专利名称：液晶装置排列的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶装置排列。这种装置一般由包含在装置壁之间的一薄层液晶材料构成。形成在盒壁上的光学透明电极结构使得作用在这一层液晶上的电场将液晶分子重新取向成为一种通导(ON)状态。一旦撤掉电场这些液晶分子就恢复到它们的关闭(OFF)状态。
有三种已知类型的液晶材料，即向列相、胆甾相和近晶相液晶，它们分别具有不同的分子取向。
本发明涉及采用向列相或长螺距胆甾相液晶材料的液晶装置和对装置壁的表面排列处理。这种表面排列处理使与盒壁接触的液晶分子沿着一定的排列方向进行排列。通过将这些排列方向设置为正交方向，可以迫使液晶在其电压关断状态下具有扭曲结构。这种液晶装置被称为扭曲向列相液晶装置。在向列相液晶材料中加入少量胆甾相液晶材料使之具有选定的扭曲方向以确保液晶装置中的液晶分子具有均匀的扭曲。此外还可以制成具有大于90°的扭曲角的液晶装置；例如在US-4,596,446中描述的超扭曲向列相液晶装置，或270°扭曲向列相液晶装置。排列处理的另一个要求是使在液晶盒壁处的液晶分子还具有一定的表面倾角。这种表面倾角对于确保某些液晶装置，例如在GB-1,472,247和1,478,592中所描述的液晶装置的均匀显示是必要的。
为了使用大量的可寻址单元进行显示，通常在一个壁上设置一组行电极，在另一个壁上设置一组列电极。这些电极构成可寻址单元或象素的x，y矩阵，一般采用rms寻址方法进行寻址。由于材料和液晶盒参数的限制，可以多路寻址的象素的数目存在一个上限。增加象素数目的一种方式是在每个象素附近设置薄膜晶体管；这种显示器称为有源矩阵显示器。
有一种导致排列的方法称为摩擦方法，这种方法使用一块软布单向摩擦具有或不具有聚合物层的液晶盒壁。液晶分子沿摩擦方向排列，根据聚合物层的情况通常具有大约2°或者更大的表面倾角。这种摩擦方法的缺点是它会产生灰尘，这些灰尘降低显示区域的品质，并且对于已经形成在液晶盒壁上的薄膜晶体管造成静电和机械损伤。
另一种已知的排列技术为斜蒸技术，如斜蒸SiO技术，根据蒸发方向的角度不同，这种方法可以产生零表面倾角，或较大的倾角如30°。这种技术在大量制造时是很麻烦的，但是更重要的问题是它在液晶盒壁的整个大面积上难于形成均匀的排列方向和表面倾角。
由于这些原因，非常需要开发非摩擦排列技术。这些排列技术包括采用Langmuir Bloggett技术(H.Ikeno等人，日本应用物理杂志第27卷，第495页，1988年)；在基板上施加磁场(N.Koshida和S.Kikui，应用物理通信杂志，第40卷，第541页，1982年)；或者采用通过机械拉伸形成的具有光学各向异性的聚合物膜(H.Aiyama等，分子晶体与液晶，第72卷，127页，1981年)；或者用偏振光照射(M.Schadt等人，日本应用物理杂志，第31卷，2155页，1992年)。并且已经制成了只有一个表面经过摩擦的扭曲向列相结构(Y.Toko等，日本显示杂志92期491页)。
制成热色显示的短螺距胆甾相液晶材料是借助于塑料液晶盒壁中形成压纹的光栅结构排列的，这在GB-2,143,323中给予了介绍(McDonnell，1983年)。过去利用光栅来实现预倾排列是采用一个炫耀光栅与一个正弦光栅交叉(E.S.Lee等，SID93文摘，957页)。液晶偶极子沿着正弦光栅的沟槽分布，之后在形成预倾角的炫耀光栅的沟槽上分布。
根据本发明，对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，或者中间扭曲角的液晶盒，只用一个炫耀光栅形成排列方向和表面倾斜度。
根据本发明的一种扭曲向列相液晶盒包括将一层液晶材料封闭在其中的两个液晶盒壁；位于两个壁上的电极结构；形成在两个液晶盒壁上为液晶分子提供排列方向和表面倾角的表面排列结构；液晶盒壁这样设置，使得排列方向彼此之间的角度不等于零；其特征在于在至少一个液晶盒壁上具有不对称的沟槽排列结构；该不对称排列结构与液晶材料的弹性扭曲常数结合，使液晶材料具有一定排列和表面倾角。
该不对称排列结构可以具有近似为锯齿波形的横截面形状。
该不对称的排列表面可以定义为这样一个平面，在该平面中不存在这样的一个h值Y(h-x)＝Y(h+x)……(1)对于所有的x值，其中Y为描述表面幅度的函数。
这种不对称结构可能覆盖液晶盒壁的全部或者部分，或者每个象素的全部或者部分。此外，在象素的不同区域或者在相邻的象素上排列方向可以是不同的。
