專利名稱：液晶裝置排列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶裝置排列。這種裝置一般由包含在裝置壁之間的一薄層液晶材料構(gòu)成。形成在盒壁上的光學(xué)透明電極結(jié)構(gòu)使得作用在這一層液晶上的電場將液晶分子重新取向成為一種通導(dǎo)(ON)狀態(tài)。一旦撤掉電場這些液晶分子就恢復(fù)到它們的關(guān)閉(OFF)狀態(tài)。
有三種已知類型的液晶材料，即向列相、膽甾相和近晶相液晶，它們分別具有不同的分子取向。
本發(fā)明涉及采用向列相或長螺距膽甾相液晶材料的液晶裝置和對裝置壁的表面排列處理。這種表面排列處理使與盒壁接觸的液晶分子沿著一定的排列方向進行排列。通過將這些排列方向設(shè)置為正交方向，可以迫使液晶在其電壓關(guān)斷狀態(tài)下具有扭曲結(jié)構(gòu)。這種液晶裝置被稱為扭曲向列相液晶裝置。在向列相液晶材料中加入少量膽甾相液晶材料使之具有選定的扭曲方向以確保液晶裝置中的液晶分子具有均勻的扭曲。此外還可以制成具有大于90°的扭曲角的液晶裝置；例如在US-4,596,446中描述的超扭曲向列相液晶裝置，或270°扭曲向列相液晶裝置。排列處理的另一個要求是使在液晶盒壁處的液晶分子還具有一定的表面傾角。這種表面傾角對于確保某些液晶裝置，例如在GB-1,472,247和1,478,592中所描述的液晶裝置的均勻顯示是必要的。
為了使用大量的可尋址單元進行顯示，通常在一個壁上設(shè)置一組行電極，在另一個壁上設(shè)置一組列電極。這些電極構(gòu)成可尋址單元或象素的x，y矩陣，一般采用rms尋址方法進行尋址。由于材料和液晶盒參數(shù)的限制，可以多路尋址的象素的數(shù)目存在一個上限。增加象素數(shù)目的一種方式是在每個象素附近設(shè)置薄膜晶體管；這種顯示器稱為有源矩陣顯示器。
有一種導(dǎo)致排列的方法稱為摩擦方法，這種方法使用一塊軟布單向摩擦具有或不具有聚合物層的液晶盒壁。液晶分子沿摩擦方向排列，根據(jù)聚合物層的情況通常具有大約2°或者更大的表面傾角。這種摩擦方法的缺點是它會產(chǎn)生灰塵，這些灰塵降低顯示區(qū)域的品質(zhì)，并且對于已經(jīng)形成在液晶盒壁上的薄膜晶體管造成靜電和機械損傷。
另一種已知的排列技術(shù)為斜蒸技術(shù)，如斜蒸SiO技術(shù)，根據(jù)蒸發(fā)方向的角度不同，這種方法可以產(chǎn)生零表面傾角，或較大的傾角如30°。這種技術(shù)在大量制造時是很麻煩的，但是更重要的問題是它在液晶盒壁的整個大面積上難于形成均勻的排列方向和表面傾角。
由于這些原因，非常需要開發(fā)非摩擦排列技術(shù)。這些排列技術(shù)包括采用Langmuir Bloggett技術(shù)(H.Ikeno等人，日本應(yīng)用物理雜志第27卷，第495頁，1988年)；在基板上施加磁場(N.Koshida和S.Kikui，應(yīng)用物理通信雜志，第40卷，第541頁，1982年)；或者采用通過機械拉伸形成的具有光學(xué)各向異性的聚合物膜(H.Aiyama等，分子晶體與液晶，第72卷，127頁，1981年)；或者用偏振光照射(M.Schadt等人，日本應(yīng)用物理雜志，第31卷，2155頁，1992年)。并且已經(jīng)制成了只有一個表面經(jīng)過摩擦的扭曲向列相結(jié)構(gòu)(Y.Toko等，日本顯示雜志92期491頁)。
制成熱色顯示的短螺距膽甾相液晶材料是借助于塑料液晶盒壁中形成壓紋的光柵結(jié)構(gòu)排列的，這在GB-2,143,323中給予了介紹(McDonnell，1983年)。過去利用光柵來實現(xiàn)預(yù)傾排列是采用一個炫耀光柵與一個正弦光柵交叉(E.S.Lee等，SID93文摘，957頁)。液晶偶極子沿著正弦光柵的溝槽分布，之后在形成預(yù)傾角的炫耀光柵的溝槽上分布。
根據(jù)本發(fā)明，對于扭曲向列相型液晶盒，例如具有45°、90°、180°、270°、360°或更大扭曲角，或者中間扭曲角的液晶盒，只用一個炫耀光柵形成排列方向和表面傾斜度。
