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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf bistabile Nematischer-Flüssigkristall-Vorrichtungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Flüssigkristall-Vorrichtungen
weisen typischerweise ein Paar gegenüberliegender, voneinander beabstandeter
durchscheinender Zellwände
mit einem Flüssigkristall-Material
(„LC"-Material; LC = liquid
crystal) zwischen denselben auf. Die Zellwände weisen transparente Elektrodenstrukturen
zum Anlegen von Feldern zur Ausrichtung des LC-Materials auf.
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LC-Materialien
sind stabartige oder leistenartige Moleküle, die entlang ihrer langen
und kurzen Achse unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen.
Die Moleküle
zeigen eine bestimmte Fernordnung, so dass sie lokal dazu neigen, ähnliche
Orientierungen anzunehmen wie ihre Nachbarn. Die lokale Orientierung
der langen Achsen der Moleküle wird
als der Direktor bezeichnet. Wenn der Direktor senkrecht zu der
Ebene der Zellwände
orientiert ist, wird dies als homöotrope Ausrichtung bezeichnet. Eine
Ausrichtung des Direktors entlang der Ebene der Zellwände oder
in einem Winkel zu der Ebene der Zellwände wird als planare homogene
bzw. geneigte homogene Ausrichtung bezeichnet.
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Es
gibt drei Typen von LC-Materialien: nematisch, cholesterisch (chiral-nematisch)
und smektisch. Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen unter
Verwendung nematischer LC-Materialien, die optional chiral oder
chiral dotiert sein könnten.
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Typische
LC-Anzeigen, die nematische LC-Materialien einsetzen, sind monostabil,
wobei ein Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt, dass sich die
LC-Moleküle
in einem „An"-Zustand ausrichten, und eine Entfernung
des elektrischen Feldes es erlaubt, dass die LC-Moleküle in einen
vorbestimmten „Aus"-Zustand zurückkehren
können.
Beispiele derartiger monostabiler Modi sind ein verdrehter nematischer
(TN; TN = twisted nematic), ein superverdrehter nematischer (STN;
STN = supertwisted nematic) und ein hybrider ausgerichteter nematischer
(HAN; HAN = hybrid aligned nematic) Modus. Jedes „An"-Pixel muss über einer
Schwelle eines elektrischen Feldes beibehalten werden, was bei der
Matrixadressierung komplexer Anzeigen Probleme bewirken kann. Diese
Probleme können
durch ein Treiben jedes Pixels durch einen Dünnfilmtransistor (TFT; TFT
= thin film transistor) überwunden
werden, eine Herstellung großflächiger TFT-Arrays jedoch ist schwierig
und trägt
zu den Herstellungskosten bei.
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Eine
Anzahl bistabiler LC-Vorrichtungen wurde vorgeschlagen, bei denen
ein nematischer LC mehr als eine stabile Orientierung des Direktors
aufweist und zwischen zwei stabilen Zuständen umgeschaltet werden kann,
wenn er durch geeignete Signalverläufe adressiert wird.
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Das
U.S.-Patent mit der Nummer
4,333,708 offenbart
eine multistabile LC-Vorrichtung, in der ein Umschalten zwischen
stabilen Konfigurationen durch die Bewegung von Disklinationen ansprechend
auf elektrische Felder geschieht.
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In
der
WO 91/11747 und
der
WO 92/00546 ist
vorgeschlagen, eine bistabile Oberfläche durch sorgfältige Kontrolle
der Dicke und Verdampfung von SiO-Beschichtungen bereitzustellen.
Eine erste stabile planare Orientierung des Direktors könnte erhalten
werden und eine zweite stabile Orientierung, in der der Direktor
in einem Azimutwinkel (in der Ebene der Oberfläche) von 90° zu der ersten Orientierung
in der Ebene der Oberfläche
ist, und um etwa 30° geneigt.
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In
der
GB 2,286,467 wurde
vorgeschlagen, eine azimutale bistabile Oberfläche zu erzielen, indem eine
Bi-Gitteroberfläche
verwendet wird, in der der Direktor planar zu der Oberfläche ist
und zwei Oberflächenorientierungen
durch eine präzise
Steuerung der Abmessungen des Gitters stabilisiert sind.
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In „Mechanically
Bistable Liquid-Crystal Display Structures", R. N. Thurston u. a., IEEE Trans.
an Elec. Devices, Bd. ED-27, Nr. 11, November 1980, sind zwei bistabile
Nematischer-LC-Modi beschrieben, die „vertikal-horizontal" und „horizontal-horizontal" genannt werden.
