DE19637951B4

DE19637951B4 - Verfahren zum Einstellen der Orientierung für eine Flüssigkristallzelle

Info

Publication number: DE19637951B4
Application number: DE19637951A
Authority: DE
Inventors: Soon Bum Kwon; Jong Hyun Kim; Ki Hyuk Yoon; Joung Won Woo; Yoo Jin Choi; Mi Sook Nam; Yuriy Reznikov; Oleg Yaroshchuk
Original assignee: LG Philips LCD Co Ltd
Current assignee: LG Display Co Ltd
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: US20010003475A1; US20010005250A1; US7145618B2; US20030007116A1; KR970059786A; US20030117555A1; FR2743429A1; US6414737B1; KR0182876B1; DE19637951B9; DE19637951A1; FR2743429B1; US6433850B2; US6226066B1; GB2309793B; US6633355B2; GB9626406D0; JPH09197406A; GB2309793A; JP3614263B2

Abstract

Verfahren zum Einstellen einer Orientierung, d.h. einer Orientierungsrichtung und eines Kippwinkels, einer ein Material auf der Grundlage von Polysiloxan aufweisenden Orientierungsschicht für eine Flüssigkristallzelle, mit folgenden Schritten:
schräges Bestrahlen der auf einer Substratoberfläche angeordneten Orientierungsschicht mit unpolarisiertem ultravioletterm Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht in einem Schritt und
Bestrahlen der Orientierungsschicht mit linear polarisiertem Licht in einem anderen Schritt,
wobei die Reihenfolge der Bestrahlungsschritte vertauscht sein kann und falls die Bestrahlung mit unpolarisiertem ultraviolettem Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht im zweiten Bestrahlungsschritt erfolgt, der Winkel zwischen der Einstrahlrichtung des Lichtes und einer der beiden im ersten Bestrahlungsschritt erzielten Orientierungen ein spitzer Winkel ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallzelle und insbesondere auf ein Verfahren zum Einstellen der Orientierung für eine Flüssigkristallzelle, bei dem bei ultraviolettem Bestrahlen Photoreaktionen in einer polymerisierten Schicht ablaufen.

Flüssigkristalle sind Flüssigkeiten, die aus anisotropen Molekülen bestehen. Die durchschnittliche Richtung der Längsachse dieser Moleküle wird als Direktor der Flüssigkristalle bezeichnet. Die Verteilung des Direktors in einem ausgedehnten Flüssigkristall wird durch dessen Haftung an dem Festkörpersubstrat bestimmt und ist durch die Richtung der bevorzugten Orientierungsachse, die dem Minimum der Oberflächenenergie des Flüssigkristalls entspricht, den Kippwinkel zwischen der bevorzugten Orientierungsachse und der Substratebene sowie den Kippwinkel zwischen dem Direktor des Flüssigkristalls und der Substratebene charakterisiert.

Um bei einer Flüssigkristallanzeigeanordnung gleichmäßige Helligkeit und ein hohes Kontrastverhältnis zu erzielen, müssen die Flüssigkristallmoleküle geeignet orientiert werden, nachdem sie zwischen die Substrate der Zelle eingespritzt wurden. Für den normalen Betrieb von Flüssigkristallvorrichtungen, bei denen Doppel- und Mehrbereichsstrukturen ausgebildet sind, ist nicht nur der Betrag des Kippwinkels des Direktors sondern auch die Richtung dieser Orientierung (d.h. Richtung der bevorzugten Orientierungsachse) wichtig. Eine solche Orientierung wird erreicht, indem auf die Oberfläche des Substrats eine Orientierungsschicht aufgebracht wird. Zum Orientieren der Flüssigkristallmoleküle kann ein Reibprozess verwendet werden. Dabei wird auf dem Substrat zuerst eine Orientierungsschicht aus Polyamid aufgetragen, und es erfolgt ein mechanisches Reiben in einer Weise, dass auf der Oberfläche der Orientierungsschicht Mikrorillen gebildet werden. Somit werden die Flüssigkristallmoleküle infolge ihrer intermolekularen Wechselwirkung mit den Polyamidmolekülen gleichförmig orientiert.

Beim vorgenannten Reibvorgang entstehen in den Mikrorillen jedoch Defektstellen, die Lichtstreuung und zufällige Phasenverzerrung verursachen. Ferner entstehen bei dem Reibvorgang Staub und elektrostatische Ladungen auf bzw. in der Orientierungsschicht, so dass das Substrat beschädigt werden kann und die Herstellungsausbeute gering ist.

