DE19741159A1 - Herstellungsverfahren für eine Flüssigkristallzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Mehrbereichs-Flüssigkristallzelle und insbesondere ein einfaches Herstellungsverfahren für eine Flüssigkristallzelle mit einem großen Betrachtungswinkel.

Flüssigkristallzellen mit verdreht nematischem Flüssigkristall (TN-LCD, Twisted Nematic Liquid Cristal Display) weisen ein derartiges Problem auf, daß ihr Kontrast vom Betrachtungswinkel abhängt, d. h. die Transmission für jede Graustufe hängt vom Betrachtungswinkel ab.

Dieses Problem tritt insbesondere bei einer Veränderung des Betrachtungswinkels in vertikaler Richtung besonders stark auf. Diese Winkelabhängigkeit in vertikaler Richtung wird von der elektrisch induzierten Anordnung des Flüssigkristall-Direktors verursacht.

Um dieses Problem der Winkelabhängigkeit zu lösen, sind eine Mehrbereichs-LCD, wie eine Zweibereichs-TN-LCD (TDTN-LCD, Two Domain Twisted Nematic LCD) und eine bereichsgeteilte TN-LCD (DDTN LCD, Domain Devided Twisted Nematic LCD) vorgeschlagen worden. Bei der TDTN-LCD weist jedes Pixel zwei Bereiche mit unterschiedlichen Anordnungen des Direktors (Ausrichtungen) auf, wobei die beiden Orientierungsrichtungen, d. h. die Projektionen des Direktors auf die Substratebene, in einander entgegengesetzten Richtungen liegen. Beim Anlegen einer Graustufenspannung an die LCD werden die beiden Flüssigkristall-Direktoren in den beiden Bereichen jeweils in verschiedene Richtungen gekippt. Durch dieses Anordnung gleichen sich die Transmissionen für die verschiedenen Betrachtungswinkel (insbesondere für die Betrachtungswinkel in vertikaler Richtung) aus. Bei der DDTN-LCD sind in jedem Pixel Materialien mit unterschiedlichen Kippwinkeln, wie organische Materialien oder anorganische Materialien, abwechselnd angeordnet. Durch ein Ausrichtungsverfahren erhält jede Ausrichtungsfläche, d. h. jeder Bereich des Pixels, einen Kippwinkel, der von dem des Nachbarbereichs verschieden ist.

Für Mehrbereichs-Flüssigkristallzellen ist das am meisten verwendete Ausrichtungsverfahren ein Reibverfahren. Bei dem Reibverfahren wird die Ausrichtungsschicht, wie eine Polyimid­ beschichtete Schicht, mit einem Reibtuch o. ä. mechanisch gerieben, so daß in der Oberfläche der Ausrichtungsschicht Mikrorillen gebildet werden. Die periodische Oberflächenstruktur des mechanisch mit Rillen versehenen LCD-Sub­ strates verringert die elastische Deformationsenergie des Flüssigkristalls, indem sie den Direktor des Flüssigkristalls zwingt, sich so auszurichten, daß die Projektion des Direktors auf die Substratebene parallel zu den Mikrorillen liegt. Bei dem Reibverfahren führen Defekte in den Mikrorillen jedoch zu statistischen Phasenverschiebungen und zu Lichtstreuung, so daß die Bildqualität schlecht ist. Ferner werden durch das Reibverfahren Staub und Entladungen auf der Ausrichtungsschicht gebildet, so daß das Substrat beschädigt werden kann, was zu einer schlechten Produktausbeute führt.

Um die Probleme der Beschädigung des Substrates zu lösen, wurde kürzlich ein Fotoausrichtungsverfahren vorgeschlagen.

Aus Fig. 1 ist das Herstellungsverfahren für eine Zweibereichs-LCD unter Verwendung des Fotoausrichtungsverfahrens ersichtlich. In Fig. 2 bezeichnet der schraffierte Bereich einen mit einer lichtundurchlässigen Maske abgedeckten Bereich eines Substrats, und der Pfeil auf dem Substrat gibt die Orientierungsrichtungen an. Ferner gibt der Pfeil über dem Substrat die Einstrahlrichtung des Lichtes sowie dessen Polarisationsrichtung an.

Zuerst wird der erste Bereich I des mit einem Fotoausrichtungsmaterial beschichteten Substrates mit der lichtundurchlässigen Maske abgedeckt, und dann wird das Substrat mit linear polarisiertem Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung vertikal (d. h. senkrecht zur Substratebene) bestrahlt, um einen ersten Satz einander entgegengesetzter Orientierungsrichtungen im zweiten Bereich II zu erzeugen, wie aus Fig. 1A ersichtlich. Danach wird das Substrat schräg mit linear polarisiertem Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung bestrahlt, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung ist, um eine der beiden einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen auszuwählen. Damit ist die erste Orientierungsrichtung in dem zweiten Bereich II ausgebildet, wie in Fig. 1B mit dem Pfeil im zweiten Bereich II des Substrats gezeigt.

