專利名稱：在液晶盒里獲得受控的預傾角和方位角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這個發(fā)明總體上涉及液晶盒，更具體地說，涉及在液晶盒里產(chǎn)生 任意控制的預傾角和方位角。
背景技術(shù)：
精確地控制液晶盒里的預傾角是一直為人所需的。有時在某些 特定的應(yīng)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。
郭教授等人在美國專利申請公開No. 2005/0260426里講授了一 禾中利用非同質(zhì)性配向表面(inhomogeneous alignment surface)來產(chǎn)生
大的可控預傾角的方法。所述的非同質(zhì)性配向表面不是均勻的、也不 是只用相同單一材料構(gòu)成的，而是包含了納米和微米大小的、由不同 的配向物料形成的域(domain)。特別是，如果其中一種配向物料能 夠產(chǎn)生垂直的配向，而另一種則能夠產(chǎn)生均一或水平的配向，那么所 得的表面將產(chǎn)生一個中間的預傾角。
郭教授等人的專利申請公開應(yīng)用了由兩種不同的配向物料所形 成的二元混合物在烘干時所產(chǎn)生的隨機相位分離。域的分布是隨機 的，有時并不均衡，并且難以控制。所以，需要制造一個能夠精確地 控制的非同質(zhì)性配向表面，并且需要在大基板上產(chǎn)生均衡的配向?qū)?br/>發(fā)明內(nèi)容
這里敘述的是一個在液晶盒里制作可精確控制的非同質(zhì)性配向 層的方法。在大基板上獲得了一個非常均衡的配向?qū)?，其能廣泛地應(yīng) 用于顯示系統(tǒng)上。
根據(jù)一個實施方案，提供了一種位于包含最少一種液晶物料的 液晶盒內(nèi)的液晶配向?qū)?。該液晶配向?qū)影艘粔K基板、第一和第二 配向?qū)?。第一配向?qū)舆B續(xù)地設(shè)置在基板上，以用于在液晶材料中引起 第一液晶預傾角和第一方位角。第二配向?qū)舆B續(xù)或非連續(xù)地設(shè)置在第 一配向?qū)拥谋砻嫔?。第二配向?qū)营毩⒌卦谝壕Р牧现幸鸬诙壕ьA 傾角和第二方位角。
根據(jù)進一步的實施方案，第二配向?qū)影鄠€島狀的結(jié)構(gòu)?；?第二配向?qū)涌砂粋€或更多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；虻诙湎?qū)涌砂?山 岡"和"山谷"結(jié)構(gòu)。"山岡"和"山谷"的高度差可為1納米到 200納米不等。
根據(jù)另一個實施方案，提供了一種位于包含最少一種液晶材料 的液晶盒中的液晶配向?qū)拥闹谱鞣椒ā＿@個方法包括(l)在基板上連 續(xù)地設(shè)置第一配向?qū)樱?2)處理第一配向?qū)恿钇湓谝壕Р牧现挟a(chǎn)生第
一預傾角和第一方位角，(3)在第一配向?qū)拥谋砻嫔戏沁B續(xù)地設(shè)置第 二配向?qū)樱?4)處理第二配向?qū)恿钇湓谝壕Р牧现挟a(chǎn)生第二預傾角和 第二方位角。


圖1示出非同質(zhì)性配向表面的模型示意圖。
圖2示出平均預傾角A,相對于面積比例p的模擬結(jié)果。
圖3示出因為《=-《而產(chǎn)生的平均預傾角~(0)的不確定性，其
中液晶以《(左)或《(右)中的任一角度排列。
圖4示出用于有限微分法的格子，其中假設(shè)液晶分子在格子里
是均一的，并且格子的大小為AxxAyxAz。
圖5展示垂直聚酰亞胺的極錨定能(polar anchoring energy)
為 <formula>formula see original document page 6</formula>水平聚酰亞胺的極錨定能為
<formula>formula see original document page 6</formula>圖6展示垂直聚酰亞胺的極錨定能為WpV=2xlO-3J/m2，水平聚 酰亞胺的極錨定能為WpH=2xlO—3J/m2。 (X=200nm并且Z=200 nm)。
圖7展示液晶傾角的標準差在z軸上的分布。
圖8示出在不同的域比例(domainratio)p條件下的比例^^/L。
圖9示出接近配向表面的液晶配置。水平聚酰亞胺的預傾角和 方位角分別為0.5度和45度。而垂直聚酰亞胺的預傾角和方位角則 分別為82度和0度。
圖IO示出接近配向表面的液晶配置，其中水平聚酰亞胺的預傾 角和方位角分別為0.5度和60度，而垂直聚酰亞胺的預傾角和方位 角則分別為82度和0度。
圖11示出接近配向表面的液晶配置，其中水平聚酰亞胺的預傾 角和方位角分別為0.5度和80度，而垂直聚酰亞胺的預傾角和方位 角則分別為82度和0度。
圖12示出在不同的扇形角0。且；^0.5的條件下，液晶傾角的標 準差在z軸上的分布。
圖13示出在不同的扇形角0。且^=0.5的條件下，液晶方位角的 標準差在z軸上的分布。
圖14示出當扇形角0。=0且p=0.5時，在X-Y平面上的液晶分子配向。
