水平电场类型的液晶显示的制作方法

专利名称：水平电场类型的液晶显示的制作方法
本申请基于申请日为1996年5月1日的日本专利申请HE1-8-110705，在此参考引用它的全部内容。
本发明涉及一种液晶显示元件及其制造，具体来说，涉及一种液晶显示元件及其制造，其液晶分子的排列(或取向)方向是由一个平行于基片表面的水平电场所控制的。
TN(扭曲的向列)型液晶元件和STN(超扭曲的向列)型液晶元件目前用于液晶显示器件。这些TN型液晶元件均采用这样一种显示模式，其取向方向在沿液晶盒的厚度方向(垂直于基片表面)施加垂直方向的电场时，自沿水平方向上设置的液晶分子的状态改变到沿预定方向提升的(向上倾斜的)分子状态。一个液晶元件的使用者采用这样的显示模式观察液晶分子的前半部分或后半部分取决于显示屏的观察方向(角度)。因此，沿不同的观察方向滞后有很大变化，所以观察角度特性不好，例如低对比度和颜色有变化。
为了提高性能，提出了液晶分子的取向通过水平方向电场(平行于基片表面)而非垂直方向电场控制的方法。
这些方法中的一个已被公开，例如，在由M.oh-e，M.Ohta，S.Aratani，和K，Kondo在1995年的IDRC会议记录(Asia Display)的第577页上发表的“使用平面内转接模式的电光学行为的原理和特性”，及由M.Ohta，M.Oh-e和K.Kondo在1991年的IDRC会议记录(Asia Display)的707页上发表的论文，这里参考引用了它们。
根据在前一个文件中披露的方法，如图2B所示，液晶12的取向通过对在基片11的一侧上设置的一对电极13施加水平方向上的电场E而改变。在图2A中表示的液晶分子的单轴向排列状态中由偏振片14进入盒体的线性偏振光通过液晶层进入分析器15。因为分析器15的偏振方向和通过盒体的线性偏振光的方向是垂直的，所以盒体处于一个光拦截状态。
如果施加了一个水平方向电场E，在液晶盒的厚度方向上的中间部位的液晶分子的取向全改变。与基片接触的液晶分子由于基片的强大的取向力而很少会改变它们的取向。在施加了水平方向电场E时，取向由(未施加水平电场的)如图2A所示的状态(即液晶分子12在整个厚度的方向上沿单轴的方向排列)改变到如施加水平电场后的状态(即液晶分子12沿深度方向在盒体的中部扭曲)。
在图2B所示的液晶驱向状态中，由起偏器14进入盒体并且通过液晶层的线性偏振以光变为椭圆形的偏振光。与分析器15的偏振方向符合的光可通过，盒体成为透光状态。
使用如图2A和2B所示的水平电场驱动方法时，可显示出是有很宽观测角度特性的图象，然而，采用这种显示模式时，透光率随施加的电压变化的光锐程度很差，因此希望在使用这种模式时要用有源元件，如TFT。
有一种所谓的磨擦方法，即使用棉布或类似物沿一个方向磨擦中间有液晶层的玻璃基片的方法，被广泛用作为液晶分子可靠地形成一个排列或取向结构的方法，上述文件中公开的水平电场驱动方式的液晶盒的基片也同样要经过磨擦。
磨擦可提供机械磨擦力，并且这种磨擦力可产生静电。如果基片在其表面上有由金属线和有源元件如TFT(薄膜晶体管)和MIM(金属绝缘体金属)并且磨擦基片时，磨擦产生的静电荷会损坏这些元件或金属线并且会降低电学特性。
由诸如TFT和MIM的元件形成的基片表面是很不规则的，并且难于得到均匀的取向过程。
更进一步的是垂直电场驱动方法与水平电场驱动方法不同，水平电场驱动方法不需要使液晶分子预倾斜。而且，在无需预倾斜的情况下就可得到较高对比度的显示。然而，可靠的取向过程如磨擦通常会使液晶分子预倾斜。为了在无预倾斜情况下实施磨擦需要采用一种特殊的取向膜材料。
进而，水平电场驱动方式还会导致比一般TN型液晶显示元件相对较高的驱动电压(约7V)及较慢的响应。
本发明的目的是提供一种水平电场驱动类型的液晶显示元件及其制造方法，它能够消除磨擦过程中元件的损坏和断裂，可在低电压下操作，并且具有优异的观测角特性和响应特性。
