CH654116A5 - Bistabile fluessigkristall-drehzelle. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall-Drehzelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Flüssigkristalle haben anisotrope physikalische und optische Eigenschaften. Als Ergebnis der Anisotropie kann die Ordnung des Flüssigkristalls geändert werden durch Zufuhr geeigneter elektrischer Felder. Einer solchen Ordnungsänderung kann eine Änderung der Übertragungseigenschaften des Flüssigkristalls gegen der anisotropen optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls zugeordnet sein. (Während sich hierin der Ausdruck « Übertragungseigenschaften» auf die Übertragung jeder elektromagnetischen Strahlung bezieht, wird das Hauptanwendungsgebiet die optische Übertragung sein, d. h., Übertragung von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung, wie diese üblicherweise als im Wellenlängenbereich von annähernd 450 bis annähernd 800 nm liegend bezeichnet wird.)

Gesteuerte Änderung der Flüssigkristallorientierung kann die Übertragungseigenschaften der Zellen ändern. Solche Bauelemente waren die ersten Flüssigkristallzellen mit einem bedeutsamen Potential zur Verwendung als Anzeigeelemente.

Anfängliche Bauelemente beruhten auf der Basis eines als dynamische Streuung bezeichneten Phänomens. Bei solchen Bauelementen vorgesehene Flüssigkristallzellen zeichnen sich durch wenigstens zwei unterschiedliche Zustände aus. In einem dieser Zustände ist der Flüssigkristall geordnet. Im anderen Zustand, der durch die Gegenwart eines elektrischen Feldes induziert wird, ist der Flüssigkristall ungeordnet. Da die Übertragungseigenschaften der Zelle im geordneten Zustand verschieden von denen im ungeordneten Zustand sind, kann die Zelle als Anzeige- oder Wiedergabevorrichtung benutzt werden. Bei einer solchen Vorrichtung können die ungeordneten Zonen beispielsweise hell aussehen, während die geordnete Zone dann dunkel aussieht. Alphanumerische Zeichen können durch geeignet gewählte Zufuhr eines elektrischen Feldes gebildet werden.

Andere früher hergestellte Flüssigkristallzellen beruhten nicht auf der Existenz ungeordneter Zustände. Diese Bauelemente sind von M. Schadt und W. Helfrich, Appi. Phys. Lett., 18,127 (1971) charakterisiert worden. Sie werden nunmehr allgemein als Schadt-Helfrich-Zellen bezeichnet und haben wenigstens zwei zugeordnete Zustände, die beide geordnet sind, aber unterschiedliche molekulare Orientierungen haben. Die Übertragungseigenschaften dieser Zellen hängen vom speziellen Zustand des Flüssigkristalls ab. Folglich kann ein Anzeigebauelement aufgebaut werden, indem Vorteil aus den unterschiedlichen Übertragungseigenschaften der Zelle in den beiden Zuständen gezogen wird.

Eine spezielle Ausführungsform der Schadt-Helfrich-Zelle ist eine Flüssigkristallzelle, bei der der Flüssigkristall in wenigstens einem der Zustände in Wendelkonfiguration orientiert ist, wobei die Wendelachse annähernd senkrecht zu den Begrenzungsflächen steht und die Wendel sich von der einen Fläche der Zelle zur anderen erstreckt. Solche Zellen werden allgemein als Flüssigkristall-Drehzellen bezeichnet. Die Wirkungsweise von Drehzellen hängt von der Wirkung ab, die der Flüssigkristall auf die Polarisation der durch die Zelle übertragenen elektromagnetischen Strahlung hat. Die Verwendung geeigneter Polisatoren und Analysatoren ermöglicht es, Vorteil aus diesem Unterschied in der Polarisation zwischen den beiden Zuständen, um unterschiedliche Übertragungseigenschaften zu erhalten, zu ziehen. Bei solchen Bauelementen kann die Flüssigkristallzelle von einem übertragenden Zustand auf einen anderen, nicht übertragenden Zustand durch Anlegen geeigneter Felder umgeschaltet werden, wobei der Einfiuss der letzteren auf den Flüssigkristall zu einer Änderung in der Orientierung des Flüssigkristalls und einer begleitenden Änderung in den optischen Übertragungseigenschaften führt.

