專利名稱：具有前傾角的穩(wěn)定化液晶定向排列結(jié)構(gòu)以及含有它的顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一方面與用于液晶顯示器的包括定向排列膜和定向排列基底的結(jié)構(gòu)有關(guān)；另一方面也與顯示器和采用液晶定向排列膜或基底的顯示器和其他光學(xué)裝置有關(guān)。
背景技術(shù)：
通用的液晶顯示器即“LCD”，其中有個(gè)兩維像點(diǎn)的陣列，即像素。盡管每一個(gè)像素一般而且通常確實(shí)含有許多光學(xué)元件，并構(gòu)成一個(gè)液晶盒。液晶盒中通常是在一對(duì)透明基底之間的液晶材料。這些透明基底一般都是用玻璃或某種聚合物(如聚酰亞胺)制成。插入液晶材料和基底之間的是與外部信號(hào)裝置相連接的電極，當(dāng)電極接通電源后，液晶材料的狀態(tài)發(fā)生改變。這種液晶盒不僅可用于液晶顯示器，也可用于其他光學(xué)裝置，包括光學(xué)通信裝置和其他光學(xué)處理設(shè)備。
在液晶盒中液晶材料的分子是成行排列的，即平行于液晶盒中的各個(gè)基底呈擇優(yōu)取向。通常這種定向排列通過使用一種定向排列結(jié)構(gòu)層來實(shí)現(xiàn)。定向排列結(jié)構(gòu)層一般為玻璃基底或聚合物膜(如聚酰亞胺膜)。對(duì)此基底或膜沿一個(gè)方向進(jìn)行機(jī)械磨擦，就對(duì)與其接觸的液晶施加取向作用。由于磨擦通常按單一方向進(jìn)行，這就導(dǎo)致在定向排列結(jié)構(gòu)的表面出現(xiàn)高低不平或者類似于地貌的圖案。所得高低不平的表面形態(tài)在定向排列的基底的表面與和所述定向排列結(jié)構(gòu)接觸的液晶材料之間形成可觀的角。這種角通常稱為“前傾”角。液晶盒的光學(xué)活性部分地取決于當(dāng)所述液晶盒電激活時(shí)在基底表面的液晶相對(duì)取向和兩個(gè)基底之間液晶方向的有序改變。當(dāng)所述定向排列的層具有較大的前傾角時(shí)，基底之間的液晶在所述液晶盒處于電激活狀態(tài)時(shí)主要以單一受控的方向進(jìn)行取向。這種均一的取向，由于降低了不合適的散射而提高了液晶盒的光學(xué)透明度，這種散射是若為多取向發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的。此外，所述定向排列結(jié)構(gòu)可以對(duì)普通溶劑具有化學(xué)耐受性。
雖然，來自常規(guī)磨擦技術(shù)的定向排列結(jié)構(gòu)可以提供前傾控制和化學(xué)耐受性，但是這些結(jié)構(gòu)存在許多和機(jī)械磨擦有關(guān)的缺陷，例如，加工許多可用的聚合物基底所需的高溫，會(huì)阻礙將熱敏粘合劑和有色染料加入到定向排列結(jié)構(gòu)中。機(jī)械磨擦過程中的差異和碎屑的形成也會(huì)妨礙定向排列結(jié)構(gòu)在大表面面積上的均勻性。而且，定向排列結(jié)構(gòu)制造過程中常規(guī)的磨擦、清洗和干燥工序又使生產(chǎn)緩慢而昂貴，而且會(huì)引入大的缺陷，產(chǎn)率低。因此，需要一種可以解決和機(jī)械磨擦相關(guān)的問題，且同時(shí)保持前傾控制和/或化學(xué)耐受性的定向排列結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概述扼要地講，本發(fā)明一方面提供一種定向排列結(jié)構(gòu)，它包括其上置有色酮(chromonic)液晶材料取向?qū)拥幕祝錾壕Р牧虾猩牧虾颓皟A添加劑。本發(fā)明的這一方面也提供包括一個(gè)基底的定向排列結(jié)構(gòu)，所述基底上置有色酮材料取向?qū)樱龆ㄏ蚺帕薪Y(jié)構(gòu)具有約5-90度之間的前傾角。在基底上涂覆色酮液晶材料的溶液，并干燥所述涂覆基底可制得本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。液晶盒也可以通過將液晶材料置于兩片平行顯示屏基底之間，并在至少一層基底上放置定向排列的結(jié)構(gòu)制得。許多這種液晶盒可以用來制造液晶顯示器。也可以制造其液晶盒以多域(multi-domain)圖案排列的液晶顯示器。
本發(fā)明另一方面提供一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕?，所述色酮液晶材料含有色酮材料和交?lián)劑。本發(fā)明的這一方面也提供包括基底的定向排列結(jié)構(gòu)，所述基底上置有交聯(lián)的色酮材料取向?qū)?。在基底上涂覆色酮液晶材料的溶液并干燥所述涂覆基底可制得本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。液晶盒也可以通過將液晶材料置于兩片平行顯示屏基底之間，并在至少一層基底上放置定向排列結(jié)構(gòu)。許多這種液晶盒可以用來制造液晶顯示器。也可以制造其液晶盒以多域模式排列的液晶顯示器。
本發(fā)明另一方面提供一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕?，所述色酮液晶材料含有色酮材料、前傾添加劑和交聯(lián)劑。本發(fā)明的這一方面也提供包括基底的定向排列結(jié)構(gòu)，所述基底上置有交聯(lián)的色酮材料取向?qū)?，所述定向排列結(jié)構(gòu)具有約5-90度之間的前傾角。在基底上涂覆色酮液晶材料的溶液并干燥所述涂覆基底可制得本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。液晶盒也可以通過將液晶材料置于兩片平行顯示屏基底之間，并在至少一層基底上放置定向排列結(jié)構(gòu)。許多這種液晶盒可以用來制造液晶顯示器。也可以制造其液晶盒以多域模式排列的液晶顯示器。
