TWI468812B - 在液晶盒裡獲得受控的預傾角和方位角的方法 - Google Patents

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Description

在液晶盒裡獲得受控的預傾角和方位角的方法
本發明總體上涉及一種液晶盒，更具體地說，係涉及在液晶盒裏產生任意控制的預傾角和方位角。
精確地控制液晶盒裏的預傾角是一直為人所需的。有時在某些特定的應用上，會需要相當大的預傾角，這很難靠普通的配向方法來獲得。
郭教授等人在美國公開第2005/0260426號之專利案裏揭露一種利用非同質性配向表面(inhomogeneous alignment surface)來產生大的可控預傾角的方法。所述的非同質性配向表面不是均勻的、也不是只用相同單一材料構成的，而是包含了奈米和微米大小的、由不同的配向物料形成的區域(domain)。特別是，如果其中一種配向物料能夠產生垂直的配向，而另一種則能夠產生均一或水平的配向，那麼所得的表面將產生一個中間的預傾角。
郭教授等人的美國專利公開案應用了由兩種不同的配向物料所形成的二元混合物在烘乾時所產生的隨機相位分離。區域的分佈是隨機的，有時並不均衡，並且難以控制。所以，需要製造一個能夠精確地控制的非同質性配向表面，並且需要在大基板上產生均衡的配向層。
在此敍述的是一個在液晶盒裏製作可精確控制的非同質性配向層的方法。在大基板上獲得了一個非常均衡的配向層，其能廣泛地應用於顯示系統上。
根據一個實施方案，本發明提供一種位於包含至少一種液晶物料的液晶盒內的液晶配向層。該液晶配向層包含一塊基板、第一和第二配向層。該第一配向層連續地設置在該基板上，以用於在液晶材料中產生第一液晶預傾角和第一方位角。該第二配向層連續或非連續地設置在該第一配向層的表面上，第二配向層獨立地在液晶材料中產生第二液晶預傾角和第二方位角。
根據進一步的實施方案，該第二配向層包含多個島狀的結構。或者該第二配向層可包含一個或更多的網絡結構。或者該第二配向層可包含“山岡”和“山谷”結構。“山岡”和“山谷”的高度差可為1奈米到200奈米不等。
根據另一個實施方案，本發明提供一種位於包含至少一種液晶材料的液晶盒中的液晶配向層的製作方法。這個方法包括(1)在基板上連續地設置第一配向層，(2)處理第一配向層令其在液晶材料中產生第一預傾角和第一方位角，(3)在第一配向層的表面上非連續地設置第二配向層，(4)處理第二配向層令其在液晶材料中產生第二預傾角和第二方位角。
近年來，對用於液晶的非同質性配向表面的研究已經有迅速增長的趨勢。這是因為這些配向設置能夠在液晶盒內產生高預傾角。很多的實驗證明，高預傾角可以有不同的應用，例如：雙穩態顯示器和無偏壓的彎曲式快速回應液晶模式。這些配向表面通常包含兩種區域，而這兩種區域會促成不同的液晶取向。這些配向表面可以排列成交替的條紋樣式或者棋盤樣式。
在文獻Jones T.K.Wan,Ophelia K.C.Tsui,Hoi-sing Kwok,Ping Sheng,“Liquid Crystal Pretilt Control by lnhomogeneous Surfaces,”Phys.Rev.E 72,021711-1-021711-4(2005)中，描述一個具有有限錨定能且有規律拼湊而成的圖案。第一圖呈現這種模型的示意圖。表面能量Fs 跟Rapini-Papoular形式的液晶表面能量相似：
上述等式中，全部的分佈比重，θ AV (0)是在表面z=0位置處的平均傾角，θ0 i 是配向角(alignment angle)，而W i 是錨定能常數，其在10-4 至10-3 J/m2 的範圍內。每單位面積的任意形態的液晶系統的總能量可以表達為：
上述等式中，λ是週期的大小(pitch)，f i (x,y){0,1}是區域i 的配置函數。n =(x ,y ,z )是液晶的指向矢,l ei ≡K 11 /A i 並且≡F e /K 11 。當週期的大小λ→0(即，λ變得非常小)時，系統能量U一定是完全來自在Z=0處的表面能量，例如U =ΣF Si 。假設只有兩個區域有著零扇形角配位方向(如φ i =0)，而各自的預傾角和錨定能則分別為θ1 、θ2 、W 1 和W 2 。因此預傾角必須能夠令在等式(2)中的表面能量項減到最少。這可以簡單地表示為θ AV (0)滿足等式(3)：
上述等式中，p 是經過歸一化的區域比例。通過在等式(3)中代入θ1 =85° 和θ2 =5° ，第二圖顯示區域1和2的不同的錨定能比例的影響。
依照等式(3)，我們亦可以研究在一些特別情況下，邊界角θ1 和θ2 對θ AV (0)的影響。假設θ1 >θ2 和和θ2 =0+△2 ，由(3)得出： 如果△1 +△2 =0，那麼
