DE19644291A1 - Anzeige mit nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristallen - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeige, und zwar insbesondere eine Flüssigkristallanzeige, die einen nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall verwendet.

2. Technischer Hintergrund

Allgemein weist ein Kristall eine Positionsordnung und eine Ausrichtungsordnung auf, da seine Moleküle in der Position und in der Ausrichtung fixiert sind. Jedoch verschwinden beide Ordnungen, wenn der Kristall geschmolzen wird, wobei er eine isotrope Flüssigkeit ausbildet. Ein flüssiger Kristall ist insofern eine Phase oder ein Zustand, die bzw. der sowohl vom Kristall als auch von der Flüssigkeit verschieden ist, als daß der Kristall nur die Ausrichtungsordnung aufweist, oder als daß er die Ausrichtungsordnung und zum Teil Positionsordnung aufweist.

Da ein Material in der Flüssigkristallphase die Ausrichtungsordnung aufweist und seine Moleküle asymmetrische Formen aufweisen, nennt man es ein anisotropes Material, das infolge seiner Ausrichtung unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist.

Gewöhnliche Flüssigkristall-Moleküle haben die Form von langen, dünnen Stäbchen. Die Längsachse des Moleküls wird die Molekülachse genannt, und die Moleküle neigen dazu, sich so anzuordnen, daß die Molekülachsen im Durchschnitt parallel sind. Die Richtung entlang der gemittelten Molekülachse wird als ein "Direktor" dargestellt und das Ausmaß der Ausrichtungsordnung wird mittels der Beziehungen zwischen den Molekülachsen und dem Direktor gemessen. Das bedeutet, daß ein Ordnungsparameter, der den gemittelten Wert von (3 cos²θ - 1)/2 darstellt als ein Maß für das Ausmaß der Ausrichtungsordnung verwendet wird, wobei θ ein Winkel zwischen einer einzelnen Molekülachse und dem Direktor ist. Der typische Wert für den Ordnungsparameter liegt ungefähr zwischen 0,3 bis 0,9, und der Ordnungsparameter nimmt ab, wenn die Temperatur des Flüssigkristallmaterials ansteigt. Die flüssigen Kristalle werden gemäß den Ordnungstypen in drei Klassen eingeordnet, d. h. in nematische, cholesterische und chirale nematische und in smektische Flüssigkristalle. Ein nematischer Flüssigkristall weist eine Ausrichtungsordnung aber keine Positionsordnung auf. Die Positionen der Moleküle des nematischen Flüssigkristalls weisen keinerlei Ordnung auf, aber es gibt zwischenmolekulare Kräfte, die dafür sorgen, daß die Moleküle in der nematischen Phase im Durchschnitt parallel sind. Bei herkömmlichen nematischen Flüssigkristallen wird keine Ferroelektrizität festgestellt, weil die Moleküle eine Up-Down-Symmetrie aufweisen, so daß keine Nettopolarisation, die aus den molekularen Dipolmomenten resultiert, erwartet wird. Die nematischen Flüssigkristalle werden herkömmlicherweise in Anzeigen verwendet. Von einem chiralen nematischen Flüssigkristall wird oft angenommen, daß er von einem cholesterischen Flüssigkristall verschieden ist, aber diese beiden Flüssigkristalle sind nicht notwendigerweise verschieden, da ihre physikalischen Eigenschaften gewisse gemeinsame Merkmale aufweisen. Beide Flüssigkristalle weisen ähnliche zwischenmolekulare Kräfte auf, die dafür sorgen, daß die gemittelte Molekülachse im Raum entlang einer Senkrechten zum Direktor rotiert. Diese Eigenschaft, die man bei chiralen nematischen Flüssigkristallen auffindet, wird "Chiralität" genannt, und die Entfernung, innerhalb derer die gemittelte Molekülachse um eine Umdrehung rotiert, wird Gangweite ("pitch") genannt. Es ist anzumerken, daß der nicht-chirale nematische Flüssigkristall aufgrund des Anordnungsvorganges ebenfalls die verdrillte Struktur aufweisen kann. Die chiralen nematischen Materialien werden in Anzeigen verwendet, sowie auch zum Nachweis von Mikrowellen oder von elektromagnetischen Feldern.

Ein smektischer Flüssigkristall weist eine geordnetere Struktur auf, als sie die genannten beiden Flüssigkristalle aufweisen, die in molekularen Schichten ausgebildet ist. Der smektische Flüssigkristall weist nicht nur die Orientierungsordnung, sondern zum Teil auch Positionsordnung auf. Das heißt, daß die Molekülpositionen eine Periodizität in der Normalen zu den Schichten oder der Schichtnormalen aufweisen, aber sie besitzen keine Fernpositionsordnung in der Schichtebene.