In dem vertikal-horizontalen Modus werden beide Zellwände behandelt,
um grob eine 45°-Neigung
zu ergeben, was es ermöglicht, dass
die Direktoren zwischen zwei Zuständen in einer Ebene umgeschaltet
werden können,
die senkrecht zu den Hauptoberflächen
der Vorrichtung ist. In dem horizontal-horizontalen Modus ist der
Direktor zwischen zwei Winkeln in einer Ebene parallel zu den Hauptoberflächen der
Vorrichtung umschaltbar.
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Die
WO 97/14990 und
WO 99/34251 beschreiben
die Verwendung einer Mono-Gitteroberfläche mit einem homöotropen
lokalen Direktor, der zwei stabile Zustände mit unterschiedlichen Neigungswinkeln
innerhalb der gleichen Azimutebene besitzt. Die homöotrope Ausrichtung
wird durch Erzeugen des Monogitters in einer Schicht aus einem Material,
das eine spontane homöotrope
Orientierung bewirkt, oder praktischer durch Beschichten der Gitteroberfläche mit
einem eine homöotrope
Ausrichtung induzierenden Mittel, wie z. B. Lecithin, erzielt.
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Wir
haben herausgefunden, dass eine bistabile Nematischer-LC-Vorrichtung unter
Verwendung eines Array von Merkmalen aufgebaut sein könnte, die
so geformt sind, um es zu ermöglichen,
dass der Direktor einen von zwei Neigungswinkeln in im Wesentlichen
der gleichen Azimutrichtung annimmt. Die Zelle kann zwischen den
beiden Neigungszuständen durch
ein angelegtes elektrisches Feld umgeschaltet werden, um Informationen
anzuzeigen, die nach der Entfernung des Feldes fortdauern können.
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Der
Ausdruck „Azimutrichtung" wird hierin wie
folgt verwendet. Die Wände
einer Zelle sollen in der x,y-Ebene liegen, so dass die Normale
zu den Zellwänden
die z-Achse ist. Zwei Neigungswinkel in der gleichen Azimutrichtung
bedeutet zwei unterschiedliche Direktororientierungen in der gleichen x,z-Ebene,
wobei x als die Projektion des Direktors auf die x,y-Ebene gesehen
wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine bistabile Nematischer-Flüssigkristall-Vorrichtung
bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist:
eine erste
Zellwand und eine zweite Zellwand, die eine Schicht aus einem nematischen
Flüssigkristallmaterial
umschließen;
Elektroden
zum Anlegen eines elektrischen Feldes über zumindest einen Teil des
Flüssigkristallmaterials;
eine
Oberflächenausrichtung
auf der Innenoberfläche
zumindest der ersten Zellwand, die eine Ausrichtung mit den Flüssigkristallmolekülen schafft;
wobei
die Oberflächenausrichtung
ein Array von Merkmalen aufweist, die eine Form und/oder Orientierung
aufweisen, um zu induzieren, dass der Direktor benachbart zu den
Merkmalen zwei unterschiedliche Neigungswinkel in im Wesentlichen
der gleichen Azimutrichtung annimmt, und wobei die Merkmale nicht
mit einem Material behandelt oder aus einem Material gebildet sind,
das eine homöotrope
Ausrichtung induziert;
wobei die Anordnung derart ist, dass
zwei stabile Flüssigkristallmolekularkonfigurationen
vorliegen können,
nachdem geeignete elektrische Signale an die Elektroden angelegt
wurden.
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Wir
haben überraschend
herausgefunden, dass die Orientierung des Direktors durch die Geometrie
der Merkmale induziert wird, und nicht durch das Array oder Gitter.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen
die Merkmale eine Mehrzahl hochstehender Stützen auf. Die Merkmale könnten auch
Hügel,
Pyramiden, Kuppeln, Wände
und andere Kaps aufweisen, die geformt oder orientiert sind, um
es zu ermöglichen,
dass der LC-Direktor einen von zwei unterschiedlichen Neigungswinkeln
in im Wesentlichen der gleichen Azimutrichtung annehmen kann. Die
Erfindung ist im Folgenden aus Bequemlichkeit hinsichtlich Stützen beschrieben;
es wird jedoch darauf verwiesen, dass die Erfindung nicht auf dieses
Ausführungsbeispiel
eingeschränkt
ist. Die Ständer könnten im
Wesentlichen gerade Seiten aufweisen, die entweder normal oder geneigt
in Bezug auf die Hauptebenen der Vorrichtung sind, oder die Stützen könnten eine
gekrümmte
oder unregelmäßige Oberflächenform
oder Konfiguration aufweisen.
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Der
Direktor neigt dazu, sich lokal in einer Orientierung auszurichten,
die von der spezifischen Form der Stütze abhängt. Für ein Array quadratischer Stützen könnte sich
der Direktor entlang einer der beiden Diagonalen der Stützen ausrichten.