根据本发明的一个方面，所提供的液晶显示元件包括一对互相面对的基片；一个夹在两个基片间的液晶层；对液晶层施加电场的装置，电场与这对基片的基片表面基本上平行；以及，一种取向结构，即与液晶层接触的一对基片中的一个的界面不经受可靠的取向过程，而与液晶层接触的一对基片中的另一个基片的界面经受可靠的取向过程，其中，液晶层的液晶分子的取向状态在平行于这对基片的两个方向之间变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造为在平行于液晶显示元件的基片表面的方向控制液晶分子的取向状态的液晶显示元件的方法，包括下列步骤制备一个带有用来施加水平电场的电极的基片，并且在基片的表面有一个不经受可靠取向过程的薄膜；制备一个在其表面上有一个经受使用预定取向图案的可靠取向过程的取向结构；通过把两个基片互相面对面放置形成一个盒体；以及把液晶材料注入这个盒体的两个基片之间，并把液晶材料由各向同性相状态改变到液晶相状态来取向液晶分子。


图1A是一个液晶盒体的剖面图，表示根据本发明的一个实施例的一个液晶显示元件的结构。图1B到1D是表示其它取向过程和一个取向图案的一个例子的示意图。
图2A和2B是一个液晶盒体的分解透视图，说明一个传统的水平电场驱动型的液晶显示元件的操作。
使用根据本发明的一个实施例的水平电场(平行于基片表面)驱动方法，一个可靠的取向过程(磨擦)不施加在组成一个液晶显示元件的盒体的一对基片中的一个上面，而是只施加在另外一个基片上面。
两个基片(一个进行可靠的取向过程而另一个不进行)，面对面地放置，并且液晶材料被注入这个空的盒体内。液晶材料被加热以在一个各向同性相状态时被注入，或在一个液晶相(向列相)时注入。如果它是在液晶相时注入。注入后的液晶被加热而使这些材料处于一种各向同性的液体状态，也就是说在各向同性相。
在这两种注入方法中，处于各向同性相的液晶材料被逐渐冷却而使其相改变为液晶状态，也就是说，进入液晶相以排列液晶分子。在这个取向过程中，在液晶层和经受可靠取向过程(磨擦)的基片之间的界面一侧调节液晶分子的取向。在经受可靠取向过程的基片的界面上液晶分子的取向传递给盒体中的另一些液晶分子，并且在另外一个不经受可靠取向过程的基片的界面上的液晶分子也同样受到在盒体的中间部位取向的液晶分子的影响而进行取向。关于这种注入方法，可参考1995年12月19日发表的USP5,477,356，这里参考引用了该专利。
按上述方式，即使拥有诸如TFT和MIM的有源元件和电极的基片不经受诸如磨擦等的可靠取向过程，靠近这个基片的液晶盒体仍可被取向。没有磨擦的基片不进行预倾斜。即使其中一个基片进行了诸如磨擦等的可靠取向过程并有预倾斜，整个盒体的平均预倾斜只是普遍的预倾斜量的一半。
液晶层和没有经受可靠取向过程的基片的界面拥有的取向调节力(表面能)弱于经受可靠取向过程的基片的取向调节力。因而，如果把施加水平电场的电极安装在这个没有经受可靠取向过程的基片上，其响应特性会得到改善并且驱动电压可被降低。
可靠取向过程并不局限于磨擦，其它过程也可同样被采用，例如，如图1B中所示，一个光学的取向膜(如一个偏振记忆膜)可被用作取向膜3，并且偏振光21可施加在光学取向膜上。还有一个选择就是如图1C所示，一个光学取向膜可被用作取向膜3，并且非偏振光22可被倾斜地施加在光学取向膜上。
参考图1A来描述一个液晶显示元件的特殊结构及其根据本发明的这个实施例的制造方法。
在一个玻璃基片1的表面上形成滤色片2。在这些滤色片2上形成一个取向膜3。为了在这个基片的整个区域上沿一个预定的方向得到一个均匀的取向，在取向膜3上将完成一次磨擦过程或一个光学取向过程。如果要形成如图1D所示的具有多个不同取向的多个所谓的多个公开的取向区域，一对用来确定每一个取向区域的光刻过程及磨擦过程要重复多次，重复的次数等于具有不同的取向方向的分开的取向区的个数。另外，一个可选择的方法是，偏振光通过一个光掩膜施加到一个光学取向膜(如一个PVC膜)上所需要的次数，同时改变偏振光的偏振方向。按上述方式，取向膜3的表面设有取向结构3a。
如果使用了磨擦过程，液晶分子将以某个预倾斜角度取向。这个预倾斜角度可以通过适当地选择取向膜3的材料而变得很小。例如，如果选择的材料的液晶分子的取向垂直于磨擦方向，那么可把预倾斜角度设在恰好0°。可使用有低预倾斜型的聚亚胺膜、聚苯乙烯膜、或类似物。在一般情况下该光学取向过程不产生预倾斜。
在另一个玻璃基片4的表面上，形成有源元件5(如TFT)、象素电极6、和用来施加水平电场的配对电极7。在这些元件和电极上，形成了一个绝缘膜8，并在膜8上形成一个取向膜9，膜9不经受取向过程。尽管这个图在厚度方向上被扩大了，但电极6和7之间的距离和盒体的间隙(液晶层的厚度)的比远大于1，液晶层被施加了一个与基片基本平行的电场。
通过使基片1进行一个可靠的取向过程，而基片4不进行可靠的取向过程，二者之间形成一个预定间隙，形成一个空的盒体，从而可把液晶材料注入到空盒体。注入一个各向同性的状态或一个向列的状态的向列液晶。也可采用向列液晶和引起扭曲的手性试剂的混合物。如果在向列的状态注入这个液晶盒，液晶材料要被加热来将其改变成各向同性状态。在各向同性状态的液晶材料被逐渐冷却来将其改变到液晶状态来通过使用经历取向过程的基片的影响在预定的方向上来取向液晶分子10。
当一个电压施加在象素电极6和配对的电极7之间时，在盒体中产生了如图1A中用虚线所示的水平电场。
液晶分子的取向方向与偏振片和分析器的偏振方向间的关系与传统的水平电场驱动型的液晶显示元件的这种关系是相同的。
下面将要描述制造上述的液晶显示元件的一个例子。
当基片1上的取向膜3将要经受一个取向过程时，使用一个低预倾斜型的聚酰亚胺膜(由Nissan Kagaku Kogyo制造的SE-510)，并进行磨擦。在不经受取向过程的基片4上形成一个拥有弱取向调节力的薄膜9，其表面能够为25dyn/cm。这个薄膜9全不经受可靠取向过程，如磨擦。
在一个由把这两个基片放置成有一个预定的间隙而产生的空盒体中，在环境温度下(液晶相)通过其它注入法注入，通常所用的没有任何手性材料的含氟的向列的液晶材料(NI点98℃)的混合物。
对注射后的取向状态进行观察，并且核实流动图案取向。这个盒体在120℃被加热了30分钟。这个热处理消除了取向的干扰，如流动图案取向；在整个液晶层厚度的全部基片表面上得到没有任何缺陷的沿一个方向的均匀的平行取向。
使用这种制造方法，在不需要在不经受取向过程的基片上用特殊膜材料(例如低预倾斜型的聚酰亚胺)形成膜的情况下就可把预倾斜角设置为0°。
在上述实施例中，把液晶状态的向列液晶注入到空盒体中。可在各向同性相状态下注入向列液晶材料，在这种情况下还有，各向同性相状态通过冷却被改变到向列相状态来取向液晶分子。
同样在上述实施例中，尽管磨擦被用作可靠的取向过程，前述的光学取向过程也可能被采用。在这种情况下，例如一个PVC膜在一个要经受取向过程的基片上形成。一束偏振光将可能在垂直于基片的方向上照射到这个膜上约几十秒钟以取向该PVC膜。通过在每个象素上或每个象素的每个取向区域上改变偏振方向可使盒体分开取向，如图1D所示。注入的液晶的电介各向异性可能是正的或是负的。为了通过光辐射形成一个液晶取向膜，如偏振记忆膜，可参考USP5,479,282(1995年12月26日发表)，USP5,576,862(1996年11月9日发表)，及美国专利申请08/387,170(1995年2月13日中请)这里参考引用了它们。
其中一个基片不经受如磨擦的可靠取向过程。因而，如果有源元件(如TFT和MIM)及电极和类似物在这个基片上形成，由于静电荷引起的击穿和断裂均可避免。
更进一步的是，因为液晶分子可以在不对其中一个基片施加可靠取向过程的情况下取向，即使这个带有电极和有源元件的基片表面是不规则的，仍然可能出现均匀的取向。
这个不经受取向过程的基片在不使用特殊取向膜的情况下不产生预倾斜。即使在经受可靠取向过程的基片上产生预倾斜，整个盒体的平均预倾斜约为普通预倾斜量的一半。因而，对比度和观测角特性可以改善。
按水平电场驱动方式，在不经受取向过程的和形成有电极的基片上的预倾斜角极大地影响显示特性。因而，0°的预倾斜角有相当大的作用，如改进了对比度。
在传统上由于取向特性问题和类似的问题而难于使用的材料可以相对来说容易地在不经受取向过程的基片上使用。例如，一个聚酰亚胺膜具有较低的表面能，PVA膜、PVC膜和其它一些类似的膜有弱的取向调节力和由磨擦或其它类似方法提供的取向状态的低稳定性。在有电极的不经受取向过程的基片上的取向状态由经受取向过程的基片提供的取向状态的液晶的弹性能决定。因而，拥有弱取向调节力的材料的膜可以在不经受取向过程的基片上形成。
如果一个拥有弱取向调节力的膜在不经受可靠取向过程的基片上形成，即使靠近基片界面的液晶分子通过水平电场也很容易移动。因而，阈值比传统的盒体小得多，所以操作电压也可能被降低，或者改进了上升响应。例如，当一个拥有约25dyn/cm的表面能的聚酰亚胺膜在不经受取向过程的基片上形成时，操作电压可能被降低到6V。
上述描述中的材料和数值只是用作举例说明的，本发明并不只局限于上述的实施例。很明显，本领域的技术人员基于上述描述可作出各种修改和变动。
本发明的技术不只适用于液晶显示元件，还可用于与液晶有关的其它设备和部件上。
权利要求
1.一种液晶显示元件，包括一对互相面对的基片；一个液晶层，夹在一对基片中间；把一个电场如到液晶层上的装置，该电场与一对基片表面基本上平行；以及一个取向结构与液晶层相接的一对基片中的一个基片的界面不经受可靠的取向过程，而与液晶层相接的一对基片中的另一个基片的界面经受可靠的取向过程；其中，液晶层的液晶分子的取向状态在两个平行于一对基片表面的方向之间改变。
2.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中所说的取向结构基本上不使所说的液晶层预倾斜。
3.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中一对基片中的经受可靠取向过程的另外一个基片的所说取向结构有多个拥有不同取向的取向区域。
4.如权利要求1所述的一种液晶显示元件，其中一个聚酰亚胺膜在一对基片中的一个上的液晶层的界面上形成。
5.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中一个聚乙烯醇(PVA)膜在一对基片中的一个基片的液晶层的界面上形成。
6.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中一个PVC膜在一对基片中的一个基片与液晶层的界面上形成。
7.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中一对基片中的另一个基片不形成用来施加电场的电极。
8.如权利要求1所说的一种液晶显示元件，其中一对基片中的一个基片形成用来施加电场的电极。
9.一种制造用来控制在平行于液晶显示元件的基片表面的方向上的液晶分子的取向状态的液晶显示元件的方法，包括下列步骤制备一个用来施加水平电场的电极的基片，并在基片表面上有不经受可靠取向过程的一层膜；制备一个在其表面上有一个经受使用预定取向图案可靠取向过程的取向结构；通过把两块基片互相面对放置而形成一个盒体；并且，把液晶材料注入到这个盒体的两块基片之间，并且将液晶从各向同性相改变到液晶相来取向液晶分子。
10.如权利要求9所说的一种方法，其中所说的注入和取向步骤在液晶相注射液晶材料，并把液晶材料加热到一个温度，使液晶分子处于各向同性相，随后逐渐冷却液晶分子以改变到液晶相并且取向液晶分子。
11.如权利要求9所说的一种方法，其中所说的注入和取向步骤注入的液晶材料被加热到各向同性相，然后逐渐冷却液晶分子来改变到液晶相并且取向液晶分子。
12.如权利要求9所说的一种方法，其中通过磨擦实现可靠取向过程。
13.如权利要求12所述的一种方法，其中所说的制备在其表面上有经受可靠取向过程的取向结构基片的步骤，在基片上形成一个聚酰亚胺膜，这个聚酰亚胺膜可在垂直于磨擦方向上取向液晶分子。
14.如权利要求9所说的一种方法，其中这个液晶材料不加入手性材料。
15.如权利要求9所说的一种方法，其中这个可靠取向过程形成一个取向结构，因而基本上不使液晶分子预倾斜。
16.如权利要求9所说的一种方法，其中这个取向结构包括一个偏振记忆膜，并且这个可靠取向过程是在偏振记忆膜上施加一个偏振光的过程。
17.如权利要求9所说的一种方法，其中这个取向结构包括一个偏振记忆膜，该可靠取向过程是一个倾斜地非偏振光施加到偏振记忆膜上的过程。
全文摘要
一种液晶显示元件,包括:一对互相面对的基片,其间有一液晶层;一单元,用来对液晶层施加一基本上平行于一对基片表面的电场;及一取向结构,与液晶层相接的一对基片中的一个基片的界面不经受可靠取向过程,而另外一个基片的界面经受可靠取向过程,其中液晶层液晶分子的取向状态在平行于一对基片的两个方向上变化。此种液晶显示元件即使在摩擦时也没有元件损坏和断裂发生,观察角性能和响应性能很优异,并可在低压下驱动。
文档编号G02F1/13GK1188244SQ9711322
公开日1998年7月22日 申请日期1997年5月1日 优先权日1997年5月1日
发明者都甲康夫 申请人:斯坦利电气株式会社