DE3855344T2

DE3855344T2 - Flüssigkristall-Vorrichtung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE3855344T2
Application number: DE3855344T
Authority: DE
Inventors: Hidetaka Flat Ochiai Nakajima; Toshio Flat Atsugi Watanabe; Shunpei - Yamazaki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2008-10-25
Also published as: DE3855344T3; EP0314048B2; US4973138A; US5142395A; DE3855344D1; EP0314048B1; EP0314048A2; EP0314048A3

Description

GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkristallvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung derselben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
In den letzten Jahren haben ferroelektrische Flüssigkristallmaterialien die Aufmerksamkeit der Forscher aufgrund ihrer Quasi-Hysterese-Eigenschaften auf sich gezogen. Das Verhalten dieses Typs von Flüssigkristallvorrichtungen hängt stark vom Abstand zwischen einem Paar von Substraten ab, in dem das Flüssigkristallmaterial vorgesehen ist. Falls es ausgeprägte Ungleichmäßigkeiten im Abstand zwischen den Substraten gibt, streuen die Ansprechzeiten der jeweiligen enthaltenen Zellenelemente, und eine Verschlechterung des Anzeigeverhaltens und ungleichmäßige Farben sind die Folge.
Ein Flüssigkristallanzeigeelement ist aus der EP-A-0050357 bekannt. Ein derartiges Flüssigkristallanzeigeelement umfaßt ein Paar von Substraten, auf den einzelnen Oberflächen der Substrate ausgebildete Elektroden, eine zwischen den Substraten enthaltene Flüssigkristallschicht und ein eine Lücke einstellendes Material zum Aufrechterhalten einer Lücke zwischen den Substraten, wobei das die Lücke einstellende Material über das Substrat verteilt und an diesem durch einen isoherenden Filmüberzug fixiert ist. Das die Lücke einstellende Material umfaßt ein isolierendes Material und einen Polymerfeststoff, wobei das isolierende Material einen höheren Aufweichpunkt und höhere Starrheit aufweist als der Polymerfeststoff.
Aus der EP-A-0219242 sind Haftteilchen einer Größe von 0,3 bis 500 µm bekannt, wobei die Teilchen aus Epoxyharz bestehen, das wärmeausheilbar ist und eine sehr hohe Haftkraft aufweist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigkristailvorrichtung zu schaffen, in der eine Flüssigkristall schicht mit einer konstanten Dicke ausgebildet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Flüssigkristallvorrichtungen zu schaffen, ohne ein Abgehen von Abstandshaltern hervorzurufen, die die Wirkung haben, den Abstand zwischen einem Paar von Substraten konstant zu halten und ohne das Auftreten von Hohlräumen in einer Flüssigkristallschicht hervorzurufen, die zwischen dem Paar von Substraten ausgebildet sind.
Die vorhergehenden Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine erfindungsgemäße Flüssigkristallvorrichtung zeigt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das diejenigen Punkte einer Flüssigkristallvorrichtung zeigt, an denen Abstände gemessen wurden, um die Ungleichmäßigkeit der Substratlücke der erfindungsgemäßen Flüssigkristallvorrichtung zu ermitteln.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung zum Vorsehen eines Flüssigkristallmaterials zwischen einem Paar von Substraten einer Flüssigkristallvorrichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Fig. 1 ist eine erf indungsgemäße Flüssigkristallanzeige dargestellt. Nach der Figur umfaßt die Anzeige ein Paar von 310 mm x 220 mm großen Glassubstraten 1, transparente Elektrodenanordnungen 2, die auf gegenüberliegenden Innenseiten der Substrate 1 durch ein bekanntes Aufsputtern gebildet sind, Ausrichtungseinstellfilme aus Polyimid, die die innenseitigen Oberflächen der Substrate über der Elektrodenanordnung abdecken, schmelzbare Abstandshalter 5 und nichtschmelzbare Abstandshalter 4, die beide zwischen die Substrate 1 eingefügt sind, ein Abdichtelement 7 zum Verhindern des Verlusts von Flüssigkristallmaterial und eine Flüssigkristallschicht 9 aus einem ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial, das zwischen den Substraten 1 vorgesehen ist. Zum Betrieb werden gekreuzte Nicol-Prismen 8 an den beiden Außenseiten der Anzeigen vorgesehen. Die Elektrodenanordnungen sind mit zwei Sätzen von parallelen Elektrodenstreifen in orthogonaler Beziehung mittels bekannter Photolithographie vorgesehen. Nebeneinanderliegende Streifen sind mit Abständen von 20 µm beabstandet. Der durchschnittliche Durchmesser der schmelzbaren Abstandshalter ist im allgemeinen 3-5 mal größer als derjenige der nichtschmelzbaren Abstandshalter.
