DE2948809A1

DE2948809A1 - The orientation of ordered liquids and their use in devices

Info

Publication number: DE2948809A1
Application number: DE792948809A
Authority: DE
Inventors: D Flanders; D Shaver; H Smith
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1979-05-01
Publication date: 1980-12-11
Also published as: CH631595B; CH631595GA3; US4256787A; NL7903476A; US4370194A; GB2036356A; CA1151273A; JPS55500338A; EP0011644A4; EP0011644A1; GB2036356B; EP0011644B1; WO1979001025A1

Description

Si
Patentanwälte

Oipl.-lng. Dipl.-Chem. Dlpl.-lng. 2 9 A 8 8 O 9

E. Prinz - Di. G. Hauser - G. Leiser

Er ηsberger strasse 19

8 München 60

20. Dezember 1979

MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 77 Massachusetts Avenue

Cambridge, Massachusetts 02139 / V.St.A. Unser Zeichen; M 1490

Aktenzeichen der internationalen Anmeldung PGT/US 79/00286 vom 30. April 1979

Verfahren zur Orientierung der Moleküle von Mesophasen

Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Behandlung und die Verwendung geordneter Flüssigkeiten, z.B. von flüssigen Kristallen, und insbesondere die Orientierung solcher geordneten Flüssigkeiten und die Verwendung geeignet orientierter flüssiger Kristalle in Anzeigevorrichtungen.

Viele Flüssigkeiten zeigen Eigenschaften, wie sie normalerweise kristalline Feststoffe besitzen, und solche Flüssigkeiten wurden daher oft als "geordnete Flüssigkeiten" bezeichnet. Solche geordneten Flüssigkeiten existieren in der Tat in Zuständen oder Phasen, die sich zwischen einer isotropen flüssigen Phase, in welcher die Moleküle willkürlich orientiert und nicht nach einem dreidimensionalen Gitter ausgerichtet sind, und einer kristallinen festen Phase befinden, in welcher die Moleküle an genau definierten Stellen in einem dreidimensionalen Gitter sitzen und in bezug auf

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das Gitter orientiert sind. In einem solchen Zwischenzustand vorliegende Stoffe werden manchmal als "Mesophasen" bezeichnet. Eine Gruppe dieser Mesophasen wurde als "flüssige Kristalle¹¹ bezeichnet, welche verbreitet Verwendung finden, insbesondere als Materialien für Anzeigezwecke, z.B. in Armbanduhren, Rechnern, Schalttafeln von Meßinstrumenten und dergleichen.

Eine solche Mesophase oder ein solcher mesomorpher Zustand ist der nematische Zustand, der sich bei Abkühlung einer isotropen flüssigen Schmelze bilden kann. Im nematischen Zustand sind die Moleküle nicht an eine bestimmte Gitterart gebunden und können sich frei unter Erteilung eines fließfähigen ZuStands des Materials bewegen; längliche Moleküle neigen jedoch dazu, sich gegeneinander auszurichten, wobei der Flüssigkeit ein längs ausgerichteter Ordnungszustand verliehen wird.

Ein zweiter mesomorpher Zustand ist der smektische Zustand, der einen höheren Ordnungsgrad besitzt als der nematische Zustand. Die Moleküle neigen dabei zu einer Längsausrichtung und ordnen sich außerdem zu im wesentlichen planeren Schichten. Andere Mesophasen sind z.B. die cholester. Phase und die lyotropen flüssigen Kristalle.

Das Hauptanwendungsgebiet für nematische flüssige Kristalle lag bei Anzeigevorrichtungen. Mehrere verschiedene Typen von mit nematischen Flüssigkristallen arbeitenden Anzeigen wurden beschrieben, besitzen jedoch alle die Eigenschaft, daß die Oberflächen, welche die Flüssigkristallschicht kontaktieren, derart behandelt werden, daß sich eine vorherbestimmte Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls ergibt. Bei einer besonderen Art der Anzeige werden solche nematischen flüssigen Kristalle innerhalb einer Anzeigevor-

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richtung zwischen zwei Oberflächen gebracht, die so behandelt wurden, daß die Moleküle des flüssigen Kristalls, die an die einander gegenüberliegenden Oberflächen angrenzen, senkrecht dazu ausgerichtet sind, während die dazwischen befindlichen Moleküle mit dazwischenliegenden Winkeln ausgerichtet sind, so daß die Gesamtvorrichtung eine mit einem sogenannten "verdrehten nematischen" flüssigen Kristall erfolgende Anzeige ergibt, wie dies dem Fachmann bekannt ist.

