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Die
Erfindung betrifft aktive Rückwände zur Verwendung
mit einer davon beabstandeten gegenüberliegenden Vorderelektrode
und solche Rückwände umfassende
Vorrichtungen.
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Die
Vorrichtung, die insbesondere in dieser Beschreibung im Zusammenhang
mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wird, ist ein räumlicher
Lichtmodulator in Form einer smektischen Flüssigkristallschicht, die zwischen
einer aktiven Halbleiterrückwand
und einer üblichen
Vorderelektrode angeordnet ist. Sie wurde entwickelt zur Deckung des
Bedarfs an einem schnellen und möglichst
preisgünstigen
räumlichen
Lichtmodulator, der eine relativ große Anzahl von Pixeln aufweist,
mit potentieller Verwendung nicht nur als Anzeigevorrichtung, sondern
auch für
andere Formen einer optischen Verarbeitung wie holographischen und
Korrelationsschaltvorgängen.
Unsere gleichzeitig eingereichten Internationalen Patentanmeldungen
(siehe P20957WO mit Priorität
GB9827952.4 , P20958WO und P20958WO1,
beide mit Priorität
GB9827965.6 , P20960WO mit
Priorität
GB9827901.1, P20961WO mit Priorität
GB9827964.9 , P20962WO mit Priorität
GB9827945.8 und P20963WO
und P20963WO, beide mit Priorität
GB9827944.1 ) betreffen
andere erfindungsgemäße Merkmale,
die mit dem räumlichen Lichtmodulator
zusammenhängen.
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Bei
der Ausarbeitung der Erfindung trat eine Reihe von Problemen auf,
die gelöst
wurden, wobei die Lösungen
dieser Probleme (ob in Form von Konstruktion, Funktion oder Verfahren)
nicht notwendigerweise auf die Anwendung auf diese Ausführungsform
beschränkt
sind, sondern andere Verwendungen finden werden. Somit sind nicht
alle erfindungsgemäßen Merkmale
auf Flüssigkristallvorrichtungen oder
räumliche
Lichtmodulatoren beschränkt.
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Dennoch
ist es nützlich,
mit einer Diskussion der Probleme zu beginnen, die bei der Entwicklung der
weiter unten zu beschreibenden Ausführungsform auftraten.
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Die
Flüssigkristallphase
ist seit dem vergangenen Jahrhundert erforscht worden, und es gab
einige wenige Versuche, Flüssigkristallmaterialien
in Lichtmodulatoren zu nutzen, wovon keiner Grund zu einer erkennbar
erfolgreichen kommerziellen Verwendung war. Gegen Ende der sechziger
und siebziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts gab es ein erneutes
Interesse an der Verwendung von Flüssigkristallmaterialien zur
Lichtmodulation mit wachsendem Erfolg, je mehr und je reinere Materialien
zur Verfügung
standen und die Technologie im allgemeinen voranschritt.
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Ganz
allgemein begann diese Periode mit der Verwendung nematischer und
cholesterischer Flüssigkristallmaterialien.
Dabei fanden cholesterische Flüssigkristallmaterialien
Verwendung als Sensoren, hauptsächlich
zur Temperaturmessung oder Anzeige einer Temperaturänderung,
aber auch, um beispielsweise auf das Vorhandensein von Verunreinigungen
zu reagieren. In solchen Fällen
ist die Steigung der cholesterischen Helix empfindlich auf den nachzuweisenden
Parameter und verändert
dementsprechend die Wellenlänge,
bei welcher eine selektive Reflexion einer Drehrichtung des kreisförmig polarisierten
Lichtes durch die Helix stattfindet.
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Es
wurden auch Versuche zur Verwendung cholesterischer Materialien
in elektrooptischen Modulatoren unternommen, wobei jedoch in jener
Periode die Hauptrichtung der Forschung auf diesem Gebiet nematische
Ma terialien betraf. In ersten Vorrichtungen wurden solche Effekte
wie der nematische dynamische Streueffekt genutzt, und es entstanden
zunehmend kompliziertere Vorrichtungen, in welchen solche Eigenschaften
wie die oberflächeninduzierte Ausrichtung,
der Effekt auf polarisiertes Licht und die gemeinsame Ausrichtung
länglicher
Farbstoffmoleküle
oder anderer länglicher
Moleküle/Teilchen
genutzt wurden.
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In
einigen solcher Vorrichtungen wurden Zellen eingesetzt, in welchen
die nematische Phase eine verdrillte Struktur annahm, entweder durch
geeignetes Anordnen von Oberflächenausrichtungen
oder durch den Einbau optisch aktiver Materialien in die Flüssigkristallphase.
Dabei gibt es eine Richtung, in welcher solche Materialien cholesterischen
Materialien ähneln,
die oft als spezielle Form der nematischen Phase angesehen werden.
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Zunächst lagen
die Flüssigkristall-Lichtmodulatoren
in Form einer einzelnen Zelle vor, die eine Flüssigkristallschicht umfasste,
die zwischen einander gegenüberliegenden,
eine Elektrode tragenden Platten eingeschlossen war, wobei mindestens
eine der Platte transparent war. Dabei betrug die Dicke der Flüssigkristallschicht
in nematischen Zellen üblicherweise
etwa 20 bis 100 Mikrometer.
