-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ausrichtung von Flüssigkristallen
in Flüssigkristallvorrichtungen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Flüssigkristall-
(LC-) Materialien sind stabartige oder lattenartige Moleküle, die
entlang ihrer langen und kurzen Achse unterschiedliche optische
Eigenschaften aufweisen. Die Moleküle zeigen eine bestimmte Fernordnung,
so dass sie lokal zu ähnlichen
Ausrichtungen zu ihren Nachbarn neigen. Die lokale Ausrichtung der
langen Achsen der Moleküle wird
als der „Direktor" bezeichnet. Es gibt
drei Typen von LC-Materialien:
nematisch, cholesterisch (chiral-nematisch) und smektisch. Für einen
Flüssigkristall,
der in einer Anzeigevorrichtung verwendet werden soll, muss dieser üblicherweise
hergestellt sein, um sich in dem „Aus"-Zustand
in einer definierten Art und Weise auszurichten und in dem „An"-Zustand in einer
unterschiedlichen definierten Art und Weise auszurichten, so dass
die Anzeige in jedem Zustand unterschiedliche optische Eigenschaften
aufweist. Zwei Hauptausrichtungen sind homöotrop (wo der Direktor im Wesentlichen
senkrecht zu der Ebene der Zellwände
ist) und planar (wo der Direktor im Wesentlichen parallel zu der
Ebene der Zellwände
gekippt ist). In der Praxis könnten
planare Ausrichtungen in Bezug auf die Ebene einer Zellwand gekippt sein
und dieses Kippen kann bei der Unterstützung eines Umschaltens hilfreich
sein. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausrichtung in Flüssigkristallanzeigen.
-
Hybride,
ausgerichtete, nematische (HAN), vertikale, ausgerichtete nematische
(VAN), verdrillte, nematische (TN) und super-verdrillte, nematische (STN)
Zellen werden weitver breitet als Anzeigevorrichtungen in Verbraucher-
und anderen Produkten eingesetzt. Die Zellen weisen ein Paar gegenüberliegender,
voneinander beabstandeter Zellwände
mit einem nematischen Flüssigkristallmaterial
zwischen denselben auf. Die Wände
weisen transparente Elektrodenstrukturen auf, die Pixel zwischen
sich definieren.
-
In
TN- und STN-Anzeigen ist die Innenoberfläche jeder Wand behandelt, um
eine planare unidirektionale Ausrichtung des nematischen Direktors
zu erzeugen, wobei die Ausrichtungsrichtungen in 90 Grad zueinander
stehen. Diese Anordnung bewirkt, dass der nematische Direktor eine
Viertel-Helix innerhalb der TN-Zelle beschreibt, so dass polarisiertes Licht
durch 90 Grad geführt
wird, wenn ein Pixel in dem „Feld-Aus"-Zustand ist. In
einer STN-Zelle ist der nematische Flüssigkristall mit einem Chiral-Zusatzstoff
dotiert, um eine Helix mit kürzerer
Ganghöhe
zu erzeugen, was die Ebene einer Polarisation in dem „Feld-Aus"-Zustand dreht. Der „Feld-Aus"-Zustand könnte entweder
weiß oder
schwarz sein, abhängig
davon, ob die Zelle durch gekreuzte oder parallele Polarisatoren
betrachtet wird. Ein Anlegen einer Spannung über ein Pixel bewirkt, dass
sich der nematische Direktor normal zu den Wänden in einer homöotropen
Ausrichtung ausrichtet, so dass die Ebene polarisierten Lichts in
dem „Feld-An"-Zustand nicht gedreht
ist.
-
In
einer HAN-Zelle ist eine Wand behandelt, um einen nematischen LC
in einer homöotropen
Ausrichtung auszurichten, und die andere Wand ist behandelt, um
eine planare Ausrichtung zu induzieren, üblicherweise mit einem bestimmten
Kippen, um ein Umschalten zu erleichtern. Der LC weist eine positive dielektrische
Anisotropie auf und das Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt,
dass sich die LC-Direktoren normal zu den Wänden ausrichten, so dass die Zelle
von einem doppelbrechenden „Feld-Aus"-Zustand in einen
nicht doppelbrechenden „Feld-An"-Zustand umschaltet.
-
In
dem VAN-Modus ist ein nematischer LC mit negativer dielektrischer
Anisotropie homöotrop
in dem „Feld-Aus"-Zustand ausgerichtet
und wird in dem „Feld-Ein"-Zustand doppelbrechend.
Ein Zweifarbenfarbstoff könnte
zur Verbesserung eines Kontrastes eingesetzt werden.
-
Die
planare Ausrichtung eines Flüssigkristalls
(LC) wird üblicherweise
durch das unidirektionale Reiben einer dünnen Polyimidausrichtungsschicht innen
an der LC-Zelle bewirkt, was eine unidirektionale Ausrichtung mit
einem kleinen Vorkippwinkel entstehen lässt. Es wurde in „Pretilt
angle control of liquid-crystal alignment by using projections on
substrate surfaces for dual-domain TN-LCD" (Vorkippwinkelkontrolle einer Flüssigkristallausrichtung
durch Verwendung von Vorsprüngen
auf Substratoberflächen
für Zweibereichs-TN-LCD), T. Yamamoto
u. a., J. SID, 4/2, 1996vorgeschlagen, den Vorkippwinkel für eine geriebene
Oberfläche
zu erhöhen,
indem kleine Vorsprünge
in die geriebene Ausrichtungsschicht eingeschlossen werden.
