扭曲向列相微偏振器及其制造方法 相关申请的交叉参考
本申请涉及2001年1月12日提交的临时申请60/261,135，该申请在此引为参考。
【发明背景】
本说明书概括了涉及一种基于扭曲向列相(TN)液晶的微偏振器(μPolTM)的开发和制造的发明。
Reveo公司已经创造、开发并上市了一种利用微偏振(μPol)板的三维显示技术，在该技术中，图案化的具有垂直偏振交错线的偏振器与偏振玻璃连接使用。在此技术中，聚乙烯醇(PVA)λ/2延迟器成为建立μPol阵列的基础。此μPol阵列的基础依赖于PVA引起的π相移。μPol以这样的方式建立，即其由带π相移或不带π相移的交替间隔的线组成，如图1所示。
这种μPol的优点包括：
·简单的处理过程；
·较低地成本；
·较高的产量。
但是，PVA基μPol具有下列缺点：
·由于相移机制而具有较差的光谱特性；
·相对较厚的薄膜厚度；
·相对较低的空间分辨率；
·难以控制线条宽度；
·较差的耐热和抗湿性。
本发明描述了另外一种制作高质量μPol的方法，其基本上可以消除上述问题。
发明概述
本发明为一种制造微偏振器的方法，包括：提供一个具有第一和第二表面的第一板，提供一个具有第一和第二表面的第二板。然后，在每一个板的第一表面上涂布聚酰亚胺，之后沿预定的方向摩擦涂布在第一板的第一表面上的聚酰亚胺，并沿一个与所述预定方向成预定角度的方向摩擦涂布在第二板的第一表面上的聚酰亚胺。一校准/对准过程包括校准第一板和第二板，使第一板的第一表面和第二板的第一表面彼此面对，由此在二者之间形成一个空间。最后，在该空间中填充液晶，由此形成一个晶胞或膜。
附图简述
图1是基于μPol技术的PVA延迟器的简图；
图2是通过TN液晶晶胞的旋光；
图3是VA膜和TN晶胞的透射率-波长曲线；
图4是TN基μPol的简图；
图5是通过UV掩膜法制得的TN基μPol的简图；
图6是由E-场校准法制得的TN基μPol的简图；
图7是由多重摩擦法制得的TN基μPol的简图；
图8是由两步UV曝光法制得的具有260μm线宽的TN基μPol的简图；
图9是由多重摩擦法制得的具有60μm线宽的TN基μPol的简图；
图10是利用挠性线性偏振片作为一个衬底、用非双折射片(non-briefringent)作为另一个衬底的TN基μPol的简图；
图11是直接制作在LC显示器上的TN-μPol的简图；
图12是45°微偏振器的简图；
图13是水平对齐的TN-μPol的简图；
图14是用于垂直显示象素或子象素列的垂直对齐的TN-μPol的简图；
图15是水平和垂直排列的棋盘TN-μPol的简图。
对本发明的详细描述
TN液晶的原理
当扭曲向列相(TN)晶胞满足Mauguin条件时，可以认为入射的线性偏振光通过液晶分子旋转。对于90°的TN晶胞，Mauguin条件是2Δnd＞＞λ，其中d是液晶晶胞的厚度，λ是入射光的波长，Δn表示双折射。TN膜使线性入射光的偏振轴旋转90°，如图2所示。
在90°TN晶胞中，液晶分子以这种方式取向，即顶层在一个方向上排列，而底层垂直排列。TN晶胞的旋光性显示出比λ/2延迟器小得多的波长依赖性。换言之，TN晶胞的带宽远宽于延迟器的带宽，如图3所示。图3表示PVA膜和TN晶胞作为波长的函数的透射率曲线，其中通过在成对的平行光线之间插入PVA膜和TN晶胞来进行透射率的测量。TN晶胞的厚度为10μm，采用可聚合的液晶CM428并由UV光固化。
与出自Polaroid的市售延迟器37.5μm的厚度相比，TN膜可以做得较薄，典型地处于5μm的范围。这种薄层最适宜构造高分辨率的μPol。一般地，用在显示系统中的液晶材料具有优良的耐热和抗湿性。另外，如果用可聚合(可UV聚合)的液晶制作TN晶胞，则可以从玻璃衬底上剥离并可转移到其它表面。
TN-μPol具有PVA μPol的优点并克服了PVA μPol的缺点。TN-μPol的优点如下所述：
·在较宽的波段中具有良好的光谱特性；
