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Verfahren zum Beschichten der Innen-
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wände von Flüssigkristallzellen Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Beschichten der Innenwände von Flüssigkristallzellen durch Aufdampfen
in einer Vakuumkammer.
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In DT-OS 2'158'563 wurde das Prinzip der schraubenförmig verwundenen,
nematischen Flüssigkristallzelle erläutert. Es wurde bekannt, zur Zellenbegrenzung
in Transmissionsrichtung des Lichtes Platten zu verwenden, welche an den dem flüssigen
Kristall zugewandten Seiten (Innentächen) eine Wandorientierung aufweisen. Gefordert
wurde von diesen Platten eine bestimmte
Oberflächenbeschaffenheit,
die auf die Grenzschicht der flüssigen Kristalle eine orientierende Richtkraft auszuüben
vermag.
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Als Verfahren zur Erzeugung der Wandorientierung wurde Reiben der
Plattenoberfläche mit einem Wattebausch oder -stäbchen angegeben.
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Es ist offensichtlich, dass eine auf diesem rudimentären Oberflächenbehandlungs-Verfahren
beruhende Massenfertigung von Drehzellen den Qualitätsanforderungen einer modernen
Industrie nicht gerecht werden kann.
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Im weiteren wurde durch DT-OS 2'316'996 bekannt, durch Vakuumablagerung
eine einzige Schicht eines Stoffes unter einem Winkel + 900 abzulagern.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
um bevorzugte Wandorientierungen für Flüssigkristallzellen auch in der Massenfertigung
mit konstanten, reproduzierfähigen, lagerungs- und festigungstechnisch unabhängigen
Mikrostrukturen herstellen zu können. Ausserdem soll durch das neue Verfahren die
Spannungs-Kontrastkennlinie einer Drehzelle derart festlegbar sein, dass auch Multiplex-Anwendungen
möglich sind.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Prozessschritt
eine erste, die Wandfläche mindestens teilweise bedeckende Schicht aufgedampft wird
und in mindestens einem folgenden Prozessschritt wenigstens eine weitet die vorher
aufgedampfte Schicht mindestens teilweise abdeckende Schicht aufgedampft wird, und
dass während oder zwischen den Prozessschritten die relative Lage der Wand fläche
zur Verdampfungsquelle und/oder die Temperatur der Verdampfungsquelle geändert werden.
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Duch das neue Verfahren können die gewünschten Mikrostrukturen und
damit die entsprechenden Wandorientierungen insbesondere durch geeignete Wahl der
Aufdampfwinkel, ohne zusätzliche mechanische oder chemische Nachbehandlungen, hergestellt
werden. Diese Mikrostrukturen bestimmen weitgehend den Kippwinkel der Moleküle,
bzw. der Molekülgruppen in der wandnahen Grenzschicht des Flüssigkristalls und damit
das statische und dynamische Verhalten der Drehzelle.
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An Hand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der
Erfindung besprochen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur
Durchführung
des erfindunzsgemEssen Verfahrens, Fig. 2 die vereinfachten, geometrischen Verhältnisse
in einem ersten Prozessschritt, Fig. 3 die vereinfachten, geometrischen Verhältnisse
in einem zweiten Prozessschritt, Fig. 4 den Einfluss der Dicke einer zweiten Aufdampfschicht
auf den Kippwinkel der Moleküle einer gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel beschichteten
Wandfläche, Fig. 5 den Einfluss der Dicke einer zweiten Aufdampfschicht auf den
Kippwinkel der Moleküle einer gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel beschichteten
Wandfläche, Fig. 6 den Einfluss der Dicke einer zweiten Aufdampfschicht auf den
Kippwinkel der Moleküle einer gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel beschichteten
Wandfläche.
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Die Einrichtung, Fig. 1, besteht im. wesentlichen aus einer Vakuumkammer
9, einer Vakuumpumpe 10, einer Verdampfungseinrichtung 11 und Wandflächenhaltern
15.
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Die Wandflächenhalter 15 sind jeweils um einen Drehpunkt 16, beispielsweise
durch ein Kugelgelenk, schwenkbar. Auf diese Wandflächenhalter 15 werden die zu
bedampfenden Substrate mit ihren Wandflächen 1 und den nicht dargestellten, transparenten
Elektroden
2 aufgesetzt, festgeklemmt und bezüglich einer in der Verdampfungseinrichtung 11
enthaltenen Verdampfungsquelle 12 ausgerichtet. Anschliessend wird die Vakuumkammer
9 durch eine Pumpe 10 auf einen Gasdruck von ca. lo 5 Torr evakuiert. Durch eine
Stromquelle 13 wird nun ein Heizdraht 14 und eine damit wärmeleitend verbundene
Verdampfungsquelle 12 auf über 10000 C erhitzt.