Für eine brauchbare Vorrichtung muß diese "verdrehte nematische" Anzeige einen Lichtpolarisator auf jeder Seite der verdrehten nematischen Flüssigkristallschicht aufweisen, wobei die Polarisationsrichtungen dieser Polisatoren selektiv, in bezug aufeinander und auf die flüssige Kristallschicht orientiert sind. Auch müssen elektrischleitende Platten auf gegenüberliegenden Seiten der Flüssigkristallschicht angebracht werden, um die Ausrichtung des im Zwischenraum befindlichen flüssigen Kristalls durch Anlegung elektrischer Felder zu modifizieren; diese leitenden Platten müssen jedoch relativ lichtdurchlässig sein, um einen Lichtdurchtritt durch die aus Polarisatoren, leitenden Platten und der verdrehten nematischen Schicht bestehende Vorrichtung zu gestatten.

Eine Ausrichtung der Moleküle geordneter oder gerichteter Flüssigkeiten, z.B. von flüssigen Kristallen, wurde bisher so erzielt, daß man den flüssigen Kristall in Kontakt mit einer Oberfläche brachte, die relativ anisotrop gemacht worden war, so daß die Moleküle sich entlang einer spezifischen Richtung ausrichten. Die Behandlung der Oberfläche wurde auf verschiedene Weise erzielt. Zum Beispiel wird die Oberfläche oft mit einem Schleif- oder Schmirgelmaterial abgerieben, wie dies in dem Artikel von Creagh und Kmetz, Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 24, 59 (1973) beschrieben ist. Andere Methoden verwendeten eine gerichtete schiefwinklige Aufdampfung von

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Siliciummonoxid, wie dies in den Artikeln von Janning, Appl. Fhys. Lett. 21, 1973 (1972) und Dixon et al, Appl. Phys. Lett. 24, 47 (1974) beschrieben ist, wobei letztere auch die Verwendung paralleler Rinnen vorschlagen; nirgends wird jedoch eine spezifische Methode beschrieben, die erfolgreich für diesen Zweck angewendet werden könnte. Andere haben vorgeschlagen, die Oberfläche in oberflächenaktive Mittel einzutauchen, wie dies in dem Artikel von Proust et al, Solid State Communications 11, 1227 (1972) beschrieben ist. Wieder andere ritzten die Oberfläche mit einem Diamantstift wie dies von Wolff et al, Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 23, (1973) beschrieben ist.

Solche Methoden wurden zur Ausrichtung nematischer flüssiger Kristalle angewendet und man nimmt an, daß eine solche Ausrichtung die mit der elastischen Deformierung des flüssigen Kristalls gekoppelte freie Energie auf einem Minimum hält. Eine schrägwinklige Aufdampfung und Reiben ergeben leicht Oberflächen mit einer weitgehend unkontrollierten Topographie und im Falle der Reibmethoden ist die Reproduzierbarkeit besonders schwierig. Die schrägwinklige Aufdampfung erlaubt ferner keine willkürliche Ausrichtung, da diese Methoden in der Regel nur leicht zum Ausrichten von Molekülen in einer einzigen spezifischen Richtung angewendet werden können. Obwohl die Qualität der Ausrichtung für viele Anwendungen geeignet sein mag, erfordern doch andere Anwendungen eine bessere Ausrichtung und hierfür können Oberflächen, die nach der schrägwinkligen Aufdampfmethode behandelt wurden, nicht wirksam verwendet werden. Wahren! die Verwendung von ober·*· flächenaktiven Mitteln eine Ausrichtung ergab, ist diese Ausrichtung oft doch nur teilweise bleibend und verschwindet in der Tat nach einiger Zeit. Außerdem muß für einige Anwendungen die mit oberflächenaktiven Mitteln behandelte Oberfläche anschließend bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur be-

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handelt werden, die dann wieder das oberflächenaktive Mittel sowie die dadurch erzielte Ausrichtung zerstören kann. Durch Reiben erzeugte Anisotropie kann ebenfalls durch hohe Temperaturen, welche die Zellen des flüssigen Kristalls versiegeln, zerstört werden.

Es besteht somit das Bedürfnis nach einem Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche, welche die Qualität der Ausrichtung oder Orientierung dieser Oberfläche so verbessert, daß Mesophasen bleibend und zuverlässig in reproduzierbarer Art ausgerichtet werden können. Ferner ist ein Verfahren erwünscht, das sich zur Erzeugung von komplizierteren Mustern aus ausgerichteten flüssigen Kristallen eignet als die allgemein nur in einer Richtung erfolgende Ausrichtung, die leicht nach den bekannten Methoden erzielbar ist. In bezug auf mit flüssigen Kristallen arbeitenden Anzeigevorrichtungen, die verdrehte nematische flüssige Kristalle verwenden, benötigen solche Vorrichtungen in der Regel getrennte Polarisierungselemente, getrennte Elemente zur Ausrichtung der flüssigen Kristalle und zusätzlich getrennte Elemente zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Feldes darin. Es besteht daher ein Bedürfnis zur Herstellung eines solches Gebildes auf eine billigere Weise als bisher und unter Erzielung eines verhältnismäßig unempfindlicheren Gebildes, als es derzeit für diesen Zweck erhältlich ist. Weniger kostspielige Anzeigevorrichtungen, die durch hohe Temperatur oder Feuchtigkeit weniger leicht beschädigt werden, würden einen wesentlich weiteren Markt finden als die derzeit erhältlichen, mit flüssigen Kristallen betriebenen Anzeigevorrichtungen.

