TW555836B - Liquid crystal materials and alignment structures and optical devices containing same - Google Patents

Description

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發明領域 在一項特點中，本發明關於可用於液晶顯示裝置之結構 ，包括配列膜及配列基板。在另一項特點中，本發明關於 利用液晶配列膜或其中基板的顯示裝置及其他光學裝置。 發明背景 一種晋通液晶顯示器或“LCD”包含一列二維像素或映像 點。雖然各映像點可且習慣上包含許多光學元素，各包 含液晶元件。液晶元件一般包含保留在一對透明基板間 足液晶材料，而且這些基板極普遍係由玻璃或聚合物材 料如聚醞亞胺所製成的。介於液晶材料與基板之間的是 以電力連接至外側訊號裝置的電極，當通電時，改變液 晶材料的狀態。此類液晶元件的用途不只在顯示器上， 而且也在其他光學裝置上，包括光通訊裝置及其他光學 處理設備。 在液晶元件中，液晶材料的分子係配列或配向於沿著 元件内各基板之較佳方向。一般，此配列係經由配列結 構層的使用達到。配列層一般是玻璃基板或聚合物膜， 一般為聚醯亞胺，其係以機械方式磨成單向以賦予與其 接觸的液晶一種配向作用。液晶元件之光學活性係部份 隨液晶在各基板表面上之相對方向及基板間晶體方向之 有序變化而變。 此種丨貝用配列層具有大置缺點。例如加工許多可用的聚 合物基板所需的高溫阻礙對溫度敏感的添加劑如顏色染料 掺入配列結構中。而且，層膜及基板的製造中所用的慣用 I紙張尺度適用中s s家標準(CNS) A视格(210 X 297公|] ------

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摩擦、清洗及烘乾步驟l緩慢、昂貴的並導致總量不足及 低產率。 發明概述 簡單地說，在一項特點中，纟發明提供一種可用於液晶 顯示裝置之配列結構，其包含一個基板，其上置有一種溶 媒性液晶材料之配向膜或配向層。特別有用的溶媒性液晶 材:包括-類已知如色酮之化合物。本發明結構可藉塗佈 液晶材料於基板上以提供一種溶媒性材料之配向膜而製成 。配列基板也可包含一或多種染料或其他添加劑，因此除 了配列及配向外，還可完成極化、阻滞及/或滤色功能。此 配列結構也可藉由一或多個附加層如，例如膽固醇阻滯器 、非光學聚合物等製成。 在另一項特點中，本發明提供光學裝置。此光學裝置包 含至少一種液晶材料位於兩基板間，其中至少一個基板有 溶媒性液晶材料之配向膜置於其上。在另一項特點中，本 發明提供製造此類配列結構及光學裝置的方法。 圖形簡述 圖1是根據本發明配列結構之有序表面的掃描電子顯微 (S E Μ)影像。 圖2是根據本發明一項特點之液晶元件的概略圖。 圖3是一個配列結構之概略圖，其中該配列結構包含根據 本發明溶媒性液晶材料之有序層。 圖4是根據本發明一項特點之兩偏光板液晶顯示器的概略 截面圖。 本紙張尺度適財國國家標準(CNS) Α4規格⑽項公董）~---------

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五、發明説明（3 圖 圖5是根據本發明—項特點之彩色液晶顯示器的概略截面 較佳具體實例之細節描述 在本發明液晶配列（或同意詞配向）結構最基本的著眼點 中，其包含一個基板，其上塗有一層具有有序分子結構 之洛媒性液晶材料。溶媒性液晶材料可容易地，例如藉 剪切力對該材科之施^排序之，如用水溶液塗佈材料 發生。對於施加足夠的切變’液晶材料可假設一種有序 配向，其在烘乾時可提供己向或配列基板以用於配 向液叫疋件中又散裝液晶材料或用於配列或排序非液晶 塗層。因為與可能造成塗有材料之基板機械變形的切變 應力相比，在落媒性液晶材料之配向過程中所產生的切 變應力量是低的’因此形成本發明配列結構之程序較不 易產生扭曲基板之光學性質的應力。對於特定用途，本 發明之配列或配向構型可使用的基板，*不考慮 光學性質的降低。 本發明中可使用任何溶媒性液晶材料，當塗佈在適合基 板上時可形成有序結構。可用的溶媒性材料因此包括這些 在塗佈時可形成多種有序結構’包括晶質結構、溶媒性膜 及八他刀子順序。-般而1 ’最有用的溶媒性液晶材料將 為這些含有至少一個三嗪基之配列型液晶材料，包括這些 美國專利編號5,948,487中所揭示種類。溶媒性液晶材料最 好是無色的。一種特別有用的溶媒性材料是這些已知為“色 酮，，。參見如，Attwood，丁.尺.及 Lyd〇n，J E , 1984，分子 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2l〇x 297公 -6- 555836 A7 B7

