TW565729B - Method of imparting preferred alignment, and liquid crystal device elements incorporating a preferred alignment - Google Patents

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Description

565729 A7 __B7__ 五、發明說明（丨） 本發明關於一種賦予某層一種性質的方法，此性質是 :可置於此層上的液晶分子會採取優選配列。本發明亦關 於加入優選配列的LCD元件。 液晶裝置[例如液晶顯示器、光閥，以及例如光學延緩 膜（optical retarder)、偏光板、膽石醇濾光器（cholesteric filter)等等的液晶聚合物元件]的操作，需要控制配列，而 且經常也需要預傾液晶。目前是使用機械摩擦技術，來製 備能夠感應出配列和預傾的表面。 爲了克服摩擦技術的缺點，已經發展出幾種光學方法 ，其使用線性偏光，一般稱爲光配列方法(photo-alignment method)。這些方法揭示於Gibbons等人的美國專利第 4,974,941號、Chigrinov等人的美國專利第5,784，139號、 Chigdnov等人的美國專利第5,389,698號以及歐洲專利第 0 525 478 B 號（Hoffmann-La Roche 等人）。 雖然這些專利揭示的方法滿足其所需，但是它們依靠 偏光。製造偏光的光源比較複雜，可能比較不適合大量生 產，而且比較昂貴。因爲偏光板通常吸收至少50%的光， 所以免除偏光板可以更好地利用光源(不是較快的效應，就 是可使用較弱的燈光）。因此已經建議出某些方法，其使用 非偏光。
Seo等人在98年亞洲顯示器(Asia Display 98)論文P-81、第 795〜798 頁，以及液晶(Liquid Crystals)1997 年、第 23冊、第6期、第923〜925頁當中，已經揭示：使用一種 聚醯亞胺表面，其已被與此表面法線成70°入射角之非偏 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
565729 A7 __ - —__ B7 五、發明說明（/ ) 光的υ·ν·光所照射，而在向列型(nematic)液晶胞中產生預 傾角。然而，此方法並未從我們已確認的潛在優點得到利 益，反而需要非常高的能量輸入，足以將聚醯亞胺解聚。 我們已發現：在某些未預期的情況下，上述光學的光 配列方法也可以使用非線性偏光的（例如圓偏光的）光或等 方向性的(未偏光的)光。 根據本發明，提供了一種製造液晶聚合物元件的方法 ，其包括賦予某材料一種性質，此性質是：置於此材料層 上或與此材料混合的可交聯單聚合或預聚合之液晶分子會 採取優選配列。 此方法包括將該材料暴露於來自傾斜方向的未偏光或 圓偏光的輻射，而允許塗佈於或混合於此暴露材料的單聚 合或預聚合之液晶分子採取優選配列，同時在配列下將其 交聯。 輻射與此層法線所夾的入射角φ最好是在5%φ<7〇。的 範圍，更好是超過45。。 此輻射可以是紫外線。 所述的優選配列最好使得液晶分子的液晶分子長軸位 於包含該層法線和輻射方向的平面中。配列可以呈平面的 (〇°)或傾斜的(最高達90。）。所賦予的優選傾斜最好與該層 平面呈超過45。，更好是超過75。。 此外’輻射對材料的效應可以是要將它交聯，因此也 改善了材料的穩定性和其配列的性質。 關於材料所暴露的輻射，可以呈區帶圖案，例如在輻 4 本紙张尺度適用中國國家標準（CN 4規 χ 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) :裝 ♦ 565729 A7 _____B7_ 五、發明說明（）） 射源和該材料之間插入微元件陣列，像是微透_ 陣列或是適當的全像術元件，如此，在所賦予的性 優選配列是呈區帶圖案。使用此種微元件陣列進〜^ ^ 由單一輻射源產生局部不同的傾斜輻射，即使_射&本^ 輻射垂直於該材料層或微元件陣列時亦如此。 μ 當以一特定照明幾何和適當的配列層材料時， 使用未偏光的光，最好是紫外線，使得輻射前馬等 的一層轉換爲異向性的一層。層與方法典型地具有以下_ 色： ' (a) 轉換之後，該層對於置於其上的單聚合或預聚液 晶材料具有配列的效果。 "" (b) 層中產生異向性，同時也發生交聯，也就是說，產 生配列的能力和交聯乃基於一種雙分子的光製程，但是丰艮 據本發明的方法，也可以應用於典型使用偶氮染料的單分 子製程。 如果想要的話，材料層的光配列敏感度優於2 J/cm2， 輻射能(垂直於輻射來量測)可對應地保持低於2 J/cm2，而 由於曝光時間可以減少至低於10分鐘，所以生產力提高了 〇 該層乃可光構的(photo-structurable)，也就是說，該層 不同的部分可有不同的方位配列和傾斜角[例如可藉透過光 罩而曝光、全像術成像、透過像是微稜鏡的微元件而成像 、像是微反射鏡的像素化光開關(pixellated light switch)]。 另一方面，也可以此方法製造均勻配列於大面積的裝 5 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) !裝 ----訂---------線· 565729 A7 ____B7 五、發明說明（〜） 置’特別是液晶聚合物(LCP)延緩膜和用來改善顯示器觀看 角度的光學補償器。 該層可用作例如顯示器之液晶裝置用的配列層；此顯 示器可包含單聚合向列型、膽石醇或近晶碟狀型[smectic， 包含手徵近晶碟狀C型(chiral smectic C)]液晶。操作模式 可以是穿透式或反射式。在反射式中，可使用由膽留層或 轉換偏光的光學元件(例如BEF箔)製的反射器，也可使用 鏡面金屬反射器或發散反射器。 裝置基板可以是玻璃、塑膠、矽晶片或任何其他適合 者。 除了已經提過的，免除所需偏光的優點包含：方法的 一般簡化，使之更適於大量生產，而且能夠使用微透鏡陣 列、微稜鏡陣列或類似者來照明，以致只要一個輻射步驟 就可做到結構化配列，這是偏光所不可能做到的。 本發明使用上可相關於垂直配列的向列型（vertically aligned nematic，VAN)晶胞，其中液晶顯示器在兩表面上 都有90>θ>75°的傾斜角，或者相關於混合配列的向列型 (hybrid aligned nematic，ΗΑΝ)晶胞，其中一表面上的傾斜 角爲902ΘΑ75。，另一表面上的是Θ430。。在一或兩表面 上也可以利用中間傾斜角。 此種材料可以是實質垂直(homeotropically)定向的。也 就是說，此材料可以是對於其上的液晶分子感應出(方位上 未定向之)大傾斜角的材料，此傾斜角未必正好90°，但是 最好超過80°，更好是超過85。。特別是在需要大傾斜角的 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
565729 A7 Γ^^ 五、發明說明（（） 地方，以一實質垂直定向的材料來開始可能是有利的，（除 了方位配列以外，）其僅需要少許調整感應的傾斜角，以達 到正好所需的傾斜。 本發明所用的材料可以是可光聚合的聚合物，例如那 些也用於已知的光配列方法，特別是線性可光聚合的聚合 物。 所用的材料不僅可包含可光聚合的聚合物，但也芮包 含單分子配列材料，後者本質上係不穩定的，因爲光配列 不會將它交聯；然而，如果當此單分子材料被光配列的同 時施加一液晶聚合物層，這樣就沒有關係了，因爲該液晶 聚合物本身能交聯（在其配列的位置中穩定下來），之後， 單分子材料的不穩定性就沒有損害的效果。 本發明也可以應用於一種可聚合的混合物，其包括： ⑴液晶單體或預聚物，具有可交聯基；以及(ii)可光定向的 單體、寡聚物或聚合物。此種混合物描述於英國專利申請 案第9812636.0號，其揭示的加入此做爲參考。儘管參與 的分子有明確不同的功能，這些混合物能夠被定向而且交 聯成液晶聚合物。所以，這些混合物一方面可用作光學元 件中的異向性層，或者，另一方面通常是較薄地塗佈爲定 向層。 要了解：物質⑴也可以是液晶聚合混合物，也就是可 以包含兩種或更多種不同的液晶分子。對等地，物質(ii)可 以是可光定向之分子的混合物。假設可交聯的液晶物質⑴ 的量有100份，則可光定向的物質(ii)的量最好至少有〇」 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之江意事項存瓖寫本買) — -4T«»J- •線 565729 A7 _ B7__ 五、發明說明（b ) 份，更好至少1份，最佳至少10份。較佳之可光定向的物 質(ii)包括顯現順式一反式異構物的分子’特別是偶氮染料 。另一種較佳之可光定向的物質⑴)包括線性可光聚合的聚 合物。依據所要的用途而定’可交聯的液晶物質⑴可以分 別具有向列相、膽甾相或鐵電相。物質⑴或多種物質⑴最 好是丙烯酸酯或二丙烯酸酯。