Device using ferroelectric liquid crystal cell and method for manufacturing the same

Abstract

A FLC cell includes upper substrate and lower substrates, upper and lower transparent conductive layers, upper and lower alignment layers, and a FLC layer. The upper and lower substrates are arranged to define an enclosed region. The upper transparent conductive layer is disposed on the upper substrate. The lower transparent conductive layer is disposed on the lower substrate. The upper alignment layer is disposed on the upper transparent conductive layer. The lower alignment layer is disposed on the lower transparent conductive layer. The FLC layer is positioned between the upper alignment layer and the lower alignment layer. The upper alignment layer and the lower alignment layer are configured to provide an anchoring energy to FLC molecules of the FLC layer. The anchoring energy is balanced with the helical elastic energy of ferroelectric liquid crystal of the FLC layer to achieve stable molecular alignment and high-contrast electro-optical performance.

Description

DEVICE USING FERROELECTRIC LIQUID CRYSTAL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAMEInventors: Vigneshwaran SWAMINATHAN; Zhaoyi CHEN; Chris MATHEW;Valerii VASHCHENKO; Abhishek Kumar SRIVASTAVATechnical Field:

[0001] The present invention relates to a ferroelectric liquid crystal (FLC) cell with an optimized alignment layer; more particularly, to FLC devices with polyimide-based alignment layers and with optimized anchoring energy for FLC.Background:

[0002] In the field of liquid crystal technology, ferroelectric liquid crystals (FLCs) are distinguished by their fast electro-optical switching capabilities, enabling advancements in high-resolution and energy-efficient displays. By reducing or eliminating the need for color filters in liquid crystal display (LCD) stacks, FLCs improve display efficiency. Field sequential color (FSC) displays, which rely on fast liquid crystal response times, benefit from the sub-microsecond electro-optical switching of FLCs. Surface-stabilized ferroelectric liquid crystals (SSFLCs) , a significant development in this field, utilize surface boundary conditions to suppress the helical structure, contributing to improved electro-optical performance.

[0003] Research has established the ferroelectric behavior of liquid crystalline molecules, where chiral units in tilted smectic phases exhibit spontaneous polarization. This arrangement forms a helical structure, allowing for faster reorientation compared to nematic liquid crystals, resulting in significantly improved switching speeds.

[0004] The introduction of SSFLC electro-optic modes enabled sub-microsecond responses using a homogeneously aligned glass sandwich cell. However, achieving high-contrast, defect-free mono-domain alignment remained challenging. Surface anchoring often led to layer buckling, resulting in chevron and zigzag defects that degraded optical performance. Despite ongoing efforts, optical quality limitations have hindered the commercialization of FLC-based displays.

[0005] Electrically suppressed helix FLC (ESHFLC) features a shorter helix pitch compared to SSFLC, enabling defect-free mono-domain textures, high contrast, and a saturated electro-optical response at 5V. ESHFLC) maintains microsecond switching speeds essential for FSC displays. Achieving high contrast requires balancing the anchoring and elastic energies of FLC molecules to suppress defects. Unlike SSFLC, which suppresses the helix at the surface, ESHFLC retains its helical structure, preventing zigzag and chevron defects. However, recently, studies on ESHFLC alignment layers highlight limitations in stability and scalability for mass production. Therefore, an industry-compatible alignment layer for ESHFLC is needed, one that can be integrated into display manufacturing processes to overcome alignment challenges and improve production feasibility.Summary of Invention:

[0006] It is an objective of the present invention to provide devices and methods to address the aforementioned shortcomings and unmet needs in the state of the art.

[0007] In the present invention, a device for electrically suppressed helix ferroelectric liquid crystal (ESHFLC) and deformed helix FLC (DHFLC) technology is provided, introducing a novel alignment layer and optimization techniques utilizing polyimide through a rubbing process. The concentration of this alignment layer is analyzed alongside surface roughness to address large-scale manufacturing challenges in FLC. A set of process is revealed for tuning the anchoring energy post hard baking, such as thermal annealing, solvent washing and mechanical pressing. By precisely calibrating anchoring and elastic energies, a high contrast ratio is achieved.

[0008] In contrast to surface stabilized FLC (SSFLC) technology, ESHFLC and DHFLC maintain the helix pitch while balancing anchoring energy, which serves an essential factor for field sequential color displays. This optimized alignment layer solution, directly deployable in display production facilities, offers a pathway for the commercial adoption of ESHFLC and DHFLC technology, enhancing the efficiency and quality of FLC-based display technologies.

