曹夢(mèng)軍

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000）

摩擦取向技術(shù)是液晶顯示領(lǐng)域最早出現(xiàn)、使用最廣泛、工藝最成熟的取向技術(shù)［1］，其一般工藝包括：清洗、涂膜、預(yù)烘、固化及摩擦，通過(guò)尼龍、纖維或棉絨等材料按一定方向?qū)θ∠蚰ぷ鞫ㄏ蚰Σ撂幚?，使膜表面狀況發(fā)生定向改變，對(duì)液晶分子產(chǎn)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(shù)可以產(chǎn)生較好的取向效果、工藝簡(jiǎn)單且易于工業(yè)化生產(chǎn)，但隨著近年來(lái)TFT-LCD的發(fā)展，傳統(tǒng)的摩擦取向法暴露出一些局限性［3］。如：在摩擦過(guò)程中易產(chǎn)生粉塵微粒，對(duì)取向膜和器件都會(huì)有破壞作用；在摩擦過(guò)程中易產(chǎn)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(duì)于曲面或柔性器件的基材，摩擦取向則很困難；當(dāng)基板面積很大時(shí)，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(yīng)TFT-LCD的快速發(fā)展，各企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)一直在探索非摩擦工藝的取向技術(shù)，同時(shí)向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局提交了大量的發(fā)明專利申請(qǐng)。

本文主要針對(duì)近些年公開(kāi)的與非摩擦取向技術(shù)相關(guān)的發(fā)明專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、分類，闡述了不同取向技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及貢獻(xiàn)。

1 非摩擦液晶取向技術(shù)

1.1 離子束取向技術(shù)

離子束取向技術(shù)是IBM公司提出的一種非摩擦取向技術(shù)，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(wèn)題。離子束配向使用離子束于選定角度下轟擊無(wú)機(jī)或有機(jī)配向薄膜材料，通過(guò)選擇性斷鍵的方式，使其表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)異向性，從而對(duì)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(xiàn)超高解析度的顯示品質(zhì)。

US4153529是最早提出的離子束取向的專利申請(qǐng)，主要應(yīng)用為無(wú)機(jī)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(jìn)便引起以IBM為首的各大企業(yè)的重視，IBM于1996年提出了應(yīng)用離子束于有機(jī)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(jī)配向?qū)颖砻媪踊簧暾?qǐng)US6020946為IBM公司1998年提出的應(yīng)用離子束配向于無(wú)機(jī)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?qū)拥姆€(wěn)定性，IBM公司于2000年提出了在離子束配向后進(jìn)行氫處理（US6485614），主要是為了鈍化懸鍵；為了修正形成的配向?qū)?，提高液晶預(yù)傾角的時(shí)間穩(wěn)定性，IBM公司先后提出了專利申請(qǐng)（US6485614、US6665033），在制備取向?qū)颖砻鏁r(shí)，用離子轟擊取向?qū)颖砻?，在離子束中引入反應(yīng)氣體使表面上的懸掛鍵飽和；為了解決氬離子配向時(shí)所造成的物理性破壞及劣化配向膜表面的問(wèn)題，中華映管、友達(dá)光電、奇美電子、瀚宇彩晶等企業(yè)聯(lián)合申請(qǐng)了專利CN200510085093，利用最小粒子大小的氫離子束來(lái)進(jìn)行液晶分子的配向，以減少對(duì)配向膜表面的物理性破壞，并通過(guò)氫離子的化學(xué)活性與配向膜反應(yīng)，緩解傳統(tǒng)使用氬離子束配向有配向膜特性劣化的問(wèn)題；申請(qǐng)JP2003313320為精工愛(ài)普生株式會(huì)社提出的在取向膜表面上，相對(duì)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(chǎn)生偏轉(zhuǎn)預(yù)傾角的取向膜。

