液晶顯示裝置及其制造方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請依據35U.S.C.§119(e)要求于2013年6月17日提交的美國臨時專利申請61/ 835,773號和于2013年12月30日提交的韓國專利申請2013-0167917號的優(yōu)先權，其公開內 容通過引用在此并入。
技術領域
[0003] 本公開大致涉及顯示裝置，更具體地涉及包括光控取向膜的液晶顯示(IXD)裝置 以及其制造方法。
【背景技術】
[0004] 不同于扭曲向列型(TN)液晶顯示器，在共面轉換型（IPS)液晶顯示器中，產生電場 來控制液晶（LC)的電極以帶狀電極形式處于單個基板上。采用此電極排列，電場誘導的分 子再取向主要發(fā)生在水平方向上，提供了比在TN和垂直取向型（VA)IXD裝置中低得多的視 角依賴性。另外，具有邊緣場切換(FFS)模式（即IPS技術的更先進版本)的LCD裝置具有更窄 的電極寬度和間隙，使得電極之上的區(qū)域也有助于切換過程。
[0005] 正介電各向異性LC已被普遍用于IPS模式和FFS模式LCD裝置。然而，大多數的IPS 模式和FFS模式LCD裝置具有像素電極和共用電極之間的距離大于單元間隙的結構。在此種 構型中，強垂直電場傾向于在電極表面之上形成。當使用正型液晶時，此種垂直電場可以導 致液晶材料傾斜而非扭曲，造成相位延遲不足。這會嚴重妨礙某一幀的透光率峰值，這繼而 導致幀與幀之間的亮度不對稱。
[0006] 近來，人們已經發(fā)現在FFS模式LCD裝置中采用負介電各向異性LC具有優(yōu)于正介電 各向異性LC的諸多優(yōu)點，例如更高的透光率、單一伽瑪曲線、更低的單元間隙依賴性和更弱 的撓曲電效應。然而，對于完善負介電各向異性LC在LCD裝置中的使用仍存在若干技術挑 戰(zhàn)。

【發(fā)明內容】

[0007] 對于完善負介電各向異性LC在IPS模式和/或FFS模式LCD裝置中的使用的先前嘗 試主要集中在LC材料本身。然而，本公開中實施方式的發(fā)明人已經認識到，采用已針對負介 電各向異性LC進行優(yōu)化的取向膜可以大大提高使用負介電各向異性LC的IPS模式和/或FFS 模式LCD裝置的性能和可靠性。
[0008] 大多數LCD裝置在液晶層的一側或兩側需要取向膜以控制液晶的定向。取向膜可 以通過接觸型取向過程而被賦予錨固力。例如，可以通過使用諸如人造纖維布等布料物理 摩擦取向膜來提供液晶取向能力。然而，這樣的過程可能在薄膜晶體管圖案的階梯狀部分 造成劃痕和偏差，其可能導致圖像模糊、圖像殘留以及色移問題。接觸型取向過程也可能導 致不希望的靜電產生，其可對顯示裝置中使用的部件產生各種不希望的影響。另外，靜電可 能會導致灰塵被粘附到取向膜的表面上，從而導致各種顯示缺陷。
[0009] 由于LC分子平行于基板取向和工作，在IPS模式和FFS模式LCD裝置中不需要LC分 子的預傾角。因此，光取向過程是在IPS/FFS模式LCD裝置所采用的取向膜中賦予各向異性 的合適方法。通過采用光取向過程，可消除接觸型取向過程中涉及到的一些問題。
[0010] 在光取向過程中，由合成聚合物（例如，聚酰亞胺）制成的取向膜通過偏振紫外 (UV)光照射，在垂直于偏振方向的方向上提供單軸各向異性。通過照射聚合物，聚合物的主 鏈在平行于偏振方向的方向上被切斷。這使得LC分子沿保持連續(xù)而未被切斷的長主鏈的定 向取向。然而，使用常規(guī)光取向聚合物和工藝，該取向膜的錨固力可能不會與接觸型取向膜 一樣強。
