CH636208A5

CH636208A5 - Fluessigkristallanzeige.

Info

Publication number: CH636208A5
Application number: CH761578A
Authority: CH
Inventors: Terry Dr Scheffer; Hans-Rudolf Dr Zeller
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-07-13
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1983-05-13
Also published as: GB2025648B; HK7184A; US4252417A; NL191470C; JPH0467169B2; NL7905398A; JPS5557824A; DE2835863A1; DE2835863C2; GB2025648A; NL191470B

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Diese funktioniert nach dem «Gast-Wirt-Prinzip», wie in J. Appi. Phys. Vol. 45, No. 11, Nov. 1974, S. 4718-4723 beschrieben, wobei an den Innenseiten der Platten der die Flüssigkristallmischung enthaltenden Zelle eine solche Oberflächenstruktur vorgesehen ist, dass die angrenzenden Flüssigkristall-Moleküle homöotrop orientiert, d.h. im wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche ausgerichtet werden (a.a. O. Seite 4722, Fig. 2b).

Die bis heute bekannten Flüssigkristallanzeigen nach dem Gast-Wirt-Prinzip haben gegenüber den derzeit überwiegend gebräuchlichen nematischen Drehzellen zwar den wichtigen Vorteil, dass sie ohne Polarisatoren und mit internem Reflek-5 tor betrieben werden können. Es ist jedoch nachteilig, dass mit den bekannten Gast-Wirt-Flüssigkristallanzeigen nur helle Ziffern auf mässig dunklem bzw. farbigem Grund dargestellt werden können, wodurch sich eine schlechte Ablesbarkeit ergibt.

Versuche, mittels solcher Anzeigen dunkle Ziffern auf hello lem Grund nach Art der nematischen Drehzellen darzustellen, haben bisher nur zu sehr komplizierten und energieintensiven Lösungen geführt, die deshalb in der Praxis keine Aufnahme fanden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkristallan-15 zeige der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, dass sie in Bereichen ohne elektrisches Feld transparent, und in elektrisch angesteuerten Bereichen lichtabsorbierend ist, bei produktionsfreundlicher Technologie, gutem Kontrast und geringem Energieverbrauch im Betrieb.

20 Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemässe Flüssigkristallanzeige vereint die Vorteile der bekannten Gast-Wirt-Anzeigen, d.h. praktisch keine Winkelabhängigkeit der Ablesung, keine Parallaxe, 25 keine Polarisatoren und hellen Hintergrund, mit denen der nematischen Drehzelle, die dunkle Zeichen auf hellem Grund anzeigt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. 30 Dabei zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt durch die Zelle einer Flüssigkristallanzeige nach dem Gast-Wirt-Prinzip, welche gemäss der Erfindung ausgestaltet ist, und

Fig. 2 schematisch die Verschraubung der Flüssigkristall-35 mischung in einer erfindungsgemässen Zelle unter einem elektrischen Feld.

Die dargestellte Zelle wird gebildet durch die Frontplatte 1 und die Rückplatte 2 sowie die Abstandselemente 12. Die Zelle ist dicht verschlossen und enthält in ihrem Inneren eine 40 Flüssigkristallmischung 5. Die Platten 1 und 2 sind mit schichtförmigen Elektroden belegt, der Frontelektrode 3 und der Rückelektrode 4. Über den Elektrodenschichten 3,4 sind die Platten 1,2 auf ihren Innenseiten mit jeweils einer Orientierungsschicht 7 belegt, die hinsichtlich der angrenzenden 45 Flüssigkristallmischung eine derartige Oberflächenstruktur erzeugt, dass die Flüssigkristall-Moleküle homöotrop orientiert werden. Mindestens die Frontplatte 1, die Frontelektrode 3 und die Orientierungsschicht 7 sind transparent, so dass das von der Lichtquelle 9 ausgehende Licht hindurchtreten kann, so Während die Rückelektrode 4 als die ganze Rückplatte 2 bedeckend dargestellt ist, soll die Darstellung der Frontelektrode 3 eine Segmentierung andeuten. Wenn mittels der elektrischen Spannungsquelle 9 eine Wechselspannung zwischen die Elektroden 3 und 4 gelegt wird, entsteht demnach in der 55 Flüssigkristallmischung 5 unterhalb des schraffierten Teils der Frontelektrode 3 ein elektrisches Feld, während die anderen Bereiche der Flüssigkristallmischung 5 feldfrei sind.