-
Während der
Reibevorgang eine erwünschte Wirkung
auf die optischen Charakteristika der Vorrichtung besitzt, ist er
nicht ideal, da dies viele Verfahrensschritte erfordert, und eine
hohe Toleranzsteuerung der Reibeparameter wird benötigt, um
einheitliche Anzeigesubstrate zu ergeben. Ferner könnte ein Reiben
eine statische und mechanische Beschädigung von Aktivmatrixelementen
bewirken, die unter der Ausrichtungsschicht sitzen. Ein Reiben erzeugt außerdem Staub,
was schädlich
für die
Anzeigeherstellung ist.
-
Photoausrichtungstechniken
wurden in jüngster
Zeit eingeführt,
bei denen eine Belichtung einer bestimmten Polymerbeschichtung mit
polarisiertem UV-Licht eine planare Ausrichtung induzieren kann.
Dies vermeidet einige der Probleme beim Reiben, die Beschichtungen
sind jedoch empfindlich gegenüber
LC-Materialien und erzeugen typischerweise nur niedrige Vorkippwinkel.
-
Eine
Alternative besteht darin, eine strukturierte Schrägbedampfung
von Siliziumoxid (SiO) zur Bildung der Ausrichtungsschicht zu verwenden.
Dies beeinflusst außerdem
eine erwünschte
optische Antwort; der Vorgang ist durch die Hinzufügung einer
Vakuumaufbringung und eines Lithographieverfahrens jedoch kompliziert.
Eine Steuerung von Prozessparametern für eine SiO-Verdampfung ist
ferner kritisch, um eine Einheitlichkeit zu ergeben, was üblicherweise über große Bereiche
schwer zu erzielen ist.
-
Eine
nützliche
Zusammenfassung von Verfahren zum Ausrichten von Flüssigkristallen
ist in „Alignment
of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures" (Ausrichtung nematischer Flüssigkristalle
und ihre Mischungen), J. Cognard, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1–78 (1982),
Ergänzung
1, gegeben.
-
Die
Verwendung von Oberflächenmikrostrukturen
zur Ausrichtung von LCs ist seit vielen Jahren bekannt, wie z. B.
in „The
Alignment of Liquid Crystals by Grooved Surfaces" (Die Ausrichtung von Flüssigkristallen
durch gerillte Oberflächen),
D. W. Berriman, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 23, 215–231, 1973, beschrieben ist.
-
Man
glaubt, dass der Mechanismus der planaren Ausrichtung beinhaltet,
dass sich die LC-Moleküle
entlang der Rillen ausrichten, um eine Verzerrungsenergie, die aus
der Verformung des LC-Materials hergeleitet wird, zu minimieren.
Derartige Rillen könnten
durch ein Monogitter, das in einem Photoresist oder einem anderen
geeigneten Material gebildet ist, bereitgestellt werden.
-
Es
wurde in der
GB 2 286 467 vorgeschlagen,
ein sinusförmiges
Bi-Gitter auf zumindest einer Zellwand bereitzustellen, indem ein
Photopolymer mit einem Interferenzlichtmuster, das durch einen Laser
erzeugt wird, belichtet wird. Das Bi-Gitter erlaubt es, dass die LC-Moleküle in zwei
unterschiedlichen planaren Winkelrichtungen liegen, z. B. 45° oder 90° auseinander.
Eine asymmetrische Bi-Gitter-Struktur kann ein Kippen in einer oder
beiden Winkelrichtungen bewirken. Weitere Beispiele einer Ausrichtung durch
Gitter sind in der WO 96/24880, WO 97/14990, WO 99/34251 und in „The liquid
crystal alignment properties of photolithographic gratings" (Die Flüssigkristallausrichtungseigenschaften
photolithographischer Gitter), J. Cheng und G. D. Boyd, Appl. Phys. Lett.
35 (6), 15. September 1979 beschrieben. In „Mechanically Bistable Liquid-Crystal
Display Structures" (Mechanisch
bistabile Flüssigkristallanzeigestrukturen),
R. N. Thurston u. a., IEEE trans. on Electron Devices, Bd. ED-27
Nr. 11, November 1980 wird eine LC-Planarausrichtung durch ein periodisches Array
quadratischer Strukturen theoretisiert.
-
Die
WO 01/40853 (Teil der Offenbarung hiervon ist gemäß Art. 54
(3) EPÜ Stand
der Technik) offenbart bistabile nematische Anzeigen, die eine Ausrichtungsoberfläche umfassen,
die Ausrichtungsmerkmale aufweist, wie z. B. Gitter, Vorsprünge oder Blindlöcher. Die
Vorsprünge
oder Blindlöcher
könnten
in einem pseudozufälligen
Array sein. Die Ausrichtungsmerkmale sind mit einem Material behandelt
oder aus einem Material gebildet, das eine lokale homöotrope LC-Ausrichtung induziert,
d. h. die LC-Moleküle
neigen dazu, lokal normal zu der Oberfläche zu liegen.
-
Eine
homöotrope
LC-Ausrichtung ist außerdem
ein schwierig zu steuernder Vorgang, üblicherweise unter Verwendung
einer chemischen Behandlung der Oberfläche, wie z. B. Lecithin oder
eines Chromkomplex. Diese chemischen Behandlungen sind unter Umständen über die
Zeit nicht stabil und haften unter Umständen nicht sehr einheitlich
an der zu behandelnden Oberfläche.
Eine homöotrope
Ausrichtung wurde durch die Verwendung spezieller Polyimidharze
erzielt (Japan Synthetic Rubber Co.). Diese Polyimide erfordern
ein Ausheilen mit hoher Temperatur, was für Niederglasübergangs-Kunststoffsubstrate
unter Umständen
nicht wünschenswert ist.
Anorganische Oxidschichten könnten
eine homöotrope
Ausrichtung induzieren, wenn sie in geeigneten Winkeln aufgebracht
wer den. Dies erfordert Vakuumvorgänge, die den oben in Bezug
auf die planare Ausrichtung erläuterten
Problemen unterliegen. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer
homöotropen
Ausrichtung besteht darin, ein Material mit geringer Oberflächenenergie,
wie z. B. PTFE, zu verwenden. PTFE jedoch gibt nur eine schwache
Steuerung des Ausrichtungswinkels und könnte schwierig zu verarbeiten
sein.
