TW480357B - Liquid crystal device having improved alignment - Google Patents

Description

480357 A7 B7 五、發明説明（ 本發明有關一種液晶裝置配向。該裝置一般包括由元件 壁所包含之液晶材料薄層。該壁上之光學透明電極結構可 跨經琢層而施加電場，使液晶分子重新排列而成接通狀 態。去除電場時，分子鬆弛而回復其斷開狀態。 有三種各具有不同之分子排列的液晶材料，向列、膽固 醇之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶、及近晶狀。 本發明特別有關使用向列狀、長節距膽固醇液晶或強謗 電性材料及對元件壁之表面配向處理的裝置。此種表面配 向使用邊壁接觸 < 液晶分子配向於配向方向。藉使此種配 向方向與液晶正方，而強制得到在電壓斷開狀態下之扭轉 結構。此種裝置已知係扭轉向列裝置。在向列材料中添加 少量膽固醇之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶之夜晶材料 賦予較佳扭轉取向，而確定裝置中均句扭轉。亦可製造扭 轉角大於90。之裝置；例如超扭轉向列裝置，或us_ 4，、596,446所述之270。扭轉向列裝置。配向處理之另一種要 求係亦應使it件壁上之液晶分子具有表面傾斜。該種表面 傾斜係在某些裝置中確定均勾顯示所必要者，如例如 1，472,247及 1，478,592所述。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 其中-種提供配向之方法稱為摩擦法，其中具有或 合物層之元件壁藉軟布單向摩擦。液晶分子延摩：配 向，視聚合物層而定，通常表面傾角約2。或更大。。 另一種配向技術係例如Si0之傾斜蒸發，並可 向角度而產生零表面傾角、或高傾角，例如種： 術在大量生產時極煩續；但更重要的問題是，難以在大面 -4 - 480357 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（2 積元件壁上提供均勻配向方向及表面傾角。 形成熱變色顯示器之短節距膽固醇液晶材料已藉包埋於 塑膠元件壁内之線柵結構配向；此者係描述於gb2i4則 (McD_ell，1983)中。先前使用線柵以得到預傾配向之方 法係扭用與正弦線柵交叉之刻紋線柵（us 4521〇8〇,以加如 等人，1985 及 Lee 等人之 SID 93 Digest p 957)。， 液晶導向Μ正弦槽紋行進，而經過刻紋線柵，以造成 表面預傾。預傾配向係液晶裝置避免造成較差之裝置品質 之逆傾轉化、、泉所必要。此種先前技藝之一項缺點係其僅提 供有限之預傾角範園。 根據本發明，藉著改變槽紋長度方向之輪廓，而使預傾 角可排列成具有特定值，則可克服該項問題。 根據本發明之液晶裝置包括： 兩片相間隔且封包液晶材料層之元件壁； 位於兩元件壁上之電極結構； 位於元件壁上，提供液晶材料之配向的表面配向； 其特徵為： 至少一兀件壁（3,4)上具有一以預傾角來提供表面配向 之雙柵極； 泫雙柵極包含一非對稱調變線柵以及一對稱調變線柵， 汶兩線柵彼此間以非零之角度排列，且具有不同之槽紋深 度或節距值，該非對稱線柵所具有之非對稱性係沿其長度 方向變化以對該液晶材料提供配向及表面預傾角。 兩、、泉栅可貫負彼此正交，或成另一個非零角度，例如4〇 至 50。，或 80至 100。。 本紙張尺度蘭巾國國家標準（CNS ) Α&格（21GX297/Ii7 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

