专利名称：制造改进的液晶装置的方法和由该方法制成的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶显示装置的领域。
更确切地说，本发明目的在于提供锚定显示单元中的液晶分子的方法。
背景技术：
一般而言，液晶显示装置包含两个内表面具有电极的限定板或基板，以及位于该两板之间的液晶材料。在限定板上还提供用于锚定液晶分子或控制液晶分子锚定的装置。
本领域的技术人员知道，如何通过诸如淀积聚合物的表面处理，使得向列液晶垂直于基板取向(这种取向称为“同致型的(homeotropic)”)，或使其平行于基板(该取向被称为“平面的”)。
进一步更确切地说，“螺旋向列”液晶显示装置需要强的且平面的锚定，或更确切地说，需要轻微倾斜的锚定。在本领域中，通常通过淀积取向聚合物或以给定的角度蒸发SiO获得这种强的平面锚定。
最近出现另一类液晶显示装置(文件WO-97/17632)，在该类装置中，通过破坏表面锚定而使向列显示器工作。这些显示装置是双稳态的，从而使显示装置可无限保持在两种可能的非耗能状态之一；仅在两种状态之间相互转换时需要能量。双稳态的另一优点在于，由于显示线的数量仅和信息需要改变前所得到的时间与用于写一条线的时间之间的比有关，所以它可以实现高的清晰度。这使得它可以超过10000条线。制造这种类型的显示装置的主要困难仍然在于需要破坏表面上的锚定；锚定必须可以重复出现并仅需要较小的能量。本发明的主要用处在于制造这种类型的显示装置。
这种使用弱锚定的双稳态向列显示装置的典型制造方法如下。将液晶置于两层玻璃板之间，该玻璃板涂敷有铟和锡的氧化物(ITO)的导电层。其中一个电极带有给出较强平面倾斜锚定的涂层，另一个电极带有给出平面单稳态锚定的涂层，该单稳态锚定在天顶方向(zenithdirection)的锚定能量较弱，并且在方位方向(azimuth direction)具有中度或较强的锚定。并在单元的各边上以适当的取向配置两个极化器(polarizer)。
这里的“双稳态”技术在于，不需要施加电场，就可以存在两种稳定状态一致状态和旋转180°的状态。这两种状态对应于最低能量水平。通过使用具有正介电各向异性的向列液晶使它们达到平衡，该向列液晶诸如由手证性添加剂掺杂的戊基氰基联苯(称为“5CB”)。
通过施加特定形状和强度的电场，显示技术利用破坏弱平面锚定的可能性，并利用强平面锚定的持久性(persistence)，以从一种状态转变到另一种状态。这种电场垂直于单元延伸，并且产生在扭曲向列(TN)技术中接近于“暗”状态的同致型组织，但该在该同致型组织中，接近低锚定能表面的分子与表面相互垂直。这种不平衡组织是过渡状态，它可以转变为两种稳定状态之一。当去除电场后，根据两种稳定状态中哪一种状态在弹性和液体动力的偶合效应方面更加有利，该不平衡组织就会转变为这种状态。
已经对锚定液晶材料的各种方法进行了讨论。
但是，由于锚定方法必须遵守诸多限制，所以仍未发现非常满意的方法。
本领域中的技术人员尤其知道，锚定方法必须1)为了有效地施加于接受板或基板上以润湿和包覆该板，它必须可以溶于介质；2)适于使板或基板呈现各向异性；3)不溶于液晶材料；4)限定给出所需取向和能量的锚定。
虽然已经得到适于限定强锚定的方法，但几乎没有适于提供弱锚定(将在下面对这个概念进行解释)的方法。
发明内容
因此，本发明目的在于提供适于限定弱锚定的新方法。
在本发明中，通过制备液晶单元的方法实现该目的，该方法包含下列步骤● 在基板上淀积以聚氯乙烯(PVC)为基的聚合物或共聚物；● 使聚合物淀积物稳定化；● 通过限定淀积物的方位取向，产生液晶的受控方位锚定。
根据本发明的优异特性，通过热暴露和/或紫外线暴露使聚合物沉积物稳定化。
本发明可以提供液晶显示单元中的低能锚定层(取向层)，并尤其提供双稳态向列液晶单元。
