CH654116A5

CH654116A5 - BISTABLE LIQUID CRYSTAL TURNING CELL.

Info

Publication number: CH654116A5
Application number: CH669781A
Authority: CH
Inventors: Dwight Winton Berreman; William Rudolph Heffner
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1980-10-20
Filing date: 1981-10-20
Publication date: 1986-01-31
Also published as: GB2087583A; DE3140898A1; GB2087583B; JPH0326368B2; JPS57100412A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall-Drehzelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to a liquid crystal rotary cell according to the preamble of claim 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.) Liquid crystals have anisotropic physical and optical properties. As a result of the anisotropy, the order of the liquid crystal can be changed by applying suitable electric fields. Such an order change can be associated with a change in the transmission properties of the liquid crystal against the anisotropic optical properties of the liquid crystal. (While the term "transmission properties" refers to the transmission of any electromagnetic radiation, the main area of application will be optical transmission, ie transmission of visible electromagnetic radiation, as is commonly referred to as being in the wavelength range of approximately 450 to approximately 800 nm. )

Gesteuerte Änderung der Flüssigkristallorientierung kann die Übertragungseigenschaften der Zellen ändern. Solche Bauelemente waren die ersten Flüssigkristallzellen mit einem bedeutsamen Potential zur Verwendung als Anzeigeelemente. Controlled change in liquid crystal orientation can change the transmission properties of the cells. Such devices were the first liquid crystal cells with significant potential for use as display elements.

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. Initial components were based on a phenomenon called dynamic scattering. Liquid crystal cells provided in such components are characterized by at least two different states. The liquid crystal is ordered in one of these states. In the other state, which is induced by the presence of an electric field, the liquid crystal is disordered. Since the transmission properties of the cell in the ordered state are different from those in the disordered state, the cell can be used as a display or display device. With such a device, for example, the disordered zones can look bright, while the ordered zone then looks dark. Alphanumeric characters can be formed by suitably chosen supply of an electrical field.

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. Other liquid crystal cells made earlier did not rely on the existence of disordered states. These components are from M. Schadt and W. Helfrich, Appi. Phys. Lett., 18,127 (1971). They are now generally referred to as Schadt-Helfrich cells and have at least two assigned states, both of which are ordered but have different molecular orientations. The transmission properties of these cells depend on the special state of the liquid crystal. Consequently, a display device can be constructed by taking advantage of the different transmission properties of the cell in the two states.

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. A special embodiment of the Schadt-Helfrich cell is a liquid crystal cell in which the liquid crystal is oriented in a spiral configuration in at least one of the states, the spiral axis being approximately perpendicular to the boundary surfaces and the spiral extending from one surface of the cell to the other. Such cells are generally referred to as liquid crystal rotary cells. The mode of operation of rotary cells depends on the effect that the liquid crystal has on the polarization of the electromagnetic radiation transmitted through the cell. The use of suitable polisers and analyzers makes it possible to take advantage of this difference in polarization between the two states in order to obtain different transmission properties. In such devices, the liquid crystal cell can be switched from a transmitting state to another non-transmitting state by applying suitable fields, the influence of the latter on the liquid crystal resulting in a change in the orientation of the liquid crystal and an accompanying change in the optical transmission properties.

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)). In some cases the optical anisotropy of the liquid crystal is not sufficient to obtain an optical discrimination between the two states. In these cases, so-called guest materials can be added, the orientation of which follows that of the liquid crystal and the optical properties of which are sufficiently anisotropic to achieve the required discrimination between the two states. Guest materials can also be used in other situations to avoid the use of polarizers and / or analyzers. Such devices are generally known as guest / host cells (see GH Heilmeier, JA Castellano and LA Zanoni, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 8.293 (1969) and GH Heilmeier and LA 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). With the cells described above, the respective states are only stable if a suitable field (including zero field) is present on the cell. This field must have a different value depending on the state. Disadvantages, however, result from the requirement for a large number of contacts to continuously address the cells with the correct fields in order to keep each cell in its correct state. Problems of this type, although they are not to be discussed in greater detail here, fall into the general multiplex area and have limited the use of liquid crystal twist cells to relatively simple display devices (see AR Kmetz and FK von Willisen, publisher “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 A liquid crystal twist cell has recently been given which is characterized by stable states which requires the supply of a field only during switching, but not the supply of a field for maintaining the cell in a certain state (see European Patent Application No. 80 301 168.3 and DW Berreman and WR Heffner, Appi. Phys. Lett., 37,109 (1980)). Such cells, commonly referred to as bistable liquid crystal twist cells, have the use of liquid crystal5

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zellen bei grossen Anzeige- oder Wiedergabevorrichtungen in der Praxis möglich gemacht. cells made possible in practice with large display or display devices.