[0009] In accordance with a first aspect of the present invention, a FLC cell is provided. The FLC cell includes an upper substrate, a lower substrate, an upper transparent conductive layer, a lower transparent conductive layer, an upper alignment layer, a lower alignment layer, and a ferroelectric liquid crystal layer (FLC layer) . The upper substrate and the lower substrate are arranged in parallel and spaced apart to define an enclosed region. The upper transparent conductive layer is disposed on an inner surface of the upper substrate. The lower transparent conductive layer is disposed on an inner surface of the lower substrate. The upper alignment layer is disposed on the upper transparent conductive layer. The lower alignment layer is disposed on the lower transparent conductive layer. The FLC layer is positioned between the upper alignment layer and the lower alignment layer. The upper alignment layer has a first alignment axis configured to define a first molecular orientation direction for ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer adjacent to the upper alignment layer. The lower alignment layer has a second alignment axis configured to define a second molecular orientation direction for the ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer adjacent to the lower alignment layer. The first alignment axis and the second alignment axis are oriented in opposite directions, thereby establishing an alignment axis across the FLC layer.

[0010] In accordance with a second aspect of the present invention, a method for manufacturing a FLC cell is provided. The method includes steps as follows: providing an upper substrate and a lower substrate; depositing an upper transparent conductive layer on an inner surface of the upper substrate; depositing a lower transparent conductive layer on an inner surface of the lower substrate; depositing an upper alignment layer on the upper transparent conductive layer; depositing a lower alignment layer on the lower transparent conductive layer; subjecting the upper alignment layer and the lower alignment layer to a uniaxial rubbing treatment, such that the upper alignment layer has a first alignment axis and the lower alignment layer has a second alignment axis for defining a molecular orientation direction, thereby establishing an antiparallel alignment axis; aligning and positioning the upper and lower substrates and maintaining a fixed cell gap using spacers to create an enclosed region between the upper and lower alignment layers; and introducing an FLC layer into the enclosed region between the upper and lower alignment layers.Brief Description of Drawings:

[0011] Embodiments of the invention are described in more details hereinafter with reference to the drawings, in which:

[0012] FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an FLC cell according to some embodiments of the invention;

[0013] FIG. 2 shows a flowchart for a method for manufacturing an FLC cell according to some embodiments of the present invention;

[0014] FIG. 3 illustrates the contrast ratio measured at 633 nm for showing the contrast ratio variation as a function of alignment layer concentration;

[0015] FIG. 4A presents the electro-optical transmittance as a function of applied voltage;

[0016] FIG. 4B presents the response time as a function of applied voltage;

[0017] FIG. 5 illustrates the normalized transmittance of the ESHFLC cell as a function of time in response to an applied 10V peak-to-peak square wave voltage; and

[0018] FIG. 6 is a schematic diagram of a display device fabricated using a FLC cell according to some embodiments of the present invention.Detailed Description of the Invention:

[0019] In the following description, devices using ferroelectric liquid crystal (FLC) cell, methods for manufacturing the same, and the likes are set forth as preferred examples. It will be apparent to those skilled in the art that modifications, including additions and / or substitutions may be made without departing from the scope and spirit of the invention. Specific details may be omitted so as not to obscure the invention; however, the disclosure is written to enable one skilled in the art to practice the teachings herein without undue experimentation.

[0020] In the liquid crystal field, several related reports propose methods to improve device performance. However, they still face challenges, as outlined below.

[0021] One report introduces surface stabilized FLC (SSFLC) and corresponding devices, marking a pivotal advancement in FLC technology. While this work laid the foundation for FLC commercial applications, the present invention, which focuses on electrically suppressed helix FLC (ESHFLC) , significantly differs from SSFLC. Notably, SSFLC suffers from low contrast ratios due to zigzag and chevron defects.

[0022] Another report discusses the alignment of non-SSFLC variants, such as distorted helix FLC (DHFLC) , utilizing materials like nylon, polyamide, polyimide, or other polymeric layers. DHFLC differs from ESHFLC in its smaller helix size relative to the cell gap and the absence of elastic energy suppression by anchoring forces.

[0023] A separate report introduces a complex photoalignment method employing photolithography to generate surface relief gratings, aiming to suppress C1 or C2 defects inherent in SSFLC structures. While effective for SSFLC, this method is unnecessary for ESHFLC due to its distinct characteristics.

[0024] Another report highlights the development of ESHFLC and field sequential color FLC displays that meet NTSC requirements. It explores the use of various alignment layers, including photo-alignment, rubbed polyimide, and layers formed via oblique evaporation or ion beam deposition. However, it lacks disclosure on alignment layer optimization and raises concerns about the long-term stability of the photoalignment technique.

[0025] One report focuses on polymer-stabilized ESHFLC, addressing the stability of the optical axis tilt across wide temperature ranges and that of the photoalignment layer. However, it overlooks alignment layer optimization, which is crucial for commercialization.

[0026] Another report introduces a stable photoalignment layer suitable for ESHFLC by incorporating a photopolymerizable layer over the photoalignment layer. While this approach addresses certain photoalignment layer issues, its commercial viability remains uncertain.

