ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к устройствам отображения и обработки информации на жидких кристаллах, а именно на сегнетоэлектрических жидких кристаллах, обладающих бистабильностью.

Цель изобретения устранение указанных недостатков и создание конструкции и способа изготовления сегнетоэлектрического жидкокристаллического устройства, обладающего бистабильностью при отсутствии пробоев и равномерной ориентации слоя жидкого кристалла.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг.2 фрагмент поверхности электрода с защитным слоем.

На чертежах 1 прозрачные подложки; 2 электроды; 3 защитный слой; 4 ориентирующий полимерный слой; 5 сегнетоэлектрический жидкий кристалл.

При работе устройства накопленный на границе раздела жидкий кристалл - диэлектрик заряд стекает вследствие конечного сопротивления защитного слоя. Верхняя граница допустимого удельного сопротивления защитного слоя определяет максимальное время стекания заряда, которое, согласно изобретению, меньше времени разрушения бистабильности обратным напряжением. В соответствии с экспериментальными данными, время разрушения бистабильности для существенных материалов порядка нескольких миллисекунд. Нижняя граница допустимого удельного сопротивления защитного слоя определяет максимально допустимую утечку по защитному слою между электродами устройства.

Верхняя граница диапазона удельного сопротивления диэлектрика определяется следующим условием: время максвелловской релаксации в слое диэлектрика должно быть меньше времени переключения ЖК обратным напряжением.

Время максвелловской релаксации τ_р=ρεε_o.
Время переключения τ_п=γd/P_сU, где γ вращательная вязкость ЖК; P_c - спонтанная поляризация ЖК; U обратное напряжение; d толщина слоя ЖК.

U=P_сh/εε_o, где h толщина слоя диэлектрика.

Получаем следующее ограничение для удельного сопротивления:
ρ≅ γd/P2с

h,
При γ=1 Пауз=10^-7 B•K•c/см³; d 10 мкм; P_c 3•10^-8 К/см²; h 0,1 мкм; ρ≅ 10¹⁰ Ом•см.
Нижняя граница определяется следующим требованием: сопротивление между электродами матричной структуры на подложке должно быть существенно больше сопротивления электродов, иначе будет значительное падение напряжения вдоль строки за счет утечек.

Сопротивление электродов R_э R_n•N, где R_n - количество элементов в строке.

Сопротивление утечки R_у=ρI/S=ρ/KNh, где h толщина слоя диэлектрика; К отношение размера элемента к расстоянию между элементами (К ≈ 10).

Требуется R_y ≥ 10 R_э.

Получаем второе ограничение для удельного сопротивления:
ρ≥ 10²R_nN²h
При R_n 10 Ом, N 10³, h 0,1 мкм.

ρ≥ 10⁴ Ом•см,
При изготовлении устройства основная сложность заключается в формировании защитного слоя с требуемым удельным сопротивлением, так как оно сильно зависит от стехиометрии и структуры слоя. В соответствии с нашими исследованиями, стабильное, воспроизводимое удельное сопротивление защитного слоя в требуемых пределах может быть получено при формировании защитного слоя путем гидролиза соединения титана. Одновременно достигается другая цель предлагаемого изобретения, заключающаяся в получении равномерной ориентации слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла.

Преимущества предлагаемого способа формирования защитного слоя для получения равномерной ориентации сегнетоэлектрического жидкого кристалла состоят в следующем. При изготовлении жидкокристаллического устройства слой ориентирующего полимера наносят на диэлектрический слой и натирают обычным способом. В отличие от нанесения ориентирующего полимера непосредственно на низкоомный электрод или защитный слой, сформированный другим способом, например напылением, при нанесении ориентирующего примера на защитный слой, сформированный путем гидролиза соединений титана, получается однородная ориентация слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла по всему рабочему полю устройства. Это связано с тем, что для получения прозрачного проводящего электрода с низким сопротивлением толщина электрода должна быть достаточно большой. Например, для получения пленки индия с поверхностным сопротивлением 20 Ом толщина ее должна быть от 0,2 до 0,5 мкм, в зависимости от способа получения. Так как формирование пленки для снижения сопротивления проводят при достаточно высокой температуре 300-400^oС, то неизбежен рост кристаллитов и поверхность пленки получается шероховатой. Напыление диэлектрика не снижает, а, как правило, усугубляет шероховатость поверхности. При нанесении тонкого слоя (0,01-0,03 мкм) ориентирующего полимера на шероховатую поверхность пленка полимера ложится неравномерно, участками, что приводит к потере ее ориентирующей способности и к неоднородной (участками) ориентации слоя жидкого кристалла. При достаточно толстом электроде (более 0,5 мкм) ориентация разрушается на всей поверхности. При формировании защитного слоя путем гидролиза соединения титана поверхность защитного слоя получается гладкой, шероховатость электрода на поверхности защитного слоя не проявляется и, следовательно, нанесение тонкой ориентирующей полимерной пленки обеспечивает однородную ориентацию слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла (см. фиг.2). Высокая чувствительность ориентации жидкого кристалла к структуре ориентирующей поверхности характерна только для гомогенной (планарной) ориентации сегнетоэлектрических жидких кристаллов и является основным сдерживающим обстоятельством для промышленного производства и широкого распространения устройства на сегнетоэлектрических жидких кристаллах.

