DE3784487T2 - Verfahren und vorrichtung zur gekippten ausrichtung eines fluessig-kristalls mit erhoeter photostabilitaet. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Bereich der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft im allgemeinen die Anordnung von Flüssigkristallen in elektrooptischen Vorrichtungen und spezieller das Erreichen einer stabilen gekippten Anordnung in Flüssigkristall-Lichtventilen.
Beschreibung des Standes der Technik
• In Flüssigkristall-Lichtventilen wird ein Eingangsbild in ein elektrisches Feldmuster über eine Flüssigkristallzelle hinweg konvertiert, und die Flüssigkristallmaterialien innerhalb der Zelle werden gemäß dem lokalen Feld gedreht. Die Flüssigkristallausrichtung steuert die Transmission eines Ausgangsstrahles aus dem Lichtventil so, daß der Ausgangsstrahl dieselbe räumliche Information wie der Eingangsstrahl enthält, aber oft in einem anderen Format. Eines der Probleme, die mit diesen Vorrichtungen auftreten, ist, daß, wenn die Flüssigkristalle anfänglich mit ihren Direktoren senkrecht zu den Zellwänden in der Abwesenheit eines angelegten Feldes angeordnet sind, die Richtung, in welche sie kippen, wenn ein Feld angelegt ist, etwas zufällig ist. Flüssigkristalle in verschiedenen Bereichen der Zelle können in verschiedene Richtungen kippen; dies ist ein Phänomen, das sich störend auf einwandfreien Lichtventilbetrieb auswirken kann, besonders in der Gegenwart von seitlichen Feldern, die aus seitlichen Gradienten in der Eingangslichtintensität resultieren.
• Bei einem Versuch, dieses Problem zu überwinden, wurden Flüssigkristallzellen hergestellt, in welchen den Direktoren der Flüssigkristalle eine leichte, aber einheitliche Vorkippung (pre-tilt) in der Abwesenheit eines elektrischen Feldes gegeben wurde. Wenn ein Feld angelegt ist, werden somit die Kristalle wegen ihrer einheitlichen Vorkippung in dieselbe Richtung kippen. Diese Technik hat gute Kurzzeitergebnisse beim Verbessern des Lichtventilbetriebs erzielt, aber hat bis jetzt an einem Mangel an angemessener Photostabilität gelitten. Die gekippte Anordnung verschlechtert sich und die Kristalle kehren zu einer senkrechten Anordnung in der Abwesenheit eines Feldes zurück, wenn sie über bedeutende Zeiträume hinweg Licht ausgesetzt ist. Obwohl von einer gekippten Anordnung gezeigt worden ist, daß sie den Lichtventilbetrieb verbessert, hat die kurze Lebensdauer von Vorrichtungen, welche diese Technik verwenden, somit eine praktische Begrenzung für ihre Brauchbarkeit gesetzt.
• Die Erwünschtheit des Aufrechterhaltens einer Flüssigkristallvorkippung von etwa 2º bis etwa 6º für ein Lichtventil wird in einem Artikel von Grinberg et al., "Photoactivated Birefringent Liquid-Crystal Light Valve for Color Symbology Display", IEEE Transactions on Electron Devices, Band. ED-22, Seite 775 (1975) beschrieben. Diese Veröffentlichung zitiert auch das Problem der Verschlechterung des Flüssigkristalls durch ultraviolettes und sichtbares Licht von hoher Intensität.
• Eine Technik nach dem Stand der Technik zum Erzielen einer gekippten Flüssigkristallanordnung ist im U.S. Patent Nr. 4,030,997 durch Leroy J. Miller and Jan Grinberg beschrieben, veröffentlicht am 27. Juni 1977 und übertragen auf Hughes Aircraft Company, den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung. Dieses Patent beschreibt eine Technik, bei welcher die Oberfläche eines Substrates mit einer dünnen Schicht aus SiO&sub2; oder einem anderen Material beschichtet wird, welches reaktive Oberflächen-Hydroxylgruppen hat, und die dann unter einem flachen Winkel ionenstrahlgeätzt wird. Die Oberfläche wird dann mit einer Mischung aus einem langkettigen aliphatischen Alkohol mit der Formel CH&sub3;(CH&sub2;)nCH&sub2;OH, wobei n von etwa 2 bis etwa 18 reicht, und einem aliphatischen Aminkatalysator behandelt. Die Behandlung findet durch das Eintauchen des Substrates in eine heile flüssige Mischung des Alkohols und des Amins statt, gefolgt durch das Waschen der Oberfläche mit einem inerten organischen Lösungsmittel. Auf diesem Weg reagiert der Alkohol, um die SiO&sub2;-Oberflächen-Hydroxylgruppen in Alkoxygruppen umzuwandeln. Vom Flüssigkristall-Kippwinkel wurde gefunden, daß er abhängig ist von den Ionenstrahlätzbedingungen, der Länge der an die Oberfläche gebundenen Alkoxygruppe, der in der Zelle verwendeten Flüssigkristallmischung und der Temperatur. Typische Photostabilitäts-Lebensdauern von Zellen, die durch dieses Verfahren gebildet waren, betrugen nur etwa zwei bis vier Wh/cm² Bestrahlung aus einer Xenonbogenlampe, die gefiltert war, um eine Breitbandbestrahlung (385- 950 nm) mit einer Intensität von etwa 150 mW/cm² auf die Lichtventilzelle zu geben. Diese Zellen fielen schnell aus, da die nicht senkrechte Flüssigkristallkippung schnell und sehr stark reduziert wurde, z.B. veränderte sich eine Zelle von einer anfänglichen Kippung von 30 herunter auf 0,4º nach nur drei Wh/cm² Bestrahlung. Der anfängliche Kippwinkel der Zellen variierte auch wesentlich mit der Zelltemperatur.