圖15示出利用有圖案的配向表面所產(chǎn)生的在不同的扇形角條件 下的平均預傾角。
圖16示出利用有圖案的配向表面所產(chǎn)生的在不同的扇形角條件 下的平均方位角。
圖17示出&2對方位角的影響。
圖18示出包含J^^/賓眾欽緣/MZ^2027/RO尸-703的堆疊式結(jié)構(gòu)。
圖19示出氧化銦錫層的原子力顯微鏡圖。
圖20示出在氧化銦錫層上成功地涂上連續(xù)的配向?qū)拥脑恿︼@ 微鏡圖。
圖21示出經(jīng)過機械式摩擦的連續(xù)配向?qū)拥脑恿︼@微鏡圖，其中可以見到在摩擦方向上的有周期性的條紋的摩擦圖案。
圖22示出2免的ROP-103施加在垂直配向聚酰亞胺表面上。 圖23示出4%的ROP-103施加在垂直配向聚酰亞胺表面上。 圖24示出6%的ROP-103施加在垂直配向聚酰亞胺表面上。 圖25示出8%的ROP-103施加在垂直配向聚酰亞胺表面上。 圖26示出10%的ROP-103施加在垂直配向聚酰亞胺表面上。 圖27示出由堆疊式配向方法產(chǎn)生的預傾角的結(jié)果，其中圓點表 示實驗結(jié)果。
圖28示出由2%的ROP-103所引起的域比例/ = 11.14%,其中 白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。
圖29示出由4%的ROP-103所引起的域比例/ = 25.80%，其中 白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。
圖30示出由6%的ROP-103所引起的域比例p=56.26%，其中白 色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。
圖31示出由8%的ROP-103所引起的域比例； =78.68%,其中白 色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。
圖32示出由10%的ROP-103所引起的域比例； = 95.94%，其中
白色域代表垂直配向域，黑色域代表水平配向域。
圖33示出在原子力顯微鏡實驗結(jié)果中，域尺寸(L)與域比例^) 的關(guān)系。
圖34示出作為域比例(p)的函數(shù)的最小域尺寸a)。
圖35展示由堆疊式配向方法產(chǎn)生的預傾角的實驗結(jié)果，其中圓
點表示實驗結(jié)果，連續(xù)直線表示模擬結(jié)果。
圖36展示在不同的扇形角條件下引起的預傾角的實驗結(jié)果。 圖37展示在不同的扇形角條件下引起的方位角的實驗結(jié)果。 圖38示出依照本發(fā)明的一個實施方案制造液晶盒內(nèi)的液晶配向
層的方法。
具體實施例方式
近年來，對用于液晶的非同質(zhì)性配向表面的研究已經(jīng)有迅速增長的趨勢。這是因為這些配向設(shè)置能夠在液晶盒內(nèi)產(chǎn)生高預傾角。很 多的實驗證明，高預傾角可以有不同的應(yīng)用，例如雙穩(wěn)態(tài)顯示器和 無偏壓的彎曲式快速響應(yīng)液晶模式。這些配向表面通常包含兩種域， 而這兩種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 Inhomogeneous Surfaces," P/i>^. T ev. ￡72， 021711-1-021711-4 (2005)中，描述了一 個具有有限錨定能且有規(guī)律拼湊而成的圖案。圖1示出了這種模型
的示意圖。表面能量跟Rapini-Papoular形式的液晶表面能量相 似
<formula>formula see original document page 9</formula>
(1)
上述等式中，全部的分布比重2^^'=1， ^
i是在表面z-O位置處
的平均傾角，《,.是配向角(alignment angle)，而R.是錨定能常數(shù)， 其在10—4至10—3 J/n^的范圍內(nèi)。每單位面積的任意形態(tài)的液晶系統(tǒng) 的總能量可以表達為
<formula>formula see original document page 9</formula>
(2)
上述等式中，幾是周期的大小(pitch) ， /^，y)"o，"是域！ 的配置
函數(shù)。n—U，^是液晶的指向矢，L;&M并且《^/Ku。當周
期的大小義—0 (即，A變得非常小)時，系統(tǒng)能量U—定是完全來 自在2=0處的表面能量，例如"-Z&。假設(shè)只有兩個區(qū)域有著零扇 形角配位方向(如《=())，而各自的預傾角和錨定能則分別為《、《、 Wi和W 。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^v(W滿足等式(3):s —
=0
丄=1一 Wsin(2 -2《
(3)
(l-p)W2sin2(《一《
>-l)W2cos2(《-《)—； W!
