專利名稱：雙折射光學(xué)元件、具有雙折射光學(xué)元件的lcd裝置和雙折射光學(xué)元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙折射光學(xué)元件。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于光學(xué)雙折射聚合物的制造方法。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括液晶盒的液晶顯示器(LCD)裝置，該液晶盒具有包括這種雙折射光學(xué)元件的延遲器層。
背景技術(shù)：
液晶顯示器(LCD)日益成為廣泛應(yīng)用中選擇的顯示器，如電視接收機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、手持和自動(dòng)裝置。
LCD的工作基于在包括液晶材料的有源層的液晶(LC)盒中的光調(diào)制，該盒夾在前基板和后基板中間。通過(guò)在有源層兩端施加電場(chǎng)，對(duì)穿過(guò)LC材料層的光進(jìn)行調(diào)制。
LCD通?？稍趦煞N模式的一種或兩種模式下工作，這兩種模式即透射模式和反射模式。在透射LCD中，LC層調(diào)制由背面光產(chǎn)生的光。透射LCD的固有缺陷是光學(xué)特性對(duì)視角的依賴性，視角即觀察者觀察顯示器時(shí)的角度。特別是以傾斜的視角觀察時(shí)，所顯示的圖像的對(duì)比度比減小，并且該顯示圖像的灰度等級(jí)反轉(zhuǎn)。
在反射LCD中，LC層調(diào)制環(huán)境光，且該環(huán)境光朝觀察者反射回來(lái)。但是，該反射LCD具有相對(duì)有限的亮度和對(duì)比度。
通過(guò)施加顯示光學(xué)雙折射的一個(gè)或多個(gè)層，可提高LCD裝置的光學(xué)特性。在反射LCD中，使用通常所說(shuō)的延遲器層(或箔)?，F(xiàn)今在例如用于手持裝置和移動(dòng)式電話中的反射或透射LCD板中使用延遲器層是很常見的。通常這種裝置中采用的延遲器層的一個(gè)例子是四分之一波長(zhǎng)延遲器，由線偏振光形成圓偏振光，反之亦然。
按照慣例，該延遲器在LC盒外部形成。那么延遲器厚度d決定延遲，因此依照所需的延遲選擇補(bǔ)償層的厚度。光學(xué)有源層必須夾在保護(hù)層中間，或者施加于載體薄板(carrier sheet)上。這樣形成的光學(xué)元件粘到LC盒的基板上。因此，LCD裝置變?yōu)椴幌Ｍ暮?，并且由于視差而限制了其光學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙折射光學(xué)元件，可以相對(duì)較高精度地確定其雙折射。光學(xué)雙折射Δn通常規(guī)定為材料在尋常光方向和異常光方向的折射率之差。
借助于根據(jù)如獨(dú)立權(quán)利要求1中說(shuō)明的本發(fā)明的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)上述目的。在從屬權(quán)利要求2-9中列出該光學(xué)元件的更加有利的實(shí)施例。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于雙折射聚合物的制造方法，在該制造方法中可以特別適當(dāng)?shù)乜刂扑圃斓木酆衔锏碾p折射。
借助于如獨(dú)立權(quán)利要求10中說(shuō)明的方法實(shí)現(xiàn)上述目的。在從屬權(quán)利要求11-14中描述了該方法的更加有利的實(shí)施例。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種具有延遲箔的液晶顯示器(LCD)裝置，該裝置具有相對(duì)較好的光學(xué)性能。
借助于如獨(dú)立權(quán)利要求15中說(shuō)明的LCD裝置實(shí)現(xiàn)上述目的。在從屬權(quán)利要求16-19中描述了該LCD裝置的更加有利的實(shí)施例。
因此，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件具有帶非扭轉(zhuǎn)向列相或近晶相的液晶化合物和至少以反式存在的可光致異構(gòu)化(photo-isomerizable)的化合物。該光學(xué)元件的雙折射取決于該可光致異構(gòu)化的化合物的順?lè)幢?，即，取決于混合物中順式的量與反式的量之比。
本發(fā)明尤其基于以下認(rèn)識(shí)，即可光致異構(gòu)化的化合物的異構(gòu)化可有利地用于設(shè)置包括所述化合物的聚合混合物的光學(xué)雙折射Δn。如從公式(1)顯而易見的，改變光學(xué)雙折射Δn影響由這種聚合物形成的層的延遲R。
在該制造方法中，首先使液晶化合物和可光致異構(gòu)化的化合物的混合物取向，從而使這些混合物的分子導(dǎo)向器(director)基本上沿同一個(gè)方向排列。因此，取向的混合物顯示相對(duì)較高的偏振各向異性和高的秩序參數(shù)(order parameter)。
液晶材料的秩序參數(shù)S規(guī)定為S=12<3cos2Θ-1>---(1)]]>其中Θ代表分子的導(dǎo)向器和法向矢量之間的角度。對(duì)于各向同性材料來(lái)說(shuō)S＝0，秩序參數(shù)S＝1表示精確取向，即基本上每個(gè)分子的軸都與法向矢量取向。
