DE3343746A1

DE3343746A1 - Fluessigkristallzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3343746A1
Application number: DE19833343746
Authority: DE
Inventors: Philip A. 97005 Beaverton Oreg. Johnson jun.
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1982-12-06
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1984-06-07
Also published as: IT8349425A0; NL8304194A; IT1169346B; FR2537310A1; GB8330164D0; GB2131568A; JPS59116720A

Description

Ol Tektronix, Inc. München, 5. Dezember 1983

Beaverton, Oregon 97077 str-zö 14 444

Flüssigkristallzelle und Verfahren

zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Derartige Flüssigkristallzellen (LCD-Zellen) werden aus einem Paar von Scheiben gebildet, von denen zumindest eine lichtdurchlässig ist und üblicherweise aus Glas besteht. Die Scheiben sind entlang ihren Umfangen miteinander abdichtend verbunden, um eine dünne Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen sich aufzunehmen. Die Zellen weisen an ihren einander zugekehrten Oberflächen Elektroden auf, damit ein elektrisches Feld in bestimmten geometrischen Anordnungen quer über das Flüssigkristallmaterial angelegt werden kann, wobei zumindest eine Elektrode auf der durchsichtigen Scheibe angeordnet ist und selbst auch lichtdurchlässig ist. Das elektrische Feld verändert die optischen Transmissionseigenschaften des Flüssigkristallmaterials, so daß mit seiner Hilfe das die Zelle passierende Licht modulierbar ist.

Die Geschwindigkeit, mit der das Flüssigkristallmaterial auf Änderungen des elektrischen Feldes reagiert, und somit auch die Modulationsgeschwindigkeit des passierenden Lichtes, ist umgekehrt proportional dem Quadrat der Stärke der Flüssigkristallschicht.

Darüber hinaus hängen auch andere optische Eigenschaften der Zelle (wie beispielsweise die Phasenverschiebung oder die Verzögerung des durchgehenden Lichtes) empfindlich von der Stärke der Zelle ab. Je nach den vorgesehenen Anwendungen der LCD-Zeile

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Ol kann die Stärke der Schicht zwischen 1 Mikrometer und 100 Mikrometer schwanken.

Um zu gewährleisten, daß die LCD-Zelle gleichmäßige optische Eigenschaften und eine gleichmäßige Modulation über ihre gesamte Fläche aufweist, muß der Abstand zwischen den die Zelle formenden Scheiben konstant sein. Bei sehr dünnen Zellen bedingt diese Forderung erhebliche Probleme bei der Herstellung:

Bei Zellen mit einer Stärke von wenigen Mikrometern, welche bei hohen Schaltgeschwindigkeiten Verwendung finden, können schon Schwankungen in der Zellenstärke von weniger als 1 Mikrometer erhebliche Beeinträchtigungen der Modulationsgeschwindigkeit in dem Bereich der Abweichung der Stärke der Zelle bewirken.

Gemäß dem Stand der Technik wird die Gleichmäßigkeit des Abstandes zwischen den isolierenden Scheiben durch folgende zwei Verfahren (oder eine Mischung daraus) erzielt:

(1) Die Abmessungen der am Umfang vorgesehenen Dichtung zwisehen den Scheiben werden präzise bestimmt, so daß die Dichtung selbst als Abstandshalter dient; und

(2) Abstandshalter werden zwischen die Scheiben im Innenraum vorgesehen.

Beispiele für das erste Verfahren sind in den US-PS 3 909 930 und 3 "995 941 beschrieben. In der erstgenannten Patentschrift wird die abstandswahrende, am Umfang vorgesehene Abdichtung derart gebildet, daß ein photopolymeres Material am Umfang der einen Scheibe angeordnet wird und sodann mit der anderen Scheibe verbunden wird, indem die Platten gegeneinander gedrückt und erhitzt werden. In der zweitgenannten Patentschrift wird ein Glas mit niedri-

V V "τ <-* '

Oi gem Schmelzpunkt verwendet, um die am Umfang vorgesehene, abstandswahrende Abdichtung zu erzielen.

Beispiele für das oben zweitgenannte Verfahren finden sich in den O₅ US-PS 3 978 580 und 4 283 119. Auch auf den Aufsatz von J. Addy, e.a., "Spaced Liquid Crystal Display" IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 23, Nr. 5, Oktober 1980; auch auf die US-Patentanmeldung (Arneson) vom 4. Okt. 1979, Serien-Nr. 81 757 wird hingewiesen. In der US-PS 3 978 580 ist als innere Abstandsstruk- IQ tür ein zweidimensionales Netz aus fotografisch geformtem, dielektrischem Material vorgesehen. In der US-PS 4 283 119 sind als Abstandshalter dünne Drahtfäden zwischen den isolierenden Scheiben vorgesehen. In dem erwähnten Aufsatz von Addy, e.a., ist ebenfalls fotografisch geformtes Material als Abstandshalter vorgesehen, je In der US-Patentanmeldung 81 757 sind als Abstandshalter eine Reihe von Vorsprüngen gleicher Höhe vorgesehen, welche mittels eines Foto-Prozesses auf der Oberfläche einer der isolierenden Scheiben ausgeformt sind.

In der US-PS 3 771 855 ist eine LCD-Zelle beschrieben, bei der beide Verfahren, also die Abdichtung am Umfang sowie im Inneren vorgesehene Abstandshalter, kombiniert sind. In der US-PS 4 158 485 werden Abstandshalter in der am Umfang vorgesehenen Abdichtung angeordnet.

