DE102009059165A1

DE102009059165A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für eine Flüssigkristallanzeige

Info

Publication number: DE102009059165A1
Application number: DE102009059165A
Authority: DE
Inventors: Han-Jin Seogyo-dong Ahn; Han-Shin Goyang-si Hwang
Original assignee: LG Display Co Ltd
Current assignee: LG Display Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: US20110051066A1; TWI429996B; TW201107846A; DE102009059165A8; DE102009059165B4; KR20110021374A; US8947622B2; CN102004356A; CN102004356B; KR101630322B1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen, mittels derer die Prozessdauer verkürzt werden kann, Kratzer bei Ausrichtungsschichten vermieden werden können und die Schwarz-Leuchtdichte verringert werden kann. Das Verfahren weist auf: Auftragen eines Ausrichtungsmittels auf ein Substrat, Anordnen einer Nano-Struktur-Form mit einer Kerbe und einem Vorsprung, um das Ausrichtungsmittel zu kontaktieren, Vorhärten des Ausrichtungsmittels, Trennen der Nano-Struktur-Form von dem Ausrichtungsmittel und Aushärten des von der Nano-Struktur-Form getrennten Ausrichtungsmittels, so dass eine Ausrichtungsschicht gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen, durch welche die Prozessdauer verkürzt werden kann, Kratzer bei Ausrichtungsschichten vermieden werden können und die Schwarz-Leuchtdichte verringert werden kann.
Gewöhnlich regeln Flüssigkristallanzeigen die Lichttransmission von Flüssigkristallen unter Verwendung eines elektrischen Feldes, um ein Bild anzuzeigen. Solch eine Flüssigkristallanzeige weist ein Dünnschichttransistor-Substrat und ein Farbfilter-Substrat auf, welche einander zugewandt gegenüberliegen, wobei Flüssigkristalle dazwischen angeordnet sind.
Das Dünnschichttransistor-Substrat weist auf: eine Gate-Leitung und eine Daten-Leitung, welche einander kreuzen, einen an der Kreuzung der Gate-Leitung und der Daten-Leitung angeordneten Dünnschichttransistor, eine an den Dünnschichttransistor angeschlossene Pixel-Elektrode, und eine untere Ausrichtungsschicht, welche ausgebildet ist, um einen Flüssigkristall auszurichten.
Das Farbfilter-Substrat weist auf: ein Farbfilter, um Farbe wiederzugeben, eine Schwarz-Matrix, um Licht-Leckage oder ungewollten Lichtaustritt zu verhindern, eine Gegenelektrode, um ein elektrisches Feld mit der Pixel-Elektrode zu bilden, und eine auf der Gegenelektrode ausgebildete obere Ausrichtungsschicht.
1 ist eine perspektivische Darstellung, welche ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen darstellt.
Wie in 1 gezeigt, wird die herkömmliche obere oder untere Ausrichtungsschicht 14 gerieben, indem eine Reibwalze 12, um welche herum ein Reibetuch 10 gewunden ist, auf oder an einem organischen Polymer, welches ein Material der Ausrichtungsschicht auf einem Substrat 16 ist, rotiert.
Daher werden Fremdstoffe oder statische Elektrizität in einem Bereich generiert, in welchem die Ausrichtungsschicht 14 mit dem Reibetuch 10 in Kontakt kommt. Diese Fremdstoffe verbleiben auf der Ausrichtungsschicht 14 und verursachen Anzeigen-Defekte, wie etwa Flecken. Die statische Elektrizität kann indes die Zerstörung von dünnen Schichten und Dünnschichttransistoren verursachen.
Des Weiteren sind Flüssigkristalle in Bereichen der Ausrichtungsschicht 14, welche von dem Reibetuch 10 verkratzt sind, uneinheitlich ausgerichtet, und sind in Bereichen, in denen das Reibetuch 10 die Ausrichtungsschicht 14 aufgrund der Überdeckung einer durch eine Mehrzahl von unter der Ausrichtungsschicht 14 angeordneten dünnen Schichten gebildete Stufe nicht kontaktiert, uneinheitlich ausgerichtet. Diese uneinheitliche oder ungleichmäßige Ausrichtung verursacht Licht-Leckage, erhöht die Schwarz-Leuchtdichte oder ungewollte Resthelligkeit bei Schwarzdarstellung und verschlechtert die Kontrast-Charakteristik von Flüssigkristallanzeigen.
Wenn solch eine Ausrichtungsschicht zu großflächigen Paneelen oder Flächenelementen ausgeformt wird, wird außerdem die gleichmäßige Steuerung der Reibwalze 12 schwierig, wodurch die Realisierung einer einheitlichen Ausrichtung von Flüssigkristallen verhindert wird.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen gerichtet, welche ein oder mehrere Probleme infolge von Einschränkungen und Nachteilen der verwandten Technik im Wesentlichen vermeiden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen bereitzustellen, welche ermöglichen, die Prozessdauer zu verkürzen, Kratzer auf Ausrichtungsschichten zu vermeiden und die Schwarz-Leuchtdichte zu verringern.
