DE4429916C2 - Verfahren zum Herstellen einer Orientierungsschicht aus Photopolymeren in einer Flüssigkristallanzeige - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Orientierungsschicht aus Photopolymeren in einer Flüssigkristallanzeige

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Orientierungsschicht einer Flüs­ sigkristallanzeige (nachstehend als "LCD" bezeichnet) und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Orien­ tierungsschicht aus Photopolymeren in einer LCD, wobei ein Vortiltwinkel durch die Orientierungsschicht gebildet und eingestellt werden kann.
Bei einer typischen elektrisch geschalteten LCD wird ein Flüssigkristallmaterial zwischen zwei Glas- oder Kunst­ stoffplatten eingeschlossen, die transparente stromleitende Elektroden aufweisen.
Nachstehend wird zum besseren Verständnis des Hinter­ grunds der Erfindung unter Bezug auf Fig. 3, die einen Auf­ bau einer herkömmlichen LCD zeigt, ein herkömmlicher LCD-Aufbau und ein Verfahren zu dessen Herstellung zusammen mit den dabei entstehenden Problemen bezüglich des Vortiltwin­ kels erläutert. Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Innen­ flächen transparenter Glassubstrate 1 und 1a, die mit trans­ parenten stromleitenden Elektroden 2 und 2a beschichtet sind, auf denen Orientierungsschichten 3 bzw. 3a aufgebracht sind, durch ein Dichtmaterial (nicht dargestellt) miteinan­ der verbunden, und sie bilden einen Zwischenraum aus, in den ein Flüssigkristallmaterial 4 eingespritzt bzw. eingeleitet wird, wobei auf den anderen Flächen der Glassubstrate 1 und 1a Polarisationsplatten 5 und 5a angeordnet sind.
Bei einer solchen LCD müssen die zwischen die beiden Glassubstrate eingeleiteten Flüssigkristalle in eine ein­ heitliche Richtung ausgerichtet werden, um eine konstante Helligkeit und ein hohes Kontrastverhältnis zu erhalten.
Es sind mehrere Verfahren zum Ausrichten der Flüssig­ kristalle in eine einheitliche Richtung bekannt. Beispiels­ weise wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Orientierungsschicht auf ein Substrat aufgebracht wird, das anschließend einer mechanischen Reibbehandlung unterzogen wird, um Mikro-Rillen zu bilden, so daß die Flüssigkristall­ moleküle dadurch auf der gesamten Fläche der Orientierungs­ schicht geordnet ausgerichtet werden können. Bei diesem Ver­ fahren wird oft ein polyimidartiges oder ein polyamidartiges Polymermaterial als Material für die Orientierungsschicht verwendet. Dieses Verfahren, bei dem ein mechanischer Rei­ bungsprozeß ausgeführt wird, ist jedoch unvorteilhaft, weil die hergestellten Mikro-Rillen schadhafte Stellen aufweisen, durch die zufällige Phasenverzerrungen und Licht­ streuerscheinungen verursacht werden, wodurch das Betriebs­ verhalten der Sichtanzeige nachteiligt beeinflußt wird. Fer­ ner können durch die während des mechanischen Reibungspro­ zesses der Polymeroberfläche erzeugte statische Elektrizität Störstellen in Aktivmatrix-Sichtanzeigen erzeugt werden. Außerdem ist es praktisch unmöglich, ausgewählte Bereiche der Oberfläche lokal zu orientieren, wobei die Orientierung jedes Bereichs unterschiedlich ist.
Um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, wurde ein lichtempfindliches Vorpolymerisatmaterial vorgeschlagen, das durch Licht polymerisiert wird, um die Orientierungs­ schicht zu bilden. Das Vorpolymerisat enthält Polyvinyl-4-Methoxy­ zimtsäure (nachstehend als "PVCN-M" bezeichnet), die durch die Reaktion von Polyvinylalkohol (nachstehend als "PVA" bezeichnet) mit 4-Methoxyzimtsäure hergestellt wird.