混合物可以進一步包括手徵 對稱分子、染料分子、二色性(dichroic)分子或螢光分子。 本發明延伸至一種以前述方法由液晶聚合物製作的元 件。此種元件可以有利地包括多個依序施加、配列和交聯 的液晶聚合物層(或混合物，如前所述）。 本發明進一步延伸至一種依靠性質被固定之液晶聚合 物的光學裝置，其包括一種上述的元件（例如光學元件）。 此種裝置的範例可包含定向層、光學延緩膜、偏光板、膽 石醇濾光器或保護文件防盜拷或更改的元件。 本發明現在要以範例的方式來描述。 範例1 一垂直配列的向列型(VAN)晶胞 光聚合物A溶於環戊酮中而製成2%的溶液S1，並於 室溫下攪拌30分鐘。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 565729 A7 _— _ B7 五、發明說明（1 )
x:y = 9:1 光聚合物A : 溶液S1旋轉塗佈在2000 rpm的兩片銦錫氧化物(ITO) 玻璃基板上，然後在130°C的熱板上乾燥30分鐘。所有這 些操作係於減少紫外線的環境下進行。 塗佈的基板接著暴露於來自200W高壓水銀燈的等方 向性紫外線達6分鐘，其入射角相對於基板法線呈65。。 於暴露期間，安排各基板的一邊平行於包含基板法線和入 射光方向的平面。 使用紫外線邊緣濾光器WG295 (Schott)和帶通濾光器 UG11 (Schott)，以限制光線的頻寬，此使用探針設在320 nm的光強度計1〇〇〇 (Carl SUss)，發現在基板(但垂直於入 射輻射)所量到的強度是2 mW/cm2。使用此兩基板來建構 平行面晶胞，塗佈物彼此面對著，並使用塑膠塡隙片隔開 2·7 μτη。晶胞然後在室溫下塡充以「液晶混合物8987」 (Liquid Crystal Mixture 8987)，可得自瑞士的 Rolic 硏究股 份有限公司，其具有Δε=-3.5的介電異向性、Δη=0·096的 光學異向性和Tc=77.3t的液晶等方向性轉變溫度。 當從交叉的偏光板之間來看晶胞時，晶胞相對於偏光 板的所有方位角都呈現黑暗的，換言之，液晶混合物是垂 9
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565729 A7 __B7 _ _ 五、發明說明（？） 直的（homeotropic) 〇 當於基板的電極之間施加5V 90Hz的交流電時，則(i) 當安排晶胞邊緣與交叉偏光板的偏光方向呈45°時，晶胞 變成對光有最大穿透性；（Π)當安排晶胞邊緣與交叉偏光板 的偏光方向呈平行和垂直時，晶胞變成最暗。此示範說明 了：就某方面而言，液晶混合物已變成定向的，而與原始 輻射該層光線的入射面有關(後面會提到此係平行於基板的 邊緣，因此平行於晶胞的邊緣）。 由於使用一傾斜補償器，而建立了切換液晶層的光軸 平行於基板與原始入射輻射紫外線平面的交線。 重複施加上述的交流電，但電壓僅3V，而在狀況⑴下 觀察，從垂直於晶胞的平面來看，晶胞僅顯現微弱的穿透 性，換言之，液晶指向ί!僅稍微傾斜。爲了確認液晶的傾 斜方向，將晶胞相對於位於晶胞平面的軸(其垂直於包含fi 的平面)而傾斜，直到晶胞再次出現黑暗爲止·。在此定向中 ’係沿著光軸(也就是fi)而有效觀察晶胞。此顯示：液晶相 笑寸於晶胞法線的傾斜方向’是原始紫外線幅射入射方向的 相反。 無論有無施加電壓，液晶的定向都是均勻的，而無差 排或領域邊界。特定而言，當切換時，不會產生所謂的反 轉傾斜領域(reverse tilt domain)(如果液晶分子由於定向層 中太小的傾斜角而在某些區域已反轉傾斜，則可能會產生 反轉傾斜領域）。 範例2~預傾角的量測 10 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
I - I I I — — — — — — — — — 565729 A7 _____B7 五、發明說明（气） 如同範例1，兩片ITO披覆的玻璃基板旋轉塗佈以溶 液S1，然後在130°c下乾燥30分鐘。 兩基板接著暴露於等方向性紫外線達6分鐘，其入射 角相對於基板法線呈65。。以紫外線切斷濾光器WG295 (Schott)和帶通濾光器UG11 (Schott)，來限制光譜範圍。 使用帶有320 nm探針(Carl SUss)的Carl Stiss光強度測量儀 ’測量在光敏層處的紫外線強度是2 mW/cm2。 爲了測量配列層所感應出的預傾角，以上述照明過的 基板組裝成一平行的晶胞。使用兩石英纖維做爲間隔物， 將晶胞間隙設爲20 μηι。在晶胞塡充以負介電液晶混合物( 其具有_5·1的介電異向性、Δη=0·0984的光學異向性和 Tc=75.8°C的液晶等方向性轉變溫度，混合物編號爲9383 ，可得自瑞士的Rolic硏究股份有限公司）之前，先將晶胞 加熱至90°C，以確保液晶混合物是在等方向性相下進行塡 充程序。塡充之後，晶胞以每分鐘rc的速率冷卻至室溫 〇 爲了測量預傾角，採用晶體旋轉法。根據測量的，結果 ，發現液晶指向相對於基板法線偏斜了 3°。 範例3—液晶聚合物(LCP)元件 首先使用環戊酮做爲溶劑，製備光配列材料B之2重 量％的溶液S2。溶液於室溫下攪拌30分鐘。