Wenn eine andere Form ausgewählt
wird, könnte
es mehr als zwei Azimutrichtungen geben, oder nur eine. Eine gleichseitige
dreieckige Stütze
zum Beispiel kann drei Richtungen induzieren, die im Wesentlichen
entlang der Winkelhalbierungslinien sind. Eine ovale oder Rautenform,
bei der eine Achse länger
ist als die anderen, könnte
eine einzelne lokale Direktororientierung induzieren, die die Azimutrichtung
definiert. Es ist zu erkennen, dass eine derartige Orientierung durch
einen sehr breiten Bereich von Stützenformen induziert werden
kann. Ferner ist es durch Neigen einer Quadratstütze entlang einer der Diagonalen möglich, eine
Richtung gegenüber
einer anderen zu bevorzugen. Ähnlich
kann ein Neigen einer zylindrischen Stütze eine Ausrichtung in der
Neigungsrichtung induzieren.
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Da
die lokale Direktororientierung durch die Geometrie der Stützen bestimmt
ist, muss das Array kein regelmäßiges Array
sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Stützen
in einem zufälligen
oder pseudozufälligen
Array und nicht in einem regelmäßigen Gitter
angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil eines Beseitigens von
Beugungsfarben, die aus der Verwendung regelmäßiger Strukturen resultieren
könnten.
Ein derartiges Array kann als Diffusor wirken, der den Bedarf nach
einem externen Diffusor in einigen Anzeigen beseitigen könnte. Natürlich könnte, wenn
eine Beugungsfarbe in der Anzeige erwünscht ist, das Array regelmäßig hergestellt
werden und die Stützen
könnten
in Intervallen beabstandet sein, die die erwünschte Interferenzwirkung erzeugen.
So könnte
die Struktur separat optimiert werden, um die erforderliche Ausrichtung
zu ergeben und auch die optische Wirkung, die aus einer texturierten
Oberfläche
resultiert, zu lindern oder zu verbessern.
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Die
Stützen
könnten
durch ein beliebiges geeignetes Mittel gebildet werden; wie z. B.
durch Photolithographie, Prägen,
Gießen,
Spritzgießen
oder Übertragung
von einer Trägerschicht.
Es ist nicht nötig,
die Oberflächen
mit einer Beschichtung zu behandeln, um eine homöotrope Ausrichtung zu induzieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird ein bestimmtes Maß an
Verdrehung in dem LC-Direktor induziert, was die optischen Charakteristika
der Vorrichtung verbessern könnte.
Die Verdrehung könnte durch
ein Verwenden von LC-Materialien, die chiral sind, oder die chiral
dotiert wurden, induziert werden. Zusätzlich oder alternativ könnte eine
Verdrehung durch Behandeln der Innenoberfläche der zweiten Zellwand, um
eine planare oder geneigte planare Ausrichtung zu induzieren, die
in einem Winkel ungleich Null in Bezug auf die Azimutrichtung ist,
die durch die Merkmale auf der ersten Zellwand induziert wird, induziert
werden.
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Die
zweite Zellwand ist vorzugsweise behandelt, um eine homöotrope lokale
Ausrichtung zu induzieren, die durch bekannte Oberflächenbehandlungen,
wie z. B. Lecithin oder einen Chromkomplex, erzielt werden kann.
Bei diesem Modus ist es ebenso wünschenswert,
einen nematischen LC mit negativer dielektrischer Anisotropie zu
verwenden, um ein Umschalten von einem Zustand mit weniger Energie
und großer
Neigung in einen Zustand mit größerer Energie
und wenig Neigung zu erleichtern. Wir haben jedoch herausgefunden,
dass eine planare Ausrichtung auch ein bistabiles Umschalten zwischen
optisch unterschiedlichen Zuständen
erlaubt. Die planare Ausrichtung wurde unter Verwendung eines Mono-Gitters auf der zweiten
Oberfläche
erzielt, wobei die Rillen parallel zu der bevorzugten Richten auf
der anderen Oberfläche
ausgerichtet sind. Nematische Flüssigkristalle
mit positiver dielektrischer Anisotropie können ebenso verwendet werden.
Aus Bequemlichkeit ist die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme
auf eine homöotrope
Ausrichtung auf der zweiten Zellwand beschrieben, es ist jedoch
zu erkennen, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
eingeschränkt
ist.
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Bei
Gebrauch ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Unterscheiden
zwischen Schaltzuständen
des Flüssigkristallmaterials
versehen. Ein Polarisator und ein Analysator könnten z. B. auf beiden Seiten
der LC-Zelle in einer Art und Weise befestigt sein, die Fachleuten
auf dem Gebiet der LCD-Herstellung gut bekannt ist. Zwischen gekreuzten
Polarisatoren erscheint der Zustand mit großer Neigung dunkel und der
Zustand mit kleiner Neigung erscheint aufgrund seines erhöhten Doppelbrechens hell.