• Mehrere Berichte wurden über andere Techniken angefertigt, um eine gekippt-senkrechte Flüssigkristall-Oberflächenanordnung zu erreichen, aber keine von ihnen offenbarte irgendeine signifikante Verbesserung bei der Photostabilität der vorgekippten Anordnung. Ein Artikel von W. Urbach et al. in Applied Physics Letters, Band 25, Seite 479 (1974) beschreibt die Verwendung des Tensids CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid) auf winkelevaporierte (angle-evaporated) Beschichtungen aus SiO, um eine senkrechte oder gekippt-senkrechte Anordnung zu erhalten. Eine CTAB-Beschichtung wird durch langsames Ziehen der Platten senkrecht aus der Tensidlösung erhalten. Die CTAB-Beschichtung auf einer flachwinkeligen SiO-Abscheidung, abgeschieden unter einem streifenden Winkel von etwa 15º, gab eine große, nicht-senkrechte Flüssigkristallanordnung. Kleine nicht-senkrechte Anordnungen wurden erzielt bei einer SiO-Abscheidung unter einem mittleren Winkel, abgeschieden unter einem streifenden Winkel von etwa 25º, während eine senkrechte Anordnung sich durch SiO ergab, das unter einem groben streifenden Winkel von etwa 50º abgeschieden wurde. Da das CTAB nicht chemisch an die Oberfläche gebunden ist, kann etwas oder sogar alles von ihm sich in dem Flüssigkristall lösen, abhängig von der Flüssigkristallstruktur, der Dicke und der Temperatur. Das gelöste CTAB wird die Leitfähigkeit des Flüssigkristalls erhöhen, was für eine Feldeffektvorrichtung, wie für eine einstellbare Doppelbrechung, unerwünscht ist. Weder von der Oberfläche noch von dem gelösten CTAB würde erwartet, daß sie langfristige Photostabilität bei hohen Strahlungsintensitäten aufweisen.
• Die Verwendung von Lecithin oder "Säure T" als ein tensidisches Dotierungsmittel für große (bulk) Flüssigkristalle in Zellen mit unter mittlerem Winkel abgeschiedenem SiO (15º- 30º Abscheidung aus der Oberfläche heraus (off-surface deposition)), oder mit unter mittlerem Winkel abgeschiedenem MgF&sub2; behandelte Oberflächen, wird in K. Fahrenschon und M.F. Schiekel, Journal of the Electrochemistry Society, Band 124, Seite 953 (1977) beschrieben. Der Artikel gibt Beispiele für 12º und 16º Vorkippungen für die Flüssigkristalle in den gekippt-senkrechten Zellen. Die verwendeten Tenside sind nicht chemisch an die Oberfläche gebunden, und es wurde von ihnen nicht gefunden, daß sie entweder thermische oder photochemisch stabile Anordnungsmittel sind, speziell für Bestrahlungen mit langer Dauer und hoher Intensität.
• W.R. Heffner et al.beschrieben in Applied Physics Letters, Band 36, Seite 144 (1980) die Verwendung eines Silans (DMOAP) und von ultradünn plasmapolymerisiertem Tetrafluorethylen (UTPFE) auf unter flachem Winkel abgeschiedenen SiOx-Oberflächen, auf die schräg Siliziummonoxid abgeschieden ist (on obliquely deposited silicon monoxide shallow angle deposition-SiOx surfaces), mit einem streifenden Winkel von 5º, um eine gekippt-senkrechte Flüssigkristallanordnung zu erhalten. Flüssigkristallwinkel, die 16º-20º von der Senkrechten (off-normal) abweichen, wurden berichtet mit der Silan/SiO-Behandlung und dem Flüssigkristall CB-7, 20º-35º mit einem Azoxy-Flüssigkristall und 22º-32º mit der UTPFE/SiO-Behandlung und CB-7. Von jeder dieser "tensidischen" Reagenzien wurde berichtet, daß sie gut haftende polymere Beschichtungen auf Glas- (oder SiO-)Oberflächen geben und sie sollten beträchtlich stabiler sein als die CTAB- und Lecithin-Tenside, von denen oben berichtet wurde. Die gekippten Winkel, von denen von Heffner et al. berichtet wurden, sind zu groß für die Verwendung im Flüssigkristall- Lichtventil, und es wurden keine Photostabilitätsdaten berichtet.
• Ein Artikel von L. Rousille und J. Robert in Journal of Applied Physics, Band 50, Seite 3975 (1979) beschreibt die Verwendung von plasmapolymerisiertem Polytetrafluorethylen- (PTFE)-Filmen, 20 Angström dick, auf unter mittlerem Winkel abgeschiedenen SiO-Oberflächen (Abscheidung unter 30º streifendem Winkel). Flüssigkristalle mit einer Kippung von etwa 3º aus der Senkrechten (off-perpendicular) wurden erhalten. Dickere PTFE-Filme mit 50 Angström führten zu 0º- Kippung auf dem unter flachem Winkel abgeschiedenen SiO. Keine Photostabilitäts- oder thermische Stabilitäts- Lebensdauerdaten wurden berichtet oder diskutiert.
