**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls, bestehend in der Einwirkung auf die Moleküle des von zwei Platten begrenzten Flüssigkristalls durch eine orientierende Matrix, die auf den die Moleküle des Flüssigkristalls berührenden Plattenoberflächen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als orientierende Matrix (3) mindestens eine monomolekulare Schicht (13) eines oberflächenaktiven Stoffes verwendet wird, die vor dem Auftragen auf die die Moleküle (1) des Flüssigkristalls berührenden Oberflächen der Platten (2) an der Phasengrenze (7) Flüssigkeit-Gas gebildet und nach dem Auftragen einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur von 80 bis 1800 C unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als oberflächenaktiver Stoff Copolymere von Vinylalkohol und dessen Derivaten der Formel:
EMI1.1
worin 20 m4n =20-10000, und X
EMI1.2
EMI1.3
bedeuten, verwendet werden, die die Erhaltung eines nematischen Flüssigkristallfilmes mit homogener Orientierung gewährleisten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als oberflächenaktiver Stoff ein Vinylalkohol-Vinylacetat-, Vinylalkohol-Methoxyäthylen- oder Vinylalkohol-Äthoxyäthylen-Copolymer verwendet wird.
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Flüssigkristallfilmes, insbesondere ein Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten, hauptsächlich bei Anzeigeeinrichtungen, optischen Modulatoren, Matrizen als Einrichtungen zur Informationsdarstellung verwendeten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls.
Zur Zeit finden Flüssigkristalleinrichtungen, insbesondere Anzeigeeinrichtungen, eine immer weitere Anwendung, und deren künftige Bedeutung wird durch geringen Energieverbrauch niedrige Arbeitsspannung und Ermöglichung ihrer Verkettung mit integrierten Schaltungen bestimmt.
Die Einrichtungen auf Basis von nematischen Flüssigkristallen werden konstruktiv in Form einer flachen Küvette ausgeführt, die aus zwei parallelen Glasplatten ausgebildet ist und auf deren Innenflächen Elektroden angebracht sind. Die Küvette wird mit einem Flüssigkristall gefüllt. Ein auf diese Weise gebildeter Film eines flüssigen Kristalls, der in der Regel eine Dicke von 10 bis 20 llm aufweist, stellt ein aktives Medium dar, das seine optischen Eigenschaften unter Einwirkung eines an die Elektroden angelegten elektrischen Potentials oder unter Ein.virkung eines durch den Flüssigkristall fliessenden Stromes ändert.
Bei der Arbeit im Betrieb einer dynamischen Streuung sind die Moleküle des Flüssigkristalls mit den langen Achsen meist normal zur Oberfläche von den Flüssigknstalllilmen begrenzenden Platten (eine derartige Orientierung wird gewöhnlich als homöotrop bezeichnet) orientiert. Beim Stromdurchgang durch einen derartigen Film wird der Flüssigkristall trüb.
In den eine homogen orientierte Struktur aufweisenden Flüssigkristallfilmen ist die Richtung der grossen Achsen von Molekülen des flüssigen Kristalls an der Oberfläche einer der Platten (im Falle der Anordnung der grossen Achsen der Moleküle des Flüssigkristalls längs der festen abgrenzenden Oberflächen) normal zur Richtung der grossen Achsen der an der Oberfläche der anderen Platte befindlichen Moleküle. Die Überlagerung solch eines Flüssigmetallfilmes mit einem elektrischen Feld ruft strukturelle Änderungen hervor, die bei gekreuzten Polaroiden leicht zu registrieren sind.
Viele Parameter der Flüssigkristalleinrichtungen, wie die Spannungs-Kontrast-Kennlinie, Ein- und Abschaltgeschwindigkeit, hängen vom Homogenitätsgrad der Orientierung der Moleküle eines nicht angeregten Flüssigkristalls in der Nähe der Oberfläche der Platten ab.
Der Homogenitätsgrad der Orientierung von Molekülen eines Flüssigkristalls wird durch einen Parameter der Orientierungsordnung gekennzeichnet und folgendermassen bestimmt: S = 1/2 (3 cos2 31) wobei e - der Winkel zwischen der Richtung der grossen Achse eines einzelnen Moleküls eines Flüssigkristalls und der ermittelten Orientierung der umgebenden Gesamtheit von Molekülen ist und sich der Parameter S im Bereich von (0,1) bewegt.