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In
einem späteren
Stadium wurden elektrooptische nematische Vorrichtungen, die eine
Vielzahl von Pixeln enthielten, entwickelt. Ursprünglich hatten diese
die Form einer üblichen
Elektrode auf einer Seite der Zelle und einer Vielzahl von einzeln
adressierbaren passiven Elektroden auf der anderen Seite der Zelle
(beispielsweise als Sieben-Segment-Anzeige) oder, bei einer größeren Anzahl
von Pixeln, von einander kreuzenden passiven Elektrodenmatrizen auf
beiden Seiten der Zelle, beispielsweise Zeilen- und Spaltenelektroden,
die abgetastet wurden. Obwohl letztere Vorrichtungen vielseitige
Verwendungsmöglichkeiten
boten, gab es Probleme, die mit der Kreuzkopplung zwischen den Pixeln
verknüpft
waren.
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Diese
Situation wurde noch verschärft,
als analoge (Graustufen-) Anzeigen von der analogen Modulation der
angelegten Spannung verlangt wurden, da die optische Reaktion, bezogen
auf die angelegte Spannung, nicht linear ist. Die Adressierschemata
wurden relativ kompliziert, insbesondere wenn auch ein Gleichstromausgleich
erforderlich war. Solche Betrachtungen, zusammen mit der relativen Langsamkeit
des Schaltvorgangs bei nematischen Zellen, machten es schwierig,
Echtzeit-Videobilder mit vernünftiger
Auflösung
zu erzeugen.
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Demzufolge
wurden Vorrichtungen mit aktiven Rückwänden hergestellt. Diese umfassen
eine Rückwand,
die eine Vielzahl aktiver Elemente wie Transistoren zur Energieversorgung
der entsprechenden Pixel umfasst. Zwei übliche Formen sind Dünnfilmtransistor
auf Siliciumdioxid/Glasrückwände und
Halbleiterrückwände. Dabei
können
die aktiven Elemente so angeordnet werden, dass sie eine gewisse
Gedächtnisfunktion
ausüben,
wobei das Adressieren des aktiven Elements beschleunigt werden kann,
verglichen mit dem Zeitraum, der erforderlich ist, um die Pixel
zu adressieren und zu schalten, was das Problem der Anzeige mit
Videovollbildgeschwindigkeiten mildert.
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Aktive
Rückwände stehen üblicherweise
in einer Vorrichtung zur Verfügung,
die sehr ähnlich
einem dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) oder einem statischen
Direktzugriffsspeicher (SRAM) ist. In jeder verteilten Matrix aus
adressierbaren Stellen umfasst eine aktive SRAM-Rückwand eine
Speicherzelle, die mindestens zwei gekoppelte Transistoren enthält, die
so angeordnet sind, dass sie zwei stabile Zustände haben, sodass die Zelle
(und damit der mit ihr verbundene Flüssigkristallpixel) im letzten Schaltzustand
verbleibt, bis ein nächster
Adressierschritt diesen Zustand ändert.
Dabei steuert jede Stelle elektrisch den mit ihr verbundenen Flüssigkristallpixel
und ist per se, d.h. ohne die Pixelkapazität, bistabil. Der elektrische
Strom zur Betätigung
des Pixels, um den vorhandenen Schaltzustand aufrechtzuerhalten,
wird von Stromsammelschienen erhalten, die auch die SRAM-Adressen-Matrix
versorgen. Das Adressieren wird normalerweise von der peripheren
Logikschaltung über
orthogonale Sätze
(beispielsweise Spalten und Zeilen) von Adressierleitungen durchgeführt.
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Bei
einer aktiven DRAM-Rückwand
wird ein einzelnes aktives Element (Transistor) an jeder Stelle bereitgestellt
und bildet zusammen mit der Kapazität des mit ihm verbundenen Flüssigkristallpixels
eine Ladungsspeicherzelle. Somit sind in diesem Fall, anders als
bei einer SRAM-Rückwand,
der Flüssigkristallpixel
ein integraler Bestandteil des DRAM der Rückwand. Es gibt keine Bistabilität, die mit
der Adresse verbunden ist, sofern nicht der Flüssigkristallpixel selbst bistabil
ist, und dies ist nicht der Fall, sofern es nematische Pixel betrifft.
Stattdessen wird auf das aktive Element, das eine hohe Impedanz
bietet, wenn es nicht adressiert wird, um Ladungsverluste aus der
Kapazität
zu verhindern, und auf ein periodisches Auffrischen der DRAM-Adresse
vertraut.
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Dünnfilmtransistor-(TFT-)Rückwände umfassen
eine Matrix aus Dünnfilmtransistoren,
die auf einem (üblicherweise
transparenten) Substrat über
einen Bereich verteilt sind, der beträchtlich sein kann, mit peripheren
Logikschaltungen zum Adressieren der Transistoren, wodurch die Bereitstellung
großflächiger,
mit Pixeln versehener Vorrichtungen, die direkt betrachtet werden
können,
erleichtert wird. Dennoch gibt es Probleme, die mit der Produktivität der Rückwände bei
der Herstellung verbunden sind, und hat die Länge der Adressierleiter einen
verlangsamenden Effekt auf das Abtasten. Wenn sie auf einem transparenten
Substrat wie Glas zur Verfügung
gestellt werden, können
solche TFT-Matrizen auf Vorder- oder Rückseite einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung
angeordnet werden.
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Hinsichtlich
ihrer Gesamtgröße ist die
Fläche der
TFT-Matrix, die von den Transistoren, mit ihnen verbundenen Leitern
und anderen elektrischen Elementen, beispielsweise Kondensatoren,
eingenommen wird, relativ unbedeutend. Deshalb gibt es keinen merklichen
Nachteil beim Einsatz der SRAM-Konfiguration im Gegensatz zur DRAM-Konfiguration.
Durch diese Art einer Rückwand
werden somit viele der Probleme behoben, die mit langsamen Schaltzeiten
von Flüssigkristallpixeln
verbunden sind.
