DE2454413C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wiedergabevorrichtung mit einer Flüssigkristallschicht entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist aus J. Electrochem. Soc. 119 (1972) 4, 451-455 bekannt.

Für die meisten Anwendungen von Wiedergabevorrichtungen mit einem Flüssigkristall ist eine gleichmäßige Orientierung der Moleküle des Kristalls notwendig. Insbesondere ist für die elektrooptischen Anwendungen der erhaltene Kontrast eng mit der Orientierung der Moleküle verbunden.

Je nach der Art des verwendeten Flüssigkristalls oder der Elek­ troden der Wiedergabevorrichtung kann die gewünschte Vorzugs­ orientierung verschieden sein. Meist wird beabsichtigt, daß die Längsrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls entweder zu den Ebenen der Wiedergabevorrichtung senkrecht ist (homeotrope Orientation) oder zu den genannten Ebenen gemäß einer gegebenen Richtung parallel ist.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt (siehe: Proc. IEEE 61 (1973) 7, 823-828, insbesondere 823 linke Spalte), mit deren Hilfe den Molekülen eines Flüssigkristalls die gewünschte Orientierung aufgezwungen werden kann. Die genannten Verfahren, und zwar einerseits die mechanische oder chemische Behandlung der Oberflächen der Wiedergabevorrichtung in bezug auf den Flüssigkristall und andererseits das Anbringen von Zusatzstoffen auf den genannten Oberflächen, gründen sich gemeinsam auf einen Gedanken, der darin besteht, daß eine Zwischenschicht aus einem oberflächenaktiven Material zwischen den genannten Oberflächen und dem Flüssigkristall gebildet wird, wobei die genannte Schicht in den Molekülen dieses Flüssigkristalls die geeigneten Rich­ tungseigenschaften hervorruft.

Es ist auch bekannt, daß eine Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls gemäß zu der Ebene der Wiedergabevorrichtung parallelen Ebenen Schwierigkeiten ergibt. Diese Orientierung kann nämlich nicht nur dadurch erhalten werden, daß eine Schicht aus oberflächenaktivem Material geeigneter Art angebracht wird. Außerdem ist es erforderlich, daß die Stützplatten dadurch mecha­ nisch vorbereitet werden, daß in diesen Platten Nuten gebildet werden. Diese Nuten müssen möglichst fein und möglichst regel­ mäßig sein, während sie überdies möglichst gleichmäßig verteilt sein müssen; außerdem müssen die Nuten parallel zueinander orien­ tiert werden.

Die Feinheit der Nuten bildet jedoch ein zusätzliches Hindernis einerseits für die geeignete Verteilung des oberflächenaktiven Materials über die ganze Ausdehnung der aktiven Stützplatten­ flächen und andererseits für das Erhalten der gleichmäßigen Dicke der angebrachten Schicht. Außerdem soll nicht außer Betracht ge­ lassen werden, daß die mechanische Anbringung der Nuten in den Stützplatten zu einer zusätzlichen Verunreinigung der Stütz­ plattenoberflächen führt und diese Verunreinigung beeinträchtigt die Haftung des oberflächenaktiven Materials.

Es ist daher besonders schwierig, Zellen zu erhalten, in denen der Kontrasteffekt über die ganze Ausdehnung der Oberfläche der Wiedergabevorrichtung genau gleichmäßig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung einer Wiedergabevor­ richtung mit einer Flüssigkristallschicht so weiterzubilden, daß ein möglichst gleichmäßiger Kontrasteffekt erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommene Ionenätzung bietet große Vorteile, wenn sie zur Vorbereitung von Wiedergabe­ vorrichtungen mit Flüssigkristallzellen verwendet wird. Durch diese Technik werden sehr feine Nuten erhalten, die sehr genau in bezug auf Tiefe und Breite geeicht sind und gleiche gegen­ seitige Abstände aufweisen. Andererseits findet bei der Ionen­ ätzung keine Verunreinigung der behandelten Oberflächen statt, wie dies bei einer mechanischen oder chemischen Behandlung der Fall ist, sondern die Ionenätzung trägt zu der Reinigung dieser Oberflächen bei.

Ein weiterer Vorteil der Ionenätzung besteht darin, daß die Nuten entweder vor dem Anbringen der Elektroden auf den Stützplatten oder nach diesem Anbringen angebracht werden können. Im letzteren Falle wird die Nutentiefe einfach derart geregelt, daß sie kleiner als die Dicke der Elektroden ist; wenn die Nuten auf mechanischem oder chemischem Wege angebracht werden, besteht keine Sicherheit über das erzielte Ergebnis.

