非摩擦液晶取向技術專利分析

曹夢軍

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

摩擦取向技術是液晶顯示領域最早出現、使用最廣泛、工藝最成熟的取向技術［1］，其一般工藝包括：清洗、涂膜、預烘、固化及摩擦，通過尼龍、纖維或棉絨等材料按一定方向對取向膜作定向摩擦處理，使膜表面狀況發生定向改變，對液晶分子產生均一的錨定作用，從而使液晶分子在基板上整齊有序地排列［2］。雖然摩擦取向技術可以產生較好的取向效果、工藝簡單且易于工業化生產，但隨著近年來TFT-LCD的發展，傳統的摩擦取向法暴露出一些局限性［3］。如：在摩擦過程中易產生粉塵微粒，對取向膜和器件都會有破壞作用；在摩擦過程中易產生靜電，干擾顯示裝置的電氣特性；只能單一方向取向，不能滿足高分辨率多疇取向的要求；只適用于平面狀表面，對于曲面或柔性器件的基材，摩擦取向則很困難；當基板面積很大時，摩擦取向很難控制其摩擦的均勻性。正是由于存在上述局限性，摩擦取向法已不能適應TFT-LCD的快速發展，各企業及研究機構一直在探索非摩擦工藝的取向技術，同時向國家知識產權局專利局提交了大量的發明專利申請。

本文主要針對近些年公開的與非摩擦取向技術相關的發明專利申請進行分析，并對其進行了統計、分類，闡述了不同取向技術的發展狀況及貢獻。

1 非摩擦液晶取向技術

1.1 離子束取向技術

離子束取向技術是IBM公司提出的一種非摩擦取向技術，主要是為了解決摩擦取向的缺陷及改善超高分辨率顯示器制程問題。離子束配向使用離子束于選定角度下轟擊無機或有機配向薄膜材料，通過選擇性斷鍵的方式，使其表面產生結構異向性，從而對液晶具有配向的效果，該方法能提供極好的配向均勻性，因此能呈現超高解析度的顯示品質。

US4153529是最早提出的離子束取向的專利申請，主要應用為無機配向膜，其配向膜膜厚度為100～5000，離子束能量為1～3KeV。自此，離子束取向的研究與改進便引起以IBM為首的各大企業的重視，IBM于1996年提出了應用離子束于有機配向膜（其材料主要為聚亞醯胺）的專利（US5770826），其將能量限制為200eV以下，以改善高能量（＞500eV）離子束處理造成的有機配向層表面劣化；申請US6020946為IBM公司1998年提出的應用離子束配向于無機配向膜的專利，配向膜膜厚度為10～100，離子束能量為75～200eV；為了提高配向層的穩定性，IBM公司于2000年提出了在離子束配向后進行氫處理（US6485614），主要是為了鈍化懸鍵；為了修正形成的配向層，提高液晶預傾角的時間穩定性，IBM公司先后提出了專利申請（US6485614、US6665033），在制備取向層表面時，用離子轟擊取向層表面，在離子束中引入反應氣體使表面上的懸掛鍵飽和；為了解決氬離子配向時所造成的物理性破壞及劣化配向膜表面的問題，中華映管、友達光電、奇美電子、瀚宇彩晶等企業聯合申請了專利CN200510085093，利用最小粒子大小的氫離子束來進行液晶分子的配向，以減少對配向膜表面的物理性破壞，并通過氫離子的化學活性與配向膜反應，緩解傳統使用氬離子束配向有配向膜特性劣化的問題；申請JP2003313320為精工愛普生株式會社提出的在取向膜表面上，相對于該面垂直方向傾斜一定角度照射含有氮離子的離子束以產生偏轉預傾角的取向膜。

圖1 離子束取向技術發明專利申請量統計

該技術的專利申請情況如圖1所示，可以看出，在2005年以前，該技術基本處于逐年遞增的態勢，但之后申請量明顯下降。結合圖2，該技術主要集中于美國企業IBM和日本企業精工愛普生，這也導致日美兩國在該技術的專利申請量占了全球申請量的一半以上，但因為日本還有智索、松下、夏普、佳能等電器企業的貢獻，所以其專利總申請量超過以IBM為代表的美國的申請量。韓國以LG和三星的突出貢獻，躋身前三。但可能是因為該項技術的壟斷性太強，尤其是美國的IBM，掌握了大量的離子束取向的發明專利，形成了一定的技術壟斷，所以該技術沒能全面開花，導致2005以后，相關專利的申請量開始出現下滑。

圖2 離子束取向技術的分布統計

1.2 電漿束取向技術

電漿束取向技術是利用正電極所產生的正偏壓強電場，驅使電漿中的離子群被推動，產生一陽極層進行配向機制，采用掃描的方式，利用此電漿對配向膜做表面處理，以達到配向效果。電漿束所處理的配向膜除了可徹底避免靜電產生與微塵污染，更具有光穩定性及配向穩定的特性、可調整預傾角、方位角錨定能高，同時電漿束取向還具有面板圖案化的能力。因為該取向技術與材料的研究改進主要集中在烏克蘭國家科學院，所以并不是所有的先進技術都能被公眾所知，但是隨著一些大型企業或研究機構也投入對電漿取向技術的研究，電漿取向技術越來越頻繁地被公開。