Bei diesem Verfahren wird die PVCN-M durch Bestrahlen mit linear polarisiertem ultraviolettem (nachstehend als "UV" bezeichnet) Licht vernetzt, so daß eine orientierte Schicht mit einem Netzaufbau hergestellt wird. Durch diese Photopo­ lymer-Orientierungsschicht können die Flüssigkristallmole­ küle in einer bevorzugten Richtung mit einer planaren Struk­ tur orientiert werden. Es tritt bei der durch die Photopolymerisation von PVCN-M gebildeten Schicht jedoch ein Problem auf. Weil z. B. die Orientierungsschicht aus PVCN-M eine schlechte Thermostabilität aufweist, wenn die Umgebungstemperatur ca. 50°C überschreitet, tritt darin eine Störung auf. Außerdem weist die Orientierungsschicht einen Vortiltwinkel von Null auf. Durch den Vortiltwinkel von Null sind die auf dem lichtempfindlichen Material basierenden elektro-optischen Eigenschaften der LCD schlechter als die­ jenigen bei Verwendung des der Reibungsbehandlung unterzoge­ nen Polymerisats. Beispielsweise werden höhere Steuerspan­ nungen benötigt und zeigt sich ein schlechterer Kontrast.
Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Her­ stellen einer in hohem Maße wärmebeständigen Orientierungs­ schicht, bei dem ein großer Vortiltwinkel für eine LCD ge­ bildet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Photopolymer-Orientierungsschicht in einer LCD zur Verfügung zu stellen, wobei die Schicht in hohem Maße wärmebeständig ist, ein bis zu einem gewissen Grade frei wählbarer Vortiltwinkel gebildet werden kann und die Phasenverzerrung und die Lichtstreuerscheinungen der LCD in hohem Grade verbessert sind.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine Polyvinyl-4-Fluorcinnamat- (nachstehend als "PVCN-F" bezeichnet) Schicht auf den Oberflächen zweier gegenüber­ liegender Substrate herzustellen und die beiden PVCN-F-Schichten jeweils mit einer linear polarisierten UV-Licht­ quelle zu bestrahlen, wobei jede Lichtquelle eine andere Energie besitzt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kurve zur Darstellung des erfindungsgemäßen Zusammenhangs zwischen einer induzierten Doppelbrechung in einer PVCN-F-Schicht und der UV-Einstrahlungszeit; und
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Vortiltwinkel und der Einstrahlzeitdifferenz auf der Basis der Ergebnisse der erfindungsgemäßen Bei­ spiele.
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht eines herkömmli­ chen LCD-Aufbaus im Querschnitt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines experimen­ tellen Aufbaus zum Einstrahlen von linear polarisiertem UV-Licht und zum Messen der Doppelbrechung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines experimen­ tellen Aufbaus für Messungen des Vortiltwinkels;
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung ausführlich beschrieben.
Das als Material für die Photopolymer-Orientierungs­ schicht verwendete PVCN-F wird durch die Reaktion von PVA mit Fluorcinnamatderivaten hergestellt, wobei Fluor auf einem Benzolring von Styrolmolekülen substituiert wird. Es ist erforderlich, PVCN-F in einem Lösungsmittel zu lösen, um PVCN-F auf der Oberfläche des Glassubstrats aufzubringen, auf dem eine transparente Elektrode und ein Dünnschichttran­ sistor ausgebildet sind. Dazu wird PVCN-F in einem Gemisch aus 1,2-Dichlorethan (nachstehend als "DCE" bezeichnet) und Chlorbenzol (nachstehend als "CB" bezeichnet) gelöst. Wenn eine PVCN-F-Lösung mit geringem Molekulargewicht erhalten wird, kann das Gewichtsverhältnis von DCE und CB 1 : 1 betra­ gen. Zum Herstellen einer Lösung mit hohem Molekulargewicht kann das Gewichtsverhältnis von DCE und CB 1 : 4 betragen. Weil die Konzentration der PVCN-F-Lösung von der Dicke der herzustellenden Schicht abhängt, wird die Konzentration durch die Schichtdicke bestimmt. Wenn beispielsweise eine Schicht mit einer Dicke von ca. 500 nm hergestellt werden soll, kann eine PVCN-F-Lösung mit einer Konzentration von 4 g/l verwendet werden, wobei 4 g PVCN-F in 1 l einer 1 : 4-Mi­ schung von DCE und CB gelöst ist.
