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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. Die
zweiteilige Form von Anspruch 1 basiert auf der
WO 01/40853 , die eine ähnliche
Anzeigetechnologie beschreibt, in der kleine Ausrichtungsbereiche
mit lokaler homöotroper
Ausrichtung durch eine Mehrzahl von Oberflächenmerkmalen, wie z. B. Gitterbereichen,
Vorsprüngen
oder Blindlöchern,
gebildet sind und durch Bereiche mit monostabiler Ausrichtung getrennt
sein könnten.
Innerhalb jedes Bereichs liegt eine abgestufte Variation vor, so
dass die Streumenge von der Amplitude einer angelegten Spannung
abhängt,
was so einen Grauskalaeffekt ergibt.
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In
der
EP 1 139 154 (nach
dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht)
hat die vorliegende Anmelderin die Verwendung eines Arrays von Oberflächenausrichtungsmerkmalen
zur Bereitstellung einer bistabilen nematischen Anzeige beschrieben.
Die Merkmale könnten
Stützen
sein, um die PABN-Anzeige (PABN = Post Aligned Bistable Nematic
= stützen-ausgerichtet
bistabil nematisch) bereitzustellen.
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Wir
haben herausgefunden, dass eine bistabile Nematischer-LC-Vorrichtung unter
Verwendung einer Ausrichtungsschicht aufgebaut sein könnte, die eine
im Wesentlichen planare lokale Ausrichtung induziert und die ein
Array von Löchern
aufweist, 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
Ausrichtungsschicht an der Innenoberfläche zumindest der ersten Zellwand,
die ein Material aufweist, das eine Oberfläche aufweist, deren chemische
Natur derart ist, um zu bewirken, dass benachbarte Flüssigkristallmoleküle eine
im Wesentlichen planare Ausrichtung annehmen; wobei die Ausrichtungsschicht
ein Array von Löchern
in derselben aufweist, die eine Form und/oder Orientierung aufweisen,
um zu induzieren, dass der Direktor benachbart zu jedem Loch zwei
unterschiedliche Neigungswinkel in im Wesentlichen der gleichen
Azimutrichtung annimmt;
wobei die Anordnung derart ist, dass
zwei stabile Flüssigkristallmolekularkonfigurationen
vorliegen können,
nachdem geeignete elektrische Signale an die Elektroden angelegt
wurden.
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Die
Erfindung stellt eine robuste Anzeigevorrichtung mit einem relativ
schnellen bistabilen Umschalten bereit. Spannungspulse mit einer
Dauer von etwa 50 μs
sind zum Bewirken eines Umschaltens geeignet.
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Wir
haben überraschend
herausgefunden, dass die Orientierung des Direktors durch die Geometrie
der Löcher
induziert wird, und nicht durch das Array oder Gitter.
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Die
Löcher
könnten
im Wesentlichen gerade Seiten aufweisen, entweder normal oder geneigt
in Bezug auf die Hauptebenen der Vorrichtung, oder die Löcher 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 des Lochs abhängt. Für ein Array quadratischer Löcher könnte sich
der Direktor entlang einer der beiden Diagonalen der Quadrate ausrichten.
Wenn eine andere Form ausgewählt
wird, könnte
es mehr als zwei Azimutrichtungen geben, oder nur eine. Ein gleichseitiges
dreieckiges Loch kann drei Richtungen induzieren, die im Wesentlichen
entlang der Winkelhalbierungslinie 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 Lochformen induziert werden kann.
Ferner ist es durch Neigen eines Quadratlochs entlang einer der
Diagonalen möglich,
eine Richtung gegenüber
einer anderen zu bevorzugen. Ähnlich kann
ein Neigen eines zylindrischen Lochs eine Ausrichtung in der Neigungsrichtung
induzieren.