In einigen Fällen reicht die optische Anisotropie des Flüssigkristalls nicht aus, um eine optische Diskrimination zwischen den beiden Zuständen zu erhalten. In diesen Fällen können sogenannte Gast-Materialien hinzugefügt werden, deren Orientierung der des Flüssigkristalls folgt und deren optischen Eigenschaften hinreichend anisotrop sind, um die erforderliche Diskrimination zwischen den beiden Zuständen zu erreichen. Man kann auch Gast-Materialien in anderen Situationen benutzen, um die Verwendung von Polarisatoren und/oder Analysatoren zu vermeiden. Solche Vorrichtungen sind generell als Gast/Wirt-Zellen bekannt (s. G. H. Heilmeier, J. A. Castellano und L. A. Zanoni, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 8,293 (1969) und G. H. Heilmeier und L. A. Zanoni, Appi. Phys. Lett., 13,91 (1968)).

Bei den oben beschriebenen Zellen sind die jeweiligen Zustände nur stabil, wenn ein geeignetes Feld (einschliesslich Nullfeld) an der Zelle ansteht. Dieses Feld muss je nach Zustand einen unterschiedlichen Wert annehmen. Nachteile resultieren jedoch von dem Erfordernis einer grossen Anzahl Kontakte zur fortlaufenden Adressierung der Zellen mit den richtigen Feldern, um jede Zelle in ihrem richtigen Zustand zu halten. Solche Probleme fallen, obgleich sie hier nicht weiter vertieft werden sollen, in das allgemeine Multiplex-Gebiet und haben die Anwendung von Flüssigkristall-Twistzellen auf relativ einfache Anzeigevorrichtungen beschränkt (s. A. R. Kmetz und F. K. von Willisen, Herausgeber «Matrix Addressing of Non-Emissive Displays», in Non-Emissive Electrooptic Displays, Plenum, New York, 1976).

Vor kurzem wurde eine Flüssigkristall-Twistzelle angegeben, die sich durch stabile Zustände auszeichnet, welche die Zufuhr eines Feldes nur während des Umschaltens erfordert, nicht aber die Zufuhr eines Feldes zum Aufrechterhalten der Zelle in einem bestimmten Zustand (siehe European Patent Application No. 80 301 168.3 und D. W. Berreman und W. R. Heffner, Appi. Phys. Lett., 37,109 (1980)). Solche Zellen, die allgemein als bistabile Flüssigkristall-Twistzellen bezeichnet sind, haben die Anwendung von Flüssigkristall5

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zellen bei grossen Anzeige- oder Wiedergabevorrichtungen in der Praxis möglich gemacht.

Die erfindungsgemässe Flüssigkristall-Drehzelle ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet. Die Zelle unterscheidet sich deshalb von bekannten Zellen, weil letztere die Zufuhr verschiedener Spannungen zum Aufrechthalten unterschiedlicher Zustände (Schadt-Helfrich-Zelle) erfordern oder eine Haltespannung überhaupt nicht benötigen. Das Umschalten zwischen den wenigsten zwei stabilen Zuständen kann durch Anlegen eines Störfeldes während der kurzen Zeitspanne bewerkstelligt werden, die zum Umwandeln des Flüssigkristalls vom einen in den anderen Zustand erforderlich ist.

Nach dem Umschalten kehrt das Feld auf den Haltespan-nungswert zurück und die Zelle bleibt in ihrer neuen Konfiguration stabil. Die Verwendung einer Haltespannung erlaubt den Betrieb einer bistabilen Zelle über einen breiteren Bereich von Zellparametern. Kennzeichnend für diese neue Zellenklasse ist der Umstand, dass das Schalten «adiabatisch» ohne Einfluss auf irgendwelche anderen dynamischen Eigenschaften des Flüssigkristalls auftreten kann. Die adressierte Zone bei der erfindungsgemässen Zelle ist (im Gegensatz zu den nicht-adressierten Zonen und Begrenzungen) im wesentlichen frei von Disklinationen und Wänden im stabilen Zustand, und das Umschalten tritt ohne Durchgang einer Disklination durch die aktive Zone der Flüssigkristall-Drehzelle auf.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; es zeigen:

Figur 1 ein beispielhaftes Energie/Spannung-Diagramm zur Darstellung des Verhaltens der vorliegenden Flüssigkristall-Drehzelle und

Figur 2 eine schematische Darstellung der Flüssigkristalle in den einzelnen Zuständen, die der vorliegenden Zelle zugeordnet sind.

