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DE19832812A1 - Verfahren zur Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays - Google Patents

Verfahren zur Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays

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DE19832812A1
DE19832812A1 DE1998132812 DE19832812A DE19832812A1 DE 19832812 A1 DE19832812 A1 DE 19832812A1 DE 1998132812 DE1998132812 DE 1998132812 DE 19832812 A DE19832812 A DE 19832812A DE 19832812 A1 DE19832812 A1 DE 19832812A1
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Hans-Rolf Duebal
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AZ Electronic Materials GmbH
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Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays, die zwei Substrate und eine dazwischenliegende smektische Flüssigkristallschicht aufweisen, wird die smektische Flüssigkristallschicht oder ein Gemisch, das den smektischen Flüssigkristall enthält, in einem Druckprozeß auf mindestens eines der beiden Substrate aufgebracht, und die Substrate werden anschließend zum smektischen Flüssigkristalldisplay zusammengefügt.

Description

Neben nematischen und cholesterischen Flüssigkristallen werden in jüngerer Zeit auch smektische (z. B. ferroelektrische, antiferroelektrische oder sog. DHF) Flüssigkristalle in kommerziellen Displayvorrichtungen verwendet, wie z. B. in Information Display (SID), Vol. 14 (2), Februar 1998, Seiten 20 bis 27 beschrieben.
Ein smektisches Flüssigkristalldisplay (LCD) besteht aus Polarisatoren, mit Elektroden, z. B. aus Indium-Zinn-Oxid, beschichteten Substraten aus Kunststoff oder Glas, die mit Orientierungsschichten und möglicherweise weiteren Schichten (Passivierungs-, Diffusionssperr-, Isolations-, Antireflex-Schichten usw.) sowie Farbfilterschichten versehen sind, einer Flüssigkristallschicht und möglicherweise aktiven Dünnschichtelementen.
Allgemein lassen sich smektische LCDs sowohl als Passivmatrix- als auch Aktivmatrixdisplays herstellen und verwenden.
Bei einer Passivmatrix entstehen die einzelnen Bildelemente (Pixel) eines Flüssigkristalldisplays durch die Überkreuzung je einer Serie von Elektroden (Leiterbahnen), die als Reihen und Spalten auf der Unter- bzw. Oberseite des Displays gebildet wird. Die Kreuzungspunkte der horizontalen und vertikalen Elektroden bilden adressierbare Pixel. Zur Adressierung wurden verschiedene Multiplex-Schemata entwickelt.
Unter anderem wegen der vorteilhaften hohen Schaltgeschwindigkeiten wurden Flüssigkristallanzeigen vorgeschlagen, die auf der Kombination aus ferroelektrischen oder auch aus antiferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien und aktiven Matrixelementen beruhen, vgl. WO 97/12355 oder Ferroelectrics 1996, 179, 141-152, oder Information Display (SID), Vol. 14 (2), Februar 1998, Seiten 20-27.
Bei der Aktivmatrix-Technologie (AMLCD) wird üblicherweise ein Substrat mit einer nicht strukturierten Elektrode mit einem Aktivmatrix-Substrat kombiniert. An jedem Pixel des Aktivmatrixsubstrates befindet sich ein elektrisch nichtlineares Element, beispielsweise ein Dünnschichttransistor z. B. vom Typ amorphes Silizium oder polykristallines Silizium. Bei dem nichtlinearen Element kann es sich auch um Dioden, Metall-Insulator-Metall u. ä. Elemente handeln, die vorteilhaft mit bekannten Dünnschichtverfahren hergestellt werden.
Unabhängig von der Frage, ob es sich um ein Aktivmatrix- oder ein Passivmatrixdisplay handelt, ist bei der Herstellung solcher Displays zu berücksichtigen, daß die Schichtdicke solcher smektischer Displays sehr gering ist und im Bereich von 0,5 bis 3 µm, insbesondere im Bereich 1 und 2 µm, speziell zwischen 1, 1 und 1,7 µm liegt. Darüber hinaus handelt es sich bei smektischen Flüssigkristallen um Materialien mit höherer Fließviskosität, im Unterschied zu den heute weit verbreiteten nematischen Flüssigkristallen, siehe z. B. H. Kneppe, F. Schneider in D. Demus et. al. (Ed.) Handbook of Liquid Crystals, 1998, Vol. 2A, Seiten 142ff.