11 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
565729 A7 B7 五、發明說明（（ 光聚合物B : 然後製備混合物Map，其包括下列液晶性二丙烯酸酯 早體·
0 單體1 : I --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
1^1· C^:
Cl 單體3 : 除了二丙烯酸酯單體以外，得自Ciba SC的光起始劑 IRGACURE 369以及做爲抑芾IJ齊!J的BHT (2,6-二-三級丁基-4-甲基酚/ 丁基羥基甲苯），也添加至混合物中。如此，混 合物 Mlcp 的組成如下： αα网曲 早體 單體 177重量％ 214.5重量％ 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 565729 A7 —___ B7______ 五、發明說明（〇 ) 單體 34.7重量％ IRGACURE 3691.9 重量0/〇 BHT 1.9 重量％ 最後，以苯甲醚溶解10重量％的混合物MLCP而得到 溶液 s (LCP)。 開始製備層係使用3000 rpm和1分鐘做爲旋轉參數， 將溶液S2旋轉塗佈在1 mm厚的矩形玻璃基板上。此層然 後在130°C的熱板上乾燥30分鐘。 塗佈的基板接著暴露於200W高壓水銀燈的等方向性 紫外線達6分鐘，其入射角相對於基板法線呈65°。紫外 線的入射面（係由基板法線和光線入射方向所定義）係對齊 平行於基板的長邊。以紫外線切斷濾光器WG295 (Schott) 和帶通濾光器UG11 (Schott)，來限制光譜範圍。使用帶有 320 nm探針(Carl Siiss)的Carl Stiss光強度測量儀，測量在 光敏層處的紫外線強度是2 mW/cm2。 當基板安排於交叉的偏光板之間時，基板看起來是黑 暗的，而與基板邊緣和偏光板穿透軸之間的角度無關。因 此，光敏層中並未感應出可察知的雙折射。 接下來，以1000 rpm、2分鐘來旋轉塗佈溶液S (LCP) ，而在已暴露過紫外線的光敏層頂端上製備一層MLCP。然 後將基板加熱至最高達70°C，此恰高於混合物MLCP的澄 化溫度Tc=68°C，然後以每分鐘0.1°C的冷卻速率冷卻至 65°C。接著在氮氣氛下，將MLCP層暴露於150W氙燈的光 線達10分鐘，而使之交聯。測量交聯的MLCP層厚度爲 13 才、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i裝
t I I 一δ,、· ( n ϋ I I n n I 565729 A7 _______ 五、發明說明（J ) 250 nm 〇 當基板安排於交叉的偏光板之間’使基板邊緣與偏光 板的穿透軸呈45。時，基板看起來是灰的。然而，當安排 基板的邊緣平行於或垂直於偏光板的穿透軸時，基板看起 來是黑暗的。因此，當光軸對齊平行於或垂直於基板長邊 時，Map層乃雙折射的。然而’使用一傾斜補償器時，發 現MLCP層的光軸係平行於基板長邊，後者於光對齊材料 JP265的照明期間乃安排平行於紫外線入射面。 除了方位配列以外，也發現MLCP層的光軸相對於基 板表面而言有所傾斜，平均偏離基板平面的傾斜角約30。 。從光學表現與觀察角度的依存性，得到以下結論：Mu：P 層中的光軸傾斜相反於用於光配列層照明之紫外線的入射 方向。 所以，暴露於傾斜入射的等方向性紫外線，可在光配 列材料中感應出配列的能力，此乃強到足以將混合物Μιχρ 的液晶單體配列而平行於紫外線的入射面，也足以將Mu：p 的分子均勻地從該層平面傾斜出來。 14 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) n n i I ^· n ϋ n I ft— n n -p