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Im
allgemeinen sind die aktiven Elemente bei TFT-Rückwände Diffusionstransistoren
und dergleichen, im Gegensatz zu FETs, sodass die mit ihnen verknüpften Impedanzen
relativ gering sind und der mit ihnen im "AUS"-Zustand verknüpfte Ladungsverlust
relativ hoch ist.
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Aktive
Halbleiterrückwände sind
in ihrer Größe auf die
des zur Verfügung
stehenden Halbleitersubstrats beschränkt und nicht für eine direkte
Betrachtung ohne dazwischengeschaltete Optik geeignet.
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Dennoch
hilft ihre sehr kleine Größe dabei, das
Adressieren der aktiven Elemente zu beschleunigen. Dieser Typ einer
Rückwand
umfasst üblicherweise
FETs, beispielsweise MOSFETs, oder CMOS-Schaltkreise, mit damit
verknüpften
relativ hohen Impedanzen und einem mit ihnen verknüpften relativ
geringen Ladungsverlust im "AUS"-Zustand.
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Jedoch
bedeutet diese Kleinheit auch, dass die Fläche der gesamten Lichtmodulationsfläche (Matrix),
die von den Transistoren, mit ihnen verbundenen Leitern und anderen
elektrischen Elementen, beispielsweise Kondensatoren, eingenommen
wird, relativ groß sein
kann, insbesondere beim SRAM, der viel mehr Elemente als der DRAM
erfordert. Da sie bei sichtbarem Licht opak ist, würde eine
Halbleiterrückwand
das rückseitige
Substrat eines Lichtmodulators oder einer Anzeigevorrichtung liefern.
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In
einer noch späteren
Periode fand eine deutliche Entwicklung bei der Verwendung smektischer
Flüssigkristalle
statt. Diese haben potentielle Vorteile gegenüber nematischen Phasen insofern ihre
Schaltgeschwindigkeit deutlich höher
ist, und bei geeigneter Oberflächenstabilisierung
sollten die ferroelektrischen smektischen C-Phasen Vorrichtungen ergeben,
die zwei stabile Ausrichtungszustände, d.h. eine Speicherfunktion,
haben.
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Dabei
ist die Schichtdicke des Flüssigkristallmaterials
in solchen Vorrichtungen üblicherweise
viel kleiner als in entsprechenden nematischen Vorrichtungen, normalerweise
in der Größenordnung
von höchstens
einigen Mikrometern. Außer
dass dadurch die potentielle Schaltgeschwindigkeit verändert wird, erhöht dies
auch die Einheitskapazität
eines Pixels, was die Funktionsweise einer aktiven DRAM-Rückwand beim
Beibehalten des Schaltzustandes in einem Pixel bis die nächste Adressierung
kommt, erleichtert.
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Jedoch
treten, wenn sich die Dicke des Flüssigkristalls den Abmessungen
annähert,
die mit der darunter bedfindlichen Struktur der Rückwand und/oder
mit der Größe einer
möglichen
Verformung der Zellstruktur des Flüssigkristalls durch Durchbiegung
oder eine andere Bewegung des Substrates verknüpft sind, Probleme, beispielsweise
mit der Gleichmäßigkeit
der Reaktion über
die Pixelfläche und
der Möglichkeit
von Kurzschlüssen
durch die Zelldicke hindurch, auf. Die Ausrichtung in chiralen smektischen
Flüssigkristallzellen
ist auch häufig
gegenüber
mechanischen Faktoren sehr empfindlich und kann durch mechanische
Impulse oder Stöße zerstört werden.
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Beabstandung
des Substrats ist üblicherweise
erforderlich, um eine richtige und stabile Beabstandung zwischen
den zwei Substraten einer Zelle, einschließlich einer elektrischen Rückwand,
beispielsweise einer aktiven Rückwand,
sicherzustellen, dies trifft insbesondere auf smektische Flüssigkristallzellen
hinsichtlich der geringen Dicke der Flüssigkristallschicht zu.
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Früher bekannte
Verfahren der Einstellung des Abstands des Substrats wie die Matrix
zufällig verteilter
Abstandshalter, beispielsweise in Form von Kügelchen, auf der Fläche der
Zelle oder von Kügelchen,
die in der Randabdichtung verteilt werden, sind nicht immer für die betreffende
Vorrichtung geeignet, insbesondere wenn der Substratabstand klein
ist und ein oder beide Substrate elektrisch leitfähige Elemente
tragen.
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Neben
dem mechanischen Effekt der Abstandshalter, die die Rückwand beschädigen können, wenn
die Vorrichtung zusammengebaut wird, ist, es bei hinzugefügten Abstandshaltern
nicht unüblich,
dass sie leitfähige
Verunreinigungen enthalten, die den Kurzschluss einer oder mehrerer
Pixel verursachen könnten.
Weiterhin würde
eine zufällige
Verteilung der Abstandshalter zu ihrem Vorhandensein auf einzelnen
Pixeln, zusätzlichen
Defekten und Hohlräumen
und einer Verschlechterung der Ausrichtung der Flüssigkristalle
führen.
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Eine
in US-A-4 842 377 offenbarte Rückwand
enthält
nicht die Merkmale, die sich im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch
1 befinden. In diesem Zitat des Standes der Technik sind separate Abstandshalter
beschrieben, die sich auf der Rückwand
befinden und höher
als eine Matrix aus elektrischen und elektronischen Elementen sind.
