專利名稱：一種液晶取向?qū)蛹捌渲谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶顯示器(LCD)技術(shù)，特別涉及一種改善取向?qū)硬⒛軌虻玫礁哳A(yù)傾角的液晶層，以及制造所述液晶層的方法。
背景技術(shù)：
液晶顯示器除其他組成部分外，還包括一個(gè)液晶層。這個(gè)液晶層的取向行為決定了所述液晶顯示器的大多數(shù)光學(xué)特性。這種取向由與所述液晶層接觸的所述取向?qū)記Q定。這種取向?qū)拥淖钇胀ǖ慕M成是一薄層聚酰亞胺沉淀在通常是玻璃的基板上。這些頂部的和底部的取向?qū)拥臏?zhǔn)備條件包括提供一個(gè)取向方向，并為接近于所述液晶層表面的所述液晶分子提供一個(gè)預(yù)傾角。
通過(guò)普通的聚酰亞胺得到的所述預(yù)傾角被預(yù)先設(shè)定，并不能被改變。特別的是，很難得到θ(0)的較大值(從10°-80°)。實(shí)際需要制造具有大預(yù)傾角的液晶單元(接近于40°-60°的范圍)。只有得到高預(yù)傾角，才能制造很多新型的液晶顯示器，包括雙穩(wěn)態(tài)顯示器和快速反應(yīng)液晶顯示器。
通常，通過(guò)在真空中進(jìn)行SiOx傾斜蒸鍍是可控地得到高預(yù)傾角的最好辦法。這是公知技術(shù)，并在很多公開(kāi)的文獻(xiàn)中討論過(guò)(參閱David Armitage，JAppl Phys，vol 51，p 2552，1980)。另一個(gè)公知技術(shù)是使用分子Langmuir-Bloggett膜。然而，所有這些方法都不適合于規(guī)模生產(chǎn)。
最近，一個(gè)新方法——離子束取向法被Chaudhari等人在美國(guó)專利No.6195146中公開(kāi)?？梢灾圃旌芏嗖煌念愃朴赟iOx蒸鍍的預(yù)傾角。另外，最近公開(kāi)的一些發(fā)明提出關(guān)于大的預(yù)傾角的問(wèn)題。Harada等人在美國(guó)專利No.5744203中公開(kāi)了一種新的取向材料，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的摩擦來(lái)得到高預(yù)傾。Brosig等人在美國(guó)專利No.5172255中公開(kāi)了一種在一個(gè)均勻的聚酰亞胺中通過(guò)以相反的方向摩擦同一個(gè)表面兩次來(lái)得到高預(yù)傾角的方法。據(jù)說(shuō)，通過(guò)改變第二次摩擦的力度，可以得到不同的預(yù)傾角。Resnikov等人，Kim等人和Gibbons等人在美國(guó)專利No.6633355，No.5882238和No.5856430中分別公開(kāi)了通過(guò)光控取向方法得到高預(yù)傾角的裝置。這些方法在使用的所述取向?qū)拥奶囟ú牧现杏兴煌?，并且在光照明幾何中不同。這些文件公開(kāi)了光子劑量會(huì)改變最終得到的預(yù)傾角。光控取向技術(shù)的具體的物理意義還不清楚。
一些發(fā)明公開(kāi)使用共聚物和聚合體混合物作為取向?qū)印izushima等人在美國(guó)專利No.5,612,450和No.5,756,649中公開(kāi)了一種共聚物，其中所述預(yù)傾角可以通過(guò)輻射改變。Nishikawa等人在美國(guó)專利No.5,698,135和No.5,969,055中公開(kāi)了一種聚合體混合物，可以減少其中所述駐留電壓和無(wú)殘影現(xiàn)象。Nakajima等人在美國(guó)專利No.5,119,221中描述了一種聚合體混合物，其中在所述聚合體內(nèi)部包括了不同的功能組。所述功能組比率的變化可以提供不同的預(yù)傾角。Park等人在美國(guó)專利No.6,731,362中公開(kāi)了由聚酰亞胺和聚肉桂酸組成的一種聚合體混合物，其中所述預(yù)傾角可以被控制在5°之內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新型取向?qū)?，能夠在一個(gè)液晶單元中得到高預(yù)傾角。這些新型取向?qū)影ɑハ喾浅＝咏鼘?duì)方的至少兩種取向材料的納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)可以采用很多形狀，可以是納米區(qū)域(nano-domain)和納米網(wǎng)絡(luò)(nano-networks)的形式?？梢酝ㄟ^(guò)改變所述取向?qū)拥乃黾{米結(jié)構(gòu)和所述不同的取向材料的相對(duì)比例，來(lái)控制所述預(yù)傾角。本發(fā)明的另一方面提供一個(gè)新型方法，為液晶單元中的一個(gè)液晶層生成這樣的一個(gè)取向?qū)印?br> 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用在一個(gè)液晶單元中來(lái)取向液晶分子的一個(gè)液晶取向?qū)印Ｋ鋈∠驅(qū)影ㄒ韵虏牧系募{米結(jié)構(gòu)a)一水平取向材料，能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一個(gè)第一預(yù)傾角；b)一垂直取向材料，能夠提供在其接觸處的所述液晶分子的一個(gè)第二預(yù)傾角；其中與所述液晶分子接觸的和在所述取向?qū)痈浇挠行У念A(yù)傾角能夠被控制，使其具有在所述第一預(yù)傾角和第二預(yù)傾角之間的一個(gè)值。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角在1°-10°并且所述第二預(yù)傾角在80°-90°。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角在1°-8°并且所述第二預(yù)傾角在85°-90°。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述取向?qū)影ㄋ龃怪比∠虿牧匣蛩鏊饺∠虿牧系募{米結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)既包括所述水平取向材料又包括所述垂直取向材料。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)是水平取向材料。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)是垂直取向材料。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)大小是0-1微米的量級(jí)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是一個(gè)聚合體。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是從包括聚酰亞胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚酰胺酸和聚乙烯醇的一個(gè)組中選擇出來(lái)的。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是聚酰亞胺。在另一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一個(gè)組中選擇出來(lái)，并且所述垂直取向材料從包括從JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一個(gè)組中選擇出來(lái)。在一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平取向材料是JALS-9203，所述垂直取向材料是JALS-2021。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述重量為所述水平取向材料相對(duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，所述重量為所述水平取向材料相對(duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在所述取向?qū)由系乃鰳O角錨定能量在5×10-4J/cm2到2.5×10-3J/cm2之間。
