非摩擦液晶取向技术专利分析

曹梦军

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东 广州 510000）

摩擦取向技术是液晶显示领域最早出现、使用最广泛、工艺最成熟的取向技术［1］，其一般工艺包括：清洗、涂膜、预烘、固化及摩擦，通过尼龙、纤维或棉绒等材料按一定方向对取向膜作定向摩擦处理，使膜表面状况发生定向改变，对液晶分子产生均一的锚定作用，从而使液晶分子在基板上整齐有序地排列［2］。虽然摩擦取向技术可以产生较好的取向效果、工艺简单且易于工业化生产，但随着近年来TFT-LCD的发展，传统的摩擦取向法暴露出一些局限性［3］。如：在摩擦过程中易产生粉尘微粒，对取向膜和器件都会有破坏作用；在摩擦过程中易产生静电，干扰显示装置的电气特性；只能单一方向取向，不能满足高分辨率多畴取向的要求；只适用于平面状表面，对于曲面或柔性器件的基材，摩擦取向则很困难；当基板面积很大时，摩擦取向很难控制其摩擦的均匀性。正是由于存在上述局限性，摩擦取向法已不能适应TFT-LCD的快速发展，各企业及研究机构一直在探索非摩擦工艺的取向技术，同时向国家知识产权局专利局提交了大量的发明专利申请。

本文主要针对近些年公开的与非摩擦取向技术相关的发明专利申请进行分析，并对其进行了统计、分类，阐述了不同取向技术的发展状况及贡献。

1 非摩擦液晶取向技术

1.1 离子束取向技术

离子束取向技术是IBM公司提出的一种非摩擦取向技术，主要是为了解决摩擦取向的缺陷及改善超高分辨率显示器制程问题。离子束配向使用离子束于选定角度下轰击无机或有机配向薄膜材料，通过选择性断键的方式，使其表面产生结构异向性，从而对液晶具有配向的效果，该方法能提供极好的配向均匀性，因此能呈现超高解析度的显示品质。

US4153529是最早提出的离子束取向的专利申请，主要应用为无机配向膜，其配向膜膜厚度为100～5000，离子束能量为1～3KeV。自此，离子束取向的研究与改进便引起以IBM为首的各大企业的重视，IBM于1996年提出了应用离子束于有机配向膜（其材料主要为聚亚醯胺）的专利（US5770826），其将能量限制为200eV以下，以改善高能量（＞500eV）离子束处理造成的有机配向层表面劣化；申请US6020946为IBM公司1998年提出的应用离子束配向于无机配向膜的专利，配向膜膜厚度为10～100，离子束能量为75～200eV；为了提高配向层的稳定性，IBM公司于2000年提出了在离子束配向后进行氢处理（US6485614），主要是为了钝化悬键；为了修正形成的配向层，提高液晶预倾角的时间稳定性，IBM公司先后提出了专利申请（US6485614、US6665033），在制备取向层表面时，用离子轰击取向层表面，在离子束中引入反应气体使表面上的悬挂键饱和；为了解决氩离子配向时所造成的物理性破坏及劣化配向膜表面的问题，中华映管、友达光电、奇美电子、瀚宇彩晶等企业联合申请了专利CN200510085093，利用最小粒子大小的氢离子束来进行液晶分子的配向，以减少对配向膜表面的物理性破坏，并通过氢离子的化学活性与配向膜反应，缓解传统使用氩离子束配向有配向膜特性劣化的问题；申请JP2003313320为精工爱普生株式会社提出的在取向膜表面上，相对于该面垂直方向倾斜一定角度照射含有氮离子的离子束以产生偏转预倾角的取向膜。

图1 离子束取向技术发明专利申请量统计

该技术的专利申请情况如图1所示，可以看出，在2005年以前，该技术基本处于逐年递增的态势，但之后申请量明显下降。结合图2，该技术主要集中于美国企业IBM和日本企业精工爱普生，这也导致日美两国在该技术的专利申请量占了全球申请量的一半以上，但因为日本还有智索、松下、夏普、佳能等电器企业的贡献，所以其专利总申请量超过以IBM为代表的美国的申请量。韩国以LG和三星的突出贡献，跻身前三。但可能是因为该项技术的垄断性太强，尤其是美国的IBM，掌握了大量的离子束取向的发明专利，形成了一定的技术垄断，所以该技术没能全面开花，导致2005以后，相关专利的申请量开始出现下滑。

图2 离子束取向技术的分布统计

1.2 电浆束取向技术

电浆束取向技术是利用正电极所产生的正偏压强电场，驱使电浆中的离子群被推动，产生一阳极层进行配向机制，采用扫描的方式，利用此电浆对配向膜做表面处理，以达到配向效果。电浆束所处理的配向膜除了可彻底避免静电产生与微尘污染，更具有光稳定性及配向稳定的特性、可调整预倾角、方位角锚定能高，同时电浆束取向还具有面板图案化的能力。因为该取向技术与材料的研究改进主要集中在乌克兰国家科学院，所以并不是所有的先进技术都能被公众所知，但是随着一些大型企业或研究机构也投入对电浆取向技术的研究，电浆取向技术越来越频繁地被公开。