-
Es
ist wünschenswert, über eine
besser steuerbare und herstellbare Ausrichtung für LC-Vorrichtungen zu verfügen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Flüssigkristallvorrichtung bereitgestellt,
die eine erste Zellwand und eine zweite Zellwand, die eine Schicht
aus einem Flüssigkristallmaterial
umschließen;
Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes über zumindest
einen Teil des Flüssigkristallmaterials;
eine Oberflächenausrichtungsstruktur
an der Innenoberfläche
zumindest der ersten Zellwand, die eine Ausrichtung mit den Flüssigkristallmolekülen schafft,
wobei die Oberflächenausrichtungsstruktur
ein zufälliges
oder pseudozufälliges
Array von Merkmalen aufweist, die geformt und/oder ausgerichtet
sind, um die erwünschte
Ausrichtung zu erzeugen; jedoch ohne eine Vorrichtung, bei der die
Merkmale (10) mit einem Material behandelt oder aus einem
Material gebildet sind, das eine lokale homöotrope Ausrichtung induziert,
aufweist.
-
Wir
habe überraschenderweise
herausgefunden, dass die Ausrichtung des Direktors durch die Geometrie
der Merkmale induziert wird und nicht durch das Array oder Gitter,
auf dem dieselben angeordnet sind.
-
Da
die Merkmale in einem zufälligen
oder pseudozufälligen
Array anstatt einem regulären
Gitter angeordnet sind, werden Beugungsfarben, die aus der Verwendung
regulärer
Git terstrukturen resultieren, reduziert und könnten im Wesentlichen beseitigt
werden. Ein derartiges Array kann als ein Diffusor wirken, der den
Bedarf nach einem externen Diffusor in einigen Anzeigen beseitigen
könnte.
Natürlich könnte, wenn
eine Beugungsfarbe in der Anzeige erwünscht wird, das Array weniger
zufällig
hergestellt sein und die Vorsprünge
könnten
in Intervallen beabstandet sein, die den erwünschen Interferenzeffekt erzeugen.
So könnte
die Struktur separat optimiert werden, um die erforderliche Ausrichtung
zu ergeben und ebenso um den optischen Effekt, der aus einer texturierten
Oberfläche
resultiert, zu lindern oder verbessern.
-
Die
Verwendung eines zufälligen
oder pseudozufälligen
Arrays lindert außerdem
optische und LC-Ausrichtungseffekte, die als ein Ergebnis von Variationen
einer Phaseneinstellung zwischen regulären Arrays auf zwei Oberflächen entstehen,
wie z. B. Moire-Effekte.
-
Die
erwünschten
Ausrichtungsmerkmale werden ohne Reiben oder Verdampfung anorganischer
Oxide erzeugt und so ohne die Probleme, die derartigen Herstellungsverfahren
zugeordnet sind.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen
die Merkmale eine Mehrzahl aufrecht stehender Vorsprünge auf.
Die Merkmale könnten
auch Hügel,
Pyramiden, Kuppeln, Wände
oder andere Kaps aufweisen, die geformt und/oder ausgerichtet sind, um
es zu erlauben, dass der LC-Direktor eine erwünschte Ausrichtung für einen
bestimmten Anzeigemodus annimmt. Wo die Merkmale Wände sind, könnten diese
gerade sein (z. B. Monogitter), gebeugt (z. B. L-förmig oder
Zick-Zack-förmig) oder
gekrümmt
(z. B. kreisförmige
Wände).
Die Erfindung wird aus Bequemlichkeit im Folgenden Bezug nehmend
auf Vorsprünge
beschrieben; es wird jedoch darauf verwiesen, dass die Erfindung
nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
eingeschränkt
ist. Die Vorsprünge
könnten
im Wesentlichen gerade Seiten aufweisen, entweder normal oder ge kippt
in Bezug auf die Hauptebenen der Vorrichtung, oder die Vorsprünge könnten eine
gekrümmte
oder unregelmäßige Oberflächenform
oder Konfiguration aufweisen. Der Querschnitt der Vorsprünge könnte z.
B. dreieckig, quadratisch, kreisförmig, elliptisch oder vieleckig
sein.
-
Der
Ausdruck „Azimut" wird hierin wie
folgt verwendet. Es wird angenommen, dass die Wände einer Zelle in der x, y-Ebene liegen, so
dass die Normale zu den Zellwänden
die z-Achse ist.
Zwei Kippwinkel in der gleichen Azimutrichtung bedeuten zwei unterschiedliche
Direktorausrichtungen in der gleichen x, z-Ebene, wo x als der Fortsatz
des Direktors auf die x, y-Eben genommen wird.
-
Der
Direktor neigt dazu, sich lokal in einer Ausrichtung auszurichten,
die von der spezifischen Form des Vorsprungs abhängt. Für ein Array mit quadratischen
Vorsprüngen
könnte
sich der Direktor entlang einer der beiden Diagonalen der Vorsprünge ausrichten.
Wenn eine andere Form ausgewählt
ist, könnte
es auch mehr als zwei Azimutrichtungen oder nur eine geben. Ein
gleichseitiger dreieckiger Vorsprung z. B. kann drei Richtungen
im Wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden induzieren. Eine ovale
oder diamantförmige
Form, wobei eine Achse länger
ist als die anderen, könnte
eine einzelne lokale Direktorausrichten, die die Azimutrichtung
definiert, induzieren. Es ist zu erkennen, dass eine derartige Ausrichtung
durch einen sehr breiten Bereich von Vorsprungsformen induziert
werden kann. Ferner ist es durch ein Kippen des quadratischen Vorsprungs entlang
einer seiner Diagonalen möglich,
eine Richtung gegenüber
einer andern zu bevorzugen. Ähnlich kann
ein Kippen eines zylindrischen Vorsprungs eine Ausrichtung in der
Kipprichtung induzieren.