在本發(fā)明的另一方面，提供了在一個(gè)液晶單元中制造一個(gè)取向?qū)拥姆椒?，其包括a)在一個(gè)溶劑中溶解一種水平取向材料和一種垂直取向材料來(lái)形成一個(gè)均勻的溶液；b)用這個(gè)溶液在基板上形成一層液體膜；c)處理所述膜來(lái)形成一層變硬的固體膜；以及d)加工所述變硬的固體膜來(lái)得到一個(gè)統(tǒng)一的取向方向。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)第一預(yù)傾角，所述垂直取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)第二預(yù)傾角。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中使用的“水平取向材料”這個(gè)表達(dá)是指使液晶分子與其表面接觸處取向0°的水平取向材料以及使液晶分子與其表面接觸處取向大于0°的水平取向材料，例如，使液晶分子與其表面接觸處取向一個(gè)大于0°的角的水平材料，可以到大約12，11，10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0.5度或0.1度。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中使用的“垂直取向材料”這個(gè)表達(dá)是指使液晶分子與其表面接觸處取向90°的垂直取向材料以及使液晶分子與其表面接觸處取向小于90°的垂直取向材料，例如，使液晶分子與其表面接觸處取向一個(gè)小于90°的角的垂直取向材料，大約為78，79，80，81，82，83，84，85，86，87，88，89，89.5度，或89.9度。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角是1°-10°并且第二預(yù)傾角是80°-90°。在一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角是1°-8°并且第二預(yù)傾角是85°-90°。
所述水平取向材料可能全部地或至少部分地與所述垂直取向材料互相溶混(miscible)。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平取向材料在混合前被溶解到一個(gè)第一溶劑中。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述垂直取向材料在混合前被溶解到一個(gè)第二溶劑中。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在步驟b)中形成的薄膜包括所述垂直取向材料或所述水平取向材料的納米結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)既包括所述水平取向材料又包括垂直取向材料。所述納米結(jié)構(gòu)的大小是0-1微米的量級(jí)。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是聚合體。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是從包括聚酰亞胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚酰胺酸和聚乙烯醇的一個(gè)組中選擇出來(lái)的。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述取向材料中的至少一種是聚酰亞胺。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述水平取向材料和所述垂直取向材料都是聚酰亞胺。在一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平取向材料是JALS9203，所述垂直取向材料是TALS2021。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一和第二溶劑從包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲基甲酰胺(DMF)，γ-丁內(nèi)酯(γBL)，丁基纖維素溶劑(BC)和THF(四氫呋喃)的一個(gè)組中選出來(lái)。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一溶劑包括γBL，NMP和BC，所述第二溶劑包括NMP和BC。在一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一和第二溶劑是被包含在JALS9203和JALS2021中的溶劑。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述重量所述水平取向材料相對(duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，所述重量所述水平取向材料相對(duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述處理包括在80°-120°的一個(gè)第一烘烤和在大約200°-250°的一個(gè)第二烘烤。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述處理是光處理。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述薄膜是通過(guò)旋涂法，絲網(wǎng)印刷法，噴涂或噴墨印刷法形成。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述摩擦是通過(guò)一塊織物以一個(gè)固定的方向的機(jī)械摩擦或通過(guò)用一個(gè)離子束在真空中以一個(gè)固定的方向在一個(gè)固定的入射角照射所述表面來(lái)完成。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述基板是覆蓋銦錫氧化物的玻璃。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述銦錫氧化物在一個(gè)無(wú)源矩陣顯示器中被排列成行和列的圖樣。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述基板包括用于有源矩陣驅(qū)動(dòng)的一個(gè)薄膜晶體管數(shù)組。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供為準(zhǔn)備一個(gè)取向?qū)佣纬梢环N溶液的處理，該取向?qū)幽軌蛱峁┰?°和85°之間的一個(gè)第一取向角。所述處理包括在一個(gè)溶劑中混合一個(gè)水平取向材料和一個(gè)垂直取向材料，其中所述水平取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)第一預(yù)傾角，并且所述垂直取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)第二預(yù)傾角。