[0027] A further report discusses the production of high-contrast ESHFLC electro-optic devices through optimized spacer distribution using a photospacer technique. However, reliance on a Nylon 6-based alignment layer that involves 2, 2, 2-trichloroethanol as a solvent raises environmental concerns for industrial applications.

[0028] In view of this, the present invention proposes a FLC cell to overcome the current challenges, such as the aforementioned defects.

[0029] FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an FLC cell 100 according to some embodiments of the invention. The FLC cell 100 can serve as the core structure of a device, enabling high-speed electro-optical switching and high-contrast performance, making it suitable for applications such as field sequential color displays, optical modulators, and other advanced display technologies. The FLC cell 100 includes an upper substrate 102, a lower substrate 104, an upper transparent conductive layer 110, a lower transparent conductive layer 112, an upper alignment layer 120, a lower alignment layer 122, spacers 130, 132, and a ferroelectric liquid crystal layer (FLC layer) 140.

[0030] The upper substrate 102 and the lower substrate 104 are arranged in parallel and spaced apart to define an enclosed region for accommodating other components / elements (e.g., the FLC layer 140) . The upper transparent conductive layer 110 and lower transparent conductive layer 112 are respectively disposed on the inner surfaces of the upper glass substrate 102 and the lower glass substrate 104. The upper transparent conductive layer 110 and lower transparent conductive layer 112 can function as electrodes for applying an external electric field across the FLC layer 140, thereby enabling electro-optical modulation.

[0031] In some embodiments, the upper substrate 102 and the lower substrate 104 may each be a glass substrate. In some embodiments, the upper transparent conductive layer 110 and the lower transparent conductive layer 112 can be formed from various transparent conductive materials, including transparent conductive oxides (TCOs) , transparent metal oxide thin films, or conductive polymers. The available materials for the upper transparent conductive layer 110 and lower transparent conductive layer 112 include indium tin oxide (ITO) , fluorine-doped tin oxide (FTO) , aluminum-doped zinc oxide (AZO) , or combinations thereof.

[0032] The upper transparent conductive layer 110 and lower transparent conductive layer 112, in combination with the upper substrate 102 and lower substrate 104, form a conductive film on glass; for example, they can be implemented as ITO-coated glass or other TCO films deposited on glass substrates. In one embodiment, when applying transparent metal oxide thin films, such as ITO-coated glass, the substrate surface (e.g., an inner surface of the upper transparent conductive layer 110 or the lower transparent conductive layer 112) can have an average roughness from 1 nm to 2 nm. The selected surface roughness enhances alignment layer adhesion and liquid crystal anchoring. In this context, the average roughness refers to the arithmetic mean deviation of the surface height profile over a measured area. The average roughness serve as one of factors for optimal balance between anchoring energy and elastic energy of ferroelectric liquid crystals (e.g., those in the FLC layer 140) .

[0033] The upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 are respectively formed on the inner surfaces of the upper transparent conductive layer 110 and the lower transparent conductive layer 112. The upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 determine the initial molecular orientation of the ferroelectric liquid crystal molecules (e.g., those in the FLC layer 140) , facilitating uniform alignment and optimal electro-optical performance.

[0034] The upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 are configured to establish an antiparallel alignment axis, which enhances the electro-optical characteristics of the ferroelectric liquid crystal molecules (e.g., those in the FLC layer 140) .

[0035] Specifically, the upper alignment layer 120 has a first alignment axis, which defines a predetermined molecular orientation direction for the ferroelectric liquid crystal molecules adjacent to the upper alignment layer 120. Similarly, the lower alignment layer 122 has a second alignment axis, which defines a predetermined molecular orientation direction for the ferroelectric liquid crystal molecules adjacent to the lower alignment layer 122. The first alignment axis and the second alignment axis are oriented in opposite directions, thereby establishing an antiparallel alignment axis across the FLC layer 140. The antiparallel configuration causes the liquid crystal molecules at the upper and lower interfaces of the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 to align in opposite directions, facilitating a stable molecular arrangement that minimizes residual birefringence and defect formations. By reducing asymmetry in the molecular orientation, the antiparallel configuration enhances contrast and improves electro-optical performance, making it particularly suitable for high-precision display applications, such as field sequential color displays.

[0036] In one embodiment, the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 provide planar alignment for the ferroelectric liquid crystal molecules, guiding them to adopt a uniform orientation parallel to the alignment surfaces. The applied planar alignment is for stabilizing the liquid crystal molecular arrangement, preventing disordered orientations that could degrade optical performance. Moreover, the planar alignment works in conjunction with the antiparallel alignment axis to maintain a well-defined molecular structure throughout an objective ferroelectric liquid crystal layer (e.g., the FLC layer 140) , further enhancing contrast and reducing display artifacts.

