复合光配向层

背景技术：

1、近来，平面转换显示器、边缘场转换显示器和基于铁电液晶的场顺序彩色显示器越来越流行，因为它们能提供相对高的光学性能和分辨率，理想化的显示单元具有快速响应时间、宽广视角和高分辨率。例如，电抑制螺旋铁电液晶的使用提供了出色的光学性能(类似向列液晶)，同时还具有相对较快的转换响应和相对较低的驱动电压。

2、具有快速响应性、高分辨率以及高光学对比度的液晶显示单元例如可应用于快速响应光学器件，如调制器、滤波器、衰减器，以及应用于有高分辨率需求的显示器(比如微型投影仪、3d显示器、微型显示器、高清电视(hdtvs)、超高清(uhds)显示器等)。

3、发明概述

4、在一个示例性具体实施方式中，本发明提供了用于配向液晶分子的复合光配向层，其包含：单体材料，光引发剂，以及偶氮染料材料。

5、在另一个示例性具体实施方式中，本发明提供了一种制备用于配向液晶分子的复合光配向层的方法，该方法包括：以溶液形式混合单体材料，光引发剂和偶氮染料材料；将混合溶液涂覆于基板上形成薄膜；将薄膜曝光于偏振光以形成固态薄膜。

6、在另一个示例性具体实施方式中，本发明提供了一种用于配向液晶分子的复合光配向层，其包含：单体材料，热引发剂以及偶氮染料材料。

7、在另一个示例性具体实施方式中，本发明提供了一种制备用于配向液晶分子的复合光配向层的方法，该方法包括：以溶液形式混合单体材料，热引发剂和偶氮染料材料；将混合溶液涂覆于基板上形成薄膜；将薄膜曝光于偏振光以实行单畴或多畴配向；加热薄膜使单体材料聚合并形成固态薄膜。

8、附图简要说明

9、图1是按照第一种示例性具体实施方式的制备用于配向液晶分子的复合光配向层的示例性方法的图例。

10、图2a-2b展示了热暴露前后示例性扭转式向列(tn)显示单元的透过率对电压曲线(tvc)。

11、图3a-3b展示了热暴露前后示例性电控双折射(ecb)向列显示单元的tvc。

12、图4a-4b展示了光暴露前后示例性的tn显示单元的tvc。

13、图5a-5b展示了光暴露前后示例性的ecb向列显示单元的tvc。

14、图6描绘的是一个多畴配向的光学结构例示图。

15、图7是按照第二种示例性具体实施方式的制备用于配向液晶分子的复合光配向层的示例性方法的图例。

16、图8展示了热暴露前后示例性的tn显示单元的tvc。

17、图9展示了热暴露前后示例性的ecb向列显示单元的tvc。

18、图10展示了光暴露前后示例性的tn显示单元的tvc。

19、图11展示了光暴露前后示例性的ecb向列显示单元的tvc。

20、图12的图显示了一个示例性的于复合光配向层制成的显示单元经加载10v电压1小时后，残留直流电(rdc)电压的时间依赖性图。

21、图13描绘了一个示例性的多畴配向的光学结构例示图。

22、发明详述

23、对于具有快速响应性、高分辨率和高光学对比度的某些液晶显示单元所需的电光模式和像素结构调控，可能需要高度优化的光配向以提供零度预倾角、大表面均匀性和多畴配向(像素中的多畴配向改善了视觉呈现和观赏特性)。

24、传统的光配向材料无法提供以上所有的特性。传统的偶氮染料配向层可以为液晶显示单元提供良好的配向(高锚定能、小预倾角和相对大面积的均匀性)，使液晶显示单元能获得非常高的像素分辨率。然而，传统偶氮染料配向层对于化学、热以及光暴露是不稳定的。

25、本发明的示例性具体实施方式中提供了一种用于液晶的复合光配向层，所述复合光配向层包含由至少一种单体(“单体材料”)、一种热自由基引发剂(“热引发剂”)或一种光引发剂，以及一种偶氮染料材料(如sd1偶氮染料)混合而成的复合物。通过将聚合物网络引入到偶氮材料中(经由热引发或光引发的聚合反应)，本发明的示例性具体实施方式提供了稳定的复合偶氮染料光配向层，其面对紫外光照、热以及其他环境条件是稳定的。