Die gewünschte Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls wird allgemein durch eine spezielle Oberflächenbearbeitung von den die Moleküle des Flüssigkristalls berührenden Platten erreicht.
Bei der Ausbildung eines homogen orientierten Flüssigkristallfilmes hat eine solche Behandlung eine weite Verbreitung gefunden, bei der die Plattenoberflächen mit Diamantenstaub oder einem anderen Schleifmittel in einer bestimmten Richtung geschliffen (verkratzt) werden. Nach einer derartigen Bearbeitung besitzen die Oberflächenplatten die Eigenschaft, die an ihnen anliegenden Moleküle des Flüssigkn.salls längs der beim Schleifen gebildeten mikroskopischeil Rillen anzulagern.
Ein Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls ist bekannt, das auf einer Beeinflussung der Moleküle des Flüssigkristalls, der durch zwei Platten begrenzt ist, durch eine orientierende Matrix, die auf den die Moleküle des Flüssigkris.alls berührenden Platten oberflächen erzeugt wird, beruht.
Bei diesem Verfahren wird die orientierende Matrix durch Vakuumbedampfung der Plattenoberflächen meistens mit einer anorganischen Verbindung, beispielsweise mit SiO oder GeO, erzeugt, die eine mikroskopische Inhomogenität hervorruft, die befähigt ist, die an ihnen anliegenden Moleküle des Flüssigkristalls zu orientieren.
Derartige Bearbeitungsverfahren für Plattenoberflächen sind wegen der Anwendung einer Vakuumbedampfung sowie wegen der Unvollkommenheit der Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls in der Nähe der Plattenoberflächen kom
pliziert. Die Unvollkommenheit der Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls hängt mit der Unvollkommenheit der Mikrostruktur der erhaltenen Oberfläche zusammen und rührt von der Natur des Verfahrens einer schiefen Vakuumbedampfung selbst her, bei der mikroskopische geometrische und energetische Inhomogenitäten der Ausgangsfläche der Platten und Elektroden in Richtung der Abscheidung des aufzudampfenden Stoffes auftreten und verstärkt werden. Infolgedessen hängt die orientierende Wirkung der Plattenoberfläche auf die Moleküle des Flüssigkristalls in starkem Masse von den mikroskopischen Inhomogenitäten der Plattenoberflächen vor der Vakuumbedampfung ab, was eine Kontrolle und eine Wahl der Oberflächengüte der Platten und Elektroden notwendig macht.
Bei sämtlichen genannten Verfahren zur Ausbildung von Filmen aus einem homogen orientierten Flüssigkristall ruft der Schritt der Oberflächenbearbeitung der Platten eine Verschlechterung des Reinheitsgrades von deren Oberflächen hervor, was seinerseits eine Unvollkommenheit der Orientierung der Moleküle des flüssigen Kristalls in der Nähe der Plattenoberflächen herbeiführt, während das Vorhandensein von geometrischen Inhomogenitäten grosse elektrische Gradienten bewirkt, was seinerseits elektrochemische Vorgänge auf den Elektroden begünstigt und die Lebensdauer der Flüssigkristalleinrichtungen verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls bereit zu stellen, bei dem die Ausnutzung als orientierende Matrix eines nach der Dicke homogenen, molekular geordneten Filmes mit einer für eine Epitaxie der Moleküle des nematischen Flüssigkristalls sorgenden Struktur die Erhaltung einer homogenen Orientierung der flüssigen Kristalle bei einem weiten Temperaturbereich des flüssigkristallinen Zustandes und eine Verbesserung der Homogenität der Orientierung der Moleküle des Flüssigkristalls in der Nähe der Oberfläche der den Flüssigkristallfilm begrenzenden Platten sichert.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls, bestehend in der Einwirkung auf die Moleküle des von zwei Platten begrenzten Flüssigkristalls durch eine orientierende Matrix, die auf den die Moleküle des Flüssigkristalls berührenden Plattenoberflächen erzeugt wird.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als orientierende Matrix mindestens eine monomolekulare Schicht eines oberflächenaktiven Stoffes verwendet wird, die vor dem Auftragen auf die die Moleküle des Flüssigkristalls berührenden Oberflächen der Platten an der Phasengrenze Flüssigkeit-Gas gebildet und nach dem Auftragen einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur von 80 bis 1800 C unterzogen wird.
