DE19503373A1

DE19503373A1 - Flüssigkristalldisplayvorrichtung

Info

Publication number: DE19503373A1
Application number: DE19503373A
Authority: DE
Inventors: Seong-Eun Chung; Jong-Cheon Lee
Original assignee: Samsung Display Devices Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1995-12-07
Also published as: GB2289951B; KR0178418B1; US5554419A; GB2289951A; KR950033605A; JPH07333618A; GB9501976D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkri stalldisplayvorrichtung insbesondere mit einer mehrschichti gen Orientierungsschicht mit einer Orientierungsunterschicht auf einer transparenten Elektrode auf einem Substrat und mindestens einer Oberschicht aus einem Material mit ver schiedener Orientierung auf der Orientierungsunterschicht.

Im allgemeinen werden Flüssigkristalle leicht durch externen Einfluß wie ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, Zug, Druck u.ä. beeinflußt. Wegen dieser Eigenschaften werden Flüssigkristalle als Lichtblende oder selbst als Displayvorrichtung verwendet.

Zur Ausnutzung dieser Eigenschaften der Flüssigkri stalle können sie nach Bedarf unter Einfluß der Umgebung bewegt werden. Deshalb ist die gleichförmige Orientierung von Flüssigkristallen wesentlich.

Eine organische Schicht, die auf die transparente Elektrode aufgeschichtet und orientierungsbehandelt ist, wirkt physi ko-chemikalisch mit dem Flüssigkristall über die Bindungs energie wie van der Waalsche Kraft, Dipolanziehung, Wasser stoffbindung etc. zusammen.

Dieses sind die bekannten Haupt faktoren der Flüssigkristallorientierung (siehe "Liquid Crystal Application and Uses", Vol. 3, 1992, World Scienti fic Publishing Co.). Zusätzlich sind Mikrofurchen, die auf der organischen Schicht durch Reiben mit Gewebe oder Stoff gebildet werden, ein anderer Faktor der Flüssigkristall orientierung.

Um Flüssigkristallmaterial während der Herstellung der Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach üblichen Methoden zu orientieren, wird eine organische Schicht, vorzugsweise eine Polyimidschicht auf die auf dem Substrat gebildete trans parente Elektrode geschichtet. Dann wird die organische Schicht unter Verwendung eines Gewebes oder Stoffs gerieben, um die Flüssigkristallmoleküle in Richtung oder in senkrech te Richtung zur Reibungsrichtung zu orientieren (Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. sho 63-14122). Die organische Schicht wird jedoch durch das Reiben mit Stoff während der Reibungsbehandlung unter Auslösung ungleichförmiger Orien tierung des Flüssigkristalls und anderer Defekte, die die Herstellung einer Flüssigkristalldisplayvorrichtung nachtei lig beeinflussen, beschädigt.

Wird der Flüssigkristall nach einer solchen mechani schen Reibung injiziert, tritt ungleichförmige Orientierung wegen der Reibungsspuren (beispielsweise unterschiedliche Breite und Tiefe der Furchen sowie andere Verunreinigungen) auf, die schließlich wesentliche Störung der elektroopti schen Eigenschaft des Flüssigkristalls verursacht. Hierbei wird die Bistabilität, die eine besonders wichtige Eigen schaft ferroelektrischer Flüssigkristalle ist, ungleichmäßig oder regellos, wobei die Memoryeigenschaft des Flüssigkri stalls vermindert oder zerstört wird (siehe Japanische Pa tentoffenlegungsschriften Nr. hei 1-155318, hei 1-281428 und hei 2-61614). Zusätzlich zerstört der Staub nach dem mecha nischen Reiben durch direkte Reaktion mit dem Flüssigkri stall die Orientierung und erzeugt weitere Störungen (siehe Japanische Patentoffenlegungsschriften sho 63-132220 und hei 3-59089).

Insbesondere wird bei ferroelektrischen Flüssigkri stallen die Zerstörung der Orientierung selbst durch gering fügige Defekte leicht induziert. Deshalb kann gute Bistabi lität ebensowenig wie eine entsprechende Flüssigkristall displayvorrichtung mit guten Bistabilitätseigenschaften in einfacher Weise realisiert werden.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Flüs sigkristalldisplayvorrichtung mit einer neuen Orientierungs schicht, die man als "Orientierungsmehrfachschicht" bezeich nen kann, zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Flüs sigkristalldisplayvorrichtung mit einem Paar Substrate, einem Paar auf dem Substrat aufgeformter transparenter Elek troden, einem Paar auf den transparenten Elektroden aufge schichteter bzw. ausgebildeter Orientierungsschichten und einer Flüssigkristallmaterialschicht zur Verfügung gestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine der Orientierungsschichten aus zwei oder mehr Schichten besteht.

