DE3027571A1

DE3027571A1 - Fluessigkristallanzeige mit einer orientierenden und polarisierenden schicht

Info

Publication number: DE3027571A1
Application number: DE19803027571
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 8000 München Krüger; Roland Dipl.-Chem. Dr. 8551 Röttenbach Rubner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE3027571C2

Description

Flüssigkristallanzeige mit einer orientierenden und
Polarisierenden Schicht -Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Display wird in der DE-OS 24 57 641 beschrieben.
Bei Flüssigkristallanzeigen, die mit polarisierendem Licht arbeiten, verwendet man als Polarisatoren gewöhnlich Polyvinylalkohol-Folien, die mit Jod versetzt sind und außen auf die Trägerplatten geklebt werden. Diese Polarisatoren bleichen bekanntlich durch Feuchtigkeitsaufnahme aus, ein Prozeß, der sich zwar durch bestimmte Schutzmaßnahmen verzögern läßt, aber immer noch so -rasch verläuft, daß er derzeit in den meisten Fällen dafür verantwortlich ist, wenn das Display unbrauchbar wird. Deshalb hat man schon seit Jahren versucht, den Polarisator in das besser abgedichtete Zelleninnere zu verlegen, und sich dabei vor allem darauf konzentriert, der dort sowieso schon vorhandenen Orientierungsschicht polarisierende Eigenschaften zu geben.
Eine solche Schicht besteht gemäß der eingangs zitierten Offenlegungsschrift aus einem langkettigen, mit dichroitischen FarbstoffmolekUlen versetzten Polymer, das zunächst auf das Substrat aufgebracht und anschließend in einer Richtung gewalzt wird. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß eine solche Scherbeanspruchung zwar die oberflächennahen Moleküle ordnet,asr nicht in der Lage ist, die Polymerschicht in ihrer ganzen Tiefe sauber auszurichten. Dementsprechend sind die Polarisationseigenschaften noch nicht befriedigend. Hinzukommt, daß auch das Ausrichtvermögen nachläßt, wenn die Polymerschicht einen rauhen Untergrund hat, und beispielsweise bei einem diffusen Reflektor als Unterlage nicht mehr ausreichend ist.
Das erschwert den Aufbau eines reflektiven Displays ohne Parallaxe- und Spiegeleffekte.
Der Polarisationsgrad läßt sich verbessern, wenn man die orientierende Schicht als einen Gitterpolarisator ausbildet; die hierfür in Betracht gezogenen Herstellungstechniken - interferierende kohärente Licht quellen in der DE-OS 28 20 219 oder Lithographie verfahren in der Int. Patentanmeldung WO 79101025 -sind allerdings noch so zeit- und kostenaufwendig, daß sie bisher über das Laborstadium noch nicht hina gekommen sind. Überdies ist ungewiß, ob man auf diesem Wege auch dann zum Ziel kommt, wenn die Orientierungsschicht auf einem unebenen Substrat liegen soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Flüssigkristallanzeige eine Schicht zu entwickeln, die einwandfrei texturiert und linear- polarisiert, dabei keine besonderen Fertigungsprobleme aufgibt und ihre Qualitäten auch dann noch weitgehend beibehält, wenn sie auf eine Unterlage mit Mikroprofil aufgebracht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Display mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß sich in dem vorgeschlagenen Polymer, wenn es sich in seiner flüssigkristallinen Mesophase befindet, relativ leicht ein gleichmäßiger Ordnungszustand induzieren läßt und daß die einmal erzeugte Molekülausrichtung beim Übergang in die feste Phase erhalten bleibt. Die Polymertextur läßt sich beispielsweise dadurch hervorrufen, daß man die Moleküle an den Grenzflächen ausrichtet -beispielsweise durch Reiben der Unterlage und/oder der Polymerschicht - oder daß man die Schicht in einem gerichteten Verfahren - etwa in einer Tauchtechnik -aufträgt. Vor allem bei einem in einer Richtung geriebenen Substrat von der Oberflächenbeschaffenheit des Substrats ab und hat auch noch bei Substraterhebungen von etwa 1/um - einem für diffuse Reflektoren charakterisitischen Wert - durchaus noch annehmbare Werte. Diese Tatsache ist besonders bemerkenswert, da diePolymerschicht nur Bruchteile eines lum stark sein darf und dementsprechend das Profil des Reflektors auf ihrer eigenen Oberfläche mehr oder weniger stark abbildet. Im übrigen ließe sich in den wenigen Fällen, in denen die Substratrauhigkeit auch für eine erfindungsgemäß ausgebildete Polymerschicht zu stark ist, einfach Abhilfe schaffen: Die gewurischte Streucharakteristik könnte sich durch Kombination einer schwach streuenden Unterlage mit streuenden Partikeln (Pigmentteilchen) in der Polymerschicht aufbauen; in geringer Konzentration wirken sich die Streuzentren noch nicht merklich auf die im Polymer herrschende Molekülordnung aus.
