过程中，偏振器的结构和光学参数不改变。
为了用可增大偏振器膜局部区域的传导率的材料的原子浸渍这些区域，可以使用离子注入，通过控制注入的剂量来控制注入混合物的浓度，以及通过离子注入的能量和类型来控制渗透深度。
可以在一个具有附加电极且在上面安装了工作件的反应器中进行离子注入。
在形成电极之后，通常通过电介质的平坦化层来使极间的空间变平。
最初，通过至少一种有机染料的液晶溶液的沉积以及同时和/或随后的取向作用及溶剂去除，来制作E型偏振膜。
根据本披露发明的显示器制造包括附加的以下层的制造：至少一个用于调整液晶的层、和/或至少一个漫反射层、和/或至少一个相移层、和/或至少一个双折射层、和/或至少一个导电层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个各向同性和/或各向异性层、和/或至少一个绝缘层、和/或至少一个平坦化层、和/或一个漫反射或镜面反射层、和/或至少一个同时执行至少两个所述层的功能的层。
附图说明
当结合附图解释时，从下述详细描述中将更清楚地理解本发明，其中：
图1是显示器结构的示意图。该图仅仅详细列举了为了以某种或另一种方式实现本发明引入的改进所需的那些元件。为简便起见，没有显示那些通常存在于常见的液晶显示器中，但却与本披露不相关的元件。
图2是电化学电池的示意图。
具体实施方式
液晶显示器1包括置于两板3之间的液晶层2，在每块板上有电极4和偏振器5。在偏振器层的下面，在显示器的板上的极间的空间有平坦化绝缘层6的区域。该显示器的特殊特性在于，至少一个偏振器是内部偏振器，并置于电极系统上面。所述偏振器是由有机染料制成的，并为E型偏振器。为了制造这种偏振器，将适当的有机染料(或染料混合物)的液晶溶液沉积在下面的结构(具有电极和平坦化层的板)上。
液晶溶液中的染料以一种高度有序的状态存在。这种液晶溶液的结构单元是高度有组织的分子簇-超分子复合物，其中有机染料的扁平分子(或这些分子的扁平部分)形成了“堆”。在基片(结构)表面上的二向色有机材料的液晶溶液的机械调整启动了分子簇沿取向作用的方向定向，从而分子平面显得基本上垂直于调整方向。这样方便了在随后的溶剂从液晶(LC)层蒸发的过程中染料分子的结晶。其中，晶格的结构单元变成了染料的单个分子而不是线性簇，线性簇在结晶期间“消失”了。结果，晶格是多孔的，以用于金属离子的渗透。
可以通过控制制作条件以及在干燥过程中溶剂的提取速率来满足膜中晶体结构的完整度。所述的制作过程用于制造光学上各向异性的膜。将金属离子浸渍到这些膜中可以增加膜的传导率而不破坏晶格和各向异性度。而且，将具有导电元件原子的内部偏振器层浸渍在位于电极上面的局部区域7中，可以大大减小在操作显示器中跨越偏振器的电压降。形成这些局部改进的区域允许将跨越1μm厚的偏振器的电压降减小到0.1V。
此外，可以通过各种现有方法获得所述区域。对注入过程的主要要求是，膜应该保持光学上的各向异性，以及膜应该保持其用途-即膜应该仍然是偏振器。
利用通常用于薄膜局部处理的石印掩膜(lithographic mask)来形成局部改进区域是可能的。然而，偏振膜的特性允许甚至利用无掩膜过程来形成具有增大的传导率的局部改进区域。从而，通过研究从有机染料的液晶溶液获得的光学上各向异性膜的结构，已证实了该光学上各向异性的膜具有一定的孔隙度，该孔隙度允许通过将在下面的电极结构用作电化学电池中的电极之一来进行直接穿过膜厚度的电化学过程。另一个电极可以是任何化学性质上惰性的、不会污染显示器结构的电极。电化学处理可以利用任何现有的、包含所需要材料的离子的电解质，包括水电解质。然而，因为重要的是要保护膜的结构，因此电解质溶液应该具有低浓度并包含诸如丙三醇等这样的有机添加剂，以允许使电解质变弱。通常使用pH值大约为8的电解质。除此之外，电化学注入的速率应该较低，因为快速电解可能会助长偏振器结构的破坏并降低其各向异性度。
图2示意性地说明了电化学电池8，其中电池9包含电解质10、阳极11以及具有电极的工作件(显示器板)12，这些电极连接到电池的电路系统用作阴极13，并连接到在这些电极上的偏振器层。
除此之外，可以通过具有例如镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铂(Pt)、钼(Mo)、银(Ag)及其它金属离子的结构(具有电极和偏振器的显示器板)的辐射来获得具有增大的传导率的膜区域。由注入离子剂量、辐射波长、用于随后热处理的加热脉冲的持续时间和能量密度来控制改进区域的厚度。控制过程条件，以避免损坏偏振器膜的结构以及消除处理条件对膜的各向异性度的影响。可以以多种配置进行离子注入：利用保护掩膜，模板。显示器板可以置于反应器中的附加电极上，同时向该电极供给所需的电位。在这种情况下，该附加电极与显示器板上的电极网络相连，这大大加速了注入过程，以允许利用较低的过程参数获得所需要的效果。
作为一个实施例，考虑具有从有机染料-硫化阴丹酮的液晶溶液获得的内部偏振器的反射型液晶显示器的制造方法。通过利用常见的提纯法和光刻法形成氧化铟-锡电极网络，来在玻璃板上制作显示器的前部面板。此后，利用二氧化硅层使极间的空间变平坦。平坦化层使电极暴露。紧接着，利用上述方法用偏振器的结晶膜覆盖所获得的结构。在对结晶膜进行电化学处理之前，先将结晶膜转变为不溶于水的形式，例如通过利用包含二价或三价金属离子的溶液来处理结晶膜。然后，将该结构置于通常用于镀银的弱电解质溶液中。溶液中银离子的浓度通常在0.1-0.001摩尔/升之间进行选择。也可以使用像丙三醇、1，2-亚乙基二醇、或乙二胺四乙酸那样的添加剂。然后，将板上的电极连接到电解电池的阴极。具有起催化作用的铂涂层的另一个电极用作阳极。当电压施加于电极上时过程开始，并继续，直至在偏振器膜中获得具有高传导率的局部改进区域。通常，在电流密度低于0.01mA/cm2的静电状态下进行浸渍过程。然而，还可以使用伏打静态(voltostatic)或混合状态，以及电化学过程的脉冲状态。将成品板进行装配以形成腔。将液晶注入到板之间，并密封显示器。测量已显示了：在电极之上的区域中的偏振器的膜中形成具有高传导率的局部区域导致了显示器能量消耗的大幅度降低，其允许大大减小显示器的整个厚度。
参考文献
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2.US 5007942，1991.