26、所述复合光配向层提供了良好的配向特性(如低预倾角、高极性和方位角锚定能、低残留直流电(rdc)电压、高电压保持率(vhr)、低图像残留参数)，这些特性可媲美传统的聚酰亚胺膜，并符合工业和消费者的需求(例如rdc电压、vhr和锚定能)。因此，该复合光配向层适用于各种光电器件和显示器，包括但不局限于平面转换显示器(ips)和铁电液晶(flc)显示器。

27、在第一个示例性具体实施方式中，以单体、光引发剂和偶氮染料材料的混合物起始(在配制浓度能为偶氮染料材料提供稳定性，但又不会影响光配向层提供的配向)，经单次曝光同时实现偶氮染料材料的光引发的重定向(光配向)和单体的聚合，获得具有良好配向特性(如高锚定能、小预倾角和相对大面积的均匀性)的复合光配向层。该复合光配向层因此形成于单步照射/曝光，为液晶提供良好和稳定的光配向。

28、在第二个示例性具体实施方式中，过程起始于混合单体、热引发剂和偶氮染料材料(在配置浓度既为偶氮染料材料提供稳定性，但又不影响光配向层提供的配向)。然后，在第一步中，实现偶氮染料光配向层的易磁化轴的优选配向。在第二步中，进行热聚合。

29、在一步照射/曝光中，光配向能实现具有极小预倾角的单畴或多畴配向。利用单次光配向方法，例如有图案的波片，可获得在大尺寸范围内有高度均匀配向的多畴光配向层。而且，由于偶氮染料材料仅提供从一个方向至另一个方向的平面分子分散，不会出到平面外，因此产生的预倾角非常小。

30、此外，根据本发明中的示例性具体实施方式，所述复合光配向层的锚定能可通过控制曝光量来调节。因此，本发明的示例性具体实施方式适合于需要精确控制锚定能的应用，包括但不局限于，例如铁电液晶显示。

31、在用有特定波长的具有足够高照射能量的偏振光照射后(偏振光在光配向层上施加配向方向)，液晶光配向层会显示优选的配向方向。相比于传统的摩擦配向技术，光配向提供了一些优点。例如摩擦可能导致机械损伤或静电，这降低了制造成品率。光配向避免了与配向层的机械接触，从而使机械损伤和静电最小化(对flc器件特别有利)。对于大型基板，光配向更容易实行并能为高分辨率显示器提供更好的均匀性。此外，光配向能在微米尺度甚至能在纳米尺度上实现多畴配向。此外，光配向可应用于非平坦表面，例如弯曲表面或具有微观限制的表面。

32、光配向有如下几种途径，例如包括如下几类：(1)偶氮分子通过顺反异构化来光配向；(2)单体光交联成聚合物；(3)聚合物膜的光降解；以及(4)偶氮染料分子的光诱导的重定向。其中，偶氮染料分子的光诱导的重定向提供了某些优点，例如，液晶配向的足够高的极性和方位角锚定能，其与基于常规摩擦的商业化聚酰亚胺膜一样强；高电压保持率(vhr)和低残留直流电(rdc)电压低，这对于液晶配向是有利的；和非常小的预倾角(例如小于1度)，这对于需要这种低预倾角的显示模式是有利的，例如平面转换(ips)模式及其衍生模式例如边缘场转换(ffs)模式。此外，在大范围内波长的偏振光可实现偶氮染料的光诱导的重定向，例如包括450nm的蓝光。这使得可以使用大功率发光二极管(leds)作为光源，以便降低用于光配向的设备成本。

33、因此，偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向能够实现足够高的极性和方位角锚定能、高vhr、适当的预倾角和均匀的配向。另外，偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向可使用蓝光容易地旋转，并提供与具有极低预倾角的商业化聚酰亚胺膜相当的锚定能。偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向可用于宽范围的lc器件，例如包括ips和flc显示器。偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向基于控制照射能量剂量是可调的。偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向还能进一步提供具有明确限定的易磁化轴配向的多畴配向。另外，偶氮染料分子的基于光诱导的重定向的光配向能提供纳米域内的配向，能为液晶显示提供更好的视角、光学和其他特性。

34、然而，如上所述，常规偶氮染料光配向层的光降解和不稳定性阻碍了偶氮染料光配向层在某些现实世界应用的开展。特别是，如果光配向的显示单元暴露于光线，偶氮染料光配向层的易磁化轴会变化，并损伤显示单元的配向质量。此外，来自显示系统的背光的光通量足够强时也会在操作几个小时内损坏光配向层的配向特性。

