DE69529504T2 - Flüssigkristallvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallvorrichtung - Google Patents

Flüssigkristallvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallvorrichtung

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen.
  • Man kann sagen, dass ein Parameter einer Flüssigkristallstruktur, wie die Ausrichtung des Direktors oder die Struktur einer smektischen Schicht, aktiv ausgerichtet ist, wenn Ausrichtungsschichten dem Parameter eine bevorzugte Konfiguration verleihen und die Ausrichtungsschichten eine Rückstellkraft oder ein rückstellendes Drehmoment ausüben, wenn die bevorzugte Konfiguration gestört wird.
  • Herkömmliche Flüssigkristalldisplays (LCD) werden durch den Effekt einer auf sie einwirkenden mechanischen Verzerrung nicht wesentlich beeinträchtigt. Dies, da der wichtigste, die Flüssigkristallstruktur bestimmende Parameter, nämlich die Ausrichtung des nematischen Direktors an den Zellenwänden des Displays, durch AusrichtungsschichSammelkappe ten an den Zellenwänden aktiv gesteuert wird. Jedoch erholt sich bei LCDs, die die stärker geordneten smektischen Flüssigkristallmaterialien enthalten, die Ausrichtung nicht immer nach einer Störung durch mechanische Belastung.
  • Smektische LCDs, insbesondere ferroelektrische LCDs, sind starke Teilnehmer im Wettbewerb betreffend die Verwendung bei einem großen Bereich von Displayanwendungen einschließlich großflächigen Fernsehdisplays mit hoher Auflösung (HCTV), Speicherdisplays und Computerworkstations. Jedoch besteht ein Hauptproblem, das die Verwendung ferroelektrischer Flüssigkristall- (FLC)materialien bei kommerziellen LCDs begrenzt, in ihrer Empfindlichkeit hinsichtlich mechanischer Beschädigung. Bekannte Wege, dieses Problem zu verringern, bestehen in der Verwendung von Techniken mit gedämpfter Montage und klebenden Abstandshaltern zur Herstellung von FLC-Tafeln. Jedoch sind diese Techniken nicht gegen alle möglichen Typen mechanischer Schäden, wie plötzlicher Stöße oder andauerndem Druck effektiv.
  • Bei FLC-Displaytafeln und anderen smektischen LCDs sind die Struktur der smektischen Schichten und auch die Ausrichtung des Direktors ein wichtiger Parameter. Bei existierenden smektischen LCDs wird die smektische Schichtstruktur durch Abkühlen über den Phasenübergang von nematisch nach smektisch nur passiv ausgerichtet, d. h., es existiert keine eindeutig spezifizierte Periodizität hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen der Ausrichtungsschicht und benachbarten Flüssigkristallmolekülen, um die Ausrichtung festzulegen, die die smektischen Schichten einnehmen sollten. Demgemäß existiert, wenn diese Ausrichtung in der smektischen Phase gestört wird, keine Kraft, die so wirkt, dass die ursprüngliche Ausrichtung wieder hergestellt würde.
  • Obwohl bei den meisten Ausrichtungstechniken für nematische Flüssigkristalle die Ausrichtung des nematischen Direktors an den Wänden einer Displayzelle stark kontrolliert wird, existieren einige Ausrichtungstechniken, wie die Ausrichtung mit sich allmählich änderndem Oberflächenprofil, die relativ schwach sind. Demgemäß kann eine mechanische Belastung bei bestimmten nematischen LCDs auch zu einer Zerstörung der Flüssigkristallstruktur führen.
  • GB 2 194 792 offenbart ein Verfahren zum Ausrichten eines Flüssigkristalls, bei dem chemische Bindung verwendet wird. Insbesondere wird das Material, das die Ausrichtungsschichten bilden soll, zumindest teilweise chemisch gebunden, bevor es auf Substraten abgeschieden wird und in eine fertiggestellte Displaystruktur eingebaut wird. Die in dieser Beschreibung offenbarten Ausführungsformen führen alle eine derartige chemische Bindung vollständig vor der Abscheidung der Ausrichtungsschichten aus. Dies kann daher der Fall sein, dass die Detailchemie, wie sie in dieser Beschreibung offenbart ist, nicht innerhalb der Zellenstruktur eines Displays ausgeführt werden kann, und da dabei Nebenprodukte erzeugt werden, die das Flüssigkristallmaterial innerhalb der Zelle beeinträchtigen würden. Ferner ist die Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls nicht durch die Flüssigkristall-Volumenstruktur bestimmt, so dass diese Technik nicht praxisgerecht ist, um für aktive Ausrichtung zu sorgen.