-
Kürzere und
breitere Vorsprünge
neigen dazu, eine planare Ausrichtung zu induzieren, während höhere und
dünnere
Vorsprünge
dazu neigen, eine homöotrope
Ausrichtung zu induzieren. Vorsprünge mit einer Zwischenhöhe und -breite
kön nen
gekippte Ausrichtungen induzieren und könnten unter Umständen bistabile
Ausrichtungen entstehen lassen, bei denen der Direktor einen von
zwei Kippwinkeln in im Wesentlichen der gleichen Azimutrichtung
annehmen könnte.
Durch ein Bereitstellen von Vorsprüngen mit geeigneten Abmessungen
und einer geeigneten Beabstandung kann ein breiter Bereich von Ausrichtungsrichtungen,
planar, gekippt und homöotrop,
ohne Weiteres erzielt werden und die Erfindung könnte deshalb in jedem erwünschten
LC-Anzeigemodus verwendet werden.
-
Die
Vorsprünge
könnten
durch jedes geeignete Mittel gebildet werden; z. B. durch Photolithographie,
Prägen,
Gießen,
Spritzgießen
oder Übertragung
von einer Trägerschicht.
Ein Prägen
in ein Kunststoffmaterial wird besonders bevorzugt, da dies eine
einfache und billige Herstellung der Vorsprünge erlaubt. Geeignete Kunststoffmaterialien
sind Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt, wie z. B. Poly-(Methyl-Metacrylat).
-
Durch
die Bereitstellung einer Mehrzahl aufrecht stehender hoher oder
dünner
Vorsprünge
an zumindest der ersten Zellwand können die Flüssigkristallmoleküle dazu
gebracht werden, einen Zustand anzunehmen, in dem der Direktor im
Wesentlichen parallel zu der Ebene der lokalen Oberfläche der
Vorsprünge
und normal zu der Ebene der Zellwände ist.
-
Wenn
die Vorsprünge
senkrecht zu den Zellwänden
sind, könnte
der LC homöotrop
mit im Wesentlichen 90° zu
der Ebene der Zellwände
ausgerichtet sein. Für
einige Anwendungen jedoch ist es wünschenswert, eine homöotrope Ausrichtung
zu erzielen, die um einige Grad gekippt ist. Dies könnte ohne
Weiteres durch ein Verwenden von Vorsprüngen, die von der Senkrechten
gekippt sind, erzielt werden. Wenn die Vorsprünge stärker gekippt sind, nimmt der
durchschnittliche LC-Kippwinkel weg von der Normalen zu. Die Erfindung
schafft deshalb einen einfachen Weg eines Induzierens einer homöotropen LC-Ausrichtung
mit jedem bevorzugten Kippwinkel.
-
Wenn
ein Photoresist belichtet wird, kann ein erwünschter Vorsprungskippwinkel
ohne Weiteres erzielt werden, indem das Photoresist durch eine geeignete
Maske mit einer Lichtquelle in einem Winkel, der durch das Snelliussche
Gesetz auf den erwünschten
Winkel bezogen ist, belichtet wird, wie bekannt ist, um den Brechungsindex
des Photoresistmaterials zu berücksichtigen.
-
Die
bevorzugte Höhe
für die
Vorsprünge hängt von
Faktoren, wie z. B. der Zelldicke, der Dicke und Anzahl der Vorsprünge und
dem LC-Material, ab. Für
eine homöotrope
Ausrichtung weisen die Vorsprünge
vorzugsweise eine vertikale Höhe
auf, die zumindest gleich der durchschnittlichen Vorsprunsbeabstandung
ist. Einige oder alle Vorsprünge
könnten
die gesamte Zelle überspannen,
so dass sie auch als Abstandshalter fungieren.
-
Es
wird bevorzugt, dass eine Elektrodenstruktur (üblicherweise ein transparenter
Leiter, wie z. B. Indium-Zinn-Oxid) auf der Innenoberfläche jeder Zellwand
auf eine bekannte Art und Weise vorgesehen ist. Die erste Zellwand
z. B. könnte
mit einer Mehrzahl von „Zeilen"-Elektroden versehen
sein und die zweite Zellwand könnte
mit einer Mehrzahl von „Spalten"-Elektroden versehen
sein. Es wäre
jedoch auch möglich,
planare (Interdigital-) Elektrodenstrukturen auf nur einer Wand
vorzusehen, vorzugsweise der ersten Zellwand.
-
Die
Innenoberfläche
der zweiten Zellwand könnte
eine geringe Oberflächenenergie
aufweisen, so dass sie eine geringe oder keine Tendenz zeigt, einen
bestimmten Typ von Ausrichtung zu bewirken, so dass die Ausrichtung
des Direktors im Wesentlichen durch die Merkmale an der ersten Zellwand
bestimmt wird. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Innenoberfläche der
zweiten Zellwand mit einer Oberflächenausrichtung versehen ist,
um eine erwünschte
Ausrichtung des Lokaldirektors zu induzieren. Dies Ausrichtung könnte homö otrop, planar
oder gekippt sein. Die Ausrichtung könnte durch ein Array von Merkmalen
mit geeigneter Form und/oder Ausrichtung oder durch herkömmliche
Mittel, wie z. B. Reiben, Photoausrichtung, ein Monogitter, oder
durch Behandlung der Oberfläche
der Wand mit einem Mittel, um eine homöotrope Ausrichtung zu induzieren,
bereitgestellt werden.
