DE2529342C2

DE2529342C2 - Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle

Info

Publication number: DE2529342C2
Application number: DE2529342A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Tenri Nara Funada; Keiichiro Kyoto Shimizu
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE2529342A1; US4232947A; JPS542580B2; CH590490A5; JPS514996A; US4521080A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß bei optischen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen eine Vororientierung eines nematischen Flüssigkristalls mit nematischer Phase an der Zellenwandung einen erhöhten Kontrast der Lichtintensität zwischen aktiviertem und nichtaktiviertem Zustand der nematische?) Zelle zur Felge hat Bei einer Flüssigkristallzelle, die eine Schicht von Flüssigkristallmaterial mit nematisch Phase zwischen zwei Glasplatten, deren Innenseiten mit durchsichtigen Elektroden beschichtet sind, aufweist, kann man durch Reiben dieser Elektroden mit einem Tuch odes· Filtrierpapier eine Ausrichtung der Flüssigkristall? in Reibrichtung erzielen (US-PS 36 25 591 und US-PS 37 31 968). Um aus dem Reibvorgang zurückbleibende Rückstände auf der geriebenen Oberfläche zu vermeiden, kann man die Ausrichtung der Flüssigkristalle auch dadurch erreichen, daß man in der Glaspiatienoberfläche eine Vielzahl praktisch linienförmiger zueinander paralleler Nuten oder Erhebungen erzeugt beispielsweise durch Kerben, Gießen, Photolithographic oder loncnbcschuß (DE-OS 23 31 437).

Aus »Letters in Applied and Engineering Sciences«, 1973, Seite 19 bis 24, ist es bekannt daß man eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle nicht nur durch Reiben erreichen kann, sondern auch durch Schrägaufdampfen einer Schicht beispielsweise aus Siliziumoxid. Je nachdem, aus welchem Winkel gegenüber der Normalen der zu beschichtende Substratoberfläche aufgedampft wird, erhält man keine bevorzugte Orientierung der Flüssigkristalle (bei einem Aufdampfwinkel zwischen 0° und 45" gegenüber der Normalen), eine Ausrichtung der Flüssigkristalle parallel zur Substratoberfläche (bei einem Aufdampfwinkel von 45° bis 80° gegenüber der Normalen) oder eine Ausrichtung der Flüssigkristalle in Richtung zur Bedampfungsquelle (bei einem Winkel zwischen 80° und 90° gegenüber der Normalen).

Aus »Appl. Phys. Lett«, 1974, Seiten 47 bis 49 ist entnehmbar, daß man bei einer Schrägaufdampfung von Siliziumoxid oder Gold auf eine Substratplatte einer FKissigkristallanzcigevorrichlung statistisch über das Substrat verteilte Teilchen erhalten kann, denen je eine dreieckige Mulde auf der der Aufdampfquelle zbgewandten Seite zugeordnet ist. Mit einer solchen Struktur kiinn man eine Ausrichtung der Flüssigkristalle erreichen, und /war bis herab zu einem Aufdanipfwinkcl

von 35° gegenüber der Horizontalen.

Aus »Electronics Letters«, 1974, Seiten 141 und 142 ist es bekannt daß bei verdrehten nematischen Flüssigkristallen Fleckbildungen aufgrund unterschiedlich 5 orientierter Bereiche in der Flüssigkristallschicht auftretea Zur Abhilfe wird gleichgerichtetes Reiben einer sauberen Oberfläche mit Seidenpapier oder gleichgerichtetes Reiben einer auf das Substrat un*er einem Winkel von 30° schräg aufgedampften Beschichtung ίο empfohlen.

Zum Schrägaufdampfen benötigt man eine in einer Vakuumkammer untergebrachte Aufdampfvorrichtung. Diese ist nicht nur teuer, sondern für das Aufdampfen im Vakkum ist relativ viel Zeit erforderlich, was den Her-Stellungsvorgang für die Flüssigkristallzellen verzögert Zudem ist die Einhaltung bestimmter Aufdampfwinkel kritisch, was die Aufdampfvorrichtung weiter verkompliziert und verteuert und zu Produktionsausschüssen führen kann.

