Verwendung fluorierter aromatischer Polyamide als Orientierungs- schicht für Flüssigkristall-Schclt- und -Anzeigevorrichtungen.
Beschreibung
Verwendung fluorierter aromatischer Polyamide als Orientierungsschicht für Flüssigkriεtall-Schalt- und -Anzeigevorrichtungen
Die Kombination der ungewöhnlichen anisotropen und fluiden Eigenschaften von Flüssigkristallen hat bekanntlich zur Verwendung von flüssigkristallinen Materialien in einer Vielzahl von elektro-optischen Schalt- und Anzeigevorrichtungen (Displays) geführt. Dabei können sowohl die elektrischen, magnetischen und elastischen als auch die thermischen Eigenschaften der Flüssigkristalle zu Orientierungsänderungen ausgenutzt werden.
Optische Effekte lassen sich mit Hilfe der Doppelbrechung ("birefringence mode"), der Einlagerung von Farbstoffen ("guest-host mode") oder der Lichtstreuung erzielen. Zu diesem Zweck wurden bisher sowohl Materialien mit nematischen als auch mit s ektischen Flüssigkristallphasen verwendet. Beispiele für solche Schalt- und
Anzeigevorrichtungen sind bereits aus zahlreichen PatenSch iften und Fachveröffentlichungen bekannt.
Flüssigkristall-Schalt- und Anzeigevorrichtungen weisen u.a. folgende Bestandteile auf: Trägerplatten (z.B. aus Glas oder Kunststoff) , beschichtet .mit transparenten Elektroden und einer Orientierungsschicht, Abstandshalter, Kleberahmen, Polarisatoren, sowie für Farbdisplays dünne Farbfilterschichten. Weitere mögliche Komponenten sind Antireflex-, Passivierungs-, Ausgleichs- und Sperrschichten sowie elektrische nichtlineare Elemente, wie z.B. Dünnschichttransistoren (TFT) und Metall-Isolator-Metall (MIM)-Elemente. Im Detail ist der Aufbau von Flüssigkristalldisplays bereits in einschlägigen
Monographien beschrieben (z.B. E. Kaneko, "Liquid Crystal TV Displays: Principleε and Applications of Liquid Crystal Displays", KTK Scientific Publisherε, 1987, Seiten 12-30 und 163-172).
Von den obengenannten Bestandteilen kommt der Orientierungsschicht besondere Bedeutung zu. Sie dient bekanntlich dem Zweck, eine gleichmäßige, störungsfreie Ausrichtung der Moleküllängsachεen und damit einen hohen Kontrast zu gewährleisten. Sie kann sowohl aus organischen Polymeren als auch aus anorganischen Schichten bestehen.
Für viele Typen von Flüssigkristalldisplays, insbesondere für sogenannte "supertwist" (STN), "super-birefringence" (SBE), "double-supertwiεt" (D-ST ), "optical mode interference" (OMI) und auch ferroelektrische (FLC) Displays, ist es erforderlich bzw. vorteilhaft, daß zwischen den Moleküllängsachsen und der Oberfläche der Orientierungsschicht ein bestirnter Winkel, der sogenannte Oberflächenneigungε- oder "surface-tilt"-Winkel eingestellt wird. Je nach Konstruktionsweiεe der oben angeführten Displays sind Winkel bis zu 30° erwünεcht.
Während bisland zahlreiche Orientierungsschichten beschrieben wurden, die einen sehr kleinen "εurface-tilt"- Winkel (0-3°) besitzen, sind nur sehr wenige Materialien bekannt, die zu einem Winkel von 5° und größer führen.
Ein der Fachwelt gut bekanntes Beispiel für eine Orientierungsschicht mit größerem "surface-tilt"-Winkel ist schräg aufgedampftes Siliziummonoxid (SiO), das bekanntlich bei einem Bedampfungswinkel von 7° einen Oberflächenneigungswinkel von 20° ergibt. Jedoch ist der Bedampfungsprozeß für Siliziummonoxid wegen der hohen Kosten und der nur mit großem Aufwand zu erzielenden Homogenität bei großen Flächen nachteilig.
Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von
Polyparaphenylen als OrientierungsSchicht.
Nach einer thermischen Behandlung des Materials bei ca.