  • JP 52 411 offenbart eine Anordnung, bei der dichromatische Moleküle an eine Ausrichtungsschicht gebunden werden. Flüssigkristallmoleküle richten sich dann auf der Schicht der dichromatischen Moleküle aus.
  • EP 307 959, EP 604 921 und EP 451 820 offenbaren verschiedene Techniken zum Erhalten spezieller Strukturen innerhalb ferroelektrischer Flüssigkristallschichten, die für verbesserte mechanische Stabilität sorgen sollen. Jedoch sind die in den Beschreibungen offenbarten Strukturen nicht mit Hochgeschwindigkeits-Adressierschemas für hohen Kontrast verträglich, weswegen sie von sehr eingeschränkter Anwendbarkeit sind.
  • GB 2 274 652 und EP 586 014 offenbaren Anordnungen, bei denen ein herkömmliches ferroelektrisches Flüssigkristallgemisch mit niedriger molarer Masse mit einem polymeren Zusatzstoff oder einem Polymernetzwerk dotiert wird. Diese Anordnung soll die mechanische Stabilität verbessern, zeigt jedoch den Nachteil, dass die Schaltgeschwindigkeit verringert ist.
  • EP 635 749 offenbart eine Technik mit klebendem Abstandshalter zum Herstellen von FLC-Displaytafeln, um für mehr Beständigkeit gegen mechanische Beschädigung zu sorgen. Jedoch sind, wie bereits beschrieben, Techniken dieses Typs nicht gegen alle möglichen Arten mechanischer Beschädigung effektiv.
  • EP 467 456 offenbart die Verwendung einer Flüssigkristallgelschicht als Ausrichtungsschicht. Jedoch wird dieser Typ von Ausrichtungsschicht lediglich dazu verwendet, den Vorkippwinkel des Flüssigkristallmaterials in der Zelle zu kontrollieren, und es wird die mechanische Stabilität nicht verbessert.
  • S. H. Jin et al. offenbaren in "Alignment of Ferroelectric Liquid-crystal Molecules by Liquid-Crystalline Polymer", SID 95 Digest, (1995) 536-539 die Verwendung eines Flüssigkristallpolymers mit thermotroper Hauptkette als Ausrichtungsschicht für eine FLC-Zelle. Jedoch wird die Flüssigkristallausrichtung durch herkömmliches mechanisches Reiben dieser Schicht erzielt, wobei sich das Flüssigkristallpolymer bei Raumtemperatur in seiner Glasphase befindet.
  • US 4 838 658 offenbart eine organische Ausrichtungsschicht für eine Flüssigkristallvorrichtung. Das organische Material der Ausrichtungsschicht besteht aus Polymerketten mit Seitenketten. Die Enden der Seitenketten zeigen Wechselwirkung mit den Flüssigkristallmolekülen, um für deren Ausrichtung zu sorgen. Der Wechselwirkungsmechanismus ist von gut bekanntem Typ.
  • Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallvorrichtung geschaffen, wie es im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
  • Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist eine Flüssigkristallvorrichtung geschaffen, wie sie im beigefügten Anspruch 8 definiert ist.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anderen beigefügten Ansprüchen definiert.
  • Beobachtungen zum Fließverhalten in smektischen Flüssigkristallzellen haben gezeigt, dass sich die smektische Schichtstruktur von Fließeffekten im Zentrum der Flüssigkristallschicht erholen kann, solange die Ausrichtung der smektischen Schicht an der Oberfläche nicht gestört wird. Auch wurde beobachtet, dass smektisches Flüssigkristallmaterial durch Bereiche fließen kann, in denen die normale "jungfräuliche" Struktur der Schichten zerstört wurde, wobei dann diese wieder hergestellt wird, wenn das Material in einen Bereich fließt, in dem die smektischen Schichten immer noch an der Oberfläche ausgerichtet sind. Durch Erhöhen des Ausmaßes, mit dem die smektischen Schichten in einem smektischen LCD ausgerichtet sind, wird erhöhter Widerstand gegen mechanische Schäden erzielt. Dies ist das Ergebnis zweier Prozesse. Gemäß dem ersten Prozess wird durch aktive Steuerung der smektischen Schichtstruktur das Ausmaß mechanischer Belastungen erhöht, die dazu erforderlich sind, die smektische Schichtbildung zu stören. Gemäß dem zweiten Prozess erlaubt eine aktive Steuerung der smektischen Schichtstruktur eine Erholung der smektischen Schichten nach dem Auftreten einer Störung. So ist es möglich, LCDs zu schaffen, die viel besser dazu in der Lage sind, mechanischen Schäden zu widerstehen.
