CH637486A5 - Liquid-crystal display element - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einem zwischen zwei sich in Blick- « richtung zumindest teilweise überlappenden Elektroden versehenen Deckplatten befindlichen Flüssigkristall, dessen Polarisation vom Wert einer einmalig für eine vorbestimmte Dauer angelegten Steuerspannung abhängig ist sowie auf ein Verfahren zu dessen Betrieb. 50

Flüssigkristallanzeigen werden in zunehmenden Masse in der Technik verwendet. Die Veröffentlichung von J.G. Grab-maier und H.H. Krüger: «Flüssige Kristalle-Grundlagen und technische Anwendungen» erschienen in der VDI-Zeitschrift Bd. 115 (1973) Nr. 8 auf den Seiten 629 bis 638 beschreibt 55 dabei auch Wirkungsweise und Aufbau einiger speichernder Arten. Die vorliegende Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, ein speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement anzugeben, das gegenüber den bekannten Typen Verbesserung in Helligkeit, Kontrast, Steuercharakteristik, sowie leichte Fertigung 60 ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines durch die Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: 65

Fig. 1 : Schematische perspektivische Ansicht einer Flüssigkristallzelle,

Fig. 2: Darstellung der zwei extremen Zustände, die die Zelle annehmen kann.

Zwei Glasdeckplatten 1,2 sind durch eine Umfangdichtung 3 miteinander verbunden und bilden eine Hülle für den Flüssigkristall 5, der dicht in der Zelle eingeschlossen ist. Die Zelle wird durch eine Öffnung gefüllt, welche durch eine Unterbrechung des Umfangs der Dichtung gebildet wird.

Nach dem Füllen der Zelle wird diese Öffnung durch einen Verschluss 4, zum Beispiel aus Indium, abgedichtet. Wenn die Umfangsdichtung 3 eine Dichtung aus geschmolzener Glas-fritte ist, kann die Öffnung vor dem Füllen der Zelle metallisiert werden, worauf das Abdichten der Öffnung durch Löten erfolgt.

Bevor die zwei Platten miteinander verbunden werden, versieht man die nach innen zeigenden Oberflächen mit transparenten Elektroden (nicht gezeichnet) einer Form, die der geforderten Anzeige entspricht, wodurch ein elektrisches Feld zwischen ausgewählten Teilen der Deckplatten angelegt werden kann. Zu diesem Zweck erstrecken sich Teile der Elektroden über das Gebiet der Dichtung 3, wodurch eine Verbindung nach aussen ermöglicht wird.

Mindestens eine der nach innen zeigenden Oberflächen, vorzugsweise jedoch beide, werden mit einer Schicht versehen oder einer anderen Oberflächenbehandlung unterzogen, durch deren Einwirkung die Flüssigkristallmoleküle eine parallele homogene Ausrichtung annehmen, wenn die Zelle von einer weniger geordneten nichtsmektischen Phase in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes durch Kühlung in eine smektische Phase überführt wird. Um die erwünschte parallele homogene molekulare Ausrichtung zu erhalten, erscheint es notwendig, eine Ausrichtmethode anzuwenden, die zu einem wesentlichen Drehwinkel führt. Der Drehwinkel ist der Winkel zwischen der Längsachse eines Flüssigkristallmoleküls an der Grenze zur Deckplatte und der Ebene der Deckplatte. So liefert zum Beispiel eine Schrägbedampfung mit Siliziummon-oxid unter einem Winkel von ungefähr 25° zum Substrat mit der nematischen Phase von 4-cyano-4'-n-octylbiphenyl eine parallele homogene Ausrichtung ohne Drehwinkel, aber mit der smektischen Phase desselben Flüssigkristalles wird ein fokal-konischer Zustand mit verhältnismässig langen schlanken Konen (typischerweise mit einem Längenverhältnis von etwa 10 zu 1), die in der Richtung der Ausrichtung liegen, erhalten. Diese Domänen werden durch die Erscheinung charakteristischer elliptischer Muster offenbart, wenn die Zelle im Polarisationsmikroskop betrachtet wird. Ähnlich führt eine Schrägaufdampfung von Siliziummonoxid unter einem Winkel zwischen 5° und 10° gegen das Substrat zu einer parallelen homogenen Ausrichtung der nematischen Phase mit einem Drehwinkel von ungefähr 25°, während mit der smektischen Phase wieder ein ausgerichteter fokal-konischer Zustand erreicht wird. Wenn jedoch der sich ergebende Drehwinkel durch die weitere Behandlung der Oberfläche mit einem eine homöotrope Ausrichtung fördernden oberflächenaktiven Stoff ausreichend vergrössert wird, ist es möglich, einen Grenzwinkel des Verdrehwinkels zu überschreiten, oberhalb dessen die parallele homogene Ausrichtung auch in der smektischen Phase erhalten bleibt. Eine unter einem Winkel von 5° bis 10° mit Siliziummonoxid bedampfte Deckplatte wurde mit einer 0,lprozentigen Lösung von Hexadecyl-Tri-methyl-Ammonium Bromid in Methanol behandelt. Dies ergab bei der fertigen Zelle einen konoskopisch gemessenen Drehwinkel von 68°.