Um einen gleichmäßigen Abstand mit den vorgenannten Verfahren zur Herstellung von LCD-Zellen zu erzielen, müssen die Scheiben vollständig flache und gleichmäßige Oberflächen aufweisen, da anderenfalls die in der Zelle vorgesehenen Abstandsstücke möglicherweise nicht mit beiden Oberflächen in Kontakt kommen und deshalb nur einen Minimalabstand, nicht aber einen Maximalabstand definieren. Zwar sind vollständig flache und gleichmäßige Platten höchst wünschenswert, doch sind sie schwierig und nur mit hohem Kostenaufwand zu produzieren. Dieses Problem ist insbesondere dann sehr ernst, wenn große Flächen für sehr dünnschichtige

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Ol LCD-Zellen hergestellt werden sollen, da die Schwierigkeit, die Güte der Fläche zu gewährleisten, mit der Größe der Fläche wächst, wobei schon geringe Abweichungen von der gewünschten Ebenheit der Fläche erhebliche Probleme mit sich bringen, wenn die Abweichungen im Hinblick auf die Stärke der Zelle erheblich sind. Werden in den oben erwähnten Verfahren Scheiben eingesetzt, deren Flächen nicht vollständig eben sind, so wird mit diesen Verfahren kein gleichmäßiger Abstand erzielt.

Ein Verfahren zum Entfernen bzw. Einebnen von Verbiegungen in den Scheiben und zum Plazieren der Scheiben auf integrierten Abstandsstücken in einer LCD-Zelle ist in dem Aufsatz von Maltese, e.a., "Improved Construction of Liquid Crystal Cells", Alta Frequenzia, Nr. 9, VoI, XLVII, 1978 beschrieben. Dort wird eine Scheibe geringfügig nach außen, also von der zugehörigen anderen Scheibe weg, verbogen. Die leicht verbogene Scheibe wird gegen die andere Scheibe gedrückt und befestigt, so daß die Verbiegung eingeebnet ist und ein Druck in das Innere der Zelle erfolgt, welcher die Platten aufeinander zudrückt. Die Kräfte sind jedoch nicht völlig gleichmäßig über den Raum zwischen den Scheiben verteilt, so daß die Scheiben auch nicht mit völlig gleichmäßigen Kräften aufeinander zugedrückt werden. Ein anderer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß ein Teil der in den Scheiben wirkenden Spannung gegen die Abdichtung gerichtet ist, so daß unter thermisehen oder elektrischen Belastungen die Dichtung aufbrechen kann, was auch nach langer Lebensdauer der LCD-Zelle aufgrund von Abnutzungserscheinungen möglich ist. Schließlich ist auch das Verfahren zum Erzeugen der anfänglichen Verbiegung in der Scheibe recht schwierig, und es können auch unerwünschte Spannungen im Material entstehen, welche die optischen Eigenschaften des Glases nachträglich verändern.

Oi Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine LCD-Zelle herstellbar ist, welche zwischen ihren Scheiben einen gleichmäßigen Abstand aufweist. Insbesondere soll das Verfahren auch für Scheiben geeignet sein, deren Oberflächen nicht vollständig eben sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das folgende Schritte aufweist:

a) Anordnen von Abstandshaltern von im wesentlichen gleicher Stärke auf einer Oberfläche einer ersten Scheibe an unterschiedlichen Positionen;

b) Auflegen einer zweiten Scheibe auf die Abstandshalter;

c) Dichtendes Abschließen des Raumes zwischen der ersten und der zweiten Scheibe entlang deren Umfang bis auf eine oder mehrere Öffnungen;

d) Auffüllen des Freiraumes zwischen der ersten und der zweiten Scheibe mit Flüssigkristallmaterial 22;

e) Abpumpen von einer bestimmten Menge Material aus dem Freiraum, um einen festen Sitz der zweiten Scheibe auf den Abstandshaltern zu bewirken; und

f) Abdichten der Öffnungen.

Gemäß der Erfindung werden also die zwei Scheiben der LCD-Zelle durch Abstandsstücke auf Abstand gehalten, welche auf einer der Scheiben regelmäßig angeordnet sind, indem zumindest die andere Scheibe gleichmäßig mit einer Kraft beaufschlagt ist, welche gleichmäßig über die Scheibe verteilt ist und eine Richtung aufweist, welche die Scheibe gegen die Abstandsstücke drückt und damit deren Profil anpaßt.

Ol Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung trägt die erste Scheibe der LCD-Zelle eine Vielzahl von Abstandsstücken auf ihrer Oberfläche. Die zweite Scheibe wird parallel zur ersten Scheibe über die Abstandsstücke gelegt, wobei die zweite Scheibe eine Festigkeit aufweist, die erheblich geringer ist als die Festigkeit der ersten Scheibe und wobei die Festigkeitsunterschiede zwischen den Scheiben durch ihre jeweilige Stärke bestimmt sind. Die zweite Scheibe trägt auf ihrer oberen Fläche ein elastisches Material und eine Druckscheibe mit größerer Festigkeit als der der zweiten Scheibe wird über die zweite Scheibe plaziert, so daß die zweite Scheibe in der Art eines Sandwiches zwischen der Druckscheibe und der ersten Scheibe eingeschlossen ist, während das elastische Material zwischen der Druckscheibe und der zweiten Scheibe eingeschlossen ist. Die Druckscheibe wird mit der ersten Scheibe verklammert, so daß die Druckscheibe eine Kraft erzeugt, die mittels des elastischen Materials gleichmäßig über die zweite Scheibe verteilt ist und in Richtung auf die erste Scheibe ausgerichtet ist, so daß die zweite Scheibe entsprechend dem Profil der beiden Scheiben auf die Abstandsstücke gedrückt wird. Die erste und die zweite Scheibe sind entlang ihrem Umfang derart abgedichtet, daß das Flüssigkristallmaterial zwischen ihnen eingeschlossen ist.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Flüssigkristallzelle eine erste Scheibe mit einem vorspringenden, geschlossenen Rand sowie mit einer Vielzahl von Abstandsstücken im wesentlichen gleicher Höhe innerhalb der durch den vorspringenden Rand definierten Fläche auf, wobei die Abstandsstücke eine größere Höhe aufweisen als der Rand. Eine abgemessene Menge von Flüssigkristallmaterial wird auf der Oberfläche der Scheibe innerhalb der durch den vorspringenden Rand definierten Fläche angeordnet, und eine zweite Scheibe wird über die Abstandsstücke gelegt, so daß der vorspringende Rand in bezug auf die zweite isolierende Scheibe einen Abstand einnimmt. Die Oberflächenspannung des Flüssigkristallmaterials belastet die erste isolierende Scheibe gleichmäßig, wobei die Kraft die Scheibe gegen die Ab-