Dabei kommen Schichten aus demselben Material in derselben Reihenfolge
sowohl in den TFTs der Matrix als auch in den Abstandshaltern vor,
da als Abstandshalter "Schein-TFTs" verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird eine
Rückwand
bereitgestellt, die eine Matrix aus elektrischen oder elektronischen
Elementen und mindestens einen separaten Abstandshalter umfasst,
der sich auf der Rückwand
befindet und höher
als die Matrix ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
separater Abstandshalter eine aus einem Elektrodenmaterial hergestellte
Schicht umfasst, die sich auf der Rückwand befindet und höher als
die Elektroden, die aus demselben Elektrodenmaterial hergestellt
und in einer Matrix angeordnet sind, mit einer Differenz ist, die im
wesentlichen gleich der Dicke mindestens einer zusätzlichen
Schicht ist, die sich nicht innerhalb dieser Matrix befindet, aber
zwischen der aus dem Elektrodenmaterial hergestellten Schicht und
der Rückwand
vorgesehen ist. In der weiter unten beschriebenen Ausführungsform
ist der Abstandshalter seitlich von einem mit ihm verbundenen angrenzenden
aktiven Element einer HalbleiterRückwand beabstandet.
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Die
Abstandshalter können
eine Reihe aus mehr als zwei Schichten umfassen, wobei es möglich ist,
dass sich nicht alle diese Schichten in dem elektrischen oder elektronischen
Element befinden. Auf ähnliche
Weise ist es möglich,
dass nicht alle Schichten im elektronischen Element in den Abstandshaltern
vorzufinden sind. Weiterhin ist es möglich, dass einige Schichten,
die im allgemeinen in den Abstandshaltern und dem Element übereinstimmen,
in dem einen oder anderen modifiziert werden (beispielsweise durch
Einschluss eines Dotiermittels oder eines implantierten oder modifizierten
Bereichs in der Schicht selbst). Dennoch wird sich, als allgemeine
Regel, in einem Abstandshalter eine zweite Abstandshalterschicht
befinden, die, nicht notwendigerweise direkt, eine erste Abstandshalterschicht überlagert,
und befindet sich in einem elektrischen oder elektronischen Element
der Rückwand
eine zweite Rückwandschicht,
die, nicht notwendigerweise direkt, eine erste Rückwandschicht überlagert, wobei
die erste Abstandshalter- und Rückwandschicht
gleich oder erkennbare Modifizierungen voneinander sind, und die
zweite Abstandshalter- und Rückwandschicht
gleich oder erkennbare Modifikationen voneinander sind.
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In
der Praxis werden, um die notwendige Höhe über den aktiven Elementen zu
erhalten, so viele der Gießverfahren
wie erforderlich, möglicherweise
alle davon, bei der Bildung der Abstandshalter angewendet. Weiterhin
ist es bevorzugt, weitere Schichten in den Abstandshaltern zu vermeiden,
die sich nicht in dem elektrischen oder elektronischen Element finden
lassen und somit zu dem Gießverfahren
hinzukommen. Somit ist es am meisten bevorzugt, dass die Schichten
in den Abstandshaltern in Material und Reihenfolge denjenigen entsprechen, die
in wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauelement
vorgefunden werden.
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Während, wenigstens
in der Theorie, das Aufbringen der Abstandshalterelemente nach Herstellung
der Rückwand
durchgeführt
werden kann, bedeuten Reihenfolge und Material der Abstandshalter,
dass es möglich
ist, die Abstandshalterelemente auf der Rückwand gleichzeitig und unter
Verwendung desselben Satzes aus Materialien und Verfahren zu erzeugen,
wenn die Rückwand
durch das Halbleitergießverfahren
gebildet wird.
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Somit
wird erfindungsgemäß als zweites Merkmal
auch ein Verfahren zur Herstellung einer Rückwand mit wenigstens einem
Bereich bereitgestellt, der eine Matrix aus elektrischen oder elektronischen
Bauelementen enthält,
wobei nur die Verfahren, die zur Herstellung von Teilen mindestens
eines der Elemente angewendet werden, auch gleichzeitig zur Bildung
von Teilen von Abstandshaltern auf der Rückwand angewendet werden.
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Die
Adressen der Matrix werden üblicherweise
mit Adressiermitteln, beispielsweise Stromsammelschienen, versehen,
die von der externen Logikschaltung bis zur Matrix verlaufen. Wie
weiter oben diskutiert, sind diese Stromsammelschienen vorzugsweise,
anstatt dass sie unmittelbar an die Matrix angrenzen, von dieser
beabstandet, obwohl, was die Beabstandung des Substrats betrifft,
beides möglich ist.
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Vorzugsweise
ist die Rückwand
eine aktive Rückwand,
in welcher die Matrix aktive elektronische Bauelemente umfasst.
Vorzugsweise ist die Rückwand
eine Halbleiterrückwand.
Vorzugsweise sind die Abstandshalter entlang ihrer Höhe mit einer
elektrischen Isolierung versehen.
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Vorzugsweise
sind die Abstandshalter, die in Form von Stiften vorliegen können, regelmäßig über die
Matrix verteilt. Wenn die Matrix eine Vielzahl adressierbarer Stellen
bietet, hat vorzugsweise jede Stelle mindestens einen und besonders
bevorzugt nur einen mit ihr verbundenen Abstandshalter.
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Auch
oder alternativ ist es möglich,
solche Abstandshalter außerhalb
der Matrix anzuordnen. Eine spezielle Anwendung davon wäre, Abstandshalter
am Rand der Matrix anzuordnen. Diese Abstandshalter können auch
in Form von Stiften oder beispielsweise länglichen Rippen vorliegen.
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Wenn,
wie weiter oben diskutiert, Klebstoffbahnen vorhanden sind, können die
Abstandshalter in ihnen angeordnet werden und so innerhalb der Dichtung
zwischen zwei voneinander beabstandeten Substraten einer Zelle liegen.
