DE4420585A1 - Elektrooptisches System - Google Patents

Elektrooptisches System

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches System, enthaltend eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Substraten, welche mit Elektroden- und darüber angeordneten Orientierungsschichten versehen sind.
Elektrooptische Flüssigkristallsysteme erfordern üblicherweise eine Rand­ orientierung der Moleküle. Hierzu wird auf die mit Elektrodenschichten und ggf. weiteren Schichten wie z. B. Farbfilterschichten, Isolierschichten, Aus­ gleichsschichten usw. versehenen Substrate eine Orientierungsschicht aufgebracht, die direkt mit der Flüssigkristallschicht in Kontakt steht und den Flüssigkristallmolekülen ihre molekulare Orientierung als Vorzugs­ richtung aufzwingt.
Man kann unterscheiden zwischen planarer (auch als homogen bezeich­ neter) und homeotroper Orientierung, wobei die Vorzugsrichtung um einen Anstell- oder Tiltwinkel gegen die Substratebene bzw. gegen die Normale der Substratebene verkippt (getiltet) sein kann; im ersteren Fall spricht man von getiltet-planarer Orientierung, während man den letzteren Fall als getiltet-homeotrop bezeichnet. Je nach Größe des Verkippungswinkels unterscheidet man weiter zwischen low-tilt- und high-tilt-Orientierung.
Zur Erzeugung der Orientierungsschichten sind sowohl anorganische als auch organische Materialien vorgeschlagen worden.
So ist es z. B. möglich, getiltet-planare Orientierungsschichten durch Bedampfen des Substrates mit SiO in einer Vakuumkammer zu erzeugen. Dabei wird eine planare Orientierung erhalten, wenn die Verdampfungs­ quelle einen Winkel von etwa 30° mit der Substratebene bildet; wenn die SiO-Verdampfungsquelle hingegen unter einem streifenden Winkel bezüg­ lich der Substratebene angeordnet ist, kommt es dagegen zur Ausbildung einer high-tilt-Orientierungsschicht.
Die bei der industriellen Fertigung von elektrooptischen Flüssigkristall­ displays z.Z. gebräuchlichste Methode besteht darin, daß auf das Substrat eine dünne Polymerschicht aufgebracht wird, die anschließend unter Druckanwendung z. B. mit einem auf einer Walze aufgespannten Tuch oder ähnlichen Materialien gerieben wird, wodurch die Vorzugsrichtung festgelegt und ein Tilt-Winkel induziert wird. Es können verschiedene Polymermaterialien wie z. B. Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyimide ver­ wendet werden, wobei letztere wegen ihrer guten chemischen und thermischen Stabilität sehr gebräuchlich sind.
Bei einem typischen Verfahren wird ein Polyimidfilm auf das mit Elek­ trodenschichten und ggf. weiteren Schichten versehene Substrat z. B. durch Spin-Goating in einer dünnen Schicht von z. B. 30-100 nm auf­ gebracht und bei 150-250°C gehärtet. Dann wird die Schicht ggf. wiederholt in dieselbe Richtung mit einem Baumwolltuch o. ä. bei einem Andruck von z. B. 5-25 kg/cm² gerieben.
Mit Polyimid-Orientierungsfilmen werden getiltet-planare Orientierungs­ filme erhalten, wobei der Tiltwinkel typischerweise 1-8° oder mehr beträgt.
Homeotrope Oberflächenorientierungen können z. B. durch Beschichten mit Polyimiden, Lecithin oder quarternären Ammoniumverbindungen erhalten werden; weiterhin sind auch Chrom-Komplexe oder Silan­ verbindungen vorgeschlagen worden. Eine getiltet-homeotrope Orien­ tierung kann z. B. erhalten werden durch Reiben einer homeotropen Orientierungsschicht oder durch Aufbringen oberflächenaktiver Sub­ stanzen auf eine planar-getiltete Orientierungsschicht.
Schadt et al. schlagen in Jpn. J. Appl. Phys, 31(1992) 2155 vor, orien­ tierte Photopolymerbeschichtungen als Orientierungsschichten zu ver­ wenden, wobei diese i.a. eine planare oder low-tilt-Orientierung indu­ zieren. Zur Herstellung der orientierten Photopolymerbeschichtungen werden Photopolymere wie z. B. Poly(vinyl-4-methoxycinnamat) auf ein mit einer Elektrode versehenes Substrat aufgebracht und anschließend mit linear polarisiertem Licht bestrahlt.