Da einerseits die durch Ionenätzung erhaltenen Nuten sehr regel­ mäßig sind und andererseits das Verfahren zum Anbringen des oberflächenaktiven Materials durch lumineszierende Entladung eine Verteilung ergibt, die ebenfalls sehr regelmäßig ist, können durch die Kombination dieser beiden Schritte bei der Herstellung von Wiedergabevorrichtungen Flüssigkristallzellen ge­ bildet werden, in denen der Kontrasteffekt über die ganze aktive Oberfläche gleichmäßig ist, und deren Lebensdauer im Vergleich zu den durch die bekannten Techniken gebildeten Zellen er­ heblich verlängert ist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wiedergabe­ vorrichtung mit einem Flüssigkristall, und

Fig. 2 bis 6 eine der beiden Stützplatten der Vorrichtung nach Fig. 1 in fünf aufeinanderfolgenden Stufen der Herstellung der Vorrichtung.

Die Kathodenzerstäubungsvorrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens zum Anbringen einer Schicht aus oberflächenaktivem Material nach der Erfindung er­ forderlich und im allgemeinen für andere Bearbeitungen der Stützplatten der Zelle nach Fig. 1 notwendig ist, gehört zu dem Typ der sehr konventionellen Diodenkonfiguration.

Die Flüssigkristallzelle nach Fig. 1 enthält zwei Stützplatten, die durch transparente Isolierplatten 10 A und 10 B gebildet werden, die einander gegenüber liegen und sich in geringer Entfernung voneinander be­ finden, während zwischen den genannten Platten ein Di­ stanzglied 11 angebracht ist. Die genannten Platten 10 bestehen z. B. aus Glas, während das Distanzglied 11 durch einen Polyäthylenstreifen mit geeichter Dicke gebildet wird.

Auf jeder der Platten 10 A und 10 B ist eine dünne Schicht 12 angebracht, die aus mindestens einem transparenten Metalloxid, z. B. Indiumoxid, oder einer Schicht aus einem Gemisch von Indiumoxid und Zinnoxid besteht; diese dünne Schicht 12 dient als Elektrode.

Auf der genannten dünnen Schicht 12 liegt eine Schicht 13 aus oberflächenaktivem Material, die sich auf dem Gebiet 14 der aktiven Oberfläche der Platten 10 A und 10 B innerhalb des von den genannten Platten 10 A und 10 B und dem Distanzglied 11 begrenzten Volumens er­ streckt, in dem der Flüssigkristall 15 eingeschlossen ist.

Die elektrische Verbindung mit den Elektroden der Zelle ist von Kontaktflächen her gebildet, die aus dünnen Metallschichten bestehen. Um die hohe Güte der Kontakte auf der Oxidschicht 12 zu sichern, wird z. B. eine Goldschicht 16 auf einer Nickelschicht 17 angebracht, wobei diese Nickelschicht ihrerseits auf der Schicht 12 angebracht ist.

Die Zellenstruktur nach Fig. 1, die durch das Verfahren nach der Erfindung erhalten wird, ist nur ein Beispiel. Das gleiche Verfahren kann auch bei Zellen mit einer anderen Struktur ange­ wandt werden.

Das Teilgebilde, das durch eine Platte 10 A oder 10 B mit ihren verschiedenen Schichten gebildet wird, wird vorteilhafterweise und praktisch völlig durch Kathodenzerstäubung erhalten.

Nachdem die Glasplatten 10 A und 10 B auf geeignete Weise ge­ reinigt worden sind, wird über die ganze Ausdehnung der aktiven Oberfläche dieser Platten eine transparente Metalloxidschicht 12 durch Kathodenzerstäubung angebracht, wobei die genannte Schicht die anfängliche Schicht bildet, in der nachher die Elektroden durch Ätzung angebracht werden (siehe Fig. 2).

Das Anbringen der Nuten durch Ionenätzung kann entweder vor­ zugsweise in der Anfangsstufe der Vorbereitung der Platten 10 vor dem Anbringen der Oxidschicht 12 der Elektroden oder sofort vor dem Anbringen der Schicht 13 aus oberflächenaktivem Material erfolgen.

Dazu wird die ganze aktive Oberfläche der Platten 10 mit einem Film aus einem photopolymerisierbaren Lack überzogen. Der Lack­ film wird von einer Maske bedeckt, die durch ein photographisches Negativ gebildet wird und in der ein Netzwerk paralleler Streifen angebracht ist, von denen eine gewisse Anzahl transparent ist, wobei die Breite der Streifen etwa 1 µm beträgt; das genannte Netzwerk bedeckt mindestens den von dem Distanzglied 11 bedeckten Plattenteil. Durch ein be­ kanntes Verfahren wird der Lack dem Einfluß einer Strahlung über die Maske ausgesetzt und die nichtpolymerisierten Teile dieses Lackes, die den zu bildenden Nuten entsprechen, werden gelöst.