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In
der europäischen
Patentanmeldung 89 312 169.9 (Seiko Instruments) ist eine Flüssigkristallvorrichtung
beschrieben, in welcher Abstandshalter innerhalb der Breite von
Spaltenelektroden auf einem ersten Substrat gebildet werden, indem
darauf (dicke) isolierende Filme aufgebracht werden und anschließend auf
dem Ganzen aus dem ersten Substrat eine kontinuierliche dünne Siliciumoxidschicht
aufgebracht wird. In der zusammengebauten Zelle endet letztere an
einem ähnlichen
ununterbrochenen dünnen
Siliciumoxidfilm in einem Bereich eines zweiten Substrates wo die
transparenten Spaltenelektroden fehlen.
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Jedoch
befinden sich in dieser Konstruktion weder aktive elektronische
bzw. elektrische Elemente noch passive Elemente, außer den
Elektroden, ihren mit ihnen verbundenen Adressierleitern und den kontinuierlichen
darüber
befindlichen Siliciumoxidschichten. Die Abstandshalter sind nicht
von den Leitern getrennt, sondern direkt darauf gebildet und schließen Teile
der Spaltenelektroden ein. Eine seitliche Verschiebung der Abstandshalter
vom Kontakt mit dem Rest der Spaltenelektroden weg, würde deren
Funktionsweise zerstören.
Somit umfasst diese vorgeschlagene Konstruktion weder Abstandshalter, die
seitlich oder anderweitig von den elektronischen/elektrischen Bauelementen
beabstandet sind, noch führt
sie zu einer offensichtlichen Anpassung, die eine solche räumliche
Trennung ergeben würde.
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In
der europäischen
Patentanmeldung 93 916 162.6 (Toshiba) ist eine Dünnfilmtransistor-(TFT-)Matrix
beschrieben, die zusammen mit den beabstandeten Steuerstromkreisen
auf einem gemeinsamen Substrat gebildet ist. Die Leiter, die zwischen
der Matrix und den Stromkreisen gekoppelt sind, sind lokal verdickt,
um eine beabstandende Funktion auszuüben, jedoch nicht davon getrennt.
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Weitere
erfindungsgemäße Merkmale
und Vorteile können
den Patentansprüchen
und der folgenden Beschreibung einer erfindungsgemäßen Aus führungsform
unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen entnommen
werden, wobei
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine Flüssigkristallzelle, die eine
aktive Rückwand
umfasst und auf einem Substrat befestigt ist,
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2 eine
Explosiondarstellung von Komponenten der Flüssig-Kristallzelle von 1,
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3 ein
Blockschaltbild der aktiven Rückwand
der Flüssigkristallzelle
von 1, einschließlich
einer mittigen Pixelmatrix,
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4 einen
Teil der Pixelmatrix von 3, um die Stelle der Isolierstifte
näher zu
veranschaulichen,
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5 eine
Draufsicht eines Teils der Pixelmatrix von 3, einschließlich eines
einzelnen Pixels und der mit ihm verbundenen Isolierstifte,
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6 einen
schematischen Querschnitt durch einen Teil der Matrix von 3,
um die verschiedenen darin vorkommenden Schichten und Höhen zu veranschaulichen,
und
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7 eine
schematische Draufsicht eines einzelnen Pixels der Matrix der Rückwand von 3 zeigt.
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In 1 ist
ein schematischer Querschnitt durch eine Flüssigkristallzelle 1 gezeigt,
die auf einem Dickfilm-Aluminiumoxidhybridsubstrat oder Chipträger 2 angebracht
ist. Die Zelle 1 ist in 2 in Explosionsdarstellung
gezeigt. Die Verwendung eines Hybridsubstrats zum Anbringen elektrooptischer Vorrichtungen
wird in Einzelheiten in unserer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung
(siehe P20957WO) diskutiert.
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Zelle 1 umfasst
eine aktive Siliciumrückwand 3,
in welcher ein mittiger Bereich gebildet ist, um eine Matrix 4 aus
aktiven Spiegelpixelelementen zu ergeben, die in 320 Spalten und
240 Zeilen angeordnet sind. Außerhalb
der Matrix, jedoch beabstandet von den Kanten der Rückwand 3,
befindet sich eine umfängliche
Klebstoffdichtung 5, welche die Rückwand 3 bis zu dem
Randbereich einer Vorderelektrode 6 abdichtet.
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In 2 ist
gezeigt, dass die Klebstoffdichtung unterbrochen worden ist, um
das Einfüllen
des Flüssigkristallmaterials
in die zusammengebaute Zelle zu ermöglichen, wonach die Dichtung
entweder mit demselben Klebstoff oder mit einem per se bekannten
anderen geeigneten Material oder Mittel vervollständigt wird.
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Die
Vorderelektrode 6 umfasst ein im allgemeinen rechtwinkliges
ebenes Glas- oder Siliciumdioxidsubstrat 7, das auf seiner
Unterseite, gegenüber der
Rückwand 3,
durch Siebdruck mit einer kontinuierlichen elektrisch leitfähigen Indium-Zinnoxid-Schicht 8 beschichtet
ist. Auf einer Seitenfläche des
Substrats 7 ist ein aufgedampfter Aluminium-Kantenkontakt 9 vorgesehen,
der sich auf der Seitenfläche
des Substrats und über
einen Teil der Schicht 8 erstreckt, wodurch dieser in der
zusammengebauten Zelle 1 ein elektrischer Anschluss bereitgestellt
wird.
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Isolierende
Abstandshalter 25, die auf dem Siliciumsubstrat der Rückwand 3 gebildet
worden sind, verlaufen nach oben, um auf die Vorderelektrode 6 mit
einem festgelegten, genauen und stabilen Abstand vom Siliciumsubstrat
zu treffen, wobei das Flüssigkristallmaterial
den so gebildeten Raum ausfüllt.
