DE3431150A1

DE3431150A1 - Verfahren zur herstellung einer orientierungsschicht fuer eine fluessigkristallanzeige

Info

Publication number: DE3431150A1
Application number: DE19843431150
Authority: DE
Inventors: Hermann Mellingen Amstutz; Dieter Baden Heimgartner; Meinolph Rütihof-Baden Kaufmann; Terry Dr. Forch Scheffer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1986-03-06

Description

22.8.1984 86/84

Verfahren zur Herstellung einer Orientierungsschicht für eine Flüssigkristallanzeige

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Orientierungsschicht für die Flüssigkristallmoleküle einer Flüssigkristallanzeige gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist z.B. bekannt aus dem Artikel von M.J. Little et al. in "Liguid Crystals and Ordered Fluids" Vol. 3, Plenum Publ. Corp. 1978, S. 497-511.

In der Technik der Flüssigkristallanzeigen ist es seit langem üblich, zur Verbesserung der Anzeigegualität zwischen der Flüssigkristallschicht und den die Flüssigkristallschicht begrenzenden, mit Elektrodenschichten versehenen Substratplatten Orientierungsschichten vorzusehen. Diese Orientierungsschichten weisen eine strukturierte Oberfläche auf und bewirken aufgrund der Oberflächenstruktur eine Vorverkippung (engl. "pretilt") der benachbarten Flüssigkristallmoleküle. Zugleich verhindern die Orientierungsschichten das Fliessen eines Gleichstroms durch die Flüssigkristallschicht und tragen

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so zur Erhöhung der Lebensdauer einer solchen Anzeige bei.

Bei Flüssigkristallanzeigen worn bekannten TN-Typ (Jwisted (_Nematic) mit 9Q°-Verdrillung und homogener Orientierung besteht die einzelne Orientierungsschicht meist aus einer organischen Polymer-Deckschicht, deren Oberfläche mit einem Tuch in einer bestimmten Vorzugsrichtung gerieben worden ist (siehe z.B.: T. Umeda et al., Jap. J. Appl. Phys. ^O (11), S. 2025-2031 (1981)). Mit diesem Reibeverfahren können allerdings nur Vorverkippungswinkel von wenigen Grad, relativ zur Oberfläche der Deckschicht gemessen, erreicht werden.

Derartig kleine Vorverkippungswinkel ergeben für TN-Anzeigen ausgezeichnete Resultate hinsichtlich der Multiplexierbarkeit und des Sichtwinkelbereichs (siehe z.B.: L.A. Goodman et al., IEEE Trans. Elec.-Dev. ED-23 (10), S. 1176-1182 (1976)).

Andere bekannte Typen von Flüssigkristallanzeigen wie beispielsweise die hochmultiplexierbaren Bistabilzellen (siehe z.B.: J. Cheng, J. Appl. Phys. Vb^ (8), S. 5584-5595 (1982)) arbeiten jedoch mit wesentlich höheren Vorverkippungswinkeln im Bereich von 20° bis 70°. Diese hohen Winkel können durch geriebene Polymer-Deckschichten nicht erreicht werden.

Vielmehr werden die Orientierungsschichten für solche Flüssigkristallanzeigen in bekannter Weise durch schräges Aufdampfen von Siliziumoxid, Titanoxid oder ähnlichen anorganischen Substanzen hergestellt.

Das Schrägaufdampfen von anorganischen Orientierungsschichten erfordert im Unterschied zur Herstellung geriebener Polymer-Deckschichten eine umfangreiche Vakuum-

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apparatur. Dies hat neben hohen Gerätekosten lange Abpumpzeiten und ein begrenztes Raumangebot zur Folge und führt daher zu erhöhten Herstellungskosten in der Grosserienfertigung.

Darüber hinaus ergibt sich aus der Divergenz des won einer nahezu punktförmigen Quelle ausgehenden Dampfstrahls eine Variation in der azimutalen Orientierung der Flüssigkristallmoleküle, die, insbesondere bei grossflächigen Anzeigen, eine Verschlechterung der Anzeigequalität nach sich zieht.

