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Flüssigkristallanzeige Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-(FK-)Anzeige
mit zwei Trägerplatten, die zwischen sich eine FK-Schicht hermetisch dicht einschließen
und auf ihren einander zugewandten, jeweils mit einem Elektrodenbelag versehenen
Flächen (Innenflächen) zur Orientierung der FK-Schicht ein wenigstens angenähert
einheitliches Mikroprofil reisen. sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen
Anzeige.
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FK-Displays der geschilderten Art sind in einer Vielzahl von Ausführungen
bekannt, vergleiche hierzu be.spielsweise die US-PS 3 834 792 oder den übersichtsartikel
von F. J. Kahn in 11'oc. IEEE", Vol. 61, No. 7, Juli 1973, Seiten 823 bis 828.
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Bei diesen vorbekannten Anzeigen dient die Oberflächenstruktur der
Platteninnenflächen dazu, unter den länglichen FK-Molekülen von den Grenzflächen
aus eine bestimmte Vorzugsrichtung zu induzieren, beispielsweise die Moleküle zur
Plattenebene senkrecht ("homöotrop"), ), parallel ("homogen") oder auch schräg ("verkippt
homöotrop" beziehungsweise '!verkippt homogen) zu orientieren. Eine homöotrope Ausrichtung
ist vor allem beim sogenannten DAP-Effekt (Deformation of Aligned Phases), eine
homogene Moleküllage beispielsweise beim sogenarulten TN-Effekt (Twisted Nematic)
erforderlich.
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Man kann eine orientierende Mikroftruktur ohne jeglichen apparativen
Aufwand einfach durch gleichmäßiges Reiben der Plattenoberflächen mit einem geeigneten
Tuch herstellen. Eine solche mechanische Oberflächenbehandlung verlangt allerdings
ein sorgfältiges Vorgehen und liefert zudem keine reproduzierbaren
Werte.
Aus diesem Grund ist man in jüngerer Zeit auch dazu übergegangen, das Oberflächenprofil
durch eine schräg auf die Plattenfläche aufgedampfte Schicht zu erzeugen (vergleiche
hierzu die bereits zitierte Patentschrift oder "Appl.
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Phys. Lett.", Vol. 21, No. 4, 15. August 1972, Seite 173 f.).
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Mit schrägbedampften Schichten lassen sich praktisch alle denkbaren
FK-Orientierungen erzwingen, insbesondere eine über den gesamten Bildschirm einheitlich
homogene Ausrichtung, die für Displays auf TN-Basis eine wesentliche Voraussetzung
bilden (eine FK-Schicht ist einheitlich homogen ausgerichtet, wenn ihre Moleküle
nicht nur in einer zu Plattenebene paralle len Ebene, sondern auch zueinander parallel
liegen). Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß bei den bisher verwendeten dielektrischen
Schichtmaterialien die Orientierungskraft durch chemische Langzeitreaktionen mit
einer Reihe von gängigen FK-Materialien im Laufe der Zeit nachläßt und bei erhöhten
Betriebstemperaturen sogar sehr rasch absinken kann. So geht beispielsweise die
orientierende Wirkung von aufgedampften Siliciumoxidschichten, wenn sie mit Biphenylen
in Berührung stehen, bei Temperaturen um 80 ° binnen Monaten vollkommen verloren.
Derartige Qualitätsverschlechterungen durchkreuzen alle Bemühungen um eine universelle
Anwendbarkeit von FK-Dis plays und sind daher außerordentlich unbefriedigend.
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Zur Beseitigung der geschilderten Mängel und Beschränkungen, insbesondere
zur Schaffung einer FK-Anzeige mit einer frei wählbaren, dabei aber einheitlich
und thermisch langzeitstaw bil orientierten FK-Schicht, ist bei einem Display der
eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Mikroprofil der Trägerplatten-Innenflächen
zusätzlich mit einem durch Chemisorption gebundenen Film eines Silan-Derivats überzogen
ist.
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Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß das auf der strukturierten
Oberfläche chemisorbierte Silan-Derivat - bei
Wahl geeigneter Silane
- die Orientierungswirkung der Mikrostruktur nicht nur vermindert, sondern sogar
unterstützt und vor allem auch unter thermischen Langzeitbelastungen aufrechterhält.
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Trägt die Plattenoberfläche eine schrägbedampfte Schicht, so bringt
die vorgeschlagene Silanisierung einen zusätzlichen und insbesondere bei Serienfertigungen
ins Gewicht fallenden Vorteil: Es hat sich herausgestellt, daß große Winkel zwischen
der Bedampfungsri chtung und der Flächennormalen (Schrägb e dampfungswinkel) zu
vergleichsweise großen Winkeln zwischen den Längsachsen der FK-Moleküle und der
Substratoberfläche (Anstellwinkel) führen, kleine Schrägbedampfungswinkel dagegen
kleine Anstellwinkel ergeben. Diese Korrelation mag darauf zurückzuführen sein,
daß die schrä.gbedainpfte Schicht eine Oberfläche in Form von zueinander parallelen,
zigarrenförmigen Erhebungen ausbildet und die FK-MolekUle sich diesen Ellipsoiden
jeweils in der energetisch günstigsten Tangentialebene anlagern. Beispielsweise
führt ein Schrägbedampfungswinkel von 85 ° zu Anstellwinkeln größer als 20 ° und
ein Schrägbedampfungswinkel von 60 ° zu einem Anstellwinkel von etwa 5 °.