根據(jù)本發(fā)明的一種扭曲向列相液晶盒包括將一層液晶材料封閉在其中的兩個液晶盒壁；位于兩個壁上的電極結(jié)構(gòu)；形成在兩個液晶盒壁上為液晶分子提供排列方向和表面傾角的表面排列結(jié)構(gòu)；液晶盒壁這樣設(shè)置，使得排列方向彼此之間的角度不等于零；其特征在于在至少一個液晶盒壁上具有不對稱的溝槽排列結(jié)構(gòu)；該不對稱排列結(jié)構(gòu)與液晶材料的彈性扭曲常數(shù)結(jié)合，使液晶材料具有一定排列和表面傾角。
該不對稱排列結(jié)構(gòu)可以具有近似為鋸齒波形的橫截面形狀。
該不對稱的排列表面可以定義為這樣一個平面，在該平面中不存在這樣的一個h值Y(h-x)＝Y(jié)(h+x)……(1)對于所有的x值，其中Y為描述表面幅度的函數(shù)。
這種不對稱結(jié)構(gòu)可能覆蓋液晶盒壁的全部或者部分，或者每個象素的全部或者部分。此外，在象素的不同區(qū)域或者在相鄰的象素上排列方向可以是不同的。
液晶盒可以設(shè)置在兩個彩色或者灰色偏振片之間，液晶物質(zhì)具有少量的或者沒有任何多色染料(例如D82 Merck)?？梢栽O(shè)計偏振片的偏振軸、液晶層厚度和液晶物質(zhì)的雙折射率使得在通導(dǎo)(ON)和關(guān)閉(OFF)狀態(tài)之間達到最佳的顯示對比度。例如偏振光軸可以平行于或者垂直于相鄰的排列方向，最多只有幾度分離；這種液晶盒在Gooch和Tarry最小值條件下工作。(Jphys D Appl phys，第8卷，1975年，第1575-1584頁)。
液晶盒壁之一或者兩個液晶盒壁都可以是由相對較厚的非柔性材料，如玻璃制成，或者一個或兩個液晶盒壁都由柔性材料例如一薄層玻璃或者塑料如聚乙烯制成。在其內(nèi)表面可以對塑料盒壁壓紋以形成一個光柵。此外，該壓紋結(jié)構(gòu)可以形成一些小的支柱(例如1-3μm高，5-50μm寬)以幫助液晶盒壁的適當(dāng)分離，并且當(dāng)液晶盒固定時還構(gòu)成阻擋液晶物質(zhì)流的屏障。除此外，這些支柱可以由排列結(jié)構(gòu)層物質(zhì)構(gòu)成。
現(xiàn)在參照附圖，僅以實施例的形式介紹本發(fā)明，在這些附圖中

圖1為可多路尋址矩陣液晶顯示器的平面圖；圖2為圖1所示顯示器的橫截面圖；圖3為表示液晶盒中液晶分子排列方向和扭曲方向的示意圖；圖4為形成不對稱排列的裝置的示意圖；圖5為經(jīng)過圖4所示裝置處理的液晶盒的剖視圖；圖6為一個排列層的橫截面示意圖；圖7為液晶表面傾角相對于排列層的小平面角度的關(guān)系圖。
圖1、圖2所示的顯示器包括一個由包含在玻璃壁3、4之間的膽甾相液晶物質(zhì)層2形成的液晶盒1。分隔環(huán)5使兩個壁之間保持6μm的間距。此外在液晶物質(zhì)之間散布有許多直徑為6μm的短玻璃纖維以精確保持液晶盒壁之間的間隔。在一個壁3上形成有條形的由例如SnO2或ITO構(gòu)成的行電極6，在另一個壁4上形成有相似的列電極7。m-行n-列電極形成了可尋址單元或象素的一個m，n矩陣。每個象素由一個行電極和一個列電極的交叉點構(gòu)成。
行驅(qū)動器8向每個行電極6施加電壓。相似地，列驅(qū)動器9向每個列電極7施加電壓。所施加電壓的控制是由一個控制邏輯電路10完成的，該電路由電壓源11供電，由時鐘12提供時鐘信號。
液晶盒的兩側(cè)為偏振片13，13’，它們的偏振軸彼此交叉，并平行于相鄰的一個壁3、4上的排列方向，如下所述。
在液晶盒1的后面可以設(shè)置一個部分反射鏡16以及一個光源15。這使得可以通過反射看到顯示，和在昏暗的環(huán)境下從后面進行照明。對于透射型液晶盒，可以省略這個鏡子。
