DE3417363C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle umfassend ein Flüssigkristallmaterial, eingeschichtet zwischen zwei Substraten, und auf wenigstens einem Substrat eine trans­ parente Elektrode, wobei das Substrat ein Polymer mit aromatischer Heterokette mit einem Glasübergangspunkt (Tg) von mindestens 80°C ohne sekundäre Übergänge zwischen -50°C und +80°C und einem thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten, welcher dem der Elektrode angepaßt ist, umfaßt und das Polymer wiederkehrende chemische Einheiten be­ sitzt, die gegenüber sichtbarem Licht nicht reaktiv sind.

Bei Flüssigkristall-Anzeige (LCD)-Einrichtungen wird ein Flüssigkristallmaterial, das zwischen zwei Substraten geschichtet ist, verwendet. Auf den Substraten getragene Elektroden werden durch ein elektrisches Potential selektiv erregt, wodurch eine turbulente Strömung von Flüssigkristallmolekülen eintritt (Lichtstreuungs-Typ) oder die Moleküle in einer neuen Richtung orientiert werden (Feldeffekt-Typ), so daß die Bereiche der Flüssig­ kristallflüssigkeit, die dem elektrischen Feld ausgesetzt sind, heller oder dunkler als die Hintergrundbereiche er­ scheinen, wenn eine Betrachung in polarisiertem Licht vor­ genommen wird. Die Anzeigesysteme sind entweder reflek­ tierend, wobei in diesem Fall das Rückseitensubstrat re­ flektierend und das Vorderseitensubstrat transparent ist, oder durchlässig, wobei in diesem Fall beide Substrate transparent sind und der Hintergrund der Anzeige beleuch­ tet wird.

Bei herkömmlichen Flüssigkristallzellen wird Glas als Substratmaterial verwendet, wie in IBM Techn. Discl. Bull., Vol. 15, No. 2, Juli 1972, offenbart. Die Herstel­ lung von Glassubstrat-LCD-Einrichtungen mit Meßdicken von weniger als 0,508 mm ist aufgrund der Zerbrechlichkeit von Glas schwierig. Wird Glas als Substrat verwendet, muß es in der elektronischen Einrichtung mit einem unzerbrech­ lichen, transparenten Kunststoffenster geschützt werden, was zu einer Verteuerung der Einrichtungen führt. Darüber hinaus verringert die Verwendung von Glas und des durch­ sichtigen Kunststoffensters aufgrund der Gesamtdicke der Schichten den effektiven Betrachtungswinkel. Es ist wichtig, den Abstand zwischen dem hinteren, reflektieren­ den Polarisator und der Flüssigkristallschicht auf ein Minimum herabzusetzen, um den Parallaxen-Effekt zwischen dem "On"-Segment und dem Schatten des "On"-Segments zu verhindern, wodurch ein weiterer Betrachtungswinkel resultiert. Der Unterschied im Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials und der Glassubstrate führt bei herkömmlichen Glasanzeigen zu einem weiteren Effekt, der als "Bildverschwimmen" bekannt ist.

Die Eigenschaften der Substrat- und/oder Elektrodenober­ flächen, die in innigem Kontakt mit dem Flüssigkristall­ material sind, können die Orientierungsrichtungseinstel­ lung der Kristallneigung in diesen Bereichen beeinflussen.

Dies trifft insbesondere für Glassubstrate aus bisher un­ bekannten Gründen zu. Ebenso wird beim reflektierenden Typ eine nichtleitende Oberfläche, auf der das Elektroden­ muster gebildet werden muß, benötigt, wodurch die Wahl geeigneter Substrate eingeschränkt ist. Üblicherweise werden Glassubstrate, die Polarisatoren mit Spiegelbe­ schichtungen auf der Rückseite aufweisen, eingesetzt. Die Qualität der Anzeige ist eine Funktion des Kontrastes zwi­ schen dem elektrisch aktivierten Bereich und dem Hinter­ grundbereich.

Die Entwicklung großflächiger Flüssigkristallzellen ist beschränkt, da der wirksame Betrachungswinkel direkt im Verhältnis zur Dicke der Glassubstrate abnimmt. Darüber hinaus enthält Glas ionische Verunreinigungen, beispiels­ weise Natriumionen, welche sich auf das Flüssigkristall­ material unter Verursachung eines erhöhten Batterie­ leistungsverbrauch schädigend auswirken.