Пример конкретной реализации устройства (фиг.1).

На фиг.1: 1 стеклянные подложки; 2 первая и вторая группы прозрачных электродов в виде полос шириной 270 мкм, с шагом 300 мкм, толщиной 0,2 мкм, с сопротивлением 20 Ом/□, количество электродов в группе 300; 3 защитный слой, выполненный из двуокиси титана, толщина 0,2 мкм, удельное электрическое сопротивление 10⁸ Ом•см; 4 ориентирующий слой, выполненный из ароматического полиамида толщиной 0,03 мкм; 5 слой сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала; вязкость 1 пауз, спонтанная поляризация 90 нК/см², толщина слоя 5 мкм. При амплитуде импульса 20 В время переключения составляет 100 мкс, время памяти не менее 1 ч.

Пример конкретной реализации способа изготовления сегнетоэлектрического жидкокристаллического устройства.

1. На стеклянной пластине ВЧ магнетронным распылением в смеси аргона с кислородом формируют проводящий прозрачный слой: толщина слоя 0,2 мкм, поверхностное сопротивление 20 Ом, прозрачность 85%
2. По проводящему слою проводят фотолитографию для получения требуемой конфигурации системы электродов.

3. На системе электродов формируют защитный слой двуокиси титана:
3.1. Центрифугированием наносят на подложку раствор тетраэтоксититана в этиловом спирте концентрацией 7 мас. скорость центрифуги 1500 об/мин (концентрация раствора определяет требуемую толщину защитного слоя 0,2 мкм).

3.2. Пластину, покрытую раствором, прогревают в течение 1 ч при температуре 250^oС.

Переход тетраэтоксититана Ti(OC₂H₅)₄ в двуокись титана TiO₂ при нагреве в атмосфере и взаимодействии с парами воды происходит в несколько этапов:



Побочные продукты реакции H₂O и (C₂H₅)₂O₂ и растворитель испаряются при нагреве.

4. Поверх защитного слоя наносят и натирают ориентирующий слой из ароматического полиамида толщиной 0,03 мкм.

5. Аналогичным образом изготавливают пластину с второй системой электродов, защитным и ориентирующим слоем.

6. Проводят сборку и заполнение устройства.

В устройстве, изготовленном описанным способом, удельное сопротивление защитного слоя составляет 10⁸ Ом•см, контраст не менее 30:1, разброс значения контраста по рабочему полю не более 10% время памяти не менее 1 ч.

Использование изобретения позволит создать новые сегнетоэлектрические жидкокристаллические устройства (плоские экраны и пространственно временные модуляторы света), обладающие бистабильностью при отсутствии пробоев и с равномерными по рабочему полю характеристиками, обеспеченными равномерной ориентацией слоя жидкого кристалла.

Использование: в устройствах отображения информации на жидких кристаллах сегнетоэлектрического типа, обладающих бистабильностью. Сущность: защитный слой, нанесенный на подложки устройства поверх слоя электродов, имеет удельное электрическое сопротивление ρ в диапазоне 10²•R_n•N²•h≅ ρ≅ γd/P2с

•h,, где R_n - поверхностное сопротивление слоя электродов; N - число элементов в строке; h - толщина защитного слоя; γ вращательная вязкость сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала; P_c - спонтанная поляризация сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала; d - толщина слоя сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала. 2 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы.

1. Жидкокристаллическое устройство, содержащее слой сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала, расположенный между двумя подложками, на внутренние поверхности которых последовательно нанесены слой в виде групп электродов, защитный и ориентирующий слои, отличающееся тем, что, с целью обеспечения бистабильности устройства при отсутствии пробоев, повышения равномерности светотехнических характеристик путем получения равномерной ориентации слоя сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала, защитный слой выполнен из материала, имеющего удельное электрическое сопротивление в следующих пределах:
10²•R_n•N²•h≅ρ≅γd/P2c

•h,
где R_п поверхностное сопротивление слоя электродов;
N число элементов в строке;
h толщина защитного слоя;
γ вращательная вязкость сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала;
Р_с спонтанная поляризация сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала;
d толщина слоя сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитный слой выполнен из двуокиси титана. 3. Способ изготовления жидкокристаллического устройства, включающий последовательно формирование на подложках слоя электродов, защитного и ориентирующего слоев, сборку подложек в пакет и заполнение его сегнетоэлектрическим жидкокристаллическим материалом, герметизацию, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности светотехнических характеристик путем получения равномерной ориентации сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала, защитный слой формируют путем нанесения соединения титана на слой электродов и нагрева этого соединения в атмосфере паров воды. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при формировании защитного слоя на слой электродов наносят раствор тетраэтоксититана.