DE4430810B4 - Flüssigkristallanzeige - Google Patents

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Abstract

Flüssigkristallanzeige mit einem Paar von Substraten (11), jeweils darauf ausgebildeten transparenten Elektroden (12) und einer zwischen die Elektroden (12) eingefügten Flüssigkristallmaterialschicht (14), wobei auf der Flüssigkristallmaterialschicht (14) wenigstens einseitig eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) ausgebildet ist, die als Film zur Verzögerung der optischen Phase wirkt, wobei das Produkt aus dem Doppelbrechungsindex der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) und der Dicke der Schicht (13) im Bereich zwischen 0,01 μm und 1,5 μm liegt, wobei eine Polymerorientierungsschicht (16) zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers zwischen der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) und der transparenten Elektrode (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) an der Oberfläche, die der Flüssigkristallmaterialschicht (14) zugekehrt ist, bis in eine Tiefe von mehreren zehn Nanometern unabhängig von der Reibrichtung der Polymerorientierungsschicht ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallanzeige (LCD) und insbesondere auf eine LCD mit Mitteln zur Orientierung und optischen Phasenverzögerung.
  • Da Oberflächenorientierung von Flüssigkristall eine wichtige Methode zur Herleitung einer gleichförmigen Orientierung von Flüssigkristallmolekülen ohne irgendeine Einwirkung durch ein elektrisches oder magnetisches Feld oder auch intensives Licht ist, ist allgemein unter den Kernherstellungstechniken für LCDs die Oberflächenorientierung des Flüssigkristalls in einem Dünnschichtzustand von großer Bedeutung. Zu verschiedenen bekannten Verfahren gehören die Vakuumabscheidung von Siliziumoxid, das Reiben eines Polymerfilms (beispielsweise Polyimid, Nylon, Teflon und Polyvinylalkohol), 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 Massenfertigung und Zuverlässigkeit wird obige geriebene Polyimidschicht in weitem Maße verwendet (siehe US 3 834 792 und US 3 994 567 ).
  • Eine wichtige physikalische Variable bei der Flüssigkristallorientierung 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 Flüssigkristallverwindungswinkels in STN-LCDs, der Minimierung eines kritischen Spannungswerts im Betrieb und der Optimierung der Reaktionsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung elektrooptischer Eigenschaften.
  • Bei einer oberflächenstabilisierten LCD, welche ferroelektrischen Flüssigkristall (FLC) verwendet, muß der Vorneigungswinkel des Flüssigkristalls ungefähr 20° oder größer sein. Die Erzielung eines solch großen Winkels ist bekanntermaßen schwierig bei der Verwirklichung des herkömmlichen Polyimid-Reibverfahrens.
  • Die Orientierung von Flüssigkristall unter Verwendung eines geriebenen Polymerfilms wird durch Wechselwirkung über elektromagnetische Kräfte zwischen Flüssigkristallmolekülen und Orientierungsmaterialmolekülen und den Minimalzustand freier elastischer Energie des Flüssigkristalls auf Grund von durch das Reiben erzeugten Rillen bestimmt. Die Oberflächenverankerungsstärke, die durch das obige Reiben gewonnen wird, ist allgemein stark und die Steuerung ihrer Intensität 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 ausgebildeten Rillen ein Faktor für die Kontrastverschlechterung.
  • Zur Überwindung der Grenzen der, wie oben beschrieben, unter Verwendung von Polymer hergestellten Orientierungsschicht wird von einer LCD berichtet, bei welcher Flüssigkristallmoleküle unter Verwendung einer Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht ausgerichtet werden. Die schematische Schnittansicht einer solchen LCD ist in 1 veranschaulicht.
  • Gemäß 1 wird ein Paar von Substraten 11 mit transparenten Elektroden 12 aus einem Material, wie etwa Indium-Zinnoxid (ITO), beschichtet. Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschichten 13 werden auf der Oberfläche des ITO-Elektroden 12 ausgebildet und Abstandsteile 15 zur Einhaltung einer konstanten Dicke und Flüssigkristall 14 im Raum zwischen den so gebildeten Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschichten eingefüllt.