同樣地，如果我們假設θ1 =0+△1 和和θ1 <θ2 ，我們亦能夠得出一樣的結果。這說明了如果我們有兩個配向方向，以致它們的預傾角相差π/2並且△1 +△2 =0，那麼如第三圖所示，在任何地方，所得的θ AV (0)將會偏向於θ1 或θ2 中的任何一個。藉由很小的局部差異就可以控制精確的取向。這樣的效果對控制液晶本體內的反躍作用方向(backflow flowing directions)是非常重要的。
θ AV (0)的概念只有在區域尺寸趨向無限小(即λ→0)時才有效。實際上，在高預傾角的研究中，區域的尺寸對本體系統中的平均預傾角的影響才是最重要的問題。我們將在這裏描述詳細的模擬計算模型和結果。
平均預傾角的模擬是沒有解析式的。給予表達自由能量密度的數學等式，目標是要將器件的能量減到最少，從而得出相應的指向矢分佈。
依照一個實施方案，提供一種迭代的方法，其中液晶分子弛豫至平衡狀態，例如n i,j =0 i,j {x,y,z }。這個方法的好處是能夠照顧到擴展、彎曲的轉換。在迭代中，並不存在奇異點。為了更能描述這個方法，給予拉格郎日(Lagrange)方程式：
其中L是拉格郎日函數：L=K-U，K是動能密度，U是勢能密度。n =(n x ,n y ,n z )。因為這個結構沒有動能，因此K=0。在方程式(7)中給出勢能：
其中λ是用來維持指向矢n 的單位長度的拉格郎日乘數，K ii 是弗蘭克常數。當其中加入雷利分散函數時，公式(6)變成公式(8)：
其中每一點代表參數相對於時間t進行的微分。γ1 是旋轉粘度。結合公式(6)、(7)和(8)得出公式(9)： 公式(9)重寫為：
依照進一步的實施方案，如果假設所有的弗蘭克常數是一樣的，=(K 11 +K 22 +K 33 )/3，在y軸的尺寸為0(事實上，在×-z平面上的二維(2D)模擬已經足夠了)，並且液晶是非扭轉的，則F e 可以化簡為：F s =(n x , x +n z , z )2 +(n x , z -n z , x )2 (n z 2 +n x 2 )+(n z n z , y +n x n x , y )2 (11)因此公式(10)可以重寫為公式(12)和(13)，
由以上的公式可以看出，笛卡兒座標向量形式比起θ-φ方法要容易得多，而且更直接地與以下描述的系統幾何結構有關。另外，當指向矢逼近垂直(即，θ=90° )時，方位角將會變得不明確。這樣會導致數位方面的困難，其中模擬程式通過嘗試來決定哪一個方位角能夠使自由能量F e 最小化。因此，θ-φ方法只用於所選的一維(1D)模擬。
公式(10)表明最基本的問題就是．如何確定導數n i , j 。可以利用兩個普遍的方法用來達成：一個是有限元方法(FEM)，另一個是有限差分法(FDM)。依照一個實施方案，用有限元方法來確定導數n i , j ，其中假設該方法可以與有限的元素函數集(δ i )的線性組合()近似。依照另一個實施方案，係數a i 是由計算中所用到的特定方式的有限元方法來確定的。
跟有限元方法比較起來，有限差分方法通常沒有那麼複雜，所以提供了一個更合意的方法用來確定導數。
依照一個實施方案，提供了一個有限差分方法，其中，計算的區域被分割為正方體(即，格子)，其如第四圖所示，全部尺寸都一樣。
之後估測這些格子的導數。為了導出可用於估測上述導數的公式，利用泰勒級數展開： 解出在公式(14)中的一階導數f '(x )，得出向前的導數為： 相似地，得出向後的導數為：
重新排列公式(16)和(17)得出中間差分公式，其到二階時會更準確： 對二階導數f "(x )，得出公式(19)為：
現在，所有用來實行由公式(10)控制的弛豫的數位導數都已經被導出。但是，不能用公式(12)和(13)來解新指向矢n x 、n z 和λ。所以，撇走λ項，並且將指向矢在每次迭代後重新歸一化為單位長度。因此公式(10)變成： 而且，新指向矢在每次迭代後為：
根據公式(21)，其中一個最重要的決定計算速度的參數是時間步長值△t 。當利用弛豫方法時，存在著最大的時間步長，其中當時間步長太大時，數值計算會得出錯誤結果。事實上，當時間步長值大於此數值，則結果會是亂數。當然，時間步長△t 的數值與諸如邊界條件、格子尺寸和液晶粘度之類的參數不同。最大的時間步長可以通過測試以下簡化的弛豫公式(relaxation equation)而近似地得到：
指向矢和表面之間的相互作用可以用“錨定強度”來表徵。這是指向矢能在表面維持其方向的剛性的量度。錨定強度越大，指向矢更有可能固定在適當的位置。為了描述指向矢和表面之間的相互作用，這裏描述極錨定能和方位錨定能。極錨定能涉及要用多少能量才能將指向矢拉離開表面。方位錨定能是將指向矢在配向表面上向右旋轉所需的能量的量度。