[0037] The upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 are formed from polyimide-based thin films, which can be implemented in a fully polymerized state and aligned using uniaxial rubbing. In one embodiment, the upper alignment layer 120 / the lower alignment layer 122 is a polyimide-based polymer thin film, where the material is deposited and thermally cured in its final polymerized form. The alignment configuration provides stable anchoring conditions that facilitate uniform alignment of the ferroelectric liquid crystal molecules, enhancing electro-optical performance and display stability. By aligning the ferroelectric liquid crystal molecules in opposite directions on the upper and lower substrates, the antiparallel alignment axis promotes a stable molecular configuration that minimizes residual birefringence and defect formations, thereby achieving a high-contrast electro-optical response.

[0038] The spacers 130 and 132 are located between the upper substrate 102 and the lower substrate 104 for maintaining separation. Specifically, the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 are spaced apart by each other by a fixed gap, and the spacers 130 and 132 are disposed between the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 to maintain the fixed gap. In various embodiments, the spacers 130 and 132 can be placed along the periphery or edge or within an active region of the FLC cell 100. In one embodiment, the spacers 130 and 132 are ball spacers.

[0039] The FLC layer 140 is positioned between the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122 and fills the gap between the upper substrate 102 and the lower substrate 104. The ferroelectric liquid crystal molecules within the FLC layer 140 exhibit ferroelectric properties, characterized by spontaneous polarization and fast switching response under an applied electric field by the upper transparent conductive layer 110 and the lower transparent conductive layer 112. In some embodiments, the ferroelectric liquid crystal molecules within the FLC layer 140 possesses molecules arranged in a helical structure with a pitch ranging from sub-micron to an arbitrarily long pitch. Herein, the term “arbitrarily long” conveys that the pitch can be very large without implying an actual infinite value.

[0040] By the configuration resulting from the antiparallel alignment axis and the planar alignment by the upper alignment layer 120 and the lower alignment layer 122, efficient control of the molecular orientation within the ferroelectric liquid crystal layer 140 is enabled, which can minimize residual birefringence and defect formations to achieve high-contrast and defect-free electro-optical operation.

[0041] More specifically, the molecular orientation within the FLC layer 140 is influenced by both anchoring energy at the alignment layer interface and elastic energy within the bulk liquid crystal layer. In some embodiments, due to the helical structure of ferroelectric liquid crystals, the anchoring energy normalised to the cell gap is slightly greater than the helical elastic energy , meaning that anchoring forces exert a stronger influence on liquid crystal alignment than bulk elastic forces. As a result, the effect of anchoring energy dominates over elastic energy, particularly at the interface between the first and second alignment layers 120, 122 and the FLC layer 140, leading to a more stable molecular arrangement. In some embodiments, the anchoring energy is normalized to the cell gap between the upper substrate 102 and the lower substrate 104, such that a thinner cell results in higher anchoring strength and a thicker cell results in lower anchoring strength.

[0042] In one embodiment, the anchoring energy applied to the ferroelectric liquid crystal molecules within the FLC layer 140, provided by the first and second alignment layers 120 and 122, ranges between 10-4 to 10-3 J / m2. In one embodiment, the elastic constant K influencing the ferroelectric liquid crystal molecules within the FLC layer 140 ranges between 10-11 to 10-10 N. This difference in energy magnitudes allows molecular alignment to be predominantly controlled by surface interactions at the alignment layers rather than by bulk elasticity, thereby reducing defect formations and stabilizing liquid crystal orientation.

[0043] In some embodiments, the design principle further requires that the anchoring energy should be set slightly lower than the bulk elastic energy of the ferroelectric liquid crystal helix. This condition allows the applied electric field to effectively constrain the helical cone, thereby enabling uniform bright and dark states with minimized defect formation. Deviations from this balance may lead to residual diffraction or domain instability; thus, tuning the anchoring-to-elastic energy ratio constitutes a key factor in achieving the desired electro-optical performance.

[0044] The balance between the anchoring energy and the elastic energy can also be analytically described by established models. In such models, the elastic constant and helix pitch define the bulk elastic contribution, while the anchoring strength is expressed in terms of molecular viscosity, cell gap, and alignment layer parameters. These analytical relationships provide a theoretical framework that correlates the alignment layer design with the resulting electro-optical performance, further highlighting the role of anchoring energy as a governing parameter in the ESHFLC system. In one embodiment, at a polyimide concentration of approximately 41%, the induced anchoring energy was experimentally determined to correspond to about one-quarter of the elastic energy of the ferroelectric liquid crystal. This energy ratio condition was observed to provide the most stable molecular configuration, yielding the highest measured contrast ratio while suppressing unwanted diffraction patterns.

[0045] Correspondingly, in one embodiment, the critical field of helix unwinding EC is defined as:

[0046] where K22 is the elastic constant, q0=2π / p0 is the wave vector of the helix defined by the helix pitch p0, and Ps is the spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal.

