DE69937479T2

DE69937479T2 - Dünnfilm-Kompensatoren, die eine planare Ausrichtung von polymerisierten Flüssigkristallen an der Grenzfläche zu Luft aufweisen

Info

Publication number: DE69937479T2
Application number: DE69937479T
Authority: DE
Inventors: Young J. Calabasas Chung; Zhiming Thousand Oaks Zhuang; Bruce K. Thousand Oaks Winker; Jane H. Thousand Oaks Hanamoto; Zili Barrington Li
Original assignee: Rockwell Science Center LLC
Current assignee: Rockwell Science Center LLC
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: JP2000105315A; US5995184A; DE69937479D1; EP0989442B2; KR100781978B1; EP0989442A3; EP0989442A2; EP0989442B1; JP2010020331A; KR20000022649A; DE69937479T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Verzögerungsmittel, und insbesondere auf Dünnfilm-Verzögerungsmittel zur Verbesserung des Betrachtungswinkels und der Helligkeit von Flüssigkristallanzeigen. Spezifisch betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Phasenverzögerungsplatte und eine Phasenverzögerungsplatte.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Gewaltige Fortschritte in der Technologie der Flüssigkristallanzeige haben fortschrittliche Anzeigegeräte hervorgerufen, die heller, leichter sind und dazu fähig sind, Information mit hoher Auflösung anzuzeigen. Aufgrund des leichten Gewichtes, eines geringeren Formfaktors und geringerer Energieerfordernisse von Flüssigkristallanzeigen zeigen sie verschiedene Vorteile gegenüber alternativen Anzeigen, wie z. B. Kathodenstrahlröhrenanzeigen. Flüssigkristallanzeigen weisen jedoch den Nachteil von schlechtem Kontrast und/oder Chromatizität bei weiten Betrachtungswinkeln auf, wodurch das Betrachten der Anzeige in vielen Betrachtungssituationen oft schwierig ist.
Der primäre Faktor, der das in einer Flüssigkristallanzeige erreichbare Kontrastverhältnis begrenzt, ergibt sich aus Licht, das durch Teile der Anzeige, von denen angenommen wird, dass sie in einem dunklen Zustand sind, durchsickert. Das Kontrastverhältnis eines Flüssigkristalls hängt auch von dem Betrachtungswinkel des Beobachters ab. Es ist allgemein bekannt, dass das Kontrastverhältnis in einer typischen Flüssigkristallanzeige nur innerhalb eines engen Betrachtungswinkels, der um den senkrechten Einfall zentriert ist, ein Maximum ist, und abfällt, wenn der Betrachtungswinkel sich erhöht. Dieser vom Betrachtungswinkel abhängige Abfall im Kontrastverhältnis wird durch Licht verursacht, das bei größeren Betrachtungswinkeln durch Bildelemente im Dunkelzustand durchsickert. Große Betrachtungswinkel können in Farbanzeigen auch Farbverschiebungen verursachen.
Um den Kontrast und den Betrachtungswinkel zu verbessern, können in der Flüssigkristallanzeige optische Kompensatorschichten enthalten sein. Die Notwendigkeit für solche Kompensatoren erhöht sich bei superverdrillten (super twisted) nematischen (STN)-Flüssigkristallanzeigen, bei denen es übliche Praxis ist, eine zweite STN-Anzeigetafel einzubauen, die einen entgegengesetzten Drall aufweist, um die Doppelbrechung der ersten Tafel zu kompensieren. Da es kostspielig ist, eine zweite Flüssigkristallanzeigetafel nur als Kompensator bereitzustellen, weisen viele Anzeigen optische Kompensatoren, wie z. B. Phasenverzögerungsfilme, auf. Die Verwendung solcher Verzögerungsfilme wurde in den US-Patenten Nr. 5 196 953 (erteilt an Yeh et al.), 5 504 603 (erteilt an Winker et al.), 5 557 434 (erteilt an Winker et al.), 5 589 963 (erteilt an Gunning, III et al.), 5 619 352 (erteilt an Koch et al.), 5 612 801 (erteilt an Winker) und 5 638 197 (erteilt an Gunning, III et al.) beschrieben. Zwischen einem Paar von Polarisatorschichten ist eine Flüssigkristallschicht sandwichartig angebracht, wobei ein Polarisator eine zur Absorptionsachse des anderen senkrechte Absorptionsschicht aufweist. Durch Zusatz von einer oder mehreren Kompensatorschichten wird das Kontrastverhältnis über einen breiten Bereich von Betrachtungswinkeln durch sorgfältige Orientierung der optischen Achse des Kompensators verbessert. Der kombinierte Verzögerungseffekt des Kompensators löscht die in Flüssigkristallanzeigen inhärente Phasenverzögerung. Alle vorstehend genannten Patente wurden entweder zusammen mit dieser Anmeldung übertragen oder an die Firma des Abtreters, Rockwell International Corporation, übertragen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Phasenverzögerungsplatte, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, ist in US 5 667 854 beschrieben.
