TW201314296A - 藍相液晶及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種藍相液晶的製造方法包含一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內；一降溫步驟，使液晶混合物之溫度下降而到達一藍相之操作溫度，且藍相操作溫度高於藍相與更低溫相的相轉變溫度；以及一重覆步驟，重覆溫度控制步驟與溫度下降步驟。

Description

藍相液晶及其製造方法
本發明係關於一種液晶及其製造方法，特別關於一種藍相液晶及其製造方法。
藍相液晶(Blue phase liquid crystal,BPLC)為一個自聚集的三維光子晶體結構，這液晶相出現在等向相(Isotropic phase)與膽固醇相(Cholesteric phase)之間，但也可以與其他結構液晶混合物組成例中出現，例如層列相液晶或弓型液晶(bend-shape，或稱香蕉型液晶banana-shape)。藍相液晶有著自組裝的3D晶格特性，卻保有流體的本性，且晶格參數易於變更，可有不同的光電特性，是絕佳的可調式光子晶體。
不均勻的藍相液晶會因其布拉格反射受晶格面(Miller index,(h,k,l))影響，形成彩色盤狀(platelet)結構，而無法應用於顯示領域。因此，如何提供一種藍相液晶及其製造方法，能夠達到高均勻性，進而降低驅動電壓、消除磁滯效應並可應用於顯示領域，實為當前重要課題之一。
藍相液晶(Blue phase liquid crystal,BPLC)在降溫長晶的過程中，因為溫度梯度變化以及邊界條件(boundary condition)不同會使得整體的均勻性(uniformity)不同，而均勻性指的是藍相液晶之晶體大小與晶格轉向(orientation,亦指晶格面)。此外，不同晶體轉向之藍相液晶在電場下的電光特性不同，且有磁滯效應(hysteresis)。再者，對藍相液晶應用於顯示技術而言，過高的操作電壓亦是一大問題。
因此本發明之目的為提供一種能夠達到高均勻性，進而降低驅動電壓、消除磁滯效應並可應用於顯示領域之藍相液晶及其製造方法。
為達上述目的，依據本發明之一種藍相液晶的製造方法包含一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內；一降溫步驟，使液晶混合物之溫度下降而到達藍相之一溫度；以及一重覆步驟，重覆溫度控制步驟與溫度下降步驟。
在一實施例中，液晶混合物包含一液晶混合物、一聚合單體及一光起始劑。
在一實施例中，在該降溫步驟中，溫度下降速率介於0℃/分～5℃/分之間，但大於0℃/分。
在一實施例中，藍相液晶的製造方法更包含一起始加熱步驟，將該液晶混合物加熱至該共存溫度範圍內。
在一實施例中，在重覆步驟之後更包含：一聚合步驟，聚合液晶混合物。
為達上述目的，依據本發明之一種藍相液晶的製造方法包含一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相之一溫度；一電場施加步驟，對液晶混合物施加一電場；一電場減少步驟，對液晶混合物減少電場；以及一重覆步驟，重覆電場施加步驟與電場減少步驟。
在一實施例中，電場減少步驟係將該電場完全移除。
在一實施例中，電場施加步驟係施加一第一電場，電場減少步驟係減少電場至一第二電場，第二電場強度小於第一電場強度。
在一實施例中，電場施加步驟對液晶混合物所施加之電場的偏壓係介於藍相液晶中之雙股螺旋柱解構(deconstruction)成膽固醇相之電壓的2倍以下之間。
在一實施例中，溫度控制步驟係將液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內。
在一實施例中，液晶混合物包含一液晶混合物、一聚合單體及一光起始劑。
在一實施例中，電場、第一電場或第二電場係由一上基板與一下基板提供，液晶混合物填充於上基板與下基板之間。
在一實施例中，在重覆步驟之後更包含一聚合步驟，聚合液晶混合物。
為達上述目的，依據本發明之一種藍相液晶，其包含一特定晶格面之液晶，在一單位面積內，特定晶格面之液晶所佔之面積比例介於20%與95%之間。