Bevorzugt ist die Orientierungsschicht eine organische Schicht, bestehend aus zwei Schichten und einer Unterbe schichtung hierfür aus Polyimid, Polyvinylalkohol, Polyester und/oder Flüssigkristallpolymer, oder einer Schicht aus abgelagertem anorganischem Material wie SiOx (wobei x 1 oder 2 ist) hergestellt.

Vorzugsweise sind alle Schichten, ausgenommen die oberste, orientierungsbehandelte Schichten; die äußerste Schicht wird aus einem Polymer mit flüssigkristalliner Phase gebildet.

Als in der erfindungsgemäßen Flüssigkristalldisplay vorrichtung verwendbares flüssigkristallines Material ist gedrehter (twisted) nematischer Flüssigkristall, über-dreh ter (super twisted) nematischer Flüssigkristall, ferroelek trischer Flüssigkristall, anti-ferroelektrischer Flüssig kristall usw. geeignet.

Aufgabe und Vorteile der vorliegen den Erfindung werden im folgenden an bevorzugten Ausfüh rungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren näher erläutert:

Fig. 1A und 1B zeigen die elektrooptischen Eigen schaften einer Flüssigkristalldisplayvorrichtung, herge stellt auf übliche Weise;

Fig. 2A und 2B zeigen elektrooptische Eigenschaften einer Flüssigkristalldisplayvorrichtung, hergestellt nach einer anderen üblichen Weise;

Fig. 3A und 3B zeigen elektrooptische Eigenschaften einer Flüssigkristalldisplayvorrichtung mit einem flüssig kristallinen Polymer als zweites Beschichtungsmaterial der Orientierungsschicht gemäß einer erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 4 zeigt Lichtdurchlässigkeit, Memoryeigenschaf ten und Schwellenspannung entsprechend dem Anstieg und Ab fall der Spannung für die Flüssigkristalldisplayvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 5A und 5B zeigen elektrooptische Eigenschaften einer Flüssigkristalldisplayvorrichtung mit LPET als zweites Beschichtungsmaterial der Orientierungsschicht gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die Orientierungsmehrfachschicht in der erfindungs gemäßen Flüssigkristalldisplayvorrichtung wird auf die fol gende Weise ausgebildet: Zuerst wird ein konventionelles Orientierungsmaterial aufgeschichtet und nach dem üblichen PI-Orientierungsverfahren gerieben. Dann wird ein Material mit guten Orientierungseigenschaften wie flüssigkristallines Polymer übergeschichtet. Hierdurch können Kratzer, Staub und andere Unregelmäßigkeiten auf der Unterbeschichtung, die während des Reibens erzeugt werden, durch die Oberbeschich tung bedeckt werden. Da auch die Moleküle in der Überschich tung sich entlang den Mikrofurchen auf der Unterschicht ausrichten, richten sich die Flüssigkristallmoleküle gleich förmig aus. Deshalb wird hierdurch eine Flüssigkristalldis playvorrichtung mit weniger Defekten, die durch die Reibung sbehandlung auftreten, und gleichförmig ausgerichteten Flüs sigkristallmolekülen gebildet.

Demnach richten Mikrofurchen auf der Orientierungs schicht, die durch das mechanische Reiben entstanden sind, sowohl flüssige Kristalle aus wie sie auch die Ausrichtung stören bzw. unterbrechen. Wird eine organische Schicht auf der geriebenen Orientierungsschicht ausgebildet, richtet sich die übergeschichtete organische Schicht entlang den Mikrofurchen auf der zuerst aufgeschichteten Orientierungs schicht aus. Auf diese Weise kann eine defektfreie, gleich förmige Ausrichtung von Flüssigkristall einschließlich fer roelektrischer Flüssigkristall und gute Bistabilität er reicht werden. Bevorzugt zur Bildung der Überschichtung wird flüssigkristallines Polymer, das leicht orientierbar ist, verwendet. Das Material für diese Schicht ist jedoch nicht auf flüssigkristalline Polymere beschränkt.

