液晶器件的制作方法

专利名称：液晶器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及向列型液晶器件的排列和切换。
液晶器件通常包括含在单元壁之间的液晶材料的薄层。壁上的光学上透明的电极结构允许电场施加到层上，使液晶分子重新排序。
已知的液晶类型有三种向列型、胆甾型和近晶型，每种都具有不同的分子排布。本发明涉及使用向列型材料的器件。
为了用大量的可寻址单元提供显示，通常将一个壁上的电极作为行电极组，另一个壁上的电极作为列电极组。这些电极形成例如可寻址的单元或像素的x,y矩阵，并且对于扭曲的向列型的器件通常采用rms.寻址方式来寻址。
扭曲向列型和相变器件通过施加合适的电压可切换为ON(开)的状态，并当施加的电压低于一个较低的电压时，可切换为OFF(关)的状态，即这些器件是单稳态的。对于扭曲向列型器件(如US4,596,446中扭曲90°或270°)可被rms.寻址的单元数量受器件透明度与电压曲线的斜率的限制(如在IEEE Trans ED vol ED 21,(1974)146-155页中Alt和Pleshko所描述的)。
一种增加像素的方法是在每一个像素附近安装薄膜晶体管；这种显示被称作有源开关元件，并且包括切换这种有源矩阵显示的元件。
向列型器件的一个优点是所需的电源电压较低。它们还具有结构稳定和工作温度范围宽的优点。这样可使结构小巧并可用便携电池供电显示。
上述器件的主要缺点如下。90°扭曲向列型的观看特性较差，导致当从某个方位的方向以高入射角观察该器件时，对比度下降。此外，在这些方位发生灰度反转。通过扭曲角度增加到180°～270°可以改进90°扭曲向列型的低的斜率。但这通常不会改进观看特性。这两种器件都具有向列型在开和关状态电极之间的巨大差别导致两种类型的器件像素电容的改变引起与其他像素间的串扰问题的缺点。
根据本发明，可以通过采用在一个单元壁上进行表面处理来克服上述缺点，所述处理包括通常产生向列型引向器的垂直方向的材料或涂敷的材料内的方位排列处理和在另一个单元壁上得到均匀排布的排列处理；液晶材料具有负介电各向异性。该器件称做VCT(电压控制的扭曲器件)结构。它具有陡峭的光学响应，同时极大地改善了观看特性。而且，当像素切换时，像素电容仅发生小变化，从而改善了有源矩阵寻址并减少了rms.寻址中的串扰。
根据本发明，液晶器件包括负介电各向异性的向列型或空间螺旋的(chiral)向列型液晶；两个容器壁，间隔开并通过处理使与每个壁相邻的液晶对准，并使电极或其它装置将电场施加到液晶层上；区分两个不同的光学状态的装置；特征在于向液晶的基本水平或倾斜的排列提供给定方位角的第一排列方向的一个单元壁上进行的表面对准处理；在第二个单元壁上进行表面对准处理，能分别提供相邻液晶的优选、基本垂直的排列，和根据相邻液晶的分子结构排布相邻液晶的给定方位角的第二排列方向；第一和第二方位角排列方向之间的夹角非零；根据所加电场，液晶材料中可以采用扭曲的和基本不扭曲的方位角分子排布；第一和第二方位角排列方向基本垂直或10°以内的垂直。偏振片的光学轴为正交或10°以内的正交。另外，两个偏振片相对于单元可以旋转，以使器件的两个状态之间得到最大的对比度。
在所述第二单元壁的排列可以包括与凸纹(relief)光栅结构结合通常提供垂直排列的排列处理。光栅的剖面可以对称或不对称，槽深和或间距可以恒定或者在像素之间或一个像素内变化。此外，光栅槽方向可以恒定或者在像素之间或一个像素内变化。光栅表面含有一个以上的调制(modulation)。
在所述第二单元壁的排列可以包括与磨面(rubbed)聚合物、或与如MgF2的蒸发的无机层结合通常提供垂直排列的排列处理。
可以通过各向异性的光敏聚合物层提供在所述第二单元壁上的给定的方位角排列方向。