Schliesslich ist eine anorganische Orientierungsschicht der organischen Polymer-Deckschicht hinsichtlich der Blockierfähigkeit von Gleichströmen deutlich unterlegen, so dass bei Anwendung des Schrägaufdampf-Verfahrens eine verringerte Lebensdauer der Flüssigkristallanzeige in Kauf genommen werden muss.

Die aufgezählten Nachteile einer schrägaufgedampften Orientierungsschicht treffen gleichermassen auf eine Orientierungsschicht zu, die nach einem anderen bekannten Verfahren, nämlich durch Plasma-Ionenätzen hergestellt wird. Dieses Ionenätzverfahren ist in der eingangs genannten Druckschrift ausführlich beschrieben.

Es geht aus von einer anorganischen SiO^-Deckschicht, die durch Hochfrequenz-Sputtern auf die Substratplatte aufgebracht wird. Zur Strukturierung der Oberfläche wird ein Teilchenstrahl aus Ar-Ionen, d.h. mikrokopischen Partikeln, verwendet, welcher unter einem Winkel von etwa 20° relativ zur Oberfläche auf die Deckschicht auftrifft.

Durch die gerichtete Abtragung von Deckschichtmaterial mittels der beschleunigten Ar-Ionen wird eine nicht

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näher beschriebene Oberflächenstruktur erreicht, die den benachbarten Flüssigkristallmolekülen einen Vorverkippungswinkel von etwa 4° aufprägt.

Zusätzlich zu den durch Vakuumapparatur, Strahldivergenz und anorganische Deckschicht bedingten Nachteilen weist das Ionenätzverfahren den weiteren Nachteil auf, dass für das Aufbringen der Deckschicht ein zweiter unter Vakuumbedingungen ablaufender Prozess notwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Herstellung einer Orientierungsschicht anzugeben, welches schnell und einfach und ohne aufwendige Vakuumapparaturen durchzuführen ist, die Verwendung einer organischen Polymer-Deckschicht erlaubt, für grosse Flächen geeignet ist und zu Orientierungsschichten führt, die einen vergleichsweise hohen Vorverkippungswinkel der Flüssigkristallmoleküle ermöglichen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, einen schräg auf die Oberfläche der Deckschicht auftreffenden Teilchenstrahl mit makroskopischen Partikeln zu benutzen, um mittels der auftreffenden und abprallenden makroskopischen Partikel wulstartige Aufwerfungen auf der Oberfläche zu erzeugen.

Im Unterschied zu den bekannten Schrägaufdampf- und Ionenätzverfahren erfolgt bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Strukturierung weder durch Aufbringen oder Abtragen von Material, sondern im wesentlichen durch Zusammenschieben von bereits vorhandenem Material zu wulstartigen Erhebungen, die zu einer Verkippung

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der Flüssigkristallmoleküle führen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als makroskopische Partikel Glaskugeln mit einem Durchmesser von weniger als 25 um verwendet, die mittels Druckluft durch eine Düse auf die Oberfläche einer Deckschicht aus Polyimid-Polymer geschleudert werden.

Die Erfindung soll nun nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 den Querschnitt durch eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Orientierungsschicht (im vergrösserten Ausschnitt); und

Fig. 3 die Draufsicht auf eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Orientierungsschicht (im vergrösserten Ausschnitt).

In der Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Auf einer Substratplatte 4, die üblicherweise aus Glas besteht, ist eine Elektrodenschicht 3 angeordnet. Die Elektrodenschicht 3, z.B. eine transparente Zinnoxidschicht, ist hier der Einfachheit halber durchgängig gezeichnet, weist jedoch im Normalfall eine Strukturierung auf, die der Art der Flüssigkristallanzeige entspricht (Segment- oder Matrixanzeige).