為了可以更好地描述何世阿書-弗蘭克理論(Oseen-Frank theory)中的有限錨定效應，這裏描述Rapini和Papoular(RP)運算式。這是假設當指向矢偏離了理想的配向方向時，錨定能密度會以正弦平方的方式增加：F RP =W sin2 (θ-θ o ) (23)
其中W 是稱為錨定強度的標量，θ-θ o 是偏離配向方向的角度。RP錨定能是廣泛採用的近似運算式，並且通常在與其他錨定能運算式比較時作為基準。當極錨定強度和方位錨定強度之間具有差異時，RP運算式的一般形式是：F RPgen =W p sin2 (θ-θ o )+W a cos2 (θ-θ o )sin2 (φ-φ o ) (24)
其中W p ,W a 分別為極錨定強度和方位錨定強度。(θ-θ o ),(φ-φ o )分別是指向矢和配向方向的傾角和方位角。
在文獻：Zhao等人，“Week Boundary Anchoring,Twisted Nematic Effect,and Homeotropic to Twisted Planar Transition,”Phys.ReV.E 65,2002裏已經揭露一個各向異性的表面能量密度的運算式可以化簡為：F Zhao =γ1 sin2 (θ一θ o )cos2 (φ-φ o )+γ2 sin2 (θ-θ o )sin2 (φ一φ o ). (25)
錨定能係數可以利用比較(24)的球形和聲學展開式(spherical harmonics expansions)中的等階數項而獲得，
依照一個實施方案，表面指向矢一定要能夠移動以便實現錨定能對液晶器件的操作方面的影響。因此，公式(24)一定要在模擬迭代中達到最小。
依照一個實施方案，φ1 -φ2 =0。這種特定情況假設兩個配向區域擁有一樣的方位配向角。依照這個實施方案，l EEL 其實會隨著區域比例和配向區域的錨定能而改變。最大的l EEL 值可以變成 L 。這裏會報告對錨定能效應和當量外推長度的更嚴格的測試。
下面描述錨定能對當量外推長度的影響。假設垂直聚醯亞胺產生82度的預傾角，水平聚醯亞胺產生0.5度的預傾角，並且區域比例p 為0.5。模擬空間為xmax =200 nm× zmax =200 nm。垂直聚醯亞胺的極錨定能為0.2×10-3 J/m2 ，水平聚醯亞胺的極錨定能為0.2×10-3 J/m2 。第五圖呈現出相應的指向矢分佈。我們可以看到傾角偏離了理想的傾角。這種影響在兩個區域的分界處更為明顯。
如果配向表面的錨定能增加，則這種影響會受到抑制，如第六圖所示的那樣。而且，通過將這兩幅圖比較，我們可以發現l EEL 由錨定能所調節。可以由第七圖進行這種觀察。液晶呈指數地在z方向上弛豫至均一傾角。強的錨定能使得衰減率大幅度減慢，並且導致l EEL L 。由於典型的聚醯亞胺錨定能是大約2×10-3 J/m2 ，因此l EEL 一定要小於<L 。第七圖亦顯示重要資訊，隨著錨定能降低，當量外推長度同樣地會減小。
除了錨定能之外，區域比例p 在l EEL 調製中亦起到重要作用。第八圖顯示不同p 的相應的影響。最大的l EEL 的位置由比例p 和區域面積的預傾角支配。在這個時候錨定能沒有起任何作用。最大的l EEL 的研究對反躍作用方向控制是很重要的。
φ1 -φ2 ≠0的情況對液晶配置的控制很重要。通過控制主配向軸和次配向軸的扇形角，可以改變液晶所得的預傾角和方位角。這給液晶模式設計師或者光學波導設計師提供有用的工具，來控制液晶本體中的所得預傾角的精確位置和大小。
第九至十一圖展顯示不同的扇形角條件下的分子配置。這些圖的區域比例p=0.5，所得的預傾角通過表面的扇形角而改變。同樣，還存在初始的方位角φ0 =|φ1 -φ2 |，其由上述配向佈置方式產生。
第十二圖畫出在z方向上的傾角和方位角的標準差。可以觀察到當扇形角增加時，當量外推長度亦增加。
這些模擬結果可以用公式(2)解釋。由於針對不同的扇形角ψ0 而言，表面分佈p 是一樣的，因此表面錨定能保持不變。但是存在有由弗蘭克能量中引起的扭曲項。因此，為了使得總能量達到最小，當量外推長度必須要增加。可以預測到具有較大K22 的液晶會更進一步增加。
第十三圖顯示對不同的ψ0 而言，液晶方位角的標準差在z軸上的分佈。區域比例p 為0.5。這個情況與極角相似。最大的當量外推長度大約是L。