上述等式中，p是經(jīng)過歸一化的域比例。通過在等式(3)中代入 《=85°和《=5°，圖2顯示出區(qū)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^和
^ =三—A
^對^(0)的影響。假設(shè)《>《和1 2 1
和
《=0 +厶，
由(3)得出
門 兀 41 一
(l-/7)W2sin2
一A' —△，
(p-l)W2cos2〔^-A' _△，
(4)
如果△,+△,=()，那么
^十A+垂tan-、0)
(5)
《=1一厶2和《《
我們亦能夠得
同樣地，如果我們假設(shè)《=()+ ^和 出一樣的結(jié)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2"/2并且^+~=()，那么如圖3所示，在任何地方，所得的 ^v(W將會偏向于《或《中的任何一個。通過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(nèi)的反躍作用方向 (backflow flowing directions)是非常重要的。
^v(G)的概念只有在域尺寸趨向無限小(即；i —o)時才有效。 實際上，在高預傾角的研究中，域的尺寸對本體系統(tǒng)中的平均預傾角 的影響才是最重要的問題。我們將在這里描述詳細的模擬計算模型和 結(jié)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(shù)學等式，目標是要將器件的能量減到最少，從而得出相應(yīng)的指向矢
10分布。
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(tài)，例如",》.=0 V""x，y,d。這個方法的好處是能夠照顧 到擴展、彎曲的轉(zhuǎn)換。在迭代中，并不存在奇異點。為了更能描述這 個方法，給予拉格郎日(Lagrange)方程式..<formula>formula see original document page 11</formula>
其中L是拉格郎日函數(shù)L=K-U， K是動能密度，U是勢能密度。 n = (~'"y'"z)。因為這個結(jié)構(gòu)沒有動能，因此K-0。在方程式(7)中
給出勢能
L = Ui+|/l(" 2)
^垂^(V參n)2+會^2(n.Vxn)2+會iginxVxi112
(7)
其中A是用來維持指向矢ii的單位長度的拉格郎日乘數(shù)，《,.是弗蘭克 常數(shù)。當其中加入雷利分散函數(shù)時，公式(6)變成公式(8):
厶'U。
3么
3""
(8)
其中每一點代表參數(shù)相對于時間t進行的微分。x是旋轉(zhuǎn)粘度。結(jié)合
公式(6) 、 (7)和(8)得出公式(9): > 、<formula>formula see original document page 11</formula>
公式(9)重寫為
<formula>formula see original document page 11</formula>
依照進一步的實施方案，如果假設(shè)所有的弗蘭克常數(shù)是一樣的，
f = (Ar11 + Jfi:22 + A:33)/3，在y軸的尺寸為o (事實上，在x-z平面上的
二維(2D)模擬已經(jīng)足夠了)，并且液晶是非扭轉(zhuǎn)的，則《可以化簡
為《=( ，+ " )2 + ("w - "w)2 ("/ + "/) + + 因此公式(10)可以重寫為公式(12)和(13)，
(11)
(12)
%n = f -"w)2 -(" ,z
+"z2 , (i3)
由以上的公式可以看出，笛卡兒坐標矢量形式比起e-^方法要容 易得多，而且更直接地關(guān)聯(lián)上了以下描述的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)。另外，當
指向矢逼近垂直(即，0 = 90°)時，方位角將會變得不明確。這樣會導致
數(shù)字方面的困難，其中模擬程序通過嘗試來決定哪一個方位角能夠使
自由能量&最小化。因此，0-0方法只用于所選的一維(lD)模擬。
公式(10)表明最基本的問題就是如何確定導數(shù)"〃?？梢岳脙?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(shù)""，
其中假設(shè)該方法可以與有限的元素函數(shù)集(《)的線性組合
(^ )近似。依照另一個實施方案，系數(shù)"'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么復雜，所
以提供了一個更合意的方法用來確定導數(shù)。
依照一個實施方案，提供了一個有限差分方法，其中，計算的
域被分割為正方體(即，格子)，其如圖4所示，全部尺寸都一樣。 之后估測這些格子的導數(shù)。為了導出可用于估測上述導數(shù)的公
式，利用泰勒級數(shù)展開
/ (jc + Ax) = /(jc) + /'(x)Ax + ^~^A^2 + ... (14)
/(;c-Ax) = /(jc)-/'(;c)Ax + ^"^Ax2-… (15)解出在公式(14)中的一階導數(shù)/'(;t)，得出向前的導數(shù)為
/(x + Ax)-/(x)
(16)
相似地，得出向后的導數(shù)為
2
(17)
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
幻
/ (;c + Ax) - / ( ;jc -
6
(18)
對二階導數(shù)/"(x)，得出公式(19)為
&2
12
Ax
/ ( jc + Ax) + / (;c — Ax) — 2/(;c)
(19)