Die den Wirt für die pleochroitischen Farbmoleküle 6 bildende Flüssigkristallmischung 5 besteht nun aus einem nema-60 tischen Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie Ae, und einer optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz, deren Anteil an der Flüssigkristallmischung 5 kleiner ist als die Menge, bei welcher bei Feldfreiheit spontane Spiralbildung auftritt.

65 Der nematische Flüssigkristall soll eine möglichst grosse negative dielektrische Anisotropie aufweisen. Bevorzugt werden daher oc-Cyanostilbene, beispielsweise p-Aethoxy-p'-Hexyloxy-a-cyano-trans-stilben (vgl. Phys. Lett. Vol. 44A, No.

3

636 208

4, 18 June 1973, S. 277) mit Ae= —5,5. Jedoch auch Mischungen aromatischer Ester, wie der von der E. Merck AG, Darmstadt (BRD) unter der Bezeichnung 9A gelieferte nematische Flüssigkristall mit As= —0,5, sind noch verwendbar.

Die optisch aktive Substanz ist so gewählt, dass sie möglichst kein Dipolmoment entlang der Längsachse ihrer Moleküle aufweist. Das würde die negative dielektrische Anisotropie des nematischen Flüssigkristalls vermindern. Bevorzugt werden optisch aktive Cholesteryl-Ester, z.B. Cholesteryl-Benzoat, da diese Substanzen ein grosses Verschraubungsver-mögen aufweisen.

Der Flüssigkristallmischung als Wirt ist als Gast ein Farbstoff mit einem möglichst grossen pleochroitischen Verhältnis im nematischen Wirt (Verhältnis der optischen Dichte in senkrechter und paralleler Stellung der Moleküle bezüglich der Schwingungsrichtung von linear polarisiertem Licht) im sichtbaren Wellenlängenbereich zugesetzt, bevorzugt der von BDH Chemicals Ltd., Broom Rd, Poole BH 124 NN, England, gelieferte pleochroitische Anthrachinon-Farbstoff D 37. Dieser Farbstoff weist ein pleochroitisches Verhältnis von etwa 5,3 in dem nematischen Flüssigkristall 9A der E. Merck AG auf.

Als Orientierungsschicht 7 wird mit Vorteil eine Alkoxysi-lan-Schicht aufgebracht, z.B. «DMOAP», wie von Dow Corning International Ltd., Brüssel (Belgien) unter der Bezeichnung XZ 2-2300 geliefert, in der in Appi. Phys. Letters, Vol. 22, No. 8, Seiten 386-388, unter US-PS 3 854 793, beschriebenen Weise.

Damit im feldfreien Zustand in der Flüssigkristallmischung 5 keine spontane Spiralbildung auftritt, darf die in Gewichtsprozenten gemessene Konzentration der optisch aktiven Substanz in der aus dem nematischen Flüssigkristall, der optisch aktiven Substanz und dem Farbstoffzusatz bestehenden Gesamtmischung nicht grösser sein als die Grenzkonzentration.

Dabei ist d die in (im gemessene Zellendicke, das ist der senkrechte Abstand zwischen den Innenflächen der Platten 1 und 2. A ist eine von der Art der optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz abhängige Konstante. Für Choleste-ryl-Benzoat ist A = 11,0.