Die Dicke der Polymerschicht muß in einem bestimmten Bereich liegen, für dessen Grenzwerte folgende Gesichtspunkte geiten: Die Schicht sollte mindestens 0,07 /um stark sein, damit sie ausreichend polarisiert.
Die max. zulässige Stärke richtet sich vor allem danach, wie groß der Anteil der Schaltspannung sein darf, der an der Polymerschicht abfällt. Nimmt nämlich der der Flüssigkristallsdicht zur Verfügung stehende Spannungsanteil ab, so wird die Spannungs-Kontrast-Kennlinie in ihrem Ubergangsbereich flacher, mit der Folge, daß beim Multiplexbetrieb immer weniger Multiplexschritte möglich sind. Überschlägige Berechungen haben ergeben, daß man bei einem gut isolierenden Polymermaterial (pf 1012 f2 cm ) die Schicht nicht dicker als 0,14 /um sein sollte. Diese Obergrenze läßt sich durch Verwendung- einer schwach leitenden Polymersubstanz noch hinausschieben.
Flüssigkristallpolymere sind an sich bereits bekannt; vergl. hierzu beispielsweise Makromol. Chem. 179 (1978)273. Bisher sah man allerdings die Vorteile solcher Verbindungen im wesentlichen darin, daß sie ihre flüssigkristalline Phase einfrieren können und sich bequem zu Schichten, Folien oder Fasern formen lassen (DE-OS 27 22 589 und 28 31 909).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
Der Lösungsvorschlag soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der beigefügten Figur in einem etwas schematisierten Seitenschnitt dargestellt ist, näher erläutert werden.
Bei dem Display der Figur handelt es sich um eine reflektive Sieben-Segment-Ziffernanzeige mit Multiplexansteuerung. Die Zelle enthält im einzelnen eine vordere Trägerplatte (Vorderplatte )1leine hintere, zur vorderen parallele Trä.gerplatte (Rückplatte)2 und einen Rahmen 3, der die beiden Platten dicht miteinander verbindet. Die durch den Rahmen und die Platten begrenzte Kammer ist mit einer Flüssigkrttallschicht 4 gefüllt. Die Rückplatte 2 trägt auf ihrer Vorderseite einen diffusen Reflektor 6, darüber eine Rückelektrode 7 und über dieser Leitschicht eine Polymerschicht 8, die die angrenzenden Flüssigkristallmoleküle ausrichtet und zugleich durchtretendes Licht linear polarisiert. Die Vorderplatte 1 ist auf ihrer Vorderseite mit mehreren dielektrischen Entspiegelungsschichten - in der Figur mit einem Überzug 9 angedeutet - versehen und hat auf ihrer Rückseite mehrere getrennt ansteuerbare Segmentelektroden 11 und über diesen Elektroden eine ebenfalls orientierende und polarisierende Polymerschicht 12. Das Dis play arbeitet im vorliegenden Fall nach dem Prinzip der Drehzelle, das in der DE-AS 21 58 563 ausführlich behandelt wird. Im vorliegenden Beispiel bestehen die Trägerplatten aus Glas, der diffuse Reflektor aus einem diffus gesputterten oder geriebenen Aluminiumfilm (DE-OS 29 19 572), die Leitschichten aus Indiumoxid (Sn-dotiert) und der Flüssigkristall aus einer Mischung, die von der Fa. Merck unter der Bezeichnung ZLI 1253 verkauft wird. Die Leitschichten sind entweder 4 30 nm, 9 /2n o. mh/2n (tut = charakteristische Wellenlänge des durchtretenden Lichts, n = Brechungsindex des Elektrodenmaterials). Die Polymerschicht hat eine Dicke von etwa 0,14 /um. Die Flüssigkristallschicht ist 6 /um stark und hat eina nFK von 0,08 (/8 nFK = Brechungsindex für den ordentlichen Strahl - Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl im Ruhezustand des Flüssigkristalls).
