DE4430810A1 - Flüssigkristallanzeige - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall­ anzeige (LCD) und insbesondere auf eine LCD mit Mitteln zur Orientierung und optischen Phasenverzögerung.

Da Oberflächenorientierung von Flüssigkristall eine wichtige Methode zur Herleitung einer gleichförmigen Orien­ tierung von Flüssigkristallmolekülen ohne irgendeine Ein­ wirkung durch ein elektrisches oder magnetisches Feld oder auch intensives Licht ist, ist allgemein unter den Kernher­ stellungstechniken für LCDs die Oberflächenorientierung des Flüssigkristalls in einem Dünnschichtzustand von großer Bedeutung. Zu verschiedenen bekannten Verfahren gehören die Vakuumabscheidung von Siliziumoxid, das Reiben eines Poly­ merfilms (beispielsweise Polyimid, Nylon, Teflon und Polyvi­ nylalkohol), die Herstellung von Rillen, die Herstellung einer Langmuir-Blodgett-Polyimidschicht und die Adsorption eines grenzflächenaktiven Stoffes an einer Oberflächen­ schicht. In Anbetracht von Produktivität bei der Massenfer­ tigung und Zuverlässigkeit wird obige geriebene Polyimid­ schicht in weitem Maße verwendet (siehe US 3 834 792 und US 3 994 567).

Eine wichtige physikalische Variable bei der Flüssig­ kristallorientierung ist der Vorneigungswinkel an der Ober- Orientierungsoberfläche eines Flüssigkristallmoleküls. Der Vorneigungswinkel ist bei einer verwundenen nematischen (TN) LCD verhältnismäßig klein (ungefähr 1° bis 2°) und bei einer superverwundenen nematischen (STN) LCD verhältnismäßig groß (ungefähr 4° bis 8°). Der Orientierungs-Vorneigungswinkel ist eine wichtige Variable bei der Maximierung des Flüssig­ kristallverwindungswinkels in STN-LCDs, der Minimierung eines kritischen Spannungswerts im Betrieb und der Optimie­ rung der Reaktionsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung elektrooptischer Eigenschaften.

Bei einer oberflächenstabilisierten LCD, welche ferro­ elektrischen Flüssigkristall (FLC) verwendet, muß der Vor­ neigungswinkel des Flüssigkristalls ungefähr 20° oder größer sein. Die Erzielung eines solch großen Winkels ist bekann­ termaßen schwierig bei der Verwirklichung des herkömmlichen Polyimid-Reibverfahrens.

Die Orientierung von Flüssigkristall unter Verwendung eines geriebenen Polymerfilms wird durch Wechselwirkung über elektromagnetische Kraft zwischen Flüssigkristallmolekülen und Orientierungsmaterialmolekülen und den Minimalzustand freier elastischer Energie des Flüssigkristalls auf Grund von durch das Reiben erzeugten Rillen bestimmt. Die Ober­ flächenverankerungsstärke, die durch das obige Reiben gewon­ nen wird, ist allgemein stark und die Steuerung ihrer Inten­ sität schwierig. Wenn hier die Oberflächenverankerungsstärke zu stark ist, treten Defekte, wie Kontrastverschlechterung und Zerstörung des Flüssigkristallorientierungszustands, durch physikalischen Stoß auf. Ferner wird die teilweise nicht-homogene Ausrichtung infolge von nach dem Reiben aus­ gebildeten Rillen ein Faktor für die Kontrastverschlechte­ rung.

Zur Überwindung der Grenzen der, wie oben beschrieben, unter Verwendung von Polymer hergestellten Orientierungs­ schicht wird von einer LCD berichtet, bei welcher Flüssig­ kristallmoleküle unter Verwendung einer Flüssigkristallinpo­ lymer-Orientierungsschicht ausgerichtet werden. Die schema­ tische Schnittansicht einer solchen LCD ist in Fig. 1 ver­ anschaulicht.

Gemäß Fig. 1 wird ein Paar von Substraten 11 mit trans­ parenten Elektroden 12 aus einem Material, wie etwa Indium- Zinnoxid (ITO), beschichtet. Flüssigkristallinpolymer-Orien­ tierungsschichten 13 werden auf der Oberfläche des ITO-Elek­ troden 12 ausgebildet und Abstandsteile 15 zur Einhaltung einer konstanten Dicke und Flüssigkristall 14 im Raum zwi­ schen den so gebildeten Flüssigkristallinpolymer-Orientie­ rungsschichten eingefüllt.

US 4 469 408 beschreibt eine Technik, die eine Schicht aus flüssigkristallinem Polymer als Flüssigkristallorientie­ rungsschicht verwendet. Hier werden die transparenten Elek­ troden mit flüssigkristallinem Polymer beschichtet, wonach ein elektrisches Feld zur Änderung der Orientierung der Moleküle des flüssigkristallinen Polymers angelegt wird, um so den Orientierungszustand des Flüssigkristalls zu ändern.

