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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf aktive Rückwände und auf das Abdichten von
Zellen mit aktiven Rückwänden. Sie
ist insbesondere, aber nicht ausschließlich relevant in Bezug auf
den Zusammenbau von Lichtmodulationszellen mit Licht modulierendem
Material zwischen den Substraten.
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Die
Vorrichtung, die in dieser Beschreibung genauer anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
erläutert
wird, ist ein Raumlichtmodulator in Form einer smektischen Flüssigkristallschicht
zwischen einer aktiven Halbleiterrückwand und einer gemeinsamen
Frontelektrode. Sie wurde entwickelt als Reaktion auf die Forderung
nach einem schnellen und möglichst
kostengünstigen
Raumlichtmodulator mit einer relativ großen Anzahl von Pixeln, der
nicht nur für
eine Anzeigevorrichtung, sondern auch für andere Arten der optischen
Verarbeitung wie Korrelations- und holografisches Schalten einsetzbar
ist. Unsere damit zusammenhängenden
internationalen Patentanmeldungen mit jeweils gleichem Anmelde-
und Prioritätsdatum
(PCT/GB99/04285, AZ: R20957WO, Priorität GB9827952.4; PCT/GB99/04286,
AZ: P20958WO, Priorität
GB9827965.6; PCT/GB99/04282, AZ: P20959WO, Priorität GB9827900.3;
PCT/GB99/04279, AZ: P20960WO, Priorität GB9827901.1; PCT/GB99/04274,
AZ: P20961WO, Priorität
GB9827964.9; PCT/GB99/04275, AZ: P20962WO, Priorität GB9827945.8;
und PCT/GB99/04260 und PCT/GB99/04277, AZ: P20963WO und P20963WO1,
beide Priorität GB9827944.1)
beziehen sich auf weitere Aspekte der Erfindung in Zusammenhang
mit dem Raumlichtmodulator.
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Im
Verlauf der Entwicklung der Ausführungsform
stieß man
auf eine Reihe von Problemen, die überwunden werden konnten, und
die Lösungen
zu diesen Problemen (sei es bezüglich
der Konstruktion, Funktion oder des Verfahrens) beschränken sich nicht
notwendigerweise auf diese Ausführungsform, sondern
können
auch anderweitig von Nutzen sein. Daher beziehen sich nicht alle
Aspekte der vorliegenden Erfindung auf Flüssigkristallvorrichtungen oder auf
Raumlichtmodulatoren.
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Nichtsdestotrotz
ist es von Vorteil, mit einer Diskussion der Probleme zu beginnen,
auf die man bei der Entwicklung der Ausführungsform, die später beschrieben
wird, gestoßen
ist.
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Die
Flüssigkristallphase
ist seit dem letzten Jahrhundert bekannt, und es gab einige wenige
frühe Ansätze, um
Flüssigkristallmaterialien
in Lichtmodulatoren zu verwenden, wobei jedoch keiner zu einem signifikanten
kommerziellen Erfolg führte.
Gegen der Ende der 1960er und in den 1970ern lebte jedoch das Interesse
an der Verwendung von Flüssigkristallmaterialien
bei der Lichtmodulation wieder auf und führte zu größerem Erfolg, da mehr Materialien
und reinere Materialien zur Verfügung
standen, weil sich die Technologie allgemein weiter entwickelt hatte.
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Grob
gesprochen begann diese spätere
Periode mit der Verwendung von nematischem und cholesterischem Flüssigkristallmaterial.
Cholesterische Flüssigkristallmaterialien
fanden Anwendung als Sensoren, hauptsächlich zum Messen von Temperatur
oder als Anzeige einer Temperaturänderung, jedoch auch zum Reagieren
beispielsweise auf vorhandene Verunreinigungen. In derartigen Fällen hängt die
Steigung der cholesterischen Helix von dem zu messenden Parameter
ab und ändert
entsprechend die Wellenlänge,
bei der selektiv eine Art des zirkular polarisierten Lichtes durch
die Helix reflektiert wird.
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Es
wurden auch Anstrengungen unternommen, um cholesterische Materialien
in elektrooptischen Modulatoren einzusetzen, jedoch bezogen sich
während
dieser Periode die meisten Forschungen auf diesem Gebiet auf nematische
Materialien. Bei den ursprünglichen
Vorrichtungen wurden Effekte wie der nematische dynamische Streueffekt
eingesetzt, und immer komplizierte Vorrichtungen beruhten auf Eigenschaften
wie oberflächenindizierte
Ausrichtung, dem Effekt von polarisiertem Licht und der Co-Orientierung
von gestreckten Farbstoffmolekülen oder
anderen gestreckten Molekülen/Partikeln.
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Bei
einigen dieser Vorrichtungen wurden Zellen eingesetzt, bei denen
die nematische Phase eine verdrillte (chirale) Struktur annimmt,
entweder durch geeignetes Ausrichten der Oberfläche oder durch Einbau von optisch
aktivem Material in der Flüssigkristallphase.
In einer Richtung ähneln
derartige Materialien cholesterischen Materialien, die oft als spezielle
Form der nematischen Phase angesehen werden.
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Ursprünglich lagen
die Flüssigkristall-Lichtmodulatoren
in Form einer einzelnen Zelle mit einer Schicht von Flüssigkristallmaterial zwischen
gegenüberliegenden,
mit Elektroden versehenen Platten vor, von denen wenigstens eine
der Platten transparent war. Die Dicke der Flüssigkristallschicht in nematischen
Zellen beträgt üblicherweise
zwischen 20 und 100 Mikrometer.
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Später wurden
elektrooptische nematische Vorrichtungen mit mehreren Pixeln entwickelt.
Ursprünglich
hatten diese die Form einer gemeinsamen Elektrode auf einer Seite
einer Zelle und mehreren individuell adressierbaren passiven Elektroden
auf der anderen Seite der Zelle (z. B. als Siebensegmentanzeige)
oder, bei höheren
Anzahlen von Pixeln, von sich schneidenden passiven Elektroden-Arrays
auf jeder Seite der Zelle, beispielsweise Zeilen- und Spaltenelektroden, die abgefragt
werden können. Diese
späteren
Entwicklungen waren sehr leistungsfähig, jedoch kam es zu Problemen
bezüglich Übersprechen
zwischen den Pixeln.