[0047] Further, an anchoring-related parameter τA is defined as:

[0048] where represents the rotational viscosity of the ferroelectric liquid crystal molecules, d is the cell gap, and WQ is the anchoring energy coefficient associated with the alignment layer.

[0049] The defined relationships are configured to quantitatively establish the balance between surface anchoring forces and bulk elastic forces, thereby providing a design framework for adjusting alignment layer properties and material parameters to achieve stable and defect-free electro-optical performance.

[0050] FIG. 2 shows a flowchart for a method for manufacturing an FLC cell according to some embodiments of the present invention. The method includes stages (A) , (B) , and (C) .

[0051] Stage A, substrate preparation and coating, includes steps A10, A12, A14, and A16 to establish the foundation of the FLC cell.

[0052] Step A10 is substrate selection and conductive layer deposition. In step A10, two glass substrates are provided, each coated with a transparent electrical current conducting layer to facilitate electro-optical modulation. In this step, the upper substrate 102, the lower substrate 104, the upper transparent conductive layer 110, and the lower transparent conductive layer 112 are well-prepared.

[0053] Step A12 is alignment layer deposition. In step A12, both substrates are spin-coated with an alignment layer (e.g., the upper alignment layer 120 / the lower alignment layer 122) containing polyimide mixed in NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) . The spin-coating process occurs in two phases: an initial spin at 800 rpm for 5 seconds to ensure uniform distribution, followed by a 3000-rpm spin for 120 seconds, resulting in a film thickness of  to  for each alignment layer. After step A12, polyimide-based pre-polymer thin films are obtained, and the material is subsequently subjected to thermal or chemical imidization to achieve the desired molecular structure.

[0054] In some embodiments, the pre-polymer thin film for the alignment layer (e.g., the upper alignment layer 120 / the lower alignment layer 122) is prepared by dissolving solid polyimide monomer in a solvent mixture and applying it using a spin-coating technique to achieve a uniform thin film. For example, a 3%solid polyimide monomer is dissolved in NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) and BC (Ethylene Glycol Monobutyl Ether) in a 7: 3 ratio to form the base solution. To optimize the balance between anchoring energy and elastic energy in the alignment layer, the solution is prepared with varying concentrations. Specifically, a 3%solid polyimide monomer dissolution in NMP and BC (7: 3) is defined as the “100%concentration. ” In one embodiment, the 100%concentration solution can be diluted to 41%using NMP (i.e., adding NMP) , achieving stable molecular alignment and enhanced electro-optical performance.

[0055] Step A14 is thermal processing of the alignment layer. In step A14, the coated substrates with the alignment layers are brought to a two-stage baking process. The first phase involves soft baking at 100℃ for 30 minutes to remove residual solvent, and the second phase involves hard baking at 250℃ for 90 minutes to achieve thermal polymerization and stabilize the alignment layer.

[0056] Step A16 is rubbing treatment for molecular alignment. In step A16, after cooling, the alignment layers (e.g., the intermediate upper alignment layer 120 and the intermediate lower alignment layer 122) undergo a uniaxial rubbing process using a cotton cloth. The process of step A16 induces a predetermined molecular orientation in the ferroelectric liquid crystal molecules adjacent to the alignment layers, facilitating uniform alignment.

[0057] Furthermore, in step A16, the rubbing treatment provides factor for determining the anchoring energy at the alignment layer interface, which can influence the molecular orientation of the ferroelectric liquid crystal molecules. Several parameters of the uniaxial rubbing process can be adjusted to control anchoring energy and optimize liquid crystal alignment.

[0058] The height of the roller can be adjusted to regulate the contact pressure between the rubbing fabric and the alignment layer, thereby influencing the uniformity of molecular alignment . Modifying the roller speed affects the rubbing intensity, where higher speeds increase surface interactions and enhance anchoring strength. The rotational torque of the roller directly affects the rubbing force applied to the substrate, impacting the anchoring effect. Furthermore, uniaxial rubbing can be optimized by adjusting the applied force on the substrate to fine-tune the anchoring energy. The number of rubbing passes similarly influences the anchoring energy, as increased rubbing cycles can reinforce the anchoring effect and improve molecular stability.

[0059] In addition to modifying the rubbing parameters, the anchoring energy can also be adjusted / tuned through thermal annealing and post-rubbing solvent treatment. The thermal annealing and the post-rubbing solvent treatment may each be applied independently to achieve the adjusted or tuned anchoring energy, or they may be combined in sequence to provide further optimization within the desired anchoring condition range. The selection of the combination and the order of implementation is flexible and the present disclosure is not limited by such variations. In some embodiments, thermal annealing at 120℃ for 30 minutes enhances the molecular arrangement of the alignment layer, increasing the contrast ratio by 1.5 times compared to the original concentration. In some embodiments, washing the substrates with a solvent such as isopropanol after the rubbing process further refines the anchoring conditions, also resulting in a 1.5-fold increase in contrast ratio.