Ein in diesen Patenten besprochener in den Kompensatorschichten enthaltener Kompensator ist als A-Platten-Kompensator bekannt. Eine A-Platte ist eine doppelbrechende Schicht, in der ihre außerordentliche Achse (d. h., ihre C-Achse) parallel zur Oberfläche der Schicht orientiert ist, und ihre a-Achse senkrecht zur Oberfläche (parallel zur Richtung des senkrecht einfallenden Lichtes) orientiert ist. A-Platten des Standes der Technik können unter Verwendung von einaxial gestreckten Polymerfilmen, wie z. B. Polyvinylalkohol, oder anderem geeignet orientierten organischen doppelbrechenden Material hergestellt werden. Unglücklicherweise sind die Qualität und die Gleichmäßigkeit der optischen Eigenschaften solcher A-Platten des Standes der Technik im allgemeinen schlecht. Außerdem muss die A-Platte unter Spannung gehalten werden, und das Material muss relativ dick sein, um eine ausreichende Anisotropie zu erhalten. Ein Laminat solcher A-Platten mit anderen Verzögerungsfilmen ergibt außerdem oft eine Spannungs-induzierte Doppelbrechung, wenn es erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.
Neuerdings wurde berichtet, dass Verzögerungsfilme aus Ultraviolett(UV)-härtbaren Flüssigkristallen erhalten werden können; siehe z. B. H. Hasebe, K. Takeuchi und H. Takatsu, J. SID. 3/3, 139 (1995). Wie in der 5 gezeigt, werden zwei Substrate bereitgestellt, damit traditionelle Ausrichtungstechniken verwendet werden können, um eine Spreizung in der Kristallstruktur, die sonst durch die intrinsische Neigung des Flüssigkristalls an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche eingeführt werden kann, zu eliminieren. Da Polyimid-Ausrichtungsmaterial jedoch sehr teuer ist, ist es unerwünscht, Ausrichtungsschichten an zwei Substrate zu applizieren. Es ist auch unbefriedigend, sich dem mit der Ausrichtung und der Beabstandung der zwei Substrate verbundenen Aufwand auszusetzen, wenn eines oder beide Substrate nach der Photopolymerisierung des UV-härtbaren Flüssigkristalls verworfen werden. Es ist außerdem unbefriedigend, auf beabstandete parallele Substrate zu vertrauen, um die Orientierung des Flüssigkristalls vor der Photopolymerisierung festzusetzen, da mit beabstandeten Substraten eine praktische Begrenzung im Hinblick auf die erreichbare Größe und Gleichmäßigkeit besteht.
Es ist natürlich wünschenswert, die Zahl der zur Orientierung des UV-härtbaren Flüssigkristallmaterials erforderlichen Substrate zu minimieren. Wie im vorstehend genannten US-Patent Nr. 5 619 352 angegeben, können polymeririsierbare Flüssigkristalle in einem Verfahren verwendet werden, das eine einzige Substratoberfläche beschichtet, um Dünnfilmkompensatoren auszubilden. Dieses Verfahren eliminiert die Notwendigkeit der Bereitstellung eines zweiten Substrats, das eine Ausrichtungsschicht zum Ausrichten des Flüs sigkristalls aufweist. Die meisten polymerisierbaren Flüssigkristalle weisen jedoch einen intrinsischen von Null verschiedenen Neigungswinkel an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche auf, der es schwierig macht, die planare Orientierung des Flüssigkristalls, die für A-Platten-Kompensatoren erforderlich ist, zu erzielen. Es wird deshalb ein effizientes und wirtschaftliches Verfahren benötigt, um einen Neigungswinkel an der nematischen/Luft-Grenzfläche zu erzielen, der geringer als der intrinsische Neigungswinkel des polymerisierbaren Flüssigkristalls ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 1 bereit. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14 bereit.
Die vorliegende Erfindung betrifft Dünnfilmkompensatoren zur Verbesserung des Betrachtungswinkels und des Kontrastes von Flüssigkristallanzeigen, und insbesondere verdrillte nematische Flüssigkristallanzeigen. Dünnfilmkompensatoren, wie z. B. cholesterische und A-Platten-Kompensatoren, können unter Verwendung eines einzigen Substrats, auf dem eine Schicht von polymerisierten Flüssigkristallen aufgebracht wird, hergestellt werden. Vorteilhafterweise weist der polymerisierbare Flüssigkristall an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche einen Neigungswinkel von ca. 0° auf. Alternativ weist der polymerisierbare Flüssigkristall an der nematischen/Luft-Grenzfläche einen Neigungswinkel auf, der größer als 0° ist, aber geringer als der intrinsische Neigungswinkel des polymerisierbaren Flüssigkristalls.
Erfindungsgemäß wird eine Lösung polymerisierbarer Flüssigkristalle auf ein präpariertes Substrat aufgebracht. Die Lösung umfasst polymerisierbare Flüssigkristalle in Kombination mit einer Klasse von Additiven, die die polymerisierbaren Flüssigkristalle an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche geeignet orientieren. Die Additive können sein oberflächenaktive Mittel, Trennmittel oder andere oberflächenaktive Chemikalien, die in der Lösung löslich sind. Die Konzentration der Additive in der Lösung sollte einen kritischen Minimalwert übersteigen, sollte aber nicht einen Wert übersteigen, bei dem eine Phasentrennung auftritt. Die Additive können entweder reaktiv oder nicht-reaktiv sein. Vorteilhafterweise können z. B. sowohl reaktive (wie z. B. Acrylate und Vinylether) als auch nicht-reaktive Siliconöl-oberflächenaktive Mittel verwendet werden.