ν» ο η ο / hu

Standsstücke drückt. Die erste und die zweite Scheibe werden im Bereich ihres Umfanges gegeneinander abgedichtet.

In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die LCD-Zelle derart hergestellt, daß zunächst eine erste Scheibe mit einer Vielzahl von Abstandsstücken auf ihrer Oberfläche versehen wird. Danach wird eine zweite Scheibe auf den Abstandsstücken angeordnet und im wesentlichen parallel zur ersten Scheibe ausgerichtet, worauf der Umfang der Scheiben bis auf eine oder mehrere Öffnungen dicht abgeschlossen wird. Flüssigkristallmaterial wird zwischen die Scheiben in das Innere der Zelle eingelassen, und alle Öffnungen bis auf eine werden abgedichtet. Danach wird eine bestimmte Menge Flüssigkristallmaterial aus dem abgedichteten Innenraum durch die eine Öffnung abgepumpt und sodann die Öffnung abgedichtet. Die teilweise Entfernung von Flüssigkristallmaterial erzeugt einen Druck-Gradienten zwischen dem geschlossenen Innenraum der LCD-Zelle und der äußeren Atmosphäre, welcher die zweite Scheibe zur dichten Anlage an die Abstandsstücke zwingt, so daß diese parallel und mit gleichbleibendem Abstand zur ersten Scheibe ausgerichtet ist.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine typische Flüssigkristallzelle;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine Flüssigkristallzelle zur IUustrierung der Auswirkungen einer nicht passgenauen Scheibe;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Flüssigkristallzelle;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Flüssigkristallzelle;

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- li -

Ol 'Fig· 5 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Flüssigkristallzelle zusammen mit der Vorrichtung zu ihrer Herstellung; und
Fig. 6 einen weiteren Schnitt durch das dritte Ausführungsbeispiel einer Flüssigkristallzelle zusammen mit der Vorrichtung zu ihrer Herstellung.

Gemäß Fig. 1 weist eine typische Flüssigkristallzelle (LCD-Zelle) Abstandsstücke 20 im wesentlichen gleicher Höhe auf. Die LCD-Zelle 10 weist erste und zweite Glasscheiben 12 bzw. 14 auf, welche mittels der Vielzahl von Abstandsstücken 20 in gleichmäßigem Abstand gehalten werden, wobei die Anordnung der Abstandsstücke 20 durch den gewünschten Verwendungszweck der Zelle bestimmt ist. Eine Vielzahl von durchsichtigen Elektroden ist an gegenüberliegenden Flächen der Scheiben 12 bzw. 14 angeordnet, wobei die Scheibe 14 Streifenelektroden 16 trägt, die senkrecht zu einer Vielzahl von Streifenelektroden 18 auf der Scheibe 12 angeordnet sind. Flüssigkristallmaterial 22 ist zwischen den Scheiben 12 und 14 mittels einer entsprechenden Abdichtung eingeschlossen. Die Abdichtung ist in Fig. 1 nicht gezeigt; sie erstreckt sich entlang dem Umfang der Scheiben 12 und 14.

Die Abstandsstücke 20 weisen vorzugsweise ein dielektrisches Material auf, welches nicht durch Licht beeinflußt wird und auch nicht im Flüssigkristallmaterial 22 lösbar ist oder mit diesem reagiert. Die Abstandsstücke können mittels eines der bekannten Verfahren auf der Scheibe 12 angeordnet werden. Beispielsweise kann hierzu das oben erwähnte, in der Zeitschrift "Alta Frequenzia" beschriebene Verfahren oder auch das Verfahren gemäß der US-Patentanmeldung 81 757 verwendet werden.

Es ist zwar möglich, daß die Scheiben der LCD-Zelle vollkommen eben sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Häufiger liegt jedoch der 35

O040 I

Ol Fall vor, daß die Oberflächen der Scheiben von einer perfekten Ebenheit abweichen und dadurch bei der Herstellung der LCD-Zelle Probleme auftreten, wie sie in Fig. 2 illustriert sind. Die Unebenheit der Scheibe 30 führt dazu, daß der Abstand zwischen ihr und der Scheibe 32 unregelmäßig wird, obwohl die Abstandshalter 33,34 und 35 für einen gleichmäßigen Abstand sorgen sollen. Entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung läßt sich die Form der Scheibe 30 an die der Scheibe 32 dadurch anpassen, daß ein gleichmäßig verteiltes Druckgefälle zwischen dem durch die beiden Platten gebildeten Hohlraum und der äußeren Umgebung der Scheiben erzeugt wird, wobei der Druck auf den Außenflächen größer ist als der Druck im Hohlraum. Dieses Druckgefäile wird die Scheibe 30 gegen die Abstandsstücke 33-35 andrücken und so für einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Scheiben sorgen, wobei die Form der Scheibe 30 an die der Scheibe 32 angepaßt wird.