Die Kombination dieser beiden Eigenschaften, nämlich hohe Viskosität und geringe Schichtdicken, verbunden mit der Forderung nach LCDs mit großen Flächen, führt nun zu einem bedeutsamen praktischen Problem bei der effizienten Füllung solcher Displays mit dem smektischen Flüssigkristall.
Der Füllprozeß erfolgt bislang derart, daß ein fertiges, jedoch leeres Display, bei dem die beiden Substratplatten bis auf eine Einfüllöffnung miteinander verklebt sind, dadurch gefüllt wird, daß die Flüssigkristallmasse in der isotropen oder flüssigkristallinen Phase durch Kapillarkräfte durch die Einfüllöffnung in das Display gezogen wird. Zur Unterstützung dieses Prozesses kann auch ein Überdruck verwendet werden. Dennoch ist selbst bei stark erhöhter Temperatur aufgrund der hohen smektischen Fließviskositäten sowie der sehr geringen Plattenabstände dieser Prozeß derart ineffizient, daß häufig viele Stunden, bei sehr großen Flächen sogar Tage benötigt werden, um großflächige Displays, d. h. solche mit einer Bilddiagonalen größer 10 Zoll (25 cm), zu füllen. Darüber hinaus besteht beim Füllen in der isotropen Phase die Möglichkeit des Verdampfens sowie der thermischen Zersetzung einzelner Mischungskomponenten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays, die zwei Substrate und eine dazwischenliegende smektische Flüssigkristallschicht aufweisen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und eine Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays in technischem Maßstab erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem die smektische Flüssigkristallschicht oder ein Gemisch, das den smektischen Flüssigkristall enthält, in einem Druckprozeß auf mindestens eines der beiden Substrate aufgebracht wird und die Substrate anschließend zum smektischen Flüssigkristalldisplay zusammengefügt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Herstellverfahren für smektische Flüssigkristalldisplays, bei dem die smektische Flüssigkristallschicht in Form eines dünnen Films auf mindestens eines der beiden Trägersubstrate aufgedruckt wird und die beiden Substrate erst nach diesem Druckprozeß zusammengeklebt werden. Dieser Druckprozeß kann Siebdruck, Offsetdruck, Flexodruck oder an anderes gängiges Druckverfahren sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die langwierige und daher nachteilige Füllung durch Kapillarkräfte und ermöglicht somit die fabrikmäßige Massenfertigung von smektischen LCDs.
Dabei ergeben sich mehrere Varianten. Gemäß einer Variante werden ein Kleberahmen auf das eine, und die smektische Flüssigkristallschicht auf das andere Substrat gedruckt. Dann kann der Kleberahmen in geeigneter Weise vorgetrocknet oder angehärtet werden, um so ein unerwünschtes Durchmischen von Kleberahmen und Flüssigkristall zu verhindern.
Die smektische Flüssigkristalldruckschicht kann an den inneren Aufbau eines smektischen LCD, also z. B. Abstandhalter, Aktivmatrix, Farbfilter, Schwarzgitter usw. angepaßt werden. Dies geschieht dadurch, daß die smektische Schicht in einem Druckmuster an die LCD-Architektur angepaßt wird. Dadurch kann der smektische Flüssigkristall paßgenau auf die Bildpunkte gedruckt werden, während z. B. die Abstandhalter nicht bedruckt werden.
Vorteilhaft ist auch ein Erwärmen und Abkühlen nach dem Verkleben der Substrate, wodurch der Flüssigkristall verschiedene Phasenübergänge durchläuft und damit neu orientiert wird. Gleichzeitig kann der Kleberahmen dabei durchgehärtet werden.
Geeignete Komponenten für Flüssigkristalldisplays sind beispielsweise in C. Prince, Seminar Lecture Notes, Volume I, p. M-3/3-M-3/22, SID International Symposium 1997, Boston, USA; B. B. Bahadur, Liquid Crystals Application und Uses, Vol. 1, pp. 410, World Scientific Publishing, 1990; E. Lüder, Recent Progress of AMLCD's, Proceedings of the 15th international display research conference, 1995, p.9-p.12, Displays 1993, Vol. 14, Nr. 2, S. 86-93 und Kontakte 1993 (2), S. 3-14, T. Tsukuda, TFT/LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875- 01-9 oder C. Prince, Seminar Lecture Notes, Volume I, p. M-3/3-M-3/22, SID International Symposium 1997, Boston, USA und darin zitierte Literatur, beschrieben.