Die vorliegende bistabile Flüssigkristall-Drehzelle zeichnet sich durch die Verwendung einer einzigen Haltespannung zum Halten der Zelle in den stabilen Zuständen aus. Ein Umschalten zwischen zwei Zuständen wird durch eine kurze Änderung der Haltespannung bewirkt.

Figur 1 zeigt die Energieeigenschaften einer Zelle der in Rede stehenden Art. In Fig. 1 ist die der Zelle zugeführte Spannung auf der Abszisse aufgetragen, und die der Zelle zugeordnete Energie auf der Ordinate. Die durch die Figur beschriebenen beiden Zustände sind der «Abwärts»-Zustand, der sich vom Punkt a zum Punkt d erstreckt, und der «Aufwärts»-Zustand, der sich vom Punkt f zum Punkt j erstreckt. (Der Kurventeil, der sich vom Punkt d zum Punkt f erstreckt, stellt einen instabilen Zustand dar).

Das Verhalten der Zustände bei von Null aus ansteigender Spannung erläutert die Wirkungsweise der Zelle. Bei Spannungen kleiner als Vabwäns existieren nur Abwärts-Zustände. Wenn die Spannung erhöht wird, wird eine Zone erreicht, in der entweder der Aufwärts-Zustand oder der Abwärts-Zustand existieren kann (Spannungsbereich von Vabwäns bis Vaufwarts). Jedoch sucht die im Abwärts-Zustand befindliche Zelle in diesem Abwärts-Zustand zu verbleiben, da der Auf-wärts-Zustand grössere Energie erfordert. Wenn die Spannung auf Vschniu erhöht wird, dann ist ein Punkt erreicht, wo die beiden Zustände energetisch entartet sind. Jedoch fährt die Zelle wiederum fort im Abwärts-Zustand zu existieren, weilsie sich in diesem Zustand befindet. Für Werte grösser als Vschniu hat der Aufwärts-Zustand die kleinere Energie. Jedoch sucht die Zelle im Abwärts-Zustand auch in dieser Zone zu bleiben, weil eine Änderung in der molekularen Konfiguration vom Abwärts-Zustand in den Aufwärts-Zustand die

Überwindung einer Energieschwelle zwischen den beiden Zuständen erfordern würde. (Die Linie d-f stellt den Energiewert der Schwelle dar, der überschritten werden muss, bevor ein Umschalten auftritt). Wenn die Spannung über Vaufwäns 5 hinaus erhöht wird, kann die Zelle im Abwärts-Zustand nicht länger existieren und schaltet sich deshalb in den Aufwärts-Zustand um. Hat sich die Zelle in den Aufwärts-Zustand umgeschaltet, dann kann die Spannung auf Vschniu reduziert werden und die Zelle wird im Aufwärts-Zustand verbleiben, io Eine Erniedrigung der Spannung unter Vabwäns wird wieder ein Umschalten der Zelle zur Folge haben, diesesmal vom Aufwärts-Zustand in den Abwärts-Zustand. Die Rückkehr der Spannung auf Vschniu wird dann die Zelle im Abwärts-Zustand belassen. Im praktischen Betrieb der Zelle wird eine is Haltespannung an alle aktiven Zonen der Zellen angelegt, und eine Änderung der Spannung erfolgt nur, wenn Umschalten gewünscht ist.

Alternative Betriebseigenschaften können bei tatsächlichen Bauelementen benutzt werden. Beispielsweise kann in 2o einer Zelle annähernd konstanter Dicke eine Betriebszone, der Spannung zugeführt wird, und eine die sie umgebende Zone, der keine Spannung zugeführt wird, umfassen. Bei solchen Ausführungsformen wird bei im Aufwärts-Zustand befindlicher Betriebszone die Verwendung einer Haltespan-25 nung, die durch den Schnittpunkt von Aufwärts- und Abwärts-Zuständen definiert ist, zu einer Instabilität der Betriebszone und zu deren schliessliches Zurückfallen in den Abwärts-Zustand führen. Dieses deshalb, weil für die definierten Bedingungen die Energie von Aufwärts- und 30 Abwärts-Zustand bei der Haltespannung entartet sind, und die sich im Aufwärts-Zustand befindliche Betriebszone von einer Zone umgeben ist, die im energetisch entarteten Abwärts-Zustand ist. Unter diesen Umständen wird die sich im Abwärts-Zustand befindliche Umgebungszone 35 schliesslich in die Betriebszone durch eine «Wand» hineinwachsen. Folglich ziehen praktische Ausführungsformen Vorteil aus der Verwendung einer Haltespannung, die oberhalb Vschmtt liegt. Im Regelfall wird die Haltespannung grösser als Vschniu sein, und zwar um einen Betrag, der grösser 40 als 10% des Spannungsunterschiedes zwischen Vschniu und V^fwarts ist. Eine solche Haltespannung verhindert eine Entleerung des Aufwärts-Zustandes in den Abwärts-Zustand, da bei dieser Haltespannung der Aufwärts-Zustand die kleinere Energie als der Abwärts-Zustand hat, was 45 bedeutet, dass ein Übergang des Aufwärts-Zustandes in den Abwärts-Zustand eine zusätzliche Energie, die nicht verfügbar ist, erfordern würde.