-
Für planare
und gekippte Ausrichtungen ist die Form der Merkmale vorzugsweise
derart, um nur die Azimutdirektorausrichtung benachbart zu den Merkmalen
zu bevorzugen. Die Ausrichtung könnte für jedes
Merkmal gleich sein oder die Ausrichtung könnte von Merkmal zu Merkmal
variieren, um so einen Streueffekt in einem der beiden Zustände zu ergeben.
-
Alternativ
könnte
die Form der Merkmale derart sein, um eine Mehrzahl stabiler Azimutdirektorausrichtungen
entstehen zu lassen. Derartige Ausrichtungen könnten in Anzeigemodi nützlich sein,
wie z. B. bistabilen verdrillten, nematischen (BTN-) Modi. Diese
Azimutdirektorausrichtungen könnten
im Wesentlichen eine gleiche Energie aufweisen (vertikale gleichseitige
rechteckige Vorsprünge
z. B. ergeben drei Azimutausrichtungsrichtungen mit gleicher Energie)
oder eine oder mehrere Ausrichtungsrichtungen könnten eine unterschiedliche
Energie aufweisen, so dass, obwohl eine oder mehrere Ausrichtungen
mit niedrigerer Energie bevorzugt werden, zumindest eine andere
stabile Azimutausrichtung möglich
ist.
-
Die
Flüssigkristallvorrichtung
wird üblicherweise
als eine Anzeigevorrichtung verwendet und ist mit einer Einrichtung
zum Unterscheiden zwischen geschalteten und ungeschalteten Zuständen versehen,
wie z. B. Polarisatoren oder einem Zweifarbenfarbstoff.
-
Die
Zellwände
könnten
z. B. aus einem nichtflexiblen Material, wie z. B. Glas, oder aus
starren oder flexiblen Kunststoffmaterialien gebildet sein, die Fachleuten
auf dem Gebiet der Herstellung einer LC-Anzeige bekannt sind, wie z.
B. Polyethersulfon (PES), Polyether-Etherketon (PEEK) oder Poly-(Ethylen-Terephthalat)
(PET).
-
Für viele
Anzeigen ist es wünschenswert,
in dem gesamten Sichtfeld eine einheitliche Ausrichtung aufzuweisen.
Für derartige
Anzeigen könnten die
Vorsprünge
alle im Wesentlichen die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und den gleichen
Kippwinkel aufweisen. Wo jedoch eine Variation einer Ausrichtung
erwünscht
ist, könnten
diese Faktoren oder einer derselben variiert werden, um erwünschte Effekte
zu erzeugen. Die Vorsprünge
könnten
z. B. unterschiedliche Ausrichtungen in unterschiedlichen Regionen
aufweisen, wo unterschiedliche Ausrichtungsrichtungen erwünscht sind.
Eine TN-Zelle mit geviertelten
Teilpixeln ist ein Beispiel eines Anzeigemodus, der derartige unterschiedliche
Ausrichtungen verwendet, in diesem Fall, um den Betrachtungswinkel
zu verbessern. Alternativ variieren, wenn die Höhen der Vorsprünge variiert
werden, die Stärken
von Wechselwirkungen mit dem LC und könnten eine Grauskalierung schaffen. Ähnlich variiert
eine Variation der Form der Vorsprünge die Stärke einer Wechselwirkung mit
dem LC.
-
Die
Merkmale könnten
wahlweise an beiden Wänden
vorgesehen sein, um eine erwünschte
lokale Direktorausrichtung in der Region beider Wände bereitzustellen.
Unterschiedliche Merkmale könnten an
jeder Wand vorgesehen sein und die Merkmale könnten unabhängig in verschiedenen Regionen
jeder Wand abhängig
von der erwünschten
Ausrichtung variiert werden.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nun weiter beispielhaft Bezug nehmend auf die folgenden
Zeichnungen beschrieben:
-
1 ist
ein schematischer Querschnitt, parallel zu den Zellwänden durch
eine Region um einen Vorsprung in einer Flüssigkristallvorrichtung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung herum. Die langen Achsen der Ellipsen
stellen typische Ausrichtungen des LC-Direktors dar;
-
2 ist
ein schematischer Querschnitt, senkrecht zu den Zellwänden, durch
einen Teil einer Vorrichtung gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung entlang einer Diagonalen
eines Vorsprungs;
-
3 ist
ein Querschnitt, senkrecht zu den Zellwänden, parallel zu und nahe
einer Seite eines Vorsprungs einer bistabilen nematischen Vorrichtung gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung;
-
4 ist
eine Draufsicht einer Einheitszelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die Vorsprünge
in einem pseudozufälligen
Array aufweist; und
-
5 ist
ein Querschnitt, senkrecht zu den Zellwänden, parallel zu und nahe
einer Seite eines Vorsprungs einer Vorrichtung gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung;
-
6 und 7 sind
schematische Querschnittsansichten, ähnlich 1, für einen
Vorsprung mit elliptischem Querschnitt bzw. einen Vorsprung mit
dreieckigem Querschnitt; und
-
8 bis 12 sind
Ansichten unterschiedlicher Arrays von Merk malen von Vorrichtungen
gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Die
schematisch in 2 gezeigte Flüssigkristallzelle
weist eine erste Zellwand 2 und eine zweite Zellwand 4 auf,
die eine Schicht aus einem nematischen LC-Material mit negativer
dielektrischer Anisotropie umschließen. Die Moleküle des LC
sind als Ellipsen dargestellt, wobei die lange Achse den Lokaldirektor
anzeigt. Die Innenoberfläche
jeder Zellwand ist auf eine bekannte Art und Weise mit einer transparenten
Elektrodenstruktur versehen, z. B. Zeilenelektroden 12 an
der ersten Zellwand 2 und Spaltenelektroden 14 an
der zweiten Zellwand 4. Die LC-Ausrichtung ist bistabil.