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角是0°-10°，所述第二預(yù)傾角是80°-90°。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一預(yù)傾角是0°-8°，所述第二預(yù)傾角是85°-90°。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述處理包括混合商業(yè)獲得的水平和垂直取向材料。在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述水平材料從JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291中選擇出來(lái)，并且所述垂直取向材料從JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211中選擇出來(lái)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述溶劑能夠形成一個(gè)溶液，包括納米大小的液滴。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述液滴或者是水平的或者是垂直的取向材料。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述液滴既是垂直的又是水平的取向材料。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的LCD設(shè)備的一部分的截面圖。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的液晶單元的一部分的截面圖。
圖3顯示了在Cartesian坐標(biāo)系中的一個(gè)液晶指向矢。
圖3A顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的起偏器(polarizer)，檢偏器(analyzer)，光和觀察者相對(duì)于所述液晶單元的位置。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的制作一個(gè)液晶取向?qū)拥倪^(guò)程。
圖4A是一個(gè)圖表，顯示了在包括水平(H)和垂直(V)區(qū)域的取向?qū)痈浇囊壕Х肿拥姆较颉?br> 圖4B顯示了以水平和垂直區(qū)域的面積做因子的函數(shù)來(lái)計(jì)算統(tǒng)一預(yù)傾角的結(jié)果。
圖4C顯示了區(qū)域結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。
圖4D顯示了從側(cè)面觀察的水平和垂直區(qū)域結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。
圖4E顯示了以三維視野觀察區(qū)域結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
圖5A，5B和5C是一組照片，顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的實(shí)施例，是由液晶取向劑形成的一層固體膜上的一些納米和微米區(qū)域。這里所述的膜是使用旋涂法來(lái)準(zhǔn)備。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面所述預(yù)傾角和垂直取向材料(JALS2021)的濃度之間的關(guān)系。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面所述極角錨定能量和垂直取向材料(JALS2021)的濃度之間的關(guān)系。
圖8A，8B和8C是光學(xué)照片，通過(guò)在分別包含2.8％，5.8％和11.4％所述垂直取向材料JALS2021的所述取向?qū)由巷@示所述納米結(jié)構(gòu)得到。其余的材料是Nissan SE610。這里，所述膜通過(guò)印刷涂法準(zhǔn)備。圖片的寬度相當(dāng)于50微米。
圖9顯示了不同垂直取向材料(JALS2021)的濃度所得到的預(yù)傾角。
具體實(shí)施例方式
這里使用的基板是指用在一個(gè)LCD單元中的兩個(gè)支持結(jié)構(gòu)，來(lái)夾心一層液晶，其中一取向?qū)游挥谒鲆壕雍兔恳黄逯g。在一個(gè)實(shí)施例中，所述基板是一個(gè)玻璃基板，在其表面上覆蓋電極或?qū)㈦姌O制成各種形狀的圖樣，所述電極控制所述LCD顯示器。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述電極被包含在一層銦錫氧化物(ITO)膜中。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述ITO膜在一個(gè)無(wú)源矩陣顯示器中被排列成行和列的圖樣。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述基板的其中一個(gè)具有一薄膜晶體管數(shù)組，用于所述顯示器的有源矩陣驅(qū)動(dòng)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述基板可以是一個(gè)單晶硅片，上面裝配有源矩陣晶體管。在所有實(shí)施例中，一個(gè)彩色濾波器的數(shù)組可以被沉積到所述基板上，用于一個(gè)彩色顯示器。
這里使用的液晶單元指在一個(gè)LCD設(shè)備中的一個(gè)組成部分，包括至少兩個(gè)基板，兩個(gè)液晶取向?qū)?，和一個(gè)液晶層。當(dāng)所述液晶單元與LCD顯示器中其它必要的組成部分耦合時(shí)，如起偏器和薄膜延遲器，所述液晶單元在LCD設(shè)備中可以運(yùn)轉(zhuǎn)。
參考圖1，一個(gè)液晶顯示器一般由一個(gè)液晶單元1和兩個(gè)起偏器2和3組成。圖2顯示了當(dāng)不施加電壓時(shí)的液晶單元的一個(gè)實(shí)施例，包括一個(gè)頂部基板4和一個(gè)底部基板5；兩個(gè)透明的導(dǎo)電電極6和7，兩個(gè)取向?qū)?(頂部取向?qū)?和9(底部取向?qū)?以及所述液晶層10。在液晶分子10A的第一層和所述底部取向?qū)?的表面之間形成的角θ1被稱為預(yù)傾角。在液晶分子10B的第一層和所述頂部取向?qū)?的表面之間形成的角θ2是另外一個(gè)預(yù)傾角。θ1和θ2可以相同或不同。在這個(gè)液晶顯示器中，所述基板4和5可以由玻璃制成。所述玻璃基板中的一個(gè)，如5，可能是帶有一個(gè)薄膜晶體管數(shù)組的一個(gè)有源矩陣底板?；蛘?，所述基板中的其中一個(gè)如4，可以由玻璃制成，而另一個(gè)基板5可以是一種不透明的材料，如硅。如果兩個(gè)基板都由玻璃制成，所述液晶顯示器可以以穿透式或透反射式模式工作。如果所述基板的其中一個(gè)是不透明的，所述液晶顯示器只能以反射式模式工作。這樣不透明的基板可以由一個(gè)基于硅的微型顯示器制出，該顯示器在所述硅片上配置有有源矩陣晶體管。
第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基本組件中的另一個(gè)是液晶層10，其夾在所述基板之間。這個(gè)液晶層的厚度通過(guò)所述液晶單元內(nèi)部的隔離層(圖中未示出)來(lái)固定。對(duì)于所述液晶層最重要的參數(shù)是與所述取向?qū)拥倪吔绲乃鲱A(yù)傾角。當(dāng)不施加電壓時(shí)，這些預(yù)傾角θ1和θ2決定所述液晶層10的θ(z)和φ(z)(參閱圖3)。