現(xiàn)在，所有用來實行由公式(10)控制的弛豫的數(shù)字導數(shù)都已經(jīng) 被導出。但是，不能用公式(12)和(13)來解新指向矢 、 禾口/1。
所以，撇走;i項，并且將指向矢在每次迭代后重新歸一化為單位長度。
因此公式(10)變成
兀^1 =-[巧] (20)
而且，新指向矢在每次迭代后為
. ]、
je{w} (21)
根據(jù)公式(21)，其中一個最重要的決定計算速度的參數(shù)是時間 步長值A(chǔ)f。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(shù)值計算會得出錯誤結(jié)果。事實上，當時間步長值大 于此數(shù)值，則結(jié)果會是隨機數(shù)。當然，時間步長^的數(shù)值與諸如邊
13界條件、格子尺寸和液晶粘度之類的參數(shù)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
(22)
指向矢和表面之間的相互作用可以用"錨定強度"來表征。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?shù)奈恢?。為了描述指向矢和表面之間的相互作 用，這里描述了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(zhuǎn)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(yīng)，這里描述了Rapini禾P Papoular (RP)表達式。這
是假設(shè)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
/^=Wsin2"。) (23)
其中W是稱為錨定強度的標量，《是偏離配向方向的角度。 RP錨定能是廣泛采用的近似表達式，并且通常在與其他錨定能表達 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表達式的一般形式是
F一 = % sin2 ("。)+W。 cos2 ("0)sin2 (0-^) (24) 其中Wp，W。分別為極錨定強度和方位錨定強度。(e-A)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里已經(jīng)展示了一個各向異性的表面能量密度的表達式可以化簡 為
Faao = T\ sin2 (0 -《)cos2 (0 - A) + T2 sin2 (0 -《)sin2 (^ - A) (25)
錨定能系數(shù)可以利用比較(24)的球形和聲學展開式(spherical harmonics expansions)中的等階數(shù)項來找到，
14T,丄
2 2
p 8 fl
(26)
依照一個實施方案，表面指向矢一定要能夠移動以便實現(xiàn)錨定 能對液晶器件的操作方面的影響。因此，公式(24) —定要在模擬迭 代中達到最小。
依照一個實施方案，《-A=0。這種特定情況假設(shè)兩個配向域擁 有一樣的方位配向角。依照這個實施方案，,^其實會隨著域比例和 配向域的錨定能而改變。最大的〖^值可以變成SL。這里會報告對 錨定能效應(yīng)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(shè)垂直聚酰亞胺產(chǎn) 生82度的預傾角，水平聚酰亞胺產(chǎn)生0.5度的預傾角，并且域比例 p為0.5。模擬空間為xmax=200 nmXzmax=200 nm。垂直聚酰亞胺的 極錨定能為0.2x10-3J/m2，水平聚酰亞胺的極錨定能為0.2x10-3J/m2。圖 5呈現(xiàn)出相應(yīng)的指向矢分布。我們可以看到傾角偏離了理想的傾角。 這種影響在兩個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，如圖6 所示的那樣。而且，通過將這兩幅圖比較，我們可以發(fā)現(xiàn)《^由錨定 能所調(diào)節(jié)。可以由圖7進行這種觀察。液晶呈指數(shù)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，并且導致 《孤-L。由于典型的聚酰亞胺錨定能是大約2xl0-3j/m2，因此^孤一 定要小于<^。圖7亦展示出重要信息，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，域比例p在《^調(diào)制中亦起到重要作用。圖8 展示出不同p的相應(yīng)的影響。最大的《m的位置由比例p和域面積的 預傾角支配。在這個時候錨定能沒有起任何作用。最大的《^的研究 對反躍作用方向控制是很重要的。
《-A^O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，可以改變液晶的所得的預傾角和方位角。這給液 晶模式設(shè)計師或者光學波導設(shè)計師提供了有用的工具，來控制液晶本
15體中的所得預傾角的精確位置和大小。
圖9至11展示出不同的扇形角條件下的分子配置。這些圖的 域比例p二0.5，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0。=^-A|，其由上述配向布置方式產(chǎn)生。
圖12畫出在Z方向上的傾角和方位角的標準差?？梢杂^察到 當扇形角增加時，當量外推長度亦增加。
這些模擬結(jié)果可以用公式(2)解釋。由于針對不同的扇形角0。
而言，表面分布/7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。