Unter den smektischen Flüssigkristallen weisen die gekippten chiralen smektischen Flüssigkristalle Ferroelektrizität auf, wie beispielsweise smektische C*-Flüssigkristalle. Neuerdings sind ferroelektrische Flüssigkristalle eingehend untersucht worden. Smektische C-Flüssigkristalle sind solche, bei denen die Molekülachsen in bezug auf die Schichtnormale gekippt sind. Die Moleküle des smektischen C*-Flüssigkristalls weisen optische Aktivität auf, so daß sie eine helikale Struktur entlang der Schichtnormalen ausbilden. Der smektische C*-Flüssigkristall weist eine spontane Polarisation senkrecht zum Direktor und zur Schichtnormalen auf. Der smektische C-Flüssigkristall besitzt in bezug auf die Senkrechte zum Direktor Rotationssymmetrie und Inversionssymmetrie in bezug auf die Oberfläche der smektischen Schicht. Wenn das Molekül jedoch einen chiralen Teil aufweist, ist die Inversionssymmetrie verletzt, und das transversale Dipolmoment erzeugt die spontane Polarisation in der smektischen C*-Phase. Die makroskopische spontane Polarisation gemittelt über einen Zeitraum oder über eine Gangweite ist gleich Null, da die Moleküle der smektischen C*-Phase entlang der Schichtnormalen helikal angeordnet sind. Daher wird dieser ferroelektrische. Flüssigkristall ein uneigentliches ferroelektrisches Material genannt. Die helikale Struktur kann durch ein äußeres elektrisches Feld verformt werden und oberhalb einer kritischen Feldstärke völlig entwunden werden, wodurch eine makroskopische spontane Polarisation induziert wird. Ferroelektrische Flüssigkristallanzeigen (hiernach als ferroelektrische LCDs bezeichnet) weisen vielerlei Probleme wie beispielsweise die Schwierigkeit bei der Anordnung und die Empfindlichkeit der smektischen Schichten auf.

Die Flüssigkristalle weisen anisotrope physikalische Eigenschaften wie beispielsweise elektrische und magnetische Suszeptibilität auf. Wie oben beschrieben, beruht dies darauf, daß die Moleküle unsymmetrische Stäbchenformen aufweisen und daß daher anisotrope zwischenmolekulare Raumkräfte wirksam sind. Beispielsweise ist die elektrische Suszeptibilität entlang dem Direktor von derjenigen in der Richtung senkrecht zum Direktor verschieden. Aufgrund des Unterschiedes bei der elektrischen Suszeptibilität, ist die Dielektrizitätskonstante ebenfalls unterschiedlich. Bezeichnen wir die Dielektrizitätskonstante entlang dem Direktor als ε₁ und diejenige entlang seiner Senkrechten als ε₂. Dann ist die dielektrische Anisotropie Δε als Δε = ε₁ - ε₂ definiert. Positive dielektrische Anisotropie tritt im Falle, daß Δε < 0 ist, und negative dielektrische Anisotropie im Falle, daß Δε < 0 ist, auf. Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird, tritt eine elektrische Verschiebung ein: D = ε₂ E + Δε (nE)n. Die elektrostatische Energie beträgt

- ∫DdE = -(1/2) ε₂E² - (1/2) Δε(nE)².

Diese elektrostatische Energie konkurriert beim Erreichen eines stabilen Zustandes mit der elastischen Energie. Das Ergebnis ist, daß der Direktor von Flüssigkristallen, die positive dielektrische Anisotropie aufweisen, zu paralleler Ausrichtung in bezug auf das angelegte elektrische Feld neigt, während der Direktor von Flüssigkristallen mit negativer Anisotropie zu senkrechter Ausrichtung in bezug auf das angelegte elektrische Feld neigt.

Die LCDs nutzen die anisotropen Eigenschaften des Flüssigkristalls aus. Eine herkömmliche LCD im verdrillten nematischen ("twisted nematic") TN-Modus wird hier eingehend beschrieben.

Die Fig. 1A und 1B zeigen eine herkömmliche TN-LCD, die die positive dielektrische Anisotropie ausnützt. Fig. 1A zeigt einen Zustand, in dem kein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist, und die Fig. 1B zeigt einen Zustand, bei dem das elektrische Feld an diesen angelegt ist. Ein Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie wird zwischen die inneren Oberflächen zweier transparenter Substrate 11 und 12 eingebracht. Auf die äußeren Oberflächen der Substrate 11 und 12 sind jeweils ein Polarisator 13 und ein Analysator 14 aufgebracht. Auf der inneren Oberfläche eines jeden Substrates 11 oder 12 ist eine durchsichtige Elektrode 15 oder 16 und eine Ausrichtungsschicht 17 oder 15 ausgebildet. Die Ausrichtungsschichten sind so behandelt, daß der Direktor an der einen Oberfläche zu demjenigen an der anderen senkrecht ist, was dazu führt, daß sich der Direktor durch die Flüssigkristallplatte hindurch kontinuierlich um 90 Grad dreht.

Wenn der Spalt zwischen den beiden Substraten 11 und 12 geeignet ausgewählt ist, kann sich die Polarisation des einfallenden Lichtes, das durch die Flüssigkristallplatte hindurchtritt, als Folge der molekularen Ausrichtung ändern.

Wenn eine äußere Spannung an die durchsichtigen Elektroden angelegt wird, neigt der Großteil der Moleküle außer dem Oberflächenbereich in der Nähe der Substrate 11 und 12 zur Ausrichtung entlang der Richtung des elektrischen Feldes, d. h. senkrecht zu den Substraten 11 und 12. Die Pfeile in den Fig. 1A und 1B stellen den Direktor dar.

Es wird nun die Arbeitsweise dieser TN-LCD beschrieben.

Im ausgeschalteten Zustand ("OFF" state), in dem keine Spannung an den Substraten 11 und 12 anliegt, wirkt die Flüssigkristallplatte für das einfallende dicht wie eine wellenleitende Tafel. Am Substrat 11 einfallendes dicht wird linear polarisiert, wenn es durch den Polarisator 13 hindurchtritt, und seine Polarisation dreht sich durch die Flüssigkristallplatte. Wenn das polarisierte Licht das andere Substrat 12 erreicht, ist seine resultierende Polarisation um 90° verdreht. Für den Fall, daß die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 senkrecht zueinander sind, tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch, da die Polarisation des Lichtes zur Polarisationsachse des Analysators 14 parallel ist. Wenn jedoch die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander parallel sind, tritt kein Licht durch den Analysator 14 hindurch, da die Polarisation des Lichtes zur Polarisationsachse des Analysators 14 senkrecht ist.

Im eingeschalteten Zustand ("ON" state), bei dem eine Spannung an die beiden Substrate 11 und 12 angelegt wird, wird der molekulare Direktor abgelenkt. Da der Flüssigkristall positive dielektrische Anisotropie aufweist, richtet sich der Direktor entlang der Richtung des elektrischen Feldes aus, mit Ausnahme des Oberflächenbereiches in der Nähe der Substrate 11 und 12. Durch Steuerung der elektrischen Feldstärke kann die Größe des Kippwinkels des Direktors gesteuert werden, was dazu führt, daß der wellenleitende Effekt der Flüssigkristallschicht verändert wird. Bei ausreichend hoher elektrischer Feldstärke erreicht das durch den Polarisator 13 linear polarisierte Licht den Analysator 14 ohne Verdrehung seiner anfänglichen Polarisation. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander senkrecht sind, kann das Licht nicht durch den Analysator 14 hindurchtreten. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 zueinander parallel sind, tritt das Licht durch den Analysator 14 hindurch.

Zwischen dem OFF-Zustand und dem ON-Zustand kann man eine analoge Graustufenskala erhalten, indem die angelegte elektrische Feldstärke gesteuert wird.

Der Drehwinkel des molekularen Direktors im TN-Modus beträgt 90 Grad, während derjenige im über-verdrehten nematischen Modus ("super-twisted nematic (STN) mode") größer als derjenige im TN-Modus ist, beispielsweise 220 Grad oder 270 Grad.

Die herkömmliche TN- oder STN-LCD weist viele Nachteile wie beispielsweise schmale Sichtwinkel und große Trägheit auf, da die Arbeitsweise nur auf der dielektrischen Anisotropie beruht.

Vor kurzem wurde ein LCDs verwendender smektischer C*-Flüssigkristall, der ferroelektrisch ist, aufgrund seiner schnellen Reaktion entwickelt.

Ein smektischer C-Kristall ist eine Phase, in der der Molekül-Direktor des Flüssigkristalls in Bezug auf die smektischen Schichten bzw. auf die Schichtnormale, d. h. auf einen Einheitsvektor senkrecht zur smektischen Schicht, geneigt ist. Der Winkel zwischen dem Direktor und der Schichtnormalen ist in Bezug auf eine festgelegte Temperatur konstant und wird ein "Molekül-Kippwinkel" ("molecular tilt-angle") genannt. Ein smektischer C*-Flüssigkristall besteht aus optisch aktiven Molekülen, und daher dreht sich der Direktor helikal entlang der zu den smektischen Schichten senkrechten Achse. Da dieser Flüssigkristall eine spontane Polarisation aufweist, die senkrecht zum Molekül-Direktor ist, wird er ein ferroelektrischer Flüssigkristall genannt. Die smektische C-Phase weist eine Rotationssymmetrie um die zum Direktor orthogonale Achse auf und eine Inversionssymmetrie in Bezug die Fläche, die in Bezug auf die smektische Schicht parallel und in Bezug auf die zum Direktor orthogonale Achse senkrecht ist. Da der smektische C*-Flüssigkristall aus Molekülen besteht, die chirale Teile aufweisen, wird die Inversionssymmetrie gestört, und die Dipolmomente sind in einer Richtung ausgerichtet, die senkrecht zum Direktor steht. Als Ergebnis weist ein smektischer C*-Flüssigkristall Ferroelektrizität mit makroskopischer spontaner bzw. permanenter Polarisation auf. Tatsächlich wird die makroskopische spontane Polarisation Null, da sich der Direktor helikal um die Achse dreht, die senkrecht zur smektischen Schicht steht. Daher wird der ferroelektrische Flüssigkristall oftmals ein uneigentliches ferroelektrisches Material genannt. Der helikale Aufbau kann durch das Anlegen eines externen elektrischen Feldes entwunden werden, und überhalb einer kritischen Feldstärke tritt eine spontane Netto- Polarisation auf.

Jetzt wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine herkömmliche ferroelektrische Flüssigkristallanzeige, die einen chiralen smektischen C* verwendet, detailliert beschrieben.

Ein smektischer C*-Flüssigkristall 10 wird zwischen zwei durchsichtige Elektroden 11 und 12 eingebracht.

Die smektischen Schichten 20 des Flüssigkristalls sind senkrecht zu den Elektroden 11 und 12 ausgerichtet. Da der Winkel zwischen dem Direktor und der zu den smektischen Schichten 20 senkrechten Achse bei festgelegter Temperatur konstant ist, und da sich der Direktor helikal entlang der zu den smektischen Schichten 20 senkrechten Achse dreht, dreht sich der Direktor auf der Oberfläche des Konus, der in Bezug auf die zur smektischen Schicht 20 senkrechten Achse symmetrisch ist.

In diesem Zustand wird, sobald die Spannung zwischen den Elektroden 11 und 12 größer als die kritische Spannung wird, der helikale Aufbau entwunden, und die Molekulardipole richten sich neu im elektrischen Feld aus.

Wenn der Zwischenraum zwischen den zwei Elektroden 11 und 22 klein genug ist, um die Gangweite der Helix zu unterdrücken, nimmt der Flüssigkristall eine an den Oberflächen stabilisierte ferroelektrische Flüssigkristallstruktur an, die eine Bistabilität mit ON- und OFF-Zuständen aufweist.

Die herkömmliche LCD, die einen ferroelektrischen Flüssigkristall verwendet, ist schnell ansprechend und quasi­ stabil, besitzt aber eine schwache Grauskala.

Wie oben erwähnt, wird der chirale smektische C*-Flüssigkristall für LCDs verwendet; jedoch wurde bis dato kein nicht-chiraler smektischer C-Flüssigkristall für LCDs verwendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LCD bereitzustellen, die einen nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall verwendet.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LCD bereitzustellen, die einen nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall verwendet, der eine analoge Grauskala aufweist.

Um diese Aufgaben zu erfüllen, verwendet die vorliegende Erfindung einen nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall zwischen zwei durchsichtigen Elektroden. Der Flüssigkristall weist smektische Schichten auf, die senkrecht zu den Flächen der Elektroden ausgerichtet sind, und der Molekül-Direktor ist beim Übergang von einer Elektrode auf die andere verdreht. Ein Drehwinkel zwischen den Direktoren, der an den zwei Elektroden definiert ist, liegt zwischen 0 Grad und 180 Grad.

Die Moleküle in der smektischen C-Phase erzeugen einen konstanten Molekül-Kippwinkel in Bezug auf die festgelegte Temperatur in Bezug auf die Schichtnormale. Der Drehwinkel kann gleich dem Molekül-Kippwinkel sein oder weniger als das Zweifache davon betragen, wobei er vorzugsweise gleich dem Zweifachen des Molekül-Kippwinkels ist. In diesem Fall sind die gewünschten Materialien solche smektischen C-Flüssigkristalle, die einen Molekül-Kippwinkel von 15 Grad bis 60 Grad - insbesondere von 40 bis 50 Grad - aufweisen. Jedoch ist allgemein ein Drehwinkel zwischen Null und 180 Grad beim Übergang von einer Elektrode zur anderen möglich.

Die Vorkippwinkel ("pretilt angles") auf den beiden Elektroden können durch geeignete Ausrichtung der Oberflächen zwischen Null und dem Molekül-Kippwinkel eingestellt werden, und der Winkel zwischen den Direktoren auf den beiden Elektroden ist gleich dem Zweifachen des Molekül-Kippwinkels. Beispielsweise ist der Vorkippwinkel auf einer Elektrode genau gleich dem Molekül-Kippwinkel, und der Vorkippwinkel auf der anderen Elektrode ist kleiner als der Molekül-Kippwinkel. Für diesen Fall ist es vorzuziehen, daß der Drehwinkel von Null bis 180 Grad noch anwendbar ist. Die Verdrehung um 180 Grad stellt die Vorkipprichtungen auf den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden dar. Der gewünschte Molekül-Kippwinkel liegt im Bereich von 40 bis 50 Grad.

Die Flüssigkristallanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt weiterhin Polarisatoren, die jeweils an den Elektroden angebracht sind. Der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren ist vorzugsweise entweder gleich dem Drehwinkel des Molekül-Direktors oder gleich ± 90 Grad plus dem Drehwinkel des Molekül-Direktors. Ein anderer Fall ist derjenige, daß die Polarisationsachsen der zwei Polarisatoren entweder parallel oder senkrecht zueinander sind.

Anstatt der Verwendung eines Polarisatorenpaares ist es möglich, einen Polarisator zu verwenden, der an der einen Elektrode angebracht ist, und einen Reflektor, der an der anderen angebracht ist.

Die LCD gemäß der vorliegenden Erfindung kann ähnlich der herkömmlichen TN- oder STN-LCD betrieben werden. Jedoch bewegt sich der Molekül-Direktor infolge der Wechselwirkung zwischen der den Molekül-Kippwinkel erhaltenden Kraft und der ausrichtenden Kraft auf der Oberfläche eines "induzierten Konus". Die Orientierung des Molekül-Direktors verändert sich als Reaktion auf die Stärke des elektrischen Feldes, weshalb die Graudarstellung möglich wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen (Figuren) eingehender beschrieben, in denen
die Fig. 1A und 1B eine TN-LCD veranschaulichen, die aus einem Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie besteht;

Fig. 2 eine herkömmliche ferroelektrische LCD zeigt, die einen chiralen smektischen C*-Flüssigkristall verwendet;

Fig. 3 eine nicht-chirale smektische C-LCD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 die Moleküle in einer smektischen Schicht einer nicht-chiralen smektischen C-LCD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm ist, das den Rotationswinkel Φ(z/d) für z/d zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm ist, -das den Winkel θ(z/d) zwischen dem auf die x-y-Ebene projizierten Direktor und: der x-Achse als eine Funktion von z/d zeigt; und

Fig. 7 ein Diagramm ist, das die Lichtdurchlässigkeit durch die LCD als eine Funktion einer angelegten Spannung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung in anbetracht der beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 3 zeigt eine LCD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 zeigt einen "AUS"-Zustand, in dem kein elektrisches Feld angelegt wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, befindet sich ein nicht-chiraler smektischer C-Flüssigkristall 10, der entweder eine positive oder eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, zwischen zwei durchsichtigen Elektroden 11 und 12. Auf den äußeren Oberflächen der beiden Elektroden 11 und 12 sind jeweils ein Polarisator 13 und ein Analysator 14 befestigt.

Die smektischen Schichten 20 des Flüssigkristalls 10 stehen in Bezug auf die Oberfläche der Elektroden 11 und 12 senkrecht, und der Molekül-Direktor des Flüssigkristalls 10 nimmt einen festen Winkel ein, der ein "Molekül-Kippwinkel" in Bezug auf die Schichtnormale genannt wird.

Die innere Oberfläche einer jeden Elektrode 11 oder 12 ist mit einer ausrichtenden Schicht überzogen (nicht gezeigt), so daß der Molekül-Direktor des Flüssigkristalls 10 homogen ausgerichtet wird. Die Ausrichtungsschicht kann beispielsweise aus oberflächenaktiven Stoffen wie Alkylphenol und Hexadexyltrimethylammoniumbromid, Polyimiden oder Ausrichtungsabsorbentien ausgebildet sein, die nach dem Langmuir-Blodgett′schen Filmabscheidungsverfahren aufgezogen sind. Die Ausrichtungsschichten sind so geschliffen, daß sich der Moleküldirektor des Flüssigkristalls 10 entlang einer bestimmten Richtung ausrichtet.

Der Winkel zwischen den Schliffrichtungen auf zwei Elektroden beträgt das Doppelte des Molekül-Kippwinkels. Danach wird der Moleküldirektor so angeordnet, daß die den Molekül-Kippwinkel erhaltende Kraft sich mit der ausrichtenden Kraft im Gleichgewicht befindet.

Fig. 4 zeigt die Moleküle in einer smektischen Schicht eines nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristalls zwischen den zwei Elektroden 11 und 12.

Man lege die x-Achse senkrecht zur smektischen Schicht und die y-Achse parallel zu den Elektroden 11 und 12, d. h. 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn in bezug auf die positive x-Achse, und die z-Achse senkrecht zur x-y-Ebene, d. h. 90 Grad im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf die y-Achse. Darüberhinaus wird ein "Molekül-Kippwinkel" θ₀ als ein Winkel zwischen der positiven X-Achse und einem Molekül-Direktor ñ definiert, ein "horizontaler Winkel" θ als Winkel zwischen der x-Achse und dem auf die x-y-Ebene projizierten Direktor und ein "Rotationswinkel" Φ als Winkel zwischen der y-Achse und dem auf die y-z-Ebene projizierten Direktor. Dann ist der Direktor ñ als ñ = (cos θ, sin θ cos Φ, sin θ sin Φ) dargestellt. Man nehme ferner an, daß der horizontale Winkel θ positiv ist, wenn der auf die x-y-Ebene projizierte Direktor in dem Bereich liegt, wo y < 0 ist, während er negativ ist, wenn er im Bereich y < 0 liegt. Der Molekül-Kippwinkel θ₀ (<0) für eine festgelegte Temperatur ist infolge der Eigenschaft des smektischen C-Flüssigkristalls konstant.

Die durch die Direktoren 17 und 18 aufgespannte Ebene ist infolge der homogenen Ausrichtung parallel zu den Oberflächen der Elektroden 11 und 12. Der Rotationswinkel Φ des Direktors 17 auf der unteren Elektrode 11 beträgt Null Grad und der des Direktors 18 auf der oberen Elektrode 180 Grad. Die Beträge des horizontalen Winkels θ sind dieselben, während sich ihre Vorzeichen unterscheiden. Das heißt, daß der horizontale Winkel θ des Direktors 17 gleich +θ° ist, während der des Direktors 18 gleich -θ₌ ist.

Der horizontale Winkel θ im bulk verändert sich durch die Flüssigkristallplatte hindurch kontinuierlich von +θ₀ zu -θ₀.

Als Ergebnis wird der Direktor, abgerollt auf der Oberfläche eines "induzierten Konus", um 2θ₀ gedreht.

Daher variiert der Rotationswinkel Φ im Bereich der Oberfläche der unteren Elektrode 11 zum Mittelpunkt hing von Null bis 90 Grad, und der Rotationswinkel Φ im Bereich vom Mittelpunkt zur Oberfläche der oberen Elektrode 12 hin variiert von 90 bis 180 Grad. Der horizontale Winkel θ im Bereich der Oberfläche der unteren Elektrode 11 zum Mittelpunkt hin variiert von +θ₀ bis Null und derjenige im Bereich vom Mittelpunkt zur Oberfläche der oberen Elektrode 12 hin variiert von Null bis -θ₀.

Als Ergebnis beträgt der Unterschied im Rotationswinkel Φ zwischen den Direktoren auf den Elektroden 17 und 18 180 Grad, und der Unterschied im horizontalen Winkel θ beträgt 2θ₀ d. h. daß er gleich dem Winkel zwischen den Direktoren auf den zwei Elektroden 11 und 12 ist.

Bei Vorhandensein einer angelegten Spannung wird die Orientierung des Direktors abgelenkt. Als erstes wird angenommen, daß der Flüssigkristall eine negative dielektrische Anisotropie aufweist. Dann neigt der Direktor dazu, so angeordnet zu sein, daß er senkrecht zum elektrischen Feld steht, während der Molekül-Kippwinkel festgelegt ist. Daher rotiert der Direktor auf der Oberfläche des induzierten Konus 40 in einer zum Feld senkrechte Richtung. Er nimmt den kürzesten Weg vom Ausgangszustand zum stabilen Zustand.

So neigt der Direktor im Bereich von der unteren Elektrode 11 zum Mittelpunkt, d. h. im Bereich, wo 0 < θ < +θ₀ ist, dazu, um θ = +θ₀ auf dem induzierten Konus zu rotieren. Andererseits rotiert der Direktor im Bereich vom Mittelpunkt bis zur unteren Elektrode 11, d. h. im Bereich, wo -θ₀ < θ < 0 ist, um θ = -θ₀ auf dem induzierten Konus. Daher wird eine Inversionswand, die die zwei Bereiche trennt, in der Mitte des Flüssigkristalls 10 erzeugt.

Als nächstes wird angenommen, daß der Flüssigkristall eine positive dielektrische Anisotropie aufweist. Dann neigt der Direktor dazu, so angeordnet zu sein, daß er parallel zum elektrischen Feld ist, wobei der Molekül-Kippwinkel festgelegt ist. Da die Kraft infolge des elektrischen Feldes geringer ist, als die den Molekül-Kippwinkel erhaltende Kraft, muß er Direktor den Molekül-Kippwinkel einhalten. Daher wird sich der Direktor - außer in der Nähe der Elektroden 11 und 12 - auf der Oberfläche des induzierten Konus 40 in Richtung dem Stellung θ = 0 drehen. Der Rotationswinkel Φ dieser Stellung beträgt 90 Grad.

Da das Ausmaß der Direktorrotation von der Stärke des angelegten Feldes abhängt, wird eine kontinuierliche elektro­ optische Wirkung als Funktion der Feldstärke erzielt.

Der Betrieb der LCD, die mit einem nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall hergestellt ist, der gemäß der Ausführungsform eine negative dielektrische Anisotropie aufweist, wird nun beschrieben.