例如借助于基板摩擦(rubbing)、光致取向或離子束取向來(lái)進(jìn)行該取向步驟。優(yōu)選的是，取向是平面的，但是如果需要具有傾斜光軸的光學(xué)元件，那么應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的取向。
優(yōu)選的是，該混合物的可光致異構(gòu)化的化合物也具有非扭轉(zhuǎn)向列相或近晶相。在這種情況下，混合物的偏振各向異性和秩序參數(shù)特別高。
任選的是，可光致異構(gòu)化的化合物和液晶化合物是相同的材料，即可以很容易地使用具有可光致異構(gòu)化基的單一液晶化合物。
對(duì)于適合于供本發(fā)明使用的混合物，當(dāng)該混合物的可光致異構(gòu)化的化合物基本上僅僅包括E-異構(gòu)體(反式)時(shí)，偏振各向異性以及因此光學(xué)雙折射Δn具有其最高值。這是該混合物在根據(jù)本發(fā)明的制造方法的取向步驟之后的優(yōu)選構(gòu)造。
然后，借助于變換步驟來(lái)改變?cè)摶旌衔锏墓鈱W(xué)性質(zhì)，由此發(fā)生光致異構(gòu)化。特別是，異構(gòu)化改變混合物的偏振各向異性。在上下文中，如該專利申請(qǐng)中使用的動(dòng)詞“變換”應(yīng)該理解為允許發(fā)生異構(gòu)化，由此通常將至少部分可光致異構(gòu)化的化合物從E-異構(gòu)體變?yōu)閆-異構(gòu)體(順式)。這種變換通常受到利用電磁輻射輻照可光致異構(gòu)化的化合物的影響，所述電磁輻射優(yōu)選是UV光。優(yōu)選的是，當(dāng)Z-異構(gòu)體和E-異構(gòu)體的量之間的順?lè)幢仍龃髸r(shí)偏振各向異性減小。
接著，借助于混合物的聚合和/或交聯(lián)來(lái)固定改變的光學(xué)性質(zhì)。獲得的聚合物具有光學(xué)雙折射Δn，并可用作雙折射光學(xué)元件。
假定通過(guò)與E-異構(gòu)體分子相比Z-異構(gòu)體分子的更加弧形的形狀引起偏振各向異性的變化。通過(guò)將可光致異構(gòu)化的化合物的Z-異構(gòu)體引入到混合物中來(lái)破壞該混合物的秩序。通常，假定引入Z-異構(gòu)體導(dǎo)致偏振各向異性減小。優(yōu)選的是，可光致異構(gòu)化的化合物中的至少20％是以Z-異構(gòu)體的形式，即順?lè)幢戎辽贋?.25。在這種情況下，偏振各向異性的減小是明顯的。
但是，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明依賴于附加的效果。即，在照射時(shí)該混合物的清除溫度(clearing temperature)降低。該清除溫度是偏振完全變?yōu)楦飨蛲詴r(shí)所處的溫度。通過(guò)等溫異構(gòu)化降低該系統(tǒng)的秩序參數(shù)S，因?yàn)樵撝刃騾?shù)尤其是清除溫度的函數(shù)。除了偏振各向異性改變之外還產(chǎn)生這種效果。
通過(guò)選擇進(jìn)行光致異構(gòu)化的溫度從而使上述兩種效果結(jié)合出現(xiàn)，發(fā)明人已經(jīng)出乎意料地獲得光學(xué)雙折射的較大變化。
在優(yōu)選實(shí)施例中，除了光致異構(gòu)化之外還發(fā)生部分混合物的環(huán)加成，這進(jìn)一步影響光學(xué)雙折射。
在等溫異構(gòu)化過(guò)程中，雙折射直接取決于照射時(shí)間。通常，雙折射按照分鐘的時(shí)間比例逐漸減小。并且，聚合物的雙折射和制造的光學(xué)元件的延遲得到特別適當(dāng)?shù)乜刂?，并能夠以相?duì)較高精度確定雙折射值。
利用具有烯烴基即不飽和碳?xì)浠衔锘目晒庵庐悩?gòu)化的化合物獲得良好的結(jié)果。優(yōu)選的是，烯烴基是肉桂酸酯化合物。該肉桂酸酯化合物可進(jìn)一步具有芳族基，或者優(yōu)選具有提供較高溫度穩(wěn)定性的脂環(huán)基。作為一種可替換的可光致異構(gòu)化的化合物，可以使用1，2二苯乙烯。
該加工過(guò)程應(yīng)該在比可光致異構(gòu)化的化合物的E-異構(gòu)體的清除溫度(在

圖1中用Tc1表示)更低的溫度進(jìn)行，對(duì)于更高的加工溫度，甚至在開始從E-異構(gòu)體向Z-異構(gòu)體變換之前，混合物的秩序參數(shù)和光學(xué)雙折射已經(jīng)是零。
優(yōu)選的是，加工溫度比E-異構(gòu)體的清除溫度低0和50度之間。
對(duì)于比該清除溫度低50度以上的過(guò)程的溫度，混合物清除溫度降低的有益效果比較不顯著，光學(xué)雙折射的變化最主要由偏振各向異性的變化決定。這是圖1中溫度Ta的例子。但是，當(dāng)清除溫度具有相對(duì)較高的值時(shí)，如200或300攝氏度，比清除溫度低50度以上的加工溫度可能是有用的。
更優(yōu)選的是，加工溫度比E-異構(gòu)體的清除溫度低20和40度之間。圖1中溫度Tb的例子應(yīng)該被認(rèn)為是包含在該加工溫度范圍內(nèi)。在這種情況下，在開始異構(gòu)化步驟之前，該混合物的光學(xué)雙折射相對(duì)較高，在該異構(gòu)化過(guò)程中可獲得雙折射的最大變化。
例如，清除溫度大約為70攝氏度，加工溫度大約為35或40攝氏度。在該例子中，可通過(guò)選擇照射時(shí)間適當(dāng)?shù)乜刂齐p折射，所需的加工溫度僅僅略高于室溫。
優(yōu)選的是，在含氧的大氣中進(jìn)行該變換步驟。氧的存在抑制了由照射引起的預(yù)聚合和/或混合物的交聯(lián)。因此，光致異構(gòu)化是主要的過(guò)程。