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Große Anstellwinkel verschlechtern allgemein das Multiplexverhalten
der FK-Schicht (die Steigung der Spannungskontrast-Kennlinie ist vergleichsweise
gering) und beschränken speziell bei Drehzellen auch noch den Betrachtungswinkelbereich
(bei großen Betrachtungswinkeln verschwindet der' Kontrast). Wollte man kleine Anstellwinkel
durch kleine Schrägbedampfungswinkel verwirklichen, so wird die Fertigung unrationeller,
da man um so weniger Platten in einem Arbeitsgang gleichzeitig beschichten kann,
je spitzer man den Schrägbedampfungswinkel wählt.
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Außerdem hat ein kleiner Schrägbedampfungswinkel den unangenehmen
Nebeneffekt, die Ausschaltzeit der FK-Schicht zu verlangen.
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Versuche haben nun ergeben, daß der hier vorgeschlagene Silanfilm
die topologische Struktur der schrägbedampften Schicht auf seine eigene, an die
FK-Schicht grenzende Oberfläche derart überträgt, daß der Uberzug hinsichtlich des
Anstellwinliels wie eine Verringerung des Schrägbedampfungswinkels wirkt. Da die
Schichtstruktur auch noch in einem mit wachsender Filmdicke stetig abnehmenden Maß
abgebildet wird, kann somit der Anstellwinkel der FK-Schicht in weiten Grenzen variiert
werden, ohne daß man hierzu von der fertigungstechnisch günstig-c sten Bedampfungsgeometrie
abgehen oder Schaltverzögerungen hinnehmen muß.
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Der genaue Wert des optimalen Anstellwinkels hangt davon ab, mit welchem
Anzeigeeffekt (dynamische Streuung, DAP-Effelct, Bistabilitätseffekt) gearbeitet
werden soll, und ist ferner auch noch für verschiedene Parameter (Sichtbarkeit,
Multiplebarkeit, Schalt- beziehungsweise Abschaltgeschwindigkelt) unterschiedlich.
In bestimmten Fällen, beispielsweise bei AnrJen dung des TN-Effektes ("Drehzellen"
mit einer Verdrillung wn genau 90 ), sollten die Anstellwinkel zu den beiden Trägerplatten
sogar verschieden groß sein, damit einer der beiden möglichen Drehsinne energetisch
eindeutig bevorzugt ist und somit keine lokalen Orientierungsstörungen auftreten
können.
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Es ist an sich bereits bekannt, Substratoberflächen zum Zwecke der
FE-Orientierung zu silanisieren (vergleiche beispielsweise den zitierten ubersichtsartikel).
Bislang hat man jedoch, selbst wenn man eine Strukturierung des Silanfilms erarogen
haben mag, ein Aufbringen auf eine bereits profilierte, insbesondere schrägbedampfte,
Fläche noch nicht in Betracht gezogen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung,
insbesondere einfache und sichere Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
FK-Anzeige sowie geeignete Silane, sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung soll nun an Hand eines in der einzigen Figur der Zeichnung
schematisch im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Das FK-Display der Figur ist eine sogenannte Drehzelle, sie wird in Transmission
betrieben und dient zur Darstellung von Ziffern. Zwischen zwei transparenten Trägerplatten
1, 2 befindet sich eine Fliissigkristallschicht 3, die durch einen umlaufenden,
mit einer Füllöffnung versehenen Glaslotrahmen 4 eingegeben ist und nach Verschluß
der Rahmenöffnung hermetisch dicht gegen die Umwelt abgeschlossen werden kann. Die
beiden Platten tragen auf ihren Außenflächen jeweils Polarisatoren G, 7, die im
vorliegenden Fall zueinander gekreuzt stehen. Auf den einander zugewandten Innenflächen
der Trägerplatten befinden sich jeweils Elektrodenbeläge 8, 9, von denen der eine
(Elektrodenbelag 8) in al sich bekannter Weise segmentiert ist. Zusätzlich weisen
die Trägerplatten-Inneni'lächen jeweils eine schrägbedampfte Schicht (Zwischenschicht)
11, 12 auf, die ihrerseits mit einem Film 13, 14 aus einem chemisorbierten 51-lan-Derivat
überzogen sind. Die Zwischenschichten sind jeweils unter einem Winkel von etwa 5
° zur Plattenoberfläche aufgedampft, die Ueberzüge sind bis zu einer Dicke von etwa
0,02 µm aus der Gasphase abgeschieden. Die einzelnen Displays-Teile bestehen aus
folgenden Materialien: Die beiden Trägerplatten aus Glas, der Glaslotrahmen aus
einem Glaslot mit niedrigem Schmelzpunkt, die Elektrodenbeläge aus SnO2 und die
schrägbedampSten Schichten aus ilartglas. Für den überzug kommen insbes sondere
die Silane Z-6040 und 470 A der Firma Dow Corning oder der Silanhaftvermittler GF
91 der Firma Wacker in Frage. Die beiden ersten Substanzen haben folgende Strukturformel:
Z-6040:
470 A:
mit R1 = CH3, R2 - O-(CH2)8CH3. Als FK-Substanz ist ein Gemisch aus den Schiffschen
Basen MBBA, EBBA und PEBAB gewählt.