這個(gè)液晶層以一個(gè)具有方向θ和φ的液晶指向矢(director)為特征，θ和φ分別是方位角(azimuthal angle)和極角(polar angle)，在圖3中分別示出。所述指向矢的取向，即θ(z)和φ(z)的值，確定所述液晶單元的光學(xué)特性。它基本上決定了所述液晶單元的穿透率和反射率。如圖3所示，液晶分子n的所述指向矢由一個(gè)預(yù)傾角(傾斜角)θ和一個(gè)預(yù)傾角方向(扭曲角)φ決定，θ對(duì)應(yīng)于所述指向矢n的一個(gè)極角，φ對(duì)應(yīng)于它的一個(gè)方位角。液晶分子的所述指向矢n的所述Cartesian坐標(biāo)系被如下定義
n＝(cosθcosφ，cosθsinφ，sinθ)液晶的所述指向矢n可以被確定，通過(guò)在所述基板上進(jìn)行取向處理來(lái)控制所述預(yù)傾角θ和所述預(yù)傾角方向φ。
由所述液晶單元進(jìn)行的光的傳輸或反射通過(guò)所述起偏器角α和所述檢偏器角γ決定，如圖3A所示，并且由所述的液晶層10的所述取向條件決定。所述電極6，7和所述取向?qū)?，9被用來(lái)控制所述液晶層10的所述取向條件。所述電極提供電壓來(lái)控制所述θ(z)和φ(z)值。所述取向?qū)雍退鼈兊奶幚頉Q定θ(0)和φ(0)的值。θ(0)和φ(0)的所述值和所述彈性Eulers等式一起，決定θ(z)和φ(z)的解。所述液晶層的所述取向的物理意義在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，在文獻(xiàn)中也有介紹，如Springer在1994年出版的由Blinov和Chigrinov寫(xiě)的專論“Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials”。θ(0)和φ(0)被認(rèn)為是液晶取向的易取向軸。因?yàn)樗鲆壕佑袃蓚€(gè)表面，θ(0)，φ(0)和θ(d)和φ(d)都需要以完整地確定θ(z)和φ(z)。這里，d代表在z＝d的另一個(gè)表面。這里公開(kāi)的發(fā)明可以被用來(lái)控制θ(0)，φ(0)或θ(d)和φ(d)或者控制這兩組值。為了討論，我們?cè)谙旅娴墓_(kāi)中只涉及z＝0表面。
本質(zhì)上，在連續(xù)介質(zhì)理論中，所述指向矢方向θ(z)和φ(z)由所述彈性能量的最小限度決定，被稱為Frank-Oseen彈性能量，由下式給出F=12K11(▿·n)2+12K22(n·▿×n-qo)2+12K33|n×▿×n|2]]>其中，Kii是彈性常數(shù)，qo是所述液晶層的固有扭曲。所述最小限度導(dǎo)致所述Euler-Lagrange等式，其受到不同邊界條件θ(0)，φ(0)和θ(d)和φ(d)的影響。
應(yīng)該注意的是，在所述表面上的所述液晶的實(shí)際的取向方向還依賴于所述取向表面的錨定能量。所述錨定能量能夠衡量所述錨定條件有多強(qiáng)。如果所述錨定能量大，就很難偏離這個(gè)條件，并且所述取向角度由所述易取向軸方向給出。對(duì)于弱錨定，在所述表面上的所述液晶的實(shí)際角度可能背離θ(0)和φ(0)。此外，公知的公式能夠根據(jù)所述錨定能量，為z的所有值計(jì)算所述液晶分子的所述取向。
θ(0)和φ(0)的所述值或者正好在所述取向?qū)痈浇乃鲆壕Х肿拥娜∠蛟谠O(shè)計(jì)所述液晶單元的光電特性中是非常重要的，并且是本發(fā)明的主題。所述液晶分子的取向可以通過(guò)很多裝置得到，并且在液晶物理學(xué)和工程領(lǐng)域中是一個(gè)被研究的很好的問(wèn)題。所述預(yù)定的取向條件一般通過(guò)例如摩擦取向?qū)?，9得到。
所述摩擦方向確定φ(0)，所述預(yù)傾角θ(0)的值大部分由所述取向?qū)?，9的材料確定。有平行取向材料，如聚酰亞胺，其可以為制造扭曲向列(TN)液晶顯示器和超級(jí)扭曲向列(STN)液晶顯示器提供1°-8°的預(yù)傾角。這種材料也叫水平取向材料。還有材料可以為生產(chǎn)向列型垂直取向(VAN)液晶顯示器提供85°-90°預(yù)傾角的垂直取向。這種材料還可稱作垂直取向材料。這些平行和垂直材料可商業(yè)上獲得。很多發(fā)明已經(jīng)公開(kāi)了不同種類的化學(xué)制品，它們可以提供水平或垂直取向。但是應(yīng)該注意的是，這些取向?qū)又荒芴峁┧交虼怪比∠?，不可能得到處于之間的取向極角。具體地說(shuō)，沒(méi)有已知的聚酰亞胺取向材料可以提供接近45°的預(yù)傾角。這些聚酰亞胺取向材料已經(jīng)很好地服務(wù)于液晶顯示器工業(yè)，大量地用于制造實(shí)際的液晶顯示器(LCD)。
取向?qū)油ǔ１挥脕?lái)獲得液晶層的取向來(lái)制造液晶顯示器。在文獻(xiàn)中記載了很多種為此目的的取向材料。這些材料大部分是聚合體，它們穩(wěn)定，耐熱和光照。例如，聚酰亞胺(PI)，聚乙烯醇(PVA)，聚酯和聚酰胺酸(PA)。這些材料通常被旋涂法或絲網(wǎng)印刷到所述基板4和5上。需要預(yù)烘烤和最終的烘烤步驟來(lái)使所述聚合的材料變硬以及處理它們。這些聚合的取向劑中的一些能夠提供具有一定角度的預(yù)傾角的一個(gè)平行取向條件。一些特殊的取向劑能夠?yàn)榫哂薪咏?0°預(yù)傾角的液晶提供垂直取向。這兩種聚合體都能夠被涂層，并在基板上被處理，來(lái)在所述基板4和5上制造取向?qū)樱⑶以诒炯夹g(shù)領(lǐng)域中是公知的。
然而在大多數(shù)LCD中，所述取向?qū)邮瞧叫械?。摩擦或其它處理在一個(gè)優(yōu)選的方向生成一個(gè)統(tǒng)一的預(yù)傾角。然而，本發(fā)明涉及不平行的取向?qū)?。所述取向?qū)影{米結(jié)構(gòu)，其以至少兩種不同類型的取向材料的納米區(qū)域或納米網(wǎng)絡(luò)的形式。
Tsui等人描述了一種刻錄區(qū)域的技術(shù)，它給出所述液晶在正交方向上的水平的取向。假設(shè)所述液晶單元被以x-y-z坐標(biāo)表示，其中所述z方向從一個(gè)基板指向另一個(gè)基板，并且所述x-y平面是液晶層的平面，如圖3所示。Tsui等人使用原子力顯微鏡來(lái)使一些區(qū)域具有x方向取向，另一些區(qū)域具有y方向取向，他們證明在離所述取向?qū)颖砻婺硞€(gè)距離處，所述液晶分子會(huì)以一定的預(yù)傾角與所述x軸取向45度角。
在不平行的取向?qū)拥那闆r下的所述液晶分子的取向類似于平行層的情況。在所述取向?qū)拥膬?nèi)部或表面附近，所述液晶分子總是以使得整個(gè)系統(tǒng)的彈性能量最小的方式來(lái)取向它們自己。如前所述，所述彈性能量通過(guò)Frank-Oseen彈性能量F來(lái)描述。很明顯，如果在所述區(qū)域表面附近的所述液晶的取向嚴(yán)格地遵循所述取向區(qū)域給出的取向力，如果所述指向矢沿著所述取向?qū)颖砻妫瑒t將存在不連續(xù)的情況。這導(dǎo)致了大的彈性變形能量。所述液晶系統(tǒng)將不得不采用具有更普通方向的一個(gè)更統(tǒng)一的指向矢分配來(lái)最小化F。在我們的發(fā)明中，我們利用這個(gè)彈性能量最小化來(lái)在取向?qū)又猩刹煌念A(yù)傾角，該取向?qū)泳哂邪ㄖ辽賰煞N取向材料的納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)通過(guò)以溶液形式混和取向材料，并形成一層固體膜生成。