在一實施例中，特定晶格面為(1 1 0)、或(1 0 0)，但在其他實施例中只要是體心立方(Body-Centered Cubic Crystal Structure，BCC)或是面心立方(Face-Centered Cubic Crystal Structure，FCC)結構可產生的晶格面族均可，在此僅舉(1 1 0)、或(1 0 0)之晶格面為例。
為達上述目的，依據本發明之一種藍相液晶，其反射一特定波段之輻射，在一單位面積內，反射該特定波段之輻射佔整個單位面積之比例介於20%與95%之間。
在一實施例中，在單位面積內，晶體大於10μm且所佔之面積比例係介於20%與95%之間。
承上所述，本發明係利用兩種外力(溫度或電壓)破壞藍相液晶之晶體，再令其為了符合最低自由能的條件重新長晶，而改善其均勻性。第一種方法是控制升降溫的過程來改善藍相液晶的均勻性，主要是利用升溫達藍相(BP)與等向相(Isotropic)共存溫度時，不同晶體轉向會有不同的相變(BP→Isotropic)速率，這些相變區域會成為再次降溫至一藍相操作溫度時重新長晶或晶體擴張的區域，最後較符合此系統之藍相液晶晶體轉向會大致填滿整個空間，此發明即是利用溫度對藍相液晶晶體的破壞與建構來改善其均勻性。利用此方法，經過10次循環升降溫後，晶體大小可放大成原本的4～5倍，若利用0.1℃/min的降溫速率做循環，較大之晶體可例如達到60μm，同晶格轉向之面積可例如高達90%以上。第二種方法是利用電場來對藍相液晶之晶體轉向做選擇。在電場的作用下，只有特定的晶體轉向沒有轉動力矩，其餘的晶體轉向會因力矩的影響轉到沒有力矩的面。但若在多個晶體的條件下，晶體無法轉動，以致轉動力矩會破壞藍相液晶晶體，在放電壓或減少電壓後會長成沒有力矩(或沒有被力矩破壞)的晶體轉向。本發明不僅可以改善藍相液晶之均勻性，更可藉由改善均勻性而消除磁滯效應並降低驅動電壓。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種藍相液晶及其製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖1為本發明第一實施例之藍相液晶之製造方法的步驟圖，其中包含步驟S01～S03。
首先，製造方法包含步驟S01：一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相(blue phase)與等向相(isotropic phase)之一共存溫度範圍內。於此，液晶混合物可包含至少一液晶種類，且液晶可具有旋性(chirality)或無旋性。當該液晶種類的旋性較低或沒有旋性時，液晶混合物可更包含旋性物質(chiral dopant)，以使液晶具有旋性或加強其旋性。另外，液晶混合物可更包含一單體(monomer)與一光起始劑(photo initiator)，光起始劑的作用在於使單體於照光時產生光聚合反應。如此可在之後進行光照以聚合單體，而使液晶混合物中的單體形成聚合物進而穩定液晶的結構，而成為高分子穩定藍相液晶(Polymer-stabilized blue phase liquid crystal,PSBP-LC)。液晶混合物可置放在透光容器內、或非透光容器內。於此不特別限制容器之材質，其可例如為玻璃。然後，可藉由提高溫度或降低溫度而使液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內，在此共存溫度範圍內同時存在藍相與等向相。在本實施例中，藍相與等向相之一共存溫度例如為45.6℃。另外，藍相液晶的製造方法更包含一起始加熱步驟，其係將液晶混合物由環境溫度(例如為室溫)加熱至共存溫度範圍內。
接著，製造方法包含步驟S02：一降溫步驟，使液晶混合物之溫度下降而到達之一藍相操作溫度，藍相操作溫度係低於上述之共存溫度，且高於藍相與比藍相更低溫相的相轉變溫度，例如高於藍相與膽固醇相(Cholesteric)的相轉變溫度或是高於藍相與層狀液晶相(Sematic)的相轉變溫度。在本實施例中，液晶混合物之溫度可例如下降至44.5℃，溫度下降速率可介於0℃/分～5℃/分之間，但不等於0℃/分。
然後，製造方法包含步驟S03：一重覆步驟，重覆溫度控制步驟(S01)與溫度下降步驟(S02)。本實施例可重覆溫度控制步驟與溫度下降步驟各至少一次。以下說明本實施例之藍相液晶製造方法之原理。
