RU2073902C1

RU2073902C1 - Method for unidirectional parallel orientation of liquid crystals

Info

Publication number: RU2073902C1
Application number: RU93012687A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Коншина
Original assignee: Компания оптических исследований и разработок "Петерлаб"
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: optical instruments, in particular, method for manufacturing of liquid-crystal displays which are used in devices for information displaying and processing. SUBSTANCE: method involves generation of glow discharge plasma from volatile carbonic hydrogen using high frequency or direct voltage. Substrates of liquid-crystal cells are located between electrodes of diode system being slanting with respect to flow of falling particles. Carbonic hydrogen radicals which are produced when carbonic hydrogen is decomposed, are polymerized on substrate surface using ions and electrons of plasma. This results in generation of amorphous carbonic hydrogen layer with anisotropic characteristics on substrate surface. Unidirectional uniform parallel orientation of crystals is produced when angle between flow of falling plasma particles and its projection to surface of substrates is in range of 5- 20 degrees. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а более конкретно к технологии изготовления электрооптических устройств на основе жидких кристаллов (ЖК) и может быть использовано для ориентации ЖК поверхностью плазменно-полимеризованного материала в устройствах отображения и обработки информации. The invention relates to the field of optical instrumentation, and more particularly to a technology for the manufacture of electro-optical devices based on liquid crystals (LCD) and can be used to orient the LCD surface of a plasma-polymerized material in information display and processing devices.

Для каждого конкретного электрооптического эффекта принципиально важной является исходная ориентация ЖК молекул в плоских ячейках типа "сендвич". Распределение молекул ЖК на поверхности подложек, образующих ячейку зависит, как от свойств самой мезофазы (является она нематической, холестерической или смектической), так и от ориентирующих свойств поверхности подложки. Наиболее распространенные типы исходной ориентации ЖК: параллельная (планарная), когда оси молекул параллельны подложке и перпендикулярная (гомеотропная), когда оси молекул перпендикулярны подложке. For each specific electro-optical effect, the initial orientation of the LC molecules in flat cells of the sandwich type is fundamentally important. The distribution of LC molecules on the surface of the substrates forming the cell depends both on the properties of the mesophase itself (it is nematic, cholesteric, or smectic) and on the orienting properties of the substrate surface. The most common types of initial LC orientation: parallel (planar), when the axes of the molecules are parallel to the substrate and perpendicular (homeotropic), when the axes of the molecules are perpendicular to the substrate.

Основные требования к технологии изготовления ориентирующих слоев это простота, воспроизводимость однородной ориентации и надежность эксплуатации. В мировой практике для ориентации ЖК широко применяются полимерные материалы, осаждаемые на поверхность подложек разными способами. (Ж. Конъяр "Ориентация нематических жидких кристаллов и их смесей". Минск. 1986, с. 14-21. B.O.Myrvold, Liquid Crystals, 1988. V.3, N 9, p. 1255). Однако, применение их в ряде случаев ограничено низкой химической и термической стойкостью, что несовместимо с высокотемпературными способами герметизации ЖК ячеек. В отличие от традиционно используемых полимеров, полученных осаждением из раствора мономера, полимерные покрытия, полученные полимеризацией мономеров в плазме тлеющего разряда, являются термостойкими и химически инертными к агрессивным средам. The main requirements for the technology of manufacturing orienting layers are simplicity, reproducibility of uniform orientation and reliable operation. In world practice, polymer materials that are deposited on the surface of substrates in various ways are widely used to orient LCs. (J. Konyar "Orientation of nematic liquid crystals and their mixtures. Minsk, 1986, pp. 14-21. B.O. Myrvold, Liquid Crystals, 1988. V.3, N 9, p. 1255). However, their use in some cases is limited by low chemical and thermal resistance, which is incompatible with high-temperature methods of sealing LC cells. Unlike traditionally used polymers obtained by precipitation from a monomer solution, polymer coatings obtained by polymerization of monomers in a glow discharge plasma are heat-resistant and chemically inert to aggressive media.