Alternativ könnte
ein pleochroitischer Farbstoff in dem LC-Material gelöst sein und
ein einzelner Polarisator könnte
wahlweise an der Zelle befestigt sein. Die Vorrichtung könnte jedoch
ohne Polarisatoren oder andere Unterscheidungsmittel hergestellt
und verkauft werden.
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Die
Stützen
könnten
eine beliebige Höhe
besitzen, die es ermöglicht,
dass das LC-Material zwei unterschiedliche Neigungszustände annehmen kann.
Diese Höhen
unterscheiden sich mit unterschiedlichen LC-Materialien und Zellcharakteristika. Ein
bevorzugter Höhenbereich
beträgt
0,5 bis 5 μm, insbesondere
0,9 bis 1,5 μm
(für einen
Zellzwischenraum von etwa 3 μm).
Wenn die Stützen
zu niedrig sind, herrscht tendenziell eine planare Orientierung vor,
während,
wenn die Stützen
zu hoch sind, eine große
Neigung oder homöotrope
Orientierung vorherrscht.
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Die
Stützen
könnten
eine beliebige geeignete Breite (Größe) besitzen. Ein bevorzugter
Breitenbereich beträgt
0,2 bis 3 μm.
Die Stützen
sind vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 μm voneinander beabstandet.
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Die
Stützen
könnten
nur an einer Zellwand vorgesehen sein oder sie könnten wahlweise an beiden Zellwänden vorgesehen
sein.
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Die
Ausrichtungsstützen
könnte
wahlweise mit höheren
Stützen
zur Bereitstellung einer Zellbeabstandung durchsetzt sein.
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Die
Zellwände
könnten
aus Glas gebildet sein, oder aus einem starren oder nicht starren Kunststoffmaterial,
wie z. B. PES, PET, PEEK oder Polyamid.
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Es
wird bevorzugt, dass eine Elektrodenstruktur (typischerweise ein
transparenter Leiter, wie z. B. Indiumzinnoxid) auf der Innenoberfläche jeder Zellwand
in einer bekannten Weise vorgesehen ist. Die erste Zellwand könnte z.
B. mit einer Mehrzahl von „Zeilen"-Elektroden versehen
sein und die zweite Zellwand könnte
mit einer Mehrzahl von „Spalten"-Elektroden versehen
sein. Es wäre
jedoch auch möglich,
planare (ineinandergreifende) Elektrodenstrukturen auf nur einer
Wand bereitzustellen, vorzugsweise der ersten Zellwand.
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Die
Innenoberfläche
der zweiten Zellwand könnte
eine geringe Oberflächenenergie
besitzen, so dass die eine geringe oder gar keine Tendenz zeigt, einen
bestimmten Typ von Ausrichtung zu bewirken, so dass die Ausrichtung
des Direktors im Wesentlichen durch die Merkmale auf der ersten
Zellwand bestimmt wird. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Innenoberfläche der
zweiten Zelle mit einer Oberflächenausrichtung
versehen ist, um eine erwünschte Ausrichtung
des lokalen Direktors zu induzieren. Die Ausrichtung könnte homöotrop, planar
oder geneigt sein. Die Ausrichtung könnte durch ein Array von Merkmalen
mit geeigneter Form und/oder Orientierung bereitgestellt werden,
oder durch herkömmliche Mittel,
zum Beispiel Reiben, Photoausrichtung, ein Mono-Gitter oder durch Behandeln der Oberfläche der
Wand mit einem Mittel, um eine homöotrope Ausrichtung zu induzieren.
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Die
Form und/oder Orientierung der Merkmale ist vorzugsweise derart,
um nur eine Azimutdirektororientierung benachbart zu den Merkmalen
zu begünstigen.
Die Orientierung könnte
für jedes
Merkmal die gleiche sein oder die Orientierung könnte von Merkmal zu Merkmal
variieren, um so in einem der beiden Zustände eine Streuwirkung zu ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine einzelne Stütze und den umgebenden LC gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Ellipsen die LC- Moleküle darstellen, wobei die lange
Achse dem lokalen Direktor entspricht;
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2 schematische
Ansichten eines Querschnitts durch eine einzelne Stütze und
den umgebenden LC einer bistabilen nematischen Vorrichtung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung entlang einer der Diagonalen einer
Stütze
in unterschiedlichen Zuständen;
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3 schematische
Ansichten eines Querschnitts durch eine einzelne Stütze und
den umgebenden LC einer bistabilen nematischen Vorrichtung gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung entlang einer der Diagonalen
einer Stütze
in unterschiedlichen Zuständen;
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4 eine
Draufsicht einer Elementarzelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Stützen
in einem pseudozufälligen
Array;
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5 und 6 eine
Veränderung
einer Übertragung
einer experi mentellen Zelle gemäß der Erfindung
als eine Funktion von Pulslänge
und Amplitude zum Umschalten zwischen zwei Zuständen;
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7 bis 10 SEM-Mikrophotographien von
Arrays von Stützen,
die in der Herstellung von Flüssigkristallvorrichtungen
gemäß der Erfindung verwendet
werden; und
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11 und 12 Ansichten
unterschiedlicher Arrays von Merkmalen von Vorrichtungen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
bistabile nematische Zelle, die schematisch in 2 gezeigt
ist, weist eine erste Zellwand 2 und eine zweite Zellwand 4 auf,
die eine Schicht aus nematischem LC-Material mit negativer dielektrischer
Anisotropie umschließen.