Danach wird die Maske über dem ersten Bereich I entfernt, und der zweite Bereich II wird mit der Maske abgedeckt. Das Substrat wird mit linear polarisiertem Licht mit einer dritten Polarisationsrichtung vertikal bestrahlt, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung ist, um einen zweiten Satz von einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen zu bestimmen, wie aus Fig. 1C ersichtlich. Dabei sind die zweiten Orientierungsrichtungen senkrecht zu der ersten Orientierungsrichtung. Danach wird das Substrat schräg mit linear polarisiertem Licht bestrahlt, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der des im vorherigen Schritt verwendeten linear polarisierten Lichtes ist, um eine der beiden einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen auszuwählen, wie aus Fig. 1D ersichtlich. Fig. 1E zeigt die Zweibereichszelle, mit den beiden gebildeten Orientierungsrichtungen nach Entfernen der Maske. Wie aus Fig. 1E ersichtlich, ist die Orientierungsrichtung in dem ersten Bereich senkrecht zu der Orientierungsrichtung in dem zweiten Bereich.

Dieses Verfahren wird nochmals für ein zweites Substrat durchgeführt, und dann werden diese beiden Substrate mit dazwischen angeordnetem Flüssigkristall zusammengebaut, so daß eine Zweibereichs-Flüssigkristallzelle gebildet wird.

Bei dem herkömmlichen Ausrichtungsverfahren für eine Mehrbereichs-LCD ist eine Mehrzahl von Belichtungs- und Maskierungsschritten erforderlich. Z.B. sind bei diesem Verfahren für eine Vierbereichs-LCD acht Belichtungsschritte und vier Maskierungsschritte erforderlich, so daß das Verfahren aufwendig ist und die Kosten hoch sind.

Durch die Erfindung wird ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine Flüssigkristallzelle mit einem großen Betrachtungswinkel bereitgestellt. Dies wird durch ein Verfahren erreicht, bei dem unterschiedliche Bereiche der Ausrichtungsschicht unterschiedliche Energiemengen während einer einzigen Belichtung der Ausrichtungsschicht absorbieren, so daß in den unterschiedlichen Bereichen jeweils unterschiedliche Ausrichtungen erzielt werden.

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte auf: Abdecken des Substrates mit einer Maske, die in eine Mehrzahl von Bereichen aufgeteilt ist, die jeweils unterschiedliche Transmissionen aufweisen, und Belichten des Substrates durch die Maske hindurch mit Licht. Jeder einem Bereich der Maske entsprechende Bereich der Ausrichtungsschicht absorbiert eine bestimmte Energiemenge, wobei die von den unterschiedlichen Bereichen absorbierten Energiemengen in Abhängigkeit von der Transmission des jeweiligen Bereichs der Maske unterschiedlich sind, so daß in den unterschidlichen Bereichen Kippwinkel mit unterschidlichen Größen gebildet werden. Nach dem erfindungsgemäßen Belichten zweier Substrate werden diese mit dazwischen angeordnetem Flüssigkristall zusammengefügt, um eine Mehrbereichs-TN-Flüssigkristallzelle zu bilden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch das herkömmliche Herstellungsverfahren für eine Zweibereichs-Flüssigkristallzelle,

Fig. 2 einen Graph, der die Abhängigkeit des Kippwinkels von der in der Ausrichtungsschicht absorbierten Lichtenergie angibt;

Fig. 3 schematisch ein Herstellungsverfahren für eine bereichsgeteilte Flüssigkristallzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Vierbereichs-Flüssigkristallzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Erfindungsgemäß werden für die Ausrichtungsschicht auf Polysiloxan basierende Materialien verwendet, während als herkömmliche Ausrichtungsmaterialien Polyvinylcinnamate verwendet werden (s. a. HASHIMOTO, SID 95, DIGEST, S. 877). Bei dem HASHIMOTO-Verfahren kann kein gewünschter Kippwinkel erzielt werden, da die Größe des Kippwinkels durch die Belichtung lediglich etwa 0,1-0,3° beträgt, was sehr klein ist. Bei den erfindungsgemäßen Ausrichtungsmaterialien jedoch hängt die Größe des Kippwinkels von der absorbierten UV-Lichtenergie in der Ausrichtungsschicht ab, wie aus Fig. 2 ersichtlich, so daß die Größe des Kippwinkels entsprechend gesteuert werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben.

