專利名稱：用于消除lcd中通過交叉偏振器的光發生泄漏的延遲薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及液晶顯示器(LCD)，具體而言，本發明涉及使視場最大化并消除LCD的漏泄、同時在大視角范圍內保持高對比度系數并使相對灰度變化最小的方法。
背景技術：
在常規的LCD中，高質量的信息顯示，例如高對比度和灰度穩定性，只能在以正入射為中心的狹窄視角內獲得。這種視角依賴性的原因在于多數液晶盒(LC cell)中的相位延遲和光路均隨視角變化。這種狹窄視角特性已成為高級應用中，例如航空電子顯示器(avionicsdisplays)以及寬屏幕顯示器中的重要問題，這些高級應用需要對比度和灰度須盡可能不隨視角變化的LCD。
因此，對于高性能的應用，需要對LCD進一步改進。本發明提供了一種針對現有技術問題的解決方案，該方案通過使用延遲薄膜(retardation film)以在LCD中獲得高對比度和灰度穩定性。
通過以下詳細說明和所附的權利要求并參照以下附圖將更好地理解本發明，所述附圖中圖1顯示了說明偏振態的龐加萊球(Poincarésphere)；圖2a顯示了(+a，-a)的波片組合，其中各波片的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)。+a波片將偏振態從P轉換到Q，-a波片再將偏振態從Q轉換到P’；
圖2b顯示了使用擴展瓊斯矩陣方法(Extended Jones matrixmethod)獲得的方案1中非偏振光的等透射比曲線(equi-transmittance contour)；圖3顯示了(-a，+a)的波片組合，其中各波片的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)。-a波片將偏振態從P轉換到R，+a波片再將偏振態從 R轉換到P’；圖4a顯示了(+a，+c，+a)的波片組合，其中a波片的延遲為Δnd=λ/6(λ＝550nm時為92nm)，c波片的延遲為Δnd=3λ/6]]>(λ＝550nm時為159nm)。+a波片將偏振態從P轉換到Q，+c波片再將偏振態從Q轉換到R，最后的+a波片再將偏振態從R轉換到P’；圖4b顯示了方案3的非偏振光的等透射比曲線；圖5顯示了(-a，-c，-a)的波片組合，其中a波片的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)，c波片的延遲為Δnd=3λ/6]]>(λ＝550nm時為159nm)，-a波片將偏振態從P轉換到R，-c波片再將偏振態從R轉換到Q，最后的-a波片再將偏振態從Q轉換到R；圖6-9顯示了垂直排列的液晶(VALC)盒與具有圖2-5所示構造的c波片的組合；圖10表明了在光學各向異性介質的一般情況下介電張量(dielectric tensor)主軸的取向；圖11表明了在包含負A波片補償器的情況下介電張量主軸的取向；圖12表明了在包含正A波片補償器的情況下介電張量主軸的取向；圖13表明了在包含正C波片補償器的情況下介電張量主軸的取向；圖14表明了在包含負C波片補償器的情況下介電張量主軸的取向；圖15為本發明的一個實施方案的延遲薄膜的折射率譜；圖16為顯示本發明的一個實施方案的偏振態的龐加萊球。
具體實施例方式
以下參照附圖對本發明的多個實施方案進行描述。還應注意的是附圖僅旨在幫助說明本發明的具體實施方案。這些實施方案并不擬對本發明進行窮舉性描述或構成對本發明范圍的限制。此外，與本發明的具體實施方案結合描述的一個方面并不一定局限于該實施方案，而是可在本發明的任何其他實施方案中實施。例如，在附圖中和以下的詳細描述中，通過與垂直排列液晶(VALC)盒組合的延遲薄膜的實施方案對本發明進行了說明。應認識到，要求保護的發明可以與任何其他的液晶盒例如扭轉向列型液晶(TN-LC)盒組合使用。
圖1顯示了表示幾種偏振態的龐加萊球。在圖1中，O代表正入射時第一O型偏振器的透射分量的偏振；P代表傾斜入射(角偏差在赤道平面上為0到至多16度，在物理空間中為0到至多8度)時第一O型偏振器的透射分量的偏振；P’代表傾斜入射時第二O型偏振器的吸收分量的偏振。PQP’在龐加萊球上為基本等邊的三角形。對于正入射，該三角形收縮至一點O。