·薄的膜厚度。通过选择大双折射的液晶材料，TN-μPol可以做得极薄，并显示出很宽的带宽特性；
·较高的空间分辨率；
·较小的过渡区；
·易于控制线宽；
·良好的耐热和抗湿性；
·加工简单，低成本和高产量。
基于TN液晶的μPol
如果使TN膜图案化，以使其具有带或不带旋光能力的交替间隔的线条，则产生一种新的μPol，如图4所示。
在图4所示的有源带中，液晶分子扭曲成旋转入射光的偏振角。但是，在无源带中，液晶分子在各向同性相或均相或同相下均不扭转，使得其不能够旋转偏振方向。
TN μPol的加工
有几种方法把TN加工成μPol。已经提出的四种主要方法是：
·两步UV曝光；
·E场(电场)排列；
·多重摩擦；和
·光诱导排列。
下面将描述关于上述四种处理方法的基本细节。
两步UV曝光法
此方法采用两步UV曝光程序建立一μPol，该μPol由分别处于扭曲态和各向同性态的向列相线组成。本方法包括下列步骤：
·在两块玻璃板上涂布聚酰亚胺；
·摩擦聚酰亚胺涂层；
·用所述两块玻璃板制作一个晶胞，使得其中一个板的聚酰亚胺摩擦方向垂直于另一个板的聚酰亚胺摩擦方向；
·以光手性浓度填充可聚合的向列相液晶，从而制得一个TN晶胞(膜)；
·用一个具有交替间隔的透明和不透明带的掩膜覆盖TN晶胞；
·在透明区域下用UV光将向列相液晶聚合成一永久扭曲的晶体结构；
·去除掩膜；
·将所述晶胞加热得高于向列相各向同性临界温度，使得那些被不透明掩膜带覆盖的未聚合向列相经历临界态成为各向同性相，从而产生未扭曲的液晶分子。聚合的向列相的扭曲结构保持不变。
·最后，将先前未固化的向列相再聚合为各向同性相。
所得的μPol将具有图5所示的特征。本方法只可以利用可聚合的向列相液晶实现。
E-场(电场)排列法
在此方法中，对预制有图案的ITO电极施加E场，以建立一个μPol，该μPol包含分别处于扭曲和匀质结构的向列相线。具体的程序包括：
·利用光刻法对一个ITO玻璃板形成图案，使其具有交替间隔的带有和不带有ITO的带；
·在图案化的ITO玻璃和另一个未图案化的ITO玻璃板上涂布聚酰亚胺；
·在适当的方向上摩擦聚酰亚胺；
·用上述两块玻璃板制作一个TN晶胞，两块玻璃板的摩擦方向彼此垂直；
·填充向列相液晶；
·在带状ITO电极施加E场，以垂直对齐向列相液晶。带中每一ITO处的向列相液晶保持TN结构。
通过本方法构成的μPol的最终结构示于图6中。
多重摩擦法
建立的图案化的聚酰亚胺带具有正交的摩擦方向，使得一条带中的液晶排列成扭曲结构，而相邻带中的向列相排列成匀质结构。必须使用一种光刻过程不会对其造成毁坏的适当的聚酰亚胺。本方法的步骤如下：
·在一个玻璃衬底上涂布聚酰亚胺(Brewer Scientific的SE 7311或其它合适的聚酰亚胺)；
·单向摩擦聚酰亚胺涂层；
·在被摩擦的聚酰亚胺顶部涂布光致抗蚀剂(Microposit的S 1815或其它合适的光致抗蚀剂)；
·通过光刻法对光致抗蚀剂产生图案，从而形成交替间隔的带；
·在垂直于第一摩擦方向的方向上再摩擦未被光致抗蚀剂覆盖的剩下的聚酰亚胺；
·通过在丙酮池中冲洗而去除所有的光致抗蚀剂；
·用图案化的玻璃板和另一个单向摩擦的聚酰亚胺玻璃板制作一个晶胞；
·用向列相液晶填充晶胞，从而形成一种具有TN和匀质结构的交替带的μPol。
光诱导排列法
近来，利用光敏取向剂排列LC晶胞的可能性受到很多关注。由于其不接触且易于图案化的特点，本方法在摩擦的聚合物膜上具有一些优点。还发现了一些材料，如聚乙烯基甲基肉桂酸盐(PVMC)、聚氯乙烯(PVC)、一些聚酰亚胺、染色的聚酰亚胺和偶氮苯聚合物具有在暴露于线偏振UV光之后排列液晶分子的能力。液晶分子在垂直于UV光偏振方向的方向上排列。如下所述，有几种方式可通过光诱导排列法实现TN μPol。
A.利用线偏振UV光的两步曝光
对于上述很多光诱导的排列材料，如果它们以不同的偏振方向暴露在线偏振UV光下两次，则它们具有令液晶分子在垂直于第二曝光方向的方向上排列的特点。因此，这些特点提供了一种非常容易地制作TN μPol的方式。下面给出详细的步骤：