Aus Fig. 3 ist schematisch ein Herstellungsverfahren für eine bereichsgeteilte Flüssigkristallzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, bei welchem eine Maske verwendet wird, die einen teildurchlässigen Bereich aufweist. Diese Maske ist insbesondere für die Herstellung einer DDTN-Flüssigkristallzelle geeignet. Der teildurchlässige Bereich der Maske 33 bedeckt einen ersten Bereich I der Ausrichtungsschicht 32 auf dem Substrat 31, um während des Belichtungsschrittes dort ein Teil des Lichtes abzublocken, wie aus Fig. 3A ersichtlich. Somit wird in dem ersten Bereich I nur ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie absorbiert, während in einem zweiten Bereich II der Ausrichtungsschicht, der nicht bedeckt ist, die gesamte eingestrahlte UV-Licht­ energie absorbiert wird. Dies bedeutet, daß die in dem ersten Bereich der Ausrichtungsschicht absorbierte UV-Licht­ energie von der in dem zweiten Bereich der Ausrichtungsschicht absorbierten UV-Lichtenergie verschieden ist. Die Größe des Kippwinkels hängt von der in der Ausrichtungsschicht absorbierten UV-Lichtenergie ab, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Durch eine erste Bestrahlung werden in dem ersten Bereich I und in dem zweiten Bereich II der Ausrichtungsschicht jeweils einander entgegengesetzte Orientierungsrichtungen gebildet. Danach wird die Ausrichtungsschicht 32 schräg mit UV-Licht bestrahlt, wodurch jeweils eine der einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen ausgewählt wird, wie aus Fig. 3B ersichtlich. Auf diese Weise werden in dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich jeweils Ausrichtungen gebildet, deren Orientierungsrichtungen parallel zueinander sind, welche Ausrichtungen jedoch unterschiedlich große Kippwinkel aufweisen, wie aus Fig. 3C ersichtlich. Aus Fig. 3D ist ein Schnitt einer DDTN-Flüssigkristallzelle ersichtlich, bei der ein oberes Substrat und ein unteres Substrat zusammengesetzt sind, die jeweils mit dem oben beschriebenen Fotoausrichtungsverfahren hergestellt wurden.

Bei der aus Fig. 3D ersichtlichen Struktur sind die Orientierungsrichtungen aller Bereiche parallel zueinander, aber die Größe des Kippwinkels in den unterschiedlichen Bereichen ist unterschiedlich. Dementsprechend schließt sich ein Bereich mit großem Kippwinkel an einen Bereich mit geringem Kippwinkel an, so daß ein Ausgleich des Betrachtungswinkels erfolgt.

Aus Fig. 4 ist schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Vierbereichs-Flüssigkristallzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. In Fig. 4 bezeichnen der schraffierte Bereich, der Bereich mit einander überkreuzenden Linien und der weiße Bereich jeweils einen teildurchlässigen Bereich 33b, einen lichtundurchlässigen Bereich 33c bzw. einen transparenten Bereich 33a der Maske 33.

Zuerst wird das Substrat mit der Maske 33 bedeckt. Der erste Bereich I der Ausrichtungsschicht wird mit dem teildurchlässigen Bereich 33d der Maske bedeckt, der zweite Bereich II der Ausrichtungsschicht wird mit dem transparenten Bereich 33a der Maske bedeckt, und der dritte Bereich III und der vierte Bereich IV der Ausrichtungsschicht werden mit dem lichtundurchlässigen Bereich 33c bedeckt, wie aus Fig. 4A ersichtlich. Die Transmission des teildurchlässigen Bereichs 33b der Maske beträgt 30-80%. Danach wird das Substrat vertikal, d. h. senkrecht zur Substratsebene mit polarisiertem Licht, wie UV-Licht, belichtet, das eine erste Polarisationsrichtung aufweist, um in dem ersten Bereich I und dem zweiten Bereich II jeweils zwei einander entgegengesetzte Orientierungsrichtungen zu bilden. Wie aus Fig. 4B ersichtlich, wird das Substrat danach schräg mit polarisiertem Licht belichtet, das eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung ist, um eine der beiden einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen auszuwählen, die mit dem einfallenden Licht einen spitzen Winkel einschließt. Dafür kann auch unpolarisiertes Licht verwendet werden. Aus Fig. 4C sind die Orientierungsrichtung des ersten Bereichs und die Orientierungsrichtung des zweiten Bereichs nach den ersten beiden Belichtungsschritten ersichtlich. In dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich werden die Orientierungsrichtungen derart ausgebildet, daß sie senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung stehen. Da der dritte Bereich und der vierte Bereich mit dem lichtundurchlässigen Bereich 33c der Maske bedeckt sind, wird in diesen Bereichen keine Orientierungsrichtung ausgebildet. Die Orientierungsrichtung im ersten Bereich ist parallel zur Orientierungsrichtung im zweiten Bereich, aber der Kippwinkel im ersten Bereich ist von dem Kippwinkel in dem zweiten Bereich verschieden, da die im ersten Bereich absorbierte Lichtenergie von der im zweiten Bereich absorbierten Lichtenergie verschieden ist. Das heißt, daß der Kippwinkel in dem zweiten Bereich kleiner ist als der Kippwinkel in dem ersten Bereich.

