CH637486A5

CH637486A5 - Liquid-crystal display element

Info

Publication number: CH637486A5
Application number: CH1156978A
Authority: CH
Inventors: William Alden Crossland; Joseph Hourigan Morrissy; David Coates
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1983-07-29
Also published as: FR2408883A1; JPS60114827A; JPS5962826A; JPS6110813B2; JPS6235655B2; FR2408883B1; NL7810856A; GB1569686A

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 The present invention relates to a liquid crystal display element with a liquid crystal located between two electrodes at least partially overlapping in the direction of view, the polarization of which depends on the value of a control voltage applied once for a predetermined duration, and to a method for its operation . 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. Liquid crystal displays are being used increasingly in the art. The publication of J.G. Grab-maier and H.H. Krüger: “Liquid crystal basics and technical applications” published in VDI-Zeitschrift Vol. 115 (1973) No. 8 on pages 629 to 638 55 describes the mode of action and structure of some storage species. The present invention has for its object to provide a storage liquid crystal display element which enables improvement in brightness, contrast, control characteristics and easy manufacture 60 compared to the known types. The solution to this problem is specified in claim 1.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines durch die Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: 65 The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment illustrated by FIGS. 1 and 2. It shows: 65

Fig. 1 : Schematische perspektivische Ansicht einer Flüssigkristallzelle, 1: Schematic perspective view of a liquid crystal cell,

Fig. 2: Darstellung der zwei extremen Zustände, die die Zelle annehmen kann. Fig. 2: Representation of the two extreme states that the cell can assume.

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. Two glass cover plates 1, 2 are connected to one another by a peripheral seal 3 and form a shell for the liquid crystal 5, which is tightly enclosed in the cell. The cell is filled through an opening formed by interrupting the periphery of the seal.

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. After the cell has been filled, this opening is sealed by a closure 4, for example made of indium. If the peripheral seal 3 is a seal made of molten glass frit, the opening can be metallized before the cell is filled, after which the opening is sealed by soldering.

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. Before the two plates are joined together, the inwardly facing surfaces are provided with transparent electrodes (not shown) of a shape that corresponds to the required display, whereby an electric field can be applied between selected parts of the cover plates. For this purpose, parts of the electrodes extend over the area of the seal 3, whereby a connection to the outside is made possible.

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°. At least one of the inwardly facing surfaces, but preferably both, are coated or subjected to some other surface treatment, through the action of which the liquid crystal molecules assume a parallel, homogeneous orientation when the cell is passed through from a less ordered non-smectic phase in the absence of an applied electric field Cooling is transferred into a smectic phase. In order to obtain the desired parallel homogeneous molecular alignment, it appears necessary to use an alignment method that leads to a substantial angle of rotation. The angle of rotation is the angle between the longitudinal axis of a liquid crystal molecule at the boundary with the cover plate and the plane of the cover plate. For example, oblique evaporation with silicon monoxide at an angle of approximately 25 ° to the substrate with the nematic phase of 4-cyano-4'-n-octylbiphenyl provides a parallel homogeneous alignment without an angle of rotation, but with the smectic phase of the same liquid crystal focal-conical state with relatively long slender cones (typically with an aspect ratio of about 10 to 1) that are in the direction of alignment. These domains are revealed by the appearance of characteristic elliptical patterns when the cell is viewed under a polarizing microscope. Similarly, oblique evaporation of silicon monoxide at an angle between 5 ° and 10 ° relative to the substrate leads to a parallel homogeneous alignment of the nematic phase with an angle of rotation of approximately 25 °, while an aligned focal-conical state is achieved again with the smectic phase. However, if the resulting angle of rotation is sufficiently increased by further treatment of the surface with a surface-active substance that promotes homeotropic alignment, it is possible to exceed a critical angle of the angle of rotation above which the parallel homogeneous alignment is maintained even in the smectic phase. A cover plate evaporated with silicon monoxide at an angle of 5 ° to 10 ° was treated with a 0.1% solution of hexadecyl-tri-methyl-ammonium bromide in methanol. This resulted in a conoscopically measured angle of rotation of 68 ° in the finished cell.

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 In the production of the test cell, this treatment was carried out with the surface-active substance before the two cover glasses were connected to one another via the peripheral seal. The treatment consisted of immersing the plates in the solution, removing them from the solution and drying them. For manufacturing, we would prefer to apply the surfactant after the cell is assembled, as this allows the use of a molten glass frit perimeter seal

3 3rd

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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 would. The envelope is then filled with the surfactant, emptied, and the remaining material dries on the inner surfaces of the cell. In any case, the cell must be assembled so that the orientations are parallel, with special attention to the angle of rotation. 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. The conoscopic measurement of the angle of rotation does not allow us to determine whether the twisting is caused by molecules twisted in the smectic layers, the layers themselves being parallel to the cover plates, i.e. pseudo-smectic C as shown in FIG. 2a, or whether the molecules are normal to the layers and the layers themselves are twisted, as shown in Figure 2b. However, recent experiments with a neutron scattering technique showed that the smectic layers are twisted in the material used here, as shown in FIGS. 2b and d. When a gradually increasing AC voltage is applied to the cell, the angle of rotation as observed from the conoscopic figures gradually increases to a critical angle of approximately 88 °, that is, a substantially homeotropic orientation as in the figures 2c or 2d, 20 is obtained. An excitation frequency of approximately 1 kHz is preferably used, since the conoscopic figures appear diffuse below 800 Hz, probably due to electro-hydrodynamic instability.