本發(fā)明的上述概要并不是想要說明本發(fā)明所述的每個(gè)以及所有的實(shí)施方案。下面的詳細(xì)說明和附圖只是更加具體地說明一些實(shí)施方案。
附圖簡要說明圖1是在加入前傾和化學(xué)耐受性特征之前，定向排列結(jié)構(gòu)的取向表面的原子力顯微鏡掃描圖。
圖2是本發(fā)明一個(gè)方面的液晶盒的示意圖。
圖3是具有本發(fā)明色酮液晶材料有序?qū)拥囊粋€(gè)定向排列結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明一個(gè)方面的兩極化層液晶顯示器的截面示意圖。
圖5是本發(fā)明一個(gè)方面的彩色液晶顯示器的截面示意圖。
圖6是使用本發(fā)明定向排列結(jié)構(gòu)制成的多域模式的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明本發(fā)明的液晶定向排列(其同義詞為取向)結(jié)構(gòu)包括其上置有一層具有取向結(jié)構(gòu)的色酮液晶材料的基底。所述色酮液晶材料通常含有色酮材料，并混有(1)前傾添加劑；或(2)交聯(lián)劑；或(3)前傾添加劑和交聯(lián)劑。色酮材料通常包含具有被親水基包圍的疏水芯的多環(huán)大分子，所述親水基在溶劑存在下聚集成有序結(jié)構(gòu)。雖然此處不打算拘泥于本發(fā)明的具體理論解釋，但是可以認(rèn)為前傾添加劑的疏水組分在水溶液和色酮材料混合時(shí)，在干燥后會(huì)產(chǎn)生前傾角。而且還可以認(rèn)為交聯(lián)劑會(huì)和水溶液中的色酮材料相互作用，形成穩(wěn)定而耐受化學(xué)的結(jié)構(gòu)。色酮液晶材料可以輕易地取向，例如，通過給所述材料施加剪切力，如從水溶液涂覆所述材料的過程中存在這種剪切力作用。色酮液晶材料在基底表面上的定向提供可用于液晶顯示器的定向排列結(jié)構(gòu)。這些定向排列結(jié)構(gòu)也可以提供前傾角或者化學(xué)耐受性，或者同時(shí)具有這兩種特性。
色酮材料在本發(fā)明中可使用施加在基底上時(shí)能形成取向結(jié)構(gòu)的任何色酮液晶材料，只要有合適的添加劑和/或交聯(lián)劑存在，在定向排列結(jié)構(gòu)中提供前傾特性和/或化學(xué)耐受性特性。色酮材料是人們普遍熟知的溶致材料類型。見例如Attwood，T.K.，和Lydon，J.E.，1984，Molec.Crystals liq.Crystals，108，340。溶致材料通常具有在溶劑存在下聚集成的疏水和親水區(qū)域。當(dāng)所述溶致材料達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)時(shí)，它就開始聚集。和其它溶致材料一樣，色酮材料也具有親水和疏水區(qū)域。色酮通常是多環(huán)大分子，有一個(gè)疏水核，周圍由許多親水基團(tuán)包圍。這些色酮分子在溶液(溶液濃度一般大于5重量％)中時(shí)，往往會(huì)聚集成向列型順序，其特點(diǎn)為長程有序。色酮化合物的典型分子式如下(4-二甲氨基-1-[4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶) (4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶) 適用的色酮材料也可以為兩性離子形式，其中有 或 上述式子C和D中，R1是一個(gè)親水基，包括通常選自但不限于羧酸根(COO-)、磺酸根(SO3-)、亞磺酸根(SO2-)和磷酸根(PO3H-)。R1為羧酸根或磺酸根較好，最好為羧酸根。R1最好的位置是化合物三嗪主鏈的對(duì)于氨基鍵的對(duì)位(見式C所示)。
R2是一個(gè)親水基，包括通常選自但不限于羧酸根(COOH)、磺酸根(SO3H)、亞磺酸根(SO3H)、磷酸根(PO3H)或磺胺(SO3NH2)。R2為羧酸根或磺酸根較好，最好為羧酸根。R2最好的位置是化合物三嗪主鏈的對(duì)于氨基鍵的對(duì)位(見C所示)。
R3(其中各個(gè)可能相同或不同)選自電子給予基團(tuán)、電子接受基團(tuán)或電子中性基團(tuán)。R3為氫或者一個(gè)取代或未取代的烷基較好，最好是氫。
R4一般選自帶正電荷的取代和未取代的芳香雜環(huán)，此芳香雜環(huán)通過R4基團(tuán)環(huán)中的氮原子與三嗪主鏈相連接。R4可以是但不限于由吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、咪唑、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、吡唑、三唑、三嗪、喹啉和異喹啉衍生的芳香雜環(huán)。R4最好是一個(gè)吡啶環(huán)。芳香雜R4環(huán)存在時(shí)，可選擇對(duì)它的取代基，以獲得色酮材料的特性，例如所要求的定向排列溶致液晶材料的顏色。對(duì)R4的這種取代基可以從下列任何取代基和未取代基(但不限于)中選擇烷基、羧基、氨基、烷氧基、硫代基、氰基、酰胺基和酯基。R4的取代基存在時(shí)，它為一個(gè)取代氨基或吡咯烷基較好，一個(gè)烷代氨基更好，最好為二甲胺基。取代基最好在吡啶環(huán)的4位。