Es versteht sich aus Fig. 2, daß für den Fall, daß die Kraft nicht gleichmäßig über die Scheibe 30 verteilt ist, sondern in Richtung des gezeichneten Pfeiles angreift, eine Konzentration der Kraft derart erfolgen kann, daß ein Abstandsstück bei ausreichender Stärke der Kraft bricht. Würde beim Zusammenklemmen der Scheiben an ihren Umfangskanten eine Kraft aufgebracht, die ausreicht, um die Scheibe geradezubiegen, so würde diese Kraft sich auf dem mittleren Abstandsstück 34 konzentrieren, so daß dessen Bruch zu befürchten wäre. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gefahr des Bruchs eines bestimmten Abstandsstückes dadurch reduziert, daß das Druckgefälle gleichmäßig verteilt wird und somit auf die Platte 30 eine gleichmäßig verteilte Kraft einwirkt, um diese zu glätten und auf die Abstandsstücke zu drücken.

Bei der Berechnung der durch das Druckgefälle erzeugten Kraft, welche auf die isolierende Scheibe einwirkt, muß die maximale Deformation eines Abstandsstückes berücksichtigt werden, die dieses erleiden kann, ohne zu brechen. Dies kann durch ein Näherungsver-

ORIGlNAt.

Ol fahren erfolgen, bei dem ein Abschnitt einer Scheibe zwischen zwei Abstandsstücken als Träger betrachtet wird, der an beiden Enden abgestützt ist. Unter Anwendung der wohlbekannten Gleichung für die Berechnung einer gleichförmig verteilten Kraft, welche den Träger auf seine Abstützungen preßt, ergibt sich für die Kraft folgende Gleichung:

6.4 (y) Ywt ³
⁰^*

F = ⁰^* (1)

L⁴

wobei y die maximal zu erwartende Abweichung hinsichtlich der

Ebenheit der Fläche, Y der Elastizitätsmodul des Materials der Scheibe (typischerweise Glas), w die Breite der Scheibe, t die Stärke der Scheibe und L die Länge des Scheibenabschnittes ist. Typische Zahlenwerte wären beispielsweise w = 2,54 cm (1 Zoll), L = 2,54 cm (1 Zoll), t = 0,15875 cm (0,0625 Zoll), y_mQv = 2 Mikrometer und Y = 1,75 χ 10^ö kp/cm (9,8 χ 10° lbs/Zoll). Die Kraft zur Begradigung der Verbiegung ist dann 0,2 kp/cm (1,21 lb/Zoll). Unter der Annahme, daß diese Kraft insgesamt auf einem quadratischen Abstandsstück mit 0,254 Kantenlänge (0,01 Zoll) anliegt, entsteht eine Belastung von 1,2 χ 10 . Die Belastung des Abstandsstückes wird so berechnet, daß gewährleistet ist, daß es nicht über seinen elastischen Bereich verformt wird. Diese Berechnung erfolgt gemäß der wohlbekannten Formel "Deformation = Belastung/Elastizitätsmodul". Für Polymid mit dem entsprechenden Elastizitätsmodul würde sich eine Deformation von 0,028 ergeben,· welche deutlich innerhalb des elastischen Bereichs des Materials liegt.

Um die gewünschte Gleichmäßigkeit des Abstandes (der Platten) zu erzielen, ist es wichtig, daß die Kraft gleichmäßig über die Scheibe verteilt wird, d.h. die Größe der Kraft soll als Funktion ihres Ortes über der Scheibe nicht wesentlich von einem Mittelwert abweichen. Ohne eine gleichmäßige Wirkung der Kraft über die Fläche wäre es wesentlich schwieriger, einen gleichmäßigen Abstand zu erzielen.

Ül Ein anderer zu berücksichtigender Faktor ist die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Scheiben beim Betrieb der Zelle. Diese Kraft läßt sich mit wohlbekannten Gleichungen berechnen und muß ebenfalls bei der Berechnung der Deformation der Abstandsstücke berücksichtigt werden. Ebenfalls zu berücksichtigen ist die Verbiegung, welche die Kraft auf bereits ebene Abschnitte der belasteten Scheibe ausüben wird. Die Gleichung (1) zeigt aber, daß dieser Effekt durch Erhöhung der Dichte der Abstandsstücke reduzierbar ist. Werden die Abstandsstücke an bestimmten Positionen angeordnet, beispielsweise mit einem Abstand von 0,635 cm (0,25 Zoll), dann wird die oben berechnete Kraft zur Einebnung einer

2
Verbiegung aus einem etwa 6 cm Flächenstück eine Verbiegung in dem Abschnitt von 0,6 cm Länge bewirken, die geringer ist als 0,1 Mikrometer.