Die Moleküle
des LC sind als Ellipsen dargestellt, wobei die lange Achse den
lokalen Direktor anzeigt. Die Innenoberfläche jeder Zellwand ist in einer
bekannten Art und Weise mit einer transparenten Elektrodenstruktur
versehen, z. B. Zeilenelektroden 12 auf der ersten Zellwand 2 und Spaltenelektroden 14 auf
der zweiten Zellwand 4.
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Die
Innenoberfläche
der ersten Zellwand 2 ist mit einem regelmäßigen Array
quadratischer Stützen 10 versehen
und die Innenoberfläche
der zweiten Zellwand 4 ist flach. Die Stützen 10 sind
etwa 1 μm
tief und der Zellzwischenraum beträgt typischerweise 3 μm. Die flache
Oberfläche
ist behandelt, um eine homöotrope
Ausrichtung zu ergeben. Die Stützen
sind nicht homöotrop
behandelt.
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Ein
derartiges Array quadratischer Stützen weist zwei bevorzugte
Ausrichtungsrichtungen in der Azimutebene auf. Sie sind entlang
der beiden Diagonalen der Stütze. 1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Stütze,
wobei der LC um dieselbe herum verzerrt ist, von einer Ecke zu der
diagonal gegenüberliegenden.
Diese Ausrichtung um die Stütze
bildet tendenziell den Keim des LC oberhalb der Stütze, derart,
dass die durchschnittliche Orientierung ebenso entlang dieser Diagonalen
ist.
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Durch
ein Neigen der Stützen
entlang einer der Diagonalen (2) ist es
möglich,
diese Ausrichtungsrichtung zu bevorzugen. Durch eine Computersimulation
dieser Geometrie haben wir herausgefunden, dass, obwohl nur eine
Azimutausrichtungsrichtung vorliegt, es tatsächlich zwei Zustände mit ähnlichen
Energien gibt, die sich jedoch dadurch unterscheiden, wie stark
sich der LC neigt. 2 ist eine Schematik der beiden
Zustände.
In einem Zustand (in 2 links gezeigt) ist der LC
stark geneigt und in dem anderen ist er um die Stützen herum
planar. Die genaue Natur der LC-Orientierung hängt von den Details der Struktur
ab, für
einen Bereich von Parametern jedoch gibt es zwei unterschiedliche
Zustände mit
unterschiedlichen Beträgen
einer Neigung weg von der Zellnormalen. Die beiden Zustände können durch
ein Betrachten durch einen Polarisator 8 und einen Analysator 6 unterschieden
werden. Der Zustand mit geringer Neigung besitzt eine hohe Doppelbrechung
und der Zustand mit großer
Neigung besitzt eine geringe Doppelbrechung. Ein ausreichendes Neigen
der Stützen
entlang der Diagonalen dient auch dazu, Rückneigungszustände zu beseitigen. Vorzugsweise
sind die Stützen
abhängig
von der Natur des LC und dem Zellzwischenraum um zumindest 5° geneigt.
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Ohne
den Schutzbereich der Erfindung im Geringsten einzuschränken, glauben
wir, dass die beiden Zustände
aufgrund der Art und Weise, in der der LC-Direktor durch die Stütze verformt
wird, entstehen könnten.
Das Fließen
um eine Stütze
herum bewirkt Regionen mit großer
Energiedichte an der vorderen und der hinteren Kante der Stütze, wo
eine scharfe Richtungsänderung
vorliegt. Dies ist in 1 an der unteren linken und
oberen rechten Ecke der Stütze
zu sehen. Diese Energiedichte ist reduziert, wenn die LC-Moleküle geneigt
sind, da eine weniger starke Richtungsänderung vorliegt. Dies liegt
klar in der Grenze, dass die Moleküle in der gesamten Zelle homöotrop sind.
In diesem Fall gibt es keine Region mit großer Verzerrung an den vertikalen
Kanten. In dem Zustand mit größerer Neigung
wird diese Verformungsenergie deshalb reduziert, jedoch auf Kosten einer
höheren
Biege-/Abschrägungsverformungsenergie
an der Basis der Stützen.