一對交叉偏振器僅消除正入射光線。對于偏軸光，第一偏振器的透射偏振態在物理空間中旋轉最高達8度，而第二偏振器的吸收偏振態向相反方向旋轉最高達8度。這些偏振態在龐加萊球上用P和P’表示。本發明提供相位延遲薄膜或補償器，用于將偏軸光從偏振態P轉變到P’而不影響正入射光線。
在一個實施方案中，本發明為兩個處于“暗態(dark state)”的偏振器提供包括至少兩層雙折射材料的補償器，其中一層作為正A波片，另一層作為負A波片。在另一個實施方案中，該補償器在雙折射層之間進一步包括負C波片。
在一個實施方案中，負A波片包括至少一層雙折射材料，所述雙折射材料具有由至少一種包含共軛π鍵體系的多環有機化合物構成的晶體結構，且在至少一條光軸方向上的分子間間距為3.4±0.3。
在一個實施方案中，負C波片包括至少一層雙折射材料，所述雙折射材料具有由至少一種包含共軛π鍵體系的多環有機化合物構成的晶體結構，且在至少一條光軸方向上的分子間間距為3.4±0.3。
在一些實施方案中，本發明的補償器在雙折射層之間進一步包括正C波片。
在一些實施方案中，補償器進一步包括至少兩個偏振器，其中兩個偏振器的透射軸互相垂直。構成雙折射材料的有機化合物可以包含離子型官能團例如-COOH、-SO3H、PO3H、NH2。在一個實施方案中，有機化合物為具有如下結構通式的苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物 其中n為從1到4范圍內的整數；m為從0到4范圍內的整數；z為從0到6范圍內的整數，并且m+z+n≤10；X和Y獨立地選自CH3、C2H5、OCH3、OC2H5、Cl、Br、OH和NH2；M為抗衡離子；并且j為分子中抗衡離子的個數。
具有上述通式的有機化合物的例子包括但不限于以下結構I-VIII 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到6范圍內的整數； 其中m為從0到4范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到6范圍內的整數；
其中m為從0到4范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數； 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數；并且其中X、Y獨立地選自CH3、C2H5、OCH3、OC2H5、Cl、Br、OH和NH2，M為抗衡離子，且j為分子中抗衡離子的個數。
圖2-5顯示了用于消除交叉偏振器的漏泄的具體結構。
圖2a和2b中顯示的方案1包括一個正a波片然后一個負a波片的組合。各波片上的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)。+a波片將偏振態從P轉換到Q，-a波片再將偏振態從Q轉換到P’。
圖3中顯示的方案2包括一個負a波片然后一個正a波片的組合。各波片上的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)。-a波片將偏振態從P轉換到R，+a波片再將偏振態從R轉換到P’。
圖4中顯示的方案3包括ACA型組合一個正a波片、一個正c波片然后再一個正a波片。a波片上的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)，c波片上的延遲為Δnd=3λ/6]]>(λ＝550nm時為159nm)。+a波片將偏振態從P轉換到Q。+c波片再將偏振態從Q轉換到R。最后的+a波片再將偏振態從R轉換到P’。
圖5中顯示的方案4包括ACA型組合一個負a波片、一個負c波片然后再一個負a波片。a波片上的延遲為Δnd＝λ/6(λ＝550nm時為92nm)，c波片上的延遲為Δnd=3λ/6]]>(λ＝550nm時為159nm)。-a波片將偏振態從P轉換到R。-c波片再將偏振態從R轉換到Q。最后的-a波片再將偏振態從Q轉換到R。