Bei der Herstellung der Versuchszelle wurde diese Behandlung mit dem oberflächenaktiven Stoff durchgeführt bevor die zwei Deckgläser über die Umfangsdichtung miteinander verbunden wurden. Die Behandlung bestand darin, die Platten in die Lösung zu tauchen, sie aus der Lösung zu entfernen und zu trocknen. Für die Fertigung würden wir es vorziehen, den oberflächenaktiven Stoff aufzutragen, nachdem die Zelle zusammengebaut ist, da dies die Verwendung einer Umfangsdichtung aus geschmolzener Glasfritte zulassen

3

637 486

würde. Die Hülle wird dann mit dem Oberflächen aktiven Stoff gefüllt, geleert, und das restliche Material trocknet an den Innenoberflächen der Zelle. In jedem Fall muss die Zelle so zusammengebaut werden, das die Ausrichtungen parallel sind, wobei der Drehwinkel besonders zu berücksichtigen ist. 5

Die konoskopische Messung des Drehwinkels Hess es nicht zu, festzustellen, ob die Verdrehung durch in den smektischen Lagen verdrehte Moleküle erfolgt, wobei die Lagen selbst parallel zu den Deckplatten sind, das heisst pseudo-smektisch C wie in Figur 2a dargestellt, oder ob die Moleküle normal zu io den Lagen stehen und die Lagen selbst verdreht sind, wie es in Figur 2b dargestellt ist. Jedoch zeigten neuere Versuche mit einer Neutronenstreutechnik, dass bei dem hier verwendeten Material die smektischen Lagen verdreht sind, wie dies in den Figuren 2b und d dargestellt ist. Wenn eine allmählich zuneh- 15 mende Wechselspannung an die Zelle angelegt wird, nimmt der Drehwinkel, wie er aufgrund der konoskopischen Figuren beobachtet wird, allmählich bis zu einem Grenzwinkel von ungefähr 88° zu, das heisst eine im wesentlichen homöotrope Ausrichtung, wie in den Figuren 2c oder 2d dargestellt, wird 20 erhalten. Vorzugsweise wird eine Anregungsfrequenz von ungefähr 1 kHz verwendet, da unterhalb 800 Hz die konoskopischen Figuren diffus erscheinen, wahrscheinlich auf Grund einer elektro-hydrodynamischen Instabilität.

Wenn die Zelle in Transmission zwischen gekreuzten Pola- 25 risatoren beobachtet wird, erscheint sie farbig, und zwar mit einem Maximum wenn die Ausrichtung zwischen den beiden Polarisationsrichtungen liegt. Um eine gleichmässige Farbe über die gesamte Fläche zu erhalten, muss die Dicke der Flüssigkristallschicht sehr gleichmässig sein. Mit einer 20 Mikro- 30 meter dicken Schicht erscheint die Zelle braun-gelb, wenn sie senkrecht zur Glasoberfläche betrachtet wird. Dies stimmt mit der theoretisch berechneten Verzögerung für eine 450 mm Lichtwelle in einer 20 Mikrometer dicken Flüssigkristallschicht überein, welche 68° gegen die Deckplattenflächen 35 gedreht ist und Brechungsindices von n0 = 1,52 und ne = 1,675 besitzt (Werte für 4-cyano-41-n-octylbiphenyl). Die ändernde Spannung ändert das Aussehen der Zelle nach gelb, weiss und über grau Werte zu schwarz, wenn die angelegte Spannung bis auf etwa 150-180 Volt Effektivwert erhöht wird. Durch die 40 Wahl verschiedener Schichtdicken des Flüssigkristalles ist es möglich, Zellen mit verschiedenen Anfangsfarben auszubilden. Besonders dickere Zellen beginnen mit einer höheren Ordnung der Farbe im Newton-Spektrum, wodurch es möglich ist, eine grössere Farbskala zu durchfahren. Zum Beispiel erscheint eine Zelle mit 30 Mikrometer Dicke blau. Es ist auch möglich, Zellen gleicher Dicke so zu bauen, das sie verschiedene Anfangsfarben zeigen. Dies ist durch die Verwendung verschiedener smektischer Materialien mit verschiedenen Indices der Doppelbrechung möglich, oder durch die Anwendung von verschiedenen Anfangsdrehwinkeln.