Zur Lösung des vorstehend genannten Problems wurde vor kurzem ein Photoorientierungsprozess eingeführt. Als Beispiel für das Verfahren der Photoorientierung wurde von KOBAYASHI et al. (SID 95 DIGEST, S.877) ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Orientierung festgelegt wird, indem UV-Licht zweimal auf eine Orientierungsschicht eingestrahlt wird, die aus einem auf Polyvinylzimtsäureester (PVCN = Polyvinylcinnamat) beruhenden Polymer besteht, wie aus den 2A und 2B ersichtlich.

Sobald, wie in 2A gezeigt, das linear polarisierte UV-Licht in einer zur Oberfläche des Substrats 16 senkrechten Richtung auf die Orientierungsschicht 15 eingestrahlt wird, wird diese infolge einer Vernetzung von Polymermolekülen photopolymerisiert. Die Bindungsrichtung der Photopolymermoleküle hängt von der Polarisationsrichtung des linear polarisierten UV-Lichts ab. Der Flüssigkristall wird auf diese Weise entsprechend der Bindungsrichtung der Photopolymermoleküle orientiert.

Dann wird linear polarisiertes UV-Licht, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des ersten UV-Lichts liegt, unter einem Winkel φ zur Orientierungsschicht 15 eingestrahlt. Der Kippwinkel der Orientierungsschicht 15 wird in diesem Schritt ausgebildet, und die Größe des Kippwinkels ändert sich entsprechend dem Einstrahlwinkel des UV-Lichts. Zum Beispiel beträgt der Kippwinkel ungefähr 0,15°, 0,26° bzw. 0,30°, wenn der Einstrahlwinkel 30° bzw. 40° bzw. 60° beträgt.

Das Verfahren gemäß KOBAYASHI weist jedoch einige Nachteile auf: Die thermische Stabilität des aufgrund der auf PVCN basierenden Materialien induzierten Kippwinkels ist schlecht, der erzielbare Bereich des Kippwinkels ist klein und überdeckt nicht den für die Anwendungen erforderlichen Kippwinkelbereich, und es kann lediglich polarisiertes Anregungslicht verwendet werden. Ferner bedarf dieses Verfahren einer recht komplizierten Einstrahlgeometrie und ist nur für solche Materialien geeignet, die eine lichtinduzierte Vorzugsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des Anregungslichtes zeigen.

Aus DE 49 20 585 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung multidirektionaler Orientierungsschichten bekannt, wobei ein Precursor der Orientierungsschicht auf ein Substrat aufgebracht und nachfolgend zur Erzeugung der multidirektionalen Struktur jeweils mit linar polarisiertem Licht unter verschiedenen Azimutwinkeln bestrahlt wird, um auf diese Weise mehrere kontinuierliche Vorzugslinien zu erzeugen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung, bei welchem ausschließlich linear polarisiertes Licht zur senkrechten oder schrägen Bestrahlung der Orientierungsschicht verwendet wird, ist ferner auch aus JP 7-318942 (A) bekannt.

Aus EP 0 611 786 A1 sind verschiedene Zusammensetzungen einer Orientierungsschicht für Flüssigkristalle unter Verwendung von linearen und zyklischen Polymeren oder Oligomeren mit einer photoreaktiven Ethen-Gruppe bekannt, wobei als Trägermaterial unter anderem Siloxane genannt sind.

Bei den zuvor genannten, bekannten Verfahren ist die Einstellung eines Kippwinkels relativ aufwendig und erfordert eine relativ komplizierte Einstrahlgeometrie, wobei auch der erzielbare Kippwinkelbereich ebenfalls klein ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen der Orientierung für eine Flüssigkristallzelle bereitgestellt, bei dem das Einstellen der Orientierung leicht durchführbar ist und große Kippwinkel erzielbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen einer Orientierung, d.h. einer Orientierungsrichtung und eines Kippwinkels, einer ein Material auf der Grundlage von Polysiloxan aufweisenden Orientierungsschicht für eine Flüssigkristallzelle weist folgende Schritte auf: Schräges Bestrahlen der auf einer Substratoberfläche angeordneten Orientierungsschicht mit unpolarisiertem ultraviolettem Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht in einem Schritt, und Bestrahlen der Orientierungsschicht mit linear polarisiertem Licht in einem anderen Schritt, wobei die Reihenfolge der Bestrahlungsschritte vertauscht sein kann und falls die Bestrahlung mit unpolarisiertem ultraviolettem Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht im zweiten Bestrahlungsschritt erfolgt, der Winkel zwischen der Einstrahlrichtung des Lichtes und einer der beiden im ersten Bestrahlungsschritt erzielten Orientierungen ein spitzer Winkel ist.

