CN1928668B - 负型介电各向异性液晶的配向方法 - Google Patents

负型介电各向异性液晶的配向方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种垂直排列液晶盒的配向方法，其藉由掺杂正型、中性或负型介电各向异性液晶材料，得到高对比垂直配向且与操作温度无关的双氟化合物或混合物。在配向膜上不需对定向方法或预倾角作特殊需求，即使在高温下仍可得到均匀垂直配向的液晶盒，并且其液晶混合物的物理性质例如双折射率和粘度都可获得改善。在实施例中使用垂直配向向列型液晶盒来制造高对比的微显示器。

Description

负型介电各向异性液晶的配向方法
技术领域
本发明涉及一种液晶，特别涉及一种垂直排列液晶盒的配向，藉由掺杂正型、中性或负型液晶材料至另一负型液晶材料中，产生高对比垂直配向的双氟化合物或混合物，且不受操作温度影响。
背景技术
垂直配向(homeotropic alignment)的液晶已经被广泛地运用在显示器中，例如笔记本电脑或桌上型计算机、电视、手机以及个人用数字产品等。在交错的偏光板间垂直配向较佳的液晶盒(liquid crystal cell)能够对垂直入射的光产生较佳的对比，该对比对于入射光波长、液晶盒间距以及操作温度较不敏感。使用纵向电场可以让垂直配向液晶盒得到有效的光电效应，可使用的液晶为负型介电各向异性液晶混合物，其介电各向异性(dielectricanisotropic)Δε＝ε//-ε⊥＜0。对于有源矩阵显示器而言，为了得到较高的电压保持率以及避免画面闪烁，需要较高的灵敏度，为了达到较高的灵敏度，一般使用含氟的化合物，并且为了得到负的Δε，氟官能基通常在侧链位置。
双折射率及粘度也是影响液晶装置响应时间的重要因素，为了得到较高的双折射率、较大的负值Δε以及较高的灵敏度，通常选择侧链(2，3)双氟联苯、联三苯以及二苯乙炔液晶分子。在J.Chem.Soc.，Perkin Trans.2，(1989)p.2041中已经揭露双氟联三苯液晶分子的合成，然而双氟二苯乙炔以及联三苯混合物很难在垂直排列的液晶盒中配向，较差的配向性将导致较低的对比，没有适当的配向，垂直配向的液晶盒将无法展现其优点。
在Appl.Phys.Lett.Vol.21，No.4(Aug.1972)，pp.173-174以及Proc.SID，31，321(1991)中已经揭露数种达到垂直配向的方法，然而，即使遵照上述公开的方法，要将侧链双氟二苯乙炔以及联三苯混合物配向也是很困难的。
特别是侧链双氟联三苯和二苯乙炔很难在抛拭(buffed)的聚亚醯胺液晶盒或溅镀的二氧化硅盒中配向，此外，掺杂的混合物其优值(figure-of-merit)较未掺杂的混合物主体改善许多。本发明所提供的方法在较高的温度例如约100℃时也能够产生稳定垂直配向的液晶盒，藉由掺杂正型、负型或中性介电各向异性液晶材料，能够在使用抛拭的聚亚醯胺配向膜时也达到极佳的垂直配向液晶盒。此外，掺杂的液晶混合其优值也会增加，优值为FoM＝K33Δn2/γ1，其中K33为弯曲弹性系数，Δn为液晶双折射率，γ1为旋转粘度。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种稳定垂直配向液晶盒的制造方法。藉由混合正型、负型或中性Δε液晶材料，使得侧链双氟联三苯和二苯乙炔分子配向。
本发明的第二目的在于提供一种垂直排列液晶盒的配向方法，其可应用在较大范围的液晶材料、配向膜(alignment layer)及定向方法(rubbingmethod)。
本发明的第三目的在于提供一种稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其具有均匀的配向和极佳的暗态，并且不随温度变化，这对于投影式显示器特别重要，因为弧光灯(arc lamp)具有加热效应，液晶显示器面板温度通常在50～60℃之间。
本发明的第四目的在于提供一种混合物的配制方法，以达到垂直配向的液晶盒。藉由适当地选择掺杂物(dopant)以及液晶材料的重量百分比，可调整液晶混合物的物理性质例如双折射率及粘度至符合显示器需求。此外，适当地选择掺杂物可使得应答时间改善许多。
本发明提供的方法可产生稳定垂直配向的液晶盒，藉由掺入正型、负型或中性介电各向异性液晶材料至另一负型介电各向异性液晶材料中形成混合物，改善垂直配向液晶盒中液晶混合物的配向。负型介电各向异性液晶混合物的主体为侧链(2，3)双氟-二苯乙炔或-联三苯化合物，掺杂物的百分比取决于主体负型液晶化合物或混合物的性质，以及掺杂物的特性。例如联三苯混合物较二苯乙炔混合物难以配向，因此需要的掺杂物重量百分比较高。此外，用以改善纯的(2，3)双氟-联三苯的配向的正型、负型或中性材料所需的重量百分比也不同，其百分比与共熔混合物(eutectic mixture)的重量百分比也不同。正型或中性掺杂物液晶最佳的重量百分比约为5至15％，在较佳实施例中负型材料的重量百分比约为30％。
同样地，依据本发明，任何具有正型、负型或中性Δε的液晶材料皆可使用。因此，液晶混合物的物理性质例如临界电压、介电各向异性、双折射率以及粘度，皆可藉由选择适当的掺杂物，调整至符合显示器性能需求。例如，混合物的双折射率可藉由掺入低双折射率(Δn约为0.1)的正型液晶材料，而使得双折射率稍微降低，但是因为粘度低，使得优值约增加为主体负型联三苯混合物的1.7倍，并且其应答时间也增加。
附图说明
图1为在交错的偏光板间垂直配向液晶盒中的混合物A的透光率随电压变化图。
图2为在交错的偏光板间垂直配向液晶盒中的混合物A及B的透光率随电压变化的比较图。
图3为在交错的偏光板间垂直配向液晶盒中的混合物A及C的透光率随电压变化的比较图。
图4为在交错的偏光板间垂直配向液晶盒中的混合物A、D及E的透光率随电压变化的比较图。
图5为在交错的偏光板间垂直配向液晶盒中的混合物F、G及H的透光率随电压变化的比较图。
图6为混合物A、B、C及D的双折射率随温度变化的比较图。
图7为混合物A、B、C及D在λ＝633nm的优值(μm2/ms)随温度变化的比较图
具体实施方式
为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合附图，作详细说明如下：
图1为以联三苯为主的双成分混合物A的透光率随电压变化图，混合物A为侧链(2，3)双氟联三苯型双成分混合物，混合物A的组成请参阅表1。在图1中，实线及虚线分别表示混合物A在23℃及50℃。
表1