五 發明説明（3 A7 B7 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 非對稱線柵可具有較對 之螺紋。 丨％、、泉柵小之槽紋深度及/或較長 非對稱線栅槽紋可、;儿t 哕飧β ^ 口八長保持不變或改變非對稱性。 iife 只貝榣跨孩兀件之整體顯示區，或可僅 像素區内變化，^相素上兩線柵之形狀可在各 像相變化。線柵取向可隨各像 京^或於相鄰像素間變化。 該線柵可施用於兩元件辟 ^ ^ ^ 形狀。 土上’且各壁上可係相同或相異 、壬：：土中之一或兩者可在整體或部分壁上塗覆表面界面 活性劑。 叫 該壁可實質係剛,&，例如玻璃材料，或係撓性，例 晞烴。 該線柵可由光阻材料形成，或由藉將例如聚埽烴壓紋所 形成 < 塑膠材料形成。該壓紋材料亦可提供小型柱狀物 (例如微米高及5_5〇微米或更大寬度），以助於正確地隔 開兀件壁，以及在固定元件時充作液晶材料流動之障壁。 或者可藉該線柵材料形成柱狀物。 液晶材料可係具有正或負謗電率異方性之向列長節距膽 固醇液9日材料，或強誘電性材料。長節距膽固醇液晶材料 一有數彳政米或更大之正常節距。一般層厚係約4-7微米（就 向列或長節距膽固醇液晶而言）及1-3微米（就強謗電性材料 而言）。 ^ %極可形成為排列在可定址元素或顯示像素之x，y矩 -6- 本紙張尺度賴巾g]g]家榡準（CNS) Α4規格（21GX297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 1-1 480357

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 L内二寬系列仃列電極之形式。—般電極係間隔2°微米且 或=顯:;可排列成其他顯示格式，例如"矩陣， 面配H1万面係—種在液晶裝置元件壁表面上提供表 面配向及表面分子傾斜之方法，包括以下步驟： 在敗晶元件壁表面上形成光阻材料層， 使光阻材料曝照穿透由多個不連續不透明區所形成之掩 ^光，以使某些區域之総接受對稱曝光，而其 則接受非對稱曝光， ^ ^ 使光阻層顯影而選擇性地去除光阻， 烘烤殘留之光阻， 此種配置係形成兩個線栅，_個具有對稱形狀，而另— 個則具有非對稱形狀，該非對稱性係橫越元件壁表面而改 〇 茲參照附圖例示描述本發明，其中· 圖1係矩陣多重定址液晶顯示器之平面圖； 圖2係圖1顯示器之剖面圖； 圖3係先前技藝雙柵極之輪廓圖； 圖4a，b顯示用於製造圖3雙柵極之掩模及曝光之細節； 圖5a，b係在不同線柵之液晶材料的剖面圖，顯示液晶 導向體之局部變化； /阳 圖6顯示用於製造本發明雙柵極之掩模及曝光之細節； 圖7係本發明雙柵極之輪廓圖，顯示在兩個不同位置之 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 • f 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 480357 A7 B7 五、發明説明（5 ) 剖面輪靡； 圖8係顯示表面預傾角相對於曝光時間（及因而產生之不 同線柵輪廓）之圖， 圖9係顯示在不同預傾角下，中間層導向體傾角相鮮於 所施加之電壓之圖，且 圖10係各充填相同液晶材料之二個相同元件的表面两作 角相對於溫度之圖。 圖號說明： 玻璃壁（3，4 ) 液晶元件（1 ) 條列狀電極（6 ) 列驅動器（8 ) 控制邏輯（1 0 ) 偏光器1 3，1 3 * 眼睛（1 4 ) 液晶材料層（2 ) 間隔環（5 ) 行電極（7 ) 行驅動器（9 ) 電源C 11 ) 光源(；1 5 ) 反射鏡（1 6 ) C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁j 1 --- — - - 8= - · 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖1 ’ 2之顯不器包括藉包含於玻璃壁3，4之間之向列或 長節距膽固醇液晶材料層2所形成之液晶元件1。間隔環5 使該壁保持一般6微米之間距。另外數個6微米直徑之玻璃 珠可分散於液晶材料中，以保持精確之侧壁間距。在一個 側壁3上形成例如Sn〇2或ITO之條狀列電極6，同樣於另一 個侧壁4上形成相同之行電極7。使用m列及^行電極形成 可足址元素或像素之m.n矩陣。各像素係藉行列電極之交 叉而形成。 列驅動器8對各列電極6提供電壓。相同地，行驅動器9 8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公餐） 480357 A7 B7 五、發明説明（6 對各行電極7提供電壓。所提供之電壓係由控制邏辑1〇控 制一其接文來自電源丨〗之動力及來自定時器之標記時間。 