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Die Verdampfungsquelle 12 besteht im vorliegenden Fall aus Siliziummonoxyd,
könnte jedoch auch aus anderen, verdampfbaren, auf dem Substrat haftenden und gegenüber
Flüssigkristallen chemisch inerten Materialien bestehen.
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Ein auf diese Weise verdampftes Material bildet auf der Wandfläche
1 einen Niederschlag. Bekanntlich weist eine derartige dünne Schicht bereits eine
mehr oder weniger ausgeprägte Oberflächenstruktur auf. Vgl. M. Auwärter, Ergebnisse
der Hochvakuumtechnik und der Physik dünner Schichten, Stuttgart 1957, s. 14 - 21.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind alle in einer
Einrichtung gemäss Fig. 1 realisiert worden. Die einzelnen Verfahren unterscheiden
sich lediglich in den Bedampfungswinkeln b tr bezüglich der Wandflächen 1 und/oder
durch
die Temperatur der Verdampfungsquelle 12 mit der daraus resultierenden Aenderung
der Aufdampfrate.
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Die Bedampfungswinkel il, Fig. 1, 2 und Fig. 3, sind abhängig von
der relativen Lage der Verdampfungsquelle 12 zu der Wandfläche 1. Zur vereinfachten
Justierung der Wandflächen 1 dient die in Fig. 1 durch einen Pfeil dargestellte
Möglichkeit der vertikalen Verschiebung der Verdampfungsquelle 12 von Position I
nach Position II. Aus Fig. 2 und 3 ist ferner ersichtlich, wie die Bedampfungswinkel
, t/definiert sind, und zwar als die Winkel zwischen einer Geraden G bzw.
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G' vom Ort der Verdampfungsquelle 12 bzw. 12' zu einem Punkt P auf
der Wandfläche 1, und dem Lot L auf die Wandfläche 1 in diesem Punkt P. Die vom
Lot L und den Geraden G, G' aufgespannten Ebenen A1 bzw. A2 werden als Aufdampfebenen
bezeichnet. Die Schnittgeraden der Aufdampfebenen A1, A2 mit der Wandfläche 1 sind
mit MI, M11 bezeichnet. Der Winkel zwischen den beiden Aufdampfebenen A1, A2 ist
mit ß bezeichnet. In der Einrichtung, Fig. 1, ist der Bedampfungswinkel V und der
Winkelß zwischen den beiden nicht dargestellten Aufdampfebenen A1, A2 ebenfalls
eingezeichnet.
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Wie ersichtlich könnendie Bedampfungswiiiie1 *, {' durch Justieren
der Wandfläche 1 und/oder der Verdampfungsquelle 12 oder durch Verwendung von mehreren
verschieden Dositionierten Verdampfungsquellen eingestellt werden. Der Winkelß kann
entweder durch Drehen der
Wandfläche 1 in einer durch ihre grössten
Ausdehnungen bestimmten Ebene oder durch entsprechendes Positionieren der Verdampfungsquellen
12, 12' eingestellt werden.
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Ausführungsbeispiel 1: In einem ersten Prozessschritt wurde Siliziummonoxyd
gemäss Fig. 2 unter einem Bedampfungswinkel #von 700 mit einer mittleren Schichtdicke
von 550 i aufgedampft. In einem zweiten Prozessschritt wurde anschliessend gemäss
Fig. 3, also mit einer um den Winkel ß = 90° gedrehten Aufdampfebene A2 eine weitere
Schicht Siliziummonoxyd unter einem Bedampfungswinkel # von 80° mit einer mittleren
Schichtdicke dl von ca.
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30 ß aufgedampft.
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Die Wirkung einer derart hergestellten Oberflächenstruktur ist folgende:
Durch die erste Aufdampfschicht werden Moleküle in der Grenzschicht des Flüssigkristalls
in einer nematischen Drehzelle längs der Schnittgeraden MI und parallel zur Wandfläche
1 ausgerichtet. Die zweite Aufdampfschicht bestimmt den resultierenden Kippwinkel
ob der Moleküle und beträgt im vorliegenden Fall ca. 120.