Als Anwendung orientierter Photopolymerbeschichtungen wird von Schadt et al. u. a. ein Hybridflüssigkristalldisplay vorgeschlagen, welches Pixel mit unterschiedlichen Twist-Werten des Flüssigkristalls aufweist. Diese Hybriddisplays werden durch Anwendung einer Maskentechnik unter Änderung der Polarisationsrichtung des zur Härtung des photopolymeri­ sierbaren Materials verwendeten linear-polarisierten Lichts erhalten.
Die bisher in der Literatur beschriebenen Orientierungsschichten erfüllen die sehr unterschiedlichen Anforderungen, die bei deren Verwendung in elektrooptischen Flüssigkristalldisplays gestellt werden, nicht immer in befriedigendem Umfang.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, neue Orien­ tierungsschichten anzugeben und damit die Palette der dem Fachmann verfügbaren Orientierungsschichten zu vergrößern. Weiterhin lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue elektrooptische Flüssigkristallsysteme anzugeben, welche derartige Orientierungs­ schichten enthalten. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung entnimmt der Fachmann der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
Es wurde gefunden, daß diese Aufgaben durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Orientierungsschichten sowie der erfindungs­ gemäßen elektrooptischen Flüssigkristallsysteme, welche derartige Orientierungsschichten enthalten, gelöst werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung multidirek­ tionaler, d. h. zwei oder mehr Vorzugsrichtungen aufweisender Orien­ tierungsschichten, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein photo­ härtbarer Precursor der Orientierungsschicht auf ein Substrat aufgebracht und nachfolgend mit linear polarisiertem Licht unter 2 oder mehr verschie­ denen Azimutwinkeln Φ beaufschlagt wird. Dabei kann die Belichtung alternierend bei den entsprechenden Azimutwinkeln oder auch zeitgleich bei Einstrahlung von Licht mit zwei oder mehr Vorzugsrichtungen der linearen Polarisation erfolgen. Gegenstand der Erfindung sind weiter multidirektionale Orientierungsschichten sowie elektrooptische Flüssig­ kristallsysteme, enthaltend eine Flüssigkristallschicht zwischen 2 Sub­ straten, welche mit Elektroden- und darüber angeordneten Orientierungs­ schichten versehen sind, wobei zumindest eine der Orientierungs­ schichten multidirektional orientiert ist.
Zur Erzeugung der multidirektionalen Orientierungsschicht wird der Precursor der photohärtbaren Orientierungsschicht auf ein Substrat aufgebracht.
Das Substrat hat vorzugsweise eine ebene Oberfläche und kann aus verschiedenen Materialien wie z. B. Metall, Glas, Quarzglas oder Kunst­ stoff bestehen, wobei transparente Substrate bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind mit Elektroden beschichtete Substrate, wobei die Elektrodenbeschichtungen z. B. aus strukturiertem oder unstrukturiertem Zinnoxid oder Indium-Zinnoxid (ITO) bestehen können und insbesondere auch aktive Schaltelemente wie z. B. TFT′s (thin film transistor) oder MIM′s (metal-insulator-metal) aufweisen können. Die mit Elektroden beschich­ teten und nachfolgend mit multidirektionalen Orientierungsschichten ver­ sehenen Substrate können zur Herstellung elektrooptischer Flüssigkristall­ elemente verwendet werden, welche statisch, passiv, aktiv oder auch nach dem sogenannten In-plane switching-Verfahren (DE 40 00 451) ange­ steuert werden können.
Die Substrate können neben der multidirektionalen Orientierungsschicht und der Elektrodenschicht auch noch weitere Beschichtungen wie z. B. Farbfilterbeschichtungen, als Diffusionsbarrieren wirkende Separator­ schichten etc. aufweisen, wobei die Reihenfolge dieser Beschichtungen weitgehend frei gewählt werden kann. Lediglich die multidirektionale Orientierungsschicht bildet in aller Regel die äußerste Schicht, die dann in dem elektrooptischen Flüssigkristalldisplay direkt mit dem zu orientieren­ den Flüssigkristall in Kontakt steht.
Der Precursor der photohärtbaren Orientierungsschicht enthält eine oder mehrere Photopolymere oder -oligomere, welche im wesentlichen linear sind und deren Polymerisationsgrad vorzugsweise mindestens 5, ins­ besondere mindestens 10 und ganz besonders mindestens 20 beträgt. Der Begriff Photopolymere oder -oligomere bezeichnet photoreaktive Verbindungen, wobei diese die photoreaktive Gruppe entweder selbst enthalten oder aber mit photoreaktiven Zusätzen wie z. B. photoreaktiven Vernetzern reagieren.