圖1 離子束取向技術(shù)發(fā)明專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

該技術(shù)的專利申請(qǐng)情況如圖1所示，可以看出，在2005年以前，該技術(shù)基本處于逐年遞增的態(tài)勢(shì)，但之后申請(qǐng)量明顯下降。結(jié)合圖2，該技術(shù)主要集中于美國(guó)企業(yè)IBM和日本企業(yè)精工愛(ài)普生，這也導(dǎo)致日美兩國(guó)在該技術(shù)的專利申請(qǐng)量占了全球申請(qǐng)量的一半以上，但因?yàn)槿毡具€有智索、松下、夏普、佳能等電器企業(yè)的貢獻(xiàn)，所以其專利總申請(qǐng)量超過(guò)以IBM為代表的美國(guó)的申請(qǐng)量。韓國(guó)以LG和三星的突出貢獻(xiàn)，躋身前三。但可能是因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)的壟斷性太強(qiáng)，尤其是美國(guó)的IBM，掌握了大量的離子束取向的發(fā)明專利，形成了一定的技術(shù)壟斷，所以該技術(shù)沒(méi)能全面開(kāi)花，導(dǎo)致2005以后，相關(guān)專利的申請(qǐng)量開(kāi)始出現(xiàn)下滑。

圖2 離子束取向技術(shù)的分布統(tǒng)計(jì)

1.2 電漿束取向技術(shù)

電漿束取向技術(shù)是利用正電極所產(chǎn)生的正偏壓強(qiáng)電場(chǎng)，驅(qū)使電漿中的離子群被推動(dòng)，產(chǎn)生一陽(yáng)極層進(jìn)行配向機(jī)制，采用掃描的方式，利用此電漿對(duì)配向膜做表面處理，以達(dá)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(chǎn)生與微塵污染，更具有光穩(wěn)定性及配向穩(wěn)定的特性、可調(diào)整預(yù)傾角、方位角錨定能高，同時(shí)電漿束取向還具有面板圖案化的能力。因?yàn)樵撊∠蚣夹g(shù)與材料的研究改進(jìn)主要集中在烏克蘭國(guó)家科學(xué)院，所以并不是所有的先進(jìn)技術(shù)都能被公眾所知，但是隨著一些大型企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)也投入對(duì)電漿取向技術(shù)的研究，電漿取向技術(shù)越來(lái)越頻繁地被公開(kāi)。

申請(qǐng)US19780970496是IBM公司于1980年提出的電漿束取向技術(shù)，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(duì)比度和閾值電光特性得到改善；JP20340893為精工愛(ài)普生株式會(huì)社于1993年提交的申請(qǐng)，讓包括氬、氧離子的電漿束通過(guò)一個(gè)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(yùn)動(dòng)，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(shù)不但避免了粉灰微粒的干擾，還提高了當(dāng)時(shí)的成品率；申請(qǐng)KR20050049483為臺(tái)灣工研院于2005年提出的用電漿取向法制作垂直傾斜取向?qū)拥膶＠岢鲇脷鍤鉂{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(wěn)定的垂直傾斜取向。除此之外，臺(tái)灣工研院在電漿取向技術(shù)上還做了大量的研究工作，也相繼向多個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了專利申請(qǐng)，為了強(qiáng)化液晶于取向?qū)由系腻^定能，對(duì)電漿取向技術(shù)的取向?qū)硬牧弦沧隽搜芯扛倪M(jìn)，特別是用電漿能量處理含氟的取向材料，使處理后的取向?qū)硬灰鬃冑|(zhì)，使液晶顯示器在高光環(huán)境下仍可維持高穩(wěn)定性，例如申請(qǐng)TW93140347、KR20070052328；2008年，電漿束取向技術(shù)跳出了單一的膜材料或電漿源的改進(jìn)模式，佳能株式會(huì)社公開(kāi)了一種采用碳電漿束濺射形成取向?qū)?，并直接在其上形成取向處理的發(fā)明專利，采用石墨烯作為陰極通過(guò)真空電弧放電產(chǎn)生碳原子電漿束，通過(guò)磁場(chǎng)使通過(guò)電弧放電產(chǎn)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(shí)現(xiàn)面內(nèi)轉(zhuǎn)換型液晶顯示器的帶預(yù)傾角的平行取向。之后，關(guān)于電漿束取向的發(fā)明專利雖然還在增加，但年申請(qǐng)量已明顯減少。

該技術(shù)的專利申請(qǐng)情況如圖3、圖4所示，可以看出在2005年以前，該技術(shù)的研究一直不溫不火，沒(méi)有太多的發(fā)明專利申請(qǐng)，雖然之后有所增長(zhǎng)，但也只維持了2005-2010年間的幾年，2010年后專利申請(qǐng)量又出現(xiàn)下滑。該項(xiàng)技術(shù)在業(yè)內(nèi)并沒(méi)有引起持續(xù)的高關(guān)注度，只有少數(shù)的幾個(gè)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)在做相關(guān)的技術(shù)研究，如日本的精工愛(ài)普生、夏普株式會(huì)社及臺(tái)灣的工業(yè)技術(shù)研究所?？赡苁窃擁?xiàng)技術(shù)遇到了技術(shù)瓶頸（如大面積均勻性控制）或者與其他的非摩擦技術(shù)的沖擊有關(guān)，比如后續(xù)介紹的光取向技術(shù)。