Aus »Physical Review Letters«, 1972, Seiten 1683 bis 1686 ist es bekannt daß gleichmäßiges Reiben der mit dem Flüssigkristallmaterial in Berührung kommenden Oberfläche der Substratplatte in zwei Dimensionsrichtungen ein Aufstellen der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Substratoberfläche bewirkt was unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art verfügbar zu machen, das einfacher und kostengünstiger als die mit Schrägaufdampjo fung arbeitenden Verfahren ist und mit dem sich Flüssigkristallzellen mit einer hohen Gleichmäßigkeit der optischen Anzeige innerhalb eines breiten Winkelbereichs der Beobachtung herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Bei einer erfindungsgemäß hergestellten Flüssigkristallzelle erhält man infolge der beiden Mikrorillenstrukturen sowohl eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle parallel zueinander entlang den durch Reiben erzeugten Rillen als auch eine zusätzliche Ausrichtung aller Flüssigkristallmolekül unter einem gleichen Winkel gegenüber den Elekirodenoberflächen. Dies führt zu einer äußerst homogenen Ausrichtung der Flüssigkristalle und damit zu einer sehr gleichmäßigen optischen Anzeigedarstellung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nur eine drehbare Trommel benötigt, auf der geeignete Schteifelemente angeordnet sind Der Vorgang der Herstellung der zweiten Mikrorillenstruktur benötigt keine Vorbereittingszeit wie eine Vakuum-Aufdampfvorrichtung, und eine solche drehbare Trommel mit Schleifclcmenten ist offensichtlich viel billiger als eine Vakuum-Aufdampfeinrichtung. Außerdem kann man je nach Auswahl der Schleifelemente zweite Mikrorillenstrukturen mit beliebigen Profilen erzeugen, wie sie sich für den jeweiligen Anwendungsfall am geeignetsten erweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigen

Fig. 1 bis 3 eine Flüssigkristallzelle mit nur einer Mibö krerillenstrutüur bekannter Art;

Fig.4 eine vergrößerte Ansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Elektrodenoberflächenstruktur·,

Fig. 5 Querschnitte durch andere erfindungsgemäß hergestellte Elektrodenoberflächenstrukturcn; b5 Fig. 6 eine Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung der Flüssigkristallmolcküle;

Fi g. 7 eine Flüssigkristallzelle, bei der im Gegensatz zu Fig. 6 keine homogene Ausrichtung der Flüssigkri-

Stallmoleküle auftritt;

F i g. 8 bis Il erfindungsgemäß hergestellte Strukturen, die für eine molekulare Ausrichtung von verdrehter nematischer Konfiguration geeignet sind; und

F i g. 12 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 bis 3 soll zunächst eine bisher gebräuchliche Technik der Herstellung von Flüssigkristallzellen erörtert werden.

Bei früherer. Feldeffekt-Flüssigkristallzelle!? ergibt sich eine Ungleichmäßigkeit des Anzeigekontrasts, wenn die Stärke des angewandten elektrischen Feldes gering ist F i g. 1 zeigt eine Flüssigkristallzelle, die bei Fehlen eines elektrischen Feldes lichtdurchlässig ist, während Fig.2 die Zelle bei Anliegen eines elektrischen Feldes zeigt F i g. 3 zeigt in schematisch vergrößerter Form die innere Oberflächenstruktur bei früheren Vorrichtungen, die Rillen mikroskopischer Größe aufweist.