可以將方案1-4中的結構與LCD中的液晶盒——例如垂直排列的液晶(VA LC)盒或亮態(field-on state)的TN-LC盒——相組合。圖6示出了一種置于偏振器之后或檢偏器之前的(VALC，c波片)組合。圖7示出了一種置于偏振器之后或檢偏器之前的(VALC，c波片)組合。圖8示出了一種置于偏振器之后或檢偏器之前的(VALC，c波片)組合。圖9示出了一種置于偏振器之后或檢偏器之前的(VALC，c波片)組合。
應指出其他的結構也是可能的，并且本發明并不限于上述具體的示例性結構。
光學各向異性介質的特征在于其二階介電張量。補償波片的分類與特定介電張量的主軸相對于波片的自然坐標系的取向密切相關。將波片的自然坐標系xyz選擇為z軸平行于其法線方向。
主軸取向的特征在于三個Euler角、θ、ψ，這三個角與介電張量主分量(εA，εB，εC)一起唯一地確定光學補償器的不同種類(圖10)。介電張量的所有主分量(principle component)均不相等的情況對應于雙軸補償器。在這種情況下波片具有兩個光軸。例如，在εA＜εB＜εC的情況下，這些光軸位于C軸兩側的C軸和A軸所在的平面上。在εA＝εB的單軸極限情形下，獲得兩軸重合到C軸的簡并情況，即為單個光軸。
C軸與z軸之間的頂角對于定義補償器的不同種類很重要。
如果波片限定為Euler角θ＝π/2并且εA＝εB≠εC，則它稱為“A波片”。在這種情況下C主軸位于波片平面(xy平面)內，A軸垂直于該平面(由于為單軸簡并情況，A和B軸的直角取向可以在垂直于xy平面的平面內任意選擇)。在εA＝εB＜εC的情況下，波片稱為“正A波片” (圖11)。相反，如果εA＝εB＞εC，波片定義為“負A波片”(圖12)。
單軸C波片定義為Euler角的值θ＝0并且εA＝εB，≠εC。因此C主軸垂直于波片平面(xy平面)。在εA＝εB＜εC的情況下，波片稱為“正C波片”(圖13)。相反，如果εA＝εB＞εC，波片定義為“負C波片”(圖14)。
與A波片的情況類似，C波片既可以為正(εA＝εB＜εC)也可以為負(εA＝εB＞εC)。
所公開的用于液晶顯示器的補償器包括至少一層負雙軸雙折射材料，所述材料為基于芳族多環化合物的晶體薄膜(TCF)。這種材料通常具有負雙軸特征n10≥n20＞n0。同種材料的非常光軸(extraordinaryoptical axes)與排列方向重合。在實際應用中該晶體薄膜可以視為單軸薄膜n10≈n20。
優選在分子中存在一個形成于共軛芳環之間的共軛π鍵體系，并且基團(例如胺、酚、酮等)位于分子平面內并參與到芳環化學鍵體系中。分子和/或其分子片段具有平面結構并能在溶液中形成超分子。優選在超分子層疊中具有π軌道最大重疊。對制造補償器的原料的選擇與這些化合物的光譜特性有關。
適于制備晶體薄膜(TCF)的芳族多環化合物的特征在于具有通式{R}{F}n，其中R為具有π電子體系特征的多環片段，F為保證指定化合物在非極性或極性溶劑(包括水性介質)中的溶解性的改性官能團，且n為官能團的個數。
TCF可通過日本大阪日東電工公司開發的稱為串聯結晶過程(Cascade Crystallization Process)的方法來獲得。根據此方法，將這種有機化合物溶于適當的溶劑中形成膠體體系(溶致液晶溶液)，其中分子聚集為構成體系動力單元的超分子。此液晶相為該體系有序狀態的前體，它經過后續的超分子排列及溶劑去除過程而形成固體各向異性晶體薄膜。
為從含有超分子的膠體體系合成晶體薄膜所規定的方法包括以下步驟(i)將上述膠體體系涂敷于基片上(或設備上或多層結構的一層上)；膠體體系必須具有觸變性能，所述觸變性能通過使分散相保持在預定溫度和某個濃度而獲得；(ii)通過某些外在作用(加熱、剪切應變等)降低溶液的粘度，從而將所涂敷的膠體體系轉化為高流動(降低的粘度)狀態；這種外在作用既可作用于整個后續排列過程中，也可以只持續最短必要時間，以使體系不會在排列過程中回退到升高的粘度狀態；(iii)向體系施加外部排列作用，所述外部排列作用可以通過機械方法或任何其他方法產生；外部作用的程度必須足以使膠體體系的動力單元獲得必要的取向并形成充當各向異性晶體薄膜的晶格基礎的結構；(iv)將層中已排列的區域從由外部作用獲得的粘度降低的狀態轉變為最初的或更高的粘度狀態；進行這種轉變是為了防止各向異性晶體薄膜的結構取向雜亂并且防止產生表面缺陷；(v)最后一步去除溶劑(干燥)，在此過程中形成各向異性晶體薄膜結構；這一步還可以包括附加的以處理時間、性質和溫度為特征的熱處理(退火)，對上述因素進行選擇以保證完全或至少部分地從所述水合晶體(crystal hydrate)結構中除去水分子，同時保持超分子結構以及共軛芳族化合物晶體層的晶體結構完整。