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. The liquid crystal rotary cell according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 1. The cell differs from known cells because the latter require the supply of different voltages to maintain different states (Schadt-Helfrich cell) or do not require a holding voltage at all. Switching between the least two stable states can be accomplished by applying an interference field during the short period of time required to convert the liquid crystal from one state to the other.

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. After switching, the field returns to the holding voltage value and the cell remains stable in its new configuration. The use of a withstand voltage allows a bistable cell to operate over a wider range of cell parameters. A characteristic of this new cell class is the fact that switching can occur «adiabatically» without influencing any other dynamic properties of the liquid crystal. The addressed zone in the cell according to the invention is (in contrast to the unaddressed zones and boundaries) essentially free of disclinations and walls in the stable state, and the switching occurs without passing through the active zone of the rotating liquid crystal cell.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; es zeigen: The invention is described below with reference to the drawing, for example; show it:

Figur 1 ein beispielhaftes Energie/Spannung-Diagramm zur Darstellung des Verhaltens der vorliegenden Flüssigkristall-Drehzelle und 1 shows an exemplary energy / voltage diagram to illustrate the behavior of the present liquid crystal rotary cell and

Figur 2 eine schematische Darstellung der Flüssigkristalle in den einzelnen Zuständen, die der vorliegenden Zelle zugeordnet sind. Figure 2 is a schematic representation of the liquid crystals in the individual states that are assigned to the present cell.

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. The present bistable liquid crystal rotary cell is characterized by the use of a single holding voltage for holding the cell in the stable states. Switching between two states is effected by a brief change in the holding voltage.

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). FIG. 1 shows the energy properties of a cell of the type in question. In FIG. 1, the voltage supplied to the cell is plotted on the abscissa and the energy assigned to the cell on the ordinate. The two states described by the figure are the "down" state, which extends from point a to point d, and the "up" state, which extends from point f to point j. (The part of the curve which extends from point d to point f represents an unstable state).

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 The behavior of the states when the voltage rises from zero explains the mode of operation of the cell. At voltages less than Vabwäns, only downward states exist. When the voltage is increased, a zone is reached in which either the up state or the down state can exist (voltage range from Vabwäns to Vaufwarts). However, the cell in the down state tries to remain in this down state because the up state requires more energy. When the voltage is increased to Vschniu, a point is reached where the two states are energetically degenerate. However, the cell again continues to exist in the down state because it is in this state. For values greater than Vschniu, the upward state has less energy. However, the cell tries to stay in this zone in the down state because of a change in molecular configuration from the down state to the up state

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. Overcoming an energy threshold between the two states would require. (The line d-f represents the energy value of the threshold that must be exceeded before switching occurs). If the voltage is increased beyond Vaufwäns 5, the cell can no longer exist in the down state and therefore switches to the up state. If the cell has switched to the up state, the voltage can be reduced to Vschniu and the cell will remain in the up state, io A lowering of the voltage below Vabwäns will result in a switchover of the cell, this time from the up State in the down state. The return of voltage to Vschniu will then leave the cell in the down state. In practical operation of the cell, a holding voltage is applied to all active zones of the cells, and the voltage is only changed when switching is desired.

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. Alternative operating characteristics can be used with actual components. For example, in 20 a cell of approximately constant thickness can comprise an operating zone to which voltage is applied and a zone surrounding it to which no voltage is applied. In such embodiments, with the operating zone in the up state, the use of a hold voltage defined by the intersection of up and down states will cause the operating zone to become unstable and eventually fall back to the down state. This is because, for the defined conditions, the energy from the up and down states is degenerate at the holding voltage and the operating zone in the up state is surrounded by a zone which is in the energetically degenerate down state. Under these circumstances, the surrounding zone 35, which is in the downward state, will eventually grow into the operating zone through a “wall”. As a result, practical embodiments take advantage of using a withstand voltage that is above Vschmtt. As a rule, the holding voltage will be greater than Vschniu by an amount that is greater than 40% of the voltage difference between Vschniu and V ^ fwarts. Such a holding voltage prevents the up state from being emptied into the down state, since at this holding voltage the up state has less energy than the down state, which means 45 that a transition from the up state to the down state would require additional energy that is not available.

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. Needless to say, however, the withstand voltage should never reach the value of Vaufwäns, since the downward state switches to the upward state for these values. Alternatively, the surrounding zones can be of different thicknesses when a voltage is supplied.

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. The discussion of the preferred values for the withstand voltage is pre-drawn to the use of a liquid crystal with positive dielectric anisotropy. Similar considerations would apply to a liquid crystal with negative dielectric anisotropy, but the upward * and downward labels in Fig. 1 are covered up.