Nachdem die Lösung von PVCN-F in einem Gemisch aus DCE und CB hergestellt wurde, wird die Lösung über eine Pipette tropfenweise auf den Mittelabschnitt des Glassubstrats gege­ ben, auf dem eine transparente Elektrode und ein Dünn­ schichttransistor ausgebildet sind. Anschließend wird unter Verwendung einer Schleuderbeschichtungsvorrichtung eine Ori­ entierungsschicht auf dem Substrat ausgebildet. Das Schleu­ derbeschichtungsverfahren wird für 20 bis 30 Sekunden bei einer Drehzahl von 3 bis 5×10³ Umdrehungen je Minute durchgeführt. Nach dem Schleuderbeschichten wird das erhal­ tene Substrat für ca. 30 Minuten einer Behandlung zum Vor­ trocknen bei 50°C unterzogen.
Erfindungsgemäß verursacht das Einstrahlen von linear polarisiertem UV-Licht ein Vernetzen des aufgebrachten Poly­ merisats, wobei das Polymerisat die Eigenschaft erhält, einen Vortiltwinkel in einer Flüssigkristallschicht aus zu­ bilden, wie später beschrieben wird. Der in einer LCD gebil­ dete Vortiltwinkel kann durch Bestrahlen der beiden auf den Glassubstraten der LCD auf gebrachten Schichten durch jeweils UV-Licht mit zwei verschiedenen Energien eingestellt werden.
Die beiden gegenüberliegenden Glassubstrate werden durch ein herkömmliches Verfahren aneinander befestigt und danach wird dazwischen, unter Ausnutzung der Kapillarenwir­ kung, Flüssigkristallmaterial eingeleitet.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 4 die Schichtbe­ strahlung und die Messung der Doppelbrechung ausführlich be­ schrieben. Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines ex­ perimentellen Aufbaus zum Einstrahlen linear polarisierten UV-Lichts auf das aufgebrachte Präpolymerisat und zum Messen der Doppelbrechung. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird von einer Quecksilberlampe 11 erzeugtes UV-Licht mit einer mitt­ leren Leistung von ca. 250 bis 500 W durch eine Linse 12 und ein Prisma 13 linear polarisiert. Das erhaltene linear pola­ risierte UV-Licht tritt in einen Trennspiegel 14 ein, der für eine Richtung des Lichts durchlässig ist und Licht ande­ rer Richtungen reflektiert, so daß das durchgelassene Licht auf das auf einem Glassubstrat 16 aufgebrachte licht­ empfindliche Präpolymerisat (PVCN-F) 15 eingestrahlt wird. Durch das Bestrahlen wird das anfangs isotrope Polymerisat in anisotropes Polymerisat umgewandelt.
Eine induzierte Doppelbrechung kann durch ein Meßsystem festgestellt werden, das den Trennspiegel 14, Polarisatoren 17 und 17A, einen Helium-Neon-Laser 18, eine Photodiode 19 und einen Oszillograph 20 aufweist. Der Bestrahlungszustand kann durch Messen der Doppelbrechung überwacht werden, weil die Anisotropie als Doppelbrechung dargestellt wird.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines experimen­ tellen Aufbaus für Vortiltwinkelmessungen. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird ein durch einen Helium-Neon-Laser 21 er­ zeugter Strahl auf eine LCD-Zelle 24 eingestrahlt, die sich zwischen quer zum Weg des Strahls ausgerichteten Polarisato­ ren 23 und 23A dreht. Die Zelle wird auf einem mit einem Schrittmotor 26 ausgestatteten Tisch ausgerichtet. Die Intensität τ des eine Blende 22 durchlaufenden Strahls I wird als Funktion des Drehwinkels um die senkrecht zur Zelle ausgerichteten Achse und des Wellenvektors K des Laser­ strahls aufgezeichnet.