還有發(fā)明公開(kāi)了使用取向材料的混合物以及取向和非取向材料的混合物來(lái)得到高預(yù)傾角。然而，以前公開(kāi)的所有取向?qū)邮瞧叫械暮徒y(tǒng)一的，如共聚物或聚合體混合物。在本發(fā)明中，我們公開(kāi)一種取向?qū)?，其具有由兩種不同取向材料組成的一個(gè)納米結(jié)構(gòu)，還公開(kāi)制造它們的方法。這樣的取向?qū)幽軌颢@得10-80°的高預(yù)傾角。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的制作所述液晶取向?qū)拥倪^(guò)程的一個(gè)實(shí)施例。在步驟1中，一個(gè)垂直取向材料40在溶劑A中稀釋，溶劑A與所述垂直取向材料40完全混合，形成一個(gè)垂直材料溶液42。在步驟2中，所述垂直材料溶液42和一種水平取向材料44都溶解在一種溶劑C中，形成一個(gè)最終的混合物46?；蛘咴诳蛇x的另外一個(gè)步驟2’中，所述水平取向材料44首先溶解在一種溶劑B中，在與所述垂直材料溶液42在溶劑C中混合之前，形成一個(gè)水平材料溶液45。在步驟3，所述混合溶液46被涂到一塊基板上來(lái)形成一層固體膜48。所述固體膜48就被熱處理，其包括步驟4中的預(yù)烤和最終的烘烤處理來(lái)形成一層硬的固體膜50。所述硬的固體膜具有10nm-300nm的厚度。所述硬的固體膜50就在步驟5中被摩擦來(lái)生成所想要得到的液晶取向?qū)?2。所述摩擦可以通過(guò)機(jī)械摩擦進(jìn)行，其包括在一個(gè)固定的方向上使用一塊織物。
以上提到的處理只是本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解并公知很多變化作為其它可選的方法來(lái)實(shí)施本發(fā)明。例如，從所述溶液混合物46形成一層固體膜的步驟非常重要。不同的過(guò)程能夠?qū)е滤龉腆w膜中的不同的微米或納米結(jié)構(gòu)。而且，所述步驟4中的處理過(guò)程也可以用光處理進(jìn)行。所述步驟5中的摩擦也可以通過(guò)一個(gè)離子束在真空中以一個(gè)固定方向在一個(gè)固定入射角照射所述取向?qū)拥谋砻鎭?lái)進(jìn)行。
這里公開(kāi)的所述新的取向?qū)痈浇囊壕Х肿拥娜∠蚧趶椥阅芰孔钚』退鋈∠驅(qū)拥募{米結(jié)構(gòu)?；旧?，如果有至少兩種不同的取向材料的納米結(jié)構(gòu)，所述液晶分子將試圖適應(yīng)來(lái)自這些納米結(jié)構(gòu)的取向力，其將有很大不同。例如，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括兩種不同的材料，一種能夠給所述液晶分子一種垂直取向以及另一種能夠給所述液晶分子一種水平取向。這種情況在圖4A中示意出。30和31分別是所述水平(H)和垂直(V)取向材料的區(qū)域結(jié)構(gòu)。32代表與所述取向?qū)咏佑|的所述液晶分子。
正好在所述取向?qū)痈浇乃鲆壕Х肿訉⑺降幕虼怪钡娜∠?。但是離開(kāi)所述最接近的表面，所述液晶分子將傾向于一種帶有一個(gè)統(tǒng)一的預(yù)傾角的統(tǒng)一的取向，其將最小化所述總的彈性變形能量。通常，這個(gè)不變的預(yù)傾角在離所述取向表面很短的距離得到，約為區(qū)域大小的幾分之一的量級(jí)。由于對(duì)于所述納米結(jié)構(gòu)的情況，從一種結(jié)構(gòu)的取向到這種統(tǒng)一的取向的過(guò)渡發(fā)生在一個(gè)很短的距離內(nèi)，并且所述單元間隙通常更大，因此，為了計(jì)算在所述液晶單元內(nèi)部的所述指向矢方向的改變，這種統(tǒng)一的預(yù)傾角可以被看作由所述取向?qū)咏o定的預(yù)傾角。
根據(jù)本發(fā)明的啟示，如果所述區(qū)域大小不是比所述單元間隙小很多，情況會(huì)更復(fù)雜，就不能說(shuō)所述取向?qū)泳哂幸粋€(gè)統(tǒng)一的預(yù)傾角。因此，本發(fā)明對(duì)“預(yù)傾角”這個(gè)詞的使用是一種概括的情況。如果所述單元間隙比所述區(qū)域大小大很多，對(duì)于沒(méi)有納米結(jié)構(gòu)(區(qū)域)的一個(gè)統(tǒng)一的取向?qū)拥那闆r，所述預(yù)傾角也是一樣。在本發(fā)明中，所述區(qū)域大小或所述納米結(jié)構(gòu)特征大小應(yīng)該小于1微米。
根據(jù)本發(fā)明的啟示，所述納米結(jié)構(gòu)或納米區(qū)域隨機(jī)分布。如果所述取向?qū)拥臏?zhǔn)備通過(guò)特殊的方法進(jìn)行，如，納米平版印刷術(shù)，所述納米結(jié)構(gòu)或區(qū)域也可以是規(guī)則的。所述預(yù)傾角的理論仿真可以通過(guò)解具有可變邊界條件的所述Euler-Lagrange等式很容易地進(jìn)行。圖4B顯示了這樣一個(gè)計(jì)算的結(jié)果，顯示所述預(yù)傾角作為對(duì)于不同區(qū)域大小的垂直取向材料的面積因子的函數(shù)被得到。
從本發(fā)明的啟示中，我們知道這個(gè)最終的預(yù)傾角通過(guò)以下確定(1)所述水平的和垂直的區(qū)域的面積的比率，(2)所述水平取向和垂直取向材料的相對(duì)的錨定能量。就物理意義講，如果垂直取向材料的面積比率增加，所述預(yù)傾角也應(yīng)該增加。圖4B顯示了上述相關(guān)性。通過(guò)嚴(yán)格的理論仿真可以計(jì)算嚴(yán)格的相關(guān)性。但是，在本發(fā)明中，所述的嚴(yán)格的相關(guān)性不是關(guān)鍵的。這里，可以說(shuō)在所述區(qū)域大小分布和得到的最終預(yù)傾角之間存在一種確定的相關(guān)性。
本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，改變所述水平取向材料和垂直取向材料區(qū)域的面積因子，可以得到在所述取向?qū)颖砻娓浇牟煌念A(yù)傾角。本發(fā)明的目的是如何以一種可重復(fù)的方式構(gòu)造所述區(qū)域。
一般來(lái)說(shuō)，形成一個(gè)取向?qū)拥倪^(guò)程如下■取水平取向劑(horizontal alignment agent)，其溶解在溶劑A中，其中A可能是不同溶劑的混合物。
■取垂直取向劑(verticala alignment agent)，其溶解在溶劑B中，其中B可能是不同溶劑的混合物，其中溶劑A和B可能具有一些相同成分的溶劑。
■用這個(gè)混合物在一個(gè)基板上制作一層液體膜。
■從所述液體膜中去除溶劑來(lái)形成一層軟的固體膜。
■進(jìn)一步烘烤所述膜使其形成一層硬的取向?qū)印?br> 所述水平和垂直取向劑在一種溶劑中的混合物被涂到所述基板上，先形成一層液體膜。所述液體膜就變成一層固體膜。所述液體膜被固化的方式對(duì)于本發(fā)明是關(guān)鍵的，并且決定所述取向?qū)拥男再|(zhì)。在大多數(shù)情況下，水平取向劑和垂直取向劑在所述溶劑中的溶解性是不同的。隨著所述溶劑變干，水平取向劑和垂直取向劑的濃度增加，最終沉淀。具有較低溶解性的材料將先沉淀。形成的區(qū)域?qū)⒑艽蟮匾蕾囉谒龉袒俣纫约案街谒鯥TO玻璃上的所述材料的粘著性質(zhì)。如果水平取向劑和垂直取向劑的溶解性不同和/或所述粘著性質(zhì)不同，則會(huì)形成區(qū)域。所述固體膜會(huì)由水平取向和垂直取向材料的區(qū)域組成。
當(dāng)形成所述固體膜的時(shí)候，會(huì)有很多種形成區(qū)域結(jié)構(gòu)的可能性。在一個(gè)實(shí)施例中，所述水平取向材料對(duì)于所述玻璃基板更具有吸附力，并大量出現(xiàn)。所述區(qū)域結(jié)構(gòu)會(huì)如圖4C和4D所示。