在有些情況下，加入一種或多種添加化合物可改進(jìn)色酮液晶材料的性能。一種適用的添加劑是二甲氨基吡啶(DMAP)，當(dāng)其加入色酮液晶材料中1～5重量％時(shí)(1～2重量％更好)，可改善液晶材料的光學(xué)透明度。當(dāng)制成的定向排列結(jié)構(gòu)不用交聯(lián)時(shí)，這些添加劑最為有利。其他適用的添加劑為單糖，如蔗糖、葡萄糖和果糖，可以類似的濃度加入。根據(jù)制造使用本發(fā)明定向排列結(jié)構(gòu)的裝置的方法情況，較好使用溫度穩(wěn)定性較大的添加劑材料，如二甲氨基吡啶。
由涂上時(shí)施加著剪切力的溶液層干燥獲得的這些和其它色酮材料層，顯示出能使液晶或非液晶涂層按平面構(gòu)型取向的取向表面結(jié)構(gòu)。為了獲得聚集結(jié)構(gòu)，在pH調(diào)節(jié)化合物和輔助表面活性劑存在條件下可將液晶材料置于水溶液中。(輔助表面活性劑是任何不屬于以下定義的前傾添加劑類別的表面活性劑。)加入所述pH調(diào)節(jié)化合物可使色酮材料在水溶液中變得可溶。合適的pH調(diào)節(jié)化合物包括任何已知的堿。這種pH調(diào)節(jié)化合物的例子包括氫氧化銨和各種胺。所述表面活性劑也加入所述水溶液中，促進(jìn)溶液在基底表面上潤濕。雖然優(yōu)選非離子表面活性劑，但是任何輔助表面活性劑(包括離子和非離子表面活性劑)都是合適的。合適的非離子輔助表面活性劑的一個(gè)例子為Tritan X-100，可從Aldrich Chemical Company購得。
當(dāng)使用pH調(diào)節(jié)化合物和表面活性劑制備所述溶液之后，可以將其剪切施涂到基底上，使聚集結(jié)構(gòu)取向。但是，干燥之后，所述取向結(jié)構(gòu)可能缺乏良好的前傾角，且易受普通溶劑如水的影響。為了增加所述定向排列結(jié)構(gòu)的前傾角和化學(xué)耐受性，除了上述輔助表面活性劑和pH調(diào)節(jié)化合物外，可以分別使用前傾添加劑和交聯(lián)劑，或者代替使用之。
前傾添加劑為了使定向排列的結(jié)構(gòu)具有前傾特征，在水溶液中將色酮材料和前傾添加劑混合。(前傾添加劑通常用來代替水溶液中的輔助表面活性劑，有時(shí)是額外加入)前傾添加劑通常具有親水和疏水區(qū)域。親水區(qū)域使得該添加劑溶解在水溶液中，疏水區(qū)域認(rèn)為是提供所得的前傾角。通常，親水區(qū)域包含親水官能團(tuán)，疏水區(qū)域包含具有4個(gè)或更多碳原子的疏水官能團(tuán)。所述疏水區(qū)域宜具有約4-18個(gè)碳原子，精確的碳原子數(shù)取決于所需的用途和前傾角。此外，疏水區(qū)域常常呈脂肪族或非脂肪族碳鏈的形式。
雖然并不取決于任何具體理論，但是可以認(rèn)為當(dāng)前傾添加劑加入具有色酮材料的水溶液中時(shí)，所述添加劑的親水區(qū)域保留在色酮材料的溶液中，而所述疏水區(qū)域會(huì)從所述色酮聚集體表面向外取向。當(dāng)色酮液晶溶液剪切施涂到基底表面時(shí)，所述添加劑的疏水區(qū)域從色酮材料的平坦表面以規(guī)則成形的表面形態(tài)向外傾斜。所得表面形態(tài)在定向排列基底表面與和定向排列結(jié)構(gòu)接觸的液晶材料之間形成可觀的前傾角。當(dāng)液晶盒處于電激活狀態(tài)時(shí)，這種均勻的前傾角提供液晶材料受控的取向，并降低不合適的光散射量，從而提高液晶盒的光學(xué)透明度。
合適的前傾添加劑包括某種表面活性劑和其它含有疏水和親水區(qū)域的材料?？梢杂米髑皟A添加劑的材料的例子，包括烷基聚葡萄糖苷和烷基聚乙二醇。例如，所述烷基聚葡萄糖苷包含親水可溶于水的糖和疏水區(qū)域，所述疏水區(qū)域包含具有約4-18碳原子長度的脂肪族或非脂肪族碳鏈。從Cognis Corporation購得的Glucopon225是適于作為前傾添加劑的烷基聚葡萄糖苷的一個(gè)例子。
前傾角的實(shí)際值隨添加劑的濃度和其親水官能團(tuán)的尺寸和化學(xué)本性而改變。當(dāng)前傾添加劑的濃度升高時(shí)，所得定向排列結(jié)構(gòu)中的前傾角通常會(huì)增大。類似地，當(dāng)疏水官能團(tuán)的尺寸或碳原子數(shù)增大時(shí)，前傾角通常也會(huì)增大。改變添加劑濃度和疏水官能團(tuán)的類型，可以獲得約5-90度的前傾角。
交聯(lián)劑為了使定向排列結(jié)構(gòu)具有化學(xué)耐受性，將色酮材料和交聯(lián)劑在水溶液中混合。(交聯(lián)劑通常代替水溶液中的pH調(diào)節(jié)化合物，有時(shí)額外加入)交聯(lián)劑包括任何和色酮材料交聯(lián)的材料。雖然交聯(lián)劑的化學(xué)本性可以隨所用具體的色酮材料改變，但是合適的交聯(lián)劑包括二胺。例如，當(dāng)二胺和上述色酮化合物A和B混合時(shí)，二胺就和色酮化合物的羧化物官能團(tuán)相互作用，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的合適的二胺包括乙二胺、2，2-二甲基-1，3-丙二胺二氫氯化物、1，3-環(huán)己二胺、1，3-二氨基正戊烷、異佛爾酮二胺、十六烷-1，2-二胺、內(nèi)-1，2-二苯基乙二胺、萘基乙二胺二氫氯化物、5-氨基-2，2，4-三甲基-1-環(huán)戊烷甲胺、2，2-二甲基-1，3-丙二胺、2-苯基-1，4-丁二胺二氫氯化物、1，4-二氨基環(huán)己烷、2-丁基-2-乙基-1，5-丙二胺、1，3-環(huán)己烷二甲胺、1，5-二氨基-2-甲基正戊烷、1，5-二氨基-3-氧代正戊烷、“Jeffamines”、或者它們的混合物。