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Die
Situation verschlechterte sich, als analoge (Graustufen-) Anzeigen
benötigt
wurden, die durch die angelegte Spannung analog moduliert werden,
da die optische Reaktion nicht linear von der angelegten Spannung
abhängt.
Die Adressierungsschemata wurden relativ kompliziert, insbesondere wenn
ein konstanter Dauerstrichbetrieb gefordert wurde. Derartige Betrachtungen
zusammen mit der relativ geringen Schaltgeschwindigkeit der nematischen
Zellen machten Echtzeit-Videobilder mit vernünftiger Auflösung schwierig.
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Folglich
wurden Vorrichtungen mit aktiver Rückwand hergestellt. Diese umfassen
eine Rückwand
mit mehreren aktiven Elementen wie Transistoren zur Versorgung der
entsprechenden Pixel. Zwei bekannte Formen sind Dünnschichttransistoren
auf Quarzglas-Rückwänden und
Halbleiterrückwände. Die
aktiven Elemente können
derart aufgebaut werden, dass eine Art Speicherfunktion erfüllt wird,
bei der das Adressieren des aktiven Elements im Vergleich zur benötigen Zeit
für das
Adressieren und Schalten des Pixels beschleunigt werden kann, wodurch
sich das Problem bei der Anzeige mit Videobildraten reduziert.
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Aktive
Rückwände werden
häufig
sehr ähnlich
wie ein dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM) oder ein statischer
Direktzugriffsspeicher (SRAM) aufgebaut. An jeder adressierbaren
Stelle eines verteilten Arrays umfasst eine aktive Rückwand vom
SRAM-Typ eine Speicherzelle mit wenigstens zwei gekoppelten Transistoren,
die zwei stabile Zustände
aufweisen, so dass die Zelle (und daher das dazugehörige Flüssigkristallpixel)
in dem letzten geschalteten Zustand verbleibt, bis ein späterer Adressierungsschritt
diesen Zustand verändert.
Jede Zelle beeinflusst das dazugehörige Flüssigkristallpixel und ist per
se bistabil, d. h. ohne kapazitiven Pixelblindwiderstand. Die Versorgung
des Pixels, damit dieses in dem existierenden Schaltzustand verbleibt, erfolgt über Busleitungen,
die auch das Array der SRAM-Plätze
versorgen. Die Adressierung erfolgt normalerweise durch eine periphere
Logik über
orthogonale Gruppen (z. B. Spalte und Zeile) von Adressierungsleitungen.
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Bei
einer aktiven Rückwand
nach DRAM-Typ ist ein einzelnes aktives Element (Transistor) an
jedem Platz vorgesehen und bildet zusammen mit dem kapazitiven Blindwiderstand
des dazugehörigen Flüssigkristallpixels
eine Ladungsspeicherzelle. Damit sind in diesem Fall, und anders
als bei einer SRAM-Rückwand,
die Flüssigkristallpixel
ein integraler Bestandteil des DRAM auf der Rückwand. Es gibt keine Bistabilität im Zusammenhang
mit dem Platz, es sei denn, das Flüssigkristallpixel ist selbst
bistabil, und dies ist nicht der Fall, soweit nematische Pixel betroffen
sind. Statt dessen vertraut man auf das aktive Element, das eine
hohe Impedanz darstellt, wenn es nicht adressiert wird, um Ladungsverlust
des kapazitiven Blindwiderstandes zu verhindern und um die DRAM-Stelle
periodisch aufzufrischen.
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Rückwände mit
Dünnschichttransistoren (TFT)
umfassen ein Array aus Dünnschichttransistoren,
die über
ein (allgemein transparentes) Substrat verteilt sind, und zwar gegebenenfalls über einen
beträchtlichen
Bereich, wobei periphere Logikschaltkreise zum Adressieren der Transistoren
vorgesehen sind, wodurch die Herstellung von Pixelvorrichtungen mit
großen
Bereichen, die direkt betrachtet werden können, vereinfacht wird. Nichtsdestotrotz
gibt es Probleme bezüglich
der Ausbeute bei den Rückwänden bei
der Herstellung, und die Länge
der Adressleiter wirkt sich verlangsamend beim Abfragen aus. Auf einem
transparenten Substrat wie z. B. Glas können TFT-Arrays auf der Vorder-
oder Rückseite
einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung
angeordnet werden.
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In
Bezug auf die Gesamtgröße ist der
Bereich des TFT-Arrays, belegt durch die Transistoren, dazugehörigen Leiter
und andere elektrische Elemente, z. B. Kondensatoren, relativ unbedeutend.
Es gibt daher keinen nennenswerten Nachteil bei der Verwendung von
der SRAM-Konfiguration
gegenüber
der DRAM-Konfiguration. Mit dieser Art der Rückwand werden daher viele der
Probleme beim langsamen Schalten der Flüssigkristallpixel überwunden.
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Im
Allgemeinen sind die aktiven Elemente bei TFT-Rückwänden Diffusionstransistoren
u. dgl. anstelle von FETs, so dass die dazugehörigen Impedanzen relativ niedrig
sind und der dazugehörige
Ladungsverlust im "AUS"-Zustand relativ
hoch ist.
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Die
aktiven Halbleiterrückwände sind
bezüglich
ihrer Größe auf die
Größe von verfügbaren Halbleitersubstraten
beschränkt
und sind nicht geeignet für
die direkte Betrachtung ohne vorgeschaltete Optik. Nichtsdestotrotz
begünstigt
ihre außerordentlich geringe
Ausdehnung die Geschwindigkeit der Adressierung der aktiven Elemente.
Diese Art von Rückwand
umfasst üblicherweise
FETs, z. B. MOSFETs oder CMOS-Schaltungen mit entsprechenden hohen Impedanzen
und relativ niedrigem Ladungsverlust im "AUS"-Zustand.
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Jedoch
hat die kleine Ausdehnung außerdem
zur Folge, dass der Bereich der gesamten Lichtmodulation (Array),
der durch die Transistoren, entsprechenden Leiter und andere Elemente,
wie z. B. Kondensatoren, abgedeckt wird, relativ bedeutsam sein
kann, insbesondere bei dem SRAM-Typ, bei dem wesentlich mehr Elemente
als beim DRAM-Typ erforderlich sind. Da sie für sichtbares Licht undurchsichtig
ist, eignet sich eine Halbleiterrückwand als hinteres Substrat
eines Lichtmodulators oder einer Anzeigevorrichtung.
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Noch
später
tauchten als wesentliche Entwicklung smektische Flüssigkristalle
auf. Diese haben insoweit möglicherweise
Vorteile gegenüber
nematischen Phasen, als ihre Schaltgeschwindigkeit wesentlich größer ist,
und bei geeigneter Oberflächenstabilisierung
der ferroelektrischen smektischen C-Phasen sollten Vorrichtungen
herzustellen sein, die zwei stabile Ausrichtungszustände aufweisen,
d. h. eine Speicherfunktion erfüllen.
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Die
Dicke der Flüssigkristallschicht
in derartigen Vorrichtungen ist im Allgemeinen kleiner als bei den
entsprechenden nematischen Vorrichtungen, üblicherweise in der Größenordnung
von höchstens
ein paar Mikrometern. Zusätzlich
zur möglichen Änderung
der Schaltgeschwindigkeit wird der kapazitive Blindwiderstand eines
Pixels bei der Einheit angehoben, wodurch die Funktion einer aktiven DRAM-Rückwand insoweit
begünstigt
wird, als ein geschalteter Zustandes bei einem Pixel bis zu der nächsten Adressierung
beibehalten wird.
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Wenn
sich die Dicke des Flüssigkristalls
den Dimensionen im Zusammenhang mit der darunter liegenden Struktur
der Rückwand
und/oder der Größe irgendeiner
möglichen
Deformation des Flüssigkristallzellenaufbaus
auf Grund von Durchbiegung oder einer anderen Bewegung des Substrats
nähert, kommt
es jedoch zu Problemen, z. B. in Bezug auf die Gleichmäßigkeit über den
Pixelbereich bei der Reaktion und die Möglichkeit von Kurzschlüssen über die
Zelldicke. Die Ausrichtung bei chiralen smektischen Flüssigkristallzellen
ist außerdem
häufig
stark abhängig
von mechanischen Faktoren und kann daher durch mechanische Einwirkung
oder Stöße zerstört werden.
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Abdichten
der Zelle. Wie oben angedeutet, umfasst eine aktive Rückwand eine
Anzeige oder einen Lichtmodulationsbereich, über den mehrere Plätze verteilt
sind, die jeweils wenigstens ein aktives Element aufweisen, zusammen
mit einer peripheren Logik zum Adressieren der Plätze. Im
Wesentlichen sind die einzigen Verbindung zwischen der Logik und den
Plätzen
zum Adressieren von Busleitungen notwendig, wie Spalten- und Zeilenleitern,
und – bei SRAMs – Versorgungsleitungen.
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Externe
Verbindungen müssen
zwischen der peripheren Logik und Datenleitungen, Versorgungsleitungen
etc. hergestellt werden, und zu diesem Zweck lässt man einen Kantenabschnitt
oder wahrscheinlicher wenigstens zwei benachbarte oder gegenüberliegende
Kantenabschnitte der aktiven Rückwand über das
oben liegende transparente vordere Elektrodensubstrat überstehen.
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Es
ist notwendig, eine Flüssigkristallzelle
am Rand abzudichten, z. B. mit Kleber. Im Fall einer Zelle mit einer
aktiven Halbleiterrückwand
sind die beiden Substrate klein, und es nicht ungewöhnlich,
dass bei den Zellen der Kleber wenigstens einen Teil der peripheren
Logik und/oder die Kante des Bereichs mit den adressierbaren Plätzen überdeckt,
was die Schwierigkeiten andeutet, die beim genauen Anordnen des
oberen Substrats in Bezug auf das untere Substrat und beim Überwachen
des Fließens
des Klebers auftreten können.
Somit hat man unter Umständen
relativ wenig Kontrolle über
die genaue Positionierung des Klebermaterials, wenigstens bei manchen
Schritten.
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Unsere
parallele Anmeldung PCT/GB99/04286 (AZ: P20958WO) bezieht sich auf ein
Verfahren zum Zusammenbauen und Abdichten eines ersten Substrats
und eines zweiten Substrats, die einander räumlich gegenüber und
voneinander beabstandet sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- (a) Bereitstellen einer Klebeplatte mit einer Öffnung einer
Form, die der des ersten Substrats entspricht, jedoch etwas kleiner
ist;
- (b) Bedecken der Klebeplatte mit Kleber;
- (c) genaues Aufsetzen des ersten Substrats auf die Öffnung der
Klebeplatte, so dass nur der Randbereich des ersten Substrats mit
Kleber bedeckt wird, und
- (d) Entfernen des ersten Substrats von der Platte und genaues
Aufsetzen auf das zweite Substrat.
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Vorzugsweise
umfasst wenigstens eines von dem ersten und zweiten Substrat elektrische
Elemente wie einen oder mehrere Leiter oder andere passive oder
aktive elektrische Elemente. Vorzugsweise ist wenigstens eines von
dem ersten und zweiten Substrat transparent oder durchsichtig.
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Obgleich
die Substrate identische Bereiche haben können und vollständig aufeinander
aufgesetzt werden können,
deckt das Verfahren Schritte ab, wo wenigstens eine Kante des zweiten Substrats über das
erste Substrat übersteht,
z. B. zum Vereinfachen seiner elektrischen Verbindung.
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In
der Vorrichtung, die genauer im Folgenden beschrieben wird, ist
das zweite Substrat eine aktive Rückwand, und das erste (obere)
Substrat bildet eine transparente Gegenelektrode und erstreckt sich
nur soweit, wie es notwendig ist, um den Flüssigkristallabschnitt der Vorrichtung
abzudichten, d. h. definiert durch das Array und eine Kleberandspur,
die später erläutert wird.
Alle vier Randbereiche der Rückwand können vorstehen
und daher geeignet sein für
die Aufnahme von Flächen
für externe
elektrische Verbindungen. Durch andere Schaltungen der Rückwand werden
diese Randbereiche belegt, und damit kommt es ebenfalls zu keiner
Bedeckung oder Überlappung
durch das obere Substrat.
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Das
obere Substrat ist transparent und hat auf seiner Unterseite eine
transparente Elektrodenschicht. Eine Metallelektrode, z. B. aus
Aluminium, aber eher aus Kupfer, Silber oder Gold, zum Verbinden
der transparenten Elektrodenschicht mit der Rückwand oder etwas anderem ist
auf einer Seitenfläche
des oberen Substrats vorgesehen (z. B. durch Bedampfen oder Sputtern)
und erstreckt sich um die Ecke herum, so dass sie auf der transparenten
Elektrode liegt und sie verbindet.
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In
einer bevorzugten Form des Verfahrens ist eine Spannvorrichtung
mit einem ersten und zweiten Greifabschnitt zur genauen Positionierung
des ersten und zweiten Substrats bei ihrem Aufsetzen im Schritt (d)
vorgesehen.
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Bei
einer Form des Verfahrens umfassen die Schritte (a) bis (c) das
Positionieren des ersten Substrats auf dem Spannvorrichtungsabschnitt
und der Klebeplatte auf dem zweiten Spannvorrichtungsabschnitt,
so dass das erste Substrat und die Öffnung der Klebeplatte genau
in die erforderliche Aufsetzstellung gebracht werden können. Der
Schritt (d) umfasst das Ersetzen der Klebeplatte auf dem zweiten Spannvorrichtungsabschnitt
durch das zweite Substrat und je nach Wunsch das Aufsetzen des ersten und
zweiten Substrats.
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Besonders
bevorzugt weist jedoch der Spannvorrichtungsabschnitt einen dritten
Abschnitt auf, der genau oder ähnlich
wie der zweite Abschnitt funktioniert, wobei die Schritte (a) bis
(c) das Positionieren des ersten Substrats auf dem ersten Spannvorrichtungsabschnitt
und der Platte mit Öffnung
auf dem dritten Spannvorrichtungsabschnitt umfassen, so dass das
erste Substrat und die Öffnung
genau aufeinander aufgesetzt werden können, und Schritt (d) umfasst
das Anordnen des zweiten Substrats auf dem zweiten Spannvorrichtungsabschnitt,
um das erste und zweite Substrat wie erforderlich aufzusetzen.
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Wie
insbesondere im Folgenden beschrieben wird, können die Spannvorrichtungsabschnitte und
die Klebeplatte mit Öffnung
so angeordnet werden, dass der Zusammenbau von mehreren Zellen gleichzeitig
stattfinden kann. Der erste und zweite Spannvorrichtungsabschnitt
können
jeweils eine erste und eine zweite Platte für das Befestigen des ersten
und zweiten Substrats in vorgegebenen Positionen aufweisen, zusammen
mit Anordnungseinrichtungen (z. B. mit Stiften, die Löcher in
den Platten durchstoßen),
um sicherzustellen, dass sich die erste und zweite Platte wie gewünscht zueinander
anordnen lassen. Wo dies vorgesehen ist, ist der dritte Spannvorrichtungsabschnitt ähnlich aufgebaut,
wobei die Platte die Klebeplatte ist. Wo der dritte Spannvorrichtungsabschnitt
nicht vorgesehen ist, wird die Klebeplatte auf ähnliche Weise auf Anordnungseinrichtungen
des zweiten Spannvorrichtungsabschnittes angeordnet.
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Vorzugsweise
ist der Kleber ein UV-Kleber. Obgleich Abstandselemente innerhalb
der eigentlichen Kleberippe vorgesehen werden können, beispielsweise Glasperlen
mit einer vorgegebenen schmalen Größenverteilung, wird der Einsatz
von Kleber ohne derartige Elemente bevorzugt, wobei man sich auf
Abstandshalter verlässt,
die sich bereits auf einem oder beiden Substraten befinden. Die
Anordnung derartiger Abstandshalter ist Gegenstand unserer parallelen
Anmeldung PCT/GB99/04286 (AZ: P20959WO).
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Wenn
die Substrate eine aktive Rückwand und
eine transparente Elektrode aufweisen, ist vorzugsweise das erste
Substrat die transparente Elektrode. In diesem Fall steht vorzugsweise
die Rückwand über die
transparente Elektrode vor, und zwar auf wenigstens einer Seite,
um das Herstellen von elektrischen Verbindungen zu ihr zu vereinfachen.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren angewendet auf die Herstellung von Flüssigkristallzellen
und beinhaltet den Schritt des Einfüllens oder Anordnens von Flüssigkristallmaterial
zwischen den Substraten. Dies kann vor Schritt (a), zwischen Schritt
(a) und (b) oder nach Schritt (b) erfolgen. Die letzte Option ist besonders geeignet
und/oder bevorzugt bei der Herstellung von smektischen Flüssigkristallzellen und/oder
Flüssigkristallzellen
mit einer aktiven Rückwand.
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Obgleich
die Beabstandung der Zellsubstrate innerhalb des Bereichs der Zelle
erfolgen kann durch Einfügen
individueller Abstandshalterelemente, die in dem Flüssigkristall
verteilt sind, oder anderen Materials innerhalb der Zelle selbst,
werden Abstandshalter auf und verteilt über eines oder beide Substrate
bevorzugt, was mit weiteren Einzelheiten in unserer parallelen Anmeldung
PCT/GB99/04286 (AZ: P20959WO) erläutert wird.
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Obgleich
das Verfahren für
den Zusammenbau besonders geeignet ist für Konstruktionen mit aktiven
Halbleiterrückwänden, so
können
in Anbetracht der Schwierigkeiten bei der genauen Handhabung und
Positionierung von ihnen auf Grund ihrer geringen Größe auch
andere zellenähnliche
Aufbauten zusammengesetzt werden, einschließlich Flüssigkristallzellen mit TFT-Rückwänden, andere
Flüssigkristallzellen
oder andere Lichtmodulatoren und Anzeigen.
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Klebebahnen.
Beim Stand der Technik scheint häufig
dem Effekt, den eine Abdichtung zwischen Zellsubstraten auf den
Betrieb oder die Lebensdauer einer Zelle ausübt, wenig Beachtung geschenkt
zu werden, insbesondere wenn die Abdichtung mit den aktiven Elementen
der Zelle in Kontakt kommt, seien es die elektronischen Komponenten der
Zelle oder ihr Inhalt, z. B. Flüssigkristallmaterial, wie
es oben erwähnt
wurde. Solch ein Kontakt kann entstehen auf Grund anfänglicher
ungenauer Platzierung des Klebers, Fehlausrichtung der Substrate,
die abgedichtet werden sollen, oder durch Zusammendrücken beim
Abdichtungsprozess.
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In
EP 0 603 420 wird eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung
offenbart, bei der die Leiter zwischen einem Array und einer externen
Steuerschaltung, die sich alle auf demselben Substrat befinden, lokal
verbreitert werden, um einen Abstandseffekt herbeizuführen. Obgleich
es keinen besonderen Hinweis darauf gibt, dass es wünschenswert
wäre, den Kleber
von kritischen Zellkomponenten fernzuhalten, scheinen die Figuren
nahe zu legen, dass in diesem speziellen Fall viel Raum in dem Leiterbereich
vorhanden ist, um einen Kleber anzuordnen, ohne dass es zu einem
der obigen Probleme kommt. Jedoch wird die Vorrichtung in Bezug
auf ein Dünnschicht-Transistor-Array
beschrieben, und diese werden weitestgehend bei großflächigen Anzeigevorrichtungen
eingesetzt, wo man genügend
Raum auf dem darunter liegenden Substrat hat, um ohne weiteres einen
Kleberstreifen abseits sowohl von dem Array als auch von der Steuerschaltung
unterbringen zu können.
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In
US 5 644 373 (Furushima)
wird ebenfalls eine TFT-Vorrichtung mit einem ringförmigen Raum zwischen
der Adressierungsschaltung und einem Array aus TFTs beschrieben;
in diesem Fall ist jedoch der ringförmige Raum nur als "Abstandsbereich" beschrieben, und
er wird dargestellt als von Seite zu Seite mit Kleber gefüllt, der
somit sowohl mit dem Array als auch mit der Adressierungsschaltung
in Kontakt kommt.
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Dagegen
beruht ein Teil der Probleme beim Abdichten von Zellen mit aktiven
Halbleiterrückwänden auf
der engen Nachbarschaft des Arrays aus adressierbaren Stellen zu
der peripheren Logik, die auf Grund der kleinen Abmessung des Halbleiterbereichs
und der Notwendigkeit einer effizienten Nutzung gegeben ist. In
diesem Kontext wird davon ausgegangen, dass dieses Problem auf Grund
des Kontakts zwischen Kleber oder Abdichtung und kritischen Zellkomponenten
bisher nicht erkannt wurde und dass die Anordnung einer ausreichend
breiten, dezidierten "Klebespur" zum Aufnehmen der
Abdichtung vorher nicht offenbart oder nicht einmal angesprochen
wurde. Dadurch, dass mehr Platz vorgesehen ist, ist es möglich, den
Kleberandstreifen im Wesentlichen nur über die Adressierungsleitungen
oder Adressierungs- und Versorgungsleitungen, wodurch die dichter
belegten Logikbereiche am Rand mit den dicht belegten Array-Bereichen
gekoppelt werden, zu verlegen.
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Indem
der Umfang des Kontakts zwischen der Klebung und den Funktionselementen
der Rückwand
reduziert wird, hat man den Vorteil, dass der Kleber oder die Abstandselemente
innerhalb des Klebers zur Abstandsherstellung der Substrate elektrisch
leitfähige
Verunreinigungen, die erzeugt werden, sowie elektrische Kurzschlüsse über einen
Teil der Zelle oder aktiven Rückwand
umfassen können (der
Ausdruck "leitfähig" muss insoweit im
Kontext gesehen werden, als beispielsweise der "AUS"-Widerstand
eines FET in einer aktiven Rückwand
extrem hoch ist und somit nur eine geringe Leitfähigkeit nötig ist, um effektiv kurzgeschlossen
zu werden).
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiterrückwand geschaffen mit einem
beabstandeten ersten und zweiten Bereich, einem Array von elektronischen
oder elektrischen Elementen in dem ersten Bereich, logischen Elementen
zum Adressieren des Arrays in dem zweiten Bereich und Leitern, die
den ersten und den zweiten Bereich verbinden, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass der erste und der zweite Bereich ausreichend voneinander
beabstandet sind, um einen Kleberabdichtungsstreifen dazwischen
zuzulassen, im Wesentlichen ohne dass ein Kontakt mit dem ersten
und zweiten Bereich hergestellt wird. In der Praxis ist die minimale
erreichbare Breite des Klebers, der aufgebracht werden kann, etwa
300 Mikrometer, so dass unter Berücksichtigung von Toleranzen
bei der relativen Positionierung die Breite der Klebebahn wenigstens
500 Mikrometer betragen sollte, bevorzugt wenigstens 1000 Mikrometer
und besonders bevorzugt 1500 Mikrometer.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den angefügten Ansprüchen, auf die
der Leser verwiesen wird, sowie aus der folgenden Beschreibung einer
Ausführungsform
der Erfindung, die Bezug nimmt auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 zeigt schematisch eine
Querschnittsdarstellung durch eine Flüssigkristallzelle mit einer aktiven
Rückwand
auf einem Substrat.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung
von Komponenten der Flüssigkristallzelle
nach 1.