Плазменная технология осаждения полимерных покрытий включает в себя создание тлеющего разряда инертного газа, который служит одновременно газом носителем мономера, вводимого в плазму в газообразном состоянии, и осаждении паров мономера на подложки, расположенные на одном из параллельных электродов диодной системы, на который подается ВЧ потенциал. Характер ориентации молекул ЖК поверхностью плазменно-полимеризованных полимеров зависит от природы мономера и последующей обработки поверхности покрытия. Стабильную гомеотропную ориентацию молекул ЖК дают покрытия, полученные полимеризацией в плазме гексаметилдисилоксана (J.C.Dubois, M.Gazard, A.Zann, Appl. Phys. Lett. 1974. V.24, N 7, p. 297), тетрафторэтилена (L. Rousille, J.Robert. J. Appl. Phys. 1979. V.50, N 6, p.3975), метилметакрилата и изобутилена (J.C. Dubois e.a. J.Appl. Phys. 1976. V.47, N 4, p. 1270). Способность к планарной ориентации у плазменно-полимеризованных полимеров тем выше, чем больше их поверхностная энергия, которая может быть повышена обработкой поверхности плазмой аргона, кислорода и азота (R.Watanabe e.a. Jap. J.Appl. Phys, 1987. V. 26, N 3, p. 373). Для создания однонаправленной параллельной ориентации поверхность полимерных пленок, независимо от способа их получения, традиционно подвергают механическому натиранию вдоль одного направления, что позволяет придать поверхности анизотропные свойства. Трудность контроля и регулирования процесса натирания является основной причиной брака, связанного с неоднородной ориентацией молекул в ЖК устройствах. Plasma technology for the deposition of polymer coatings includes the creation of a glow discharge of an inert gas, which simultaneously serves as the carrier gas of the monomer introduced into the plasma in a gaseous state, and the deposition of monomer vapor on substrates located on one of the parallel electrodes of the diode system to which the RF potential is applied. The nature of the orientation of the molecules of the LC surface of the plasma-polymerised polymers depends on the nature of the monomer and subsequent processing of the coating surface. Stable homeotropic orientation of LC molecules is provided by coatings obtained by plasma polymerization of hexamethyldisiloxane (JCDubois, M. Gazard, A. Zann, Appl. Phys. Lett. 1974. V.24, No. 7, p. 297), tetrafluoroethylene (L. Rousille J. J. Robertt. J. Appl. Phys. 1979. V.50, N 6, p. 3975) methyl methacrylate and isobutylene (JC Dubois ea J. Appl. Phys. 1976. V.47, N 4, p. 1270 ) The ability to planar orientation in plasma-polymerized polymers is the higher, the greater their surface energy, which can be increased by surface treatment with argon, oxygen and nitrogen plasma (R.Watanabe ea Jap. J. Appl. Phys. 1987. V. 26, N 3, p. 373). To create a unidirectional parallel orientation, the surface of polymer films, regardless of the method of their preparation, is traditionally subjected to mechanical rubbing along one direction, which makes it possible to impart anisotropic properties to the surface. The difficulty of controlling and regulating the rubbing process is the main cause of marriage associated with the heterogeneous orientation of molecules in LC devices.

Известен способ создания избирательной ориентации молекул ЖК с использованием плазменной технологии (R. Gibson, G.J.Sprokel US Pat. N 4038439, 1977). Он состоит в том, что для получения параллельной ориентации стеклянные подложки ЖК ячеек, размещают вне области плазмы и выдерживают их в свободных радикалах кислорода, образующихся в кислородной плазме; или на них осаждают окислы кремния или индия, образующиеся из соответствующих металлоорганических соединений в кислородсодержащей плазме, которые переносятся на подложку потоком газа. Для получения перпендикулярной ориентации подложки выдерживают в свободных радикалах фтора, образующихся при разложении в плазме полифторированных соединений. От известных аналогов способ отличается тем, что подложки размещаются вне области плазмы, исключая тем самым бомбардировку их поверхности ионами электронами плазмы. Если подложки расположить под углом 30^o по отношению к потоку продуктов окисления, то полученные этим способом покрытия обеспечивают однородную ориентацию молекул ЖК за одну ступень процесса осаждения (G.J.Sprokel. J.of Electr. Mater. 1980. V.9, N 3, p. 657).A known method of creating a selective orientation of LC molecules using plasma technology (R. Gibson, GJSprokel US Pat. N 4038439, 1977). It consists in the fact that, in order to obtain a parallel orientation, the glass substrates of the LC cells are placed outside the plasma region and maintained in the free oxygen radicals formed in the oxygen plasma; or they are precipitated by silicon or indium oxides formed from the corresponding organometallic compounds in an oxygen-containing plasma, which are transferred to the substrate by a gas stream. To obtain a perpendicular orientation, the substrates are kept in the fluorine free radicals formed during the decomposition of polyfluorinated compounds in the plasma. The method differs from the known analogues in that the substrates are placed outside the plasma region, thereby eliminating the bombardment of their surface by plasma electron ions. If the substrates are positioned at an angle of 30 ^° with respect to the flow of oxidation products, the coatings obtained by this method ensure uniform orientation of LC molecules in one step of the deposition process (GJSprokel. J.of Electr. Mater. 1980. V.9, N 3, p. 657).