Die Forderung, daß die photopolymerisierbaren Oligomere oder Polymere eine im wesentlichen lineare Struktur aufweisen sollen, rührt daher, daß die multidirektionalen Orientierungsschichten 2 oder mehr eindimen­ sionale Vorzugsrichtungen aufweisen, die den stäbchenförmigen Flüssig­ kristallmolekülen eine Vorzugsrichtung aufzwingen. Bei Verwendung von im wesentlichen linearen Photooligomeren oder -polymeren ist die spätere Struktur der multidirektionalen Orientierungsschicht im Precursor schon vorgebildet. Durch die Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht wird eine gerichtete Grosslinking-Reaktion induziert, wodurch die Photooligomere oder -polymere unter einer im wesentlichen parallelen Orientierung miteinander verknüpft werden. Dadurch wird ein mikroskopisches Array von eindimensionalen, parallelen Vorzugsrichtungen erzeugt, welches zur Randorientierung der Flüssigkristallmoleküle dient.
Die Crosslinking-Reaktion kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. So ist es z. B. möglich, daß der Precursor der Orientierungs­ schicht neben im wesentlichen linearen Photooligomeren und/oder -polymeren bifunktionelle, photoreaktive Zusätze wie z. B. Bisazide enthält. Als Beispiel sei die Umsetzung von Polydienen mit 4-alkyl-2,5-bis(p-azido­ benzal)cyclohexanon genannt, welches eine maximale Absorption bei 365 nm aufweist.
Die Crosslinking-Reaktion kann weiter auf der Verknüpfung photopoly­ merisierbarer Gruppen beruhen, welche in den im wesentlichen linearen Photooligomeren und/oder -polymeren des Precursors der Orientierungs­ schicht enthalten sind. Dabei können die photopolymerisierbaren Gruppen sowohl in den im wesentlichen linearen Photooligomeren oder -polymeren des Precursors der Orientierungsschicht angeordnet sein (Hauptketten­ verbindungen) oder sich aber auch in Seitengruppen befinden, welche seitlich an die im wesentlichen linearen Photooligomere oder -polymere angeheftet sind (Seitenkettenverbindungen). Daneben können natürlich auch photopolymerisierbare Verbindungen verwendet werden, welche photopolymerisierbare Gruppen in Haupt- und Seitenkettenverknopfung enthalten.
Besonders bevorzugt sind Seitenkettenverbindungen, bei denen benach­ barte Photopolymere und/oder -oligomere über in den Seitengruppen befindliche photopolymerisierbare Gruppen verknüpft werden.
Das Polymerrückgrat der photopolymerisierbaren Seitenkettenverbindun­ gen basiert vorzugsweise auf C-C-Hauptketten, wobei insbesondere Poly- oder Oligovinyle und Poly- oder Oligoacrylate sowie deren Derivate ein­ gesetzt werden können. Weiterhin bevorzugt sind auch Polymere bzw. Oligomere mit Heteroatomen in der Hauptkette, beispielsweise Poly- oder Oligoether, -ester, -amide, -imide, -urethane sowie -siloxane.
An das Polymerrückgrat -(P)- sind photopolymerisierbare Gruppen PPG direkt oder über einen Spacer Sp angehängt. Schematisch:
Beispiele für bevorzugte PPG′s sind in der folgenden Übersicht 1 auf­ geführt.
Übersicht 1
In der folgenden Übersicht 2 sind bevorzugte Beispiele für Polymer­ rückgrate -(P)- bzw. Gruppierungen -(P)-Sp- angegeben, wobei für PPG insbesondere die oben angegebenen Strukturen einzusetzen sind.
Übersicht 2
Vorstehender Übersicht 2 sind auch einige Beispiele für geeignete Spacer-Gruppen Sp zu entnehmen.
Durch die Spacer-Gruppen Sp und die photopolymerisierbaren Gruppen PPG kann der Abstand zwischen benachbarten Vorzugslinien in der gehärteten Orientierungsschicht beeinflußt werden. Bei der oben ange­ gebenen Verknüpfung benachbarter Oligomer- bzw. Polymerverbindungen durch den Zusatz bifunktioneller Agentien (Vernetzer) kann der Abstand benachbarter Vorzugslinien durch die Struktur des Vernetzermoleküls beeinflußt werden.
Die angegebenen Strukturen sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung lediglich erläutern, ohne sie zu begrenzen. Der Fachmann kann leicht weitere zur Erzeugung linearer, in einem günstigen Abstand angeordneter Vorzugsrichtungen geeignete Verbindungen angeben.
