способ однонаправленной параллельной ориентации жидких кристаллов

Формула изобретения

Способ однонаправленной ориентации жидких кристаллов поверхностью подложек путем осаждения на нее плазменно-полимеризованного материала, отличающийся тем, что подложки жидкокристаллических ячеек располагают в области образования плазмы наклонно по отношению к электродам диодной системы и создают плазму тлеющего разряда, содержащую углеводородные радикалы.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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^o020^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.

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.

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.

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 110^-5 Торр. Предварительно поверхность подложек обрабатывалась кислородсодержащей плазмой с целью очистки их поверхности. Для чего в камеру через натекатель подавался кислород до давления 210^-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 4,5-810^-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.

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.