Normalerweise ist eine nematische Flüssigkristallschicht 1 mit positiver dielektrischer Anisotropie zwischen zwei einander zugewandten parallelen Platten 2 und 3 eingeschlossen, von denen wenigstens eine gute Lichtdurchlässigkeitseigenschaften hat Die Platten 2 und 3 haben ebene und parallele, einander zugewandte innere Flächen, auf denen in der gesamten Ausdehnung oder nur teilweise sie überdeckend elektrisch leitfähige Elektroden vorgesehen sind, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind. Die beiden Elektroden sind über einen Schalter an eine Spannungsquelle 5 angeschlossen. An den Außenflächen jeder der parallelen Platten 2 und 3 sind gekreuzt zueinander angeordnete Polari.saloren 6 und 7 angeordnet

Nach den Lehren der vorgenannten US-Patentschriften werden die Innenflächen der Platten 2 und 3, die mit der Flüssigkristallschicht 1 in Berührung liegen, mit Stoff oder Leder in der gleichen Richtung gerieben, so daß die Struktur der Innenflächen mikrogerillt ist, wie F i g. 3 zeigt, bei der mehrere parallele Rillen dargestellt sind. Eine solche Mikrorillenstruktur hat zur Folge, daß sämtliche Moleküle des Flüssigkristalls in Reibrichtung ausgerichtet werden.

Wenn in der Flüssigkristallzelle ein elektrisches Feld erzeugt wird, neigen die Moleküle der Flüssigkristallschicht dazu, sich in Richtung des elektrischen Feldes auszurichten, wobei sich in bezug auf die Innenfläche der Platten 2 und 3 Neigungswinke! θ ergeben. Da die Moleküle der Flüssigkristallschicht keine eigene Polarisation wie etwa ferroelektrische Werkstoffe unter diesen Umständen aufweisen, ergibt sich eine Mischung der Moleküle L mit aer Neigungsrichtung θ und der Moleküle M mit der Neigungsrichtung —Θ. Das heißt, es ergeben sich zwei Typen molekularer Ausrichtung in Form einer gestörten Art. Das Vorherrschen eines solchen gemischten Zustands in der Flüssigkristallschicht verursacht Schwierigkeiten, weil das innere Energiepotential ziemlich hoch und nicht stabil ist. Tatsächlich können entsprechende Regionen der Ausrichtung L und der Ausrichtung M unabhängig voneinander bestehen, wie es im Fall magnetischer Domänen auftritt. Im Fall einfallenden Lichts bietet eine Mischung der Ausrichtungen L und M verschiedene Doppelbrechungsersche'inungen des auftreffenden Lichts. Darin liegt ein Hauptgrund für das Auftreten einer ungleichmäßigen optischen Wiedergabe, insbesondere Unregelmäßigkeiten der Färbung und des Kontrasts.

Bei einer erfindi'ngsgemäß hergestellten Flüssigkrstallzelle wird die Ausbildung entarteter Zustände der Flüssigkristallmoleküle dadurch unterdrückt, daß zusätzlich zur ersten, durch Reiben erzeugten Mikrorillenstruktur mit Hilfe einer Schleifelemente aufweisenden Trommel eine zusätzliche zweite Mikrorillenstruktur erzeugt wird, wobei diese zusätzliche Mikrorillenstruktur unsymmetrisches anisotropes Profil, vorzugsweise Sägezahnprofil, aufweist.

Die zweite Mikrorillenstruktur stellt eine Struktur dar, die aus einer Vielzahl Mikrorillen mit einer Tiefe ίο von 1 bis 1000 nm besteht, zu dem Zweck, die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu steuern. Jede der Mikrorillen kann entweder konkav oder konvex sein.

Fig.4 zeigt in vergrößertem Maßstab eine erfindungsgemäß hergestellte Ausführungsform im Unterschied zu der bereits erörterten Vorrichtung nach F i g. 3. Eine erste Mikrorillenstruktur nach F i g. 4(a) besteht aus Rillen mit einer Tiefe h von 1 bis 100 nm und einem Abstand λ von 1 bis 1000 nm. wobei ein im wesentlichen symmetrisches Profil vorliegt Entsprechend Fig.4(b} wird erfindungsgemäß eine zweite Rillenstruktur erzeugt, die im wesentlichen unsymmetrische, bei der dargestellten Ausführungsfc< ;n sägezahnförmige Profilform hat, und zwar an der in Kontakt mit der nematischen Flüssigkristallschicht stehenden Seite. So ergibt sich eine Oberflächenanisotropie zumindest in statistischer Weise und nicht unbedingt in ideal strenger Weise. Die gezeigte Sägezahnstruktur hat eine Tiefe h zwischen 1 und 100 nm und einen Periodenabstand β voni bis 1000 nm.