-
Die
Innenoberfläche
der ersten Zellwand 2 ist mit einem Array quadratischer
Vorsprünge 10 texturiert
und die Innenoberfläche
der zweiten Zellwand 4 ist flach. Die Vorsprünge befinden
sich in einem pseudozufälligen
Array, wie unten Bezug nehmend auf 4 beschrieben
ist. Die Vorsprünge 10 sind etwa
1 μm hoch
und der Zellabstand beträgt
etwa 3 μm.
Die flache Oberfläche
ist behandelt, um eine homöotrope
Ausrichtung zu ergeben. Die Vorsprünge sind nicht homöotrop behandelt.
-
Ein
derartiges Array quadratischer Vorsprünge weist zwei bevorzugte Ausrichtungen
des LC-Direktors in der Azimutrichtung auf. Diese sind entlang der
beiden Diagonalen des Vorsprungs. 1 zeigt einen
Querschnitt durch einen Vorsprung, wobei der LC um denselben herum
verzerrt ist, von einer Ecke zu der gegenüberliegenden. Diese Ausrichtung
um den Vorsprung herum neigt dann dazu, den Keim für die Ausrichtung
des LCs über
dem Vorsprung zu liefern, derart, dass die durchschnittliche Ausrichtung ebenso
entlang dieser Diagonalen ist.
-
Durch
ein Kippen der Vorsprünge
entlang einer der Diagonalen (2) ist es
möglich,
diese Ausrichtungsrichtung zu bevorzugen. Durch eine Computersimulation
dieser Geometrie haben wir herausgefunden, dass, obwohl nur eine
Azimutausrichtungsrichtung vorliegt, es tatsächlich zwei Zustände mit ähnlichen
Energien gibt, die sich jedoch dadurch unterscheiden, wie stark
der LC gekippt ist. 2 ist eine Schematik der beiden
Zustände.
In einem Zustand (links in 2 gezeigt)
ist der LC stark gekippt und in dem anderen ist er planar um die
Vorsprünge herum.
Die genaue Natur der LC-Ausrichtung hängt von den Details der Struktur
ab, für
einen Bereich von Parametern jedoch gibt es zwei unterschiedliche
Zustände
mit unterschiedlichen Kippwerten. Die beiden Zustände könnten durch
eine Betrachtung durch einen Polarisator 6 und einen Analysator 6 unterschieden
werden. Der Zustand mit geringem Kippen weist eine hohe Doppelbrechung
auf und der Zustand mit hohem Kippen weist eine geringe Doppelbrechung auf.
-
Ohne
Einschränkung
des Schutzbereichs der Erfindung auf jegliche Art und Weise glauben
wir, dass die beiden Zustände
aufgrund der Art und Weise, auf die der LC durch den Vorsprung verformt
wird, entstehen könnten.
Ein Fließen
um einen Vorsprung herum bewirkt Regionen mit Hochenergiedichte
an der vorderen und hinteren Kante des Vorsprungs, wo eine scharfe
Richtungsänderung
vorliegt. Dies ist in 1 in der unteren linken und
oberen rechten Ecke des Vorsprungs zu sehen. Diese Energiedichte
wird reduziert, wenn die LC-Moleküle gekippt sind, da dort eine
weniger starke Richtungsänderung
vorliegt. Dies ist bis zu der Grenze klar, dass Moleküle in der gesamten
Zelle homöotrop
sind. In diesem Fall, gibt es keine Region mit starker Verzerrung
an den Vorsprungskanten. In dem Zustand größeren Kippens wird diese Verformungsenergie
deshalb reduziert, jedoch zu Lasten einer höheren Biege-/Abschrägungsverformungsenergie
an der Basis der Vorsprünge. Der
LC in Kontakt mit der flachen Oberfläche zwischen Vorsprüngen ist
nicht gekippt, wird jedoch einer scharfen Richtungsänderung
unterzogen, wenn er das Kippen um die Vorsprünge herum annimmt.
-
In
dem Zustand geringen Kippens wird die Energie in dem entgegengesetzten
Sinn ausgeglichen, wobei die starke Verformung um die vordere und
die hintere Kante des Vorsprungs herum teilweise durch den Mangel
der Biege-/Abschrägungsverformung
an der Basis des Vorsprungs ausgeglichen wird, da das Kippen um
den Vorsprung herum einheitlich ist. Unsere Computersimulationen
legen nahe, dass für
die gegenwärtige
Konfiguration der Zustand mit höherem
Kippen der Zustand mit niedriger Energie ist.
-
Dies
wird durch die Ergebnisse einer Computersimulation und in tatsächlichen
Zellen gestützt. Wenn
die Zellen in einem geeigneten Winkel zwischen gekreuzten Polarisatoren
betrachtet werden, kühlen
diese sich immer in den dunkleren der beiden Zustände ab.
Aus 2 wäre
zu erkennen, dass der Zustand mit hohem Kippen eine geringere Doppelbrechung
aufweist und deshalb dunkler erscheint als der Zustand mit niedrigem
Kippen. Die genaue Kippmenge in dem Zustand mit hohem Kippen ist
eine Funktion der elastischen Konstanten des LC-Materials und der
planaren Verankerungsenergie des Vorsprungsmaterials.
-
Die
Vorsprünge
könnten
unter Verwendung einer Hartkontaktmaskenbelichtung einer Photoresistschicht
auf einem Glassubstrat gebildet werden, wie unten beschrieben ist.
Beispielhaft könnten
die Vorsprünge
quer 0,7 × 0,7 μm messen
und üblicherweise
bis zu 1,5 μm
hoch sein.
