DE3245002A1

DE3245002A1 - Verfahren zur behandlung der oberflaeche eines substrates

Info

Publication number: DE3245002A1
Application number: DE19823245002
Authority: DE
Inventors: Anna M. 90024 Los Angeles Calif. Lackner; J. David 91367 Woodland Hills Calif. Margerum; Leroy J. 91304 Canoga Park Calif. Miller
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-12-10
Filing date: 1982-12-06
Publication date: 1983-06-16
Also published as: JPS58150938A; US4464134A; JPH0252246B2; DE3245002C2; CH661597A5

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 1.12.1982

Hughes Aircraft Company ^{P 4277 W}/^ö
Centinela and Teale Street
Culver City, California
V. St. A.

Vertreter;

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41

7000 Stuttgart 1

Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrates

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrates in der Weise, daß sich nachfolgend in Kontakt mit der Oberfläche des Substrates gebrachte Flüssigkristalle mit ihren Direktoren im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ausrichten.

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Bei manchen Arten von optischen Anzeigeelementen, die Flüssigkristalle enthalten, ist es notwendig, eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der Weise zu erzeugen, daß die Direktoren, d.h. die Längsachsen der Moleküle, eine senkrechte Lage zu der Oberfläche des Sub strates einnehmen, auf das die Flüssigkristalle aufgebracht werden. Besondere Schwierigkeiten bereitet die senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen, die nachträglich in ein Bauelement eingebracht werden, das aus einer vorgefertigten Zelle besteht, deren Elemente entweder durch einen Klebstoff oder in einem Hochtemperatur w Herstellungsverfahren durch eine Glasfrittung versiegelt sind.

Es sind bereits verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, um eine senkrechte (homöotrope) Oberflächenausrichtung von Flüssigkristallen zu erzeugen, beispielsweise in den folgenden Literaturstellen: E.L. Williams, "Liquid Crystals For Electron Devices", in Noyes Data Corp., 1975, PP- 193-211; J.D. Margerum und L.J. Miller, J. Colloid und Interface Sei, 1977, pp. 562-565; und W.H. deJeu, "Physical Properties of Liquid Crystalline Material", Gordon und Breach, 1980, pp. 16-25.

Üblicherweise werden drei Arten von Verfahren zum Erzeugen einer hoinöotropen Ausrichtung eingesetzt. Das eine besteht darin, der Flüssigkristallmischung Ausrichtungszusätze beizufügen, wie sie in den US-Patenten

. 5.

3 656 834, 3 698 449 und 3 809 4-56 sowie im kanadischen Patent 1 061 099 beschrieben sind. Ein Nachteil dieser Technik, bei der Zusätze verwendet werden ist, daß die Zusätze Eigenschaften des Flüssigkristalls verändern, beispielsweise die Leitfähigkeit, daß sie keine Langzeitstabilität aufweisen und daß die Ausrichtung temperaturabhängig sein kann, da die Aufteilung des Zusatzer» zwischen dem Flüssigkristall und der Substratoberfläche selbst temperaturabhängig ist.

Das zweite Verfahren verwendet Oberflächen-Schichtfilme, um eine homöotrope Ausrichtung zu bewirken, wie dies in den US-Patenten 3 687 515 und 3 803 050 beschrieben ist. Die Polymer-Beschichtungen, die in den genannten US-Patenten beschrieben werden, lassen jedoch ebenfalls eine ausreichende Langzextstabilität und Gleichförmigkeit vermissen und, wie weiter unten noch erläutert wird, werden negativ durch Hochtemperatur-Herstellungsverfahren beeinflußt.

Das dritte Verfahren zur Erzeugung einer Ausrichtung, das von einer Oberflächenveränderung durch eine chemische Reaktion mit der Oberfläche ausgeht, ist dasjenige, das den Flüssigkristall am wenigsten beeinflußt und schließt die Verwendung von Alkoxysilanen ein, wie dies von Kahn in Applied Physicks Letters, Band 22, Seite 111, 1973 beschrieben worden ist; es können jedoch auch Alkoholbäder verwendet werden, beispielsweise gemäß

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US-Patent 4- 022 934.

Das letztgenannte US-Patent hat den engsten Bezug zu der vorliegenden Erfindung, da es ebenfalls die Verwendung von Alkoholen mit langen Molekülketten lehrt, um Substratoberflächen in der Weise zu beeinflussen, daß sich eine senkrechte Oberflächenausrichtung ergibt. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung verwendet das genannte bekannte Verfahren Jedoch heiße, flüssige Bäder von Alkoholen mit langen Molekülketten und Aminen, um alkoholische Schichten auf der Oberfläche von Flüssigkristall-Substraten zu erzeugen. Die Substratoberflächen werden dabei vollständig in die Bäder eingetaucht und nachfolgend mit einem Lösungsmittel abgewaschen, um verbleibenden Alkohol zu entfernen, bevor die Flüssigkristalle aufgebracht werden. Dabei kann das bekannte Verfahren nützlich sein, wenn zerlegbare Zellen verwendet werden, das bekannte Verfahren ist jedoch nicht anwendbar, wenn vorgefertigte Anzeigeelemente verwendet werden, weil es erhebliche Schwierigkeiten bereiten würde, den verbleibenden Alkohol zu entfernen,und weil Hochtemperatur-Herstellungsverfahren, beispielsweise zum Versiegeln durch Glasfrittung, die organische Beschichtung zerstören würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen auf der Oberflüche von Substraten bewirkt, die in die Flüssigkristall-Zellen mit Hilfe von Hochtemperatur-

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Τ-

Herstellungsverfahren oder einer Klebstoff«Sxegelunf; eingebaut worden sind.

Erfindungsgeraäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst die Oberfläche mit einer Oxidschicht versehen und alsdann eine Reaktion der Oxidschicht mit Alkoholmolekülen der Form ROH in einer Dampfphase erzeugt wird, wodurch ein Oberflächenüberzug mit RO-Gruppen darauf entsteht, wobei R eine aliphatische Alkylkette der Formel CH, (CHp) ist und η im Bereich von 9 bis etwa 23 liegt.

Bei der Suche nach einem Herstellungsverfahren, mit dem die senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen in vorgefertigten Zellen erzeugt werden kann, und sowohl die meisten, wenn nicht alle, Nachteile des Standes der Technik vermieden werden als auch alle Vorteile des Standes der Technik erhalten bleiben können, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß durch die Erzeugung einer Reaktion eines Alkohols mit langen Molekülketten in der Dampfphase und eines mit einer Oxidschicht versehenen Substrates ein Oberflächen-Überzug mit einer RO-Gruppe erhalten werden kann. Dieser Überzug veranlaßt Flüssigkristalle, die nachfolgend in Kontakt mit ihm gebracht werden, daß sie sich mit ihren Direktoren senkrecht zu der überzogenen Oberfläche ausrichten. Die RO-Gruppen werden von Alkoholen mit langen Molekiilketten der Formel HOn abgeleitet, wobei R eine aliphatische Kohlenstoffkette mit 10 bis etwa 24 Kohlenstoffatomen ist.

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Mit der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, vorgefertigte elektro-optische Zellen in cter Weise auszustatten, daß in die Zellen gebrachte Flüssigkristalle sich von selbst mit ihren Direktoren senkrecht zu der Oberfläche der Zelle ausrichten.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es,.ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem die senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen zur Oberfläche von Substraten erzeugt werden kann, die als Elektroden in elektro-optischen Bauelementen verwendet werden.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein billiges und reproduzierbares Verfahren anzugeben, mit dem eine stabile senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen gegenüber üubstratoberflächen erzeugt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Evfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Alkohole mit langen Molekülketten, die sich zur Verwendung in einem der erfiridungsgemäßen Verfahren eignen, werden durch die Formel ROH dargestellt, bei der R eine aliphatische Kette der Formel

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ist, in der η eine ganze Zahl im Bereich von 9 bis 2.j> ist (also eine Kohlenstoffkette mit 10 bis 24- Kohlenstoffatomen). Beispiele für diese Art Alkohole sind:

1-Decanol, 1-Dodecanol, 1-Hexadecanol, 1-Octadecanol und 1-Eicosanol.

Diese Substanzen sind wohlbekannt und ohne weiteres von üblichen chemischen Herstellern zu niedrigen Kosten zu erhalten.

Die Mindestlänge einer Kette eines Alkohols, die benötigt wird, um eine gute senkrechte Ausrichtung zu bewirken, hängt von der Zusammensetzung des verwendeten Flüssigkristalls ab. Bei einigen Flüssigkristallen (beispielsweise bestimmten Mischungen Schiff'scher Basen) kann η lediglich 9 betragen oder sogar weniger, wenn nur geringe Anforderungen an die senkrechte Ausrichtung gestellt werden. Bei anderen hingegen muß η im Bereich 15 bis 17 oder noch darüber liegen. Je höher π ist,, desto niedriger ist der Dampfdruck bei einer vorgegebenen Temperatur, und es nimmt die Reaktionsrate mit der Oberfläche mit dem Dampfdruck ab. Octadecanol, bei dem η = 17i reicht aus, um eine gute senkrechte Ausrichtung nahezu aller Flüssigkristalle, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung untersucht wurden, zu bewirken, so daß diese Substanz als besonders vorteilhaft bezeichnet werden kann.

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fjubotrate mit Oxidüberzügen, beispielsweise Siliziumoxici (SiC) _r. Si liziumdioxid (Sio^) » Indium-Zinn-Oxid (ITü)/Siliaiuiridioxid Mischungen, Zinnoxid (SnO)/SiOp Mischungen und Indiumoxid (InO)ZSiOo Mischungen sind besonders geeignet, um im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet zu werden. Pur bestimmte Anwendungen können Jedoch auch andere reflektierende Metallelektroden verwendet werden, beispielsweise Silber oder Chrom mit SiO₂-Das Wichtigste, um einen guten Überzug mit RO-Gruppen zu erhalten, ist, einen Oxid-Überzug zu erzeugen, der an seiner Oberfläche Hydroxyl (OH)-Gruppen aufweist, wie dies beispielsweise durch die Verwendung von SiO, SiOp oder Mischungen hiervon erreicht werden kann. Diese OH-Gruppen an der Oberfläche reagieren mit dem Alkoholdampf und bewirken eine stabile Anlagerung der alphatisehen Kottc, die ihrerseits die Ausrichtung der Flüssigkristalle bewirkt.

Der hier benutzte Ausdruck "Flüssigkristall" soll eine Verbindung, eine Mischung von Verbindungen, eine Mischung von Verbindungen und einem Lösungsmittel, eine dotierte Verbindung oder Jegliche Kombination dieser Stoffe bezeichnen, die nematogene Eigenschaften aufweist. Eine Flüssigkristall-Zelle ist daher ein elektro-optisches Bauelement, das einen Flüssigkristall und wenigstens zwei Substrate aufweist, die als Elektroden dienen, sowie Mittel, um den Flüssigkristall zwischen den Elektroden festzuhalten.

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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausrichten von Flüssigkristallen, das nachfolgend als Verfahren mit Dampfphasen-Reaktion bezeichnet wird, ist, daß es auch bei solchen Flüssigkristall-Baue]ementen verwendet werden kann, die über eine Versiegelung mit Glasfrittung verfügen. Zwar gibt es auch im Stand der Technik Verfahren, die eine Oberflächenbehandlung mit organischen Substanzen vorsehen oder organische Moleküle in Oberflächen von Zeil-Substraten anlagern, bevor die Zelle versiegelt wird. Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sich organische Moleküle bei den hohen Temperaturen (größer als 500⁰C) zersetzen, die für den Glasfrittungs-Prozeß benötigt werden. Erzeugt man hingegen eine Reaktion zwischen der mit einem Oxid überzogenen Substratoberfläche und Alkoholmolekülen in der Dampfphase, ist es möglich, HO-Gruppen auf der Oberfläche von Substraten zu erzeugen, nachdem diese in vorgefertigte Zellen eingebaut wurden. Hierdurch werden verschlechternde Wirkungen von Hochtemperatur-Verfahren beim Zusammenbau der Zelle vermieden.

Ein weiterer Vorteil des erfindunprsnemrjßen Verfahrens mit Dampfphasen-Reaktion besteht darin, daf?, Vorfahrenschritte aus dem Stand der Technik entfallen können, die dort benötigt v/erden, um überschüssige Reagenzien von den Substraten der Bauelemente zu entfernen, bevor der Flüssigkristall eingebracht wird. Wenn Alkohol in der

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ygr-

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Dampfphase in Reaktion mit der oxidüberzogenen Oberfläche bei Temperaturen gebracht wird, die oberhalb des Dampfpunktes des jeweils verwendeten Alkohols entsprechend der vorliegenden Erfindung liegt, findet eine Reaktion statt, die keinerlei Nebenprodukte erzeugt oder hinterläßt, die den Flüssigkristall, der anschließend in die Zelle eingebracht wird, verunreinigt. Es gibt daher kein Problem, Lösungsmittelreste zu entfernen, es ist kein nichtreagierter Alkohol auszuwaschen und es besteht nicht die Notwendigkeit, irgend einen Rest Katalysator zu entfernen. Dies ist bei der Herstellung von Lichtventilen besonders wichtig. Dabei werden nämlich dicke, flache, optische Glasbauteile verwendet, und es können thermische Schocks, die üblicherweise bei Abwaschprozessen auftreten, eine Beschädigung des Substrats verursachen.

Schließlich hat das erfindungsgemäße Verfahren mit Dampfphasen-Reaktion den allgemeinen Vorteil, daß eine stabile Oberflächenausrichtung guter Qualität und Reproduzierbarkeit von Flüssigkristallen erzeugt wird, wobei lediglich ein einfacher, einstufiger Herstellungsprozess notwendig ist, der nur kleine Mengen von billigen Substanzen benötigt.

Es gibt im wesentlichen zwei Techniken um beschichtete Oberflächen mit Alkohol in der Dampfphase so zu behandeln, daß eine Reaktion zwischen diesen beiden entsteht. Eine Technik besteht darin, die Substrate in einer evakuierten Kammer aufzuheizen, in der der Alkohol auf

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eine geringfügig niedrigere Temperatur aufgeheizt wird. Diese Teraperaturdifferenz wird deswegen erzeugt, um eine Kondensation des Alkoholdampfes auf dem Substrat zn verhindern. Mit diesem Verfahren können sowohl Substrate mit offener Oberfläche wie auch innen angeordnete Jubstrate von vorgefertigten Zellen, die lediglich kleine; Öffnungen aufweisen, behandelt werden. Eine Reaktion zwischen dem Alkohol in der Dampfphase und dem Oxidüberzug des Substrates tritt ohne weiteres auf, sogar bei einem Alkohol-Dampfdruck von weniger als 1 Torr (linbar). Dieses Verfahren kann in einer Vakuumkammer ausgeführt; werden, die erste Heizmittel aufweist, um die Temperatur eines Alkohols mit langen Molekülketten zu erhöhen, sowie zweite Heizmittel, um die Temperatur einer Flüssigkristall-Zelle auf einen etwas höheren Wert zu bringen.

Eine typische vorgefertigte Flüssigkristall-Zello umfaßt zwei Glassubstrate mit einer Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Beschichtung sowie einem SiO^-Überzug, wobei die Substrate als Elektroden dienen. Die Elektroden werden durch ein Distanzstück auf Abstand gehalten, das als Dichtmittel wirkt, so daß ein Behälter entsteht, der nachfolgend durch eine Öffnung mit Flüssigkristall gefüllt wird.

Wenn die Temperatur des Alkohols erhöht wird, steigen Alkoholdämpfe auf und diffundieren durch den genamton Innenraum der evakuierten Kammer, so daß sie auch in die Flüssigkristall-Zelle durch die genannte öffnung

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gelangen. Dabei geraten sie in Kontakt und Reaktion mit dem SiOp-beschichteten Substrat. Der Dampf verbleibt üblicherweise während etwa einer Stunde oder mehr in der Kammer, bevor die Temperaturen wieder gesenkt werden und die Zelle sich abkühlen kann. 1\3 sind jedoch auch kürzere Zeiten möglich.' Nach Abkühlung kann die Zelle durch die öffnung mit Flüssigkristall gefüllt werden, ohne daß weitere Verfahrensschritte notwendig sind. Das Flüssigkristall richtet sich dann selbständig innerhalb der Zelle in der Weise aus, daß die Direktoren sich senkrecht zur Oberfläche des Substrates stellen.

Bei einem zweiten bevorzugten Verfahren zur Ausführung der Erfindung werden niedrige Konzentrationen des Alkohols in einem flüchtigen Lösungsmittel in die Zelle gebracht und zwar in der Weise, wie dies vorstehend bereits beschrieben wurde. Die Zelle wird in eine heizbare Kammer gebracht und die Temperatur auf einen Wert erhöht, der ausreicht, damit sich das Lösungsmittel schnell verflüchtigt und der Restalkohol in der Zelle verdampfen kann und mit der beschichteten Oberfläche des Substrates reagiert. Nachfolgend kann die Zelle, wie oben ausführlich beschrieben, wiederum unmittelbar mit einem i''l^;issigkristall gefüllt werden, ohne daß weitere Verfahroncschritte notwendig sind.

Bei oincv typischen Anwendung des erfindungogenr'ßon Verfahrens wird die senkrechte Ausrichtung des Flüssigkristalle auf der Oberfläche leitfähiger Elektroden er-

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zeugt, die beispielsweise aus ITO, SnO, Chrom, Silber oder ähnlichen Zusammensetzungen bestehen, die mit einer SiOp-Schicht einer Dicke von etwa 200 bis 3000 Angstrom (20 bis 300nm) versehen sind. Anzeigeelemente oder Versuchszellen, die mit den vorbeschriebenen SiO^-beschichteten Elektroden versehen sind, werden mit einem Glasfritt oder mit einem Epoxydharz sum Teil versiegelt, wobei lediglich zwei kleine öffnungen zum !Pillen der !-',eile offenbleiben. Bei dem ersten Verfahren werden sie in eine Vakuumkammer gebracht, evakuiert und gleichzeitig erhitzt. Bei einer Temperatur von größer oder gleich 14O⁰C wird Alkoholdampf in die Vakuumkammer eingebracht, in der Weise, daß die Alkoholquelle bei einer etwas niedrigeren Temperatur ist als die Anzeigeelemente. JJieso Temperaturdifferenz wird deswegen erzeugt, um sicherzustellen, daß keine Alkoholkondensation auf der Innenseite der Bauelemente stattfindet. Eine Alkoholkondensation sollte aber in keinem Falle dann auftreten, wenn die Temperatur der Substratoberflfichen wenigstens so hoch ist, wie die Temperatur der Alkoholdampf-Quellc·. Die Zellen und der Alkohol werden für wenigstens eine Stunde erhitzt, um eine vollständige Reaktion des Alkohols mit der SiOo-beschichteten Elektrodenoberflache

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sicherzustellen. Nach einer Stunde wird die Kammer bei der erhöhten Temperatur evakuiert, um jegliche unreagierten Alkoholdämpfe zu entfernen; anschließend kann die Kammer abkühlen. Die abgekühlten Zellen werden dann ir. i.t Flüssigkristall gefüllt, v/obei zweckmäßigerwei no e.inc Vakuumfülltechnik verwendet wird. Andere Fülltechniken, beispielsweise mit Schwerkraft oder Druck,sind selbstverständlich ebenfalls brauchbar.

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Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung bevorzugter erfindungsgemäßer Verfahren.

Die Beispiele 1 und 2 beschreiben dabei einen Ausrichtungsprozess, bei dem eine Vakuumkammer verwendet wird, die ein Eindringen von Dämpfen in vorgefertigte Zellen bewirkt, wobei die Dämpfe mit bevorzugten inneren Zelloberflächen reagieren. Die Beispiele J und 4- beschreiben alternative Verfahren, bei denen ein Lösungsmittel als Träger verwendet wird, um den Alkohol in eine vorgefertigte Zelle zu bringen.

Beispiele
Beispiel 1

Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid wurden mit einer 27OO Angström (270nm) dicken Schicht aus SiO₂ versehen und in eine zerlegbare Zelle eingebaut, die an den beiden Langseiten mit Distanzstücken aus Mylar von "Irnil (25,4- Mikrometer) Dicke versehen war, wobei die beiden anderen Seiten der Zelle offen blieben. Handelsüblich erhältlicheo Octadecanol (C.ofUr.üU) und die Testzelle wurden in eine Vakuumkammer verbracht, die als dann evakuiert wurde. Die Elektrodentemperatur wurde auf 160 C angehoben, während die Temperatur des Alkohols unterhalb von 155°C für etwa eine Stunde gehalten wurde. Der Dampfdruck des Alkohols bei Ί f>5° beträgt 1,2 Torr (1,6 rnbar). Das ganze System wurde

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kontinuierlich abgepumpt, solange es sich auf Raumtemperatur abkühlte. Anschließend wurde der Flüssigkristall, eine Mischung aus Phenyl-Benzoat-Estern, unter
dem Einfluß von Schwerkraft in die Zelle geleitet. Beobachtungen zwischen kreuzweise ausgerichteten Polarisatoren zeigten eine gute senkrechte Ausrichtung im Bereich der gesamten Zelle.