Gemäß der Erfindung wird die Orientierung von Mesophasen dadurch erzielt, daß man eine Oberflächenstruktur mit einem besonderen Muster auf einer Oberfläche eines Substrats unter Anwendung eines "planaren Verfahrens" zur Bildung und Auf-

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bringung einer Mesophase auf eine solche Oberfläche bildet, wobei diese Oberflächenstruktur die Moleküle der geordneten Flüssigkeit in einem vorherbestimmten Muster dann orientiert. Eine solche Oberflächenstruktur kann z.B. eine Reliefstruktur in Form eines Gitters sein, durch welches die Moleküle der geordneten Flüssigkeit in Richtung der Gitterrinnen ausgerichtet werden können, um beispielsweise in einer mit Flüssigkristallanzeige betriebenen Vorrichtung Anwendung zu finden, welche eine gleichmäßige Orientierung von Molekülen in ein und derselben Richtung erfordert. Es wurde gefunden, daß die Verwendung solcher Oberflächenstrukturen zur Ausrichtung geordneter Flpssigkeiten eine bessere Orientierung oder Ausrichtung derselben ergibt, als sie mit den bisherigen Methoden für diesen Zweck erzielbar war. Zudem kann für die Herstellung von mit verdrehten nematischen flüssigen Kristallen betriebenen Anzeigevorrichtungen das nach solchen Methoden verwendete Gitter aus Metall besteh n, wobei es in geeigneter Weise auf einem Glas oder einem anderen durchsichtigen Substrat gebildet wird. Die Vorrichtung kann dann aus zwei einander gegenüberliegenden Substraten erhalten werden, die durch geeignete Abstandhalter voneinander getrennt sind, wobei die Richtungen der Gitter auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen senkrecht zueinander verlaufen. Ein flüssiger Kristall wird dann zwischen die im Abstand befindlichen Substrate eingebracht und der flüssige Kristall richtet sich dann selbst in bezug auf diese Substrate in einer verdrehten nematischen gewünschten Konfiguration aus. Da die Gitter aus Metall bestehen, können geeignete Leiter mit ihnen in Kontakt gebracht werden, um so die für die Flüssigkristallanzeige erforderlichen elektrischen Felder anzulegen. Mehrere solcher Vorrichtungen können in bekannter Weise zur Herstellung einer Gesamtanzeige verwendet werden.

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Bei solchen Strukturen dienen die metallischen Gitter nicht nur zur Ausrichtung der flüssigen Kristalle in der gewünschten Weise, sondern sie liefern auch die erforderlichen elektrisch leitenden Platten und wirken ferner als Lichtpolarisatoren zur Erzeugung der in solchen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen erforderlichen Polarisierung. Alle diese drei Punktionen können somit durch Verwendung metallischer Gitter auf den Substratoberflächen erzielt werden, so daß die Notwendigkeit für getrennte Elemente zur Erzielung jeder einzelnen dieser Funktionen, wie dies bisher der Fall war, entfällt.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer beispielsweisen Struktur für die Orientierung von Mesophasen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Ausführungsform von Fig. 2 und

Fig. 4 und 5 Schnittansichten entlang der Linien 4-4 bzw. 5-5 der Ausführungsform von Fig. 3.

Gemäß der Erfindung wird eine Oberflächenstruktur auf einem Substrat unter Anwendung von "planeren Verfahren" erzielt. Der hier verwendete Ausdruck "planeres Verfahren" betrifft eine besondere Art und Weise, in welcher die Oberflächenstrukturen hergestellt werden. Das planare Verfahren umfaßt