圖3表示由夾在具有正交取向的溝槽23、24的兩個光柵21、22之間的向列相液晶層20構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。液晶分子(偶極子)的本身的方向表示為25。對于每個深的溝槽光柵(即強的方位角錨定能量)每個表面上的液晶偶極子25均沿溝槽方向排列。但是，對于較淺(或較長間距)的光柵，由于圖3所示的相對較大的體積扭曲能量這些表面上的偶極子25相對于溝槽方向23、24有一定的旋開式扭曲(角度分別為φ1和φ2)。如果這些光柵是炫耀的(不對稱的)，則這個旋開式扭曲還伴隨著表面預(yù)傾角，這對于在實際顯示中防止反向傾斜旋錯是十分重要的。在這個意義上，炫耀表面定義為上述公式(1)所表示的表面。
光柵21、22可以覆蓋液晶盒壁的整個表面，或者覆蓋各個象素的全部或部分，或者略微延伸出這些象素的邊界。在象素區(qū)域可以完全由光柵材料層構(gòu)成光柵，而在象素之間則由其表面不合有光柵的聚合物層所覆蓋。或者，象素處的光柵可以是由在象素之間不含有光柵聚合物的分隔區(qū)的光柵構(gòu)成。在象素之間的區(qū)域中不含有光柵可以提高顯示器在開關(guān)狀態(tài)之間的對比度，因為這些無光柵區(qū)域在正常的白色扭曲向列相顯示器中顯示為黑色。這樣就無需象某些現(xiàn)有的顯示器一樣，在液晶盒的電極之間的壁設(shè)置黑色圖案。
在象素不同部分，或在相鄰的象素之間，如具有彼此正交的溝槽的兩半象素之間，各個象素處溝槽的方向可以是不同的。另外，溝槽的不對稱性和/或溝槽的深度在一個象素的區(qū)域內(nèi)可以變化(從而表面預(yù)傾和扭曲)以增加灰度性能，特別是對于STN液晶盒(扭曲角度在180°和360°之間，例如270°)。這種象素細分可以改善顯示器的視角。
方位角錨定能量可以通過改變光柵材料或它的處理方式，或者在光柵表面使用表面活性劑(如Lethecin)而獨立地控制。
圖4表示用于形成光柵的裝置。如圖所示從一個氬離子激光器31中發(fā)出的光30(波長為457.9nm)經(jīng)過一個第一透鏡32聚焦在一個固定的漫射器33和一個旋轉(zhuǎn)漫射器34上。一個第二透鏡35使已經(jīng)散開的激光束30重新成為平行光，然后用一個半鍍鋁的分光器36將其分光到兩個鏡面37、38上。在位于兩個鏡面37、38之間的樣品支架40中安裝有要形成光柵的基片39。在兩個鏡面37、38之間反向傳播的光束建立起一個標(biāo)準光波，即具有半個激光波長的周期的干涉條紋。
在將涂覆有銦錫氧化物(ITO)的玻璃基片39安裝到樣品支架40上之前，先將其在丙酮和異丙醇中清洗，然后以4000rpm旋覆光聚合物(Ciba Geigy343)30秒鐘以形成3.5μm厚的覆蓋層41。在80℃溫度下軟態(tài)烤15分鐘，之后再在100℃溫度下軟態(tài)烤15分鐘。然后如圖4所示將基片39安裝在樣品支架40上，并以一定的傾角在從氬離子激光器31中發(fā)出的標(biāo)準圖形光波下曝光。這是制造干涉光柵的一個實例，參見M.C.Hutley，衍射光柵(學(xué)術(shù)出版社，倫敦1982)，95-125頁。
如圖5所示，干涉條紋記錄在光聚合物層41中。光柵的間距依賴于基片39與標(biāo)準光波之間的角度。通常對樣品以1.5mW/cm2的能量密度曝光30秒鐘。在后期曝光及烘烤(105℃，5分鐘)之后，將樣品在QZ3301(Ciba Geigy)中旋轉(zhuǎn)顯影15秒鐘，然后再在QS3312中清洗15秒鐘。
上述工藝是在M.C.Hutley所著《衍射光柵》(學(xué)術(shù)出版社，倫敦1982，95-125頁)中所介紹的干涉光柵制造的一個特定實例。在GB-2166562-A，CANON；US-4521080，F(xiàn)UNADA；和US-4232947，F(xiàn)UNADA中也介紹了光柵的制作方法。
實例1采用參照圖4、5介紹的方法制作了兩個光柵，并且使兩個光柵的溝槽方向正交；一個隔離物使光柵之間保持10μm的間距。用市售的混合物E7(Merck)填充所制得的10μm厚的盒。由于光柵的方位角錨定能力較弱，向列相液晶分子排列成使φ1＝φ2＝45°(見圖3)。利用G.Baur等人的晶體旋轉(zhuǎn)方法(物理通信雜志，56a卷，142頁(1976))測得各個表面的預(yù)傾角為1.2°。利用原子強力顯微鏡(AFM)對其中一個表面進行研究表明它具有斜的正弦分布，在每個溝槽的一側(cè)的最大平面具有9.1°的傾角，而在另一側(cè)具有7.5°的傾角。所以這表明只要偶極子與溝槽之間形成有限的角度，則不對稱的單色光柵就會使向列相液晶具有預(yù)傾角。