US 5 067 797 beschreibt eine LCD, die durch Anbringen eines dünnen Polymerfilms, der durch Auflösen von Polymerma­ terial in einem Lösungsmittel und nachfolgendes Dispergieren des Polymers in Wasser gewonnen ist, erzeugt wird. Der dis­ pergierte Film wird dann in einer gegebenen Richtung aufge­ zogen und aufgenommen, um so die Polymerkette in einer gege­ benen Richtung auszurichten. Zusätzliches Reiben oder Pres­ sen in einer Richtung kann mittels einer Rolle aufgebracht werden, wenn ein Flüssigkristallinpolymerfilm verwendet wird. Die optische Phasenverzögerung des Transmissionslichts im Betrieb ist dabei vernachlässigbar, da die Dicke der Orientierungsschicht nicht mehr als 0,1 µm beträgt.

Bei TN, STN, FLC und elektrisch steuerbaren Doppelbre­ chungs-(ECB-)LCDs wird jedoch ein optischer Phasenverzöge­ rungsfilm zur Kontrastverbesserung verwendet. Ein oder zwei Filme werden auf der Außenseite der Substrate angebracht, und eine Schutzschicht, Wasserdichtmachungsschicht oder der­ gleichen sollte daraufangebracht werden. Am Ende wird die Gesamtdicke der Vorrichtung 100 µm oder mehr, und das Ver­ fahren zu ihrer Herstellung ist sehr kompliziert.

In Anbetracht obiger Probleme ist es Aufgabe der Erfin­ dung, eine Flüssigkristallanzeige mit den Funktionen der Flüssigkristallorientierung und der optischen Phasenverzöge­ rung unter Verwendung einer Orientierungsschicht aus flüs­ sigkristallinem Polymer zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Flüssigkristallanzeige mit einem Paar von Substraten, je­ weils darauf ausgebildeten transparenten Elektroden und einer zwischen die Elektroden eingefügten Flüssigkristall­ materialschicht zu schaffen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Orientierungsschicht aus flüssigkristallinem Polymer auf wenigstens einer der Flüssigkristallmaterial­ schichten ausgebildet ist und die Orientierungsschicht aus flüssigkristallinem Polymer als optischer Phasenverzöge­ rungsfilm wirkt.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Auf diesen ist

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht der her­ kömmlichen Flüssigkristallanzeige, und

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht der Flüs­ sigkristallanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung.

Die Flüssigkristallanzeige gemäß der Erfindung führt eine gleichförmige Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen durch Wechselwirkung über elektromagnetische Kräfte zwischen Flüssigkristallmolekülen und Flüssigkristallinpolymermolekü­ len in der Flüssigkristall inpolymer-Orientierungsschicht herbei. Die Ausrichtungseigenschaft des Flüssigkristalls wird gesteigert, so daß ohne Verwendung eines getrennten optischen Phasenverzögerungsfilmes der Kontrast erheblich verstärkt wird, indem die Phasenverzögerung des Transmis­ sionslichts über die Verwendung einer Flüssigkristallinpo­ lymer-Orientierungsschicht, die als optischer Phasenverzöge­ rungsfilm wirkt, kompensiert wird.

Das heißt, gemäß der Erfindung wird eine Orientierungs­ schicht als Dünnschicht ausgebildet, in welcher flüssigkri­ stallines Polymer sich gleichförmig ausrichtet und über elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Molekülen im Flüssigkristall und der Orientierungsschicht aus flüssig­ kristallinem Polymer eine gleichförmige Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen herbeiführt, wobei gleichzeitig der Kontrast verstärkt wird, indem eine Phasenverzögerung des Transmissionslichts unter Ausnutzung der Doppelbrechungs­ eigenschaften des flüssigkristallinen Polymers korrigiert wird.

Das flüssigkristalline Polymer gemäß der Erfindung liegt in nematischer, cholesterischer, smektischer usw. Phase bei einem konstanten Temperaturbereich vor, wie dies herkömmlicher monomerer Flüssigkristall tut. Das Polymer kann als Einzelkomponente oder als Gemisch solcher verwendet werden und klassifiziert sich in Hauptkettenpolymer oder Seitenkettenpolymer gemäß seiner Molekularstruktur.

Das flüssigkristalline Polymer hat hohe Viskosität im Flüssigkristallzustand, weshalb die Reaktionsgeschwindigkeit verhältnismäßig langsam ist. Wenn jedoch ein starkes elek­ trisches oder magnetisches Feld im Temperaturbereich des Flüssigkristallzustands zur Einwirkung gebracht wird, ordnen sich die Moleküle gleichförmig an. Sobald eine Anordnung bzw. Ausrichtung des Flüssigkristalls erzielt ist, könnte der Zustand dank der hohen Viskosität leicht auch in einem untergekühlten Zustand aufrechterhalten werden.