Auf die Elektrodenschicht 3 ist eine Deckschicht 2 aus einem Polymer, vorzugsweise einem Polyimid, aufgebracht. Solche organischen Deckschichten sind an sich aus der

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Technologie der TN-Anzeigen bekannt. Die Schichtfolge aus Substratplatte 4, Elektrodenschicht 3 und Deckschicht bildet nach der Strukturierung der Deckschicht-Oberfläche den oberen oder unteren Teil einer Flüssigkristallanzeige.

Zur Strukturierung der Oberfläche der Deckschicht 2 ist eine Düse 1 vorgesehen, durch deren Oeffnung makroskopische Partikel 5 auf die Deckschicht-Oberfläche geschleudert werden. Unter makroskopischen Partikeln werden hier im Unterschied zu den mikrokopischen, atomaren Ionen des Ionenätzverfahrens Partikel aus massivem Material verstanden, deren Durchmesser im Mikrometer-Bereich liegen.

Die Düse 1 ist gegen die Oberfläche der Deckschicht 2 um einen Winkel geneigt, der in weiten Grenzen variiert werden kann, vorzugsweise jedoch etwa 20° beträgt.

Als makroskopische Partikel 5 können mit Vorteil kleine Glaskugeln verwendet werden, die einen Durchmesser kleiner 100 um aufweisen. Diese Glaskugeln werden mit Druckluft durch die Düse 1 gepresst, in dem austretenden Luftstrom mitgerissen, und treffen auf die Oberfläche der Deckschicht 2 auf, wo sie Deckschichtmaterial zu einem Wulst zusammenschieben und wieder abprallen.

Anstelle der Glaskugeln können jedoch auch Partikel 5 aus einem anderen Material, z.B. Metall, Verwendung finden, sofern das Material eine ausreichende Festigkeit besitzt, um den Aufprall auf die Oberfläche ohne grössere Deformation zu überstehen.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, statt eines Gasstroms einen Flüssigkeitsstrahl, z.B. Wasser, durch die Düse 1 zu schicken, um die Partikel 5 auf die Oberfläche zu schleudern.

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Naturgemäss sind auch andere Methoden zur Erzeugung eines Strahls mit schnellen Partikeln anwendbar. So können beispielsweise die bereits beschriebenen Glaskugeln elektrisch geladen und in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Desgleichen können Partikel beliebiger Art vom Umfang einer rotierenden Scheibe auf die Oberfläche der Deckschicht geschleudert werden.

Schliesslich lassen sich zur vereinfachten Strukturierung grosser Flächen auch eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Düsen oder eine Düse verwenden, welche parallel zur Oberfläche der Deckschicht 2 eine längliche, schlitzförmige Düsenöffnung aufweist und einen Teilchenstrahl erzeugt, der in einem Arbeitsgang die Oberfläche in ihrer gesamten Breite überstreicht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist nachfolgend ein praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel angegeben:

Beispiel: Auf ein Glassubstrat (25 mm χ 45 mm) wurde durch einen aus der Halbleitertechnologie bekannten

Schleuderprozess eine etwa 400 A dicke Deckschicht aus einem Polyimid-Polymer aufgebracht. Das beschichtete Substrat wurde während der Strukturierung mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s unter dem Teilchenstrahl aus einer schräggestellten Düse vorbeigezogen. Die Düse hatte eine rechtwinklige Düsenöffnung von 4,0 mm χ 0,1 mm, einen Abstand zum Substrat von etwa 90 mm, und war gegen die Substratebene um 20° geneigt. Durch die Düse wurden mit einem Luftdruck von 4 at Glaskügelchen mit einem Durchmesser kleiner 25 ^m auf die Deckschicht geschleudert. Nach der Strukturierung wurde in bekannter Weise (T.J. Scheffer und J. Nehring, J. Appl. Phys. 4_8 (5), S. 1783-1792 (1976)) die Vorverkippung eines Flüssigkristalls vom Typ ZLI-2293 (Merck) an der strukturierten Deckschicht gemssen. Der Vorverkippungswinkel betrug 5°.