Wie weiter unten beschrieben werden wird, werden die Abstandshalter 25 und
die Rückwand 3 auf dem
Siliciumsubstrat gleichzeitig mit der Bildung der Elemente der aktiven
Rückwand
darauf unter Anwendung von allen oder mindestens einigen derselben
Stufen gebildet.
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In 3 ist
eine allgemeine schematische Darstellung des Entwurfs (Blockschaltbild)
der aktiven Rückwand 3 gezeigt.
Wie weiter unten näher
unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben
werden wird, besteht jede der mittigen Matrizen 4 aus aktiven
Pixelelementen im wesentlichen aus einem NMOS-Transistor mit einem
Gatter, das an einen eines Satzes aus Zeilenleitern angeschlossen ist,
einer Drainelektrode, die an einen eines Satzes aus Spaltenleitern
angeschlossen ist, und einer Sourceelektrode oder -bereich, die/der
entweder die Form einer Spiegelelektrode hat oder an eine Spiegelelektrode
angeschlossen ist. Zusammen mit einem gegenüberliegenden Bereich aus gemeinsamer Vorderelektrode 6 und
dazwischen angeordnetem chiralem smektischem Flüssigkristallmaterial 20 bildet
die rückseitige
Spiegelelektrode eine Flüssigkristallpixelzelle
mit kapazitiven Eigenschaften.
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Gerade
und ungerade Zeilenleiter sind an den jeweiligen Abtaster 44 und 45 angeschlossen, der
auf jeweils einer Seite von der Matrix beabstandet ist. Jeder Abtaster
umfasst einen Höhenverschieber 44b, 45b,
der zwischen einem Schieberegister 44a, 45a und
der Matrix eingefügt
ist. Bei Betrieb wird ein Freigabesignal entlang der Register geschickt, um
die einzelnen Zeilen zu aktivieren (die damit verbundenen Transistoren
leitend zu machen), wobei durch geeignete Steuerung der Register
verschiedene Ab tasttypen, beispielsweise verflochtene oder nicht
verflochtene, wie gewünscht,
durchgeführt
werden können.
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Es
werden gerade und ungerade Spaltenleiter an die entsprechenden Signalgeber 42, 43 angeschlossen,
die von der Ober- und der Unterseite der Matrix beabstandet sind.
Jeder Signalgeber umfasst einen 32 zu 160 Demultiplexer 42a, 43a,
selbsthaltende Schalter 42b, 43b und einen Höhenverschieber 42c, 43c zwischen
den selbsthaltenden Schaltern und den Spaltenleitern. Bei Betrieb
werden unter der Kontrolle einer Fünf-Phasen-Uhr die Daten vom Speicher 24 für aufeinanderfolgende
Sätze von
32 ungeraden oder geraden Spaltenleitern von den Sätzen aus
am Rand befindlichen Anschlusspads 46, 47 an die
Demultiplexer 42a, 43a geschickt und in 42b, 43b geschaltet,
bevor die Höhe
bei 42c, 43c verschoben wird, um als Steuerspannung
für die
Spaltenleiter zu dienen. Die Synchronisation zwischen dem Zeilenabtasten
und der Spaltensteuerung stellt sicher, dass die geeignete Datensteuerspannung über die
in Betrieb befindlichen Transistoren einer Zeile den Flüssigkristallpixeln
zur Verfügung
gestellt wird, wobei für
diesen Zweck verschiedene Steuerstomkreise 48 vorgesehen
sind.
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Das
anschließende
Abschalten der Zeile versetzt die Transistoren in den Zustand einer
hohen Impedanz, sodass den Daten entsprechende Ladungen in den kapazitiven
Flüssigkristallpixeln
einen längeren
Zeitraum lang aufbewahrt werden, bis die Zeile erneut adressiert
wird.
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Die
Abstände 21 zwischen
den Höhenverschiebern 44b, 45b und
den angrenzenden Kanten der Matrix 4 haben eine Breite
von 1 mm, und die Abstände 22 zwischen
den Höhenverschiebern 44b, 45b und
den angrenzenden Kanten der Matrix 4 haben eine Breite
von 2 mm. Diese Abstände
oder Klebstoffbahnen sind ausreichend breit, um vollständig zu
einer Klebstoffdichtung 5 mit einer geeigneten Breite von
300 μm zu
passen, wobei Toleranzen bei der Positionierung der Dichtung erlaubt
sind. Wie in 1 gezeigt, ist die Größe der Vorderelektrode 6 ausreichend,
um ausschließlich
die Matrix und den größten Teil
der Klebstoffbahnen zu bedekken. In dieser Ausführungsform beträgt die Matrix
11 mm × 8 mm
und die Vorderelektrode 12,4 mm × 9,4 mm. Die Bereitstellung
der Klebstoffbahnen und der Zusammenbau der Zelle sind Gegenstand
unserer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung (siehe P20958WO).
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Wie
sehr schematisch in den 4 bis 6 gezeigt,
haben die Abstandhalter 25 die Form von Stiften mit im
allgemeinen quadratischem Querschnitt (3 Mikrometer × 3 Mikrometer),
integral mit der Rückwand 3,
und sind gleichmäßig über die
Pixelmatrix verteilt, einer für
jeden Pixel 27. Sie werden von Abstandshaltern 26 ergänzt, die
gleichmäßig in den Klebstoffbahnen 21, 22 zwischen
der Pixelmatrix und einem außerhalb
davon befindlichen Bereich 22a für den Steuerstromkreis (3),
der mit der Matrix gekoppelt ist, verteilt sind.