在持續降溫的情況下，由於容器基板之表面自由能影響，會篩選出適合在此系統中長晶之晶體轉向。在此假設紅色晶格面(即反射紅光，例如(1 0 0))與藍色晶格面(即反射藍光，例如(1 1 0))皆可在此系統中長晶。當中又以藍色晶格面較符合基板自由能，所以長晶的速度會比紅色晶格面的晶體快許多。待晶體長晶至最完整(例如晶體不再擴大)的情況下，加熱使溫度往高溫移動。當升溫至藍相與等向相的共存溫度範圍內時，由於藍色晶格面最符合整個系統之自由能條件，所以在高溫下可保留較完整之晶體，而紅色晶格面會因高溫的影響產生嚴重的相變。故利用此原理篩選出最適合在此系統自由能下長晶之晶體轉向(假設是(1 1 0)面)。接著，再次進行降溫步驟，此時因(1 1 0)面留下之晶體結構較完整，且最符合基板表面自由能所以長晶速度較快，故(1 1 0)面所占的面積會比(1 0 0)面大。又因整體長晶之空間是有限的，所以藍色晶格面之晶體甚至會抑制到紅色晶格面之長晶。因此，藉由本實施例之升降溫循環法(thermal recycling)，可控制藍相液晶主要由一特定晶格面之晶體所組成。
若藍相液晶有包含單體，則製造方法可更包含一聚合步驟，聚合該單體以形成高分子，於此可利用照光來達到聚合反應。在其他實施例中，可由於材料因素而藉由加熱來達到聚合反應。形成的高分子有利於藍相液晶結構的穩定。
藉由本發明之多次升降溫循環，可使藍相液晶達到高均勻性，且晶體尺寸變大。例如，當溫度下降速率為1℃/分，僅作1次循環時，藍色晶格面於單位面積下所佔的面積比例為20%，但若增加至10次循環時，則藍色晶格面佔的面積比例增加至39%；若溫度下降速率為0.5℃/分，作10次循環時，藍色晶格面於單位面積下所佔的面積比例則增加為68%。經本發明驗證，在相同溫度下降速率的條件下，越多次升降溫循環可達到越好的均勻性，也就是單一種晶格面的所佔面積愈大，例如為藍色晶格面。且就相同次數循環而言，溫度下降速率越小者，其均勻性越佳。
另外經本發明驗證，在相同溫度下降速率的條件下，循環次數越多，則特定晶格面的晶體尺寸越大。並且在相同循環次數的條件下，溫度下降速率越小者，晶體尺寸越大。例如，當溫度下降速率為1℃/分，僅作1次循環時，藍相液晶之晶體尺寸為6μm，但若進行10次循環時，則藍相液晶之晶體尺寸增加為20μm；若溫度下降速率為0.5℃/分，作10次循環時，藍相液晶之晶體尺寸則增加至30μm；若溫度下降速率為0.1℃/分，藍相液晶之晶體尺寸可增加至62μm。
圖2為本發明第二實施例之藍相液晶之製造方法的步驟圖，其中包含步驟S11～S14。
首先，製造方法包含步驟S11：一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相之一溫度。由於液晶混合物已於上詳述，故於此不再贅述。另外，本實施例係將液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內，藉此可增加液晶混合物之流動性以提升長晶效率。
接著，製造方法包含步驟S12：一電場施加步驟，對液晶混合物施加一電場。圖3為電場施加步驟的示意圖，其中，液晶混合物101置放於一容器中，該容器具有一上基板102以及一下基板103，上基板102上設有一電極層，而下基板103上亦設有一電極層，該等電極層可接收電壓訊號而形成該電場。電場所施加之偏壓為藍相液晶中的雙股螺旋柱解構(deconstruction)成膽固醇相的電壓，此電壓會隨樣品材料與樣品電極設計不同而不同，若定義全面解構電壓為Vd，則施加之偏壓低2倍的Vd。在本實施例中，液晶混合物所施加於電場之偏壓為13V。
然後，製造方法包含步驟S13：一電場減少步驟，對液晶混合物101減少該電場。於此，電場減少步驟係將該電場完全移除。
然後，製造方法包含步驟S14：一重覆步驟，重覆電場施加步驟(S12)與電場減少步驟(S13)。本實施例可重覆電場施加步驟與電場減少步驟各至少一次。以下說明本實施例之藍相液晶製造方法之原理。