Die Platten 10 werden dann einem Argonionen­ beschuß unter Bedingungen unterworfen, die den Bedingungen entsprechen, die für die Ätzung der Oxidschicht erforderlich sind, wenn in dieser Schicht die Elektroden der Zelle gebildet werden (Druck in der Größenordnung von 0,08 Pa, Abstand zwischen den Elektroden 50 bis 60 mm, Hochfrequenz­ speisung, mittlere Leistungsaufnahme 1 W/cm² behandelter Oberfläche).

Es ist naturgemäß unbedingt notwendig, daß diese Ätzung mit größter Sorgfalt durchgeführt wird, wenn die Nuten nach der Bildung der Elektroden der Zelle angebracht werden. Die mittlere Dicke der Oxidschicht ist 0,12 µm, während die Tiefe der Nuten dann unvermeidlich kleiner als 0,12 µm sein muß.

Wenn die Nuten am Anfang der Vorbereitung der Platten angebracht werden, ist eine mittlere Tiefe von 0,20 µm zulässig (0,15 bis 0,30 µm).

Die Entfernung des Lackes nach dem Anbringen der Nuten erfolgt durch einen Sauerstoffionenbeschuß.

Die so erhaltene Oberfläche nach dem Anbringen der Nuten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mehr oder weniger wellig, was darauf zurückzuführen ist, daß die Spalte der Maske sehr schmal sind und nahe beieinander liegen. Ein derartiges Profil ohne straffe Vorderflächen ist in dem Sinne günstig, daß dieses Profil die vollkommene Kontinuität der nachher gebildeten Schichten auf der geätzten Oberfläche sicherstellt.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Anbringen der Schicht aus oberflächenaktivem Material nach den in der Gasionenphase stattfindenden Vorgängen erfolgt. Die Oberfläche, auf der die genannte Schicht aus oberflächen­ aktivem Material haftet, ist also völlig rein, ohne daß zusätzliche chemische Ätzbehandlungen erforderlich sind.

Da der Flüssigkristall 15 mit reinen Wänden in Kontakt ist, wird er von diesen Wänden nicht verun­ reinigt, wodurch die Lebensdauer der durch das Verfahren nach der Erfindung erhaltenen oben beschriebenen Zellen wesentlich länger als die gleichartiger durch andere Techniken hergestellter Zellen ist.

Auf der genannten Oxidschicht 12 und in einem Randteil der Platten 10 (z. B. rechts von der gestrichel­ ten Linie I-I) wird eine Kontaktschicht angebracht, die durch eine Goldschicht 16 und eine Nickelschicht 17 ge­ bildet wird (siehe Fig. 3). Diese Kontaktschicht wird vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung gebildet.

Danach wird ein Film 18 eines photoempfind­ lichen Lackes auf der gesamten nutzbaren Oberfläche der Struktur nach Fig. 3 angebracht; der genannte Film wird photographisch geätzt, damit er auf den Teilen der Oxidschicht 12, die die Elektroden der Zelle bilden müssen, und ebenfalls auf den Teilen der Kontaktzone 16-17, die die Kontaktschichten für die genannten Elektroden bilden müssen, erhalten bleibt (siehe Fig. 4).

Die Kontaktschicht 16-17 wird dann chemisch geätzt, damit darin die verschiedenen Kontaktzonen ge­ bildet werden. Durch Kathodenzerstäubung und während der gleichen Bearbeitung werden anschließend die nicht von dem Lack geschützten Teile der Oxidschicht 12 durch Ionenätzung mit Argonionen unter einem Druck in der Größenordnung von 0,08 Pa entfernt, wobei die erforderliche Entladung von einem Hochfrequenzgenerator bei einer mittleren Leistung von 1 W/cm² behandelter Oberfläche aufrechterhalten wird, während der Abstand zwischen der Anode und der Kathode 50 bis 60 mm beträgt.

Es ist üblich, daß während der genannten Ätzbehandlung ein kleiner Teil der Dicke des Filmes 18 verschwindet. Die verbleibenden Teile des Filmes 18 werden dadurch entfernt, daß die Platten 10 A und 10 B einem Sauerstoffionenbeschuß nach einem bekannten Verfahren unterworfen werden, wobei die erforderliche Entladung ebenfalls von einem Hochfrequenzgenerator aufrechter­ halten wird (siehe Fig. 5).