Auf das Glassubstrat werden transparente Elektroden wie ITO (Indium-Zinnoxyd) geschichtet. Dann wird eine orga nische Schicht aus Polyimid, Polyvinylalkohol, Polyester, flüssigkristallines Polymer etc. oder eine anorganische Schicht aus SiOx (wobei x 1 oder 2 ist) auf die Elektrode aufgeschichtet. Die Beschichtung wird unter Verwendung eines Reibungsstoffes oder -gewebes wie Nylon oder (Kunst-)Seide, Diamant und/oder verschiedenen Pasten gerieben. Dann wird ein Material wie flüssigkristallines Polymer mit guten Orie ntierungseigenschaften oder ein langkettiges organisches Polymer übergeschichtet und getrocknet oder gehärtet. Auf die Beschichtung werden Spacer aufgesprüht, um eine vorbe stimmte Distanz zwischen den auf diese Weise behandelten Substraten einzuhalten. Dann werden die beiden Substrate verbunden und versiegelt. In den Freiraum wird Flüssigkri stall wie twisted oder super-twisted nematisches ferroelek trisches Flüssigkristall oder antiferroelektrisches Flüssig kristall injiziert, so daß die erfindungsgemäße Flüssigkri stalldisplayvorrichtung ausgebildet wird.

Obgleich die Orientierungsschicht aus zwei Beschich tungen aus Unterbeschichtung und Überbeschichtung gemäß bevorzugter Ausführungsform hergestellt ist, kann die Über beschichtung mehr als einmal durchgeführt werden, wobei nach Bedarf zwei oder mehr Überschichtungen verschiedener Mate rialien möglich sind.

Besteht die Orientierungsschicht aus einer Mehrfachbe schichtung, bestehen die anliegenden Beschichtungen vorzugs weise aus verschiedenen Materialien, die von verschiedenen Lösungsmitteln gelöst werden, um Affinität zwischen den Schichten auszuschließen. Das Material und die Beschich tungsreihenfolge der benachbarten Schichten werden sorgfäl tig unter Berücksichtigung der Affinität zwischen den Mate rialien, der Fähigkeit zur Orientierung des Flüssigkri stalls, den erwünschten Vor-Drehwinkel (pre-tilt angle) etc. ausgewählt. So wird beispielsweise ein Material mit starken Vordreh(pre-tilt)eigenschaften aber schlechter Zusammenwir kung mit Flüssigkristall als Unterbeschichtung verwendet, worauf ein Material mit gutem Zusammenwirken mit Flüssig kristall bei gleichzeitig schwachen Vordreheigenschaften als Überschichtung zur Bildung der erwünschten Vorrichtung ver wendet.

Die Erfindung wird im einzelnen näher erläutert:

Beispiel 1

in der m und n ganze Zahlen größer als drei sind.

Zwei mit ITO-Elektroden beschichtete Glassubstrate wurden auf 76,2 mm × 101,6 mm geschnitten und sauber gewa schen. Als Unterbeschichtung wurde ein Polyimidorientie rungsmittel (RN 305 von Nissan Chemical) in einem Lösungs mittel mit dem Verhältnis von N-Methylpyrrolidon zu Butyl cellosolve 8 : 2 so gelöst, daß die Menge an festem Material 2 Gew.-% betrug. Die Lösung wurde auf die jeweiligen Elek troden mit 4000 Upm nach dem Spinbeschichtungsverfahren aufgeschichtet; die Schichten wurden 10 Minuten bei 120°C getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen, und 1 Stunde bei 260° gehärtet. Die gehärteten Beschichtungen wurden unter Verwendung einer Walze mit (Kunst)seide gerieben. Es wurde ein Flüssigkristallpolyesterpolymer der folgenden Strukturformel (1) in einem Lösungsmittel mit dem Verhältnis von N-Methylpyrrolidon zu Butylcellosolve von 8 : 2 derart gelöst, daß die Menge an festem Material 1 Gew.-% bezog, und auf die geriebenen Unterbeschichtungen mit 3000 Upm ge schichtet.

Nach dem Beschichten wurden die Überbeschichtungs schichten gebildet, in dem das Lösungsmittel in der Be schichtung durch Erhitzen auf 160°C ausgetrieben wurde. Dann wurden 1,5 µm-Spacer auf eine der Überbeschichtungen aufgebracht und die beiden Substrate verbunden. In den Raum zwischen den Orientierungsschichten wurde ferroelektrischer Flüssigkristall (T250 von Hoechst Japan Co.) injiziert, um zu der Flüssigkristalldisplayvorrichtung zu gelangen. Die elektrooptischen Eigenschaften dieser Flüssigkristalldis playvorrichtung werden in den Fig. 3A und 3B wiedergege ben.