申请US19780970496是IBM公司于1980年提出的电浆束取向技术，电浆束包含有氧自由基、氩氖氦等惰性气体自由基，自由基混合物沉积有硅、锡、铟等元素，然后，将电浆束以一选定角度溅射向液晶基板，形成了均一、有序的取向膜，使得扭曲向列型液晶显示器的对比度和阈值电光特性得到改善；JP20340893为精工爱普生株式会社于1993年提交的申请，让包括氩、氧离子的电浆束通过一个由镍、硅、钼、钨制成的线性狭缝后，溅射到基板上的聚酰亚胺取向膜层上，随着取向膜层的定向运动，在取向膜层的表面上形成了定向排列的取向槽，这样非接触式取向技术不但避免了粉灰微粒的干扰，还提高了当时的成品率；申请KR20050049483为台湾工研院于2005年提出的用电浆取向法制作垂直倾斜取向层的专利，提出用氩气浆束或氩-氢混合电浆束溅射取向膜材料，最终使液晶分子形成稳定的垂直倾斜取向。除此之外，台湾工研院在电浆取向技术上还做了大量的研究工作，也相继向多个国家和地区提出了专利申请，为了强化液晶于取向层上的锚定能，对电浆取向技术的取向层材料也做了研究改进，特别是用电浆能量处理含氟的取向材料，使处理后的取向层不易变质，使液晶显示器在高光环境下仍可维持高稳定性，例如申请TW93140347、KR20070052328；2008年，电浆束取向技术跳出了单一的膜材料或电浆源的改进模式，佳能株式会社公开了一种采用碳电浆束溅射形成取向层，并直接在其上形成取向处理的发明专利，采用石墨烯作为阴极通过真空电弧放电产生碳原子电浆束，通过磁场使通过电弧放电产生的碳原子的轨道弯曲，以倾斜的角度直接溅射于液晶显示面板的基板上，直接实现面内转换型液晶显示器的带预倾角的平行取向。之后，关于电浆束取向的发明专利虽然还在增加，但年申请量已明显减少。

该技术的专利申请情况如图3、图4所示，可以看出在2005年以前，该技术的研究一直不温不火，没有太多的发明专利申请，虽然之后有所增长，但也只维持了2005-2010年间的几年，2010年后专利申请量又出现下滑。该项技术在业内并没有引起持续的高关注度，只有少数的几个企业或研究机构在做相关的技术研究，如日本的精工爱普生、夏普株式会社及台湾的工业技术研究所。可能是该项技术遇到了技术瓶颈（如大面积均匀性控制）或者与其他的非摩擦技术的冲击有关，比如后续介绍的光取向技术。

图3 电浆束取向技术发明专利申请量统计

图4 电浆束取向技术的分布统计

1.3 光取向技术

在新的非摩擦取向技术中，光取向技术最为显著，是90年代兴起的一种液晶取向技术。光取向技术的基本原理是利用线性偏振的紫外光照射在具有感光剂的高分子聚合物配向膜上引发光学异方性，使得高分子聚合物具有配向能力。光取向技术可避免表面污染，透过光罩可作图案化配向，利用入射光的角度与照射时间的长短，可以控制液晶单元的参数，如预倾角、表面定向强度等，因此是最有希望取代摩擦取向技术的非摩擦取向技术。

光取向技术的改进方向主要为取向的热、光稳定性，申请CN97120873是三星电管株式会社于1998年提出一种光取向组合物，该组合物包括选自肉桂酸酯系列聚合物和香豆素系列聚合物的第1聚合物，和选自在其侧链上具有长链烷基的聚酰亚胺和在其两端具有烷基的聚酰亚胺的第2聚合物，用上述光取向组合物形成的光取向层具有极好的热稳定性和预倾斜角特性；申请EP99923775是罗利克公司于1999年提出将含可交联的液晶单体或预聚物和可光取向的单体或低聚物或聚合物混合，该混合物既能取向也能交联形成液晶聚合物，因此，该混合物一方面可用作各向异性层，另一方面又可被涂布成较薄的薄层作为取向层，经线性偏振光照射时能沿着最佳的方向取向，从而可诱导液晶排列状态；申请JP2002022855是JSR株式会社提出的一种液晶光取向剂，其通过光取向法能够得到具有表面限制力和预倾斜角表现稳定性的液晶取向膜，该液晶取向剂包含聚合物，该聚合物具有通过光进行交联反应的结构，选自含氟有机基团、碳原子数10～30的烷基和碳原子数10～30的脂环式有机基团的至少1种基团，以及可选择的通过热进行交联的结构；日本化学工业株式会社、第一毛织株式会社、智索株式会社在光取向材料上都有不少优秀的专利申请，如WO2005083504、JP2008312356、JP2008189846；上述光取向技术的专利申请大多是对光取向材料的改进，目的是得到具有热稳定性、配向稳定性的光敏/液晶聚合物，且近几年来，类似的申请越来越多，这里不作穷举。