Die nichtschmelzbaren Abstandshalter 5 sind aus einer Vielzahl von Segmenten einer Glasfaser hergestellt. Die schmelzbaren Abstandshalter 4 sind aus einer Vielzahl von Epoxyteilchen mit 5,5 µm Durchmesser (Toraypearl, eine Handelsmarke für Abstandshalter, hergestellt von Toray Co.) hergestellt. Die Abstandshalter 4 und 5 sind zwischen den Substraten 1 durch den folgenden Vorgang verteilt. Die Glasfasersegmente von 2,5 Mikrometer durchschnittlichem Durchmesser und 10 Mikrometer durchschnittlicher Länge werden mit Freon (CFCl&sub2;) zu 2 giliter gemischt und ausreichend unter Anwendung von Ultraschallerregung verteilt. Die Freonmischung mit verteilten Fasern wird auf die Oberfläche eines Glassubstrats gesprüht. Auf die gleiche Weise werden Epoxyteilchen mit Freon zu einem Anteil von 1 g/Liter gemischt und darin dispergiert und auf der Oberfläche des Substrats verteilt. Zur anderen Seite wird ein gegenüberliegendes Glassubstrat vorgesehen, an dessem Rand ein Abdichtteil aus einem bei Wärme anziehenden Harz, wie einem Epoxyhaftstoff, durch Abdeckdruckauftragung vorgesehen ist. Die beiden Substrate werden verbunden und bei 180ºC für zwei Stunden unter einem Druck von 2 kg/cm² erwärmt, um die schmelzbaren Abstandshalter 5 und das Abdichtelement 7 zu fixieren. Dann wird eine Menge aus ferroelektrischem Flüssigkristallmaterial (CS-1011, von Tisso Co. hergestellt) zwischen die Substrate durch ein Vakuumeinbringverfahren eingefügt.
Aufgrund der zwei Arten von Abstandshaltern wird der Abstand zwischen den Substraten konstant gehalten. Die schmelzbaren Abstandshalter verhindern die Ausdehnung des Abstands, während die nichtschmelzbaren Abstandshalter die Einschnürung des Abstands verhindern. In dieser Beschreibung bedeutet "nichtschmelzbar" auch "nichteinschnürend".
Die Dichteverteilungen dieser Abstandshalter werden durch Einstellen der Sprühzeit gesteuert. Ein durchschnittlicher Abstand (Lücke) in Mikrometer und eine Standardabweichung (S.D.) wurden in Fällen mit veränderten Dichten der Abstandshalter 4 und 5 gemessen. Im folgenden sind die experimentellen Ergebnisse wiedergegeben. Probe Dichte (Abstandshalter) durchschnittliche Lücke (µm) S.D. Defekte wenige viele
Wie in den obigen Ergebnissen gezeigt ist, stellten die Proben B und D gute Vorrichtungen dar. Es ist insbesondere bestätigt, daß Probe B eine einheitliche Substratlücke, wenige Defekte und nur geringe Farbunregelmäßigkeiten aufwies. Obwohl Glasfaser zur Herstellung der nichtschmelzbaren Abstandshalter in dieser Ausführungsform verwendet wurde, können stattdessen Aluminiumsalze oder geeignete organische Materialien verwendet werden.
Als nächstes wird ein nicht in der vorliegenden Anmeldung beanspruchtes Vergleichsbeispiel beschrieben. Dieses Vergleichsbeispiel ist für den Fall geeignet, daß das Hauptproblem in Hohlräumen besteht, die in der Flüssigkristallschicht aufgrund des Zusammenziehens des Flüssigkristallmaterials auftreten, das beim Vorsehen des Flüssigkristalls mit der Abkühlung einhergeht. In diesem Fall ist es unerwünscht, in perfektem Maße die Veränderung des Abstands zwischen dem Paar von Substraten zu verhindern. Aufgrund der unterschiedlichen Temperatur während der Herstellung zieht sich die Flüssigkristallschicht zusammen, und falls die Abstandsänderung aufgrund der Abstandshalter unmöglich ist, müssen Hohlräume in der Schicht auftreten, um das Zusammenziehen des Flüssigkristallmaterials zu kompensieren. Die Flüssigkristallschicht wieder verursacht eine Erhöhung des Abstands zwischen dem Substratpaar während ihres Einfügungsvorgangs.
Die für das Vergleichsbeispiel verwendeten Abstandshalter bestehen aus elastischem schmelzbaren Material, das ein Zusammenziehen und Ausdehnen im gewissen Maße erlaubt. Der Aufbau und der Herstellungsvorgang sind im wesentlichen zu dem der ersten Ausführungsform gleich. Eine Gleichförmigkeit des Abstands zwischen den Substraten und die Orientierung des Flüssigkristallmaterials wurden für verschiedene Dichten (/mm²) von Abstandshaltern ermittelt. Im folgenden sind die experimentellen Ergebnisse wiedergegeben. Probe Dichte der Abstandshalter Gleichmäßigkeit des Abstands Orientierung des Flüssigkristalls schlecht weniger gut gut
Im Falle der Probe 1 lösten sich Abstandshalter von der Oberfläche des Substrats während des Einfügens des Flüssigkristalls in den Raum zwischen dern Substratpaar ab und allmählich wurde der Abstand ungleichmäßig. Die Probe 2 folgt dem, jedoch war die Anzahl von sich ablösenden Abstandshaltern ge ringer als bei der Probe 1. Bei den Proben 9, 10 und 11 waren die Abstnde erhht. Bei den Proben 10 und 11 war die Orientierung des Flüssigkristalls gestört. Es folgen Daten von gemessenen Abständen in Mikrometer an den in der Fig. 2 gezeigten Punkten für die Proben 1, 5 und 10. Demgemäß ist die gewünschte Dichte von Abstandshaltern 3 bis 15 mm&supmin;². Punkt Probe