Die Lösung wird dann auf einem Substrat abgelagert, das eine anisotrope Oberfläche aufweist. Das Additiv wandert zu der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche und bildet eine additivreiche Oberflächenschicht, die wieder den Neigungswinkel der polymerisierbaren Flüssigkristalle an der Grenzfläche zu Luft erniedrigt. Der resultierende Film wird in der Flüssigkristallphase polymerisiert, um die geeignete molekulare Orientierung permanent zu fixieren.
Der resultierende Film kann leicht von dem Substrat abgetrennt werden und in gewünschtes Muster geformt werden. Diese und andere, vorstehend nicht spezifisch beschriebene Vorteile der vorliegenden Erfindung werden der hier enthaltenen detaillierten Erörterung klar verständlich.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Schnittansicht eines A-Platten-Kompensators gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht eines auf einem einzigen Substrat abgeschiedenen polymerisierbaren Flüssigkristallmaterials, das den inhärenten Neigungswinkel der polymerisierbaren Flüssigkristalle an der Grenzfläche zu Luft zeigt.
3 veranschaulicht eine mögliche Art zur Abscheidung des polymerisierbaren Flüssigkristallmaterials auf einem Substrat.
4 veranschaulicht ein Verfahrensfließdiagramm zur Herstellung eines dünnen Verzögerungsfilms gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht ein Phasendiagramm für ein polymerisierbares Flüssigkristallmaterial.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird ein neuer Dünnfilmkompensator zur Verbesserung des Betrachtungswinkels und der Helligkeit von Flüssigkristallanzeigen bereitgestellt. Spezifisch ausgedrückt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein polymerisierbares Flüssigkristallmaterial auf einem einzigen Substrat abgeschieden und ein doppelbrechender Dünnfilmkompensator erhalten. Da ein Kompensator die durch die Flüssigkristallanzeige eingebrachte Phasenverzögerung korrigiert, indem er die Phase des durchgelassenen Lichts verzögert, ist es üblich, den Kompensator als Phasenverzögerungsplatte zu bezeichnen. Diese Kompensatorfilme weisen eine doppelbrechende Schicht auf, die an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche einen Neigungswinkel aufweist, der geringer als ca. 25° ist. Vorzugsweise weist die Schicht an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche einen Neigungswinkel von im wesentlichen Null auf, wobei ihre außergewöhnliche Achse, d. h., die c-Achse, parallel zur Oberfläche der Schicht orientiert ist, und die a-Achse senkrecht zur Oberfläche (d. h., parallel zur Richtung des senkrecht einfallenden Lichts) orientiert ist. Im Fall, dass das polymerisierbare Flüssigkristallmaterial chiral ist, variiert die c-Achse azimutal durch den Film, und der Film wird als cholesterischer Film bezeichnet. Im Fall, in dem das polymerisierbare Flüssigkristallmaterial achiral ist, orientiert sich die c-Achse gleichmäßig in einer spezifischen azimutalen Richtung im Innern des Films, und der resultierende Film ist ein A-Platten-Film.
Die US-Patente US 6 320 634 und US 5 986 734 , beide mit dem Titel Organic Polymer O-Plate Compensator For Improved Gray Scale Performance in Twisted Nematic Liquid Crystal Displays, wird ein O-Platten-Kompensatorfilm beschrieben, der eine hohe Neigungsorientierung des Direktors des Flussigkristallmaterials an der Grenzfläche gegen Luft aufweist. Diese Anmeldungen, deren Beschreibung hiermit durch Bezugnahme darauf Bestandteil dieser Beschreibung ist, veranschaulichen insbesondere die Herstellung und Verwendung eines O-Platten-Kompensators mit Polarisatoren und/oder Analysatoren in einem Flüssigkristallanzeige(LCD)-System, um das Kontrastverhältnis zu verbessern. Die vorstehend genannten Anmeldungen sind auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen.
In 1 wird eine nachstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, wie sie unter Verwendung eines polymeren Flüssigkristall-Dünnfilms zur Bildung eines A-Platten-Kompensators durchgeführt werden könnte. Spezifisch beschrieben veranschaulicht 1 ein Substrat 102, das eine auf einer Oberfläche applizierte Ausrichtungsschicht 104 aufweist. Ein Dünnfilm 106 aus polymerisierbaren Flüssigkristallen ist an der Oberseite der Ausrichtungsschicht 104 angebracht.