Danach werden der erste Bereich I und der zweite Bereich II, in denen entsprechende Orientierungsrichtungen ausgebildet sind, mit dem lichtundurchlässigen Bereich 33c der Maske 33 abgedeckt, und der dritte Bereich III bzw. der vierte Bereich IV werden jeweils mit dem teildurchlässigen bzw. dem transparenten Bereich 33b bzw. 33a der Maske bedeckt. Wenn das Substrat vertikal mit linear polarisiertem Licht mit einer dritten Polarisationsrichtung bestrahlt wird, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung im ersten Belichtungsschritt ist, werden im dritten Bereich III und im vierten Bereich IV jeweils zwei zweite einander entgegengesetzte Orientierungsrichtungen ausgebildet, die senkrecht zur dritten Polarisationsrichtung stehen. Danach wird das Substrat mit polarisiertem Licht schräg bestrahlt, das eine vierte Polarisationsrichtung aufweist, um eine der einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen auszuwählen, die mit der Richtung des eingestrahlten Lichtes einen spitzen Winkel bildet. Mit Hilfe des gerade beschriebenen dritten Belichtungsschritts und vierten Belichtungsschritts werden Orientierungsrichtungen in dem dritten Bereich III und in dem vierten Bereich IV gebildet, wie aus Fig. 4E ersichtlich. Wie die Orientierungsrichtungen in dem ersten Bereich I und in dem zweiten Bereich II sind die Orientierungsrichtungen in dem dritten Bereich III und in dem vierten Bereich IV jeweils parallel zueinander, aber die Kippwinkel im dritten Bereich und im vierten Bereich sind voneinander verschieden. Das heißt, der Kippwinkel im vierten Bereich IV ist aufgrund des Unterschiedes in der in dem jeweiligen Bereich absorbierten Lichtenergie kleiner als der Kippwinkel im dritten Bereich III.

Aus Fig. 4F ist ein Substrat einer Vierbereichs-Flüssig­ kristallzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Wie aus Fig. 4F ersichtlich, weisen die Ausrichtungen in dem ersten Bereich I und in dem zweiten Bereich II voneinander verschiedene Kippwinkel, jedoch gleiche Orientierungsrichtungen auf (dünne Pfeile bezeichnen einen kleinen Kippwinkel und dicke Pfeile bezeichnen einen großen Kippwinkel) und die Ausrichtungen in dem dritten Bereich III und in dem vierten Bereich IV weisen ebenfalls voneinander verschiedene Kippwinkel, jedoch gleiche Orientierungsrichtungen auf. Ferner sind die Orientierungsrichtungen in dem ersten Bereich I und in dem zweiten Bereich II jeweils senkrecht zu den Orientierungsrichtungen in dem dritten Bereich III und in dem vierten Bereich IV. Das Substrat mit den entsprechend bestimmten Orientierungsrichtungen kann als oberes bzw. als unteres Substrat für eine Vierbereichs-Flüssigkristallzelle verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird in dem oben beschriebenen Verfahren eine DDTN-Flüssigkristallzelle mit Hilfe von einem Maskierungsschritt und zwei Belichtungsschritten gebildet. Ferner wird eine Vierbereichs-Flüssigkristallzelle erfindungsgemäß mit Hilfe von zwei Maskierungsschritten und vier Belichtungsschritten gebildet. Somit kann eine Flüssigkristallzelle mit großem Betrachtungswinkel mit Hilfe eines einfachen Herstellungsverfahrens und mit geringen Kosten hergestellt werden.

Erfindungsgemäß kann bei den oben beschriebenen Verfahren beim schrägen Einstrahlen von Licht zum Auswählen einer der beiden einander entgegengesetzten Orientierungsrichtungen jeweils sowohl unpolarisiertes als auch polarisiertes Licht verwendet werden.