  • Diese Techniken können bei smektischen LCDs und auch anderen Typen, wie nematischen LCDs, angewandt werden, die ansonsten schwache Ausrichtungstechniken verwenden. Diese Techniken sind dort besonders vorteilhaft, wo ein LCD über eine große Fläche verfügt, was herkömmliche Ausrichtungstechniken unpraktisch macht, oder wo Nebeneffekte herkömmlicher Ausrichtungstechniken die Anzeigetafel beschädigen können, z. B. Aktivmatrixtafeln durch statische Ladung, wie sie durch Ausrichtungstechniken mit geriebenem Polymer erzeugt werden, beschädigen können.
  • So ist es möglich, eine Technik zum Erzielen einer aktiven Ausrichtung eines Flüssigkristall-Strukturparameters durch Fixieren von Molekülen eines Flüssigkristallmaterials benachbart zu einer Ausrichtungsschicht an dieser durch chemisches Binden zu schaffen. Durch Ausführen des chemischen Bindens während der Herstellung, wenn das Flüssigkristallmaterial die Zelle ausgefüllt hat, wird die gewünschte Ausrichtung desselben erzielt, und diese Ausrichtung wird an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkristallschicht und der Ausrichtungsschicht fixiert. Demgemäß wird die gewünschte Ausrichtung durch eine Form aktiver Ausrichtung leicht erzielt.
  • Die Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
  • Fig. 1 bis 3 sind schematische Diagramme zum Veranschaulichen einer smektischen Schichtstruktur und einer fortschreitenden Störung derselben durch mechanische Belastung;
  • Fig. 4a ist ein schematisches Schnittdiagramm zum Veranschaulichen eines LCD, das eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet; und
  • Fig. 4b ist eine schematische Draufsicht der Fig. 4a.
  • Die Fig. 1 veranschaulicht die typische oder anfängliche smektische Schichtstruktur eines smektischen LCD. Die Struktur ist durch die Winkelanordnung von Schichten im smektischen Flüssigkristall gekennzeichnet.
  • Ein Prozess, durch den eine mechanische Schädigung auftreten kann, ist der Folgende. Wenn ein LCD dieses Typs einer mechanischen Belastung unterzogen wird, kommt es dazu, dass das Flüssigkristallmaterial relativ zu den Zellenwänden fließt. Diese Strömung beschädigt zunächst die Struktur des Flüssigkristallmaterials in der Mitte der Zelle, entfernt von den Zellenwänden, jedoch verbleiben die smektischen Schichten benachbart zu den Zellenwänden ausgerichtet, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die Belastung weggenommen wird und die Strömung endet, kann sich das Display erholen und die in der Fig. 1 dargestellte Struktur wieder aufbauen.
  • Andauernde oder stärkere mechanische Belastung führt zu weiterer Strömung des Flüssigkristallmaterials in der Zelle, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Die weitere Strömung führt zu einem Verlust der Ausrichtung der smektischen Schichten benachbart zu den Zellenwänden, so dass die smektische Schichtstruktur erheblich zerstört wird. Der Verlust der Ausrichtung der smektischen Schichten an den Oberflächen der Ausrichtungsschicht führt zu einer dauerhaften Schädigung des LCD oder eines Teils desselben, da sich die normale smektische gewinkelte Schichtstruktur einstellen kann.
  • Die Fig. 4a veranschaulicht ein LCD mit Glaszellenwänden 1 und 2 mit entgegengesetzten Flächen, die mit Ausrichtungsschichten 3 und 4 versehen sind. Der Raum zwischen den Ausrichtungsschichten 3 und 4 ist mit einem smektischen Flüssigkristallmaterial, wie einem FLC gefüllt. Andere Teile des Displays, wie Elektroden, sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.
  • Die an die Ausrichtungsschichten 3 und 4 angrenzenden smektischen Flüssigkristallmoleküle sind chemisch an die Ausrichtungsschichten gebunden, um für aktive Ausrichtung zu sorgen. Demgemäß verbleiben, wenn das LCD mechanischer Belastung unterzogen wird, die smektischen Schichten an die Oberflächen der Ausrichtungsschichten 3 und 4 gebunden, und sie werden nicht wesentlich gestört. Selbst wenn die mechanische Belastung dazu ausreicht, für eine Strömung von Flüssigkristallmaterial innerhalb der Zelle zu sorgen, werden die Oberflächenschichten des Flüssigkristallmaterials nicht gestört. Wenn die mechanische Belastung weggenommen wird, erlangt das Flüssigkristallmaterial die in der Fig. 1 dargestellte smektische Schichtstruktur wieder, so dass das LCD nicht dauerhaft geschädigt ist.