Fig.5 zeigt weitere Beispiele von asymmetrischen anisotropen Sägczahnprofilcn. Obwohl die Profilformen, bedingt durch Herstellungsunterschicdi:, unterschiedlich sind, sichern sie doch die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe. Die Oberflächenanisotropie nach F ι g. 5(a) besteht aus Sägezähnen mit flachem Steigungswinkel θ\ und mit scharfem Abfallwinkel — θι. Fig.5(b) zeigt die abwechselnde Anordnung von Vertiefungen 10 im Abstand λ\ und Rippen 11 im Abstand λι. F i g. 5(c) zeigt eine Anzahl Vertiefungen 12, die unter einem Winkel θι schräggestellt siwd, während in F i g. 5{d) unter einem Winkel & schräggestellte Vcsprünge 13 gezeigt sind.

F i g. 6 zeigt eine Ausführung einer Flüssigkristallzelle mit zwei Substratplatten, die erfindungsgemäß hergestellte Oberflächenstrukturen haben, um eine homogene Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht zu bewirken. Dabei ist die Rillenstruktur vergrößert dargestellt. Die erste Rillenstruktur der Innenfläche der hinteren Platte 14 und der vorderen Platte 15 ist parallel so zueinander gehalten. In bezug auf die zweite Rillenstruktur sollen die Verhältnisse so liegen, daß der flach ansteigende Teil Θ_Λ des Sägezahnprofils der hinteren Platte 14 zusammenfällt mit dem entsprechenden Teil θα der vorderen Platte 15, d.h. Θβ = Θα- In Fig. 7 ist eine Anordnung gezeigt, bei der diese Verhältnisse nicht vorliegen, d.h. hier ist Θβ = 180° — Θ_Λ.

Bei der in Fig.6 gezeigten Flüssigkristallzelle werden beim Anlegen eines elektrischen Feldes an die beiden Elektroden sich sämtliche Moleküle des Flüssigkristalls auf die flach ansteigende Richtung des Sägezahnprofils ausrichten, so daß innerhalb dieser Rillenstruktur die zuvor im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläuterte Entartung der Ausrichtung nicht auftritt. Das heißt, die Oberflächenanisotropien und damit die Neigungen der Sägezahnprofile an den beiden einander zugewandten inn.-ren Oberflächen sind komplementär zueinander und reduzieren damit die freie Energie in der Flüssigkristallschicht.

Zur einfachen Erläuterung der Richtung der Asymetrie oder Anisotropie in der zweiten Rillenstruktur ist in Fig.8 der Vektor R angegeben. Dementsprechend ist in F i g. 6 die Vektoreinrichtung R\ an der hinteren Platte 14 entgegengesetzt zur Vektoreinrichtung /?> an der vorderen Platte 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein anwendbar bei Flüssigkristallzellen, bei denen Moleküle mit verdrehter nematischer Struktur ausgerichtet werden. Bekanntlich wird die molekulare Ausrichtung all- in mählich von der hinteren zur vorderen Platte gedreht und ist die Drehrichtung entweder rechts oder links herum. Optisch aktive Materialien, ζ Β. Cholesterol-, Alkohol- oder Amidoderivate. bewirken bei Zugabe zur nematischen Flüssigkristallschicht Rechts- oder Links- r> dreheigenschaften. Es ist üblich.den Verdrehiingswinkel mit ungefähr 90" zu wählen.