[0011] 取向膜的錨固力促進LC分子恢復回到它們的初始取向方向。在取向膜中沒有足夠 的錨固力的情況下，LC分子可能會失去其原有的取向方向，尤其是在LCD裝置上長時間顯示 特定圖案時。在這種情況下，先前顯示的圖像在屏幕上保持可見，其被稱為"AC圖像殘留"。
[0012] 增加取向膜的分子量相當于更多與LC相互作用的位點，這在取向膜中提供了改善 的錨固力。因此，增加取向膜的分子量可以抑制LCD裝置中的AC圖像殘留問題。鑒于在取向 膜中存在不同分子量的聚合物，取向膜的分子量可依據重均分子量進行評估。
[0013] 取向膜前體的高酰亞胺化率在所得取向膜中產生更高的平均分子量。取向膜的構 成材料聚酰亞胺(PI)在于一定溫度加熱聚酰胺酸(PAA)引起分子內縮合反應時獲得。然而， 在此過程中，在聚酰胺酸中會發(fā)生逆反應。因此，一些聚酰胺酸通過酰亞胺化反應變成聚酰 亞胺，而一些返回為二胺和二酐。因此，非常難以僅使用聚酰胺酸實現高酰亞胺化率，并使 得難以獲得具有足夠高重均分子量的取向膜。
[0014] 由于聚酰胺酸酯通常不會像聚酰胺酸一樣進行逆反應，已設想在取向層前體中加 入聚酰胺酸酯(PAE)能夠產生較高的酰亞胺化率。然而，添加聚酰胺酸酯可導致取向膜弱 化。此外，在取向膜中實現足夠的酰亞胺化率以便充分進行酰亞胺化所必需的時間的增加 與前體混合物中的聚酰胺酸酯的量相關。由此，LCD裝置的制造時間可能變得難以接受的 長。
[0015] 與上述前體材料不同，本公開實施方式的發(fā)明人認識到，由包含可溶性聚酰亞胺 (sPI)的前體可以在取向膜中實現非常高的平均分子量。sPI的重要部分是聚酰亞胺，其在 引起前體中其他材料的酰亞胺化反應的加熱過程進行之前已經酰亞胺化。簡言之，sPI包含 能在溶劑中溶解的聚酰亞胺。雖然sPI的構成材料是PI，但它也可包括其他材料，例如聚酰 胺酸和/或聚酰胺酸酯。因此，至少50%以上的sPI應該是聚酰亞胺，而sPI的其余部分可以 是聚酰胺酸或聚酰胺酸與聚酰胺酸酯的組合。
[0016] sPI中包含的聚酰亞胺應具有高分子量。有鑒于此，sPI中包含的聚酰亞胺可以由 化學酰亞胺化方法得到?；瘜W酰亞胺化方法可能要求將所述前體粉末簡短加熱至溫度接近 300°C(>Tg)以完成酰亞胺化并去除任何溶劑的痕跡的最終處理。與取向膜形成過程中所用 的熱酰亞胺化過程不同，在化學酰亞胺化過程中，聚酰胺酸的逆反應特性最小，因此可獲得 具有非常高分子量的聚酰亞胺。然而，由于化學酰亞胺化過程中涉及的過程可能損壞LCD裝 置的其它部件，因此化學酰亞胺化過程并不適合于直接形成取向膜。
[0017] 聚酰亞胺的溶解性是獨特的特性，其允許在取向膜前體中使用預酰亞胺化的材 料。當然，前體混合物中所含的聚酰亞胺應當可溶于適合于在LCD裝置取向膜的制造期間使 用的有機溶劑。例如，前體混合物中的聚酰亞胺在諸如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、丁基溶纖 劑(BCS)以及NMP和BCS的混合溶劑等溶劑中具有高溶解度。