Um diese Ziele und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie er hierin dargestellt und ausführlich beschrieben ist, wird ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen bereitgestellt, aufweisend: Beschichten eines Substrats mit einem Ausrichtungsmittel, Anordnen einer Nano-Struktur-Form, welche eine Kerbe (oder mehreren Kerben) und einen Vorsprung (oder mehrere Vorsprünge) aufweist, in Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel, Vorhärten des Ausrichtungsmittels, Trennen der Nano-Struktur-Form von dem Ausrichtungsmittel und Aushärten des von der Nano-Struktur-Form getrennten Ausrichtungsmittels, so dass eine Ausrichtungsschicht gebildet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen bereitgestellt, aufweisend: eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats mit einem Ausrichtungsmittel, eine eine Kerbe (oder mehreren Kerben) und einen Vorsprung (oder mehrere Vorsprünge) aufweisende Nano-Struktur-Form, welche in Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel gebracht wird, eine Heizvorrichtung zum Vorhärten des Ausrichtungsmittels, und einen Ausheizofen zum Aushärten des von der Nano-Struktur-Form getrennten Ausrichtungsmittels, um eine Ausrichtungsschicht zu bilden.
Das Ausrichtungsmittel kann wärmehärtendes Ausrichtungsmittel sein, wie etwa wärmehärtendes Polyimid.
Das wärmehärtende Polyimid kann einen Lösungsmittel-Anteil in Höhe von 90 bis 98% enthalten, bezogen auf das Gesamtgewicht davon.
Das Ausrichtungsmittel kann mit einer Schichtdicke oder Dicke von 100 bis 300 nm auf das Substrat aufgetragen werden.
Die Kerbe oder die Kerben der Nano-Struktur-Form kann/können eine Tiefe von 10 bis 100 nm haben und der Vorsprung oder die Vorsprünge der Nano-Struktur-Form kann/können ein Rastermaß (engl. „pitch”) von 100 bis 1000 nm haben.
Die Nano-Struktur-Form kann in Form einer Rechteckwelle oder Sinuswelle ausgebildet sein.
Der Schritt des Vorhärtens kann aufweisen: Lagern der Nano-Struktur-Form und des Ausrichtungsmittels bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck für 0 bis 20 Minuten, wobei die Nano-Struktur-Form das Ausrichtungsmittel kontaktiert, und Vorhärten des Ausrichtungsmittels in Kontakt mit der Nano-Struktur-Form mittels einer Heizvorrichtung bei ungefähr 100 bis 120°C für ungefähr 1 bis 20 Minuten.
Das Ausrichtungsmittel kann ein von der Kerbe oder den Kerben der Nano-Struktur-Form rückübertragenes Vorsprungs-Muster und ein von dem Vorsprung oder den Vorsprüngen der Nano-Struktur-Form rückübertragenes Kerben-Muster aufweisen.
Das Aushärten kann in einem Ausheizofen bei einer Temperatur von 230°C bis 250°C für 15 bis 120 Minuten durchgeführt werden.
Die Nano-Struktur-Form kann aus einem hydrophoben wärmehärtenden Gummi-Polymer hergestellt werden, welches einen Kontaktwinkel von 100 bis 120 Grad aufweist.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich exemplarischen und erläuternden Charakter haben und lediglich der Erläuterung der Erfindung dienen.
Die beigefügten Zeichnungen, welche beigefügt sind, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, und welche in die vorliegende Beschreibung als deren Bestandteile aufgenommen sind, stellen Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen dazu, zusammen mit der Beschreibung Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
1 ist eine perspektivische Darstellung, welche ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen darstellt;
2 zeigt Schnittdarstellungen, welche ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
3A bis 3G sind perspektivische Darstellungen, welche ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert darstellen;
4 ist eine Darstellung, welche ein Verfahren zum Herstellen einer in den 2 und 3B gezeigten Nano-Struktur-Form darstellt;
5A und 5B sind perspektivische Darstellungen, welche verschiedene Formen der in den 2 und 3B gezeigten Nano-Struktur-Form darstellen;
6A und 6B sind Darstellungen, welche den Ausrichtungszustand von Flüssigkristallen verdeutlichen, welcher unter Verwendung einer Ausrichtungsschicht ausgebildet ist, welche mit einer Nano-Struktur-Form gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
7A und 7B sind Darstellungen, welche den Ausrichtungszustand von Flüssigkristallen verdeutlichen, welcher unter Verwendung einer Ausrichtungsschicht ausgebildet ist, welche mit einer Nano-Struktur-Form ausgebildet ist, in welcher das Rastermaß des Vorsprungs-Musters außerhalb des in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereichs ist; und
8 ist eine perspektivische Darstellung, welche ein Flüssigkristall-Flächenelement darstellt, welches eine obere und eine untere Ausrichtungsschicht aufweist, welche durch das in 2 und den 3A bis 3G gezeigte Verfahren gebildet sind.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
2 ist ein Ablaufschaubild, welches ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die 3A bis 3G sind perspektivische Darstellungen, welche ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert darstellen. Das Verfahren zum Herstellen der Ausrichtungsschicht der Flüssigkristallanzeigen wird unter Bezug auf 2 und 3A bis 3F ausführlich beschrieben.