• Techniken zum Erhalten einer oberflächen-senkrechten (nichtgekippten) Flüssigkristallanordnung durch das Bilden von Oberflächenalkoxygruppen, die an die Oberfläche durch die Reaktion von langkettigen Alkoholen mit Oberflächen- Hydroxylgruppen gebunden sind, werden beschrieben in dem U.S. Patent Nr. 4,022,934 von Leroy J. Miller, veröffentlicht am 10. Mai 1977, und dem U.S. Patent Nr. 4,464,134 von Anna M. Lackner et al., veröffentlicht am 7. August 1984, die beide auf Hughes Aircraft Company übertragen sind. Das Miller-Patent beschreibt die Reaktion der Oberfläche mit langkettigen Alkoholen durch das Eintauchen der Oberfläche in ein heißes Bad des Alkohols oder einer Alkohol/Amin-Mischung. Das Lackner et al.-Patent beschreibt eine verbesserte Technik zum Reagieren der Oberflächen mit langkettigen Alkoholen durch die Exposition von heißem Alkoholdampf. Die zwei Patente befassen sich eher mit der Erlangung einer senkrechten Anordnung, als mit einer gekippten Anordnung. Das Lackner et al.-Patent befaßt sich mit Verfahren zum Erhalten einer im wesentlichen senkrechten Flüssigkristall- Oberflächenanordnung auf Oberflächen, welche eine Oxidbeschichtung enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiO&sub2;, SiO, Indiumzinnoxid/SiO&sub2;-, Zinnoxid/SiO&sub2;- und Indium/SiO&sub2;-Mischungen.
• Von einer anderen Technik, die für die vorliegende Erfindung relevant ist, wird in einem Artikel von Milo Johnson und P.Andrew Penz, "Low Tilt Angle Nematic Alignment Compatible With FRIT Sealing", IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-24, Nr. 7, Juli 1977, Seiten 805-807 berichtet. Die berichtete Technik wird für eine gekippte oberflächenparallele Flüssigkristallanordnung verwendet. Bei dieser Technik wird eine Kombination einer Abscheidung unter mittlerem Winkel (MAD) und einer Abscheidung unter flachem Winkel (SAD) von SiOx auf einer Oberfläche mit im wesentlichen planarer Makrostruktur verwendet, um eine gekippte Oberflächenmikrostruktur zu erzielen, die ein ungefähres Sägezahnprofil aufweist. Diese Technik wird für eine wenig gekippte homogene Flüssigkristallanordnung verwendet.
• Trotz der beträchtlichen Menge an Arbeit, die gemacht wurde, sowohl bei der Behandlung von Oberflächen, um gekippte Mikrostrukturen zu erhalten, als auch bei den Verfahren zum Erhalten sowohl von gekippten als auch von senkrechten Flüssigkristallausrichtungen, wurde bisher keine Flüssigkristallzelle erreicht, die imstande ist, eine gekippt-senkrechte Flüssigkristallausrichtung über ausgedehnte Betriebszeiträume in einem Lichtventil beizubehalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Im Hinblick auf die obigen Probleme, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Oberflächenbehandlungsverfahren und eine sich daraus ergebende Flüssigkristallzelle bereitzustellen, in welcher Flüssigkristalle bei einem Nullfeldkippwinkel so ausgerichtet sind, daß sie für Lichtventilbetrieb geeignet sind, und die Kippung über ausgedehnte Verwendungszeiträume beibehalten.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle und durch die sich daraus ergebende Flüssigkristallzelle selbst gemäß dem neuen Anspruch 1 und dem neuen Anspruch 8 gelöst.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch das Behandeln von einer oder von beiden der gegenüberliegenden Oberflächen einer Flüssigkristallzelle gelöst, um so die Oberflächen mit ungefähr angeordneten Mikrostrukturen bereitzustellen, die Kippwinkel relativ zur Oberflächenmakrostruktur haben, von denen angenommen werden kann, daß sie in den Bereich von etwa 0,50 bis etwa 60 fallen, und ferner durch das Bereitstellen der Oberflächen mit freien Hydroxylgruppen. Die gewünschte Mikrostrukturkonfiguration wird durch MAD- und SAD-Abscheidungen von SiOx erreicht, wobei x von 1 bis 2 reicht, wobei die, zwei Abscheidungen annähernd 90º zueinander ausgerichtet sind. Man läßt dann einen langkettigen Alkohol mit der Oberfläche reagieren und Alkoxygruppen werden chemisch an die gekippten Oberflächenmikrostrukturen gebunden, wobei die Alkoholmoleküle die Formel ROH haben, wobei R eine Kohlenstoffkette ist, die von etwa 6 bis etwa 24 Kohlenstoffatome aufweist. Der Alkohol kann mit einem Amin gemischt werden und wird vorzugsweise an die gekippte Oberflächenmikrostruktur durch das Exponieren der Oberfläche mit dem Alkoholdampf gebunden. Das Substrat selbst ist vorzugsweise aus SiOx gebildet. Die in die vorbereitete Zelle eingeführten Flüssigkristalle werden durch die Alkoxygruppen angeordnet, um die gewünschte Nullfeldkippung zu erreichen. Von den auf diese Weise gebildeten Zellen wurde gefunden, daß sie ein viel höheres Mab an Kipp-Photostabilität zeigen als bei früheren Techniken.
• Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit der beiliegenden Zeichnung offensichtlich, in welcher:
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig. 1a und 1b sind verdeutlichende bruchstückartige Zeichnungen eines Teils einer Flüssigkristallzelle, die gemäß der Erfindung gebildet wurde, wobei Fig. 1a die Mikrostruktur der inneren Zelloberfläche und die Ausrichtung der daran gebundenen Alkoxygruppen verdeutlicht und Fig. 1b die Ausrichtung der später zugegebenen Flüssigkristalle verdeutlicht;
• Fig. 2 ist ein Kurvenschaubild, das die Auswirkungen der SAD-SiO-Abscheidungsdicke und der Alkoholkettenlänge auf den Flüssigkristall-Kippwinkel für ein Beispiel verdeutlicht;
• Fig. 3 ist ein Kurvenschaubild, das die Photostabilität des Flüssigkristall-Kippwinkels verdeutlicht;
• Fig. 4 verdeutlicht den Flüssigkristall-Kippwinkel als eine Funktion der SAD-SiO&sub2;-Dicke für ein weiteres Beispiel;
• Fig. 5 ist ein Kurvenschaubild, das die Kippwinkel-Photostabilität eines Beispiels für Bestrahlungen mit verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zeigt;
• Fig. 6 ist ein Kurvenschaubild, das das Testzellen-Lebensdauerverhalten (test cell life response) auf verschiedene Bestrahlungsbedingungen für zwei verschiedene Flüssigkristallbeispiele verdeutlicht; und
• Fig. 7 ist ein Kurvenschaubild, das den Kippwinkel und das Kontrastverhältnis als eine Funktion der SAD-SiO&sub2;- Dicke für ein spezielles Beispiel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Eine einheitliche, stabile, gekippte Anordnung von Flüssigkristallen auf den Oberflächen von Vorrichtungen, die für elektrooptische Anwendungen verwendet werden, wurde erreicht, welche besonders nützlich ist beim Bereitstellen von Photostabilität in Flüssigkristall-Lichtventilzellen, wie sie für Projektionsanzeigen verwendet werden. Der allgemeine Weg wird in Fig. 1a verdeutlicht, in welcher die Elemente 2 und 4 die gegenüberliegenden Wände in einer Flüssigkristallzelle sind, welche ohne Flüssigkristalle gezeigt wird. Die Wände haben im allgemeinen eine Beschichtung aus Siliziumoxid, z.B. SiOx, worin x von 1 bis 2 reicht. Die inneren Oberflächen der gegenüberliegenden Wände liegen im allgemeinen in parallelen Ebenen, angezeigt durch die gestrichelten Linien 6 und 8, mit einer im allgemeinen ebenen Makrostruktur. Die zwei Oberflächen werden behandelt, um jedoch gekippte Oberflächenmikrostrukturen herzustellen, die ungefähre Sägezahnprofile 10, 12 haben. Die präzise Oberflächentopograhie der Mikrostruktur wurde noch nicht gemessen. Da der später zu der Zelle zugegebene Flüssigkristall jedoch einen Kippwinkel innerhalb des Bereichs von etwa 0,5 º bis etwa 6º hat, kann gefolgert werden, daß die Oberfläche der Mikrostruktur aus der Makrostrukturebene um einen Winkel A gekippt ist, welcher in einem ähnlichen Bereich von etwa 0,5º bis etwa 6º liegt. Signifikant kleinere Kippwinkel können den Verlust der wirksamen Flüssigkristallkippung wegen seitlicher elektrischer Felder aus einem angelegten Bildmuster verursachen, während signifikant größere Kippwinkel den erreichten Kontrast herabsetzen können. Natürlich gibt es keine abrupte Grenze, weder bei 0,5º noch bei 6º, sondern eher einen allmählichen Übergang.
• Man läßt langkettige Alkoholmoleküle mit jeder Oberfläche reagieren und langkettige Alkoxygruppen werden chemisch an jede Oberfläche gebunden. Obwohl es Unsicherheit über die exakte Oberflächenmolekularstruktur gibt, kann die Bindung wie in Fig. 1a verdeutlicht werden, mit den Alkoxygruppen 14 senkrecht zur gekippten Mikrostruktur ausgerichtet.
• Die Situation, nachdem eine dünne Schicht aus Flüssigkristallen, typischerweise etwa 4-8 Mikrometer dick, zu der Zelle zugegeben wurde, wird in Fig. 1b verdeutlicht. Die Flüssigkristalle 16 stimmen mit der Ausrichtung der langen Ketten überein, senkrecht zur Mikrostruktur angeordnet und so mit einem einheitlichen Kippwinkel zur Makrostrukturoberfläche. Während beim Photoabbau von Flüssigkristallen in der Gegenwart von anderen Oberflächen beobachtet wurde, daß er eine mehr senkrechte Anordnung verursacht, offensichtlich als ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den Abbauprodukten und der Oberfläche, wurde bei der Anordnung von Fig. 1b überraschenderweise gefunden, daß sie eine ungewöhnlich hohe Photostabilität der gekippt-senkrechten Flüssigkristall-Anordnung erzeugt. Obwohl die Erklärung für dieses Phänomen noch untersucht wird, wird angenommen, daß es nicht von der völligen Verhinderung von Flüssigkristall-Photoprodukten infolge von Zersetzung während der Lichtbestrahlung resultiert, sondern eher daher, daß solche Photoprodukte an die Mikrostrukturoberfläche mit derselben Richtung (directionality) wie die Alkoxygruppen angelagert werden. Sie ändern folglich nicht signifikant die gekippte Anordnung relativ zur Makrooberfläche.