圖13展示了對不同的A而言，液晶方位角的標準差在z軸上 的分布。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0。=0時，有一些方位角的混亂情況。假設(shè)這種影響在z方向 上應(yīng)該等于0。實際上，這是由圖案結(jié)構(gòu)的邊緣效應(yīng)引起的。為了用 圖說明這個問題，圖14展示了在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(yīng)出現(xiàn)。最后，錨定能消失， 并且在z/L〉0.5的系統(tǒng)中，弗蘭克彈性能量起主要作用。因此，這些 邊緣效應(yīng)最終消失。
平均預傾角的模擬結(jié)果與Wan描述的那些有所分別。據(jù)發(fā)現(xiàn)， 如果域尺寸1與外推長度、=/^/^不具可比性，則預傾角與域比例 成線性比例。此外，只要弗蘭克常數(shù)KU<K33，如果扇形角0。〉0，則 平均預傾角總是大過^=0情況下的平均預傾角。實際上，這種特性對 于一般的液晶來說永遠是對的。
圖15展示了由數(shù)值模擬得到的在/^0.1和;^0.9條件下的非線 性效應(yīng)。由于模擬尺寸是L=200nm，因此/ =0.1和p=0.9分別促使 Lam/。.9v=20nm/180nm和Lo.9H/0.lv=180 nm/20 nm。模擬的錨定能為 2x10-3j/m2。外推長度為〈=f/W = 15.25xl(T12/2xlO-3 = 7.625nm。由于
16這些數(shù)值相當，所以，在曲線的頭部和尾部可以找到非線性效應(yīng)。
當方位角(扇形角)不同時，會出現(xiàn)其它效應(yīng)。圖16畫出了這種 結(jié)果?？梢砸姷?，當比例p增加時，方位角最終會轉(zhuǎn)變到水平聚酰亞 胺的主配向方向上。結(jié)果表明，這種轉(zhuǎn)變并不是線性的。這是因為弗 蘭克常數(shù)&22和K"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(yīng)。這種效應(yīng)在高預
傾角p〈0.4的情況下更加顯著，因為彎曲效應(yīng)支配著本體能量。為了
抑制這種效應(yīng)，如圖17所示，建議使用較弱的K22。
基于以上的模型和非同質(zhì)性配向的模擬結(jié)果，以下描述本發(fā)明 的各種實施方案。
存在著很多不同的非同質(zhì)性液晶配向方法，例如電子束處理、 微摩擦、混合聚酰亞胺材料和深紫外光表面處理。混合聚酰亞胺材料 一般包含兩種聚酰亞胺材料，其分別導致不同的液晶取向?？梢酝ㄟ^ 水平和垂直聚酰亞胺混合物的相位分離在三維上的流體效應(yīng)
(hydrodynamic effect)來獲得微域。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，域尺寸大約 為2微米。但是這種尺寸并不在之前提過的高預傾角配向的合適范 圍內(nèi)。
事實上，拼湊而成的圖案的尺寸由相位分離的流體效應(yīng)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(guān)的輸送機制(即擴散現(xiàn)象和流體流動)，并且它們 復雜地彼此耦合。只有前者與階數(shù)變量在時間上的增加有關(guān)(兩個相 位在組成上的分別)，而后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復雜的性質(zhì)，因此就算對簡單的液體 混合物而言，流體效應(yīng)對相位分離的影響仍然未被完全了解。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。由于缺 乏控制相位分離速率的好方法，因此制造出來的預傾角的重復性和均 勻性皆很差。由于這些問題，因此上述方法并不是在液晶內(nèi)獲得高預 傾角的理想模型，因此本文描述了更理想的方法。
在一個實施方案中，提供一種兩步法用來制造新的配向?qū)?。?先將均勻的配向?qū)油吭诨咨?。之后將第二配向?qū)油吭诘谝慌湎驅(qū)由?。第二配向?qū)硬贿B續(xù)地分布。根據(jù)進一步的實施方案，第二配向?qū)?為不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)的形式?；虻诙湎?qū)涌砂粋€或更多的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)?；虻诙湎?qū)涌砂?山岡"和"山谷"結(jié)構(gòu)。"山岡"和"山 谷"的高度差可為l納米到200納米不等。
如圖18所示，與現(xiàn)有的在液晶里獲得配向的方法不同，本文 所描述的方法利用了堆疊結(jié)構(gòu)。依照一個實施方案，第一配向?qū)邮怯?br> Japan Synthetic Rubber公司獲得的垂直配向聚酰亞胺，其型號為 JALS2021。第二配向?qū)影ü鈱W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 存在適合于第一或第二配向?qū)拥钠渌娲晕锪?，如垂直或平面配?的聚酰亞胺或包括偶氮染料和丙烯酸衍生物的光學配向物料。
圖18所示出的結(jié)構(gòu)只是為了實驗方便而已。各層可以存在著 其它的布置方式。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(zhuǎn)。換句話說，連續(xù)地涂在基底上的第一配向?qū)邮枪鈱W 配向物料(如ROP-103)，非連續(xù)地涂在第一配向?qū)由系牡诙湎驅(qū)?是垂直配向聚酰亞胺，如JALS2021。