Wie in den 2 und 3A gezeigt, wird ein Ausrichtungsmittel 130 durch ein Verfahren wie etwa Rotationsbeschichtung (engl. „sein-coating”) oder Beschichtung ohne Rotation (engl. „spinless coating”) auf ein Substrat 111 schichtförmig aufgetragen. Zum Beispiel wird das Ausrichtungsmittel 130 mit einer Schichtdicke oder Dicke von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm ausgebildet. In dem Fall, dass die Dicke des Ausrichtungsmittels 130 geringer als 100 nm ist, werden, wenn eine Nano-Muster-Form oder Nano-Struktur-Form 120 (welche weiter unten ausführlich beschrieben wird) das Ausrichtungsmittel 130 kontaktiert, einige Bereiche des Ausrichtungsmittels 130 von der Nano-Struktur-Form 120 heruntergedrückt. Der Abwärtsdruck führt zur Bildung von Öffnungen in den von der Nano-Struktur-Form 120 heruntergedrückten Bereichen des Ausrichtungsmittels 130. Die Öffnungen in dem Ausrichtungsmittel 130 legen die dünne Schicht unter dem Ausrichtungsmittel 130 frei. Die freiliegende dünne Schicht ist direkt in Kontakt mit dem Flüssigkristall, wodurch die Flüssigkristall-Schutzfähigkeit verschlechtert wird. Wenn die Dicke des Ausrichtungsmittels 130 eine Dicke von 300 nm übersteigt, nimmt der Abstand zwischen Elektroden zum Betreiben der Flüssigkristalle, das heißt der Gegenelektrode und der Pixel-Elektrode, zu, wodurch eine Flüssigkristall-Betriebsspannung erhöht wird.
Des Weiteren ist das Ausrichtungsmittel 130 gemäß der vorliegenden Erfindung aus Polyimid als ein wärmehärtendes Ausrichtungsmittel hergestellt, welches im Vergleich zu einem lichthärtenden Ausrichtungsmittel bessere Betriebs- und Ausrichtungsstabilität aufweist.
Insbesondere enthält das wärmehärtende Ausrichtungsmittel 130 wesentlich mehr Benzolringe, verglichen mit lichthärtenden Ausrichtungsmitteln wie etwa Acrylat. Die Benzolgruppen des wärmehärtenden Ausrichtungsmittels 130 rufen van-der-Waals-Wechselwirkung mit in Flüssigkristallen vorhandenen Benzolgruppen hervor, wodurch eine starke Ausrichtungsstabilität erhalten wird.
Überdies nimmt das Lösungsmittel in dem wärmehärtenden Ausrichtungsmittel 130 90% bis 98% des Gesamtgewichts des wärmehärtenden Ausrichtungsmittels 130 ein, was mehr ist als bei dem lichthärtenden Ausrichtungsmittel. In diesem Fall ist, unter Anwendung eines Aushärtungsprozesses auf das wärmehärtende Ausrichtungsmittel 130 zum Verdampfen des Lösungsmittels darin, die Dicke der aus dem wärmehärtenden Ausrichtungsmittel 130 hergestellten Schicht erheblich (beispielsweise um eine oder mehrere Größenordnungen) geringer als diejenige einer Schicht aus lichthärtenden Ausrichtungsmitteln, wodurch eine Betriebsspannung verringert werden kann und die Betriebsstabilität verbessert wird.
Außerdem ist die Glasübergangstemperatur (Tg) des wärmehärtenden Ausrichtungsmittels 130 höher als die Hitzebeständigkeitstemperatur von Flüssigkristall-Flächenelementen, wohingegen die Glasübergangstemperatur (Tg) von lichthärtenden Ausrichtungsmitteln niedriger ist als die Hitzebeständigkeitstemperatur von Flüssigkristall-Flächenelementen. Zum Beispiel liegt die Hitzebeständigkeitstemperatur von Flüssigkristall-Flächenelementen bei ungefähr 100°C bis ungefähr 150°C, die Glasübergangstemperatur (Tg) des lichthärtenden Ausrichtungsmittels (z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA)) liegt bei ungefähr 90°C bis ungefähr 100°C, und die Glasübergangstemperatur (Tg) des wärmehärtenden Ausrichtungsmittels 130 (z. B. Polyimid) liegt bei ungefähr 350°C bis ungefähr 400°C.
In diesem Fall behält die aus dem wärmehärtenden Ausrichtungsmittel 130 hergestellte Ausrichtungsschicht sogar unter für Flüssigkristall-Flächenelemente schwierigen Bedingungen (z. B. wenn die Temperatur die Hitzebeständigkeitstemperatur von Flüssigkristall-Flächenelementen erreicht) ihre ursprüngliche Form oder Struktur bei. Dann sind die Flüssigkristalle an der ihre ursprüngliche Struktur beibehaltenden Ausrichtungsschicht normal ausgerichtet, wodurch ermöglicht ist, dass die Flüssigkristalle problemlos funktionieren. Hingegen erfährt die aus lichthärtenden Ausrichtungsmitteln hergestellte Ausrichtungsschicht unter für Flüssigkristall-Flächenelemente schwierigen Bedingungen (z. B. wenn die Temperatur die Hitzebeständigkeitstemperatur von Flüssigkristall-Flächenelementen erreicht) eine Veränderung ihrer Form oder Struktur. Dann sind die Flüssigkristalle an der eine Veränderung ihrer ursprünglichen Struktur erfahrenden Ausrichtungsschicht nicht normal ausgerichtet, wodurch verhindert ist, dass die Flüssigkristalle problemlos funktionieren.