凡件1疋每一侧面皆係偏光器13，13，，其排列成使偏光 軸彼此正交，並與相鄰側壁3 , 4上之配向方向平行，如下 文所述者。 邛为反射鏡16可與光源15一起位於元件1之後方。此點 使該顯示器可於反射下觀測，且在昏暗之環境燈光下可由 後方照相。就透射型裝置而言，可省略該反射鏡。 組分之前，元件侧壁3，4如下文所述般地以對柵極進行 表面配向處理，以提供所需之表面預傾角。例如，具有約 270°扭轉之元件可具有5_15。之預傾角。 適當之液晶材料係E7 (向列）、ZLI2293 (向列），單獨或 與膽固醇液晶例如E Merck所售之CB15、或SCE8x (近晶s *) 混合使用。 ° 圖3顯示先前技藝所述之結構，其含有與實質非對稱之 節距L2調變正交之實質對稱之節距Li調變。液晶與對稱槽 紋之槽紋平行配向，並藉非對稱槽紋誘導預傾角。如下文 所述’顯然由該結構所得之預傾角範圍係限於不包括所期 望範圍之兩狹窄範圍内。實驗方法係根據軸外影印石版 術，但可代之以干涉照相術或壓紋法。 一片用以形成元件壁之塗有ITO之玻璃以丙酮及異丙醇 清潔，隨後在3000 rpm下轉塗光阻（Shipley 1813) 30秒，產 生1.5微米之塗層厚度。在90。(3下輕度烘焙30分鐘。 使用如圖4所示之含有0.5微米線及0.5微米間隙（因此紗 I- Ϊ 1 1= · — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -9 480357 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 節距係1微米）之路掩模進行兩次接觸曝光。第一次曝光 時’線柵掩模取向係使槽紋位於與法線成6〇。之離轴曝光 平面内，圖4a。此種曝光幾何係在對稱強度分佈之情況下 照射光阻（因而有圖3之對稱線柵）。該掩模由基板脫離， 旋轉90。，再次夾緊，使槽紋取向與入射平面實質垂直， 如圖4b所示。此種幾何下之曝光於光阻内導致非對稱之強 度分佈，並提供圖3所示之非對稱線柵（參照例如β Un， J. Opt· Soc. Am·，62，976 (1972))。 使用此種雙重曝光法時，僅需於零度入射角下進行第二 次曝光。此外’此角度不需必為60°。一般曝光時間係在 第一次曝光時為120秒（tl)且第二次曝光時為1〇7秒（t2)，使 用O.SmW/cm2入射強度之汞燈（所有試樣皆ti〉t2，以確定配 向係位於所期望之方向）。經兩次曝光後，試樣於讣…叮 MF319内顯影10秒，並於去離子水中漂洗。在光阻表面内 留下雙柵極，其中對稱調變係與非對稱調變正交。在1〇5 C下重度烘fe 1 〇小時’以確定光阻不溶於液晶内。發現各 基板產生預傾之配向’其中導向體係位於第二次非對稱曝 光之入射平面内’並預光傾向入射方向。因此係使用先前 技藝所述之雙柵極結構形成預傾配向。 此類基板隨後構成10微米厚之預傾元件，並充填向列液 晶（E7，Merck)。使用結晶旋轉法或磁性歸零法測定預傾角 (T. J. Scheffer 及 J· Nehring，J. Appl. Phys.，48，5，1783 (1977))。tfUO秒且tfl〇7秒之試樣（參照前述定義），測定 預傾角介於25.0。-32.0°範圍内。當曝光時間減少至ti=9〇 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ^ 480357 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) 秒且t2=80秒時，測定預傾角介於1.5。-2.4。範圍内。後續 调整曝光時間無法產生介於2.4° -23.1。範圍内之預傾角。 本發明針對於提供在2.4。- 23.1。範圍内之預傾角。 刻、、文才曰紋上之液晶導向體結構係例示於圖5 a，b内。顯 示存有兩種不同之支配方法。 就較低之槽紋深度或槽紋非對稱性而言，在槽紋上之導 向體變形主要係如圖5a所示之彎曲變形。若槽紋深度或非 對稱性增加，則結構產生大幅變化，該形變則包括大量喇 队狀開口（圖5b);前一種結構皆謗發低預傾角，而後者則 產生大預傾角。不易達成之支配方法的確實程度係視液晶 材料、表面輪廓及表面之天頂固定能量（表示第一個分子 層可由切線方向相對於局部表面擾動之程度）而定。