Качество однородной планарной ориентации молекул ЖК способом, основанном на осаждении плазменной технологией SiO₂ и SnO, из металлоорганических соединений зависит от содержания в слоях побочных продуктов реакции окисления. Присутствие последних в ориентирующем слое приводит к снижению прозрачности в видимой области спектра, окрашиванию слоя и неоднородности ориентации. Сложность процесса получения воспроизводимой однородной ориентации без контроля состава осаждаемых продуктов плазмохимического окисления является основным недостатком способа избирательной ориентации молекул ЖК.The quality of the uniform planar orientation of LC molecules by a method based on the deposition of SiO ₂ and SnO by plasma technology from organometallic compounds depends on the content of oxidation reaction by-products in the layers. The presence of the latter in the orientation layer leads to a decrease in transparency in the visible region of the spectrum, staining of the layer, and orientation heterogeneity. The complexity of the process of obtaining reproducible uniform orientation without controlling the composition of the deposited products of plasmochemical oxidation is the main disadvantage of the method of selective orientation of LC molecules.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение способа получения однородной параллельной ориентации молекул ЖК поверхностью подложек ЖК является путем осаждения на нее слоя материала в плазме тлеющего разряда. An object of the present invention is to simplify the method for obtaining uniform parallel orientation of LC molecules by the surface of LC substrates by depositing a layer of material on it in a glow discharge plasma.

Указанная задача достигается предлагаемым способом, включающим в себя следующие стадии:
формирование с помощью тлеющего разряда углеводородной плазмы, используя для этого легколетучие углеводороды;
выдерживание подложек ЖК ячеек в углеводородных радикалах, образующихся при разложении углеводородов в плазме.This task is achieved by the proposed method, which includes the following stages:
the formation of a hydrocarbon plasma using a glow discharge using volatile hydrocarbons;
keeping the substrates of LC cells in hydrocarbon radicals formed during the decomposition of hydrocarbons in plasma.

Подложки располагаются между электродами наклонно относительно потока падающих на их поверхность частиц. В результате полимеризации углеводородных радикалов на подложке при воздействии ионов и электронов плазмы образуются аморфные углеводородные пленки, вызывающие параллельную ориентацию молекул ЖК. Однородная однонаправленная ориентация достигается, если угол между направлением потока частиц и проекцией на поверхность подложек 5^o≅0≅20^o.The substrates are located between the electrodes obliquely relative to the flow of particles falling on their surface. As a result of the polymerization of hydrocarbon radicals on the substrate under the influence of plasma ions and electrons, amorphous hydrocarbon films are formed, causing parallel orientation of the LC molecules. A uniform unidirectional orientation is achieved if the angle between the direction of particle flow and the projection onto the surface of the substrates is 5 ^o ≅ ⁰ ≅ 20 ^o .

Перечисленные основные признаки предлагаемого способа являются существенными и достаточными для создания воспроизводимой однородной ориентации ЖК молекул за одну ступень процесса осаждения материала плазменной технологией. The listed main features of the proposed method are essential and sufficient to create a reproducible homogeneous orientation of the LC molecules in one step of the process of material deposition by plasma technology.

В отличие от прототипа параллельная однородная ориентация достигается путем осаждения на подложки, расположенные в области плазмы аморфных углеводородных пленок, образующихся в результате полимеризации углеводородных радикалов при воздействии ионов и электронов плазмы. In contrast to the prototype, a parallel uniform orientation is achieved by deposition on the substrate located in the plasma region of amorphous hydrocarbon films resulting from the polymerization of hydrocarbon radicals when exposed to plasma ions and electrons.

На чертеже приведена схема расположения подложек ЖК ячеек относительно анода 1 и катода 2 диодной системы для создания плазмы тлеющего разряда. Держатель подложек может быть изготовлен в виде рамки, свободно вращающейся вокруг оси параллельной плоскости электродов 1, 2. The drawing shows the layout of the substrates of the LCD cells relative to the anode 1 and cathode 2 of the diode system to create a glow discharge plasma. The substrate holder can be made in the form of a frame that rotates freely around an axis parallel to the plane of the electrodes 1, 2.

Способ был реализован в плазме тлеющего разряда на постоянном потенциале. В качестве исходного углеводорода использовался толуол. Полированные стеклянные подложки, с нанесенным на одну поверхность проводящим слоем окислов индия и олова, закреплялись в держателе подложек. Держатель устанавливался в определенном фиксированном наклонном положении по отношению к направлению потока осаждаемых частиц. На держатель и подложки подавался потенциал катода. Угол между направлением потока частиц и его проекцией на поверхность подложек варьировался от 0 до 30^o. Однородная планарная ориентация была достигнута в интервале углов 5-20^o. Процесс проводился в вакуумной камере, откачиваемой до остаточного давления 1•10^-5 Торр. Предварительно поверхность подложек обрабатывалась кислородсодержащей плазмой с целью очистки их поверхности. Для чего в камеру через натекатель подавался кислород до давления 2•10^-4 Торр. Обработка проводилась при подводимой мощности разряда 4 Вт в течение 5 минут. Затем камера откачивалась до предельного остаточного давления и в систему через натекатель вводились пары толуола до давления 4,5-8•10^-4 Торр. Углеводородная плазма создавалась при мощности разряда 1,6-2 Вт. На подложки осаждались углеводородные пленки толщиной