Zweckmässig ist es auch, dass als oberflächenaktiver Stoff Copolymere von Vinylalkohol und dessen Derivaten der Formel
EMI2.1
eingesetzt werden, worin 20min = 20 t10 000, und X
EMI2.2
EMI2.3
bedeuten, welche die Erhaltung eines Flüssigkristallfilmes mit homogener Orientierung gewährleisten.
Bevorzugt werden als oberflächenaktive Stoffe Vinylalko hol-Vinylacetat-, Vinylalkohol-Methoxyäthylen- oder Vinylalkohol-Äthoxyäthylen-Copolymere verwendet.
Die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Aus bildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen
Flüssigkristalls gestattet es, die Vorteile der Struktur einer molekular geordneten orientierenden Matrix aus oberflächen aktiven Stoffen gegenüber den bestehenden Verfahren zu reali sieren, die zuerst auf einer molekular glatten Phasengrenzfläche
Flüssigkeit-Gas erzeugt und dann auf Plattenoberflächen übertragen wird, die den Flüssigkristallfilm begrenzen.
Dank einem hohen Ordnungszustand der Moleküle der oberflächenaktiven Stoffe in der dichten monomolekularen
Schicht an der Phasengrenze Flüssigkeit-Gas und der Beibehal tung dieses Ordnungszustandes beim Übertragen auf feste Sub strate wird eine molekulare orientierende Matrix zur Epitaxie eines nematischen Flüssigkristalls für homogen orientierte
Filme, in Abhängigkeit von der Struktur und der Packung der
Moleküle des oberflächenaktiven Stoffes in der monomolekula ren Schicht, des Flüssigkristalls in einem weiten Temperaturbe reich des flüssigkristallinen Zustandes, die daher vom grössten praktischen Interesse sind, erzeugt.
Eine weitere Folge des hohen Ordnungszustandes der molekularen orientierenden Matrix ist eine Verbesserung der Spannungs-Kontrast-Kennlinie und eine Verringerung der Relaxationszeit bei der Abschaltung der Erregerspannung, was eine unentbehrliche Eigenschaft von beispielsweise flüssigkristallinen Uhrindikatoren bei Ziffernanzeigen von Sekunden und Sekundenbruchteilen ist.
Die herstellungstechnisch bedingte Möglichkeit, eine nach der Dicke homogene molekulare orientierende Matrix zu erhalten, und die Ausnutzung von gegenüber dem Flüssigkristall chemisch inerten oberflächenaktiven Stoffen gestattet es, die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden zu verlangsamen und die Lebensdauer von Flüssigkristalleinrichtungen zu verlängern. -
Das erfindungsgemässe Verfahren soll nachstehend an Hand einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen und beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. I: schematische Darstellung eines homöotropen Films eines nematischen Flüssigkristalls mit drei Molekül-Schichten eines oberflächenaktiven Stoffes auf den Plattenoberflächen (im Querschnitt).
Fig. 2: Gesamtansicht eines zur Ausbildung und Übertragung von monomolekularen Schichten eines oberflächenaktiven Stoffes auf ein festes Substrat verwendeten Bades.
Fig. 3: Substrat mit einer darauf teilweise aufgetragenen, schematisch angedeuteten monomolekularen Schicht eines oberflächenaktiven Stoffes.
Fig. 4: Homogen orientierter Film eines nematischen Flüs sigkristalls mit zwei Molekül-Schichten eines linearen oberflächenaktiven Polymers auf den Plattenoberflächen (im Querschnitt).
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls beruht auf der Einwirkung auf die Moleküle 1 (Fig. 1) eines Flüssigkristalls, der durch zwei Glasplatten 2 begrenzt ist, durch eine orientierende Matrix 3, die auf den die Moleküle 1 des Flüssigkristalls berührenden Oberflächen von Platten 2 und Elektroden 4 erzeugt wird.
Als orientierende Matrix wird im vorliegenden Verfahren vorzugsweise mindestens eine monomolekulare Schicht eines eine homogene, in Abhängigkeit von der Struktur und Packung der Moleküle in der monomolekularen Schicht, Orientierung der Moleküle 1 eines nematischen Flüssigkristalls sichernden oberflächenaktiven Stoffes verwendet.