Aus den vorstehenden Überlegungen ergibt sich, daß sich LCD-Zellen dadurch verbessern lassen, daß eine gleichmäßige Kraft auf die Scheiben aufgebracht wird, welche die Scheiben gegen die zwischen ihnen angeordneten Abstandsstücke preßt. Die Größe der Kraft ist eine Funktion der Zusammensetzung und der Stärke der Scheiben, der maximal zu erwartenden Unebenheit der Oberflächen der Scheiben sowie der Anordnung, Stärke und Zusammensetzung der Abstandsstücke. Da die Größe und der Abstand der Abstandsstücke häufig durch andere Konstruktionsparameter bestimmt sind, wie beispielsweise die Sichtbarkeit der Abstandsstücke und ihrer Anordnung in einer bestimmten Geometrie, müssen die anderen Parameter entsprechend ausgewählt werden, d.h. im wesentlichen die Festigkeit der Scheiben.

Bei der in Fig. 3 gezeigten LCD-Zelle 40 (welche zu Illustrationszwecken nicht maßstabsgetreu ist), ist eine erste Scheibe 41 mit einer Vielzahl von einzelnen Abstandsstücken 42 vorgesehen, welche etwa die gleiche Stärke aufweisen und auf der Innenfläche 41a der Scheibe 41 angeordnet sind. Die Abstandsstücke gewährleisten einen Minirnalabstand zwischen der ersten Scheibe 41 und einer zweiten

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Ol Scheibe 44, welche weniger Festigkeit (Steifheit) aufweist als die erste Scheibe. Die Stärke der zweiten Scheibe ist. gemäß den o.g. Anforderungen gewählt. Die zweite Scheibe weist eine innere Oberfläche 44a und eine äußere Oberfläche 44b auf. Weiterhin ist eine Abdichtung 45 entlang dem Umfang der Scheiben vorgesehen, um das zwischen den Scheiben eingeschlossene Flüssigkristallmaterial 46 einzugrenzen. Eine Druckscheibe 47 mit größerer Festigkeit (Steifheit) als die zweite Scheibe 44 ist über der äußeren Fläche 44b der zweiten Scheibe 44 derart angeordnet, daß die zweite Scheibe zwischen der Druckscheibe 47 und der ersten Scheibe 41 angeordnet ist, wobei zudem ein durchsichtiges, elastisches Elastomer 48 zwischen der Druckscheibe 47 und der äußeren Fläche 44b der zweiten Scheibe 44 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Vielzahl von Klammern 49 vorgesehen, welche die Druckscheibe 47 und die erste Scheibe 41 zusammendrücken.

Bei zusammengebauter Zelle üben die Klammern 49 einen Kraft auf die Druckscheibe 47 und die erste Scheibe 41 aus, welche diese zusammendrückt. Die Kraft wird über die Druckscheibe 47 über das elastische Elastomer 48 übertragen und gleichmäßig über die äußere Oberfläche 44b der zweiten Scheibe 44 verteilt, so daß diese gegen die Abstandsstücke 42 gedrückt wird. Diese Kraft kann in Grenzen dadurch erhöht werden, daß die Druckscheibe derart vorgespannt wird, daß eine konvexe Oberfläche gebildet wird, welche gegen das Elastomer 48 zu liegen kommt und mittels der Klammern 49 geglättet wird.

Die erste und die zweite Scheibe sowie die Druckscheibe sind typischerweise aus einem durchsichtigen Material, vorzugsweise Glas, gefertigt. Die zweite Scheibe 44 kann aber auch anderes Material aufweisen, welches auf die durch die Druckscheibe 47 übertragene Kraft derart anspricht, daß die oben genannten Bedin-

Ol gungen eingehalten werden. Zumindest eine der Scheiben 41 oder 44 weist Elektroden auf (nicht gezeigt). Soll eine LCD-Zelle des Transmissionstyps hergestellt werden, so müssen beide Scheiben durchsichtig sein, während bei einer LCD-Zelle des Relexionstyps nur eine der Scheiben durchsichtig zu sein braucht. Überlicherweise bestehen die Scheiben aus elektrisch isolierendem Material, doch ist dies nicht notwendigerweise so, je nach dem in welcher Weise das elektrische Feld erzeugt wird.

Die Abstandsstücke können mittels eines herkömmlichen fotolitographischen Verfahrens auf der Oberfläche 41a der ersten Scheibe 41 geformt werden. Die Abdichtung 45 wird aus einem Epoxy-Kleber oder einem anderen geeigneten Dichtungsmaterial geformt, welche ebenfalls nach gutbekannten Verfahren aufgetragen werden. Für die elastische Schicht 48 kann jedes herkömmliche, durchsichtige Material mit guten elastischen Eigenschaften verwendet werden, beispielsweise ist durchsichtiges Silikon-Gummi gut geeignet.

Die in Fig./ 3 dargestellte LCD-Zelle 40 wird derart hergestellt, daß die Abstandsstücke 42 an vielen Orten der Oberfläche 41a der ersten Scheibe 41 angeordnet werden. Flüssigkristallmaterial 46 wird auf der Oberfläche 41a aufgetragen und eine zweite Scheibe 44 auf die Abstandsstücke 42 aufgelegt, wobei die zweite Scheibe im wesentlichen in bezug auf die erste Scheibe ausgerichtet ist. Im Umfangsbereich der ersten und der zweiten Scheiben wird die Dichtung 45 angebracht, welche das Flüssigkristallmaterial zwischen den Scheiben einschließt.