-
4 zeigt
eine Einheitszelle eines pseudozufälligen Arrays von Vorsprüngen. Jeder
quadratische Vorsprung misst etwa 0,8 × 0,8 μm und das pseudozufällige Array
weist eine Wiederholungslänge
von 56 μm
auf. Die Positionen der Vorsprünge sind
effektiv randomisiert, die Ausrichtung der Vorsprünge jedoch
wird festgehalten. In diesem Fall gibt es kein reguläres Gitter,
um den LC auszurichten, so dass jede Ausrichtung aufgrund der Vorsprünge sein muss.
Wir finden experimentell für
eine HAN-Zelle mit einem LC-Material mit positiver dielektrischer
Anisotropie heraus, dass sich der LC entlang der Vorsprungsdiagonalen
ausrichtet, wie auch für
ein reguläres
Array.
-
Nun
Bezug nehmend auf 3 ist ein computererzeugtes
Modell einer LC-Ausrichtung um einen quadratischen Vorsprung herum
gezeigt, ähnlich wie
in 2 gezeigt ist, die Innenoberfläche der zweiten Zellwand jedoch
ist behandelt, um eine planare Ausrichtung zu ergeben. In dem links
in 3 gezeigten Zustand ist der Lokaldirektor stark
gekippt und in dem anderen ist er um die Vorsprünge herum planar. Wie bei der
Zelle aus 2 wird ein Umschalten zwischen
den beiden Zuständen
durch das Anlegen geeigneter elektrischer Signale erzielt.
-
Wir
haben eine Computersimulation der homöotropen Ausrichtung durch Vorsprünge durchgeführt. Wir
haben 3 μm
dicke Zellen mit einem Array quadratischer Vorsprünge, die
quer 300 nm messen, auf einem Substrat modelliert, wobei das andere Substrat
flach ist, jedoch als ein Material modelliert ist, das eine starke
planare Ausrichtung ergibt. Wir haben eine Vielzahl von Vorsprungshöhen und
Beabstandungen modelliert, um zu sehen, wann der LC eine homöotrope Ausrichtung
um die Vorsprünge
herum annimmt. 5 zeigt die Seitenansicht einer Computersimulation
einer Region, die einen einzelnen Vorsprung, der etwa 1,8 μm hoch ist,
auf dem unteren Substrat enthält.
Aufgrund der Wechselwirkung mit dem oberen Substrat ist um den Posten
herum der LC stark gekippt, während
die Ausrichtung oberhalb des Postens planarer ist.
-
In
den Computersimulationen haben wir den Effekt eines Variierens der
Vorsprungshöhe
von 0,2 – 2,6 μm, wobei
der Zwischenraum zwischen Vorsprüngen
von 0,6 – 1,2 μm variiert,
modelliert. Mit ansteigender Vorsprungshöhe verändert sich die Ausrichtung
von gerade planar bis zu bistabil oder multistabil zwischen dem
planaren Zustand und einem stärker
gekippten Zustand. Bei weiterer Erhöhung der Vorsprungshöhe wird
der planare Zustand energiemäßig zu hoch
und es liegt nur der stark gekippte homöotrope Zustand vor. Frühere Stu dien
zeigen an, dass eine homöotrope
Ausrichtung beginnt, wenn die Vorsprungshöhe in etwa gleich der durchschnittlichen
Vorsprunsbeabstandung ist. Der Effekt setzt sich vermutlich bis
zu Vorsprüngen
mit sehr kleinem Querschnitt hin fort. Eine erwartete obere Grenze
des Vorsprungsquerschnitts für
eine homöotrope
Ausrichtung ist, wenn die Vorsprungsbreite in der Größenordnung
des Zellzwischenraums ist.
-
Bezug
nehmend auf die 6 und 7 sind Beispiele
unterschiedlicher Vorsprungsformen gezeigt, die eine LC-Ausrichtung
bei einem zufälligen oder
pseudozufälligen
Array erzeugen. Der in 6 gezeigte Vorsprung weist einen
elliptischen Querschnitt auf und der LC-Direktor richtet sich lokal
entlang der langen Achse der Ellipse aus. Für den gleichseitigen dreieckigen
Vorsprung aus 7 gibt es drei mögliche Direktorausrichtungen,
die energiemäßig gleich
sind, die alle parallel zu einer Linie sind, die das Dreieck in
gleiche Hälften
unterteilt. Eine derartige Ausrichtung ist dargestellt. Durch ein
Kippen der Vorsprünge
in der Richtung eines der Scheitelpunkte kann diese Ausrichtungsrichtung
bevorzugt werden. Alternativ bewirkt ein Verlängern des Dreiecks, dass eine
Direktorausrichtung bevorzugt wird. Ein gleichschenkliges Dreieck
bevorzugt eine Direktorausrichtung entlang der Hauptachse des Dreiecks. In
jedem Fall nimmt der LC abhängig
von der Höhe der
Vorsprünge
eine lokal planare oder gekippte planare Ausrichtung an. Wenn die
Innenoberfläche
der zweiten Zellwand behandelt ist, um eine lokale homöotrope Ausrichtung
zu ergeben, bewirkt das Anlegen eines elektrischen Feldes, dass
sich die LC-Moleküle mit
positiver dielektrischer Anisotropie mit dem Feld in einer homöotropen
Ausrichtung aufstellen. Die Zelle fungiert deshalb in einem HAN-Modus.
Durch die Bereitstellung einer unterschiedlichen planaren Ausrichtung
an der zweiten Zellwand, was ebenso Vorsprünge sein könnten, könnten auch andere Anzeigemodi
verwendet werden, wie z. B. der TN- oder (mit einem chiral-dotierten
LC-Material) STN-Modus.