在ψ0 =0時，有一些方位角的混亂情況。假設這種影響在Z方向上應該等於0。實際上，這是由圖案結構的邊緣效應引起的。為了用圖說明這個問題，第十四圖顯示在X-Y平面上的液晶分子配向。當z/L =0.0時，強的錨定能防止分子配向偏離慢軸。但是，當錨定能影響在高位置z/L=0.23處降低時，邊緣效應出現。最後，錨定能消失，並且在z/L>0.5的系統中，弗蘭克彈性能量起主要作用。因此，這些邊緣效應最終消失。
平均預傾角的模擬結果與Wan描述的那些有所分別。據發現，如果區域尺寸L 與外推長度l e =K/W 不具可比性，則預傾角與區域比例p 成線性比例。此外，只要弗蘭克常數K11 <K33 ，如果扇形角ψ0 >0，則平均預傾角總是大過ψ0 =0情況下的平均預傾角。實際上，這種特性對於一般的液晶來說永遠是對的。
第十五圖顯示由數值模擬得到的在p =0.1和p =0.9條件下的非線性效應。由於模擬尺寸是L=200nm，因此p =0.1和p =0.9分別促使L0.1H/0.9V =20nm/180nm和L0.9H/0.1V =180nm/20nm。模擬的錨定能為2×10-3 J/m2 。外推長度為l e = /W =15.25×10-12 /2×10-3 =7.625nm。由於這些數值相當，所以，在曲線的頭部和尾部可以找到非線性效應。
當方位角(扇形角)不同時，會出現其他效應。第十六圖畫出了這種結果。可以見到，當比例p 增加時，方位角最終會轉變到水平聚醯亞胺的主配向方向上。結果表明，這種轉變並不是線性的。這是因為弗蘭克常數K22 和K33 的不同。依照弗蘭克彈性能量，彎曲項實際上由K22 和K33 合作而成。它對扭曲項造成非線性效應。這種效應在高預傾角p<0.4的情況下更加顯著，因為彎曲效應支配著本體能量。為了抑制這種效應，如第十七圖所示，建議使用較弱的K22 。
基於以上的模型和非同質性配向的模擬結果，以下描述本發明的各種實施方案。
存在著很多不同的非同質性液晶配向方法，例如電子束處理、微摩擦、混合聚醯亞胺材料和深紫外光表面處理。混合聚醯亞胺材料一般包含兩種聚醯亞胺材料，其分別導致不同的液晶取向。可以通過水平和垂直聚醯亞胺混合物的相位分離在三維上的流體效應(hydrodynamic effect)來獲得微區域。在現有的系統中，區域尺寸大約為2微米。但是這種尺寸並不在之前提過的高預傾角配向的合適範圍內。
事實上，拼湊而成的圖案的尺寸由相位分離的流體效應所支配。很難在液體混合物中控制相位分離。分離源自以下的方面：液體混合物中存在兩種相關的輸送機制(即擴散現象和流體流動)，並且它們複雜地彼此耦合。只有前者與階數變數在時間上的增加有關(兩個相位在組成上的分別)，而後者只會導致幾何上的粗大化。因為它們在非局部和非線性的耦合方面具有複雜的性質，因此就算對簡單的液體混合物而言，流體效應對相位分離的影響仍然未被完全瞭解。例如，尚沒有確定的理論去描述三維液體混合物的相位分離動力學。由於缺乏控制相位分離速率的好方法，因此製造出來的預傾角的重複性和均勻性皆很差。由於這些問題，因此上述方法並不是在液晶內獲得高預傾角的理想模型，因此本發明提出更理想的方法。
在一個實施方案中，提供一種兩步法用來製造新的配向層。首先將均勻的配向層塗在基底上。之後將第二配向層塗在第一配向層上。第二配向層不連續地分佈。根據進一步的實施方案，第二配向層為不連續的島狀結構的形式。或第二配向層可包含一個或更多的網絡結構。或第二配向層可包含“山岡”和“山谷”結構。“山岡”和“山谷”的高度差可為1奈米到200奈米不等。
如第十八圖所示，與現有的在液晶裏獲得配向的方法不同，本文所描述的方法利用堆疊結構。依照一個實施方案，第一配向層是由Japan Synthetic Rubber公司獲得的垂直配向聚醯亞胺，其型號為JALS2021。第二配向層包括光學配向物料。在這個例子中，它是由Rolic公司獲得的商用物料(型號ROP-103)，以引起水平配向。還存在適合於第一或第二配向層的其他替代性物料，如垂直或平面配向的聚醯亞胺或包括偶氮染料和丙烯酸衍生物的光學配向物料。
第十八圖顯示的結構只是為了實驗方便而已。各層可以存在著其他的佈置方式。例如，依照另一個實施方案，兩種配向物料的次序可以交換或翻轉。換句話說，連續地塗在基底上的第一配向層是光學配向物料(如ROP-103)，非連續地塗在第一配向層上的第二配向層是垂直配向聚醯亞胺，如JALS2021。