Zur Erhaltung einer homogenen Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls werden als oberflächenaktiver Stoff Copolymere von Vinylalkohol und dessen Derivaten der folgenden Formel bevorzugt verwendet:
EMI3.1
worin 20 m L n = 20 . 10 000 und X
EMI3.2
-CH2-CH= CH2 bedeuten.
Eine bevorzugte orientierende molekulare Matrix aus linearen, in Wasser löslichen, jedoch eine positive Adsorption an der Phasengrenze aufweisenden polymeren Molekülen kann nach der Reinigung der Platten 2 mit den darauf aufgetragenen
Elektroden 4 (Fig. 4) erhalten werden.
Die Platten 2 werden gewöhnlich in einer Kassette 5 (Fig. 2) befestigt und in ein Bad 6 mit wässriger Lösung eines oberflä chenaktiven linearen Polymeres eingetaucht. Dann kann die
Oberfläche durch Abschütteln der Oberflächenschicht der
Lösung gereinigt werden. Nach der Verringerung der Oberflä chenspannung um 0,1 bis 0,5 dyn/cm erfolgt in der Regel eine anisotrope Zusammenpressung der ausgebildeten adsorbierten entladenen monomolekularen Polymerschicht in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung. Bei der Abnahme der Ober flächenspannung um 2,0 bis 20,0 dyn/cm kann mit dem Heraus ziehen der Kassette 5 über die Phasengrenze begonnen werden.
Beim Durchgang der Platten 2 über die Phasengrenze 7 wird in der Regel darauf eine monomolekulare Schicht 13 abgeschie den, die der in Fig. 3 gezeigten entspricht, jedoch einen anderen
Typ von Molekülen aufweist. Während des Vorgangs der aniso tropen Zusammenpressung werden die an der Grenze 7 adsorbierten linearen polymeren Moleküle mit den grossen Achsen normal zur Richtung der Zusammenpressung orientiert. Die auf solche Weise abgesetzte molekulare Schicht 13 ist insbesondere in der Lage, die sich berührenden Moleküle des Flüssigkristalls entlang der Ketten der polymeren Moleküle anzulagern, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Diese Methode für molekulare Schichten gestattet es, die Operationen des Auftragens von Schichten auf feste Substrate bzw. Platten 2 wiederholt zu verwirklichen.
Zum besseren Verständnis des Verfahrens sollen nachstehend Beispiele für Materialien und Bedingungen zur Ausbildung einer molekularen orientierenden Matrix angeführt werden.
Beispiel 1
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit Hilfe einer molekularen Matrix aus Polyvinylalkohol mit einem mittleren Molekulargewicht von 20 000.
Die Platten werden in einer Kassette 5 (Fig. 2) befestigt und in ein Bad 6 mit einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol mit einer Konzentration von 10 mg in 1000 ml Wasser getaucht.
Dann wird die Oberfläche der wässrigen Lösung gereinigt. Nach Abnahme der Oberflächenspannung um 0,5 dyn/cm wird die monomolekulare Schicht 13 (Fig. 3) anisotrop bis zur Absenkung der Oberflächenspannung um 2,5 dyn/cm zusammengepresst und die Kassette 5 (Fig. 2) über die Phasengrenze 7 herausgezogen. Dann werden die Platten 2 einer thermischen Behandlung bei 1500 C 60 Minuten lang ausgesetzt. Bei der Fixierung der Platten 2 auf einer Entfernung von 15 Fm und der Auffüllung des Zwischenraumes der Platten mit einem Flüssigkristall ergibt sich ein homogen orientierter Flüssigkristallfilm.
In diesem Beispiel verwendet man als Flüssigkristall eine Flüssigkristallmischung mit positiver Anisotropie auf Basis von Azobenzolen.
Beispiel 2
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Vinylacetat-Copolymer, das 2,5 % Vinylacetat enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 10 000.
Das Verfahren wird in Analogie zu Beispiel 1 ausgeführt, mit dem Unterschied, dass die Copolymerlösung eine Konzentration von 2 mg in 1000 ml Wasser aufweist und mit der Zusammenpressung der molekularen Schicht nach Verringerung der Oberflächenspannung um 0,1 dyn/cm begonnen wird, während als Flüssigkristall eine aus Azoxybenzolen und Azonitrilen bestehende Flüssigkristallmischung mit positiver Anisotropie in Betracht kommt.
