DE2533705A1

DE2533705A1 - Fluessigkristall-einrichtung

Info

Publication number: DE2533705A1
Application number: DE19752533705
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Young
Original assignee: American Microsystems Holding Corp
Current assignee: American Microsystems Holding Corp
Priority date: 1974-10-10
Filing date: 1975-07-28
Publication date: 1976-04-15
Also published as: GB1475433A; CA1006611A; FR2287740A1; CH598610A5; JPS5162748A; US3966305A

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8 MÖNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN StelnsdorfstraUe 10

Dr. r.r. not. W. KÖRBER * «W ·»««

Dipl.-In₉. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

28. Juli 1975

AMERICAN MICROSYSTEMS, INC.

3800 Homestead Road

Santa Clara, California 95051

V.St.A.

Patentanmeldung

Flüssigkristall-Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist sowie auf ein Herstellungsverfahren. Mehr ins einzelne gehend betrifft die Erfindung eine solche Einrichtung, in der ein dünner Körper schraubenförmigen oder verdrehten nematischen Flüssigkristall-Materials zwischen zwei Substraten gehalten wird.

Nematische Flüssigkristall-Materialien haben wenn sie sich in einer mesomorphen Phase befinden die nützliche Eigenschaft, die Polarisationsrichtung einfallenden, linear polarisierten Lichtes zu beeinflussen. Diese Eigenschaft kann durch den Einfluß eines elektrischen Potentials bzw. Feldes oder eines magnetischen Feldes modifiziert oder verändert werden. Wie dies gut bekannt ist, lassen sich verschiedene organische nematische Verbindungen in Form dünner Schichten ausbilden. Werden sie einem elektrischen Feld unterworfen, führt selektive, wahlweise Anwendung des Feldes dazu, die Reflexionseigenschaft oder die Durchlässigkeit der nematischen Verbindungen für Licht zu verändern. Damit ist es möglich, verschiedene optische Anzeigeeinrichtungen zu realisieren. Die Verwendung schraubenförmiger (twisted) nematischer Flüssigkristall-Materialien hat sich als besonders günstig für

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optische Zellen des sogenannten Feldeffekttyps erwiesen, weil sie niedrigere Spannung und geringere Leistung "benötigen. Der Betrieb von Zellen mit schraubenförmigem oder tordiertem nematischem Flüssigkristall in der Art des Feldeffekttyps erfordert jedoch effektive wirksame homogene Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls. Das heißt, daß die relativ langen Moleküle gezwungen werden müssen, in miteinander zusammenwirkender Ausrichtung, parallel zu den inneren Oberflächen der im"Abstand voneinander befindlichen Platten der Zelle zu liegen. Wenn zwei transparente Platten vorgesehen sind, die jede auf ihrer inneren Oberfläche Oberflächenmerkmale derart haben, daß die Moleküle des Flüssigkristalls veranlasst sind, sich parallel zu ihrer eigenen Platte jedoch im rechten V/inkel zur anderen Platte auszurichten, dann ergibt sich als resultierender Effekt ein optisches Mittel, das die Ebene linearer Polarisation um 90 ° dreht. In gleicher Weise wird durch die resultierende nematische Flüssigkeit die Polarisationsebene linear polarisierten Lichts um 45 ° gedreht, falls die zwei Richtungen der länglichen Moleküle in einem Winkel von 45 ° zueinander sind. In gleicher Weise kann ein jeglicher Betrag optischer Drehung erreicht werden. Das Flüssigkristall-Material ist durch intermolekulare Wechselwirkung elastisch deformiert, so daß die langen Achsen des nematischen Materials wendelförmig orientiert sind, und zwar zwischen den Platten relativ zueinander. Wenn an die Einrichtung ein elektrisches Feld angelegt wird, ist die Struktur bei einer bestimmten Spannung ohne Verdrehung und wird Licht hindurchgelassen, wenn sich die Einrichtung zwischen zueinander parallelen Polarisatoren befindet.

