СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ПАКЕТА ДИСПЛЕЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ Российский патент 1997 года по МПК B65B31/02 

Изобретение относится к производству изделий оптоэлектроники (видеотехники) и может быть использовано для получения видеоустройств, оптической средой и элементом конструкции которых является жидкий кристалл (ЖК), в частности при заполнении пакета дисплея ЖК.

Для высокоинформативных крупноформатных жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) основным способом введения ЖК в пакет дисплея является широко используемый в серийном производстве вакуумный способ.

Известен способ заполнения ячейки индикаторного устройства ЖК разностью давлений, согласно которому в герметичной камере размещают ячейку индикатора и кювету с ЖК, затем создают в камере разрежение 1,33 0,133 Па (10^-2 - 10^-3 мм рт.ст.) и погружают ячейку заливочным отверстием в кювету с ЖК, напускают воздух в камеру и ЖК заполняет полость ячейки [1]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ при заполнении пакетов индикаторов больших размеров не позволяет избежать сепарации ионов примеси по всей площади, что приводит к значительному разбросу электрооптических параметров.

Аналогичные способы заполнения пакета индикатора ЖК известны и из зарубежных патентов. Например, в [2] описан способ заполнения, согласно которому из полости пакета откачивают газ и через заливочное отверстие вводят в нее ЖК вещество в условиях уменьшенного давления.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является вакуумный способ заполнения, заключающийся в том, что ЖК-материалы и пакеты индикаторов, имеющие по одному заливочному отверстию в торце, помещаются в герметичную камеру, из которой выкачивается воздух, торец индикатора погружается в слой жидкого кристалла, и в камеру вводится воздух или другой газ, который "запрессовывает" ЖК в пакеты индикаторов, заливочное отверстие герметизируется [3]
В процессе откачки воздуха из камеры и пакета одновременно происходит процесс дегазации ЖК, сопровождающийся выделением газовых пузырей из ЖК смеси и удалением их из рабочей зоны. Дегазацией ЖК исключается возможность возникновения газовых полостей в заполненном пакете, снижающих оптические характеристики индикатора.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в нем в процессе дегазации в вакууме происходит удаление газовых компонентов смеси, образующихся при испарении молекул с поверхности ЖК и находящихся в объеме воздушных пузырей в виде насыщенных паров. Это приводит к обеднению смеси, уменьшению концентрации компонентов и изменению исходного состава ЖК смеси, что нарушает однородность оптической среды, ухудшает электрооптические характеристики индикатора и повышает дефектность (процент брака) изделий на конечной стадии технологического маршрута введении ЖК в пакет индикатора.

Негативные последствия этого способа усугубляются рядом факторов, имеющих место в современной практике изготовления ЖКД, а именно
1) использованием многокомпонентных смесей ЖК, что позволяет изменять параметры оптической среды в необходимых пределах (см. Гребенкин Н.Ф. Иващенко А.В. Жидкокристаллические материалы. М. Химия, 1989, 288 с.), но приводит к различным количественным потерям каждого компонента при испарении пропорционально его летучести или величине парциального давления;
2) использованием широкотемпературных ЖК смесей и повышением температуры заполнения, что позволяет уменьшить время операции за счет снижения вязкости смеси, но приводит к увеличению непропорциональных потерь каждого из ЖК компонентов, вследствие температурной зависимости давления насыщенных паров Р согласно соотношению
Р е^А-В/Т,
где А и В постоянные для данного интервала температур ΔT (см. Справочник химика. Т.1. М.-Л. Госхимиздат, 1963, 1072 с.);
3) увеличением потерь в связи с необходимостью использования температурных режимов заполнения пакета выше температуры фазового перехода в изотропное состояние (T≥T_J) для дисплеев на основе ЖК смектической А и С^* мезофаз, находящихся при нормальных условиях в пастообразном состоянии и имеющих аномально высокую вязкость при температурах ниже температуры фазового перехода нематик смектик T₁ ≅ T_N→S.

Сущность изобретения состоит в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении выхода годных изделий, сокращении времени заполнения пакета и снижении потерь ЖК.