Wenn der Strahl weiter eine andere Blende 22A durch­ läuft und in eine Lichtempfangsvorrichtung, eine Photodiode 25 eintritt, wird der Wert der Intensität auf einem Monitor 27 dargestellt, der mit einem Computer (28) verbunden ist, dem ein Signal zugeführt wird, das die Information über die durch die Photodiode 25 aufgenommene Intensität enthält. Der Vortiltwinkel Θ wurde durch die Position der Symmetrieachse der τ(Φ)-Kurve bestimmt, die als die folgende Formel darge­ stellt wird: Θ ≈ Φs/(ne + no), wobei Φs ein der Symmetrie­ achse entsprechender Winkel und ne und no die Flüssigkri­ stall-Brechungsindizes für die außerordentlichen bzw. die ordentlichen Wellen sind.
Erfindungsgemäß wird die Eigenschaft, einen Vortiltwin­ kel in einer Flüssigkristallschicht auszubilden, in den PVCN-F-Schichten durch Einstrahlen von linear polarisierten UV-Strahlen auf die lichtempfindlichen Schichten erhalten, wobei jeder der auftreffenden Strahlen eine unterschiedliche Strahlungsenergie überträgt.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des erfin­ dungsgemäßen Zusammenhangs zwischen der Doppelbrechung des Photopolymerisats und der Bestrahlungszeit. Gemäß der Abbil­ dung wird verdeutlichet, daß, wenn die Intensität des linear polarisierten UV-Strahls konstant ist, die Doppelbrechung der Bestrahlungszeit bis zu 40 Minuten nahezu proportional ist.
Beispiel 1
Eine auf einem Glassubstrat aufgebrachte erste PVCN-F-Schicht wurde in der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung an­ geordnet und für 10 Minuten linear polarisiertem UV-Licht mit einer Leistung (Intensität) von ca. 25 mW ausgesetzt. Die bestrahlte Fläche betrug ca. 1×1.5 cm². Eine zweite PVCN-F-Schicht auf einem anderen Glassubstrat wurde für 20 Minuten dem gleichen Strahl ausgesetzt (Bestrahlungs­ zeitdifferenz Δtex = 10 Minuten).
Die zwei erhaltenen Glassubstrate wurden aneinander be­ festigt und ein Flüssigkristallmaterial auf herkömmliche Weise eingeleitet, um eine LCD herzustellen. Unter Ver­ wendung der in Fig. 5 dargestellten optischen Vorrichtung wurde, wie vorstehend beschrieben, der Vortiltwinkel der hergestellten LCD gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 2
Zwei PVCN-F-Schichten wurden in einer ähnlichen Weise wie bei Beispiel 1 einer Bestrahlung ausgesetzt, außer daß die Bestrahlungszeiten für die beiden Schichten jeweils 10 Minuten betrugen (Bestrahlungszeitdifferenz Δtex = 0 Minu­ ten). Die erhaltenen Glassubstrate wurden aneinander befe­ stigt, und danach wurden dazwischen die Flüssigkristalle eingeleitet, um eine LCD herzustellen. Der Vortiltwinkel der hergestellten LCD wurde gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 3
Eine LCD wurde in einer ähnlichen Weise wie bei Bei­ spiel 1 hergestellt, außer daß die erste PVCN-F-Polymer­ schicht für 10 Minuten und die zweite PVCN-F-Polymerschicht für 30 Minuten bestrahlt wurde (Bestrahlungszeitdifferenz Δtex = 20 Minuten).
Der Vortiltwinkel der hergestellten LCD wurde gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 4
Eine LCD wurde in einer ähnlichen Weise wie bei Bei­ spiel 1 hergestellt, außer daß die Bestrahlungszeiten für die erste PVCN-F-Polymerschicht und die zweite PVCN-F-Poly­ merschicht 90 Minuten bzw. 150 Minuten betrugen (Bestrahlungszeitdifferenz Δtex = 60 Minuten).
Der Vortiltwinkel der hergestellten LCD wurde gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 5
Eine LCD wurde in einer ähnlichen Weise wie bei Bei­ spiel 1 hergestellt, außer daß die Bestrahlungszeiten für die erste PVCN-F-Polymerschicht und die zweite PVCN-F-Poly­ merschicht 10 Minuten bzw. 90 Minuten betrugen (Bestrahlungszeitdifferenz Δtex = 80 Minuten).