Fig. 9 /cigt die Beziehung /wischen der Obcrflächenanisoiropie b/.w. dem hierfür maßgeblichen Vektor der zweiten Rillenstruktur und dem günstigsten .»ei Beobachtungswinkel, wenn es sich um eine rechtsdrehende nematische Flüssigkristallzelle handelt. Wenn der Vektor R₁ der zweiten Rillenstruktur der hinteren Platte nach rechts unten gerichtet ist. sollte der Vektor /?j der vorderen Platte nach rechts oben gerichtet gewählt werden. Der durch Schraffierung gekennzeichnete Quadrant ist der Beobachtungsbereich. Ähnlich zeigt Fig. 10 die Beziehungen bei einer linkdsdrehendcn nematischen Flüssigkristallzelle. Es ist zu beachten, daß für Anzeigezwecke der Beobachtungsbereich sich wesent- jo lieh von dem bei üblichen Flüssigkristallanzeigen anzuwendenden Bereich unterscheidet.

Fig. 11 zeigt die inneren Oberflächenstrukturen einer erfindungsgemäß hergestellten nematischen Flüssigkristallzelle mit Rechtsdrehung. An der hinteren Plat- is te 16 ist die erste Mikrorillenstruktur schräg nach rechts unten gerichtet (vgl. Strichlinicn) zu wählen, und auch der Vektor der zweiten Mikrorillenstruktur ist nach rechts unten gerichtet entsprechend /?i zu wählen. Auf der Vorderplatlc 17 ist die erste Mikrorillcnstruktur schräg nach rechts oben gerichtet (vgl. Vollinie) gewählt, und der Vektor oder die Anisotropie der zweiten Mikrorillenstruktur soll nach rechts oben entsprechend dem Vektor /?? gewählt werden.

Zur Herstellung entsprechender Oberflächenstrukturen wird die erste Mikrorillenstruktur durch in einer Richtung erfolgendes Reiben oder Bürsten der Innenflächen der Substratplatten mit Stoff oder dergleichen erzeugt. Fig. 12 zeigt den neuen Teil des Verfahrens, bei dem eine Trommel in einer Richtung umläuft, die an ihrem Umfang feine Schleifelemente aufweist und die Innenflächen der Substratplatten gleichzeitig mit der Trommelumdrehung bearbeitet.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man eine Flüssigkristailzeile mit nematischer Flüssigkristallschicht, deren Elektrodenschichten je eine durch Reiben oder Bürsten erhaltene erste Mikrorilienstruktur und eine durch Trommelschleifen erhaltene zusätzliche zweite Mikroriilenstruktur aufweisen, die ein asymmetrisches anisotropes Profil in der Längsachse eo der ersten Mikrorillenstruktur hat. vorzugsweise ein Sägezahnprofil. Diese Kombination der Mikrorillenstrukturen ergibt in den inneren Oberflächen eine räumliche anstatt einer flächenhaften Oberfiächenamsotropie. Die Oberflächenanisotropie in den beiden einander zügewandten Innenflächen ist so zu wählen, daß diese Oberflächenanisotropicn einander bei der gleichmäßigen Ausrichtung der l-'litssigkriMallniolckiilc unterstützen und daher die freie Energie der Flüssigkristallmoleküle verringern. Auf diese Weise werden Ungleichmäßigkeiten bei der Wiedergabe verringert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung einer Fiüssigkristallzel-Ie mit zwei parallelen Platten, von denen jede einen Elektrodenüberzug aufweist von denen mindestens eine durchsichtig ist und zwischen denen sich eine feldeffektgesteuerte Flüssigkristallschicht befindet, bei dem zur Herstellung einer Mikrorillenstruktur die Plattenoberfläche in einer Richtung gerieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenoberfläche zur Herstellung einer in der Längsachse der ersten Mikrorillenstruktur ein asymmetrisches Profil aufweisenden zweiten Mikrorillenstruktur mit auf einer sich drehenden Trommel angeordneten Schleifelementen bearbeitet wird.