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Da
die lokale Direktororientierung durch die Geometrie der Löcher bestimmt
ist, muss das Array kein regelmäßiges Array
sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Löcher
in einem zufälligen
oder pseudozufälligen
Array und nicht in einem regelmäßigen Gitter
angeordnet. Bei einem regelmäßigen Gitter
ist die Beabstandung zwischen benachbarten Merkmalen konstant. In
einem zufälligen
Array kann die Beabstandung zwischen einem bestimmten Paar benachbarter
Merkmale nicht aus der Beabstandung eines der anderen Merkmale in dem
Array vorhergesagt werden. In einem pseudozufälligen Array kann die Beabstandung
eines bestimmten Paars benachbarter Merkmale nicht ohne weiteres
aus der Beabstandung anderer nahe gelegener Merkmale ohne Kenntnis des
Vorgangs, der verwendet wird, um die Beabstandung zu erzeugen, vorhergesagt
werden, es könnte
jedoch ein umfangreiches sich wiederholendes Muster geben. Die Erzeugung
zufälliger
und pseudozufälliger
Zahlen mit erwünschten
Eigenschaften ist bekannt, z. B. in der Technik der Kryptographie,
Statistik und Computerprogrammierung. Ein exemplarischer Vorgang
zum Erzeugen eines pseudozufälligen
Arrays bestünde darin,
mit einem regelmäßig beabstandeten
Array zu beginnen und jedes Merkmal um einen pseudozufälligen Bruchteil
der regelmäßigen Beabstandung
zu bewegen. 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 Löcher
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
Ausrichtungsschicht könnte
durchgehend oder nicht durchgehend sein. Sie ist vorzugsweise aus
einem dielektrischen Material gebildet, um eine Leitung zwischen
benachbarten Elektrodenstrukturen auf der ersten Zellwand zu verhindern.
Die Ausrichtungsschicht könnte
jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien gebildet sein, wie
z. B. einem leitenden Polymer oder einem Metall. Aus Bequemlichkeit
wird die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf eine Ausrichtungsschicht
beschrieben, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist.
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Die
Schicht und die Löcher
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 Oberflä chen,
die die Löcher
definieren, 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
Innenoberfläche
der zweiten Zellwand könnte
eine geringe Oberflächenenergie
aufweisen, so dass sie eine geringe oder 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 Zellwand mit einer Oberflächenausrichtung versehen ist,
um eine erwünschte Ausrichtung
des lokalen Direktors zu induzieren. Diese Ausrichtung könnte homöotrop, planar
oder geneigt sein. Die Ausrichtung könnte durch ein Array von Löchern bereitgestellt
werden, ähnlich
dem der ersten Zellwand, oder durch herkömmliche Mittel, wie z. B. Reiben,
Photoausrichtung, ein Mono-Gitter oder durch Behandeln der Oberfläche der
Wand mit einem Mittel, um eine homöotrope Ausrichtung zu induzieren.
Die zweite Zellwand ist vorzugsweise behandelt, um eine im Wesentlichen
homöotrope
lokale Ausrichtung zu induzieren. Eine homöotrope Ausrichtung kann durch
bekannte Oberflächenbehandlungen,
wie z. B. Lecithin, einen Chromkomplex oder ein homöotropes
Polyimid, erzielt werden. 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 herausgefunden, dass
ein bistabiles Umschalten bei Arrays von Löchern auf beiden inneren Zellwandoberflächen auftritt.
Mit geeigneten Elektrodenanordnungen sollte es möglich sein, ein Umschalten
mit LC-Materialien
mit positiver dielektrischer Anisotropie zu erhalten. Aus Bequemlichkeit
ist die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf ein negatives
LC-Material und 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. Bei Betrachtung zwischen
gekreuzten Polarisatoren, wobei die Azimutausrichtungsrichtung in
45° zu den
Polarisatoren ist, erscheint aufgrund seines erhöhten Doppelbrechens der Zustand
mit großer
Neigung dunkel und der Zustand mit kleiner Neigung erscheint 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
Löcher
könnten
eine beliebige Tiefe besitzen, die es ermöglicht, dass das LC-Material
zwei unterschiedliche Neigungszustände annehmen kann. Diese Tiefen
unterscheiden sich mit unterschiedlichen Lochformen und Breiten,
LC-Materialien und
Zellcharakteristika. Ein bevorzugter Tiefenbereich beträgt 0,5 bis
5 μm, insbesondere
0,9 bis 1,5 μm
für einen
Zellzwischenraum von etwa 3 μm.
Wenn die Löcher
flach sind, werden die Zustände
immer planarer und wenn die Löcher
tief sind, werden die Zustände
stärker
homöotrop.
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Die
Löcher
könnten
eine beliebige geeignete Breite (Größe) besitzen. Ein bevorzugter
Breitenbereich beträgt
0,2 bis 3 μm.
Die Löcher
sind vorzugsweise voneinander um zwischen 0,1 und 5 μm beabstandet.
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Die
Löcher
könnten
nur an einer Zellwand vorgesehen sein oder sie könnten wahlweise an beiden Zellwänden vorgesehen
sein.
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Die
Ausrichtungsschicht könnte
wahlweise mit Säulen
oder anderen Vorsprüngen
zur Bereitstellung einer Zellbeabstandung versehen sein. Herkömmliche
Beabstandungsmittel, die in der Technik bekannt sind, könnten eingesetzt
werden, um die Zellbeabstandung einzustellen, wie z. B. Mikrosphären oder
Glasfaserstücke.
Die Ausrichtungsschicht könnte
selbst die Beabstandung einstellen, so dass die Zelle im Wesentlichen
ein Sandwich der Ausrichtungsschicht zwischen der ersten und der
zweiten Zellwand, wobei der LC in den Löchern angeordnet ist, aufweist.
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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 einer oder
beiden Wänden
bereitzustellen, vorzugsweise nur der ersten Zellwand.
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Wo
das Material zwischen den Löchern
ein durchgehendes Netzwerk bildet, wäre es auch möglich, dass
sich Elektroden auf der Mikrostruktur befinden, sowie unter derselben,
wie in der
EP 1 067 425 gelehrt
ist.
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Die
Form und/oder Orientierung der Löcher ist
vorzugsweise derart, um nur eine Azimutdirektororientierung benachbart
zu den Merkmalen zu begünstigen.
Die Orientierung könnte
für jedes
Loch die gleiche sein oder die Orientierung könnte von Loch zu Loch variieren,
um so in einem der beiden Zustände
eine Streuwirkung zu ergeben.
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Es
ist bekannt, dass das Hinzufügen
einer kleinen Menge eines Oberflächenaktivmittel-Oligomers
zu einem LC das Umschalten verbessern kann. Siehe z. B. die
WO 99/18474 und G. P. Bryan-Brown, E.
L. Wood und I. C. Sage, Nature, Bd. 399, Seite 338, 1999. Wir erwarten,
dass die Zugabe eines geeigneten oberflächenaktiven Mittels auch ein
Umschalten einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
verbessert.
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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 bistabile LCD mit einem Array
von Löchern
zur Ausrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 und 3 SEM-Photomikrographien eines
Arrays von Löchern
in einer Ausrichtungsschicht, die geeignet zur Verwendung bei der
vorliegenden Erfindung ist;
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4 und 5 computererzeugte
Modelle einer LC-Ausrichtung in einem Zustand mit kleiner Neigung
bzw. einem Zustand mit großer
Neigung in Löchern
gemäß der Erfindung;
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6 modellierte
Neigungsprofile für
einen Zustand mit geringer Neigung und einen Zustand mit großer Neigung
als eine Funktion einer Entfernung durch eine Zelle;
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7 eine
Veränderung
des Durchlasses einer experimentellen Zelle gemäß der Erfindung als eine Funktion
einer Pulslänge
und Amplitude zum Umschalten von einem Zustand mit geringer Neigung in
einen Zustand mit hoher Neigung;
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8 ähnlich wie 7,
jedoch ein Umschalten von einem Zustand mit hoher Neigung in einen
Zustand mit geringer Neigung; und
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9 eine
Draufsicht einer Einheitszelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Löchern
in einem pseudozufälligen
Array.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
bistabile nematische Zelle, die schematisch in 1 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 Innenoberfläche jeder
Zellwand ist in einer bekannten Art und Weise mit einer transparenten
Elektrodenstruktur (nicht gezeigt) versehen, z. B. Zeileelektroden
auf der ersten Zellwand 2 und Spaltenelektroden auf der
zweiten Zellwand 4.