Danach sind die Platten bereit, mit einer Schicht aus oberflächenaktivem Material 13 überzogen zu werden.

Das Anbringen dieser Schicht 13 aus oberflächen­ aktivem Material wird in einem Kathodenzerstäubungsraum gesteuert, dessen Kathode aus Aluminium besteht, wobei die genannten Platten auf der Anode angebracht und vor­ zugsweise von einer Maske geschützt werden, die nur die von dem Distanzglied 11 umgebenen Gebiete der genannten Platten frei läßt. Diese Maskierung bezweckt die Bildung einer Schicht aus oberflächenaktivem Material auf den Kontaktzonen 16 zu vermeiden, weil dies während der nach­ her durchzuführenden Schweißvorgänge auf die genannten Gebiete einen ungünstigen Einfluß ausüben könnte.

Nach dem Verschluß des genannten Kathoden­ zerstäubungsraumes wird darin der erforderliche Unter­ druck erzeugt. Dann kann diesem Raum Sauerstoff unter einem Druck zugegeben werden, der bei Entladung unter Kathodenzerstäubungsbedingungen die vorhergehende Reini­ gung der Platten 10 sicherstellt, unter der Annahme, daß diese Platten während einer gewissen Zeit vor dem Anbringen der Schicht aus oberflächenaktivem Material auf Lager gehalten worden sind. Eine derartige Reinigung durch Sauerstoff ist durchaus nicht notwendig, wenn die Her­ stellung sofort durchgeführt wird, da die Entfernung des verwendeten Lackes mit Hilfe von Sauerstoff vor dem An­ bringen der Schicht aus oberflächenaktivem Material an sich zu einer gründlichen Reinigung der Oberflächen des Glases und der Elektroden beigetragen hat.

Bei einem leeren Raum oder bei einem aufs neue entleerten Raum bei Zufuhr von Sauerstoff zur Reinigung der Platten wird anschließend in den genann­ ten Raum ein Gasgemisch eingeführt, in dem sich 1 bis 10 Vol.-% einer organischen Metallverbindung befindet, die imstande ist, sich auf den genannten Platten unter der Einwirkung einer lumineszierenden Entladung abzulagern und sich auf diesen Platten zu polymerisieren; außerdem soll der genannte zusammengesetzte Stoff eine Struktur aufweisen, die sich dazu eignet, den Molekülen eines Flüssigkristalls die gewünschte Orientation aufzudrängen. Der Dampf der genannten Metallverbindung wird mit einem Hilfsgas, z. B. Argon, Sauerstoff, Stickstoff oder ganz einfach trockener Luft, gemischt.

Als geeignete organische Metallverbindungen seien metallische Alkoholate erwähnt. Wenn für den Flüssigkristall eine homeotrope Orientation verlangt wird, wird ein metallisches Alkoholat gewählt, das rings um einen vierwertigen Metallkern gruppiert ist, z. B. das Tetraäthoxysilan (C₂H₅O)₄Si oder das Isopropyltetra­ titanat (C₃H₇O)₄Ti.

Wenn für den Flüssigkristall eine Orientation gewünscht wird, die versucht, die Moleküle des genannten Kristalls gemäß Ebenen anzuordnen, die zu den Stütz­ platten 10 parallel sind, wird entweder ein metallisches Alkoholat, das rings um einen dreiwertigen Metallkern gruppiert ist, wie z. B. das Aluminiumisopropylat (C₃H₇O)₃Al, oder ein Borester gewählt.

Nachdem der Druck des Gasgemisches in dem Raum auf einen Wert zwischen 13 Pa und 1,3 Pa herabge­ setzt worden ist, wird zwischen der Kathode und der Anode der Vorrichtung eine lumineszierende Entladung er­ zeugt, was zu dem Kondensieren des Dampfes der Metallver­ bindung führt, wobei dieser Dampf im wesentlichen auf die nicht überzogenen Gebiete der Platten 10 gelangt.

Der Abstand zwischen der Kathode und der Anode übt einen entscheidenden Einfluß aus. Wenn ja dieser Abstand klein (in der Größenordnung von 50 bis 60 mm) ist, wie dies bei den meisten Kathodenzerstäubungsvor­ gängen der Fall ist, wird die kondensierte Metallverbin­ dung einem heftigen Ionen- und Elektronenbeschuß unter­ worfen und diese Elektronen und Ionen ändern die Struktur dieser Verbindung, die auf diese Weise in Metalloxid um­ gewandelt werden kann.