  • Die Fig. 4b ist eine Draufsicht des in der Fig. 4a dargestellten LCD. Der Deutlichkeit halber ist nur die smektische LC-Schicht benachbart zu einer der Ausrichtungsschichten 3 und 4 dargestellt. Es sind smektische LC-Moleküle dargestellt, die chemisch an die Ausrichtungsschicht gebunden sind. Es ist nicht erforderlich, dass alle smektischen LC-Moleküle benachbart zur Ausrichtungsschicht chemisch an diese Schicht gebunden sind.
  • Es ist deutlich ersichtlich, dass chemisch gebundene smektische LC-Moleküle an einer Bewegung in irgendeiner Dimension in der Ebene der Zellenwand gehindert sind.
  • Nun werden drei Techniken zum Herstellen der Flüssigkristallzelle, insbesondere der chemischen Bindungen, beschrieben.
  • Gemäß der ersten Technik werden die die Zellenwände 1 und 2 bildenden Innenseiten der Glasplatten mit Ausrichtungsschichten beschichtet, die reaktive Gruppen, wie Acrylate, enthalten. Dann wird die Zelle mit FLC-Material gefüllt, und die smektische Struktur wird durch Abkühlen von den Phasen bei höherer Temperatur wie üblich anfänglich ausgerichtet. Bei der korrekten Temperatur zum Erzielen der erforderlichen smektischen Schichtstruktur wird eine chemische Bindung zwischen den reaktiven Gruppen in den Ausrichtungsschichten 3 und 4 und den FLC-Molekülen ausgelöst, z. B. durch Ultraviolettbestrahlung. Demgemäß werden Schichten der FLC-Moleküle, die die erforderliche smektische Schichtstruktur einnehmen, dauerhaft an die Ausrichtungsschichten 3 und 4 gebunden. Mechanische Schädigung kann die chemischen Bindungen nicht aufbrechen, so dass das LCD über verbesserte Beständigkeit gegen mechanische Schädigung verfügt.
  • Gemäß der zweiten Technik werden die die Zellenwände 1 und 2 bildenden Innenseiten der Glasplatten mit normalen oder herkömmlichen Ausrichtungsschichten beschichtet. Die Zelle wird mit einem FLC-Material gefüllt, das einen geeigneten Anteil reaktiver Mesogene enthält, z. B. mesogene Moleküle, die Acrylatgruppen enthalten. Diese reaktiven Gruppen können entweder direkt am starren Kern des mesogenen Moleküls oder an einer flexiblen Alkylkette positioniert sein. Nach dem Befüllen der Zelle mit dem FLC-Material wird die smektische Struktur anfänglich durch übliches Abkühlen von Phasen höherer Temperatur ausgerichtet. Bei der korrekten Temperatur zum Erzielen der erforderlichen smektischen Schichtstruktur wird chemisches Binden zwischen den reaktiven Mesogenen und der Ausrichtungsschicht ausgelöst, z. B. durch Ultraviolettbestrahlung. So werden FLC-Moleküle mit der erforderlichen smektischen Schichtstruktur dauerhaft an die Ausrichtungsschichten 3 und 4 gebunden. Mechanische Beschädigung kann die chemischen Bindungen nicht zerstören, und so weist das LCD verbesserte Beständigkeit gegen mechanische Beschädigung auf. Ferner kann auch im Volumen der FLC-Schicht eine Netzwerkstruktur ausgebildet werden, da ein Bindungsvorgang zwischen reaktiven Mesogenen auftritt. Diese Netzwerkstruktur stabilisiert ferner die smektischen Schichten im Volumen der FLC-Schicht und verstärkt so weiter die Beständigkeit gegen mechanische Beschädigung, wobei es jedoch zu einer Verringerung der Schaltgeschwindigkeit des Displays kommen kann.
  • Gemäß der dritten Technik werden die die Zellenwände 1 und 2 bildenden einander zugewandten Flächen der Glasplatten mit Ausrichtungsschichten beschichtet, die reaktive Gruppen enthalten. Das FLC-Material enthält einen geeigneten Anteil reaktiver Mesogene, wobei die reaktiven Gruppen entweder direkt am starren Kern des mesogenen Moleküls oder an einer flexiblen Alkylkette positioniert sind. Die reaktiven Gruppen im FLC-Material und in der Ausrichtungsschicht verfügen über die Eigenschaft, selektive Bindung primär zwischen einer Gruppe im FLC-Material und einer anderen in der Ausrichtungsschicht auftritt, jedoch nicht zwischen Gruppen im FLC-Material oder zwischen Gruppen in den Ausrichtungsschichten. Nach dem Befüllen der Zelle mit dem FLC-Material wird die smektische Struktur wie üblich anfänglich durch Abkühlen von den Phasen höherer Temperatur ausgerichtet. Bei der korrekten Temperatur zum Erhalten der erforderlichen smektischen Schichtstruktur wird chemische Bindung zwischen den reaktiven Gruppen in den Ausrichtungsschichten und im FLC-Material ausgelöst, z. B. durch Ultraviolettbestrahlung. So werden Schichten von Molekülen mit der erforderlichen smektischen Schichtstruktur dauerhaft an die Zellenwände gebunden. Mechanische Beschädigung kann die chemischen Bindungen nicht aufbrechen, so dass der Widerstand des LCD gegen mechanische Beschädigung verbessert ist.