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Die
Innenoberfläche
der ersten Zellwand 2 ist mit einer Schicht 6 eines
dielektrischen Materials versehen, in der ein regelmäßiges Array
quadratischer Löcher 8 gebildet
ist, und die Innenoberfläche der
zweiten Zellwand 4 ist flach. Die Löcher 8 sind etwa 1 μm tief und
der Zellzwischenraum (Wand zu Wand) beträgt typischerweise 2 bis 4 μm. Die flache Oberfläche ist
behandelt, um eine homöotrope
Ausrichtung zu ergeben. Die Löcher 8 und
die Ausrichtungsschicht 6 sind nicht homöotrop behandelt.
Die chemische Natur der Oberfläche
ist derart, dass der LC eine im Wesentlichen planare Ausrichtung
benachbart zu der Oberfläche
annimmt. SEM-Photomikrographien eines experimentellen Arrays von
Löchern
in einer Ausrichtungsschicht sind in den 2 und 3 gezeigt.
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Ein
derartiges Array quadratischer Löcher weist
zwei bevorzugte Ausrichtungsrichtungen in der Azimutebene entlang
der beiden Diagonalen des Lochs auf. Diese Ausrichtung innerhalb
des Lochs pflanzt sich dann in den Großteil des LC oberhalb des Lochs
fort, derart, dass die durchschnittliche Orientierung ebenso entlang
dieser Diagonalen ist.
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Durch
ein Neigen der Löcher
entlang einer der Diagonalen 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. Die 4 und 5 sind computererzeugte
Modelle eines Querschnitts durch ein Loch, wobei der LC in den beiden
Zuständen
ist. Der Querschnitt ist in der x,z-Ebene. Die Ellipsen stellen
die LC-Moleküle
dar, wobei die lange Achse dem lokalen Direktor entspricht. Die
Lochtiefe beträgt
etwa 1 μm.
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In
einem Zustand (4) besitzt der LC eine geringere
Neigung und ist in der Mitte fast planar, und in dem anderen (5)
ist er stark geneigt. 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 12 und einen Analysator 10 unterschieden
werden. Der Zustand mit geringer Neigung besitzt eine hohe Doppelbrechung
und der Zustand mit großer
Neigung besitzt eine geringe Doppelbrechung. Ein Bereitstellen der Löcher mit
einem ausreichenden Blaze-Winkel entlang der Diagonalen dient ebenso
einer Beseitigung von Rückneigungszuständen. Vorzugsweise
beträgt der
Blaze-Winkel abhängig
von der Natur des LC und dem Zellzwischenraum zumindest 3°.
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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 das Loch
verformt wird, entstehen könnten.
Das Verformen um die Innenwände
eines Lochs herum bewirkt Regionen mit großer Energiedichte an dem vorderen
und dem hinteren vertikalen Rand des Lochs, wo eine scharfe Richtungsänderung
vorliegt. 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 dem gesamten Loch homöotrop sind.
In diesem Fall gibt es keine Region mit großer Verzerrung an den vertikalen
Rändern
der Löcher.
In dem Zustand mit größerer Neigung
wird diese Verformungsenergie deshalb reduziert, jedoch auf Kosten
einer höheren
Biege-/Abschrägungsverformungsenergie
an den Übergängen von
flachen Oberflächen
an der Unterseite der Löcher
und auf den Oberseiten der Wände
zwischen den Löchern. Der
LC, der mit diesen Oberflächen
in Kontakt steht, ist nicht geneigt, erfährt jedoch eine scharfe Richtungsänderung,
wenn er die Neigung des LC in dem Großteil der Zelle annimmt.