Der geschilderte AnzeigetyF, der mit 18 Multiplexschritten angesteuert werden kann, zeichnet sich dadurch aus, daß er kratzfest und entspiegelt ist, keine Parallaxefehler hat und frei ist von Doppelbrechungsfarben.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Polymerschicht kann folgendermaßen beschaffen sein. Die Matrix für den Farbstoff besteht entweder aus Hauptketten, an die über flexible Brücken mesogene Einheiten angekoppelt sind, oder aus Bestandteilen der Form flexible Brückemesogene Einheit , die durch Polymerisation der Brücken miteinander verknUnet sind. Auch eine Copolymerisation der Brücken mit weiteren olefinisch unge- sättigten Verbindungen ist möglich. Dabei hat man normalerweise die Wahl, die Polymerisations-Reaktion erst auf dem Substrat stattfinden zu lassen oder aber das Reaktionsprodukt aus einer Lösung auf das Substrat auf zubringen.
In diese Polymermatrix können die Farbstoffmoleküle in verschiedener Weise eingebaut sein - im einen Extremfall sind sie anstelle einiger mesog ner Einheiten chemisch an die flexiblen Brücken gebunden und im anderen EJttremfall sind sie physikalisch gelöst, also eingebettet zwischen den mesogenen Einheiten. Als Farbstoffe kommen im Prinzip alle die Verbindungen infrage, die man bisher für Flüssigkristallanzeigen vorgesehen hatte, beispielsweim A zomethine , Az-ofarbstoffe oder kathrachinone.
Besteht das Polymer aus Haupt- und Seitenketten, so sind die einzelnen Teile, also die Hauptketten, die flexiblen Brücken, die mesogenen Einheiten und ggf.
die Farbstoffmoleküle gewöhnlich über additions-oder kondensationsfähige chemische Funktionen miteinander verbunden.
Unter den kondensationsfähigen Funktionen kommen vor allem folgende Kombinationen in Frage - NHR (R=H,Alkyl)+-COCli-NHR(R=H,Alkyl)+-CONH2;-NHR (R= H,Alkyl)+-SO2Cl; - NHR (R=H,Alkyl)+-SO2OR(R=H,Alkyl) ;-COOR(R=H,AlkyI)+ - COOR(R=H,Alkyl) - COOR(R=H,Alkyl)+-COCl;-COOR(R=H,Alkyl)ONH2;CooH+ - NCO ; -COCl+-CONH2; - CONH2+-CONH2;-SO2Cl+-SO2OR (R=H,Alkyl);-SO2OR (R)= 11,Alkyl )+-S/20R(R=H,Alkyl). -Die flexiblen Brücken bestehen üblicherweise aus Alkylen- oder Alkylenäther-Gruppen.