以下描述詳細的實驗步驟用來獲得在圖18和38中示出的結(jié) 構(gòu)。第一，以3000 rpm的轉(zhuǎn)速將包括垂直聚酰亞胺的第一配向?qū)有?轉(zhuǎn)涂布在包括鈉鈣玻璃和氧化銦錫的基底之上，涂布時間為240秒 (方塊3802)。其它的涂布法可以是噴墨印刷法。之后處理第一配向 層以在液晶盒里產(chǎn)生第一預傾角和第一方位角(方塊3804)。具體而 言，在IO(TC下對基底進行300秒的軟烤。第三，在200°C~230 °C 下對基底進行大約1~1.5小時的硬烤，以使聚酰亞胺酰亞胺化并變成 永久固定性的。在第一層完結(jié)之后，將另一配向?qū)?也就是第二配向 層)施加在第一配向?qū)又?方塊3806)。和第一配向?qū)酉嗨疲诙?也是用旋轉(zhuǎn)涂布機涂在基底上。涂布參數(shù)為1000 rpm和60秒。然 后，處理第二配向?qū)?，以在液晶盒中產(chǎn)生第二預傾角和方位角(方塊 3808)。具體而言，在13(TC下對包括配向?qū)拥幕走M行300秒的軟 烤。最后，用340nm的偏振光源將基底曝光。劑量大約是200mJ/cm2。 可供選擇的是，劑量可以大于200 mJ/cm2。如圖18所示，上面的配向?qū)?即第二配向?qū)?其實是非連續(xù)的膜，但布置在第二配向?qū)酉?面的第一配向?qū)訁s是連續(xù)的膜。利用這種結(jié)構(gòu)，不僅第二配向?qū)訒?液晶配向有影響，第一配向?qū)右矔σ壕湎蛴兴绊憽?br> 依照進一步的實施方案，可以通過在軟烤過程中控制
B6nard-Marangoni對流來操控配向?qū)?，以提供非連續(xù)與連續(xù)的配向膜。 為了獲得這個堆疊結(jié)構(gòu)，一種高粘性溶劑，稱為Sp被選擇作為第一(底) 配向?qū)拥呐湎蛭锪希虼薓arangoni數(shù)低于80 。因此，在溶劑蒸發(fā) 后獲得一個連續(xù)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?qū)拥呐湎蛭锪希虼?，Marangoni數(shù)(M")會 增加并且在軟烤中會出現(xiàn)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(fā)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?qū)拥呐湎蛭锪鲜蛊洳荒軌蛉芙庠赟2中。其 中一個被提議的組合為JALS2021 4重量％: N-甲基吡咯垸酮96重量％ / ROP-103 <10重量％:環(huán)戊酮>90重量％。
以下描述的是可以獲得上面描述的配向結(jié)構(gòu)的一個例子。具體 而言，如原子力顯微鏡圖19所示，第一配向?qū)颖皇┘釉谘趸熷a 基底上。在硬烤后，拍下另一張原子力顯微鏡圖20。比較圖19和 圖20的圖像圖案揭示了，經(jīng)過烘烤過程之后，氧化銦錫圖案完全 消失，從而表明連續(xù)的配向?qū)右呀?jīng)被成功地涂在氧化銦錫表面上。
隨后，對經(jīng)涂布的基底進行機械摩擦。因此，如圖21所示， 在摩擦方向上引入了一個有周期性的圖案。
現(xiàn)在基底準備好用于最后的步驟。將第二配向物料溶液施加在 第一配向?qū)由?。為了實驗目的，五個實驗結(jié)構(gòu)分別使用不同濃度的 ROP-103(也就是，2%、 4%、 6%、 8%和10%)。原子力顯微鏡圖22至 26展示出所得的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由高分子薄膜脫濕或上文所述的 B6nard-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(zhuǎn)涂布條件下，配向?qū)拥暮穸纫嘞鄳?yīng)地增加。隨 著配向?qū)拥暮穸仍黾樱叻肿颖∧ぷ兊秒y以脫濕，最后連續(xù)的膜覆蓋 在第一配向?qū)由?圖26)。此時，所得的預傾角應(yīng)當很低，甚至等 于第二配向?qū)拥闹黝A傾角。圖22至26的原子力顯微圖像展示了實
19驗結(jié)果和推測是很一致的。具體而言，在圖22中，第二層包含由白
點表示的孤立的島狀結(jié)構(gòu)。隨著ROP-103濃度的增加，這種孤立的 結(jié)構(gòu)開始融合而形成一個或更多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖23-24)。隨著 ROP-103濃度繼續(xù)增加，在第二層上開始形成山崗和山谷結(jié)構(gòu)(圖 25)。
圖22更進一步展示出當ROP-103的濃度為2%時，有很多細小 的域均勻地分布在配向表面上。這是因為冷流體的位置下降或熱流體 的位置上升、并且當溶劑蒸發(fā)走時高沸點的聚酰亞胺堆積在那些位置 而造成的。當濃度增加到4%時，如圖23所示， 一些網(wǎng)絡(luò)片段開始形 成。在圖24和25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 圖26所示，溶液的粘性亦會增加，因此，結(jié)果形成一個連續(xù)的膜。
圖22-25還展示了域的均勻性。各片的平均尺寸(mean patch size)為約250納米。像之前所討論的那樣，假設(shè)配向物料具有強的 錨定能，并且域尺寸和它們的外推長度不具有可比性，則產(chǎn)生的預傾 角變化幾乎與兩個域的比例成正比。為了證明這個假設(shè)，測試了六個 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?qū)咏Y(jié)構(gòu)而制備的。具體而言，每個樣品上都涂上了不同濃度的 ROP-103溶液作為非連續(xù)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?qū)踊住?所有樣品都填充得自Merck公司的液晶MLC-6080。用晶體旋轉(zhuǎn)方法 測量產(chǎn)生的預傾角。以下描述實驗結(jié)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 物料在域中具有較高的比例p，因此，可以獲得較低的預傾角。圖27 示出這種推論。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(guān)系。依照一個實施方案，計算域尺寸的比例， 并且對圖22至26所示的每張原子力顯微鏡圖都進行邊緣檢測。因 此，獲得水平域和垂直域的分界。而且，它們的面積比例等于暗示比 例p。圖28-32展示了結(jié)果。白色區(qū)域?qū)儆诖怪庇颍谏珔^(qū)域?qū)?于水平域。在上面的實驗中，純ROP-103的極錨定能是lxl(T3J/m2。極錨