圖3 電漿束取向技術(shù)發(fā)明專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

圖4 電漿束取向技術(shù)的分布統(tǒng)計(jì)

1.3 光取向技術(shù)

在新的非摩擦取向技術(shù)中，光取向技術(shù)最為顯著，是90年代興起的一種液晶取向技術(shù)。光取向技術(shù)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(fā)光學(xué)異方性，使得高分子聚合物具有配向能力。光取向技術(shù)可避免表面污染，透過(guò)光罩可作圖案化配向，利用入射光的角度與照射時(shí)間的長(zhǎng)短，可以控制液晶單元的參數(shù)，如預(yù)傾角、表面定向強(qiáng)度等，因此是最有希望取代摩擦取向技術(shù)的非摩擦取向技術(shù)。

光取向技術(shù)的改進(jìn)方向主要為取向的熱、光穩(wěn)定性，申請(qǐng)CN97120873是三星電管株式會(huì)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(cè)鏈上具有長(zhǎng)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?qū)泳哂袠O好的熱穩(wěn)定性和預(yù)傾斜角特性；申請(qǐng)EP99923775是羅利克公司于1999年提出將含可交聯(lián)的液晶單體或預(yù)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(lián)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?qū)?，?jīng)線性偏振光照射時(shí)能沿著最佳的方向取向，從而可誘導(dǎo)液晶排列狀態(tài)；申請(qǐng)JP2002022855是JSR株式會(huì)社提出的一種液晶光取向劑，其通過(guò)光取向法能夠得到具有表面限制力和預(yù)傾斜角表現(xiàn)穩(wěn)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(guò)光進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，選自含氟有機(jī)基團(tuán)、碳原子數(shù)10～30的烷基和碳原子數(shù)10～30的脂環(huán)式有機(jī)基團(tuán)的至少1種基團(tuán)，以及可選擇的通過(guò)熱進(jìn)行交聯(lián)的結(jié)構(gòu)；日本化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社、第一毛織株式會(huì)社、智索株式會(huì)社在光取向材料上都有不少優(yōu)秀的專利申請(qǐng)，如WO2005083504、JP2008312356、JP2008189846；上述光取向技術(shù)的專利申請(qǐng)大多是對(duì)光取向材料的改進(jìn)，目的是得到具有熱穩(wěn)定性、配向穩(wěn)定性的光敏/液晶聚合物，且近幾年來(lái)，類似的申請(qǐng)?jiān)絹?lái)越多，這里不作窮舉。

當(dāng)然，光取向技術(shù)的改進(jìn)方向不限于熱、光穩(wěn)定性，為了滿足快速響應(yīng)與廣視角的需求，必須令液晶分子在多個(gè)區(qū)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(chǎn)生光分解作用或光聚合作用，在制造光配向膜時(shí)，使用線性偏振光通過(guò)光學(xué)元件進(jìn)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(qǐng)使得光取向技術(shù)有了更寬更深的發(fā)展面。申請(qǐng)CN201110200964是南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司公開(kāi)了一種混合垂直光配向的技術(shù)，采用不同角度的紫外光同時(shí)對(duì)至少一個(gè)配向膜的多個(gè)區(qū)域照射進(jìn)行配向，配向膜的側(cè)鏈在各區(qū)域內(nèi)形成與紫外光照射角度相應(yīng)的角，使得液晶面板的對(duì)比度得到提升、視差有所改善，加快液晶面板的響應(yīng)速度。

該技術(shù)的專利申請(qǐng)情況如圖5、圖6所示，從圖5中可以看出，光取向技術(shù)從其興起至今，相關(guān)發(fā)明專利的申請(qǐng)量基本上保護(hù)持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)，可見(jiàn)該項(xiàng)技術(shù)在液晶取向領(lǐng)域所受到的重視。從圖6可以看出，雖然日本的申請(qǐng)量依然領(lǐng)先于中、美、韓，大量的專利掌握在日本的企業(yè)手中，但其格局比重相比其他的取向技術(shù)已有所傾斜，中、美、韓也有了大量的申請(qǐng)，和日本企業(yè)已形成競(jìng)爭(zhēng)之勢(shì)。這也說(shuō)明了光取向的發(fā)展很有可能取代傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)。