參照圖6通過一個簡單的理論推導(dǎo)可以證明炫耀光柵會導(dǎo)致預(yù)傾角。
假定在炫耀光柵之上相對于表面某一角度θp存在均勻的偶極子場，則表面錨定能量達到最小(即忽略體積能量)；將所示的平面定義為具有平面角θa和θb，幅度為x，間距為2L。則表面錨定能量由下式給出F=γ2L[xsinθsin2(θp-θa)+xsinθbsin2(θp+θb)]]>對于θp求最小值，得出tan2θp=2sinθasinθb(cosθa-cosθb)(sinθa+sinθb)(1-2sinθasinθb)]]>讓θb＝π/2，即讓其中一個小平面垂直。則上式簡化成tan2θp=sin2θacos2θa-sinθa]]>這個公式繪制成圖7中的曲線，表明預(yù)傾角與θa基本成線性關(guān)系，并且總是大于θa。所以這個簡單的理論證明不對稱的溝槽輪廓可以形成有限的預(yù)傾角。
在實驗例中，液晶相對于光柵溝槽形成大約45°的基本均勻的狀態(tài)。為了得到完全90°的扭曲結(jié)構(gòu)，在液晶中摻入手性添加劑(以防止反向扭曲)，并且將溝槽設(shè)置成彼此之間夾角大于或者小于90°。通過構(gòu)成STN(270°扭曲)結(jié)構(gòu)，溝槽(以及預(yù)傾角)的不對稱性以及摻入的手性物質(zhì)可以增加。該實驗例中的光柵間距為1.6μm，但是也可以使用更寬間距的光柵。
圖4所示的裝置可以制作大于0.23μm(半個激光波長)的任何間距的光柵，但是使用紫外光可以制成較小間距的光柵。已經(jīng)計算出(D.W.Berreman，物理綜述通信，28，1683(1972))對于正弦光柵每單位面積的方位角排列能量為U＝2π3K11(a2/L3)，其中a為光柵幅度(溝槽深度的半峰值)，L為間距。對于液晶排列，使用的光柵必須具有這樣的結(jié)構(gòu)，使得U大于熱隨機分布能量，并且大于與任何其它表面的不規(guī)則性和材料不均勻性相關(guān)的能量。此外，小間距對于得到足夠的能量是可取的，因為如果a太大，那么當(dāng)在液晶盒上施加電場時在光柵上會形成較大的電壓降。
對于這些結(jié)構(gòu)適用的光柵還可以利用載體層轉(zhuǎn)換技術(shù)、光刻技術(shù)(F.Horn，物理世界，33，1993年3月)、壓紋技術(shù)(M.T.Gale等人，日本應(yīng)用光學(xué)工程，第4卷，2、44頁(1978))、或刻劃技術(shù)(E.G.Loewen和R.S.Wiley，Proc SPIE，815卷，88頁(1987))來制造。
權(quán)利要求
1.一種扭曲向列相液晶裝置，包括將一層液晶材料封閉在其中的兩個液晶盒壁；位于兩個壁上的電極結(jié)構(gòu)；形成在兩個液晶盒壁上為液晶分子提供排列方向和表面傾角的表面排列結(jié)構(gòu)；液晶盒壁這樣設(shè)置，使得該排列方向彼此之間的角度不等于零；其特征在于在至少一個液晶盒壁上具有不對稱的溝槽結(jié)構(gòu)排列；所說不對稱排列與液晶材料的彈性扭曲常數(shù)結(jié)合，使液晶材料具有一定排列和表面傾角。
2.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于膽甾相螺距和不對稱的溝槽結(jié)構(gòu)排列方向是這樣設(shè)置的，使得液晶旋進扭曲角度小于排列方向之間的夾角。
3.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于膽甾相螺距和不對稱的溝槽結(jié)構(gòu)排列方向是這樣設(shè)置的，使得液晶旋進扭曲角度大于排列方向之間的夾角。