3.RU 2120651，1998.
4.US 5739296，1998.
5.US 6198051，2001.

Claims (18)

1.一种液晶显示器，所述液晶显示器包括一置于两板之间的液晶层，在每块所述板上有一电极网络以及至少一层偏振器，其中在至少一块所述板上的电极是透明的，并且在相对于所述板的透明电极顶部的至少一个偏振器层是E型偏振器并且由至少一种有机染料的至少部分结晶的各向异性膜制成，其中将在透明电极之上的至少一个E型偏振器区域进行改进以便增大其传导率。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中所述E型偏振器利用至少一种有机材料制成，所述有机材料的化学式包含至少一种为了形成溶致液晶相在极性溶剂中提供溶解性的离子团，和至少一种极性相反的离子。
3.根据权利要求1或2所述的显示器，其中作为有机材料，使用至少一种能够吸收以下光谱范围至少之一的有机染料：从200nm到400nm，从400nm到700nm，从0.7μm到13μm。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中通过至少一种材料的离子的浸渍来改进所述E型偏振器局部区域，所述至少一种材料将增大所述E型偏振器局部区域的传导率。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中作为增大所述偏振器局部区域的传导率的材料，使用银、和/或铝、和/或镍、和/或其它金属。
6.根据权利要求1、2、3、4或5中任一权利要求所述的显示器，其中所述显示器另外包括：至少一个用于调整液晶的层、和/或至少一个漫反射层、和/或至少一个相移层、和/或至少一个双折射层、和/或至少一个导电层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个各向同性层、和/或至少一个绝缘层、和/或至少一个平坦化层、和/或一个漫反射或镜面反射层、和/或至少一个同时起至少两个所述层作用的层。
7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中所述E型偏振器层同时起以下层的作用：相移层、和/或双折射层、和/或调整液晶的层、和/或保护层、和/或同时起至少两个所述层的任何组合的作用的层。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的显示器，其中每个所述透明电极具有辅助金属结构，其施于部分电极表面上以增大其传导率。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的显示器，其中选择所述显示器中层的光学厚度，以便在所述显示器的至少一侧提供干涉极值。
10.一种制造根据权利要求1所述的液晶显示器的方法，所述方法包括：制造具有电极和偏振器的所述显示器的板，连接所述板同时利用间隔物形成一个用于液晶的腔，用液晶填充所述腔并密封所述腔，其中在所述显示器的至少一个板的内表面上形成的透明电极表面上，形成至少一层由至少一种有机染料的至少部分结晶的光学上各向异性膜制成的E型偏振器，在此之后在所述电极之上的所述结晶膜局部区域浸渍足够量的金属离子以便增大这些区域中所述膜的传导率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中通过所述显示器板的电化学处理、利用已应用的透明电极和偏振器膜在包含注入金属离子的电解质溶液中，来完成将金属离子浸渍到所述偏振器膜的局部区域中，其中在所述板上的透明电极用作阴极，而将具有起催化作用的涂层例如铂涂层的电极用作阳极。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中选择电解质溶液的浓度和电化学处理的参数，以便完成将金属原子注入到所述偏振器膜中而不降低其各向异性度。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其中在使用所述电解质的水溶液的情况下，在进行电化学处理之前先处理所述偏振器膜以便将所述偏振器膜的材料转变为不溶于水的形式。
14.根据权利要求10所述的方法，其中经过离子注入，通过注入剂量控制注入混合物的浓度，以及通过所述注入离子的能量和类型控制渗透深度，来进行偏振器膜局部区域的浸渍。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在具有附加电极且在其上安装了处理结构的反应器中进行离子浸渍。
16.根据上述权利要求10、11、12、13、14或15中任一权利要求所述的方法，其中在制作完所述电极之后，将所述极间的空间涂覆一层电介质，以便使所述电极结构变平坦。
17.根据上述权利要求10、11、12、13、14、15或16中任一权利要求所述的方法，其中通过沉积至少一种有机染料的液晶溶液及同时和/或随后的取向作用以及溶剂的去除，来形成所述E型偏振器的所述结晶膜。
18.根据上述权利要求10、11、12、13、14、15、16或17中任一权利要求所述的方法，其中所述方法另外包括以下层的形成：至少一个用于调整液晶的层、和/或至少一个漫反射层、和/或至少一个相移层、和/或至少一个双折射层、和/或至少一个导电层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个各向同性和/或各向异性层、和/或至少一个绝缘层、和/或至少一个平坦化层、和/或一个漫反射或镜面反射层、和/或至少一个同时起至少两个所述层作用的层。
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