在獲得的各向異性TCF中，分子平面互相平行并且分子在至少一部分層中組成三維晶體結構。對生產技術的優化可實現單晶薄膜的形成。本發明將這些薄膜作為制造負A波片的基礎公開。
TCF的厚度通常不超過約1mkm。可以通過改變所涂敷溶液中固體物質的含量以及通過改變所涂敷的層的厚度來控制薄膜的厚度。為獲得具有所需光學特征的薄膜，可以使用混合膠體體系(這樣的混合物可以形成粘合超分子(joint supramolecule)。
將所述有機化合物在溶液中混合導致形成組成可變的混合聚集體(aggregate)。對染料混合物的X射線衍射圖的分析使我們可以通過出現的特征衍射峰來判斷超分子內的分子堆砌，所述特征衍射峰對應于3.1到3.7范圍內的晶面間距。一般來說，這一數值對于晶體和聚集體形態的芳族化合物而言為正常值。峰強度和銳度在干燥過程中增加，但沒有觀察到峰位置的變化。該衍射峰對應于聚集體(疊層)內的分子間間距，并已在多種材料的X射線衍射圖中觀察到。分子(或其片段)的平面結構以及所研究的有機化合物中一個分子尺寸的一致性有利于混合。在所涂敷的水性層中，有機分子在一個方向上長程有序，這與超分子在基片表面上的排列有關。當溶劑蒸發時，能量上有利于分子形成三維晶體結構。
用于補償器的化合物優選在工作范圍內無吸收。可以合成名為苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物的非常適于構造光學補償器的一系列新化合物。這些化合物具有如下結構通式 其中n為從1到4范圍內的整數；m為從0到4范圍內的整數；z為從0到6范圍內的整數，并且m+z+n≤10；X和Y獨立地選自CH3、C2H5、OCH3、OC2H5、Cl、Br、OH和NH2；M為抗衡離子；且j為分子中抗衡離子的個數。
苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物構成的材料非常適于構造液晶顯示器的光學補償器，但本發明并不限于僅使用這種化合物。
本發明擴大了在可見光區無吸收或只有微弱吸收并能形成溶致液晶(LLC)相的化合物的種類。薄膜的高光學各向異性(在可見光區最高達Δn＝0.6)和高透明度(消光系數在10-3數量級)使得可以設計用于LCD的高效補償器。
以下實施例用于解釋本發明，并且不擬以任何方式對本發明形成限制。
實施例1根據本發明制備了A波片補償器并對其進行了分析以確定其光學特性。
溶致液晶中含有14％苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物的混合物以及0.1％PAV(Zonyl FS 300)。在20℃、相對濕度為65％下用1.5#Mayerrod將LLC涂覆到玻璃基片(Display Glass)上。薄膜在相同濕度和溫度下干燥。制得的薄膜厚度為390nm。
為測定薄膜的光學特性，用Cary-500分光光度計在400到800nm波長范圍內的偏振光中測量樣品的透射光譜。用所得的數據計算折射率張量分量(nX，nY，nZ)(圖7)。這里Z軸垂直于薄膜所在平面，并且Y軸平行于排列方向。所得的薄膜為A波片補償器并表現出高延遲特性Δn＝nX-nY，Δn在可見光區域從0.24增至0.48。低吸收系數(kX，Y，Z＜2*10-3)證明了薄膜的高透光度。
實施例2根據本發明制造了A波片補償器并對其進行了分析以確定薄膜的光學特性。在20℃將12g苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物的混合物在攪拌下加入65.0g去離子水中。再加入5.3ml 25％氨水溶液并攪拌混合物以使其完全溶解。溶液在旋轉蒸發器中濃縮到30％，在溫度為20℃、相對濕度為65％下使用2.5#Mayer rod以15mm s-1的線速度將其涂覆到聚合物基片(SONY-film，“Zeonor”)上。薄膜在相同濕度和溫度下干燥。基片上的此薄膜為負A波片補償器。