[0060] In this regard, optimal contrast ratios can be obtained when the anchoring energy provided by the alignment layers is comparable to, but slightly less than, the elastic energy of the ferroelectric liquid crystal molecules. Under such conditions, the balance between the surface anchoring and the bulk elastic force promotes stable molecular orientation and suppresses zigzag or chevron defects. At a polyimide concentration of approximately 41%, the induced anchoring energy corresponds to about one-quarter of the elastic energy of the ESHFLC material, which has been experimentally shown to yield the highest contrast ratio of up to 6800: 1. Specifically, in some embodiments, the measured contrast ratio exceeds 5500: 1 across a wide range of polyimide concentrations, with the 41%concentration providing the highest value of approximately 6800: 1. This result further confirms that the optimized polyimide alignment layer enables superior electro-optical quality and provides a broad operating window suitable for display applications.

[0061] Then, Stage B, cell assembly and spacer placement, includes steps B10 and B12 to align the two substrates with each other while maintaining a uniform cell gap. Step B10 is substrate alignment and positioning. In step B10, the two substrates are aligned and positioned to create the enclosed region that will later accommodate the ferroelectric liquid crystal layer (e.g., the FLC layer 140) . Step B12 is maintaining cell thickness and uniformity. In step B12, ball spacers are placed between the two substrates to maintain a fixed gap, creating uniform cell thickness.

[0062] Thereafter, Stage C, liquid crystal injection and finalization, includes steps C10 and C12 to introduce and uniformly distribute the ferroelectric liquid crystal material within the cell.

[0063] Step C10 is introduction of ferroelectric liquid crystals. In step C10, an FLC layer (e.g., the FLC layer 140) is injected into the enclosed region between the two substrates. Step C12 is capillary filling process. In step C12, the liquid crystal material fills the cell through capillary action, allowing the FLC layer to spread uniformly between the two substrates (e.g., the upper substrate 102 and the lower substrate 104) . This process enables complete filling of the enclosed region and facilitates proper molecular alignment.

[0064] FIG. 3 illustrates the contrast ratio measured at 633 nm for showing the contrast ratio variation as a function of alignment layer concentration. Specifically, the contrast ratio variation is analyzed as a function of the alignment layer dilution in NMP. In the illustration, the 100%concentration corresponds to a solution consisting of 3%solid polyimide monomer dissolved in NMP and BC (Ethylene Glycol Monobutyl Ether) in a 7: 3 ratio. The solution is progressively diluted with NMP, and the contrast ratio is measured across varying concentrations.

[0065] The results indicate that the contrast ratio exhibits a peak at 41%dilution, demonstrating that this concentration provides an optimal balance between anchoring energy and elastic energy, which is attributed to the helical twisting of ferroelectric liquid crystal molecules. As the concentration deviates from this optimal point, a decline in contrast ratio is observed.

[0066] In the illustration, two data sets, A and B, represent measurements under different surface roughness conditions. The curve A corresponds to an ITO glass substrate with an average roughness of 1-2 nm, whereas the curve B corresponds to an ITO glass substrate with a sub-nanometer average roughness. A substantial increase in contrast ratio is observed for the rougher ITO substrate, revealing that surface roughness plays a role in balancing the anchoring energy and the elastic energy of the molecules due to helical twisting. This suggests that an appropriate level of surface roughness enhances molecular alignment stability. Therefore, according to substantial increment in the contrast ratio, it reveals that surface roughness contributes to the delicate balance between anchoring energy and elastic energy of the molecules due to helical twisting.

[0067] When the anchoring energy and the elastic energy are well balanced, the ESHFLC cell should exhibit negligible optical diffraction at a wavelength of 632.8 nm.However, in practice, small diffraction patterns may still appear when the anchoring energy deviates from the ideal equilibrium, as observed in cells prepared with different polyimide concentrations. The overall diffraction efficiency for polyimide alignment layers remains below 2%, which is substantially lower than that observed in Nylon 6 alignment layers, thereby confirming the suitability of polyimide for high-quality ESHFLC alignment.

[0068] FIG. 4A presents the electro-optical transmittance as a function of applied voltage, and FIG. 4B presents the response time as a function of applied voltage.

[0069] Specifically, in FIG. 4A, the illustration presents the transmittance-voltage characteristics of the ESHFLC, demonstrating a well-defined electro-optical switching behavior. The transmittance increases sharply with applied voltage for the positive state, reaching saturation at approximately 5V, while the negative state exhibits minimal transmittance, indicating a strong contrast ratio. In FIG. 4B, the illustration presents the response time as a function of voltage, showing a rapid decrease in response time with increasing voltage. At 5V, the response time stabilizes around 35 microseconds, confirming the fast switching capability of the ESHFLC. These results validate the effectiveness of the proposed alignment layer in achieving high-speed electro-optical performance, making it well-suited for display applications.