450βC lassen sich hierbei hohe Oberflächenneigungswinkel erreichen. Ein großer Nachteil dieses Materials ist jedoch die notwendige Anwendung hoher Temperaturen beim
Herstellungsprozeß, die der Verwendung dieser
Orientierungsschichten für Farb-LCDs entgegensteht, da sich die Farbstoffe bzw. Pigmente schon oberhalb von 250βC zu zersetzen beginnen.
Die als Orientierungsschichten verwendeten organischen Polymerschichten werden üblicherweise auf die zu beschichtenden Flächen (z.B. Trägerplatten) in Form von Polymerlösungen oder Lösungen löslicher Polymervorstufen durch Druck-, Sprüh-, Tauch- oder Schleuderverfahren aufgetragen und anschließend - im allgemeinen durch Erhitzen des Naßfilms - ausgehärtet. Zur Erzielung einer orientierenden Wirkung wird die erhaltene harte Polymerschicht mit einer samtartig beschichteten oder mit Samt bezogenen Walze, einer Bürste oder ähnlichen Vorrichtungen "gerieben" und dadurch die Polymeroberfläche vorzugsweise richtungsorientiert aufgerauht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Orientierungsschichten für Flüssigkristall-Schalt- und Anzeigevorrichtungen bereitzustellen, die sich bei relativ niedrigen Temperaturen, d.h. unterhalb von 250βC, aushärten lassen, eine gute Haftfestigkeit auf der Trägerunterlage und hohe Transparenz besitzen, eine besonders gleichmäßige Orientierung sowohl smektischer als auch nematischer Flüssigkristalle ermöglichen und darüberhinaus einen hohen Oberflächenneigungswinkel besitzen.
Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die Verwendung der nachfolgend beschriebenen aromatischen Polyamide als Orientierungsschicht für Flüssigkristalldisplays.
Diese aromatischen Polyamide erzeugen bei Prozeßtemperaturen unterhalb von 250βC dann Oberflächentiltwinkel von mehr als 5β, wenn sie an mindestens einem aromatischen Kern perfluorierte Alkylgruppen tragen.
Die Erfindung betrifft daher die Verwendung von aromatischen Polyamiden als Orientierungsschicht in Flüssigkristall-Schalt- und -Anzeigeelementen, wobei die Polyamide Struktureinheiten der Formel I
enthalten. Die Symbole in Formel (I) haben die folgende Bedeutungen:
wobei R1 und R2 gleich oder verschieden sind und für perfluoriertes Alkyl mit 1 bis 4 C-Atomen stehen, R3 und R4 gleich oder verschieden sind und für H oder CF3 stehen und wobei -W- für -O-, -C(CH3)2-. -C(CF3)2-. -S02-, -CO-, -CH2-, eine Einfachbindung oder den Rest
steht, wobei R , R , R und R° gleich oder verschieden sind und CH
3, CF
3, OCH
3, F, Cl, Br oder H bedeuten, und -Z- für -C(CH
3)
2-, -C(CF
3)
2-, -S0
2-, -CO-, -CH
2- oder -0- steht.
Die Gruppe -X- kann darüber hinaus auch eine Vielzahl anderer bivalenter Radikale bedeuten, da als Dicarbonsäure-
Komponente auch beispielsweise 1, -Cyclohexan-dicarbonsäure oder Pyridin-dicarbonsäuren eingesetzt werden können, es ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, die obengenannten Gruppen (ortho-, meta- , para-Phenylen) zu verwenden.
Bevorzugt wird die Verwendung von solchen substituierten aromatischen Polyamiden, die aus gleichen oder verschiedenen Struktureinheiten der Formel (I) bestehen und bei denen das Symbol Y in Formel (I) folgende Bedeutung trägt:
R3, R4 = H oder CF3, R5, R6, R7, R8 = H, CH3, oder CF3 und
= -C(CH3)2-, -C(CF3) -, -0-, oder -CO- bedeuten.
Besonders bevorzugt werden substituierte aromatische Polyamide verwendet, die aus Struktureinheiten der Formel (I) bestehen und in denen dem Symbol Y. in Formel (I) folgende Bedeutung zukommt:
Ebenfalls bevorzugt werden solche Polyamide verwendet, die aus mindestens zwei verschiedenen Struktureinheiten der allgemeinen Formel (I) aufgebaut sind.