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stets eine oder mehrere Stufen, "mikrolithographisches Verfahren" genannt, wobei ein Muster in einer oft als Resist bezeichneten Maskierungssubstanz auf dem Substrat festgelegt wird. Methoden zur Bildung solcher Muster umfassen somit die Belichtung eines polymeren oder anderen Resists mit sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Röntgenstrahlen, Elektronen oder Ionen, wobei diese Belichtung unter Bildung eines vollständigen Bildes des Musters auf dem Resist oder durch aufeinanderfolgende Belichtung von Elementen des Musters unter Verwendung eines Abtaststrahls des Lichts, der Röntgenstrahlen, der Elektronen oder Ionen erfolgt. Projektions- und Kontaktphotolithographie, Röntgenstrahllithographie, Abtast-Elektronenstrahllithographie, Elektronenstrahlabbildung, mit haiographischer Belichtung und mit Abtastlaserstrahlen arbeitende Mustererzeuger fallen unter die Resistbelichtungsmethoden, die der Fachmann für diesen Zweck anwenden kann. Die Polymer!sation beweglicher Monomerer direkt auf dem Substrat mittels eines Elektronenstrahls (sogenanntes "Verschmutzungsschreiben") kann ebenfalls zur Festlegung solcher Muster auf dem Substrat angewendet werden. Die vorstehend zur Festlegung des Musters auf dem Substrat aufgezählten Methoden fallen unter den Begriff mikrolithographisches Verfahren.

Nach Beendigung des mikrolithographischen Verfahrens kann das planare Verfahren der Oberflächenstrukturlerung beendet sein, d.h. das in dem Resist gebildete Muster kann als die fertige Oberflächenstruktur dienen. Andrerseits kann auch das in dem Resist festgelegte Muster selbst als eine Maske für Ätz-, Dotierungs- oder Abscheidungsverfahren dienen, wobei das Muster in das Substrat geätzt oder in oder auf diesem Substrat gebildet wird. Der Resist kann nach Bildung des Musters in oder auf dem Substrat entfernt werden. Dieses letztere Muster kann dann ebenfalls als Maske für ein anschließendes Ätzen, Dotieren, Aufwachsen oder Abscheiden dienen.

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Das vorstehend erläuterte planere Verfahren unterscheidet sich aus verschiedenen Gründen von den bekannten Verfahren. In erster Linie lassen sich wesentlich kompliziertere Muster als parallele Rinnen leicht nach dem planaren Verfahren erhalten. In zweiter Linie sind die nach dem planaren Verfahren gebildeten Muster vorherbestimmbar. Drittens erlaubt das planare Verfahren die Anwendung einfacher, hochgeschwinder Produktionsmethoden selbst für komplizierte Oberflächenstrukturmuster im Gegensatz zu Schreibtechniken z.B., bei denen Oberflächenmarkierungen schrittweise in die Oberfläche eingeschnitten werden müssen. Viertens wird das Muster nicht direkt in der Oberfläche durch fortlaufend wirkende mechanische Mittel, wie beim Reiben oder Einschreiben, gebildet. Außerdem wird bei der schrägwinkligen Aufdampfmethode zwar ein kompliziertes Muster von Oberflächenreliefstrukturen erzeugt und die Orientierungswirkung auf Mesophasen kann gut definiert sein, jedoch erhält man tatsächlich nur eine Oberflächentextur". Das heißt, ein spezifisches gesteuertes Muster von Oberflächenstrukturen wird nicht erzeugt und komplizierte Ausrichtungsmuster von Mesophasen können nicht so leicht erzielt werden, als wenn die Oberflächenstrukturen unter direkter Kontrolle sind.

Bei den mit schrägwinkliger Aufdampfung arbeitenden Methoden wurden sogar schon mikrolithographische Stufen zur Festlegung der Muster angewendet. Jedoch wurden dort die Muster zur Festlegung vergleichsweise großer Strukturen verwendet, z.B. in alpha-numerisehen Anzeigen und nicht zur Erzeugung der für die Ausrichtung verantwortlichen Oberflächenstruktur, vielmehr nur zur Festlegung der Fläche, über welche die schräg aufgedampfte Schicht eine Ausrichtung erzeugt.

Unter den Begriff "planares Verfahren" fallen auch alle Verfahren, welche ein Substrat mit Oberflächenstrukturen

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reproduzieren, die zuvor nach dem vorstehend beschriebenen planaren Prozeß erhalten wurden, wobei eine solche Reproduktion oder Kopie nach Methoden wie ζ Β. Pressen, Gießen, Drucken und dergleichen erhalten wurde.

So kann nach einem solchen planaren Verfahren auf einem Substrat, z.B. erschmolzenem Quarz, eine Oberflächenstruktur gewünschter Konfiguration erzeugt werden. Beispielsweise planere Verfahrenstechniken zur Erzeugung solcher Oberflächenrelief strukturen sind beispielsweise in dem Artikel "Surface Relief Structures with Linewidths below 2000 Ä" von D.C. Flanders et al, Appl. Phys. Lett. 32 112 (1978) beschrieben.