制造的雙折射光學(xué)元件特別適合于以層的形式尤其用在LCD裝置中。使用這種層在本領(lǐng)域是公知的。例如，在反射LCD中，使用四分之一波長(zhǎng)延遲器來(lái)將圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，反之亦然。
這種層也可以用作透射LCD中的補(bǔ)償箔，以提高該設(shè)備的這種的視角性質(zhì)。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和膝上型電腦的面板通常都采用這種補(bǔ)償箔。
雙折射層的延遲R由下面的公式給出R＝dΔn (2)其中d是延遲器層的厚度，Δn是延遲器材料的光學(xué)雙折射。
為了制造LCD裝置中的延遲器層或補(bǔ)償箔，優(yōu)選在LCD裝置中的表面上提供一層該混合物。更優(yōu)選的是，當(dāng)為了可能的最好的光學(xué)性能時(shí)，在液晶盒中設(shè)置該延遲器層。那么，例如在前基板的表面上提供該延遲器，所述表面面對(duì)有源層。在彩色LCD裝置中，其可以直接施加于面向有源層的那一側(cè)的濾色器上。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法在混合物層上進(jìn)行。該層的厚度是已知的，在根據(jù)本發(fā)明的方法中可以特別適當(dāng)?shù)乜刂齐p折射，從而獲得延遲器層，其延遲非常精確地匹配所需的延遲。這樣，該延遲可以與液晶盒的光學(xué)模式盡可能好地匹配。
可替換的是，延遲器層可以與液晶盒分開制造，隨后將其粘在該盒的基板上。
根據(jù)本發(fā)明，混合物的照明可以是均勻的或不均勻的。在后一種情況下，混合物的不同部分接受不同的輻照量。因此，可光致異構(gòu)化的化合物的順式和反式之比可以在制造的光學(xué)元件中改變，導(dǎo)致雙折射的差異。
例如，混合物層的不同表面區(qū)域接收不同量的光，因此在聚合和/或交聯(lián)之后，形成表面區(qū)域具有光學(xué)雙折射的不同值的雙折射聚合物層。
優(yōu)選的是，利用對(duì)于所用輻射具有不同透射率部分的帶圖案的掩模來(lái)實(shí)現(xiàn)這種非均勻照明。通過(guò)帶圖案的掩模照射該混合物層，隨后使該層交聯(lián)和/或聚合，可以制造具有與該掩模類似圖案的層。發(fā)明人已經(jīng)成功地制造出區(qū)域大小為100微米的帶圖案的延遲器層，但是利用根據(jù)本發(fā)明的方法形成具有甚至更高分辨率的圖案應(yīng)該是可行的。
該區(qū)域大小可與液晶盒的圖像元素的尺寸相比。因此，通過(guò)將帶圖案的延遲器層的區(qū)域與LCD裝置的(子)像素相聯(lián)系可將具有這種構(gòu)圖的延遲器層有利地用在LCD中。由于該帶圖案的延遲器層可施加于液晶盒內(nèi)部，因此這不會(huì)導(dǎo)致LCD的視差效應(yīng)。帶圖案的延遲器層提供了LCD裝置的特別好的光學(xué)性能。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該LCD裝置是包括濾色器的彩色LCD裝置，該濾色器包括許多區(qū)域，這些區(qū)域設(shè)置為用于由所產(chǎn)生的光形成與區(qū)域?qū)?yīng)的一種原色的光，帶圖案的延遲器層的每個(gè)部分都與一種原色相關(guān)聯(lián)。
延遲器的工作通常取決于延遲R和入射光的波長(zhǎng)λ之比。對(duì)于良好的性能來(lái)說(shuō)，延遲應(yīng)該與該波長(zhǎng)匹配。例如，如果延遲是550nm/4＝138nm，那么延遲箔是與綠光(550nm)的波長(zhǎng)匹配的四分之一波長(zhǎng)(λ/4)延遲器。在這種情況下，該延遲箔為綠光提供良好的對(duì)比度和亮度，但是其對(duì)于紅光和藍(lán)光的性能較差。
優(yōu)選的是，一部分帶圖案的延遲器層的延遲因此取決于相關(guān)聯(lián)的原色光的波長(zhǎng)。如果帶圖案的延遲器的每部分都與一種原色相匹配，那么所有原色的亮度和對(duì)比度都盡可能的好。
更優(yōu)選的是，每個(gè)部分都充當(dāng)與該部分相關(guān)聯(lián)的原色光的四分之一波長(zhǎng)(λ/4)延遲器。
可以利用根據(jù)本發(fā)明的方法制造這種延遲器，可以對(duì)其進(jìn)行控制從而使取向的混合物的各個(gè)部分接收不同的輻射量。這樣，每一部分的雙折射變得不同。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚合和/或交聯(lián)，由此固定不同的雙折射值，并獲得帶圖案的延遲器層。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，LCD裝置是透射LCD裝置，所述LCD裝置的液晶盒包括反射部分和透射部分，一部分帶圖案的延遲器層與所述反射部分相關(guān)聯(lián)，一部分帶圖案的延遲器層與所述透射部分相關(guān)聯(lián)。例如，該帶圖案的延遲器對(duì)反射部分具有四分之一波長(zhǎng)(λ/4)延遲器，對(duì)于透射部分具有零延遲。
在申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2003/019276中公開了具有類似結(jié)構(gòu)的透射LCD。