Unnötig zu sagen, dass die Haltespannung jedoch nie den Wert von Vaufwäns erreichen sollte, da für diese Werte der so Abwärts-Zustand in den Aufwärts-Zustand umschaltet. Alternativ können die Umgebungszonen bei einer zugeführten Spannung von unterschiedlicher Dicke sein.

Die Erörterung der bevorzugten Werte für die Haltespannung ist auf die Verwendung eines Flüssigkristalls mit posi-55 tiver dielektrischer Anisotropie vorgezeichnet. Bei einem Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie würden ähnliche Erwägungen gelten, wobei jedoch die Aufwärts* und Abwärts-Beschriftungen in Fig. 1 vertuscht sind.

Kennzeichnend für einige der vorliegenden Zellen ist der 60 Umstand, dass das Umschaltphänomen nicht auf der der Bewegung der Flüssigkristalle zugeordneten Dynamik zu beruhen braucht. Stattdessen kann ein Umschalten auch dann auftreten, wenn die Schaltpunkte f und d langsam angenähert werden. Dieses unterscheidet sich von einem 65 Umschalten, das nur dann auftritt, wenn die der Bewegung der Flüssigkristall-Moleküle zugeordnete Dynamik betrachtet wird. Die Klasse von Flüssigkristallzellen, deren Umschalten nicht auf Flüssigkristalldynamik beruht, sind

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etwas grob als adiabatisch umschaltbar charakterisiert. Jedoch kann trotz des Umstandes, dass solche Zellen beim Umschalten nicht auf der Dynamik der Flüssigkristall-Moleküle beruhen, Vorteil aus einer solchen Dynamik zum Erhalt schnellerer Umschalteigenschaften gezogen werden. Beispielsweise kann das Schalten bewirkt werden durch Ändern der Haltespannung auf einen Punkt ausserhalb der Punkte d oder f. Unter diesen Umständen erfordert die genaue mathematische Beschreibung des Zellverhaltens eine Berücksichtigung der Energiebeiträge als Folge der dynamischen Eigenschaften, die der Bewegung der Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet sind. Innerhalb der hier angenommenen Terminologie würde die Flüssigkristall-Drehzelle immer noch als adiabatisch umschaltbar insofern bezeichnet werden, als der diese Zelle benutzende Fachmann nicht von Hause aus die fliessdynamischen Eigenschaften des Flüssigkristalls zum Umschalten zu beeinflussen braucht. Allgemein gilt für die vorliegenden Zellen, dass sie auch jene umfassen, bei welchen nur ein Umschaltpunkt adiabatisch umschaltbar ist, während der andere Umschaltpunkt nur dynamisch schaltbar sein kann.