Die US-PS 42 28 574 beschreibt die Verwendung von optisch klaren Polymerfilmen, wie Mylar, Polyethylen, Triphthalat, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Cellulosetriacetat, Cellu­ loseacetat und Cellulosebutyrat als Substrate. Die DE-OS 32 35 277 beschreibt Substrate aus Polyester, Polycarbonat oder Polyurethan. Die DE-OS 31 05 855 offenbart die Ver­ wendung von Polymethacylat und Polycarbonat als Substrat­ material und die DE-OS 29 15 847 offenbart die Verwendung von Acrylat, Methacrylat, Acetat, Polycarbonat, Polyester und Polyurethan als Substratmaterial. Diese Materialien sind jedoch chemisch unbeständig und werden durch die meisten organischen Lösungsmittel, Säuren und Basen angegriffen. Versuche, solche Materialien zu verwenden, haben aufgrund deren instabilen Natur in Gegenwart des Flüssigkristallmaterials oder aufgrund deren Unverträg­ lichkeit mit den Umgebungsbedingungen, wie Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen, fehlgeschlagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flüssig­ kristallzelle zur Verfügung zu stellen, die ein Substrat enthält, das gegenüber dem Flüssigkristallmaterial und den Verarbeitungsmaterialien, die zur Herstellung von Flüssig­ kristallzellen verwendet werden, im wesentlichen nicht reaktiv ist, mit den Umgebungsbedingungen, einschließlich Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen sowie natürlichem Licht, verträglich ist und das mit dem einfallenden Licht bei normalen Betrachtungswinkeln nicht interferiert.

Diese Aufgabe wird durch eine Flüssigkristallzelle der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Polymer aus der Gruppe, bestehend aus Poly­ diorganosiloxan, Poly-2,2-bis-4′-phenylenpropancarbonat, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon und Poly­ imid, gewählt wird.

Es hat sich gezeigt, daß ein Polymermaterial, das zur Verwendung als Kunststoff-Substrat in einer Flüssigkri­ stallzelle geeignet ist, sehr einheitliche Eigenschaften hinsichtlich des Glasübergangspunktes (T_g) und Schmelz­ punktes (T_m), des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der chemischen Beständigkeit, der Umgebungsstabilität, der optischen Eigenschaften und der Kristallinität aufweisen sollte.

Die Umgebungsbedingungen beim Betrieb einer Flüssigkri­ stallzelle können im Bereich von -50 bis +80°C liegen. Ein Kunststoff-Substratmaterial, das innerhalb dieses Tempe­ raturbereichs verwendet werden soll, muß einen Glasüber­ gangspunkt (T_g) und/oder Schmelzpunkt (T_m) von mindestens 80°C oder darüber besitzen und das Kunststoffmaterial sollte keinen sekundären Übergang im Temperaturbereich von -50 bis +80°C zeigen.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substratfilms oder -folie wird auf folgende Art und Weise reguliert:

• 1. durch Einstellen des Kristallinitätsgrades, der von den Verarbeitungstemperaturen und den Streckungs- oder Extrusionsrichtungen abhängt und
• 2. durch Variieren des Streckungs- bzw. Ziehverhältnisses des Films oder der Folie bei der Extrusion oder Form­ gebung, so daß die während der Herstellung erzeugten, inneren Spannungen auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die chemische Beständigkeit kann durch verschiedene Ver­ fahren verbessert werden. Einerseits wird ein inerter Kunststoff so gewählt, daß das Flüssigkristallmaterial und die Verarbeitungschemikalien (Säuren, Basen, organische Lösungsmittel) den Kunststoff nicht angreifen. Anderer­ seits wird die Kristallinität während der Verarbeitung oder dem darauffolgenden Tempern kontrolliert. Des wei­ teren wird eine wirksame Schicht von ungefähr 4 bis 5 µm Dicke aus einem wärmehärtenden Silikon-, Epoxy- oder Urethanharz als Schutzschicht aufgebracht, um dem Polymerfilm oder -folie chemische Beständigkeit zu verleihen.

Die Umgebungsstabilität wird durch eine Anzahl von Fakto­ ren bestimmt, bespielsweise wird UV-Stabilität durch Ein­ arbeitung einer wirksamen Menge von weniger als 1 Gew.-% eines UV-Absorbers, wie Hydrochinon, in das Polymersub­ strat vorgesehen.