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Die Schrägbedampfungsrichtungen beider Trägeilatten sind um 90 ° gegeneinander
verdreht, so daß sich im vorliegenden Fall eine leicht verkippt homogene, verdrillte
FE-Orientierung mit Anstellwinkeln von ca, 5 ° ergibt. Für weitere Herstellungs-und
Betriebseinzelhei-ten sei auf "Appl. Phys. Lett.11, Vol. 18, No. 4, 15. Febr. 1971,
Seite 127 f. sowie auf die bereits zitierte Literatur verwiesen.
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Im folgenden werden drei Beispiele für eine besonders einfache und
wirksame Silanisierung von schrägbedampften Schichten angegeben.
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Biel1: Das fertig zusammengesetzte, jedoch noch unverschlossene und
ungefüllte FK-Display wird mit einer verdünnten Silanlösung gespült. Die Silankonzentration
sollte nicht größer als 5 % sein, besonders eignet sich eine 0,1 % bis 1 % Lösung
des Silans Z-6040 der Firma Dow Corning in Aceton. Aber auch die Silane 470 A der
gleichen Firma beziehungsweise GF 91 der Firma Wacker liefern gute Ergebnisse. Nach
erfolgter Spülung wird die silanisierte Oberfläche bei erhöhten Temperaturen getrocknet.
Man erhält eine besonders stabile homogene Orientierung.
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Die schrägbedampfte Schicht kann hierbei beispielsweise aus Magnesiumfluorid,
Aluminiumoxid, Zinlcsulfid, Siliciumoxid oder aus einem Glas mit Kalziumoxid, Aluminiumoxid
und Siliciumoxid (Hartglas) bestehen; es kommen aber auch andere Materialien in
Frage.
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Beispiel 2: Das fertig zusammengesetzte, jedoch noch unverschlossene
und ungefüllte FK-Display wird in einen Vakuumkessel gegeben, in dem sich eine geringe
Menge Silan befindet. Der Kessel wird dann soweit evakuiert und erhitzt, daß sich
ein geeignet hoher Silandampfdruck einstellt. Dieser Silaiidampf gelangt in das
Display-Innere und wird dort an den schrägbedampften Schichten adsorbiert. Durch
Regelung des Dampfdruckes (der Temperatur) sowie der Reaktionszeit kann die Dicke
des Überzuges reproduzierbar genau eingestellt werden. Auch in diesem Fall hat man
für die Schicht-Werkstoffe freie Wahl. Man wird das Verfahren 2 (Abscheiden aus
der Gasphase) dem Verfahren 1 (Auftragen einer verdünnten Lösung) dann vorziehen,
wenn die FK-Zelle beunits bis auf eine Füllöffnung verschlossen ist, beispielsweiso
bei K-Anzeigen mit Glaslotrahmen, weil hier ein Durchspülen umständlicher ist.
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Bei-piol 3: Das FK-Display wird wie in Beispiel 1 durchspült, dann
aber erheblich höherenTemperaturen, beispielsweise etwa 500 °C, ausgesetzt, so daß
das Silan einzbrennt und sich dabei zersetzt. Bei diesem Verfahren bieten sich Silane
an, unter deren Zersetzungsproduktion auch Siliciumnitrid, eine außerordentlich
resistente Verbindung, vorkommt. Insbesondere eignen sich Silane mit einer aminofunktionellen
Gruppe, beispielsweise das Silan Z-6020 der Firma Dow Corning mit der Strukturformel
(C30)3-Si-(CH2)3-NH-CH2-CH2-NH2. Soll die FK-Anzeige einen Glaslotverschluß erhalten,
so empfiehlt sich folgendes Vorgehen: Die Trägerplatten werden zunächst in die Silanlösung
getaucht und dann erst miteinander verschmolzen. Bei den üblicherweise erforderlichen
Schmelztemperaturen wird dann zugleich auch die Tauchlösung eingebrannt; man kommt
hierbei mit einem einmaligen Erhitzen aus. Wählt man ein Glaslot mit besonders tiefem
Schmelzpunkt, so kann man eine Pyrolyse vermeiden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das geschilderte Ausführungsbeispiel
oder die genannten Herstellungsverfahren. So kann im Rahmen der Erfindung der Silan-Uberzug
auch auf strukturierte Oberflächen aufgebracht werden, die glders als durch Schrägbedampfung
hergestellt sind, können auch andere Orientierungen erzeugt werden und ist man keinesfalls
nur auf den TN-Effekt beschränkt; insbesondere eignet sich eine erfindungsgemäße
FK-Anzeige auch zur Darstellung mit Hilfe der Q'T-namischen Streuung, des DAP-Effektes
oder des Bistabilitätseffektes.
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13 Patentansprüche 1 Figur