Alternativ werden die Substrate mit flüssigkristallinem Polymer bei einer Flüssigkristallzustandstemperatur unter Verwendung eines Balkendruckverfahrens beschichtet. Dann wird eine anisotrope Ausrichtung auf Grund der anisotropen Form der Flüssigkristallmoleküle gewonnen.

Wenn Flüssigkristall in festem Zustand auf Klarungs­ temperatur oder darüber erwärmt und dann abgekühlt wird, läßt sich der Flüssigkristallzustand gewinnen, und dieser kristallisiert allmählich unterhalb einer speziellen Tempe­ ratur.

Wenn eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht auf ihrer Außenseite mit einer Polymerorientierungsschicht zur Ausrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungs­ schicht versehen wird, wird eine gleichförmige Molekülaus­ richtung infolge der Polymerorientierungsschicht herbeige­ führt, und die so herbeigeführte Ausrichtung verbleibt in einem stabilen Zustand bei verhältnismäßig niedrigen Tempe­ raturen. Wenn ein eine solche Flüssigkristallausrichtung aufweisendes photoreaktives flüssigkristallines Polymer belichtet wird, tritt eine Vernetzung von flüssigkristalli­ nem Polymer auf, die eine stabilere Molekularausrichtung aufrechterhält.

Alternativ läßt sich ein Fixierungseffekt für die Flüs­ sigkristallinpolymermoleküle durch einen zu obigem ähnlichen Prozeß erzielen, indem eine geringe Menge von photosyntheti­ sierbarem Polymer mit einem flüssigkristallinen Polymer gemischt und danach eine Ausrichtung der flüssigkristallinen Moleküle und eine Photosynthetisierung der Polymere herbei­ geführt wird.

Wenn die Orientierungsschicht aus gleichförmig ausge­ richteten Flüssigkristallinpolymermolekülen gebildet ist, richten sich Flüssigkristallmoleküle mit wahlfreien Winkel­ bereich innerhalb 0°-90° in bezug auf eine Tangente an der Grenzfläche zur flüssigkristallinen Orientierungsschicht über van-der-Waals-Kräfte oder Dipolwechselwirkung aus. Schließlich richtet sich die Orientierungsschicht aus flüs­ sigkristallinem Polymer anisotrop aus und dementsprechend richten sich die Flüssigkristallmoleküle ebenfalls anisotrop und mit Stabilität aus.

Wenn die Polymerorientierungsschicht zur Orientierung von Flüssigkristallinpolymer mit einem weichen Tuch (bei­ spielsweise aus Baumwolle) gerieben wird, werden ähnliche Riefen wie im Falle des Polyimidreibens erzeugt, und dies führt eine Kristallausrichtung parallel oder senkrecht zur Reibrichtung nach dem gleichen Prinzip wie beim herkömmlich geriebenen Polyimid herbei. Im Falle des Reibens richtet sich Flüssigkristall im allgemeinen homogen aus, und die Umordnung der Flüssigkristallinpolymermoleküle in der Flüs­ sigkristallinpolymer-Orientierungsschicht liegt innerhalb von mehreren zehn Nanometern und ist verhältnismäßig dünn in Bezug auf die gesamte Dicke der Orientierungsschicht. Die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientie­ rungsschicht und der Polymerorientierungsschicht können daher ohne Beziehung zueinander errichtet werden. Das heißt, die Reibrichtung der Polymerorientierungsschicht zur Orien­ tierung von Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht kann wahlfrei von 0°∼360° in bezug auf die Ausrichtungsrich­ tung der flüssigkristallinen Orientierungsschicht gewählt werden.

Das Flüssigkristallmaterial gemäß der Erfindung hat vorzugsweise wenigstens eine der Phasen nematisch, smektisch c* oder cholesterisch.

Fig. 2 ist eine schematisches Schnittansicht der Flüs­ sigkristallanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung, bei welcher Flüssigkristallinpolymermoleküle über ein Ausbilden einer Polymerorientierungsschicht zwischen der Flüssigkristall Inpolymerorientierungsschicht und einer Elek­ trode homogen ausgerichtet werden. Auf den mit ITO-Elektro­ den 12 beschichteten transparenten Substraten 11 wird eine Polymerorientierungsschicht 16 zur Orientierung von Flüs­ sigkristallinpolymer-Orientierungsschicht ausgebildet. Dann wird auf der Polymerorientierungsschicht 16 eine Flüssig­ kristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 ausgebildet, und in den Raum dazwischen werden Flüssigkristallmaterial 14 und Abstandsteile 15 injiziert. Die Polymerorientierungsschicht 16 zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers ist vor­ zugsweise aus geriebenem Polymer gebildet.