Der Vortiltwinkel der hergestellten LCD wurde gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 6
Eine LCD wurde in einer ähnlichen Weise wie bei Bei­ spiel 1 hergestellt, außer daß die erste PVCN-F-Polymer­ schicht und die zweite PVCN-F-Polymerschicht für 10 Minuten bzw. 70 Minuten bestrahlt wurden (Bestrahlungszeitdifferenz Δtex = 60 Minuten).
Der Vortiltwinkel der hergestellten LCD wurde gemessen.
Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle 1 und im Diagramm von Fig. 2 dargestellt.
Tabelle 1
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Vortiltwin­ kel und der Differenz der Zeiten, für die das erste und das zweite Substrat mit Licht bestrahlt wurden. Wie in der Figur dargestellt, ist der Vortiltwinkel innerhalb von 30 Minuten der Zeitdifferenz proportional zur Bestrah­ lungszeitdifferenz, wobei die Steigung groß ist, wohingegen die Steigung bei einer größeren Zeitdifferenz als 30 Minuten gering ist.
Aus den Beispielen ist ersichtlich, daß der Vortiltwin­ kel Θ bei einer konstanten Lichtintensität größer wird, wenn die Zeitdifferenz größer wird. Dies ist jedoch nur innerhalb von 90 Minuten der Bestrahlungszeit wirksam. D.h., wenn die Schicht für eine längere Zeit als 90 Minuten bestrahlt wird, wird kein Vortiltwinkel erhalten, obwohl die Zeitdifferenz sehr groß ist.
Ähnliche oder die gleichen Ergebnisse wie vorstehend dargestellt werden erhalten, wenn bei einer konstanten Be­ strahlungszeit die Intensitäten des eingestrahlten linear polarisierten UV-Lichts voneinander verschieden sind. D.h., weil, wie bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, der Vortiltwinkel von der Bestrahlungsenergie abhängt, die sowohl der Lichtintensität, als auch der Bestrahlungszeit (Intensität × Zeit) proportional ist, kann durch eine grö­ ßere Intensität des auftreffenden Strahls, die oberhalb der kritischen Intensität liegt, der Vortiltwinkel größer wer­ den, wenn die Bestrahlungszeit konstant ist.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bei einer hergestellten LCD nicht nur der Vortiltwinkel gebildet, sondern durch Bestrahlen zweier Substrate mit jeweils zwei linear polarisierten UV-Strahlen mit voneinander verschiedenen Energien auch einge­ stellt werden. Außerdem ist bei der durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren hergestellten LCD eine sehr viel nied­ rigere Steuerspannung als bei einer herkömmlichen LCD mit einer Planarstruktur-Orientierungsschicht erforderlich. Fer­ ner tritt bei der LCD keine Phasenverzerrung und keine Lichtstreuerscheinung auf, so daß die Sichtanzeigen­ kenngrößen, wie beispielsweise der Kontrast und andere ver­ bessert werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen einer Orientierungsschicht für eine Flüssigkristallanzeige mit den Schritten:
  • a) Herstellen einer Schicht aus Polyvinyl-4-Fluor­ cinnamat-Polymerisat auf je einer Fläche von zwei Sub­ straten; und
  • b) Bestrahlen der Schichten jeweils mit linear polarisiertem ultraviolettem Licht unterschiedlicher Energie,
    wobei in der Flüssigkristallanzeige ein Vortilt­ winkel der Flüssigkristallschicht ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Her­ stellen einer Schicht aus Polyvinyl-4-Fluorcinnamat-Poly­ merisat durch Lösen des Polyvinyl-4-Fluorcinnamat-Poly­ merisats in einem Gemisch aus 1,2-Dichlorethan und Chlorbenzol in einem vorgegebenen Verhältnis und unter Verwendung einer Schleuderbeschichtungsvorrichtung ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Lichtstrahlen für eine jeweils unterschiedliche Zeitdauer eingestrahlt werden und die Intensität der Lichtstrahlen gleich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Intensitäten einge­ strahlt werden und die Bestrahlungszeit gleich ist.
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