Das Bestrahlen im ersten Schritt und das Bestrahlen im zweiten Schritt können jeweils unter einem Winkel von vorzugsweise 0 bis 60°, insbesondere senkrecht zur Substratoberfläche, erfolgen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestrahlen mit UV-Licht und zum Doppelbrechungsmessen;
2A und 2B zeigen das herkömmliche Verfahren zum Einstellen der Orientierung für eine Flüssigkristallzelle;
3A und 3B zeigen das Verfahren zum Einstellen der Orientierung für eine Flüssigkristallzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit des Kippwinkels von der absorbierten UV-Lichtenergie ersichtlich ist;
5A und 5B zeigen das Verfahren zum Einstellen der Orientierung in der Flüssigkristallzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6A und 6B zeigen das Verfahren zum Einstellen der Orientierung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7A und 7B zeigen das Verfahren zum Einstellen der Orientierung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestrahlen mit ultraviolettem (UV-)Licht und zum Doppelbrechungsmessen für den Photoorientierungsvorgang. Bei dieser Vorrichtung wird von einer Quecksilberlampe 11 erzeugtes UV-Licht durch eine Linse 12a und einen Polarisator 17c linear polarisiert und auf die auf dem Substrat 16 aufgetragene Orientierungsschicht 15 gestrahlt. Ein von einem Laser 18 erzeugter Laserstrahl wird von einem Zerhacker 23 in Strahlimpulse unterteilt und anschließend von einem Polarisator 17a polarisiert. Der gepulste Laserstrahl wird dann durch einen Kompensator 25 hindurch zur Orientierungsschicht 15, und durch einen Polarisator 17b und durch eine Linse 12b hindurchgeleitet und schließlich in ein Digitaloszilloskop 20 eingegeben, um die Doppelbrechung zu messen, die durch die Anisotropie der Orientierungsschicht 15 bedingt ist.
Die 3A und 3B zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform weist die Orientierungsschicht ein Material auf der Grundlage von Polysiloxan oder Polyvinylfluorzimtsäurester (PVCN-F) auf. In dieser Orientierungsschicht werden der Kippwinkel und die Richtung der bevorzugten Orientierungsachse durch einmaliges Einstrahlen von UV-Licht bestimmt. Die Strukturformeln für Polysiloxanzimtsäureester und Polyvinylfluorzimtsäureester sind nachstehend angegeben. Ferner können diese Stoffe in anderen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. PVCN-F:
n = 200 – 3000.
Zu den Beispielen für Polysiloxanzimtsäureester gehören:
wobei Z aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus OH, CH₃ oder einer Mischung aus OH und CH₃,
m = 10 – 100,
1 = 1 – 11,
L = 0 oder 1,
K = 0 , 1 oder 2
X, X₁, X₂, Y = H, F, Cl, CN, CF₃, C_nH_2n+1 oder OC_nH_2n+1 (n = 1 – 10).
Die Polymerlösung (die Polyvinylfluorzimtsäurester-Lösung oder PVCN-F-Lösung) wird unter Verwendung einer 1:1-Mischung von 1,2-Dichlorethan und Chlorbenzol hergestellt. Die Konzentration der Lösung beträgt 20 g/l. Ein Tropfen dieser Lösung wird auf die Mitte des Substrates 16 getropft und dann auf die ganze Fläche des Substrates 16 durch einen Schleuderbeschichtungsprozess (Spin-Coating) während 20 Sekunden bei einer Drehzahl von 2000 Umdrehungen pro Minute verteilt. Auf diese Weise wird auf dem Substrat 16 ein Polymerfilm abgesetzt. Die mit einem Linnik-Interferometer gemessene Dicke des Films beträgt ca. 1000 Å und kann durch Änderung der Konzentration der Polymerlösung und/oder der Drehgeschwindigkeit der für die Schleuderbeschichtung verwendeten Schleuderbeschichtungsmaschine eingestellt werden.
Wenn das linear polarisierte UV-Licht 190 senkrecht zur Substratoberfläche auf die Orientierungsschicht 15 gestrahlt wird, wie aus 3A ersichtlich, wird die Richtung der Orientierungsachse so festgelegt, dass sie senkrecht zur Polarisationsrichtung des UV-Lichts verläuft. Ferner werden auf beiden Seiten der Orientierungsachse zweiseitig zwei symmetrische Kippwinkel Φ₁ ausgebildet. Die Größe des Kippwinkels Φ₁ ist variabel und hängt von der Dauer des UV-Bestrahlens ab, d.h. von dem Betrag an UV-Energie, die von der Orientierungsschicht 15 absorbiert wird.
4 zeigt den Zusammenhangs zwischen dem Kippwinkel und der Dauer des Bestrahlens mit UV-Licht, d.h. der Menge an absorbierter UV-Lichtenergie. Wie aus 4 ersichtlich, wird der Kippwinkel umso kleiner, je größer die Absorptionsenergie wird. Dementsprechend wird die Richtung der Orientierungsachse durch die Polarisationsrichtung der UV-Lichtstrahlung bestimmt, und die Größe des Kippwinkels hängt von der absorbierten UV-Lichtenergie ab.
Nach dem Bestrahlen mit linear polarisiertem UV-Licht wird die Schicht mit anderem Licht in einer Richtung schräg zur Oberfläche der Orientierungsschicht bestrahlt. Hierdurch wird eine Richtung aus den beiden symmetrischen Orientierungen durch das Bestrahlen der Orientierungsschicht 15 mit nichtlinear polarisiertem UV-Licht, insbesondere nicht polarisiertem UV-Licht 200, unter einem Winkel θ₁, 0° < θ₁ ≤ 60° ausgewählt, so dass alle Moleküle in der Orientierungsschicht 15 entsprechend einer der symmetrischen Orientierungen ausgerichtet werden, wie aus 3B ersichtlich. Die Orientierungsschicht 15 weist vorzugsweise ein auf Polysiloxan beruhendes Material oder PVCN-F auf. In diesem Fall bildet die Einstrahlrichtung des zweiten UV-Lichtes einen spitzen Winkel mit einer der beiden symmetrischen Orientierungen.