In Zellen, bei denen verdrillte, nematische Flüssigkri­ stalle verwendet werden, ist es im allgemeinen erwünscht, daß das Substrat keine oder nur eine geringe Färbung besitzt bei Betrachtung zwischen querliegenden oder pa­ rallelen, polarisierenden Materialien bei normalen Be­ trachtungswinkeln, beispielsweise bei einer Achsenentfer­ nung von nicht mehr als 45°. Diese Forderung wird da­ durch erfüllt, daß die Substrate aus einem Film- oder Folienmaterial, das wiederkehrende chemische Einheiten enthält, die durch Licht nicht leicht polarisiert werden (d. h. signifikante Mengen an Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen dürfen nicht enthalten sein) oder aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden.

Wird ein Polymer gewählt, das keine wiederkehrende Ein­ heit, in der eine sehr leicht polarisierbare Gruppe vorliegt, besitzt, muß die Polymerkette mittels des Streckungsverhältnisses in der Weise orientiert werden, daß eine übermäßige Wechselwirkung des Lichts mit dem Polymermaterial bei normalen Betrachungswinkeln verhin­ dert wird.

Ein anderer Zwang bezüglich der optischen Eigenschaften ergibt sich aufgrund der Kristallinität. Liegt die Kristallgröße in dem Polymerfilm oder -folie in der Größenordnung der Wellenlänge von sichtbarem Licht, d. h. bei 350 bis 750 µm, treten Interferenzen mit dem einfal­ lenden Licht auf. In Abhängigkeit der Menge, der Art und Größe der im Polymerfilm vorliegenden Kristallite, kann ein breiter Bereich an Farben bei Betrachtung zwischen querliegenden oder parallelen Polarisatoren beobachtet werden. Dieses Problem kann durch Regulierung der Kri­ stallgröße, so daß die Größe eines einzelnen Kristalls wesentlich geringer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht ist, deutlich verringert werden. Die Kristallinität wird durch Regulierung der Mikrostruktur der Polymerketten und der Menge an kurz- und langkettigen Verzweigungen va­ riiert.

Eine erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle unter Verwen­ dung eines Polymersubstrats, das den vorgenannten Forde­ rungen gerecht wird, umfaßt eine Schicht aus einem Pola­ risationsmaterial, ein Substrat aus einem Polymer mit aromatischer Heterokette, eine transparente Elektrode, wie Indium-Zinnoxid, Ausrichtungsmaterialien, wie Polyvinyl­ alkohol, ein Flüssigkristallmaterial, wie Biphenylester oder -nitril, Abstandshalterungsmaterialien, wie Glas, Polymerfasern oder keramische Kügelchen, ein organisches Abdichtmaterial, wie ein Epoxyharz, um die Flüssigkri­ stalle zu enthalten und einen Transflektor oder Reflek­ tor. Die Polarisatorschichten werden vorzugsweise aus einem Polymerfilm mit aromatischer Heterokette, der zu einem Laminat geformt wurde, hergestellt.

Eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkristallzelle ist in der Zeichnung, die eine Teilansicht einer Flüssigkristall-Anzeige-Zelle darstellt, gezeigt.

Die Ausdrücke "Folie" und "Film", wie hierin verwendet, werden wie folgt definiert:

• 1. "Folie" bezeichnet ein Substrat mit einer Dicke von 2,5 µm oder darüber und
• 2. "Film" bezeichnet ein Substrat mit einer Dicke von weniger als 2,5 µm.

Wie in der Zeichnung dargestellt, umfaßt die Flüssigkri­ stallzelle obere und untere Substrate 10, 12, die eine Dicke im Bereich von 0,1016 bis 2,032 mm aufweisen. Auf die Oberfläche des oberen Substrats 10 wird eine transpa­ rente Elektrode 14, wie Indium-Zinnoxid, die einen spezi­ fischen Widerstand von 100 bis 1000 Ohm pro Quadrat besitzt, abgeschieden. Eine transparente Elektrode 16, wie Indium-Zinnoxid, wird in ähnlicher Weise auf der Ober­ fläche des unteren Substrats 12 abgeschieden. Die transpa­ renten Elektroden 14, 16 werden mittels herkömmlicher, photolithographischer Verfahren, die in der Technik be­ kannt sind, in Form eines Musters vorgesehen, um eine alpha-numerische Segmentanordnung zu bilden. Die Elektro­ denmuster werden von dünnen, polymeren Ausrichtungsschich­ ten 18, 20, wie aus Polyimid oder Polyvinylalkohol, be­ deckt, welche als Isolator für die Elektroden und als Ausrichtungsschicht für das Flüssigkristallmaterial wirken.