(Jeffamines是聚氧化丙烯二胺和三胺以及聚氧化乙烯二胺和三胺，可從Huntsman Chemical Company購得。二胺和三胺形式均適于作為交聯(lián)劑。)定向排列結(jié)構(gòu)中交聯(lián)的程度隨水溶液中色酮材料和交聯(lián)劑的相對(duì)濃度而改變。在多數(shù)情況下，色酮材料和交聯(lián)劑的摩爾比約為1∶1-3∶2。例如，上述化合物A或B和二胺混合時(shí)，色酮材料對(duì)交聯(lián)劑的相對(duì)摩爾比宜至少為1∶1，每摩爾二胺用1摩爾色酮材料。所述摩爾比更好約為3∶2，即每2摩爾二胺用3摩爾色酮材料。例如，當(dāng)上述色酮化合物A或B和水溶液中的乙二胺混合時(shí)，這種3∶2的摩爾比對(duì)應(yīng)于約10重量％的色酮材料和約1重量％交聯(lián)劑。但是，這些相對(duì)濃度隨色酮材料和交聯(lián)劑的化學(xué)本性，以及針對(duì)給定用途所要求的化學(xué)耐受性要求和光學(xué)透明度要求而異。
當(dāng)色酮液晶材料以所需相對(duì)濃度置于交聯(lián)劑的溶液中后，將此溶液通常剪切施涂到基底上，以便獲得所需的取向。然后，所述基底在涂覆此水溶液之后固化之。固化過程除去過量的水，使交聯(lián)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，并產(chǎn)生永久的化學(xué)耐受性。當(dāng)完成固化過程之后，所得定向排列結(jié)構(gòu)能耐受大多數(shù)的已知溶劑，包括水、甲基乙基酮、丙酮、四氫呋喃、甲苯和異丙醇。已交聯(lián)的定向排列結(jié)構(gòu)通?？梢試娡炕蚪]在溶劑中，不會(huì)影響其光學(xué)或機(jī)械性能。
色酮液晶溶液為了將所述色酮材料施涂到定向排列結(jié)構(gòu)的基底上，先制備適于剪切施涂的水溶液。通常，所述溶液包含水、色酮材料、輔助表面活性劑和pH調(diào)節(jié)化合物。若所述前傾特征在最終定向排列結(jié)構(gòu)中是需要的，通常使用前傾添加劑，代替輔助表面活性劑，或者額外加入。類似地，若要求化學(xué)耐受性而前傾角小，通常使用交聯(lián)劑來代替pH調(diào)節(jié)化合物，或額外加入，且可以使用輔助表面活性劑。但是在大多數(shù)用途中，都需要前傾和化學(xué)耐受性特征，這時(shí)就使用前傾添加劑和交聯(lián)劑代替輔助表面活性劑和pH調(diào)節(jié)化合物，或額外加入。
在水溶液中各組分的相對(duì)濃度隨定向排列結(jié)構(gòu)所需的性質(zhì)和用途而改變。通常，往溶液中加入色酮材料來獲得其濃度約4-20重量％的溶液，雖然更加優(yōu)選的濃度約為4-8％。也可以使用這一濃度范圍以外的溶液，只要仍能保留所需功能，包括定向排列功能和加工性能的要求。例如，應(yīng)使用足夠濃度的色酮材料獲得材料層足夠的厚度和干燥能力，而不會(huì)妨礙其施涂和取向過程。前傾添加劑在水溶液中的濃度通常約為0.01-1重量％，且以相對(duì)于色酮材料1∶1的摩爾比加入交聯(lián)劑。所有這些范圍根據(jù)水溶液中色酮材料的相對(duì)濃度以及所需的前傾和/或化學(xué)耐受性程度而變化。
為了有助于施涂和取向過程，水溶液中也可以包含其它添加劑，只要不會(huì)影響定向排列結(jié)構(gòu)所需的前傾和/或化學(xué)耐受性。這種添加劑的一個(gè)例子是聚合粘合劑。合適的聚合粘合劑包括葡聚糖型聚合物和它們的硫酸酯或磺化聚苯乙烯。粘合劑加入量通常較少，約為1-5重量％或更多。根據(jù)所需的用途，也可以使用其它添加劑。
施涂和取向過程例如對(duì)色酮液晶材料材料施加剪切力，可以將其施涂到所述基底上并方便地進(jìn)行取向。只要此時(shí)施加足夠的剪切力，液晶材料就呈現(xiàn)取向，在干燥后就能獲得能夠使整塊液晶材料取向或者使非液晶涂層定向排列的定向排列基底。涂覆是一種方便的施涂方法，因?yàn)樗梢约仁┩可先?，又能提供必要的剪切力，來獲得取向定向排列結(jié)構(gòu)。色酮液晶材料可以通過任何方式進(jìn)行涂覆，提供沿其上涂有色酮材料的基底平面的取向。能提供剪切力的涂覆技術(shù)包括線繞棒式涂覆和常規(guī)擠壓模涂。
一旦涂覆了色酮液晶材料并使其沿基底表面取向后，使用干燥或固化工藝除去水溶液中過量的水。若定向排列結(jié)構(gòu)僅要提供前傾特征，那么簡單干燥就足夠了。在也需要通過交聯(lián)獲得化學(xué)耐受性的用途中，定向排列結(jié)構(gòu)通常在施涂和取向之后進(jìn)行固化。液晶層的干燥可以使用任何適于干燥所述水溶液層的方式來進(jìn)行。若對(duì)交聯(lián)結(jié)構(gòu)需要固化工藝的話，可以使用任何常規(guī)固化工藝。例如，可以將色酮液晶材料涂覆在耐溫基底上，加熱到約150-250℃的溫度約1-4小時(shí)直到固化完成。通常，固化工藝不需要pH調(diào)節(jié)，但使用催化劑可以促進(jìn)固化。合適催化劑的一些例子屬于金屬陽離子絡(luò)合物類型。有用的干燥和固化方法不應(yīng)損害色酮液晶材料層也不應(yīng)顯著影響在施涂和取向過程中剪切力形成的分子取向。