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3 zeigt eine allgemeine
Draufsicht auf eine elektrooptische Grenzfläche zu der Flüssigkristallzelle
nach 1.
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4 ist eine genauere Darstellung
des Teils der Grenzfläche
in 3, bei der der Aufbau
der Flüssigkristallzelle
aus 1 über ein
Hybrid-Substrat auf einer gedruckten Schaltung gezeigt ist.
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5 zeigt schematisch ein
Blockschaltbild eines Teils der Grenzfläche aus 3 mit der Schaltung, die eng mit der
Flüssigkristallzelle
zusammenhängt.
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6 zeigt schematisch eine
Draufsicht (Aufteilungsplan) der aktiven Rückwand der Flüssigkristallzelle
aus 1 einschließlich einem
zentralen Pixel-Array.
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7 zeigt die Verwendung von
Spannvorrichtungen beim Zusammenbau der Zelle in 1.
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8 zeigt schematisch eine
Draufsicht auf den zentralen Teil der Rückwand aus 6, um die Stellen einiger der isolierenden
Abstandsleisten und -spalten auf der Rückwand anzudeuten.
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1 zeigt schematisch eine
Querschnittsdarstellung einer Flüssigkristallzelle 1 auf
einem Dickschicht-Aluminium-Hybridsubstrat
oder Chip-Träger 2.
Die Zelle 1 ist in einer Explosionsdarstellung in 2 gezeigt. Die Verwendung
eines Hybridsubstrats für
den Aufbau von elektrooptischen Vorrichtungen wird im Einzelnen
näher in
unserer parallelen Anmeldung (AZ: P20957WO) erläutert.
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Die
Zelle 1 umfasst eine aktive Siliziumrückwand 3, bei der
ein Zentralbereich vorgesehen ist, um ein Array 4 von aktiven
Spiegel-Pixelelementen
in 320 Spalten und 240 Zeilen aufzunehmen. Außerhalb des Arrays, jedoch
beabstandet von den Kanten der Rückwand 3,
befindet sich am Rand eine Klebeversiegelung 5, die die
Rückwand 3 gegenüber dem Randbereich
einer Frontelektrode 6 abdichtet. 2 zeigt, dass die Klebeversiegelung unterbrochen
ist, um das Einfüllen
von Flüssigkristallmaterial
in die zusammengebaute Zelle zu ermöglichen, wonach die Versiegelung
abgeschlossen wird, entweder durch zusätzlich hinzugefügten gleichen
Kleber oder durch irgendein anderes geeignetes Material, das per
se bekannt sein kann.
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Die
Frontelektrode 6 umfasst ein allgemein rechteckiges planares
Glas- oder Quarzsubstrat 7, das auf der Unterseite gegenüber der
Rückwand 3 mit
einer durchgehenden, elektrisch leitfähigen Siebdruck-Indium-Zinnoxid-Schicht 8 bedeckt
ist. Auf einer Kantenseite des Substrats 7 ist ein aufgedampfter
Aluminiumkantenkontakt 9 vorgesehen, der sich um die Kante
des Substrats und über
einen Abschnitt der Schicht 8 erstreckt, wodurch eine elektrische
Verbindung mit der Schicht 8 in der zusammengebauten Zelle 1 hergestellt
wird.
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Die
isolierenden Abstandshalter 25 auf dem Siliziumsubstrat
der Rückwand 3 erstrecken
sich nach oben, um die Frontelektrode 6 in einem vorgegebenen,
präzisen
und stabilen Abstand von dem Siliziumsubstrat festzuhalten, und
Flüssigkristallmaterial
füllt den
dadurch definierten Zwischenraum. Die Abstandshalter 25 und
die Rückwand 3 werden
auf dem Siliziumsubstrat gleichzeitig mit den Elementen der aktiven
Rückwand
darauf hergestellt, wobei alle oder wenigstens einige der gleichen
Schritte durchgeführt
werden (siehe unten sowie unsere parallele Anmeldung AZ: P20959WO).
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Wie
in 3 gezeigt, bildet
die Zelle 1 einen Teil einer elektrooptischen Schnittstelle 10 mit
einer gedruckten Schaltung (PCB) für die Oberflächenmontierung 11,
auf der sich das Dickschicht-Aluminium-Hybridsubstrat oder der Chip-Träger 2 befindet, auf
dem wiederum die Zelle 1 angeordnet ist. 4 zeigt eine genauere Darstellung des
Substrats 2 zusammen mit dem benachbarten Abschnitt der
PCB 11.
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5 ist eine schematische
Darstellung der Schaltung auf der PCB 11, die in enger
Verbindung mit dem Betrieb der Zelle 1 steht, hier schematisch als
Rückwand 3 und
Frontelektrode 6 gezeigt. Die Rückwand 3 empfängt Daten über eine
Schnittstelle 13 von einem Speicher 12, und sowohl
die Rückwand 3,
die Frontelektrode 6, der Speicher 12 als auch
die Schnittstelle 13 werden von einem programmierbaren
Logikmodul 14 gesteuert, das seinerseits mit dem parallelen
Port eines PC über
ein Interface 15 verbunden ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens zum Zusammenbau wird ein Wafer mit mehreren identischen
aktiven Rückwänden 3 zerteilt, und
eine Frontelektrode 6 wird mit einem Teilstück verklebt
und versiegelt 5, um so eine leere Zelle herzustellen,
ein Prozess, der teilweise in 7 gezeigt ist
und später
erläutert
wird.
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Erst
nach dem Zusammenbau der Frontelektrode wird das Teilstück getestet,
um sicherzustellen, dass es wie gewünscht funktioniert, wobei die
risikoreichere Prozedur eines Tests am Anfang auf dem Wafer selbst
vermieden wird. Dass dies ohne ökonomischen
Verlust oder ohne Zeitverlust erfolgen kann, verdankt man wenigstens
teilweise der hohen Ausbeute von brauchbaren Rückwänden auf dem Wafer.