当然，光取向技术的改进方向不限于热、光稳定性，为了满足快速响应与广视角的需求，必须令液晶分子在多个区域呈不同方向的倾倒排列，即多畴取向。奇美电子于2007年提出一种光配向方法（CN200710148972），提供配向液中含有光分解型配向材料以及光聚合型配向材料，该配向液可依所接受能量的不同而产生光分解作用或光聚合作用，在制造光配向膜时，使用线性偏振光通过光学元件进行一次曝光工艺即可形成具有两种配向方向的光配向膜，奇美电子的该专利申请使得光取向技术有了更宽更深的发展面。申请CN201110200964是南京中电熊猫液晶显示科技有限公司公开了一种混合垂直光配向的技术，采用不同角度的紫外光同时对至少一个配向膜的多个区域照射进行配向，配向膜的侧链在各区域内形成与紫外光照射角度相应的角，使得液晶面板的对比度得到提升、视差有所改善，加快液晶面板的响应速度。

该技术的专利申请情况如图5、图6所示，从图5中可以看出，光取向技术从其兴起至今，相关发明专利的申请量基本上保护持续稳定地增长，可见该项技术在液晶取向领域所受到的重视。从图6可以看出，虽然日本的申请量依然领先于中、美、韩，大量的专利掌握在日本的企业手中，但其格局比重相比其他的取向技术已有所倾斜，中、美、韩也有了大量的申请，和日本企业已形成竞争之势。这也说明了光取向的发展很有可能取代传统的摩擦取向技术。

图5 光取向技术发明专利申请量统计

图6 光取向技术的分布情况

1.4 其他非摩擦取向技术

除了上述的几种非摩擦取向技术，已应用于工业的还有倾斜蒸镀技术、LB膜技术，都能以非接触的方式形成液晶取向膜。只是这两种取向技术由于各自原因在液晶显示装置领域的关注度远不如上述的几种取向技术，所以这里只作简单的介绍。

倾斜蒸镀是最早的液晶取向控制方法，倾斜蒸镀指的是将金属、氧化物、氟化物等无机材料与基板成某个角度的方向上进行蒸镀的工艺，目的是形成一种倾斜排列的取向膜。比如，利用高真空条件将SiO2高温蒸发，从特定的角度射向ITO导电玻璃表面，产生SiO2长柱状体，可控制长柱状体倾斜角度与密度，达到液晶配向排列的目的。因为用SiOx系列的无机材料作取向层，其蒸镀所需要的温度很高，真空工艺的生产效率低下，大尺寸基板的设备昂贵，所以不易量产，仅能少量制作高价特用的LCD显示器，在一般的LCD生产中很少使用，因此，相关的专利申请越来越少。

LB膜取向技术建立在聚酰亚胺具有较高的耐热性、较强的机械强度、良好的绝缘性及优良的加工性能的基础上。由于聚酰亚胺LB膜本身具有定向性，不需要摩擦处理就可以作液晶取向膜，因此可以显著提高LCD器件的品质。但是LB膜沉积在基片上时的附着力领先于分子间的作用力，属于物理键力，因此膜的机械性能较差，要获得排列整齐而且有序的LB膜，必须使材料有两性基团，这在一定程度上给LB成膜材料的设计带来困难，另外，制膜过程中需要使用氯仿等有毒溶剂，对人体和环境危害性大，加之可能是由于光取向技术表现太活跃，导致各液晶显示企业无暇同时投入研究，所以LB膜技术一直不温不火，相关的专利申请并不如期望得多。

2 技术前景分析

目前，摩擦取向技术是工业上应用最广泛、最成熟的取向技术，但其有自身的局限性。近年来，以光取向法、离子束取向法为代表的非摩擦取向技术表现活跃，且已取得了长足的进展，相应的专利申请量也非常多，特别是光取向技术，从申请量的走势来看，将最有希望取代传统的摩擦取向技术。

另外，新的取向技术的概念也被提了出来，如纳米液晶取向膜技术，且已有相关的专利申请（如复旦大学的申请CN201210079623、索尼公司的申请CN201210306205），因为特殊的纳米材料早已问世，所以将纳米材料应用于液晶取向技术将会成为业界未来研发的方向。

3 结语

为了更好地控制液晶分子的取向，推动液晶显示产业继续向前迈进，全球范围内许多国家的企业加入了液晶取向技术的竞争。尤其是日本的企业，具有明显的技术优势，申请了大量高技术含量的发明专利。韩国和美国交替性地紧随其后，具有一定的技术优势。从专利申请量来看，国内相关的专利申请虽然逐年递增，但相比日本、韩国和美国，国内企业的申请量仍偏少，且技术含量偏低，亟须进一步地创造提高，以突破日、韩和美国的技术夹击。

［1］朱普坤，李佐邦，谢一兵.液晶显示器用取向高分子材料的研究及机理［J］.河北工业大学学报，1997，26（2）:19-22.

［2］日本学术振兴会第142委员会编，黄锡珉，等.液晶器件手册［M］.北京：海洋出版社，1992.

［3］姚平武.液晶分子取向技术研究［J］.现代显示，2004（46）:16-20.