色酮液晶材料在基底上形成定向排列結(jié)構(gòu)。其上施涂有所述色酮材料的基底包括任何適于液晶材料用途且具有該用途所需光學(xué)性能的固體材料。例如，某種給定用途可需要透明性、半透明性或反射性。適宜的基底材料包括例如玻璃、剛性聚合材料、柔性聚合物薄膜、多層薄膜、和光學(xué)堆。除液晶材料層之外，基底上也可有顯示器或其它顯示器部件中常用的其它材料層，包括極化層、延遲層、濾色層、黑色矩陣、電子尋址有源器件或無源器件(如透明電極、薄膜晶體管)等。例如基底上可以有一層或多層光活性層(極化層、濾色層等)和/或可用來影響或調(diào)節(jié)顯示器結(jié)構(gòu)對(duì)光透過、反射或吸收的一層或多層附加層或材料。適宜的基底材料可以是有色的或透明的，也可是雙折射或非雙折射的。
在代表性的實(shí)施方式中，可將色酮液晶材料涂于基底上，或以其他方式取向在基底上，這種基底上具有圖案電極和/或薄膜晶體管(TFTs)或其有電源器件的矩陣(如透明的導(dǎo)電氧化物條子，如銦錫氧化物(ITO))。這些實(shí)施方式包括直接將色酮材料涂覆或取向在電極或TFT上，或在一層或多層中間層例如一層或多層極化層上，或在基底的與有電極或TFT的表面相背的那個(gè)表面上。也可以是先在基底上取向地涂上色酮材料，而后再加電極和/或有源器件。
對(duì)定向排列結(jié)構(gòu)可以作出許多另外的修改，來拓寬應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)液晶顯示器以外的合適用途。在某些情況下，特別要求在定向排列結(jié)構(gòu)中加入一種或多種染料，使其具有極化和或?yàn)V色的功能。采用了這種加入方法，就不必在整個(gè)顯示器結(jié)構(gòu)中另行添加極化層或?yàn)V色層。例如，在色酮材料的有序基質(zhì)上加入一種或多種多色染料，可提供有序的顏色極化作用?？蛇x擇使用加入的染料，以便使顯示結(jié)構(gòu)具有多種濾色和極化的光學(xué)效果。一個(gè)待審批美國專利申請(qǐng)中有許多這種結(jié)構(gòu)，該專利申請(qǐng)序號(hào)為09/426288。
本發(fā)明的色酮液晶材料也可和“圖案形成”技術(shù)相配合。此時(shí)，在第一基底上形成定向排列層，然后轉(zhuǎn)移到第二基底上，形成最終的定向排列結(jié)構(gòu)。所述第一基底通常是聚合物材料基層，它和“光熱轉(zhuǎn)換”層(LTHC)接觸，其上放置上一個(gè)中間層。本發(fā)明色酮液晶材料可以在第一基底的中間層上取向，形成定向排列層。用光(例如藍(lán)光或紫外光)照射第一基底聚合物材料的表面，使LTHC升溫，所述定向排列層就從中間層剝離下來。然后所述定向排列層可以轉(zhuǎn)移到另一基底上，形成液晶盒中的最終定向排列結(jié)構(gòu)。使用圖案形成技術(shù)的能力為液晶顯示器制造中提供了操作靈活性，并可以制造多域液晶盒。
多域液晶盒可以使用本發(fā)明的定向排列層制造。在制造LCD顯示器中，若顯示器中各個(gè)液晶盒在單一方向上取向，當(dāng)從斜角觀看時(shí)，所述顯示器的顯示作用會(huì)逐漸減弱。為了減少這種減弱效應(yīng)，顯示器中的各個(gè)連續(xù)盒(連續(xù)盒、盒組或者盒中亞部分)可以以不同方向取向以形成多域盒。為了獲得所述多域取向，各連續(xù)盒(連續(xù)盒、盒組或者盒中亞部分)的定向排列結(jié)構(gòu)可以制成各種取向圖案。本發(fā)明的定向排列結(jié)構(gòu)可以用來形成這種取向圖案。
為了制造所述多域盒，例如，色酮液晶材料可以根據(jù)上述方法在第一基底的表面上進(jìn)行取向，所述第一基底通常是LTHC。干燥之后，將第一基底上的許多小區(qū)域色酮材料形成所需的形狀(通常使用激光工藝，如光致熱成像)，然后將它們轉(zhuǎn)移到第二基底上。(對(duì)光致熱成像工藝進(jìn)一步的論述，可以參見U.S.專利No.5,693,446和待審批U.S.專利申請(qǐng)09/426,288，其公開均參考引用于此)。在轉(zhuǎn)移過程中，將這些色酮材料小部分旋轉(zhuǎn)并定向排列，獲得所需的取向圖案。多域盒可以使用具有前傾和/或化學(xué)穩(wěn)定特性的色酮液晶材料形成。若要使用交聯(lián)結(jié)構(gòu)，則從第一基底到第二基底的轉(zhuǎn)移宜在定向排列結(jié)構(gòu)的最終固化之前進(jìn)行。例如，將具有交聯(lián)劑的色酮液晶材料在第一基底上取向，用常規(guī)干燥方法進(jìn)行干燥除去過量的水，然后轉(zhuǎn)移到第二基底上，最后一次性固化成最終所需的取向圖案。
各個(gè)


了本發(fā)明定向排列結(jié)構(gòu)的各種實(shí)施方案。例如，圖1所示是剪切涂布一層上述色酮化合物A的聚合物(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)基底表面的原子力顯微鏡圖。此圖顯示了在產(chǎn)生前傾和/或化學(xué)耐受性特性之前的定向排列結(jié)構(gòu)。
例如圖2示出的是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的簡單液晶盒200的結(jié)構(gòu)。液晶盒200具有頂部基底202和底部基底206。每一個(gè)基底至少一個(gè)表面上是色酮液晶材料的有序?qū)?。在頂部和底部定向排列層之間是一層定向排列液晶材料204。定向排列液晶材料可以是任何常規(guī)的向列型或近晶型液晶材料，包括扭曲向列型液晶、超絞曲向列型液晶、鐵電型液晶、抗鐵電型液晶、膽留醇型材料等。定向排列液晶材料也可以包含上述任何色酮材料或其它溶致液晶材料。