·将适于光诱导排列的材料涂布到两块玻璃板上并随后烘干；
·将两块玻璃板暴露于线偏振UV光下；
·通过放置在该玻璃板上的掩膜，再对其中一块玻璃板用线偏振UV光曝光，此线偏振UV光的偏振方向垂直于初始偏振方向；
·制备一个液晶晶胞并用向列相液晶填充。
对于那些液晶不能恰当地对应于第二次曝光排列的材料，可以采用下列不同的程序：
·将合适的光诱导排列材料涂布到两块玻璃板上烘烤；
·将其中一块玻璃板暴露于线偏振UV光下；
·通过放置在玻璃板之上的掩膜将另一块玻璃板暴露于线偏振UV光下，精确地移动掩膜半个周期，并再用线偏振UV光(偏振方向垂直于初始偏振方向)曝光；
·制备一个液晶晶胞并用向列相液晶填充。
B.利用线偏振UV光的曝光和摩擦
在此方法中，合并摩擦处理和光诱导排列法来制造TN μPol。包括下列细节：
·将适当的光诱导排列材料涂布到两块玻璃板上，然后进行热烘干和机械摩擦；
·通过用偏振方向平行于摩擦方向的光穿过掩膜照射玻璃衬底而对其中一块玻璃衬底形成图案；
·用图案化的玻璃板和另一块均匀摩擦的聚酰亚胺板制作一个晶胞；
·填充扭曲向列相材料以形成一个μPol。
C.整体排列
在此方法中，将少量的光致抗蚀剂PVMC或偶氮染料直接混合到向列相液晶中。当用线偏振光照射时，向列相分子垂直于偏振方向排列。下面是详细的步骤：
·将聚酰亚胺涂布到两块玻璃板上，随后烘干并摩擦；
·用摩擦的聚酰亚胺玻璃板制作一个液晶晶胞；
·填充向列相材料；
·透过掩膜用一束垂直于摩擦方向的线偏振光照射液晶晶胞，以形成μPol。
上述μPol的最终结构与图7所示的相同。
表I概括了分别以上述四种方法制得的TN基μPol。
表I.通过四种方法加工的μPol的总表 方法 推荐的应用 优点 缺点 光掩膜 ·适于大部分应用·工艺简单·没有ITO玻璃·良好的热稳定性·低成本·较低的分辨率 E-场 ·高分辨率应用·高分辨率·良好的热稳定性·较为复杂的工艺·在匀质态中由向列相材料可能造成双折射·需要ITO玻璃·LC必须具有Δε≠0 多重摩擦 ·高分辨率应用·高分辨率·没有ITO玻璃·良好的热稳定性·较为复杂的工艺·在匀质态(ECB)中由向列相材料可能造成双折射 光诱导排列 ·高分辨率应用·工艺简单·高分辨率·没有ITO玻璃·良好的热稳定性·在匀质态(ECB)中由向列相材料可能造成双折射·染料必须处于可见区以外
TN μPol的照片
图中给出了两幅用十字偏振显微镜观察的TN μPol照片。图8是通过两步UV曝光法制得的260μm线宽的TN μPol。白色部分表示TN结构，而暗色部分表示向列相液晶的各向同性态。图9是通过多重摩擦法制得的60μm线宽的另一TN μPol。类似地，白色部分表示TN结构，而暗色部分表示匀质排列。
利用无源线偏振器作为衬底
TN μPol也可以利用无源线偏振器作为下列附图中所示的图案化TN液晶晶胞的其中一个衬底而构成。上述四种用于制作TN μPol的每一种方法都可以用于此方法。所得的TN晶胞将是一种可以在制造时应用到LCD显示器的挠性层状膜。构造这种TN μPol结构的过程将依赖于对上述四种方法的选择。图10示出了这种构造方法。
如果将可聚合的TN液晶用于制造，则TN μPol的可剥离版本也可以利用此结构实现。
本方法的优点在于可以制造大块或大卷的TN μPol，并在制造时粘结到LC显示器上。此结构将代替普通的检偏器(用在显示器输出端的偏振器)。防眩光测量可以用在此μPol结构的非双折射衬底上，以减少在常规LC显示器上的眩光。
直接在LCD上制作TN μPol
前述方法的另一种替换是利用显示器本身作为一个衬底并利用一个非双折射层作为第二衬底在LC显示器上直接制作TN μPol。在前述方法中，可以用每一种制作方法(两步曝光法、E长排列法、多重摩擦方向法和光诱导排列法)直接在显示器上制作TN μPol。此方法的优点在于可以在LC显示器的制作过程中作为一个附加的步骤在显示器上精确地制作μPol。