Es ist zwar angenommen worden, dass die nicht geschalteten Zonen auf einem gegebenen Haltspannungswert gehalten werden, gleichwohl kann aber die Verwendung von Vielfachzonen-Zellen eine Änderung der Spannung ein-schliessen, die allen adressierbaren Zonen während des Umschaltens zugeführt wird, obgleich solche Zonen nicht umgeschaltet werden. Solche Umstände würden auftreten durch Ändern der den umzuschaltenden Zonen zugeführten Spannung in für Umschalten ausreichenden Grössen, und Ändern der Spannung an nicht umzuschaltenden Zonen in Grössen kleiner als die für ein Umschalten erforderliche Grösse. Die Bedeutung solcher alternativen Ausführungsformen liegt in der bei einem Multiplex-Betrieb erhaltenen vergleichsweisen Vereinfachung, wenn eine sich ändernde Spannung allen adressierbaren Zonen zugeführt wird, wobei nur die umzuschaltenden Zonen einer Spannungsänderung ausgesetzt werden, die für ein Umschalten ausreicht.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung die Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Zelle. Beachte, dass die Darstellung von Fig. 2 mit der Energiekurve nach Fig. 1 kompatibel ist. Der Aufwärts-Zustand ist so bezeichnet, da in diesem Zustand die Flüssigkristall-Moleküle im mittleren Zellbereich weitgehend senkrecht zur Zellenoberfläche orientiert sind. Im Abwärts-Zustand und im Kein-Feld-Zustand, der ebenfalls ein Abwärts-Zustand ist, sind die Moleküle im mittleren Zellbereich weitgehend parallel zur Zelloberfläche orientiert. Eine optische Unterscheidung zwischen diesen beiden Zuständen kann durch die Verwendung eines Polarisators, eines Polari-sationsanalysators oder eines Gast-Materials erhalten werden. Im Abwärts-Zustand wird die Polarisation der einfallenden Strahlung um einen anderen Betrag gedreht werden als im Aufwärts-Zustand, wodurch eine optische Diskrimination zwischen den beiden Zuständen ermöglicht wird.

Die Komplexheit von Flüssigkristall-Bauelementen hat in jüngster Zeit die Entwicklung von Flüssigkristalltechnologien dort begrenzt, wo diese Entwicklung ausschliesslich auf experimenteller Analyse zahlreicher Zellkonfigurationen beruhte. Die Vielfalt solcher Konfigurationen macht deren Studium im Laboratorium so zeitraubend, dass Fortschritte nicht mit vertretbarer Wahrscheinlichkeit erwartet werden können. Eine solche Untersuchungsmethode ist daher unpraktisch. Folglich begann man damit, die verschiedenen Zellkonfigurationen unter Verwendung von Rechnern zu analysieren und man machte auch bedeutsame Fortschritte. Die Resultate dieser Analysen wurden zur Regie der experimentellen Anstrengungen verwendet. Die vorliegende Erfindung kam auf diese Weise aus der Erkenntnis, dass innerhalb der unbegrenzt grossen Anzahl mathematischer Beschreibungen von Flüssigkristall-Drehzellen-Konfigurationen eine Klasse von Zellen existiert, die beschrieben werden können durch Energiekurven, denen wenigstens zwei Zustände zugeordnet sind, wobei diese Zustände stabil sind, wenn eine einzige geeignete Haltespannung zugeführt wird. Zwischen diesen Zuständen kann adiabatisch und ohne Durchgehen einer Disklination durch die aktive Zone der Flüssigkristall-Drehzelle umgeschaltet werden.

Die Berechnung von Flüssigkristallkonfigurationen, die unter die vorliegende Beschreibung fallen, erfolgt nach für den Fachmann leicht zugänglichen Methoden. Die Berechnung betrifft die Betrachtung von Energiebeiträgen als Folge der elastischen Dehnung und den angelegten Feldern. Das elastische Dehnungsfeld entsteht durch die Dehnung des Flüssigkristalls wie diese aus den Grenzbedingungen und dem zugeführten elektrischen Feld resultiert. Die elastische Dehnungsenergie wurde erstmals auf die Beschreibung von Flüssigkristall-Twistzellen angewandt von Oseen und Frank (siehe C. W. Oseen, Trans. Discuss. Faraday Soc., 29, 883 (1933) und F. C. Frank, Discuss. Faraday Soc., 25,17 (1958)). Der elektrostatische Feldbeitrag ist beschrieben worden von Gruler, Scheffner und Meir (siehe H. Gruler, T. J. Scheffer und G. Meier, Zeit. Naturforsch., 27 A, 966-976 (1972), «Ela-stic Constants of Nematic Liquid Crystals I. Theory of the Normal Deformation). Die Eigenschaften der Flüssigkristallformulierung geschieht mit Hilfe geeigneter elastischer und dielektrischer Konstanten. Die Gleichungen werden nach der bekannten Euler-LaGrange-Methode gelöst, um schliesslich Beschreibungen bestimmter Zellkonfigurationen an Hand einer Energie/Spannung-Kurve zu erhalten. Die Lösung der Euler-LaGrange-Gleichungen liefert bestimmte Zellkonfigurationen, für die die Energie berechnet werden kann. Offensichtlich können zahllose Kurven je nach Wahl der Grenzbedingungen und der Konstanten erhalten werden. Innerhalb dieser grossen Anzahl von Lösungen, sind mit vorliegender Erfindung die mit den hier beschriebenen Eigenschaften der Zellen behafteten Lösungen gefunden worden.

Auf der Basis der vorstehend skizzierten Berechnungen erhält man Spannung/Versetzungsfeld-Diagramme unter der Annahme verschiedener Ausgangsparameter. Es werden dann numerische Methoden angewandt, um das Verhalten der zugeführten Spannung als Funktion des Versetzungsfeldes im Gleichgewicht zu bestimmen, wie sich letzteres aus den angenommenen Systemparametern ergibt. In der Praxis werden die Gleichungen gelöst durch die Annahme eines gegebenen Versetzungsfeldes und die Berechnung der resultierenden Spannung. Es werden dann die Lösungen ausgewählt, die in der Versetzung als eine Funktion der Spannung dreiwertig sind. Solche Lösungen werden dann generell das in Fig. 1 dargestellte allgemeine Gibbssche freie Energie/-Spannung-Verhalten haben und werden daher bei einer gegebenen Haltespannung wie beschrieben bistabil sein.

Bevorzugte Ausgangsparameter für die numerische Berechnung schliessen Flüssigkristalle mit dielektrischen Anisotropien grösser als 5 und Zelldicken von etwa einer Drehlänge ein. Die vorliegenden Zellen umfassen allgemein Flüssigkristalle, die in wenigstens einem der stabilen Zustände verdreht sind und die in einem anderen der Zustände gezwungen sein können, entweder entdreht zu sein oder eine andere Verdrehung als der ungezwungene Wert zu haben. Üblicherweise wird die Gesamtverdrehung in den beiden Zuständen entweder dieselbe sein oder sich um eine ganze Zahl von Windungen unterscheiden. In wenigstens einem der stabilen Zustände kann der Flüssigkristall einem Null-Drehmoment um eine senkrecht zur Oberfläche orientierte Achse unterworfen sein. Jedoch in wenigstens einem

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anderen der stabilen Zustände wird der Flüssigkristall ein Drehmoment um eine zur Oberfläche senkrecht orientierte Achse haben. Im Gegensatz zu der Steigung, die den Flüssigkristalldirektoren zugeordnet ist, wird die Neigung der den Flüssigkristall-Molekülen zugeordneten Direktoren immer einen anderen Wert haben als jener, der durch die Direktoren bei fehlenden Begrenzungen eingenommen würde, d. h., die Neigung wird immer einen anderen Wert als 90° gegenüber den Senkrechten an einer oder beiden Begrenzungen haben.

Während die numerische Methode zum Aufbau der vorliegenden Zelle als die wirksamste angesehen wird und weniger als eine halbe Stunde Rechenzeit auf einfachen Rechnern benötigt, können zum Aufbau der vorliegenden Zelle auch experimentelle Methoden angewandt werden. Solche Methoden umfassen beispielsweise die Herstellung eines Keils, in welchem der zu untersuchende verdrehte Flüssigkristall angeordnet wird. Die Keiloberfläche würde Mittel zum Ausrichten angrenzender Flüssigkristall-Moleküle aufweisen. Wenn eine zunehmende Spannungsdifferenz zwischen die beiden Flächen des keilförmigen Hohlraums angelegt wird, dann findet man, dass eine den Keil durchquerende «Wand» auftritt. Bistabilität wird dann durch das Verschwinden der Wand an einer Stelle und durch deren erneutes Auftreten an einer anderen Stelle, oder durch eine schnellere Wandbewegung, bei einer gegebenen Spannung angezeigt. Die Eigenschaften der Keilzelle in jener Zone, wo die Wand erschien und verschwand, werden dann zur Herstellung einer Zelle mit den vorliegenden Eigenschaften benutzt.