Die Photooligomer- und/oder polymere des Precursors der Orientierungs­ schicht werden vorzugsweise in einem Lösungsmittel wie z. B. Methylen­ chlorid, Chlorbenzol, Toluol oder anderen Lösungsmitteln gelöst, wobei gegebenenfalls eine Vernetzerkomponente und/oder auch weitere Zusätze wie z. B. Haftvermittler beigegeben werden können. Es ist auch möglich, die Komponenten des Precursors ohne Zusatz eines Lösungs­ mittels, gegebenenfalls unter leichter Erwärmung miteinander zu mischen.
Der Precursor wird anschließend auf das gegebenenfalls vorbeschichtete Substrat z. B. durch Rakeln und insbesondere durch Spin-Coating aufge­ bracht. Anschließend wird die Lösungsmittelkomponente vorzugsweise durch Erwärmen auf Temperaturen von z. B. 50-100°C entfernt. Die Dicke der Precursor-Schicht beträgt zwischen 20 und 300 und vorzugsweise zwischen 40 und 100 nm.
Danach wird die Precursor-Schicht mit linear polarisiertem Licht bestrahlt, wobei vorzugsweise monochromatisches Licht verwendet wird, welches an die maximale Absorptionswellenlänge der photopolymerisierbaren Gruppe bzw. Verbindung angepaßt ist.
Zur Erzeugung der multidirektionalen Struktur der Orientierungsschicht wird der Precursor mit linear polarisiertem Licht unter verschiedenen Azimutwinkeln Φ bestrahlt. Dabei ist der Winkel Φ einer zweiten Bestrah­ lungsrichtung bezogen auf eine erste Bestrahlungsrichtung der Winkel in der Substratebene, der sich ergibt, wenn die Bestrahlungsquellen jeweils mit der Mittelnormale des Substrates verbunden werden. Die Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht unter verschiedenen Winkeln Φ kann sowohl gleichzeitig als auch nacheinander, vorzugsweise jedoch gleichzeitig erfol­ gen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden mehrere kontinuier­ liche Vorzugslinien erzeugt, die sich ohne weitere Strukturierung über das ganze Display erstrecken, während die von Schadt et al. in Jpn. J. Appl. Phys. 31(1992) 2155 vorgeschlagene Maskentechnik zur Erzeugung von Pixeln mit verschiedenem Twist führte.
Die den einzelnen Bestrahlungsrichtungen zugeordnete Bestrahlungs­ leistung kann sowohl gleichzeitig als auch verschieden gewählt werden, wodurch der relative Anteil der verschiedenen Vorzugsrichtungen an der Orientierungsschicht variiert werden kann. Die Bestrahlungsleistung beträgt typischerweise zwischen 5 und 50 mW/cm², wobei jedoch auch Abweichungen von diesen Werten möglich sind. Die Bestrahlungsdauer beträgt in der Regel zwischen 1 min oder weniger und 60 min, insbeson­ dere zwischen 1-5 min, wobei jedoch auch hier Abweichungen von diesen Werten möglich sind.
Es wurde gefunden, daß die Anordnung der linear polarisierten Licht­ quellen bezüglich der Substratebene, welche durch den Höhenwinkel Θ angegeben wird (Winkel zwischen Substratebene und Verbindungslinie Lichtquelle und Schnittpunkt der Mittel normalen mit der Substratebene), nicht sehr kritisch ist und in einem weiteren Bereich z. B. zwischen 10 und 90° (0° entspricht streifendem Lichteinfall) variiert werden kann. Auch der Pretiltwinkel der erfindungsgemäßen Orientierungsschichten, der typi­ scherweise zwischen 0° und 5° liegt, kann durch die Variation des Höhen­ winkels Θ nur unwesentlich beeinflußt werden.
Es wurde weiter gefunden, daß die Stabilität der gehärteten Orientierungs­ schichten in der Regel verbessert werden kann, wenn der auf das Substrat aufgebrachte Precursor der Orientierungsschicht vor der Beaufschlagung mit linear polarisiertem Licht und/oder nach der Beaufschlagung mit linear polarisiertem Licht, mit unpolarisiertem Licht (Leistung z. B. 500-5000 mW/cm²) bestrahlt wird. Auch eine abschließende Wärmebehandlung der Orientierungsschicht bei Temperaturen zwischen 50 und 120°C und einer Behandlungsdauer zwischen 15 und einigen h ist i.a. vorteilhaft.
Die erfindungsgemäßen multidirektionalen Orientierungsschichten weisen vorzugsweise 2-15, insbesondere 2-8, besonders bevorzugt mindestens 2 und ganz besonders mindestens 3 Vorzugsrichtungen auf.