Die 5A und 5B zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Wie aus 5a ersichtlich, wird die auf das Substrat 16 aufgebrachte Orientierungsschicht 15 mit unpolarisiertem UV-Licht (Wellenlänge λ = 365 nm) 210 unter einem Winkel θ₂ bezüglich der Normalenrichtung des Substrates 16 bestrahlt. Obwohl in dieser Ausführungsform unpolarisiertes Licht verwendet wird, kann auch nichtlinear polarisiertes Licht, d.h. zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht genauso wie unpolarisiertes Licht verwendet werden. θ₂ liegt vorzugsweise im Bereich von 0° < θ₂ ≤ 60°. Nach dem ersten Bestrahlen, das in 5A gezeigt wird, werden die Moleküle der Orientierungsschicht 15 in eine große Anzahl von Orientierungen orientiert, wobei jedoch die Kippwinkel bezüglich der Oberfläche des Substrats 16 im wesentlichen gleich groß sind. Durch das in 5B gezeigte zweite Bestrahlen wird jedoch nur eine der Orientierungen ausgewählt.
Im Einzelnen wird beim zweiten Bestrahlen die Orientierungsschicht 15 mit linear polarisiertem UV-Licht 220 unter einem rechten Winkel bestrahlt, wie aus 5B ersichtlich, wodurch nur die Orientierung ausgewählt wird, die zur Polarisationsrichtung dieses UV-Lichts senkrecht verläuft, so dass die gewünschte Orientierung erzielt werden kann. Außerdem ändert sich die Größe des in der Orientierungsschicht 15 erzeugten Kippwinkels in Abhängigkeit von der absorbierten UV-Lichtenergiemenge, wie oben im Zusammenhang mit 4 angemerkt.
Die 6A und 6B zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Wie aus 6A ersichtlich, wird unpolarisiertes UV-Licht 230 auf die Orientierungsschicht 15 unter einem Winkel θ₃ zur Normalenrichtung der Oberfläche des Substrats 16 gestrahlt, wobei θ₃ im Bereich 0° < θ₃ ≤ 60° liegt. Danach wird linear polarisiertes UV-Licht 240 auf die Orientierungsschicht 15 unter einem Winkel θ₄ gestrahlt, wie in 6B gezeigt, wobei θ₄ im Bereich 0° < θ₄ ≤ 60° liegt.
Die sich ergebende Orientierung der Moleküle der Orientierungsschicht 15 nach den in den 6A und 6B gezeigten Schritten ähnelt der Orientierung gemäß den 5A bzw. 5B. Nach dem in 6A gezeigten Bestrahlen sind die Moleküle der Orientierungsschicht 15 in einer großen Anzahl von einseitigen Orientierungen, wie in Figur, 5A orientiert. Danach wird, wie in 5B, nur eine dieser Richtungen durch das in 5B gezeigte zweite Bestrahlen ausgewählt. Die Einstrahlrichtung des zweiten UV-Lichts bildet spitze Winkel mit den nach dem ersten Bestrahlen ausgebildeten Orientierungen. In dieser Ausführungsform kann anstatt von linear polarisiertem UV-Licht auch nichtlinear polarisiertes UV-Licht, einschließlich zirkular polarisiertes, elliptisch polarisiertes und unpolarisiertes UV-Licht verwendet werden. Bei der Verwendung von nichtlinear polarisiertem UV-Licht wird das Verfahren im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren vereinfacht, bei dem linear polarisiertes Licht verwendet werden muss.
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 7A und 7B dargestellt. Wie aus 7A ersichtlich, wird die Orientierungsschicht 15 unter einem Winkel θ₅, 0° < θ₅ ≤ 60°, in Bezug auf die Normalenrichtung der Oberfläche der Orientierungschicht 15 mit linear polarisiertem Licht 250 bestrahlt, um die Moleküle der Orientierungsschicht 15 in einer ersten Orientierung und in einer zweiten Orientierung auszurichten, ähnlich wie bei dem in 3A gezeigten Fall. Eine dieser Richtungen wird dann ausgewählt, indem die Orientierungsschicht 15 unter einem Winkel θ₆, 0° < θ₆ ≤ 60° mit nichtlinear polarisiertem UV-Licht, insbesondere mit unpolarisiertem UV-Licht 260, bestrahlt wird, so dass alle Moleküle der Orientierungsschicht 15 entweder in der ersten Orientierung oder in der zweiten Orientierung orientiert sind, wie aus 7B ersichtlich. In dieser Ausführungsform bildet die Einstrahlrichtung des zweiten UV-Lichts einen spitzen Winkel mit der ersten Orientierung oder der zweiten Orientierung.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Größe des Kippwinkels und die beiden symmetrischen Orientierungen durch ein erstes Bestrahlen einer Polysiloxan oder PVCN-F aufweisenden Orientierungsschicht mit UV-Licht bestimmt. Diese symmetrischen, zueinander entgegengesetzten Orientierungen sind so eingestellt, daß sie einen betragsmäßig gleichen Kippwinkel mit der Substratebene einschließen und die Richtungen ihrer Projektionen auf die Substrateben zueinander entgegengesetzt sind. Eine dieser Orientierungen wird dann durch ein zweites Bestrahlen mit UV-Licht ausgewählt. Dementsprechend kann der Kippwinkel einfach eingestellt werden.