Um die notwendige parallele Ausrichtung bzw. Orientierung der Moleküle an den Platten der Zelle zu erreichen, war es bei bekannten Einrichtungen notwendig, die Oberflächen der transparenten Platten durch Reiben oder Schleifen ihrer inneren Oberflächen mit einer unidirectionalen Ausrichtung zu versehen, um eine Ausrichtungsachse und eine optische Achse mit gleicher Richtung zu haben. Einfaches sauberes Glas oder

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saubere transparente Elektrodenoberflächen allein konnten die gewünschte Ausrichtung nicht gewährleisten. Später wurde ein anderes wirksames Mittel zur Erreichung dieser Molekülausrichtung des in nematischer Phase befindlichen Flüssigkristall-Materials angewendet, bei dem eine Vakuumabscheidung eines dünnen Filmes aus Siliciummonoxid (SiO) mit großem Einfallswinkel auf der inneren Oberfläche einer jeden transparenten Platte der Zelle durchgeführt wurde. Dieses nunmehr gut bekannte Verfahren wurde von J. L. Janning entwickelt und ist in Applied Physics Letters 21 (1972), Seiten 173 ff. beschrieben. Die Technik von Janning zur Erreichung der Ausrichtung brachte jedoch nicht immer in allen Fällen den Erfolg, noch hat es eine Ausrichtung gebracht, die immer gleichmäßig hoch an den Grenzen zwischen einer Glas oberfläche und den auf den Zellenplatten befindlichen transparenten, leitfähigen Elektrodenflächen ist. Es wird angenommen, daß die Silieiumoxidschicht keine zuverlässige Ausrichtung erzeugt, weil sie auf dem Bereich des leitfähigen Musters der Zellenplatte und auf den Bereichen mit klarem Glas der Platte nicht mit derselben Aufwachsrate und mit derselben Oberflächentektur aufwächst. Zusätzlich war die an den Grenzflächen oder Grenzen zwischen leitfähigen und nicht-leitfähigen Bereichen auftretende Molekülausrichtung bei Verwendung einer Siliciumoxidschicht entweder zufälliger Art oder in einzelnen Fällen im wesentlichen homeotrop. Solche Flächen wirken als verschmierte Stellen der Anzeigeeinrichtungen,wie Bereiche normal aktivierter Flächen auftreten. Solche Unvollständigkeiten führen oft zum Auftreten eines starken optischen Interferenzfarbmusters erster Ordnung, das es schwierig oder unmöglich macht, die Anzeigeeinrichtung abzulesen.

Ein anderes Problem, das sich mit der direkten Anwendung einer Siliciumoxidschicht auf den als Muster ausgebildeten leitfähigen Flächen auf den Anzeigeplatten ergab, war, daß die Siliciumoxidschicht für Ionenströme nicht undurchlässig war. Diese konnten daher die Schicht durchdringen und elektrochemische Zerstörung der darunter befindlichen leitfähigen

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Oxidschicht bewirken. In extremen Fällen konnte die Siüeiumoxidschicht selbst durch ein solches Durchdringen von Ionen zerstört werden, das ebenfalls zur Verschlechterung oder vollständigem Ausfall der Zelle führen würde.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche wie voranstehend erwähnten Probleme zu lösen.

Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 umrissenen Einrichtung gelöst, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die voranstehend erwähnten Probleme werden mit einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Einrichtung gelöst, bei der als erstes Platten oder Substrate einer Einrichtung vorgesehen sind, die in an sich bekannter Weise aufgebaut ist. Diese Platten haben mit Muster versehene Flächen aus einer Schicht aus transparentem, leitfähigem Material, wie z. B. Indiumoxid, auf der inneren Oberfläche einer jeden platte. Über die ganze innere Oberfläche einer jeden mit Elektroden versehenen Platte der Zelle ist, z. B. durch reaktive Abscheidung, ein dünner Film aus einer dielektrischen Schicht aufgebracht, die z. B. pyrolytisches Siliciumdioxid, allgemein als Silox bezeichnet, sein kann. Dieser undurchlässige Film bedeckt die leitfähigen Flächen in einer solchen Weise, daß er ihre Kanten wirksam bedeckt und eine Grundlage für eine gleichförmigere Textur oder Konsistenz der nächsten aufzubringenden Schicht bildet. Nachfolgend wird eine im Winkel erfolgende Abscheidung thermisch aufgedampften Siliciumoxids auf jeder mit Elektroden versehenen Zellenplatte durchgeführt. In an sich bereits bekannter Weise bewirkt das Siliciumoxid einen Oberflächencharakter, der zu paralleler Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls führt. Bei einem Zellenaufbau mit

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Flüssigkristall der üblichen Feldeffektart sind die Platten entlang ihrem Umfang miteinander verbunden und "befinden sich im Abstand voneinander, so daß sie einen dünnen Zwischenraum für die Aufnahme des Materials des Flüssig-kristails bilden. Die so erreichte Ausrichtung ist gleichförmig, stark und frei von Interferenz-Farbmustern, die bisher die Erkennbarkeit solcher Anzeigeeinrichtungen beeinträchtigt hatten.