也可以將這些優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合，得到彩色的半透半反式(transflective)LCD，其中使用的延遲器層對(duì)于彩色子像素的透射部分具有零延遲，對(duì)于彩色子像素的反射部分具有四分之一波長(zhǎng)(λ/4)延遲，該四分之一波長(zhǎng)延遲與對(duì)應(yīng)的原色光的波長(zhǎng)相匹配。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將參照公開的附圖進(jìn)一步解釋本發(fā)明，這些圖是示意性而不是按比例繪制的。在圖中圖1是接收不同輻射量的混合物的秩序參數(shù)比溫度的相圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的LCD裝置的第一實(shí)施例；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的制造過(guò)程的第一實(shí)施例；圖4是根據(jù)本發(fā)明的LCD裝置的第二實(shí)施例；圖5A和5B顯示特別適合于用作本發(fā)明中的可光致異構(gòu)化的化合物的液晶肉桂酸混合物，以及圖6A和6B顯示借助于本發(fā)明的過(guò)程制造的帶圖案的延遲器層的照片。
發(fā)明詳述首先參照?qǐng)D1進(jìn)一步解釋在變換步驟中出現(xiàn)的組合效果，即通過(guò)可光致異構(gòu)化的化合物的異構(gòu)化使偏振各向異性降低，秩序參數(shù)減小，其中，對(duì)照(against)系統(tǒng)的溫度繪制混合物的秩序參數(shù)。
由A表示的曲線代表在取向步驟之后的非照射混合物，其中可光致異構(gòu)化的化合物基本上完全處于其反式。與在其反式中的可光致異構(gòu)化的化合物取向的混合物具有可達(dá)到的最高偏振各向異性和最高清除溫度Tc1。照射該混合物使得該可光致異構(gòu)化的化合物的異構(gòu)化。這樣，部分所述化合物變換為順式。由B、C和D表示的曲線代表接收按此順序增大的輻射量的混合物。這樣，由B表示的曲線的照射時(shí)間最短，由D表示的曲線其照射時(shí)間最長(zhǎng)。
在相對(duì)于遠(yuǎn)離E-異構(gòu)體的清除溫度Tc1的溫度，通過(guò)照射混合物很難影響光學(xué)雙折射。例如在溫度Ta，曲線A到D的光學(xué)雙折射在彼此的10％之內(nèi)。
但是，對(duì)于照射的混合物來(lái)說(shuō)，清除溫度已經(jīng)降低。由曲線B表示的混合物的清除溫度Tc2低于E-異構(gòu)體的清除溫度Tc1，由曲線C表示的混合物的清除溫度Tc3又低于Tc2，由曲線D表示的最長(zhǎng)照射的混合物的清除溫度Tc4又低于Tc3。
例如，對(duì)于加工溫度Tb，在圖1中可以看到，照射之前的光學(xué)雙折射是Δn1，通過(guò)照射該混合物并因此變換可光致異構(gòu)化的化合物來(lái)降低光學(xué)雙折射。
在該例子中，由曲線B表示的混合物的光學(xué)雙折射是Δn2，由曲線C表示的混合物的光學(xué)雙折射是Δn3。選擇溫度Tb高于由曲線D表示的混合物的清除溫度Tc4，因此在這種情況下發(fā)生各向同性轉(zhuǎn)變。因此光學(xué)雙折射為零。
當(dāng)可光致異構(gòu)化的化合物完全是反式時(shí)，清除溫度Tc1例如大約為70攝氏度，合適的加工溫度Tb例如是35或40攝氏度。
在下文中解釋執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的制造方法的特定實(shí)施例。
實(shí)施例1通過(guò)在70℃的溫度將0.5克1，4-二(4，(3-丙烯酰基氧基丙氧基)-苯甲酸基)-2-甲苯(Merck)、0.5克4-(6-丙烯?；趸?己氧基)-2-甲基-苯基-4-(6-丙烯酰氧基己氧基)肉硅酸酯、0.05克Ciba Geigy、Switzerland的Irgacure 651(α，α-二甲氧基脫氧苯偶姻)和0.05克含100ppm抑制劑的(2-正-乙基全氟代-辛烷亞磺酰氨基)-乙基丙烯酸酯溶解于4克二甲苯中來(lái)制成活性液晶混合物。
1，4-二(4，(3-丙烯?；趸趸?-苯甲酸基)-2-甲苯是活性液晶單體。
4-(6-丙烯?；趸?己氧基)-2-甲基-苯基-4-(6-丙烯酰氧基己氧基)肉硅酸酯是光致異構(gòu)化的活性液晶單體。圖5A中示出處于反式的該化合物，在該圖中以及在下面的文字中稱作“1543”。
而且，該混合物包括光敏引發(fā)劑、Irgacure 651和表面活性劑以獲得液晶單體，(2-正-乙基全氟代-辛烷亞磺酸氨基)-丙烯酸乙酯的平面取向，其在商業(yè)上可從Across獲得。
該混合物旋涂在取向?qū)拥捻敳浚蔀橥康?rubbed)聚酰亞胺。以1000rpm旋涂30秒，隨后以3000rpm再旋涂30秒。涂的聚酰亞胺沿擦的方向在LC單體的單域中形成平面取向。獲得LC單體的最大秩序參數(shù)，產(chǎn)生大約100nm的延遲。
隨后通過(guò)在空氣中暴露于波長(zhǎng)為365nm的UV光的掩模使該秩序參數(shù)呈圖案的樣子減少(HPA燈，4mW/cm2)。曝光過(guò)程中的溫度大約為35-40℃。輻照持續(xù)大約20分鐘。
借助于利用UV光進(jìn)行輻照，使1543肉桂酸酯化合物異構(gòu)化。氧的存在抑制了任何聚合，允許僅僅發(fā)生異構(gòu)化。
結(jié)果，在該混合物中，通過(guò)引入肉桂酸酯化合物的順式破壞了液晶原(mesogens)的秩序，在該例子化合物中是可光致異構(gòu)化的化合物。