Claims

Verfahren zum Einstellen einer Orientierung, d.h. einer Orientierungsrichtung und eines Kippwinkels, einer ein Material auf der Grundlage von Polysiloxan aufweisenden Orientierungsschicht für eine Flüssigkristallzelle, mit folgenden Schritten: schräges Bestrahlen der auf einer Substratoberfläche angeordneten Orientierungsschicht mit unpolarisiertem ultravioletterm Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht in einem Schritt und Bestrahlen der Orientierungsschicht mit linear polarisiertem Licht in einem anderen Schritt, wobei die Reihenfolge der Bestrahlungsschritte vertauscht sein kann und falls die Bestrahlung mit unpolarisiertem ultraviolettem Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht im zweiten Bestrahlungsschritt erfolgt, der Winkel zwischen der Einstrahlrichtung des Lichtes und einer der beiden im ersten Bestrahlungsschritt erzielten Orientierungen ein spitzer Winkel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Größe des Kippwinkels durch die Dauer des ersten Bestrahlens festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der nach dem ersten Bestrahlen erzielte Kippwinkel über das Substrat hinweg im wesentlichen die gleiche Größe aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei indem Schritt, in dem die Orientierungsschicht mit linear polarisiertem ultraviolettem Licht bestrahlt wird, der Winkel des einfallenden Lichts bezüglich der Substratoberfläche im wesentlichen 90° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Schritt, in dem die Orientierungsschicht mit linear polarisiertem ultraviolettem Licht bestrahlt wird, der Winkel des einfallenden Lichts bezüglich der Substratoberfläche ein spitzer Winkel ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Winkel des einfallenden Lichts bezüglich der Substratoberfläche bei der Bestrahlung mit unpolarisiertem ultraviolettem Licht oder nicht linear polarisiertem ultraviolettem Licht im Bereich zwischen 0° und 60° liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Winkel des einfallenden Lichts bezüglich der Substratoberfläche in beiden Bestrahlungsschritten jeweils im Bereich zwischen 0° und 60° liegt.