In Abwesenheit eines elektrischen Feldes behält der Direktor den verdrehten Zustand entlang dem induzierten Konus bei. Angenommen, daß ein linear polarisiertes Licht durch den Polarisator 13 und die Elektrode 11 senkrecht auf die Elektrode 11 entlang der Oberflächennormalen einfällt; dann erscheint diese verdrehte nicht-chirale smektische C-Struktur optisch einer die TN-LCD ähnlich zu sein, da die optischen Eigenmoden der Probe linear polarisiert werden, wenn Δnd » λ ist, wobei Δn die Doppelbrechung und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Daher rotiert ein linear polarisiertes Licht, das auf diese Struktur einfällt, um einen Drehwinkel.

Wenn der Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Analysators 14 und des Polarisators 13 derselbe ist wie der Drehwinkel des Molekül-Direktors durch die Flüssigkristallplatte, ist die Polarisation des Lichtes, das den Analysator 14 erreicht, parallel zu derjenigen des Analysators 14, weshalb dann das Licht durch den Analysator 14 hindurchtritt.

Wenn sich der Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Analysators 14 und des Polarisators 13 um ± 90 Grad vom Drehwinkel des Molekül-Direktors unterscheidet, ist die Polarisation des Lichtes, das den Analysator 14 erreicht, senkrecht zu derjenigen des Analysators 14, weshalb dann das Licht nicht durch den Analysator 14 hindurchtritt.

Wenn ein elektrisches Feld am Flüssigkristall angelegt wird, neigt der Moleküldirektor dazu, sich senkrecht zur Feldrichtung auf der Oberfläche des induzierten Konus auszurichten, vorausgesetzt daß der Flüssigkristall eine negative dielektrische Anisotropie aufweist. Wenn die Stärke des elektrischen Feldes ausreichend hoch ist, wird der Molekül- Direktor in Bezug auf die Feldrichtung senkrecht. Wenn das angelegte Feld nicht ausreicht, erfahren die Moleküle ein gewisses Ausmaß an Orientierungsanlenkung. Die Moleküle in der Nähe der Elektroden behalten ihre homogene Ausrichtung bei, da die in den Ausrichtungsschichten 17 und 18 vorhandenen Ausrichtungskräfte größer als die elektrische Kraft sind.

Bei einem ausreichend hohen elektrischen Feld sind die meisten Moleküle parallel zu den Elektroden 11 und 12. Das linear polarisierte Licht erreicht den Analysator 14 durch den Polarisator 13 ohne irgendeine Störung. Wenn die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und Analysators 14 senkrecht zueinander stehen, dringt das Licht kaum durch den Analysator 14, da die Polarisation des Lichtes senkrecht zu der des Analysators 14 ist. Wenn jedoch die Polarisationsachsen des Polarisators 13 und des Analysators 14 parallel zueinander sind, dringt das Licht durch den Analysator 14.

Wie oben beschrieben, hat eine nicht-chirale smektische C-LCD gemäß dieser Ausführungsform eine homogene Ausrichtung und der Drehwinkel beträgt das Doppelte des Molekül-Kippwinkels. Jedoch ist der Schutzumfang dieser Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.

Beispielsweise ist ein Fall der, daß der Drehwinkel und der Molekül-Kippwinkel 45 Grad sind, und daß der Rotationswinkel um 0 bis 90 Grad variiert. In diesem Fall ist der Vorkippwinkel des Direktors auf der Oberfläche einer Elektrode gleich dem Molekül-Kippwinkel und der der zweiten Elektrode kann Null sein.

Der andere Fall ist der, daß der Drehwinkel und der Molekül-Kippwinkel 45 Grad sind, und daß der Rotationswinkel um -90 bis 90 Grad variiert. In diesem Fall können die Vorkippwinkel auf den Oberflächen der ersten und zweiten Elektrode jeweils gleich dem Molekül-Kippwinkei sein, und/der Winkel zwischen den Direktoren auf den Oberflächen beider Elektroden ist gleich dem Doppelten des Molekül-Kippwinkels.

Die Fig. 5 bis 7 sind Graphen, die sich auf eine LCD mit negativer dielektrischer Anisotropie beziehen, wobei der Molekül-Kippwinkel 45 Grad beträgt und der Drehwinkel 90 Grad das Doppelte des Molekül-Kippwinkels.

Fig. 5 ist ein Graph, der den Rotationswinkel Φ als Funktion von z/d für angelegte Spannungen von 0, 2, 5, 10 V zeigt, wobei z die Entfernung von der unteren Elektrode entlang der z-Achse und d der Abstand zwischen den Elektroden ist. Die dielektrische Anisotropie Δε des Flüssigkristalls ist -10, und d ist 10 Mikron. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist der Rotationswinkel Φ in Abwesenheit eines elektrischen Feldes beinahe proportional zu z. Jedoch nähert er sich im unteren Bereich von z/d < 0,5 an Null und im oberen Bereich von z/d < 0,5 an 180 Grad an, wenn die Feldstärke zunimmt.