五、發明説明（ 結晶液晶，108，349。色酮是大的、多環的分子，其一妒 係以疏水性核心的存在為特徵，其中該疏水性核心係被^ 種親水基所圍繞。疏水性核心可包含芳族及/或非芳族環。 在溶液（一般高於約5重量％溶液）中時，這些色酮分子易复 結成向列型配列’其特徵在於長範圍順序。色g同化合物之 代表實例為下列：

(A) (4-二甲基胺基-l-[4,6-二（4-羧基苯基胺基}-1，3,5_三嗪_2•基] 正p比咬硫酸鹽）及

(B) (4，6-二[4-羧基苯基胺基]_1，3,5-三嗪-2-基）正吡啶硫酸鹽） 可用的色酮物質也可呈兩性離子形式，其中這些具有下 式之化合物： 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 555836 A7 B7 五、發明説明（ R3 R“ R3

參考上式C及D，R1是親水性基，包括這些一般選自，但 不限於羧酸根（C00·)、磺酸根（SOf)、亞磺酸根（S〇2-)及磷 酸根（Ρ03Η·)基之基團。最好R1是羧酸根或磺酸根基，最佳 為羧酸根基。相對於與化合物之三嗪主鏈相連的胺基，R1 之最佳位置為對位（式C所示）。 R2是親水性基，其一般選自，但不限於羧酸（COOH)、磺 酸（S03H)、亞磺酸（s〇2H)、磷酸（Ρ〇3Η)或磺胺基（so2nh2) 。最好R2是羧酸基或磺酸基，最佳為羧酸基。相對於與化 合物之三嗪主鏈相連的胺基，R2之最佳位置為對位（式C所 示）。 R3各可為相同或不同地選自任何供電子基、吸電子基或 電中性基。最好R3是氫或經取代或未經取代烷基，最佳係 氫。 R4 —般係選自經取代或未經取代的正電荷雜芳族環，其 中該雜芳族環係經由R4基之環内的氮原子與三嗪主鏈連接 。R4可為，但不限於衍生自吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、咪 唆、嗯唆、喧峻、嗔二峻、σ塞二吐、p比唆、三峻、三嗪、 喹啉及異喳啉。最好R4是吡啶基。當存在時，可選擇雜芳 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 555836 A7 ^____ B7 九、發明説明（6 ) 族環R4之取代基以決定色酮物質之性質，例如，配列溶媒 性液晶材料所希望的顏色。此類R4之取代基係選自，但不 限於下列任何經取代或未經取代的基團：烷基、幾基、胺 基、烷氧基、硫基、氰基、醯胺及酯。存在時，最好R4的 取代基是經取代胺基或吡咯烷基，較佳係經烷基取代的胺 基取佳係一甲基胺基。取好取代基係位於p比唉環的4位置 上。 在一些例子中，藉一或多種添加劑化合物的摻入可提高 溶媒性液晶材料的性能。一種有用的添加劑是二γ基胺基 吡啶（’’DMAP”），其以介於約1與5重量％(較佳係介於約丨與2 重量％之間）間之量加入媒溶性液晶材料中時可改善該液晶 材料之光學澄清度。其他可用的添加劑包括簡單糖類如蔗 糖、葡萄糖及果糖，其添加濃度相似。視用於製造結合本 發明配列結構之裝置的方法而定，以溫度安定性相當高的 添加劑物質（例如，DMAP)為佳。 這些及其他由剪切塗佈溶液烘乾而成的色酮分子層呈現 自動組織化的表面結構，其容易且均勾地將液晶或非液晶 塗層配向平面構型。例如，圖丨顯示剪切塗有一層上述化合 物Α(聚合物基板（聚對苯二甲酸伸乙基酯）表面的掃描電子 顯微影像。 液晶材料的塗佈可藉任何可提供液晶沿著其所塗佈的基 板表面有序配列的慣用方法完成。一般，係以在塗佈過= 中施予塗佈材料切變應力之塗佈方法為佳，因為塗佈過程 中所施予的切變應力可用以形成大且均勾的有序媒溶性液 -9- 555836 五、發明説明（ 晶分子區。施予此類切變應力之塗佈技術 及慣用的擠壓染料塗佈。 7千塗佈 烘乾已塗佈液晶層可利用任何適合烘乾水性塗層之方式 完成。可用的烘乾方法將不會損害塗層或明顯破^任㈣ 變應力所賦予塗佈層之分子排序或其他塗佈或塗覆過程中 所應用之排序作用。 可將溶媒性材料塗佈其上之基材包括任何固體材料，其 可接受液晶材料塗層JL具有其目標應用 。例如，表示出可用於既定應用之透明度、半透== 射性。