如果水平取向材料和垂直取向材料的沉淀速度和粘著性質(zhì)之間有很大不同，則希望在所述固體膜的整個(gè)厚度上，所述區(qū)域不會(huì)一致。有可能是如圖4D的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，所述水平取向材料對(duì)垂直取向材料的體積比率和水平取向材料對(duì)垂直取向材料的表面積比率不同。
另一方面，如果所述沉淀速度相似和/或所述溶劑除去的很快(快速固化)，所述區(qū)域?qū)?huì)小。不同粘著的影響將會(huì)小，并且所述區(qū)域應(yīng)該具有一個(gè)隨機(jī)的水平的和垂直的結(jié)構(gòu)，如圖8示意出的。在這種情況下，水平取向材料對(duì)垂直取向材料的體積比率會(huì)相似于水平取向材料對(duì)垂直取向材料的表面積比率。
圖4D能夠代表旋涂的薄膜，其中所述溶劑被更慢地去除(例1)，而圖4E代表被印刷涂層的液體膜的情況，其中使用一塊熱板快速地去除所述溶劑(例2)。這些是可能的區(qū)域結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，但是很清楚，根據(jù)這里提供的啟示，可以有其它的可能。
例1例1示出了準(zhǔn)備一個(gè)取向?qū)拥倪^(guò)程，該取向?qū)涌梢蕴峁?4度的預(yù)傾角。
材料●水平取向材料從日本Synthetic Rubber公司購(gòu)買(貨號(hào)JALS9203)，是溶液形式。(JSR Corporation，5-6-10 TsukijiChuo-ku，Tokyo，104-8410，Japan)。JALS9203中的所述溶劑，包括γ-丁內(nèi)酯(γBL)，甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纖維素溶劑(BC)。
●垂直取向材料從日本Synthetic Rubber公司購(gòu)買(貨號(hào)JALS2021)，是溶液形式。JALS2021中的所述溶劑，包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丁基纖維素溶劑(BC)。
●基板帶有電極的一塊ITO玻璃，從中國(guó)深圳南玻公司購(gòu)買。
過(guò)程0.95克水平取向材料的溶液和0.05克垂直取向材料的溶液混合在一起，并充分?jǐn)嚢?。所述混合物被涂到所述基板上，使用旋涂法以得到一層軟的固體膜。所述旋涂法開(kāi)始時(shí)以800rmp的轉(zhuǎn)速操作10秒鐘，然后以3500rmp的轉(zhuǎn)速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一層軟膜和剩余的溶劑。
為了除去所有剩余的溶劑，并加工聚合體，所述被涂層的玻璃被置于一個(gè)烤爐中。一開(kāi)始，以100℃烤10分鐘(軟烤)，然后以230℃烤90分鐘(硬烤)。一層硬膜，即，所述的取向?qū)?，就形成了?br> 所述取向?qū)拥谋砻嬉邮苣Σ撂幚恚褂靡粔K尼龍布，每次以一個(gè)方向摩擦所述層。
結(jié)果根據(jù)例1生成的所述取向?qū)拥念A(yù)傾角是44度。
例2例2示出了準(zhǔn)備一個(gè)取向?qū)拥倪^(guò)程，該取向?qū)涌梢蕴峁?3度的預(yù)傾角。
材料●水平取向材料從日本Synthetic Rubber公司購(gòu)買(貨號(hào)JALS9203)，是溶液形式。
●垂直取向材料從日本Synthetic Rubber公司購(gòu)買(貨號(hào)JALS2021)，是溶液形式。
●基板帶有電極的一塊ITO玻璃，從中國(guó)深圳南玻公司購(gòu)買。過(guò)程0.5克水平取向材料的溶液和0.5克垂直取向材料的溶液混合在一起，并充分?jǐn)嚢?。所述混合物被涂到所述基板上，使用如下的印刷涂層法得到一層軟的固體膜一根直徑為2厘米，長(zhǎng)為5英寸的不銹鋼棒被放置于所述基板上。在棒的下面放幾滴所述混合溶液，直到溶液沿所述鋼棒和所述基板的表面之間的接觸線擴(kuò)散開(kāi)。所述鋼棒就滾動(dòng)或者沿所述基板的表面滑行，以形成一層液體膜。
被涂層的基板就被置于一個(gè)100℃的熱板上，10分鐘，來(lái)去除所有的溶劑。然后就放于一個(gè)烤爐內(nèi)，在230℃硬烤90分鐘。就得到包括垂直和水平取向材料的一層硬膜。所述旋涂法開(kāi)始時(shí)以800rmp的轉(zhuǎn)速操作10秒鐘，然后以3500rmp的轉(zhuǎn)速操作100秒。形成了包括所述水平和垂直取向材料的一層軟膜和剩余的溶劑。
為了除去所有剩余的溶劑，并加工聚合體，所述被涂層的玻璃被置于一個(gè)烤爐中。一開(kāi)始，以100℃烤10分鐘(軟烤)，然后以230℃烤90分鐘(硬烤)。一層硬膜，即，所述的取向?qū)?，就形成了。所述取向?qū)拥谋砻嬉邮苣Σ撂幚?，使用一塊尼龍布，每次以一個(gè)方向摩擦所述層。
結(jié)果根據(jù)例2生成的所述取向?qū)拥念A(yù)傾角是53度。
在例1中，通過(guò)旋涂法，所述液體膜變成了軟的固體膜。所述溶劑慢慢地蒸發(fā)，使得水平取向劑和垂直取向劑的區(qū)域趨向于更大。而且，水平取向劑和垂直取向劑區(qū)域的表面積的比率，將有助于形成在所述混合的溶劑中具有較高溶解性的材料，因?yàn)榫哂休^低溶解性的材料將先沉淀。
在例2中，由于在一塊熱的板子上加熱，所以凝固得很快。這樣，所述區(qū)域傾向于更小。所述水平取向材料對(duì)垂直取向材料區(qū)域面積的比率不會(huì)因?yàn)椴牧系牟煌芙庑远艿教蟮挠绊憽?br> 由例1和例2的工藝過(guò)程得到的預(yù)傾角不同，即使對(duì)于相同的水平和垂直取向劑的混合物。這是因?yàn)槭褂貌煌倪^(guò)程得到不同的區(qū)域結(jié)構(gòu)。這里有一個(gè)表格，列出了對(duì)于相同的混合物使用所述兩種不同的方法得到的所述預(yù)傾角。
結(jié)果與所述取向?qū)咏佑|的液晶分子的預(yù)傾角通過(guò)晶體旋轉(zhuǎn)方法測(cè)量。
在所述取向?qū)颖砻娴乃鲥^定能量通過(guò)Chigrinov等人的公開(kāi)中(VChigrinov，A Muravski，H S Kwok，H Takada，H Akiyama和H Takatsu，Anchoring properties of photo-aligned azo-dyes materials，PhysicalReview E，vol 68 pp 61702-61702-5，2003)描述的方法進(jìn)行測(cè)量。
所述取向?qū)拥谋砻嫔系膮^(qū)域結(jié)構(gòu)被標(biāo)準(zhǔn)原子力顯微鏡方法和光學(xué)顯微鏡方法觀察。圖8A顯示了包含5％JALS2021的所述取向?qū)由系募{米結(jié)構(gòu)。圖8B顯示了包含10％JALS2021的所述取向?qū)由系募{米結(jié)構(gòu)。圖8C顯示了包含15％JALS2021的所述取向?qū)由系募{米結(jié)構(gòu)。
例3除了例1和例2，本發(fā)明還可根據(jù)不同比例的垂直取向?qū)?JALS2021)和水平取向?qū)?JALS9203)以及基本上與例1和例2相同的過(guò)程來(lái)生成具有不同預(yù)傾角的取向?qū)?。通過(guò)旋涂法生成的取向?qū)拥募?xì)節(jié)由表1顯示。通過(guò)印刷涂層法生成的取向?qū)拥募?xì)節(jié)由表2顯示。
表1.通過(guò)旋涂法生成的取向?qū)?

表2.通過(guò)印刷涂層法生成的取向?qū)?