Es wurde gefunden, daß die Viskosität des zu druckenden Flüssigkristalls bei der Anwendung vorzugsweise in einem bestimmten Bereich liegt. Hierbei verstehen wir die mittlere Viskosität, die z. B. in einem Bohlin-Viskosimeter (Hersteller Bohlin Instruments Ltd., Cirencester, UK) bestimmt wird. Es ist die mittlere Viskosität relevant, weil beim Beschichtungsprozeß eine eindeutige Vorzugsrichtung des Flüssigkristalls nicht definiert ist.
Um nun einen bevorzugten Viskositätsbereich für den Druckprozeß zu bestimmen, wird für den Flüssigkristall die Viskosität als Funktion der Scherrate und der Temperatur bestimmt. Es wird sodann der für den Beschichtungsprozeß relevante Bereich der Scherrate bestimmt oder die Angabe des Geräteherstellers zugrunde gelegt und die gemessene Viskosität über diesen Bereich gemittelt. Dieser Bereich der Scherrate ist 0.1-105 1/s, vorzugsweise 1-104 1/s, bevorzugt 10-1000 1/s, besonders bevorzugt 20-500 1/s.
Die Drucktemperatur wird vorzugsweise so gewählt, daß die oben beschriebene mittlere Viskosität kleiner ist als 20 Pas (Pascalsekunden), vorzugsweise kleiner als 10 Pas, bevorzugt kleiner als 4 Pas, besonders bevorzugt kleiner als 2.5 Pas, ganz besonders bevorzugt kleiner als 1.5 Pas.
Es wird darauf hingewiesen, daß die so ermittelte mittlere Viskosität in keinem direkten Zusammenhang mit der elektrooptischen Rotationsviskosität steht, die in der Regel zwischen 0.1-2 Pas liegt (s, z. B. C. Escher et. al., Liquid Crystals 1988, Vol. 3, No. 4, Seiten 469-484).
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1
Ein Aktivmatrix-LCD mit smektischer Flüssigkristallschicht wird hergestellt, indem man zwei Glassubstrate A und B nach gründlicher Reinigung getrennt wie folgt behandelt:
Substrat A
  • - Aufbringen von rot-grün-blauen Farbfilterpunkten durch Fotolithographie
  • - Aufbringen einer Ausgleichsschicht
  • - Aufbringen einer ganzflächigen transparenten Elektrode aus Indium-Zinn- Oxid durch Sputtern
  • - Aufbringen einer dünnen Isolierschicht aus Siliziumdioxid durch Sputtern oder Bedampfen
  • - Aufbringen einer Hilfschicht für den Kleberahmen durch Fotolithographie
  • - Aufbringen eines Orientierungsschicht-Naßfilms durch Spin-Coating oder Spray-Coating oder Roller-Coating oder Drucken
  • - Trocknung und Aushärtung des Naßfilms
  • - Ablösung der Hilfsschicht und damit Freisetzung von Oberfläche für den Kleberahmen
  • - Reiben der Orientierungsschicht zur Orientierung
  • - Aufdrucken des Kleberahmens, z. B. durch Siebdruck, auf die freigesetzte Oberfläche
  • - Vortrocknen des Klebers im Kleberahmen
Substrat B
  • - Aufbringen einer aktiven Matrix aus Dünnschicht Tansistoren (TFT) mitsamt Zuleitungen nach einschlägigen Verfahren der Dünnschicht- Technik (siehe vorstehendes Zitat von Tsukuba 1996)
  • - Aufbringen einer dünnen Isolierschicht aus Siliziumdioxid durch Sputtern oder Bedampfen
  • - Aufbringen einer Hilfsschicht für den Kleberahmen durch Fotolithographie
  • - Aufbringen eines Orientierungsschicht-Naßfilms durch Spin-Coating oder Spray-Coating oder Roller-Coating oder Drucken
  • - Trocknung und Aushärtung des Naßfilms
  • - Ablösung der Hilfsschicht und damit Freisetzung von Oberfläche für den Kleberahmen
  • - Reiben der Orientierungsschicht zur Orientierung
  • - Aufdrucken der vorher sorgfältig entgasten und filtrierten handelsüblichen smektischen Flüssigkristallmischung ®FELIX-015-000 (Hersteller Hoechst/Frank­ furt) mit Hilfe einer handelsüblichen Offsetdruckmaschine derart, daß die erhabenen TFT-Elemente sowie der freigelegte Kleberahmen ausgespart werden.
