DE2743321A1

DE2743321A1 - Fluessigkristallzelle und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2743321A1
Application number: DE19772743321
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Phys Dr Klein; Hans-Rudolf Dr Zeller
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1977-09-27
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE7729857U1; US4252415A; CH622358A5; ATA445878A; GB1601563A; JPS5450346A

Description

Ka/dh

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Flüssigkristallzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle mit zwei ebenen parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander ausgerichteten Glasplatten, einem zwischen den Glasplatten vorgesehenen Steg aus niedrigschmelzendem Glaslot, einer in dem durch die Glasplatten und den Glaslotsteg gebildeten Innenraum vorgesehenen Flüssigkristallsubstanz und mit an den einander zugewandten Flächen der Glasplatten aufgebrachten Elektroden, deren Anschlüsse aus dem Innenraum über den Glaslotsteg hinaus nach aussen geführt sind, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Flüssigkristallzelle .

Eine Flüssigkristallzelle der vorgenannten Art ist aus der US-PS 3 995 9^1 bekannt. Derartige Zellen werden heutzutage vor allem als optische Polarisationsmodulatoren mit einer verdrillten nematischen Flüssigkristallsubstanz, so

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wie dies etwa in der DT-OS 2 158 563 angegeben ist, gefertigt. Bei der serienmässigen Fertigung solcher Drehkristallzellen werden die mit den Elektroden versehenen Glasplatten randseitig vorzugsweise mit einer ein Bleiboratlot und ein organisches Bindemittel enthaltender Lötpaste bedruckt und nach Ausrichten der Glasplatten gegeneinander bei ca. 500 C verlötet.

Durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren, wie Reiben, Schrägaufdampfen werden die an der Glasplatte anliegenden Flüssigkristallmoleküle in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet. Für die meisten Anwendungen ist ein kleiner Anstellwinkel, d.h. Winkel zwischen der Achse des stäbchenförmigen Flüssigkristallmoleküls und deren Projektion auf die Plattenoberfläche, von Vorteil. Unter allen Umständen ist zu vermeiden, dass der Anstellwinkel über die Fläche der Zelle, z.B. zwischen elektrodenbedeckten und nichtelektrodenbedeckten Stellen variiert.

Derartige Zellen zeigen vorallem bei nichtsenkrechter Betrachtung einen inhomogenen Hintergrund resp. sichtbare Elektroden auch im elektrisch nicht angesteuerten Zustand.

In nach dem Stand der Technik gefertigten Zellen tritt es häufig auf, dass der Anstellwinkel auf den elektrodenbeschichteten Teilen der Glasplatte höher ist als auf den

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unbeschichteten. Dies führt zu unakzeptablen optischen Eigenschaften und einer verkürzten Lebensdauer solcher Zellen. Im Prinzip kann der Effekt vermindert werden durch eine Beschichtung der Glasplatte und der Elektroden mit einer hochqualitativen Schutzschicht, z.B. 2000 8 SiO , aufgebracht durch Elektronenstrahlverdampfung in sehr gutem Vakuum. Derartige Schutzschichten sind jedoch preislich aufwendig und es besteht Bedarf nach einem billigeren Verfahren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Flüssigkristallzelle der vorgenannten Art zu schaffen, bei der der Wert des Anstellwinkels der Flüssigkristallmoleküle kleiner als ein vorgegebener Tcleranzwert ist und bei der durch den Toleranzwert des Anstellwinkels eine in Hinblick auf Kontrast und Lebensdauer für praktische Anwendungen geeignete Flüssigkristallzelle bestimmt ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und vom bisher verwendeten Fertigungsverfahren nur geringfügig abweichenden Verfahren anzugeben, durch welches eine derartige Flüssigkristallzelle herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Glaslotsteg und/oder die Elektroden ein zumindest teilweise reduziertes Oxidationsmittel enthalten, welches durch Reduktion eines Oxidationsmittels während des Glaslötens der Flüssigkristallzelle gebildet wird.

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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel mit Glaslot vermischt wird, und dass eine dieses Gemisch und einen organischen Binder aufweisende Glaslotpaste in an sich bekannter Weise auf mindestens eine der beiden mit Elektroden versehenen Glaslotplatten aufgebracht wird, die Glasplatten in an sich bekannter Weise gegeneinander ausgerichtet und verlötet werden und der durch die Glasplatten und den Glaslotsteg gebildete Innenraum in an sich bekannter Weise mit der Flüssigkristallsubstanz gefüllt wird.

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass zu grosse_/ oberhalb eines Toleranzwertes liegende Anstellwinkel der Flüssigkristallmoleküle auf die Bereiche der Elektroden beschränkt sind, dass die dadurch bedingten Störungen an Elektroden auftreten, deren Zuführungen eine gemeinsame Fläche mit dem Glaslotsteg aufweisen, und dass die Wirksamkeit dieser Störungen mit steigender Löttemperatur zunimmt und durch auf die Elektroden aufgebrachte Schutzschichten gegebenenfalls erheblich vermindert werden kann.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass diese Störungen dadurch verursacht werden, dass bei der Löttemperatur noch nicht der gesamte organische Binder der Glaslotpaste verbrannt ist, so dass im Glaslot und inbesondere an der Grenzfläche zur Elektrode reduzierende Bedingungen ent-

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stehen, die das elektrochemische Potential der Elektrode in dem unter dem Glaslotsteg liegenden Teil je nach Elektrodenzusammensetzung absenken. Bei den üblicherweise in der Fertigung von Flüssigkristallzellen verwendeten Indium -und/oder Zinnoxidelektroden liegt diese Absenkung bei ca. 0,5 Volt. Da bei der ca. 500°C betragenden Löttemperatur das üblicherweise in der Fertigung verwendete Natrium-Silikatglas ein recht guter Elektrolyt ist, wirken der reduzierte und der unreduzierte Teil der Elektrode als Lokalelement und verursachen elektrochemische Korrosionseffekte, durch welche, gegebenenfalls durch Na -Diffusion aus der Glasplatte in die Elektrode, die zu grossen Anstellwinkel der Flüssigkristallmoleküle im Bereich der Elektroden bewirkt werden.

Ausgehend von dieser Erkenntnis kamen die Erfinder zu der Folgerung, dass es geboten ist, das Absinken der Sauerstoffaktivität im Glaslot und damit auch an der Grenzfläche Glaslot-Elektrode während des Glaslötens der Flüssigkristallzelle zu verhindern. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sie dem Glaslot ein Oxidationsmittel zugesetzt, welches während des Glaslötens der Flüssigkristallzelle die nicht verbrannten

der
Reste des organischen Binders/Glaslotpaste oxidiert und dabei selber zumindest teilweise reduziert wird, so dass eine derart verlötete Flüssigkristallzelle im Glaslotsteg und/oder in den Elektroden neben den gegebenenfalls nicht reduzierten Teilen des Oxidationsmittels ein reduziertes Oxidationsmittel

enthält.

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Als Oxidationsmittel sind mit Vorteil Substanzen zu verwenden, die bei hoher Temperatur Sauerstoff abgeben, wie etwa Antimonpentoxid (Sb 0 ), Wismut(Ill)oxid (Bi 0 ), Uran(VI) oxid (UO,), Nickeloxid (Ni 0 ), Bleidioxid (PbO ), Mangandioxid (MnO₂)/Chromate und Bichromate.

Besonders geeignet sind Substanzen, deren Sauerstoffaktivität bei der Löttemperatur grosser als -*J00 (mV), vorzugsweise grosser als -200 (mV) ist. Bei 500°C entspricht dies

-"5 -2

einem zwischen 3 · 10 bzw. 6 · 10 (Bar) liegenden Sauerstoffzersetzungsdruck.

Die erfindungsgemässen Zellen zeichnen sich auch bei Ablesung unter grossen Winkeln zur Normalen durch eine hohe Kontraststärke sowie eine lange Lebensdauer aus. In der Fertigung treten keine Probleme mit Zellen auf, deren An-Stellwinkel oberhalb eines Toleranzwinkels liegen oder deren Anstellwinkel über der nutzbaren Zellenfläche variieren, so dass die Ausschussquote in bezug auf derartige Störungen praktisch vernachlässigbar ist und eine erhebliche Verbilligung und Verbesserung der Flüssigkristallzellen erzielt wird.

Wird ein Oxidationsmittel gewählt, dessen Sauerstoffpartialdruck im Temperaturintervall zwischen Erweichungstemperatur des Glaslotes und der während des Glaslötens auftretenden

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maximalen Temperatur höchstens gleich dem Druck der umgebenden Atmosphäre, vorzugsweise höchstens 0,2 Bar, ist, so kann eine im Lotsteg einsetzende Blasenbildung vermieden und eine besonders geringe Ausfallquote erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist Mangandioxid als Oxidationsmittel, da es erst bei 535°C, also oberhalb der bei ca. 500 C liegenden Löttemperatur, an die Umgebungsluft molekularen Sauerstoff abgibt, bei der Löttemperatur somit noch nicht zu Blasenbildung neigt, bei dieser Temperatur aber eine zur Verhinderung der Ausbildung von Lokalelementen an den Elektroden ausreichend hohe Sauerstoffaktivität aufweist und darüber hinaus aber auch durch eine in Punktion von der Temperatur flache Sauerstoff-Aktivitätskurve gekennzeichnet ist. Mangandioxid löst sich zudem praktisch nicht im Glaslot, so dass die bisherigen Lötparameter des verwendeten Glaslotes nicht geändert werden müssen.

Es ist zu empfehlen, 0,1-20, vorzugsweise 1-5, Gewichtsprozent Oxidationsmittel, bezogen auf die Menge des Glaslotes, dem Glaslot zuzugeben und Glaslot und Oxidationsmittel gleichmässig miteinander zu vermischen, da hierdurch mit Sicherheit erreicht wird, dass das Oxidationsmittel an allen störanfälligen Stellen seine oxidierende Wirkung entfalten kann.

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Es ist vorteilhaft ein pulverförmiges Oxidationsmittel mit einer höchstens dem Plattenabstand entsprechenden Korngrösse zu verwenden, da dann keine Probleme mit der Dichtigkeit der verlöteten Flüssigkristallzelle auftreten können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Hierbei zeigt

Fig. 1 einen nicht massstabsgetreuen Schnitt durch den Glaslotsteg einer elektrisch ansteuerbaren Flüssigkristallzelle gemäss dem Stand der Technik und

Fig. 2 Spannungs-Temperaturkurven von Elektrodenanordnungen entsprechend der Flüssigkristallzelle nach Fig. 1 sowie erfindungsgemässe Flüssigkristallzellen, welche unter Zugabe unterschiedlicher Anteile an Mangandioxid als Oxidationsmittel zum

Glaslot hergestellt wurden.

In Fig. 1 beziehen sich die Bezugsziffern 11 und 12 auf zwei ebene, parallel und in einem Abstand von ca. 7 /im ausgerichtete Glasplatten, auf denen zwei transparente Elektroden 21 und 22 aus Indium (In 0 ) und/oder Zinnoxid ) aufgetragen sind, welche gegebenenfalls mit Schutz-

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schichten 51 und 52 aus inertem und transparentem Material, wie etwa Quarz, versehen sind. Der durch die Glasplatten 11, 12 und einen Glaslotsteg k gebildete Innenraum ist mit einer nematischen Flüssigkristallsubstanz 3 gefüllt. Hierbei sind die stäbchenförmigen Moleküle der Flüssigkristallsubstanz 3 im spannungsfreien Zustand der Zelle derart angeordnet, dass die die Oberfläche 21 bzw. 51 der Glasplatte 11 berührenden Moleküle 31 in der Zeichenebene liegen, während die zwischen den Glasplatten 11, 12 befindliche Molekülschicht 32 bereits um einen bestimmten Winkel aus der Zeichenebene herausgedreht ist und die die Oberfläche 22 bzw. der Glasplatte 12 berührenden Moleküle 33 bis zu 90 gegenüber den ersten, an der Platte H anliegenden Molekülen verdreht sind. Die Flüssigkristallsubstanz 3 weist daher im spannungsfreien Zustand der Zelle eine schraubenförmig verdrillte Struktur auf. Diese Struktur wird beispielsweise durch Reiben der Plattenoberflächen 21, 22 bzw. 51, 52 mit einem Baumwolltuch in einer Vorzugsrichtung erreicht, da die Moleküle 31, 33 der Flüssigkristallsubstanz 3 bestrebt sind, sich längs dieser Vorzugsrichtung anzuordnen.

Nun hat es sich aber gezeigt, dass die Moleküle je nach Fertigungsparametern einen mehr oder weniger grossen Anstellwinkel oC aufweisen, d.h., dass die Moleküle 31 bzw. 33 nicht in ihrer ganzen Länge an den Oberflächen 21, 22 bzw. 51» 52 der Glasplatten 11, 12 haften, sondern dass

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die Moleküle mit der Längsachse einen Winkel«C mit ihrer Projektion auf die Plattenoberfläche bilden. Variiert dieser Anstellwinkel e»Cum mehr als einen vorgegebenen Wert AdC; so wird die Darstellung der durch die Plüssigkristalizelle angezeigten Information mangelhaft.

Gemäss der Erfindung wird ei.iem Glaslotpulver der Korngrösse <^ 7 Mm beispielsweise eine Menge von ca. 2,5 Gew.% pulverförmiges Mangandioxid der Korngrösse-<.7 J-un beigemischt. Lotpulver und Mangandioxid werden gleichmässig miteinander vermischt und nach Suspendieren in einem organischen Binder randseitig als Lotsteg 4 auf die Glasplatten 11, 12 gedruckt. Der Lotsteg 4 liegt je nach Elektrodenstruktur auf den Elektroden 21, 22 und/oder den Glasplatten 11, 12 selber oder lediglich auf den Schutzschichten 51, 52 auf. Nach Ausrichten der Glasplatten 11, 12 wird die Flüssigkristallzelle bei ca. 500⁰C glasverlötet. Hierbei wirkt das Mangandioxid als Oxidationsmittel und verhindert die Reduktion der In_?0 und/oder SnO- Elektroden durch nicht verbrannten organischen Binder und somit die Ausbildung von Lokalelementen an den Elektroden, so dass nach Füllen der glasverlöteten Flüssigkristallzelle mit einer Flüssigkristallsubstanz durch eine im Glaslotsteg 4 verbleibende Einfüllöffnung die Variation des Anstellwinkels JZ unterhalb eines vorgegebenen Wertes /\ <C bleibt.