Beispiel 3
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Vinyltrifluoracetat-Copolymer, das 1% Vinyltrifluoracetat enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von
2500.
Das Verfahren wird ähnlich wie in Beispiel 2 verwirklicht, nur mit dem Unterschied, dass die Copolymerlösung eine Kon zentration von 30 mg in 1000 ml Wasser besitzt und mit dem
Herausziehen der Kassette 5 bei der Verringerung der Oberflä chenspannung von Wasser um 15 dyn/cm begonnen wird.
Beispiel 4
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nema tischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem
Vinylalkohol-Vinylbenzoat-Copolymer, das 1,5% Vinylbenzoat enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 6200.
Das Verfahren wird ähnlich wie in Beispiel 3 ausgeführt, nur mit dem Unterschied, dass die Copolymerlösung eine Konzen tration von 1 mg in 1000 ml Wasser aufweist und mit dem Herausziehen der Kassette bei der Verringerung der Oberflächenspannung von Wasser um 10 dyn/cm begonnen wird.
Beispiel 5
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Vinylzinnamat-Copolymer, das 0,5% Vinylzinnamat enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 18 000.
Das Verfahren wird analog wie in Beispiel 3 ausgeführt.
Beispiel 6
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Methoxyäthylen-Copolymer, das 3% Methoxy äthylen enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 53 000.
Das Verfahren wird ähnlich wie in Beispiel 1 ausgeführt.
Beispiel 7
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Äthoxyäthylen-Copolymer, das 4% Äthoxyäthylen enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 40 000.
Das Verfahren wird ähnlich wie in Beispiel 2 ausgeführt.
Beispiel 8
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Glycidylvinyläther-Copolymer, das 4,5 % Glycidylvinyläther enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 300 000.
Das Verfahren wird ähnlich wie in Beispiel 2 verwirklicht, nur dass die thermische Behandlung bei 165 C im Laufe von 50 min geführt wird.
Beispiel 9
Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls mit einer molekularen Matrix aus einem Vinylalkohol-Allylvinyläther-Copolymer, das 3% Allylvinyl äther enthält, mit einem mittleren Molekulargewicht von 100 000.
Das Verfahren wird analog zu Beispiel 2 ausgeführt.
Die Vollkommenheit der Struktur einer molekular geordneten orientierenden Matrix, die auf einer molekular glatten Phasengrenzfläche Flüssigkeit-Gas ausgebildet wird, stellt umfangreiche Möglichkeiten für eine technische Anwendung des vorliegenden Verfahrens zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls zur Verfügung.
Die Einfachheit des Verfahrens zur Ausbildung eines homogen orientierten Filmes eines nematischen Flüssigkristalls gestattet es, einen hohen Prozentsatz brauchbarer Geräte durch Massenanfertigung zu erhalten.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. A method for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal, consisting in the action on the molecules of the liquid crystal delimited by two plates by an orienting matrix, which is produced on the plate surfaces touching the molecules of the liquid crystal, characterized in that as the orienting matrix (3) at least one monomolecular layer (13) of a surface-active substance is used, which is formed before application to the surfaces of the plates (2) contacting the molecules (1) of the liquid crystal at the phase boundary (7) liquid-gas and after application is subjected to a thermal treatment at a temperature of 80 to 1800 ° C.
2. The method according to claim 1, characterized in that as a surface-active substance copolymers of vinyl alcohol and its derivatives of the formula:
EMI1.1
where 20 m4n = 20-10000, and X
EMI1.2
EMI1.3
mean, are used that ensure the maintenance of a nematic liquid crystal film with a homogeneous orientation.
3. The method according to claim 2, characterized in that a vinyl alcohol-vinyl acetate, vinyl alcohol-methoxyethylene or vinyl alcohol-ethoxyethylene copolymer is used as the surface-active substance.
The invention relates to a method for forming a homogeneously oriented liquid crystal film, in particular a method for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal used mainly in display devices, optical modulators, matrices as devices for displaying information.
Liquid crystal devices, in particular display devices, are currently being used more and more, and their future importance will be determined by low energy consumption, low working voltage and the possibility of linking them with integrated circuits.
