TWI556029B

TWI556029B - 液晶元件的製造方法

Info

Publication number: TWI556029B
Application number: TW104112410A
Authority: TW
Inventors: 李俊毅; 何宗育; 邱俊銘; 吳永隆; 林建志
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-11-01
Also published as: TW201638633A

Description

液晶元件的製造方法

本發明是有關於一種元件的製造方法，且特別是有關於一種液晶元件的製造方法。

近年來，由於節能減碳的議題，結合液晶與高分子材料所製成的光學元件被廣泛的研究、開發與應用，其中高分子分散液晶(Polymer dispersed liquid crystals，PDLCs)元件及高分子穩定膽固醇液晶(Polymer stabilized cholesteric texture，PSCT)元件為現今實用性最廣且無須附加偏光片的光學元件。然而，高分子分散液晶元件仍具有需要持續供電才能維持其穩態，並且隨著偏離角度的增加霧度上升而造成視角狹窄等嚴重缺點。因此，目前本領域技術人員積極致力於研究及開發高分子穩定膽固醇液晶元件。

本發明提供一種液晶元件的製造方法，其可製造出能夠顯示顏色，以及能夠透過不需持續施加的低頻電場或高頻電場而在雙穩態間切換的高分子穩定膽固醇液晶元件。

本發明的液晶元件的製造方法包括以下步驟。首先，組立第一基板以及第二基板。接著，將第一液晶組成物注入第一基板與第二基板之間，其中液晶組成物包括第一雙頻液晶、第一對掌性化合物、光可聚合單體以及光起始劑。接著，進行照光程序，使光可聚合單體進行聚合反應。接著，進行清洗程序，以移除第一雙頻液晶及第一對掌性化合物。之後，將第二液晶組成物注入第一基板與第二基板之間，其中第二液晶組成物包括第二雙頻液晶、第二對掌性化合物以及正性二色性染料。

在本發明的一實施方式中，以上述的第一液晶組成物的總重量計，第一雙頻液晶的含量為94.9wt%至81wt%、第一對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%、光可聚合單體的含量為1wt%至3wt%以及光起始劑的含量為0.1wt%至1wt%。

在本發明的一實施方式中，以上述的第二液晶組成物的總重量計，第二雙頻液晶的含量為95wt%至80wt%、第二對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%以及正性二色性染料的含量為1wt%至5wt%。

在本發明的一實施方式中，在上述的第一液晶組成物中的第一雙頻液晶的使用量與在上述的第二液晶組成物中的第二雙頻液晶的使用量相同，在上述的第一液晶組成物中的第一旋光物的使用量與在上述的第二液晶組成物中的第一旋光物的使用量相同。

在本發明的一實施方式中，上述的第一雙頻液晶與第二雙頻液晶為相同的材料，上述的第一對掌性化合物與第二對掌性化合物為相同的材料。

在本發明的一實施方式中，上述的第一雙頻液晶與第二雙頻液晶分別包括式1所示的化合物、式2所示的化合物、式3所示的化合物、式4所示的化合物以及式5所示的化合物，其中R₁和R₂各別為烷基、烷氧基、烯基、烯氧基或苯烷基。

在本發明的一實施方式中，上述的第一對掌性化合物與第二對掌性化合物分別包括式6所示的化合物。

在本發明的一實施方式中，上述的光可聚合單體包括壓克力系單體。

在本發明的一實施方式中，上述的光可聚合單體包括式7所示的化合物。

在本發明的一實施方式中，上述的清洗程序是利用有機溶液移除第一雙頻液晶及第一對掌性化合物，其中有機溶劑包括丙酮或正己烷。

基於上述，本發明的液晶元件的製造方法能夠避免正性二色性染料因照光程序而發生結構及性質的改變，藉此所製得的液晶元件具有良好的顯色效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施方式，並配合所附圖式作詳細說明如下。

110‧‧‧第一基板

112‧‧‧第一基底

114‧‧‧第一導電層

116‧‧‧第一配向層

120‧‧‧第二基板

122‧‧‧第二基底

124‧‧‧第二導電層

126‧‧‧第二配向層

130‧‧‧框膠

200‧‧‧第一液晶組成物

202、402‧‧‧膽固醇液晶

204‧‧‧光可聚合單體

206‧‧‧光起始劑

210‧‧‧高分子聚合物

300‧‧‧液晶元件半成品

400‧‧‧第二液晶組成物

404‧‧‧正性二色性染料

500‧‧‧液晶元件

A1、A2‧‧‧配向方向

L1‧‧‧入射光

O‧‧‧容置空間

S10、S20、S30、S40、S50‧‧‧步驟

圖1是本發明一實施方式的液晶元件的製造流程圖。

圖2至圖6是本發明一實施方式的液晶元件的製造流程剖面示意圖。

圖7是本發明一實施方式的液晶元件的剖面示意圖。

圖1是本發明一實施方式的液晶元件的製造流程圖。圖2至圖6是本發明一實施方式的液晶元件的製造流程剖面示意圖。

首先，請參照圖1以及圖2，進行步驟S10，組立第一基板110與第二基板120，以形成一個容置空間O。詳細而言，第一基板110與第二基板120之間的間隙(cell gap)為2μm至20μm，較佳為4.25μm至7.5μm。