In der Dichtung 45 ist eine (nicht gezeigte) Öffnung vorgesehen, durch welche das Flüssigkristallmaterial nach Anbringen der Druckscheibe 47 strömen kann. Sodann wird eine Schicht aus durchsichtigem Elastomer 48, vorzugsweise Silikon-Gummi, auf der äußeren Oberfläche 44b der zweiten Scheibe 44 angebracht. Die Druckscheibe 47 wird über das elastische Material 48 gelegt, so daß dieses 35

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Ol zwischen der Druckscheibe und der zweiten Scheibe 44 eingeschlossen ist. Sodann wird die Druckscheibe 47 mittels der Klammern 49 mit der ersten Scheibe 41 verklammert. Die Druckscheibe 47 kann derart vorgespannt sein, daß sich eine konvexe Fläche in bezug auf das Elastomer 48 bildet, welche mittels der Klammern 49 geradegebogen wird. Schließlich wird die Öffnung in der Abdichtung 45 geschlossen, so daß das Flüssigkristallmaterial in der Zelle eingeschlossen ist.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer LCD-Zelle gezeigt, bei dem ebenfalls eine gleichmäßige Kraft aufgebracht wird (die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu). Die Zelle 50 weist eine erste Scheibe 51 auf, die auf ihrer oberen Fläche 51a einen vorspringenden Rand 53 aufweist, welcher eine geschlossene Fläche umfängt. Die vom vorspringenden Rand 53 eingeschlossene Fläche ist vorzugsweise quadratisch oder rechteckig. Eine Vielzahl von Abstandsstücken gleichmäßiger Stärke ist in diesem Flächenbereich angeordnet, wobei die Abstandsstücke über den vorspringenden Rand hinausragen und einen minimalen Abstand zwischen der ersten Scheibe 51 und einer zweiten Scheibe 55 gewährleisten. Eine bestimmte Menge an Flüssigkristallmaterial 57 ist zwischen der ersten und der zweiten Scheibe in demjenigen Bereich eingeschlossen, welcher durch den vorspringenden Rand 53 definiert ist. Eine Dichtung 58 schließt die am Umfang vorhandene Lücke zwischen der ersten und der zweiten Scheibe, so daß kein Flüssigkristallmaterial 57 austreten kann.

Die Oberflächenspannung des Flüssigkristallmaterials 57 erzeugt diejenige Kraft, welche die Innenfläche 55a der zweiten Scheibe 55 gegen die erste Scheibe 51 drückt, d.h. die Kraft, mit der sie auf die Abstandsstücke 54 gepreßt wird. 1st die Zelle beim Einfüllen vertikal angeordnet, so ergibt sich die Größe dieser Kraft nach der wohlbekannten Formel:

« F- * ^vh

^b - 1Γ (2)

Ohό Ι

Ol wobei F die berechnete Kraft, t die Oberflächenspannung des Flüssigkristallmaterials, w die weite der von der Flüssigkeit benetzten Fläche, h die Höhe der Flüssigkeitssäule und χ der Abstand zwischen den Platten ist. Für den Fall einer flachen Zelle ergibt sich:

ρ 2t wh

T (3)

In den Gleichungen (2) und (3) kann die Größe (wh)/x ersetzt

werden durch V/x , wobei V = whx das Volumen des Flüssigkristallmaterials ist, welches erforderlich ist, um die gewünschte Kraft durch die Oberflächenspannung zu erzeugen. Die eingegebene Menge Flüssigkristallmaterial ist also durch V bestimmt. Diese Berechnung

ist alleine ausreichend, um die erforderliche Menge an Material zu bestimmen, welche zwischen den Platten ohne Berücksichtigung des vorspringenden Randes 53 anzuordnen ist. Benetzt das Flüssigkristallmaterial die beiden Scheiben vollständig, so ergibt sich die Oberflächenspannung zwischen den Scheiben gemäß den obigen

Gleichungen (2) oder (3), und die Scheiben erfahren eine gleichmäßige Belastung.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel bestimmt das erforderliche Volumen an Flüssigkristallmaterial die Abmessungen

des Raumes zwischen den Scheiben, welcher seinerseits durch die durch den vorspringenden Rand 53 abgegrenzte Fläche und die Stärke der Abstandsstücke 54 definiert ist. Die Beziehung zwischen dem Volumen V und den Abmessungen müssen so gewählt werden, daß sich ein Meniskus 59 im Raum zwischen dem vorspringenden

Rand 53 und der Innenfläche 55a der zweiten Platte 55 bildet. Eine Wirkung des vorspringenden Randes 53 besteht darin, das Flüssigkristallmaterial in der abgegrenzten Fläche einzugrenzen. Eine andere Wirkung des vorspringenden Randes besteht darin, die zwischen dem Rand 53 und der Innenfläche 55a wirkende Kraft

dadurch zu erhöhen, daß der Abstand χ in den Gleichungen (2)

OBIGINAL

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Q2 und (3) vermindert wird. Die in Fig. 4 gezeigte LCD-Zelle kann aber auch ohne den vorspringenden Rand 53 hergestellt werden. Der Verlauf des Flüssigkristallmaterials wäre dann zwar unregelmäßiger, doch würde die Oberflächenspannung weiterhin die ge-

QC wünschte Kraft erzeugen.

Die Materialien für die in Fig. 4 gezeigte LCD-Zelle entsprechen den im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Materialien. Bei der Herstellung wird hier zusätzlich bei der Bildung der Abstands-

YQ stücke 54 auf der Oberfläche 52 der ersten Scheibe 51 auch der vorspringende Rand 53 ausgeformt. Sind der vorspringende Rand und die Abstandsstücke gebildet, so wird Flüssigkristailmateriai 57 in der sich aus obigen Überlegungen ergebenden Menge auf der Fläche der ersten Scheibe 51 aufgetragen, welche durch den vorspringenden Rand 53 definiert ist. Sodann wird die zweite Scheibe auf die Abstandsstücke 54 aufgelegt, welche die zweite Scheibe im wesentlichen parallel zur ersten Scheibe 51 ausrichten. Nachdem eine gewisse Zeitspanne abgewartet worden ist, um es dem Flüssigkristallmaterial zu ermöglichen, die bestimmte Fläche zu

2Q benetzen, werden die Scheiben im Bereich ihres Umfanges gemäß dem oben beschriebenen Verfahren miteinander abgedichtet.