光栅可以为光刻工艺形成的光高聚物的成型层，例如M C Hutley的衍射光栅(Academic Press,London 1982)95-125页；和F Horn,Physics World,33(1993年3月)。此外，可以通过凹凸印刷；M TGale,J Kane和K Knop,J App.Photo Eng,4,2,41(1978)，或光栅划线技术；E G Loewen和R S Wiley,Proc SPIE,88(1987)，或通过从载体(carrier)层转移形成双光栅。
相对于具有优选的方位角方向的平面，水平表面可以是一个光栅或磨面聚合物或各向异性的光聚合的光敏聚合物或引入基本上平行(或者通常为2到15°的表面预倾斜角)方向的向列型引向器的任何其它处理。
在一个或两个壁上的排列可以通过例如MgF2等的斜向蒸发技术形成。
电极可以形成行和列电极组，如排布成rms可寻址元件或电极交叉处的显示像素的x,y矩阵。通常电极为200μm宽，由20μm的间距分开。电极可以通过行和列驱动器电极寻址。
此外，电极可以排布为其它显示格式，例如r-θ矩阵或者7或8段显示。
单元壁基本上为玻璃的硬板。此外，一个或两个壁可以为柔性材料，例如POLYOLEFIN,PET等的塑料材料。
像素可以通过如薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵元件等的有源开关元件的阵列寻址。此时，TFT形成在一个单元壁的表面上，并通过例如相同单元壁上的x,y电极进行切换；第二单元壁具有形成其上的单个薄板或公共板电极。这些x,y电极中的一个加工成像素形状。
区分两个不同光学状态的装置可以为偏振片。此外，装置可以是包括在液晶材料中少量的例如1到5％的少量二向色染料(dichroicdye)和一个或两个偏振片。典型的染料为2-4％的D102(Merck)和大约4％的D6(Merck)。
例如约3％的D15(Merck)的空间的螺旋掺杂剂或胆甾液晶材料可以添加到向列型液晶材料中以产生优选的扭曲方向。
工作原理如下。当电场施加到单元时，迫使负的向列材料减少它的倾斜角直到基本上整个单元厚度在水平的低倾斜角状态中没有扭曲。当进一步增加电场时，迫使水平结构更靠近垂直的表面直到液晶开始与包含在垂直表面内的排列方向相互作用。如果该排列方向与相对的水平表面的排列方向不平行，那么所述相互作用导致扭曲。适当放置偏振片，所述扭曲伴随有光传输的变化，因此器件相当于光学开关。
如果交叉的偏振片定向为平行并垂直于水平排列方向，那么水平非扭曲(关)状态将变黑。此外，从任何方向观察该状态都是黑的。扭曲的(开)状态为亮的。因此该显示模式具有高对比度，与观察方向无关。此外进行‘关’到‘开’的切换时液晶倾斜角的变化最小，因此电容不会发生大的变化。
现在仅参考附图通过示例方式介绍本发明。


图1为矩阵多路寻址的液晶显示的平面图；图2为图1显示的剖面图；图3为载有薄膜晶体管的矩阵和两组正交寻址电极的一个单元壁的示意图，像素由像素电极形成；图4为具有薄板电极的第二单元壁的示意图，与图3的单元壁一起使用。
图5示出了器件的工作原理。
图6为透光度(实线)和电容(虚线)与用于器件单元的电压的函数关系；图7示出了器件的透光度与用于不同光栅槽深的电压的函数关系。
图8示出了对比度与具有深光栅槽的单元的观察方向的函数关系。
图9示出了对比度与具有深光栅槽的单元的观察方向的函数关系。
图10示出了开关时间与液晶材料层厚度的函数关系。
图1,2中的显示包括由包含在玻璃壁3,4内的向列型或长间距(例如间距大于约四倍的层厚度)的胆甾型液晶材料的层2形成的液晶单元1。隔离环5保持壁之间间隔1-6μm。此外大量相同尺寸的串珠分散在液晶内保持精确的壁间距。如SnO2或ITO的条形行电极6形成在一个壁3上，类似的列电极7形成在另一个壁4上。m行和n列电极，形成了mxn矩阵的可寻址元件或像素。每个像素由行和列电极的交叉点形成。
行驱动器8向每个行电极6提供电压。类似地列驱动器9向每个列电极7提供电压。施加电压的控制来自从电压源11接收电源并由时钟12定时的控制逻辑电路10。