當對液晶混合物施加電場的時候，藍相液晶會產生轉動力矩，其力矩的大小為可由τ=P×E表示，其中τ為轉動力矩、P為極化向量、E為外加電場。不同的晶體轉向會引起不同的極化向量P，而產生不同轉向與大小的力矩，這些力矩會傾向於將晶體轉動到沒有力矩的轉向。但由於是在多個晶體下施加電場，任一晶體都被周圍其他的晶體固定住，所以無法隨著電場引起的力矩轉動，最後晶體承受不了力矩的壓力結構被破壞，藍相液晶中的雙股螺旋柱被解構(deconstruction)成單螺旋的膽固醇態，也稱為電場引起的相轉變(electric-field induce phase transition)。當移除外加電場的時候，因為相變成膽固醇的區域之周圍被沒有被力矩破壞的藍相液晶包圍，故該區域在為了符合最低自由能的條件下，會在重新長出藍相液晶並且轉向會與周圍沒有力矩的轉向一致。因此，藉由本實施例之電場循環法(electric field recycling)，可控制藍相液晶主要由一特定晶格面之晶體所組成。
另外，在其他實施例中，電場施加步驟可施加一第一電場，電場減少步驟係減少該電場至一第二電場，第二電場強度之絕對值小於第一電場強度之絕對值。其中，在施加第二電場時，相變成膽固醇的區域之周圍亦會重新長出藍相液晶並且轉向會與周圍沒有力矩的轉向一致。此外，也可藉由第二電場來選擇另一特定晶格面之晶體，使得製成之藍相液晶具有兩種特定晶格面之晶體。
若藍相液晶有包含單體，則製造方法可更包含一聚合步驟，聚合該液晶混合物，於此可利用照光來達到聚合反應。在其他實施例中，可由於材料因素而藉由加熱來達到聚合反應。
藉由本發明之多次電場循環，可使藍相液晶達到高均勻性，且晶體尺寸變大。例如，僅作1次循環時，藍色晶格面在單位面積下佔27%，但若進行45次循環後，藍色晶格面則可佔單位面積的70%。故經本發明驗證，越多次電場循環可達到越好的均勻性，即特定晶格面所佔的面積越大，且循環次數並無上限限制。
另外經本發明驗證，隨著電場循環次數增加，可使特定晶格面的晶體尺寸變大，而其他晶格面的晶體尺寸變小。例如，僅作1次循環時，紅色晶格面之晶體尺寸為8μm，而藍色晶格面之晶體尺寸為9μm，但當進行45次循環後，紅色晶格面之晶體尺寸變小成5μm，而藍色晶格面之晶體尺寸則變大為17μm。
藉由上述第一實施例之方法、或第二實施例之方法、或其結合之方法可製造出高均勻性之藍相液晶，使得本發明可製造出一種藍相液晶，其包含一特定晶格面之液晶，且在一單位面積內，該特定晶格面之液晶所佔之面積比例介於20%與95%之間。需注意者，在使用上述實施例之方法且未控制溫度之前，液晶混合物內係不存在藍相液晶；藉由上述實施例之藍相液晶的製造方法，並在循環越多次的情況下，特定晶格面之液晶所佔之面積比例就越高，最高可以達到95%。
其中，該特定晶格面例如為(1 1 0)、或(1 0 0)。此外，高均勻性使得本發明之一種藍相液晶可反射一特定波段之輻射，且在一單位面積內，反射該特定波段之輻射佔整個單位面積之比例介於20%與95%之間。其中，該特定波段之光線為一可見光或一非可見光。此外，在單位面積內，晶體大小會大於10μm且所佔之面積比例可介於20%與95%之間。
綜上所述，本發明係利用兩種外力(溫度或電壓)破壞藍相液晶之晶體，再令其為了符合最低自由能的條件重新長晶，而改善其均勻性。第一種方法是控制升降溫的過程來改善藍相液晶的均勻性，主要是利用升溫達藍相(BP)與等向相(Isotropic)共存溫度時，不同晶體轉向會有不同的相變(BP→Isotropic)速率，這些相變區域會成為再次降溫時重新長晶或晶體擴張的區域，最後較符合此系統之藍相液晶晶體轉向會大致填滿整個空間，此發明即是利用溫度對藍相液晶晶體的破壞與建構來改善其均勻性。利用此方法，經過10次循環升降溫後，晶體大小可放大成原本的4～5倍，若利用0.1℃/min的降溫速率做循環，較大之晶體可例如達到60μm，同晶格轉向之面積可例如高達90%。第二種方法是利用電場來對藍相液晶之晶體轉向做選擇。在電場的作用下，只有特定的晶體轉向沒有轉動力矩，其餘的晶體轉向會因力矩的影響轉到沒有力矩的面。但若在多個晶體的條件下，晶體無法轉動，以致轉動力矩會破壞藍相液晶晶體，在放電壓或減少電壓後會長成沒有力矩(或沒有被力矩破壞)的晶體轉向。本發明不僅可以改善藍相液晶之均勻性，更可藉由改善均勻性而消除磁滯效應並降低驅動電壓。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
101．．．液晶混合物
102．．．上基板