Wie in den 2 und 3B gezeigt, wird eine Nano-Struktur-Form 120 auf dem mit dem wärmehärtenden Ausrichtungsmittel 130 versehenen Substrat 111 angeordnet.
Die Nano-Struktur-Form 120 wird gebildet durch Bilden einer mit einer Kerbe 112 (oder mit mehreren Kerben 112) und einem Vorsprung 114 (oder mehreren Vorsprüngen 114) versehenen Formvorlage 110 auf einem Quarzsubstrat oder Siliziumwafer(Si-Wafer)-Substrat durch ein Verfahren wie etwa Elektronenstrahl-Lithographie oder holographische Lithographie, wie aus 4 ersichtlich, Beschichten der Formvorlage 110 mit einem Polymer 108 mit gummiartigen Eigenschaften unter Verwendung einer Beschichtungsvorrichtung (z. B. eines Druckers) 118, Unterziehen der sich ergebenden Formvorlage 110 samt Beschichtung einer Wärmehärtung oder einer Lichthärtung und Rückübertragen der Kerbe oder der Kerben 112 und des Vorsprungs oder der Vorsprünge 114 der Formvorlage 110 auf das Polymer 108.
Infolgedessen weist die Nano-Struktur-Form 120 eine Kerbe oder mehrere Kerben 122, welche dem Vorsprung oder den Vorsprüngen 114 der Formvorlage 110 entspricht/entsprechen, und einen Vorsprung oder mehrere Vorsprünge 124, welcher/welche der Kerbe oder den Kerben 112 der Formvorlage 110 entspricht/entsprechen, auf. Des Weiteren wird die Nano-Struktur-Form 120 aus einem Gummi-Polymer 108 hergestellt, insbesondere aus Polydimethylsiloxan (PDMS), welches ein Lösungsmittel in einem lösungsmittelreichen wärmehärtenden Ausrichtungsmittel 130 wirkungsvoll absorbieren kann.
Wie in den 2 und 3C gezeigt, kontaktiert die Nano-Struktur-Form 120 das Ausrichtungsmittel 130. Das mit der Nano-Struktur-Form 120 in Kontakt kommende Ausrichtungsmittel 130 wird für ungefähr 0 Minuten bis ungefähr 20 Minuten bei Umgebungstemperatur/Umgebungsdruck (z. B. bei Raumtemperatur (ungefähr 20°C) und Normaldruck (ungefähr 1 bar)) gelagert. Hierbei verlängert sich die Lagerdauer mit zunehmender Dicke des Ausrichtungsmittels 130. Die Lagerdauer gibt die Zeitdauer an, während derer die Nano-Struktur-Form 120 in Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel 130 belassen wird. Infolgedessen durchdringt das in dem Ausrichtungsmittel 130 vorhandene Lösungsmittel die Außenfläche der Nano-Struktur-Form 120 und das Ausrichtungsmittel 130 bewegt sich in die Kerbe oder die Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 hinein und bildet so eine Ausrichtungsschicht 140. Wie aus den 3E und 4 ersichtlich, weist die Ausrichtungsschicht 140 ein von der Kerbe oder den Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 rückübertragenes Vorsprungs-Muster 144 und ein von dem Vorsprung oder den Vorsprüngen 124 der Nano-Struktur-Form 120 rückübertragenes Kerben-Muster 142 auf.
Wie in den 2 und 3D gezeigt, wird die die Nano-Struktur-Form 120 kontaktierende Ausrichtungsschicht 140 mittels einer Heizvorrichtung, z. B. auf einer Heizplatte, 132 bei einer Temperatur von 100°C bis 120°C für ungefähr 1 Minute bis ungefähr 20 Minuten vorgehärtet. Während des Vorhärtungs-Prozesses wird das Lösungsmittel in der Ausrichtungsschicht 140 verdampft. Da die Heizvorrichtung 132 in Form eines Transportbandes, in welchem Heizdrähte eingebettet sind, ausgebildet ist, wird das mit der Ausrichtungsschicht 140 versehene Substrat 111 vorgehärtet und dann auf eine in den Prozessverlauf eingebundenen Weise (engl. „in an in-line manner”) zu einem darauffolgenden Prozess weitergeleitet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Vorhärten durchgeführt, nachdem die Nano-Struktur-Form 120 die Ausrichtungsschicht 140 kontaktiert, wodurch, im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall, in dem der Kontakt nach dem Vorhärten erfolgt, der Gesamtprozess vereinfacht wird und verhindert wird, dass die Ausrichtungsschicht 140 zerstört wird.
In dem herkömmlichen Fall, in dem die Ausrichtungsschicht vorgehärtet wird und dann in Kontakt mit der Nano-Struktur-Form kommt, wird sie insbesondere bei dem Prozess des Vorhärtens teilweise gehärtet. Aus diesem Grund wird die Nano-Struktur-Form notwendigerweise bei einem starken Druck von 3000 N/cm² bis 15000 N/cm² zusammengepresst oder aufgepresst, um die Ausrichtungsschicht zu strukturieren. Außerdem werden zusätzliche Druck- oder Kompressions-Vorrichtungen für solch einen Kompressions-Prozess benötigt, wodurch die Kosten erhöht werden und ein Prozess verkompliziert wird. Außerdem führt der starke Druck der Kompressions-Vorrichtungen zur Zerstörung der aus dem Ausrichtungsmittel hergestellten Schicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hingegen ist in dem Fall, in dem die Ausrichtungsschicht 140 in Kontakt mit der Nano-Struktur-Form 120 kommt und dann vorgehärtet wird, die mit der Nano-Struktur-Form 120 kontaktierte Ausrichtungsschicht 140 noch nicht gehärtet und kann daher lediglich unter dem inhärenten Druck der Nano-Struktur-Form 120, ohne einen zusätzlichen Kompressions-Prozess, strukturiert werden.