• Das Sägezahn-Mikrostrukturprofil wird vorzugsweise durch ein Zweistufenverfahren erreicht, bei dem eine Schicht aus MADSiOx auf dem Substrat als erstes abgeschieden wird (x reicht von 1 bis 2), vorzugsweise durch thermische Verdampfung in einem Vakuumsystem bei einem streifenden Winkel von etwa 20º-40º (vorzugsweise einem MAD streifendem Winkel von etwa 30º). Das Substrat wird dann 90º gedreht und eine zweite Schicht aus SAD-SiOx wird unter einem streifenden Winkel von etwa 2º-10º (vorzugsweise einem SAD streifendem Winkel von etwa 5º) auf der Oberseite der ersten Schicht abgeschieden, so daß somit die zwei Abscheidungen etwa 90º zueinander ausgerichtet werden. Alternativ dazu kann die erste Abscheidung eine SAD von SiO oder SiO&sub2; sein, gefolgt von einer MAD von SiO oder SiO&sub2;, mit einer geeigneten Anpassung der Dicken der zwei Schichten. In Fig. 1a, wo die MAD der SAD vorangeht, würde die SAD von links für das obere Substrat 2 angewandt und von rechts für das untere Substrat 4.
• Andere Techniken können zugänglich sein, um die gewünschte gekippte Oberflächenmikrostruktur zu erhalten. Obwohl es in diesem Zusammenhang nicht gezeigt wurde, könnte es z.B. möglich sein, ein geeignetes holographisch gebranntes (holographic blazed) Gitter auf der Zellwandoberfläche zu bilden, um die gewünschte Sägezahntopographie zu erzielen. Welches Verfahren auch verwendet wird, um die Mikrostruktur zu erhalten, es sollten freie Hydroxylgruppen (OH) an der Mikrostrukturoberfläche vorhanden sein, um mit den langen Alkoxyketten eine Bindung einzugehen.
• In Fig. 1a und 1b sind die Mikrostrukturen für die oberen und die unteren Substrate im allgemeinen parallel. In bestimmten Fällen kann es möglich sein, die zwei Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Kippgraden zu haben, oder durch das Bilden der gekippten Mikrostruktur auf nur einer der Substrate. Unter geeigneten Bedingungen kann dies genug sein, um den Flüssigkristall über die Zelle hinweg zu kippen.
• Nachdem die gewünschte Mikrostruktur-Oberflächentopographie erreicht wurde, wird ein langkettiger Alkohol in Kontakt mit der Oberfläche gebracht und chemisch an die freien Hydroxylgruppen gebunden. Die Alkoholmoleküle haben die Formel ROH, worin R eine Kohlenstoffkette ist, die von etwa 6 bis etwa 24 Kohlenstoffatome darin aufweist. Die Moleküle können entweder reine aliphatische Ketten sein, oder können aromatische Ringe innerhalb der Kette einschließen. Es ist möglich, daß modifizierte Kohlenstoffketten, wie verzweigte Ketten oder Ketten mit zusätzlichen Substanzen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor, auch funktionieren könnten, aber dies ist gegenwärtig nicht bekannt. Ketten, die weniger als 6 Kohlenstoffatome haben, werden im allgemeinen einen zu groben Kippwinkel für praktische Lichtventilanwendungen aufweisen, sind temperaturempfindlich und sind nicht so photostabil wie gewünscht. Obwohl es in der Theorie keine obere Grenze für die Länge der Ketten gibt, sind Ketten mit mehr als 24 Kohlenstoffatomen recht teuer. Für einige Flüssigkristalle (z.B. bestimmte Schiffbasenmischungen) kann die Zahl der Kohlenstoffatome für eine gerade noch akzeptable Anordnung 6 oder möglicherweise noch kleiner sein. Für andere muß die Zahl der Kohlenstoffatome 14-18 oder größer sein.
• Die Substrate werden vorzugsweise dem langkettigen Alkohol in einer erwärmten Dampfphase exponiert, wie im U.S. Patent Nr. 4,464,134, oder sie können in einen geschmolzenen Alkohol getaucht werden und dann gewaschen werden wie in den U.S. Patenten Nr. 4,022,934 und 4,030,997. Bei dem Dampfverfahren sinkt der Dampfdruck bei einer gegebenen Temperatur wie die Zahl der Kohlenstoffatome in der Kette steigt, und die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Substratoberfläche nimmt ab, wie der Dampfdruck abnimmt. Octadecanol mit 18 Kohlenstoffatomen ist in den meisten Fällen ausreichend und wird als der Alkohol der Wahl angesehen.
• Die Wahl der Dicken der MAD- und SAD-SiO&sub2;-Schichten hängt ab von dem gewünschten Flüssigkristall-Kippwinkel und dem speziellen Flüssigkristall, der angeordnet wird. Die resultierende Kippung scheint von dem topographischen Effekt des langkettigen Alkohols auf die behandelte Oberfläche zu resultieren, und hängt nicht groß von der Kettenlänge des längerkettigen Alkohols ab, im Gegensatz zu dem Verfahren im U.S. Patent Nr. 4,030,997, bei dem der Kippwinkel mit der Kettenlänge des Alkohols, der für die gebundenen Alkoxygruppen verwendet wurde, schwankt.
• Die folgenden Beispiele werden bereitgestellt, um die Praxis der Erfindung zu verdeutlichen.