Bei Anwendung einer planaren Verfahrenstechnik kann eine Oberflächenstruktur eines vorherbestimmten Musters oder einer vorherbestimmten Konfiguration auf einer bestimmten Oberfläche eines Substrats erhalten werden. Gemäß der Erfindung können solche Oberflächen dann zur Ausrichtung von Mesophasen verwendet werden, für welche flüssige Kristalle typische Beispiele sind, indem man solche geordneten Flüssigkeiten auf die Oberfläche in Kontakt mit deren Oberflächenstruktur aufbringt. Es wurde gefunden, daß die Moleküle der Mesophase sich durch Wechselwirkungen mit der Oberflächenstruktur in vorherbestimmter Weise ausrichten.

Eine einfache Form der Oberflächenstruktur kann z.B. eine Reliefstruktur In Form eines Gitters sein, das, wie Fig. 1 zeigt, aus mehreren parallelen Rinnen 12 in einem Substrat aus erschmolzenem Quarz besteht. Solche nach dem vorstehend besprochenen planaren Verfahren gebildete Rinnen besitzen etwa gleichmäßige Tiefen d und gleichmäßige Breiten w sowie gleichmäßige Abstände p. Wenn eine Schicht aus einer Mesophase (nicht gezeigt) auf das Substrat in Kontakt mit der

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darauf befindlichen Gitterreliefstruktur gebracht wird, werden die Moleküle der Mesophase im wesentlichen in Richtung der Rinnen ausgerichtet, vorausgesetzt, daß der räumliche Abstand ρ der Gitterrinnen'klein genug ist, in typischer Weise weniger als einige wenige Mikrometer. Versuche zeigen z.B., daß, wenn MBBA (N-(p-Methoxybenziliden)-p-butylanilin) als flüssiger Kristall zusammen mit Substraten aus erschmolzenem Quarz mit rechteckigen Rinnen einer Tiefe d von 25 nm verwendet wird, man bei Verwendung von Gittern mit Gitterabständen von 320 nm eine ausgezeichnete Ausrichtung erzielt, während Gitter mit Abständen von 12 um nur eine schwache Ausrichtung ergeben. Es erscheint unwahrscheinlich, daß eine Periode von mehr als 15 um eine beachtliche Ausrichtung ergibt, Obwohl man bei Verwendung von Gittern mit einer 3»8 yum Periode eine gute Ausrichtung erzielte, erhielt man doch bei Verwendung von Gittern mit einer 320 nm Periode geringere Abweichungen und andere Ausrichtungsdefekte.

Beispielsweise war bei einer mit einem nematischen flüssigen Kristall erzielten spezifischen Ausrichtung die Periode ρ 320 nm. Obwohl diese Periode klein ist, ist sie doch wesentlich größer als die lange Achse (die größte Abmessung) der auszurichtenden Moleküle (etwa 2 nm). Bei einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung, die eine erfolgreiche Ausrichtung ergab, wurden die Gitter in SiO₂ durch reaktives Ionenätzen in einem CHF, Gas unter Verwendung einer 100 Ä dicken Chrommaske erzielt. Das Chromgitter wurde durch ein Abhebverfahren nach einem Gittermuster gebildet, welches in PMMA unter Anwendung der Cu, weichen Röntgenstrahl-Lithographie erhalten wurde, wie dies in dem vorstehend genannten Artikel von Flanders et al beschrieben ist. Die holographische Lithographie wurde gemäß bekannten Methoden zur Erzeugung des Musters für die Herstellung der Röntgen-

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strahlmaske verwendet. Die Ätztiefe der SiO_? Gitter betrug etwa 25 nm, die senkrechten Seitenwände des Gitters wichen nicht mehr als etwa 6 von der Senkrechten ab und der Krümmungsradius an den oberen und unteren Ecken der Seitenwände betrug weniger als etwa 5 nm. Solche Gitter wurden auf einer Fläche von 1,25 cm auf einem hochpolierten Substrat aus erschmolzenem Quarz hergestellt.

Andere geeignete Reliefstrukturen können auf geeigneten Substraten nach solchen planaren Verfahren hergestellt werden, und gemäß der Erfindung richten sich Mesophasen in Übereinstimmung mit dem Muster der so gebildeten Reliefstruktur aus.

Vorstehend wurden zwar als besondere Reliefstruktur Gitterstrukturen, d.h. parallele Rinnen, beschrieben; es können jedoch andere beliebige Konfigurationen zur Ausrichtung von Mesophasen gebildet werden.

Das planare Verfahren eignet sich in idealer Weise zur Bildung willkürlicher Muster aus Oberflächenreliefs, z.B. Netze, konzentrische Kreise, radiale Linien und sinusförmige oder andere periodische Strukturen. Zum Beispiel könnte eine Spirale auf einer Oberfläche hergestellt und zur Erzeugung einer orientierten Schicht aus einem nematischen flüssigen Kristall verwendet werden, wobei die Richtung des nematischen Kristalls mit der Richtung dieser Spirale sich ändert.