Im betrachteten Falle und unabhängig von der Art des Entladungshilfsgases wurde gefunden, daß der Abstand zwischen der Kathode und der Anode mindestens 150 mm betragen muß (zwischen 150 mm und 250 mm).

Nachstehend werden günstige Bedingungen zum Erhalten einer Schicht aus oberflächenaktivem Material, und zwar einer Schicht aus Tetraäthoxysilan, angegeben.

In der dazu verwendeten Vorrichtung weisen die Kathode und die Anode einen Durchmesser von 150 mm auf, während der Abstand zwischen diesen Elektroden 200 mm beträgt (150 mm bis 250 mm).

Das Gasgemisch enthält 8% (6% bis 10%) Tetraäthoxysilandämpfe und 92% (90% bis 94%) Sauer­ stoffdämpfe. Die zwischen der Kathode und der Anode an­ gelegte Gleichspannung beträgt 1,5 kV (1,4 kV bis 1,6 kV).

Unter diesen Bedingungen ist die Intensität des Entladungsstromes gleich 1,5 mA (1 mA bis 2 mA) pro cm² Kathodenoberfläche.

Die auf den isolierenden Platten 10 A und 10 B angebrachte polykondensierte Schicht weist nach einer Ablagerungszeit von 5 Minuten eine Dicke in der Größen­ ordnung von 10^-2 µm (5 · 10^-3 µm bis 15 · 10^-3 µm) auf.

Es stellt sich heraus, daß eine derartige Dicke die geeignete obere Grenze für eine Schicht aus oberflächenaktivem Material bildet, die mit Hilfe eines metallischen Alkoholats erhalten wird. Wenn die Dicke größer ist, wurde gefunden, daß das genannte ober­ flächenaktive Material einen Teil seiner Zweckmäßigkeit verliert.

Die oben angegebenen Niederschlagbedingungen sind ungeachtet der Art des verwendeten Hilfsgases nur wenig verschieden. Für ein gleiches Hilfsgas ändern sich die genannten Bedingungen praktisch nicht mit der Art der mit dem genannten Hilfsgas gemischten organischen Metallverbindungen.

Nach der Beendigung der Anbringung der Schicht 13 aus oberflächenaktivem Material sind die auf diese Weise erhaltenen Platten 10 (siehe Fig. 6) dazu bereit, in der Zelle nach Fig. 1 zusammengebaut zu werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Wiedergabevorrichtung mit einer Flüssigkristallschicht zwischen zwei Stütz­ platten, bei dem auf der Oberfläche einer Stützplatte eine Schicht aus einem oberflächenaktiven Material zum Erhalten einer gleichmäßigen Orientierung der Moleküle der Flüssigkristallschicht dadurch angebracht wird, daß eine Stützplatte in einer Gasatmosphäre angeordnet wird, die aus Dampf des oberflächenaktiven Materials in einem Hilfsgas besteht und in der eine elektrische Entladung aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anbringen des oberflächenaktiven Materials in zumindest einer der Oberflächen der Stützplatten durch Ionen­ ätzung ein Netzwerk feiner und paralleler Nuten angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk in den Stützplatten vor dem Anbringen der Elektroden auf den Stützplatten gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk in den Stützplatten nach dem Anbringen der Elektroden auf diesen Platten, aber unmittelbar vor dem Anbringen der Schicht aus oberflächenaktivem Material gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Material eine organische Metall­ verbindung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle des Flüssigkristalls parallel zu der Stützplatte orientiert werden und daß die organische Metall­ verbindung ein Alkoholat eines dreiwertigen Metalls ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdampfdruck des oberflächenaktiven Ma­ terials 1 bis 10% des Gesamtdruckes der Gasatmosphäre beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas ein Gas aus der durch Argon, Stickstoff, Sauerstoff und Luft gebildeten Gruppe von Gasen ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung in einer Kathodenzerstäubungs­ vorrichtung mit Diodenkonfiguration erzeugt wird, wobei der Abstand zwischen der Kathode und der Anode 150 bis 250 mm beträgt, daß die Gasatmosphäre durch 6% bis 10% Tetra­ äthoxysilandampf und durch 90% bis 94% Sauerstoff gebil­ det wird, daß die zwischen der Kathode und der Anode ange­ legte Spannung 1,4 bis 1,6 kV beträgt, daß die Intensität des Entladungsstromes 1 bis 2 mA pro cm² Kathodenober­ fläche beträgt und daß die Entladung während höchstens 5 Minuten aufrechterhalten wird, um einen Niederschlag einer Schicht polykondensierten Tetraäthoxysilans mit einer Dicke von 5 · 10^-3 µm bis 15 · 10^-3 µm zu erhalten.