此外，并且很可能是作為定向損失(orientation loss)的最重要的參數(shù)，清除溫度如圖1中所示降低，在該實(shí)施例中從75℃到50℃。由于清除溫度的逐漸變化，可以用曝光時(shí)間高精度地控制混合物的雙折射。如果希望延遲值是零，那么應(yīng)該繼續(xù)輻照更長(zhǎng)時(shí)間，直到達(dá)到各向同性狀態(tài)。那么，清除溫度變?yōu)榈陀趫?zhí)行該方法所處的溫度。
最后，通過(guò)在氮?dú)鈱酉峦ㄟ^(guò)UV曝光10分鐘來(lái)永久地固定在曝光和未曝光部分中所獲得的秩序。由于快速的光致聚合方法，在該步驟中施加的UV光對(duì)光學(xué)性質(zhì)沒(méi)有顯著的影響。如有必要，光致聚合后面可以有另一個(gè)熱異構(gòu)化。
最后獲得的結(jié)構(gòu)是帶圖案的雙折射層，具有測(cè)得的不同雙折射值的多個(gè)區(qū)域。層的圖案與掩模曝光過(guò)程中所施加的掩模的圖案相匹配。
實(shí)施例2-8制備與實(shí)施例1中相類似的混合物，其中用圖5B中所示處于其反式的1602肉桂酸酯化合物代替1543肉桂酸酯化合物。用1602化合物的脂環(huán)基取代1543化合物的芳族基。
在實(shí)施例2至8的每個(gè)實(shí)施例中，在取向之后對(duì)具有1602肉桂酸酯化合物的混合物輻照不同的輻照時(shí)間。輻照的混合物按照與實(shí)施例1類似的方式聚合。
對(duì)獲得的延遲和在輻照的混合物中的順式(Z-異構(gòu)體)的量進(jìn)行測(cè)量。表1中給出結(jié)果。延遲也取決于通過(guò)上文中陳述的通過(guò)旋涂條件適當(dāng)定的層厚度。
表1

可以看到在輻照時(shí)間的范圍內(nèi)延遲逐漸減小。從171nm的初始值，利用該混合物組成成分、層厚度和輻射強(qiáng)度，30分鐘之后獲得各向同性混合物。
按照這種方式制造的雙折射光學(xué)元件特別適用于液晶顯示器中。雙折射材料的層可用作反射LCD中的延遲器層，或者用作透射LCD中的補(bǔ)償箔。圖2中示出用于LCD的液晶盒的第一實(shí)施例。該LCD裝置進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備，圖中未示出該驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備。要注意，附圖僅僅示出一個(gè)彩色像素，即三原色子像素，而實(shí)際的液晶顯示器具有大量像素，例如320×240個(gè)彩色像素，由此具有960×240個(gè)子像素。
這里說(shuō)明的LC盒是基于扭轉(zhuǎn)向列(TN)效應(yīng)的反射盒?？赏ㄟ^(guò)在反射電極215和透射電極216兩端施加電壓差而垂直于液晶(LC)層230施加電場(chǎng)，所述電極通常是氧化銦錫(ITO)電極。
當(dāng)施加零電壓或最小驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，入射到該裝置上的非偏振環(huán)境光在進(jìn)入LC層230之前穿過(guò)基板211上的線偏振器213、濾色器220和λ/4延遲器層201。濾色器220有選擇性地允許不同原色的線偏振光穿過(guò)與該原色相關(guān)聯(lián)的濾色器區(qū)域(由圖中的R、G和B表示)。
這樣，獲得分離成各個(gè)原色的線偏振光。然后該線偏振光在進(jìn)入LC層230之前由延遲器層201使其變成圓偏振。在LC層230的另一側(cè)，包括所謂內(nèi)部漫射反射器(IDR)的反射電極215設(shè)置為將穿過(guò)LC層230的入射光向回朝觀察者反射和漫射。
液晶分子的初始扭轉(zhuǎn)角例如是90度。不施加任何電壓時(shí)，扭轉(zhuǎn)的LC層230使圓偏振光在到達(dá)延遲器215時(shí)變?yōu)榫€偏振光。然后該光反射回來(lái)，當(dāng)其到達(dá)λ/4延遲器201時(shí)重新回到其原始的圓偏振狀態(tài)。該λ/4延遲器201將圓偏振光變回為具有其原始偏振方向的線偏振光，從而使其能夠穿過(guò)偏振器213并朝觀察者射出該盒。
但是，當(dāng)在電極215和216之間施加最大驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，該液晶盒變?yōu)槠浒祽B(tài)。
液晶分子與所施加的電場(chǎng)取向，這些分子的初始扭轉(zhuǎn)角消失。這樣，從λ/4延遲器201射出的圓偏振光穿過(guò)LC層230，由此有效地經(jīng)歷低雙折射。因此，當(dāng)該光到達(dá)反射器215時(shí)其仍然是圓偏振的。在反射時(shí)，該圓偏振反向，使該光具有相反的圓偏振。當(dāng)該光到達(dá)λ/4延遲器201時(shí)其仍然具有此相反的圓偏振，因此，此時(shí)該λ/4延遲器201將該光變?yōu)槠穹较虼怪庇谠季€偏振方向的線偏振狀態(tài)。這樣，該線偏振光具有與偏振器213的偏振軸垂直的偏振方向，并由偏振器213所吸收。沒(méi)有光從液晶盒射出，因此觀察者觀察到暗態(tài)。
在該實(shí)施例中，延遲器層201是具有三個(gè)區(qū)域202R、202G、202B的帶圖案的延遲器層。在每個(gè)區(qū)域中，四分之一波長(zhǎng)延遲器的延遲都與原色紅、綠、藍(lán)中之一的波長(zhǎng)相匹配。特別是，延遲與鄰近濾色器區(qū)域相關(guān)聯(lián)的原色的波長(zhǎng)相匹配。在下文中，這種結(jié)構(gòu)將稱作“彩色圖案的延遲器層”。