Die Substrate 10, 12 werden dann ausgerichtet, so daß sich die Oberflächen mit den Elektrodenmustern gegenüberstehen und zueinander ausgerichtet sind. Die Substrate 10, 12 werden durch geeignete Abstandshalterungen, beispielsweise durch keramische Kügelchen oder durch einen ringförmigen Abstandsring (nicht gezeigt) in einer räumlichen Anordnung gehalten. Dann wird ein Klebering 22 auf eine Substrat­ oberfläche aufgetragen, die zwei Hälften zusammengesetzt und danach durch eine Kapillarfüllöffnung 24 mittels dem Vakuumfüllverfahren mit Flüssigkristallmaterial 26 ge­ füllt. Die Füllöffnung 24 wird dann mit einem Klebever­ schlußstöpsel 28, der mit dem Flüssigkristallmaterial 26 nicht reagiert und das Flüssigkristallmaterial von Verun­ reinigungen durch die Umgebung schützt, verschlossen.

Die Außenoberflächen der Substrate 10, 12 werden vorzugs­ weise mit einer Beschichtung 30 aus einem wärmehärtenden Silikon-, Epoxy- oder Urethanharz geschützt, um den Sub­ straten Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen und Abrieb bzw. Verschleiß zu verleihen.

Die Flüssigkristallzelle ist in der beschriebenen Weise wirksam. Um jedoch den Lichtstreueffekt zu erhalten, wenn der Flüssigkristall einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, sollte die Einrichtung Polarisatoren enthalten, so daß die optischen Achsen der vorderseitigen und rücksei­ tigen Polarisatoren um 90° zueinander orientiert werden. Es ist bevorzugt, daß der rückseitige Polarisator zu Beleuchtungszwecken eine Reflektor- oder Transflektor- Rückseite aufweist. Die Polarisatorschichten umfassen vorzugsweise ein Laminat aus einem Polymerfilm mit Heterokette.

Die Polymere sind vorzugsweise transparent, können jedoch gefärbt sein, wenn eine Anzeige erwünscht ist, bei der Farbe für den Betrachter vorteilhaft sein kann, etwa bei einem Strichdiagramm.

Eine Flüssigkristallzelle wird unter Anwendung der vorgenannten Materialien vorzugsweise durch ein chargen­ weises Platte-nach-Platte-Verfahren hergestellt. Die mittels einem solchen Verfahren hergestellten Zellen können in zahlreichen Anwendungen verwendet werden, etwa für Zeitgeber bzw. Zeitmeßgeräte, Rechner, elektronische Geräte, Vorrichtungen, Anzeigeinstrumente in Kraftfahr­ zeugen, Motorräder, Flugzeuge, Spiele oder für sämtliche Anwendungen, bei denen Informationen mit Computern oder Mikroprozessoren verarbeitet und in alpha-numerischer Form angezeigt werden.

Claims (3)

1. Flüssigkristallzelle, umfassend ein Flüssigkristallmaterial (26), eingeschichtet zwischen zwei Substraten (10, 12), und auf wenigstens einem Substrat eine transparente Elektrode (14), wobei das Substrat ein Polymer mit aromatischer Heterokette mit einem Glasübergangspunkt (Tg) von mindestens 80°C ohne sekundäre Übergänge zwischen -50°C und +80°C und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher dem der Elektrode angepaßt ist, umfaßt und das Polymer wiederkehrende chemische Einheiten besitzt, die gegenüber sichtbarem Licht nicht reaktiv sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer aus der Gruppe, bestehend aus Polydiorganosiloxan, Poly-2,2-bis-4′-phenylenpropancarbonat, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon und Polyimid, gewählt wird.

2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberflächen des Substrats mit einer Beschichtung (30) aus einem wärmehärtenden Silikon-, Epoxy- oder Urethanharz geschützt sind.

3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin mindestens einen Polarisator umfaßt.