根据本发明的其它优异特性● 通过暴露于紫外线实现稳定化；● 通过一个或多个退火步骤实现稳定化；● 在暴露之前和/或之后，使用一个或多个退火步骤实现稳定化；● 聚合物选自PVC和PVC与聚乙酸乙烯酯(PVAc)的共聚物；● 聚合物为基于PVC-PVAc的三元共聚物；● 聚合物为基于PVC-PVAc的三元共聚物，其中，第三单体为丙烯酸羟丙基酯(hydroxypropyl acrylate)或乙烯醇；● 在低于聚合物熔点(mp)的温度下完成加热步骤；● 加热步骤的持续时间约为1小时30分钟(1h30)；● 使用波长范围为180-400纳米(nm)的紫外光完成暴露步骤；● 限定液晶的受控方位锚定的步骤方法如下通过包覆纺织物的滚筒对本发明的聚合物(PVC和PVC-PVAc共聚物)进行摩擦。
● 限定液晶的受控方位锚定的步骤方法如下在通过特定处理方法制成的各向异性基板上淀积聚合物，上述特定处理方法如，其它刷过(brushed)或延伸过的聚合物；蒸发的SiO或其它氧化物；栅格(grating)(通过蚀刻、印刷或光学感生)。
● 通过离心法在基板上淀积聚合物；● 聚合物在溶解状态在以酮诸如丁酮(methyl ethyl ketone)或二甲基甲酰胺(dimethyl formamide)为基的溶剂中淀积；● 在透明性或反射性电极上淀积具有低天顶能的锚定层。
本发明还提供由这些方法得到的装置。
具体实施例方式
下面对“强”锚定和“弱”锚定的概念进行解释。
对术语“强锚定”和“弱锚定”的定义如下所述。在液晶分子锚定的初始状态，它与配向层的交互作用表现为各向异性。可以用没有外部影响的情况下分子锚定的有效性以及分子锚定给予液晶分子的方向对分子锚定的特性进行描述。该方向被称为“易得(easy)”轴，并由单位向量 或笛卡尔坐标系中的天顶角θ0和方位角φ0代表，该笛卡尔坐标系的Z轴与基板表面垂直。
如果液晶分子的易得(easy)轴与基板垂直，那么排列为“同致型的”。如果它与基板平行，那么排列为“平面的”。在这两种极端之间，排列为所谓“倾斜”的，并且由相对于基板表面法线的天顶锚定角限定，或选用它的余角作为“预倾斜”角。
通过单位面积的能量密度γ表征液晶与基板之间交互作用的强度。在表面上它取决于液晶分子的取向 (也通过天顶角θs和方位角φs进行限定)γ(θs，φs)＝γ(θ0，φ0)+g(θs-θ0，φs-φ0)其中，g代表锚定能量。它表征交互作用的各向异性部分，并且，依据惯例，当液晶的分子取向与容易得到的方向一致时，该锚定能量为零。
在大多数试验中，两个角度(天顶角或方位角)之一会占有优势。因此，经常分开研究锚定能量的两个成分。锚定能量的最著名表达形式由Rapini和Papoular提出(PG de Gennes“ J.Phys.Coll.”，30，C-4，(1969))g(θ,φ)=Wz2sin2(θ)+Wa2sin2(φ)]]>正的系数wz和wa通常表示天顶锚定能量和方位锚定能量。它们的量纲为能量密度每单位面积。
也可以由外推长度(extrapolation length)给出锚定能量。该外推长度为所研究的表面与虚拟表面的位置之间的距离。通过施加强度无穷大的锚定(这样就不可能使位于实际表面的分子旋转，就会产生液晶的实际组织。该天顶外推长度Lz与锚定能Wz成反比，即Lz＝k11/Wz，其中，k11为所研究的液晶在展开变形时的弹性系数。同样，方位外推长度的定义为La＝k22/Wa，其中，k22为所研究的液晶在扭转变形时的弹性系数。作为一般规律，在单元工作时，当表面上的分子基本保持与容易通道(easy access)平行时，锚定为所谓的“强”状态。相反，在工作时如果出现明显的反射时，锚定为所谓的“弱”状态。
可以通过下述简单方法估算天顶锚定能量测量破坏锚定的晶体场(crystal field)。
众所周知，在液晶单元中，通过使用垂直于基板的电场E＞Ec，并将其施加于具有正的介电各向异性εa＝ε//-ε⊥＞0的向列液晶上，就可以“破坏”表面锚定。当E增加并接近Ec时，表面分子角θs迅速从90°转变为0°。这对应于在单元的双折射(birefringence)中可检测的变化。电场大于Ec时，角θs保持为零，并且该表面为所谓的“破坏”状态。
破坏锚定的临界电场Ec由下述条件表示Ec=1LzKϵ0ϵa]]>K为曲率(curvature)的弹性常数(约为10微微牛顿(pN))，且Lz为用于限定天顶锚定能量的外推长度，它由下式表示wz＝(1/2)(K/Lz)cos2θs这里，θs为表面分子的角度。