  • Bei der dritten Technik können verschiedene andere fotoinduzierte Reaktionen verwendet werden, um die FLC-Moleküle an die Ausrichtungsschicht zu binden. Es wird in Betracht gezogen, dass ein Verbindungsvorgang zwischen dem FLC-Material und den Ausrichtungsschichten durch eine Reaktion zwischen Olefingruppen in der Ausrichtungsschicht und Ketonen, Pyrrolen oder Mercaotanen in den Ausrichtungsschichtmolekülen bewerkstelligt werden können. Zwei dieser fotoinduzierten Reaktionen werden wie folgt veranschaulicht. Ketongruppe enthaltendes LC-Molekül + Olefingruppe enthaltende Ausrichtungsschicht
  • Pyrrolgruppe enthaltendes LC-Molekül + Olefingruppe enthaltende Ausrichtungsschicht
  • Jedoch existieren viele andere Kandidaten, um für diese Bindung zu sorgen, von denen einige in der folgenden Tabelle aufgelistet sind.
  • Reaktive Gruppe in Ausrichtungsschichten / Reaktive Gruppe in LC-Molekülen
  • Olefine Mercaptane
  • Olefine Andere Olefine & Alkyne
  • Olefine Halogenalkane
  • Olefine Alkohole
  • Olefine Aldehyde
  • Olefine Chinone
  • Olefine Sulfonsäure Derivate
  • Olefine Thiocarbonylverbindungen
  • Alkyne Halogenalkane
  • Alkyne Alkohole
  • Alkyne Mercaptane
  • Alkyne Amine
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Andere (hetero) arom. Verbind.
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Maleinsäure Derivate
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Olefine & Alkyne
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Alkohole
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Ether
  • Arom. & heteroarom. Verbind. Amine
  • Aldehyde & Ketone Alkohole
  • Aldehyde & Ketone Kohlenwasserstoffe
  • Ungesätt. Verbind. (einschl.) der obigen 4 Gruppen} Si-H-Bindungen
  • So ist es möglich, LCDs unter Verwendung smektischer Flüssigkristallmaterialien, wie FLCs, zu schaffen, deren Widerstand gegen durch mechanische Belastung hervorgerufene Schäden im Vergleich zu bekannten LCDs dieses Typs wesentlich verbessert ist. Ferner können die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung und die oben beschriebenen Techniken zum Herstellen dieser Anordnung mit nematischen und chiral-nematischen Flüssigkristallmaterialien verwendet werden, um die Beständigkeit gegen Schäden in LCDs zu erhöhen, bei denen das Flüssigkristallmaterial an den Oberflächen der Ausrichtungsschichten nicht stark ausgerichtet ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen einer Flüssigkristallvorrichtung, umfassend das Herstellen einer Zelle mit einander zugewandten Ausrichtungsschichten (3, 4), die zwischen sich ein Volumen bilden, und Befüllen des Volumens mit einem Flüssigkristallmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen des Volumens Moleküle des Flüssigkristallmaterials, die an mindestens eine der Ausrichtungsschichten (3, 4) angrenzen, chemisch an diese Schicht (3, 4) gebunden werden, um die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials an der Oberfläche der oder jeder Ausrichtungsschicht (3, 4) zu fixieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Bindung durch Licht induziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Bindung durch Ultraviolettstrahlung induziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtungsschichtmaterial eine reaktive Verbindung enthält, die chemisch an die oder jede Ausrichtungsschicht (3, 4) bindet.
5. Verfahren nach Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Verbindung ein reaktives Mesogen enthält.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Ausrichtungsschicht (3, 4) eine reaktive Gruppe enthält, die chemisch an das Flüssigkristallmaterial bindet.
7. Verfahren nach Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Verbindung chemisch an die reaktive Gruppe bindet.
8. Flüssigkristallvorrichtung, die durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt wurde.
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