The devices based on nematic liquid crystals are constructed in the form of a flat cuvette which is formed from two parallel glass plates and on the inner surfaces of which electrodes are attached. The cuvette is filled with a liquid crystal. A film of a liquid crystal formed in this way, which usually has a thickness of 10 to 20 .mu.m, represents an active medium which has its optical properties under the action of an electrical potential applied to the electrodes or under the action of one through the Liquid crystal flowing current changes.
When working in the operation of dynamic scattering, the molecules of the liquid crystal with the long axes are usually oriented normal to the surface of the plates bounding the liquid balloon lilies (such an orientation is usually referred to as homeotropic). When the current passes through such a film, the liquid crystal becomes cloudy.
In the liquid crystal films having a homogeneously oriented structure, the direction of the major axes of molecules of the liquid crystal on the surface of one of the plates (in the case of the arrangement of the major axes of the molecules of the liquid crystal along the fixed delimiting surfaces) is normal to the direction of the major axes of the Molecules on the surface of the other plate. The superposition of such a liquid metal film with an electric field causes structural changes which are easy to register with crossed polaroids.
Many parameters of the liquid crystal devices, such as the voltage-contrast characteristic, switch-on and switch-off speed, depend on the degree of homogeneity of the orientation of the molecules of a non-excited liquid crystal in the vicinity of the surface of the plates.
The degree of homogeneity of the orientation of molecules of a liquid crystal is characterized by a parameter of the orientation order and determined as follows: S = 1/2 (3 cos2 31) where e - the angle between the direction of the major axis of a single molecule of a liquid crystal and the determined orientation of the surrounding totality of molecules and the parameter S is in the range of (0.1).
The desired orientation of the molecules of a liquid crystal is generally achieved by a special surface treatment of the plates in contact with the molecules of the liquid crystal.
In the formation of a homogeneously oriented liquid crystal film, such a treatment has become widespread, in which the plate surfaces are ground (scratched) with diamond dust or another abrasive in a certain direction. After such processing, the surface plates have the property of attaching the molecules of the liquid ball attached to them along the microscopic grooves formed during grinding.
A method for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal is known which is based on an influencing of the molecules of the liquid crystal, which is delimited by two plates, by means of an orienting matrix which is produced on the surfaces of the plates contacting the molecules of the liquid crystal. is based.
In this method, the orienting matrix is usually produced by vacuum evaporation of the plate surfaces with an inorganic compound, for example with SiO or GeO, which produces a microscopic inhomogeneity which is capable of orienting the molecules of the liquid crystal which are in contact with them.
Such processing methods for plate surfaces are due to the use of vacuum evaporation and because of the imperfection of the orientation of the molecules of a liquid crystal in the vicinity of the plate surfaces
plicated. The imperfection of the orientation of the molecules of a liquid crystal is related to the imperfection of the microstructure of the surface obtained and is due to the nature of the process of oblique vacuum deposition itself, in which microscopic geometric and energetic inhomogeneities of the starting surface of the plates and electrodes towards the deposition of the material to be evaporated Occur and are reinforced. As a result, the orienting effect of the plate surface on the molecules of the liquid crystal depends to a large extent on the microscopic inhomogeneities of the plate surfaces before vacuum evaporation, which necessitates control and selection of the surface quality of the plates and electrodes.
In all of the above-mentioned methods for forming films from a homogeneously oriented liquid crystal, the step of surface treatment of the plates causes a deterioration in the degree of purity of their surfaces, which in turn causes an imperfection in the orientation of the molecules of the liquid crystal in the vicinity of the plate surfaces while being present large geometric gradients caused by geometric inhomogeneities, which in turn favors electrochemical processes on the electrodes and reduces the life of the liquid crystal devices.
The invention has for its object to provide a method for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal, in which the use as an orienting matrix of a homogeneous in thickness, molecularly ordered film with a structure which provides for an epitaxy of the molecules of the nematic liquid crystal ensures the maintenance of a homogeneous orientation of the liquid crystals at a wide temperature range of the liquid crystalline state and an improvement in the homogeneity of the orientation of the molecules of the liquid crystal in the vicinity of the surface of the plates delimiting the liquid crystal film.
The object is achieved in that in the process for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal, consisting in the action on the molecules of the liquid crystal delimited by two plates, by means of an orienting matrix which is produced on the plate surfaces contacting the molecules of the liquid crystal.
The method is characterized in that at least one monomolecular layer of a surface-active substance is used as the orienting matrix, which is formed at the liquid-gas phase boundary before application to the surfaces of the plates which contact the molecules of the liquid crystal and after application of a thermal treatment at a Temperature of 80 to 1800 C.
It is also expedient for the surface-active substance to be copolymers of vinyl alcohol and its derivatives of the formula
EMI2.1
are used, where 20min = 20 t10,000, and X
EMI2.2
EMI2.3
mean which ensure the maintenance of a liquid crystal film with a homogeneous orientation.
Vinyl alcohol-vinyl acetate, vinyl alcohol-methoxyethylene or vinyl alcohol-ethoxy ethylene copolymers are preferably used as surface-active substances.
The application of the proposed method for the formation of a homogeneously oriented film of a nematic
Liquid crystals make it possible to realize the advantages of the structure of a molecularly ordered orienting matrix of surface-active substances compared to the existing processes, which first work on a molecularly smooth phase interface
Liquid-gas is generated and then transferred to plate surfaces that define the liquid crystal film.
Thanks to a high order of the molecules of the surfactants in the dense monomolecular
Layer at the liquid-gas phase boundary and the maintenance of this order state when transferred to solid substrates becomes a molecular orienting matrix for the epitaxy of a nematic liquid crystal for homogeneously oriented
Films, depending on the structure and packaging of the
Molecules of the surfactant in the monomolecular layer, the liquid crystal in a wide temperature range of the liquid crystalline state, which are therefore of great practical interest.
Another consequence of the high order status of the molecular orienting matrix is an improvement in the voltage-contrast characteristic and a reduction in the relaxation time when the excitation voltage is switched off, which is an indispensable property of, for example, liquid-crystalline clock indicators for numerical displays of seconds and fractions of a second.
The production-related possibility of obtaining a molecularly orientating matrix which is homogeneous in terms of the thickness, and the use of surface-active substances which are chemically inert to the liquid crystal, make it possible to slow down the electrochemical reactions at the electrodes and to extend the life of liquid crystal devices. -
The method according to the invention is to be explained in more detail below on the basis of a description of exemplary embodiments and accompanying drawings.
Fig. I: schematic representation of a homeotropic film of a nematic liquid crystal with three molecular layers of a surfactant on the plate surfaces (in cross section).
Fig. 2: General view of a bath used for the formation and transfer of monomolecular layers of a surface-active substance onto a solid substrate.
Fig. 3: substrate with a partially applied, schematically indicated monomolecular layer of a surface-active substance.
Fig. 4: Homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with two molecular layers of a linear surface-active polymer on the plate surfaces (in cross section).
The method according to the invention for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal is based on the action on the molecules 1 (FIG. 1) of a liquid crystal, which is delimited by two glass plates 2, by an orienting matrix 3, on which the molecules 1 of the liquid crystal are based touching surfaces of plates 2 and electrodes 4 is generated.
In the present process, at least one monomolecular layer of a surface-active substance which ensures a homogeneous, depending on the structure and packing of the molecules in the monomolecular layer, orientation of the molecules 1 of a nematic liquid crystal is preferably used as the orienting matrix.
To maintain a homogeneous orientation of the molecules of a liquid crystal, copolymers of vinyl alcohol and its derivatives of the following formula are preferably used as the surface-active substance:
EMI3.1
where 20 m L n = 20. 10,000 and X
EMI3.2
-CH2-CH = CH2 mean.
A preferred orienting molecular matrix composed of linear, water-soluble, but positive adsorption at the phase boundary has polymeric molecules after cleaning the plates 2 with those applied thereon
Electrodes 4 (Fig. 4) can be obtained.
The plates 2 are usually fixed in a cassette 5 (Fig. 2) and immersed in a bath 6 with an aqueous solution of a surface active linear polymer. Then she can
Surface by shaking off the surface layer of the
Solution to be cleaned. After the surface tension has been reduced by 0.1 to 0.5 dynes / cm, anisotropic compression of the adsorbed, discharged, monomolecular polymer layer formed is generally carried out in the direction indicated by an arrow. When the surface tension decreases by 2.0 to 20.0 dynes / cm, the cassette 5 can be pulled out over the phase boundary.