со скоростью

. Направление ориентации молекул ЖК на подложках, обработанных таким образом, совпадают с проекцией направления потока частиц на поверхность подложек. Из подложек с углеводородным ориентирующим покрытием были собраны ЖК ячейки на S- и Т вист-эффектах толщиной от 5 до 30 мкм и заполнены в вакууме ЖК смесью на основе алкилцианобифенилов. Исследования ЖК ячеек, собранных из подложек обработанных в плазме тлеющего разряда предлагаемым способом, с помощью поляризационного микроскопа, а также определение угла наклона оси молекул к плоскости подложки показали, что молекулы ЖК с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются на их поверхности параллельно и однонаправленно с углом наклона 0-2^o.The method was implemented in a glow discharge plasma at a constant potential. Toluene was used as the initial hydrocarbon. Polished glass substrates, with a conducting layer of indium and tin oxides deposited on one surface, were fixed in the substrate holder. The holder was mounted in a certain fixed inclined position with respect to the direction of flow of the deposited particles. The cathode potential was applied to the holder and substrates. The angle between the direction of particle flow and its projection on the surface of the substrates varied from 0 to 30 ^o . A uniform planar orientation was achieved in the range of angles of 5-20 ^o . The process was carried out in a vacuum chamber pumped to a residual pressure of 1 • 10 ^-5 Torr. Previously, the surface of the substrates was treated with oxygen-containing plasma in order to clean their surface. For this, oxygen was supplied into the chamber through the leak to a pressure of 2 • 10 ^-4 Torr. Processing was carried out at a supplied discharge power of 4 W for 5 minutes. Then the chamber was evacuated to the maximum residual pressure and toluene vapor was introduced into the system through the leak to a pressure of 4.5-8 • 10 ^-4 Torr. Hydrocarbon plasma was created at a discharge power of 1.6-2 watts. Thick hydrocarbon films were deposited on substrates

with speed

. The orientation direction of the LC molecules on the substrates treated in this way coincides with the projection of the particle flow direction onto the surface of the substrates. From cells with a hydrocarbon orienting coating, LC cells were assembled on S and T whist effects with a thickness of 5 to 30 μm and filled in vacuum by LC mixtures based on alkyl cyanobiphenyls. Studies of LC cells collected from substrates processed in a glow discharge plasma by the proposed method using a polarizing microscope, as well as determination of the angle of inclination of the axis of the molecules to the plane of the substrate, showed that LC molecules with positive dielectric anisotropy are oriented on their surface in parallel and unidirectionally with an angle of inclination of 0 -2 ^o .

Предлагаемый способ выгодно отличается от аналогов простотой и одноступенчатостью технологического процесса осаждения ориентирующего слоя плазменной технологией и не требует дополнительной обработки поверхности после осаждения для придания ей анизотропных свойств. В отличие от прототипа в качестве исходного вещества способ позволяет применять любой доступный легколетучий углеводород предельного, непредельного или ароматического класса. Для создания плазмы тлеющего разряда могут быть использованы диодные системы на постоянном и ВЧ потенциале. Способ может быть реализован на стандартном вакуумном оборудовании, имеющем электрические вводы для подачи потенциала на электроды, и натекатели для подачи газообразных веществ. Способ может быть использован в технологии изготовления электрооптических устройств на нематических и смектических ЖК различного технического назначения. The proposed method compares favorably with its analogues with the simplicity and one-step process of deposition of the orienting layer by plasma technology and does not require additional surface treatment after deposition to give it anisotropic properties. In contrast to the prototype, as a starting substance, the method allows the use of any available volatile hydrocarbon of the limiting, unsaturated, or aromatic class. To create a glow discharge plasma, diode systems with a constant and RF potential can be used. The method can be implemented on standard vacuum equipment having electrical inputs for supplying potential to the electrodes, and leakages for supplying gaseous substances. The method can be used in the manufacturing technology of electro-optical devices on nematic and smectic LCs for various technical purposes.

Claims

A method for the unidirectional orientation of liquid crystals by the surface of substrates by deposition of a plasma-polymerized material on it, characterized in that the substrates of the liquid crystal cells are positioned in the plasma formation region obliquely with respect to the electrodes of the diode system and create a glow discharge plasma containing hydrocarbon radicals.