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In
dem Zustand mit geringer Neigung ist die Energie in dem entgegengesetzten
Sinn ausgeglichen, wobei die starke Verformung um den vorderen und
hinteren Rand des Lochs teilweise durch den Mangel der Biege-/Abschrägungsverformung
an den horizontalen Oberflächen
in und um das Loch herum ausgeglichen wird, da die Neigung innerhalb
des Lochs einheitlicher ist. Unsere Computersimulationen legen nahe,
dass für
die gegenwärtige
Konfiguration der Zustand mit größerer Neigung
der Zustand mit weniger Energie ist. Die genaue Menge an Neigung
in jedem Zustand ist eine Funktion der elastischen Konstanten des
LC-Materials und der Verankerungsenergie des Lochmaterials. Der
Ausdruck „horizontal" wird hierin verwendet,
um sich auf eine Oberfläche
zu beziehen, die im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen der
Zellwände
ist, und der Ausdruck „vertikal" wird verwendet,
um sich auf eine Richtung, die normal zu diesen Oberflächen ist,
zu beziehen.
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Bezug
nehmend auf 6 ist ein computererzeugtes
Modell von Neigungsprofilen für
die beiden Zustände
für unterschiedliche
Entfernungen durch eine 5 μm
dicke Zelle gezeigt. Wie zu sehen ist, reduziert sich der Neigungsunterschied
progressiv über den
Löchern
und läuft
bei 90° an
der zweiten Zellwand 4 zusammen, die als eine Behandlung
einer homöotropen
Ausrichtung aufweisend modelliert ist. Ein Umschalten zwischen den
beiden Zuständen wird
durch das Anlegen geeigneter elektrischer Signale erzielt.
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9 zeigt
ein pseudozufälliges
Array von Löchern
für ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das ein bistabiles Umschalten ohne Interferenzeffekte
schafft. Jedes quadratische Loch 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 mit einem geeigneten Photoresist (Shipley S1813) auf
eine letztendliche Dicke von 1,4 μm
aufgeschleudert. Unmittelbar nach dem Aufschleudern wurde das Substrat
auf einer Heizplatte 1 Minute lang bei 95°C vorgehärtet.
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Eine
Photomaske (Compugraphics International PLC) mit einem Array quadratischer
Durchlassregionen in einem quadratischen Array wurde in festem Kontakt
mit dem Substrat gebracht und eine geeignete kollimierte UV-Quelle
wurde verwendet, um das Photoresist 60 Sekunden lang mit 0,1 mW/cm2 zu belichten. Die verwendete Maske hatte
Quadrate mit einer Breite von 1,5 μm, die um 0,7 μm getrennt waren.
Das Substrat wurde unter Verwendung von Microposit Developer in
einer Verdünnung
von 1:1 mit entionisiertem Wasser etwa 60 Sekunden lang entwickelt
und trocken gespült.
Das Substrat wurde unter Verwendung einer UV-Quelle mit 365 nm 1
Minute lang mit 1 mW/cm2 flutbelichtet und
bei 85°C
1 Stunde 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, gefolgt durch ein Nachhärten in einem Vakuumofen. Die
Ofentemperatur betrug nicht mehr als 85°C, als das Substrat in demselben
platziert war. Die Temperatur wurde dann stufenförmig mit 3°C/Min auf 180°C erhöht und dort
1 Stunde lang gehalten, bevor sie langsam auf Umgebungstemperatur
gesenkt wurde. 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 Löcher erzeugt werden. Ein Versatzwinkel
von etwa 10° entlang
einer der Lochdiagonalen wurde verwendet. Der Neigungswinkel (oder
Blaze-Winkel) ist durch das Snelliussche Gesetz auf den Versatzwinkel
bezogen. Eine Belichtung mit dem Entwickler beeinflusst auch die
Form der Löcher.
Die letztendlichen Löcher
waren etwas breiter als die Maskenabmessungen, wahrscheinlich aufgrund
eines bestimmten Lichtleckens in die Wandregionen. Die in 3 gezeigte
Ausrichtungsschicht wurde gespalten, um die Form der Löcher besser
darzustellen.