Das Beschichten einer Oberfläche des Substrats 102 mit einem Polyimidmaterial bildet eine Ausrichtungsschicht 104. Die Ausrichtungsschicht wird dann so behandelt, dass die Moleküle des polymerisierbaren Flüssigkristalls an der Grenzfläche des polymerisierbaren Flüssigkristalls und der Ausrichtungsschicht 104 einen niedrigen Neigungswinkel aufweisen. Da die vorliegende Erfindung ein einziges Substrat bereitstellt, bildet die Oberseite des dünnen Films 106 eine Grenzfläche mit Luft, wie bei 108 angezeigt. Wie vorstehend erläutert, weisen die Moleküle des polymerisierbaren Flüssigkristalls an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 eine intrinsische Neigung (d. h., ca. 20° bis 80°) auf, der überwunden werden muss, um eine A-Platte zu erhalten. Dieser intrinsischer Neigungswinkel θ ist in 2 dargestellt, und die Moleküle tendieren dazu, einen unerwünschten Spreizungswinkel über die Dicke des dünnen Films 106 zu zeigen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 ein Neigungswinkel von im wesentlichen Null (0°) in einer bevorzugten in 1 dargestellten Ausführungsform erzielt. Wie nachstehend näher erläutert, weist der Dünnfilm 106 an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 eine freie Oberfläche auf, die eine an Additiv reiche Konzentration oder Schicht in der Nähe der Grenzfläche zu Luft aufweist. Die Konzentration des Additivs verringert den Neigungswinkel der polymerisierbaren Flüssigkristalle an der Grenzfläche zu Luft. Durch Modifizieren der Konzentration der an Additiv reichen Schicht kann das Flüssigkristallmaterial somit einen Neigungswinkel aufweisen, der größer als oder gleich ca. 0° ist, aber geringer als der intrinsische Neigungswinkel des Flüssigkristallmaterials an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108. Insbesondere kann durch Variieren der Konzentration des Additivs der Neigungswinkel an der Grenzfläche zu Luft zwischen Null Grad (0°) und ca. 25 Grad (25°) sein.
Die polymerisierbare Flüssigkristallschicht wird in der Flüssigkristallphase polymerisiert, um die Molekülordnung mit einer im wesentlichen parallelen Orientierung des Direktors des Flüssigkristalls an der freien Oberfläche permanent zu fixieren. Oder die polymerisierbare Flüssigkristallschicht wird durch Variieren der Menge des oberflächenaktiven Mittels bei einem Winkel polymerisiert, der zwischen ca. 0° und den intrinsischen Neigungswinkeln an der Grenzfläche zu Luft liegt.
An der Substrat/Flüssigkristall-Grenzfläche kann der Direktor des zur Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht benachbarten Flüssigkristalls im wesentlichen parallel zum Substrat orientiert sein, wie dies in 1 dargestellt ist, oder in einem bestimmten schrägen Winkel relativ zum Substrat vorliegen. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass bekannte Mittel zur Abscheidung und Behandlung einer Ausrichtungsschicht verwendet werden können, um den Direktor des zum Substrat benachbarten Flüssigkristall bei anderen ausgewählten Winkeln zu orientieren, wie dies im Hinblick auf Technik oder Konstruktion erforderlich ist.
Mit einer schrägen Orientierung des Flüssigkristall-Direktors ist es möglich, eine gleichmäßige Neigungsvariation über die Dünnfilmschicht 106 zu errichten, da der Neigungswinkel an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 erfindungsgemäß im wesentlichen parallel zum Substrat 102 verbleibt. Eine Variation im Azimutwinkel durch die Dünnfilmschicht kann erzielt werden, indem man die polymerisierba rer Flüssigkristall-Lösung mit einem chiralen Additiv in einer ausreichenden Menge dotiert, um eine gewünschte helikale Steigung entlang einer zum Dünnfilm 106 senkrechten Achse bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein Flüssigkristallmaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Vinylethern und Epoxiden. Ein bevorzugter Ausgangsstoff des polymerisierbaren Flüssigkristalls (RM82) kann von Merck Ltd., Dorset, UK erhalten werden. Dieser polymerisierbare Flüssigkristall umfasst ein difunktionelles reaktives Material, Esterbindungen und aromatische Gruppen.
Um das Abscheideverfahren zu erleichtern, kann eine polymerisierbarer Flüssigkristall-Lösung formuliert werden. Eine solche Lösung ist eine Mischung verschiedener Komponenten. Sie umfasst die polymerisierbaren Flüssigkristalle. Die polymerisierbarer Flüssigkristall-Lösung umfasst auch ein organisches Lösungsmittel oder eine Mischung organischer Lösungsmittel zur Unterstützung der Abscheidung der Lösung auf einem Substrat.
In der polymerisierbarer Flüssigkristall-Lösung ist ein Additiv enthalten, um den Neigungswinkel des Flüssigkristall-Direktors an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 zu verringern. Spezifisch ausgedrückt ist das Additiv ein oberflächenaktives Mittel, Trennmittel oder eine andere oberflächenaktive Chemikalie, die in der polymerisierbarer Flüssigkristall-Lösung löslich ist. Das Additiv kann entweder reaktiv oder nicht-reaktiv sein. Es wurde gefunden, dass sowohl reaktive (wie Acrylate und Vinylether) als auch nicht-reaktive Siliconöl-oberflächenaktive Mittel vorteilhafterweise verwendet werden können. Beispielhaft angegeben kann das oberflächenaktive Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylatpolymeren, Polysiliconpolymeren, reaktiven Polysiliconpolymeren, Organosilanen, Wachsen und Formtrennmitteln. Insbesondere ist das oberflächenaktive Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polycyclohexylmethacrylat (PCHM) (ein zur Zeit bevorzugtes oberflächenaktives Material), Monsanto Modaflow 2100, erhältlich von Monsanto Chemical Company, St. Louis Missouri, Polydimethylsiloxan (PDMS), Dimethyldiethoxysilan und Polymethylmethacrylat (PMMA).