申請US19780970496是IBM公司于1980年提出的電漿束取向技術，電漿束包含有氧自由基、氬氖氦等惰性氣體自由基，自由基混合物沉積有硅、錫、銦等元素，然后，將電漿束以一選定角度濺射向液晶基板，形成了均一、有序的取向膜，使得扭曲向列型液晶顯示器的對比度和閾值電光特性得到改善；JP20340893為精工愛普生株式會社于1993年提交的申請，讓包括氬、氧離子的電漿束通過一個由鎳、硅、鉬、鎢制成的線性狹縫后，濺射到基板上的聚酰亞胺取向膜層上，隨著取向膜層的定向運動，在取向膜層的表面上形成了定向排列的取向槽，這樣非接觸式取向技術不但避免了粉灰微粒的干擾，還提高了當時的成品率；申請KR20050049483為臺灣工研院于2005年提出的用電漿取向法制作垂直傾斜取向層的專利，提出用氬氣漿束或氬-氫混合電漿束濺射取向膜材料，最終使液晶分子形成穩定的垂直傾斜取向。除此之外，臺灣工研院在電漿取向技術上還做了大量的研究工作，也相繼向多個國家和地區提出了專利申請，為了強化液晶于取向層上的錨定能，對電漿取向技術的取向層材料也做了研究改進，特別是用電漿能量處理含氟的取向材料，使處理后的取向層不易變質，使液晶顯示器在高光環境下仍可維持高穩定性，例如申請TW93140347、KR20070052328；2008年，電漿束取向技術跳出了單一的膜材料或電漿源的改進模式，佳能株式會社公開了一種采用碳電漿束濺射形成取向層，并直接在其上形成取向處理的發明專利，采用石墨烯作為陰極通過真空電弧放電產生碳原子電漿束，通過磁場使通過電弧放電產生的碳原子的軌道彎曲，以傾斜的角度直接濺射于液晶顯示面板的基板上，直接實現面內轉換型液晶顯示器的帶預傾角的平行取向。之后，關于電漿束取向的發明專利雖然還在增加，但年申請量已明顯減少。

該技術的專利申請情況如圖3、圖4所示，可以看出在2005年以前，該技術的研究一直不溫不火，沒有太多的發明專利申請，雖然之后有所增長，但也只維持了2005-2010年間的幾年，2010年后專利申請量又出現下滑。該項技術在業內并沒有引起持續的高關注度，只有少數的幾個企業或研究機構在做相關的技術研究，如日本的精工愛普生、夏普株式會社及臺灣的工業技術研究所。可能是該項技術遇到了技術瓶頸（如大面積均勻性控制）或者與其他的非摩擦技術的沖擊有關，比如后續介紹的光取向技術。

圖3 電漿束取向技術發明專利申請量統計

圖4 電漿束取向技術的分布統計

1.3 光取向技術

在新的非摩擦取向技術中，光取向技術最為顯著，是90年代興起的一種液晶取向技術。光取向技術的基本原理是利用線性偏振的紫外光照射在具有感光劑的高分子聚合物配向膜上引發光學異方性，使得高分子聚合物具有配向能力。光取向技術可避免表面污染，透過光罩可作圖案化配向，利用入射光的角度與照射時間的長短，可以控制液晶單元的參數，如預傾角、表面定向強度等，因此是最有希望取代摩擦取向技術的非摩擦取向技術。

光取向技術的改進方向主要為取向的熱、光穩定性，申請CN97120873是三星電管株式會社于1998年提出一種光取向組合物，該組合物包括選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，和選自在其側鏈上具有長鏈烷基的聚酰亞胺和在其兩端具有烷基的聚酰亞胺的第2聚合物，用上述光取向組合物形成的光取向層具有極好的熱穩定性和預傾斜角特性；申請EP99923775是羅利克公司于1999年提出將含可交聯的液晶單體或預聚物和可光取向的單體或低聚物或聚合物混合，該混合物既能取向也能交聯形成液晶聚合物，因此，該混合物一方面可用作各向異性層，另一方面又可被涂布成較薄的薄層作為取向層，經線性偏振光照射時能沿著最佳的方向取向，從而可誘導液晶排列狀態；申請JP2002022855是JSR株式會社提出的一種液晶光取向劑，其通過光取向法能夠得到具有表面限制力和預傾斜角表現穩定性的液晶取向膜，該液晶取向劑包含聚合物，該聚合物具有通過光進行交聯反應的結構，選自含氟有機基團、碳原子數10～30的烷基和碳原子數10～30的脂環式有機基團的至少1種基團，以及可選擇的通過熱進行交聯的結構；日本化學工業株式會社、第一毛織株式會社、智索株式會社在光取向材料上都有不少優秀的專利申請，如WO2005083504、JP2008312356、JP2008189846；上述光取向技術的專利申請大多是對光取向材料的改進，目的是得到具有熱穩定性、配向穩定性的光敏/液晶聚合物，且近幾年來，類似的申請越來越多，這里不作窮舉。