在本實施方式中，第一基板110包括第一基底112以及依序配置於第一基底112上的第一導電層114及第一配向層116，第二基板120包括第二基底122以及依序配置於第二基底122上的第二導電層124及第二配向層126，其中第一配向層114的配向方向A1及第二配向層124的配向方向A2相反。詳細而言，第一基底112與第二基底122的材質例如是玻璃、石英、塑膠等的透明材料。第一導電層114及第二導電層124的材質例如是銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物、或其它合適的氧化物等的透明導電材料。第一配向層116及第二配向層126的材質例如是聚醯亞胺。第一配向層116及第二配向層126的形成方法相同，故以下以第一配向層116為例進行說明。首先，於第一導電層114上形成配向材料層(未繪示)。接著，對配向材料層進行配向製程。一般來說，配向製程例如是利用摩擦滾筒(Rubbing Roller)進行摩擦配向，以在配向材料層上形成多個具有配向方向A1的配向溝槽(未繪示)。

另外，在本實施方式中，第一基板110與第二基板120透過框膠130貼合在一起，以完成第一基板110與第二基板120的組立。舉例而言，組立的方法包括以下步驟：首先，於第一基板110的邊緣上塗佈框膠130。接著，將第二基板120與第一基板110對位，並使第二基板120透過框膠130與第一基板110連接。之後，硬化框膠130。

接著，請參照圖1以及圖3，進行步驟S20，將第一液晶組成物200注入圖1所示的容置空間O中。在本實施方式中，將第一液晶組成物200注入容置空間O中的方法包括滴下式注入法(One Drop Fill，ODF)或真空注入法。

第一液晶組成物200包括第一雙頻液晶、第一對掌性化合物、光可聚合單體204以及光起始劑206，其中第一雙頻液晶與第一對掌性化合物在加熱攪拌後會形成膽固醇液晶202。詳細而言，在本實施方式中，提供第一液晶組成物200的方法包括以下步驟：首先，使第一雙頻液晶與第一對掌性化合物在70℃至100℃的溫度下攪拌3小時，以形成膽固醇液晶202。接著，將光可聚合單體204以及光起始劑206加入，並在70℃至100℃的溫度下攪拌24小時，以使光可聚合單體204及光起始劑206能夠與膽固醇液晶202均勻混合。

第一雙頻液晶在低頻及高頻時具有不同的介電異方性。詳細而言，第一雙頻液晶在低頻時表現出正的介電異方性，而在高頻時表現出負的介電異方性。另外，第一雙頻液晶可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一雙頻液晶。在一實施方式中，第一雙頻液晶例如是向列型的雙頻液晶。在一實施方式中，第一雙頻液晶可包括式1所示的化合物、式2所示的化合物、式3所示的化合物、式4所示的化合物以及式5所示的化合物，其中R₁和R₂各別為烷基、烷氧基、烯基、烯氧基或苯烷基。而作為第一雙頻液晶，可使用各種市售產品，其具體實例包括：HEF951700(由江蘇和成化學材料有限公司生產)，其由10wt%的式1所示的化合物、25wt%的式2所示的化合物、25wt%的式3所示的化合物、25wt%的式4所示的化合物以及15wt%的式5所示的化合物所構成，其中R₁為烷基，R₂為烷基。

第一對掌性化合物具有光學活性以及會隨著所使用的液晶與溫度而變化的特定的螺旋扭轉能(helical twisting power，HTP)。如此一來，在一特定含有第一雙頻液晶與第一對掌性化合物的液晶系統中，透過調整第一對掌性化合物的添加濃度可調整膽固醇液晶的螺旋節距(pitch)。另外，第一對掌性化合物可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一對掌性化合物。而作為第一對掌性化合物，可使用各種市售產品，其具體實例包括：S-811(由E.Merck公司販售)，其結構如式6所示。