圖5 光取向技術(shù)發(fā)明專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

圖6 光取向技術(shù)的分布情況

1.4 其他非摩擦取向技術(shù)

除了上述的幾種非摩擦取向技術(shù)，已應(yīng)用于工業(yè)的還有傾斜蒸鍍技術(shù)、LB膜技術(shù)，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(shù)由于各自原因在液晶顯示裝置領(lǐng)域的關(guān)注度遠(yuǎn)不如上述的幾種取向技術(shù)，所以這里只作簡(jiǎn)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(wú)機(jī)材料與基板成某個(gè)角度的方向上進(jìn)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(fā)，從特定的角度射向ITO導(dǎo)電玻璃表面，產(chǎn)生SiO2長(zhǎng)柱狀體，可控制長(zhǎng)柱狀體傾斜角度與密度，達(dá)到液晶配向排列的目的。因?yàn)橛肧iOx系列的無(wú)機(jī)材料作取向?qū)?，其蒸鍍所需要的溫度很高，真空工藝的生產(chǎn)效率低下，大尺寸基板的設(shè)備昂貴，所以不易量產(chǎn)，僅能少量制作高價(jià)特用的LCD顯示器，在一般的LCD生產(chǎn)中很少使用，因此，相關(guān)的專利申請(qǐng)?jiān)絹?lái)越少。

LB膜取向技術(shù)建立在聚酰亞胺具有較高的耐熱性、較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、良好的絕緣性及優(yōu)良的加工性能的基礎(chǔ)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(zhì)。但是LB膜沉積在基片上時(shí)的附著力領(lǐng)先于分子間的作用力，屬于物理鍵力，因此膜的機(jī)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(tuán)，這在一定程度上給LB成膜材料的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，另外，制膜過(guò)程中需要使用氯仿等有毒溶劑，對(duì)人體和環(huán)境危害性大，加之可能是由于光取向技術(shù)表現(xiàn)太活躍，導(dǎo)致各液晶顯示企業(yè)無(wú)暇同時(shí)投入研究，所以LB膜技術(shù)一直不溫不火，相關(guān)的專利申請(qǐng)并不如期望得多。

2 技術(shù)前景分析

目前，摩擦取向技術(shù)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛、最成熟的取向技術(shù)，但其有自身的局限性。近年來(lái)，以光取向法、離子束取向法為代表的非摩擦取向技術(shù)表現(xiàn)活躍，且已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，相應(yīng)的專利申請(qǐng)量也非常多，特別是光取向技術(shù)，從申請(qǐng)量的走勢(shì)來(lái)看，將最有希望取代傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)。

另外，新的取向技術(shù)的概念也被提了出來(lái)，如納米液晶取向膜技術(shù)，且已有相關(guān)的專利申請(qǐng)（如復(fù)旦大學(xué)的申請(qǐng)CN201210079623、索尼公司的申請(qǐng)CN201210306205），因?yàn)樘厥獾募{米材料早已問(wèn)世，所以將納米材料應(yīng)用于液晶取向技術(shù)將會(huì)成為業(yè)界未來(lái)研發(fā)的方向。

3 結(jié)語(yǔ)

為了更好地控制液晶分子的取向，推動(dòng)液晶顯示產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前邁進(jìn)，全球范圍內(nèi)許多國(guó)家的企業(yè)加入了液晶取向技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。尤其是日本的企業(yè)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，申請(qǐng)了大量高技術(shù)含量的發(fā)明專利。韓國(guó)和美國(guó)交替性地緊隨其后，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從專利申請(qǐng)量來(lái)看，國(guó)內(nèi)相關(guān)的專利申請(qǐng)雖然逐年遞增，但相比日本、韓國(guó)和美國(guó)，國(guó)內(nèi)企業(yè)的申請(qǐng)量仍偏少，且技術(shù)含量偏低，亟須進(jìn)一步地創(chuàng)造提高，以突破日、韓和美國(guó)的技術(shù)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(jī)理［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，26（2）:19-22.

［2］日本學(xué)術(shù)振興會(huì)第142委員會(huì)編，黃錫珉，等.液晶器件手冊(cè)［M］.北京：海洋出版社，1992.

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