液晶装置的制作方法

专利名称：液晶装置的制作方法
液晶装置一般包括一个夹在作为液晶盒壁的基底之间的液晶材料薄层。壁上的光学透明的电极结构使得能够穿过该薄层施加电压，致使液晶分子重新对准。
在现有技术中已知有多种不同模式的液晶装置。典型的例子包括扭曲向列项装置、胆甾相变化装置，动态散射装置，超扭曲向列相装置和表面稳定的铁电液晶装置。已知在所有这些模式中，在装置的内壁上设置一个表面，在接近表面处控制液晶的校准。在液晶盒内一个或多个表面可以只提供液晶的一种稳定的校准，这种情形下装置处于“单稳态”。如果提供了两个或多个零电场校准，则装置处于“多稳态”。一般地，只有光学特性显著不同的两个稳定校准的装置被称作双稳态。
传统的双稳态向列项装置可被分成“水平”、“高射”和“扭曲”型。在“水平”型中，稳态之间的转换需要液晶体积的导向偶极子在基底平面中的一般旋转，而“高射”型，这种运动在垂直于基底表面。至于“扭曲”型，状态之间运动的特点在于装置中向列项导向偶极子扭曲角关于垂直于基底的轴有显著的改变。
液晶可以通过利用施加于盒壁上的电极之间的电场重新校准。对于具有正介电各项异性的液晶，其结果是校准平行于电场，而对于具有负介电各向异性的液晶，其结果是校准垂直于电场。
对于双稳态和多稳态装置，关键问题是两种不同稳态之间的转换------这不会不可控制地发生，但应该可靠，可以重复并且需要一点儿功率。转换伴随着在电极之间的电场中液晶重新校准。在标准盒中，这种重新校准是一种体效应，并需要高于有效工作所需的电场。
还尝试了其它方法。Ohta等在IDRC 95的“具有在平面转换显示模式的超TFT LCDs的进展”一文的第707页，提出利用交叉定在一个基底上的两种不同电极。国际专利申请WO81／01618提出使用在单个基底上的不同电极，以实现不止一个的电场几何形状。这些方法在有效应用方面存在问题。电极密度对于有效的平面转换非常重要，但受缩短相对导体之间距离的趋势而限制，因为这种缩短导致有关象素的失效。
另一种有利于液晶在盒表面校准的改型是引入微小尺度的局地形状特征。继这种方法之后的是单稳校准(Cheng，J．，Boyd，G．D在1970年，Vol．35的《应用物理通讯》，p1326中有讨论)和双稳校准(见欧洲专利EPO 744 041)。D．W．Berrreman在《Mol．Liq．Cryst．》23，pp215-231，1973年的“通过凹槽表面校准液晶”中讨论了光栅结构的使用。这种局地形状特征的使用能控制液晶在表面的顺序。最近，(如Konovalov等在《Asia Display》98，p379中的总结)，对于电场几何形状的大尺度表面特征的介电效应已用于使得能够垂直校准向列相(VAN)模式的稳定校准。
在传统的装置中仍然存在一个关键的问题，施加的电场效应主要实现于体内，大的体效应需要改变导向偶极子的校准接近或处于表面。因此，需要高电压产生这种穿过液晶盒的高电场，并且可以有用地提高转换的控制。
因此，本发明提供一种液晶显示盒，包括一个液晶层，具有厚度和由厚度方向液晶层延伸的第一及第二限度所界定的体积；设置用于在液晶层中液晶取向的第一和第二电极结构；其特征在于第一和第二电极结构彼此设置在厚度方向，并在于第一和第二电极结构中的至少一个位于体积区域内。
本装置具有众多优点。因为电极间的垂直间隔小，所以需要以较低的驱动电压给予它们之间一个显著的电场(而且，在优选结构中阻挡层易于保护电极)。而且，此电场位于邻近表面的特别有效的区域。电极可以做成高分辨率的没有短路危险的布局图案(因为垂直位移)。可以对电场的局部结构进行控制，当电场方向与液晶导向耦极子的关系对有效转换至关重要时，上述控制具有非常重要的意义。这种关系提供液晶经受的力矩，并且当这些力矩接近表面(而非液晶体内)时，它们的作用更快且更有效。还有一个优点在于可以设计成对液晶体有很少或没有电场作用，这对电场影响液晶的光学特性有益。
第一电极结构最好邻近于液晶体区域，第二电极结构最好位于液晶体区域内第一电极结构的实际具体布局是形成在第一基底上并位于第一基底和液晶体区域之间，第二电极形成在位于第一基底上的凸起结构上并延伸到液晶体区域内。这种凸起结构与存在的显微的局部形状结构对校准液晶有相同的作用。凸起结构因而可以是一个隆脊阵列，但新的有用的其它结构也可以提供给凸起结构，作为由延伸至第一电极结构的穿孔阵列穿透的层。
在相对的盒表面上还有一个第三电极结构，以及甚至有一个第四电极结构----第三和第四电极结构可以有实质上与第一和第二电极结构相同的特征。如果有第一、第二、第三和第四电极结构，则一种有用的方法是在两个表面正交的液晶校准(通过凸起结构进行液晶校准)占优势。
本发明对向列相液晶尤其有用，在盒内有单稳或双稳校准(高射或水平)，但无需电场。
通过实例以及参考附图对本发明的实施例进行描述。


图1表示根据本发明液晶盒的第一实施例，其中部分地移去液晶以显示表面结构；图2A和2B表示图1所示液晶盒中向列相液晶在不同电场状态下的方向轮廓；图3A和3B表示根据本发明第二实施例的液晶盒制作的各个阶段；图4表示一个根据本发明第二实施例的完整的液晶盒；图5表示图4所示液晶盒的透射特性；图6表示根据本发明第三实施例的液晶盒的基底表面；图7表示图6所示结构的电场的各向异性；和图8表示根据本发明第四实施例的液晶盒。
图1表示根据本发明第一实施例的液晶显示盒100。盒100由两个基底101、102界定。在两基底之间是液晶的厚度---所示的液晶层103被从液晶盒的前部移去一部分以显露在两基底101、102上的结构。处于下基底101之上的是第一电极结构108。位于此电极之上的是一系列绝缘材料的隆脊104-----这些隆脊形成单光栅结构，以促进在该基底上的平面均匀校准，如同在Berremanvy的讨论(参考上述讨论)。在隆脊上形成第二电极结构105、106和107。这些第二电极结构(被连接在一起)由此沿液晶盒的厚度方向离开第一电极结构108---当液晶103向下延伸到第一电极结构103时，可认为第二电极结构105、106和107位于由液晶在此厚度方向延伸最远可达范围界定的液晶的“体区域”内。
图1中所示的液晶盒在第二基底102上没有单光栅结构，并且此基底最好用通行校准剂进行处理(例如，Masumoto等在《Appl．Phys．Lett．》，Vol．27(5)，1 September 1975年的“SurfaceInduced Molecular Orientation of Liquid Cryatals byCarboxatochromium Complexes”中所讨论的那样)，以形成混合校准的向列(HAN)分布。HAN装置在一个表面是各向同性的，但在其它表面有一些平面取向的形式。
在图1所述的布局中，处于没有电场的松弛状态的液晶取向如图2A中的液晶导向耦极子所示，在凹槽表面的校准与光栅结构形成的凹槽对齐。该取向从由单光栅104产生的平面校准变到另一表面的102上的各向同性校准。但如果施加如下的电压V1≠V2此处V1是第二电极105、106和107上的电势，V2是第一电极108上的电势，这些电势足以重新校准液晶，然后，导向耦极子的轮廓将变到图2B所示的倾斜，偏振先的透射率也有相应的改变。施加电势的地方感应电场从图2A所示的凹槽对准的取向改变到一个新的取向，使液晶的校准基本上与凹槽垂直。
下面参考图3A、3B和4对形成此种类型的液晶盒的方法实例进行描述。形成的液晶盒是根据本发明第二实施例的那一种，但可以用对本领域的技术人员来说是显而易见的此类方法的微小改型实现在此所述的其它实施例的液晶盒。
用传统的光刻法模制涂敷氧化铟锡(ITO)的玻璃基底300，以在其表面上形成粗牙螺纹图案的电极301。然后用绝缘阻挡层302涂敷基底的整个表面(如通过化学气相沉积涂敷15nm的SiON)。该阻挡层之上是一个旋转涂敷的透明聚合物介质层303，其厚度与局部的液晶校准特点相匹配(如0．5μm厚的Shipley P-150 Novolac树脂在235℃的温度下真空加热固化1小时)。然后在介质层303上设置一个透明导体层(如通过标准离子强化蒸发或RF溅射并在180℃的氮气中退火1小时沉积40nm的ITO)并通过标准的光刻技术模制---正性光致刻蚀剂和UV掩膜模制----形成一个交联的单光栅图案，具有亚微型尺度的线条和间隔。然后通过反应离子蚀刻(RIE)法蚀刻此模制层以形成第二组电极304。在确定了第二组电极304之后，需要把过剩的光致刻蚀剂除去。这样就产生图3A所示的结构。
接下来的一步是把电极304的图案向下蚀刻到介质层303中。采用进一步选择的RIE法蚀刻去除所有暴露的电介质，向下到达绝缘阻挡层302。介质层303由此形成与电极304相同的图案结构。此图案结构被设计成一个单光栅以确定在此表面对于液晶的稳定的校准结构。在此点的布局以及第一基底300被完全处理的情形如图3B所示。
图4中示出了此种结构的一个完整的液晶盒。图3B所示的处理的基底300等同于图4所示的基底401，有第一电极层405和第二电极层406。对面的基底402是一块平板玻璃，由铬复合物进行各向同性处理(如在上述的Masumoto参考中所述)。基底402和402由隔离珠粒403分开，向列相液晶如E．Merck ZLI-2293用于填充盒，提供一个液晶层404。如国际专利申请WO99／18474中所讨论的那样液晶中掺杂表面活性剂以降低锚固力。
图4中的液晶盒是单稳态。当放置在交叉偏振器之间时，装置在松弛态(即没有施加电压)将不能透过光，但当在电极405和406之间施加电压时将透过光，透射特性如图5所示。
不同图案的电极(以及因而的介质层)可以形成不同类型的液晶盒。图6中所示的本发明的第二实施例表示这样一种不同类型的液晶盒。利用相同的方法步骤但对于利用第二电极603不同的掩膜图案可以提供基底601，其上的第一电极602实质上如同前述实施例，但第二电极603(和介质层)包含矩形孔的规则阵列。这种孔阵列稳定表面上向列相液晶的两正交取向----是一种双稳结构。
图7是带有这种结构的电场的效果。图7给出的是这样一种结构，其在顶电极中有一矩形凹槽701，其下有另一电极以及所产生的场线702。该场是各向异性的对于凹槽中或其附近的向列型液晶，这将导致垂直于凹槽长度方向的净转矩。这样的一个电场可以用于使向列型液晶在两个稳态之间切换。
图7的结构可用在图1所示的HAN装置中。但在利用图6所示并根据本发明第二实施例结构的优选的整个装置中，两个基底具有类似的图案(因此每个表面有两个电极，第二电极布置成一个矩形凹槽的规则阵列)。但第二基底布置成其取向垂直于第一基底。通过这种整体的盒结构，产生水平双稳态向列相液晶盒。通过适当选择电极电压，可以实现此装置稳态的转换---各稳态彼此垂直，并通过整个液晶叠层旋转90°而得到。
本发明的第三实施例如图8所示。该装置800类似于图1的布局，即包括两个基底801、802，其中一个上模制电极808和805，电极806和807，这些电极通过光栅结构804垂直分开，另一个上有一个附加电极809和各向同性剂以促进各向同性的准直，液晶803夹在基底之间。但在这种情况下，光栅结构804不对称。这可通过每个介质层的蚀刻改变实现(在第二电极805、806、807形成之后)---这种改变可通过利用偏离角RIE处理(倾斜处理腔中的基底)实现。这导致高射双稳态向列结构，如国际专利申请WO97／14990中所描述的那样。
另外，两个稳态之间的转换可以通过三个电极之间适当的压差而实现。两个稳态是“近各向同性态”和“倾斜的HAN态”。在“近各向同性态”中，液晶在所述装置下表面(和在上表面的各向同性)的取向接近各向同性。在“倾斜的HAN态”中，液晶校准成平面的形式---在光栅上的净倾斜导致液晶松弛成一种预定的校准(如果没有倾斜，则有两种校准)。如果V1是电极805、806、807上的电压，V2是反电极808上的电压，V3是另一基板上的附加电极809上的电压，则可通过设置下式实现松弛到近各向同性态V2≠V3(V1可以浮动)可通过设置下式实现松弛到倾斜的HAN态V1≠V2=V3假设在每种状态中都提供充足的电压。但这种情形下，尤其在向倾斜的HAN态的变迁方面，“充足的电压”比在传统结构中的小得多。
本领域的技术人员可通过对在此描述的方法和装置的改型得到实现其它类型(单稳和双稳向列相)的液晶盒的本发明其它的实施例。
权利要求
1．一种液晶显示盒，包括一个液晶层，具有厚度和由液晶层在厚度方向液晶层延伸的第一及第二限度所界定的体区域；第一和第二电极结构，设置用于在液晶层中液晶的取向；其中第一和第二电极结构彼此设置在厚度方向，并且第一和第二电极结构中的至少一个位于体区域内。
2．如权利要求1所述的液晶显示盒，其特征在于第一电极结构邻近于体区域，第二电极结构位于体区域之内。
3．如权利要求2所述的液晶显示盒，其特征在于第一电极结构形成在第一基底上并位于第一基底和液晶体区域之间，并且第二电极形成在位于第一基底上的凸起结构上并延伸到液晶体区域内。
4．如权利要求3所述的液晶显示盒，其特征在于凸起结构是用于液晶校准的局地结构。
5．如权利要求4所述的液晶显示盒，其特征在于凸起结构包括一个隆脊阵列。
6．如权利要求5所述的液晶显示盒，其特征在于隆脊阵列中的隆脊彼此关于平行于厚度方向并包含隆脊峰的平面非对称。
7．如权利要求4所述的液晶显示盒，其特征在于凸起结构包括一个穿透层，穿透层被延伸至第一电极结构的穿孔阵列穿透。
8．如权利要求2至7中的任一所述的液晶显示盒，还包括一个第三电极结构，该结构邻近于液晶层远离第一电极结构一侧的体区域内。
9．如权利要求8所述的液晶显示盒，还包括一个第四电极结构，其特征在于第三电极结构形成在第二基底上并位于第二基底和体区域之间，第四电极形成在位于第三基底上并延伸到体区域内的另一个凸起结构上。
10．如权利要求9所述的液晶显示盒，其特征在于另一个凸起结构是用于液晶校准的局地结构。
11．如权利要求10所述的液晶显示盒，其特征在于另一个凸起结构包括一个隆脊阵列。
12．如权利要求11所述的液晶显示盒，其特征在于隆脊阵列中的隆脊彼此关于平行于厚度方向并包含隆脊峰的平面非对称。
13．如权利要求10所述的液晶显示盒，其特征在于凸起结构包括一个穿透层，穿透层被延伸至第一电极结构的穿孔阵列穿透。
14．如权利要求10至13中的任一所述的液晶显示盒，其特征在于凸起结构适于在第一校准方向对液晶进行校准，另一凸起结构适于在第二校准方向对液晶进行校准，第一校准方向和第二校准方向正交。
15．如前述任一权利要求所述的液晶显示盒，其特征在于液晶层中的液晶为向列相。
16．如前述任一权利要求所述的液晶显示盒，其中液晶的校准在任意电极间没有电场时是单稳态。
17．如权利要求1至15中的任一所述的液晶显示盒，其中液晶的校准在任意电极间没有电场时是多稳态。
18．如权利要求17所述的液晶显示盒，其特征在于液晶显示盒是高射双稳向列型。
19．如权利要求17所述的液晶显示盒，其特征在于液晶显示盒是水平双稳向列型。
20．一种制作液晶显示器基底的方法，包括模制一个带有第一电极结构的基底；在模制的基底上设置一个绝缘阻挡层；在绝缘阻挡层上设置一个介质层；在介质层上模制一个第二电极结构；向下蚀刻介质层到绝缘阻挡层，把第二电极结构用作一个掩膜。
21．一种制作液晶显示器的方法，包括提供两个基底，其中至少一个根据权利要求20所述的方法制作；和分开两个基底以在其间形成一个体区域，并用液晶材料填充该体区域。
全文摘要
液晶盒100由两基底101、102界定。两基底之间是液晶层103。下基底101上是第一电极结构108。此电极结构之上是一系列形成单光栅结构的绝缘材料的隆脊104,用于促进在该基底上的平面各向同性的校准。在该隆脊上形成第二电极结构105、106、107。第二电极结构连接在一起并沿盒的厚度方向离开第一电极结构108—当液晶103向下延伸到第一电极结构103时,可认为第二电极结构105、106、107位于由到达最远的液晶在厚度方向延伸界定的液晶体区域内。
文档编号G09F9/30GK1280309SQ00120470
公开日2001年1月17日 申请日期2000年7月10日 优先权日1999年7月9日
发明者J·C·鲁宾 申请人:惠普公司