DE69219078T2

DE69219078T2 - Optisches Flüssigkristall-Element

Info

Publication number: DE69219078T2
Application number: DE69219078T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Fujiwara; Shuzo Kaneko; Tomoko Maruyama; Tomoko Murakami
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2012-12-05
Also published as: ATE151893T1; DE69219078D1; EP0545733B1; JPH05241138A; EP0545733A1; US5270844A; US5321538A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Flüssigkristall-Element und insbesondere ein optisches Flüssigkristall-Element unter Einsatz eines chiral-smektischen Flüssigkristalls, welches eine spontane Polarisation aufweist und das optische Ansprechen auf diese Wirkung besitzt.

Verwandter Stand der Technik

Ferroelektrische chiral-smektische Flüssigkristalle als die Flüssigkristalle mit spontaner Polarisation sind aktiv für die Einsätze bei einem Anzeigegerät bzw. -element und bei einer Glühbirne entwickelt worden wegen ihrer anerkannten Vorteile eines Hochgeschwindigkeits-Ansprechverhaltens sowie der Speicherfähigkeit.
Vorrichtungen, die von den vorbezeichneten Vorteilen Gebrauch machen und die in praktische Anwendungungen überführt wurden, schließen Lichtverschluß-Arrays, eine Hochpräzisions-Anzeigeeinheit mit einfachem Matrixantrieb sowie eine Glühlampe zum Aufzeichnen mit hoher Dichte in Verbindung mit einem Photoleiter ein.
Eine Anwendung wird ebenso erwartet bei einer Anzeige bewegter Bilder mit dem Aktivmatrix-Antrieb unter Verwendung von Dünnfilmtransistoren (TFT), dessen Charakteristika beispielsweise gezeigt sind in dem US-Patent No. 4,840,462 oder in "Proceedings of the SID", Vol 30/2, 1989: "Ferroelectric Liquid Crystal Video Display".
Die Antriebsmethode dieser Art eines optischen Flüssigkristall-Elements ist zum Beispiel eine, bei der das Zurücksetzen und die Schaltsignale per Zeiteinteilung in eine horizontale Periode insertiert sind, wie in dem US-Patent Nr. 4,840,462 beschrieben.
Ebenso wurde zum Beispiel das Element für die abgestufte Anzeige mit der obigen Antriebsmethode hergestellt in einem Verfahren, in dem eine Elektrodenschicht 12 auf einem Substrat- bzw. Schichtträger 11 aus Glas gebildet wird, dann eine Orientierungsschicht 13 zum Orientieren eines chiral- smektischen Flüssigkristalls 14 ausgestaltet wird und dann einer Reibbehandlung unterzogen wird, und der chiral- smektische Flüssigkristall 14 darin injiziert wird, wie in Figur 7 gezeigt.
Bei dem vorbeschriebenen Antreiben des herkömmlichen, optischen Flüssigkristall-Elements traten jedoch folgende Probleme auf. Eines von diesen bestand darin, daß, wenn die Gleichstromspannung (Gleichstrom-Komponente) kontinuierlich auf ein chiral-smektisches Flüssigkristall für eine lange Zeit angewandt wurde, die Antwort des Flüssigkristalls versagen mochte. Der Grund dafür wird in der Tatsache gesehen, daß der Abgang von inneren Ionen des Flüssigkristalls durch die obengenannte Gleichstrom-Komponente unter Bildung eines elektrischen Feldes induziert wird.
Auf der anderen Seite ist ein Vorschlag gemacht worden, die Gleichstrom-Komponente durch einen Hilfspuls zu beseitigen. Desweiteren wird angenommen, daß innere Ionen bei einem chiral-smektischen Flüssigkristall, die durch die spontane Polarisation der Moleküle abgelenkt werden, selbst ein elektrisches Feld bilden.
Auf der anderen Seite ist ein anderer Vorschlag gemacht worden, bei dem ein Halbton, ohne die Wirkungen der spontanen Polarisation zu der nächsten Struktur weiterzugeben, stabil gebildet werden kann mittels eines Element-Aufbaus unter Verwendung eines chiral-smektischen Flüssigkristall-Materials, welches eine Zeitkonstante (CR) zum Relaxieren des durch die obige Spontan-Polarisation induzierten, inneren elektrischen Feldes innerhalb eines Reset-Intervalls besitzt, wie zum Beispiel in dem Europäischen Patentblatt Nr. 448 032 offenbart.
Es trat jedoch beim Herstellen der Domänenabstufung des chiral-smektischen Flüssigkristalls das Problem auf, daß zum selben Zeitpunkt, als elektrische Ladungen zwischen der Elektrode, der Orientierungsschicht und dem chiral-smektischen Flüssigkristall bewegt werden, die Domäne sich zunehmend ausweitet, um einen entgegengesetzten Einfluß insbesondere zur Realisierung der hohen Abstufung auszuüben, zurückgehend auf den Einfluß von Ladungen, die sich durch die Grenzfläche des chiral-smektischen Flüssigkristalls bewegen.