可以认为，对于天顶锚定，如果Lz＜20纳米(nm)(Ec＞20伏/微米(V/μm))，则锚定为强；如果Lz＞40纳米(nm)(Ec＜10伏/微米(V/μm))，则锚定为弱。方位锚定小一个数量级。如果La＜100nm，则认为方位锚定为强。
在本发明的内容中，通过淀积特定选择的聚合物，可以获得低能天顶锚定，该聚合物以经过一系列特殊处理的PVC为基。
通过离心法从聚合物溶液中淀积基于PVC的锚定层。在溶剂蒸发后，获得厚度范围主要为几个纳米到100nm(虽然本发明未作限定)的一层聚合物。
然后，为了在其上施加方位取向，优选使用现有技术中的纺织滚筒对聚合物层实施摩擦，以产生液晶的方位锚定。
为了通过破坏锚定而制造双稳态单元，“弱”锚定表面必须表现出天顶锚定能量较弱(即，Lz≥40nm)的平面锚定以及较强(La＜＜d，这里d为单元的厚度)的方位锚定。
本发明中的聚合物和共聚物为具有下列表达式的PVC(I)和PVC-PVAc共聚物(II) 作为例子，本发明的PVC-PVAc共聚物(II)中成分的比例为80∶20，且该比例可以变化。
通过PVC、PVAc和共聚单体产生的三元共聚物也可以获得低能锚定层，并构成本发明的变型。合适的共聚物如丙烯酸羟丙基酯和乙烯醇。
通过用离心分离溶液使聚合物和共聚物在基板上淀积。由如酮类(ketones)构成适当的溶剂，该酮类如丁酮或二甲基甲酰胺。
在低于熔点(mp)的温度下进行退火，(且该温度高于玻态转变温度Tg)，然后，将聚合物层暴露于波长范围为180-400nm的UV辐射条件下，该退火温度优选140-150℃，但也可以为130-170℃，退火时间范围为几分钟到几个小时(一般为30min-2h，例如，约1h30)。然后，为了产生方位取向，用滚筒对聚合物层进行磨擦。
这些层一般在常规ITO基板上制成，但也可以考虑采用其他电极。
在本发明的变型中，可以通过滚筒磨擦方法以外的其它方法得到锚定层的方位取向，例如，通过使用预先处理过的基板。
● 通过SiO的斜面(oblique)蒸发；● 通过由滚筒刷过或延伸过的聚合物；● 通过在基板中蚀刻、印刷或光学感生的栅格(grating)。
本发明的方法使得可以得到天顶锚定较弱的取向层(alignmentlayer)。
下面对本发明的两个实施例进行说明。
在第一个实施例中，在两块涂敷ITO的玻璃板之间对厚度为1.3微米的液晶单元进行组合。为了可以产生高度倾斜的锚定，一块板接受SiO的蒸汽(厚度为107nm，进入角为82.5°)。另一电极涂敷有PVC厚度为20-30nm，并用本发明的方法进行处理步骤1通过离心法从丁酮、重量百分比浓度为0.5％的溶液中淀积聚合物；步骤2在150℃的温度下退火1h30；步骤3在6瓦水银汽灯下暴露20小时(λ＝254nm)；步骤4在150℃的温度下退火30分钟；步骤5用包覆有纺织绒的滚筒进行摩擦以产生方位锚定。
按照文件WO97/17632中所述的概念，将上述两块板组合在一起，以制成单元。该单元内填充有掺杂的5CB液晶(手征间距(chiral pitch)为5.6微米)。在室温条件下，该单元用13伏的脉冲电压进行工作，并提供50的衬度比。
在本发明的另一实施例中，所用液晶为与文件W097/17632中所述概念有别的混合物。同样使用13伏脉冲电压，其工作范围可以扩展为从18℃到超过60℃。
本发明制备的弱平面锚定具有下列特性●取向层(alignment layer)长时间保持化学稳定和机械稳定，并与所用的液晶混合物相接触；●锚定为平面的，其预倾斜(pretilt)为零，位于所用的测量精度之内，即小于0.2°；●在22℃的温度下，通过强场(strong field)技术对5CB进行测量所得到的天顶锚定的外推长度接近于Lz＝50nm，并且对于本发明中所用的不同聚合物(PVC-PVAc)，该外推长度变化很小。
对市场上可以得到的几种向列混合物进行试验，并且对于不同的混合物和温度其外推长度范围为30-60nm。这些值对应的天顶锚定能量远小于螺旋向列显示器中所用的常规聚合物所得到的值。
所得到的方位锚定力依赖于在层上所实施的处理。例如，通过磨擦法，所得到的天顶外推长度为50-200nm。这些值与根据文献WO97/17632中所述概念进行工作的单元一致。