頂部和底部基底的位置，應(yīng)使含色酮材料有序?qū)拥幕椎谋砻媾c液晶材料204接觸，并且其位置可使液晶材料204按要求方式取向。頂部或底部基底202和206，其中任何一個(gè)或兩個(gè)基底都或可加上一層光活性層。例如在一個(gè)實(shí)施方式中，將一種或多種多色染料加入到定向排列層的色酮液晶材料中，使得施加到定向排列基底上后，獲得的定向排列基底可以用作兩向色性極化器。
圖3所示是本發(fā)明定向排列結(jié)構(gòu)的一種可能的結(jié)構(gòu)300?；?02上涂有一層透明電極層304，例如銦錫氧化物。相鄰電極層304的是一層色酮液晶材料306有序?qū)印Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施方式中，色酮材料含有一種或多種多色染料，根據(jù)染料的選擇和取向，能同時(shí)起極化層、濾色層和定向排列層的作用。
圖4是雙極化層液晶顯示器(LCD)的截面圖。該LCD 400包括頂部極化層402、可用的延遲層或補(bǔ)償層404和一個(gè)液晶盒，該液晶盒包括頂部基底406和底部基底410以及兩個(gè)基底之間的液晶材料408。液晶盒下面是底部極化層412和可用的反射層或透射反射層414。頂部基底和底部基底的至少一個(gè)含有一層色酮液晶材料有序?qū)樱搶游挥谂c液晶材料408相接觸的表面層上。采用反射層或透射反射層414，可允許液晶顯示器400使用環(huán)境光或前光導(dǎo)向器(未示出)的光進(jìn)行照射?；蛘?，背光(也未示出)可位于液晶顯示器后面，使用背光照射時(shí)可采用或不采用反射層或透射反射層414。
圖5是彩色液晶顯示器一個(gè)可能結(jié)構(gòu)的截面圖，該顯示器中有本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)定向排列結(jié)構(gòu)。彩色液晶顯示器500包括頂部極化層502和底部極化層516。在兩個(gè)極化層之間是液晶盒，該液晶盒包括含有頂部基底材料504的頂部定向排列層，在頂部基底材料504上是色酮液晶材料506的有序?qū)踊蛲繉?。底部基底是用液晶材?10的另一有序?qū)踊蛲繉?、彩色過濾陣列512和底部基底材料514制成。位于兩個(gè)基底之間并與兩個(gè)相鄰色酮材料有序?qū)踊蛲繉咏佑|的是液晶材料508。一般來講，全色顯示器采用規(guī)則圖案的主色濾色層用于彩色過濾陣列512。例如濾色層可為三色，常為為紅色、綠色和藍(lán)色，或深藍(lán)、洋紅色和黃色的規(guī)則陣列。濾色層可為著色極化層。
圖6提供可以使用本發(fā)明定向排列結(jié)構(gòu)形成的多域模式600的示意圖。該附圖顯示了用于來形成多域顯示器的一種取向圖案的例子。箭頭602表示盒中定向排列結(jié)構(gòu)的取向方向以及因而液晶材料的取向方向。為了獲得這種取向圖案，在細(xì)分成四個(gè)亞部分604的單一盒中或者在分成四個(gè)不同取向組604的多盒中，所述定向排列結(jié)構(gòu)應(yīng)如四個(gè)連續(xù)盒604所示取向。使用本發(fā)明任何一種定向排列結(jié)構(gòu)可以獲得所述取向模式。所述色酮液晶材料可以包含色酮材料以及前傾添加劑和/或交聯(lián)劑。
下面一些實(shí)施例可幫助理解本發(fā)明，但不可解釋為限制本發(fā)明的范圍。除另有注明外，采用的均為重量份數(shù)和重量百分?jǐn)?shù)。
實(shí)施例實(shí)施例1制備兩性離子形式的色酮材料的方法兩性離子形式的色酮材料，即4-({4-[(4-羧基苯基)氨基]-6-[4-(二甲氨基)吡啶-1-基]-1，3，5三嗪-2基}氨基)苯甲酸鹽，采用下述方法按下列反應(yīng)過程進(jìn)行制備。 向一個(gè)裝有溫度計(jì)、頂部攪拌器和冷凝器的500毫升三頸圓底燒瓶中，加入50克4，4-[(6-氯-1，3，5三嗪，2，4-二基)二亞氨基]雙-苯甲酸、15.83克4-二甲氨基吡啶和270毫升二甲基亞砜。該混合物加熱至90℃保持3小時(shí)，而后冷卻至室溫，得到的固體過濾收集之，用二甲基亞砜和丙酮清洗，空氣干燥得到41.10克1-{4，6-雙[4-羧基苯基)氨基]-1，3，5-三嗪-2基}-4-(二甲氨基)吡啶氯。往1立升的三頸圓底燒瓶(有頂部攪拌器)中加入14克上述得到的固體，再加入307毫升蒸餾水和5.53克28重量％氫氧化銨水溶液。攪拌混合物至固體溶解。將溶液通過裝有300克Mitsubishi SAT-10離子交換樹脂(樹脂要經(jīng)過0.5重量％氫氧化銨水溶液預(yù)先清洗)柱(600mm×58mm)。洗脫液在15mm Hg真空和80℃條件下脫出，得到12.66克4-({4-[〔4-羧基苯基〕氨基]-6-[4-(二甲氨基)-1-基]1，3，5-三嗪-2-基}氨基〕苯甲酸酯。
實(shí)施例2具有前傾角的定向排列結(jié)構(gòu)在去離子水中制備具有約8％色酮化合物A、來自Cognis Corporation的1％Glucopon 225(前傾添加劑)和1％氫氧化銨的水溶液。上述組分混合30分鐘，然后在5微米的注射過濾器中進(jìn)行過濾。用簡單的刮刀式涂布機(jī)在兩個(gè)玻璃載片的一面上分別涂上薄的過濾色酮溶液層。這兩個(gè)玻璃載片上原先已涂有一層透明的銦錫氧化物導(dǎo)電性層(700)?？諝飧稍锊Ａлd片，而后將5克重的玻璃珠從乙醇溶液噴在涂有色酮層載片的面上。將這兩個(gè)載片附著在一起，使它們的色酮層的涂布方向互成90°，形成一個(gè)由兩個(gè)盒構(gòu)成的簡單盒結(jié)構(gòu)。玻璃載片之間留有一個(gè)小孔，對(duì)此盒真空填充以從Merck Inc.獲得的向列型液晶材料MLC6650。