以下描述詳細的實驗步驟用來獲得在第十八和三十八圖中顯示的結構。第一，設置第一配向層(3802)，以3000 rpm的轉速將包括垂直聚醯亞胺的第一配向層旋轉塗佈在包括鈉鈣玻璃和氧化銦錫的基底之上，塗佈時間為240秒。其他的塗佈法可以是噴墨印刷法。之後處理第一配向層(3804)以在液晶盒裏產生第一預傾角和第一方位角。具體而言，在100℃下對基底進行300秒的軟烤。第三，設置第二配向層(3806)，在200℃~230℃下對基底進行大約1~1.5小時的硬烤，以使聚醯亞胺醯亞胺化並變成永久固定性的。在第一層完結之後，將另一配向層(也就是第二配向層)施加在第一配向層之上。和第一配向層相似，第二層也是用旋轉塗佈機塗在基底上。塗佈參數為1000 rpm和60秒。然後，處理第二配向層(3808)，以在液晶盒中產生第二預傾角和方位角。具體而言，在130℃下對包括配向層的基底進行300秒的軟烤。最後，用340nm的偏振光源將基底曝光。劑量大約是200 mJ/cm2 。可供選擇的是，劑量可以大於200 mJ/cm2 。如第十八圖所示，上面的配向層(即第二配向層)其實是非連續的膜，但佈置在第二配向層下面的第一配向層卻是連續的膜。利用這種結構，不僅第二配向層會對液晶配向有影響，第一配向層也會對液晶配向有所影響。
依照進一步的實施方案，可以藉由在軟烤過程中控制Bnard-Marangoni對流來操控配向層，以提供非連續與連續的配向膜。為了獲得這個堆疊結構，一種高粘性溶劑，稱為S1 ，被選擇作為第一(底)配向層的配向物料，因此Marangoni數低於80。因此，在溶劑蒸發後獲得一個連續配向膜。在另一方面，一個低粘性溶劑，稱為S2 ，被選擇作為第二(頂)配向層的配向物料，因此，Marangoni數(Ma )會增加並且在軟烤中會出現對流。因為配向物料擁有一個高很多的沸點溫度，所以，當溶劑蒸發時，配向物料會記錄對流圖案。依照更進一步的實施方案，選擇底配向層的配向物料使其不能夠溶解在S2 中。其中一個被提議的組合為JALS2021為4 wt%；N-甲基吡咯烷酮96 wt%/ROP-103<10 wt%；環戊酮>90 wt%。
以下描述的是可以獲得上面描述的配向結構的一個例子。具體而言，如原子力顯微鏡第十九圖所示，第一配向層被施加在氧化銦錫基底上。在硬烤後，拍下另一張原子力顯微鏡第二十圖。比較第十九圖和第二十圖的圖像圖案顯示經過烘烤過程之後，氧化銦錫圖案完全消失，從而表明連續的配向層已經被成功地塗在氧化銦錫表面上。
隨後，對經塗佈的基底進行機械摩擦。因此，如第二十一圖所示，在摩擦方向上引入了一個有週期性的圖案。
現在基底準備好用於最後的步驟。將第二配向物料溶液施加在第一配向層上。為了實驗目的，五個實驗結構分別使用不同濃度的ROP-103(也就是，2%、4%、6%、8%和10%)。原子力顯微鏡第二十二至二十六圖顯示所得的結構。該結構是由高分子薄膜脫濕或上文所述的Bnard-Marangoni對流而得到的。如這些圖所示，當ROP-103的濃度增加時，在相同的旋轉塗佈條件下，配向層的厚度亦相應地增加。隨著配向層的厚度增加，高分子薄膜變得難以脫濕，最後連續的膜覆蓋在第一配向層上(第二十六圖)。此時，所得的預傾角應當很低，甚至等於第二配向層的主預傾角。第二十二至二十六圖的原子力顯微圖像顯示實驗結果和推測是很一致的。具體而言，在第二十二圖中，第二層包含由白點表示的孤立的島狀結構。隨著ROP-103濃度的增加，這種孤立的結構開始融合而形成一個或更多的網絡結構(第二十三至二十四圖)。隨著ROP-103濃度繼續增加，在第二層上開始形成山崗和山谷結構(第二十五圖)。
第二十二圖更進一步顯示當ROP-103的濃度為2%時，有很多細小的區域均勻地分佈在配向表面上。這是因為冷流體的位置下降或熱流體的位置上升、並且當溶劑蒸發後高沸點的聚醯亞胺堆積在那些位置而造成的。當濃度增加到4%時，如第二十三圖所示，一些網絡片段開始形成。在第二十四和二十五圖中，ROP-103的濃度分別增加到6%、8%，這時可以找到更多明顯的六角對稱單元。當溶液的濃度增加到10%時，如第二十六圖所示，溶液的粘性亦會增加，因此，結果形成一個連續的膜。
第二十二至二十五圖還顯顯示區域的均勻性。各片的平均尺寸(mean patch size)為約250奈米。像之前所討論的那樣，假設配向物料具有強的錨定能，並且區域尺寸和它們的外推長度不具有可比性，則產生的預傾角變化幾乎與兩個區域的比例成正比。為了證明這個假設，測試六個具有反平行配向方向的樣品盒。每個樣品盒的配向表面都是依照堆疊式配向層結構而製備的。具體而言，每個樣品上都塗上了不同濃度的ROP-103溶液作為非連續層。ROP-103溶液的濃度選自0%、2%、4%、6%、8%和10%。用5微米的間隔物隔開上面和下面的配向層基底。所有樣品都填充得自Merck公司的液晶MLC-6080。用晶體旋轉方法測量產生的預傾角。以下描述實驗結果。