Beispiel 2

Auf der ITO-Beschichtungsschicht wurde gemäß Beispiel 1 eine Unterbeschichtungsschicht ausgebildet. Dann wurde ein Polyesterpolymersalz der folgenden Strukturformel (2) in einem Lösungsmittel mit dem Verhältnis von N-Methylpyrroli don zu Butylcellosolve von 8 : 2 derart gelöst, daß die Menge an festem Material 1 Gew.-% betrug, und auf die gerie bene Unterbeschichtung mit 4000 Upm aufgeschichtet. Die Beschichtung wurde 30 Minuten bei 150°C vollständig ge trocknet. Gemäß Beispiel 1 wurde eine Flüssigkristalldis playvorrichtung hergestellt, deren elektrooptische Eigen schaften in den Fig. 5A und 5B wiedergegeben sind;

in der n eine ganze Zahl größer als drei ist.

Vergleichsbeispiel 1

Unter Verwendung des Flüssigkristallpolyesterpolymeren der Überbeschichtung in Beispiel 1 wurden zum Vergleich einschichtige Orientierungsschichten gebildet.

Das obige Polyimidorientierungsmittel (RN 305) als das Unterbeschichtungsorientierungsmittel wurde in einem Lö sungsmittel mit dem Verhältnis von N-Methylpyrrolidon zu Butylcellosolve von 8 : 2 derart gelöst, daß die Menge an Festmaterial 2 Gew.-% betrug. Die Lösung wurde auf die beiden Substrate, die mit transparenten ITO-Elektroden beschichtet waren, jeweils mit 4000 Upm aufgeschichtet. Die Schichten wurden für 30 Minuten bei 360°C vollständig getrocknet. Dann wurden die gehärteten Schichten unter Verwendung einer Walze mit Kunstseide gerieben, wobei die Walzengeschwindig keit geregelt war. Die Flüssigkristalldisplayvorrichtung wurde in üblicher Weise hergestellt. Die verwendeten Spacer hatten eine Größe von 1,5 µm, wobei der Flüssigkristall der obige ferroelektrische Flüssigkristall (T250) war. Die elek trooptischen Eigenschaften dieser Flüssigkristalldisplayvor richtung werden in den Fig. 1A und 1B wiedergegeben.

Vergleichsbeispiel 2

Gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde eine Flüssigkristall displayvorrichtung mit dem Unterschied hergestellt, daß LPET (lyotroper Polyester) als Orientierungsmaterial verwendet wurde. Die Ergebnisse werden in den Fig. 2A und 2B wie dergegeben.

Im folgenden werden die Figuren näher erläutert.

In Fig. 3A, die die Ergebnisse des Beispiels 1 wie dergibt, ist die Basislinie die Lichtdurchlässigkeit, wenn zwei Polarisatoren in einem Polarisationsmikroskop vertikal gekreuzt werden; die a-Linie und die b-Linie repräsentieren die Lichtdurchlässigkeit im "an" bzw. "aus" Zustand. Das Kontrastverhältnis ist definiert als die Differenz zwischen der a-Linie und der Basislinie, geteilt durch die Differenz zwischen der b-Linie und der Basislinie.

In Fig. 3B ist die Pulsbreite der angelegten Spannung 67,8 µs, die Periode beträgt 0,0167 Sekunden und die angeleg te Spannung 30 [Vp]. Hierbei ist erkenntlich, daß die Stabi lität, die ein wichtiger Faktor bei ferroelektrischen Flüs sigkristallen ist, sehr gut ist.

Fig. 4 zeigt die Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit vom Erhöhen und Erniedrigen der Spannung für die Flüssig kristalldisplayvorrichtung gemäß Beispiel 1, die die typi schen elektrooptischen Eigenschaften des ferroelektrischen Flüssigkristalls zeigt. Die Achse der Ordinate repräsentiert die Lichtdurchlässigkeit und die Achse der Abzisse die ange legte Spannung, wobei der Resetpuls 10 [Vp; peak-zu-peak Spannung] und wobei die Spannung um ein Volt von null Volt an erhöht wird. Hierbei repräsentieren die Minimum- und Maximumpunkte der Lichtdurchlässigkeit die Bistabilitäts position der Flüssigkristallmoleküle. Beträgt die angelegte Spannung zwei bis drei Volt, ist die Durchlässigkeit am Maximum gesättigt, wobei dieser Wert konstant beibehalten wird. In diesem Zustand, wenn die angelegte Spannung um ein Volt verringert wird (und selbst bei null Volt), zeigt die Lichtdurchlässigkeit wegen der Memorywirkung keine Änderun gen. Dann kehren die Flüssigkristallmoleküle bei etwa -1,5 Volt in die Minimumdurchlässigkeitsposition zurück.