Dementsprechend wird durch die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit von zusätzlichen Kompressions-Vorrichtungen beseitigt, was zu reduzierten Kosten und vereinfachten Prozessen führt und ein herkömmliches Problem verhindert, nämlich das Zerstören der Ausrichtungsschicht aufgrund hoher Drücke.
Wie in den 2 und 3E gezeigt, wird die Nano-Struktur-Form 120 von der Ausrichtungsschicht 140 getrennt.
Wie in den 2 und 3F gezeigt, wird die von der Nano-Struktur-Form 120 getrennte Ausrichtungsschicht 140 in einem Ausheizofen 138 bei 230°C bis 250°C höher als die Vorhärte-Temperatur für ungefähr 15 Minuten bis 20 Minuten ausgehärtet, so dass eine Imidierung durchgeführt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher die Ausrichtungsschicht 140 von der Nano-Struktur-Form 120 getrennt und dann ausgehärtet, wodurch die Gesamtprozessdauer reduziert wird und die Prozesseffizienz verbessert wird.
Insbesondere kontaktiert in dem herkömmlichen Fall, in dem die Nano-Struktur-Form ausgehärtet wird und dann von der Ausrichtungsschicht getrennt wird, die Nano-Struktur-Form die Ausrichtungsschicht während des Aushärtens. Dementsprechend sollte die Nano-Struktur-Form zum Durchführen des Aushärtens ebenfalls in dem Ausheizofen aufgenommen sein und der Ausheizofen sollte daher große Abmessungen haben. Außerdem ist, während die Nano-Struktur-Form die Ausrichtungsschicht kontaktiert, das Substrat zusammen mit den Nano-Struktur-Formen in dem Ausheizofen aufgenommen und somit ist Anzahl benötigter Nano-Struktur-Formen gleich der Gesamtanzahl der Substrate. Aus diesem Grund sind die Prozesskosten erhöht und die Prozesseffizienz ist verschlechtert.
Hingegen wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausrichtungsschicht 140 von der Nano-Struktur-Form 120 getrennt und wird dann ausgehärtet, somit kann das Substrat 111 von der Nano-Struktur-Form 120 getrennt werden, um in dem Ausheizofen 138 aufgenommen zu werden, wodurch die Größe des Ausheizofens im Vergleich zu herkömmlichen Fällen reduziert werden kann. Außerdem werden Ausrichtungsschichten 140 unter Verwendung einer einzigen Nano-Struktur-Form 120 auf einer Mehrzahl von Substraten 111 strukturiert ausgebildet und dann von der Nano-Struktur-Form 120 getrennt, wodurch ermöglicht ist, dass eine von der Nano-Struktur-Form 120 unabhängige Mehrzahl von Substraten 111 in einer Kassette aufgenommen werden kann und dann gleichzeitig in dem Ausheizofen 138 erhitzt werden kann. Daher kann die Anzahl von Nano-Struktur-Formen 120 verringert werden, wodurch Prozesskosten verringert werden und die Prozesseffizienz verbessert wird.
Außerdem wird die Nano-Struktur-Form 120 aus einem hydrophoben wärmehärtenden Gummi-Polymer hergestellt, welches unter Umgebungsbedingungen (z. B. bei Raumtemperatur (ungefähr 20°C) und Normaldruck (ungefähr 1 bar)) einen Kontaktwinkel von 100 Grad bis 120 Grad aufweist (z. B. bei Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel oder der Ausrichtungsschicht). In diesem Fall ist die Haftkraft zwischen der Ausrichtungsschicht 140 und der hydrophoben Nano-Struktur-Form 120, welche einander kontaktieren, geringer als die Haftkraft zwischen der Ausrichtungsschicht 140 und der darunter angeordneten dünnen Schicht. Demzufolge kann die Ausrichtungsschicht 140, obwohl vor dem Aushärten von der Form getrennt, ihre ursprüngliche Form oder Struktur, d. h. das Kerben-Muster 142 und das Vorsprungs-Muster 144, beibehalten.
Wie aus den 2 und 3G ersichtlich, wird das mit der Ausrichtungsschicht 140 versehene Substrat 111 aus dem Ausheizofen 138 entfernt, um die Herstellung der Ausrichtungsschicht abzuschließen.
Als solche weist die vorliegende Erfindung auf: Auftragen (z. B. schichtförmiges Auftragen) eines Ausrichtungsmittels, Vorhärten unter Verwendung einer Nano-Struktur-Form und Aushärten, um eine Ausrichtungsschicht zu bilden. Dadurch ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, die Herstellungsdauer der Ausrichtungsschicht zu verkürzen. Außerdem wird nach der vorliegenden Erfindung wärmehärtendes Polyimid verwendet, um die Ausrichtungsschicht zu bilden, wodurch im Vergleich zu lichthärtenden Ausrichtungsschichten die Flüssigkristall-Betriebsstabilität verbessert wird. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit zusätzlicher Kompressions-Vorrichtungen und Kompressions-Prozesse, um das Ausrichtungsmittel unter Verwendung der Nano-Struktur-Form zu strukturieren, beseitigt, wodurch ein vereinfachter Prozess und eine verkürzte Prozessdauer ermöglicht werden.