準(zhǔn)備所述新的取向?qū)又械年P(guān)鍵步驟是在所述固體膜形成過(guò)程中納米結(jié)構(gòu)的形成。因?yàn)?，所述兩種取向材料在所述固體膜形成過(guò)程中的不同時(shí)間沉淀，就形成納米和微米的結(jié)構(gòu)。圖5A-5C顯示了在標(biāo)準(zhǔn)原子力顯微鏡方法下觀察的根據(jù)本發(fā)明形成的膜結(jié)構(gòu)。在這些圖中，較亮的區(qū)域顯示了所述垂直取向材料(V)。從圖5A到5C，垂直取向材料的百分比在增加。這些樣本通過(guò)旋涂法生成，其中所述從液體膜到固體膜的轉(zhuǎn)化相對(duì)較慢，并且允許有更多的時(shí)間用于所述兩種取向材料的分離。在這些實(shí)施例中，所述納米結(jié)構(gòu)的特征是幾分之一微米的量級(jí)的大小。在很多其它的情況中，所述納米結(jié)構(gòu)可以小到幾個(gè)納米。所述納米結(jié)構(gòu)通常是以在所述平行取向材料的背景下的垂直取向材料的島狀物的形式存在。這個(gè)結(jié)構(gòu)由表面張力，表面能量，彈性和所述兩種材料的其它物理性質(zhì)以及所述普通溶劑的物理性質(zhì)決定。它們對(duì)于這個(gè)實(shí)施例都是有用的。
使用上述的取向?qū)樱瑴?zhǔn)備一個(gè)液晶單元，同時(shí)也獲得無(wú)缺陷的統(tǒng)一的取向。所述液晶分子的預(yù)傾角如圖6所示。圖6顯示了在JALS2021的不同濃度測(cè)量的預(yù)傾角?？梢钥闯鏊鲱A(yù)傾角可以通過(guò)JALS2021的百分比來(lái)控制，從大約5°到將近80°，同時(shí)JALS2021的濃度從0％到達(dá)大約14％。
所述取向?qū)颖砻娴臉O角錨定能量也被測(cè)量，由圖7示出?？梢钥闯?，所述錨定能量根據(jù)JALS2021的百分比變化。
從所述溶液混合物準(zhǔn)備所述固體膜的方法在確定所述取向?qū)拥募{米結(jié)構(gòu)中和因此得到的預(yù)傾角中是重要的。圖8A-8C顯示了所述取向?qū)拥谋砻娼Y(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片，該取向?qū)油ㄟ^(guò)印刷法得到，隨后進(jìn)行快速加熱來(lái)轉(zhuǎn)化所述液體膜到固體膜。在這種情況下，所述納米結(jié)構(gòu)是由垂直取向和水平取向材料組成的區(qū)域。在這些照片中，暗的部分是垂直取向材料(V)，而亮的部分是水平取向材料(H)。圖8A，8B，8C中的垂直取向材料的百分比分別是2.8％，5.8％和11.4％。所述照片的寬度對(duì)應(yīng)于50微米。這樣，可以看出，所述納米區(qū)域通常小于1微米。圖9顯示了對(duì)于很多涂層方法，作為垂直取向材料的相對(duì)濃度的函數(shù)獲得的預(yù)傾角。旋涂法的情況已經(jīng)在圖6中看到?？梢钥闯?，所述預(yù)傾角的得到，非常依賴所述固體膜的準(zhǔn)備的方法。
圖9顯示了對(duì)于相同的溶液混合物，得到非常不同的預(yù)傾角。這是不同納米結(jié)構(gòu)的結(jié)果。在本發(fā)明中，我們沒(méi)有窮盡地說(shuō)明所有從所述溶液混合物準(zhǔn)備固體膜的方法?？梢哉f(shuō)，對(duì)于從所述溶液混合物46生成固體膜的每一種方法，都會(huì)因應(yīng)不同的垂直取向材料的百分比而產(chǎn)生一組新的預(yù)傾角結(jié)果。
可以從概念上理解固體膜的準(zhǔn)備的方法與預(yù)傾角之間的關(guān)聯(lián)。就物理意義講，所述的兩種區(qū)域?qū)⑴c所述液晶分子互相作用。它們的取向力將互相競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生一種取向，該取向介于垂直取向和水平取向之間。通過(guò)改變所述垂直取向和平行取向材料的相對(duì)濃度，可以產(chǎn)生不同的預(yù)傾角。
由上述納米區(qū)域引起的所述液晶層方向的改變可以被看作在距離取向表面很短的距離生成一個(gè)統(tǒng)一(uniform)的取向?qū)?，如圖4A所示。在這個(gè)圖中，所述垂直(V)和水平(H)材料被混合，但是主要的部分作為在所述取向?qū)又谢ハ嘟咏膷u狀物。得到的最終的預(yù)傾角很大程度上依賴于所述垂直取向和水平取向材料的相對(duì)面積比率。在從所述液體膜到所述固體膜的形成過(guò)程中，垂直取向材料相對(duì)于水平取向材料的體積比率可以與垂直取向材料相對(duì)于水平取向材料的面積比率不同。在慢的沉淀的情況下，具有較小溶解性的所述材料將先固化。這個(gè)固體會(huì)粘附在所述基板上。這樣，從具有較高溶解性的材料中沉淀的所述固體將在整個(gè)膜的頂部出現(xiàn)。這樣，垂直取向材料相對(duì)于水平取向材料的面積比率比其實(shí)際的體積比率要高很多。根據(jù)沉淀在頂部的所述第二種材料的表面張力，能夠形成如圖4C和4D示意出的區(qū)域，或形成如圖5C所示的網(wǎng)絡(luò)。另一方面，如果所述固體的形成很快，則所述納米結(jié)構(gòu)更可能被圖4E的顯示所代表。這里，所述垂直取向材料(V)相對(duì)于水平取向材料(H)的面積比率和體積比率會(huì)非常相同。
根據(jù)本發(fā)明的描述產(chǎn)生的所述取向?qū)涌梢杂泻芏鄳?yīng)用。例如，它可以被用于一個(gè)液晶顯示器(LCD)設(shè)備的液晶單元中。使用本發(fā)明的所述取向?qū)拥腖CD設(shè)備具有很多優(yōu)點(diǎn)，如，提高的反應(yīng)速度，寬的觀察角度以及卓越的圖像無(wú)殘影現(xiàn)象性質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員能想到的其它應(yīng)用，這里就不再詳述。
根據(jù)這里公開(kāi)的本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)和實(shí)踐，本發(fā)明的其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。雖然，本發(fā)明的大部分實(shí)施例使用聚合體混合物混合兩種聚合體，其在形成取向?qū)訒r(shí)分別提供垂直和水平取向能力，可以理解也可以使用其它聚合體來(lái)準(zhǔn)備取向?qū)?。例如，除了JALS9203，可以使用其它的商業(yè)產(chǎn)品作為水平取向材料，如AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492以及SE-5291。除了JALS2021，可以使用其它的商業(yè)產(chǎn)品作為垂直取向材料，如，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211。
對(duì)于另一個(gè)實(shí)施例，可以使用一種均聚合物(homopolymer)，其具有提供水平取向能力的一種側(cè)鏈接構(gòu)和提供垂直取向能力的另一種側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。所述均聚合物的側(cè)鏈可以被處理以得到理想的預(yù)傾角。另一個(gè)實(shí)施例，也可以使用一種共聚物(copolymer)，其包括提供垂直取向能力的一種單體和提供水平取向能力的另一種單體。所述共聚物中的組成單體也可以被控制來(lái)獲得理想的預(yù)傾角。
雖然在這些實(shí)施例中，商業(yè)購(gòu)買的所述取向材料已經(jīng)溶解在溶劑中，也有可能分別選擇取向材料和溶劑，如圖4所描述的。能夠使用的溶劑是那些既與水平取向材料又與垂直取向材料易混合的溶劑。所述溶劑應(yīng)該與兩種材料都容易混合，使得當(dāng)所述兩種材料溶解在所述溶劑中時(shí)，將形成包括如納米大小的小液滴的一種均勻的溶液。當(dāng)所述取向?qū)訌倪@樣的溶液中形成，所述兩種材料的納米大小的結(jié)構(gòu)可以使用標(biāo)準(zhǔn)原子力顯微鏡方法進(jìn)行觀察。IndratmokoHari Poerwanto和Gudrun Schmidt-Naake(Telaah，Jilid XXII，No.1-2，2001)提供用于預(yù)測(cè)聚合體可混和性的一種實(shí)際的方案。基于現(xiàn)有的知識(shí)，相信本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該能夠根據(jù)本發(fā)明，以理想的可混和性來(lái)選擇合適的溶劑來(lái)溶解所述垂直的和水平的取向材料。
希望本說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例只被當(dāng)作是范例，本發(fā)明真正的范圍和精神將被后面的權(quán)利要求書(shū)指明。
權(quán)利要求