Zu beachten ist, daß die Domänenabstufung die ist, bei der der Scheitelwert oder die Pulsbreite der angewandten Spannung auf einen der Abstufung entsprechenden Wert gesetzt wird, um unter Veränderung des Verhältnisses zwischen der weißen Domäne und der schwarzen Domäne in Abhängigkeit der angewandten Spannung innerhalb eines Pixels eine Anzeige zu machen, wie zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 4,655,561, dem US-Patent Nr. 4,712,877, dem US-Patent Nr. 4,765,720 und dem US-Patent Nr. 4,796,980 beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Lichte der vorstehend beschriebenen Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, besteht die Aufgabe der im Patentanspruch 1 festgelegten vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines optischen Flüssigkristall-Elements, welches auf stabile Weise einen gewünschten Halbton erhalten kann durch Verbesserung des Einflusses der Domänenausweitung bei der Darstellung der Domänenabstufung.
Die vorliegende Erfindung besitzt ein erstes Merkmal in einem optischen Flüssigkristall-Element, welches ein Paar von Elektroden-Substraten mit einer Elektrodenstruktur und einem Substrat und einen, zwischen dem Paar von Elektroden- Substraten angeordneten, chiral-smektischen Flüssigkristall umfassen, wobei eine Elektrodenstruktur auf mindestens einem des Paares an Elektroden-Substraten gleichmäßig oder zufällig ausgestattet ist mit sehr kleinen Isolierbereichen, sowie ein zweites Merkmal in einem optischen Flüssigkristall-Element, welches ein Paar von Elektroden-Substraten, welche eine Elektrode und ein Substrat aufweisen, und einen zwischen dem Paar von Elektroden-Substraten angeordneten, chiral-smektischen Flüssigkristall umfaßt, wobei eine Elektrodenstruktur auf midestens einem des Paares an Elektrodensubstraten gleichmäßig oder zufällig gebildet ist mit sehr kleinen Isolierbereichen, die zum Unterdrücken der Bewegung von Ladungen quer zur Elektrodenstruktur ausreichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht eines Flüssigkristall- Elementes entlang der Grenzfläche einer Elektrodenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Anordnungsmusters einer Isolierschicht auf einer Elektrodenstruktur eines Flüssigkristall-Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 3 ist eine Draufsicht, die ein anderes Beispiel eines Anordnungsmusters einer Isolierschicht auf einer Elektrodenstruktur eines Flüssigkristall-Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 4 ist eine Querschnittsansicht eines Flüssigkristall- Elementes entlang der Grenzfläche einer Elektrodenstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 ist eine Querschnittsansicht eines Flüssigkristall- Elementes entlang der Grenzfläche einer Elektrodenstruktur gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Anordnungsmusters von Isolierfasern auf einer Elektrodenstruktur eines Flüssigkristall-Elementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 7 ist eine Ansicht des Aufbaus eines herkömmlichen Flüssigkristall-Elementes.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Das Flüssigkristall zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein chiral-smektisches Flüssigkristall, welches Ferroelektrizität zeigt, geeigneterweise in der chiral-smektischen C-Phase (SmC*) oder H-Phase (SmH*), desweiteren den SmI*-, SmF*- oder SmG*-Phasen.
Selbstverständlich werden andere Flüssigkristalle, die im Rahmen eines Element-Aufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich sind, ebenso ausreichende Wirkungen liefern, wie untenstehend beschrieben wird.
Beim Antrieb eines solchen Flüssigkristalls kann eine Wärmeeinstellung durchgeführt werden, um ihn in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten.
Eine Zelle ist aufgebaut unter Verwendung eines organischen Films aus zum Beispiel Polyimid, Polypyrrol oder Polyvinylalkohol für eine Orientierungsschicht. In einem solchen Aufbau kann, wenn die Ladungsbewegung zwischen dem Flüssigkristall und dem Orientierungsfilm durch Anwendung einer Spannung von außen zum Antrieb in der Richtung der Filmdicke zügig aufgebaut wird, der Abgang bzw. die Ablenkung von Ionen aufgrund der Gleichstrom-Komponente der äußeren Spannung und der Sontan-Polarisation schnell vermindert werden. Insbesondere ein Anzeigen der Abstufung bei einer Hochfrequenz, wie bei einer Fernsehgeschwindigkeit, sind Mittel zur Verringerung der Widerstände des Flüssigkristalls sowie des Orientierungsfilms und zur Reduzierung der Zeitkonstante wirksam. Durch Verringerung des Widerstandes des Materials ist zwar die Bewegung der Ladungen durch die Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und dem Orientierungsfilm glatter, es erhöht sich jedoch die Tendenz, die Domäne auszuweiten. Der Grund dafür wird in der Tatsache gesehen, daß die Wirkungen der Ladungsdiffusion in der Transversalrichtung möglicherweise gefördert wird.