When the plates 2 pass over the phase boundary 7, a monomolecular layer 13 is usually deposited thereon, which corresponds to that shown in FIG. 3, but a different one
Type of molecules. During the anisotropic compression process, the linear polymer molecules with the major axes adsorbed at boundary 7 are oriented normal to the direction of the compression. The molecular layer 13 deposited in this way is in particular able to attach the contacting molecules of the liquid crystal along the chains of the polymeric molecules, as shown in FIG. 4. This method for molecular layers allows the operations of applying layers to solid substrates or plates 2 to be carried out repeatedly.
To better understand the process, examples of materials and conditions for forming a molecular orienting matrix are given below.
example 1
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal using a molecular matrix made of polyvinyl alcohol with an average molecular weight of 20,000.
The plates are fastened in a cassette 5 (FIG. 2) and immersed in a bath 6 with an aqueous solution of polyvinyl alcohol with a concentration of 10 mg in 1000 ml of water.
Then the surface of the aqueous solution is cleaned. After the surface tension has decreased by 0.5 dyn / cm, the monomolecular layer 13 (FIG. 3) is pressed anisotropically until the surface tension is reduced by 2.5 dyn / cm, and the cassette 5 (FIG. 2) is pulled out over the phase boundary 7. The plates 2 are then subjected to a thermal treatment at 1500 ° C. for 60 minutes. When the plates 2 are fixed at a distance of 15 μm and the space between the plates is filled with a liquid crystal, a homogeneously oriented liquid crystal film results.
In this example, a liquid crystal mixture with positive anisotropy based on azobenzenes is used as the liquid crystal.
Example 2
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix of a vinyl alcohol-vinyl acetate copolymer containing 2.5% vinyl acetate with an average molecular weight of 10,000.
The process is carried out in analogy to Example 1, with the difference that the copolymer solution has a concentration of 2 mg in 1000 ml of water and the compression of the molecular layer is started after the surface tension has been reduced by 0.1 dyn / cm, while as Liquid crystal is a liquid crystal mixture consisting of azoxybenzenes and azonitriles with positive anisotropy.
Example 3
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix of a vinyl alcohol-vinyl trifluoroacetate copolymer containing 1% vinyl trifluoroacetate with an average molecular weight of
2500.
The process is carried out similarly to Example 2, with the only difference that the copolymer solution has a concentration of 30 mg in 1000 ml of water and with that
Pulling out the cassette 5 begins by reducing the surface tension of water by 15 dynes / cm.
Example 4
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix from one
Vinyl alcohol-vinyl benzoate copolymer containing 1.5% vinyl benzoate with an average molecular weight of 6200.
The procedure is carried out similarly to Example 3, with the only difference that the copolymer solution has a concentration of 1 mg in 1000 ml of water and the extraction of the cassette is started when the surface tension of water is reduced by 10 dynes / cm.
Example 5
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix made of a vinyl alcohol-vinyl tin amate copolymer containing 0.5% vinyl tin stannate with an average molecular weight of 18,000.
The process is carried out analogously to that in Example 3.
Example 6
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix made of a vinyl alcohol-methoxyethylene copolymer containing 3% methoxy ethylene, with an average molecular weight of 53,000.
The procedure is carried out similarly as in Example 1.
Example 7
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix of a vinyl alcohol-ethoxyethylene copolymer containing 4% ethoxyethylene with an average molecular weight of 40,000.
The procedure is carried out similarly as in Example 2.
Example 8
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix of a vinyl alcohol-glycidyl vinyl ether copolymer containing 4.5% glycidyl vinyl ether with an average molecular weight of 300,000.
The process is carried out in a similar way to Example 2, except that the thermal treatment is carried out at 165 ° C. over the course of 50 minutes.
Example 9
Formation of a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal with a molecular matrix of a vinyl alcohol-allyl vinyl ether copolymer which contains 3% allyl vinyl ether with an average molecular weight of 100,000.
The process is carried out analogously to Example 2.
The perfection of the structure of a molecularly ordered orienting matrix, which is formed on a molecularly smooth liquid-gas phase interface, provides extensive possibilities for a technical application of the present method for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal.
The simplicity of the process for forming a homogeneously oriented film of a nematic liquid crystal allows a high percentage of usable equipment to be obtained by mass production.