Die erfindungsgemäßen Polyamide sollen vorzugsweiεe zum einen löεlich in N-Methylpyrrolidon oder ähnlichen Lösungsmitteln sein, und zum anderen aber in den flüssigkristallinen Phasen schwerlöslich sein.
Die Löslichkeit der Polyamide wird durch ihre Molmasse bestimmt, welche durch die Grenzviεkoεität (η) charakteriεiert wird. Die Grenzviεkosität der erfindungsgemäßen Polyamide beträgt 0,3 bis 1,5 dl/g. Besonders geeignet sind solche der oben beεchriebenen aromatischen Polyamide, die eine Grenzviskosität von 0,4 bis 1,0 dl/g aufweisen (jeweils gemesεen in NMP bei einer Temperatur von 25°C) .
Die oben beschriebenen aromatischen Polyamide sind wertvolle Materialien für Flüεεigkriεtall-Schalt- und -Anzeigevorrichtungen (LC-Diεplays) .
Die erfindungsgemäßen LC-Displays enthalten neben den üblichen, bereits genannten Komponenten wie (zwei)
Trägerplatten, (zwei) Elektroden und dem flüssigkriεtallinen
Medium (z. B. nematiεche oder εmektische Phase) mindestenε eine Orientierungsschicht aus einem aromatischen Polyamid wie oben beschrieben.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:
Beispiel 1: Herstellung eines Polyamides aus folgenden Struktureinheiten
CH-
Als Ausgangskomponenten dienen das literaturbekannte Diamin 1 und Terephthalsäuredichlorid (Säurechlorid 1)
CH, (Diamin 1)
In einer Rührapparatur werden 109,3 g Diamin 1 in 1100 g trockenem N-Methylpyrrolidon (NMP) gelöst und anschließend der Lösung unter Rühren innerhalb einer Stunde bei gleichzeitigem Aufheizen von 15°C auf 70°C 40,6 g Säurechlorid 1 zudoεiert. Die resultierende klare Lösung wird bei 70°C noch 1 Stunde gerührt. Vorzugsweise werden die Polykondensationsreaktionen erfindungsgemäß mit geringem Diamin-Überschuß durchgeführt und nach Beendigung der Umsetzung durch Zusatz einer geringen Menge Benzoylchlorid abgestoppt, so daß das resultierende Polymer vorzugsweise aus linearmakromolekularen Polykondensationspolyamiden besteht, die an beiden
Molekülenden benzoylierte A inoendgruppen aufweisen. Durch Zugabe von 25 g CaO wird das Reaktionsgemisch anschließend neutralisiert und nochmals 1 Stunde gerührt.
Die filtrierte Reaktionslösung wird unter Wasserzugabe koaguliert, das ausgefallene Polymerisat mehrmals mit Wasser und Aceton gewaschen, anschließend unter Vakuum (ca. 50 mbar) und schwachem Stickstoffström bei einer Temperatur von 180°C bis zur Gewichtεkonεtanz getrocknet.
Mittels DSC-Messungen (differentialkalorimetrische Messungen) wurde für das erhaltene Polyamid eine Glastemperatur (TG) von 175βC ermittelt. Die Grenzviskosität [h] des Polyamids beträgt 1,0 dl/g, gemessen in NMP bei einer Temperatur von 25βC.
Beispiel 2: Bau einer Testzelle und Messung des
Oberflächenneigungswinkels für das Polymer aus Beispiel 1
Zwei mit ITO (Indium-Zinn-Oxid) als leitfähig- • transparentem Material beschichtete Glasträger werden gereinigt (15 min. im Ultraschallbad mit einer "Extran APM"-Lösung (Hersteller: Firma E. Merck, Darmstadt) in entionisiertem Wasser, danach weitere Reinigung mit entionisiertem Wasser und Isopropanol mit anschließender Trocknung) und anschließend mit einem Naßfilm bestehend aus dem Polymer aus Beispiel 1 (3 Gew.%) und N-Methylpyrrolidon (97 Gew.%) beschichtet (Spin-coater 30 Sekunden bei 6000 U/min). Der Naßfilm wird anschließend bei einer Temperatur von von 210βC 60 Minuten lang gehärtet, so daß das Lösemittel vollständig verdampft ist.