Ein anderer mit der vorliegenden Erfindung erreichter Vorteil ist, daß die Schichten aus Siliciumdioxid und aus Siliciumoxid kombiniert mit der leitfähigen Oxidschicht im wesentlichen ein Interferenzfilter bilden, das die Reflexion von Licht unterdrückt und dadurch die Sichtbarkeit des leitfähigen Oxids aller Bereiche verringert.

Mit der vorliegenden Erfindung sind die eingangs erwähnten Probleme gelöst. Spezieller gesehen, ist mit der Erfindung eine Flüssigkristall-Zelle mit Feldeffekt geschaffen, die eine zuverlässige homogene Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristall-Materials aufweist. Mit der Erfindung ist eine verbesserte Flüssigkristall-Zelle mit zuverlässiger und durchwegs vorliegender Ausrichtung geschaffen, wobei diese Zelle außerdem günstig für einfache und wirtschaftliche Herstellung ist.

Eine wie erfindungsgemäße Zelle ist unempfindlich gegen elektro-chemische Beschädigung oder Verschlechterung, eingeschlossen Beschädigung der ausrichtenden Oberflächen, der Elektrodenoberflächen und des Flüssigkristalls selbst.

Weitere Erläuterungen, Vorteile und Besonderheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren hervor.

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Pig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine wie übliche Flüssigkristall-Zelle, wobei ihre aktivierten digitalen Merkmale bzw. Zeichenteile aktiviert sind und

Pig. 2 zeigt eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 nach Fig.1. Diese Figur zeigt die verschiedenen Schichten, die sich auf den inneren Oberflächen der Zellenplatten erfindungsgemäß befinden.

Pig. 1 zeigt eine optische Zelle oder eine Anzeigeeinrichtung 10 mit Flüssigkristall in einer Ausgestaltung, wie sie für die Verwendung für ein Zeitteil, wie z. B. einer Armbanduhr, angepaßt ist. Diese spezielle Einrichtung 10 ist als typisches Beispiel dargestellt, wie es vorliegt, wenn es um eine digitale Zeitanzeige von Stunden und Minuten geht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung auch für Anzeigeeinrichtungen verwendbar ist, die irgendeine andere passende ebene Form der Ausgestaltung haben und daß sie auch für andere Zwecke verwendbar ist, wie z. B. als Ausleseanzeigeeinrichtung eines Digitalmeßgerätes oder eines Rechners.

Wie in Fig. 2 gezeigt, hat eine solche Einrichtung 10 im allgemeinen ein Paar Platten 12 und 14 aus transparentem, (elektrisch) nicht-leitendem Material, wie z. B. klar durchsichtigem Glas. Auf den inneren Oberflächen der Platten 12 und 14 sind Schichten 16 und 18 aus transparentem (elektrisch) leitfähigem Material, wie z. B. Indiumoxid, angeordnet. Diese letzteren auf jeder Platte befindlichen Schichten 16, 18 sind zu einem vorgegebenen Muster leitfähigen Materials ausgebildet, so daß die zwei Platten, wenn sie sich in vorgegebener Gegenüberstellung bzw. Übereinanderlage befinden, auslesbare Musterelemente bilden, wie z. B. die gut bekannten sieben Segmente eines digitalen Zeichens. Leitfähige Leiter (nicht dargestellt) erstrecken sich von den leitfähigen Segmenten der beiden Platten zu Anschlußpunkten bzw. Anschlußeinrichtungen, die entlang einer Kante der Einrichtung 10 derart angeordnet sind, daß die Zeichensegmente wahlweise angeschaltet bzw. mit Energie versorgt werden können, um die gewünschte

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Anzeige zu "bewirken.

Wie in Pig. 2 gezeigt, liegen die Platten 12 und 14 der Einrichtung "bzw. Zelle 10 in einem vorgegebenen kleinen Abstand voneinander und sind entlang ihrer Kanten miteinander versiegelt, so daß sie zwischen sich einen planaren Raum bilden, der mit dem Material 20 eines nematischen Pliissigkristalls angefüllt ist. Ein solches Material ist in einer anhängigen Anmeldung des gleichen Anmelders, US-Aktenzeichen 503 241 vom 5. September 1974, näher beschrieben.