Die Formel gilt im besonderen für Cholesteryl-Benzoat in Merck 9A. Mit dem Farbstoff D 37 und einer Zellendicke d = 6.3 (im ergibt sich dann folgende Zusammensetzung der Gesamtmischung :

Merck 9A 96,24 Gew.-%

Cholesteryl-Benzoat l,42Gew.-%

D 37 2,34 Gew.-%

Die Bestimmung der Grenz-Menge optisch aktiver Substanz im nematischen Flüssigkristall, bei welcher im feldfreien Zustand noch keine spontane Spiralbildung auftritt, kann auch wie in «Berichte der Bunsen-Gesellschaft», Bd. 78, Nr. 9, 1974, insbesondere Seite 884, Fig. 1 und 2, beschrieben, durchgeführt werden: In der dort beschriebenen Messanordnung müsste der Anteil optisch aktiver Substanz im nematischen Flüssigkristall so gewählt werden, dass die kritische Schichtdicke d0, bei welcher der Übergang von homöotroper zu ver-schraubter Struktur erfolgt, gleich der Zellendicke d ist. Die Oberfläche der plan-parallelen Glasplatte und der plankonvexen Linse sind bei dieser Methode mit derselben Orientierungsschicht versehen wie die für den praktischen Betrieb vorgesehene Flüssigkristall-Zelle.

Der Anteil optisch aktiver Substanz an der Flüssigkristall-Mischung wird im allgemeinen möglichst nahe an der kritischen Konzentration C0 gewählt, da bei zu kleinem Anteil der Kontrast verschlechtert wird. Es wird dann auch in der Regel eine höhere Schaltspannung nötig, was technisch unerwünscht ist.

In Fig. I ist die beispielsweise aus Glas bestehende Rückplatte 2 oberhalb der Elektrodenschicht 4 und unterhalb der Orientierungsschicht 7 mit einem aus Aluminium-Pigmenten bestehenden internen Reflektor 8 versehen, wie beispielsweise in der DE-OS 2 629 765 beschrieben. Der Reflektor 8 reflektiert das durch die Flüssigkristallmischung 5 tretende Licht. Das reflektierte Licht wird vom Betrachter 10 wahrgenommen.

Mit einer aus der Flüssigkristallmischung 5 und den Farbstoffmolekülen 6 bestehenden Gesamtmischung in der oben angegebenen Zusammensetzung würde sich nun der in Fig. 1 angedeutete Zustand ergeben: In den feldfreien Bereichen ausserhalb des Bereichs unter dem schraffierten Teil der Elektrode 3 weist die Gesamtmischung eine homöotrope Orientierung auf, und unterhalb des schraffierten Teils der Elektrode 3, wo durch die Ansteuerung ein elektrisches Feld besteht, stellt sich eine cholesterische, verschraubte, homogene bzw. planare Struktur ein. In den homöotropen Bereichen stehen die Farbmoleküle mit ihren Längsachsen parallel zum einfallenden Licht und bewirken daher ein Minimum an Absorption. In den cholesterischen Bereichen hingegen findet maximale Absorption statt.

Der cholesterische Bereich ist schematisch nochmals in Fig. 2 dargestellt.

Eine erfindungsgemässe Zelle kann zum Beispiel mit einer Betriebsspannung von 2 kHz und weniger als 10 Verf betrieben werden.

Die Erfindung beruht wesentlich auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einerseits trotz Zusatzes eines optisch aktiven, z.B. cholesterischen Anteils bei entsprechender Oberflächenstruktur der Platten 1, 2 in der Flüssigkristallmischung 5 eine homöotrope Orientierung der Moleküle und damit Minimai-Absorption zu erzeugen, und andererseits diese Orientierung unter Ausnützung der negativen dielektrischen Anisotropie des nematischen Flüssigkristalls durch Anlegen einer elektrischen Spannung in eine homogen-cholesterische und damit maximal absorbierende Orientierung umzuschalten. Je grösser der Betrag der negativen dielektrischen Anisotropie des nematischen Flüssigkristalls ist, desto kleiner kann - in erwünschter Weise - die Ansteuerspannung sein.