Im Rahmen der Alternative 2 verläuft die Polymerisation der Brücken über polymerisationsfähige chemische Funktionen P an den Brückenenden nach folgendem Schema Die Funktion P, die vorzugsweise olefinisch ungesättigt ist, wird in der Regel folgendermaßen beschaffen sein Herstellungsbeispiel 1 Aus 4-Methoxy-4' hydroxybiphenyl wird durch Umsetzung mit Äthylenchlorhydrin in wässrig-alkoholischer Kalilauge und anschließender azeotroper Veresterung mit Methacrylsäure in Chloroform, katalysiert durch p-Toluolsulfonsäure, 4-(Methacyloyloxy)äthoxy-4'-methoxybiphenyl hergestellt. Diese Substanz wird in Benzollösung unter Stickstoff in Gegenwart von 1 Molproz. 2.2'-Azoisobutyronitril 8 Stunden auf 650C erhitzt. Das Reaktionsprodukt wird in Chloroform gelöst und in einem Gemisch von Azeton und Methanol ausgefällt. Eine Lösung von 98,5 Gew.Teilen des flüssigkristallinen Polymeren und. von 1,5 Gew.Teilen 1 , 4-Diamio-3, 7-dimethoxyphenyl-4, 8-dihyrooxyanthrachinon in N-Methylpyrrolidon wird über eine Gummiwalze auf ein mit einer Leiterbahnstruktur versehenes Glassubstrat aufgebracht und bei 10000 getrocknet.
Herstellungsbeispiel 2 Eine Lösung von 100 Gew.Tellen eines Polyamidocarbonesters, der aus Diaminodiphenyläther und Pyromellithsäure -ß- hydroxyäthylmethacrylatesterchlorid hergestellt worden ist, 100 Gew.Teilen 4-(Methacryloyloxy)äthoxy-4'-methoxybiphenyl, 4 Gew.Teilen Michler's Keton, 10 Gew.
Teilen N-Phenylmaleinimid und 2 Gew.Teilen 1,5-Diamino-4,8-dihydroxy-3,7-di(4-pentoxyphenyl)-anthrachinon in N-Methylpyrrolidon wird über eine Giunmfalze auf ein mit einer Leiterbahnstruktur versehenes Glassubstrat aufgebracht, bei 10000 getrocknet und anschließend mit einer 4000 W-Quecksilber-Höchstdrucklampe bestrahlt.
Herstellungsbeisniel 3 262 Gew.Teile 4#Allyloxybenzoesäure#4f -methoxyphenylester, hergestellt durch Umsetzung von 4-Allyloxybenzoesäurechlorid mit p-Methoxyphenol,' und 10 Gew.Teile 2-Allyloxy-4-butyloxy-4'-nitroazobenzol-werden mit 55 Gew.Teilen eines Poly-oxy (methylsilylens) mit einem Polymerisationsgrad von 110 in Tetrahydroberan gelöst, dann werden 100 ppm Hexaahlorplatin (IV)säure als Katalysator zugegeben.
Die Lösung wird anschließend 12 Stunden bei 500C gehalten. Das Reaktionsprodukt wird in Methanol ausgefällt. Eine Lösung mit dem Reaktionsprodukt wird mit einer Walze auf einer mit einer Leiterbahnstruktur versehene Glasplatte aufgetragen und anschließend getrocknet.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So ist die hier vorgesehene Polymerschicht auch bei anderen Flüssigkristallanzeigearten als der Drehzelle sinnvoll, etwa bei "Phase-Change"-Displays mit Farbstoff-Zusatz, die vielfach noch einen Polarisator vor oder hinter der Flüssigkristallschicht benötigen. Überhaupt braucht nur eine der beiden Orientierungsschichten zugleich auch polarisierend ausgebindet zu sein. Der zweite Polarisator könnte auch zwischen Trägerplatte und Leitschicht plaziert werden. Auf eine solche Gestaltung wird man möglicherweise zurückgreifen, wenn auf der einen Seite des Flüssigkristalls die Orientierungsrichtung und die Polarisationsrichtung eine bestimmte Lage zueinander einnehmen sollen, die sich durch die flüssigkristalline Polymerschicht nicht ohne weiteres realisieren läßt. Im übrigen ist der Lösungsvorschlag auch schon dann von Nutzen, wenn das Polymer auf einer glatten Unterlage, die auch aus einer spielgenden Fläche bestehen könnte, angeordnet ist.