BEISPIEL 1
• Substrate wurden durch thermisches Verdampfen von SiO auf mit ITO (Indiumzinnoxid) beschichtetem Glas hergestellt, unter Verwenden eines streifenden Winkels von 30º für die MAD- SiO, Rotieren des Substrates um 90º und dann Abscheiden des SAD-SiO unter einem streifenden Winkel von 5º. Alkohole mit verschiedener Kettenlänge wurden mit der Oberfläche reagieren gelassen, unter Verwenden eines Alkoholbades gemischt mit einer gleichen Gewichtsmenge Hexadecylamin, wie beschrieben im U.S. Patent Nr. 4,030,997. Die Badtemperaturen betrugen 150ºC (Probe im Rückflußbereich) für C&sub6;H&sub1;&sub3;OH und 115º-117ºC (Probe eingetaucht) für die anderen Alkohole (C&sub1;&sub0;H&sub2;&sub1;OH, C&sub1;&sub4;H&sub2;&sub9;OH und C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub7;OH). Der Flüssigkristall war eine 2:1-(Gewichts-)Mischung der Schiffbase-Flüssigkristalle, bekannt als EBBA und MBBA.
• Die MAD-SiO-Beschichtung war 400 Angström dick. Der Flüssigkristall-Kippwinkel, welcher aus den verschiedenen Dicken der SAD-SiO-Beschichtung und auch aus den verschiedenen Alkoholkettenlängen resultierte, wird in Fig. 2 gezeigt. Wie angegeben, variierte der Kippwinkel in etwa linear von etwa 2º bis 15º in dem Bereich der SAD-SiO-Dicke von 10 Angström bis 25 Angström. Bei SAD-SiO-Dicken zwischen 25 Angström und 100 Angström pegelte sich der Kippwinkel allmählich ein und erreichte nur etwa 240. Diese Flüssigkristallkippungen waren im wesentlichen von der Kettenlänge des an die Oberfläche gebundenen Alkohols unabhängig, mit Ausnahme, daß der C&sub6;H&sub1;&sub3;OH-Alkohol keine gute Anordnung auf SAD-SiO mit weniger als 20 Angström zeigte. Die C&sub1;&sub0;-, C&sub1;&sub4;- und C&sub1;&sub8;-Alkohole gaben Flüssigkristall-Kippwinkel in dem gewünschten Bereich von etwa 2º bis etwa 6º für Flüssigkristall-Lichtventile mit SAD-SiO-Dicken von 10-15 Angström.
• Die erreichten Kippwinkel waren in etwa eine Größenordnung weniger empfindlich auf Temperaturänderungen als in den früheren gekippten Anordnungsverfahren, die im U.S. Patent Nr. 4,030,997 offenbart wurden, bei welchem die Kippung durch die Länge der Alkoholkette kontrolliert wurde, die an eine ionenstrahlgeätzte SiO&sub2;-Oberfläche gebunden war. Ein Temperaturkoeffizient für den Kippwinkel von - 0,045º Kippung pro 1ºC wurde über einen Bereich von 22º-50ºC gemessen für den auf MAD/SAD-SiO (Dicken von 400/15 Angström) angeordneten Flüssigkristall, behandelt mit einem Alkohol mit einer Kettenlänge von C&sub1;&sub4;. Mit steigender Temperatur nahm der Kippwinkel ab, aber über den gesamten Temperaturbereich blieb der Flüssigkristall innerhalb dem gewünschten Kippbereich von etwa 2º-6º. Dieser niedrigere Temperaturkoeffizient ist von beträchtlichem Wert, da er den Betrieb von Flüssigkristall-Lichtventilen über einen weiten Temperaturbereich erlaubt.
• Fig. 3 zeigt das Verhalten des Kippwinkels auf lange Bestrahlungen des Flüssigkristalls mit intensivem Licht aus einer Xenon-Lichtbogenlampe. Die Bestrahlungsniveaus, die durch das Bezugszeichen (callout) A gezeigt werden, zeigen die viel kürzere Photostabilitäts-Lebensdauer einer gekippten Anordnung, die mit demselben Typ von Flüssigkristall durch das Verfahren des Patents Nr. 4,030,997 erreicht wurde. Bei diesem früheren Verfahren wurden zwei ionenstrahlgeätzte Elektroden mit C&sub8;- und C&sub9;-Alkoholen behandelt, um die Anfangskippung zu erreichen. Die Zellen hatten eine sehr kurze Photostabilitäts-Lebensdauer, so daß kurzzeitige Bestrahlungen (mit einem 385 nm-Sperrfilter und Intensitäten von 144-166 mW/cm²) bewirkten, daß ihr Kippwinkel auf ein Niveau sank, daß zu klein war, um einen einzigen Kippbereich in der Zelle bei einem angelegten Feld aufrecht zu erhalten.
• Bezugszeichen (callout) B zeigt die Photostabilitäts-Lebensdauer einer früheren Hybridfeldeffektzelle (HFE), bestrahlt unter ähnlichen Bedingungen, aber mit niedrigerer Intensität. Details der Bestrahlungsbedingungen für die frühere Zelle werden in einem Artikel von F.G. Yamagishi et al., "Photochemical and Thermal Stability Studies on a Liquid Crystal Mixture of Cyanobiphenyls", Liquid Crystals and Ordered Fluids, Band 3, Seiten 475-496 (1978) bereitgestellt.
• Eine wichtige Beobachtung, die mit dem Flüssigkristall gemacht wurde, der einer der gekippt-senkrechten Zellen dieses Beispiels nach einer Bestrahlung von 163 Wh/cm² entnommen wurde, war, daß sein Klarpunkt um etwa 10ºC abgenommen hatte. Dies zeigt, daß ein Verunreinigungsniveau von größer als 3%, wahrscheinlich in dem Bereich von 5-15%, durch seine Bestrahlung mit Licht gebildet wurde, ohne ernsthafte Kippwinkel-Veränderung innerhalb der Zelle zu verursachen. Dies beweist, daß die gekippt-senkrechte Oberflächenanordnung der vorliegenden Erfindung ungewöhnlich unempfindlich auf die Bildung von Photozersetzungsprodukten in dem Flüssigkristall ist. Im Gegensatz dazu verursachten Photozersetzungsprodukte von nur etwa 0,1% Kippwinkelwiederausrichtungsfehler (tilt angle realignment defects) in dem Bericht von Yamagishi et al.