因此 前文及先前技藝所述之結構始終具有不易達成之預傾角支 配方法。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 泉 現在描述一種產生先前技藝無法得到之預傾角的方法。 此者使表面預傾角更良好地調合於可應用於TN (例如9〇 )、STN (例如270° )及強謗電性中之支配法中。該法在產 生一種結構，其中非對稱槽紋之輪廓沿其長度改變，而產 生局部變化之預傾角。巨觀預傾角具有均勻之單一值，其 視非對稱性變化之形式而定。現在描述此原理之實際具體 實例。 基板首先塗覆前述光阻，隨後使用圖6之雙柵極進行單 一離軸曝光。實例中，雙柵極掩模係由在兩方向上皆間隔 〇·5微米之0.7χ0·8微米大小之鉻矩型物所組成。因此表面 • 11- I- - I — -11 - 本紙張尺度適财關家標準（CNS ) Α4· ( 210^^7 480357 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 ) 凋’交之總節距係1 ·2微米及丨·3微米。該節距相異以確定該 配向係位於相同方向。在6〇。進行曝光227秒 (0.8mW/cm2)，隨後如前在内顯影1〇秒。參照圖6， 由該掩模形成之表面因為基板之非對稱照明僅發生於（b) 區内，而（a)區未受到非對稱曝光，故謗發低預傾角。 此法所製之線柵因此具有圖7所示之變化之截面積。導 致局部變化之預傾角，因而產生較低之總預傾角。該線柵 、’二重度:I、烤，並構成1 〇微米反平行預傾元件。已發現曝光 227秒之表面謗發15 4。之預傾角，而曝光2〇〇秒者則謗發 13 · 8之預傾月。圖8顯示預傾角相對於曝光時間之圖。 預傾角可在用於TN、STN及強謗電性應用之範圍内變 化。此結構所發現之最大預傾角低於使用雙重曝光法者， 4一因非對稱性週期性地變化，故無兩個不同支配方法之問 題。

此種線柵表面可藉前述方法或藉壓紋（虬T· Gak等人，L

Appl. Photo· Eng.，4, 2, 41 (1978))、劃線（E. G· Loewen及 R· S· Wiley，proc· SPIE 8 15, 88 (1987))或干擾照相法（m c Hutley, Diffraction Gratings, Academic Press, London, pp. 95-125)而在玻璃或聚合物基板上形成。 線柵表面亦可形成圖型，使其侷限於像素區域。構成 時’諸如正常白色扭轉向列、未配向像素間間隙需要額外 黑色基質而在所有倍數分配下表示空白組。 像素内之線柵亦分成數個具有不同配向方向之區域，而 產生改良之視角。或者，線柵性質可改變以跨經產生控制 -12- 本紙張尺度適财關家標準（CNS ) A4規格（2歌2;7公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

480357 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 之預傾角變化，而有較佳之灰度能力。例如在構成STN 時，電壓極限係預傾角之函數。參照例如圖9，如T. Scheffer 及 J. Nehring，pp A-4/19, Seminar Notes， Eurodisplay 93，SID o 圖5中，導向體在所有點上皆與局部表面相切。若線柵 表面材料現在調成homeotropic，隨後可達成傾斜之 homeotropic配向。此者可藉進行下列額外程序步驟而完 成。線柵顯影後，光阻以深UV輻射（254nm)處理以使表面 進一步聚合。該試樣隨後在180°C下重度烘烤30分鐘。該 表面可接受tiomeotropic界面活性劑，諸如溶於異丙醇之卵 磷脂。藉改變線柵輪廓，可得到介於60°及90°間之預傾 角。該配向可用於ECB (可電控之雙折射），其使用負性心 材料，且可由homeotropic切換至平面結構。homeotropic之 預傾角需避免逆傾轉化線。符合此種需求之線柵表面可導 致較習用使用經摩擦卵磷脂之裝置高之對比。傾斜之 homeotropic線柵亦可充作表面，以在線柵配向之雙定態向 列中伴生雙定態表面，如GB-9402513所述。