Die Nano-Struktur-Form 120 zum Ausbilden der Ausrichtungsschicht 140 weist indes die Form einer Rechteckwelle (wobei z. B. die Breite der Kerben 122 gleich der Breite der Vorsprünge 124 sein kann), wie in den 3B und 5A gezeigt, oder einer Sinuswelle, wie in 5B gezeigt, auf (z. B. kann eine Außenfläche der Nano-Struktur-Form 120 die Form einer Rechteckwelle oder Sinuswelle aufweisen).
Des Weiteren hat die Kerbe oder haben die Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 eine Tiefe von 10 nm bis 100 nm, und der Vorsprung oder die Vorsprünge 124 hat/haben ein Rastermaß (engl. „pitch”, d. h. Abstand beispielsweise zweier äquivalenter Positionen zweier benachbarter Vorsprünge) von 100 nm bis 1000 nm. Die Tiefe D des Kerben-Musters 142 der Ausrichtungsschicht 140, welches unter Verwendung solch einer Nano-Struktur-Form 120 ausgebildet ist, kann geringer sein als die Tiefe (d. h. 10 bis 100 nm) der Kerbe oder der Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120, wie aus 6A ersichtlich, und das Rastermaß P des Vorsprungs-Musters 144 kann geringer sein als das Rastermaß (d. h. 100 bis 1000 nm) des Vorsprungs oder der Vorsprünge 124 der Nano-Struktur-Form 120.

Flüssigkristallmaterial 160 ist normalerweise entlang einer Längsrichtung des Kerben-Musters 142 der Ausrichtungsschicht 140 auf der Ausrichtungsschicht 140 ausgerichtet-, wie in 6A gezeigt, wodurch die gewünschte Schwarz-Leuchtdichte erreicht wird, wie aus 6B und Tabelle 1 ersichtlich.

Rastermaß des Vorsprungs-Musters (P)/Tiefe des Kerben-Musters (D)	200 nm (P)/10 nm (D)	400 nm (P)/30 nm (D)	1000 nm (F)/40 nm (D)	2000 nm (P)/70 nm (D)
Ausrichtung von Flüssigkristallmaterial	gut	gut	gut	schlecht (Licht-Leckage)

Tabelle 1

Wenn hingegen die Kerbe oder die Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 eine Tiefe von weniger als 10 nm haben, wird das Vorsprungs-Muster 144 der Ausrichtungsschicht 140 unvollständig ausgebildet, und wenn die Tiefe der Kerbe oder der Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 eine Tiefe von 100 nm übersteigt, kann die Ausrichtungsschicht 140 nicht zu einer maximalen Höhe der Kerbe oder der Kerben 122 der Nano-Struktur-Form 120 ausgedehnt werden, was es unmöglich macht, das Vorsprungs-Muster 144 der Ausrichtungsschicht 140 mit einem gewünschten Niveau zu bilden.
Außerdem wird, wenn der Vorsprung oder die Vorsprünge 124 der Nano-Struktur-Form 120 ein Rastermaß von weniger als 100 nm hat/haben, die Ausrichtungsschicht 140 unvollständig strukturiert, und wenn der Vorsprung oder die Vorsprünge 124 der Nano-Struktur-Form 120 ein Rastermaß von mehr als 1000 nm hat/haben, werden Flüssigkristalle auf dem unter Verwendung der Nano-Struktur-Form 120 gebildeten Kerben-Muster 142 der Ausrichtungsschicht 140 nicht wie gewünscht ausgerichtet. Das heißt, wenn der Vorsprung oder die Vorsprünge 124 der Nano-Struktur-Form 120 ein Rastermaß von mehr als 1000 nm hat/haben, hat das Kerben-Muster 142 der Ausrichtungsschicht 140 eine erhöhte Breite, wodurch eine ungeordnete Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials 160 anstatt einer Ausrichtung in einer Längsrichtung verursacht wird, wie in 7A gezeigt.
Das führt zu einer unerwünschten Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials, verursacht somit Licht-Leckage und macht es unmöglich, die gewünschte Schwarz-Leuchtdichte zu erreichen, wie aus 7A und Tabelle 1 ersichtlich.
Dementsprechend wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Nano-Struktur-Form 120 zum Ausbilden der Ausrichtungsschicht 140 derart ausgebildet, dass sie eine Kerbe oder mehrere Kerben 122 mit einer Tiefe von 10 bis 100 nm und einen Vorsprung oder mehrere Vorsprünge 124 mit einem Rastermaß von 100 bis 1000 nm aufweist.
Die Verankerungsenergie der unter Verwendung solch einer Nano-Struktur-Form 120 gebildeten Ausrichtungsschicht 140 variiert in Abhängigkeit von dem Rastermaß und der Tiefe von deren Flächenstruktur, wie in der folgenden Gleichung (I) dargestellt. Das heißt, mit zunehmender Tiefe des Kerben-Musters 142 der Ausrichtungsschicht 140 oder mit abnehmendem Rastermaß des Vorsprungs-Musters 144 nimmt die Verankerungsenergie zu. A_E = 1 / 2KD²q³ (I)
In Gleichung (I) ist A_E die Verankerungsenergie, D ist die Kerbentiefe der Ausrichtungsschicht und q ist 2π/(Rastermaß des Vorsprungs-Musters der Ausrichtungsschicht).

Die mittels der Gleichung (I) berechnete Verankerungsenergie der Ausrichtungsschicht ist relativ hoch, wie aus Tabelle 2 ersichtlich, wobei Tabelle 2 Werte enthält, welche zu der Verankerungsenergie A_E beispielsweise proportional sein können (bei gleicher Normierung).

		Tiefe (nm)
		10	30	50	70	100
Rastermaß (nm)	200	3.9 × 10^–7	3.5 × 10^–6	9.7 × 10^–6	1.9 × 10^–5	3.9 × 10^–5
	400	4.8 × 10^–8	4.4 × 10^–7	1.2 × 10^–6	2.4 × 10^–6	4.8 × 10^–6
	600	3.1 × 10^–9	2.8 × 10^–8	7.8 × 10^–8	1.5 × 10^–7	3.1 × 10^–7

Tabelle 2

Mittels Tabelle 2 kann bestätigt werden, dass das Ausrichtungsvermögen der Ausrichtungsschicht direkt proportional zu dieser Verankerungsenergie ist, so dass die Ausrichtung von Flüssigkristallen mittels einer Ausrichtungsschicht 140, welche ein Kerben-Muster 142 mit einer Tiefe und ein Vorsprungs-Muster 144 mit einem Rastermaß innerhalb der hierin festgelegten Bereiche aufweist, entsprechend verbessert wird.
Die Ausrichtungsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist derweil in dem in 8 dargestellten Flüssigkristall-Flächenelement verwendet. Speziell weist das in 8 dargestellte Flüssigkristall-Flächenelement ein Dünnschichttransistor-Substrat 150 und ein Farbfilter-Substrat 170 auf, welche einander zugewandt gegenüberliegen.
Das Farbfilter-Substrat 170 weist auf: eine Schwarz-Matrix 174, um Licht-Leckage zu verhindern, ein an einem oberen Substrat 172 angeordnetes Farbfilter 176, um Farben wiederzugeben, eine Gegenelektrode 178, um ein elektrisches Feld mit der Pixel-Elektrode zu bilden, einen Stütz-Abstandshalter (nicht dargestellt), um einen Zellen-Zwischenraum beizubehalten, und eine obere Ausrichtungsschicht 182, um die resultierende Anordnung abzudecken.
Das Dünnschichttransistor-Substrat 150 weist auf: eine Gate-Leitung 156 und eine Daten-Leitung 154, welche einander auf dem unteren Substrat 152 kreuzen, einen nahe der Kreuzung der Gate-Leitung 156 und der Daten-Leitung 154 angeordneten Dünnschichttransistor 158, eine Pixel-Elektrode 148 in einem in Form eines Kreuzungsbereichs ausgebildeten Pixel-Bereich, und eine untere Ausrichtungsschicht 184, um die resultierende Anordnung abzudecken.
Die Komponenten des Flüssigkristall-Flächenelements, d. h. das Farbfilter 176, die Schwarz-Matrix 174, der Stütz-Abstandshalter (nicht dargestellt), der Dünnschichttransistor 158, die Gate-Leitung 156, die Daten-Leitung 154 und die Pixel-Elektrode 148, sind durch einen Strukturierungsprozess unter Verwendung der oben erwähnten Nano-Struktur-Form mit Kerben, welche jeweiligen Mustern entsprechen, gebildet.
Des Weiteren kann die unter Verwendung der Nano-Struktur-Form 120 gemäß der vorliegenden Erfindung strukturierte Ausrichtungsschicht 140 bei TN-Flüssigkristall-Flächenelementen, wobei die Pixel-Elektrode 148 und die Gegenelektrode 178 auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind, wie in 8 gezeigt, und bei IPS-Flüssigkristall-Flächenelementen, wobei die Pixel-Elektrode 148 und die Gegenelektrode 178 in oder auf, einem einzigen Substrat angeordnet sind, angewendet werden. Außerdem kann die Ausrichtungsschicht 140 bei jeglichen Flüssigkristall-Flächenelementen, welche Reibe-Prozesse erfordern, angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht für Flüssigkristallanzeigen bereit, welches aufweist: Auftragen eines Ausrichtungsmittels, Vorhärten unter Verwendung einer Nano-Struktur-Form und Aushärten, um eine Ausrichtungsschicht zu bilden. Dadurch kann die Bildung der Ausrichtungsschicht ohne zusätzliche Prozesse und ohne die erhöhte Prozessdauer, welche herkömmlichen Reibe-Verfahren mit sich bringen, durchgeführt werden. Außerdem wird nach der vorliegenden Erfindung wärmehärtendes Polyimid verwendet, um die Ausrichtungsschicht zu bilden, wodurch im Vergleich zu lichthärtenden Ausrichtungsschichten die Flüssigkristall-Betriebsstabilität verbessert wird. Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit zusätzlicher Kompressions-Vorrichtungen und Kompressions-Prozesse, um das Ausrichtungsmittel unter Verwendung der Nano-Struktur-Form zu strukturieren, beseitigt, wodurch ein vereinfachter Prozess und eine verkürzte Prozessdauer ermöglicht werden.
Ein Fachmann wird erkennen, dass im Rahmen der Erfindung verschiedene Modifikationen und Variationen der beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung soll daher die im Umfang der beigefügten Ansprüche enthaltenen Modifikationen und Variationen der exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung einbeziehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht (140) für eine Flüssigkristallanzeige, wobei das Verfahren aufweist: Beschichten eines Substrats (111) mit einem Ausrichtungsmittel (130), Anordnen einer Nano-Struktur-Form (120) mit einer Kerbe (122) und einem Vorsprung (124) in Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel (130), Vorhärten des Ausrichtungsmittels (130), Trennen der Nano-Struktur-Form (120) von dem Ausrichtungsmittel (130), und Aushärten des von der Nano-Struktur-Form (120) getrennten Ausrichtungsmittels (130), so dass eine Ausrichtungsschicht (140) gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Ausrichtungsmittel (130) wärmehärtendes Ausrichtungsmittel ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das wärmehärtende Ausrichtungsmittel (130) wärmehärtendes Polyimid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das wärmehärtende Ausrichtungsmittel (130) ein Lösungsmittel zu einem Anteil von 90 bis 98%, bezogen auf das Gesamtgewicht davon, enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schichtdicke des Ausrichtungsmittels (130) 100 nm bis 300 nm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kerbe (122) der Nano-Struktur-Form (120) eine Tiefe von 10 nm bis 100 nm hat und der Vorsprung (124) der Nano-Struktur-Form ein Rastermaß von 100 nm bis 1000 nm hat.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Nano-Struktur-Form (120) in Form einer Rechteckwelle oder Sinuswelle ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Vorhärtens aufweist: Lagern der Nano-Struktur-Form (120) und des Ausrichtungsmittels (130) bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck für 0 Minuten bis 20 Minuten, wobei die Nano-Struktur-Form (120) das Ausrichtungsmittel (130) kontaktiert, und Vorhärten des Ausrichtungsmittels (130) in Kontakt mit der Nano-Struktur-Form (120) mittels einer Heizvorrichtung (132) bei einer Temperatur von 100°C bis 120°C für 1 Minute bis 20 Minuten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ausrichtungsmittel (130) ein von der Kerbe (122) der Nano-Struktur-Form (120) rückübertragenes Vorsprungs-Master (144) und ein von dem Vorsprung (124) der Nano-Struktur-Form (120) rückübertragenes Kerben-Muster (142) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Aushärten in einem Ausheizofen (138) bei einer Temperatur von 230°C bis 250°C für 15 Minuten bis 120 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Nano-Struktur-Form (120) aus einem hydrophoben wärmehärtenden Gummi-Polymer mit einem Kontaktwinkel von 100 Grad bis 120 Grad hergestellt ist.
Vorrichtung zum Herstellen einer Ausrichtungsschicht (140) für Flüssigkristallanzeigen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats (111) mit einem Ausrichtungsmittel (130), eine Nano-Struktur-Form (120), welche eine Kerbe (122) und einen Vorsprung (124) aufweist und welche in Kontakt mit dem Ausrichtungsmittel (130) gebracht ist, eine Heizvorrichtung (132) zum Vorhärten des Ausrichtungsmittels (130), und einen Ausheizofen (138) zum Aushärten des von der Nano-Struktur-Form (120) getrennten Ausrichtungsmittels (130) zum Bilden einer Ausrichtungsschicht (140).
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Ausrichtungsmittel (130) mit einer Schichtdicke von 100 nm bis 300 nm auf das Substrat (111) aufgetragen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Kerbe (122) der Nano-Struktur-Form (120) eine Tiefe von 10 bis 100 nm hat und der Vorsprung (124) der Nano-Struktur-Form (120) ein Rastermaß von 100 nm bis 1000 nm hat.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Nano-Struktur-Form (120) in Form einer Rechteckwelle oder Sinuswelle ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Schritt des Vorhärtens aufweist: Lagern der Nano-Struktur-Form (120) und des Ausrichtungsmittels (130) bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck für 0 Minuten bis 20 Minuten, wobei die Nano-Struktur-Form (120) das Ausrichtungsmittel (130) kontaktiert, und Vorhärten des Ausrichtungsmittels (130) in Kontakt mit der Nano-Struktur-Form (120) mittels einer Heizvorrichtung (132) bei 100°C bis 120°C für 1 Minute bis 20 Minuten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Ausrichtungsmittel (130) ein von der Kerbe (122) der Nano-Struktur-Form (120) rückübertragenes Vorsprungs-Muster (144) und ein von dem Vorsprung (124). der Nano-Struktur-Form (120) rückübertragenes Kerben-Muster (142) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Aushärten in einem Ausheizofen (138) bei einer Temperatur von 230°C bis 250°C für 15 bis 120 Minuten durchgeführt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Nano-Struktur-Form (120) aus einem hydrophoben wärmehärtenden Gummi-Polymer mit einem Kontaktwinkel von 100 Grad bis 120 Grad hergestellt ist.
Flüssigkristall-Paneel, aufweisend mindestens eine durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellte Ausrichtungsschicht (140).