適合的基板材料包括，例如玻璃、剛硬的聚合物材 料、撓曲聚合物薄膜、多層膜及光學疊。除了液晶材料層 足外，基板也可包含任何其他顯示裝置中經常發現的層或 其他顯示器中可用的成份。此類附加層包括，例如偏^板 、阻滯器、濾色器、黑色基材及可以電力方式尋址的主動 或被動元件（如透明電極、有機及無機發光元件及薄膜電 體）和類似物。因此，可用的基板可包含一或多個光學活一 層（如偏光板、濾色器等）及/或一或多個可用於影響或控制 光穿過整個顯示構造物之傳遞、反射或吸收度的附加層或 材料。適合的基板材料可為有色或透明的，而且可為雙折 射率或非雙折射率的。 在代表性具體實例中，配列溶媒性液晶材料可被塗佈或 排在基板上，其中該基板具有圖案化電極（如透明導電氧化 物條如氧化銦錫（“ίΤΟ”））及/或具有薄膜電晶體（“TFTs”）或其 他電主動裝置之基材。此具體實例可包括直接塗佈或排序 -10- 裝 訂 曰曰 性 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐） 五、發明説明（8 ) 溶媒性材料於此種電極頂端或丁印上，或-或多個緊接声 頂端如-或多個平面化層上，或與 ： 對立的基板表面上。或者Ha 飞iFTs疋表面 次者，將;谷媒性材料塗佈在基材上， 其中該基板後來被裝上電極及/或主動裝置。 溶媒性材料之塗保溶液可藉製備-種水與PH調整化合物 如NH4〇H之簡單水溶液製成。然後，此塗体㈣可藉㈣ 性材料隨其他添加劑如界面活性劑或-或多種極化及/或 過遽染料溶於水溶液所製得。該溶液中也可加入小量的且 適合的水溶性聚合物黏著劑，其量範圍係從小於W重量 ^至5%或更高。發現可用於此目的之聚合物包括葡聚糖型 聚合物及其硫酸鹽及磺酸化聚苯乙婦。一般而言，液晶材 料的添加入足以形成溶液濃度範圍係從約8至約2〇重量％ 《:媒性材料溶液’雖然經常以從約ι〇至約Μ重量％之濃 :範圍為佳。也可使用此濃度範圍外之溶媒性材料溶液， in件疋保存所需I能度量。例如，溶媒性材料溶液應於最 ’’、基板上k供足夠的有序材料量’因此應足夠濃得以提供 適當塗佈厚度及烘乾能力’但不至於濃得禁止地不易塗佈 及/或配列。 在一些例子中，可能特別希望直接將一或多種顏色染料 摻入配列結構中以提供極化及/或濾色功能。此種摻入可 消除整個顯示構造物中額外、不同的偏光板或濾、色層之需 求例如’可將一或多種多色染料摻入溶媒性材料之有序 基材中以^供一種有序彩色偏光板。可選擇所摻入的染料 以提供顯示構造物多種有用的過濾及極化光作用。同在申 555836 A7 ________ B7 五、發明説明（9 ) 請中美國專利申請案第09/426,288號中提供許多此類構造 物。 所附圖形說明各種本發明配列結構之具體實例。例如， 圖2顯示根據本發明一個具體實例之簡單液晶元件2〇〇的構 造。該液晶元件200包含頂部基板202及底部基板206。在至 少一個各基板之表面是溶媒性液晶材料有序層。介於頂部 及底部配列層之間的是一層配列液晶材料層2〇4。此配列液 晶材料應包含任何慣用的向列型或層列型液晶材料，包括 扭轉向列型液晶、超扭轉向列型液晶、鐵電液晶、反鐵電 液晶、膽固醇材料等。配列液晶材料也可構成或包含任何 色嗣材料或其他上述溶媒性液晶材料。 安置頂部及底部基板使各基材具有溶媒性材料有序層之 表面與液晶材料204接觸並使液晶材料2〇4依所需方式配向 。不論頂部或底部基材202或206或兩者視情況可包含另外 選用的主動層。例如在一個具體實例中，依此方式將一或 多個多色染料摻入排料層之溶媒性液晶材料中，當塗佈在 配列基板上時，多色染料隨溶媒性液晶配向，而且所得配 列基板也可用於作為二色偏光板。 圖3顯示一個根據本發明配列結構之可能的構造物。在 基板300上，塗佈一層透明電極層3〇4如氧化銦錫。鄰接 電極層304的是一層溶媒性液晶材料之有序層3〇6。在一 個具體實例中，溶媒性材料包含一或多種多色染料，因 此視染料的選擇及配向而定，可同時作為偏光板、濾色 器及配列層。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X &97公董) 555836

