-
Flüssigkristallzelle
-
nach Patentanmeldung P 26 14 951.9 Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle,
die ein Substrat, eine Elektrode in Form einer auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung,
die eine mit einem Ionenstrahl mikrobearbeitete Oberfläche aufweist, und ein auf
die Beschichtung aufgebrachtes Flüssigkristall-I.Taterial umfaßt, nach Patentanmeldung
P 26 14 95109.
-
Für Flüssigkristallzellen ist es wichtig, daß die Moleküle des Flüssigkristalls
bei abgeschaltetem Feld parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch die Anwendung
einer Elektrode, die nach der Patentanmeldung P 26 14 951.9 eine mit einem Ionenstrahl
mikrobearbeitete Oberfläche aufweist, wird eine gute Parallelausrichtung der Moleküle
des Flüssigkristalls gewährleistet. Daneben ist es jedoch für Farbdarstellungen
sehr wichtig, daß die Moleküle des Flüssigkristalls bei abgeschaltetem Feld eine
senkrechte Ausrichtung und bei eingeschaltetem elektrischem Feld eine bestimmte
Schrägstellung aufweisen. Eine gute Gleichförmigkeit der Ausrichtung und eine einzige
Richtung der Schrägstellung verbindern eine Lichtmodulation über die Darstellungsfläche,
die Farb- und Intensitätsschwankungen zur Folge hätte.
-
Die vorherrschende Technik zur Erzeugung einer senkrechten Ausrichtung
besteht in der Anwendung von Oberflächen-Ausrichtmitteln, wie beispielsweise Lecithin,
Silane, Stearate und ähnliche Stoffe. Die Anwendung dieser Stoffe führt zwar zu
einer guten ursprünglichen Ausrichtung in senkrechter Richtung, jedoch stellt sich
im Betrieb haufig eine willkürliche Ausrichtung der Schrägstellung ein.
-
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle
der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß eine einwandfreie senkrechte
Ausrichtung und eine gleichförmige Schrägstellung erzielt werden.
-
Diese aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sich bei
einer Flüssigkristallzelle der eingangs beschriebenen Art auf der bearbeiteten Oberfläche
der Beschichtung ein Ausrichtmittel be findet Bei der herstellung der erfindungsgemäßen
Flüssigkristallzelle wird also ein breiter oder schmaler Strahl neutralisierter
Ionen mit einer Energie von einigen tausend Elektronen-Volt unter einem Winkel auf
die Oberfläche der Elektrode gerichtet, Es wird angenommen, daß hierdurch mikroskopisch
feine Rillen oder Tiefen entstehen. Auf die so bearbeitete Oberfläche wird dann
ein Ausrichtmittel aufgebracht, um dem Flüssigkristall-Material eine geneigte oder
senkrechte Ausrichtung zu erteilen. Die Ausrichtung hängt von dem Winkel ab, mit-
dem der Ionenstrahl auf die Oberfläche der Elektrode auftrifft.
-
Die mikroskopisch bearbeitete Oberfläche der Beschichtung bildet in
Verbindung mit der Anwendung eines Ausrichtmittels eine Maßnahme, die reproduzierbar
zu der gewünschten schrugen oder senkrechten Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls
führt.
-
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen
Ausführungsformen der Brfindung einzeln fiir sich oder zu mehreren in beliebiger
Kombination hinwendung finden. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer Vorrichtung zur Ionenstrahl-Zerstäubung mit einer Duoplasmatron-Ionenquelle
zum Ätzen eines Substrats mit einem Ionenstrahl, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der
Vorrichtung nach Fig. 1, die zum Aufstäuben eines Target-Materials auf das Substrat
vor dessen Mikrobearbeitung eingerichtet ist, und Fig. 3 und 4 Schnitte durch mit
Elektroden versehene Substrate, deren Elektroden mit unter verschiedenen Winkel
einfallenden Ionenstrahlen bearbeitet worden ist, zur Veranschaulichung der vermutlich
durch die Bearbeitung erzielten Oberflächenstruktur.
-
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zum Herstellen von
Flüssigkristallzellen nach der Erfindung umfaßt eine Duoplasmatron-Ionenquelle 12
mit einem Einlaß 14 fiir ein geeignetes Gas, vorzugsweise ein Edelgas wie Argon,
einem Auslaß 16 für in dem Gas gebildete Ionen, die auf ein Target zu richten sind,
und mit einem lleutralisator 18, der dazu dient, das Ansammeln von positiven Ladungen
auf dem Target zu verhindern und dadurch das Target elektrisch neutral zu halten,
Durch das Zufilliren von elektronen vom ITeutralisator 18 wird die mittlere Ladungsdichte
oder die Raumladung des Ionenstrahles neutral gehalten.
-
In dem Weg des Ionenstrahleus der in Fig. 1 durch Pfeile 20 angedeutet
ist, befindet sich ein Halter 22 und ein Zerstäubungs-Target 24. Der Halter 22 ist
in geeigneter Weise mit einem hianipulatorstab 26 verbunden, der drehbar und axial
verschiebbar ist und ein Verschwenken des Halters 22 erlaubt, wie es durch die Pfeile
28, 30 und 32 angedeutet ist. Auf dem Halter 22 ist ein Bubstrat 34 angeordnet und
in geeigneter Jeise befestigt. Unter dem Halter 22 befindet sich das Target 24,
auf dem jedes Material angeordnet sein kann, das durch Zerstäuben auf das Substrat
34 aufgebracht werden soll.
-
Die Vorrichtung wird von einer den Strahl begrenzenden Blende 36 und
einem zu einer Vakuumpumpe führenden Ablaugsystem vervollständigt, das durch einen
Pfeil 38 veranschaulicht wird.
-
Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird zunächst ein bubatrat
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 Zerstaubungs-Target ein Ionenstrahl 20 gerichtet, so wird Material
vom Target auf das Substrat 34 aufgestäubt, wie es durch Pfeile 40 angedeutet ist,
und es entateht auf dem Substrat eine dünne, aufgestäubte Beschichtung 42.
-
Wenn die Beschichtung 42 auf dem Substrat 34 eine ausreichende Dicke
erreicht hat, wird die Ionenquelle gesperrt und der Halter 22 in die in Fig. 1 dargestellte
Lage
gebracht, in der sich seine Fläche direkt im Ionenstrahl 20 befindet, weim die Ionenquelle
12 wieder eingeschaltet wird. Nach Linschalten der Ionenquelle 12 trifft der Ionenstrahl
20 die Oberfläche der Beschichtung 42 und das Substrat 34 unter einem Winkel und
mit geringer Energie, die ausreichend ist, um eine mikroskopisch feine Bearbeitung
der Beschichtung zu bewirken. Es wird angenommen, daß das Ergebnis dieser Bearbeitung
in mikroskopisch feinen Rillen oder Riefen oder einer mikroskopisch fein gewellten
Oberfläche mit Rippen und Tälern besteht, wie es die Fig, 3 und 4 zeigen.
-
Es versteht sich, daß andere Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung
42 auf dem Substrat 34 verwendet werden könnten, wie beispielsweise eine llF-Zerstäubung,
die elektrolytische 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. Es 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 Sigenschaften des Flüssigkristalls zu vermeiden.
-
Die Beschichtung des Substrats 34 kann in einem passivierenden Material
bestehen, wie beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid, das
durch übliche Zerstäubungsverfahren auf gebracht wird0 Unabhangig von den speziellen
Werkstoffen, die für die Beschichtung 42 verwendet werden, wird die Dicke dieser
Beschichtung so gewählt, daß die gewünschten optischen und elektrischen !iigenschaften
erzielt werden. Gewöhnlich liegt die Dicke im Bereich zwischen 10 und 500 nm. Vorzugsweise
wird eine Schicht dicke von etwa 150 nm verwendet.
-
Beim Scheuern oder bei der Mikrobearbeitung 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. 9 ist jedoch auch möglich, bei Bedarf einen schmalen Strahl zu verwenden
und die Beschichtung 42 in bezug auf den schmalen Strahl zu bewegen oder umgekehrt.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Strahl unter einem
flachen Winkel auf die Beschichtung gerichtet.
-
Bevorzugte Winkel liegen zwischen 100 und 300. Bei einem Winkel von
weniger als 100 besteht die Gefahr einer Verminderung der Oberflächenqualität durch
Zerstäuben, während über 400 die Ausrichtung weniger gleichförmig wird. 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
100 bis 300 einfällt, auch andere Einfallswinkel benutzt werden können.
-
Bei anderen Ausführungsbeispielen liegen die bevorzugten Winkel zwischen
60 und 850 sowie bei 900, Einfallswinkel zwischen 60 und 850 bewirken eine Schrägstellung
der Moleküle des Flüssigkristalls, die anzustreben ist, wenn das gewünschte Ergebnis
eine gleichförmige Transmission und eine im wesentlichen zufallsfreie Modulation
über dem Bildschirm ist. Ein Einfallswinkel von 90° wird benutzt, wenn die Schrägstellung
kein Problem bildet, wie beispielsweise bei Anwendungen mit dynamischer Streuung,
beispielsweise zum Sin- und Ausschalten von Schwarz-Weiß-Anzeigen. Solch eine dynamische
Streuung wird durch einen Ionen-Stromfluß erzeugt und nicht durch ein elektromagnetisches
Feld.
-
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 1 bis 3 keV. Da das erwünschte Resultat eine Scheuerwirkung
ist, richtet sich die Wahl der Ionenart, der Energie und der Intensität (Stromdichte)
des lonenstrahles nach dem gewünschten Sndresultat der Mikrobearbeitung.
-
Nachdem die Oberfläche in geeigneter Diese mit den Ionenstrahl gescheuert
worden ist, wird ein Ausrichtmittel auf die gescheuerte Oberfläche aufgebracht.
-
Danach wird das Flüssigkristall-Material hinzugefügt und es wird die
Anordnung zu einer vollständigen nelle ergänzt. Beispiele für kusrichtmittel umfassen
Lecithin, Silane, stearat und andere Mittel, die eine senkrechte Ausrichtung bewirken.
-
Die erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle wurde beispielsweise fiir
doppelbrechende Flüssigkristall-Farbbildschirme benutzt. Solche Farbbildschirme
beruhen auf feldabhängigen Doppelbrechungseffekten in Flüssigkristall-Materialien
mit hoher Anisotropie, wie sie in Appl. Phys. Lett., Band 19 (1971), Nr. 10, Seiten
391 bis 393 und in Appl. Phys. Lett., Band 20 (1971), Nr. 5, Seiten 199 bis 201
beschrieben sind. Wenn eine Lage gleichförmig ausgerichteter Flüssigkristalle zwischen
gekreuzten Polarisatoren angeordnet und mit einem parallelen Lichtstrahl senkrecht
zur Kristallschicht beleuchtet wird, so ist nach "Manual of Petroghaphic Methode"
von Albert Johansen, fiafner Publishing Co., New York 1968, die Intensität des durchgelassenen
Lichtes (#d#n) I = I0 sin² 2# sin ² .
-
# In dieser Gleichung ist der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung
und der optischen Achse, d die Dicke der Zelle und zu die Wellenlänge des einfallenden
Lichtes.
-
Beim Dopelbrechungs-Betrieb wird die Ausrichtung im Aus-Zustand bei
einem Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie i)arallel und bei
einem Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie senkrecht gewühlt.
Bei paralleler Ausrichtung also bei #n = 0, ist im Aus-Zustand die Licht(lurchlässigkeit
groß. Bei Dunkelfeld-Anzeigeeinrichtungen, wie sie häufig erwünscht sind, wird die
senkrechte Ausrichtung benutzt, bei der im Aus-Zustand #n = 0 ist0 Durch Anlegen
eines elektrischen Feldes werden die Moleküle gekippt, was zu einem erhöhten effektiven
Doppelbrechungsindex #n führt. Demgemäß hat ein Ändern des Feldes eine linderung
der Wellenlänge zur Folge, fiir welche gemäß der obigen Gleichung eine maximale
Durchlässigkeit vorhanden ist0 if diese Weise ist eine Farbselektion möglich. Dies
ist das Prinzip der doppelbrechenden Flüssigkristall-Farbanzeige, die bei einem
zur Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird0 Ein
Hauptproblem, das durch die Erfindung gelöst wird, bestand in der Steuerung der
Richtung des Kippwinkels .
-
Die Schrägstellung der Moleküle wird durch das außere Feld und die
Ausrichtungskräfte bestirmat. Bei der senkrechten Ausrichtung im Aus-Zustand ist
der Winkel jedoch willkürlich, weil die Moleküle zylindersymmetrisch sind. Im allgemeinen
ist der Winkel willkiirlich über die Zelle verteilt, Wenn sich der Winkel über dem
Darstellungsfeld ändert, ist die Intensität nach der obigen Gleichung gemäß sin2
2 moduliert. Die Erfindung
gibt ein wirksames Mittel an die hand,
diesen Parameter zu beherrschen. die ermöglicht es daher erstmals, eine Anzeigevorrichtung
auf diesem Prinzip herzustellen. Die Kombination der Ionenstrahl-Ätzung der bubstratoberfläche
mit einem die senkrechte Ausrichtuiig bewirkenden Mittel, das dem Flüssigkristall
beigefiigt ist, erlaubt eine gleichformige Bestimmung des Winkels und damit das
Herstellen einer praktisch brauchbaren Anzeige.
-
Die vorliegende brfinduiig wurde zur Iferstellung von Anzeigevorrichtungen
benutzt, die durch drei verschiedene Ionenstrahl-Ätzungen charakterisiert sind,
nämlich Ätzungen unter einem Winkel von 200 bzw. 60 bis 850 zur Oberfläche zur Bestimmung
des Winkels PI und Erzeugung einer leicht geneigten "senkrechten" Ausrichtung im
Aus-Zustand und eine Ätzung unter einem Winkel von 900 zur Oberfläche, was eine
gute senkrechte Ausrichtung ergibt, jedoch keine Kontrolle des Winkels ermöglicht.
-
Diese drei Techniken werden in den folgenden Beispielen veranschaulicht0
Beispiel 1 Zur Herstellung eines Wechselstrom-Lichtventils wurden eine Gegenplatte,
bestehend aus einem Glassubstrat mit einer Elektrodenschicht aus Indiumzinnoxid,
und eine Ventilplatte, bestehend aus einem Glassubstrat mit einer Elektrodenschicht
aus Indiumzinnoxid, einer photoleitenden Schicht aus Cadmiumsulfid, einer Lichtsperrschicht
aus Cadmiumtellurid und einem dielektrischen
Spiegel gewählt. Ein
Glassubstrat mit einer Elektrodenschicht aus Indiumzinnoxid ist im Handel erhältlich.
-
Die Ventilplatte wurde durch aufeinanderfolgendes Aufbringen dünner
Schichten hergestellt. Die Ventilplatte und die Gegenplatte wurden dann in eine
Ionenstrahl-Abscheidungsvorrichtung gebracht, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt
ist. Unter Verwendung von Argon-Ionen mit einer Energie von 1 bis 7 keV, die auf
ein Target 24 aus Siliciumdioxid gerichtet wurden, wie es Fig. 2 zeigt, wurde eine
Siliciumdioxid-Schicht mit einer Dicke von etwa 150 nm in einer Zeit von etwa 27
bis 30 Minuten auf das Elektrodenmaterial aufgestäubt.
-
Eine gleiche Beschichtung wurde durch eine HF-hufstäubung in einer
üblichen Vorrichtung erzielt.
-
Die Ventilplatte und die Gegenplatte mit dem Siliciumdioxid-tiberzug
wurden dann in die Ionenstrahl-Vorrichtung gebracht oder in ihr belassen, je nachdem,
ob die Siliciumdioxid-Schicht mittels eines lonenstrahles oder eines HF-Plasmas
aufgestäubt wurde, Die Oberfläche der Siliciumdioxid-Beschichtung, wie die Beschichtung
42, wurde dann unter etwa 200 zu einem einfallenden Argon-Ionenstrahl ausgerichtet,
wie es Fig. 1 zeigt. Es wurde ein breiter Strahl mit einer Energie von 2,5 keV und
einer Intensität von 0,2 mA/cm2 verwendet. Nach etwa 6 Minuten des Ätzens oder Scheuerns
waren etwa 70 nm Siliciumdioxid entfernt. Durch dieses flache Ätzen wurde an diesen
mit einem Siliciumdioxid-Überzug versehenen Platten durch mikroskopisches Scheuern
eine
Konditionierwirkung erzielt, von der angenommen wird, daß
sie sich in Rillen 44 zeigt, die um etwa 200 zur Oberfläche geneigt sind, wie es
Fig. 3 zeigt. Oberflächen-Ausrichtmittel 46 mit langen Kettenmolekülen haften an
der Ventilplatte und der Gegenplatte mit einer leichten Neigung gegenüber der senkrechten
Achse an, welche auf die durch das Scheuern mit den Ionenstrahl erzeugten "?aller"
in der Siliciumdioxid-Schicht zurückzuführen ist. Die Flüssigkristallzelle wurde
vervollständigt, indem eine Flüssigkristallschicht zwischen den geätzten Oberflächen
der Gegenplatte und der Ventilplatte angeordnet wurde. Die Ätzrichtungen von Ventilplatte
und Gegenplatte sind diametral entgegengesetzt, um das Flüssigkristall-Material
in der Richtung des Oberflächen-Ausrichtmittels mit einer kleinen, gleichförmigen
Neigung über der ganzen Zelle im Aus-Zustand auszurichten.
-
Das Anliegen eines elektrischen Feldes verstärkt die Neigung, ohne
eine Änderung des Winkels herbeizuführen.
-
Wenn bei der Herstellung die Ventilplatte und die Gegenplatte in der
gleichen Richtung geätzt wurden, wurde in der gesamten Zelle eine ungleichförmige
Schrägstellung erhalten, Ähnliche Resultate wurden bei der Verwendung von Überzügen
aus Titandioxid und Aluminiumdioxid sowie bei Scheuertiefen von 20 nm und 90 nm
erzielt.
-
Beispiel 2 Zum Zweck der Farbdarstellung wurde die Filiciumdioxid-Schicht
42 unter einem Winkel zwischen 70 und 800 mit einem Ionenstrahl geätzt. Die durch
die Bearbeitungszeit gesteuerte Atztiefe betrug etwa 30 bis 45 nm. Die langgestreckten
Moleküle eines Oberflächen-Ausrichtmittels 50 wuchsen, wie in Fig. 4 veranschaulicht,
aus Löchern 52 heraus und bewirkten eine Neigung der ausgerichteten Fliissigkristallmoleküle
wie beim Beispiel 1o Beispiel 3 Zur Mikrobearbeitung mit einem senkrechten Ionenstrahl
wurden die Platten zunächst unter Verwendung einer Standard-Zerstäubungstechnik
im Vakuum mit einer Siliciumdioxid-Schicht von 150 nm Dicke versehen und dann einem
breiten Argon-Ionenstrahl mit einer Energie von 2,5 keV unter einem Winkel von 90°,
also senkrecht zur Oberfläche, ausgesetzt. Das Bestrahlen des ßiliciuradioxid-0berzuges
mit einem Argon-Ionenstrahl hatte eine mikroskopische Konditionierung zum ergebnis,
von der angenommen wird, daß sie im Erzeugen von Löchern bestimmter Tiefe besteht.
Diese Löcher führen zu einer ausgezeichneten senkrechten Ausrichtung.
-
Bei allen genannten Beispielen wurde festgestellt, daß die Wirkung
von der Art des verwendeten Ausrichtmittels unabhängig war, also unabhängig davon,
ob Lecithin,
Silane, Stearat oder andere verfügbare Mittel verwendet
wurden, die eine senkrechte Ausrichtung zur Oberfläche bewirken.
-
Weiterhin wurde festgestellt, daß bei allen Beispielen eine mikroskopisch
feine Bearbeitung der Oberfläche der Schicht 42 erzielt wurde, die 1. eine reproduzierbare
XJirksamkeit auf die parallele Ausrichtung der Flüssigkristall-Uoleküle hatte, 2.
wiederholten Reinigungs- und Ausbackschritten standhielt und 3. Produktionsverfahren
in Verbindung mit Einrichtungen zur Herstellung von Beschichtungen durch Aufstäuben
zugänglich ist. Die vorstehenden Beispiele, die für das erfindungsgemäße Verfahren
reprasentativ 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 5000C
während einer Stunde. Außerdem erlaubten sie eine erfolgreiche Anwendung von Außrichtmitteln
und Flüssigkristall-Materialien.
-
Obwohl die Erfindung in bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben
worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf diese husführungsbeispiele
beschränkt ist, sondern zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen möglich sind,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
L e e r s e i t e