Durch das feine Unterteilen der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und der Elektrodenstruktur über einer gesamten Fläche eines Pixels durch ein Isoliermaterial zur Vermeindung des Ausbreitens der Domäne aufgrund der Querbewegung von Ladungen kann somit die Relaxation der Ladungen in der Richtung der Filmdicke unmittelbar ausgeführt werden, während der Einfluß der Domänenexpansion verbessert wird, und ein gewünschter Halbton kann auf stabile Weise angezeigt werden.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieselbe Figur zeigt einen Querschnitt eines Pixels auf dem Substrat auf einer Seite des Flüssigkristall- Elementes. Dieses Element wird zum Beispiel hergestellt, indem eine transparente Elektrodenstruktur 2 (1200 Å), wie ITO, auf einem Glassubstrat 1 bereitgestellt wird und ein Isoliermaterial 3 in einem Muster gebildet wird, das ausreichend klein ist im Verhältnis zu dem Pixel, wie in der Figur gezeigt. Danach werden, um den chiral-smektischen Flüssigkristall zu orientieren, Säulen 4 gebildet, wie zum Beispiel durch die SiO-Schräg-Dampfabscheidung dargestellt. Dieses Muster wird vorzugsweise über die gesamte Pixelfläche gebildet, obgleich die Gestalt des Musters willkürlich sein kann. Zum Beispiel kann ein wie in Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigtes Muster gebildet werden. In der jeweiligen Figur ist die Gestalt des Isoliermaterials auf der Elektrodenstruktur für ein Pixel gezeigt, wie aus dem Obigen ersichtlich.
Figur 2 zeigt ein Inselmuster, und Figur 3 zeigt ein Gittermuster. Das Isoliermaterial 3 wird hergestellt durch das Bilden eines 330 Å -Films aus Polyimid durch Drehbeschichtung und dessen Musterung in einem Photolithographie-Prozeß. Das Muster wird so groß wie etwa 0,4 µm in der Linienbreite gebildet, indem eine Gitter-Mustermaske, wie in Fig. 3 gezeigt, verwendet wird. Diese Linienbreite ist in ausreichendem Maße größer als der Durchmesser einer durch die SiO-Schräg- Dampfabscheidung hergestellten Säule. Mit dem obigen Aufbau befinden sich der ferroelektrische Flüssigkristall (FLC) und die Elektroden-Grenzfläche in guter Leitung, und die Querexpansion von Domänen wird verhindert durch das Isoliermuster, so daß der stabile Halbton gebildet werden kann.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieselbe Figur zeigt einen Querschnitt eines Pixels auf einem Substrat auf einer Seite eines Flüssigkristalls. Diese Element wird hergestellt, indem ein Film einer transparenten Elektrodenstruktur 2, wie ITO, etwa 1000 bis 1500 Å dick auf einem Glassubstrat 1 durch reaktives Sputtern gebildet wird, die Substratoberfläche bei einer Temperatur von 150 bis 300 ºC in einer Sauerstoffatmosphäre (etwa 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten wird, und ein gewünschtes Muster durch EB-Ziehen erzeugt wird. Dadurch können die Isolierbereiche an Positionen eines Gittermusters mit 0,5 bis 0,1 µm Weite ausgestaltet werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Ferner werden darauf Säulen 4 durch SiO-Schräg-Dampfabscheidung gebildet, um den FLC zu orientieren. Mit dem obigen Aufbau sind FLC und Elektroden-Grenzfläche in guter Leitung, und die Transversalexpansion der Domänen wird verhindert durch den Isolierbereich 3, der auf der Elektroden-Oberfläche gebildet ist, so daß der stabile Halbton gebildet werden kann.
Figur 5 zeigt den Aufbau eines Elementes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt von zwei Pixeln auf einem Substrat auf einer Seite eines Flüssigkristalls. Dieses Element wird hergestellt, indem ein Film einer transparenten Elektrodenstruktur 2, wie ITO, etwa 1000 bis 1500 Å dick auf einem Glassubstrat 1 durch reaktives Sputtern gebildet wird, darauf ein leitfähiger Orientierungsfilm 4 aus Poysiloxan-Polymer mit ultrafeinen Teilchen von darin dispergiertem SnO&sub2;-Sb drehbeschichtet wird, und dieses bei etwa 150 ºC gebacken wird, um den Film mit einer Dicke von 500 bis 1000 Å zu bilden.
Dann wird die Oberfläche des leitfähigen Films 4 vom Polysiloxan-Typ einer Reibungsbehandlung unterworfen zur Bereitstellung eines Zwischenraums von 1,3 µm, um eine nach innen gerichtete Orientierung der geriebenen Seite zu ermöglichen, in welchem der FLC unter Vakuum injiziert wird.