In Abwandlung des anhand Fig. 3 beschriebenen Verfahrens zur Herstellung der LCD-Zelle 50 kann die Ablagerung und Stabilisierung des Flüssigkristallmaterials auch derart erfolgen, daß ein Vakuum vorgesehen wird. Dieses Vakuum wird im Material eingeschlossene Gase entfernen, welche sich anderenfalls an den Flächen der Scheiben sammeln könnten, wodurch ungewünschte Schwankungen der durch die Oberflächenspannung erzielten Kraft erfolgen könnten.

Die in Fig. 3 gezeigte LCD-Zelle könnte auch vielschichtig aufgebaut sein, wobei jede Schicht unabhängig von der anderen wirkt. In diesem Falle bildet die zweite Scheibe die erste Scheibe einer zweiten Zelle etc. Jede Schicht der Gesamtzelle ist einzeln gemäß den vorstehenden Verfahren herzustellen.

Ok 6 / A-b

Eine LCD-Zelle mit gleichmäßig über ihre Scheiben verteilter Kraft läßt sich auch gemäß den Fig. 5 und 6 herstellen. Die Fig. 5 und 6 sind ebenfalls nicht maßstabsgetreu. Zur Herstellung der LCD-Zelle 60 wird auf einer ersten Scheibe 61 eine Vielzahl von Abstandsstücken 62 gleichmäßiger Stärke an unterschiedlichen Orten ihrer Oberfläche 6la gemäß obenstehendem Verfahren aufgebracht. Eine zweite Scheibe 64 wird über die Abstandsstücke 62 gelegt, so daß sie im wesentlichen in bezug auf die erste Scheibe mit Abstand ausgerichtet ist. Die Platten werden im Bereich ihres Umfanges dicht abgeschlossen, wobei eine oder mehrere Öffnungen 65 offen bleiben, welche einen Durchgang durch die Abdichtung 66 bilden.

In Fig. 5 ist ein Verfahren zum Bilden einer Abdichtung 66 zwischen den Scheiben 61 und 64 illustriert. Zunächst wird eine thermisch ausheizbare Verbindung, wie beispielsweise ein Epoxy-Kleber entlang dem Umfang zwischen den Platten derart angeordnet, daß beide Scheiben benetzt werden und eine Dichtung zwischen ihnen gebildet wird. Zur Bildung eines Durchlasses wird ein Abschnitt des Klebstoffes weggelassen, so daß beim Ausheizen eine Lücke entsteht. Sodann werden die Scheiben mit dem thermisch aushärtbaren Stoff in einem elastischen, hitzebeständigen Behältnis 67, wie beispielsweise einem Sack, untergebracht, in welchem mittels einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe ein Vakuum erzeugt wird. Das Vakuum in dem flexiblen Behältnis erzeugt eine zusammenziehende Kraft, welche gleichmäßig über die Scheiben und die Dichtung verteilt ist. Sodann wird das Behältnis (die Tüte) abgedichtet, um das Vakuum aufrechtzuerhalten. Sodann wird die Anordnung in einem Heizofen 68 plaziert. Die Anwendung von Wärme und Druck bewirkt, daß der Dichtklebstoff die Abdichtung mit den erwähnten Öffnungen bildet, wodurch die Scheiben unter gleichmäßigem Abstand parallel zueinander ausgerichtet und arritiert werden. Sodann wird das Behältnis mit den abgedichteten Scheiben aus dem Ofen 68 entfernt, und die miteinander verbundenen Scheiben werden aus dem Behältnis genommen.

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Ol Sodann wird Flüssigkristallmateriai in ausreichender Menge in den Raum zwischen den Platten durch die Öffnung eingefüllt, um den Raum zu füllen. Die zusammendrückende Kraft wird dann dadurch erzeugt, daß alle Öffnungen bis auf eine abgedichtet werden, worauf durch die verbleibende Öffnung eine bestimmte Menge an Flüssigkristallmateriai oder Luft (oder beidem) extrahiert wird, welche ausreicht, um eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren der LCD-Zelle 60 und der äußeren Atmosphäre zu schaffen. Danach wird auch die verbliebene Öffnung abgedichtet, so daß die Druckdifferenz aufrechterhalten wird.

In Fig. 6 ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren einer LCD-Zelle und der äußeren Atmosphäre dargestellt. Ein oder mehrere Einfüllröhrchen 69 sind an Öffnungen 65 in der Dichtung 66 angebracht. Diese Anordnung aus miteinander abgedichteten Scheiben und dem Einfüllröhrchen wird in einer Vakuumglocke 70 positioniert. Sodann wird der Raum um die Scheiben herum und zwischen den Scheiben sowie im Einfüllröhrchen mittels der Vakuumpumpe 72 bei geöffnetem Ventil 71 evakuiert, wobei die Evakuierung des Raumes zwischen den miteinander abgedichteten Scheiben über das Einfüllröhrchen 69 erfolgt.