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此種配向方法之另外一個特色係預傾角僅具小溫度依存 性。圖9顯示所測定之溫度函數之三個元件之預傾角（各元 件係充填E7)。液晶材料層厚度在所有元件内皆約10微 米；元件間之線柵僅稍有差異，而產生稍有差異之預傾 角。每一種情況下，跨經整體向列範圍僅稍為升高。此種 趨勢與摩擦聚合物配向所觀察者相反，其中預傾角通常隨 溫度降低，因為表面順序參數降低。裝置中，此種降低產 -13- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） 480357 A7 B7 五、發明説明（11 ) 生問題，而使鬲溫下之性能降低（在TNs内之逆傾轉化線及 STNs内之條紋）。因此，線柵配向所發現之趨勢一定較 佳’其至有少量其他效應之溫度補償（極限電壓，切換速 度等）。線柵配向之預傾角之溫度依存性小顯示其與彈性 係數比無關。 製造兩個其他相同元件，並充填不同材料即可確認此 點。充填E7 (k33/ku=1.54)之元件具有15·6。之預傾角，而 充填Ε1?0 (l^/k^l.Ol)之元件則具有I6.3。之預傾角，其 幾乎係在於實驗誤差内。此種與預傾角無關之材料係另_ 項線柵配向之優點。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. J / Γ,Γ 申請專利. 1¾ 月曰 1. 經濟部中央榡準局員工消費合作衽印製 麵 種液晶裝置，包括·. 兩個隔開且封包液晶材料層(2 )之元件壁(3，4 ); 位於兩元件壁上之電極結構（6,7); 在兀件壁（3，4 )上之表面配向（R)，提供該液晶材料之 配向；其特徵在於： ' 元件壁（3，4 )上具有一以預傾角來提供表面配 向之雙柵極； 遍又柵極包含一非對稱調變線柵以及一對稱調變線 岳〉兩、、泉柵彼此間以非零之角度排列，且具有不同之 ^、、又木度或節距值，該非對稱線柵所具有之非對稱性係 ’口其長度方向變化以對該液晶材料提供配向及表面預傾η ° …、 2.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該兩線柵實質彼 此垂直相交。 根據申清專利範圍第丨項之裝置，其中該非對稱線柵具 有較對稱線柵小之槽紋深度及/或較長之節距。 4.根據申請專利範圍第W之裝置，其中該非對稱線柵具 有較對稱線柵長之節距。 5·根據申請專利範圍第1項之裝置 只質橫越元件之整體顯示區。 6.根據申請專利範圍第1項之裝置 列於顯示像素區域内。 根據申請專利範圍第1項之裝置 其中該線柵係排列成 其中該線柵實質僅排 其中兩線柵於各像素 上之形狀係於各像素區域内或於相鄰像素間變化 480357 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 8. 根據申請專利範園第1項之裝置，其中該線柵之方向係 於各像素區域内或於相鄰像素間變化。 9. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中線栅係施加於兩 兀件壁（3，4 )上，且各壁上係具有相同或相異形狀。 10. 根據申$青專利範圍第i項之裝置，其中一片或兩片元件 壁（3，4 )之整體或部分壁上係塗覆表面界面活性劑。 根據申清專利範園第1項之裝置，其中該等元件壁（3 4 ) 係實質剛性物質或撓性物質。 12·根據申請專利範圍第i項之裝置，其中該等線栅係由光 阻材料’塑膠材料，或壓紋塑膠材料形成。 13·根據申請專利範圍第”員之裝置，其中該液晶材料（？）係 向列材料，具有長節距之膽固醇液晶材料，或強謗電 材料。 R根據申請專利範圍第丨項之裝置，其中該液晶材料（？）具 有正值謗電率異方性，或負值謗電率異方性。 /、 15.根據申請專利範圍第丨項之裝置，其中該電極（6,7)係形 成為一連串列及行電極’排列成可定址元素或顯示音 之X，y矩陣。 、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ir 經濟部中央標隼局貞工消費合作社印製 16- 本紙張Λνΐ適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐）