CH656235A5 - Mechanisch bistabile fluessigkristallanzeigevorrichtung. - Google Patents

Description

Erfindung darstellt. 35 gekippter Geometrie» gemäss Fig. 10 in einer horizontalen

Fig. 7 zeigt eine Querschnittansicht einer Flüssigkristall- stabilen Konfiguration.

zelle, die in einer vertikalen Ebene geschnitten wurde, d.h. in Die Punkte 400 bis 403 in Fig. 7 sind singuläre Punkte, das einer Ebene, die durch die Pfeile 100 und 101 entsprechend sind Punkte, bei denen eine Direktor-Ausrichtungsmehrdeu-

der Z- bzw. X-Achse definiert wird. Die Flüssigkristallzelle tigkeit vorliegt. Man beachte, dass bei dem in Fig. 7 darge-

enthält Substrate 21 und 22 und ein nematisches Flüssigkri- 40 stellten Ausführungsbeispiel die singulären Punkte überein-

stallmaterial zwischen den Substraten. ander derart ausgerichtet sind, dass die Direktorausrich-

Die Oberflächen 23 und 24 der Substrate 21 und 22 sind in tungen um die singulären Punkte 400 und 402 auf der oberen der nachstehend beschriebenen Weise derart hergestellt Substratoberfläche 21 das Spiegelbild der Direktorausrich-worden, dass die nematischen Direktoren an einer Substrat- tungen um die singulären Punkte 401 und 403 auf der unteren Oberfläche vorzugsweise in einem gekippten Winkel |9| 45 Substratoberfläche 22 sind. Die Punkte 404 und 405 in Fig. 11 bezüglich der Oberflächennormalen ausgerichtet sind, die in sind singuläre Punkte. Im Gegensatz zu dem Ausführungs-das Flüssigkristallmaterial zeigt. Zonen 25,26,27 und 28 auf beispiel gemäss Fig. 7 jedoch sind die Direktorausrichtungen der Oberfläche 23 des Substrats 22 besitzen Flächen mit um den singulären Punkt 404 in Fig. 11 herum kein Spiegelabwechselnden Mustern gekippter Richtungen +0 und —0. bild der Direktorausrichtung um den singulären Punkt 405 Es gibt kein spezielles Erfordernis, dass der Kippwinkel die- so herum. In Fig. 7 sind die Zonen 25,27,33 und 36 mit posi-selbe Grösse in den abwechselnden Zonen aufweist. Der tivem Kippwinkel über den Zonen 34,35,26 bzw. 28 mit Winkel 0 sollte jedoch annähernd in dem Bereich zwischen negativem Kipp winkel ausgerichtet, wohingegen in den Fig. 22,5 und 67,5° liegen, 45° ist der bevorzugte Winkel. Der 10 und 11 Zonen mit positivem Kippwinkel über Zonen mit Grund für einen Kippwinkel von 45° liegt darin, dass dann positivem Kippwinkel ausgerichtet sind.

die «vertikale» und die «horizontale» stabile Konfiguration ss Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel 55

etwa auf dem gleichen Energieniveau liegen. besitzen die Oberflächen 56 und 57 der Substrate 58 und 59 Fig. 8 zeigt einen Abschnitt der Oberfläche 24 des Substrats eine solche herstellungsbedingte Besonderheit, dass sämt-21. Pfeile 310 und 311 zeigen Projektionen der Direktoren auf liehe Direktoren an jeder Substratoberfläche vorzugsweise die Substratoberfläche in den Zonen 34 und 33. gleichförmig in einem Kippwinkel 3> bezüglich jeder Oberflä-

Fig. 8 zeigt weiterhin drei unterschiedliche Zellen 360,365 60 chennormalen ausgerichtet sind. Der Kippwinkel der Direk-

und 366. Jede Zelle enthält eine Anzahl unterschiedlicher toren auf der Oberfläche 57 des Substrats 59 beträgt + ®,

Zonen, z.B. die Zonen 33 und 34, sowie die unmittelbar während der Kippwinkel der Direktoren an der Oberfläche angrenzenden Zonen. Jede Zone wird definiert durch eine 56 des Substrats 58 —<ï> beträgt. Die Kippwinkel für beide

Grenzlinie, z.B. die Linie 400, auf den Substratoberflächen, Oberflächen brauchen nicht exakt gleich zu sein. Weil sämt-

und jede Zelle ist von anderen Zellen durch eine umgebende 65 liehe Direktoren bezüglich jedes Substrats gleichförmig

Trennzone, beispielsweise durch die Zonen 315 und 370, gekippt sind, werden dadurch keine singulären Punkte getrennt. Zweck dieser Trennzonen ist es, eine individuelle geschaffen, und es müssen andere Mittel vorgesehen werden,

und unabhängige Adressierung jeder Zelle zu ermöglichen. um solche Punkte zu schaffen. Bei diesem Ausführungsbei-

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spiel sind, wie man sieht, solche Mittel durch Elektroden 60, 61,62 und 63 usw. gebildet. Diese Elektroden bilden Oberflächen-Diskontinuitäten, an denen Disklinationen gebildet werden. Diese Disklinationen werden an der Oberfläche oder in dem Volumen des Flüssigkristallmaterials in der Nachbarschaft der Oberfläche gebildet. Die Oberflächen-Diskontinuitäten können andere Formen annehmen, beispielsweise die Form von Rippen oder dergleichen auf den Substratoberflächen (siehe beispielsweise Fig. 13). Die Elektroden eignen sich jedoch insofern, als sie auch als Mittel zum Schaffen von Spannungszentren (im Sinne von Beanspruchung) zum Ablösen und Festhalten dieser Disklinationen bilden. (Man beachte, dass in anderen Ausführungsbeispielen keine Notwendigkeit besteht, die Elektroden zum Erzeugen singulärer Punkte zu verwenden, und es können nachfolgend beschriebene Elektroden für unterschiedliche Zwecke tatsächlich unter der Substratoberfläche vergraben sein.)

Die Pfeile auf den Direktorlinien 64 zeigen die Richtungen an, die die Direktoren in einer nichtverdrehten vertikalen stabilen Konfiguration einnehmen. Um daher von der vertikalen stabilen Konfiguration, die im Abschnitt 66 dargestellt ist, umzuschalten in eine horizontale stabile Konfiguration, die in Abschnitt 67 gezeigt ist, müssen die Direktoren in der Nähe des Abschnitts 66 an der Oberfläche 57 umgedreht werden.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel das Umschalten zwischen den stabilen Konfigurationen durch die Bewegung von Disklinationen. Solche Disklinationen werden erzeugt durch lokale mechanische Spannung innerhalb des Flüssigkristallmaterials, die induziert werden durch topologische singuläre Punkte an den Substratoberflächen, z.B. durch Kerben innerhalb der Elektroden oder scharfe Ecken an den Elektroden. Die Disklinationen werden bewegt durch von den Elektroden gelieferte inhomogene elektrische Feldstärken.

Die speziell in Fig. 12 dargestellte Struktur ist so angeordnet, dass die Ebene der Direktoren die Z-X-Ebene sowohl für das obere als auch das untere Substrat ist. Ein anderer Weg, dies auszudrücken, besteht darin, auf jedem Substrat die als «Substrat-Ausrichtungslinie» bezeichnete Linie zu betrachten, die gebildet wird durch den Schnitt der Substratebene für ebene Substrate und einer Ebene, die parallel zu den Direktorausrichtungen an der Substratoberfläche liegt. In Fig. 12 sind die Substratausrichtlinien der beiden Substrate zueinander parallel.

In dieser Ausführungsform werden auch die in Fig. 6 gezeigten verdrehten Konfigurationen gebildet. Die verdrehte vertikale stabile Konfiguration, d.h. die Konfiguration 1100 und 1102 (die Konfiguration 1001. ist nicht verdreht) weist einen wesentlichen Anteil der Direktorausrichtungen in dem Volumen des Flüssigkristallmaterials in vertikaler Richtung auf und ist aus diesem Grund ähnlich der nichtverdrehten Konfiguration.

Wie man jedoch aus Fig. 6 ersehen kann, unterliegen die Direktoren einer 180°-Verdrehung zwischen der oberen Substratoberfläche und der unteren Substratoberfläche. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass der Übergang zwischen den vertikalen und horizontalen verdrehten Konfigurationen die Bewegung von Disklinationen erfordert, und es ist dieses Erfordernis, geschaffen durch die Grenzbedingungen, welches die Bistabilität hervorruft.

Wir können jedoch sehen, dass die verdrehten Konfigurationen und die nichtverdrehten Konfigurationen nicht durch eine Disklination getrennt sind. In der Tat bemerkt man, dass die rechts verdrehte Konfiguration 1100 in Fig. 6 und die links verdrehte Konfiguration 1102 in Fig. 6 durch eine nichtverdrehte Konfiguration 1101 getrennt sind.

Seitens der Inhaberin wurde der Schluss gezogen, dass es möglich ist, eine Flüssigkristallzelle herzustellen, die eine verdrehte oder nichtverdrehte vertikale stabile Konfiguration besitzt, indem der Kippwinkel der Direktorausrichtung an den Substratflächen und das Verhältnis der Elastizitätsmo-s duln des Flüssigkristallmaterials in geeigneterWeise eingestellt werden. Beispielsweise wird für kleine Kippwinkel bezüglich der Normalen einer Substratoberfläche erwartet, nichtverdrehte Konfigurationen anzutreffen, wohingegen für grosse Kippwinkel bezüglich der Normalen erwartet wird, io verdrehte Konfigurationen anzutreffen. Dies kann heuristisch verstanden werden, weil, wenn der Kippwinkel (bezüglich der Normalen) gross ist, es einfacher ist, d.h. es weniger Energie erfordert, dass der Direktor um 180° dreht, um seine Richtung so zu ändern, dass er auf das andere Subis strat zeigt (vgl. die Direktoren 1093 und 1090 in Fig. 6), als wenn er um einen grossen Winkel in vertikaler Richtung gebogen würde (siehe Direktoren 1094 und 1091 in Fig. 6). Wenn umgekehrt der Kippwinkel klein ist, so ist es einfacher, d.h., es ist weniger Energie erforderlich, in vertikaler Rich-20 tung eine Neigung zu vollziehen, als um 180° zu drehen. Dies belegt klar, dass die Elastizitätsmoduln des Flüssigkristallmaterials von Bedeutung sind, weil sie bestimmen, ob es weniger Energie erfordert, eine Drehung oder eine Neigung zu machen.

25 Aus der obigen Diskussion geht klar hervor, dass für ein gegebenes Flüssigkristallmaterial ein kritischer Winkel existiert, der jene Zellen, die eine nichtverdrehte Konfiguration haben, von solchen Zellen unterteilt, die eine verdrehte Konfiguration aufweisen. Der exakte Wert dieses Winkels kann 30 nicht spezifiziert werden, weil er von tatsächlichen Gegebenheiten der Zelle abhängt, so z.B. von thermischen Bedingungen, die die Elastizitätsmoduln und die Orientierung der Substrate selbst beeinflussen können.

In der bisher erfolgten Diskussion wurde auf Fig. 12 Bezug 35 genommen, wo die Substratausrichtlinien parallel verlaufen. Wenn die Ausrichtlinien im wesentlichen nicht parallel sind, so werden die Konfigurationen notwendigerweise verdrehte Konfigurationen sein. Wenn die Substratausrichtlinien etwas nicht parallel sind (eine perfekte Parallelität ist bei der tat-40 sächlichen Herstellung ziemlich schwierig zu erreichen), so wird hier selbstverständlich eine Vorspannung in Richtung auf die Bildung eines verdrehten Zustands erzeugt. Dies bedeutet, dass der kritische Winkel, der nichtverdrehte von verdrehten Konfigurationen trennt, einen kleineren Wert 4s aufweist. Um daher nichtverdrehte Konfigurationen zu gewährleisten, sind die gekippten Ausrichtungen an der Oberfläche vorzugsweise ganz klein.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel 1 bildet die Oberfläche der Substrate 2 und 3 ein Sägezahnmu-50 ster. Die Oberflächen 4 und 5 sind mit bekannten Oberflächen-Behandlungsmitteln derart behandelt, dass die nematischen Direktoren vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet sind. Die Pfeile an den Direktorlinien 6 zeigen die Richtung an, die die Direktoren in ss einer nichtverdrehten vertikalen stabilen Konfiguration einnehmen. Die Pfeile an den Direktorlinien 7 zeigen die Richtungen an, die die Direktoren in einer nichtverdrehten horizontalen stabilen Konfiguration einnehmen. Um daher von der vertikalen, im Abschnitt 10 dargestellten, in die horizon-60 tale stabile Konfiguration, die im Abschnitt 11 dargestellt ist, umzuschalten, müssen die Direktoren in der Nähe der Zone 12 an der Oberfläche 4 und der Zone 13 an der Oberfläche 5 neu gerichtet werden. Wie bereits erwähnt wurde, schaffen Oberflächen-Diskontinuitäten der Substratoberflächen die es singulären Punkte, die zum Umschalten zwischen stabilen Konfigurationen notwendig sind.

Bei dem in Fig. 14 dargestellten Ausführungsbeispiel wurden die Oberflächen 136 und 137 der Substrate 138 und

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139 so hergestellt, dass die nematischen Direktoren Vorzugs- nungen. Die Disklinationen werden «aufgefangen» oder weise abwechselnd parallel oder senkrecht bezüglich der Sub- «erneut befestigt», wenn die Disklination von einer Elek-

stratoberflächen ausgerichtet sind. Zonen 40 bis 43 an der trode (siehe Fig. 17) sich bis zu der Nachbarelektrode fortge-

Oberfläche 137 des Substrats 139 sind Flächenbereiche, die pflanzt hat. Fig. 18 zeigt die Zelle in der horizontalen stabilen abwechselnde Richtungen paralleler und senkrechter Aus- s Konfiguration.

richtung aufweisen. Ein ähnliches Muster ist der Oberfläche Fig. 19 bis 22 zeigen den Übergang der Direktorausrich-

136 des Substrats 138 aufgeprägt. Die Verbindungen benach- tungen zum Umschalten der in Fig. 12 dargestellten Ausfüh-

barter Zonen liefern die singulären Punkte. Die Pfeile an den rungsform mit «einfach gekippter Geometrie» aus einer hori-

Direktorlinien 47 zeigen die Richtungen an, die die Direk- zontalen stabilen Konfiguration in eine vertikale stabile toren in einer nichtverdrehten vertikalen stabilen Konfigura- io Konfiguration unter Einfluss eines vertikalen elektrischen tion in einer Zone ähnlich der Zone 42 einnehmen, wo die Feldes, dessen Richtung durch einen Pfeil 211 angedeutet ist.

Direktoren vorzugsweise senkrecht zu den Oberflächen aus- Fig. 23 bis 27 zeigen den Übergang der Direktorausrich-

gerichtet sind. Die Pfeile an den Direktorlinien 48 zeigen die tungen zum Umschalten des Ausführungsbeispiels gemäss

Richtungen an, die die Orientierungsdirektoren in einer ver- Fig. 7 mit «abwechselnd gekippter Geometrie» aus einer drehten vertikalen stabilen Konfiguration in einer Zone wie is horizontalen stabilen Konfiguration in eine vertikale stabile der Zone 43 einnehmen, wo die Direktoren vorzugsweise par- Konfiguration unter Einfluss eines vertikalen elektrischen allei bezüglich der Oberfläche ausgerichtet sind. Die in Fig. Feldes, das durch ein (nicht dargestelltes) Muster beabstan-

14 gezeigten Direktorausrichtungen sind lediglich ein Modell deter Elektroden angelegt wird. Man beachte, dass das des wahren physikalischen Bildes, weil man äquivalente abwechselnd gekippte Muster bei dieser Geometrie singuläre

Direktorausrichtungen für stabile Konfigurationen, die 20 Punkte an dem Substrat liefert. Von diesen singulären durch die Grenzbedingungen geschaffen werden, betrachten Punkten aus bewegen sich Disklinationen, um die durch die kann. elektrischen Felder geschaffenen Spannungen abzubauen.

Die folgende Diskussion erläutert ein Modell des erfinder- Der Übergang von der in Fig. 23 dargestellten horizontalen seitigen Verständnisses der Art und Weise, in der die oben stabilen Konfiguration erfolgt durch Ablösung und Bewe-erläuterten Ausführungsbeispiele multistabile Konfigura- 2s gung von Disklinationen, wie es in Fig. 25 durch Pfeile 113 tionen schaffen. Dieses Modell wird mit dem Vorbehalt und 114 angedeutet ist. Wenngleich Fig. 25 die Bewegung der erläutert, dass das wirkliche physikalische Erscheinungsbild Disklinationen als ein den Substratoberflächen erfolgend eine Kombination aus Zwischen-Konfigurationen bein- darstellt, so könnte der Übergang zwischen den stabilen halten kann: Einige Disklinationsbewegungen an der Ober- Zuständen möglicherweise durch die Bewegung der Disklinafläche des Substrats und einige komplexe Disklinationsbil- 30 tionen durch das Volumen des Flüssigkristallmaterials oder düngen wie Bewegung in dem Volumen des Flüssigkristall- durch eine Kombination der Disklinationsbewegung und auf materials. der Oberfläche erfolgen. Diese Beschreibung bezieht sich auf Bei der folgenden Diskussion wird nur Bezug genommen ein idealisiertes Modell des Umschaltmechanismus, und die auf nichtverdrehte Konfigurationen, weil sie bei zweidimen- Disklinationen, die als an den Substratoberflächen haftend sionalen Figuren dem Verständnis besser zugänglich sind. 35 beschrieben werden, können in der Praxis tatsächlich in dem Man beachte jedoch, dass die Erläuterung der grundlegenden Flüssigkristallmaterial in dichter Nachbarschaft zu den sin-physikalischen Erscheinungen für verdrehte und nichtver- gulären Punkten vorhanden sein. Jedoch ist es die Existenz drehte Konfigurationen dieselbe ist. der singulären Punkte, die für das Vorliegen von Disklina-Im allgemeinen bedingt das Umschalten von einer stabilen tionen sorgt und somit für die Stabilität der vertikalen und Konfiguration in die andere die Erzeugung von Disklina- 40 horizontalen stabilen Konfigurationen in bezug aufeinander, tionen sowie die Bewegung der Disklinationen derart, dass Das Umschalten der Flüssigkristallzelle zwischen der ver-das Direktormuster von einer Konfiguration in die andere in drehten oder nichtverdrehten horizontalen und vertikalen richtiger Weise neu konfiguriert wird. stabilen Konfiguration kann durch Anlegen elektrischer oder

Fig. 15 bis 18 zeigen den Übergang in einer «einfach magnetischer Felder an das Flüssigkristallmaterial bewerk-

gekippten» Geometrie der in Fig. 12 dargestellten Art von 45 stelligt werden.

Direktorausrichtungen zum Umschalten aus einer vertikalen Das Umschalten zwischen stabilen Konfigurationen erfor-stabilen Konfiguration in eine horizontale stabile Konfigura- dert die Fähigkeit, elektrische Felder an das Flüssigkristall-

tion unter dem Einfluss eines in Querrichtung verlaufenden material zu legen, deren Richtungen senkrecht oder hori-

elektrischen Feldes, dessen Richtung durch den Pfeil 200 zontal zu den Substratoberflächen liegen. Elektrische Felder,

angedeutet ist. Das quer verlaufende elektrische Feld wird so die senkrecht zu den Substratoberflächen verlaufen, erzielt erzeugt durch Anlegen geeigneter Spannungen an Elektroden man durch Anlegen von Spannungsdifferenzen an auf gegen-201 bis 204, was im folgenden noch erläutert wird. Bei diesem überliegenden Substraten angeordnete Elektroden (es ist vor-

Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die scharfen zuziehen, dieselbe Spannung an die Elektroden am selben

Ecken der in Fig. 15 im Querschnitt dargestellten Elektroden Substrat zu legen). Elektrische Felder, die im wesentlichen dazu verwendet, lokale Zonen maximaler Beanspruchung in 55 horizontal zu den Substratoberflächen laufen, erhält man dem Flüssigkristallmaterial zu schaffen, an welchen Diskli- durch Anlegen von Spannungsdifferenzen an auf demselben nationen erzeugt werden. Die beabstandeten Elektroden an Substrat angeordnete Elektroden. Spezielle Elektrodenkonfi-

jedem Substrat erzeugen nicht gleichförmige quer verlau- gurationen werden weiter unten erläutert.

fende Felder, und die sich ergebenden unregelmässigen Feld- Wenngleich das Umschalten zwischen stabilen Kònfigura-

linien bilden nichteinheitliche mechanische Spannungen in 60 tionen in diesen Vorrichtungen durch das Anlegen von dem Volumen des Flüssigkristallmaterials. Es können auch magnetischen Feldern erreicht werden kann, so hat ein elek-andere Mittel zum Erzeugen des notwendigen nichtgleichför- trisches Feld von 10 Volt/cm denselben Effekt auf das Flüs-migen elektrischen Feldes verwendet werden. Diese feldindu- sigkristallmaterial wie ein magnetisches Feld von 0,1 Tesla,

zierten elastischen Spannungen lassen nach durch die Ablö- und somit wird im allgemeinen elektrischen Feldern der sung und anschliessende Stärkebewegung halber Disklina- 65 Vorzug beim Umschalten gegeben.

tionen, wie z.B. bei 209 in Fig. 17 gezeigt ist. Fig. 16und 17 Man beachte, dass die Verwendung von Elektroden in Verzeigen ausserdem die Fortpflanzung der Disklinationen zwi- bindung mit dem Ausführungsbeispiel mit «einfach sehen den Elektroden zum Abbau der feldinduzierten Span- gekippter Geometrie» (Fig. 12) im Vergleich zur Verwendung

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von Elektroden bei dem Ausführungsbeispiel mit «abwechselnd gekippter Geometrie» (Fig. 7) einen Nachteil hat. Ideales Umschalten macht es erforderlich, dass die lokale Richtung des zum Bewirken des Umschaltens angelegten elektrischen Feldes so verläuft, dass sie parallel zu den endgültigen Direktor-Konfigurationslinien verläuft. Wenn die Feldlinien im grossen und ganzen parallel zu der anfänglichen Direktorausrichtung verlaufen, so existiert ein kleines Drehmoment, welches das Umschalten begünstigt. Fig. 28 zeigt elektrische Feldlinien 700 zum Umschalten der Ausführungsform mit «einfach gekippter Geometrie» aus der horizontalen in die vertikale stabile Konfiguration sowie die Direktorlinien 702 der vertikalen stabilen Konfiguration. Man beachte, dass in dem durch die gestrichelte Linie 710 angedeuteten Flächenbereich die Feldlinien 700 im grossen und ganzen senkrecht zu der Direktorausrichtung verlaufen, während die Feldlinien 700 in dem durch die gestrichelte Linie 715 angedeuteten Flächenbereich annähernd parallel zu der Direktorausrichtung verlaufen. Daher sind die durch diese Anordnung von Elektroden erzeugten elektrischen Feldlinien nicht parallel zu den endgültigen Direktorausrichtungen innerhalb wesentlicher Abschnitte (z.B. 710) des aktiven Bereichs der Zelle. Dies hat Einfluss auf die Fähigkeit und die Zeit, die zum Umschalten von horizontaler in vertikale stabile Konfiguration notwendig sind, speziell bei grossen Grenz-Kippwinkeln. Dieses Problem wird bei Vorrichtungen mit kleineren Kippwinkeln vermindert und tritt bei der Ausführungsform mit «abwechselnd gekippter Geometrie» nicht auf.

Das Umschalten kann auch bewerkstelligt werden durch ein elektrisches Feld, wenn ein Flüssigkristallmaterial verwendet wird, das ein durch zwei Frequenzen gekennzeichnetes dielektrisches Relaxationsverhalten aufweist, d.h., es gilt Ae>0 für f<fcund As<0 für f>fc, wobei f die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes ist. Wenn daher Ae>0 ist, legen sich die Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial parallel zu dem angelegten elektrischen Feld, und wenn Ae<0 ist, legen sich die Direktoren senkrecht zu dem angelegten elektrischen Feld. Auf diese Weise kann die vertikale stabile Konfiguration durch ein elektrisches Feld erreicht werden, das senkrecht zu den Substraten verläuft, wobei f<fc, und die horizontale stabile Konfiguration kann erzielt werden durch ein quer verlaufendes elektrisches Feld mit einer Komponente entlang der Normalen der Symmetrieebene der stabilen Konfiguration, wobei f>fc.

Für nichtverdrehte stabile Konfigurationen erreicht man die optische Unterscheidbarkeit am besten durch den Ein-schluss von pleochroitischen Farbstoffen in das Flüssigkri-stallmaterial. Einpleochroitischer Farbstoff hat die Eigenschaft, dass die Absorption viel stärker ist, wenn das elektrische Feld einfallender Strahlung parallel zu der Längsachse des Farbstoffmoleküls ist, als wenn es senkrecht dazu steht. Diese Eigenschaft kann ausgenutzt werden, um die Durchlässigkeit polarisierten Lichts zu vergrössern, welches durch das Flüssigkristallmaterial läuft, wenn die Vorrichtung vertikale stabile Konfiguration aufweist, im Vergleich zu der horizontalen stabilen Konfiguration. Die Direktoren in dem Flüssigkristallmaterial haben die Wirkung, dass sie die pleochroitischen Farbstoffmoleküle parallel zu den Direktor-Konfigurationslinien ausrichten.

Man betrachte eine Anzeige, die einen einzigen Polarisator verwendet, dessen Polarisationsrichtung parallel zu der Horizontalrichtung verläuft, die in Fig. 7 durch den Pfeil 101 kenntlich gemacht ist. Die Anzeige absorbiert Strahlung, wenn die Direktoren sich in einer horizontalen stabilen Konfiguration befinden, wie es in Fig. 7 im Abschnitt 32 dargestellt ist, die Anzeige lässt Strahlung durch, wenn die Direktoren sich in der vertikalen stabilen Konfiguration befinden,

wie es in Fig. 7 durch den Abschnitt 31 dargestellt ist.

Bei verdrehten Konfigurationen wird derselbe, oben beschriebene Effekt durch den Einschluss von pleochroitischen Farbstoffen in das Flüssigkristallmaterial beobachtet. Der einzige sichtbare Unterschied ist qualitativer Natur insoweit, als der durchlässige Zustand bei der verdrehten Konfiguration etwas weniger lichtdurchlässig erscheint als derjenige bei nichtverdrehter Konfiguration. Dies lässt sich, wie oben erläutert wurde, dadurch erklären, dass die verdrehte Konfiguration gewöhnlich grössere Kippwinkel in der Direktorausrichtung an den Substratoberflächen aufweist als nichtverdrehte Konfigurationen, so dass die Direktoren im Mittel mehr horizontal in der verdrehten Konfiguration sind.

Man beachte, dass als allgemeines Merkmal dieser Ausführungsbeispiele die Krümmung der Direktorlinien sowohl die Lichtdurchlässigkeit als auch die Lichtabsorption vermindet, weil nicht alle pleochroitischen Moleküle vollständig entlang der einen oder der anderen Achse in beiden stabilen Konfigurationen ausgerichtet sind.

Fig. 29 zeigt einen Abschnitt 300 einer Flüssigkristallzelle, die gekreuzte Polarisatoren verwendet. Ein Qerschnitt 300 in der Z-X-Ebene zeigt die Direktorausrichtung für die horizontale stabile Konfiguration eines Ausführungsbeispiels mit «abwechselnd gekippter Geometrie». Oben auf dem Abschnitt 300 ist ein erster Polarisator 303 angeordnet, unter dem Abschnitt 300 ist ein zweiter Polarisator 304 angeordnet (beim tatsächlichen Aufbau liegen die Polarisatoren auf den Aussenoberflächen der Substrate). Die Polarisationsrichtung der Polarisatoren ist durch Pfeile 302 bzw. 305 angegeben. Das von unterhalb des Abschnitts 300 durchgelassene Licht wird von einem oberhalb des Abschnitts 300 befindlichen Detektor 311 erfasst. Theoretisch müsste das entlang der Richtung des Pfeils 310 laufende Licht beim Durchlaufen des Abschnitts 300 bei idealer horizontaler oder bei idealer, ebener vertikaler stabiler Konfiguration völlig ausgelöscht werden, es kann aber durch den Abschnitt 300 bei einer idealen, verdrehten vertikalen stabilen Konfiguration unter gewissen Umständen durchgelassen werden.

Die verdrehte vertikale stabile Konfiguration führt zur Auslöschung, wenn die Maugin- (Wellenleiter-)Grenze erfüllt ist. Dies ist bei verdrehten vertikalen stabilen Konfigurationen mit grossen Kippwinkeln der Fall. Die Konfiguration wird durchlässig, wenn die Mauguin-Grenze verletzt ist. Eine solche Verletzung erfolgt bei kleinen Kippwinkeln.

Im folgenden sollen Verfahren zum Herstellen von Zellen gemäss der Erfindung beschrieben werden.

Fig. 30 zeigt eine Zelle 140, die dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel mit «abwechselnd gekippter Geometrie» entspricht. Die abwechselnden Streifen der gekippten Grenzausrichtung mit ±0 werden optimal 0 = 45° eingestellt. Glassubstrate 160 und 161 besitzen Elektroden wie die Elektrode 162, die im photolithographischen Verfahren aus Im03 oder Cr hergestellt sind. Linien 163 zeigen die Ausrichtung der Direktoren an der Oberfläche der Substrate 160 und 161. Die abwechselnd gekippten Zonen werden gebildet durch Verdampfen von TÌO2 bei abwechselndem Winkel von ±5° bezüglich der Substratoberfläche mittels Elektronenstrahl-Niederschlagung unter Verwendung geeigneter Maskierungsmethoden, um die unterschiedlichen Regionen zu definieren. Es können auch andere schräg aufgedampfte Oxide verwendet werden. Ebenfalls in bekannter Weise können kleine Kippwinkel dadurch erhalten werden, dass auf die niedergeschlagene Oxidschicht ein bekanntes homeotropes Oberflächenmittel als Schicht aufgebracht wird. Die Substrate werden in der in Fig. 30 gezeigten Weise ausgerichtet. Typische Abmessungen für die Zelle sind : (1) der Abstand 164 zwischen den Substraten beträgt etwa 10 bis 100 Mikrometer, und (2) der Abstand 165 zwischen Elektroden beträgt

8

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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etwa 10 bis 100 Mikrometer. Es wird angenommen, dass die Fig. 32 dargestellt ist, benötigt; die Elektrodenstruktur legt optimale Arbeitsleistung erzielt wird, wenn diese beiden Ent- ein vertikales Feld bei niedriger Frequenz und eine Mischung fernungen im wesentlichen gleich sind und wenn die beiden aus vertikalen und quer verlaufenden Feldern mit Feld-Kom-

Abstände gering sind, auch wenn sie nicht gleich sind. ponenten, die senkrecht zu der Symmetrieebene der nichtver-

Die in Fig. 31 gezeigte Zelle 130 entspricht dem in Fig. 12 s drehten Konfiguration liegen, bei hoher Frequenz an. Pfeile gezeigten Ausführungsbeispiel mit «einfach gekippter Geo- 510 und 511 zeigen die gekippten Grenzzustände am Substrat metrie». Glassubstrate 152 und 153 besitzen leitende ImCb- 507, Pfeile 512 und 513 zeigen die gekippten Grenzzustände

Elektroden. Diese Elektroden werden durch photolithogra- am Substrat 508, die Zahlen 501 bis 504 bezeichnen die Elek-

phische Verfahren hergestellt. Den einfach gekippten Grenz- troden.

zustand erhält man durch schräges Elektronenstrahl-Nieder- io Fig. 33 bis 35 zeigen jeweils eine Querschnittansicht der schlagen von TiCh oder SiOx unter einem Winkel von 5° Elektrodenstruktur gemäss Fig. 32, und zwar in der bezüglich der Substratoberfläche. Diese Elektroden stellen Z-Y-Ebene. Die vier dargestellten Elektroden können mit für die verdrehte oder nichtverdrehte Konfiguration Mittel Sinuswellen oder mit Rechteckwellen gespeist werden. Um dar zum Erzeugen von Disklinationen und zum anschlies- das vertikale elektrische Feld zu erhalten und somit die verti-

senden Ablösen und Bewegen derselben unter Einfluss elek- 15 kale stabile Konfiguration, werden die Elektroden 501 und trischer Felder, wenn die Zelle zwischen vertikaler und hori- 504 und die Elektroden 503 und 502 zusammengeschaltet und zontaler stabiler Konfiguration umgeschaltet wird. Typische die Phasen 0 in der in Fig. 33 dargestellten Weise eingestellt.

Abmessungen für die Zelle sind: (1) der Abstand 150 zwi- Fig. 34 zeigt dieselbe Elektrodenstruktur wie Fig. 33, es sehen den Substraten etwa 10 bis 100 Mikrometer und (2) der wird jedoch eine Mischung aus vertikalen und quer verlau-

Abstand 151 zwischen den Elektroden etwa 10 bis 100 Mikro- 20 fenden Feldern dadurch erzeugt, dass die Elektroden 501 und meter. 504 sowie 502 und 503 zusammengeschaltet werden und die

Die Elektroden in Fig. 30 und 31 sind typischerweise 1 bis Phasen 0 auf die in Fig. 34 angegebenen Werte eingestellt

10 Mikrometer breit. werden.

Im allgemeinen gilt, dass, je grösser das Verhältnis der Für das Phasenmuster der in Fig. 33 dargestellten Felder

Elektrodenabstände 151 oder 165 zu den Substratabständen 25 werden niederfrequente Felder verwendet, für die Phasenmu-

150 bzw. 164 ist, desto homogener das elektrische Feld über ster der in Fig. 34 dargestellten Felder werden hochfrequente dem Volumen des Flüssigkristallmaterials, desto grösser das Felder verwendet. Die durch die Anordnung gemäss Fig. 33

zum Umschalten erforderliche elektrische Feld und desto erzeugten elektrischen Felder sorgen dafür, dass das länger die Umschalt-Übergangszeit ist. Volumen des Flüssigkristallmaterials in einem niedrigeren

Es wurden verschiedene Flüssigkristallmischungen zwi- 30 Energiezustand ist, wenn die Direktoren senkrecht zu der sehen den Substraten verwendet. Einige Beispiele hierfür Z-Y-Ebene, d.h. parallel zur X-Achse, liegen. Dies ruft ein sind: (1) «E9» von der Fa. EM Laboratories, Inc., 500 Execu- Drehmoment hervor, um die Flüssigkristallmoleküle und tive Blvd., Elmsford, N.Y., einem Partner von E. Merck, somit die Direktoren zu drehen, um die horizontale stabile

Darmstadt, Bundesrepublik Deutschland, es handelt sich Konfiguration zu bilden.

hier um eine Cyanobiphenyl-Mischung. (Dieses Material 35 Eine andere, vielleicht vorzuziehende Anordnung besteht wurde mit 1% pleochroitischem Anthrazit-Farbstoff «D5 » darin, die Felder an die Elektrodenanordnung in der in Fig.

dotiert; dieser Farbstoff ist ebenfalls von EM Laboratories 35 dargestellten Weise anzulegen. Die Phase an der Elektrode erhältlich.); (2) Cyanobiphenyl-Mischungen «E7» und «E8» 501 beträgt Null, die Phase an der Elektrode 504 beträgt n/2,

von EM Laboratories; und (3) Cyanophenylcyclohexan- die Phase an der Elektrode 503 beträgt 37t/2, und die Phase

Mischung «ZLI-1083» von EM Laboratories. Sämtliche 40 an der Elektrode 502 beträgt n. In der Mitte der Zelle ist das erwähnten Mischungen besitzen eine grosse positive dielek- Feld ein sich kontinuierlich drehendes, kreisförmig polari-

trische Anisotropie, d.h., Ae-= +10, eu : — 20, und ei — 5 - 10. siertes elektrisches Feld in der Z-Y-Ebene, wogegen an

Das Flüssigkristallmaterial wurde durch Kapillarwirkung in anderen Stellen der Zelle das Feld in der Z-Y-Ebene ellip-

die Vorrichtung eingebracht, während das Material sich in tisch polarisiert ist. Diese Drehung ist in Fig. 35 durch den der isotropen Phase befand. Die Vorrichtung wurde in einem 45 Pfeil 550 angedeutet. An irgendeiner gegebenen Stelle X, Y, Z

Magnetfeld gehalten, das parallel zu den Niederschlagungs- ändert sich das Feld konstant zwischen Ey und Ez. Demnach richtungen des TÌO2 gerichtet war. Das Material konnte auf ist das mittlere Drehmoment derart beschaffen, dass es die den nematischen Zustand abkühlen, anschliessend wurde die Flüssigkristallmoleküle in X-Richtung senkrecht zur

Vorrichtung abgedichtet. Z-Y-Ebene ausrichtet. Das Feld muss mit einer Geschwindig-

Folgende Mischungen besitzen eine durch zwei Fre- 50 keit drehen, die die dielektrische Ansprechzeit überschreitet,

quenzen gekennzeichnete dielektrische Anisotropie: (1) um eine unerwünschte Molekularbewegung zu vermeiden.

Eastman Kodak Organic Chemicals in einer Diester- Das bedeutet, dass die Moleküle einem RMS-Feld ausgesetzt

Mischung; ein Teil «EK11650», ein Teil «EK15320», zwei sein sollten, dessen mittlerer Wert in der Z-Y-Ebene isotrop

Teile «EK 14046» und 1% pleochroitischen Farbstoff; man ist, um zu verhindern, dass die Moleküle stets parallel zur erhält eine Zwei-Frequenz-Mischung mit Ae>0 für 55 Z-Y-Ebene liegen. Weiterhin muss das Drehfeld so viel f<2,5 kHz (Ae=6 bei 50 Hz) und Ae<0 für f>2,5 kHz Raum zwischen den Substraten einnehmen wie möglich. Das

(As—-2,2 bei 10 kHz); und (2) von EM Laboratories die Ver- heisst, die Elektrodenbreite muss klein sein im Vergleich zum bindung «ZLI-1085», eine Zwei-Frequenz-Diester-Mischung Elektrodenabstand.

mitAe=+0,8bei 100HzundAe = 0,9 bei 20 kHz. Diese Di- Die obige Diskussion geht davon aus, dass die Ausfüh-

ester schalten in einem magnetischen oder elektrischen Feld 60 rungsbeispiele im wesentlichen nichtverdrehte Ausrichtungs-

um, wenn sie in derselben Weise wie ein Ein-Frequenz-Mate- konfigurationen aufweisen. Als Konsequenz der Tatsache rial betrieben werden. Das Umschalten erfolgt bei diesen jedoch, das die Elastizitätsmoduln k22<k33, ki 1 in den meisten

Diestern in dem elektrischen Feld jedoch langsamer als bei Flüssigkristallmaterialien sind, werden die Direktoren unter den Cyanobiphenyl-Mischungen, weil As viel kleiner ist, sie manchen Umständen verdreht anstelle von oder zusätzlich zu werden daher weniger bevorzugt. 65 in Form von Ausbuchtungen erfolgenden gekippten Ausrich-

Um die oben beschriebenen Zwei-Frequenz-Diester in tungen. Daher treten wahrscheinlich verdrehte Ausrichtungs-

einem Zwei-Frequenz-Effekt für nichtverdrehte Konfigura- konfigurationen in den oben erläuterten Ausführungsbei-tionen zu verwenden, wird eine Elektrodenstruktur, wie sie in spielen mit gekippten Grenzzuständen auf.

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Die speziellen Umstände, unter denen verdrehte oder nichtverdrehte Konfigurationen vorherrschen können, bestimmen sich durch die Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials und durch die Grenz-Kipplage. Speziell begünstigt eine starke Kipplage bezüglich einer Normalen der Substra-toberfläche Dreh-Verformungen, und eine geringe Kipplage begünstigt Neigungs-Verformungen, die einen geringen Energiegehalt als grosse Dreh-Verformungen aufweisen. Im allgemeinen existiert ein kritischer Grenzkippwinkel 0c, oberhalb dessen Dreh-Konfigurationen stabil sind und unterhalb dessen nichtverdrehte Konfigurationen stabil sind. Die beiden Zustände sind bei 0c identisch. Dieses 0c hängt ab von den Elastizitätsmoduln des speziellen Flüssigkristallmaterials. Für ki = lo =ZK2 als Approximation, die viele nema-tische Materialien beschreibt, ist 0c = 58,7°. Für die derzeitig für E7-Mischungen verfügbaren Elastizitätsparameter beträgt 0c = 58,7°. Für die elastischen Parameter, die derzeit für E7-Mischungen zur Verfügung stehen, beträgt 0c=66° von der Normalen. Somit begünstigen Kippwinkel über 66° stabile verdrehte Konfigurationen in E7, wobei Winkel unterhalb von 66° theoretisch ebene vertikale Zustände begünstigen sollten.

Es seien verschiedene wichtige Gesichtspunkte erwähnt. Zunächst ist es wichtig, zu erkennen, dass die zwei Zustände -nichtverdrehte und verdrehte vertikale Zustände -, die hier betrachtet werden, topologisch gesehen zueinander äquivalent sind, jedoch verschieden sind bezüglich des nichtverdrehten horizontalen Zustands. Die die Direktorlinien kennzeichnenden Pfeile weisen abwechselnd in und aus den gegenüberliegenden Substraten bei den beiden erstgenannten Zuständen, während sie stets in (oder fort von) beiden Substraten bei letztgenanntem Fall weisen. Wenn zweitens T>Tc in entweder der nichtverdrehten oder verdrehten Konfiguration ist, werden die verdrehten Konfigurationen weniger unterscheidbar von einer wirklichen vertikalen (nichtver-drehten) Konfiguration. Dies ist wesentlich bei der optischen Unterscheidbarkeit, wenn pleochroitische Farbstoffe zur Kontrasterzeugung eingegeben sind.

Das Vorliegen einer auch nur kleinen Fehlausrichtung der Grenz-Kippwinkel (Azimut-Winkel) in den oben beschriebenen nominellen ebenen Strukturen hat eine ausgeprägte Wirkung auf Tc und somit auf den Charakter der stabilen Konfiguration - verdreht oder nichtverdreht. Speziell neigt eine Fehlausrichtung dazu, Tc zu verringern, wodurch eine verdrehte Konfiguration in erhöhtem Masse wahrscheinlich wird bei einer festen Grenz-Kipplage. Tatsächlich begünstigt eine verdrehte Struktur, wie unten beschrieben wird, in natürlicher Weise verdrehte nichtebene Konfigurationen und beseitigt die Entartung, die die Existenz gegensätzlich verdrehter Domänen gestattet.

An diesem Punkt sei festgehalten, dass weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dadurch gebildet werden, dass eines der Substrate zu dem anderen um eine Normale bezüglich der Substratebenen gedreht wird. Dies führt dazu, dass die stabilen Konfigurationen Verdrehungen enthalten. Die stabilen Konfigurationen jedoch enthalten noch die Eigenschaft, dass sie eine Bewegung von Disklinationen durch das Volumen des Flüssigkristallmaterials, entlang der Substratoberflächen oder eine Kombination dieser beiden Bewegungsvorgänge benötigen, damit ein Umschalten erfolgt.

Diese Ausführungsbeispiele bilden ebenfalls vertikale und horizontale stabile Konfigurationen.

Es wurde herausgefunden, dass in einigen dieser verdrehten Substrat-Ausführungsformen, so z.B. einer 90°-Ver-drehung, es vorzuziehen ist, etwas Flüssigkristallmaterial in der cholesterischen Mesophase zu dem nematischen Material hinzuzufügen, um die Verdrehung an der Substratgrenze in geeigneter Weise vorzuspannen.

Die Herstellung und die optische Unterscheidbarkeit sind ähnlich, wie es oben unter Bezugnahme auf im wesentlichen s zweidimensionale Strukturen erläutert wurde.

Für gute Stabilität der Zelle muss die Grenze, die aus Flüssigkristallmaterial besteht (siehe Fig. 2), die folgende Eigenschaft aufweisen: Ein Übergang von der Direktor-Ausrich-tungskonfiguration, die im Inneren der Zelle ausgebildet ist, io in eine Konfiguration, die der Direktorausrichtung entspricht, welche notwendig ist, um den Abschluss-Grenzzu-stand zu erhalten, macht die Ablösung von Disklinationen notwendig. Es ist ebenfalls wichtig, dass der Grenzzustand, der sowohl für die vertikale als auch für die horizontale sta-15 bile Konfiguration in einer bistabilen Vorrichtung geeignet ist, die Ablösung von Disklinationen beinhaltet. Wenn dies nicht gefordert wird, wäre der Übergang der Direktorausrichtungen von den einen stabilen Konfigurationen im Inneren der Zelle zu der Grenze kontinuierlich, d.h. ohne die Existenz 20 von Disklinationen, und der Übergang der Direktorausrichtungen von der anderen stabilen Konfiguration in dem Körper der Zelle wäre nichtkontinuierlich. Das Ergebnis dieser Asymmetrie wäre, dass eine stabile Konfiguration nach und nach die andere Konfiguration destabilisieren 25 würde. Das Problem mit einem asymmetrischen Grenzzustand ist in Fig. 36 dargestellt, wo die Zahlen 800 bis 804 parallel zur Z-X-Ebene laufende Querschnittansichten einer rechteckigen Zelle für ein Ausführungsbeispiel mit «einzeln gekippter Geometrie» bezeichnen. Die Ebene 800 zeigt einen 30 Querschnitt in der Mitte der Zelle, und die Ebene 804 zeigt einen Querschnitt an der Grenze der Zelle. Man beachte, dass der Übergang der Direktor-Ausrichtungskonfiguration in der horizontalen stabilen Konfiguration in der Zellenmitte (Ebene 800) zu der Direktor-Ausrichtungskonfiguration an 35 der Zellengrenze (Ebene 804) nicht die Bildung von Disklinationen erforderlich macht. Die Ebene 805 zeigt einen Querschnitt in der Zellenmitte, die Ebene 809 einen Querschnitt an der Zellengrenze. Man beachte, dass der Übergang von der Direktor-Ausrichtungskonfiguration in der vertikalen 40 stabilen Konfiguration in der Mitte der Zelle (Ebene 805) in die Direktor-Ausrichtungskonfiguration an der Zellengrenze (Ebene 809) Disklinationen erforderlich macht. Somit wird die horizontale stabile Konfiguration nach und nach die vertikale stabile Konfiguration für einen Zellengrenzen-Zustand 45 destabilisieren, der die horizontalen Direktor-Ausrichtungen erzeugt, die in den Ebenen 804 und 809 dargestellt sind. Ein ähnliches Argument für eine vertikale Direktor-Ausrichtung an der Zellengrenze zeigt einen nicht idealen Zellen-Abschlusszustand. Man beachte jedoch, dass man noch meta-50 stabile Konfigurationen erhalten würde, wenn diese Grenzbedingungen benutzt würden, weil geschätzt wird, dass die Zeit für eine vollständige Destabilisierung entlang eines Zentimeterstreifens in der Grössenordnung von einer Stunde liegt.

55 Fig. 37 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zellen-

Abschlusszustands, der der oben diskutierten einfachen horizontalen oder vertikalen Direktorausrichtung vorzuziehen ist. Eine Ebene 520 zeigt einen Querschnitt in der Mitte einer rechteckigen Zelle in der vertikalen stabilen Konfiguration 60 für ein nichtverdrehtes Ausführungsbeispiel mit «abwechselnd gekippter Geometrie», und Ebene 523 zeigt einen Querschnitt durch die Mitte der rechteckigen Zelle in der horizontalen stabilen Konfiguration. (Dieser bevorzugte Zellen-Abschlusszustand kann in gleicher Weise Anwendung finden 65 bei dem Ausführungsbeispiel mit «einfach gekippter Geometrie», aus Gründen der vereinfachten Darstellung und Beschreibung jedoch soll hier das Ausführungsbeispiel mit «abwechselnd gekippter Geometrie» erläutert werden.)

Ebenen 521 und 522 zeigen Querschnitte der rechteckigen Zelle an der Grenze für das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Zellenabschluss-Direktorausrichtungszustands.

Fig. 37 zeigt, dass der Übergang der Direktor-Ausrichtungskonfiguration für eine stabile Konfiguration in der Mitte der Zelle zu der Direktor-Ausrichtungskonfiguration an der Zellengrenze für beide stabilen Konfigurationen aus mit Disklinationen behafteten Gefügen besteht. Also kann dieses spezielle Ausführungsbeispiel mit dem gekippten Grenz-Ausrichtungszustand nicht die eine stabile Konfiguration mehr bevorzugen als die andere. Da keine Konfiguration bevorzugt wird, können sich die stabilen Konfigurationen gegenseitig nicht destabilisieren.

Fig. 38 zeigt einen ebenen Querschnitt parallel zu der Z X-Ebene, wobei der Schnitt durch die Mitte einer Flüssigkristallzelle eines nichtverdrehten Ausführungsbeispiels mit «einzeln gekippter Geometrie» erfolgt. Gestrichelte Linien 822 bis 825 repräsentieren Zellen-Abschlussgrenzen für Ebenen parallel zur Z-Y-Ebene. Ebenen 820 und 821 zeigen für das Ausführungsbeispiel mit «einzeln gekippter Geometrie», wie die bevorzugte Zellengrenzausrichtung Stabilität an denjenigen Zellengrenzen erreicht, die senkrecht zu den in Fig. 37 gezeigten Zellengrenzen verlaufen.

Das Umschalten zwischen stabilen Konfigurationen erfordert eine diskontinuierliche Änderung der Direktorausrichtung und erfordert somit die Ablösung und Bewegung von Disklinationen. Auf einer homogenen Oberfläche, wie sie bei dem in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel mit «einfach gekippter Geometrie» gezeigt ist, kann dies nur an den Zellengrenzen oder an lokalen Oberflächendefekten erfolgen, wo das Auftreten von Disklinationen mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgt. Die abgelöste Disklination nimmt die Form einer Linie an, die die Zonen in die vertikale und horizontale stabile Konfiguration separiert. Die Disklination bewegt sich unter dem Einfluss eines vertikalen oder quer verlaufenden Feldes. Das Umschalten ist abgeschlossen, wenn die Disklination an einem benachbarten Befestigungsort erneut angelangt ist.

In Fig. 39 sind experimentelle Ergebnisse für Transit-Zeiten einer Wand dargestellt, die eine Disklination aufweist. Die Wand wird für ein nichtverdrehtes Ausführungsbeispiel mit «einzeln gekippter Geometrie» definiert als das Volumen, das zwischen den gestrichelten Linien 169 und 170 enthalten ist. Es wurde die Wandgeschwindigkeit mittels eines quer verlaufenden magnetischen Feldes von bis zu 1 Tesla zum Umschalten der horizontalen stabilen Konfiguration und eines vertikalen elektrischen Feldes zum Umschalten in die vertikale stabile Konfiguration gemessen.

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In Fig. 39 sind für Zellen von einer Dicke von d = 50 Mikrometer die Daten für den Horizontal-Vertikal-Über-gang für Spannungen bis zu 150 Volt dargestellt. Die Antriebskraft für den Übergang ist die Differenz des effektiven dielelektrischen Tensors oder der Kapazität auf jeder Seite der Wand, wobei die Differenz umgekehrt mit dem angelegten Feld abnimmt. Es wurde eine annähernd konstante Wandbeweglichkeit p, von 2,5 x 10~6 cmVVsec für Felder mit Kohärenzlängen dà ermittelt.

Theoretisch ist die Umschaltzeit für eine Zelle etwa gleich der Zeit tr, die notwendig ist, damit die Wand eine Entfernung S durchläuft, so dass tr = S/E, wobei E = Vo/d die Feldstärke bei einer Spannung Vo ist. Somit erfordert ein rasches Umschalten einen kleinen Elektrodenabstand S. Bei S = d = 25 Mikrometer beispielsweise beträgt tr 50 Millisekunden bei Vo = 70 Volt Spitzenwert (50 V effektiv).

Die optische Anstiegszeit für eine Zelle mit «abwechselnd gekippter Geometrie» ist ziemlich schnell. Dieser Umstand ist in Fig. 40 dargestellt. Diese optische Anstiegszeit gemäss Fig. 40 jedoch spiegelt lediglich die Ansprechzeit der Molekulardrehung und nicht die Bewegung von Disklinationen wider, die zum Erhalten der stabilen Konfiguration notwendig sind. Eine den tatsächlichen Umständen besser gerecht werdende Messung der Umschaltzeit für eine Zelle ist die Transitzeit tr der Disklinationen. Da tr = dS/uV, mit d als Entfernung der Substrate, S als Abstand zwischen den Elektroden, (i als hohe Feldwand-Beweglichkeit und V als angelegte Spannung, sollte eine Transit-Zeit von 0,1 Sekunden theoretisch möglich sein, wenn S = d = 25 um und V = 40 Volt Spitzenwert. Fig. 41 zeigt die Übergangszeit für eine Cyanobiphenyl-Mischung mit ^ = 2,5 x 10~6 cmVVsec an 25 um breiten Zonen.

In Fig. 42 sind die elektrischen Feldlinien und die Polarität der Elektroden in einem Zustand gezeigt, der eine Zelle aus der vertikalen in die horizontale stabile Konfiguration umschaltet.

Fig. 43 zeigt die elektrischen Feldlinien und die Polarität der Elektroden in einem Zustand, der eine Zelle aus der horizontalen in die vertikale stabile Konfiguration umschaltet.

Fig. 44 zeigt Elektroden 200 bis 203 mit einer schematisch angedeuteten Schaltung zum Erzeugen der geeigneten Polaritäten, wie sie in den Fig. 42 und 43 gezeigt sind. Es sollte für den Fachmann klar sein, wie der Impulszug 210, der in Fig. 44 dargestellt ist, die geeigneten Polaritäten hervorruft, wenn er an die in Fig. 44 gezeigte Schaltung gelegt wird. Man beachte, dass die Impulsflächen 215 in die horizontale stabile Konfiguration umschalten, während die Impulsflächen 216 in die vertikale stabile Konfiguration umschalten.

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15 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

656235 2 PATENTANSPRÜCHE gekennzeichnet, dass die Substrate so angeordnet sind, dass

1. Mechanisch bistabile Flüssigkristallanzeigevorrichtung diejenigen Zonen, deren Direktoren in einem positiven mit einer Flüssigkristallzelle, die ein Orientierungsdirektoren Winkel auf der ersten Substratoberfläche ausgerichtet sind, zwischen einer ersten Substratoberfläche eines ersten Sub- im wesentlichen oberhalb derjenigen Zonen liegen, deren strates (21 ; 910) und einer zweiten Substratoberfläche eines s Direktoren in einem positiven Winkel auf der zweiten Sub-zweiten Substrates (22; 950) aufweisendes Flüssigkristallma- stratoberfläche ausgerichtet sind (Fig. 10).

terial enthält, das sich hauptsächlich in der nematischen 11. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

Mesophase befindet, wobei die genannten Substratober- 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial flächen im wesentlichen eben sind, dadurch gekennzeichnet, einen pleochroitischen Farbstoff enthält.

dass die Substratoberfläche (24) des ersten Substrates (21; io 12. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch

910) so ausgebildet ist, dass die ihr benachbarten und in einer gekennzeichnet, dass das genannte Flüssigkristallmaterial gemeinsamen Zone liegenden Orientierungsdirektoren zusätzlich noch Flüssigkristallmaterial in der cholesterischen bezüglich wenigstens zweier benachbarter Zonen der ersten Mesophase enthält.

Substratoberfläche parallel ausgerichtet sind, welche Zonen 13. Mechanisch bistabile Flüssigkristallanzeigevorrich-

die Eigenschaften aufweisen, dass die Direktorausrichtungen is tung mit einer Flüssigkristallzelle, die ein Orientierungsdirek-

von einem positiven Winkel zu einem negativen Winkel toren zwischen einer ersten Substratoberfläche eines ersten bezüglich der Senkrechten zu den Substratoberflächen Substrates (58; 136; 152) und einer zweiten Substratober-

abwechseln, welche Senkrechte in das Flüssigkristallmaterial fläche eines zweiten Substrates (59; 139; 153) aufweisendes zeigt, dass die genannten Winkel 22,5° bis 67,5° betragen und Flüssigkristallmaterial enthält, das sich hauptsächlich in der dass die durch die erste und zweite Substratoberfläche gebil- 20 nematischen Mesophase befindet, wobei die genannten Sub-

dete Grenze mindestens zwei Punkte (400,401; 920,921) stratoberflächen im wesentlichen eben und parallel zuein-

einer in der Orientierungsrichtung verlaufenden Linie zum ander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die

Ablösen und Wiederanlegen von Disklinationen enthält (Fig. erste Substratoberfläche so ausgebildet ist, dass die ihr

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 ersten positiven Winkel mit der Senkrechten der ersten Sub-zeichnet, dass die zweite Substratoberfläche (23) so ausge- stratoberfläche einschliessen, welche Senkrechte in das Flüs-bildet ist, dass die ihr benachbarten und in einer gemein- sigkristallmaterial zeigt, und dass die zweite Substratobersamen Zone liegenden Orientierungsdirektoren unterein- fläche so ausgebildet ist, dass die ihr benachbarten Direk-ander parallel ausgerichtet sind. toren parallel ausgerichtet sind und einen zweiten negativen

2 und 7). benachbarten Direktoren parallel ausgerichtet und in einen

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 30 Winkel mit der Senkrechten der zweiten Substratoberfläche zeichnet, dass wenigstens zwei benachbarte Zonen der einschliessen, welche Senkrechte in das Flüssigkristallmate-zweiten Substratoberfläche die Eigenschaft besitzen, dass die rial zeigt, dass der erste und der zweite Winkel 22,5" bis 67,5° Direktorausrichtungen von einem positiven Winkel zu einem betragen und dass die Flüssigkristallzelle zum Ablösen und negativen Winkel bezüglich der Senkrechten zur Substrat- Wiederanlegen von Disklinationen wenigstens zwei gegen-oberfläche abwechseln, welche Senkrechte in das Flüssigkri- 35 überliegend angeordnete Flächenunebenheiten (60,61,62, stallmaterial zeigt, und dass die genannten Winkel 22,5° bis 63; 154,156; 200,201,202,203) auf der ersten und der 67,5° betragen. zweiten Substratoberfläche aufweist (Fig. 12,31 und 42).

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s

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65

4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch zeichnet, dass die Grenzen (920-924) zwischen zwei benach- gekennzeichnet, dass die Richtung einer durch Schneiden barten Zonen auf der ersten und der zweiten Substratober- 40 einer zur Direktorenausrichtung der ersten Substratoberfläche im wesentlichen gerade Linien sind. fläche parallelen Ebene mit der ersten Substratoberfläche

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- gebildeten geraden Linie im wesentlichen parallel zur Rich-zeichnet, dass die im wesentlichen geraden Grenzlinien auf tung einer durch Schneiden einer zur Direktorenausrichtung der ersten Substratoberfläche und die im wesentlichen der zweiten Substratoberfläche parallelen Ebene mit der geraden Grenzlinien auf der zweiten Substratoberfläche je 45 zweiten Substratoberfläche gebildeten geraden Linie ist. unter sich im wesentlichen parallel verlaufen. 15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial einen zeichnet, dass die Grenzlinien auf der ersten Substratober- pleochroitischen Farbstoff enthält.

fläche im wesentlichen parallel oder quer zu den Grenzlinien 16. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch auf der zweiten Substratoberfläche verlaufen. so gekennzeichnet, dass die Richtung einer durch Schneiden

7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- einer zur Direktorenausrichtung der ersten Substratober-zeichnet, dass die Abstände zwischen den Grenzlinien auf der fläche gebildeten geraden Linie quer zur Richtung einer ersten Substratoberfläche im wesentlichen gleich und die durch Schneiden einer zur Direktorenausrichtung der Abstände zwischen den Grenzlinien auf der zweiten Substra- zweiten Substratoberfläche parallelen Ebene mit der zweiten toberfläche im wesentlichen gleich sind. ss Substratoberfläche gebildeten geraden Linie verläuft.

8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 17. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 16, dadurch zeichnet, dass der Abstand zwischen den Grenzlinien auf der gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial zusätzlich ersten Substratoberfläche im wesentlichen gleich dem noch Flüssigkristallmaterial in der cholesterischen Meso-Abstand der Grenzlinien auf der zweiten Substratoberfläche phase enthält.

ist. 60

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

zeichnet, dass das erste (21) und das zweite (22) Substrat so angeordnet sind, dass diejenigen Zonen, in denen die Direktoren in einem positiven Winkel auf der ersten Substratober- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkri-fläche angerichtet sind, im wesentlichen oberhalb derjenigen 65 Stallanzeigevorrichtung gemäss dem Oberbegriff der Patent-Zonen liegen, deren Direktoren in einem negativen Winkel ansprüche 1 bzw. 13.

auf der zweiten Substratoberfläche ausgerichtet sind (Fig. 7). Derzeit handelt es sich bei nematischen Flüssigkristallan-

10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch zeigen in erster Linie um Feldeffektvorrichtungen ohne

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Speicher, die aufgrund der notwendigen Auffrischung zwingenden Multiplexbeschränkungen unterworfen sind. Wünschenswert ist ein anhaltender elektrooptischer Effekt bei derartigen nematischen Anzeigen, welche keine Erhaltungsspannung erfordern.

In der US-Patentschrift Nr. 4 030 997 ist ein Verfahren zum Herstellen der Wände einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung beschrieben, wodurch erreicht wird, dass die Orientierungsdirektoren des Flüssigkristalles gegenüber der Senkrechten der Wände leicht geneigt sind, auch wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist. Die so hergestellten Flüssigkristallanzeigevorrichtungen sind nicht bistabil, d.h., das angezeigte Muster bleibt nicht erhalten, wenn das erregende Feld abgeschaltet wird.

Die in der US-Patentschrift Nr. 4 002 404 beschriebene Flüssigkristallanzeigevorrichtung weist erste Bereiche zur Anzeige von immer gleichbleibender Information und zweite Bereiche zur Anzeige von wechselnder Information auf. Die ersten Bereiche zeigen konstant das gleiche Muster, und die Richtung der betreffenden Direktoren sind stabil und können nicht verändert werden. In den zweiten Bereichen können die Richtungen der Direktoren durch Anlegen eines elektrischen Feldes geändert werden, und es erscheinen wahlweise unterschiedliche Informationen, diese sind nur so lange sichtbar, wie das Feld vorhanden ist.

Weiter ist in der US-Patentschrift Nr. 4128 313 eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung beschrieben, die beispielsweise dunkle Buchstaben auf einem hellen Hintergrund sichtbar machen. Zur Anzeige der Buchstaben wird der Hintergrund, aber nicht der Buchstabe aktiviert. Die Anzeige besitzt keine bistabile Eigenschaft. Wenn das elektrische Feld abgeschaltet wird, verschwindet die angezeigte Information.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine bistabile Flüssigkristallanzeige zu schaffen, die zum Aufrechterhalten der beiden stabilen Zustände keine Energiezufuhr benötigt.

Die erfindungsgemässen Flüssigkristallanzeigevorrichtungen sind durch die im kenzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. 13 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Energiediagramm zum Veranschaulichen des Konzepts der Bistabilität,

Fig. 2 eine diagrammähnliche Darstellung einer Flüssigkristallzelle,

Fig. 3 eine diagrammähnliche Darstellung der Oberfläche eines Substrats mit Zonen einer Direktorausrichtung, die Linien singulärer Punkte an den Grenzen zwischen den Zonen erzeugt,

Fig. 4 eine Skizze zum Veranschaulichen der Definition der positiven und negativen Direktorausrichtung,

Fig. 5 eine diagrammähnliche Darstellung der Oberfläche eines Substrats mit Zonen einer Direktorausrichtung mit geraden Liniengrenzen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung von nichtverdrehten und verdrehten Direktor-Ausrichtkonfigurationen,

Fig. 7 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf ein Zellenelement, welches sich für das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eignet,

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf verschiedene Zellen gemäss Fig. 8, die zusammengefasst sind,

Fig. 10 und 11 jeweils eine schematische Querschnittansicht einer bezüglich der Ausführungsform gemäss Fig. 7 modifizierten Ausführungsform,

Fig. 12 bis 14 schematische Querschnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 15 bis 18 jeweils eine schematische Querschnittansicht eines Modells des Übergangs von einer «vertikalen» stabilen Konfiguration in eine «horizontale» stabile Konfiguration s für das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel,

Fig. 19 bis 22 schematische Querschnittansichten eines Modells des Übergangs von einer «horizontalen» stabilen Konfiguration in eine «vertikale» stabile Konfiguration für das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel,

io Fig. 23 bis 27 schematische Qüerschnittansichten eines Modells des Übergangs von einer «vertikalen» stabilen Konfiguration in eine «horizontale» stabile Konfiguration für das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel,

Fig. 28 eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 12 is dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei die Feldlinien für das Umschalten von der «horizontalen» in die «vertikale» stabile Konfiguration dargestellt sind,

Fig. 29 eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 7 mit sich kreuzenden Polarisatoren, 20 Fig. 30 bis 32 schematische Ansichten der Elektrodenanordnungen für verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 33 bis 35 schematische Querschnittansichten der in Fig. 32 dargestellten Anordnung,

25 Fig. 36 und 37 mehrere Querschnittansichten zur Veranschaulichung des Übergangs zwischen stabilen Konfigurationen in verschiedenen Ausführungsbeispielen,

Fig. 38 verschiedene Querschnittansichten zum Verdeutlichen der Beziehung zwischen den «horizontalen» und «ver-30 tikalen» stabilen Konfigurationen im Zusammenhang mit einer Zellengrenze, die gekippte Direktorausrichtungen aufweist,

Fig. 39 ein Diagramm, welches experimentell gefundene Werte für die Disklinationsgeschwindigkeit und die angenä-35 herte Umschaltzeit zwischen stabilen Konfigurationen bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 12 verdeutlicht,

Fig. 40 die relative optische Durchlässigkeit des Anführungsbeispiels gemäss Fig. 7,

Fig. 41 eine graphische Darstellung betreffend die Transit-40 Zeit für das Umschalten bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel,

Fig. 42 und 43 schematische Querschnittansichten und Feldlinien, die durch eine Elektrodenanordnung hervorgerufen werden, die sich zum Umschalten zwischen stabilen 45 Konfigurationen für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 12 eignet, und

Fig. 44 eine schematische perspektivische Darstellung einer Wellenform- und Elektrodenanordnung zum Umschalten zwischen stabilen Konfigurationen bei dem in so Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gefertigte Zellen enthalten zwischen zwei Substratmaterialien ein Flüssigkristallmaterial. Diese Zellen zeigen mechanisch stabile 55 Ausrichtungskonfigurationen der Direktoren des Flüssigkristallmaterials.

Es wurde seitens der Inhaberin erkannt, wie Flüssigkristallzellen zu bilden sind, welche mechanisch stabile Ausrichtungskonfigurationen der Orientierungsdirektoren (z.B. der so Flüssigkristallmoleküle) des Flüssigkristallmaterials besitzen. Es erscheint hier am geeignetesten, die Flüssigkristallzelle als ein Flüssigkristallmaterial-Volumen in der Vorrichtung zu betrachten, das oben durch die Oberfläche eines der zwei Substrate und unten durch die Oberfläche des anderen der 65 zwei Substrate begrenzt wird. Die Seiten des Volumens beinhalten das umgebende Flüssigkristallmaterial. Im folgenden soll beschrieben werden, wie diese individuellen Zellen in Vorrichtungen kombiniert werden, jedoch lässt sich die vor

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liegende Erfindung, die speziell auf die Struktur abzielt, welche zu mechanisch stabilen Konfigurationen führt, am besten dadurch verstehen, dass die oben angesprochene Flüssigkristallzelle betrachtet wird. Grundsätzlich richtet sich der Aspekt der Erfindung, der die stabilen Konfigurationen schafft, an die speziellen Behandlungen der Substratoberflächen, die die Flüssigkristallzelle begrenzen.

Konfigurationen der Direktorausrichtung, die zueinander mechanisch stabil sind, lassen sich mathematisch durch die Existenz zweier verschiedener Lösungen der Gleichgewichtsgleichung für dieselben physikalischen Grenzbedingungen beschreiben. Beispielsweise handelt es sich bei einer mechanisch bistabilen Flüssigkristallzelle um eine Zelle, in der die Flüssigkristall-Direktoren eine von zwei unterschiedlich geordneten stabilen Konfigurationen gleicher oder annähernd gleicher Energie einnehmen können. (Entartung im Sinne äquivalenter Energie ist jedoch keine Vorbedingung für Bistabilität.)

Die durchgeführte Analyse dieses Problems führte zu dem Schluss, dass eine Klasse mechanisch stabiler Konfigurationen diejenige Klasse ist, in der die Bewegung von Disklinationen (eine Unstetigkeit in der Richtung der Orientierungsdirektoren) durch das Volumen des Flüssigkristallmaterials oder möglicherweise auf der Oberfläche der Substrate notwendig ist zum Umschalten von einer stabilen Konfiguration in die andere. Die Bewegung von Disklinationen verursacht, dass die Direktorausrichtung der einen stabilen Konfiguration sich zur Direktorausrichtung der anderen stabilen Konfiguration entwickelt. Das Induzieren einer solchen Bewegung erfordert das Hinzufügen von Energie zu dem System, mit dem Ergebnis, dass die die stabilen Konfigurationen trennenden Konfigurationen einen höheren elastischen Energiegehalt aufweisen als jede der zwei stabilen Konfigurationen. Dieser Umstand schafft die Energiebarriere, die verursacht, dass die Anfangs- und Endkonfiguration zueinander stabil sind. Diese Beziehung ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die vorliegende Erfindung schafft diese Disklinationen entweder durch Schaffung von Grenzbedingungen auf den Substratoberflächen, die dorttopologische singulare Punkte bilden, wobei die singulären Punkte als Ursprünge für Disklinationen dienen, oder durch Schaffung von Mitteln zum Erzeugen von Disklinationen, beispielsweise von speziellen Elektrodenanordnungen, welche inhomogene elektrische Felder schaffen. Für die vorliegenden Zwecke soll ein singulärerer Punkt definiert werden als Punkt auf der die Flüssigkristallzelle einschliessenden Oberfläche, an welchem eine Direktorausrichtung-Mehrdeutigkeit vorliegt. Diese Mehrdeutigkeit bedeutet, dass die Direktorausrichtung an dem speziellen Punkt von gegebenen Grenzbedingungen aus nicht einheitlich bestimmbar ist.

In der allgemeinsten Form lässt sich sagen, dass dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung sämtliche Flüssigkristallzellen umfasst, deren Flüssigkristallmaterial sich hauptsächlich in der nematischen Mesophase befindet und deren Grenze entweder wenigstens zwei singuläre Punkte oder Mittel aufweist, um Disklinationen an wenigstens zwei Punkten zu generieren.

Fig. 2 zeigt Substrate (z.B. transparente Glasplatten) 910 und 950, zwischen denen Flüssigkristallmaterial angeordnet ist. Ein Volumen 1010 zeigt in allgemeinster Form eine individuelle Flüssigkristallzelle, die oben begrenzt wird durch einen Abschnitt 951, der aus Zonen 901 bis 906 auf der Oberfläche des Substrats 910 gebildet wird, und unten begrenzt wird durch einen Abschnitt 1001, der durch Zonen 1021 bis 1026 auf der Oberfläche des Substrats 950 gebildet wird, und auf den Seiten begrenzt wird durch das umgebende Volumen des Flüsskristallmaterials. Es ist klar, dass in der hier verwendeten Terminologie eine Vorrichtung mehrere Flüssigkristallzellen umfasst. Fig. 3 zeigt einen Abschnitt der Oberfläche des Substrats 910, der dem Flüssigkristallmaterial benachbart ist. Die Zonen 901 bis 906 sowie die Zonen 1021 bis 1026 der Substratoberflächen sind so konfiguriert oder behandelt,

dass spezielle Grenzbedingungen für die Direktorausrichtung in der Flüssigkristallzelle vorliegen.

Wenn das Substrat 910 eben ist, so kann man eine Normale zu dem Substrat 910 definieren, die in das Flüssigkristallmaterial weist. In Fig. 4 bezeichnet ein Pfeil 911 eine Normale n für das Substrat 910, wobei die Normale in das Flüssigkristallmaterial zeigt. Pfeile 912 und 914 kennzeichnen die Orientierungsrichtung d eines Direktors in dem Flüssigkristallmaterial. Wir definieren einen Winkel 913 als positiv bezüglich der Normalen 911, wenn nxd in die Zeichnungsebene von Fig. 4 weist, und wir definieren einen Winkel 915 als negativ bezüglich der Normalen 911, wenn n x d aus der Zeichenebene von Fig. 4 weist.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, weisen typische Zonen auf den Substratoberflächen rechteckige Muster auf, so dass Grenzen 920 bis 924, die eine Linie singulärer Punkte umfassen,

gerade Linien sind, die parallel zueinander in gleichem Abstand verlaufen.

Wir definieren nun verdrehte und nichtverdrehte Konfigurationen. Hierzu soll eine Flüssigkristallzelle betrachtet werden, bei der die obere Substratoberfläche derart behandelt wurde, dass die Direktoren an der Oberfläche parallel zueinander in einem Winkel 0 an der Oberfläche ausgerichtet sind, wobei 0 von der Flächennormalen aus gemessen wird; die untere Substratoberfläche wurde so behandelt, dass die Direktoren an der Oberfläche parallel zueinander in einem Winkel 0 an der Oberfläche ausgerichtet sind. Die bei der Diskussion dieses Punktes herangezogenen anschaulichen Figuren nehmen sämtlich Bezug auf eine Zellenansicht, die man dadurch erhält, dass die Zelle in einer zu den Substraten senkrechten Ebene geschnitten wird. Die Ebene liegt defini-tionsgemäss in der Z- und X-Achse eines dreidimensionalen Koordinatensystems. Der Schnitt der Flüssigkristallzelle wird betrachtet, indem man in positive Y-Richtung schaut. Die Pfeile in der Zone der Zelle zwischen den Substratoberflächen repräsentieren die Orientierungsrichtung der Direktoren. Wenn ein Direktor aus der oben definierten Z-X-Ebene weist, so ist der Pfeil verkürzt dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung von drei Direktor-Ausrichtungskonfigurationen 1100,1101 und 1102, welche die oben definierten Grenzbedingungen erfüllen. Man beachte, dass die in unmittelbarer Nachbarschaft der Oberfläche des oberen Substrats liegenden Pfeile 1090 und 1092 sowie die in unmittelbarer Nachbarschaft der Oberfläche des unteren Substrats liegenden Pfeile 1093 und 1095 zueinander parallel ausgerichtet sind. Diese Pfeile sind in ihrer vollen Länge dargestellt, was bedeutet, dass sie in der Z-X-Ebene der Fig. 6 liegen.

Die Konfiguration 1101 wird als zweidimensionale Konfiguration oder nichtverdrehte Konfiguration bezeichnet. Das nennenswerte Merkmal dieser Konfiguration besteht darin, dass sämtliche Direktoren in der Z-X-Ebene liegen und nicht aus dieser Ebene herausgedreht sind.

Die Konfigurationen 1100 und 1102 werden als dreidimensionale oder verdrehte Konfigurationen bezeichnet. Das erwähnenswerte Merkmal dieser Konfigurationen besteht darin, dass die Direktoren nicht sämtlich in der Z-X-Ebene ausgerichtet sind. Die Konfiguration 1100 wird als rechts verdrehte Konfiguration bezeichnet, die Konfiguration 1102 wird als links verdrehte Konfiguration bezeichnet. Es ist klar, dass zu Anschauungszwecken eine Verdrehung von 180° betrachtet wird.

Jede der Konfigurationen 1100,1101 und 1102 entspricht einer «vertikalen» Direktorkonfiguration, selbst wenn die

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Direktoren der Konfigurationen 1100 und 1102 etwas hori- Wie die Trennzonen funktionieren, wird nachstehend erläu-

zontal erscheinen. Die «horizontale» Konfiguration für diese tert.

verdrehten Konfigurationen wird später beschrieben. Es Jede Zelle kann unterschiedliche Anzahlen von Zonen in wurde herausgefunden, dass die Bildung der verdrehten oder verschiedenen Feldern enthalten, und die Zellen können nichtverdrehten Konfigurationen eine Funktion der Flüssig- s ähnlich in verschiedenen Feldern angeordnet sein, um den kristallmaterial-Parameter sind, so z.B. der Elastizitätsmo- gewünschten, z.B. optischen, Effekt zu erhalten. Fig. 8 und 9

duln, des Betrags der Direktor-Ausrichtwinkel an den Sub- zeigen Beispiele unterschiedlicher Zonen- und Zellenmuster,

stratoberflächen und der relativen Ausrichtung der Substra- In Fig. 9 enthält jede zelle C zwei Zonen Ri und R2, wobei toberflächen in bezug aufeinander. Die Struktur der Vorrich- jede Zelle durch eine gemeinsame Trennzone I abgetrennt ist.

tung und die Weise, in der sie arbeiten, verstehen sich jedoch 10 Die Pfeile an den Direktorlinien 29 (vgl. Fig. 7) zeigen die am leichtesten, wenn wir die zweidimensionale oder nichtver- Richtungen, die die Direktoren in einer «vertikalen» stabilen drehte Art betrachten; Im Zuge der Erläuterung soll jedoch Konfiguration einnehmen. Die Linien an den Direktorlinien selbstverständlich jede nennenswerte Abweichung bei der 30 zeigen die Richtungen, die die Direktoren in einer «hori-

Herstellung oder in der Arbeitsweise angesprochen werden. zontalen» stabilen Konfiguration einnehmen. Um also von

Fig. 7,12,13 und 14 zeigen die Muster von Flüssigkristall- is der vertikalen stabilen Konfiguration, die im Abschnitt 31

direkteren von vier Ausführungsbeispielen von Flüssigkri- dargestellt ist, in die horizontale stabile Konfiguration, die in stallzellen mit wenigstens zwei stabilen Konfigurationen. Abschnitt 32 dargestellt ist, umzuschalten, müssen die Direk-

Wie das Muster der Direktoren erzeugt wird, soll in einem torlinien 29 neu geordnet werden, um Linien zu bilden, die getrennten Abschnitt noch erläutert werden. Bei jedem der den Linien 30 ähneln. Diese Bewegung der Direktorlinien

Ausführungsbeispiele sollen die stabilen Konfigurationen 20 wird verursacht durch die Bewegung von Disklinationen.

entweder als «vertikale» Konfiguration angesprochen Wie dies bewerkstelligt wird, soll im folgenden beschrieben werden, d.h. als Konfiguration, in der ein wesentlicher Teil werden.

der Direktoren entlang einer Richtung ausgerichtet ist, die im Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel der «abwechselnd wesentlichen parallel zu dem Pfeil 100, d.h. der Z-Richtung, gekippten Geometrie», wobei die Substrate übereinander in ist (vgl. Fig. 7), oder aber als «horizontale» Konfiguration, 25 spezieller Weise angeordnet sind. Die dargestellte Ausrich-

d.h. als Konfiguration, in der ein wesentlicher Teil der Direk- tung ist nicht kritisch. Die Substratoberflächen können toren entlang einer Richtung ausgerichtet sind, die im wesent- gegeneinander in Richtung des Pfeils 101 verschoben werden liehen parallel zu dem Pfeil 101, d.h. der X-Richtung, ist (vgl. und liefern dennoch bistabilen Betrieb. Fig. 10 zeigt in dia-

Fig. 7). Diese zwei Konfigurationen sind beide stabil und grammähnlicher Form einen Querschnitt einer Ausführungs-

voneinander optisch unterscheidbar. 30 form mit «abwechselnd gekippter Geometrie» in einer verti-

Zu den nachfolgenden Erläuterungen der Strukturen soll kalen stabilen Konfiguration, wobei die Substrate aus den in bemerkt werden, dass, wenngleich die Substratebenen zur Fig. 7 dargestellten Stellungen gegeneinander versetzt

Vereinfachung der Darstellung im wesentlichen parallel dar- wurden. Fig. 11 zeigt in diagrammähnlicher Form einen gestellt sind, dies nicht ein kritisches Erfordernis bei der Querschnitt des Ausführungsbeispiels mit «abwechselnd