Beispiel 2

ITO-Elektroden mit einer 700 Angström (70nm) dicken üiOp-Beschichtung wurden zur Bildung einer Testzelle mit Hilfe von Mylar mit einer Dicke von 0,5 mil (12,7/un), das mit
einem Epoxydkleber beschichtet war, der im Handel unter
der Bezeichnung Ablefilm 539- Typ II erhältlich ist, derart versiegelt, daß zwei Füllschlitze mit den Abmessungen 1/8" x 1/2 mil (3,2mm χ 12,7 Mikrometer) übrigblieben.
Octadecanol und die insoweit versiegelte Testzelle wurden auf einen Druck von 0,025 mm Hg (0,033 mbar) gebracht,
bevor sie erhitzt wurden. Dabei bildete sich ein Alkoholdampfdruck von etwa 2,75^m Hg (3,7mbar) aus. (Der übliche Dampfdruck von Alkohol bei 18O°C beträgt 3,8Torr (5,Ombar)) Nach einer Stunde Wärmebehandlung wurde der überschüssige Alkohol aus der Kammer abgepumpt und die Kammer wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Zelle wurde unter Schwerkrafteinfluß mit einer Redox-Flüssigkristallmischung
(Dibutylferrocen und mit 2,4,7,-Trinitro-9-fluorenylidenmalononitril dotierten Phenylbenzoat-Ester) gefüllt und wies eine gute senkrechte Ausrichtung zwischen kreuzweise ausgerichteten Polarisat.oren auf.

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Beispiel 3

Die Substrate und Zellen waren von derselben Art wie vorstehend bei den Beispielen 1 und 2 beschrieben. Die Zellen wurden einfach mit einer Alkohollösung gefüllt, die aus Octadecanol und einem der in Tabelle aufgelisteten Lösungsmittel bestand, und alsdann in einen Luftofen gebracht. Nach der Verdampfung des Lösungsmittels erzeugte die geringe Menge Alkohol, die auf diese Weise in die Zelle gebracht wurde, eine hinreichende Dampfmenge, um mit der Oberfläche während der Aufheizzeit zu reagieren (beispielsweise eine Stunde bei 140 0, wobei der Dampfdruck von C₁₈H₅₇OH 0,6 Torr (0,8mbar) beträgt. Acht Beispiele einer derartigen erfolgreichen Ausrichtung, die mit dieser Methode erhalten wurden, sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt, ebenso wie zwei andere Probeläufe (22a und 22b), bei denen niedrigere Konzentrationen von Alkohol zu schlechten Ergebnissen bei den genannten Testbedingungen führten. Die Heiztemperatur bei diesen Versuchen betrug 14O⁰C; höhere Temperaturen wurden nicht verwendet, um ein zu starkes Fließen des Epoxydklebers Ablefilm zu verhindern, der bei all den genannten Zellen verwendet wurde, mit Ausnahme bei Probe 34. Die Ergebnisse der Tabelle 1 zeigen, daß das verwendete Verfahren über einen weiten Bereich von Randbedingungen zufriedenstellend arbeitet. Zum Beispiel: Sowohl Chloroform wie auch Methylenchlorid können als flüchtige Lösungsmittel verwendet werden;

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Lösungen im Bereich von 0,2 bis 1% Alkohol zeigen gleich gute Ergebnisse; Heizzeiten von 1 bis 15 Stunden zeigten ebenfalls gleich gute Ergebnisse; eine mit Lösungsmittel halbgefüllte Zelle (Probe 25) zeigte ebenso gute Ergebnisse wie gefüllte Zellen; eine Zelle mit offenen Enden (Probe 34-) zeigte ebenso gute Ergebnisse wie solche mit engen Öffnungen. Die gute Ausrichtung bei Probe 34' nach Auseinandernehmen, Waschen und erneutem Befüllen einer Zelle mit Flüssigkristallen zeigt, daß der Alkohol chemisch an die Oberfläche gebunden ist. Diese Versuche zeigen, daß Alkoholkonzentrationen von 0,1% oder weniger zu schlechten Ergebnissen bei der Kristallausrichtung führen. Dies ist ein guter Anhalt; aber die untere Grenze der Alkoholkonzentration kann darüber hinaus von weiteren Randbedingungen abhängen, beispielsweise von der Art, in der das flüchtige Lösungsmittel entfernt wird oder von der Dauer der nachfolgenden Heizperiode.

BAD

AO

Ergebnisse der Ausrichtung von Flüssigkristallen in vorgefertigten Zellen nach einer Behandlung mit verdünnten Lösungen von C₁₈H₃₇OH (1).

Probe Alkohol Lösungs-

mittel

(2)

Zeit Zellgröße Zeil- Güte der

öffnung Ausrichtung

(3) W (5)

1¹¹Xl" 1/8" 1/2"x 1/2" 1/32" 1/2"x 1/2" 1/16" 1/2"x 1/2" 1/16" 1/2"x 1/2" 1/16" 1/2"x 1/2" 1/16" 1/2^fIx 1/2" 1/16" 1/2"x 1/2" 1/16"

1"x1" 1/16" 1 1/4¹¹Xi¹¹ 1"

Cl C

(Zelle 34 auseinandergenommen, mit Aceton und Hexan gewaschen und wieder mit Flüssigkristall gefüllt)

10	1.05b	GHCl₃	2
16	I φ KJ jO	CH₂Gl₂	15
18a	1.05*	/"! T I /Ί *1	1
18b		CH₂Cl₂	2
22a	0.15*	CH₂Cl₂	1
22b	0.015*	CH₂Cl₂	1
22c	0.2#	CH₂Gl₂	1
22d	0.35*	CH₂Cl₂	1
₂₅(6)	1.05*	CH₂Cl₂	1
	O.?5*	CH₀Cl₀ *C- C.*	1

gut put

gut

teilweise schlecht

gut

gut gut

(1" = 25,4mm)

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Tabelle 1 (Fortsetzung)

Ergebnisse der Ausrichtung von Flüssigkristallen in vorgefertigten Zellen nach einer Behandlung mit verdünnten Lösungen von Ο^Η-,^ΟΗ. (1)

(1) Die Zellen hatten Oberflächen mit einer ''/OO Angstrom (7Onra) dicken Beschichtung von SiO- über Indium-Zinn-Oxid Elektroden. Die Ausrichtungsmessungen den Flüssigkristalls wurden nach Abkühlung und Tillen der Zellen durchgeführt, ohne daß weitere Schritte vorgenommen wurden.

(2) Die Gewichtsprozente des Alkohols beziehen sich auf 100ml Lösungsmittel.

(3) Die Stundenangaben beziehen sich auf einen Umluftofen mit 14O⁰G und den Zellen in liegender Anordnung.

(4·) Alle Zellen wiesen eine nominelle lichte Weite von 0,0005" (i2,7Mikrometer) auf, wobei die ungefähre Innenfläche angegeben ist. Mit Ausnahme von Zelle 34-waren die Zellen mit Ablefilm 539 Typ II Kleber und Mylar-Distanzstücken versehen.

(5) Geschätzte Größe der beiden Füllöffnungen in den Distanzstücken an den gegenüberliegenden Enden der Zellen.

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(6) Zelle 25 war nur zur Hälfte mit der Alkohollösung gefüllt.

(7) Zelle 34 war nicht mit einem Kleber auf den Mylar-Distanzstücken versehen, die sich nur über zwei Seiten der Zelle erstreckten.Die Zelle wurde nach der ersten Befüllung mit Flüssigkristall auseinandergenommen, gewaschen und erneut für Probe 34' gefüllt.

Beispiel 4

Indium-Zinn-Oxid-Elektroden wurden mit einer dünnen Schicht aus unter mittlerem Winkel abgeschiedenem (Medium-Angle-Deposited (MAD)) SiO versehen und in eine auseinandernehmbare Zelle gebracht, die an den beiden Längsseiten mit 1/2mil (12,7 Mikrometer) dicken Mylar-Distanzstücken versehen war, während die beiden anderen Seiten der Zelle offenblieben. Die Zelle wurde dann mit einer 0,2 Gewichtsprozent-Lösung Octadecanol in Methylenchlorid gefüllt und in einen luftgefüllten Ofen bei 140⁰C für eine Stunde Dauer verbracht. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur, ohne zusätzliche Reinigungs- oder sonstige Verfahrensschritte, wurden die Zellen mit einer Flüssigkristallmischung in Form eines Esters gefüllt.

Messungen an gekreuzt ausgerichteten Polarisatoren zeigten eine gute senkrechte Ausrichtung über dem gesamten Bereich jeder Testzelle- Insgesamt wurden

6 ITüs3igkristallzellen untersucht; dabei wiesen jeweils 2 dieser Zellen eine MAD-SiO-Dicke von 50 Angström (^t;>nm), 100 Angstrom (10nm)bzw. 15o Angstrom (15nra) auf, wobei alle Zellen eine gute senkrechte Ausrichtung zeigten«

Obwohl die meisten der o.g., Beispiele die Verwendung eines Verfahrens mit Dampfphasen-Reaktion zeigten, wird aus Beispiel 4- deutlich, daß das Verfahren ebenso gut für die Behandlung einer jeglichen Substratoberfläche verwendet werden kann, die über eine Oxidbeschichtung verfügt, die ihrerseits an der Oberfläche Hydroxyl-Gruppen aufweist. Aus diesem Grunde sind die oben geschilderten Verfahren nicht auf die senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen an der Oberfläche von Substraten in vorgefertigten Zellen beschränkt,sondern können ebenso gut zur senkrechten Ausrichtung von Flüssigkristallen in auseinandernehmbaren Zellen verwendet werden. Die Versuche haben gezeigt, daß die Substrate (Glas/ITO/ SiO-), nachdem sie auf eine Temperatur aufgeheizt worden sind, wie sie für eine Glasfritt-Versiegelung (52O⁰U) benötigt wird, noch immer gut ausgerichtete Flüssigkristalle aufweisen, wenn sie nach dem vorliegenden Verfahren behandelt worden sind.

Industrielle Anwendung

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von Anzeigebauelementen für Anzeiretabloaus in flacher Bauweise verwendet werden, für Lichtventile oder andere

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atr-

elektro-optische Bauelemente, bei denen eine senkrechte Ausrichtung von Flüssigkristallen an der Oberfläche der Substrate der Bauelemente benötigt wird..Das Verfahren vereinfacht die Herstellung, indem es den Zusammenbau der Zelle erleichtert, ohne daß dabei der Mechanismus der Ausrichtung Schaden nimmt. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders für die kommerzielle Herstellung derartiger Bauelemente in großem Maßstab geeignet.

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Claims

Pate nt an sprü ehe

1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrates in der Weise, daß sich nachfolgend in Kontakt mit der Oberfläche des Substrates gebrachte Flüssigkristalle mit ihren Direktoren im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ausrichten, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Oberfläche mit einer Oxidschicht versehen und alsdann eine Reaktion der Oxidschicht mit Alkoholmolekülen der Formel ROH in einer Dampfphase erzeugt wird, wodurch ein Oberflächenüberzug mit RO-Gruppen darauf entsteht, wobei R eine aliphatische Alkylkette der Formel CH, (CH₂)_n ist und η im Bereich von 9 bis etwa 23 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht aus SiO₂J SiO oder einer Indium-Zinn-0xid/Si0₂-, Zinnoxid/SiO^ oder Indiumoxid/SiOg-Miscbung besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Oxid beschichtete Substrat in eine Vakuumkammer gebracht wird, die den Alkohol enthält, und die Kammertemperatur auf wenigstens 140⁰C gebracht wird, so daß die Verdampfung des Alkohols einsetzt und der Dampf mit der Oxidschicht reagiert.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Dampfes zunächst eine verdünnte Lösung des Alkohols in einen flüchtigen Lösungsmittel in die Kammer eingebracht uzid dann die Temperatur soweit erhöht wird, daß das Lösungsmittel sich verflüchtigt und schließlich der verbleibende Alkohol in der Kammer verdampft wird, so daß er mit dem Substrat reagiert.

5. Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist.

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