Der LC, der mit der flachen Oberfläche in Kontakt steht, zwischen
Stützen
ist nicht geneigt, erfährt
jedoch eine scharfe Richtungsänderung,
wenn er die Neigung um die Stütze
herum annimmt.
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In
dem Zustand mit geringer Neigung ist die Energie in dem entgegengesetzten
Sinn ausgeglichen, wobei die starke Verformung um die vordere und
hintere Kant der Stütze
herum durch den Mangel der Biege-/Abschrägungsverformung an der Basis der
Stützen
teilweise ausgeglichen wird, da die Neigung um die Stütze herum
einheitlich ist. Unsere Computersimulationen legen nahe, dass für die gegenwärtige Konfiguration
der Zustand mit größerer Neigung
der Zustand mit weniger Energie ist.
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Dies
wird durch die Ergebnisse einer Computersimulation und in tatsächlichen
Zellen gestützt. Bei
Betrachtung in einem geeigneten Winkel zwischen gekreuzten Polarisatoren
kühlen
die Zellen immer in den dunkleren der beiden Zustände ab.
Aus 2 wäre
zu erkennen, dass der Zustand mit hoher Neigung ein geringeres Doppelbrechen
aufweist und deshalb dunkler erscheint als der Zustand mit geringer
Neigung. Die genaue Neigungsmenge in dem Zustand mit großer Neigung
ist eine Funktion der elastischen Konstanten des LC-Materials und
der planaren Verankerungsenergie des Stützenmaterials.
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Bezug
nehmend auf 3 ist ein computererzeugtes
Modell der LC-Ausrichtung um eine viereckige Stütze herum, die derjenigen ähnelt, die
in 2 gezeigt ist, gezeigt, wobei die Innenoberfläche der
zweiten Zellwand jedoch behandelt ist, um eine planare Ausrichtung
zu ergeben. In dem Zustand, der in 3 links
gezeigt ist, ist der lokale Direktor stark geneigt und in dem anderen
ist er um die Stützen
herum planar. Wie bei der Zelle aus 2 wird ein
Umschalten zwischen den beiden Zuständen durch das Anlegen geeigneter
elektrischer Signale erzielt.
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4 zeigt
ein pseudozufälliges
Array von Stützen
für ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das ein bistabiles Umschalten ohne Interferenzeffekte
schafft. Jede quadratische Stütze
beträgt
etwa 0,8 × 0,8 μm und das
pseudozufällige
Array besitzt eine Wiederholungslänge von 56 μm.
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Zellherstellung
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Ein
sauberes Glassubstrat 2, das mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtet
ist, wurde genommen und Elektrodenstrukturen 12 wurden
unter Verwendung von herkömmlichen
Lithographie- und Nassätzprozeduren
gebildet. Das Substrat wurde mit einem geeigneten Photoresist (Shipley
S1813) auf eine letztendliche Dicke von 1,4 μm aufgeschleudert.
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Eine
Photomaske (Compugraphics International PLC) mit einem Array quadratischer
undurchlässiger
Regionen in einem quadratischen Array wurde. in festen Kontakt mit
dem Substrat gebracht und eine geeignete UV-Quelle wurde verwendet,
um das Photoresist 10 Sekunden lang mit etwa 100 mW/cm2 zu belichten. Das Substrat wurde unter
Verwendung von Microposit Developer in einer Verdünnung von
1:1 mit entionisiertem Wasser etwa 20 Sekunden lang entwickelt und
trocken gespült.
Das Substrat wurde unter Verwendung einer UV-Quelle mit 365 nm 3
Minuten lang mit 30 mW/cm2 flutbelichtet
und bei 85°C 12
Stunden lang gehärtet.
Das Substrat wurde dann einer Tiefen-UV-Härtung unter Verwendung einer UV-Quelle
mit 254 nm bei etwa 50 mW/cm2 über 1 Stunde
unterzogen. Durch ein Belichten durch die Maske unter Verwendung
einer UV-Quelle in einem versetzten Winkel zu der Normalen zu der
Ebene der Zellwand konnten geneigte Stützen erzeugt werden. Der Neigungswinkel
(oder Blaze-Winkel)
ist durch das Snelliussche Gesetz auf den Versatzwinkel bezogen.
Eine Belichtung mit dem Entwickler beeinflusst auch die Form der
Stützen.
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Ein
zweites sauberes ITO-Substrat 4 mit Elektrodenstrukturen 14 wurde
in einer bekannten Art und Weise genommen und behandelt, um eine homöotrope Ausrichtung
des Flüssigkristalls
unter Verwendung eines Stearylcarboxychrom-Komplexes zu ergeben.