光可聚合單體204經由紫外光照射後會進行聚合反應。詳細而言，光可聚合單體204可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一光可聚合單體。在一實施方式中，光可聚合單體204例如是壓克力系單體。另外，作為光可聚合單體204，可使用各種市售產品，其具體實例包括：RM257(由E.Merck公司生產)，其結構如式7所示。

光起始劑206可引發自由基聚合反應。詳細而言，光起始劑206可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一光起始劑。

在一實施方式中，以第一液晶組成物200的總重量計，第一雙頻液晶的含量為94.9wt%至81wt%、第一對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%、光可聚合單體204的含量為1wt%至3wt%以及光起始劑206的含量為0.1wt%至1wt%。進一步而言，當第一雙頻液晶為HEF951700，第一對掌性化合物為S-811，且含量落在前述含量範圍內時，膽固醇液晶202的螺旋節距為0.6μm至2.25μm。而當膽固醇液晶202的螺旋節距在0.6μm至2.25μm之間時，膽固醇液晶202會反射紅外光。

另外一提的是，在本實施方式中，膽固醇液晶202會沿著第一配向層116及第二配向層126的配向溝槽排列，而達到平行配向的效果並且呈現出平面紋理(planar texture)。

接著，請參考圖1以及圖4，進行步驟S30，以得到液晶元件半成品300。具體而言，進行照光程序，以使光可聚合單體204在光起始劑206的作用下聚合而形成高分子聚合物210。在本實施方式中，照光程序例如是紫外光照光程序。

值得說明的是，在照射紫外光的過程中，由於光可聚合單體204是在膽固醇液晶202呈現平面紋理的結構下進行聚合反應，藉此所形成的高分子聚合物210會約略平行於第一基板110與第二基板120且呈現出鏈狀結構。而從另一觀點而言，由於光可聚合單體204是在膽固醇液晶202呈現平面紋理的結構下進行聚合反應，故在無外加電壓的情況下，所形成的高分子聚合物210的拉拔作用(aligning effect)能夠與第一配向層116及第二配向層126的配向作用一起穩固膽固醇液晶202的平面紋理，而達成一穩態，如圖4所示。

接著，請參考圖1以及圖5，進行步驟S40。具體而言，進行清洗程序，以將膽固醇液晶202(即第一雙頻液晶及第一對掌性化合物)自液晶元件半成品300中移除。

在本實施方式中，進行清洗程序的方法包括以下步驟：首先，將液晶元件半成品300浸泡於一有機溶劑中並維持24至48小時，以使有機溶劑滲透至液晶元件半成品300中達到清洗膽固醇液晶202的效果。所述有機溶劑例如是丙酮或正己烷。之後，將清洗後的液晶元件半成品300取出並在70℃至100℃的溫度下乾燥12至24小時，以使有機溶劑完全揮發而留下高分子聚合物210。

接著，請同時參考圖1以及圖6，進行步驟S50，將第二液晶組成物400注入圖1所示的容置空間O中，以得到液晶元件500。在本實施方式中，將第二液晶組成物400注入容置空間O中的方法包括滴下式注入法或真空注入法。

第二液晶組成物400包括第二雙頻液晶、第二對掌性化合物以及正性二色性染料404，其中第二雙頻液晶與第二對掌性化合物在加熱攪拌後會形成膽固醇液晶402，以及在攪拌後，正性二色性染料404會摻雜至膽固醇液晶402中。詳細而言，在本實施方式中，提供第二液晶組成物400的方法包括以下步驟：首先，使第二雙頻液晶與第二對掌性化合物在70℃至100℃的溫度下攪拌3小時，以形成膽固醇液晶402。接著，將正性二色性染料404加入，並在70℃至100℃的溫度下攪拌12小時，以使正性二色性染料404能夠摻雜至膽固醇液晶402中。

第二雙頻液晶在低頻及高頻時具有不同的介電異方性。詳細而言，第二雙頻液晶在低頻時表現出正的介電異方性，而在高頻時表現出負的介電異方性。另外，第二雙頻液晶可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一雙頻液晶。在一實施方式中，第二雙頻液晶例如是向列型的雙頻液晶。在一實施方式中，第二雙頻液晶可包括前文所示的式1所示的化合物、式2所示的化合物、式3所示的化合物、式4所示的化合物以及式5所示的化合物，其中R₁和R₂各別為烷基、烷氧基、烯基、烯氧基或苯烷基。而作為第二雙頻液晶，可使用各種市售產品，其具體實例包括：HEF951700(由江蘇和成化學材料有限公司生產)。