Wenn der Drehwinkel von seinem Ausgangswert erhöht wird, so bleibt er auch nach dem Ausschalten des steuernden Feldes erhalten. Wenn der Drehwinkel noch nicht dem maximal möglichen Drehwinkel entspricht, so kann er durch ein stärkeres steuerndes Feld vergrössert werden. Daher ist es durch Abwendung geeigneter Schaltspannungen möglich, eine Anzeige mit mehr als zwei unterschiedlichen Farben zu erhalten. Die Zelle wird dadurch in den unteren Ausgangswert des Drehwinkels zurückgeführt, dass der Flüssigkristall aus der smektischen Phase in die nematische Phase erhitzt wird und dann der Flüssigkristall wieder abgekühlt. Es ist möglich, nur ausgewählte Gebiete der Anzeige im Drehwinkel zurückzuführen, wenn die Hitze lokal angewendet wird. Dies kann durch Intensitätsmodulation eines Laserstrahles erzielt werden, welcher über die Oberfläche der Zelle geführt wird. Für diesen Zweck ist die Wellenlänge des Lasers so zu wählen, dass er entweder durch den Flüssigkristall oder durch ein in dem Flüssigkristall benachbartes oder durch ein Flüssigkristall benachbartes Material, wie zum Beispiel das Elektrodenmaterial, absorbiert, wird.

Die bisher beschriebene Zelle kann durch die Anlegung einer Spannung nur in einer Richtung geschaltet werden, während zur Überführung in den nicht gesteuerten Zustand ein thermischer Kreisprozess verwendet wird. Gewisse smektische Flüssigkristalle besitzen jedoch die Eigenschaft, dass das Material bei einer Grenzfrequenz von positiv dielektrischer Anisotropie bei tiefen Frequenzen zu negativ dielektrischer Anisotropie bei höheren Frequenzen übergeht. Mit solchen Materialien ist elektrisches Schalten in beiden Richtungen möglich. Ein Beispiel für einen solchen Flüssigkristall ist 4-n-pentylphenyl 2'-chloro-4'-(6-n-hexyl-2-naphtholoxy) ben-zoat,

C6H13 ^—C0.0 —@— C5H11

ein monotroper Flüssigkristall mit den folgenden Temperaturen der Phasenübergänge: C-N, 68, 6°C; (SA-N, 53,5°C); N-1,178,9°C.

Die folgende Tabelle zeigt, dass in diesem Material der Grenzeffekt auch in der nematischen Phase existiert. Beim Kühlen des Materials von der nematischen Phase in die smektische Phase bleibt die Grenzfrequenz erhalten, jedoch bei erheblich höheren Schwellspannungen.

Temperatur (°C)

Grenzfrequenz (kHz)

Schaltspannung

(V)

77

29

22

72

. 20

22

67

13

22

65

11

22

63

9,8

18

61

7,2

22

59

6,2

21,1

Temperatur <°C)

Grenzfrequenz (kHz)

Schaltspannung (V)

57

5,5

20,8

55

4,8

20,2

54,4

4,6

20,4

54,0

4,6

20,1

53,5

4,2

78

53,2

4,2

112

52,0

4,2

182

50,0

3,9

204

Bei einer Zelle der beschriebenen Bauart, die mit dem letztgenannten Material gefüllt ist und auf 52° C gehalten wird, kann der Drehwinkel der Flüssigkristallschicht durch Anlegen 65 einer Wechselspannung einer Frequenz unterhalb von 4,2 kHz vergrössert werden, wonach der Drehwinkel durch das Anliegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz oberhalb 4,2 kHz auf seinen unteren Wert reduziert werden kann.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

637 486

1. Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einem sich zwischen zwei sich in Blickrichtung zumindest teilweise überlappenden, galvanisch beschichteten Deckplatten befindlichen Flüssigkristall, dessen Polarisation vom Wert einer einmalig für eine 5 vorbestimmte Dauer angelegten Steuerspannung abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall (5) aus einem smektischen Flüssigkristall positiver dielektrischer Anisotropie besteht, dass mindestens eine der dem Flüssigkristall (5) zugewandten Oberflächen der Deckplatten (1,2) derart beschichtet io ist, dass der Flüssigkristall (5) auch im nichtgesteuerten Zustand als smektische Phase mit einem Drehwinkel vorliegt, bei dem sichtbar erscheinende fokalkonische Domänen ver-.mieden werden.

2. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-15 net, dass die Oberflächen der Deckplatten mit einer schräg aufgedampften Schicht versehen sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Siliciummonoxid besteht.

4. Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-20 net, dass die Deckplatten (1,2) mit einem eine homöotrope Ausrichtung fördernden Material beschichtet sind.

5. Anzeigeelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Deckplatten (1,2) mit Hexade-cyltrimethyl-ammonium-bromid beschichtet sind. 25

6. Anzeigeelement nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen zunächst mit einem schrägaufgedampften Material und darüber zusätzlich mit einem weiteren eine homöotrope Ausrichtung fördernden Material beschichtet sind. 30

7. Verfahren zum Betrieb des Anzeigeelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Zurückführen in den nichtgesteuerten Zustand durch Erhitzen und Abkühlen des Flüssigkristalls (5) in Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder durch Anlegen einer Wechselspannung 35 erfolgt, deren Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz liegt,

bei deren Überschreiten der Flüssigkristall vom positiv dielektrisch anisotropen Zustand in den negativen übergeht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erhitzen lokal durch einen Laserstrahl erfolgt. 40