103．．．下基板
S01～S03、S11～S14．．．藍相液晶之製造方法的步驟
圖1為本發明第一實施例之藍相液晶之製造方法的步驟圖；
圖2為本發明第二實施例之藍相液晶之製造方法的步驟圖；以及
圖3為本發明第二實施例之電場施加步驟的示意圖。
S01～S03．．．藍相液晶之製造方法的步驟

Claims (17)

  1. 一種藍相液晶的製造方法，包含：一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內；一降溫步驟，使該液晶混合物之溫度下降而到達一藍相操作溫度，且該藍相操作溫度高於藍相與更低溫相的相轉變溫度；以及一重覆步驟，重覆該溫度控制步驟與該溫度下降步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之藍相液晶的製造方法，其中該液晶混合物包含一液晶、一單體及一光起始劑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之藍相液晶的製造方法，其中在該降溫步驟中，溫度下降速率介於0℃/分～5℃/分之間，但不等於0℃/分。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之藍相液晶的製造方法，更包含：一起始加熱步驟，將該液晶混合物加熱至該共存溫度範圍內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之藍相液晶的製造方法，在該重覆步驟之後更包含：一聚合步驟，聚合該液晶混合物。
  6. 一種藍相液晶的製造方法，包含：一溫度控制步驟，將一液晶混合物之溫度控制在藍相之一溫度；一電場施加步驟，對該液晶混合物施加一電場；一電場減少步驟，對該液晶混合物減少該電場；以及一重覆步驟，重覆該電場施加步驟與該電場減少步驟。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之藍相液晶的製造方法，其中該電場減少步驟係將該電場完全移除。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之藍相液晶的製造方法，其中該電場施加步驟係施加一第一電場，該電場減少步驟係減少該電場至一第二電場，該第二電場強度小於該第一電場強度。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之藍相液晶的製造方法，其中該電場施加步驟對該液晶混合物所施加之電場的偏壓係小於藍相液晶中之雙股螺旋柱解構成膽固醇相之電壓的2倍，但不等於0倍。
  10. 如申請專利範圍第7或8項所述之藍相液晶的製造方法，其中該溫度控制步驟係將該液晶混合物之溫度控制在藍相與等向相之一共存溫度範圍內。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之藍相液晶的製造方法，其中該液晶混合物包含一液晶、一單體及一光起始劑。
  12. 如申請專利範圍第6項、第7項或第8項所述之藍相液晶的製造方法，其中該電場、該第一電場或該第二電場係由一上基板與一下基板提供，該液晶混合物填充於該上基板與該下基板之間。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之藍相液晶的製造方法，在該重覆步驟之後更包含：一聚合步驟，聚合該液晶混合物。
  14. 一種藍相液晶，其包含一特定晶格面之液晶，在一單位面積內，該特定晶格面之液晶所佔之面積比例介於20%與95%之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之藍相液晶，其中該特定晶格面為(1 1 0)、(1 0 0)、或面心立方及體心立方結構晶面族之晶面。
  16. 一種藍相液晶，其反射一特定波段之光線，在一單位面積內，反射該特定波段之光線佔整個單位面積之比例介於20%與95%之間。
  17. 如申請專利範圍第14或16項所述之藍相液晶，其中在該單位面積內，晶體大小大於10μm，且面積比例係介於20%與95%之間。
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