Die Konzentration des Additivs in der polymerisierbarer Flüssigkristall-Lösung sollte einen kritischen Minimalwert übersteigen, der ausreicht, um die intrinsische Neigung zu minimieren, aber die Konzentration sollte nicht einen Wert übersteigen, bei dem eine Phasentrennung auftritt. Es wurde gefunden, dass das oberflächenaktive Material zwischen 0,1% und 10,0% und insbesondere weniger als ca. 5,0 Gew.-% des Flüssigkristallmaterials betragen sollte. Die optimale Konzentration des oberflächenaktiven Materials wird empirisch bestimmt und wird durch viele Faktoren beeinflusst. Die optimale Konzentration kann z. B. beeinflusst werden durch die Oberflächenspannung des Additivs und den polymerisierbaren Flüssigkristall, die Dicke des resultierenden polymerisierten Films und der Temperatur, bei der der Flüssigkristall polymerisiert wird. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es erkennbar, dass zusätzliche Faktoren für spezifische technische Anwendungen auftreten können, die die optimale Konzentration beeinflussen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform verringern ca. 0,2 Gew.-% oberflächenaktives Mittel die Neigung des polymerisierbaren Flüssigkristalls an der Grenzfläche zu Luft in einem Film mit einer Dicke von ca. 1,0 μm auf ca. Null Grad. Als weiteres Beispiel wird die Konzentration an PMMA in RM257-Flüssigkristallmaterial gemäß den folgenden in Tabellenform angegebenen Ergebnissen variiert:

Konzentration (Gew.-%) Dicke (μm) Neigungswinkel (θ)

0,1 0,347 44,8

0,5 0,337 38,5

0,5 0,368 31,9

1,0 0,318 9,8

5,0 0,371 2,0

Tabelle 1
Für Illustrationszwecke weist eine andere bevorzugte Ausführungsform zur Ausbildung eines A-Platten-Kompensators eine auf das Substrat mittels eines Meniskus-Beschichtungsverfahrens applizierte Filmdicke von ca. 1,0 μm auf. Die Formulierung umfasst folgendes: 1) 14 Gew.-% polymerisierbarer Flüssigkristall (RM257); 2) 0,14 Gew.-% Photoinitiator (Irgacure 651, erhältlich von Ciba Geigy); 3) 0,024 Gew.-% oberflächenaktives Mittel (PCHM) und 4) 85,836 Gew.-% Lösungsmittel (Cyclopentanon). Eine andere bevorzugte Formulierung zur Ausbildung einer Dünnfilmdicke von Ca. 80 μm umfasst folgendes: 1) 35 Gew.-% RM257 und 15 Gew.-% RM82 (ebenfalls von Merck Ltd. erhältlich); 2) 0,5 Gew.-% Photoinitiator (Irgacure 651); 3) 0,012 Gew.-% oberflächenaktives Mittel (PDMS) und 4) 49,5 Gew.-% organisches Lösungsmittel (Monochlorbenzol).
Es sollte erkennbar sein, dass die Dicke des dünnen Films, sowie der Ausrichtungswinkel an der Substrat/polymerisierbarer Flüssigkristall-Grenzfläche leicht variiert werden kann, um gewünschte optische Eigenschaften zu erhalten. Die aktuelle Dicke des Films wird natürlich von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z. B. von der relativen Konzentration der Lösung, der Geschwindigkeit, mit der das Material auf das Substrat 102 durch das Beschichtungsverfahren aufgebracht wird, der Viskosität der Formulierung und der Oberflächenspannung der Lösung.
Die polymerisierbaren Flüssigkristalldünnfilme können auf einem präparierten Substrat durch mehrere Beschichtungsverfahren, die in der Industrie bekannt sind, abgeschieden werden. Beispielhaft angegeben kann das Beschichtungsverfahren eines der folgenden sein: Schleuderbeschichten, Meniskusbeschichten, Extrudierbeschichten usw.
4 zeigt unter Bezugnahme auf 1 ein Fließdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens 400 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer optischen Verzögerungsplatte, die an der polymerisierbarer Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche 108 einen Neigungswinkel von im wesentlichen Null aufweist. Verfahren 400 ist insbesondere zur Bereitstellung von A-Platten-Kompensatoren ausgestaltet. Für den Fachmann auf diesem Gebiet sollte es jedoch erkennbar sein, dass leicht neue Variationen möglich sind durch Auswählen von Flüssigkristallmaterial, das spezifische Eigenschaften aufweist, die spezifische Anwendungsziele erreichen, durch Variieren der Konzentration des chiralen Dotiermittels zur Bereitstellung eines cholesterischen Steigungs- und Drallwinkels, und durch Variieren des Ausrichtungswinkels, in dem der Direktor des Flüssigkristallmaterials relativ zum Substrat 102 orientiert ist.
Verfahren 400 beginnt mit der Auswahl des geeigneten Substrats 102. In Stufe 402 wird das Substrat 102 auf optische Mängel untersucht. Substrat 102 wird gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen und zur Abscheidung der Ausrichtungsschicht präpariert. Es ist verständlich, dass das Verfahren 400 unter Reinraumbedingungen durchgeführt wird.