液晶盒可以设置在两个彩色或者灰色偏振片之间，液晶物质具有少量的或者没有任何多色染料(例如D82 Merck)。可以设计偏振片的偏振轴、液晶层厚度和液晶物质的双折射率使得在通导(ON)和关闭(OFF)状态之间达到最佳的显示对比度。例如偏振光轴可以平行于或者垂直于相邻的排列方向，最多只有几度分离；这种液晶盒在Gooch和Tarry最小值条件下工作。(Jphys D Appl phys，第8卷，1975年，第1575-1584页)。
液晶盒壁之一或者两个液晶盒壁都可以是由相对较厚的非柔性材料，如玻璃制成，或者一个或两个液晶盒壁都由柔性材料例如一薄层玻璃或者塑料如聚乙烯制成。在其内表面可以对塑料盒壁压纹以形成一个光栅。此外，该压纹结构可以形成一些小的支柱(例如1-3μm高，5-50μm宽)以帮助液晶盒壁的适当分离，并且当液晶盒固定时还构成阻挡液晶物质流的屏障。除此外，这些支柱可以由排列结构层物质构成。
现在参照附图，仅以实施例的形式介绍本发明，在这些附图中
图1为可多路寻址矩阵液晶显示器的平面图；图2为图1所示显示器的横截面图；图3为表示液晶盒中液晶分子排列方向和扭曲方向的示意图；图4为形成不对称排列的装置的示意图；图5为经过图4所示装置处理的液晶盒的剖视图；图6为一个排列层的横截面示意图；图7为液晶表面倾角相对于排列层的小平面角度的关系图。
图1、图2所示的显示器包括一个由包含在玻璃壁3、4之间的胆甾相液晶物质层2形成的液晶盒1。分隔环5使两个壁之间保持6μm的间距。此外在液晶物质之间散布有许多直径为6μm的短玻璃纤维以精确保持液晶盒壁之间的间隔。在一个壁3上形成有条形的由例如SnO2或ITO构成的行电极6，在另一个壁4上形成有相似的列电极7。m-行n-列电极形成了可寻址单元或象素的一个m，n矩阵。每个象素由一个行电极和一个列电极的交叉点构成。
行驱动器8向每个行电极6施加电压。相似地，列驱动器9向每个列电极7施加电压。所施加电压的控制是由一个控制逻辑电路10完成的，该电路由电压源11供电，由时钟12提供时钟信号。
液晶盒的两侧为偏振片13，13’，它们的偏振轴彼此交叉，并平行于相邻的一个壁3、4上的排列方向，如下所述。
在液晶盒1的后面可以设置一个部分反射镜16以及一个光源15。这使得可以通过反射看到显示，和在昏暗的环境下从后面进行照明。对于透射型液晶盒，可以省略这个镜子。
图3表示由夹在具有正交取向的沟槽23、24的两个光栅21、22之间的向列相液晶层20构成的结构。液晶分子(偶极子)的本身的方向表示为25。对于每个深的沟槽光栅(即强的方位角锚定能量)每个表面上的液晶偶极子25均沿沟槽方向排列。但是，对于较浅(或较长间距)的光栅，由于图3所示的相对较大的体积扭曲能量这些表面上的偶极子25相对于沟槽方向23、24有一定的旋开式扭曲(角度分别为φ1和φ2)。如果这些光栅是炫耀的(不对称的)，则这个旋开式扭曲还伴随着表面预倾角，这对于在实际显示中防止反向倾斜旋错是十分重要的。在这个意义上，炫耀表面定义为上述公式(1)所表示的表面。
光栅21、22可以覆盖液晶盒壁的整个表面，或者覆盖各个象素的全部或部分，或者略微延伸出这些象素的边界。在象素区域可以完全由光栅材料层构成光栅，而在象素之间则由其表面不合有光栅的聚合物层所覆盖。或者，象素处的光栅可以是由在象素之间不含有光栅聚合物的分隔区的光栅构成。在象素之间的区域中不含有光栅可以提高显示器在开关状态之间的对比度，因为这些无光栅区域在正常的白色扭曲向列相显示器中显示为黑色。这样就无需象某些现有的显示器一样，在液晶盒的电极之间的壁设置黑色图案。
在象素不同部分，或在相邻的象素之间，如具有彼此正交的沟槽的两半象素之间，各个象素处沟槽的方向可以是不同的。另外，沟槽的不对称性和/或沟槽的深度在一个象素的区域内可以变化(从而表面预倾和扭曲)以增加灰度性能，特别是对于STN液晶盒(扭曲角度在180°和360°之间，例如270°)。这种象素细分可以改善显示器的视角。
方位角锚定能量可以通过改变光栅材料或它的处理方式，或者在光栅表面使用表面活性剂(如Lethecin)而独立地控制。
图4表示用于形成光栅的装置。如图所示从一个氩离子激光器31中发出的光30(波长为457.9nm)经过一个第一透镜32聚焦在一个固定的漫射器33和一个旋转漫射器34上。一个第二透镜35使已经散开的激光束30重新成为平行光，然后用一个半镀铝的分光器36将其分光到两个镜面37、38上。在位于两个镜面37、38之间的样品支架40中安装有要形成光栅的基片39。在两个镜面37、38之间反向传播的光束建立起一个标准光波，即具有半个激光波长的周期的干涉条纹。