BEISPIEL 2
• Kontrollierte Kippwinkel wurden mit der Phenylcyclohexancarboxylat-Flüssigkristallmischung HRL-6N7 unter Verwenden von MAD-SAD-SiO&sub2;-Beschichtungen erreicht, die mit einem langkettigen C18-Alkohol behandelt wurden. Dieser Flüssigkristall ist eine Mischung mit kurzer Moleküllänge, niedriger Viskosität und negativer dielektrischer Anisotropie, dessen Zusammensetzung in einem Artikel von J.D. Margerum et al., "Effects of Molecular Length on Nematic Mixtures/Anisotropic and Dynamic Scattering Properties of 4- Alkoxyphenyl 4-Alkylcyclohexanecarboxylate Mixtures", Molecular Crystals and Liquid Crystals, Band 68, Seiten 157- 174 (1981) offenbart wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, waren nur 4-5 Angström von E-Strahl-verdampftem SAD-SiO&sub2; auf 55 Angström MAD-SiO&sub2;, gefolgt von Alkoholbehandlung notwendig, um eine Kippung von 1º-2º aus der Senkrechten (off-normal) heraus zu ergeben. Die Substrate wurden durch Ionenstrahlsputtern von etwa 2000 Angström SiO&sub2; auf mit ITO beschichtetem Glas, gefolgt von E-Strahl-erwärmter thermischer Verdampfung von SiO&sub2; unter Verwenden eines streifenden Winkels von 30º für das MAD-SiO&sub2;, Rotieren des Substrates um 90º und dann Abscheiden des SAD-SiO&sub2; unter einem streifenden Winkel von 5º. Der C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub7;OH-Alkohol wurde durch das Dampfphasenverfahren des U.S. Patents Nr. 4,464,134 an die Oberfläche gebunden, durch Plazieren einiger weniger sehr kleiner Alkoholkristalle längsseits des Substrates in einer bedeckten Petrischale und Erwärmen der Schale in einem Ofen auf 140ºC über 2 Stunden. Die Substrate wurden dann mit Lösungsmittel gewaschen, zu Testzellen mit einem Abstand von 0,5 mil zwischen den Substraten zusammengebaut, gefolgt von der Einführung des Flüssigkristalls.
• Die Photostabilität des Flüssigkristalls für verschiedene Bestrahlungswellenlängen wird in Fig. 5 gezeigt. Die Tests waren hauptsächlich beschleunigte Lebensdauertests mit beachtlichen Mengen an nahem ultravioletten Licht, das in dem intensiven Bestrahlungslicht von den Xenon-Lichtbogenlampen vorhanden war. Die Daten in Fig. 5 zeigen, daß sich der Kippwinkel nur leicht in drei flüssigkristallartigen Testzellen änderte, die bestrahlt wurden, während eine Spannung an die Zelle angelegt war. Die Testzellen waren jede aus zwei transparenten Substraten gemacht und die Bestrahlungen wurden mit einem reflektierenden Spiegel direkt hinter jeder Zelle durchgeführt. Die Bestrahlungsbedingungen waren ähnlich jenen, die in dem früher erwähnten Artikel von Yamagishi et al. beschrieben wurden. Die Zellen der vorliegenden Erfindung hielten viel länger als HFE-Testzellen, die BDH-E7 enthielten, und die mit ähnlichen Intensitäten und Sperrfiltern bestrahlt wurden. Die Lebensdauer von HRL-6N7 mit den Sperrfiltern für die kürzere Wellenlänge von 356 nm und 376 nm waren besser als jene, die mit Merck-1132-Flüssigkristall erreicht wurden, welcher mit der stabilste der HFE-Flüssigkristallmaterialien ist.
• Zusätzliche Ergebnisse für die Photostabilität unter Verwenden des HRL-6N7 sind in der unteren Kurve 18 von Fig. 6 zusammengefaßt. Die Zellebensdauer wurde mit Ultraviolett-Filtern gemessen, die verschiedene Sperrwellenlängen haben (Es wurde angenommen, daß Sperrung auftritt, wenn die Filterdurchlässigkeit auf 1 % oder geringer fiel). Einige der mit optischem Kitt versiegelten Zellen zeigten etwa die doppelte Lebensdauer bei der kurzen Wellenlängensperrung von 356 nm, was anzeigt, daß noch längere Bestrahlungslebensdauern für versiegelte Zellen bei längeren Sperrwellenlängen erwartet werden dürfen, wie bei der 397 nm Sperrung, die für blaue Flüssigkristall-Lichtventile benötigt wird.
BEISPIEL 3
• Gekippt-senkrechte Substratanordnungsstudien wurden auch mit einem Flüssigkristall von E. Merck Company, wie ihre ZLI- 2857-Mischung, durchgeführt. Die Substrate wurden hergestellt durch C&sub1;&sub8;-Alkoholdampfbehandlung von Glas, beschichtet mit ITO und SiO&sub2; (oder Si&sub3;N&sub4;), bevor MAD/SAD-SiO&sub2;- Schichten auf der Oberfläche abgeschieden wurden. Der Einfluß der verschiedenen Dicken von SAD-SiO&sub2; auf einer fixierten Dicke von MAD-SiO&sub2; vor der C&sub1;&sub8;-Alkoholbehandlung wird in Fig. 7 gezeigt. Diese Figur zeigt auch den Effekt des Kippwinkels auf das Kontrastverhältnis in einem speziellen Projektionsanzeigesystem. Eine kleine Kippung von 1º-4º gab die Anzeige mit dem höchsten Kontrast und dieser Bereich der Vorkippung war groß genug, um das Auftreten von bildinduzierten Anordnungsfehlern (image-induced alignment mode defects) in den Projektionsbildern zu verhindern.