如樣品測試盒的實驗所展示，較高濃度的溶液意味著水平配向物料在區域中具有較高的比例p ，因此，可以獲得較低的預傾角。第二十七圖顯示這種推論。為了證實之前描述的模擬模型，獲得了一個濃度和暗示比例p 的精確相互關係。依照一個實施方案，計算區域尺寸的比例，並且對第二十二至二十六圖所示的每張原子力顯微鏡圖都進行邊緣檢測。因此，獲得水平區域和垂直區域的分界。而且，它們的面積比例等於暗示比例p 。第二十八至三十二圖顯示結果。白色區域屬於垂直區域，而黑色區域屬於水平區域。
在上面的實驗中，純ROP-103的極錨定能是1x10-3 J/m2 。極錨定能是用高電壓方法測量的。依照第二十八至三十二圖所示的原子力顯微鏡圖，不同的區域比例條件下的真正區域尺寸實際上是不同的。為了研究這種差別，應用了圖像處理技術。
對原子力顯微鏡圖應用不同的樣品區域尺寸，並且確定最小的區域尺寸，使得區域比例是不變的數值。第三十三圖顯示實驗結果。
第三十四圖顯示測量的區域尺寸與區域比例p 的關係。可以看出，平均區域尺寸是大約400奈米至580奈米(包含所有數據點)。這樣的區域尺寸對於產生高預傾角來說是最理想的。這是因為表面錨定作用使得區域尺寸L 和外推長度不具可比性，可以避免非線性影響。因此，可以用大的處理視窗(processing window)獲得30至60度的高預傾角。另外，液晶顯示器製造過程的常規液晶盒間隙為大約4至5微米。區域尺寸L 比盒間隙小一個數量級。因此，盒間隙影響也可以忽略。
獲得實驗性的區域比例p 和區域尺寸L之後，將之前討論的模型和實驗結果作比較。如第三十五圖所示，垂直聚醯亞胺的極錨定能設為5×10-4 J/m2 ，水平聚醯亞胺的極錨定能設為1×10-3 J/m2 ，這和ROP-103一樣。第三十五圖顯示模擬結果和實驗結果充分地一致。實驗結果進一步表明，非線性效應可以被忽略。這是因為垂直區域和水平區域的外推長度l e =K/w 和區域尺寸L不具有可比性。預傾角基本上隨著區域比例p 線性地變化。這些結果和之前的討論一致。
另外，第三十六至三十七圖顯示在不同的扇形角下測量了預傾角和方位角。實驗結果亦和之前討論的模擬結果一致。如上所示，提供一種在液晶裏獲得任意的預傾角的新方法。
本文已經提供並描述本發明主題的優選實施方案及其多樣性中的多個例子。應當理解，本發明的主題能夠用於各種其他的組合和情況，並且其在本文所表達的發明構思的範圍內可以有所改變和/或更改。例如，還可以用噴墨印刷法將第一層設置在基板上，同樣也可以用噴墨印刷法將第二層設置在基板上。特別是，噴墨印刷法可以通過控制墨滴的尺寸或分佈來調整液晶盒不同部分的層厚。
本文所引用的所有參考文獻(包括專利申請公開、專利申請和專利)都以同等程度按照引用的方式併入本文，如同已經單獨並具體地表示將每篇文獻分別以引用的方式併入本文、並且其全文已在本文中列出一樣。
除非本文中另外指明，或者明顯與上下文相悖，否則在描述本發明的上下文中(特別是所附的權利要求書中)使用的詞語「一種」、「一個」、「該」、「所述」或未指明數量的情況等都應該被解釋為既涵蓋單數形式，又涵蓋複數形式。除非另外指明，否則詞語「包含」、「擁有」、「包括」和「含有」都應被解釋為開放的表達方式(即，「包括但不限於」)。除非另外表明，否則本文所述的數值範圍僅僅作為單獨引用該範圍的各個獨立數值的簡略表達方式，並且各個獨立的數值已併入本說明書中就好像其已在本文中單獨闡述一樣。除非本文中另外指明，或者明顯與上下文相悖，否則可以以任何合適的次序進行本文所述的所有方法。除非另外聲明，否則採用任何和所有例子或者本文所用的示例性語言(例如，「如」)都僅僅旨在更好地闡釋本發明，而不是對本發明的範圍進行限制。本說明書中的任何語言都不應解釋為要指出任何不要求保護的實施本發明的基本要素。
本文描述了本發明的優選實施方案，包括發明人已知的實施本發明的最佳方式。在閱覽以上說明書之後，對這些優選實施方案進行各種改變對本領區域的技術人員來說是顯而易見的。發明人預料技術人員會採用適當的變化，並且發明人的意思是本發明可以以不同于本文具體描述的方式實施。因此，如適用法律所許可的那樣，本發明包括本文所附權利要求書中所述的主題的所有更改方式和等同方式。此外，除非本文中另外指明，或者明顯與上下文相悖，否則本發明涵蓋上述元素在其所有可能的變化範圍內的任意組合。
(3802)．．．設置第一配向層
(3804)．．．處理第一配向層
(3806)．．．設置第二配向層
(3808)．．．處理第二配向層
第一圖顯示非同質性配向表面的模型示意圖。
第二圖顯示平均預傾角θ Av 相對於面積比例p 的模擬結果。
第三圖顯示因為θ1 =-θ2 而產生的平均預傾角θ Av (0)的不確定性，其中液晶以θ1 (左)或θ2 (右)中的任一角度排列。
第四圖顯示用於有限微分法的格子，其中假設液晶分子在格子裏是均一的，並且格子的大小為△x×△y×△z。