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Anhand der Spannungs-Temperaturkurven der Pig. 2 lässt sich die Verhinderung der Lokalelementbildung in erfindungsgemässen Flüssigkristallzellen besonders gut erkennen und ist es möglich, den optimalen Zusatz an Oxidationsmittel zum Glaslotpulver zu bestimmen. Bei diesen Kurven wird die Spannung zwischen einer freien und einer mit Glaslot bedeckten Elektrode, welche beide auf einer Glasplatte angeordnet sind, gemessen. Beide Elektroden stehen sich in einem Abstand von ca. 1 mm mit einer Kantenlänge von 10 mm gegenüber. Die zwischen beiden Elektroden als Funktion der Temperatur T ( C) auftretende Spannung V (mV) ist nun ein Mass für das durch das Glaslöten bewirkte Auftreten der die Vergrösserung der AnstellwinkeldC bewirkenden Lokalelemente. Den Spannungs-Temperatur-Kurven ist zu entnehmen, dass eine Beimengung von mehr als 2,5 Gewichtsprozent Mangandioxid das Aufkommen von schädlichen negativen Korrosionsspannung weitgehend verhindert.

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Claims

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Patentansprüche

( Iy Flüssigkristallzelle mit zwei ebenen parallel und in

einem bestimmten Abstand zueinander ausgerichteten Glasplatten, einem zwischen den Glasplatten vorgesehenen Steg aus niedrigschmelzendem Glaslot, einer in dem durch die Glasplatten und den Glaslotsteg gebildeten Innenraum vorgesehenen Flüssigkristallsubstanz und mit an den einander zugewandten Flächen der Glasplatten aufgebrachten Elektroden, deren Anschlüsse aus dem Innenraum über den Glaslotsteg hinaus nach aussen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaslotsteg (H) und/oder die Elektroden (21, 22) ein zumindest teilweise reduziertes Oxidationsmittel enthalten, welches durch Reduktion eines Oxidationsmittels während des Glaslötens der Flüssigkristallzelle gebildet wird.
2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffaktivität des Oxidationsmittels bei der maximalen während des Glaslötens auftretenden Temperatur höher als -^00 (mV), vorzugsweise höher als -200 (mV) ist.
3. Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffpartialdruck des teilweise reduzierten Oxidationsmittels im Temperatur-

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Intervall zwischen der Erweichungstemperatur des Glaslotes und der während des Glaslötens auftretenden maximalen Temperatur höchstens gleich dem Druck der umgebenden Atmosphäre, vorzugsweise höchstens 0,2 Bar, ist.
4. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Antimonpentoxid (Sb 0 ), Wismut(III)oxid (Bi₂O ), Uran(VI)oxid (UO ), Nickel(III) oxid (Ni 0 ), Bleidioxid (PbO ), Mangandioxid (MnO₂), Chromate und/oder Bichromate vorgesehen sind.
5. Verfahren zur Herstellung der Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel mit Glaslot vermischt wird, und dass eine dieses Gemisch und einen organischen Binder aufweisende Glaslotpaste in an sich bekannter Weise auf mindestens eine der oeiden mit Elektroden (21, 22) versehenen Glasplatten (11, 12) aufgebracht wird, die Glasplatten (11, 12) in an sich bekannter Weise gegeneinander ausgerichtet und verlötet werden und der durch die Glasplatten (11, 12) und den Glaslotsteg (4) gebildete Innenraum in an sich bekannter Weise mit der Flüssigkristallsubstanz (3) gefüllt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Oxidationsmittels 0,1 - 20 Gewichtsprozent

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der Menge des Glaslotes beträgt

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Oxidationsmittels 1-5» vorzugsweise mehr als 2,5 Gewichtsprozent, der Menge des Glaslotes beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 - 7> dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel und Glaslot gleichmassig miteinander vermischte Pulver verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationsmittel mit einer höchstens dem Abstand der Zellenplatten (11, 12) entsprechenden Korngrösse verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Mangandioxid als Oxidationsmittel der Glaslötprozess bei Temperaturen unterhalb 535 C durchgeführt wird.

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