35、在第一个示例性具体实施方案中，本发明提供了一种用于液晶的复合光配向层，其包含了以最佳相对浓度配比的单体、光引发剂和偶氮染料材料。所述复合光配向层提供了良好、均匀的配向，并且在用光源照射后是稳定的。调节光引发剂和单体的浓度以在单次照射中同时实现配向和稳定化。

36、在一个示例性实施方案中，单体具有液晶性质，是液晶反应性基元；偶氮染料是酸性硫酸基染料四钠5,5'-((1e,1'e)-(2,2'-二磺酸-[1,1'-联苯]-4,4'-二基)双(二氮烯-2,1-二基))二(2-羟基苯甲酸)(“sd1”)；光引发剂为1-羟基环己基苯基酮。应当理解，在其他示例性实施方式中，可以使用其它材料。

37、在一个实例中，制备该复合光配向层的过程起始于以50:50的最佳相对浓度(因为偶氮染料和单体的分子长度大致相同)混合单体和偶氮染料。然后，将占单体10％wt/wt的光引发剂加入到混合物中。应当理解，在其他示例性实施方案中和使用其它材料时，可以使用材料的其它相对浓度。

38、调节光引发剂的浓度来优化聚合速率(例如，确保在光配向前聚合不完成，否则将影响光学质量)。在各种示例性实施方案中，添加到混合物中的光引发剂相对单体材料的浓度可以在1％wt/wt到10％wt/wt之间变化，以最优化配向速率(达到特定量的液晶锚定能)和聚合速率之间的平衡。进一步地，基于光引发剂的吸收带与偶氮染料的吸收带之间的关系，可以在配向速率和聚合速率之间获得不同的平衡。在一个实例中，选择合适的光引发剂吸收带以匹配偶氮染料的吸收带(例如，sd1偶氮染料在365nm和450nm处具有吸收峰)。在其它实例中，光引发剂的吸收带与偶氮染料的吸收带不同。

39、另外，可以通过改变照射能量以及通过平衡配向速率和聚合速率来调节复合光配向层的方位角锚定能。

40、一种制备用于配向液晶分子的复合光配向层的方法，包括：以溶液形式混合单体材料、光引发剂和偶氮染料材料；将混合溶液涂覆于基板上形成薄膜；将薄膜曝光于偏振光以形成固态薄膜。将薄膜曝光是一步曝光，同时为复合光配向层提供配向和聚合。所述复合光配向层可基于多种涂覆技术被涂覆在基板表面上，包括但不限于，例如旋涂、刮片和丝网印刷。偏振光可来自有一个或多个主要波长组件的偏振光源(例如，这样对于配向和聚合可以使用不同的照射带)。

41、图1描绘了该方法的图例。如图1所示，在101阶段，将溶液形式的sd1偶氮染料、单体和光引发剂的混合在溶剂(例如二甲基甲酰胺(dmf))中的混合物涂覆在基板上以形成102阶段的薄膜。然后，在103阶段，将薄膜一步曝光以同时为复合光配向层提供配向和聚合，从而形成104阶段的中含有sd1分子和单体形成的聚合物网络的固态薄膜。特别地，复合光配向层中单体材料的聚合使复合光配向层能形成固态薄膜，并且单体材料的聚合提供了高液晶锚定能(例如～10-3j/m2)。应当理解，根据本发明的示例性具体实施方案，单体材料可以完全聚合。

42、基于照射剂量可以调整锚定能的特定水平。在一个实例中，可以获得10-4j/m2至10-2j/m2范围内的锚定能(例如，大约在10-4j/m2或10-3j/m2的量级)。进一步地，应当理解，锚定能可以通过调节照射剂量在10-4j/m2至10-2j/m2的范围内调节。

43、在一个示例性实施方式中，所述复合光配向层表现出了低rdc电压，例如低于10mv。

44、在一个示例性实施方案中，所述复合光配向层提供了与常规聚酰亚胺配向层相同或相似的电光特性。在一个例子中，对于60hz帧速率，具有所述复合光配向层的平面配向的向列液晶单元的电压保持率高于99％。

45、在一个示例性实施方案中，所述复合光配向层的配向质量可媲美于常规且商业可获得的配向层。

46、在一个示例性实施方案中，单体完全聚合的复合光配向层提供了比率为1.01的图像残留参数(“isp”)，该值与常规配向层相当。图像残留参数定义了显示面板与前一帧残余图像竞争的行为。在一个例子中，将6v电压加压6小时于一个单元中两个像素中的一个，另一个像素保持在0v，比较在2v电压下的两个像素的透过率，基于此应用，证明isp比率为1.01。