Im Anschluß an die getrennte Fertigung beider Displayhälften wird das Substrat B vorgelegt und das Substrat A in einer Positioniereinrichtung aufgelegt, und die beiden Substrate werden zusammengepreßt. Durch kurzzeitiges lokales Erwärmen des Kleberahmens z. B. mit einer maskierten Infrarotlampe oder durch Härtung mit UV-Licht oder energiereicher Strahlung wird die Zelle verklebt.
Anschließend wird die Zelle über die Klärpunktstemperatur, also auf etwa 90°C, erhitzt und wieder abgekühlt, wodurch sich der smektische Flüssigkristall entsprechend der Reiberichtung orientiert. Die Zelle wird mit Polarisatoren versehen und mit der Ansteuerelektronik kontaktiert.
Beispiel 2
Ein Passivmatrix-LCD mit smektischer Flüssigkristallschicht wird hergestellt, indem man zwei Glassubstrate A und B nach gründlicher Reinigung getrennt wie folgt behandelt:
Substrat A
  • - Aufbringen von rot-grün-blauen Farbfilterpunkten durch Fotolithographie
  • - Aufbringen einer Ausgleichsschicht
  • - Aufbringen einer ganzflächigen transparenten Elektrode aus Indium-Zinn- Oxid durch Sputtern (ITO-Schicht)
  • - Strukturieren dieser ITO-Schicht zu Leiterbahnen (Zeilen)
  • - Aufbringen einer Isolationsschicht durch Bedampfen
  • - Aufbringen einer Hilfschicht für den Kleberahmen durch Fotolithographie
  • - Aufbringen eines Naßfilms aus Polyimid-Vorstufen-Lösung durch Spin- Coating
  • - Verdampfen des Lösemittels und Durchhärten des Polyimid-Films zur Ausbildung einer Orientierungsschicht
  • - Ablösung der Hilfsschicht und damit Freisetzung von Oberfläche für den Kleberahmen
  • - Reiben der Orientierungsschicht zum Orientieren
  • - Aufdrucken des Kleberahmen, z. B. durch Siebdruck, auf die freigesetzte Oberfläche
  • - Vortrocknen des Klebers
Substrat B
  • - Aufbringen einer ganzflächigen transparenten Elektrode aus Indium-Zinn- Oxid durch Sputtern (ITO-Schicht)
  • - Strukturieren dieser ITO-Schicht zu Leiterbahnen (Spalten)
  • - Aufbringen einer Isolationsschicht durch Bedampfen
  • - Aufbringen einer Hilfsschicht für den Kleberahmen durch Fotolithographie
  • - Aufbringen eines Naßfilms aus Polyimid-Vorstufen-Lösung durch Spin- Coating
  • - Verdampfen des Lösemittels und Durchhärten des Polyimid-Films zur Ausbildung einer Orientierungsschicht
  • - Ablösung der Hilfsschicht und damit Freisetzung von Oberfläche für den Kleberahmen
  • - Reiben der Orientierungsschicht zum Orientieren
  • - Aufdrucken der vorher sorgfältig entgasten und filtrierten, anschließend mit Abstandhalterpartikeln vermischten smektischen Flüssigkristallmischung ®FELIX-015-100 (Hersteller: Hoechst/Frankfurt) mit Hilfe des Offsetdrucks derart, daß der freigelegte Kleberahmen ausgespart wird.