Nematische Schichten könnten dann zu glasartigen festen Phasen, welche die nematische Ordnung beibehalten, abgekühlt werden. Feste Schichten mit für Kristalle charakteristischen optischen Eigenschaften (d.h. Doppelbrechung) mit komplexeren Strukturen als diese Kristalle können somit hergestellt werden. Solche willkürlichen Muster lassen sich nach den bekannten Ausrichtungsmethoden nicht leicht herstellen.

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Obwohl das planare Verfahren zur Bildung paralleler Rinnen oder anderer Oberflächenreliefs angewendet werden kann, kann man es doch auch zur Definition einer Struktur auf einem Substrat mit einem geringen oder gar keinem topographischen "Relief" anwenden. Zum Beispiel könnte unter Verwendung einer gemusterten Maskierungsschicht ein Dotierungsmittel, wie es in der Halbleitertechnik verwendet wird, in die Oberfläche eindiffundiert oder implantiert werden und die Markierungsschicht könnte dann in einer anschließenden Stufe entfernt werden. Dann wäre kein Oberflächenrelief zugegen. Die Oberfläche wäre Jedoch in den mit dem Dotierungsmittel versehenen Bereichen chemisch verändert und könnte mit den flüssigen Kristallmolekülen in diesen Bereichen unterschiedliche Wechselwirkungen eingehen. Das aus einem Muster dotierter Bereiche bestehende Gebilde würde die Gesamtausrichtung der flüssigen Kristallschicht beeinflussen.

Als weiteres Beispiel für ein Verfahren, bei dem nur eine geringe oder gar keine Reliefstruktur gebildet wird, wurde ein Gitter mit einer 12 um Periode in 30 nm dickem Chrom auf einem Quarzsubstrat gebildet. Das Substrat war mit dem in dem Artikel von Kahn, Applied Physics Letters, 22: 386-388 (1973) beschriebenen Kupplungsmittel DMOAP für Silan überzogen. Dann wurde die Chromschicht entfernt und zurück blieb ein Gittermuster auf der Oberfläche, das abwechselnd aus freiliegenden Quarzlinien und mit DMOAP bedeckten Linien bestand. Die DMOAP Schicht ist wahrscheinlich eine monomolekulare Schicht und das Gitter stellt kaum ein Reliefgitter dar. Jedoch richtet sich MBBA (ein flüssiger Kristall) senkrecht zu mit DMOAP überzogenem Quarz aus, während seine Ausrichtung auf freiliegendem Quarz nicht senkrecht zur Oberfläche erfolgt. Da die Linien nahe genug beieinander liegen, treten die benachbarten Bereiche miteinander in Wechselwirkung

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und der flüssige Kristall neigt dazu, sich in Richtung der Linien auszurichten mit einer Neigung in bezug auf das Substrat.

Eine besonders günstige Anwendung solcher Techniken zur Erzielung geeignet orientierter Mesophasen ist auf dem Gebiet von mit flüssigen Kristallen betriebenen Anzeigevorrichtungen. Bekanntlich kann die Verwendung von verdrehten nematischen flüssigen Kristallen zwischen zwei Oberflächen zur Steuerung des durch eine Vorrichtung hindurchgehenden Lichts mittels Verwendung eines elektrischen Felds dienen. Die Flüssigkristallzelle ist dabei sandwichartig zwischen zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisatoren angeordnet. In die Zelle eintretendes polarisiertes Licht "folgt" dem verdrehten nematischen Kristall und entsprechend wird die Polarisation um 90° gedreht und das Licht kann dann durch den zweiten Polarisator treten. Die Anwendung eines elektrischen Felds verändert jedoch die molekulare Ausrichtung so, daß die Zelle die Polarisationsebene nicht dreht und kein Licht durchgelassen wird. Eine solche Vorrichtung kann zur Steuerung des Lichtdurchlasses verwendet werden, oder die Wirkung der Flüssigkristall-Anzeige kann durch Reflexion beobachtet werden, indem man eine reflektierende Oberfläche hinter der Anzeigevorrichtung anbringt. Wenn außerdem eine der Elektroden die Form eines Musters aus Buchstabensegmenten besitzt, kann man durch Anlegen einer Spannung an das geeignete Segment oder die Segmente einen Buchstaben erscheinen lassen. Durch Änderung der relativen Orientierung der Polarisatoren kann der Buchstabe hell auf einem dunklen Hintergrund erscheinen.

In solchen, zum Stand der Technik gehörenden Gebilden sind zur Erzielung einer Anzeige mit einem Flüssigkristall drei

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Grundelemente nötig, nämlich ein Paar gekreuzte Polarisatoren, geeignet behandelte Oberflächen zur Erzeugung einer Ausrichtung der Moleküle des flüssigen Kristalls und geeignete Elektroden, an welche eine Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Felds angelegt werden kann. Solche Elemente werden in der Regel getrennt hergestellt und dann nach bekannten Methoden zusammengebaut. ,

Eine Vereinfachung solcher Strukturen kann gemäß der Erfindung nun erzielt werden, so daß die Gesamtkosten der Vorrichtung wesentlich verringert werden und die Vorrichtung unempfindlicher wird als dies bisher möglich war.