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 Characteristic of some of the cells at hand is the fact that the switching phenomenon does not have to be based on the dynamics associated with the movement of the liquid crystals. Instead, a switchover can also occur if the switching points f and d are slowly approximated. This differs from 65 switching, which only occurs when the dynamics associated with the movement of the liquid crystal molecules are considered. The class of liquid crystal cells whose switching is not based on liquid crystal dynamics are

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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. somewhat roughly characterized as adiabatically switchable. However, in spite of the fact that such cells are not based on the dynamics of the liquid crystal molecules when switching, such a dynamic can be used to obtain faster switching properties. For example, the switching can be effected by changing the holding voltage to a point outside of the points d or f. Under these circumstances, the exact mathematical description of cell behavior requires consideration of the energy contributions as a result of the dynamic properties associated with the movement of the liquid crystal molecules. Within the terminology assumed here, the liquid crystal rotary cell would still be described as adiabatically switchable insofar as the expert using this cell does not have to influence the fluid dynamic properties of the liquid crystal to switch over. In general, it applies to the present cells that they also include those in which only one switchover point can be switched adiabatically, while the other switchover point can only be switched dynamically.

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. While it has been assumed that the unswitched zones are maintained at a given holding voltage value, the use of multi-zone cells can include a change in the voltage applied to all addressable zones during the switching, although such zones are not switched will. Such circumstances would arise by changing the voltage supplied to the zones to be switched to sizes sufficient for switching, and changing the voltage at zones not to be switched to sizes smaller than the size required for switching. The importance of such alternative embodiments lies in the comparative simplification obtained in a multiplex operation if a changing voltage is supplied to all addressable zones, only the zones to be switched over being exposed to a voltage change which is sufficient for a switchover.

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. Figure 2 shows a schematic representation of the orientation of the liquid crystal molecules in one embodiment of the present cell. Note that the representation of FIG. 2 is compatible with the energy curve of FIG. 1. The upward state is so designated because in this state the liquid crystal molecules in the central cell region are oriented largely perpendicular to the cell surface. In the downward state and in the no-field state, which is also a downward state, the molecules in the middle cell area are oriented largely parallel to the cell surface. An optical distinction between these two states can be obtained by using a polarizer, a polarization analyzer or a guest material. In the downward state, the polarization of the incident radiation will be rotated by a different amount than in the upward state, which enables an optical discrimination between the two states.

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. The complexity of liquid crystal devices has recently limited the development of liquid crystal technologies where this development was based solely on experimental analysis of numerous cell configurations. The variety of such configurations makes their study in the laboratory so time-consuming that progress cannot be expected with reasonable probability. Such an examination method is therefore impractical. As a result, the various cell configurations were started to be analyzed using computers, and significant progress was made. The results of these analyzes were used to direct the experimental efforts. The present invention thus came about from the knowledge that within the unlimited number of mathematical descriptions of liquid crystal rotary cell configurations there is a class of cells that can be described by energy curves to which at least two states are assigned, these states being stable when a single suitable withstand voltage is applied. It is possible to switch between these states adiabatically and without going through a disclosure through the active zone of the liquid crystal rotary cell.

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. The calculation of liquid crystal configurations which fall under the present description is carried out according to methods which are readily accessible to the person skilled in the art. The calculation concerns the consideration of energy contributions as a result of the elastic expansion and the fields applied. The elastic strain field is created by the stretching of the liquid crystal as it results from the boundary conditions and the electrical field supplied. Elastic strain energy was first applied to the description of liquid crystal twist cells by Oseen and Frank (see CW Oseen, Trans. Discuss. Faraday Soc., 29, 883 (1933) and FC Frank, Discuss. Faraday Soc., 25.17 ( 1958)). The electrostatic field contribution has been described by Gruler, Scheffner and Meir (see H. Gruler, TJ Scheffer and G. Meier, Zeit. Naturforsch., 27 A, 966-976 (1972), "Ela-stic Constants of Nematic Liquid Crystals I Theory of the Normal Deformation). The properties of the liquid crystal formulation take place with the aid of suitable elastic and dielectric constants. The equations are solved according to the well-known Euler-LaGrange method in order to finally obtain descriptions of certain cell configurations based on an energy / voltage curve. The solution to the Euler-LaGrange equations provides certain cell configurations for which the energy can be calculated. Obviously, countless curves can be obtained depending on the choice of the boundary conditions and the constants. Within this large number of solutions, the solutions with the properties of the cells described here have been found with the present invention.