圖4k供㈣可能的兩偏光板液晶顯示裝置或lcd之截面 圖LCD 400包含-個頂部偏光板4〇2、一個選用的阻滯器 或或補償器404、一個液晶元件，其中該液晶元件包含一個 頂部基板406、-個底部基板41〇及_種置於其間之液晶材 料4 0 8。液晶元件下方是—個底部偏光板4 i 2及一個選用的 反射層或透光反射器414。至少一個頂部及底部基板包含一 個溶媒性液晶材料有序層，丨中該液晶材料層係沿著與液 晶材料408接觸之表面放置。可提供反射或透光反射器層 414以利用周遭光線或來自前光導（未顯示出）的光照明液晶 顯示器400。視情況’背光(也未顯示出)可置於顯示器後以 在有或無選用的反射或透光反射器層414的情況下容許背部 照明。 圖5提供一個彩色液晶顯示裝置之可能構造的截面圖，其 中該液晶顯示裝置結合一或多個本發明配列結構。彩色液 晶顯示裝置500包含一個頂部偏光板5〇2及一個底部偏光板 516。介於頂部與底部偏光板之間的是一個具有頂部配列層 之液晶元件，其中該配列層包含一個頂部基板5,其上置 有一個溶媒性液晶材料有序層或塗層5〇6。一個底部基板係 由另一個溶媒性液晶材料有序層或塗層5 1〇、一列濾色器 512及一個底部基板材料514所製成的。置於兩基板之間且 與兩相鄰溶媒性材料層或塗層接觸的是液晶材料5〇8。通常 ，對於濾色器列612，全彩顯示器係使用一種規律圖案之主 要濾色器。例如’濾色器可為一種規律的三色列，即紅色 、綠色及藍色，或青綠色、紫紅色及黃色。此濾色器可為 -13-

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有色偏光板。 k供下列貫例以幫助了解本發明，但不應解釋成限制 其範圍。除非另外指示，所有份數及百分比皆以重量為 基準。 、、 實例 實例1 兩性離子形式之色酮材料，4-({4·[(4-羧基苯基）胺基卜6· [4·(二甲基胺基）吡啶-1_基]-1，3,5-三嗪-2-基}胺基）苯甲酸鹽 係根據下列反應依下列方式製得。 OH ci 〇