TN-μPol的类型
除了用于制作TN μPol的方法外，本发明还包括几种类型的TN μPol，包括：
·两衬底型：在此情况下，μPol采用两个玻璃衬底和不可聚合的LC材料。其优点在于可以采用低成本的LC。
o变型1：两个玻璃衬底具有同样的厚度
o变型2：最接近显示器的玻璃衬底做得较薄，以通过视差效果减小视角。
·单衬底型：采用可聚合的LC材料，使得可以除去一个衬底。衬底的除去使得可通过减小TN材料和显示器的有源元件之间的距离增大视角。
·电切换型：利用E场制作工艺构造的μPol可以在2D和3D之间切换。当不施加电场时，整个μPol用作单LC晶胞，导致来自显示器的所有光线旋转90°。当施加电场时，在图案化ITO电极之间的LC材料成为匀质态并因而不转动偏振角。用户可以通过启动一个控制电场的开关而在2D和3D模式之间切换。
E场法的变型
E场法的一种变型将利用可聚合液晶按如下方式制作μPol：
·执行前述步骤，以制作晶胞；
·用可聚合的LC材料填充晶胞；
·施加E场，使ITO电极之间的LC材料进入匀质态；
·利用强UV辐射固化可聚合的LC材料；
·解除E场；
·后处理和清洁。
45°TN μPol
已有的应用属于0°-90°TN-μPol，其中交替的线转动偏振角0°或90°。另一种类型的μPol可以利用上述的所有方法构成，其中交替的线转动偏振角-45°或+45°。典型的绘图示于图_中。垂直偏振光从μPol的后面进入，并且根据行的不同转动-45°或+45°。
最后应注意，μPol既可以垂直取向，也可以水平取向。当采用水平线时，μPol精确地排列在显示器水平线之上。当采用垂直线时，μPol的定位使得其精确地排在显示器的垂直行之上。另外，μPol线间距也可以设计成与显示器的红、绿、兰象素垂直列重合。最后，TN μPol可以设计成一种棋盘图案。这种变型示于图12-15。
下面的参考文献与本公开和申请有关，并在此引为参考：Sadeg Faris的美国专利申请US 5,537,144和US 5,844,717。S.M.Faris在SID 91文摘的P.840中的论文。World Scientific，1990，P232发表的B.Bahadur的论文，题为“液晶应用及其用途”。Clearendon Press Oxford，1993年出版的P.GDEGennes的书，名为“液晶物理学”。T.Y.Marusii和Y.A.Reznikeov在Mol.Mat.，Vol.3，p.161，1993上的论文。M.Schadt，H.Seiberle和A.Schuster在Nature，Vol.381，P212，1996上的论文。S.C.Jain和H.S.Kitzerrow在Appl.Phys.Lett.64(22)，P.2946，1994上的论文。W.M.Gibbons，P.J.Shannon，S.T.Sun和B.J.Swetlin在Nature，Vol351，p.49，1991上的论文。G.P.Bryan-Brown和I.C.Sage在Liquid Crystal，Vol.20，No.6，p.825，1996中的论文。K.Aoki在American Chemical Society，Vol.8，p.1014，1992上的论文。M.Schadt，H.Seiberie，A.Schuster和S.M.Kelly，在Jpn.J，Appl.Phys.，Vol.34，p.L764，1995中的论文。
虽然以上描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将可理解，在不脱离本发明实质和范围的前提下可以对本发明作出各种改变和等价替换。除了很多变型外，在不脱离本发明的范围下，可以按照本发明的提示采用具体的条件和材料。因此，本发明不限于具体的实施例，本发明将包括所有落入权利要求范围内的实施例。