本发明特别具有下述优点。在现有技术发展水平中，使用氧化硅(SiO)层制成低能量锚定，需要在真空下进行。真空淀积过程耗时且成本较高，并且难以控制。
与已知用以制备低能量锚定的方法相比，本发明中所用的聚合物层在简易性方面具有明显优势并降低了制造成本。
当然，本发明并不仅限于上述实施例，它可以在本发明的精神范围内扩展到任何变型。
权利要求
1.一种制备向列型液晶装置的方法，该方法的特征在于包含下列步骤● 在基板上淀积以PVC为基的聚合物或共聚物；● 使聚合物淀积物稳定化；● 限定用于淀积的方位取向，以产生液晶的受控方位锚定；以对在至少一块限定板上的液晶得到低能天顶锚定。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过暴露于紫外线进行稳定化处理。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过一个或多个退火步骤进行稳定化处理。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求的方法，其特征在于，在暴露之前和/或之后，进行一个或多个退火步骤，由此进行稳定化处理。
5.根据权利要求1、2、3或4中任一权利要求的方法，其特征在于，聚合物选自PVC和PVC与PVAc的共聚物。
6.根据权利要求1、2、3或4中任一权利要求的方法，其特征在于，聚合物为基于PVC-PVAc的三元共聚物。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，聚合物为基于PVC-PVAc的三元共聚物，其中，第三单体为丙烯酸羟丙基酯或乙烯醇。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求结合权利要求3或4的方法，其特征在于，在低于聚合物熔点(mp)的温度下实施加热步骤。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求结合权利要求3或4的方法，其特征在于，加热步骤保持约1小时30分钟。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求结合权利要求2的方法，其特征在于，使用波长范围为180400nm的紫外光实施该暴露步骤。
11.根据权利要求1-10中任一权利要求的方法，其特征在于，限定液晶的受控方位锚定的步骤的实施方法如下用包裹有纺织物的滚筒对本发明的聚合物(PVC和PVC-PVAc共聚物)进行摩擦。
12.根据权利要求1-10中任一权利要求的方法，其特征在于，限定液晶的受控方位锚定的步骤如下实施在经特殊处理制成的各向异性基板上淀积聚合物，上述特殊处理如，其它刷过(brushed)或延伸过的聚合物；蒸发的SiO或其它氧化物；栅格(通过蚀刻、印刷或光学感生)。
13.根据权利要求1-12中任一权利要求的方法，其特征在于，通过离心法在基板上淀积聚合物。
14.根据权利要求1-13中任一权利要求的方法，其特征在于，该聚合物以溶解状态在以酮类，如丁酮或二甲基甲酰胺为基的溶剂中淀积。
15.一种双稳态向列液晶装置，使用至少一种具有低天顶能的锚定层，该锚定层根据权利要求1-14中任一权利要求的方法制成。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，聚合物选自PVC、PVC和PVAc的共聚物、以PVC和PVAc为基的三元共聚物。
17.根据权利要求15或16的装置，其特征在于，在透明或反射的电极上淀积具有低天顶能的锚定层。
全文摘要
本发明涉及制备向列液晶装置的方法，其特征在于，通过下列步骤在至少一块限定板上得到液晶的低能量天顶锚定·在基板上淀积以PVC为基的聚合物或共聚物。·使聚合物淀积物稳定化；·限定淀积物的方位取向，以产生液晶的受控方位锚定。
文档编号B05D7/24GK1401093SQ01804889
公开日2003年3月5日 申请日期2001年12月11日 优先权日2000年12月12日
发明者桑德兰·拉马克－福吉特, 朱利安·鲁克斯, 伊万·N·多佐夫, 菲利普·R·马蒂诺特－拉加德 申请人:奈莫普迪克公司