In Stufe 406 wird die Ausrichtungsschicht 104 auf einer Oberfläche des Substrats 102 aufgebracht. Die Ausrichtungsschicht 104 ist eine dünne Beschichtung aus Polymer oder anderen Materialien, die die bevorzugte Orientierung der Molekülrichtung in der Flüssigkristall-Mesophase begründet. Um die Orientierung zu ergeben, wird die ausgesetzte Oberfläche der Ausrichtungsschicht in einer einzigen Richtung mit einem weichen Material geschliffen oder überstrichen, um anisotrope Oberflächeneigenschaften auszubilden, die die Flüssigkristallmoleküle in einer gemeinsamen azimutalen Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats ausrichten. Beispiele für bevorzugte Beschichtungen, die zur Ausbildung der Ausrichtungsschicht verwendet werden können, sind Polyvinylalkohol, Silane und Polyimide.
Für schräge Ausrichtungswinkel kann Siliciumoxid schräg auf der Oberfläche des Substrats 102 unter Verwendung einer physikalischen Dampfabscheidung abgeschieden werden. Wenn es erwünscht ist, eine homeotrope Ausrichtung zu erhalten (d. h., worin die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zum Substrat 102 ausgebildet sind), kann die Ausrichtungsschicht 104 aus einer amphiphilen Materialbeschichtung bestehen, in der jedes Molekül der Ausrichtungsschicht 104 ein polares Ende und ein nicht-polares Ende aufweist. Die polaren Enden haften auf dem Substrat, während das nicht-polare Ende (üblicherweise eine Kohlenwasserstoffkette) in den Flüssigkristallraum zeigt. Andere Verfahren zum Erzielen einer planaren und homeotropen Ausrichtung, die auf diesem Gebiet bekannt sind, wie z. B. Photoausrichtung, können ebenfalls verwendet werden.
Nach Abschluss des Ausrichtungsschichtverfahrens wird die Lösung des polymerisierbaren Flüssigkristalls auf das Substrat 102, wie in Stufe 408 angegeben, mittels Lösungsmittel gegossen. Wie in 3 dargestellt, wird die Lösung vorzugsweise unter Verwendung eines Meniskus-Beschichtungsverfahrens appliziert, worin die Lösung aus polymerisierbarem Flüssigkristall von einem Behälter 302 durch einen Schlitzlochkopf 304, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit über das Substrat läuft, aufgespritzt wird. Durch Variieren des Abstands des Kopfes 304 vom Substrat 102 und Steuern der Geschwindigkeit, mit der sich der Kopf 304 bewegt, können variierende Dicken des Dünnfilms 106 erhalten werden.
In Stufe 410 wird das Lösungsmittel verdampft, um die Ausbildung der Flüssigkristall-Mesophase und die Ausrichtung in der bevorzugten Richtung zu ermöglichen. Die Lösungsmittelverdampfung kann (unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Formulierungen) durchgeführt werden, indem man das beschichtete Substrat auf eine Heizplatte bei einer festgesetzten Temperatur von ca. 90°C 1 bis 5 Minuten lang gibt. Es ist einzusehen, dass das Temperaturprofil des Films während dieses Verfahrens von verschiedenen Faktoren abhängt. Das Temperaturprofil wird z. B. von den thermischen Koeffizienten des Substrats abhängen, und, wie in 4 gezeigt, von den Temperaturen T₁ und T₂, bei denen das polymerisierbare Flüssigkristallmaterial aus der kristallinen Phase oder einer anderen hochorientierten Flüssigkristallphase in die nematische Phase und von der nematischen Phase in die isotrope Phase übergeht. Die Temperatur des Films wird zwischen den Temperaturen T₁ und T₂ gehalten.
Nach Abdampfen des Lösungsmittels wird der Film in der Flüssigkristallphase polymerisiert, um den Dünnfilm 106 in der geeigneten molekularen Ordnung in Stufe 412 permanent auszurichten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Polymerisation durch Bestrahlung des Dünnfilms 106 mit aktivischer Strahlung durchgeführt. Für die vorstehend angegebenen spezifischen Formulierungen wird eine Belichtung mit ultraviolettem Licht (mit der zwischen der Temperatur T₁ und T₂ gehaltenen Temperatur des Films) eine permanente Vernetzung zwischen benachbarten Flüssigkristallen unter Bildung von langen Ketten vernetzter Moleküle ausbilden. Wenn diese Vernetzungen ausgebildet werden, bildet das Flüssigkristallmaterial einen Kunststofffilm mit einer in der bevorzugten Orientierung fixierten Ausrichtung.
Nach Polymerisieren des Dünnfilms 106 kann in Stufe 414 der Dünnfilm vom Substrat entfernt werden, und das Substrat kann verworfen oder wiederverwendet werden. Alternativ kann der Dünnfilm für spezifische Anwendungen auf dem Substrat 102 verbleiben. Der Dünnfilm kann leicht mit anderen Verzögerungsfilmen kombiniert werden, um neue Kompensatorstrukturen zu ergeben, wie z. B. in den vorstehend genannten Patenten beschrieben.
Ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass die kleinen Flüssigkristallmoleküle vor der Polymerisation leicht in der bevorzugten Orientierung ausgerichtet werden. Da das Material anfänglich in flüssiger oder viskoser Form vorhanden ist, ergibt die vorliegende Erfindung eine große Flexibilität in der Auswahl und der Herstellung der Form oder Dicke des Films, sowie in der Ausbildung von gemusterten oder mit Bildelementen (Pixel) versehenen Verzögerungsfilmen (in denen die Verzögerung oder die optische Achse des Films sich von Position zu Position ändert), indem man eine Photoausrichtungsschicht verwendet, oder während der UV-Bestrahlung Photomasken verwendet.