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Eine
LC-Testzelle wurde durch Zusammenbringen der Substrate unter Verwendung
geeigneter Abstandskugeln (Micropearl), die in einem UV-Aushärtkleber
(Norland Optical Adhesives N73) beinhaltet sind, um die Peripherie
der Substrate 2, 4 gebildet und unter Verwendung
einer UV-Quelle mit 365 nm ausgehärtet. Die Zelle wurde kapillarmäßig mit
einer nematischen Flüssigkristallmischung
(Merck ZLI 4788-000) gefüllt.
Verfahren zum Beabstanden, Zusammenbauen und Füllen von LC-Zellen sind Fachleuten
auf dem Gebiet der LCD-Herstellung
bekannt und derartige herkömmliche
Verfahren könnten
auch bei dem Beabstanden, Zusammenbauen und Füllen von Vorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden.
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Experimentelle Ergebnisse
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Die 5 und 6 zeigen
die Umschaltantwort einer bistabilen Zelle, aufgezeichnet bei 42,5°C. Die Zelle
hatte die folgenden Merkmale:
Beabstandung: 3 μm
Stützenhöhe: 1,4 μm
Zwischenraum
zwischen Stützen:
0,7 μm
Versatzwinkel:
12°
LC:
ZLI 4788-000 (Merck), dotiert mit 3% N65 (Norland).
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Es
hat sich herausgestellt, dass das Zugeben einer kleinen Menge eines
Oberflächenaktivmittel-Oligomers
zu dem LC das Umschalten verbesserte. Es ist bekannt, dass das Umschalten
in herkömmlichen
LC-Vorrichtungen durch die Zugabe von Oberflächenaktivmittel-Oligomeren
zu dem LC verbessert werden kann. Siehe z. B. G. P. Bryan-Brown,
E. L. Wood und I. C. Sage, Nature, Bd. 399, Seite 338, 1999. Wir
haben den LC mit UV-aushärtbarem
Kleber N65 (von Norland) dotiert und denselben ausgehärtet, während er
in der isotropen Phase war. Der dotierte LC wurde dann massengefiltert,
um die längerkettigen
Längen
zu entfernen. Wir haben herausgefunden, dass ein Zugeben von 3 Gew.-%
N65 zu dem LC optimal war.
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Gleichstromsymmetrische
monopolare Pulse wurden an die Zelle angelegt und die Wirkung auf die Übertragung
wurde aufgezeichnet. Jeder Testpuls besaß eine Amplitude V und eine
Dauer τ und ihm
folgte ein weiterer Puls mit entgegengesetzter Polarität, jedoch
mit einer Amplitude von etwa 5 % von V, jedoch einer Dauer, die
20 mal länger
war. Der zweite Puls war zu klein, um ein Umschalten zu bewirken,
verhinderte jedoch einen Ladungsaufbau in der Zelle nach vielen
Testpulsen. Die 5 und 6 zeigen
die Veränderung
einer Übertragung
als eine Funktion der Pulslänge
und Amplitude. 5 zeigt Ergebnisse für ein Umschalten
von dem Zustand mit hoher Energie in den Zustand mit geringer Energie
und 6 zeigt Ergebnisse zum Umschalten in der entgegengesetzten
Richtung. Schwarz zeigt an, dass sich die Übertragung verändert hatte, so
dass die Zelle umgeschaltet wurde. Weiß zeigt keine Veränderung
bei der Übertragung
an, so dass kein Umschalten stattfand.
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Das
Umschalten von dem Zustand mit hoher Energie in den Zustand mit
niedriger Energie ist allgemein vorzeichenunabhängig, was anzeigt, dass in dieser
Richtung ein Umschalten über
die dielektrische Anisotropie stattfindet. Ein Umschalten in der anderen
Richtung ist vorzeichenabhängig,
was anzeigt, dass das Umschalten durch einen linearen elektrooptischen
Effekt vermittelt wird. Wir glauben, dass dies wahrscheinlich der
flexoelektrische Effekt ist. In 5 fällt die
Nichtumschaltregion mit der Umschaltregion in 6 zusammen.
Dies legt nahe, dass ein Umschalten von dem Zustand mit hoher Energie
in den Zustand mit niedriger Energie durch den flexoelektrischen
Effekt erschwert wird.
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In
einer Serie weiterer Experimente haben wir die Zellparameter variiert,
um ein Stückchen
in Richtung Optimierung der Umschaltcharakteristika der Vorrichtung
zu gehen. Eine bevorzugte Zellstruktur ist die folgende: Zellzwischenraum
3 μm; Pfostengröße 1 μm; Versatzwinkel
5° entlang
einer der Diagonalen der Stütze;
1,1 μm-Beschichtung
mit s1813; N65-Anfangskonzentration
3 %.