Fig. 5A und 5B entsprechen den Ergebnissen der Flüssigkristalldisplayvorrichtung gemäß Beispiel 2, die gute Bistabilität des ferroelektrischen Flüssigkristalls zeigen. Die angelegte Spannung ist 25 [Vp], die Pulsbreite der ange legten Spannung beträgt 67,8 µs und die Periode 0,0167 Sekun den.

Fig. 1A und 1B zeigen die elektrooptischen Eigen schaften der Flüssigkristalldisplayvorrichtung gemäß Ver gleichsbeispiel 1. Das Ergebnis ist ähnlich dem der Flüssig kristalldisplayvorrichtung mit der Orientierungsbeschichtung aus zwei Schichten gemäß Beispiel 1. Es wird angenommen, daß das flüssigkristalline Polymer leichter und gleichförmiger als die konventionelle PI-Orientierungsschicht durch physi kalisches Reiben ausrichtet.

Im Fall von LPET als eine Orientierungsschicht gemäß Vergleichsbeispiel 2 ist die Lichtdurchlässigkeit jedoch an der B-Linie zu hoch, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, und das Gesamtkontrastverhältnis wird deutlich verringert.

Wie gezeigt, können Kratzer, die durch das Reiben erzeugt werden, bedeckt werden, da die erfindungsgemäße Flüssigkristalldisplayvorrichtung eine Orientierungsschicht aus mehreren Schichten aufweist. Da zwei oder mehr verschie dene Orientierungsmaterialien beim Mehrfachbeschichten ver wendet werden können, kann der pre-tilt-Winkel, der vom Typ der Orientierungsschicht abhängt, geregelt werden, wodurch die Disklination vermindert wird, wenn Spannung angelegt wird. Wenn der pre-tilt-Winkel groß ist, kann schnelle Funk tion selbst bei niedrigen Spannungen erreicht werden. Dieses erniedrigt die Schwellenspannung und ist vorteilhaft bei dem Entwurf von Schaltungen.

Um ein klares Bild in einer Vorrichtung zu erzielen, sollte darüber hinaus das Kontrastverhältnis (das an/aus Verhältnis) groß sein. Da die erfindungsgemäßen Flüssigkri stalldisplayvorrichtung eine Orientierungsschicht aus mehre ren Schichten aufweisen, besitzen sie ein verbessertes Kon trastverhältnis, so daß ein gutes Bild realisiert werden kann.

Claims

1. Flüssigkristalldisplayvorrichtung mit einem Paar Substraten, einem Paar transparenter Elektroden, die auf dem Substrat aufgeformt sind, einem Paar Orientierungsschichten, die auf den jeweiligen transparenten Elektroden aufgeschich tet und ausgeformt sind und einer Schicht aus Flüssigkri stallmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Orien tierungsschichten aus zwei oder mehr Beschichtungsschichten besteht.

2. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Orientierungsschicht aus zwei Beschichtungsschich ten zusammengesetzt ist, und wobei eine Unterbeschichtungs schicht aus Polyimid, Polyvinylalkohol, Polyester und/oder einem Flüssigkristallpolymeren geformt ist.

3. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Überschichtungsschicht der Orientierungsschicht aus mindestens einer der Verbindungen (1) und (2) gebildet ist:

4. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Orientierungsschicht aus zwei Schichten zusammen gesetzt ist, und die Unterbeschichtungsschicht eine Schicht aus abgelagerter anorganischer Verbindung ist.

5. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die abgelagerte anorganische Verbindungsschicht SiOx (in der x gleich 1 oder 2 ist) ist.

6. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Überbeschichtungsschicht der Orientierungsschicht aus mindestens einer der Verbindungen (1) und (2): besteht.

7. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei alle Beschichtungen, ausgenommen der obersten Schicht, der Orientierungsschicht orientierungsbehandelte Schichten sind.

8. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die oberste Beschichtung der Orientierungsschicht aus einem Polymeren mit flüssigkristalliner Phase gebildet ist.

9. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei benachbarte Beschichtungsschichten der Orientierungs schicht aus verschiedenen Materialien bestehen.

10. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die benachbarten Beschichtungsschichten der Orientie rungsschicht in verschiedenen Lösungsmitteln lösbar sind.

11. Flüssigkristalldisplayvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkristallmaterial getwistete nematische Flüssigkristalle, super-getwistete nematische Flüssigkri stalle, ferroelektrische Flüssigkristalle und/oder antifer roelektrische Flüssigkristalle ist.