  • US 4 469 408 beschreibt eine Technik, die eine Schicht aus flüssigkristallinem Polymer als Flüssigkristallorientierungsschicht verwendet. Hier werden die transparenten Elektroden 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 Polymermaterial in einem Lösungsmittel und nachfolgendes Dispergieren des Polymers in Wasser gewonnen ist, erzeugt wird. Der dispergierte Film wird dann in einer gegebenen Richtung aufgezogen und aufgenommen, um so die Polymerkette in einer gegebenen 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 Doppelbrechungs- (ECB-) LCDs wird jedoch ein optischer Phasenverzögerungsfilm zur Kontrastverbesserung verwendet. Ein oder zwei Filme werden auf der Außenseite der Substrate angebracht, und eine Schutzschicht, Wasserdichtmachungsschicht oder dergleichen sollte darauf angebracht werden. Am Ende wird die Gesamtdicke der Vorrichtung 100 μm oder mehr, und das Verfahren zu ihrer Herstellung ist sehr kompliziert.
  • Eine Flüssigkristallanzeige gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus DE 37 27 945 A1 bekannt.
    •
  • In Anbetracht obiger Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkristallanzeige mit den Funktionen der Flüssigkristallorientierung und der optischen Phasenverzögerung unter Verwendung einer Orientierungsschicht aus flüssigkristallinem Polymer zu schaffen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Flüssigkristallanzeige mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
    •
  • Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Auf diesen ist
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht der herkömmlichen Flüssigkeitskristallanzeige, und
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht der Flüssigkristallanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Flüssigkristallanzeige gemäß der Erfindung führt eine gleichförmige Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen durch Wechselwirkung über elektromagnetische Kräfte zwischen Flüssigkristallmolekülen und Flüssigkristallinpolymermolekülen in der Flüssigkristallinpolymer-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 Transmissionslichts über die Verwendung einer Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht, die als optischer Phasenverzögerungsfilm wirkt, kompensiert wird.
  • Das heißt, gemäß der Erfindung wird eine Orientierungsschicht als Dünnschicht ausgebildet, in welcher flüssigkristallines Polymer sich gleichförmig ausrichtet und über elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Molekülen im Flüssigkristall und der Orientierungsschicht aus flüssigkristallinem Polymer eine gleichförmige Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen herbeiführt, wobei gleichzeitig der Kontrast verstärkt wird, indem eine Phasenverzögerung des Transmissionslichts unter Ausnutzung der Doppelbrechungseigenschaften 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 elektrisches 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 Klärungstemperatur oder darüber erwärmt und dann abgekühlt wird, läßt sich der Flüssigkristallzustand gewinnen, und dieser kristallisiert allmählich unterhalb einer speziellen Temperatur.
  • Wenn eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht auf ihrer Außenseite mit einer Polymerorientierungsschicht zur Ausrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht versehen wird, wird eine gleichförmige Molekülausrichtung infolge der Polymerorientierungsschicht herbeigeführt, und die so herbeigeführte Ausrichtung verbleibt in einem stabilen Zustand bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen. Wenn ein eine solche Flüssigkristallausrichtung aufweisendes photoreaktives flüssigkristallines Polymer belichtet wird, tritt eine Vernetzung von flüssigkristallinem Polymer auf, die eine stabilere Molekularausrichtung aufrechterhält.
  • Alternativ läßt sich ein Fixierungseffekt für die Flüssigkristallinpolymermoleküle durch einen zu obigem ähnlichen Prozeß erzielen, indem eine geringe Menge von photosynthetisierbarem Polymer mit einem flüssigkristallinen Polymer gemischt und danach eine Ausrichtung der flüssigkristallinen Moleküle und eine Photosynthetisierung der Polymere herbeigeführt wird.
  • Wenn die Orientierungsschicht aus gleichförmig ausgerichteten Flüssigkristallinpolymermolekülen gebildet ist, richten sich Flüssigkristallmoleküle wahlfrei im Winkelbereich 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 flüssigkristallinem 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 (beispielsweise 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 Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 liegt innerhalb von mehreren zehn Nanometern und ist verhältnismäßig dünn in Bezug auf die gesamte Dicke der Flüssigkristallin-Orientierungsschicht 13. Die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 und die der Polymerorientierungsschicht 16 zur Ausrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 können daher ohne Beziehung zueinander errichtet werden. Das heißt, die Reibrichtung der Polymerorientierungsschicht 16 zur Orientierung von Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 kann wahlfrei von 0°~360° in Bezug auf die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 gewählt werden.