13 Patentansprüche 1 Figur Leerseite

Claims

Patentansprüche 2 Flüssigkristallanzeige mit zwei Trägerplatten, die eine zwischen zwei optisch verschiedenen Zuständen schaltbare Fltissigkristallschicht zwischen sich einschließen und auf ihren einander zugewandten Flächen elektrisch leitfähige Beläge sowie darüber jeweils eine Orientierungsschicht tragen, wobei zumindest die eine der beiden Orientierungsschichten aus einem Polymer besteht, das zueinander ausgerichtete dichroitische Farbstoffmoleküle enthält und durchtretendes Licht polarisiert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polymerschicht (8,12) eine flüssigkristalline Mesophase ausbilden kann und als erstarrte Mssophase vorliegt.
2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Oberfläche der Polymerschicht (8,12) eine Struktur aus zueinander parallelen Rillen hat, die vorzugsweise durch Reiben der Schichtoberfläche entstanden ist.
3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Unterlage der Polymerschicht (8,12) eine Struktur aus zueinander parallelen Rillen hat, die vorzugsweise durch Reiben der Unterlagenoberfläche entstanden ist.
4. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß sich unter der Polymerschicht (8,12) ein vorzugsweise diffus streuender Reflektor (6) befindet.
5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polymerschicht (8,12) mit lichtstreuenden Partikeln angereichert ist.
6. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u rc h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polymerschicht (8,12) in Richtung der Plattennormalen einen spezifischen elektrnschen Widerstand > 1012S cm hat und zwischen 0,07 und 0,14 /um, insb.

zwischen 0,09 und 0,11 /um,dick ist.
7. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Polymerschicht (8,12) in Richtung der#Plattennormalen einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 1016Q cm und 101252 cmhat und zwischen 0,07 und 1 /um dick ist.
8. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n ze i c h n e t daß die Polymerschicht (8,12) Hauptketten enthält, an die Seitenketten der Art flexible Brücke-mesogene Einheii und L- flexible Brücke-dichroitischer Farbstoffs gekoppelt sind, wobei die Kopplung über eine Kombination additionsfähiger Funktionen der folgenden Art erfolgt
9. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t daß die Polymerschicht (8,12) Hauptketten enthält, an die Seitenketten der Art flexible Brücke-mesogene Einheit und flexible Brücke-dichroitischer Farbstoff gekoppelt sind, wobei die Kopplung über eine Kombination kondensationsfähiger Funktionen der folgenden Art erfolgt -OH+-C00H, -0H+-CO0R(R=H,Alkyl) ; -0H+-C0Cl ; -0H+-C0NH2; (R=HeAlkyl)+-CONH2;-NHR(R=H,Alkyl)+-S02Cl;<HR (R=H,Alkyl)+-S020R(R=H,Alkyl)~-COOR(R=H,Alkyl)+ -COOR (R=H,Alkyl); COOR(R=H,Alkyl)+-COC1;-COOR (R=H,Alkyl)+-CONH2~-COOH+-NCO;-COC1+-CONH2~-CONH2 +-CONH2;-S02Cl+-S020R(R=H,Alkyl);-S020R(R=H,Alkyl) +S020R (R=H,Alkyl).
10. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a dur c h g e k e n n z e ic h n e t daß die Polymerschicht (8,12) Bestandteile der Art flexible Brücke-msogene Einheit und Eflexible Brücke-dichroitischer Farbstoff enthält, wobei diese Bestandteile durch Polymerisation der flexiblen Brücken über Funktionen der folgenden Art miteinander verbunden sind.
11. Flüssigkristallanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t daß die dichroitischenFarbstoffmleküle in der Polymerschicht (8,12) eingelagert sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall anzeige nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a -d u r c h g e k e n n ze i c h n e t , daß erst das Monomer auf das Substrat aufgebracht und dann auf dem Substrat die Polymerisation durchgeführt wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallanzeige nach einem der AnsprUche 8 bis 11, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß erst die Polymerisation durchgeführt wird und dann die Polymerisationsprodukte aus der Lösung auf das Substrat aufgebracht werden.