47、在一个示例性实施方案中，所述复合光配向层被证明是热稳定的，因为其在烘箱中100℃热暴露24小时后没有显示出任何劣化迹象。如图2a-2b和图3a-3b所示，在热暴露后，具有所述复合光配向层的示例性显示单元的透过率比电压曲线(tvc)不受影响。图2a-2b示出了热暴露前后示例性扭曲向列(tn)显示单元的tvc。图3a-3b示出了示例性电控双折射(ecb)向列显示单元在热暴露前后的tvc。示例性显示单元的配向质量也没受到热暴露的影响，这点从目视检查可明显看出。

48、还证实了所述复合光配向层是光学稳定的，并且曝光于强度为100mw/cm2的光源1小时后没有任何劣化。如图4a-4b和图5a-5b所示，具有所述复合光配向层的示例性显示单元的tvc在曝光后不受影响。图4a-4b示出了曝光之前和之后的示例性tn显示单元的tvc。图5a-5b示出了曝光之前和之后的示例性ecb向列显示单元的tvc。示例性显示单元的配向质量也不受曝光的影响，这点从目视检查可以明显看出。

49、在一个示例性实施方式中，在图1的103阶段的一步曝光期间，使用相位掩模来为复合光配向层提供两个或更多个配向畴。在一个例子中，使用具有特征尺寸为20μm的双畴图案半波片作为相位掩模。相位掩模旋转入射光平面，此后用退化偏振面的入射光照射涂覆有复合光配向层的基板。结果，照射的基板提供稳定的且耐热和耐曝光的多畴配向，其同时具有高质量的光学和电学参数。图6中描绘了多畴配向的光学纹理的例示。

50、在第二个示例性具体实施方式中，本发明提供了用于液晶的复合光配向层，其包含在最佳相对浓度的单体、热引发剂和偶氮染料材料。复合光配向层在被光源照射之后提供良好、均匀的配向，并且在加热后是稳定的(例如，在230℃下加热30分钟，但可以理解，也可以使用其它时间和温度)。调节热引发剂和单体的浓度以同时提供良好的配向和配向稳定性。

51、在一个示例性实施方案中，单体具有液晶性质，其为4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)-苯甲酸-2-甲基-1,4-苯基酯；偶氮染料材料是酸性硫酸基染料四钠5,5'-((1e,1'e)-(2,2'-二磺酸-[1,1'-联苯]-4,4'-二基)双(二氮烯-2,1-二基))二(2-羟基苯甲酸)(“sd1”)；热引发剂为2-氰基-2-丙基十二烷基三硫代碳酸酯。应当理解，在其他示例性实施方式中，可以使用其他材料。

52、在一个实例中，制备所述复合光配向层的过程起始于以50:50的最佳相对浓度(因为偶氮染料和单体的分子长度大致相同)混合单体和偶氮染料。然后，将占单体5％wt/wt的热引发剂加入到混合物中。将混合物进一步溶解在溶剂中(例如二甲基甲酰胺或其它极性溶剂)。应当理解，在其他示例性实施方案中或对于其它材料可以使用材料的其它相对浓度。

53、在一个示例性实施方案中，偶氮染料和组合的单体的浓度为占溶剂的1％wt/wt，而热引发剂的浓度为占单体的5％wt/wt。应当理解，在其他示例性实施方案中或对于其它材料，可以使用材料的其它相对浓度。

54、一种制备用于配向液晶分子的复合光配向层的方法，包括：以溶液形式混合单体材料、热引发剂和偶氮染料材料；将混合溶液涂覆于基板上以形成薄膜；将薄膜曝光于偏振光以施行单畴或多畴配向；加热薄膜以形成固态薄膜。曝光和加热薄膜可以作为一个步骤的部分来同时进行，或者以单独的步骤顺序进行。通过加热薄膜引发的热聚合不影响复合光配向层的配向特性(如锚定能和表面均匀性)。

55、图7描绘了该方法的图例。如图7所示，在701阶段，将溶液形式的sd1偶氮染料、单体和热引发剂的混合物旋涂到基板上，以形成702阶段的薄膜。然后，在703阶段，将薄膜一步曝光以为复合光配向层提供配向，在704阶段，将薄膜在230℃加热30分钟，以便形成705阶段的具有sd1分子和单体形成的聚合物网络的固态薄膜。特别地，复合光配向层中单体材料的聚合使复合光配向层形成固态薄膜，单体材料的聚合提供了高液晶锚定能(例如～10-3j/m2)。应当理解，根据本发明的示例性具体实施方案，单体材料可以是完全聚合的。