单元1的每一面为偏振片13,13’，偏振片的偏振轴P基本上互相交叉并且基本上平行于以后将介绍的相邻壁3,4(如果有)上的排列方向R。此外如弹性的聚合物的补偿层可以加入与液晶层相邻。
部分反射镜16可以和光源15设置在单元1后。这样可以看到反射的显示，并在阴暗的环境光中从后面点亮。对于透射器件，可以省却镜子。
在装配之前，一个单元壁例如壁3提供有光栅结构17，给出排列方向和垂直方向。对另一个单元壁4进行表面处理产生具有优选的排列方向的水平表面。
最后，单元填充有可以为如EN38(Chisso)或ZLI-4788(Merck)的向列型材料。
图3,4示出了有源矩阵型显示，其中一个单元壁20载有每个连接到一个源极(行)电极22和栅极线(列)23电极的薄膜晶体管21的阵列；每个栅极线具有延伸形成每个TFT21的一部分的延伸部分24。与每个TFT相关的是像素电极25。在源极和栅极电极的每个结处很小的电绝缘子26提供源极和栅极电极之间的隔离。沿栅电极施加电压将每个像素电极25连接到它的相关源极电极，由此在像素电极下将材料充电。第二单元壁27载有连接到地电位的薄板形公共电极28。图1的行和列驱动器8,9连接到图3的源极和栅极电极。
通过在OFF像素的背景上将选择的像素切换到ON状态使器件显示信息(或反之亦然)。通过将选择的像素TFT切换到导通条件将像素切换到ON。这使电压施加到相关的像素电极25直到电压通过将TFT切换到ON放电，同时将源电压22连接到地电位。当液晶材料处于ON状态时，像素电极25和公共电极28形成电容器，电容器保持它的电荷直到放电到地；因此需要液晶材料在它的切换和未切换状态中具有适当的常数电容。
例1；使用玻璃掩模上的铬通过间距为1μm(0.5μm的线0.5μm的间隙)的接触光刻将壁3上的光栅制成Shipley1805光刻胶。调节曝光时间以得到不同的槽深度。此时，使用0.5mW/cm2密度的水银灯源。在ShipleyMF319中显影10秒钟之后用水清洗。最后用深UV曝光光栅并在160℃下烘培以确保液晶材料的不溶性。在构成单元之前，用卵磷脂溶液处理光栅表面以产生垂直的表面。
壁4上的排列包括P132(Ciba Geigy)或聚酰亚胺的磨面层。所述摩擦产生排列方向和如2到10°的表面预倾斜角。
现在参考图5介绍工作原理。
上表面(A)(壁4)可以进行产生预倾斜的水平排列(在x的方向内)的任何处理，而下表面(B)(壁3)为涂敷有表面活性剂的光栅表面以产生垂直定向。光栅槽朝向y方向。当电压V=0时，混合引向器剖面显示在图3a中。当电压升到V1时，除了由于垂直处理使靠近光栅的表面的向列型的倾斜角保持高外，整个单元厚度上向列型的倾斜角降低(Δ∈＜0)，见图3b。电压高(V2)时，接近光栅槽(或甚至位于其内)的向列型驱动为水平方向，见图3C。上述情况一旦发生，靠近表面的引向器将遇到光栅17的方向角固定力，将扭转跟随槽方向(y轴)。由此形成扭曲结构。
通过将单元放置在相交的偏振片(图1,2)之间并且它们的透光轴沿x和y方向，可以光学地区分这两个状态。此时，V=0和V1时结构将变黑，而在V2时可以观察到亮的状态。
对于常规的TN结构，当N为整数时，可以得到最大透光度，其中N=(Δnd/λ)2+0.25]]>其中Δn为向列型重折率，d为单元间距，λ为工作波长。类似地通过沿x或y方向使用平行的偏振片可以得到通常的黑模式。
使用V1和V2之间的电压可以得到光学对比度。在该范围内向列型引向器基本上平行，所以可以得到具有改善和对称观察角特性的黑和白状态以及中间灰级。光栅槽深度的变化影响向扭曲状态发生改变的电压。优选较高的过渡电压以确保完全水平结构。进行的几个试验介绍如下。
使用100秒曝光形成的光栅表面制成一个单元。该10μm厚的单元由EN38(Chisso)填充，并光学观察确认零电压状态如图5中所示倾斜。然后在相交的偏振片之间测量眼睛响应透光度，同样也得出电容值的数据。