用偏光顯微鏡在兩個(gè)交叉偏光鏡之間觀察此填充的盒。此填充盒透過偏光鏡之間的全部光，這說明盒中的向列型液晶材料獲得了均勻定向排列的90°扭曲。當(dāng)向盒中施加5伏的信號(hào)時(shí)，在顯微鏡下觀察到均勻的黑背景。因?yàn)椴淮嬖诳捎^察的缺陷，即通常在顯微鏡下因旋轉(zhuǎn)位移產(chǎn)生的白光，這表示高前傾均勻性。通過改變水溶液中Glucopon225前傾添加劑的濃度，可以獲得約5-90度范圍的高前傾角。
實(shí)施例3交聯(lián)的定向排列結(jié)構(gòu)在去離子水中制備具有約8％色酮化合物A、來自Aldrich ChemicalCompany的0.01％Triton X-100(輔助表面活性劑)和1％乙二胺的水溶液。上述組分混合30分鐘，然后在5微米的注射過濾器中進(jìn)行過濾。用簡單的刮刀式涂布機(jī)在兩個(gè)玻璃載片的一面上分別涂上薄的過濾色酮溶液層。這兩個(gè)玻璃載片上原先已涂有一層透明的銦錫氧化物導(dǎo)電性層(700)。在250℃下的熱板上加熱玻璃載片1小時(shí)。將此經(jīng)固化玻璃載片浸漬在普通溶劑如水、甲基乙基酮、四氫呋喃、丙酮和異丙醇中，不會(huì)溶解定向排列層。將直徑為5微米的玻璃珠從乙醇溶液噴在涂有色酮層載片的面上。將這兩個(gè)載片附著在一起，使它們的色酮層的涂布方向互成90°，形成一個(gè)由兩個(gè)盒構(gòu)成的簡單盒結(jié)構(gòu)。玻璃載片之間留有一個(gè)小孔，對(duì)此盒真空填充以從Merck Inc.獲得的向列型液晶材料MLC6650。
實(shí)施例4具有前傾角和交聯(lián)的定向排列結(jié)構(gòu)在去離子水中制備具有約8％色酮化合物A、來自Cognis Corporation的1％Glucopon 225(前傾添加劑)和1％乙二胺的水溶液。上述組分混合30分鐘，然后在5微米的注射過濾器中進(jìn)行過濾。用簡單的刮刀式涂布機(jī)在兩個(gè)玻璃載片一面上分別涂上薄的過濾色酮溶液層。這兩個(gè)玻璃載片上原先已涂有一層透明的銦錫氧化物導(dǎo)電性層(700)。在250℃下的熱板上加熱玻璃載片1小時(shí)。將此經(jīng)固化玻璃載片浸漬在普通溶劑如水、甲基乙基酮、四氫呋喃、丙酮和異丙醇中，不會(huì)溶解定向排列層。將直徑為5微米的玻璃珠從乙醇溶液噴在涂有色酮層載片的面上。將這兩個(gè)載片附著在一起，使它們的色酮層的涂布方向互成90°，形成一個(gè)由兩個(gè)盒構(gòu)成的簡單盒結(jié)構(gòu)。玻璃載片之間留有一個(gè)小孔，對(duì)此盒真空填充以從Merck Inc.獲得的向列型液晶材料MLC6650。
用偏光顯微鏡在兩個(gè)交叉偏光鏡之間觀察此填充的盒。此填充盒透過偏光鏡之間的全部光，這說明盒中的向列型液晶材料獲得了均勻定向排列的90°扭曲。當(dāng)向盒中施加5伏的信號(hào)時(shí)，在顯微鏡下觀察到均勻的黑背景。因?yàn)椴淮嬖诳捎^察的缺陷，即通常在顯微鏡下因旋轉(zhuǎn)位移產(chǎn)生白光，這表示高前傾均勻性。改變水溶液中Glucopon225前傾添加劑的濃度，可以獲得在5-90度范圍的高前傾角。
本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為限制于上述具體的實(shí)施例，但是應(yīng)理解，它覆蓋附帶權(quán)利要求書中清楚闡述的所有方面。在不背離本發(fā)明范圍和精神的條件下，各種修改、等價(jià)方法以及可用于本發(fā)明的許多結(jié)構(gòu)對(duì)本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來說是顯而易見的。所述權(quán)利要求書覆蓋了這些修改和裝置。
權(quán)利要求
1.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括基底上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕祝錾壕Р牧虾猩牧虾颓皟A添加劑。
2.權(quán)利要求1所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述色酮材料選自(4-二甲氨基-1-[4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶)、(4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶)，以及它們的混合物 或 其中，R1選自COO-、SO3-、SO2-和PO3H-，R2選自COOH、SO3H、SO2H、PO3H或SO3NH2，R3選自任何電子給予基團(tuán)、電子接受基團(tuán)或電子中性基團(tuán)，R4選自由吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、咪唑、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、吡唑、三唑、三嗪、喹啉和異喹啉衍生的芳香雜環(huán)。
3.權(quán)利要求1所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述前傾添加劑具有親水和疏水區(qū)域，所述疏水區(qū)域包含一種或多種排列在脂肪族或非脂肪族碳鏈中的具有4個(gè)或多個(gè)碳原子的疏水官能團(tuán)。