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Die
Abstandshalter in den Klebstoffbahnen haben die Form von Rippen
mit gleicher Höhe
wie die Stifte 25, aber mit länglicherer Form (10 Mikrometer × 100 Mikrometer).
Die Isolierstifte und -rippen, die gleichzeitig unter Anwendung
derselben Verfahrensstufen gebildet werden und sich über die
Höhe des Rests
der Rückwand
erheben, stellen einen konstanten und genauen Abstand zwischen der
Vorderelektrode 6 und dem Siliciumsubstrat der Rückwand 3 sicher,
um Kurzschlüsse
zwischen Rückwand
und Fotoelektrode zu verhindern und ein elektrisch und optisch einheitliches
Verhalten in der Flüssigkristallpixelmatrix
zu bewirken.
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Wie
schematisch in 6 dargestellt, basiert die aktive
Rückwand
auf einem Siliciumsubstrat 51 vom p-Typ. In dem Bereich
der Matrix 4 um fasst sie NMOS-Transistoren 52,
Pixelspiegel 53 und die isolierenden Abstandshalterstifte 25,
wobei das Substrat 51 zuerst von einer unteren, im wesentlichen
kontinuierlichen Siliciumoxidschicht 57 und anschließend mit
einer oberen, im wesentlichen kontinuierlichen Siliciumoxidschicht 58 bedeckt
ist. Dabei ist festzustellen, dass 6 lediglich
zur Veranschaulichung der verschiedenen Höhen enthalten ist, die in der
Rückwand
vorhanden sind, und dass die anderen räumlichen Anordnungen der Elemente
nicht dem entsprechen, was in der Praxis vorgefunden wird. In 7 ist
eine Draufsicht einer tatsächlichen
Anordnung aus Transistor und Spiegelelektrode, im allgemeinen ähnlich zu
derjenigen von 6, gezeigt, jedoch ist der Stift 25 nicht
gezeigt. Die Transistoren 52 sind der höchste Teil des Schaltkreises.
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Zusätzlich zu
diesen Schichten wird der Transistor 52 weiterhin von einer
metallischen Gatterelektrode 59 auf der Schicht 57 und
einer metallischen Drainelektrode 60 auf der Schicht 58 gebildet. Elektroden 59 und 60 sind
Teile eines Zeilenleiters 61 bzw. eines Spaltenleiters 62 (siehe 7).
Im Transistor 52 ist die Schicht 57 modifiziert,
um einen Polysiliciumbereich 56 zu enthalten, der vom Substrat 51 durch
eine sehr dünne
Gatteroxidschicht 55 beabstandet ist.
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Die
Transistorquelle hat die Form eines großen Diffusionsbereichs 63 ( 7)
in der Schicht 58, die an die Elektrode 65 des
Pixelspiegels 53 angeschlossen ist, wobei der Gatterbereich 64 sich
im wesentlichen unter dem sich kreuzenden Bereich aus Spalten- und
Zeilenleitern 61, 62 befindet, um den Füllfaktor
zu maximieren und ihn vor einfallendem Licht zu schützen.
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Der
Pixelspiegel wird von der Pixelelektrode 65 auf der Schicht 58 gebildet,
wobei die Elektrode aus demselben Metall besteht wie und gleichzeitig mit der
Drainelektrode 60 gebildet wird. Unter der Spiegelelektrode 65 ist
ein verarmter Bereich 56 vom n-Typ im Substrat 51 gebildet.
In der zusammengebauten Vorrichtung sind die Pixelelektroden von
der gegenüberliegenden
Vorderelektrode 6 durch etwas weniger als 2 mm beabstandet,
wobei sich dazwischen das smektische Flüssigkristallmaterial 20 befindet.
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Der
Pixelspiegel ist im wesentlichen flach, da sich dort keine darunter
liegenden diskreten Schaltelemente befinden, und nimmt einen Anteil
(Füllfaktor) von
etwa 65 % der Pixelfläche
ein. Die Notwendigkeit der Maximierung des Füllfaktors ist eine Überlegung in
der Entscheidung, eine DRAM-Rückwand,
anstelle einer SRAM-Rückwand
zu verwenden, bei welcher für
die zwei Transistoren und die mit ihnen verbundenen Elemente mehr
Platz gebraucht wird.
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Die
Isoliersäule
oder der Isolierstift 25, die/der mit jedem Pixel verbunden
ist, erhebt sich über
den Rest der Rückwand
und besteht auch aus den Schichten 57, 58 auf
dem Substrat 51 mit einem ersten Metallfilm 67 zwischen
den Schichten 57, 58 und einem zweiten Metallfilm 68 zwischen
der Schicht 58 und (bei Betrieb) der Vorderelektrode 22. Erster
und zweiter Metallfilm 67, 68 bestehen aus demselben
Metall und werden gleichzeitig aufgebracht wie die Elektroden 59, 60 des
Transistors 52. Im Bereich des Abstandshalters ist das
Substrat modifiziert, um eine Feldoxidschicht 59 zu bieten,
wobei der Boden von Schicht 57 modifiziert ist, um zwei
Polysiliciumschichten 70, 72 bereitzustellen,
die durch eine dünne
Oxidschicht 71 voneinander beabstandet sind.
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Obwohl
er Metallschichten enthält,
bietet der Abstandshalter eine gute Isolierung zwischen Vorderelektrode
und aktiver Rückwand.
Indem die isolierenden Abstandshalter auf diese Weise gebildet werden,
ist es möglich,
sie genau relativ zu anderen Elementen auf der Rückwand anzuord nen, wodurch eine
Interferenz mit optischen und elektrischen Eigenschaften vermieden
wird. Indem sie gleichzeitig mit den aktiven und anderen Elementen
der Rückwand
unter Anwendung derselben Verfahren erzeugt werden, sind sie hinsichtlich
Kosten und Effizienz vorteilhaft.