Bei der Grenzkonzentration Co der cholesterischen Substanz, welche noch zu knapp homöotroper Orientierung im feldlosen Zustand führt, kann bei Ansteuerung in der Flüssigkristallmischung 5 eine homogen-planare Struktur mit einer Verschraubung über die Zelldicke d von etwa 360° - wie in Fig. 2 dargestellt - erreicht werden. Dies ist genügend, um eine starke Absorption in allen Schwingungsrichtungen des einfallenden Lichtes zu erzeugen. Der genannte Zustand entspricht einer Ganghöhe p der Verschraubung von etwa der Zellendicke d.

Aus einer grossen negativen dielektrischen Anisotropie sollte die Flüssigkristallmischung 5 noch eine möglichst kleine optische Doppelbrechung An aufweisen, da der erzielbare Kontrast mit wachsendem An schlechter wird. Der nematische Flüssigkristall Merck 9A weist ein An = +0,15 auf, jedoch sind auch Substanzen mit An = + 0,08 bekannt.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

g

1 Blatt Zeichnungen

Claims

636 208

1. Flüssigkristallanzeige, nach dem Gast-Wirt-Prinzip ohne Polarisatoren, welche zwei eine Zelle bildende, parallele, auf ihren Innenseiten mit schichtförmigen Elektroden (3, 4)

belegte Platten (I, 2) umfasst, zwischen denen eine Flüssigkristallmischung (5) vorgesehen ist, die zum grösseren Teil aus einem nematischen Flüssigkristall und zum kleineren Teil aus einer optisch aktiven Substanz besteht, und einen Zusatz von pleochroitischen Farbmolekülen (6) aufweist, und bei welcher an den Innenseiten der Platten eine in der angrenzenden Flüssigkristallmischung (5) eine homöotrope Orientierung erzeugende Oberflächenstruktur vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der nematische Flüssigkristali eine negative dielektrische Anisotropie aufweist und dass der Anteil der optisch aktiven Substanz kleiner ist als die Menge, bei welcher in Abwesenheit einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden (3,4) in der Flüssigkristallmischung (5) spontane Spiralbildung auftritt.

2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Gewichtsprozenten gemessene Konzentration der optisch aktiven, vorzugsweise cholesteri-schen Substanz in der aus dem nematischen Flüssigkristall und der optisch aktiven Substanz und den Farbmolekülen bestehenden Gesamtmischung höchstens gleich ist der kritischen Konzentration C(l = A/d, wobei die Zellendicke d gleich dem in |am gemessenen senkrechten Abstand der Platten (1,2), und A eine von der Art der optisch aktiven Substanz abhängige Konstante ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Flüssigkristallanzeige nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Substanz ein Cholesteryl-Ester, vorzugsweise Cholesteryl-Benzoat mit der Konstante A = 11.0, ist.

4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nematische Flüssigkristall ein Gemisch aromatischer Ester oder ein cx-Cyanostilben ist.

5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pleochroitischen Farbmoleküle Anthrachi-nonfarbstoffe sind.

6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzeugung der die homöotrope Orientierung erzeugenden Oberflächenstruktur die Innenseiten der Zellenplatten (1,2) mit einer Alkoxysilanschicht bedeckt sind.

7. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der dielektrischen Anisotropie /Ae/ des nematischen Flüssigkristalls grösser ist als 0,5.

8. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der optisch aktiven, vorzugsweise cholesterischen Substanz derart ist, dass bei zwischen den Elektroden (3,4) anliegender Steuerspannung die Moleküle der Flüssigkristallmischung über die Zellendicke d um mindestens 360° verschraubt sind.

9. Flüssigkristallanzeige nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung eine Ganghöhe p aufweist, die höchstens gleich der Zellendicke d ist.