Claims (1)

  1. 六、申請專利範圍 1.一種製造液晶聚合物元件的方法，其包括賦予一感 光材料一種性質，此性質是：置於此感光材料層上或與此 材料混合的可交聯單聚合或預聚合之棒形液晶分子會採取 優選配列， 此方法包括將該感光材料暴露於來自傾斜方向的未偏 光或圓偏光的輻射，而允許塗佈於或混合於此暴露材料的 單聚合或預聚合之液晶分子採取優選配列，同時在配列下 將其交聯。 2·根據申請專利範圍第1項的方法，其中輻射能(垂直 於輻射來量測)低於2 J/cm2。 3·根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中輻射是 紫外線。 4·根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中所述的 優選配列使得液晶分子的液晶分子長軸位於包含該層法線 和輻射方向的平面中。 5. 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中所述的 材料是實質垂直定向的。 6. 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中輻射與 此層法線所夾的入射角φ是在5%φ<70°的範圍。 7. 根據申請專利範圍第6項的方法，其中入射角φ>45° 〇 8. 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中所述的 材料由輻射所交聯。 9. 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中所述的 _1___ Θ張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁)
    565729 g______ 六、申請專利範圍 性質進一步包括：在此種液晶分子交聯而固定其傾斜和配 列之前，賦予它們優選的傾斜和優選的方位配列。 10·根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中材料所 暴露的輻射呈區帶圖案，藉此，在所賦予的性質中，優選 配列是呈區帶圖案。 11·根據申請專利範圍第10項的方法，其中在輻射源 和該材料之間插入微元件陣列。 12.根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該材料 包括：具有可交聯基的液晶單體或預聚物以及可光定向的 單體、寡聚物或聚合物等以上兩者的混合物。 13·—種製造液晶聚合物元件的方法，其包括賦予一感 光材料一種性質，此性質是：與此感光材料混合的可交聯 單聚合或預聚合之液晶分子會採取優選配列， 此方法包括將該經混合材料暴露於來自傾斜方向的未 偏光或圓偏光的輪射，而允許混合於此材料的單聚合或預 聚合之液晶分子採取優選配列，同時在配列下將其交聯。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
    、^口 線 2 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297^^ 申請ΈΓ期 丨， 案 號 ((ί \ 類 別 —ί^1 1 一 Υη^χ L 以上各棚力本局填柱) 565729 --------- 一…叫/十、/^，丹社 J 1 當1專利説明書 發明> 一、新型名稱 中文 賦予優選配列的方法和加入優選配列的液晶裝置元件 英文 Method of Imparting Preferred Alignment, and Liquid Crystal Device Elements Incorporating a Preferred Alignment 姓名 1. 胡伯特塞伯勒 2. 馬丁夏得特 國 籍 _發明， _ 一 Λ Κ. 1.德國 創作 住、居所 2瑞士 1. 德國D-79576萊茵河岸懷爾市，波登湖街1號 2. 瑞士 CH-4411塞提斯貝格，里斯塔勒街77號 姓 名 (名稱） 羅利克股份公司 國 籍 瑞士 三、申請人 住、居所 (事務所） 瑞士 6301楚格，固特街2號 代表人 姓 名 1. 馬丁夏得特 2. 理查布赫克 裝 訂 線 本紙張尺度顧巾 CNS ) A4^ ( 210X2^7^17
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