Beispiel

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Zelle wurden mit Zinnoxid benutzte Glasscheiben zur Begrenzung des Flüssigkristalls benutzt. Die Scheiben wurden desweiteren mit Silicium-Monoxid beschichtet, das unter einem Winkel von 5° gegen die Oberflächenparallele aufgedampft wurde. Das Zinnoxid wurde in ein Elektrodenmuster geformt und zur Zufuhr geeigneter Spannungen benutzt, um beispielsweise eine alphanumerische Anordnung zu erhalten, während das aufgedampfte Silicium-Monoxid zur Ausrichtung der Direktoren in der Nähe der Zell wände benutzt wurde (siehe J. L. Janning, Appi. Phys. Lett., 21,173 (1972)). Der benutzte Flüssigkristall war E7 des British Drug House und war mit etwa 1,342% Cholesterylnonanoat dotiert. Nach der Einführung des Flüssigkristalls in die Zelle wurden die Zellflächen mit Epoxi-Kleber längs des Zellumfangs bei einer s Zelldicke von 13,95um verklebt. Die Gesamtverdrehung war 360° in den Zellen. Der Neigungswinkel des Flüssigkristalls in der Nähe der Oberflächen wurde zu 55° gegen die Normale bestimmt und zwar nach der Methode von Crossland et al. (Journ. Phys. D., Appi. Phys., 9,100 (1976)). Die Haltespan-lo nung ist in diesem Fall 1,7 Volt. Das Umschalten vom Abwärts-Zustand in den Aufwärts-Zustand tritt zuerst bei etwa 1,8 Volt auf, während das Umschalten vom Aufwärts-Zustand in den Abwärts-Zustand zuerst bei etwa 1,5 Volt auftritt. Für schnelles Umschalten wurden die dynamischen 15 Eigenschaften der Zelle ebenfalls benutzt, und ein dynamisches Umschalten vom Aufwärts-Zustand in den Abwärts-Zustand wurde durch einen 0,075 Sek. langen Spannungsabfall auf null bewirkt. Dynamisches Umschalten vom Abwärts-Zustand in den Aufwärts-Zustand wurde durch 20 0,055 Sek. langes Erhöhen der Spannung auf 3 Volt erhalten. Ein dynamisches Umschalten dieser Natur hängt sowohl von Grösse der Spannungsänderung als auch von der Zeit ab, während der die Spannungsänderung zugeführt wird. Folglich sind, wie gefunden wurde, eine kürzer dauernde 25 Zufuhr ähnlicher Spannungen oder eine gleich lange Zufuhr kleinerer Spannungsänderungen für dynamisches Umschalten unwirksam. Daher kann eine Ausführungsform mit Matrixadressierung, die erfordert, dass alle Elemente etwas Spannung erhalten, selbst im dynamischen Umschalt-30 betrieb benutzt werden. Ein Polarisator und ein Analysator dienten zur optischen Diskrimination zwischen den beiden Zuständen. Der Analysator wurde parallel zur Aufdampf-richtung der Silicium-Monoxid-Beschichtung angeordnet und der Polarisator senkrecht zu dieser Richtung orientiert. 35 Die Zelle wurde in einer optischen Bank orientiert und in verschiedenen Richtungen geneigt, um die Kontrastabhängigkeit der einfallenden Strahlung zu untersuchen. Berechnungen ergeben, dass eine Zelle mit einer Gesamtverdrehung von 270° brauchbare optische Eigenschaften haben kann, 40 wenn vergleichbare Neigungswinkel in den beiden Zuständen erhalten werden können.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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1. Flüssigkristall-Drehzelle mit

- einem Flüssigkristall, der in einem spannungslosen Zustand eine Wendelkonfiguration annimmt,

- Begrenzungsflächen, von denen wenigstens eine elektromagnetische Strahlung bei einer interessierenden Wellenlänge durchlässt,

- Mittel zum Ausrichten der Flüssigkristallmoleküle, die an die Begrenzungsflächen angrenzen,

- einer Einrichtung zum Anlegen einer Spannungsdifferenz an wenigstens einem Teil der Zelle und

- einem Mittel zur optischen Diskriminierung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Orientierungen des Flüssigkristalls,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Flüssigkristall bei Gegenwart einer einzigen, von Null verschiedenen Haltespannung wenigstens zwei stabile Zustände besitzt und

- die stabilen Zustände aus dem einen in den anderen ohne Durchlaufen einer Disklination durch die Zelle umgeschaltet werden können.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stabilen Zustände vom einen in den anderen durch Ändern der Grösse der angelegten Spannung umschaltbar sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall adiabatisch umschaltbar ist.