Die so behandelten Substrate weisen einen trockenen, harten Polymerfilm von 70 nm Schichtdicke auf. Die Substrate werden anschließend mit einer mit Samt bespannten Reibemaschine gerieben (Rotationsgeschwindigkeit der Walze 300 U/min.), gespült (Isopropanol und Dichlormethan) und danach unter Verwendung von Abstandhaltern im Abstand von 9 μm planparallel mit antiparalleler Reiberichtung verklebt.
Die so hergestellten Meßzellen werden sodann mit einer ne atischen Breitbereichsmischung( ZLI 1565" der Firma E. Merck, Darmstadt) gefüllt und wie folgt zur Messung des Oberflächenneigungswinkels verwendet.
Zur Messung des Oberflächenneigungswinkelε wird zunächst die Kapazität CQ der Zelle bestimmt. Die Zelle wird in ein Magnetfeld von ca. 10 KGauß gebracht wobei die oben genannten Glasplatten zunächst parallel zum Magnetfeld stehen. Sodann wird die Zelle gedreht und ihre Kapazität in Abhängigkeit des Drehwinkelε bestimmt.
Der Winkel, bei dem gerade wieder die Kapazität CQ erreicht wird, entspricht dem Oberflächenneigungswinkel.
Für das Polymer aus Beispiel 1 erhält man einen Winkel von 9°.
Beispiel 3: Vergleich des Polyamids mit anderen Polymeren
Der Oberflächenneigungswinkel des Polymers aus Beispiel 1 wird dem Oberflächenneigungswinkel anderer Polymere gegenübergestellt. Dazu werden - wie unter Beispiel 2 beschrieben - ebenfalls mit anderen Polymeren beschichteten Testzellen hergestellt.
Es werden unter anderem Polymere bestehend aus folgenden Wiederholeinheiten in Testzellen untersucht:
(A)
Dieses Polymer unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Polymer aus Beispiel 1 nur durch den Ersatz beider CF3-Gruppen durch H-Atome.
B
(B)
Bei diesem Polymer sind die CF3-Gruppen an den inneren Alkylteil der Diaminokomponente gebunden. Das Polymer (B) ist bereits in JP 58-37621 vorbeschrieben.
Die Polymere (A) und (B) lassen sich analog zu Beispiel 1 herstellen.
Ein Vergleich der Oberflächenneigungswinkel der Polymere ergibt folgende Ergebnisse:
Polymer aus Beispiel 1 9°
Polymer (A) 2° Polymer (B) β
Beispiel 4: Ferroelektrische LCD-Zelle
Es wird, wie im Beispiel 2 beschrieben, eine Zelle hergestellt, die jedoch einen Elektrodenabstand von 2,4 μm sowie parallele Reiberichtung aufweist. Als Orientierungsschicht wird das Polymer aus Beispiel 1 verwendet. Die Zelle wird mit einer handelsüblichen ferroelektrischen Flüssigkristalltestmischung gefüllt. Es kann nun
beobachtet werden, daß die auf gewöhnlichen Oberflächen
(mit kleinem Oberflächenneigungswinkel) stets auftretenden störenden Zig-Zag Versetzungslinien, die den Kontrast verringern, nicht mehr auftreten. Der hohe Oberflächenneigungswinkel bewirkt die energetische
Bevorzugung einer Chevron - Richtung, so daß man eine
FLC-Probe mit monokristalliner Ordnung statt mit polykristalliner Ordnung erhält.
Hierbei zeigt sich klar, daß der hohe Oberflächenneigunswinkel der Polymere auch in FLC-Displays auftritt und vorteilhaft zur Kontrastverbesserung ausgenutzt werden kann.
Beispiel 5: Gemäß der Vorschrift aus Beispiel 1 wird ein Polyamid bestehend aus den Struktureinheiten
ausgehend vom Diamin
und dem Säurechlorid
hergestellt.
Mit den unter Beispiel 2 beschriebenen Verfahren wurden Testzellen gebaut und für eine nematische Flüssigkristallmischun ("ZLi 1565", E. Merck, Darmstadt) der Oberflächenneigungswinkel zu 3,3° bestimmt.