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Aus Fig. 4 lässt sich ersehen, dass mit Schichtdicken dl zwischen
0 - 100 ß der gesamte, für den Konstrukteur von Drehzellen
besonders
interessante Bereich der Kippwinkel a von O - 200 bestimmt werden kann.
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Bewährt hat sich für die Herstellung dieser zweiten Schicht eine Aufdampfrate
von 10 i/sec. (bei 10 -5 Torr).
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Ausführungsbeispiel 2: In einem ersten Prozessschritt wurde Siliziummonoxyd
gemäss Fig. 2 unter einem Bedampfungswinkel + von 800 mit einer mittleren Schichtdicke
von 280 i aufgedampft. In einem zweiten Prozessschritt wurde anschliessend gemäss
Fig. 3 also mit einer wiederum um den Winkel ß = 900 gedrehten Aufdampfebene A2
eine weitere Schicht Siliziummonoxyd unter einem Bedampfungswinkel #' von 70° mit
einer mittleren Schichtdicke d2 von ca. 100 i aufgedampft.
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Die Wirkung dieser Oberflächenstruktur ist folgende: Durch die erste
Aufdampfschicht werden die Moleküle des Flüssigkristalls längs derSchnittgeraden
Mii unter einem Kippwinkel « von wenigstens annähernd 180 ausgerichtet. Die zweite
Aufdampfschicht bestimmt einen reduzierten Kippwinkel der Moleküle und beträgt im
vorliegenden Fall ca. 20.
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Der Funktionsverlauf Fig. 5 zeigt, dass bereits mit geringen Schichtdicken
d2 kleine Kippwinkel o( erzielt werden, dass jedoch Schichtdicken über 100 i nur
noch geringe Aenderungen der Kippwinkel d bewirken.
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Ausführungsbeispiel 3: In einem ersten Prozessschritt wurde Siliziummonoxyd
gemäss Fig. 2 unter einem Bedampfungswinkel S von 700 mit einer mittleren Schichtdicke
von 550 A aufgedampft. In einem zweiten Prozessschritt wurde anschliessend mit einer
um den Winkel n = 900 gedrehten Aufdampfebene A2 eine weitere Schicht Siliziummonoxyd
unter einem Bedampfungswinkel p von wiederum 700 mit einer mittleren Schichtdicke
d3 von 80 2 aufgedampft.
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Der resultierende Kippwinkel d betrug in diesem Fall ca.
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2°.
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Aus Fig. 6 lässt sich mit zunehmender Schichtdicke d3 der zweiten
Schicht eine Abnahme der Orientierungswirkung der ersten Schicht erkennen.
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Selbstverständlich ist das erfinderische Verfahren nicht auf
das
Aufbringen von zwei Schichten beschränkt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bereits
mit zwei Prozessschritten erfolgreich Wandflächen für Drehzellen mit Multiplex-Ansteuerung
hergestellt werden können. Damit zwischen den einzelnen Prozessschritten das Vakuum
in der Vakuumkammer 9 nicht zerstört werden muss, sind beispielsweise mehrere, nacheinander
beheizbare Verdampfungsquellen 12 denkbar.(Vgl. auch Fig.2 und Fig.3.) Bis zu einem
gewissen Grad beeinflusst die Art der zum Bau der Drehzelle verwendeten Flüssigkristalle
ebenfalls den Kippwinkel « der Moleküle bzw. Molekülgruppen.
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Die angegebenen Kippwinkel d beziehen sich auf sogenannte Schiffsche
Basen, vgl. DT-OS 2 306 738.
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Die in den Ausführungsbeispielen aufgeführten Verfahren haben sich
besonders beim Bau von Feldeffekt-Flüssigkristallanzeigen, auch unter Multiplex-Ansteuerungsbedingungen
ausgezeichnet. In entsprechend abgewandelter Form lassen sich dieselben Ueberlegungen
auch auf weitere, Oberflächenstrukturen voraussetzende Anwendungsfälle übertragen.
Erwähnt sei hier die Möglichkeit von zusätzlichen Oberflächenbehandlungen mit beispielsweise
Methyldichlorosilane, Lecithin etc. zur definierten Fixierung der Molekülorientierungen
im Bereich der Grenzschichten.
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Das neue Verfahren lässt sich bei der Herstellung von Anzeigen einsetzen,
welche Flüssigkristalle der nematischen, smektischen oder cholesterischen Art sowie
Mischungen verschiedener Flüssigkristallarten aufweisen.