[0018] 另外，溶解前體混合物的溶劑類型顯著影響酰亞胺化率以及取向膜中所得聚酰亞 胺的分子量。總酰亞胺化反應包括較弱堿與非質子酸酐反應產生強質子酸。一般而言，堿性 更強的非質子溶劑增強正向反應，其形成聚酰亞胺，并使得逆反應在更高的溫度下發(fā)生。就 此而言，優(yōu)選使用雙極性酰胺溶劑，因為在不妨礙聚酰亞胺在前體混合物中的溶解度的情 況下，羰基和-C00H的氫之間的強氫鍵將使更大部分的聚酰胺酸和/或酰胺酸酯酰亞胺化為 聚酰亞胺。
[0019] 不同于可經歷逆反應的聚酰胺酸，在其他前體材料進行酰亞胺化的加熱過程中， 前體中的sPI只是簡單地干燥，并很大程度上保持為聚酰亞胺。因此，在前體中使用sPI使得 即便在其他前體材料進行酰亞胺化過程后仍能保持取向膜的分子量，并沒有太大損失。換 言之，可由包括sPI的前體獲得具有較高平均分子量以改善錨固力的取向膜。
[0020] 用作取向膜前體的sPI應當包括在UV照射時進行光分解反應的光分解性物質。即， sPI中的聚酰亞胺以及任何其他通過酰亞胺化反應形成聚酰亞胺的材料應當包括光分解性 物質。當用UV光照射含有光分解性物質的sPI材料時，發(fā)生涉及光分解性物質的環(huán)結構的裂 解的光分解反應。此過程會產生具有馬來酰亞胺端的裂解副產物。保持沿UV光偏振方向筆 直延伸的主鏈促進LC分子的取向。
[0021] 在本公開中，將環(huán)丁烷用作sPI材料中包含的光分解性物質的實例。然而，應該理 解在sPI材料中也可以包括其它光分解性物質，只要所包括的光分解性物質能夠為PI鏈提 供與由含有環(huán)丁烷的sPI得到的PI鏈相當的分子量。
[0022] 在環(huán)丁烷有利于在取向膜中提供各向異性的同時，其傾向于在UV照射后增加所得 取向膜的體積電阻。取向膜的不希望的高電壓保持率導致在向LC施加電壓以后殘留DC的低 放電速率，進而導致DC圖像殘留問題。
[0023] 在這方面，本公開內容的發(fā)明人認識到，取向膜可以形成多層結構以使錨固力最 大化而沒有DC圖像殘留問題。即，更靠近液晶層的取向膜的第一部分比布置為遠離液晶層 的第二部分具有更高的分子量。另外，第一部分包含環(huán)丁烷，而第二部分不包含環(huán)丁烷。這 樣，取向膜的第一部分可以通過高酰亞胺化率和其中聚酰亞胺的高平均分子量來提供改善 的錨固力。取向膜的第二部分可提供低體積電阻率，用作放電路徑以實現取向膜的更快DC 放電能力。
[0024]在取向膜前體中包含sPI所涉及的另一個問題是在UV照射過程中主聚合物鏈裂解 產生的裂解副產物的大分子量。裂解副產物是指對取向膜的各向異性沒有貢獻的聚酰亞胺 鏈的裂解部分。殘留在取向膜中的裂解副產物導致的各種不希望的影響可能會由于裂解副 產物的大分子量而愈演愈烈，尤其是在采用負介電各向異性LC的LCD裝置中。
[0025]有鑒于此，在取向膜上可以使用能夠除去大分子量副產物而不破壞聚酰亞胺的主 鏈的有機溶劑進行大分子量裂解副產物去除過程。在無大分子量裂解副產物的情況下，可 以為負介電各向異性LCD裝置提供具有改善的錨固力和改善的DC放電能力的多層結構取向 膜。
[0026]因此，本發(fā)明的一個方面涉及具有新型取向膜的LCD裝置，所述新型取向膜包括各 自具有彼此不同特性的第一部分和第二部分。在一個實施方式中，LCD裝置包括用于產生電 場以控制液晶分子的共用電極和像素電極。這些電極形成在第一基板或第二基板任一之 上。第一和第二基板各自具有形成于其上的取向膜，并且負介電各向異性液晶層插入兩個 基板的取向膜之間?；迳系闹辽僖粋€取向膜由包括sPI的前體形成。因此，由包括sPI的前