图6(实线)示出了在V=0时的透光度很低。在约4V处，响应于图5中的V=V1和V=V2之间的过渡，曲线开始上升。此外，结果清楚地显示出透光度开始上升之前，电容值(虚线)已几乎完全饱和。因此可以得出结论在发生扭曲变形之前，大多数的单元厚度已平面化。因此VCT中的灰度主要由于电压控制扭曲，所以可以得到良好的观察特性。数据也显示出电容值仅有小的变化也可以发生光学切换。
在下一试验中，使用不同的曝光时间形成的光栅制造几个单元以测试槽深度对切换响应的影响。单元具有5μm的间隙并填充有EN38。图7示出了这些单元的透光度与电压的函数。所述槽的深度使用分支模式AFM(原子力显微镜)来测量。曲线清楚地显示出光阈值对光栅槽深度很敏感，较深的槽(较长的曝光)导致较低电压的阈值。在所有的情况中，可以得到高对比度切换(＞200∶1)。较低电压阈值曲线也显示出光学响应比通常的90°TN器件更陡。
下面考虑器件的操作。扭曲阈值电压的变化不是光栅槽延伸到单元内造成的。由于以上例中槽深度只在0.085μm和0.54μm之间变化，与单元间隙(5μm)相比，这两个值都很小。取而代之，我们需要考虑以上光栅表面向列型的变形的尺寸和程度。
光栅表面施加方位角固定能(azimuthal anchoring enerny,Wφ)，迫使向列型引向器平行于光栅槽放置，这由下式给出(D.W.Berreman,Mol.Cryst.Liq.Cryst.V.23,215页(1973))Wφ∝a2L3]]>其中a为槽深度，L为光栅间距。Wφ为在z方向内积分到无穷的每单元面积的全部能量。z方向内的衰减长度与光栅间距成正比，并几乎与光栅槽深度无关。因此分别调节a和L允许独立地调节固定能以及它的分布。
导出的方程1用于在光栅表面上向列型水平固定的系统。在VCT单元中，固定为垂直，所以Wφ为零。仅当电场施加到单元上时，由于这样迫使方向器变为靠近光栅表面的水平方向，Wφ为非零值。随着电压增加，迫使水平方向更靠近光栅表面，由此Wφ增加。当满足下面条件时发生扭曲阈值；
Wφ(V)＞Wt其中Wt为扭曲阈值能。从以上理论可以明白优选较小槽深度或较大槽间距保持Wφ很小直到向列型在大多数单元厚度上水平，由此导致更宽的观察特性。
考虑现有的数据，由于主要与槽深度无关，图7中的曲线拥有共同的电容值曲线(图6)。由此当透光度开始上升时，具有较浅光栅(0.085μmH 0.185μm)的单元包括基本上水平的结构。因此与较深光栅制成的单元相比，可以期望它们具有较好的观察特性。测量两个VCT单元，一个为浅槽一个为深槽。
图8显示了具有深光栅槽(0.4μm)的单元对比度与观察特性的函数。在15V和在阈值电压记录计算对比度的两个数据组。在垂直方向内可以观察到良好的观察特性，但在水平方向内对比度下降很快。实际上约±20°，对比度小于10∶1。具有浅光栅槽(0.1μm)的单元的第二组观察数据显示在图9中。此时，观察特性远好于实际上具有＞10∶1对比度的整个视角锥形。图9和图8的对比证明了由较浅槽的VCT单元可以得到较好的观察特性。
作为单元厚度的函数测量VCT切换的响应时间。结果显示在图10中。从0到15V切换测量开关时间。打开时间满足1.494的指数，而关闭时间为2241的指数。在TN器件中测量ON和OFF时间，它们分别小于并大于二次方定律。在室温记录的VCT的最快时间为29ms(ton)和18ms(toff)。这些与通常的TN器件很类似。
总而言之，以上结果显示出VCT模式提供具有较低电容变化的较陡光学响应、具有合适开关速度的良好观察特性。以上单元确实显示出反向扭转旋错，但通过将少量的螺旋掺杂剂添加到向列型或通过确保垂直表面上的槽方向不与水平表面上的固定方向正交，可以容易地去掉这些。通过使用不对称的槽剖面或表面含有一个以上的调制，可以优化光栅剖面获得具有良好观察特性的最陡的光学响应。试验显示槽剖面内大的不对称完全抑制了扭曲阈值，与槽深度和间距无关，这与以上介绍的单元类似。