4.權(quán)利要求1所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述前傾添加劑是烷基聚葡萄糖苷和烷基聚乙二醇。
5.一種液晶盒，所述液晶盒包含置于兩塊平行顯示屏基底之間的液晶材料、至少一個(gè)基底上放置有色酮液晶材料取向?qū)?，所述色酮液晶材料包含色酮材料和前傾添加劑。
6.權(quán)利要求1所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述定向排列結(jié)構(gòu)的前傾角大于或等于5度，或者小于或等于90度。
7.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕?，所述色酮液晶材料含有色酮材料和交?lián)劑。
8.權(quán)利要求7所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述色酮材料選自(4-二甲氨基-1-[4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶)、(4，6-二(4-羧基苯氨基)-1，3，5-三嗪-2-基]硫酸吡啶)，以及它們的混合物 或 其中，R1選自COO-、SO3-、SO2-和PO3H-，R2選自COOH、SO3H、SO2H、PO3H或SO3NH2，R3選自任何電子給予基團(tuán)、電子接受基團(tuán)或電子中性基團(tuán)，R4選自由吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、咪唑、噁唑、噻唑、噁二唑、噻二唑、吡唑、三唑、三嗪、喹啉和異喹啉衍生的芳香雜環(huán)。
9.權(quán)利要求7所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述交聯(lián)劑為二胺。
10.權(quán)利要求7所述的定向排列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述色酮材料和交聯(lián)劑的相對(duì)摩爾比大于或等于1∶1，并且小于或等于3∶2。
11.一種液晶盒，所述液晶盒包含置于兩塊平行顯示屏基底之間的液晶材料、至少一個(gè)基底上放置有色酮液晶材料取向?qū)?，所述色酮液晶材料包含色酮材料和交?lián)劑。
12.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕?，所述色酮液晶材料包含色酮材料、前傾添加劑和交聯(lián)劑。
13.一種液晶盒，所述液晶盒包含置于兩塊平行顯示屏基底之間的液晶材料、至少一個(gè)基底上放置有色酮液晶材料取向?qū)?，所述色酮液晶材料包含色酮材料、前傾添加劑和交聯(lián)劑。
14.制造定向排列結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將色酮液晶材料的溶液涂覆到基底上，然后干燥所述涂覆的基底，所述色酮液晶材料包含色酮材料和前傾添加劑。
15.制造定向排列結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將色酮液晶材料的溶液涂覆到基底上，然后固化所述涂覆的基底，所述色酮液晶材料包含色酮材料和交聯(lián)劑。
16.制造定向排列結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將色酮液晶材料的溶液涂覆到基底上，然后固化所述涂覆的基底，所述色酮液晶材料包含色酮材料、前傾添加劑和交聯(lián)劑。
17.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕祝龆ㄏ蚺帕薪Y(jié)構(gòu)的前傾角大于或等于5度，并且小于或等于90度。
18.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括基底上置有交聯(lián)的色酮液晶材料取向?qū)拥幕住?br> 19.一種定向排列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括其上置有交聯(lián)的色酮液晶材料取向?qū)拥幕?，所述定向排列結(jié)構(gòu)的前傾角大于或等于5度，并且小于或等于90度。
全文摘要
用于液晶顯示器的定向排列結(jié)構(gòu)。該定向排列結(jié)構(gòu)包括其上面置有色酮液晶材料取向?qū)拥幕?。所述色酮液晶材料包含色酮材料、前傾添加劑和/或交聯(lián)劑。所述結(jié)構(gòu)可以通過將色酮液晶材料涂覆在基底上，然后干燥或固化所述涂覆的基底來制造。定向排列結(jié)構(gòu)也可包括一種或多種染料或其它添加劑，因此該定向排列結(jié)構(gòu)除具有定向排列和取向作用外，還可有極化、延遲和/或?yàn)V色作用。本發(fā)明還對(duì)含有這種定向排列結(jié)構(gòu)的液晶顯示器及其制備方法作了說明。
文檔編號(hào)C09K19/02GK1478215SQ01819899
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2001年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月1日
發(fā)明者H·薩霍阿尼, H 薩霍阿尼, K·M·沃格爾, 沃格爾, M·S·沙伯格, 沙伯格 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司