當(dāng)使用具有恒定延遲的延遲器時(shí)，該延遲器通常對(duì)綠光是最優(yōu)的，例如延遲是(550/4)＝138nm。包括這種延遲器的電控雙折射(ECB)型的液晶盒例如對(duì)綠色的對(duì)比度比為17。但是，對(duì)紅色的對(duì)比度比僅僅為7，對(duì)藍(lán)色的對(duì)比度比僅僅為6。該ECB盒包括具有平面取向的非扭轉(zhuǎn)向列液晶材料的有源層。
在根據(jù)本發(fā)明的LCD裝置的第一實(shí)施例中，延遲器層201的延遲適宜于每種原色，即對(duì)綠色區(qū)域202G來(lái)說(shuō)延遲為138nm，對(duì)紅色區(qū)域202R來(lái)說(shuō)延遲為(650/4)＝163nm，對(duì)藍(lán)色區(qū)域202B來(lái)說(shuō)延遲為(450/4)＝112nm。
現(xiàn)在，ECB盒的對(duì)比度比對(duì)所有原色來(lái)說(shuō)都相對(duì)較高。例如，對(duì)綠色的對(duì)比度比仍然為17，但是對(duì)紅色的對(duì)比度比增大為11，對(duì)藍(lán)色的對(duì)比度比增大為9。因此，對(duì)紅色和藍(lán)色子像素來(lái)說(shuō)，獲得的對(duì)比度比增加了50％。
借助于根據(jù)本發(fā)明的方法可以很容易地制造這種彩色圖案的延遲器，其中所用的帶圖案的掩模包括白色區(qū)域(完全透射施加的輻射)、灰色區(qū)域(部分透射/反射)和黑色區(qū)域(完全反射施加的輻射)。
圖3A-3C中說(shuō)明該方法的合適實(shí)施例。將液晶化合物和可光致異構(gòu)化的化合物的混合物的層301旋涂在磨光的基板311上，從而使其取向(圖3A)。該混合物組成成分和旋涂條件與較早闡述的例子中的混合物組成成分和旋涂條件相應(yīng)。
現(xiàn)在，在變換步驟過(guò)程中(圖3B)，層301的不同區(qū)域302R、302G、302B接收施加的UV光的不同輻射量。特別是，對(duì)應(yīng)于紅色的區(qū)域302R基本上不接收輻射，因此在該區(qū)域302R中的可光致異構(gòu)化的化合物基本上保持其反式。為此目的，帶圖案的掩模305的黑色區(qū)域與對(duì)應(yīng)于原色紅色(波長(zhǎng)650nm)的區(qū)域302R相關(guān)聯(lián)。
掩模305的白色區(qū)域與對(duì)應(yīng)于原色藍(lán)色(波長(zhǎng)450nm)的區(qū)域302B相關(guān)聯(lián)。選擇輻射量，使區(qū)域302B中的混合物的雙折射減少大約1.45倍。該掩模的灰色區(qū)域與對(duì)應(yīng)于原色綠色的區(qū)域302G相關(guān)聯(lián)。選擇掩模305的灰色區(qū)域的灰度，使區(qū)域302G只接收部分輻射量，使得在所述區(qū)域302G中的混合物雙折射減少大約1.2倍。
在輻照之后，混合物層301交聯(lián)和聚合(圖3C)?？諝庾?yōu)榈蛘呖商鎿Q地變?yōu)槎栊詺怏w，如氬?，F(xiàn)在借助于大量UV輻照開始光致聚合。該光致聚合方法通常跟隨有熱聚合，在這種情況下，進(jìn)行焙烤步驟，在該焙烤步驟中將層加熱到150攝氏度并持續(xù)大約2小時(shí)。
這樣，能夠僅利用單個(gè)掩模步驟而制造LCD裝置的彩色圖案的延遲器層。在該例子中，使用具有不同透射率的三個(gè)區(qū)域的掩模，這三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于常規(guī)彩色LCD裝置的三原色。但是，通過(guò)利用相應(yīng)數(shù)量的不同折射率的區(qū)域，很容易制造多原色LCD裝置的彩色圖案的延遲器，所述多原色LCD裝置即具有多于三原色的LCD裝置。
一般來(lái)說(shuō)，利用類似的方法，可以設(shè)想具有任何所需構(gòu)圖的延遲器層，其中不同區(qū)域的雙折射可在相對(duì)較大的范圍內(nèi)變化。在延遲器層的情況下，不同區(qū)域的層厚度基本上是相同的。不同區(qū)域的不同延遲主要由不同雙折射值來(lái)確定。
具有進(jìn)一步改進(jìn)的對(duì)比度比的四分之一波長(zhǎng)延遲器的例子是基于已經(jīng)公知了幾十年的寬帶四分之一波長(zhǎng)延遲器[S.Pancharatnam，Proc.Indian Ac.Sci.XLI，no.4，sec.A(1955)]。
寬帶四分之一延遲器包括其光軸相對(duì)于偏振器方向成15°的半波片和光軸相對(duì)于偏振器方向成75°的四分之一波長(zhǎng)延遲器的組合。在這種情況下，暗態(tài)的漏損與單個(gè)四分之一波長(zhǎng)延遲器相比已經(jīng)大大減小。包括這種寬帶延遲器的ECB盒例如對(duì)綠色的對(duì)比度比為155，而對(duì)紅色的對(duì)比度比可能僅為60，對(duì)藍(lán)色的對(duì)比度比可能為46。
同樣在該例子中，通過(guò)為每個(gè)彩色子像素優(yōu)化半波長(zhǎng)延遲器和四分之一波長(zhǎng)延遲器的延遲值來(lái)增大對(duì)比度。通過(guò)修改對(duì)每種原色的延遲，對(duì)綠色來(lái)說(shuō)對(duì)比度比仍然為155，但是對(duì)紅色來(lái)說(shuō)對(duì)比度比增大到107，對(duì)藍(lán)色來(lái)說(shuō)對(duì)比度比增大到88。