Im Anschluß an die getrennte Fertigung beider Displayhälften wird das Substrat B vorgelegt und das Substrat A in einer evakuierten Positioniereinrichtung so aufgelegt, daß die gewünschte Überkreuzung von Zeilen und Spalten entsteht, und die beiden Substrate werden zusammengepreßt. Durch kurzzeitiges lokales Erwärmen des Kleberahmens z. B. mit einer maskierten Infrarotlampe oder durch Härtung mit UV-Licht oder energiereicher Strahlung wird die Zelle verklebt. Danach wird die Zelle aus der evakuierten Positionier- und Verklebeeinrichtung entfernt. Durch die Aussetzung des verklebten Displays auf den äußeren Atmosphärendruck werden die beiden Substratgläser auf die Abstandhalter gedrückt, und es ergibt sich so ein stabiler gleichmäßiger Zellenabstand.
Anschließend wird die Zelle über die Klärpunktstemperatur erhitzt und wieder abgekühlt, wodurch sich der smektische Flüssigkristall entsprechend der Reiberichtung orientiert. Die Zelle wird mit Polarisatoren versehen und mit der Ansteuerelektronik kontaktiert.
Beispiel 3
Das in den Beispielen 1 und 2 beschriebene Verfahren wird dadurch modifiziert, daß die zu druckende smektische Flüssigkristallschicht zur Verringerung der Fließviskosität mit einem tiefer siedenen Lösemittel oder Zusatz, z. B. Toluol, Methylenchlorid, Ethanol o. ä. versehen wird und somit besser in dünnen Schichten druckbar wird.
Vor dem Zusammenkleben beider Zellen wird das beschichtete Substrat bei Unterdruck oder im Luftstrom erwärmt und das Lösemittel verdampft.
Beispiel 4
Das in den Beispielen 1 und 2 beschriebene Verfahren wird dadurch modifiziert, daß das Aufbringen der zu druckenden smektischen Flüssigkristallschicht bei einer leicht erhöhten Temperatur von 50°C erfolgt und die Flüssigkristallmischung somit fluider und damit besser in dünnen Schichten druckbar wird.
Beispiel 5
Das in den Beispielen 1 und 2 beschriebene Verfahren wird dadurch modifiziert, daß das Aufbringen der zu druckenden smektischen Flüssigkristallschicht bei einer leicht erhöhten Temperatur von größer oder gleich x °C erfolgt und die Flüssigkristallmischung somit fluider und damit besser in dünnen Schichten druckbar wird. Dabei ergibt sich der Wert x aus einer Messung der mittleren Scherviskosität der zu druckenden smektischen Flüssigkristallmischung bzw. des zu druckenden Gemisches aus Flüssigkristall und Fließmittel. Der Wert x ist die Temperatur, bei der die Viskosität kleiner als 20 Pas (Pascalsekunde) beträgt. Versuche ergeben, daß sich unterhalb dieser Viskosität eine gute Druckbarkeit mit einer handelsüblichen Flexodruckmaschine (Hersteller Nissha Printing, Japan) ergibt.
Beispiel 6
Eine smektische Testmischung wird aus
  • - 2-(4-Hexyloxyphenyl)-5-Octylpyrimidin (60 Gew.-%)
  • - 2-(4-Decyloxyphenyl)-5-Octylpyrimidin (40 Gew.-%)
hergestellt.
Für diese Mischung wird die Viskosität als Funktion der Temperatur und der Scherrate bestimmt.
Man erhält folgende Ergebnisse:

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung smektischer Flüssigkristalldisplays, die zwei Substrate und eine dazwischenliegende smektische Flüssigkristallschicht aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die smektische Flüssigkristallschicht oder ein Gemisch, das den smektischen Flüssigkristall enthält, in einem Druckprozeß auf mindestens eines der beiden Substrate aufgebracht wird und die Substrate anschließend zum smektischen Flüssigkristalldisplay zusammengefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckprozess bei einer Temperatur von mehr als 30°C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Scherviskosität der Druckmasse bei der Temperatur des Druckprozesses weniger als 20 Pas beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristalldisplay eine Bilddiagonale von mehr als 25 cm (10 Zoll) aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die smektische Flüssigkristallschicht nur auf eines der Substrate gedruckt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kleberahmen zur Verbindung der beiden Substrate auf das andere Substrat aufgebracht wird, und die Substrate vorgetrocknet und sodann zusammengefügt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung beim Zusammenfügen der Substrate durch lokales Erwärmen des Kleberahmens erfolgt.
8. Smektisches Flüssigkristalldisplay, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
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