Damit dieses Material in einer optischen Anzeigeeinrichtung des Peldeffekttyps in richtiger Weise seine Punktion ausführen kann, wie dies an sich gut bekannt ist, müssen seine länglichen Moleküle bezogen auf die innere Oberfläche der Platten ausgerichtet sein, wenn elektrisches PeId zwischen den leitfähigen Schichten 16 und 18 vorhanden ist. Die vervollständigte Anzeigeeinrichtung wird betrachtet, indem man die Platten zwischen lineare Polarisatoren 23 oder 24 bringt oder indem man ein linear polarisierendes Material auf die äußere Oberfläche einer jeden der Platten aufbringt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die voranstehend erwähnte Ausrichtung der Moleküle des Plussigkristails an jeder der transparenten Platten dadurch ausgeführt, daß ein erster dünner PiIm oder dünne Schicht 26 aus transparentem dielektrischem Material vorgesehen ist, wobei sich der PiIm bzw. die Schicht 26 über die gesamte innere Oberfläche, eingeschlossen die leitfähige Schicht einer jeden Platte, erstreckt. Dieses dielektrische Material ist vorzugsweise pyrolytisches Siliciumdioxid SiOp oder "Silox". Es kann mittels einfacher Silan-Abscheidung unter Verwendung üblicher Einrichtungen aufgebracht werden. Diese Silox-Sehicht wird mit einer Dicke von ungefähr 100 Angström angebracht und bedeckt vollständig die gesamte innere Oberfläche einer jeden Platte. Es wird damit eine andere Oberfläche gebildet, die bezüglich chemischer Zusammensetzung und Textur gleichförmiger ist. Dieses Silieium-

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dioxid ist für Ionenströme im wesentlichen undurchlässig und stellt daher eine schützende Barriere über das ganze leitfähige Oxid hinweg dar.

Auf der Oberseite der Silox-Schicht 26 einer jeden Platte befindet sich eine im Winkel vorgenommene Abscheidung aus thermisch aufgedampftem Siliciummonoxid (SiO), das einen diinnen PiIm 28 bildet. Dieser PiIm kann nach einem üblichen Vakuum-Abscheideprozeß hergestellt werden und mit großem Einfallswinkel, z. B. 80 °, bezogen auf die Formale der Oberfläche einer jeden der Platten der Zelle aufgebracht sein. Eine wirkungsvolle Dicke für den Film 22 liegt im Bereich von 100 - 500 JL Es ist festgestellt worden, daß besonders gute Ergebnisse im Bereich von 200 - 300 ü erreicht werden. Bei schon aufgebrachtem Siliciumdioxid ist der Einfallswinkel des Siliciumoxide im wesentlichen gleichförmig bzw. gleichmäßig für die gesamte Oberfläche einer jeden Platte. Auf diese Weise bleibt die Ausrichtung der Moleküle des Materials 20 des Flüssigkristalls sowohl über die leitfähige Fläche als auch über die Kanten hinweg hoch und ist daher im wesentlichen gleichförmig für die gesamte innere Oberfläche einer jeden Platte. Wegen dieser Gleichförmigkeit der Ausrichtung lassen sich klare, gut definierte Bild- oder Zeichenteile ausbilden, ohne daß optische Interferenzfarben oder -muster auftreten, wenn man die Einrichtung betreibt. Auch andere sichtbare bzw. für die Betrachtung nachteilige Erscheinungen sind im wesentlichen bzw. beträchtlich verringert oder beseitigt und die Lebensdauer der Zelle bzw. der Einrichtung ist verlängert.

Der die Oberfläche ausrichtende Film 28 kann auch aus anderen Materialien als Siliciummonoxid hergestellt sein. Zum Beispiel können orientierbare Filme verwendet werden, wie z. B. solche, die aus linearem Polymer oder Alkoxysilan-Derivaten hergestellt sind. Ein Beispiel für ein geeignetes lineares Polymer ist Polyvinylalkohol und ein Beispiel eines Alkoxysilanderivats ist ein solches, das von Dow Corning hergestellt wird und mit XZ-2024 bezeichnet ist. Solch ein ausrichtender Film kann aus

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einer mit Lösungsmittel gebildeten Lösung hergestellt werden, z. B. aus einer Lösung mit 2 $> Polyvinylalkohol in Wasser oder mit einer 0,1 volumenprozentigen wässrigen Lösung von Alkoxysilanderivat. Sie kann durch Reiben oder Schleifen orientiert werden, das während der Lösungsmittelentfernung oder danach ausgeführt wird.