• Die Ergebnisse der Photostabilitätsstudien werden in Kurve 20 von Fig. 6 dargestellt. Die Bestrahlungen wurden unter Bedingungen durchgeführt, die ähnlich jenen für die HRL-6N7- Tests in Beispiel 2 waren. Die Ergebnisse zeigen eine sehr hohe Photostabilität mit längeren Photostabilitäts-Lebensdauern als irgendeine andere getestete Zelle. Zusätzlich korrespondierte das Lebensende der Zellen mit elektrooptisch festgestellten Ungleichmäßigkeiten im eingeschalteten Zustand mit angelegter Spannung; im ausgeschalteten Zustand wurden keine Anordnungsfehler beobachtet.
• Die Analyse der nach den Bestrahlungstests aus den Zellen entfernten Flüssigkristalle zeigte, daß beträchtliche Zusammensetzungs-Veränderungen in dem Flüssigkristall während der Bestrahlungen stattgefunden hatten. In jedem Fall hatte sich der Klarpunkt beträchtlich erhöht, und gaschromatografische Analysen zeigten die Gegenwart von etwa 3% Verunreinigung, ebenso wie Änderungen in den Verhältnissen der ursprünglichen Komponenten. Diese Ergebnisse bestätigen, daß die gekippt-senkrechte Anordnung der vorliegenden Erfindung ungewöhnlich unempfindlich auf die Bildung von Photoabbauprodukten und auf Änderungen in der Zusammensetzung des Flüssigkristalls ist. Beträchtliche Veränderungen in der Zusammensetzung dürften in diesen Zellen schon deutlich vor dem letzten Bestrahlungszeitraum stattgefunden haben. Da das elektrooptische Verhalten der Zellen keinen wesentlichen Abbau bis nach dem letzten Bestrahlungszeitraum zeigte, arbeiteten die Zellen offensichtlich zufriedenstellend mit beträchtlichen Mengen an vorhandenen photoinduzierten Verunreinigungen. Es wird ein ungewöhnlich großer Aufbau von Photoabbauprodukten und -effekten benötigt, um die Zellebensdauern zu beenden.
• Diese Erfindung ist vorwiegend vorgesehen für Flüssigkristall-Lichtventile, aber kann auch für die Verwendung bei anderen elektrooptischen Vorrichtungen, in welchen eine gekippte Flüssigkristallanordnung wünschenswert ist, angepaßt werden. Obwohl spezielle Beispiele beschrieben wurden, sollte verstanden werden, daß zahlreiche Variationen dem Fachmann einfallen werden. Folglich soll die Erfindung nur im Sinne der angefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims (8)

1. Ein Verfahren des Herstellens einer Flüssigkristallzelle, die ein Paar gegenüberliegender Oberflächen (6, 8) hat, so daß sich nachträglich in die Zelle eingeführte Flüssigkristalle mit einer im wesentlichen einheitlichen Kippting in einer gekippt-senkrechten Anordnung zwischen den Oberflächen in der Abwesenheit eines angelegten Feldes anordnen, beinhaltend:

Behandeln der gegenüberliegenden Zelloberflächen (6, 8), um ungefähr angeordnete gekippte Oberflächenmikrostrukturen mit freien Hydroxylgruppen darauf bereitzustellen, und

chemisches Reagieren eines langkettigen Alkohols und Binden langkettiger Alkoxygruppen (14) an die Hydroxylgruppen der gekippten Oberflächenmikrostrukturen, wobei der Alkohol die Formel ROH hat, worin R eine Kohlenstoffkette ist, die 6 oder mehr Kohlenstoffatome darin hat,

gekennzeichnet dadurch,

daß die gekippten Oberflächenmikrostrukturen auf den Zelloberflächen erhalten werden durch Abscheiden von ersten und zweiten Schichten aus SiOx auf jeder Oberfläche bei einem mittleren streifendem Winkel und einezn flachen streifendem Winkel relativ zu jeder Oberfläche, worin x von 1 bis 2 reicht, und die zwei Schichten bei streifenden Winkeln abgeschieden werden, die ungefähr 90º zueinander verschoben sind.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mittlere streifende Winkel in der Größenordnung von 20º-40º und der flache streifende Winkel in der Größenordnung von 2º-10º liegt.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mittlere streifende Winkel etwa 30º und der flache streifende Winkel etwa 5º ist.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Alkoxygruppe (14), die von dem langkettigen Alkohol herstammt, an die gekippten Oberflächenmikrostrukturen durch Exponieren der Oberflächen mit Alkoholdämpfen gebunden wird.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der langkettige Alkohol mit einem Amin gemischt wird.

6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffketten aliphatisch sind und 6 bis 24 Kohlenstoffatome darin haben.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gekippte Oberflächenmikrostruktur ein ungefähres Sägezahnprofil (10, 12) hat.

8. Eine Zelle für Flüssigkristalle (16), erhältlich durch das Verfahren, das in wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht wird.