Die erfindungsgemäßen Orientierungsschichten werden bevorzugt zur Herstellung von Flüssigkristalldisplays verwendet. Anwendungen sind jedoch auch in der Mikrooptik, integrierten Optik, im Zusammenhang mit optischen Sensoren und an anderer Stelle möglich.
Besonders bevorzugt können die erfindungsgemäßen Orientierungs­ schichten zur Herstellung ferroelektrischer Flüssigkristalldisplays nach dem von Lagerwall angegebenen SSFLG-Prinzip verwendet werden. Die Flüssigkristallschicht weist eine SmC*-Phase auf, wodurch die Flüssig­ kristallmoleküle an den Substratoberflächen einen Tiltwinkel von +0 oder -0 aufweisen. Diese oberflächeninduzierte Orientierung der Flüssigkristall­ moleküle setzt sich wegen der sehr geringen Dicke der Flüssigkristall­ schicht von typischerweise weniger als 3 µm durch die gesamte Flüssig­ kristallschicht fort, und man kann den Flüssigkristall zwischen 2 bistabilen Zuständen mit +Θ und -Θ schalten ("bookshelf geometry"). Es wurde gefunden, daß die Stabilität der beiden Schaltzustände erhöht werden kann, wenn die Substrate bidirektionale Orientierungsschichten aufweisen, deren beide Vorzugsrichtungen durch Bestrahlung mit 2 linear polarisier­ ten Lichtquellen erhalten wurden, welche gegeneinander um einen Azimutwinkel von Φ = 2Θ verdreht sind. Es wurde gefunden, daß derartige ferroelektrische Displays eine deutlich erhöhte Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen (Stoßfestigkeit) aufweisen als entsprechende Displays ohne bidirektionale Orientierungsschichten, wobei lediglich eine geringe und in jedem Fall akzeptable Erhöhung der Schaltspannung beobachtet wurde.
Bevorzugt sind weiter auch Flüssigkristalldisplays mit erfindungsgemäßen Orientierungsschichten, welche nematische oder cholesterische Flüssig­ kristalle enthalten.
Besonders bevorzugt ist etwa eine verdrillte nematische Zelle, die einen dotierten Flüssigkristall enthält, wobei die Pitchlänge des Flüssigkristalls stark temperaturabhängig sein kann. Die Substratplatten weisen eine multidirektionale Orientierung auf und zwingen dem Flüssigkristall bei einer bestimmten Temperatur in Abhängigkeit von der Dotierung einen bestimmten Twistwert auf. Bei einer Temperaturänderung ändert sich die Pitchlänge des Flüssigkristalls und der Twist springt diskret, wenn für die geänderte Pitchlänge p(T) durch die Orientierungsschichten ein energe­ tisch bevorzugter Twistzustand definiert wird. Die Änderung des Twistes bewirkt eine Transmissionsänderung, so daß die Anordnung als diskretes Thermometer arbeitet. Es stellt für den Fachmann eine ohne erfinderische Tätigkeit zu lösende Routineaufgabe dar, die Vorzugsrichtungen der multi­ direktionalen Orientierungsschichten, die Gesamtkonzentration des Dotierstoffes und seine Temperaturabhängigkeit so aneinander anzu­ passen, daß eine gewünschte Temperaturanzeige wie z. B. die Anzeige von 10 K-Sprüngen resultiert.
Die erfindungsgemäßen Orientierungsschichten werden vorzugsweise zur Herstellung von Flüssigkristalldisplays verwendet, wobei sie die Verbesse­ rung herkömmlicher Displays und auch die Realisierung vollständig neuer Displays ermöglichen. Den erfindungsgemäßen Orientierungsschichten kommt daher eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung zu.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung multidirektionaler Orientierungsschichten, dadurch gekennzeichnet, daß ein photohärtbarer Precursor der Orientierungsschicht, welcher eine oder mehrere, im wesentlichen lineare Photopolymere und/oder -oligomere enthält, auf ein Substrat aufgebracht und nachfolgend mit linear polarisiertem Licht unter 2 oder mehr verschiedenen Azimutwinkeln Φ beaufschlagt wird.
2. Multidirektionale Orientierungsschicht, erhältlich gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1.
3. Verwendung der multidirektionalen Orientierungsschicht nach Anspruch 2 zur Herstellung von elektrooptischen Flüssigkristall­ systemen.
4. Elektrooptisches Flüssigkristallsystem, enthaltend eine Flüssig­ kristallschicht zwischen Substraten, welche mit Elektroden- und darüber angeordneten Orientierungsschichten versehen sind, wobei zumindestens eine der Orientierungsschichten multidirektional orientiert ist.
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