第五圖顯示垂直聚醯亞胺的極錨定能(polar anchoring energy)為WpV =0.2×10-3 J/m2 ，水平聚醯亞胺的極錨定能為WpH =0.2×10-3 J/m2 (X=200 nm並且Z=200 nm)。
第六圖顯示垂直聚醯亞胺的極錨定能為WpV =2×10-3 J/m2 ，水平聚醯亞胺的極錨定能為WpH =2×10-3 J/m2 。(×=200 nm並且Z=200 nm)。
第七圖顯示液晶傾角的標準差在Z軸上的分佈。
第八圖顯示在不同的區域比例(domain ratio)p 條件下的比例l EEL /L。
第九圖顯示接近配向表面的液晶配置。水平聚醯亞胺的預傾角和方位角分別為0.5度和45度。而垂直聚醯亞胺的預傾角和方位角則分別為82度和0度。
第十圖顯示接近配向表面的液晶配置，其中水平聚醯亞胺的預傾角和方位角分別為0.5度和60度，而垂直聚醯亞胺的預傾角和方位角則分別為82度和0度。
第十一圖顯示接近配向表面的液晶配置，其中水平聚醯亞胺的預傾角和方位角分別為0.5度和80度，而垂直聚醯亞胺的預傾角和方位角則分別為82度和0度。
第十二圖顯示在不同的扇形角ψ0 且p =0.5的條件下，液晶傾角的標準差在z軸上的分佈。
第十三圖顯示在不同的扇形角ψ0 且p =0.5的條件下，液晶方位角的標準差在z軸上的分佈。
第十四圖顯示當扇形角ψ0 =0且p =0.5時，在X-Y平面上的液晶分子配向。
第十五圖顯示利用有圖案的配向表面所產生在不同的扇形角條件下的平均預傾角。
第十六圖顯示利用有圖案的配向表面所產生在不同的扇形角條件下的平均方位角。
第十七圖顯示K 22 對方位角的影響。
第十八圖顯示包含玻璃/氧化銦錫/JALS2021/ROP-103的堆疊式結構。
第十九圖顯示氧化銦錫層的原子力顯微鏡圖。
第二十圖顯示在氧化銦錫層上成功地塗上連續的配向層的原子力顯微鏡圖。
第二十一圖顯示經過機械式摩擦的連續配向層的原子力顯微鏡圖，其中可以見到在摩擦方向上的有週期性的條紋的摩擦圖案。
第二十二圖顯示2%的ROP-103施加在垂直配向聚醯亞胺表面上。
第二十三圖顯示4%的ROP-103施加在垂直配向聚醯亞胺表面上。
第二十四圖顯示6%的ROP-103施加在垂直配向聚醯亞胺表面上。
第二十五圖顯示8%的ROP-103施加在垂直配向聚醯亞胺表面上。
第二十六圖顯示10%的ROP-103施加在垂直配向聚醯亞胺表面上。
第二十七圖顯示由堆疊式配向方法產生的預傾角的結果，其中圓點表示實驗結果。
第二十八圖顯示由2%的ROP-103所引起的區域比例p =11.14%，其中白色區域代表垂直配向區域，黑色區域代表水平配向區域。
第二十九圖顯示由4%的ROP-103所引起的區域比例p =25.80%，其中白色區域代表垂直配向區域，黑色區域代表水平配向區域。
第三十圖顯示由6%的ROP-103所引起的區域比例p =56.26%，其中白色區域代表垂直配向區域，黑色區域代表水平配向區域。
第三十一圖顯示由8%的ROP-103所引起的區域比例p =78.68%，其中白色區域代表垂直配向區域，黑色區域代表水平配向區域。
第三十二圖顯示由10%的ROP-103所引起的區域比例p =95.94%，其中白色區域代表垂直配向區域，黑色區域代表水平配向區域。
第三十三圖顯示在原子力顯微鏡實驗結果中，區域尺寸(L )與區域比例(p) 的關係。
第三十四圖顯示作為區域比例(p )的函數的最小區域尺寸(L )。
第三十五圖顯示由堆疊式配向方法產生的預傾角的實驗結果，其中圓點表示實驗結果，連續直線表示模擬結果。
第三十六圖顯示在不同的扇形角條件下引起的預傾角的實驗結果。
第三十七圖顯示在不同的扇形角條件下引起的方位角的實驗結果。
第三十八圖顯示依照本發明的一個實施方案製造液晶盒內的液晶配向層的方法。
(3802)．．．設置第一配向層
(3804)．．．處理第一配向層
(3806)．．．設置第二配向層
(3808)．．．處理第二配向層

Claims (24)