Das leitfähige Polymer 4 wird durch das Drehbeschichten als Ganzes über eine Flüssigkristall-Schalttafel als ein Film gebildet, so daß eine Schicht 4' des leitfähigen Polymers ebenso zwischen den Pixeln gebidet wird, um die Filmbildung zu erlauben, wie in der Figur gezeigt. Diese leitfähigen Polymerschichten 4, 4' werden in ein Gittermuster, wie in Fig. 3 gezeigt, durch teilweises Abkoppeln der Polymerbindung durch Elektronenstrahlung gebildet, um die Isolierung herzustellen. Die Gitterweite beträgt etwa 0,1 bis 0,6 µm. Das leitfähige Polymer für diesen Zweck kann Polypyrrol sein, welches normalerweise zusätzlich zu den oben angegebenen Polymeren verwendet wird. Als Bedingung für die Elektronenbestrahlung kann je nach Material eine Erhitzung des Substrates (zum Beispiel 100 bis 350 ºC) durchgeführt werden. Ferner kann eher ein Laser- als ein Elektronenstrahl verwendet werden. Mit dem obigen Aufbau sind der chiral-smektische Flüssigkristall und die Elektroden-Grenzfläche in guter Leitung, und die Querexpansion von Domänen wird verhindert oder unterdrückt durch die Isolierschichtbereiche, die in dem Film des leitfähigen Polymers gebildet sind, so daß der stabile Halbton gebildet werden kann.
Wenn ein leitfähiges Polymer als eine Orientierungsschicht ohne Ausgestaltung von, wie in der vorhergehenden Ausführungsform gezeigten, durch Schräg-Dampfabscheidung erhaltenen Säulen als der Orientierungsschicht verwendet wird, kann ferner die Ladungsbewegung zwischen Pixeln ebenso auftreten, wie in Fig. 5 gezeigt, dadurch möglicherweise ein Überspringen bzw. "Crosstalk" verursachend. Daher werden in dieser Ausführungsform die Pixel in einem Mustergebungsverfahren zur Bildung der Isolierbereiche in dem leitfähigen Polymer abgekoppelt. Dadurch kann ein solches Problem wie "Crosstalk" gelöst werden.
Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß die Isolierbereiche auf einem leitfähigen Polymer durch dieselbe Methode wie in der Ausführungsform der Fig. 5 bereitgestellt werden, innerhalb eines Pixels in ein sehr kleines Gitter unterteilt werden und darauf Säulen durch die SiO-Schräg-Dampfabscheidung zum Einstellen der Orientierung gebildet werden. Mit einem solchen Aufbau können dieselben Effekte wie in der vorhergehenden Ausführungsform der Fig. 5 erhalten werden.
Figur 6 zeigt die Oberfläche einer Elektrodenstruktur von zwei benachbarten Pixeln, in welchen eine ITO-Elektrode von 1000 bis 1500 Å Dicke mit dem gleichen Verfahren wie in der obigen Ausführungsform gebildet wird und mit "Floropoa" (Markenname), hergestellt durch Sumitomo Electric Industries, Ltd., verbunden wird, und somit die isolierenden Bereiche zum Verhindern des transversalen Ausbreitens von Ladungen innerhalb eines Pixels und zwischen den Pixeln bereitgestellt werden. Ferner werden SiO-Säulen darauf durch die SiO-Schräg- Dampfabscheidung als einer Schicht zur Orientierung des FLC gebildet. "Floropoa" wird hergestellt durch ein Verfahren des Kompaktierens eines Polytetrafluoroäthylen-Pulvers und dessen schnellen Ziehens unter solch speziellen Bedingungen, daß ein poröses Teil mit einer Struktur von sehr feinen Fasern, bezeichnet als Fibrillen, in variierenden Dimensionen, wie zum Beispiel einer Faserdicke von 0,01 bis 5 µm und einem Porendurchmesser von 0,02 bis 15 µm, erzeugt wird. Ein optisches Element hoher Abstufung mit 256 Abstufungen setzt vorzugsweise "Floropoa" ein, welches eine Faserdicke von weniger als 0,1 µm und einen Porendurchmesser von weniger als 5 µm besitzt. Mit dem obigen Aufbau können dieselben Effekte wie in den vorangehenden Ausführungsformen erhalten werden. Neben "Floropoa" kann ein Material, welches feine Fasern bildet und Isoliereigenschaften aufweist, ebenfalls die gleichen Effekte wie oben beschrieben bieten.
Der Bereich, der in Fig. 6 durch eine Quadratstruktur umgeben ist, ist eine Elektrode 61, welche ein Pixel definiert. Die Struktur feiner Linien in Fig. 6 ist ein Faser-Strukturteil, angezeigt durch die Ziffer 62, mit dem Hohlbereich, welcher einen Porenbereich darstellt, der das poröse Teil mit einem Porendurchmesser von 0,02 bis 15 µm aufbaut.
Wie oben beschrieben, ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, eine stabile Abstufungsanzeige auszuführen ohne Variation in den Niveaus des Halbtons und ohne "Crosstalk" aufgrund von Querexpansionen von Domänen, indem ein Aufbau gewählt wird, bei dem ein Isolierbereich und der andere Bereich bei der Grenzfläche zwischen einer Elektrodenstruktur und einem Flüssigkristall innerhalb eines Pixels eng benachbart sind und benachbarte Pixels isoliert sind.