當然，光取向技術的改進方向不限于熱、光穩定性，為了滿足快速響應與廣視角的需求，必須令液晶分子在多個區域呈不同方向的傾倒排列，即多疇取向。奇美電子于2007年提出一種光配向方法（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，該配向液可依所接受能量的不同而產生光分解作用或光聚合作用，在制造光配向膜時，使用線性偏振光通過光學元件進行一次曝光工藝即可形成具有兩種配向方向的光配向膜，奇美電子的該專利申請使得光取向技術有了更寬更深的發展面。申請CN201110200964是南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司公開了一種混合垂直光配向的技術，采用不同角度的紫外光同時對至少一個配向膜的多個區域照射進行配向，配向膜的側鏈在各區域內形成與紫外光照射角度相應的角，使得液晶面板的對比度得到提升、視差有所改善，加快液晶面板的響應速度。

該技術的專利申請情況如圖5、圖6所示，從圖5中可以看出，光取向技術從其興起至今，相關發明專利的申請量基本上保護持續穩定地增長，可見該項技術在液晶取向領域所受到的重視。從圖6可以看出，雖然日本的申請量依然領先于中、美、韓，大量的專利掌握在日本的企業手中，但其格局比重相比其他的取向技術已有所傾斜，中、美、韓也有了大量的申請，和日本企業已形成競爭之勢。這也說明了光取向的發展很有可能取代傳統的摩擦取向技術。

圖5 光取向技術發明專利申請量統計

圖6 光取向技術的分布情況

1.4 其他非摩擦取向技術

除了上述的幾種非摩擦取向技術，已應用于工業的還有傾斜蒸鍍技術、LB膜技術，都能以非接觸的方式形成液晶取向膜。只是這兩種取向技術由于各自原因在液晶顯示裝置領域的關注度遠不如上述的幾種取向技術，所以這里只作簡單的介紹。

傾斜蒸鍍是最早的液晶取向控制方法，傾斜蒸鍍指的是將金屬、氧化物、氟化物等無機材料與基板成某個角度的方向上進行蒸鍍的工藝，目的是形成一種傾斜排列的取向膜。比如，利用高真空條件將SiO2高溫蒸發，從特定的角度射向ITO導電玻璃表面，產生SiO2長柱狀體，可控制長柱狀體傾斜角度與密度，達到液晶配向排列的目的。因為用SiOx系列的無機材料作取向層，其蒸鍍所需要的溫度很高，真空工藝的生產效率低下，大尺寸基板的設備昂貴，所以不易量產，僅能少量制作高價特用的LCD顯示器，在一般的LCD生產中很少使用，因此，相關的專利申請越來越少。

LB膜取向技術建立在聚酰亞胺具有較高的耐熱性、較強的機械強度、良好的絕緣性及優良的加工性能的基礎上。由于聚酰亞胺LB膜本身具有定向性，不需要摩擦處理就可以作液晶取向膜，因此可以顯著提高LCD器件的品質。但是LB膜沉積在基片上時的附著力領先于分子間的作用力，屬于物理鍵力，因此膜的機械性能較差，要獲得排列整齊而且有序的LB膜，必須使材料有兩性基團，這在一定程度上給LB成膜材料的設計帶來困難，另外，制膜過程中需要使用氯仿等有毒溶劑，對人體和環境危害性大，加之可能是由于光取向技術表現太活躍，導致各液晶顯示企業無暇同時投入研究，所以LB膜技術一直不溫不火，相關的專利申請并不如期望得多。

2 技術前景分析

目前，摩擦取向技術是工業上應用最廣泛、最成熟的取向技術，但其有自身的局限性。近年來，以光取向法、離子束取向法為代表的非摩擦取向技術表現活躍，且已取得了長足的進展，相應的專利申請量也非常多，特別是光取向技術，從申請量的走勢來看，將最有希望取代傳統的摩擦取向技術。

另外，新的取向技術的概念也被提了出來，如納米液晶取向膜技術，且已有相關的專利申請（如復旦大學的申請CN201210079623、索尼公司的申請CN201210306205），因為特殊的納米材料早已問世，所以將納米材料應用于液晶取向技術將會成為業界未來研發的方向。

3 結語

為了更好地控制液晶分子的取向，推動液晶顯示產業繼續向前邁進，全球范圍內許多國家的企業加入了液晶取向技術的競爭。尤其是日本的企業，具有明顯的技術優勢，申請了大量高技術含量的發明專利。韓國和美國交替性地緊隨其后，具有一定的技術優勢。從專利申請量來看，國內相關的專利申請雖然逐年遞增，但相比日本、韓國和美國，國內企業的申請量仍偏少，且技術含量偏低，亟須進一步地創造提高，以突破日、韓和美國的技術夾擊。

［1］朱普坤，李佐邦，謝一兵.液晶顯示器用取向高分子材料的研究及機理［J］.河北工業大學學報，1997，26（2）:19-22.

［2］日本學術振興會第142委員會編，黃錫珉，等.液晶器件手冊［M］.北京：海洋出版社，1992.

［3］姚平武.液晶分子取向技術研究［J］.現代顯示，2004（46）:16-20.