In der vorstehenden Beschreibung ist das Substrat 102 vorzugsweise eine Schicht eines Natronkalkglases, das eine ausreichende Festigkeit zur Unterstützung des Films während des Herstellungsverfahrens aufweist. Solche Substrate sind relativ billig und können in einer Vielzahl von Größen erhalten werden. Ein Vorteil ist es, dass die vorliegende Erfindung auch für die Verwendung mit Kunststoffsubstraten kompatibel ist. Mit Kunststoffsubstraten kann es tatsächlich möglich sein, die Polyimid-Ausrichtungsschicht durch direktes Schleifen des Kunststoffsubstrats wegzulassen, um den anisotropen Effekt mit dem Flüssigkristallmaterial zu erhalten.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Meniskus-Beschichtungsverfahrens war es möglich, unter Verwendung einer handelsüblich erhältlichen Meniskus-Beschichtungsausrüstung A-Platten mit einem Oberflächenbereich von etwa 289 Inch² (17 Inch × 17 Inch) zu erhalten. Es sollte erkennbar sein, dass durch Bewegen des Substrats unter dem Beschichtungskopf 304 leicht ein kontinuierlicher Streifen erhalten werden kann. Alternativ können andere auf diesem Gebiet bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Phasenverzögerungsplatte, umfassend die Stufen: (a) Bereitstellen eines Substrats (102); (b) Aufbringen einer Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) auf dem Substrat (102); (c) Aufbringen eines dünnen Films (106) aus einer Lösung aus einem polymerisierbaren Flüssigkristallmaterial in einem organischen Lösungsmittel auf die Ausrichtungsschicht (104) so, dass die freie Oberfläche des dünnen Films (106) eine Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) ausbildet, wobei das Flüssigkristallmaterial ein oberflächenaktives Mittel aufweist; (d) Verdampfen des Lösungsmittels und Einstellen der Temperatur des dünnen Films zwischen einer Temperatur, bei der das polymerisierbare Flüssigkristallmaterial aus einer Kristallphase (T₁) in eine nematische Phase übergeht, und einer Temperatur, bei der das polymerisierbare Flüssigkristallmaterial aus einer nematischen Phase (T₂) in eine isotrope Phase übergeht, um den Direktor des polymerisierbaren nematischen Flüssigkristallmaterials innerhalb des dünnen Films (106) zu orientieren; und (e) Polymerisieren des dünnen Films (106), um die Orientierung haltbar zu machen; dadurch gekennzeichnet, dass das oberflächenaktive Material die Neigungsorientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) verringert; und dadurch, dass die Konzentration des oberflächenaktiven Materials ausreicht, um einen Neigungswinkel zu ergeben, der größer als oder gleich Null Grad ist, aber kleiner ist als der intrinsische Neigungswinkel des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108).
Verfahren nach Anspruch 1, worin in Stufe (c) die Konzentration des oberflächenaktiven Materials ausreicht, um eine im wesentlichen parallele Orientierung des Direktors des nematischen Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin (a) die Stufe des Bereitstellens eines Substrats (102) umfasst: (a1) Bereitstellen eines Kunststoffsubstrats (102); (b) die Stufe des Aufbringens der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) auf dem Substrat (102) umfasst: (b1) Reiben des Substrats (102), um darauf eine Ausrichtungswirkung für Flüssigkristallmoleküle bereitzustellen, oder (b2) Schleifen des Substrats (102), um darauf eine Ausrichtungswirkung für Flüssigkristallmoleküle bereitzustellen; und (c) worin die Stufe des Aufbringens eines dünnen Films (106) aus einem polymerisierbaren Flüssigkristallmaterial umfasst: (c1) Aufbringen eines dünnen Films (106) aus einem polymerisierbaren Flüssigkristallmaterial auf das ausgerichtete Substrat (102).
Verfahren nach Anspruch 1, worin (c) die Stufe des Aufbringens eines dünnen Films (106) aus einem polymerisierbaren Flüssigkristallmaterial umfasst, (c2) Aufbringen eines dünnen Films (106) so, dass die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials an der Grenzfläche mit der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) im wesentlichen parallel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin (c) die Stufe des Aufbringens eines dünnen Films (106) aus einem polymerisierbaren Flüssigkristallmaterial umfasst, (c3) Aufbringen eines dünnen Films (106) so, dass die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials an der Grenzfläche mit der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) im wesentlichen schräg ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Flüssigkristallmaterial ein oberflächenaktives Material enthält, das eine Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) von ca. 25 Grad (25°) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin (e) die Stufe des Polymerisierens des dünnen Films (106) ferner umfasst (e1) Belichten des drinnen Films (106) mit aktinischer Strahlung, um den dünnen Film (106) zu polymerisieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Flüssigkristallmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Vinylethern und Epoxiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Flüssigkristallmaterial difunktionell reaktives Material, Esterbindungen und/oder aromatische Gruppen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das oberflächenaktive Material weniger als 5 Gew.-% des Flüssigkristallmaterials bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das oberflächenaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylatpolymeren, Polysiliconpolymeren, reaktiven Polysiliconpolymeren, Organosilanen, Wachsen und Formtrennmitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das oberflächenaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polycyclohexylmethacrylat, Copolymeren von Polycyclohexylmethacrylat, Monsanto Modaflow 2100, Polydimethylsiloxan, Polymethylmethacrylat und Dimethyldiethoxysilan.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Flüssigkristallmaterial ein oberflächenaktives Material enthält, das eine Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) von zwischen ca. Null Grad (0°) und ca. 25 Grad (25°) ausbildet.