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Ein
zweites sauberes ITO-Substrat 4 mit Elektrodenstrukturen
wurde in einer bekannten Art und Weise behandelt, um eine homöotrope Ausrichtung
des Flüssigkristalls
unter Verwendung eines Polyimids (Nissan 1211) zu ergeben. Das Polyimid
wurde durch Aufschleudern mit 4.000 U/min über einen Zeitraum von 30 Sekunden
aufgetragen. Für
ein Substrat mit einem 1 Zoll im Quadrat (25,4 mm) wurden etwa 100 μl aufgebracht,
während
das Substrat gedreht wurde. Das Substrat wurde auf einer Heizplatte bei
95°C 1 Minute
lang vorgehärtet
und dann 1 Stunde lang bei 180°C
nachgehärtet.
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Eine
LC-Testzelle wurde unter Verwendung geeigneter Abstandskugeln (Micropearl),
die in einem UV-Aushärtkleber
(Norland Optical Adhesives N73) beinhaltet sind, gebildet und unter
Verwendung einer UV-Quelle mit 365 nm ausgehärtet. Der Kleber wurde in einer
Region der Vorrichtung aufgetragen, in der kein Photoresist vorlag,
so dass die Zellbeabstandung zwischen dem bloßen ITO auf dem ersten Substrat 2 und
dem Polyimid auf dem zweiten Substrat 4 vorlag. Die Zelle
wurde kapillarmäßig mit
einer nematischen Flüssigkristallmischung
(Merck ZLI 4788-000) gefüllt.
Das Füllen
wurde mit dem LC in der isotropen Phase bei 95°C, gefolgt durch schnelles Abkühlen, erzielt.
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 7 und 8 zeigen
die Umschaltantwort einer bistabilen Zelle, aufgezeichnet bei 30°C. Die Zelle
hatte die folgenden Merkmale:
Zellzwischenraum: 3 μm
Lochtiefe:
1,4 μm
Lochbreite:
1,5 μm
Löcher sind
auf einem quadratischen Gitter mit einer Beabstandung von 0,7 μm zwischen
sich angeordnet
Versatzwinkel: 8° entlang einer der Diagonalen
der Löcher
LC:
ZLI 4788-000 (Merck).
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Monopolare
Pulse wurden an die Zelle angelegt und die Wirkung auf den Durchlass
wurde aufgezeichnet. Jeder Testpuls besaß eine Amplitude V und eine
Dauer τ.
Bevor jeder Testpuls an die Zelle angelegt wurde, wurde ein Rücksetzpuls
angelegt, um sicherzustellen, dass die Zelle immer in dem gleichen Zustand
begann. Der Durchlass wurde dann gemessen. Der Testpuls wurde dann
angelegt und der Durchlass erneut gemessen und mit dem Ausgangsdurchlass
verglichen. In den 7 und 8 zeigt Weiß Pulse
an, die keine Veränderung
des Durchlasses ergaben, und Schwarz zeigt Regionen an, die die Zellen
umschalteten. Das Umschalten ist vorzeichenabhängig, mit einer einfachen Schwelle.
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Beide
Zustände
sind extrem stabil. Ohne theoretisch eingeschränkt zu sein, glauben wird,
dass eine Einschränkung
auf Löcher
im Mikrometerbereich einen makroskopischen Fluss des LC einschränkt, was
die Vorrichtung sehr tolerant gegenüber mechanischer Verformung
macht.
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Unterschiedliche
quadratische Querschnitte wurden (jeweils mit einem Zwischenraum
von 0,7 μm zwischen
Quadraten) wie folgt ausprobiert: 0,7, 1,5, 2,0 und 3,0 μm. Die Breite
1,5 μm funktionierte
von den getesteten am besten. Zellzwischenräume (gemessen von ITO zu ITO)
von 3 und 5 μm
wurden ebenso getestet und funktionierten gut.