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Es ergab sich ferner, dass die lokale optische Achse (der sogenannte Direktor) des Flüssigkristalls bei dieser Vorverkippung zu derjenigen Richtung geneigt war, in welche die Glaskügelchen abprallen. Eine SEM (jJcanning Electron Microscope)-Aufnahme der auf diese Weise strukturierten Deckschicht zeigte, dass die aufprallenden Glaskugeln flache, ovale und kraterähnliche Eindrücke in der Oberfläche hinterlassen und auf der dem einfallenden Teilchenstrahl abgewandten Seite jedes Eindrucks halbkreisförmige Wülste aus Deckschichtmaterial aufwerfen, welche für die Vorverkippung der anliegenden Flüssigkristallmoleküle im wesentlichen verantwortlich sind.

Der Vorgang der Wulstbildung lässt sich anhand der schematisierten Abbildung aus Fig. 2 erläutern. Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch die Schichtfolge der Fig. 1 nach der erfindungsgemässen Strukturierung in einem vergrösserten Ausschnitt. Der Uebersichtlichkeit halber sind nur die durch zwei auftreffende Partikel erzeugten Strukturen beispielhaft dargestellt.

Beide Strukturen weisen eine im Querschnitt längliche Vertiefung 7 und am einen Ende der Vertiefung einen Wulst 6 auf. Der Wulst 6 besteht aus Deckschichtmaterial und ist durch die aufprallende Partikel aufgeworfen worden. Um diesen Vorgang zu verdeutlichen, sind in der rechten der -beiden Strukturen gestrichelt die Positionen einer Partikel, zu Beginn des Aufpralls und am Ende des Aufpralls eingezeichnet.

In der Draufsicht sind die von mehreren Partikeln erzeugten Strukturen in Fig. 3 gezeigt, wobei für die gleichen Elemente wiederum die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wie in den vorangegangenen Figuren. Dargestellt sind die ovalen Vertiefungen 7 und die annähernd halb-

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kreisförmigen Wülste 6. Da die Partikel aus dem Teilchenstrahl stets eine gewisse Schwankungsbreite im Durchmesser haben, ergeben sich in der Grosse entsprechend abgestufte Strukturen.

Insgesamt gesehen erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung von Orientierungsschichten für Flüssigkristallanzeigen auf der Basis von organischen Deckschichten und für vergleichsweise hohe Vorverkippungswinkel.

Claims

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1.* Verfahren zur Herstellung einer Orientierungsschicht für die Flüssigkristallmoleküle einer Flüssigkristallanzeige, bei welchem Verfahren die Oberfläche einer Deckschicht durch Einwirkung eines schräg auftreffenden Teilchenstrahls strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl makroskopische Partikel (5) enthält, und die Oberfläche im wesentlichen mittels dieser Partikel (5) strukturiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5) einen Durchmesser kleiner als 100 um, vorzugsweise kleiner als 25 jum aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5) Glaskugeln sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5) Metallkugeln sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5) mittels Gasdruck, vorzugsweise mittels Druckluft, durch wenigstens eine schräg auf die Oberfläche gerichtete Düse (1) gepresst werden und als Teilchenstrahl die Düse (1) verlassen.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5) zusammen mit einer Flüssigkeit durch wenigstens eine schräg auf die Oberfläche gerichtete Düse (1) gepresst werden und als Teilchenstrahl die Düse (1) verlassen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deckschicht 2 aus einem Polymer, vorzugsweise

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einem Polyimid-Polymer verwendet wird und die Deck-

schicht (2) eine Dicke von 100 bis 1000 A, vorzugs-

weise etwa 400 A, aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (1) mit einer Oeffnung von etwa 0,5 mm² verwendet wird und der Gasdruck etwa 4 at beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (1) gegenüber der Oberfläche der Deckschicht (2) um etwa 20° geneigt ist.