Fig. 2 bis 5 der Zeichnung zeigen die beispielsweise Herstellung einer solchen Vorrichtung. Darin liegen sich ein Paar lichtdurchlässige Glassubstrate 20 und 21 gegenüber und sind durch einen Abstandhalter 22 voneinander getrennt. Schichten aus elektrischleitendem Material 23 bzw. 24 werden auf jeder der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Substrate 20 und 21 gebildet. Gitter 25 bzw. 26 werden in jeder der metallischen Schichten nach einem planeren Verfahren, wie es vorstehend besprochen wurde, hergestellt, z.B. unter Anwendung von in dem obigen Artikel von Flanders et al beschriebenen Methoden. Die das Gitter 25 bildenden Rinnen in der Schicht 23 sind senkrecht zu den Rinnen des Gitters 26 in der Schicht 24 ausgerichtet. Die Gitter erstrecken sich jeweils nur über eine bestimmte Fläche der Oberfläche, wie dies am besten aus Fig. 4 und 5 zu ersehen ist. Elektrische Anschlußelemente 27 und 28 sind mit jeder der metallischen Schichten außerhalb des Gitterbereichs in Kontakt, wie dies in Fig. 2 bis 5 zu sehen ist.

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Bei einer so hergestellten besonderen Vorrichtung war die Metallschicht aus etwa 100 nm dickem Gold auf einem Glassubstrat, die darin gebildeten, sich bis auf das Glassubstrat erstreckenden Rinnen waren etwa 100 nm breit und die Periode betrug etwa 320 nm. Das Glassubstrat war etwa 200 yum (d.h. etwa 0,008 Zoll) dick. Solche Gitter wurden unter Anwendung der holographischen Lithographie und des Ätzens mit einem Ionenstrahl, wie dies in dem vorstehend genannten Artikel von Flanders et al beschrieben ist, hergestellt. Die Goldgitterlinien waren durch die zusammenhängende Goldzone, welche die Gitterfläche umgab, untereinander verbunden und die Abstandhalter bestanden aus Teflon und ergaben einen Abstand zwischen den Substraten von etwa 12 um.

Ein nematisches flüssiges Kristallmaterial 29 wurde in den Raum zwischen den Substraten eingebracht, während es in der isotropen flüssigen Phase vorlag, und der Zwischenraum wurde durch Kapillarwirkung gefüllt. Man stellte fest, daß sich die Moleküle des Kristallmaterials in der erforderlichen verdrehten nematischen Konfiguration nach Abkühlung bis zum Erreichen der nematischen Phase ausrichteten. Das Gebilde zeigte somit alle Elemente einer mit verdrehten nematischen Kristallen arbeitenden Anzeigevorrichtung. Die Gitter ergaben das erforderliche Paar von flüssige Kristalle ausrichtenden rechtwinklig zueinander angeordneten Oberflächen, wie dies die Zeichnung zeigt. Diese Gitter wirkten ferner als Lichtpolarisatoren, da metallische Gitter mit P< Lichtwellenlänge zur Polarisierung befähigt sind und die Gitter wirkten infolge ihrer Anordnung als gekreuzte Polarisatoren. Außerdem waren die Gitter elektrisch leitend und wirken daher als wirksame parallele leitende Platten, welche das flüssige Kristallmaterial mittels eines elektrischen Feldes ausrichten können, das durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an die Klemmen 27 und 28 erzeugt wird.

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Eine solche Struktur ist gegenüber den derzeit zur Verfügung stehenden, mit Flüssigkristall-Anzeige betriebenen Vorrichtungen wesentlich vereinfacht und sie ist äußerst kompakt und unempfindlich, so daß sie sich für viele Zwecke eignet, für welche Anzeigen durch flüssige Kristalle erforderlich sind. Außerdem treten bei der Verwendung eines metallischen Gitters anders als bei bisherigen mit verdrehten nematischen Kristallanzeigen betriebenen Methoden keineTemperatur- oder Feuchtigkeitsprobleme im Zusammenhang mit den Polarisatoren auf.

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Claims

ifaHw ält6

Dlpl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-lng.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser 2 9 A 8 8 O 9

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

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MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY Massachusetts Avenue

Cambridge. Massachusetts 02139 / V.St.A.