Claims

1. Optisches Flüssigkristall-Element, umfassend ein Paar von Elektroden-Substraten, von denen jedes eine Elektrodenstruktur (2) auf einem Substrat (1) und definierten Pixels aufweist, sowie einen zwischen dem Paar von Elektroden- Substraten angeordneten, chiral-smektischen Flüssigkristall, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstruktur auf mindestens einem des Paares an Elektroden-Substraten innerhalb der jeweiligen Pixelfläche ausgestattet ist mit einer Vielzahl von Bereichen (3) aus isolierendem Material, welche entweder gleichmäßig oder zufällig auf der Oberfläche der Elektrodenstruktur angeordnet sind, wobei die Bereiche (3) eine im Vergleich zu der des Pixels sehr kleine Fläche aufweisen und zur Unterdrückung der Ladungsbewegung quer zur Elektrode angeordnet sind.

2. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 1, wobei ein Orientierungsfilm (4) auf der Elektrode gebildet ist, welche mit den sehr kleinen Isolierbereichen ausgestattet ist.

3. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 2, wobei der Orientierungsfilm (4) aus einem geriebenen Polymerfilm gebildet ist.

4. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 2, wobei der Orientierungsfilm (4) ein durch die Schräg-Dampfabscheidung gebildeter Siliciumoxidfilm ist.

5. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 1, wobei die sehr kleinen Isolierbereiche (3) voneinander getrennte Flächen eines Polymerfilms oder eines daraus gebildeten Netzwerks oder Gitters umfassen.

6. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 1, wobei die sehr kleinen Isolierbereiche (3) Sauerstoff-dotierte Regionen der Elektrode sind.

7. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 1, wobei die sehr kleinen Isolierbereiche (3) in einem leitfähigen Polymerfilm eingeschlossen sind, welcher ultrafeine Teilchen dispergiert enthält, wobei der leitfähige Polymerfilm auf der Elektrode (2) ausgestaltet ist.

8. Elektrisches Flüssigkristall-Element gemäß Anspruch 1, wobei die sehr kleinen Isolierbereiche (3) feine, isolierende Fasern eines auf der Elektrode (2) bereitgestellten porösen Teils umfassen.

9. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereitstellung der sehr kleinen Isolierbereiche (3) ausreichend ist, um die Bewegung elektrischer Ladungen in einer Richtung, welche quer zur Dickenrichtung der Elektrode verläuft, zu unterdrücken.

10. Optisches Flüssigkristall-Element gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bereitstellung der sehr kleinen Isolierbereiche (3) so bewirkt ist, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das Element die Bewegung der elektrischen Ladungen in der Richtung der Filmdicke in der Elektrode (2) schneller ist als in einer quer dazu verlaufenden Richtung.