LCD裝置的第二實(shí)施例具有所說(shuō)的半反半透液晶盒，在圖4中示出。該半反半透LC盒包括反射部分和透射部分，該透射部分通常裝入反射部分中。圖4示出半反半透LC盒的一個(gè)原色子像素(在這種情況下是綠色)。反射部分的工作與第一實(shí)施例中LC盒反射部分的工作類似。反射器415設(shè)置在平面層418的頂部，其使得對(duì)于反射和透射部分而言該LC盒的盒間隙不同。此外，這些部分的光學(xué)性質(zhì)能夠適當(dāng)?shù)仄ヅ洹?br> 對(duì)于透射部分來(lái)說(shuō)，來(lái)自背面光440的光入射在LCD裝置上，并通過(guò)其偏振軸垂直于前偏振器413偏振軸的后偏振器414發(fā)生線偏振。該線偏振光然后穿過(guò)基板412進(jìn)入液晶層430中。該層例如具有90度的扭轉(zhuǎn)，因此該線偏振光的偏振矢量在LC層430中旋轉(zhuǎn)90度。該光然后穿過(guò)延遲器層401、濾色器420和前基板411。由于LC層430的扭轉(zhuǎn)角，現(xiàn)在該線偏振光的偏振矢量與前偏振器413的偏振軸匹配。因此，該線偏振光能夠穿過(guò)偏振器413，并從該液晶盒朝觀察者射出。
取而代之的是，如果垂直于LC層430施加電場(chǎng)(圖中未示出電極)，那么LC層430不會(huì)使從后偏振器414射出的線偏振光的偏振矢量旋轉(zhuǎn)。這樣，該線偏振光的偏振矢量垂直于前偏振器413的偏振軸，并因此該光被前偏振器413阻擋。
對(duì)于透射部分來(lái)說(shuō)，在這種情況下不需要雙折射層。因此，盒內(nèi)的延遲器層401是帶圖案的延遲器層，其具有帶λ/4延遲的反射部分403R和各向同性即具有零延遲的透射部分403T。
借助于根據(jù)本發(fā)明的制造方法可以很容易獲得這種結(jié)構(gòu)。在取向步驟之后，遮住延遲器層401的反射部分403R，并輻照透射部分403T，使得發(fā)生光致異構(gòu)化。繼續(xù)輻照，直到透射部分403T中混合物的清除溫度降低到加工溫度下面。那么該混合物的該部分變?yōu)楦飨蛲裕柚诰酆虾?或交聯(lián)再次固定延遲器層401的圖案形成。
為了證明其可行性，在交叉的偏振器之間放置這種結(jié)構(gòu)，并從后面照射該結(jié)構(gòu)。在這種情況下，透射部分403T吸收所有入射光，反射部分403R透射一部分入射光。圖6示出其照片，該結(jié)構(gòu)的圖案尺寸為1mm(圖6A)和100μm(圖6B)。
在LC盒的第二實(shí)施例中，可替換的是，補(bǔ)償箔可粘到背面光一側(cè)上的基板412上，透射部分403T可具有非零延遲。
這些附圖都是示意性的，且并沒(méi)有按照比例繪制。盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明不應(yīng)解釋為限于這些優(yōu)選實(shí)施例。而是，本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠進(jìn)行的所有變化。在本專利申請(qǐng)中公開的雙折射光學(xué)元件的使用并不限于LCD裝置，可以設(shè)想其包括使用雙折射元件的任何光學(xué)系統(tǒng)。
總之，公開了一種雙折射光學(xué)元件，其包括液晶化合物和可光致異構(gòu)化的化合物的聚合和/或交聯(lián)混合物(301)。通過(guò)操縱所述混合物的秩序參數(shù)和偏振各向異性可以高精度地確定該元件的雙折射。為此目的，在制造過(guò)程中優(yōu)選借助于輻照將可光致異構(gòu)化的化合物從反式變換為順式。優(yōu)選的是，該可光致異構(gòu)化的化合物是肉桂酸酯化合物。在輻照之后使輻照的混合物聚合和/或交聯(lián)。優(yōu)選通過(guò)灰度掩模(305)進(jìn)行輻照，從而規(guī)定混合物(301)中的部分(302R、302G、302B)獲得不同的雙折射值。該方法例如適合于制造液晶顯示器(LCD)裝置的液晶盒內(nèi)部的延遲器層或補(bǔ)償箔，特別適合于制造帶圖案的延遲器層，所述延遲器層具有與彩色LCD裝置的原色相關(guān)聯(lián)的，具有不同延遲的部分。
權(quán)利要求
1.一種雙折射光學(xué)元件，包括下列化合物的交聯(lián)和/或聚合混合物具有非扭轉(zhuǎn)向列相或近晶相的液晶化合物，以及可光致異構(gòu)化的化合物，至少一種該化合物包括可聚合的基，其中，該可光致異構(gòu)化的化合物至少以反式存在，雙折射值取決于該可光致異構(gòu)化的化合物的順?lè)幢取?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該雙折射值基本上隨該順?lè)幢鹊脑龃蠖鴾p小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中借助于進(jìn)一步影響該雙折射值的環(huán)加成過(guò)程對(duì)部分該可光致異構(gòu)化的化合物進(jìn)行變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中順?lè)幢戎辽贋?.25。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該可光致異構(gòu)化的化合物具有非扭轉(zhuǎn)向列相或近晶相。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該可光致異構(gòu)化的化合物和該液晶化合物是相同的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5的光學(xué)元件，其中該可光致異構(gòu)化的化合物包括烯屬基。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)元件，其中該可光致異構(gòu)化的化合物是肉桂酸酯化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)元件，其中該肉桂酸酯化合物進(jìn)一步包括芳族基或脂環(huán)基。