此混合物在室温下具有良好的暗态，但是随着温度从室温开始上升会有漏光现象产生，当温度上升至室温以上，临界电压变得不明显且降至更低的电压。
图2为混合物A及B的透光率随电压变化图，混合物B的组成如表所示。在图2中，实线表示混合物A在50℃，长折线、点线及点折线分另表示混合物B在23℃、50℃及100℃。
表2
混合物 掺杂物  混合物A的重量百分比   掺杂物的重量百分比
  B   MLC-9200-000  90   10
  C   ZLI-3086  90   10
  D   MLC-6608  70   30
  E   MLC-6608  87   13
混合物B其组成为90％的混合物A及10％的正型介电各向异性液晶混合物例如MLC-9200-000(Merck)具有Δε约为4。与混合物A在50℃的透光率随电压变化曲线比较，即使当温度接近澄清点(clearing temperature，Tc)时，混合物B随电压变化的透光率仍保持暗态以及均匀的配向。
图3为混合物C的透光率随电压变化图，其组成如表2所示。在图3中，实线表示混合物A在50℃，长折线、点线及点折线分别表示混合物C在23℃、50℃及100℃。混合物C其组成为90％的混合物A及10％的中性介电各向异性液晶混合物例如ZLI-3086(Merck)具有Δε约为0.06。与混合物A在50℃随电压变化的透光率比较，即使当温度接近澄清点(clearingtemperature，Tc)时，混合物C随电压变化的透光率仍保持暗态以及均匀的配向。
图4为混合物D及E的透光率随电压变化图，混合物D及E的组成如表2所示.在图4中，实线表示混合物A在50℃，长折线、点线及点折线分别表示混合物D在23℃、50℃及100℃，短点线表示混合物E在100℃.混合物D包括70％的混合物A及30％的负型介电各向异性液晶混合物例如MLC-6608(Merck)具有Δε约为-4.2.混合物E包括87％的混合物A及13％的MLC-6608.与混合物A在50℃随电压变化的透光率比较，即使当温度接近澄清点(clearing temperature，Tc)时，混合物D随电压变化的透光率仍保持暗态以及均匀的配向；然而，如果掺杂物的重量百分比过低，例如混合物E，在开态(on-state)的透光率会较差，并且对比会降低。
图5为混合物F、G及H的透光率随电压变化图，实线、长折线及点折线分别表示混合物F、G及H。混合物F是以侧链(2，3)双氟二苯乙炔为主体的混合物，混合物F的组成如表3所示，混合物G及H为混合物F掺杂不同重量百分比的PTP-2NCS，PTP-2NCS的分子结构以及混合物G及H的组成如表4所示。
表3
表4
混合物G及H在室温下的熔点(Tm)、澄清点(Tc)、双折射率(Δn)、优值(FoM)以及介电各向异性(Δε)如表5所示。
表5
  混合物   Tm(℃)   Tc(℃)   Δn   γ1/K33   FoM   Δε
  A   23.64   112.31   0.236   2.27   4.73   -4.3
  B   21.04   113.08   0.216   3.56   7.39   -3.3
  C   16.23   110.24   0.217   3.8   5.84   -4.4
  D   6.02   104.65   0.190   2.35   6.82   -3.2
  G   -51.8   110.2   0.30   19.0   4.73   -4.3
  H   -52.0   107.0   0.31   13.0   7.39   -3.3
*因为混合物F在室温下于聚亚醯胺液晶盒中的配向较差，其双折射率及优值无法于聚亚醯胺液晶盒中量测。
混合物F是以双氟二苯乙炔为主体的混合物，混合物G的组成为95％的混合物F及5％的正型介电各向异性液晶化合物例如PTP-2NCS；混合物H的组成为90％的混合物F及10％的PTP-2NCS。请参阅图5，与混合物F在23℃随电压变化的透光率比较，掺杂5％PTP-2NCS的混合物G如长折线所示，其抑制暗态漏光效果显著，但仍不够好。增加PTP-2NCS至10％(混合物H)，具有较佳的暗态以及较明显的临界电压。
图6为混合物A、B、C及D在λ＝633nm的双折射率随温度变化图，混合物B和C的双折射率约为0.217，混合物D的双折射率约为0.19。因为所选择的掺杂物其双折射率于室温下(Δn＝0.08～0.11)低于混合物A，因此混合物B、C和D的双折射率较混合物A稍微低。熔点(Tm)及澄清点(Tc)由DSC(DSC；TA-100)测量而得，Δn、γ1/K33及FoM在λ＝633nm下测量，Δε在频率f＝1kHz下测量。
图7为混合物A、B、C及D的优值随温度变化图，混合物B、C及D的优值在室温下分别为3.55、3.8及2.4，混合物A的优值非常接近混合物D。因为混合物B、C所选择的掺杂物的黏弹系数比混合物A低，所以混合物B、C的优值增加约为混合物A的两倍。
本发明很重要的一点为使用常态下为黑色画面(normally black)的垂直配向向列型液晶盒，垂直配向向列型(vertical aligned nematic，VAN)液晶盒其中的液晶分子以大约垂直于液晶盒表面的方向排列。纯的负型介电各向异性液晶混合物在室温下于液晶盒中为垂直配向，但是在室温以上其配向变得不均匀，并且在暗态的漏光增加，造成较差的对比。
依据本发明的方法，藉由改变填充液晶的性质，开发出均匀垂直配向的液晶盒。液晶由正型、中性及负型介电各向异性液晶所组合，其中负型介电各向异性液晶为混合物中的主要部分，藉由掺杂一些正型、中性或负型介电各向异性液晶在主要的负型介电各向异性液晶中，可达到超高对比，并且在室温以上仍可使液晶配向均匀。
在本发明的实施例中，使用垂直配向向列型液晶盒制造高对比的微显示器(microdisplay)，藉由掺入正型、负型或中性介电各向异性液晶材料至负型液晶混合物中，可消除垂直配向液晶盒中的配向问题，并且可达到超高对比.不需对配向膜的定向方法或预倾角(pretilt angle)作特殊需求，即使在高温下仍可产生均匀垂直配向的液晶盒。此外，液晶混合物的物理性质如双折射率及粘度可获得改善。
虽然本发明已通过如上优选实施例进行了描述，但是其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可做更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定为准。