第二對掌性化合物具有光學活性以及會隨著所使用的液晶與溫度而變化的特定的螺旋扭轉能。如此一來，在一特定含有第二雙頻液晶與第二對掌性化合物的液晶系統中，透過調整第二對掌性化合物的添加濃度可調整膽固醇液晶的螺旋節距。另外，第二對掌性化合物可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一對掌性化合物。作為第二對掌性化合物，可使用各種市售產品，其具體實例包括：S-811(由E.Merck公司販售)。

正性二色性染料404在分子長軸方向上具有光吸收特性而能夠顯示出顏色。詳細而言，正性二色性染料404可以是所屬領域中具有通常知識者所周知的任一正性二色性染料。另外，作為正性二色性染料404，可使用各種市售產品，其具體實例包括： NK-2733(由Nippon Kanko Shikiso Kenkyusho股份有限公司生產)。

在一實施方式中，以第二液晶組成物400的總重量計，第二雙頻液晶的含量為95wt%至80wt%、第二對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%以及正性二色性染料404的含量為1wt%至5wt%。進一步而言，當第二雙頻液晶為HEF951700，第二對掌性化合物為S-811，且含量落在前述含量範圍內時，膽固醇液晶402的螺旋節距為0.6μm至2.25μm。而當膽固醇液晶402的螺旋節距在0.6μm至2.25μm之間時，膽固醇液晶402會反射紅外光。

值得說明的是，在本實施方式中，在注入包括膽固醇液晶402及正性二色性染料404的第二液晶組成物400之前，高分子聚合物210已透過照光程序而形成在容置空間O中，藉此避免了正性二色性染料404受到紫外光照射而發生結構及性質的改變。如此一來，相較於同時注入膽固醇液晶、光可聚合單體、光起始劑以及染料的習知液晶元件的製造方法，本實施方式的液晶元件的製造方法所製得的液晶元件500具有良好顯色效果的優勢。

進一步而言，液晶元件500為一反向模式(reverse mode)的高分子穩定膽固醇液晶元件。詳細而言，由於高分子聚合物210呈現約略平行於第一基板110與第二基板120的鏈狀結構，故再次注入的膽固醇液晶402會同時受到高分子聚合物210的拉拔作用以及第一配向層116與第二配向層126的配向作用而呈現平面紋理，如圖6所示。另外，由於第二雙頻液晶在低頻及高頻時具有不同的介電異方性且膽固醇液晶402內摻雜有正性二色性染料404，故液晶元件500能夠在分別施予一脈衝的低頻操作電壓和一脈衝的高頻操作電壓的情況下，在散射態與顯色態(即雙穩態)之間切換。

詳細而言，請參照圖6，當第一基板110與第二基板120之間的電位差V實質上為零時，受到高分子聚合物210以及第一配向層116與第二配向層126的作用，摻雜有正性二色性染料404的膽固醇液晶402會呈現平面紋理。一般而言，摻雜有正性二色性染料404的膽固醇液晶402呈現平面紋理時，膽固醇液晶402會具有反射光線的能力，而正性二色性染料404會具有吸收光線的能力。如此一來，當入射光L1傳遞至液晶元件500時，透過調整膽固醇液晶402的螺旋節距使其能夠反射紫外光或紅外光，可使得可見光能夠穿過第一基板110、膽固醇液晶402、正性二色性染料404以及第二基板120，而使得液晶元件500呈現顯色態。

具體而言，如上所述，在一實施方式中，當第二雙頻液晶為HEF951700，第二對掌性化合物為S-811，且含量落在前文所述的含量範圍內時，膽固醇液晶402會反射紅外光，而使得在沒有外加電壓下，液晶元件500呈現顯色態。

接著，請參照圖7，當在第一基板110與第二基板120之間施加一脈衝的低頻操作電壓時，摻雜有正性二色性染料404的膽固醇液晶402受到電場的作用，其螺旋軸方向分佈會變得雜亂而呈現焦點圓錐型紋理(focal conic texture)。一般而言，摻雜有正性二色性染料404的膽固醇液晶402呈現焦點圓錐型紋理時，區域(domain)邊界的折射率不連續。如此一來，當入射光L1傳遞至液晶元件500時，入射光L1會被呈現焦點圓錐型紋理的膽固醇液晶402所散射，而使液晶元件500呈現散射態。

另外，當要使液晶元件500從散射態切換回顯色態，即將膽固醇液晶402從焦點圓錐型紋理切換回平面紋理時，則對第一基板110與第二基板120之間施加一脈衝的高頻操作電壓。詳細而言，當對呈現焦點圓錐型紋理的液晶元件500施加一脈衝的高頻操作電壓時，除了膽固醇液晶402的介電異方性會由正值轉變為負值，而使得其傾向於垂直該高頻操作電壓方向排列的作用外，再加上高分子聚合物210的拉拔作用以及第一配向層116與第二配向層126的配向作用，膽固醇液晶402能夠迅速切換回平面紋理，如圖6所示。