Der augenfällige Unterschied zwischen dem ersten und dem Vergleichsbeispiel besteht in der Anzahl von Abstandshaltern. Der Abstandshalter 5 nach der ersten Ausführungsform ist derart, daß keine Ausdehnung erlaubt ist, und deshalb ist ein Ablösen der Abstandshalter sehr wahrscheinlich und die Anzahl der Abstandshalter muß erhöht werden. Im Falle des Vergleichsbeispiels können die Abstandshalter die Ausdehnung des Abstands zwischen den Substraten absorbieren und daher ist die notwendige Anzahl von Abstandshaltern klein.
Eine Gleichmäßigkeit und Hohlräume wurden in Fällen mit verändertem Grad von Schrumpfung (Zusammenzugs-/Ausdehnungsgrad) der Abstandshalter ermittelt. Die Ergebnisse sind nachfolgend wiedergegeben. Probe Schrumpfungsgrad Gleichmäßigkeit Hohlraum gut weniger gut schlecht vorhanden keine
Gemäß den obigen Ergebnissen liegt der bevorzugte Grad der Schumpfung im Bereich von 10 % bis 35 %. Die Proben 8, 9 und 10 waren nicht annehmbar aufgrund der Ausdehnung des Abstandes wegen des hohen Schrumpfungsgrads. Es folgen Daten der an den in der Fig. 2 gezeigten Punkten gemessenen Abständen in Mikrometer für die Proben 1, 5 und 10. Punkt Probe
In der Praxis können Abstandshalter mit unterschiedlichem Schrumpfungsgrad vorgesehen werden, indem eine Mischung mehrerer Arten von Abstandshaltern mit unterschiedlichem Schrumpfungsgrad in Kombination verwendet wird. Zum Beispiel wird ein effektiver Grad von 27,5 % durch Verwendung von ersten Abstandshaltern mit einem Grad von 5 % und zweiten Abstandshaltern mit einem Grad von 50 % bei einem Anteil von 1:1 erhalten. Im folgenden sind die an den in der Fig. 2 gezeigten Punkten gemessenen Abstände in Mikrometer in den Fällen wiedergegeben, bei denen die Kombination verwendet wurde, nur die ersten Abstandshalter verwendet wurden und nur die zweiten Abstandshalter verwendet wurden. Punkt Kombination erste Abstandshalter zweite Abstandshalter
Die Ausdehnung des gepaarten Substrats und die einhergehende überschußbeladung mit Flüssigkristallmaterial kann durch Verwendung des folgenden Verfahrens zum Vorsehen des Flüssigkristallmaterials vermieden werden.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung zum Vorsehen des Flüssigkristallmaterials zwischen einem Substratpaar der Flüssigkristallvorrichtung zeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer 10, eine Vakuumpumpe 19 zum Evakuieren der Vakuumkammer, eine mit Drehmomentschrauben 15 versehene Presse 12, ein Paar von Platten 12 und 14, die gegenüberliegende glatte, innenseitige Oberflächen aufweisen, die genau parallel zueinander ausgerichtet sind, einen Akkumulator 7, der darin das Flüssigkristallmaterial enthält und zum Einfüllen des Flüssigkristallmaterials in den Raum zwischen dern Substratpaar geeignet ausgebildet ist, und eine Heizvorrichtung 16, die genau unterhalb der Platte 14 vorgesehen ist.
Eine Flüssigkristallvorrichtung wird vor dem Befüllungsvorgang zwischen das Plattenpaar 12 und 14 gegeben und durch Drehen der Drehmomentschrauben 15 auf 1 kg/cm² zusammengepreßt. In diesem Zustand wird der Druck in der Kammer 10 durch die Vakuumpumpe 19 auf 1 x 10&supmin;&sup4; Torr verringert. Die Temperatur der Vorrichtung wird gleichzeitig auf 150ºC mittels der Heizvorrichtung erhöht. Dann wird eine Menge an Flüssigkristallmaterial, wie eines ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials, in einen Einlaßkanal geschüttet, der am Rand der Flüssigkristallvorrichtung vorgesehen ist, und der Druck in der Kammer wird auf Atmosphärendruck zurückgeführt, indem N&sub2;-Gas bei 20 cc/min eingelassen wird. Nachfolgend sind Daten für den an den in der Fig. 2 gezeigten Punkten gemessenen Abstand in Mikrometer in den Fällen wiedergegeben, in denen der Flüssigkristall in die Flüssigkristallvorrichtung mit und ohne die Anwendung von Druck eingefüllt wurde. Punkt Vorrichtung unter Druckanwendung Vorrichtung ohne Druckanwendung
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei Verwendung in ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtungen wirkungsvoll. In Flüssigkristallvorrichtungen dieser Art treten wesentliche Volumenänderungen während des Betriebs auf und die Betriebslebensdauer hängt in großem Maße vom Widerstand gegen die Volumenänderungen ab, die in Form von Mikroschwingungen auftreten können. Die Verwendung von Abstandshaltern aus elastischem Material kann derartige Mikroschwingungen absorbieren. Das elastische Material kann organisches elastisches Material oder geeigntes inorganisches Material sein.
Während mehrere Ausführungsformen insbesondere beschrieben wurden, sei klargestellt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen beschriebenen Beispiele beschränkt ist und daß Abwandlungen und Veränderungen durchführbar sind, ohne vom Bereich der Erfindung entsprechend den beiliegenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