Es ist bevorzugt, daß die Maske Quarz oder Glas aufweist, wobei die teildurchlässigen Bereiche der Maske mit einem teilweise transparenten Metall, wie Indiumzinnoxid (ITO, Indium Tin Oxide) beschichtet sind, um in diesen Bereichen die Transmission zu verringern.

Claims (6)

1. Herstellungsverfahren für eine Mehrbereichs-Flüssig­ kristallzelle mit folgenden Schritten:
Beschichten eines Substrates (31) mit einem Fotoausrichtungsmaterial (32), wobei die Größe des Kippwinkels des Fotoausrichtungsmaterials (32) durch die in dem Material absorbierte Lichtenergie steuerbar ist;
vertikales Belichten des beschichteten Substrates (31) mit erstem linear polarisiertem Licht derart, daß die in ersten Bereichen (I) der Ausrichtungsschicht (32) absorbierte Lichtenergie von der in zweiten Bereichen (II) der Ausrichtungsschicht (32) absorbierten Lichtenergie verschieden ist, so daß die Größe der Kippwinkel in den ersten Bereichen (I) von der Größe der Kippwinkel in den zweiten Bereichen (II) verschieden ist; und
schräges Bestrahlen des beschichteten Substrates (31) mit Licht, um eine Orientierungsrichtung in den ersten Bereichen (I) und in den zweiten Bereichen auszuwählen (II).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des vertikalen Bestrahlens des beschichteten Substrates (31) mit erstem linear polarisiertem Licht folgende Schritte aufweist:
Bedecken des beschichteten Substrates (31) mit einer ersten Maske (33), wobei die erste Maske (33) erste Bereiche (33b) mit einer ersten Transmission, welche die ersten Bereiche (I) der Fotoausrichtungsschicht (32) definieren, und zweite Bereiche (33a) mit einer zweiten Transmission aufweist, welche die zweiten Bereiche (II) der Fotoausrichtungsschicht (32) definieren, wobei die erste Transmission von der zweiten Transmission verschieden ist; und
vertikales Bestrahlen des beschichteten Substrates (31) mit erstem linear polarisiertem Licht für eine vorbestimmte Zeitdauer durch die erste Maske (33) hindurch; wobei
in dem Schritt des schrägen Bestrahlens des beschichteten Substrates (31) mit Licht das beschichtete Substrat (31) durch die erste Maske (33) hindurch bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Maske (33) lichtundurchlässige Bereiche (33c) aufweist, die dritte Bereiche (III) der Fotoausrichtungsschicht (32) und vierte Bereiche (IV) der Fotoausrichtungsschicht (32) definieren; und welches Verfahren nach dem schrägen Bestrahlen des beschichteten Substrates (31) durch die erste Maske (33) hindurch folgende Schritte aufweist:
Entfernen der ersten Maske (33);
Bedecken des beschichteten Substrates (31) mit einer zweiten Maske, wobei die zweite Maske erste Bereiche mit einer ersten Transmission, die den dritten Bereichen (III) der Fotoausrichtungsschicht (32) entsprechen und über diesen angeordnet sind, zweite Bereiche mit einer zweiten Transmission, die den vierten Bereichen (IV) der Fotoausrichtungsschicht (32) entsprechen und über diesen angeordnet sind, und lichtundurchlässige Bereiche aufweist, die den ersten Bereichen (I) der Fotoausrichtungsschicht (32) und den zweiten Bereichen (II) der Fotoausrichtungsschicht (32) entsprechen und über den ersten Bereichen (I) und den zweiten Bereichen (II) angeordnet sind, wobei die zweite Transmission von der ersten Transmission verschieden ist;
vertikales Bestrahlen des beschichteten Substrates (31) mit zweitem linear polarisiertem Licht für eine bestimmte Zeitdauer durch die zweite Maske hindurch, so daß die Größe der Kippwinkel in den dritten Bereichen (III) von der Größe der Kippwinkel in den vierten Bereichen (IV) verschieden ist, wobei die Polarisationsrichtung des zweiten linear polarisierten Lichtes von der Polarisationsrichtung des ersten linear polarisierten Lichtes verschieden ist; und
schräges Bestrahlen des beschichteten Substrates (31) mit Licht durch die zweite Maske hindurch, um eine Orientierungsrichtung in den dritten Bereichen (III) und in den vierten Bereichen (IV) auszuwählen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Polarisationsrichtung des ersten linear polarisierten Lichtes senkrecht zu der Polarisationsrichtung des zweiten linear polarisierten Lichtes ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Fotoausrichtungsmaterial auf Polysiloxan basierende Materialien aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Licht ultraviolettes Licht aufweist.