Phasenverzögerungsplatte, die aufweist: (i) ein Substrat (102); (ii) eine Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104), die auf diesem Substrat (102) angeordnet ist; (iii) einen dünnen Film (106) aus einem polymerisierten nematischen Flüssigkristallmaterial, das auf der Ausrichtungsschicht (104) so angeordnet ist, dass die ausgesetzte Oberfläche des dünnen Films (106) eine Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass (iv) das oberflächenaktive Material in dem dünnen Film (106) nahe einer ersten Oberfläche des dünnen Films (106) so angeordnet ist, dass das oberflächenaktive Material die Neigungsorientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials in der Nähe der ersten Oberfläche verringert; die Konzentration des oberflächenaktiven Materials ausreicht, um einen Neigungswinkel auszubilden, der größer oder gleich Null Grad, aber kleiner als der intrinsische Neigungswinkel des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) ist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14, worin das oberflächenaktive Material in dem dünnen Film (106) nahe der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) so angeordnet ist, dass das oberflächenaktive Material eine im wesentlichen parallele Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) ausbildet, der dünne Film (106) den Direktor innerhalb des dünnen Films (106) in einer spezifischen azimuthalen Richtung gleichmäßig orientiert aufweist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14, worin die Konzentration des oberflächenaktiven Materials einen Minimalwert, der ausreicht, um die Neigung des Flüssigkristallmaterials nahe der ersten Oberfläche zu minimieren, übersteigt, und nicht mehr als einen Maximalwert beträgt, der die Phasentrennung des Flüssigkristallmaterials verursacht.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14, worin die Konzentration des oberflächenaktiven Materials eine im wesentlichen parallele Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials nahe der ers ten Oberfläche ausbildet, der Film (106) den Direktor innerhalb des dünnen Films (106) in einer spezifischen azimuthalen Richtung gleichmäßig orientiert aufweist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14, worin die Konzentration des oberflächenaktiven Materials eine Neigungsorientierung des Direktors des Flüssigkristallsmaterials nahe der ersten Oberfläche von zwischen ca. 0 Grad (0°) und ca. 25 Grad (25°) ergibt.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials nahe der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) im wesentlichen parallel ist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials nahe der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (104) im wesentlichen schräg ist.
Phasenverzögerungsplatte nach 14 oder 15, worin das Flüssigkristallmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Vinylethern und Epoxiden.
Phasenverzögerungsplatte nach 14 oder 15, worin das Flüssigkristallmaterial ein difunktionelles reaktives Material, Esterbindungen und/oder aromatischen Gruppen aufweist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14 oder 15, worin das oberflächenaktive Material weniger als 5 Gew.-% des Flüssigkristallmaterials bildet.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 14 oder 15, worin das oberflächenaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylatpolymeren, Polysiliconpolymeren, reaktiven Polysiliconpolymeren, Organosilanen, Wachsen und Formtrennmitteln.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin der dünne Film (106) aus polymerisiertem Flüssigkristall ferner eine zweite dem Substrat (102) benachbarte Oberfläche aufweist, die zweite Oberfläche eine Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials aufweist, die im wesentlichen parallel zum Direktor des Flüssigkristallmaterials an der ersten Oberfläche ist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin der dünne Film (106) aus polymerisiertem Flüssigkristall ferner eine zweite Oberfläche aufweist, die eine Orientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials aufweist, die im wesentlichen schräg zum Direktor des Flüssigkristallmaterials an der ersten Oberfläche ist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin der dünne Film (106) aus polymerisiertem Flüssigkristall eine Neigungsorientierung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) von zwischen ca. Null Grad (0°) und ca. 25 Grad (25°) aufweist.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin die azimutale Richtungsdrehung des Direktors innerhalb des dünnen Films (106) des Flüssigkristallmaterials durch die Zugabe eines chiralen Dotiermittels ausgebildet wird, und die Verringerung der Neigungsrichtung des Direktors des Flüssigkristallmaterials an der Flüssigkristall/Luft-Grenzfläche (108) relativ zum intrinsischen Neigungswinkel durch das oberflächenaktive Material ausgebildet wird.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 15, worin die azimuthale Richtungsdrehnung des Direktors innerhalb des dünnen Films (106) durch die Zugabe eines nicht-reaktiven chiralen Dotiermittels oder eines reaktiven chiralen Dotiermittels ausgebildet wird.
Phasenverzögerungsplatte nach Anspruch 13, 17 oder 24, worin das oberflächenaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polycyclohexylmethacrylat, Copolymeren von Polycyclohexylmethacrylat, Monsanto Modaflow 2100, Polydimethylsiloxan, Polymethylmethacrylat und Dimethyldiethoxysilan.