Указанная задача решается за счет исключения дефектов оптической среды, обусловленных изменением исходной концентрации компонентов в процессе испарения на стадии дегазации ЖК и эффектом хроматографического разделения ЖК смеси в плоском капилляре пакета.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе заполнения пакета дисплея жидкокристаллическим веществом, включающем последовательно размещение в герметичной камере жидкокристаллического вещества и пакета дисплея, дегазацию пакета и жидкокристаллического вещества в процессе вакуумирования камеры, погружение пакета заливочным отверстием в жидкокристаллическое вещество, заполнение пакета жидкокристаллическим веществом путем разгерметизации камеры и герметизацию заливочного отверстия пакета, дегазацию жидкокристаллического вещества ведут при температуре выше температуры изотропного состояния жидкокристаллического вещества в вакууме, а вакуумирование камеры и пакета дисплея ведут при температуре не выше температуры кристаллизации жидкокристаллического вещества.

Таким образом, отличия предлагаемого способа заполнения пакета дисплея ЖК в том, что дегазацию ЖК и вакуумирование пакета проводят в различных температурных режимах, а именно откачка пакета и камеры производится при температурах ниже температуры кристаллизации Т_к жидкого кристалла, а удаление газовых включений из ЖК смеси и заполнение пакета при температурах выше температуры существования изотропной фазы ЖК Т_J.

Способ применим для всех классов ЖК соединений и основан на принципе обратимости мезоморфных состояний ЖК.

Предложенный способ введения жидкокристаллического оптического элемента в конструкцию дисплея заключается в следующем: кювета с ЖК помещается в камеру на плиту, снабженную системой термостатирования и обеспечивающую изменение, установку и автоматический контроль постоянства температуры в диапазоне ΔT 50^oC 150^oC. Над кюветой на рычаге манипулятора, допускающем по меньшей мере вертикальное перемещение, закрепляется пакет, обращенный торцом со щелью заполнения к кювете параллельно поверхности ЖК, после чего пакет и кювета герметично закрываются прозрачной крышкой колпаком, имеющим выходы на атмосферу и вакуумный насос.

Способ предусматривает проведение следующих последовательных операций.

1. Система (плата, кювета, ЖК, пакет) охлаждается и термостатируется при температуре не выше температуры кристаллизации ЖК (Т₁<Т_к).

2. Включением вакуумного насоса производится откачка воздуха из камеры и пакета до заданного уровня давления Р_к.

3. Камера изолируется от вакуумного насоса.

4. Система нагревается и термостатируется при Т₂≥Т_J.

5. Разность давлений внутри камеры и газовых включений в объеме ЖК обеспечивает газовыделение в виде поднимающихся и опадающих пузырей на поверхности ЖК и фиксируется по изменению давления ΔP = P - P_к > 0.
6. Система вновь охлаждается до Т₁≅Т_к, что приводит к конденсации паров ЖК и прекращению процессов испарения, и т.д.

7. Последовательность операций по пп. 1 5 повторяется до полного прекращения газовыделения и прекращается в том случае, когда после нагрева ЖК по пп. 4,5 увеличение давления Р_к не происходит ΔP = 0 и Р Р_к.

8. Механическим манипулятором, управление которым вынесено за пределы камеры, пакет перемещается до погружения (контакта) торцевой щели с поверхностью ЖК.

9. Камера соединяется с атмосферой, процесс заполнения визуально отслеживается по движению фронта ЖК по высоте пакета. Процесс прекращается после полного заполнения пакета, и время операции фиксируется.

10. Систему охлаждают до комнатной температуры, колпак камеры поднимается, заполненный пакет извлекается из камеры, и щель заполнения герметизируется.

Температурное разделение процессов дегазации ЖК и удаления воздуха из объема камеры и ЖК, проводимое при Т₂≥Т_J и Т₁<Т_к соответственно, реализует физический механизм, согласно которому с воздухом отсасывается минимально возможное количество компонентов ЖК, присутствующих над поверхностью ЖК в виде насыщенного пара, основная часть которого конденсируется при Т₁≅Т_к.