-
Die 8 – 11 zeigen
perspektivische Ansichten von Vorsprüngen von Vorrichtungen gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Die Vorsprünge
sind in pseudozufälligen
Arrays angeordnet. In 8 sind elliptische Vorsprünge gezeigt,
wobei die langen Achsen der Ellipsen parallel sind. Abhängig von
ihrer Höhe
erzeugen die Vorsprünge
entweder eine einheitliche planare Ausrichtung, eine bistabile oder
multistabile Ausrichtung (planar oder gekippt) oder eine homöotrope Ausrichtung
(die gekippt sein könnte).
In 9 sind elliptische Vorsprünge willkürlich ausgerichtet, was eine Ausrichtungsstruktur
bereitstellt, in der keine stark bevorzugte Fernausrichtung des
nematischen Direktors vorliegt. Es kommt in Betracht, dass diese
Struktur und andere wie diese mit einem LC-Material mit positiver
dielektrischer Anisotropie in einer Anzeige mit einem Streumodus
verwendet werden könnten. 10 stellt
eine Anordnung von Vorsprüngen
mit einer Mehrzahl von Formen und Größen dar, die verwendet werden
könnten,
um eine gesteuerte Ausrichtung in unterschiedlichen Bereichen zu
ergeben, sowie unterschiedliche Effekte, wie z. B. Grauskala. Andere
Anordnungen und Effekte sind natürlich
möglich.
Die Vorsprünge
könnten
z. B. unterschiedliche Höhen
in unterschiedlichen Regionen aufweisen, wie in 12 dargestellt
ist, die auch unterschiedliche Vorsprungsgrößen und Ausrichtungen in einer
pseudozufälligen
Anordnung zeigt. Die Vorsprünge
in 11 sind in unterschiedlichen Regionen der Anzeige
in unterschiedlichen Winkeln gekippt, wodurch unterschiedliche Kippwinkel
in der LC-Ausrichtung und die Möglichkeit
der Erzeugung einer Grauskala, wie z. B. in einem HAN-Modus, erzeugt
werden. In einem HAN-Anzeigemodus ergibt ein Variieren der Vorsprungshöhe eine
Variation des Umschaltverhaltens.
-
Zellherstellung
-
Ein
typisches Verfahren ist unten mittels nicht einschränkenden
Beispiels beschrieben. Ein sauberes Glassubstrat 2, das
mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtet ist, wird genommen und Elektrodenstrukturen 12 werden
unter Verwendung herkömmlicher
Lithographie- und Nassätzprozeduren geformt.
Das Substrat wird mit einem geeigneten Photoresist (Shipley 51813)
auf eine letztendliche Dicke von 1,3 μm schleuderbeschichtet.
-
Eine
Photomaske (Compugraphics International PLC) mit einem Array geeignet
dimensionierter undurchsichtiger Regionen, z. B. in Einheitszellen, die 4 entsprechen,
wird in einen harten Kontakt mit dem Substrat gebracht und eine
geeignete UV-Quelle wird verwendet, um das Photoresist zehn Sekunden
lang bei etwa 100 mW/cm2 zu belichten. Das
Substrat wird unter Verwendung von Microposit Developer, 1:1 mit
entionisiertem Wasser verdünnt, 20
Sekunden lang entwickelt und trockengespült. Das Substrat wird unter
Verwendung einer 365 nm-UV-Quelle drei Minuten lang mit 30 mW/cm2 flut-belichtet und bei 85°C zwölf Stunden
lang nachgehärtet.
Das Substrat wird dann unter Verwendung einer 254 nm-UV-Quelle mit etwa
50 mW/cm2 eine Stunde lang mit Wellenlängen im
fernen Ultraviolettbereich ausgehärtet. Durch ein Belichten durch
die Maske unter Verwendung einer UV-Quelle in einem Versatzwinkel
zu der Normalen zu der Ebene der Zellwand könnten gekippte Vorsprünge erzeugt
werden. Der Kippwinkel (oder Blaze-Winkel) ist durch das Snelliussche
Gesetzt auf den Versatzwinkel bezogen. Die Vorsprünge könnten etwas
abgerundete Kanten aufweisen und sind nicht notwendigerweise überhängend. Die
präzise
Form hängt
von Verarbeitungsparametern ab, wie auf dem Gebiet der Photolithographie
feiner Merkmale bekannt und verständlich ist.
-
Ein
zweites sauberes ITO-Substrat 4 mit Elektrodenstrukturen 14 wird
genommen und unter Verwendung eines Stearyl-Carboxy-Chrom-Komplexes auf eine bekannte
Art und Weise be handelt, um eine homöotrope Ausrichtung des Flüssigkristalls
zu ergeben.
-
Eine
LC-Testzelle wird durch ein Zusammenbringen der Substrate unter
Verwendung geeigneter Abstandshalterkügelchen (Micropearl), die in
einem UV-aushärtenden
Kleber (Norland Optical Adhesives N73) enthalten sind, um die Peripherie
der Substrate 2, 4 herum gebildet und unter Verwendung einer 365 nm-UV-Quelle
ausgehärtet.
Die Zelle wird mit einer nematischen Flüssigkristallmischung mit positiver
dielektrischer Anisotropie, wie z. B. ZLI 2293 (Merck), kapillar-gefüllt. Es
ist bekannt, dass ein Umschalten in herkömmlichen LC-Vorrichtungen durch
die Hinzufügung
von Oberflächenaktivmittel-Oligomeren
zu dem LC verbessert werden kann. Siehe z. B. G P Bryan-Brown, E
L Wood und I C Sage, Nature, Bd. 399, Seite 338, 1999. Ein oberflächenaktives
Mittel könnte
wahlweise im dem LC-Material gelöst
sein. Verfahren zum Beabstanden, Anordnen und Füllen von LC-Zellen sind Fachleuten auf dem Gebiet
der LCD-Herstellung bekannt und derartige herkömmliche Verfahren könnten auch
bei dem Beabstanden, Anordnen und Füllen von Vorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.