56、基于照射剂量可以调整锚定能的特定水平。例如，可以获得10-4j/m2至10-2j/m2范围内的锚定能(例如，大约在10-4j/m2或10-3j/m2的量级)。在另一个实例中，可以获得约3x10-3j/m2的锚定能。进一步地，应当理解，锚定能量可以通过调节照射剂量在10-4j/m2至10-2j/m2的范围内调节。

57、在一个示例性实施方案中，所述复合光配向层提供了与常规聚酰亚胺配向层相同或相似的电光特性。在一个例子中，对于60hz帧速率，具有所述复合光配向层的平面配向的向列液晶单元的电压保持率高于99％。

58、在一个示例性实施方案中，该复合光配向层的配向质量可媲美于常规且商业可获得的配向层。

59、在一个示例性实施方案中，该复合光配向层被证明是热稳定的，因为其在烘箱中100℃热暴露24小时后没有显示出任何劣化迹象。如图8和9所示，在热暴露后，具有所述复合光配向层的示例性显示单元的tvc不受影响。图8示出了在热暴露之前和之后的示例性tn显示单元的tvc。图9示出了在热暴露之前和之后的示例性ecb向列显示单元的tvc。示例性显示单元的配向质量也不受热暴露的影响，这点从目视检查可以明显看出。

60、还证实了所述复合光配向层是光学稳定的，并且在450nm波长下经400j/cm2能量的光源曝光后没有显示任何劣化。如图10和11所示，具有所述复合光配向层的示例性显示单元的tvc在曝光后不受影响。图10展示的是示例性tn显示单元在曝光前和曝光后的tvc。图11展示的是示例性ecb向列显示单元在曝光前和曝光后的tvc。该示例性显示单元的配向质量也不受曝光的影响，这点从目视检查可以明显看出。

61、在一个示例性实施方案中，例如在60°下进行10v直流电压1小时加载后，所述复合光配向层表现出了低rdc电压，例如低于10mv。图12示出了示例性复合光配向层经10v加压1小时后rdc随时间的变化。

62、在一个示例性实施方案中，在图7的703阶段的一步曝光期间，使用相位掩模来为复合光配向层在相邻区域提供具有不同配向方向的两个或多个配向域。结果，照射后的基板提供稳定且耐热和耐曝光的多域配向，其同时具有高质量的光学和电学参数。在图13中示出了具有特征尺寸为20μm的棋盘图案的多域配向的光学纹理例示。

63、因此，本发明的示例性具体实施方式提供了单体完全聚合的复合光配向层，同时提供可接受的残留dc电压、图像残留参数和电压保持率值。在一个实例中，单体完全聚合的复合光配向层提供了最小和可接受的残留dc电压值0.008v，最小和可接受的图像残留参数比为1.01，最小和可接受的高于99％的在60℃和60hz帧频下的电压保持率。

64、本文引用的所有参考文献，包括出版物，专利申请和专利在此通过引用并入本文，其程度等同于每个参考文献被单独地和具体地指出通过引用并入并且是被陈述整体并入。

65、在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”和相似的指代应被解释为覆盖单数和复数，除非另有说明或与上下文明显矛盾。使用术语“至少一个”后跟着的一个或多个项目(例如，“a和b中的至少一个”)应被解释为从列出的项目(a或b)中选择的一个项目或者是两个或多个列出的项目(a和b)的任意组合，除非本文另有说明或明确地与上下文相矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即表示“包括但不限于”)，除非另有说明。除非本文另有说明，本文中值的范围的描述仅旨在用作单独提及落在范围内的每个单独值的简写方法，每个单独的值并入本说明书中，如同在本文中单独列举一样。本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾。本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如“例如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并不对本发明的范围构成限制，除非另有说明。说明书中的语言不应被解释为表示任何未被要求保护的元素对于本发明的实践是必需的。

66、本文描述了本发明的优选的具体实施方式，包括本发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述之后，这些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适当地使用这种变化，发明人旨在以不同于本文具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括根据适用法律允许的所附权利要求中列举的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或以上下文明显矛盾，本发明涵盖了所有可能变化的上述元素的任意组合。

技术实现思路