a和L的典型值为0.3μm和1.0μm，分别在约0.05到5μm和0.10到10μm的范围内。
例2；
也可以制成VCT器件，其中垂直表面为涂敷有表面活性剂的磨面聚合物。如下制造一个这种器件。将聚酰亚胺材料AL5417(JSR)旋涂到涂有ITO的玻璃上，在180℃下烘培1小时并研磨。接下来将卵磷脂溶液(占异丙醇重量的0.1)放置在聚酰亚胺表面上，在通过旋转去除之前保留60秒。然后将该表面构成单元，其中相对的表面为没有进行卵磷脂处理的磨面聚酰亚胺(AL5417)。摩擦方向相互正交，并且单元厚度为6μm。单元填充各向异性相的EN38(Chisso)，之后冷却到室温。
交叉的偏振片沿摩擦的方向设置单元。当施加电压时，透光度保持很低直到达到6.5V的电压。超过6.5V，透光度增加，在约15V最终达到饱和。发现该单元具有良好的视角，大于6.5V的电容值仅显示出很小变化。
权利要求
1．一种液晶器件，包括一层具有负介电各向异性的向列型或空间螺旋的向列型液晶层；两个容器壁，间隔开并通过处理使每个壁与相邻的液晶对准，并用电极或其它装置将电场施加到液晶层上；区分两个不同的光学状态的装置；特征在于在向基本水平或倾斜排列的液晶提供给定方位角的第一排列方向的在一个单元壁上进行的表面排列处理；在第二个单元壁上进行表面排列处理，能分别提供相邻液晶的优选、基本垂直排列，和根据相邻液晶的分子排布相邻液晶的给定方位角的第二排列方向；第一和第二方位角排列方向之间的夹角非零；根据所加电场，液晶材料中可以采用扭曲的和基本不扭曲的方位角分子排布。
2．根据权利要求1的器件，其中两个方位角排列方向为10°以内的垂直。
3．根据权利要求1的器件，其中第二单元壁上的表面排列处理包括光栅结构和垂直排列处理。
4．根据权利要求1的器件，其中第二单元壁上的表面排列处理包括磨面的聚合物和垂直排列处理。
5．根据权利要求1的器件，其中第二单元壁上的表面排列处理包括各向异性的光敏聚合物层。
6．根据权利要求1的器件，还包括在一个容器壁上的开关元件的有源矩阵。
7．根据权利要求1的器件，其中区分两个不同光学状态的装置包括两个偏振膜，以它们的轴基本上交叉并平行于和/或垂直于两个方向角排列方向方式排列。
8．根据权利要求1的器件，其中区分两个不同光学状态的装置包括一个二向色染料和一个或多个偏振片。
9．根据权利要求3的器件，其中光栅表面的形状在像素之间或在一个像素内是变化的。
10．根据权利要求3的器件，其中光栅表面上的槽方向在像素之间或在一个像素内为常数或者是变化的。
11．根据权利要求3的器件，其中光栅具有不对称的槽剖面。
12．根据权利要求3的器件，其中光栅含有一个以上的调制。
全文摘要
一种液晶器件包括一层含在两个单元壁之间的向列型或长间距胆甾型液晶材料层。对一个壁(A)进行表面处理产生第一方向角排列方向,其与液晶分子的表面带或不带预倾斜角。对另一个壁(B)进行表面处理(17)能分别提供优选的基本上垂直排列的相邻液晶,和根据液晶分子排布给定方向角第二排列方向的相邻液晶。第一和第二排列方向接近正交。器件形成如x,y矩阵阵列的单独寻址像素的阵列。可以通过如薄膜晶体管的有源矩阵或通过行和列电极的rms.复合方式寻址每个像素。偏振片可以设置单元的任何一侧,它的偏振轴平行或垂直于两个方向角方向。此外,可以将少量的二向色染料加入到液晶材料中,器件由一个或两个偏振片操作。器件工作在两个不同的电压级之间,一级提供在非扭曲的液晶分子排布,其它的和更高的电压提供扭曲的液晶分子排布。两个偏振片或添加染料的偏振片以类似于现有技术的扭曲向列型器件的方式区分两个分子排列之间的不同。
文档编号G02F1/139GK1216122SQ97193830
公开日1999年5月5日 申请日期1997年4月14日 优先权日1996年4月16日
发明者G·P·布赖安-布朗, C·V·布朗, I·C·萨格 申请人:大不列颠及北爱尔兰联合王国国防大臣