Ein wichtiger Faktor liegt insoweit vor, als für die vorliegende Erfindung in Betracht zu ziehen ist, daß die anfängliche oder erste dielektrische Schicht 26 zwischen der mit Muster versehenen leitfähigen Schicht und dem ausrichtenden Film angebracht wird, wodurch letzterer noch effektiver gemacht wird. Die Abscheidung der dielektrischen Schicht 26 verbessert wesentlich den Betrachtungswinkel für die Einrichtung und vergrößert für die Moleküle des Flüssigkristalls die Neigung, sich in einer homogenen Eindomänenausrichtung auszurichten, und zwar im Gegensatz zu 180 °-Domänengefüge, welches häufig in Einrichtungen auftritt, denen diese dielektrische Schicht fehlt.

Für den einschlägigen Fachmann an den sich die vorliegende Erfindung richtet, lassen sich im Rahmen der Erfindung aufgrund des vorangehend Beschriebenen weitere Ausgestaltungen und Variationen auffinden bzw. angeben, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird. Beschreibung und Figuren dienen der Erläuterung und stellen keine Beschränkung der Erfindung dar.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Iy Flüssigkristall-Einrichtung, geeignet für optische Anzeigeeinrichtung, mit einem Paar transparenter Platten die sich im Abstand voneinander befinden und an ihrem Umfang miteinander versiegelt sind, um einen dünnen planaren Raum zu "bilden, der mit einem schraubenförmigen oder gedrehten nematischen Flüssigkristall-Material gefüllt ist, wobei auf der inneren Oberfläche einer jeden der Platten eine erste Schicht aus transparentem, leitfähigem Material zur Bildung einer Elektrode mit vorgegebenem Muster vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster dünner Film aus dielektrischem Material vorgesehen ist, der die innere Oberfläche und die leitfähigen Muster (16,18) einer jeden der Platten (12,14) bedeckt, wobei sich auf diesem ersten Film (26) ein zweiter dünner Film (28) aus ausrichtendem Material mit gleichförmiger Dicke befindet, der den ersten Film (26) einer jeden Platte (12,14) bedeckt und der die Moleküle des Flüssigkristall-Materials (20) veranlasst, sich im wesentlichen parallel zueinander auf bzw. zu der Oberfläche einer jeden Platte (12,14) auszurichten.
2. Flüssigkristall-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Film (28), der für jede der Platten (12,14) vorgesehen ist, aus Siliciummonoxid besteht.
3. Flüssigkristall-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Film (26) einer jeden der Platten (12,14) Siliciumdioxid ist.
4. Flüssigkristall-Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Film (26) eine Dicke von ungefähr 100 Angström hat.

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5. Flüssigkristall-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Film (28) eine Dicke im Bereich von 200 bis 300 Angström hat.
6. Flüssigkristall-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 55 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite PiIm (28) einer jeden Platte (12,14) ein lineares Polymer ist.
7. Flüssigkristall-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Polymer Polyvinylalkohol ist.
8. Flüssigkristall-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeihnet, daß der zweite Film (28) ein Alkoxysilanderivat ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Paares Glasplatten (12,14), die eine jede auf einer Oberfläche eine Beschichtung aus transparentem, leitfähigem Material mit vorgegebenem Muster hat, daß diese eine Oberfläche einer jeden Platte (12,14) mit einem ersten schützenden transparenten dielektrischen Film (26) bedeckt wird, der sowohl das leitfähige Material (16,18) als auch die Flächenteile um das leitfähige Material herum bedeckt, daß dieser erste Film (26) auf jeder der Platten (12,14) mit einem zweiten Film (28) aus einem Material bedeckt wird, das für die Orientierung der Moleküle eines nematischen Flüssigkristall-Materials (20) ausrichtend wirksam ist, daß diese Platten parallel zueinander in einem Abstand voneinander nahe benachbart angeordnet werden und eine am Umfang vorgesehene Versiegelung angebracht wird, die einen abgeschlossenen Raum zwischen den Platten (12,14) bewirkt und daß dieser Raum mit einem Flüssigkristall-Material (20) gefüllt wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Film (26) aus Siliciumdioxid "besteht, das
durch Aufdampfen in einer Dicke von ungefähr 100 Angström aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Mim (28) aus Siliciummonoxid "besteht, das in einem Winkel auf dem ersten Film (26) einer jeden der Platten (12,14) in einer Dicke von 200 - 300 Angström abgeschieden wird.

Der Patintarwelt

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