[0070] In further experiments, the response time of the ESHFLC cell was measured as approximately 22 microseconds under an applied voltage of 10 V, while the electro-optical transmittance was found to saturate at a low voltage of about 2 V. These results demonstrate that the optimized anchoring conditions enable both high-speed response and low-voltage operation, which are highly advantageous for energy-efficient field sequential color displays.

[0071] FIG. 5 illustrates the normalized transmittance of the ESHFLC cell as a function of time in response to an applied 10V peak-to-peak square wave voltage. The dashed line represents the applied voltage waveform, and the solid line indicates the corresponding transmittance variation. The transmittance exhibits a well-defined switching behavior, synchronizing with the alternating voltage, demonstrating the fast electro-optical response of the ESHFLC cell. The near-instantaneous transition between high and low transmittance states highlights the efficiency of molecular reorientation under the applied field, confirming the suitability of the alignment layer for high-speed display applications. In addition to the transmittance characteristics, the optical diffraction efficiency of the ESHFLC cells was also evaluated. Across all tested polyimide concentrations, the diffraction efficiency remained below 2%at a wavelength of 632.8 nm, which is significantly lower than that observed with Nylon 6 alignment layers. This low diffraction response confirms the suitability of polyimide as an environmentally compatible alignment layer for high-quality electro-optical devices.

[0072] FIG. 6 is a schematic diagram of a display device 200 fabricated using a FLC cell according to some embodiments of the present invention. The display device 200 can utilize the FLC cell with the aforementioned features (i.e., the FLC cell 100 of FIG. 1) to achieve high-efficiency display functionality. The display device 200 includes a backlight module 210, a bottom polarizer 212, a FLC cell 214, a top polarizer 216, and a color filter 218.

[0073] The backlight module 210 is positioned at the rear of the display device 200 and serves as a light source for transmissive operation which provides uniform illumination across the display panel. The bottom polarizer 212 is disposed above the backlight unit module 210 and is configured to linearly polarize the incoming light before it enters the FLC cell 214. The FLC cell 214 is featured as previously described and acts as the core electro-optical modulation layer of the display device 200, where the ferroelectric liquid crystal molecules undergo controlled switching to regulate light transmission. The top polarizer 216 is positioned above the FLC cell 214 and is configured to selectively transmit light modulated by the FLC cell 214. The color filter 218 is disposed above the top polarizer 216 and is configured to enable full-color display functionality by selectively filtering light into red, green, and blue subpixels. The display device 200 may further include a driver circuit 220 connected to the upper transparent conductive layer and lower transparent conductive layer of the FLC cell 214 for voltage control. The driver circuit 220 applies controlled voltage waveforms to modulate the optical state of the FLC layer of the FLC cell 214, enabling pixel activation and display functionality.

[0074] The configuration described herein is particularly suitable for electrically suppressed helix ferroelectric liquid crystal (ESHFLC) and distorted helix ferroelectric liquid crystal (DHFLC) technologies, as it facilitates an optimized anchoring energy and elastic energy balance. This balance enhances contrast, improves high-speed response, and ensures compatibility with display manufacturing processes. In electro-optic applications, particularly in displays, achieving uniform monodomain alignment for FLCs has long been a challenge, especially in maintaining high contrast levels essential for display performance.

[0075] As discussed above, the present invention provides a solution introducing an optimized polyimide-based alignment layer for ESHFLC and DHFLC, utilizing a uniaxial rubbing method to refine molecular orientation control. By addressing key factors such as surface roughness variations and the intrinsic elastic properties of FLCs, this approach delivers exceptional contrast ratios and reliable electro-optical performance.

[0076] Spatial references such as “on, ” “above, ” “below, ” and similar terms are defined relative to a component or plane as shown in the figure. These terms are for illustration only and do not limit the actual arrangement, provided the described embodiments retain their intended benefits.

[0077] It should be noted that while various structures are depicted as approximately rectangular in the illustrations, their actual shapes may differ in practice due to fabrication conditions. These shapes may include curves, rounded edges, or variations in thickness. The use of straight lines and right angles in the figures is merely a representational convenience for depicting layers and features.

[0078] In this disclosure, the terms “a, ” “an, ” and “the” should be interpreted to include both singular and plural forms unless explicitly specified otherwise by the context. Additionally, when describing embodiments, a component positioned “on” or “over” another component can refer to cases where the two components are directly in contact or where one or more intermediate components are situated between them.

[0079] The foregoing description of the present invention has been provided for the purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed. Many modifications and variations will be apparent to the practitioner skilled in the art.

[0080] The embodiments were chosen and described in order to best explain the principles of the invention and its practical application, thereby enabling others skilled in the art to understand the invention for various embodiments and with various modifications that are suited to the particular use contemplated.