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SEM-Studion von Stützenarrays
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SEMs
von experimentellen Stützenarrays, die
unter Verwendung von Masken mit quadratischen Löchern gebildet sind, sind in
den 7 bis 10 gezeigt. Die Stützen in
den 7 und 8 wurden unter Verwendung von
viereckigen undurchsichtigen Regionen mit 0,7 μm, 90 % s1813 und einem Versatzwinkel
von 5° gebildet.
Der aufmerksame Leser wird erkennen, dass die „viereckigen" Stützen mit
0,7 μm nicht
sehr viereckig sind und ziemlich abgerundete Oberseiten aufweisen.
Die Basen der Stützen
sind viel weniger abgerundet als die Oberseiten der Stützen. Dies
ist konsistent damit, dass die Abrundung durch den Entwicklungsvorgang
bedingt ist. Die Oberseiten der Stützen sind dem Entwickler für eine längere Zeit
ausgesetzt als die Basen. Sie sind deshalb anfälliger für einen Angriff. Selbst das
nicht ausgesetzte Resist, das die Stützen bildet, weist eine bestimmte
endliche Löslichkeit
in dem Resist auf und der Effekt ist der, scharfe Merkmale, wie
z. B. Ecken, zuerst anzugreifen. Große Stützen zeigen viel weniger Abrundung; 9 z.
B. zeigt einige Stützen
mit 2 μm.
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Das
andere Merkmal, das in den 7 und 8 besonders
offensichtlich ist, sind die Welligkeiten an den Seiten der Stützen hoch.
Man glaubt, dass dies durch eine Interferenz von Licht, das von
dem Substrat reflektiert wird, bedingt ist, da diese Arrays von
Stützen
durch einen 442 nm-Laserstrahl
belichtet wurden. Der Effekt ist in Gittern, die mit einem Maskenausrichter
belichtet wurden, der eine UV-Lampe verwendet, die mehrere Wellenlängen emittiert,
die inkohärent
sind, viel weniger offensichtlich, was den Effekt einer Interferenz
reduziert. Diese Welligkeiten scheinen das Umschalten nicht zu beeinflussen.
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Ein
weiteres interessantes Merkmal von den SEMs ist die Abwesenheit
von Überhängen bei
sogar den am stärksten
geblazten Stützen, 10 z.
B. zeigt einige 0,7 μm-Stützen, die
mit 30° belichtet
werden, ohne wesentlichen Überhang.
Wieder glauben wir, dass mögliche Überhänge sehr
anfällig
für einen Angriff
durch den Entwickler wären.
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Computersimulationen mit abgerundeten
Stützen
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Wir
haben Computermodelle erzeugt, die den abgerundeten 0,7 μm-Stützen der 7 und 8 sehr ähnlich sehen.
Obwohl die Stützen
alles andere als die idealisierten viereckigen Stützen sind, die
wir bei vorherigen Simulationen verwendet hatten, geben diese realistischeren
Stützen
dennoch die gleichen Zustände,
ausgerichtet entlang der geblazten Diagonalen, jedoch mit zwei unterschiedlichen Beträgen einer
Neigung. Die Energien der beiden Zustände sind etwas geringer als
zuvor, der geneigte Zustand jedoch hat noch immer die geringste
Energie. Es scheint, dass es nicht wesentlich ist, dass scharfe
Kanten zu den Stützen
vorliegen. Man glaubt, dass die beiden Zustände aufgrund der Art und Weise
entstehen, in der der LC um eine Stütze herum verzerrt ist (wie
zuvor erläutert
wurde). Dies gilt, wie auch immer die Form des Querschnitts der Stütze ist.
Sogar zylindrische Stützen
sollten die gleichen beiden Zenitausrichtungen ergeben. Mit einer zylindrischen
Symmetrie jedoch gibt es nichts, um die Azimutausrichtung des LC
zu fixieren – alle
Richtungen werden entartet sein. Die Stützen müssen eine bestimmte Asymmetrie
besitzen, um diese Entartung aufzuheben. Dies könnte z. B. ein elliptischer,
rautenförmiger
oder quadratischer Querschnitt mit einer kleinen Menge an Blaze
sein. Beispiele elliptischer Stützen
sind in 11 gegeben, wobei die auf der rechten
Seite einen Überhang
aufweisen. Unter Bezugnahme auf 12 sind Beispiele
gezeigt, in denen die Form und/oder Orientierung der Stützen derart
ist, um nur eine Azimutdirektororientierung benachbart zu den Stützen zu
begünstigen.
Bei dem Ausführungsbeispiel
auf der linken Seite in 12 variiert
diese Orientierung von Stütze
zu Stütze,
um so in einem der beiden Zustände
einen Streueffekt zu ergeben. Bei dem Ausführungsbeispiel, das auf der rechten
Seite von 12 gezeigt ist, ist die Azimutdirektororientierung über die
Anzeige einheitlich, der Neigungswinkel der Stützen variiert jedoch, was eine Grauskala
liefern könnte.