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. If the cell is observed in transmission between crossed polarizers, it appears colored, with a maximum if the alignment lies between the two directions of polarization. In order to obtain a uniform color over the entire surface, the thickness of the liquid crystal layer must be very uniform. With a 20 micron-30 meter thick layer, the cell appears brown-yellow when viewed perpendicular to the glass surface. This agrees with the theoretically calculated delay for a 450 mm light wave in a 20 micron thick liquid crystal layer which is rotated 68 ° against the cover plate surfaces 35 and has refractive indices of n0 = 1.52 and ne = 1.675 (values for 4-cyano-41 -n-octylbiphenyl). The changing voltage changes the appearance of the cell to yellow, white and over gray values to black when the applied voltage is increased to about 150-180 volt effective value. By choosing different layer thicknesses of the liquid crystal, it is possible to form cells with different initial colors. Thicker cells in particular start with a higher order of color in the Newton spectrum, which makes it possible to run through a larger color scale. For example, a cell 30 microns thick appears blue. It is also possible to build cells of the same thickness so that they show different initial colors. This is possible by using different smectic materials with different birefringence indices, or by using different initial angles of rotation.

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. If the angle of rotation is increased from its initial value, it is retained even after the controlling field is switched off. If the angle of rotation does not yet correspond to the maximum possible angle of rotation, it can be increased by a stronger controlling field. Therefore, by using suitable switching voltages, it is possible to obtain a display with more than two different colors. The cell is returned to the lower initial value of the angle of rotation by heating the liquid crystal from the smectic phase to the nematic phase and then cooling the liquid crystal again. It is possible to return only selected areas of the display in the rotation angle if the heat is applied locally. This can be achieved by modulating the intensity of a laser beam which is guided over the surface of the cell. For this purpose, the wavelength of the laser must be selected so that it is absorbed either by the liquid crystal or by a material adjacent to or in the liquid crystal, such as the electrode material, for example.

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, The cell described so far can only be switched in one direction by applying a voltage, while a thermal cycle is used to convert it to the uncontrolled state. However, certain smectic liquid crystals have the property that at a cutoff frequency the material changes from positive dielectric anisotropy at low frequencies to negative dielectric anisotropy at higher frequencies. With such materials, electrical switching in both directions is possible. An example of such a liquid crystal is 4-n-pentylphenyl 2'-chloro-4 '- (6-n-hexyl-2-naphtholoxy) ben-zoat,

C6H13 ^—C0.0 —@— C5H11 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. a monotropic liquid crystal with the following phase transition temperatures: 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. The following table shows that the limit effect also exists in the nematic phase in this material. When the material is cooled from the nematic phase to the smectic phase, the cut-off frequency is retained, but at significantly higher threshold voltages.

Temperatur (°C) Temperature (° C)

Grenzfrequenz (kHz) Cutoff frequency (kHz)

Schaltspannung Switching voltage

(V) (V)

77 77

29 29

22 22

72 72

. 20 . 20th

22 22

67 67

13 13

22 22

65 65

11 11

22 22

63 63

9,8 9.8

18 18th

61 61

7,2 7.2

22 22

59 59

6,2 6.2

21,1 21.1

Temperatur <°C) Temperature <° C)

Grenzfrequenz (kHz) Cutoff frequency (kHz)

Schaltspannung (V) Switching voltage (V)

57 57

5,5 5.5

20,8 20.8

55 55

4,8 4.8

20,2 20.2

54,4 54.4

4,6 4.6

20,4 20.4

54,0 54.0

4,6 4.6

20,1 20.1

53,5 53.5

4,2 4.2

78 78

53,2 53.2

4,2 4.2

112 112

52,0 52.0

4,2 4.2

182 182

50,0 50.0

3,9 3.9

204 204

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. In a cell of the type described, which is filled with the latter material and kept at 52 ° C, the angle of rotation of the liquid crystal layer can be increased by applying an AC voltage of a frequency below 4.2 kHz, after which the angle of rotation by the application of a AC voltage with a frequency above 4.2 kHz can be reduced to its lower value.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

637 486

1. Liquid crystal display element with a liquid crystal located between two, at least partially overlapping, galvanically coated cover plates, the polarization of which depends on the value of a control voltage applied once for a predetermined duration, characterized in that the liquid crystal (5) consists of a smectic liquid crystal of positive dielectric anisotropy, that at least one of the surfaces of the cover plates (1, 2) facing the liquid crystal (5) is coated in such a way that the liquid crystal (5) is also in the non-controlled state as a smectic phase with an angle of rotation at which focal-conic domains that appear to be visible are avoided.

2. Display element according to claim 1, characterized in that the surfaces of the cover plates are provided with an obliquely evaporated layer.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Display element according to claim 2, characterized in that the layer consists of silicon monoxide.

4. Display element according to claim 1, characterized in that the cover plates (1, 2) are coated with a material which promotes homeotropic alignment.

5. Display element according to claim 4, characterized in that the surfaces of the cover plates (1,2) are coated with hexadecyltrimethylammonium bromide. 25th

6. Display element according to claim 2 and 4, characterized in that the surfaces are first coated with an obliquely vapor-deposited material and additionally with a further material promoting a homeotropic orientation. 30th

7. The method for operating the display element as claimed in claim 1, characterized in that its return to the uncontrolled state takes place by heating and cooling the liquid crystal (5) in the absence of an electrical field or by applying an AC voltage 35, the frequency of which is above a limit frequency,

if they are exceeded, the liquid crystal changes from the positive dielectric anisotropic state to the negative one.

8. The method according to claim 7, wherein the heating is performed locally by a laser beam. 40