DE2614951A1

DE2614951A1 - Fluessigkristallzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2614951A1
Application number: DE19762614951
Authority: DE
Inventors: Hugh L Garvin; Yat-Shir Lee; Michael J Little
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-07
Publication date: 1976-10-28
Also published as: GB1499703A; FR2308675A1; US4153529A; CH601824A5; DE2614951C3; DE2614951B2; JPS51129251A

Description

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Anmelder in:

Hu&hes Aircraft Company Centinela Avenue and Teale Street
Culver City, Calif., V₀O

Stuttgart, den 2. April 1976 P 316? ü/];.:;

Flüssigkristallzelle und Verfahrt;. :u ihrer Herstellung

Die Erfindung "betrifft eine Flü.snigkristallzelle, die ein Substrat, das mit einer eine ül^ictrode bildenden Beschichtung versehen ist, uik^! ein auf die liei-cliichtung aufgebrachtes Flüasigkristi-M-IIaterial -jafa^it.

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Es ist aus verschiedenen Gründen erwünscht;, in Flüssigkristallzellen eine gleichförmige Ausrichtung der Moleküle des in einer dünnen Schicht vorliegenden Flüssigkristall-Materials herbeizuführen» So ist es "beispielsweise "bekannt, daß die Anspre chge a chwind ig— keit von Flüssigkristallen u.a. von der molekularen Ausrichtung des Flüssigkristall-Materials abhängt„ Weiterhin "beeinflußt die Ausrichtung den Kontrast von Anzeigevorrichtungen, die solche Flüssigkristallzellen aufweisen_s indem sie das Erscheinungsbild des Flüssigkristalle bei abgeschaltetem Feld beeinflußt=. Die üblichen Techniken zur Erzielung einer Parallelausrichtung bestehen in einem Heiben oder Polieren, beispielsweise mit Fieissherpapier (butcher paper), Diamantstaub, Linsenpapier (lens paper), Baumwoll- und Schäumst off -Tampons _o Diese I2ethod--;i haben einen wechselnden Erfolg. Das größte Probleu .^Im "Reiben oder Polieren besteht darin, daß keine eindeutigen Ergebnisse erzielbar sind und keine Kontrolle über die Oberflächen-Bes chaff eaiieit "besteht, so daß keine reproduzierbaren Resultate erhalten v/erden können» Weiterhin fehlt diesen Eeibteehniken in mehr oder weniger großem Maße die notwendige Beständigkeit, Gleichförmigkeit, Reproduzierbarkeit, Sauberkeit und Leichtigkeit der Anwendung^= In einen Aufsatz "Shin Film Surface Orientation For Liquid Crystals" in Applied Physics Letters 21, 175(1972) schlägt Jo Lo Janning vor, eine Pai'allelausriclitung der Moleküle vor. Flüssigkristallen hersu:. bellen, indem

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die Oberfläche durch. Reiben oder durch Aufbringen einer dünnen Schicht nit einer Dicke von etwa 20 bis 50 nm aus Si"j lciummonoxid und Siliciumdioxid durch Aufdampfen unter einem sehr flachen Einfallwinkel zur Oberfläche zu behandeln,, Auch diese Techniken führen nicht zu der gewünschten Reproduzierbarkeit und Dauerhaftigkeitβ

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine einwandfreie Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristalle gewährleistet ist, die sich für die Massenproduktion eignet und bei der das elektrochemische Reaktionsvermögen zwischen Elektrode und Flüssigkristall-Material reduziert ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Beschichtung eine mit einem unter einem Winkel von weniger als 90 ' einfallenden Ionenstrahl mikrobearbeitete Oberfläche aufweist. Die Beschichtung selbst kann vorteilhaft aus einer 0,01 bis 0,5 rna dicken Schicht aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Chrom, Chrom und Gold oder Chrom und Kohlenstoff "bestehen»

Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Flüssigkristallz-olia zum Gegenstand. Dio.;üs Verfahren besteht darin, daß vor dem

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Aufbringen des Flüssigkristall-iuateris-ls die Oberfläche der Beschichtung einer gleichförmigen Mikrobearbeitung mit einen lonenatrahl unterworfen wird, der unter einem Winkel von weniger :.is 90° auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet v/ird.

Durch die Mikrobearbeitung der Oberfläche der Beschichtung mit dem Ionenstrahl wird eine parallele Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristall-Materials bewirkt, wenn dieses Material auf die gleichförmig bearbeitete Oberfläche der Beschichtung aufgebracht wird.

Bei der Bearbeitung der Oberfläche der Beschichtung wird also ein breiter oder schraaler Strahl neutralisierter Ionen mit einer Energie von einigen Kilo Elektronenvolt unter einem flachen, streifenden Winkel auf die Oberfläche der Elektrode gerichtet, um dort mikroskopisch feine Rillen oder Riffen zu erzeugen, die eine parallele Ausrichtung des Flüssigkristall-Materials bewirken.

Durch die mittels eines Ionenstrahles erzeugten Rillen und Riefen in der Oberflache dor Beschichtung wird nicht nur eine reproduzierbare Wirksamkeit auf die parallele Ausrichtung der Moleküle des Elüssigkristails erzielt, sondern es werden diese Eigenschaften auch nicht durch wiederholtes Reinigen und Ausbacken in Luft vermindert. Ein weiterer

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Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Verfahren bei der Fertigung mit den gleichen Vorrichtungen erfolgen kann, die zum Aufbringen der Beschichtung im Vakuum benutzt wird. Darüber hinaus führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Reduzierung des elektrochemischen Reaktionsvermögens zwischen der Elektrode der ..^vlüssigla?istallzelle und dem Flüssigkristall-Matex-ial.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels ο Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden» Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ionenstrahl-Zerstäubung mit einer Duoplasmatron-Ionenquelle zum i'itsen eines Substrats mit einem unter flachem Winkel einfallenden Ionenstrahl und

Fig. 2 einen Ausschnitt der Vorrichtung nach Fig. 1, die zum Aufstäuben eines Targetmaterials zum Aufstäuben auf das Substrat vor dessen Likrobearbeitung eingerichtet ist_o

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Die in den Fif;. 1 und 2 dargestellte «>_ j/richtung zum Herstellen von Flüssigkristallzelleu nach der Erfindung umfaßt eine Duoplasmatron-Ionenquelle 12 mit einem Einlaß 14 für ein geeignetes Gas, vorsugsweise ein Edelgas wie Argon, eine^ Auslaß 16 für in dem Gas gebildete Ionen, die auf ein Target zu richten sind, und mit einem Neutralisator 18, der dazu dient, das Ansammeln von positiven Ladungen auf dem Target zu verhindern und dadurch das Target elektrisch neutral zu halten. Durch das Zuführen von Elektronen vom ITeutralisator 18 wird die mittlere Ladungsdichte oder die Raumladung des Ionenstrahles neutral gehalten.

In dem Weg des Ionenstrahles, der in Fig. 1 durch Pfeile 20 angedeutet ist, befindet sich ein Halter und ein Zerstäubungs-Target 24. Der Halter 22 ist in geeigneter Weise mit einem Manij.-ulatorstab 26 verbunden, der drehbar und axial verschiebbar ist und ein Verschwenken des Halters 22 erlaubt, u±e en u;.;ⁱch die Pfeile 28, 50 und 52 angedeutet ist. ^\,Γ dem halter ist ein Substrat 5^ angeordnet und in geeigneter Weise befestigt. Unter dom Halter 22 befindet sich das Target 24, auf dem jedes Liateric;'! &ng^ ^ ..drier sein kann, das du..-^h Verstäuben auf das tjub^l-rat 5^ aufgebracht werden soll.

Die Vorrichtung wxrd von einer den Strahl begrenzenden Blende 56 und einem zu einer Vakuumpumpe führer..: on Absaugsystem vervollständigt, das d--.rch einen Pf-..-il 58 veranschaulicut wird.

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Beim Betrieb der "beschriebenen Vorrichtung wird zunächst ein Substrat 34 aus einem geeigneten Material an dem Halter 22 befestigt und, wie in Fig. 2 dargestellt, so angeordnet, daß es dem Zerstäubungs-Target 24- mit seiner Fläche gegenübersteht« Wird auf das Zerstäubungs-Target ein Ionenstrahl 20 gerichtet, so wird Material vom Target auf das Substrat 34- aufgestäubt, wie es durch Pfeile 40 angedeutet ist, und es entsteht auf dem Substrat eine dünne, aufgestäubte Beschichtung 42_O Wenn die Beschichtung 42 auf dem Substrat 3^ eine ausreichende Dicke erreicht hat, wird die Ionenquelle gesperrt und uer Halter 22 in die in Figo dargestellte Lage gebracht, in der sich seine Fläche direkt in Ionenstrahl 20 befindet, wenn die Ionenquelle 12 wieder· eingeschaltet \v^rird. Nach Einschalten der Ionenquelle 12 trifft der Ionenstrahl die Oberfläche der Beschichtung 42 und das Substrat unter einem flachen Winkel und mit geringer Energie, die ausreichend ist, um mikroskopisch feine Rillen oder !liefen in der Oberfläche der Schicht 42 zu erzeugen. Es wird angenommen, daß das Ergebnis dieser Bearbeitung in einer mikroskopisch gewellten Oberfläche mit Rippen und Tälern besteht, die parallel zur Richtung des einfallenden Strahlen verlaufen·

Es versteht sich, daß andere Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung 42 auf dem Substrat 34 erzeugt werden

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können, wie beispielsweise HP-Zerstäubung, Aufdampfen im Vakuum, elektrolyfische Abscheidung und der Niederschlag aus chemischen Dämpfen. Allgemein ist das Substrat 34- ^als Elektrodenfläche einer Flüssigkristall-Anzeige gestaltet, die mit einem passivierenden oder reflektierenden oder einem sonstigen Material beschichtet ist, das benötigt wird, damit die Flüssigkristall-Anordnung in der gewünschten Weise arbeitet. 32s ist bekannt, daß eine solche Schicht dazu dienen kann, eine elektrochemische Wechselwirkung mit dem Flüssigkristall-Material zu unterbinden, das Elektrodenmaterial den geringsten zeitlichen Veränderungen auszusetzen und unerwünschte Änderungen in den Eigenschaften des Flüssigkristalls zu vermeiden.

Die Beschichtung des Substrats 34- kann in einem passivierenden Material bestehen, wie beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder 'titandioxid, das durch übliche Zerstäubun_;<;-3verfahren aufgebracht wurde. Für eine Beschichtung mit reflektierender Oberfläche kann Chroia oder eine Kombination von Chrom und Gold verwendet unü durch normales Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht werden. Für die Ausrichtung in einer G-leichstromzelle kann das Beschichtungsmaterial Kohlenstoff sein, das ebenfalls durch übliche thermische Aufdampfung odor durch Aufstäuben aufgebracht wird«, Unabhängig von

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den speziellen Werkstoffen, die für die Beschichtung 42 verwendet werden, wird die Dicke dieser Beschichtung so gewählt, daß die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften erzielt werden. Gewöhnlich liegt die Dicke im Bereich von 10 bis 500 nm.

Beim Scheuern oder "bei der Mikrobear"Leitung der Oberfläche wird ein Strahl neutralisierter Ionen benutzt. Vorzugsweise wird ein breiter Strahl verwendet, um Randeffekte an der Beschichtung 42 zu vermeiden, also einen Ionenstrahl möglichst großer Parallelität zu erhalten« Es ist jedoch auch möglich, bei Bedarf einen schmalen Strahl zu verwenden und die Beschichtung 4-2 in bezug auf den schmalen Strahl zu bewegen oder umgekehrt.

Der Strahl wird vorzugsweise unter einem flachen Winkel auf die Beschichtung gerichtet. Bevorzugte Winkel liegen zwischen 10° und 30°. Bei einem Winkel von weniger als 10° besteht die^Gefahr einer .Verminderung der OberflächenqualitUt durch Zerstäuben, während über 40° die Ausrichtung weniger gleichförmig wirdo Es versteht sich jedoch, daß dann, wenn eine Verminderung der Oberflächenqualität oder eine Ungleichförmigkeit der Ausrichtung vermieden werden kann, auch wenn der Ionenstrahl unter einem anderen Winkel als einem in dem bevorzugten Bereich von 10° bis 30° einfällt, können solche anderen Einfallswinkel benutzt werden.

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Als Material zur Erzeugung des Ionenstrahls kann jedes Gas dienen, dessen Ionen eine ausreichende Scheuerwirkung haben. Ein geeignetes Gas ist Argon mit einer Energie von Λ "bis 3 teV. Da das erwünschte Resultat eine Scheuerwirkung ist, richtet sich die Wahl der Ionenart, der Energie und der Intensität (Stromdichte) des Ionenstromes nach dem gewünschten Endresultat der Mikrobearbeitung.

Nachdem die Oberfläche in geeigneter Weise mit dem Ionenstrahl gescheuert worden ist, wird das Flüssigkristall-Material auf die Oberfläche aufgebracht und es wird die Anordnung zu einer vollständigen Zelle vervollständigt.

Die Erfindung wurde zur Herstellung verschiedener Arten von Flüssigkristallzellen benutzt, nämlich zur Herstellung eines Wechselstroia-Liclitventils, einer reflektierenden Anzeige und einem Gleichstrom« Lichtventil. Die Herstellung der Elektrodenoberflächen wird nachstehend anhand einiger spezieller Beispiele noch näher beschrieben.

Beispiel

Zur Herstellung eines V/echselstroia-I-ichtventils wurde ein Glassubstrat mit einer Elektroden:; eliicht aus Indiumzinnoxid gewählt. Solch ein Glassubstrat mit einer

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Indiumzinnoxid-Elektrode ist im Handel erhältliche Das Substrat mit dieser Elektrodenfläohe wurde dann in eine Ionenstrahl-Abscheidungsvorrichtung eingebracht, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Unter Verwendung von Argon-Ionen nit einer Energie von 1 bis 7 keV, die auf ein target PA aus Siliciumdioxid gerichtet wurden, wie es Pig. zeigt, wurde eine Siliciumdioxid-Schicht mit einer Dicke von 270 nm in einer Zeit von etwa 27 bis 30 Minuten auf das Elektrodenmaterial aufgestäubt.

Eine gleiche Beschichtung wurde durcL eine HP-Aufstäubung in einer üblichen Vorrichtung erzielt=

Das Substrat mit der Siliciumdioxid-Beschichtung auf der Elektrode wurde dann in die loiienstrahl-Vorrichtung gebracht oder in ihr belassen, je nachdem, ob die Siliciuiadioxid-üchicht mittels eines Ionenstrahles od^r eines HP-Plasnas aufgestäubt wurde. Die Oberfläche der Siliciumdioxid-Beschichtung, wie die Beschichtung 42, wurde dan;: unter etwa 20° zu einem einfallenden Argonionenatrahl ausgerichtet, wie es Fig. 1 zeigt. Lo vrarde ein breiter Strahl mit einer Energie von 2,5 keV und einer Intensität von 0,2 mA/cirf" verwendete Nach etwa 6 Minuten des Jitzens oder LJ..-:.euorns v/nren etwa 70 nm Siliciuradioxid entfernt. Danach wurde das Flüssigkristall=-Material auf die gescheuerte Siliciumdioxid-Oberfläche aufgebracht und" die Anordnung zu einer vollständige;-! .-.!,eile vervollständigt,

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Beispiel 2

Zum Erzielen einer reflektierenden Oberfläche wurde in einem Fall ein Glassubstrat und in einem anderen Fall eine aktive Anordnung mit einer aufgedampften Chromschicht von etwa 200 nm Dicke versehen. In einem anderen Beispiel wurde die Chromschicht aufgestäubt. Danach wurden die gleichen Scheuerschritte vorgenommen, wie sie im Beispiel 1 beschrieben sind, um etwa 20 nm der Chromschicht zu entfernen,,