為測定薄膜的光學特性，用Cary-500分光光度計在在400到800nm波長范圍內的偏振光中測量樣品的透射光譜。結果證明薄膜在波長大于430nm的可見光譜范圍內具有非常低的吸收。
所得數據用于計算平行于和垂直于排列方向的折射率(ne，no)和吸收系數(ke，ko)(圖8)。制得的薄膜具有光學各向異性并表現出高延遲特性Δn＝no-ne，Δn在可見光區從0.21增至0.38。低吸收系數ko和ke證明了薄膜的高透光度。
實施例3根據本發明制得多層結構的C波片補償器。此補償器通過以下方法獲得。首先，如前所述在聚合物基片上生成各向異性層TCF。然后，沉積100nm厚的SiO2隔離層，并沉積另一相同的各向異性層，并使第一和第二各向異性層的光軸方向互相垂直。可以使用任何適合的透明材料作為隔離層，例如漆、聚合物等。
根據前文，應認識到盡管此處為進行說明而描述了本發明的一些具體實施方案，但可以在不偏離本發明主旨和范圍的情形下進行各種改進。
權利要求
1.用于兩個處于暗態的偏振器的補償器，包括至少兩層雙折射材料層，其中所述層之一充當正A波片，并且另一所述層充當負A波片。
2.權利要求1的補償器，在所述雙折射材料層之間進一步包括負C波片。
3.權利要求1的補償器，其中所述補償器進一步包括含有至少一層雙折射材料的負A波片，其中該雙折射材料具有由至少一種包含共軛π體系的多環有機化合物形成的晶體結構，且在至少一條光軸方向上的分子間間距為3.4±0.3。
4.權利要求1的補償器，其中所述補償器進一步包括含有至少一層雙折射材料的負C波片，其中該雙折射材料具有由至少一種包含共軛π體系的多環有機化合物形成的晶體結構，且在至少一條光軸方向上的分子間間距為3.4±0.3。
5.權利要求1的補償器，在所述雙折射材料層之間進一步包括正C波片。
6.權利要求1的補償器，進一步包括至少兩個偏振器，其中所述偏振器的透射軸互相垂直。
7.權利要求1的補償器，進一步包括至少兩個偏振器，其中至少一層雙折射材料的光學厚度使入射到第二偏振器上的光偏振的方向垂直于此偏振器的透射軸。
8.權利要求3或4中任一項的補償器，其中有機化合物包含選自-COOH、-SO3H、PO3H和NH2的離子型改性官能團。
9.權利要求8的補償器，其中有機化合物為具有如下結構通式的苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物 其中n為從1到4范圍內的整數；m為從0到4范圍內的整數；z為從0到6范圍內的整數，并且m+z+n≤10；X和Y獨立地選自CH3、C2H5、OCH3、OC2H5、Cl、Br、OH和NH2；M為抗衡離子；并且j為分子中抗衡離子的個數。
10.權利要求9的補償器，其中苊并[1，2-b]喹喔啉磺基衍生物的結構式選自結構I-VIII 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到6范圍內的整數； 其中m為從0到4范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到6范圍內的整數； 其中m為從0到4范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數； 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到3范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到5范圍內的整數； 其中m為從0到2范圍內的整數，且z為從0到4范圍內的整數；并且其中X和Y獨立地選自CH3、C2H5、OCH3、OC2H5、Cl、Br、OH和NH2，M為抗衡離子，且j為分子中抗衡離子的個數。
全文摘要
本發明提供一種補償器的設計，該設計包括至少兩層雙折射材料，其中之一為正A波片，另一個為負A波片，所述設計使寬視角范圍內的液晶顯示器的色彩顯示特性和對比度有顯著提高。
文檔編號G02B5/30GK101091126SQ200580028998
公開日2007年12月19日 申請日期2005年8月25日 優先權日2004年8月31日
發明者M·V·波克施托, P·耶 申請人:日東電工株式會社