10.一種用于光學(xué)雙折射聚合物的制造方法，包括以下步驟提供具有非扭轉(zhuǎn)向列相或近晶相的液晶化合物和可光致異構(gòu)化的化合物的混合物(301)，至少一種該化合物包括可聚合的基；使該混合物(301)取向；使該可光致異構(gòu)化的化合物在比該可光致異構(gòu)化的化合物的反式清除溫度更低的溫度處進(jìn)行變換；在該變換步驟之后使該混合物(301)交聯(lián)和/或聚合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中在比該可光致異構(gòu)化的化合物的E-異構(gòu)體清除溫度低0和50度之間的溫度處進(jìn)行該變換步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的制造方法，其中在比該可光致異構(gòu)化的化合物的E-異構(gòu)體清除溫度低20和40度之間的溫度處進(jìn)行該變換步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中使該可光致異構(gòu)化的化合物變換的步驟包括通過(guò)帶圖案的掩模(305)輻照該混合物，所述掩模對(duì)于所用輻射具有不同透射率的多個(gè)部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中在含氧的環(huán)境下進(jìn)行該變換步驟。
15.一種液晶顯示器(LCD)裝置，包括用于容納并有選擇性地透射入射光的液晶盒，所述盒夾在前基板(211；411)和后基板(212；412)中間，其中所述LCD裝置進(jìn)一步包括延遲器層(201；401)，該延遲器層包括根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的雙折射光學(xué)元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的LCD裝置，其中該延遲器層(201；401)是帶圖案的延遲器層，其包括多個(gè)部分(202R，403R，403T)，每個(gè)部分都具有不同的光學(xué)雙折射。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的LCD裝置，其中該LCD裝置是彩色LCD裝置，包括濾色器(220)，該濾色器具有多個(gè)區(qū)域(R，G，B)，設(shè)置為由該入射光形成與此區(qū)域?qū)?yīng)的原色的光，該帶圖案的延遲器層(201)的每個(gè)部分(202R，202G，202B)都與一種原色相關(guān)聯(lián)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的LCD裝置，其中部分該帶圖案的延遲器層的延遲取決于該相關(guān)聯(lián)原色的光的波長(zhǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的LCD裝置，其中該LCD裝置是半反半透LCD裝置，所述LCD裝置的液晶盒包括反射部分和透射部分，該帶圖案的延遲器層(401)的一部分(403R)與所述反射部分相關(guān)聯(lián)，且該帶圖案的延遲器層的一部分(403T)與所述透射部分(401)相關(guān)聯(lián)。
20.肉桂酸酯化合物在制造雙折射光學(xué)元件中的應(yīng)用。
全文摘要
一種雙折射光學(xué)元件，包括液晶化合物和可光致異構(gòu)化的化合物的聚合和/或交聯(lián)混合物(301)。通過(guò)操縱所述混合物的秩序參數(shù)和偏振各向異性可以高精度地確定該元件的雙折射。為此目的，在制造過(guò)程中通過(guò)照射將該可光致異構(gòu)化的化合物從反式變換為順式。優(yōu)選的是，該可光致異構(gòu)化的化合物是肉桂酸酯化合物。輻照之后使受輻照的混合物聚合和/或交聯(lián)。優(yōu)選通過(guò)灰度掩模(305)進(jìn)行輻照，使得規(guī)定該混合物(301)中的多個(gè)部分(302R，302G，302B)獲得不同的雙折射值。該方法例如適合于制造液晶顯示器(LCD)裝置的液晶盒內(nèi)部的延遲器層或補(bǔ)償箔，特別適合于制造帶圖案的延遲器層，所述帶圖案的延遲器層有與彩色LCD裝置的原色相關(guān)聯(lián)的具有不同延遲的多個(gè)部分。
文檔編號(hào)C09K19/46GK1761893SQ200480007581
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月21日
發(fā)明者約翰·呂巴, 比安卡·M·I·范德桑德, 埃米耶爾·佩特斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司