  • Das Flüssigkristallmaterial gemäß der Erfindung hat vorzugsweise wenigstens eine der Phasen nematisch, smektisch c* oder cholesterisch.
  • 2 ist eine schematisches Schnittansicht der Flüssigkristallanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Flüssigkristallinpolymermoleküle über ein Ausbilden einer Polymerorientierungsschicht zwischen der Flüssigkristallinpolymerorientierungsschicht und einer Elektrode homogen ausgerichtet werden. Auf den mit ITO-Elektroden 12 beschichteten transparenten Substraten 11 wird eine Polymerorientierungsschicht 16 zur Orientierung von Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht ausgebildet. Dann wird auf der Polymerorientierungsschicht 16 eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht 13 ausgebildet, und in den Raum dazwischen werden Flüssigkristallmaterial 14 und Abstandsteile 15 injiziert. Die Polymerorientierungsschicht 16 zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers ist vorzugsweise 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 Dimension 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 Flüssigkristall ist, erlangt, wenn sich flüssigkristallines Polymer anisotrop ausrichtet, das Polymer auch Doppelbrechungseigenschaften 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 beschichtet 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 Doppelbrechung der Orientierungsschicht kann korrigiert werden, wenn ein Anzeigefeld ausgelegt wird, und bietet keine großen Probleme.
  • Die oben erwähnten TN, STN, FLC und ECB Flüssigkristallanzeigen benötigten einen Film zur optischen Phasenverzögerung zur Verbesserung der optischen Eigenschaften. Eine Flüssigkristallanzeige jedoch, bei welcher der Flüssigkristall durch eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht mit der Funktion einer optischen Phasenverzögerung orientiert wird, läßt sich ohne optischen Phasenverzögerungsfilm unter Ausnutzung der Doppelbrechungseigenschaften der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht herstellen.
  • Wie oben beschrieben, hat die Flüssigkristallanzeige gemäß der Erfindung verstärkten Kontrast ohne einen getrennten optischen Phasenverzögerungsfilm. Da ferner die Flüssigkristallinpolymer-Orienterungsschicht, die als optischer Phasenverzögerungsfilm wirkt, in der Anzeige vorgesehen ist, wird keine zusätzliche Schicht, beispielsweise eine Schutzschicht oder Wasserdichtmachungsschicht benötigt. Die Flüssigkristallinpolymerschicht kann einfach durch Beschichten ausgebildet werden, und dementsprechend ist der Herstellungsprozeß einfach und die Gesamtdicke der Anzeige gering.

Claims (10)

  1. Flüssigkristallanzeige mit einem Paar von Substraten (11), jeweils darauf ausgebildeten transparenten Elektroden (12) und einer zwischen die Elektroden (12) eingefügten Flüssigkristallmaterialschicht (14), wobei auf der Flüssigkristallmaterialschicht (14) wenigstens einseitig eine Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) ausgebildet ist, die als Film zur Verzögerung der optischen Phase wirkt, wobei das Produkt aus dem Doppelbrechungsindex der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) und der Dicke der Schicht (13) im Bereich zwischen 0,01 μm und 1,5 μm liegt, wobei eine Polymerorientierungsschicht (16) zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers zwischen der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) und der transparenten Elektrode (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) an der Oberfläche, die der Flüssigkristallmaterialschicht (14) zugekehrt ist, bis in eine Tiefe von mehreren zehn Nanometern unabhängig von der Reibrichtung der Polymerorientierungsschicht ist.
  2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerorientierungsschicht (16) zur Orientierung des Flüssigkristallinpolymers aus einem Polyimid besteht.
  3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) aus einer einzigen Komponente, ausgewählt aus Hauptketten- oder Seitenketten-Flüssigkristallinpolymer, oder einem Gemisch aus mehreren Komponenten, unabhängig ausgewählt aus Hauptketten- und Seitenketten-Flüssigkristallinpolymer, hergestellt ist.
  4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) die nematische Phase aufweist.
  5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) die cholesterische Phase aufweist.
  6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallinpolymer in der Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) die smektische Phase aufweist.
  7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallinpolymer-Orientierungsschicht (13) ferner ein photosynthetisierbares Polymer aufweist.
  8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial (14) die nematische Phase aufweist.
  9. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial (14) die cholesterische Phase aufweist.
  10. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial (14) die smektische Phase aufweist.
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