Nach Erzeugung des Vakuums wird ein Endabschnitt des Einfüllröhrchens 69 in ein Gefäß 73 eingeführt, welches sich ebenfalls im evakuierten Raum befindet und in weiches Flüssigkristallmateriai eingefüllt ist. Danach wird das Vakuum im Raum um die Scheiben herum gebrochen, indem ein Gas, wie beispielsweise Stickstoff, durch ein Ventil IU in der angegebenen Richtung eingelassen wird. Hierdurch wird ein Druck-Gradient zwischen dem dicht abgeschlossenen Raum zwischen den Scheiben und dem Außenraum erzeugt, welcher Flüssigkristallmateriai aus dem Gefäß 73 durch das Einfüllröhrchen in den Raum zwischen den Scheiben drückt, bis

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dieser Raum mit Flüssigkristallmaterial angefüllt ist. Ist der Raum zwischen den Scheiben angefüllt, so wird die LCD-Zelle aus der Vakuum-Glocke 70 entnommen und in eine Umgebung mit Normaldruck gebracht. Über das Einfüllröhrchen 69 wird eine bestimmte Menge an Flüssigkristallmaterial abgepumpt. Dieses Abpumpen von Flüssigkristallmaterial aus dem abgedichteten Raum zwischen den Scheiben erzeugt eine Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Zelle und der äußeren Umgebung. Diese Druckdifferenz bewirkt eine Kraft auf die Platten 61 und 64, welche sie gegen die Abstandsstücke 62 preßt, so daß ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Platten entsteht. Die Größe der Kraft laßt sich dadurch steuern, daß die abgezogene Menge an Flüssigkristallmaterial variiert wird. Es kann aber auch der Druck-Gradient direkt über das Röhrchen 69 bestimmt werden. Sodann werden sämtliche Röhrchen entfernt und die Öffnungen abgedichtet, um die Druckdifferenz und damit die zusammenziehende Kraft aufrechtzuerhalten.

ÖAD ORIGINAL

Leerseite

Claims

STRASSB & STOFFRBGEN

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Dlpl.Inff. Joachim Btraese. München · Dlpl.-Phy». Dr. Hana-Herbert Stoffrogen, Hanau ZweibrQckonetraiie IB · D-B(HK) Milnohon 2 iQegonfibor dam l'uKtiitamt) . Telefon (088) 22 20βθ · Telex 0 82 004

Tektronix, Inc. München, 5. Dezember 1983

Beaverton, Oregon 97077 str-zö 14 444

Flüssigkristallzelle und Verfahren

zu ihrer Herstellung

Patentansprüche

I
11./ Verfahren zum Herstellen einer Flüssigkristallzelle,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Anordnen von Abstandshaltern (2O,33>34,35) von im wesentlichen gleicher Stärke auf einer Oberfläche einer ersten Scheibe (12,32,41»51) an unterschiedlichen Positionen;

b) Auflegen einer zweiten Scheibe (14,30,47.55) auf die Abstandshalter;

c) Dichtendes Abschließen des Raumes zwischen der ersten und der zweiten Scheibe entlang deren Umfang bis auf eine oder mehrere Öffnungen;

d) Auffüllen des Freiraumes zwischen der ersten und der zweiten Scheibe mit Flüssigkristallmaterial (22);

e) Abpumpen von einer bestimmten Menge Material aus dem Freiraum, um einen festen Sitz der zweiten Scheibe (14,30,47,55) auf den Abstandshaltern zu bewirken; und

f) Abdichten der Öffnungen.

—* *2 —

Ul 2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß weiterhin ein Einfüllröhrchen (69) vorgesehen ist, das in die Öffnungen eingeführt ist und mit dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Scheibe (61,64) kommuniziert, wobei zum Einfüllen nach Schritt c) folgende Maßnahmen vorgesehen sind:

Evakuieren zwischen und unmittelbar um die ersten und zweiten Scheiben (61,64) herum sowie des Einfüllröhrchens (69);

sodann Einführen des einen Endabschnittes des Einfüllröhrchens

(69) in ein Gefäß mit Flüssigkristallmaterial;

sodann Steigern des Druckes auf dem Flüssigkristallmaterial über den Druck im Raum zwischen den Platten (61,64), so daß Flüssigkristallmaterial durch das Einfüllröhrchen (69) in den Freiraum zwischen den Platten überführt wird und diesen ausfüllt, wobei die Öffnungen dadurch abgedichtet werden, daß das Einfüllröhrchen (69) dicht verschlossen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß für Schritt c) vor Schritt b) folgende Einzelschritte vorgesehen sind:

Aufbringen von Klebstoff (66) auf die Oberfläche der ersten Scheibe entlang derem Umfang bis auf ausgewählte Positionen für Öffnungen;

nach Schritt b): Plazieren der Anordnung aus der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe in einem elastischen, zusammenziehbaren Behältnis (67), welches darauf evakuiert wird;
Aufheizen der Anordnung während des Evakuierens, um den Klebstoff auszuhärten; und

- nach dem Aushärten des Klebstoffes - Entfernen der Anordnung aus dem Behälter und Ausführen der Schritte d), e) und f).

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Ol 4. Flüssigkristallzelle mit einer ersten Scheibe, Abstandsstücken von im wesentlichen gleicher Stärke, welche an ausgewählten Positionen zwischen der ersten Scheibe und einer zweiten Scheibe angeordnet sind, um einen Minimalabstand zwischen diesen zu halten, wobei auch die zweite Scheibe auf den Abstandshaltern aufliegt, Einrichtungen zum hermetischen Abdichten des Raumes zwischen der ersten und der zweiten Scheibe entlang deren Umfang, und mit Flüssigkristallmaterial im abgedichteten Freiraum zwischen der ersten und der zweiten Scheibe,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Druck des Flüssigkristallmaterials geringer ist als der Umgebungsdruck der Zelle.