Wenn die Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht für Flüssigkristall als Film zur Verzögerung der optischen Phase verwendet wird, ist der Film vorzugsweise dicker als 0,1 µm. Dabei variiert der Bereich von Δnd gemäß der Dimen­ sion der optischen Phasenverzögerung, es ist aber 0,01 µm bis 0,3 µm für eine kleine optische Phasenverzögerung und 0,1 µm bis 1,5 µm für eine große optische Phasenverzögerung bevorzugt.

Da Doppelbrechung ein Charakteristikum von Flüssigkri­ stall ist, erlangt, wenn sich flüssigkristallines Polymer anisotrop ausrichtet, das Polymer auch Doppelbrechungseigen­ schaften wie der herkömmliche Flüssigkristall. Wenn daher flüssigkristallines Polymer zu Ausrichtungszwecken verwendet wird, erscheint eine optische Phasenverzögerung und der Doppelbrechungsindex des flüssigkristallinen Polymers liegt allgemein um 0,005∼0,3, und wenn nur zur Orientierung be­ schichtet wird, liegt die bevorzugte Dicke unter 0,1 µm. Infolgedessen ist das Produkt aus dem Doppelbrechungsindex (Δn) der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 und ihrer Dicke (d) unter 0,03 µm (d. h., Δnd<0,03 µm). Die Änderung der optischen Charakteristik infolge der Doppelbre­ chung der Orientierungsschicht kann korrigiert werden, wenn ein Anzeigefeld ausgelegt wird, und bietet keine großen Pro­ bleme.

Die oben erwähnten TN, STN, FLC und ECB Flüssigkri­ stallanzeigen benötigten einen Film zur optischen Phasenver­ zögerung zur Verbesserung der optischen Eigenschaften. Eine Flüssigkristallanzeige jedoch, bei welcher der Flüssigkri­ stall durch eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungs­ schicht mit der Funktion einer optischen Phasenverzögerung orientiert wird, läßt sich ohne optischen Phasenverzöge­ rungsfilm unter Ausnutzung der Doppelbrechungseigenschaften der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht herstel­ len.

Wie oben beschrieben, hat die Flüssigkristallanzeige gemäß der Erfindung verstärkten Kontrast ohne einen getrenn­ ten optischen Phasenverzögerungsfilm. Da ferner die Flüssig­ kristallinpolymer-Orienterungsschicht, die als optischer Phasenverzögerungsfilm wirkt, in der Anzeige vorgesehen ist, wird keine zusätzliche Schicht, beispielsweise eine Schutz­ schicht oder Wasserdichtmachungsschicht benötigt. Die Flüs­ sigkristallinpolymerschicht kann einfach durch Beschichten ausgebildet werden, und dementsprechend ist der Herstel­ lungsprozeß einfach und die Gesamtdicke der Anzeige gering.

Claims (9)

1. Flüssigkristallanzeige mit einem Paar von Substraten (11), jeweils darauf ausgebildeten transparenten Elektroden (12) und einer zwischen die Elektroden (12) eingefügten Flüssigkristallmaterialschicht (14), dadurch gekennzeichnet, daß auf der Flüssigkristallmaterialschicht (14) wenigstens einseitig eine Flüssigkristallinpolymer-Orienterungsschicht (13) ausgebildet ist, die als Film zur Verzögerung der opti­ schen Phase wirkt.

2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher das Produkt aus dem Doppelbrechungsindex der Flüssigkristal­ linpolymer-Orienterungsschicht (13) und der Dicke der Schicht (13) im Bereich zwischen 0,01 µm und 1,5 µm liegt.

3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher eine Polymerorientierungsschicht (16) zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers zwischen der Flüssigkristallin­ polymer-Orienterungsschicht (13) und der transparenten Elek­ trode (12) ausgebildet ist.

4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 3, bei welcher die Polymerorientierungsschicht (16) zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers (13) aus einem Polyimid besteht.

5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpoly­ mer-Orienterungsschicht (13) aus einer einzigen Komponente aus Hauptketten- oder Seitenketten-Flüssigkristallinpolymer, oder einem Gemisch aus diesen hergestellt ist.

6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpoly­ mer-Orienterungsschicht (13) wenigstens eine der Phasen nematisch, cholesterisch und smektisch aufweist.

7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher die Flüssigkristallinpolymer-Orienterungsschicht (13) ferner ein photosynthetisierbares Polymer aufweist.

8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orien­ terungsschicht (13) unabhängig von der Reibrichtung der Polymerorientierungsschicht (16) ist.

9. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, bei welcher das Flüssigkristallmaterial (14) wenigstens eine der Phasen nematisch, smektisch oder cholesterisch aufweist.