Таким образом, предложенный способ введения ЖК оптического элемента в конструкцию дисплея имеет по сравнению с известным способом следующие преимущества:
а) сводятся к минимуму потери ЖК вследствие процессов испарения и газовыделения, поскольку вакуумирование системы происходит при температуре ниже температуры кристаллизации, а дегазация ЖК в замкнутое пространство при температуре выше температуры перехода в изотропное состояние с последующим охлаждением до Т₁≅Т_к, соответствующим уменьшением давления насыщенных паров и конденсацией их в жидкую и кристаллическую фазы;
б) уменьшается дефектность изделия и повышается выход технологического цикла за счет сохранения исходного состава ЖК смеси и получения однородной оптической среды дисплея нейтрализацией процессов испарения и увеличения доли конденсированных паров компонентов ЖК смеси с различными значениями парциальных давлений понижением температуры откачки до Т₁≅Т_к;
в) снижается неравномерность контраста по информационному полю дисплея, обусловленная обеднением ЖК смеси в результате высаживания отдельных компонентов ЖК на внутренней поверхности плоского капилляра пакета (эффекта хроматографического разделения ЖК смеси в пакете), за счет увеличения скорости движения ЖК и сокращения времени операции заполнения пакета при уменьшении вязкости смеси с увеличением температуры согласно уравнению

и закону Пуазейля

где
η динамическая вязкость;
С эмпирическая константа;
V, l, d объем, длина и толщина (зазор) внутренней полости пакета (плоского капилляра) соответственно;
S площадь щели заполнения;
DP = P_к- P_атм перепад давления внутри и вне полости пакета при заполнении.

Применение предложенного способа введения ЖК оптического элемента в пакет дисплея иллюстрируется нижеследующими примерами.

Пример 1.

Пакет ЖК дисплея П-662, используемого в качестве экрана персонального компьютера ПК-300, имеет размеры 246х124х3 мм, информационную емкость 640х200 элементов отображения, зазор внутренней полости 8,0 0,1 мкм и три симметрично расположенных отверстия (щели) длиной 7 2 мм в торцевой части пакета.

Оптической средой пакета дисплея служит широкотемпературный ЖК материал Z41-1565 ф. "Merck", представляющий собой смесь из 6 компонентов следующего состава, мас.

с температурами фазовых переходов Т_к 20^oC и Т_J 85^oC.

Кювета лодочка с количеством ЖК смеси не менее двукратного объема полости пакета (2 мм³) помещается на плиту устройства для заполнения (например типа УВР-3), снабженную системой термостатирования, обеспечивающей изменение, установку и автоматический контроль температуры в диапазоне 50 - 150^oC (например циркулирующим хладоагентом типа аммиак, жидкий азот и т.д. электро- или терморадиационным нагревом при помощи ИК ламп типа КГМ-150, реле и пьезодатчиками контроля Т).

Над лодочкой на рычаге манипулятора, управляемом извне камеры и допускающем по меньшей мере вертикальное перемещение, закрепляется пакет, обращенный вниз торцом с отверстиями для заполнения параллельно поверхности ЖК, после чего пакет и лодочка закрываются герметичным прозрачным полусферическим колпаком (крышкой камеры), имеющим выход на атмосферу и вакуумные насосы (например форвакуумный типа 16НВРНД и турбомолекулярный типа ТНМ-150).

Камера и все, что в ней (плата, лодочка, ЖК), охлаждаются и термостатируются при Т₁ 25^oC (Т₁<Т_к - 20^oC), после чего производится откачка воздуха из камеры и пакета до давления Р_к 10^-4 мм рт.ст. Затем камера изолируется от атмосферы, нагревается и термостатируется при Т₂ 120^oC (Т₂ > Т_J 85^oC). Визуально наблюдаемое газовыделение из объема ЖК в виде поднимающихся и опадающих пузырей на поверхности ЖК фиксируется по увеличению давления Р (Р_к < Р < Р_атм.). После установления постоянного значения давления Р камера вновь охлаждается, термостатируется при Т₁ 25^oC и откачивается. Процесс повторяется до тех пор, пока после очередного повышения температуры до 110^oC изменения давления в камере не происходит (ΔP = P - P_к = 0) Для случая, рассмотренного в примере 1, процесс проходит в течение 2 3 циклов: охлаждение откачка нагрев.