  1. 一種位於包含至少一種液晶材料的液晶盒內的液晶配向層，所述液晶配向層包括：基底；連續地設置在所述基底上的第一配向層，其用於在所述的至少一種液晶材料內產生第一液晶預傾角和第一方位角；以及非連續地設置在所述第一配向層的表面上的第二配向層，其中所述第二配向層在所述的至少一種液晶材料內獨立地產生第二液晶預傾角和第二方位角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層包含多個非連續的島狀結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層包含一個或更多的二維網絡結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層包含山岡和山谷結構，所述山岡和所述山谷結構的高度差在1奈米到200奈米之範圍內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第一配向層包含選自聚醯亞胺和光學配向物料中之一的液晶配向物料，所述的光學配向物料包括偶氮染料和丙烯酸衍生物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層包含選自聚醯亞胺和光學配向物料中之一的另一種液晶配向物料，所述的光學配向物料包括偶氮染料和丙烯酸衍生物。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的液晶配向層，其中所述的多個島狀結構是由噴墨打印獲得的。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的液晶配向層，其中所述的一個或更多的二維網絡結構是由噴墨打印獲得的。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的液晶配向層，其中所述的山岡和山谷結構是通過噴墨打印獲得的。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層通過噴墨打印方式設置在所述第一配向層的表面上。
  11. 如申請專利範圍第2項所述的液晶配向層，其中所述島狀結構的平均尺寸為0.1至10微米。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的液晶配向層，其中所述第二配向層包含一通過所述第一配向層和所述第二配向層的Bénard-Marangoni對流而得到的結構。
  13. 一種位於包含至少一種液晶材料的液晶盒內的液晶配向層的製造方法，所述方法包括：在基底上連續地設置第一配向層；處理所述第一配向層，以在所述的至少一種液晶材料中產生第一預傾角和第一方位角；在所述第一配向層的表面上非連續地設置第二配向層；處理所述第二配向層，以在所述的至少一種液晶材料中產生第二預傾角和第二方位角。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，進一步包括：將溶液施加在所述基底上；以及 乾燥所述溶液，以在所述基底上設置所述配向層；以及固化所述配向層。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述的第一配向層和第二配向層分別包含選自由聚醯亞胺、偶氮染料和丙烯酸衍生物組成的組中的至少一種配向物料。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述第二配向層包含多個非連續的島狀結構。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述第二配向層包含一個或更多的二維網絡結構。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述第二配向層包含山岡和山谷結構。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中通過噴墨打印方式將所述第二配向層設置在所述第一配向層的表面上。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述的山岡和山谷結構的高度差在1奈米到200奈米之範圍內。
  21. 如申請專利範圍第16項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述島狀結構的平均尺寸為0.1至10微米。
  22. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，還包括對所述第一配向層和所述第二配向層中的至少一者進行機械摩擦。
  23. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的 方法，其中所述第一配向層和所述第二配向層中的至少一者包含光學配向物料。
  24. 如申請專利範圍第13項所述的製造液晶配向層的方法，其中所述第二配向層包含通過所述第一配向層和所述第二配向層的Bénard-Marangoni對流而得到的結構。
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