1.一個(gè)液晶取向?qū)?，其用在一個(gè)液晶單元中來(lái)取向液晶分子，其中所述取向?qū)影╝)一水平取向材料，能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一個(gè)第一預(yù)傾角；b)一種垂直取向材料，能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一個(gè)第二預(yù)傾角；其中與所述取向?qū)咏佑|的所述液晶分子的預(yù)傾角在所述第一預(yù)傾角和第二預(yù)傾角之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述第一預(yù)傾角大約為0°-10°，所述第二預(yù)傾角大約為80°-90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述取向?qū)影ㄋ鏊饺∠虿牧虾退龃怪比∠虿牧现兄辽僖粋€(gè)的納米結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)的大小是0-1微米的量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述納米結(jié)構(gòu)是水平取向材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述納米結(jié)構(gòu)是垂直取向材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中至少一個(gè)所述的取向材料是聚合體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述取向材料中的至少一種是從包括聚酰亞胺，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚酰胺酸和聚乙烯醇的一個(gè)組中選擇出來(lái)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述取向材料中的至少一種是聚酰亞胺。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一個(gè)組中選擇出來(lái)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述垂直取向材料從包括JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211的一個(gè)組中選擇出來(lái)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)樱渲兴鲋亓克鏊饺∠虿牧舷鄬?duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶99到99∶1。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中所述重量所述水平取向材料相?duì)于所述垂直取向材料的重量的比率是1∶4到4∶1。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶取向?qū)?，其中在所述取向?qū)由系乃鰳O角錨定能量在5×10-4J/cm2到2.5×10-3J/cm2之間。
14.一種在液晶單元中制造取向?qū)拥姆椒?，包括以下步驟a)在一個(gè)溶劑中溶解一水平取向材料和一垂直取向材料，來(lái)形成一個(gè)均勻的溶液；b)在基板上使用上述溶液形成一層液體膜；c)處理所述液體膜來(lái)形成一層變硬的固體膜，其中這種固體膜包括所述垂直取向和水平取向中至少一個(gè)的納米結(jié)構(gòu)；以及d)加工所述變硬的固體膜來(lái)得到一個(gè)統(tǒng)一的取向方向，其中，所述水平取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)大約為0°-10°的第一預(yù)傾角，所述垂直取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)大約為80°-90°的預(yù)傾角。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中步驟c)形成的所述納米結(jié)構(gòu)包括所述垂直取向材料和水平取向材料中的至少一個(gè)的納米網(wǎng)絡(luò)或納米區(qū)域，其中所述結(jié)構(gòu)的特征大小為0-1微米的量級(jí)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在第一溶劑中溶解所述水平取向材料的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在第二溶劑中溶解所述垂直取向材料的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一溶劑從包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲基甲酰胺(DMF)，γ-丁內(nèi)酯(γBL)，丁基纖維素溶劑(BC)和THF(四氫呋喃)的一個(gè)組中選出來(lái)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二溶劑從包括甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲基甲酰胺(DMF)，γ-丁內(nèi)酯(γBL)，丁基纖維素溶劑(BC)和THF(四氫呋喃)的一個(gè)組中選出來(lái)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一溶劑包括γBL，NMP和BC。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二溶劑包括NMP和BC。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述水平取向材料從包括JALS9203，AL1454，AL5056，AL3046，JALS-1216，JALS-1217，SE-7992，SE-7492和SE-5291的一個(gè)組中選擇出來(lái)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述垂直取向材料是JALS-2021，JALS-2066，SE-7511L和SE-1211。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理包括在80°-120°的一個(gè)第一烘烤和在大約200°-250°的一個(gè)第二烘烤。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理是光處理。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述薄膜是通過(guò)從包括旋涂法，絲網(wǎng)印刷法，噴涂或噴墨印刷法的一個(gè)組方法中選擇出的方法來(lái)形成。
27.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中步驟d)中的所述加工是通過(guò)一塊織物以一個(gè)固定的方向的機(jī)械摩擦來(lái)完成的。
28.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中步驟d)中的所述加工是通過(guò)用一個(gè)離子束在真空中以一個(gè)固定的方向在一個(gè)固定的入射角照射所述表面來(lái)完成。
29.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述基板是覆蓋銦錫氧化物的玻璃。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述銦錫氧化物在一個(gè)無(wú)源矩陣顯示器中被排列成行和列的圖樣。
31.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述基板包括用于有源矩陣驅(qū)動(dòng)的一個(gè)薄膜晶體管數(shù)組。
32.一種用來(lái)制作液晶取向?qū)拥娜芤?，其用在一個(gè)液晶單元中來(lái)取向液晶分子，其中所述溶液通過(guò)混合下述材料得到a.一水平取向材料，能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一第一預(yù)傾角；以及b.一種垂直取向材料，能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一第二預(yù)傾角。在一種溶劑中來(lái)形成包括納米大小的液滴的溶液。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的溶液，其中所述第一預(yù)傾角大約是0°-8°，所述第二預(yù)傾角大約是85°-90°。
34.一液晶取向?qū)?，通過(guò)a.在一種溶劑中混合能夠提供與其接觸處的所述液晶分子的一第一預(yù)傾角的一種水平取向材料和能夠提供在其接觸處的所述液晶分子的一第二預(yù)傾角的一種垂直取向材料，形成一種溶液；b.用這種溶液在基板上形成一層液體膜；c.處理所述膜來(lái)形成一層變硬的固體膜；以及d.加工所述變硬的固體膜來(lái)得到一個(gè)統(tǒng)一的取向方向。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的液晶取向?qū)?，其中所述第一預(yù)傾角大約是0°-8°，所述第二預(yù)傾角是85°-90°。
36.一種制造用于準(zhǔn)備一個(gè)能夠提供在8°和85°之間的一個(gè)取向角的取向?qū)拥娜芤?，該取向?qū)尤芤旱闹圃旆椒òㄔ谝粋€(gè)溶劑中溶解一水平取向材料和一垂直取向材料，其中所述水平取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)0°-8°的預(yù)傾角，并且所述垂直取向材料能夠在所述取向?qū)又刑峁┮粋€(gè)85°-90°的預(yù)傾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于液晶單元中的一種液晶取向?qū)樱撊∠驅(qū)幽軌蛱峁└哳A(yù)傾角。
文檔編號(hào)G02F1/139GK1985213SQ200480043132
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2004年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者郭海成, 楊思恩, 謝封超, 徐崑翠, 沈平 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)