Fig. 6 ist ein Graph, der den Betrag des horizontalen Winkels θ als Funktion von z/d für angelegte Spannungen von 0, 2, 5, 10 V zeigt, wobei z die Entfernung von der unteren Elektrode entlang der z-Achse und d der Abstand zwischen den Elektroden ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, nähert sich der Betrag des horizontalen Winkels in sowohl dem oberen als auch unteren Bereich an Null an und zeigt einen scharfen Peak im Mittelbereich, wenn die Feldstärke größer wird. Der Peak stellt eine Inversionswand dar, die den unteren und oberen Bereich trennt.

Fig. 7 zeigt die Durchlässigkeit als Funktion einer angelegten Feldstärke für unterschiedliche dielektrische Anisotropien. Fig. 7 zeigt, daß sich die Kurve mit ansteigendem Betrag der dielektrischen Anisotropie stärker krümmt.

Wie oben beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung einen nicht-chiralen smektischen C-Flüssigkristall, der eine verdrehte Struktur aufweist und eine kontinuierliche elektro­ optische Wirkung erzielt.

Es ist offensichtlich, daß verschiedene weitere Abwandlungen für den Fachmann leicht erkennbar und durchführbar sind, ohne vom Schutzumfang und vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß wird nicht beabsichtigt, den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche auf die vorliegende Beschreibung einzuschränken, sondern es wird beabsichtigt, daß die Ansprüche im Wege der Auslegung alle Merkmale der patentierbaren Neuheit umfassen, die die vorliegende Erfindung beinhaltet, einschließlich all jener Merkmale, die vom Fachmann als Äquivalente der vorliegenden Erfindung beurteilt werden.

Claims (20)

1. Eine Flüssigkristallanzeige, die folgendes umfaßt:
eine erste und eine zweite durchsichtige Elektrode; und
einen smektischen C-Flüssigkristall zwischen der ersten und zweiten Elektrode, worin die smektischen Schichten des Flüssigkristalls senkrecht zur ersten und zweiten Elektrode sind und der Molekül-Direktor des Flüssigkristalls beim Übergang von der ersten zur zweiten Elektrode gedreht wird.

2. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, worin die Molekül-Direktoren auf den Oberflächen der ersten und zweiten Elektrode homogen ausgerichtet sind.

3. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, worin der Molekül-Direktor auf der Oberfläche der ersten Elektrode in Bezug auf den Molekül-Direktor auf der Oberfläche der zweiten Elektrode einen Drehwinkel im Bereich von 0 bis 180 Grad erzeugt.

4. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 3, worin der Molekül-Direktor in Bezug auf die Schichtnormale der smektischen Schichten einen Molekül-Kippwinkel erzeugt.

5. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 4, worin der Drehwinkel gleich oder kleiner als das Doppelte des Molekül- Kippwinkels ist.

6. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 5, worin der Drehwinkel das Doppelte des Molekül-Kippwinkels beträgt.

7. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 6, worin der Molekül-Kippwinkel im Bereich von 15 bis 60 Grad liegt.

8. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 7, worin der Molekül-Kippwinkel im Bereich von 40 bis 50 Grad liegt.

9. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, worin der Moleküldirektor in Bezug auf die Schichtnormale der smektischen Schichten einen festen Molekül-Kippwinkel erzeugt, und worin der Molekül-Direktor von Null bis 180 Grad um die Schichtnormale der smektischen Schichten herum gedreht wird.

10. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, worin die Vorkippwinkel auf den Oberflächen der ersten und zweiten Elektrode jeweils gleich oder kleiner als der Molekül-Kippwinkel sind, und worin der Winkel zwischen den Direktoren auf den Oberflächen der ersten und zweiten Elektrode gleich dem Doppelten des Molekül-Kippwinkels ist.

11. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 10, worin der Molekül-Kippwinkel im Bereich von 15 bis 60 Grad liegt.

12. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 11, worin der Molekül-Kippwinkel im Bereich von 40 bis 50 Grad liegt.

13. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 9, worin der Drehwinkel des Molekül-Direktors im Bereich von 80 bis 100 Grad liegt.

14. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 13, worin der Molekül-Kippwinkel im Bereich von 40 bis 50 Grad liegt.

15. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 14, die weiterhin zwei Polarisatoren umfaßt, die jeweils an der ersten und zweiten Elektrode angebracht sind.

16. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 15, worin der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren gleich dem Drehwinkel des Molekül-Direktors ist.

17. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 16, worin der Winkel zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren ± 90 Grad plus dem Drehwinkel des Molekül- Direktor ist.

18. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 16, worin die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren parallel zueinander stehen.

19. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 16, worin die Polarisationsachsen der zwei Polarisatoren senkrecht zueinander stehen.

20. Die Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 14, die weiterhin einen Polarisator umfaßt, der an der ersten Elektrode angebracht ist, und einen Reflektor, der an der zweiten Elektrode angebracht ist.