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. On the basis of the calculations outlined above, voltage / displacement field diagrams are obtained assuming various output parameters. Numerical methods are then used to determine the behavior of the applied voltage as a function of the displacement field in equilibrium, as the latter results from the assumed system parameters. In practice, the equations are solved by assuming a given displacement field and calculating the resulting stress. The solutions are then selected which are trivalent in displacement as a function of stress. Such solutions will then generally have the general Gibbs free energy / voltage behavior shown in FIG. 1 and will therefore be bistable at a given holding voltage as described.

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 Preferred output parameters for the numerical calculation include liquid crystals with dielectric anisotropies greater than 5 and cell thicknesses of approximately one turning length. The present cells generally include liquid crystals which are twisted in at least one of the stable states and which in another of the states may be forced to either be twisted or to have a twist other than the casual value. Typically, the total twist in the two states will either be the same or differ by an integer number of turns. In at least one of the stable states, the liquid crystal can be subjected to a zero torque about an axis oriented perpendicular to the surface. However, in at least one

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

654116 654116

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. other of the stable states, the liquid crystal will have a torque about an axis oriented perpendicular to the surface. In contrast to the slope associated with the liquid crystal directors, the slope of the directors associated with the liquid crystal molecules will always have a different value than that which would be assumed by the directors if there were no limitations, i.e. that is, the slope will always have a value other than 90 ° from the vertical at one or both boundaries.

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. While the numerical method for building the present cell is considered the most effective and requires less than half an hour of computing time on simple computers, experimental methods can also be used to build the present cell. Such methods include, for example, the production of a wedge in which the twisted liquid crystal to be examined is arranged. The wedge surface would have means for aligning adjacent liquid crystal molecules. If an increasing voltage difference is applied between the two surfaces of the wedge-shaped cavity, it is found that there is a “wall” crossing the wedge. Bistability is then indicated by the disappearance of the wall at one point and its reappearance at another point, or by faster wall movement at a given voltage. The properties of the wedge cell in the zone where the wall appeared and disappeared are then used to make a cell with the present properties.

Beispiel example

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. In one embodiment of the present cell, glass panes used with tin oxide were used to confine the liquid crystal. The panes were also coated with silicon monoxide, which was evaporated at an angle of 5 ° against the surface parallel. The tin oxide was shaped into an electrode pattern and used to apply suitable voltages, for example to obtain an alphanumeric arrangement, while the evaporated silicon monoxide was used to align the directors near the cell walls (see JL Janning, Appi. Phys. Lett ., 21, 173 (1972)). The liquid crystal used was E7 from the British Drug House and was doped with approximately 1.342% cholesteryl nonanoate. After the introduction of the liquid crystal into the cell, the cell surfaces were glued with epoxy glue along the cell circumference at a cell thickness of 13.95 μm. The total twist was 360 ° in the cells. The angle of inclination of the liquid crystal in the vicinity of the surfaces was determined to be 55 ° relative to the normal, using the method of Crossland et al. (Journ. Phys. D., Appi. Phys., 9,100 (1976)). The holding voltage in this case is 1.7 volts. Switching from the down state to the up state occurs first at about 1.8 volts, while switching from the up state to the down state first occurs at about 1.5 volts. The cell's 15 dynamic properties were also used for fast switching, and dynamic switching from the up state to the down state was accomplished by a 0.075 second voltage drop to zero. Dynamic switching from the down state to the up state was obtained by increasing the voltage to 3 volts for 0.055 seconds. Dynamic switching of this nature depends both on the magnitude of the voltage change and on the time during which the voltage change is applied. Thus, it has been found that a shorter supply of similar voltages or an equal supply of smaller voltage changes are ineffective for dynamic switching. Therefore, an embodiment with matrix addressing, which requires that all elements receive some voltage, can be used even in dynamic switching mode. A polarizer and an analyzer were used for optical discrimination between the two states. The analyzer was arranged parallel to the direction of evaporation of the silicon monoxide coating and the polarizer was oriented perpendicular to this direction. 35 The cell was oriented in an optical bench and tilted in different directions to examine the contrast dependence of the incident radiation. Calculations show that a cell with a total twist of 270 ° can have useful optical properties, 40 if comparable angles of inclination can be obtained in the two states.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

654116

1. Liquid crystal rotary cell with

a liquid crystal which assumes a helix configuration when de-energized,

Boundary surfaces, at least one of which transmits electromagnetic radiation at a wavelength of interest,

Means for aligning the liquid crystal molecules which adjoin the boundary surfaces,

- A device for applying a voltage difference to at least a part of the cell and

a means for optical discrimination between at least two different orientations of the liquid crystal,

characterized in that

the liquid crystal has at least two stable states in the presence of a single non-zero holding voltage and

- The stable states can be switched from one to the other without going through a disclosure through the cell.

2. Cell according to claim 1, characterized in that the stable states can be switched from one to the other by changing the size of the applied voltage.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Cell according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid crystal can be switched adiabatically.