定能是用高電壓方法測量的。依照圖28-32所示的原子力顯微鏡圖， 不同的域比例條件下的真正域尺寸實際上是不同的。為了研究這種差 別，應(yīng)用了圖像處理技術(shù)。
對原子力顯微鏡圖應(yīng)用不同的樣品域尺寸，并且確定了最小的 域尺寸，使得域比例是不變的數(shù)值。圖33示出實驗結(jié)果。
圖34展示了測量的域尺寸與域比例p的關(guān)系?？梢钥闯觯?均域尺寸是大約400納米至580納米(包含所有數(shù)據(jù)點)。這樣的域尺 寸對于產(chǎn)生高預傾角來說是最理想的。這是因為表面錨定作用使得域 尺寸L和外推長度不具可比性，可以避免非線性影響。因此，可以以 大的處理窗口 (processing window)獲得30至60度的高預傾角。另 外，液晶顯示器制造過程的常規(guī)液晶盒間隙為大約4至5微米。域 尺寸L比盒間隙小一個數(shù)量級。因此，盒間隙影響也可以忽略。
獲得實驗性的域比例p和域尺寸L之后，將之前討論的模型和 實驗結(jié)果作比較。如圖35所展示，垂直聚酰亞胺的極錨定能設(shè)為 5xlCT4J/m2，水平聚酰亞胺的極錨定能設(shè)為lxl0勺/m2，這和ROP-103 一樣。圖35展示了，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果充分地一致。實驗結(jié)果進 一步表明，非線性效應(yīng)可以被忽略。這是因為垂直域和水平域的外推 長度么=^/^和域尺寸L不具有可比性。預傾角基本上隨著域比例p 線性地變化。這些結(jié)果和之前的討論一致。
另外，圖36-37展示了，在不同的扇形角下測量了預傾角和方 位角。實驗結(jié)果亦和之前討論的模擬結(jié)果一致。如上所示，提供了一 種在液晶里獲得任意的預傾角的新方法。
本文已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明主題的優(yōu)選實施方案及其多樣性 中的多個例子。應(yīng)當理解，本發(fā)明的主題能夠用于各種其他的組合和 情況，并且其在本文所表達的發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)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(shè)置在基板上，同樣也可 以用噴墨印刷法將第二層設(shè)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布來調(diào)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
21專利)都以同等程度按照引用的方式并入本文，如同已經(jīng)單獨并具體 地表示將每篇文獻分別以引用的方式并入本文、并且其全文已在本文 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(fā)明的上下文中(特別是所附的權(quán)利要求書中)使用的詞語"一種"、 "一個"、"該"、"所述"或未指明數(shù)量的情況等都應(yīng)該被解釋為 既涵蓋單數(shù)形式，又涵蓋復數(shù)形式。除非另外指明，否則詞語"包含"、 "擁有"、"包括"和"含有"都應(yīng)被解釋為開放的表達方式(即， "包括但不限于")。除非另外表明，否則本文所述的數(shù)值范圍僅僅 作為單獨引用該范圍的各個獨立數(shù)值的簡略表達方式，并且各個獨立
的數(shù)值已并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，否則采用任何和所有例子 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(fā)明，而不是對本發(fā)明的范圍進行限制。本說明書中的任何語言都 不應(yīng)解釋為要指出任何不要求保護的實施本發(fā)明的基本要素。
本文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，包括發(fā)明人已知的實施本 發(fā)明的最佳方式。在閱覽以上說明書之后，對這些優(yōu)選實施方案進行 各種改變對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。發(fā)明人預料技術(shù)人 員會采用適當?shù)淖兓?，并且發(fā)明人的意思是本發(fā)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(fā)明包括 本文所附權(quán)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(fā)明涵蓋 上述元素在其所有可能的變化范圍內(nèi)的任意組合。
2權(quán)利要求
1.一種位于包含最少一種液晶材料的液晶盒內(nèi)的液晶配向?qū)?，所述液晶配向?qū)影ɑ?；連續(xù)地設(shè)置在所述基底上的第一配向?qū)樱溆糜谠谒龅淖钌僖环N液晶材料內(nèi)產(chǎn)生第一液晶預傾角和第一方位角；以及非連續(xù)地設(shè)置在所述第一配向?qū)拥谋砻嫔系牡诙湎驅(qū)?，其中所述第二配向?qū)釉谒龅淖钌僖环N液晶材料內(nèi)獨立地產(chǎn)生第二液晶預傾角和第二方位角。
2. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)樱渲兴龅诙湎驅(qū)影?個非連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)。
3. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)樱渲兴龅诙湎驅(qū)影?個或更多的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
4. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)?，其中所述第二配向?qū)影?山 岡"和"山谷"結(jié)構(gòu)，所述"山岡"和所述"山谷"結(jié)構(gòu)的高度差為 1納米到200納米不等。
5. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)?，其中所述第一配向?qū)影x 自聚酰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. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)?，其中所述第二配向?qū)影x 自聚酰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. 權(quán)利要求2所述的液晶配向?qū)樱渲兴龅亩鄠€島狀結(jié)構(gòu)是由噴墨打印獲得的。
8. 權(quán)利要求3所述的液晶配向?qū)樱渲兴龅囊粋€或更多的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由噴墨打印獲得的。
9. 權(quán)利要求4所述的液晶配向?qū)?，其中所述?山岡"和"山 谷"結(jié)構(gòu)是通過噴墨打印獲得的。
10. 權(quán)利要求1所述的液晶配向?qū)?，其中所述第二配向?qū)油ㄟ^噴 墨打印方式設(shè)置在所述第一配向?qū)拥谋砻嫔稀?br> 11. 權(quán)利要求2所述的液晶配向?qū)樱渲兴鰨u狀結(jié)構(gòu)的平均尺 寸為0.1至10微米。
12. —種位于包含最少一種液晶材料的液晶盒內(nèi)的液晶配向?qū)拥闹圃旆椒?，所述方法包括在基底上連續(xù)地設(shè)置第一配向?qū)?；處理所述第一配向?qū)樱栽谒龅淖钌僖环N液晶材料中產(chǎn)生第一預傾角和第一方位角；在所述第一配向?qū)拥谋砻嫔戏沁B續(xù)地設(shè)置第二配向?qū)樱?處理所述第二配向?qū)?，以在所述的最少一種液晶材料中產(chǎn)生第二預傾角和第二方位角。
13. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，進一步包括將溶液施加在所述基底上；以及干燥所述溶液，以在所述基底上設(shè)置所述配向?qū)?；以?固化所述配向?qū)印?br> 14. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒ǎ渲兴龅牡谝慌湎驅(qū)雍偷诙湎驅(qū)臃謩e包含選自由聚酰亞胺、偶氮染料和丙 烯酸衍生物組成的組中的最少一種配向物料。
15. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中所?第二配向?qū)影鄠€非連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)。
16. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中所述第二配向?qū)影粋€或更多的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
17. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中所?第二配向?qū)影?山岡"和"山谷"結(jié)構(gòu)。
18. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中通過 噴墨打印方式將所述第二配向?qū)釉O(shè)置在所述第一配向?qū)拥谋砻嫔稀?br> 19. 依照權(quán)利要求17所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒ǎ渲兴?的"山岡"和"山谷"結(jié)構(gòu)的高度差為1納米到200納米不等。
20. 依照權(quán)利要求15所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中所?島狀結(jié)構(gòu)的平均尺寸為0.1至10微米。
21. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，還包括對 所述第一配向?qū)雍退龅诙湎驅(qū)又械闹辽僖徽哌M行機械摩擦。
22. 依照權(quán)利要求12所述的制造液晶配向?qū)拥姆椒?，其中所?第一配向?qū)雍退龅诙湎驅(qū)又械闹辽僖徽甙鈱W配向物料。
全文摘要
我們公開了一種制備液晶配向?qū)拥男路椒?，該方法能夠產(chǎn)生接近0度到接近90度的可控的預傾角。本發(fā)明的方法基于將兩種配向物料相繼地堆疊，其中第一層配向物料是連續(xù)的，而第二層配向物料則是不連續(xù)的，從而使所述第一層的一部分暴露出來。
文檔編號G02F1/1337GK101581854SQ20091014040
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者李忠勇, 李悅榮, 郭海成 申請人:香港科技大學