1. Eine Flüssigkristallvorrichtung mit:

einem Paar von Substraten (1);

einer Elektrodenanordnung (2), die auf wenigstens einem der Substrate (1) ausgebildet ist;

einer Vielzahl von Abstandshaltern (4, 5), die schmelzbare Abstandshalter (5) und nichtschmelzbare Abstandshalter (4) enthalten, die zwischen dern Substratpaar (1) vorgesehen sind, um einen Abstand zwischen den Substraten konstant zu halten; und

einer Flüssigkristallschicht (9), die zwischen den Substraten (1) eingefügt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Verteilungsdichte der schmelzbaren Abstandshalter (5) 50 bis 150 Teilchen/mm² beträgt.

2. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nichtschmelzbaren Abstandshalter (4) aus Glasfasern hergestellt sind.

3. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser der schmelzbaren Abstandshalter (4) 3 bis 5 mal so groß wie der Durchmesser der nichtschmelzbaren Abstandshalter (5) ist.

4. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die schmelzbaren Abstandshalter (5 )aus einem elastischen Material mit einer Haftfähigkeit sind und eine Elastizität aufweisen, die Änderungen des Abstands von 10 bis 35 % erlauben, wobei das Flüssigkristallmaterial ein ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial ist.

5. Ein Verfahren zum Herstellen von Flüssigkristallvorrichtungen, mit folgenden Schritten:

Vorsehen einer Elektrodenanordnung (2) auf den innenseitigen Oberflächen eines Paars von Substraten (1);

Verteilen einer Vielzahl von Abstandshaltern (4, 5), die schmelzbare und nichtschmelzbare Abstandshalter enthalten, auf wenigstens einer der innenseitigen Oberflächen der Substrate;

Zusammenfügen der Substrate (1), die mit der Elektrodenanordnung (2) und den Abstandshaltern (4, 5) versehen sind, und

Einfüllen einer Menge von Flüssigkristallmaterial (9) zwischen das Paar von Substraten

dadurch gekennzeichnet, daß

der Schritt des Verteilens einer Vielzahl von Abstandshaltern ein Verteilen der schmelzbaren Abstandshalter mit einer Verteilungsdichte von 50 bis 150 Teilchen/mm² umfaßt, und daß während des Verteilens des Flüssigkristallmaterials zwischen dem Paar von Substraten ein entgegengesetzter Druck an die gegenüberliegenden Oberflächen der gepaarten Substrate angewendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 mit den weiteren Schritten:

Anordnen der zusammengefügten Substrate in einer Vakuumkammer;

Evakuieren der Vakuumkammer;

Gießen einer Menge an Flüssigkristallmaterial in einen Einlaßkanal, der am Rand der gepaarten Substrate vorgesehen ist; und

Anheben des Drucks der Vakuumkammer, um zu bewirken, daß das Flüssigkristallmaterial in den Raum zwischen den Substraten aufgrund eines Druckunterschieds zwischen dem Raum und der Vakuumkammer eintritt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Durchmesser der schmelzbaren Abstandshalter vor ihrer Verteilung 1,5 bis 3 mal größer ist als der der nichtschmelzbaren Abstandshalter.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Abstand zwischen den Substraten 2 bis 8 Mikrometer beträgt.