Claims

1.A ferroelectric liquid crystal (FLC) cell, comprising:an upper substrate and a lower substrate which are arranged in parallel and spaced apart to define an enclosed region;an upper transparent conductive layer disposed on an inner surface of the upper substrate;a lower transparent conductive layer disposed on an inner surface of the lower substrate;an upper alignment layer disposed on the upper transparent conductive layer;a lower alignment layer disposed on the lower transparent conductive layer; anda ferroelectric liquid crystal layer (FLC layer) positioned between the upper alignment layer and the lower alignment layer, wherein the upper alignment layer and the lower alignment layer are configured to provide an anchoring energy to ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer, and wherein the anchoring energy is balanced with the helical elastic energy of ferroelectric liquid crystal of the FLC layer to achieve stable molecular alignment and high-contrast electro-optical performance.2.The FLC cell of claim 1, wherein the upper alignment layer and the lower alignment layer provide planar alignment for the ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer which is configured to guide the ferroelectric liquid crystal molecules to adopt a uniform orientation parallel to alignment surfaces of the upper alignment layer and the lower alignment layer.3.The FLC cell of claim 1, wherein the upper and lower alignment layers are formed from polyimide-based thin films implemented in a polymerized state and aligned using a uniaxial rubbing process.4.The FLC cell of claim 1, further comprising:spacers positioned between the upper substrate and the lower substrate to maintain the fixed cell gap and to make uniform cell thickness for the FLC layer.5.The FLC cell of claim 1, wherein the anchoring energy applied to the ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer by the first and second alignment layers ranges between WQ 10-4 to 10-3 J / m2.6.The FLC cell of claim 5, wherein elastic constant K within the ferroelectric liquid crystal layer of the FLC layer ranges between 10-11 to 10-10 N.7.The FLC cell of claim 1, wherein a relation between the anchoring energy and the helical elastic energy of the ferroelectric liquid crystal is calculated accordingly to the following formula: where K is the elastic constant, q0=2π / p0 is the wave vector of the helix defined by the helix pitch, is the cell gap, and WQ is the anchoring energy coefficient associated with the alignment layer, thereby providing optimal contrast ratio and suppressing residual diffraction effects.8.A method for manufacturing a ferroelectric liquid crystal (FLC) cell, comprising:providing an upper substrate and a lower substrate;depositing an upper transparent conductive layer on an inner surface of the upper substrate;depositing a lower transparent conductive layer on an inner surface of the lower substrate;depositing an upper alignment layer on the upper transparent conductive layer;depositing a lower alignment layer on the lower transparent conductive layer;subjecting the upper alignment layer and the lower alignment layer to a uniaxial rubbing treatment, such that the upper alignment layer has a first alignment axis and the lower alignment layer has a second alignment axis for defining a molecular orientation direction, thereby establishing an antiparallel alignment axis;aligning and positioning the upper and lower substrates and maintaining a fixed cell gap using spacers to create an enclosed region between the upper and lower alignment layers; andintroducing a ferroelectric liquid crystal layer (FLC layer) into the enclosed region between the upper and lower alignment layers.9.The method of claim 8, wherein the upper alignment layer and the lower alignment layer provide planar alignment for ferroelectric liquid crystal molecules of the FLC layer which is configured to guide the ferroelectric liquid crystal molecules to adopt a uniform orientation parallel to alignment surfaces of the upper alignment layer and the lower alignment layer.10.The method of claim 8, further comprising: performing a uniaxial rubbing treatment to control the anchoring energy for the FLC layer by:adjusting a roller height to regulate contact pressure, a roller speed to control rubbing intensity, a rotational torque to modify a rubbing force applied to the upper and lower alignment layers, or combinations thereof.11.The method of claim 10, further comprising adjusting the anchoring energy by:either performing a thermal annealing process, or performing a post-rubbing solvent treatment process, or performing both processes in combinations thereof.12.The method of claim 8, wherein the upper and lower alignment layers are formed from polyamic acid-based thin films and subsequently subjected to thermal or chemical imidization.13.The method of claim 12, wherein the upper and lower alignment layers are prepared from the solution of polyimide precursor in a solvent mixture and depositing onto the substrates using a spin-coating technique to achieve a uniform thin film.14.The method of claim 13, wherein the poly-amic acid is dissolved in NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) and BC (Ethylene Glycol Monobutyl Ether) in a 7: 3 ratio.15.The method of claim 14, further comprising: adjusting the anchoring energy to be slightly less than the helical elastic energy of the ferroelectric liquid crystal accordingly to the following equation: where K is the elastic constant, q0=2π / p0 is the wave vector of the helix defined by the helix pitch, is the cell gap, and WQ is the anchoring energy coefficient associated with the alignment layer, thereby providing optimal contrast ratio and suppressing residual diffraction effects.16.The method of claim 8, wherein the FLC layer is introduced into the enclosed region by injecting a ferroelectric liquid crystal material and applying a controlled capillary filling process to promote uniform molecular alignment.

Images