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Nach
dem Testen wird eine leere Zelle mit funktionierender Rückwand auf
dem Hybridsubstrat 2 mit Epoxy befestigt und mit Wire-Bonding 16 mit
Wire-Bonding-Flächen 17 auf
dem Substrat 2 verbunden. Weitere Schaltungskomponenten 18 werden ebenfalls
oberflächenmontiert
und elektrisch mit leitfähigen
Bahnen auf dem Substrat 2 verbunden. Die letzteren Bahnen
sind Teil eines Musters von Bahnen auf dem Substrat 2,
die eine gewünschte
Konfiguration darstellen, die sich zwischen den Wire-Bonding-Flächen 16 für die Rückwand,
den weiteren Komponenten 18 und Einrichtungen für das Verbinden
des Substrats mit der PCB 11 erstrecken, wie es in 4 gezeigt ist, wobei derartige
Einrichtungen die Form von Kantenflächen 19 aufweisen,
aber es können
alle geeigneten, per se bekannten Einrichtungen eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
wird erst nach der Befestigung der leeren Zelle und nach dem Bonden
mit dem Hybridsubstrat 2 diese mit einem ausgewählten smektischen
Flüssigkristallmaterial 20 gefüllt.
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Bei
einer bevorzugten Form des Verfahrens für den Zusammenbau werden die
folgenden Schritte durchgeführt,
wobei man mit dem bearbeiteten Silizium-Wafer und dem Glassubstrat
der Frontelektrode beginnt und zu der zusammengesetzten Flüssigkristallzelle
auf dem Substrat gelangt.
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Der
verarbeitete Wafer wird in einer Teststation getestet, mit einer
Fotoresistschicht beschichtet (Planarisierung) und mit einer Wafer-Säge zerteilt. Nach dem Schneiden
des Glassubstrats der Frontelektrode, dem Reinigen und dem Aufbringen
der Indium-Zinnoxid-Schicht 8 wird
der Kantenkontakt 9 aus Aluminium darauf aufgedampft. Ausrichtungsschichten
aus geriebenem Polyamid werden dann sowohl auf dem unterteilten
Wafer (Teilstück)
und der Frontelektrode 6 vorgesehen, und die Klebeversiegelung 5 wird
auf die Frontelektrode gedruckt, bevor der Zusammenbau zu einer
ungefüllten
Zelle erfolgt. Ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammenbau des Teilstücks und
der Frontelektrode wird genauer an anderer Stelle in dieser Beschreibung
erläutert.
Die ungefüllte
Zelle wird dann auf dem Hybridsubstrat 2 befestigt, wonach
sie mit einem Flüssigkristallmaterial 20 gefüllt wird.
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6 zeigt eine allgemeine
schematische Ansicht der Aufteilung ("Aufteilungsplan") der aktiven Rückwand 3. Jedes der
aktiven Pixelelemente des zentralen Arrays 4 ist im Wesentlichen
zusammengesetzt aus einem NMOS-Transistor mit einem Gate, das mit
einem aus einer Gruppe von Zeilenleitern verbunden ist, einer Drain-Elektrode,
die mit einem aus einer Gruppe von Spaltenleitern verbunden ist, und
einer Source-Elektrode oder -Bereich, entweder in Form einer Spiegelelektrode
oder verbunden mit einer Spiegelelektrode. Zusammen mit einem gegenüberliegenden
Abschnitt der gemeinsamen Frontelektrode 6 und dazwischen
angeordnetem chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial 20 bildet die
hinten angeordnete Spiegelelektrode eine Flüssigkristall-Pixel-Zelle mit kapazitiven
Eigenschaften.
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Gerade
und ungerade Zeilenleiter werden zu jeweiligen Abfrageeinrichtungen 44, 45 verbunden, die
auf beiden Seiten des Arrays angeordnet sind. Jede Abfrageeinrichtung
umfasst eine Pegelanpassungseinrichtung 44b, 45b zwischen
einem Schieberegister 44a, 45a und dem Array.
Im Betrieb wird ein Token-Signal
durch die Register geschickt, um einzelne Zeilen der Reihe nach
frei zu schalten (die entsprechenden Transistoren leitfähig zu machen),
und bei entsprechender Steuerung der Register können je nach Bedarf verschiedene
Abfragetypen, z. B. verschachtelt bzw. nicht verschachtelt, durchgeführt werden.
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Gerade
und ungerade Spaltenleiter werden mit den jeweiligen Treibern 42, 43 verbunden,
die sich abseits der Oberseite und Unterseite des Arrays befinden.
Jeder Treiber umfasst 32 bis 160 Demultiplexer 42a, 43a,
die Latch-Gatter 42b, 43b versorgen, sowie eine
Pegelanpassungseinrichtung 42c, 43c zwischen den
Latch-Gattern und
den Spaltenleitern. Im Betrieb werden, gesteuert von einem Fünf-Phasentakt,
Daten von dem Speicher 24 bei aufeinander folgenden Gruppen
von 32 ungeraden oder geraden Spaltenleitern von den Gruppen
der Kanten-Bonding-Flächen 46, 47 an
die Demultiplexer 42a, 43a geliefert und bei 42b, 43b verriegelt,
bevor eine Pegelverschiebung bei 42c, 43c für die Versorgung
die Spaltenleiter mit Treiberspannung erfolgt. Die Synchronisation
zwischen der Zeilenabfrage und der Spaltenansteuerung stellt sicher,
dass die geeignete Datentreiberspannung über die freigeschalteten Transistoren
einer Zeile an die Flüssigkristallpixel angelegt
wird, und zu diesem Zweck sind verschiedene Steuerschaltkreise 48 und
Testschaltkreise 48' vorgesehen.
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Das
nachfolgende Abschalten dieser Zeile versetzt die Transistoren in
einen Hochimpedanzzustand, so dass Ladungen, die den Daten entsprechen,
dann in den kapazitiven Flüssigkristallpixeln
für eine
längere
Dauer verbleiben, bis die Zeile wieder adressiert wird.