4.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于不對稱的溝槽結(jié)構(gòu)排列具有近似為鋸齒波形的橫截面形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列形成在構(gòu)成象素的電極交叉處，其間隙不包含排列結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列方向在每個象素的不同區(qū)域或者在相鄰的象素處是不同的。
7.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列的不對稱性在每個象素的不同區(qū)域或者在相鄰象素處是不同的。
8.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列中溝槽的深度在每個象素的不同區(qū)域或者在相鄰象素處是不同的。
9.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列覆蓋了一層表面活性劑。
10.如權(quán)利要求4所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列使得a2/L3＞300m-1。
11.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列使得da2/L3＞0.03，其中d＝層厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列是由一層光刻材料構(gòu)成的。
13.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列是由一層被壓紋材料構(gòu)成的。
14.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列是由一層被刻劃材料構(gòu)成的。
15.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列是由一載體層材料轉(zhuǎn)換構(gòu)成的。
16.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于它設(shè)置在兩個偏振片之間，兩個偏振片的偏振軸與所說排列方向成一定角度，從而使所說液晶盒在通導(dǎo)和關(guān)閉狀態(tài)之間的對比度達到最佳。
17.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于在液晶材料中加入一定量的多色染料。
18.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說液晶盒壁是由玻璃構(gòu)成的。
19.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于所說液晶盒壁是由一種柔性塑料材料構(gòu)成的。
20.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于分隔柱形成在一個或者兩個液晶盒壁上。
21.如權(quán)利要求1所述的液晶裝置，其特征在于分隔柱是由構(gòu)成光柵的材料在一個或兩個液晶盒壁上形成的。
全文摘要
一種扭曲向列相液晶裝置包括將一層向列相或長螺距膽甾相液晶材料封閉在其中的兩個液晶盒壁。該液晶裝置由構(gòu)成在一個或兩個液晶盒壁上的不對稱溝槽結(jié)構(gòu)排列形成排列方向和表面傾角。這種排列處理可以用一層成型的光刻材料完成。通過壓紋、刻劃或從載體層材料轉(zhuǎn)換也可以形成這種排列。扭曲量可以是90°的倍數(shù)，所說液晶裝置設(shè)置在兩個偏振片之間。
文檔編號G02F1/1335GK1145119SQ9519246
公開日1997年3月12日 申請日期1995年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月9日
發(fā)明者G·P·布賴恩-布朗, D·G·麥唐奈爾, M·J·陶勒 申請人:英國國防部