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Patentansprüche

Verfahren zur Orientierung der Moleküle von Mesophasen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einer bestimmten Oberfläche eines Substrats nach einem planaren Verfahren eine Oberflächenstruktur mit einem vorherbestimmten Muster bildet und auf diese Oberfläche des Substrats eine Mesophase unter Ausrichtung von deren Molekülen entsprechend dem vorherbestimmten Muster aufbringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche eine Reliefstruktur gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster aus mehreren parallelen Rinnen gebildet wird.

k. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen etwa die gleichen Abmessungen und die gleichen Abstände voneinander auf der Oberfläche besitzen.

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5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Rinnen weniger als 15 Aim betragen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mesophase ein flüssiger Kristall aufgebracht wird.

7. Vorrichtung, bestehend aus mindestens zwei Substraten, wovon mindestens eines eine Oberflächenstruktur in Form eines bestimmten Musters auf einer seiner Oberflächen trägt, wobei mindestens zwei Substrate eng benachbart unter Bildung eines Zwischenraums angeordnet sind, und weiter bestehend aus einer in dem Zwischenraum eingeschlossenen Mesophase, wobei die Oberflächenstruktur die Moleküle der Mesophase entsprechend dem Muster ausrichtet und durch diese Oberflächenstrukturen hindurchtretendes Licht polarisiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Substrate einander gegenüberliegend angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Substrate eine auf einer seiner Oberflächen gebildetes bestimmtes Muster trägt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate so angeordnet sind, daß sich die Muster tragenden Oberflächen gegenüberliegen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen Reliefs sind.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch elektrisch leitende Mittel, die auf ein elektrisches Signal zur Erzeugung eines elektrischen Felds in dem Zwischenraum ansprechen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen aus elektrisch leitendem Material bestehen und auf ein elektrisches Signal zur Erzeugung eines elektrischen Felds in dem Zwischenraum ansprechen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Abstandhalter zur Aufrechterhaltung eines vorherbestimmten Abstands zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der zwei Substrate.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mesophase ein flüssiger Kristall ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen Reliefs sind und die durch diese Reliefs gebildeten Muster aus einer Vielzahl paralleler Rinnen bestehen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefs so angeordnet sind, daß die parallelen Rinnen auf jedem Substrat senkrecht zueinander angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Mesophase ein nematischer flüssiger Kristall ist, wobei die senkrecht zueinander angeordneten Reliefstrukturen dem flüssigen Kristall in dem Zwischenraum eine verdrehte nematische Ausrichtung erteilen.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen durch ein planeres Verfahren gebildet wurden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 7, 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen Reliefs sind.

21. Mit einem flüssigen Kristall betriebene Vorrichtung, gekennzeichnet durch ein erstes und zweites Substrat mit einer ersten bzw. einer zweiten bestimmten Oberfläche darauf, wobei sich die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegen,

erste und zweite Schichten aus einem elektrisch leitenden Material auf dieser ersten bzw. zweiten Oberfläche,

eine erste Oberflächenstruktur mit einem in dieser ersten Schicht gebildeten Muster,

eine zweite Oberflächenstruktur mit einem zweiten in der zweiten Schicht gebildeten Muster, wobei die erste und die zweite Oberflächenstruktur eine bestimmte Ausrichtung zueinander aufweisen,

Mittel, um einen vorherbestimmten Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächenstrukturen zu halten,

einen zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächenstrukturen eingeschlossenen und mit ihnen in Kontakt befindlichen flüssigen Kristall, der durch diese Oberflächenstrukturen in einer vorherbestimmten Richtung ausgerichtet wird,

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weiter gekennzeichnet dadurch, daß die erste und die
zweite elektrisch leitende Oberflächenstrukture auf die Anlegung eines elektrischen Signals zur Erzeugung eines elektrischen Felds in dem Zwischenraum zwischen den Oberflächenstrukturen ansprechen und daß diese
Oberflächenstrukturen durchtretendes Licht entsprechend dem auf ihnen befindlichen ersten und zweiten Muster
polarisieren.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstrukturen Reliefs sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

daß das erste und das zweite Muster jeweils aus parallelen Rinnen bestehen, wobei das erste Muster senkrecht zu dem zweiten ausgerichtet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Substrat durchsichtig sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Schichten aus
Metall bestehen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.

27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Oberflächenstruktur unter Anwendung eines planaren Verfahrens gebildet wurden.

030603/0079

28. Vorrichtung, bestehend aus mindestens einem Substrat, das auf einer bestimmten Oberfläche eine aus einem nach einem planaren Verfahren gebildeten vorherbestimmten Muster bestehende Oberflächenstruktur trägt, und

eine mit dieser Oberflächenstruktur- in Kontakt befindliche Mesophase, deren Moleküle an oder in Nähe dieser bestimmten Oberfläche entsprechend dem Muster auf dieser Oberfläche ausgerichtet sind.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur eine Reliefstruktur ist.

0 3060 3/0079