Механическим манипулятором пакет перемещается вертикально вниз до погружения или контакта торцевых щелей с поверхностью ЖК. Камера соединяется в атмосферой и происходит заполнение пакета, наблюдаемое по движению фронта ЖК в плоском капилляре пакета. Процесс прекращается после полного заполнения пакета в течение ≈ 240±15 с, затем нагрев отключают, колпак камеры поднимают и после достижения температурного равновесия с окружающей средой пакет извлекается из камеры, и заливочные отверстия герметизируются (например, эпоксидной смолой).

Пример 2.

В пакет дисплея в примере 1 вводится ЖК оптический элемент СЖК-160 с диапазоном рабочих температур в области существования смектической А мезофазы и представляющий собой пятикомпонентную смесь следующего состава, мас.

с температурами фазовых переходов
К.-5^oC.S_A.53^oC.N.60^oC.J.

Операция введения в пакет ЖК производится аналогично описанной в примере 1 со следующими параметрами режимов откачки и дегазации: температура охлаждения Т₁=-10^oC, уровень давления после откачки и дегазации Р 10^-4 мм рт. ст. температура газовыделения Т₂ 85^oC, количество циклов (n): охлаждение откачка нагрев равняется двум, время заполнения (t) 230±20 с.

Пример 3.

В пакет дисплея в примере 1 вводится ЖК оптический элемент ЖКС-43 с диапазоном рабочих температур в области существования смектической С^* мезофазы и представляющий собой четырехкомпонентную смесь следующего состава, мас.

с температурами фазовых переходов
К.5^oC.С^*.47^oC.S_A.60^oC.N.66^oC.J
Процесс проводится аналогично описанному в примере 1 со следующими параметрами режимов откачки и дегазации: Т₁ 0^oC, Т₂ 91^oC, Р 10^-4 мм рт.ст. n 3, t 160±20 с.

Во всех случаях принимаются наиболее предпочтительные значения Т₁ на 5^oC ниже Т_к и Т₂ на 25^oC выше Т_J. Из опытных данных по выявлению оптимального режима следует, что превышение Т₂ над Т_J свыше 25^oC не оказывает существенного влияния на динамику процесса, а принятая разность ΔT = T_к - T₁ достаточна, чтобы учесть дисперсию Т для смеси ЖК.

В таблице приведены сравнительные результаты введения ЖК оптического элемента в конструкцию дисплея по известному, серийному и предложенному способам.

Из таблицы следует, что по сравнению со способами прототипа и серийному предложенный способ повышает оптическую однородность информационного поля дисплея, увеличивает выход годных изделий на данной стадии технологического процесса, сокращает время операции заполнения пакета и снижает расход дорогостоящего элемента конструкции дисплея жидкого кристалла.

Использование: изобретение относится к производству изделий оптоэлектроники и может быть использовано для получения видеоустройств, оптической средой и элементом конструкции которых является жидкий кристалл (ЖК), в частности, при заполнении пакета дисплея ЖК. Сущность изобретения: в способе заполнения пакета дисплея ЖК веществом, включающем последовательно размещение в герметичной камере ЖК и пакета дисплея, дегазацию пакета и ЖК в процессе вакуумирования камеры, погружение пакета заливочным отверстием в ЖК вещество, заполнение пакета ЖК путем разгерметизации камеры и герметизацию заливочного отверстия пакета, дегазацию ЖК вещества и заполнение пакета ведут при температуре выше температуры изотропного состояния ЖК вещества в вакууме, а вакуумирование камеры и пакета дисплея ведут при температуре не выше температуры кристаллизации ЖК вещества. 1 табл.

Способ заполнения пакета дисплея жидкокристаллическим веществом, включающий последовательное размещение в герметичной камере жидкокристаллического вещества и пакета дисплея, дегазацию пакета и жидкокристаллического вещества в процессе вакуумирования камеры, погружение пакета заливочным отверстием в жидкокристаллическое вещество, заполнение пакета жидкокристаллическим веществом путем разгерметизации камеры и герметизацию заливного отверстия пакета, отличающийся тем, что дегазацию жидкокристаллического вещества и заполнение пакета ведут при температуре выше температуры изотропного состояния жидкокристаллического вещества в вакууме, а вакуумирование камеры и пакета дисплея ведут при температуре не выше температуры кристаллизации жидкокристаллического вещества.