在将涂覆有铟锡氧化物(ITO)的玻璃基片39安装到样品支架40上之前，先将其在丙酮和异丙醇中清洗，然后以4000rpm旋覆光聚合物(Ciba Geigy343)30秒钟以形成3.5μm厚的覆盖层41。在80℃温度下软态烤15分钟，之后再在100℃温度下软态烤15分钟。然后如图4所示将基片39安装在样品支架40上，并以一定的倾角在从氩离子激光器31中发出的标准图形光波下曝光。这是制造干涉光栅的一个实例，参见M.C.Hutley，衍射光栅(学术出版社，伦敦1982)，95-125页。
如图5所示，干涉条纹记录在光聚合物层41中。光栅的间距依赖于基片39与标准光波之间的角度。通常对样品以1.5mW/cm2的能量密度曝光30秒钟。在后期曝光及烘烤(105℃，5分钟)之后，将样品在QZ3301(Ciba Geigy)中旋转显影15秒钟，然后再在QS3312中清洗15秒钟。
上述工艺是在M.C.Hutley所著《衍射光栅》(学术出版社，伦敦1982，95-125页)中所介绍的干涉光栅制造的一个特定实例。在GB-2166562-A，CANON；US-4521080，FUNADA；和US-4232947，FUNADA中也介绍了光栅的制作方法。
实例1采用参照图4、5介绍的方法制作了两个光栅，并且使两个光栅的沟槽方向正交；一个隔离物使光栅之间保持10μm的间距。用市售的混合物E7(Merck)填充所制得的10μm厚的盒。由于光栅的方位角锚定能力较弱，向列相液晶分子排列成使φ1＝φ2＝45°(见图3)。利用G.Baur等人的晶体旋转方法(物理通信杂志，56a卷，142页(1976))测得各个表面的预倾角为1.2°。利用原子强力显微镜(AFM)对其中一个表面进行研究表明它具有斜的正弦分布，在每个沟槽的一侧的最大平面具有9.1°的倾角，而在另一侧具有7.5°的倾角。所以这表明只要偶极子与沟槽之间形成有限的角度，则不对称的单色光栅就会使向列相液晶具有预倾角。
参照图6通过一个简单的理论推导可以证明炫耀光栅会导致预倾角。
假定在炫耀光栅之上相对于表面某一角度θp存在均匀的偶极子场，则表面锚定能量达到最小(即忽略体积能量)；将所示的平面定义为具有平面角θa和θb，幅度为x，间距为2L。则表面锚定能量由下式给出F=γ2L[xsinθsin2(θp-θa)+xsinθbsin2(θp+θb)]]>对于θp求最小值，得出tan2θp=2sinθasinθb(cosθa-cosθb)(sinθa+sinθb)(1-2sinθasinθb)]]>让θb＝π/2，即让其中一个小平面垂直。则上式简化成tan2θp=sin2θacos2θa-sinθa]]>这个公式绘制成图7中的曲线，表明预倾角与θa基本成线性关系，并且总是大于θa。所以这个简单的理论证明不对称的沟槽轮廓可以形成有限的预倾角。
在实验例中，液晶相对于光栅沟槽形成大约45°的基本均匀的状态。为了得到完全90°的扭曲结构，在液晶中掺入手性添加剂(以防止反向扭曲)，并且将沟槽设置成彼此之间夹角大于或者小于90°。通过构成STN(270°扭曲)结构，沟槽(以及预倾角)的不对称性以及掺入的手性物质可以增加。该实验例中的光栅间距为1.6μm，但是也可以使用更宽间距的光栅。
图4所示的装置可以制作大于0.23μm(半个激光波长)的任何间距的光栅，但是使用紫外光可以制成较小间距的光栅。已经计算出(D.W.Berreman，物理综述通信，28，1683(1972))对于正弦光栅每单位面积的方位角排列能量为U＝2π3K11(a2/L3)，其中a为光栅幅度(沟槽深度的半峰值)，L为间距。对于液晶排列，使用的光栅必须具有这样的结构，使得U大于热随机分布能量，并且大于与任何其它表面的不规则性和材料不均匀性相关的能量。此外，小间距对于得到足够的能量是可取的，因为如果a太大，那么当在液晶盒上施加电场时在光栅上会形成较大的电压降。
对于这些结构适用的光栅还可以利用载体层转换技术、光刻技术(F.Horn，物理世界，33，1993年3月)、压纹技术(M.T.Gale等人，日本应用光学工程，第4卷，2、44页(1978))、或刻划技术(E.G.Loewen和R.S.Wiley，Proc SPIE，815卷，88页(1987))来制造。
权利要求
1.一种扭曲向列相液晶装置，包括将一层液晶材料封闭在其中的两个液晶盒壁；位于两个壁上的电极结构；形成在两个液晶盒壁上为液晶分子提供排列方向和表面倾角的表面排列结构；液晶盒壁这样设置，使得该排列方向彼此之间的角度不等于零；其特征在于在至少一个液晶盒壁上具有不对称的沟槽结构排列；所说不对称排列与液晶材料的弹性扭曲常数结合，使液晶材料具有一定排列和表面倾角。