另外一提的是，由於液晶元件500在顯色態時能夠將紫外光或紅外光反射而允許可見光穿透，故液晶元件500可應用於綠建築中的智慧型窗戶，藉此可有效降低熱能傳導至室內並減少空調耗能使用量。以及，由於液晶元件500能夠藉由施予一脈衝的低頻操作電壓或一脈衝的高頻操作電壓即在散射態與顯色態之間切換，不需額外能量來維持任一狀態，故具有低耗能的優點。

另外，如上所述，由於高分子聚合物210是在存有膽固醇液晶202(即第一雙頻液晶及第一對掌性化合物)的系統下形成，而液晶元件500是在存有高分子聚合物210以及膽固醇液晶 202(即第二雙頻液晶及第二對掌性化合物)的系統下作用，故為了使液晶元件500能夠在相似系統(例如膽固醇液晶具有相同螺旋節距)下作用，再次注入的第二雙頻液晶及第二對掌性化合物可與第一雙頻液晶及第一對掌性化合物分別為相同的材料，且在第二液晶組成物400中的第二雙頻液晶及第二對掌性化合物的使用量可分別與在第一液晶組成物200中的第一雙頻液晶及第一對掌性化合物的使用量相同。具體而言，在一實施方式中，第一雙頻液晶與第二雙頻液晶可都為HEF951700，第一對掌性化合物與第二對掌性化合物可都為S-811，而在第二液晶組成物400中的第二雙頻液晶與在第一液晶組成物200中的第一雙頻液晶的使用量可都為2克，在第二液晶組成物400中的第二對掌性化合物與在第一液晶組成物200中的第一對掌性化合物的使用量可都為2克，以使得膽固醇液晶202與膽固醇液晶402的螺旋節距都為1.5μm。

綜上所述，本發明的液晶元件的製造方法能夠避免正性二色性染料因照光程序而發生結構及性質的改變，藉此所製得的液晶元件具有良好的顯色效果。另外，透過本發明的液晶元件的製造方法所製得的液晶元件能夠藉由施予一脈衝的低頻操作電壓或一脈衝的高頻操作電壓，而在散射態與顯色態之間切換。如此一來，所述液晶元件不需要持續供電才能維持其穩態，具有低耗電的優點。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S10、S20、S30、S40、S50‧‧‧步驟

Claims

一種液晶元件的製造方法，包括：組立一第一基板以及一第二基板；將一第一液晶組成物注入該第一基板與該第二基板之間，該液晶組成物包括一第一雙頻液晶、一第一對掌性化合物、一光可聚合單體以及一光起始劑；進行一照光程序，使該光可聚合單體進行聚合反應；進行一清洗程序，以移除該第一雙頻液晶及該第一對掌性化合物；以及將一第二液晶組成物注入該第一基板與該第二基板之間，該第二液晶組成物包括一第二雙頻液晶、一第二對掌性化合物以及一正性二色性染料。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中以該第一液晶組成物的總重量計，該第一雙頻液晶的含量為94.9wt%至81wt%、該第一對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%、該光可聚合單體的含量為1wt%至3wt%以及該光起始劑的含量為0.1wt%至1wt%。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中以該第二液晶組成物的總重量計，該第二雙頻液晶的含量為95wt%至80wt%、該第二對掌性化合物的含量為4wt%至15wt%以及該正性二色性染料的含量為1wt%至5wt%。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中在該第一液晶組成物中的該第一雙頻液晶的使用量與在該第二液晶組成物中的該第二雙頻液晶的使用量相同，在該第一液晶組成物中的該第一旋光物的使用量與在該第二液晶組成物中的該第一旋光物的使用量相同。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該第一雙頻液晶與該第二雙頻液晶為相同的材料，該第一對掌性化合物與該第二對掌性化合物為相同的材料。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該第一雙頻液晶與該第二雙頻液晶分別包括式1所示的化合物、式2所示的化合物、式3所示的化合物、式4所示的化合物以及式5所示的化合物，其中R₁和R₂各別為烷基、烷氧基、烯基、烯氧基或苯烷基，
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該第一對掌性化合物與該第二對掌性化合物分別包括式6所示的化合物，
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該光可聚合單體包括壓克力系單體。
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該光可聚合單體包括式7所示的化合物，
如申請專利範圍第1項所述的液晶元件的製造方法，其中該清洗程序是利用一有機溶液移除該第一雙頻液晶及該第一對掌性化合物，該有機溶劑包括丙酮或正己烷。