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Während der
Füllfaktor
von 65 % in den Anordnungen von 1 bis 7 ausreichend
hoch ist, um akzeptabel zu sein, ist der Reflexionsgrad der Spiegelelektrode
nicht optimiert, da deren Material gleich demjenigen ist, das bei
der Herstellung der aktiven Elemente der Rückwand verwendet worden ist.
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Beim
Halbleiter-Gießen
ist es normale Praxis, Rückwände mit
einer kontinuierlichen isolierenden Deckschicht zu liefern, die
auf der gesamten Fläche
aufgebracht worden ist, um die Anordnungen der vorhergehenden Figuren
herzustellen, ist es notwendig, die Isolierschicht zu entfernen
oder zu vermeiden, dass sie an erster Stelle aufgebracht wird.
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Jedoch
können
durch Anwendung einer teilweisen oder vollständigen Planarisierung der Rückwand Füllfaktor
und Reflexionsgrad der Spiegelelektrode erhöht werden.
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Bei
einer teilweisen Planarisierung wird die isolierende Deckschicht
beibehalten, aber mit Leitungen, die sich bis zu den darunter liegenden
Elektrodenanschlüssen 65 erstrecken,
die klein sein können,
da sie nicht mehr als Spiegel wirken. Dabei wird eine jeweilige
hochreflektierende Spiegelschicht auf dem überwiegenden Teil der Pixelfläche aufgebracht und
an deren Leitungen angeschlossen.
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Diese
Gestaltung hat unter anderem die Vorteile eines hohen Füllfaktors,
einer sehr reflektierenden Spiegelelektrode und eines verringerten
Ein dringens des Lichts in das darunter liegende Halbleitermaterial.
Während
es bevorzugt ist, die isolierenden Stifte und Rippen beizubehalten,
um die Vorderelektrode zu tragen und von der Rückwand beabstandet zu halten,
wird so der Füllfaktor
etwas verkleinert, da sie jetzt eine zusätzliche isolierende Deckschicht
umfassen. Die einzige Stufe nach dem Gießverfahren ist das Aufbringen
des reflektierenden Spiegelmaterials. Dabei ist festzustellen, dass
dieses nicht so flach wie zuvor ist, aufgrund der darunter befindlichen
Struktur der Rückwand.
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Die
vollständige
Planarisierung ist ein bekanntes Verfahren, in welchem die Topologie
der Rückwand
durch Füllen
mit einem Isoliermaterial, beispielsweise einem Polymer, wirksam
beseitigt wird. Auch hier wieder kann dies auf die erfindungsgemäße Rückwand,
wobei gegebenenfalls die isolierende Deckschicht in der Gießerei eingeführt wird, und
mit sehr flachen, sehr reflektierenden Spiegelelektroden, die auf
jedem Pixel mit einem hohen Füllfaktor
aufgebracht werden, angewendet werden. Jedoch umfasst, obwohl das
Produkt dieselben Vorteile wie bei einer teilweisen Planarisierung
hat und in der Leistungsfähigkeit
besser sein kann, seine Produktion durch erfindungsgemäße Technologien
eine Anzahl von Stufen nach dem Gießverfahren, wovon einige nicht
leicht oder nicht effizient durchzuführen sind (wie die Sicherstellung
der Planheit des Isoliermaterials), weshalb sie zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht
bevorzugt ist.
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Wenn
entweder eine vollständige
oder eine teilweise Planarisierung durchgeführt wird, ist die Voraussetzung
von Klebstoffbahnen insoweit weniger erforderlich, als die periphere
Logikschaltung mit einer Isolierschicht bedeckt ist, obwohl sie
weiterhin vorgesehen und verwendet werden können, und der Zusammenbau der
Zelle wie zuvor beschrieben durchgeführt wird. Dennoch ist in einem
solchen Fall dafür
zu sorgen, dass der Klebstoff gut von der Pixelmatrix entfernt bleibt;
so könnte
er irgendwo auf der isolierenden Deckschicht außerhalb der Matrix, nicht auf
den Anschlussflecken, aufgebracht werden. Vorzugsweise kann der
Klebstoff sich dann bis zu mindestens einer Kante des unteren Substrats
erstrecken. So können
beispielsweise in der Anordnung von 3, modifiziert
durch Planarisierung, die zwei Seitenflächen von oberem und unterem
Substrat beide in einem exakten Register sein, wobei die Klebstoffbahn/Klebstoffdichtung
darauf befindlich ist. Das Erfordernis sichtbarer und zugänglicher
Anschlussflecken 46, 47 bedeutet, dass das obere
Substrat kurz zuvor anhält,
beispielsweise zwischen den Anschlussflecken und den Demultiplexern 42a, 43a, aber
die Klebstoffbahnen/Klebstoffdichtungen auf dem aktiven Stromkreis
angeordnet sind, der unter der isolierenden Deckschicht liegt.
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Dem
chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial
wird durch per se bekannte Mittel auf einem oder beiden Substraten
eine gewünschte
Oberflächenausrichtung
gegeben. Bei der aktiven HalbleiterRückwand wird die Behandlung
eine teilweise oder vollständige
Planarisierung sein, falls diese vorgesehen ist.
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Es
ist selbstverständlich,
dass, obwohl die Ausführungsform
in Bezug auf eine smektische Flüssigkristallzelle
beschrieben worden ist, die Erfindung in ihrem ersten Merkmal eine
beliebige aktive Rückwand
und eine beliebige Zellkonstruktion, die zwei voneinander beabstandete,
einander gegenüberliegende
Substrate umfasst, wobei eines davon eine aktive Rückwand ist,
betrifft.