2.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于胆甾相螺距和不对称的沟槽结构排列方向是这样设置的，使得液晶旋进扭曲角度小于排列方向之间的夹角。
3.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于胆甾相螺距和不对称的沟槽结构排列方向是这样设置的，使得液晶旋进扭曲角度大于排列方向之间的夹角。
4.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于不对称的沟槽结构排列具有近似为锯齿波形的横截面形状。
5.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列形成在构成象素的电极交叉处，其间隙不包含排列结构。
6.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列方向在每个象素的不同区域或者在相邻的象素处是不同的。
7.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列的不对称性在每个象素的不同区域或者在相邻象素处是不同的。
8.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列中沟槽的深度在每个象素的不同区域或者在相邻象素处是不同的。
9.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列覆盖了一层表面活性剂。
10.如权利要求4所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列使得a2/L3＞300m-1。
11.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列使得da2/L3＞0.03，其中d＝层厚度。
12.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列是由一层光刻材料构成的。
13.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列是由一层被压纹材料构成的。
14.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列是由一层被刻划材料构成的。
15.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说不对称沟槽结构排列是由一载体层材料转换构成的。
16.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于它设置在两个偏振片之间，两个偏振片的偏振轴与所说排列方向成一定角度，从而使所说液晶盒在通导和关闭状态之间的对比度达到最佳。
17.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于在液晶材料中加入一定量的多色染料。
18.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说液晶盒壁是由玻璃构成的。
19.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于所说液晶盒壁是由一种柔性塑料材料构成的。
20.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于分隔柱形成在一个或者两个液晶盒壁上。
21.如权利要求1所述的液晶装置，其特征在于分隔柱是由构成光栅的材料在一个或两个液晶盒壁上形成的。
全文摘要
一种扭曲向列相液晶装置包括将一层向列相或长螺距胆甾相液晶材料封闭在其中的两个液晶盒壁。该液晶装置由构成在一个或两个液晶盒壁上的不对称沟槽结构排列形成排列方向和表面倾角。这种排列处理可以用一层成型的光刻材料完成。通过压纹、刻划或从载体层材料转换也可以形成这种排列。扭曲量可以是90°的倍数，所说液晶装置设置在两个偏振片之间。
文档编号G02F1/1335GK1145119SQ9519246
公开日1997年3月12日 申请日期1995年1月30日 优先权日1994年2月9日
发明者G·P·布赖恩-布朗, D·G·麦唐奈尔, M·J·陶勒 申请人:英国国防部