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Die
Lücken 21 zwischen
den Pegelanpassungseinrichtungen 44b, 45b und
den benachbarten Kanten des Arrays 4 sind 1 mm breit, und
die Lücken 22 zwischen
den Pegelanpassungseinrichtungen 44b, 45b und
den benachbarten Kanten des Arrays 4 sind 2 mm breit. Diese
Lücken
oder Klebebahnen sind ausreichend groß, um eine Klebeversiegelung 5 aufzunehmen,
die etwa 300 Mikrometer breit ist, und gleichzeitig Toleranzen bei
der Positionierung der Abdichtung zuzulassen. Wie in 1 gezeigt ist die Größe der Frontelektrode 6 ausreichend,
um nur das Array und die Klebebahnen größtenteils abzudecken. Bei der
Ausführungsform
ist das Array 11 mm × 8
mm und die Frontelektrode 12,4 mm × 9,4 mm.
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Auf
der linken Seite in 7 ist
eine Platte 28 mit einem ersten Abschnitt einer Spannvorrichtung
gezeigt, wobei auf dieser Platte vier Frontelektroden 6 an
einer vorgegebenen Stelle mit an sich bekannten Einrichtungen angeordnet
werden. Die Platte hat zwei Öffnungen,
in die Ausrichtungsstifte der Spannvorrichtung greifen. Rechts in 7 ist eine Klebeplatte 29 eines
dritten Abschnittes der Spannvorrichtung gezeigt, die zwei Öffnungen 30 aufweist, die
in Größe und Position
den Öffnungen 30 der
Platte 28 entsprechen.
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Die
Platte 29 weist außerdem
vier Öffnungen 31 auf,
die ein wenig kleiner (11,6 × 8,6
mm) als die entsprechende Frontelektrode 6 sind und darauf
zentral aufgesetzt wird, wenn die zwei Platten mit ihren Öffnungen 30 ausgerichtet,
wie gezeigt, übereinander
gelegt werden.
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Eine
Oberfläche
der Platte 29, die untere Oberfläche, wie gezeigt, ist mit Kleber 33 bedeckt,
z. B. durch Schablonendruck, dann wird die Platte in Richtung auf
die Platte 28 nach unten bewegt und gelangt in Richtung
von Pfeil 34 in Kontakt mit den Frontelektroden darauf.
Danach wird die Platte 29 in Richtung von Pfeil 35 angehoben,
wodurch die Randbereiche 32 der Frontelektroden 6 mit
Kleber bedeckt zurückgelassen
werden.
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Mit
an sich bekannten Einrichtungen werden die Substrate 3 außerdem an
vorgegebenen Stellen auf einer (nicht dargestellten) Platte eines
zweiten Abschnittes einer Spannvorrichtung befestigt, im Aufbau ähnlich der
Platte 28. Diese Platte und die Platte 28, auf
der sich noch die mit Kleber bedruckten Frontelektroden befinden,
werden dann unter Verwendung der Ausrichtungsöffnungen 30 aufgesetzt,
so dass der Randbereich der Frontelektrode 6 mit dem Kleber über den
Klebebahnen 21, 22 liegt und in sie hineinfällt.
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Einer
von dem ersten und zweiten Teil der Spannvorrichtung kann, wenn
gewünscht,
entfernt werden (wenigstens einer bleibt zurück, um die Ausrichtung der
zusammengebauten Frontelektrode und Rückwand sicherzustellen), und
es wird genügend Druck
ausgeübt
auf den Zusammenbau, um das Abdichten der Frontelektrode mit der
Rückwand
sicherzustellen, bevor der Kleber UV-gehärtet wird.
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Obgleich
der Prozess beschrieben wurde für eine
kontinuierlich durchlaufende Klebeversiegelung, ist es selbstverständlich,
dass beispielsweise an der Stelle in 2 eine
Unterbrechung vorgesehen werden kann, indem die entsprechenden Öffnungen 32 der
Platte 29 vergrößert werden.
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Wie
in 8 sehr schematisch
dargestellt, haben die Abstandshalter 25 die Form von Spalten mit
allgemein quadratischem Querschnitt (3 Mikrometer × 3 Mikrometer),
integriert in der Rückwand 3, und
sind gleichmäßig über das
Pixel-Array verteilt,
eines für
jedes Pixel 27. Sie werden ergänzt durch Abstandshalter 26,
die gleichmäßig in den
Klebebahnen 21, 22 zwischen dem Pixel-Array und
einem Außenbereich 22a für die Steuerschaltung
(3) verteilt sind, die
mit dem Array verbunden ist.
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Die
Abstandshalter in den Klebebahnen haben die Form von Leisten, die
in der Höhe
den Spalten 25 gleichen, jedoch eine länglichere Form haben (10 × 100 Mikrometer).
Die Isolationspfeiler und Leisten, die gleichzeitig mit demselben
Prozessschritt hergestellt werden, und die sich über die Topologie der übrigen Rückwand erheben,
stellen eine konstante und genaue Beabstandung zwischen der Frontelektrode 6 und
dem Siliziumsubstrat der Rückwand
sicher, um so Kurzschlüsse
zwischen der Rückwand
und der Frontelektrode zu vermeiden und die elektrische und optische
Gleichmäßigkeit
und das Verhalten in den Flüssigkristall-Pixel-Array
zu garantieren.
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Bei
dieser Ausführungsform
umfassen die Abstandshalter wenigstens zwei Schichten von im Wesentlichen
demselben Material und in derselben Reihenfolge, wie es sich in
wenigstens einem der elektrischen oder elektronischen Elemente in
der aktiven Rückwand
wieder findet, beispielsweise den Transistoren. Vorzugsweise entsprechen
all die Schichten in den Abstandshaltern bezüglich Material und Reihenfolge
denen in den Transistoren.
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Es
versteht sich, dass, obgleich die Ausführungsform in Bezug auf eine
smektische Flüssigkristallzelle
beschrieben wurde, diese Erfindung bei ihrem ersten Aspekt sich
auf jede beliebige Zellenkonstruktion mit zwei beabstandeten gegenüberliegenden
Substraten bezieht und die Erfindung bei ihrem zweiten Aspekt sich
auf jede beliebige aktive Rückwand
bezieht, die zur Herstellung einer solchen Zellkonstruktion verwendet
wird.