Claims (9)

1.一种稳定垂直配向液晶盒的制造方法，包括以下步骤：
提供第一负型介电各向异性液晶材料；以及
将至少正型、中性或第二负型介电各向异性液晶材料混合入该第一负型介电各向异性液晶材料中，以产生比该第一负型介电各向异性液晶材料的对比或优值高的稳定垂直配向液晶盒，
其中该第一负型介电各向异性液晶材料为侧链(2，3)双氟二苯乙炔。
2.权利要求1的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该混合包括以下步骤：
提供该正型介电各向异性液晶材料；以及
将该正型介电各向异性液晶材料与该第一负型介电各向异性液晶材料混合，形成混合物，其中该正型介电各向异性液晶材料为0.1至99.9重量％。
3.权利要求2的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该正型介电各向异性液晶材料为3至25重量％。
4.权利要求1的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该混合包括以下步骤：
提供该中性介电各向异性液晶材料；以及
将该中性介电各向异性液晶材料与该第一负型介电各向异性液晶材料混合，形成混合物，其中该中性介电各向异性液晶材料为0.1至99.9重量％。
5.权利要求4的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该中性介电各向异性液晶材料为3至25重量％。
6.权利要求1的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该混合包括以下步骤：
提供该第二负型介电各向异性液晶材料；以及
将该第二负型介电各向异性液晶材料与该第一负型介电各向异性液晶材料混合，形成混合物，其中该第二负型介电各向异性液晶材料为0.1至99.9重量％。
7.权利要求6的稳定垂直配向液晶盒的制造方法，其中该第二负型介电各向异性液晶材料为10至90重量％。
8.一种液晶介质的制造方法，包括以下步骤：
提供第一负型介电各向异性液晶材料；
提供正型介电各向异性液晶材料；
提供中性介电各向异性液晶材料；以及
将该正型介电各向异性液晶材料和该中性介电各向异性液晶材料与该第一负型介电各向异性液晶材料混合，以产生比该第一负型介电各向异性液晶的对比或优值高的液晶介质，
其中该第一负型介电各向异性液晶材料为侧链(2，3)双氟二苯乙炔。
9.权利要求8的液晶介质的制造方法，其中该正型和该中性介电各向异性液晶材料为0.1至99.9重量％。
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