Beispiel 3

Eine Anordnung nach Beispiel 2 wurde zur Erhöhung ihres Reflexionsvermögens um GCF/a durch Aufbringen von Silber auf die Chromschicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 20 nm gemäß Fig. 2 weiterbehandelt. Es wurde festgestellt, daß die an der Chromschicht erzeugte Oberflächenstruktur von der Silberschicht abgebildet wurde und eine gute parallele Ausrichtung erzielt werden konnte. Silber wurde bei solchen Anwendungen benötigt, für welche das Reflexionsvermögen von Chrom zu gering war. Daher wurde durch die dünne Silberschicht das Reflexionsvermögen bedeutend erhöht, während die Ausrichtung des anschließend aufgebrachten Flüssigkristall-Materials erhalten blieb.

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Beispiel ^LV

Zum Betrieb als Gleichstrom-Lichtventil wurde eine Schicht Kohlenstoff mit einer Dicke von etwa 10 bis 15 Em auf eine Indiumzinnoxid-lSlektrode aufgestäubt. Nach dem Aufbringen der Kohleschicht, wie sie in der Zeichnung als Beschichtung 4-2 angedeutet ist, wurde das Scheuerverfahren nach Beispiel 1 angewendet. ICs wurden jedoch nur 5 bis 10 nm des Materials abgetragene

wurde festgestellt, daß bei allen Beispielen mikroskopisch feine Rillen oder Riefen auf der Oberfläche der Schicht 4-2 erzeugt wurden, die 1o eine reproduzierbare Wirksamkeit auf die parallele Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle hatten, 2. wiederholten Reinigungs- und Ausbackschritten standhielten und 3° Produktionsverfahren in Verbindung mit Einrichtungen zur Herstellung von BeSchichtungen durch Aufstäuben zugänglich sind* Die vorstehenden Beispiele, die für das erfinduzigsgeiaäße Verfahren repräsentativ sind, ergaben eine ausgezeichnete Homogenität der Ausrichtung und Haltbarkeit, einschließlich einer Beständigkeit gegen ein wiederholtes Reinigen der Oberflächen mit organischen Lösungsmitteln und einem Ausbacken in Luft bei 500⁰G.während einer Stunde.

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Claims

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Patentansprüche

Flüssigkristallzelle, die ein Substrat, das mit einer eine Elektrode "bildenden BeSchichtung versehen ist, und ein auf die Beschichtung aufgebrachtes Flüssigkristall-Material umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine iait einem unter einem Winkel von weniger als 90° einfallenden Ionenstrahl mikrobearbeitete Oberfläche aufweist.

2. Flüssigkristallselle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer 10 bis 500 nm dicken Schicht aus Siliciumdioxid, Aluminiumdioxid, Titandioxid, Chrom, Chrom und Gold oder Chrom und Kohlenstoff besteht.

3· Verfahren zur Herstellung einer Plüssigkristallzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Flüssigkristall-Materials die Oberfläche u-";r Beschichtung einer gleichförmigen Hikrobearbeitung mit einem Ionenstrahl unterworfen wird, der unter einem Winkel von weniger als 90° auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet wird, um eine parallele Ausrichtung: der Moleküle des Flüssigkristall-Materials zu bewirken, wenn dieses Material auf die gleichförmig.bearbeitete Oberfläche der Beschichtung aufgebracht wird.

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Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl unter einem Winkel zwischen 10 und 30° auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet wird_o

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl nacheinander dazu benutz·., wird, erst die Beschichtung durch Aufstäuben auf das Substrat aufzubringen und dann die Oberfläche der Beschichtung zu bearbeiten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstrahl verwendet wird, dessen Breite ausreichend groß ist, um die Bildung von Randzonen xi der Beschichtung auf ein Minimum zu reduzieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit der Beschichtung und der Ionenstrahl gegeneinander bev/egt werden.

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