在一個500毫升具有溫度計、高架攪拌器及冷凝器之三頸 圓底燒瓶中，加入50克4,4-[(6-氣-1，3,5-三嗪-2,4-二基）二胺 基]雙-苯甲酸、15.83克4 -二甲基胺基p比淀及270毫升二甲基 亞職。將此混合物加熱至90°C共三小時。將混合物冷卻至 室溫並藉過濾收集所得固體，以二甲基亞颯及丙酮清洗之 並風乾之以獲得41.10克1-{4,6-雙[4-羧基苯基胺基]-1，3,5-三 嗪-2-基}-4-(二甲基胺基）氯化吡啶。將14克此固體加入一個 1公升具有高架攪拌器之三頸圓底燒瓶中並於此加入307毫 升蒸餾水及5.53克28重量％水性氫氧化銨溶液。攪拌使溶液 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 555836 A7 ____B7 五、發明説明（12 ) 直到固體溶解。令此溶液向下流過6〇〇董米X 58爱米之管柱 ’在此管柱中含有300克Mitsubishi SAT-10離子交換樹脂（此 樹脂係經0.5重量％水性氫氧化銨溶液預清洗過）。在15釐米 汞柱之真空度和80°C下蒸餾流出物以獲得12.66克4-({4-[(4-幾基苯基）胺基]-6-[4-(二甲基胺基）p比淀-基]-1,3,5-三嗪 基}胺基）苯甲酸鹽。 實例2 製備一種溶液濃度介於8與10重量％之色酮化合物（化合物 A)水溶液。利用簡單的刮刀塗佈器將色酮溶液之薄層塗佈 在兩玻璃板各一側。兩玻璃板已事先塗有氧化銦錫之透明 導電層（700埃）。風乾各板並從溶液將5微米直徑之玻璃珠噴 在各板塗有色酮層側。依色酮層之塗佈方向彼此呈9〇。之方 式將該板黏在一起，而且兩元件一起形成一個簡單的元件 構造物。兩板間留有一個小開口並將自莫克公司購得之向 列型液晶材料ZLI1565真空填入該元件。 在顯微鏡下兩交錯偏光板間觀看此已填充元件。此已填 充元件實質上在偏光板間傳送所有的光，指示元件内向列 型液晶材料完成均勻配列9〇。扭轉。 本發明各種不背離本發明範圍及精神之改良和變化將為 這些熟諳此技者所了解，且應了解本發明不限於在此所陳 述之說明性具體實例。

Claims (1)

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   1. 夜曰日材料組合物，其包含一種具有下式之化合物

   或 R4 + r3n^nf R1

   R3 R2 其中： Rl及R2是親水性基；各R可為相同或是不同，是一個供電子基、 或一個電中性基；及 电 二n:r經取代或未經取代、正電荷雜芳族環，其 '、、、，二由R j衣中的氮原子與三嗪主鏈相連。根據1申μ專利範圍第1項之液晶材料組合物，其中： 疋個選自由羧酸根、磺酸根、亞磺酸根及磷酸根 基所組成之群的親水性基； 疋個選自由幾酸、磺酸、亞磺酸、磷酸及績胺基 所組4成之群的親水性基；及 4 、選自由（a)未經取代的正電荷雜芳族環，其係經由 5衣中的氮原子與三嗪主鏈連接及（b)經取代的正電荷雜 芳族^環，其係經由R4環中的氮原子與三嗪主鏈連接，其 中R的取代基係選自由烷基、羧基、胺基、烷氧基、硫 本紙張尺度通€®家標準(CNS)i_4規格(21()><297公着丁

   555836 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 3. 4 5. 6. 8. 基、氰基、醯胺及酯基所組成之群。 根據申請專利範圍第1項之液晶材料組合物， 自由衍生自吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、咪唑 吐、嗯二吐、魂二咬、P比峻、三嗤、三嗪、 啉之環所組成之群。 根據申請專利範圍第1項之液晶材料組合物 C〇cr，R2是 COOH且 R3是 Η。 根據申請專利範圍第1項之液晶材料組合物， 環R4是一個u比淀環。 根據申請專利範圍第2項之液晶材料組合物， 代基為胺基或ρ比嘻燒基。 根據申請專利範圍第6項之液晶材料組合物， 是4-二甲基胺基或4-吡洛燒基。 根據申請專利範圍第1項之液晶材料組合物， 其中R4係選 、鳴峻、。塞 林及異4 ，其中R1是 其中雜環狀 其中R4之取 其中該胺基 另外包含至 少一種掌性化合物，一種醇及一種界面活性劑 9. 一種液晶材料組合物，其包含一種具有下式之化人勿·

   本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ---- 555836

   R1 是 coo·或 so3-; R2是 COOH或 so3h ; 各R可為相同或是不同，是H或ch3 ;及 R4是一個正電荷、經取代吡啶環，其係經由吡啶環中 的氮原子與三嗪主鏈連接，其中R4的取代基係選自由烷 基、羧基、胺基、烷氧基、硫基、氰基、醯胺及酯基所 組成之群。 1 0 ·根據申凊專利範圍第9項之液晶材料組合物，其中R4之取 代基係選自由胺基或P比咯燒基所組成之群。 11·根據申請專利範圍第10項之液晶材料組合物，其中該胺 基是一個二曱基胺基或4-吡咯烷基。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)