DE2124151A1 - Flüssigkristallzelle - Google Patents

Description

Patentanwälte'

Dipi.-ing. Leinweber
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^U1^^§S ROVAC Fabrikation elektrotechnischer

Spezialartikel Gesellschaft m.b.H., Rampengasse 5, A-1194 Wien (Österreich)

Flüssigkristallzelle

. Mai 1971

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle, bei der die kristalline Flüssigkeit zwischen Platten aus anorganischem Werkstoff, insbesondere Glas,.eingebettet ist, von denen mindestens eine durchsichtig ist und die gegebenenfalls mit durchsichtigen bzw., reflektierenden ftünn-Bchicht-Blektroden bedeckt sind.

Unter einer Flüssigkrietallzelle versteht man eine steuerbare !lichtschranke oder einen steuerbaren Reflektor, bei denen die zwischen Schmelz- und Klärpunkt auftretenden besonderen Eigenschaften kristalliner, d.h. anisotroper, Flüssigkeiten ausgenützt werden. Bei der Ausführung als Lichtschranke müssen sämtliche Platten und Dünnschicht-Elektroden durchsichtig sein, bei der Ausführung als Reflektor benötigt man neben durchsichtigen Platten und Dünnschicht-Elektroden mindestens eine reflektierende Dünnsohicht-Elektrods, wobei deren Trägerplatte undurchsichtig sein kann.

Für Flüssigkristallzellen benutzt man in der Praxis vor allem nematische kristalline Flüssigkeiten und als steuernde Einflußgrößen vorzugsweise elektrische Felder. Für die praktische Anwendung ist es erforderlich, verhältnismäßig dünne Schichten der kristallinen Flüssigkeit zu bil-

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0 2 den» deren Dicke in der Größenordnung von 10 Ma 10 pm, insbesondere von 5 bis 30 ^tua liegt. Bisher ist man so vorgegangen, daß man zwischen Platten aus durchsichtigem Werkstoff, vor allem aus G-laa, die je nach Erfordernis mit durchsichtigen bzw. reflektierenden Dünnschicht-Elektroden bedeckt waren, am Plattenrand Streifen oder einen teilweise unterbrochenen Rahmen aus einer folie angeordnet hat, deren Dicke dem lichten Abstand entsprach. Als Folienwerkstoff kam dabei hauptsächlich Polyhexafluoräthylen zum Einsatz. Nach dem Einfüllen der kristallinen Flüssigkeit wurde die Zelle mit einem Epoxydharz verschlossen. Bei dieser Ausführungsform läßt in einiger Entfernung vom Rand die Konstanz des Abstandes, insbesondere bei Druokbelastuhgen, zu wünschen übrig. .Dadurch ist die Herstellung großflächiger Flüssigkristallzellen erschwert, wenn nicht unmöglich. Ferner ist die Lebensdauer mit etwa 10* Stunden noch bescheiden, wofür vor allem der nicht völlig hermetische Verschluß, der das Eindiffundieren von Lösungsmitteldampf en und Atmosphärilien nicht ausreichend verhindert, als Ursache genannt wird.

Einen zusammenfassenden Überblick über die Eigenschaften kristalliner Flüssigkeiten findet man z.B. bei: A.Saupe "Heuere Ergebnisse auf dem Gebiet der flüssigen Kristalle", Zeitschrift für Angewandte Chemie, 80.Jahrgang (1968), Seiten 99 bis 115, oder bei: H.Sackmann und Dr.Demus "Eigenschaften und Strukturen thermotroper kristallinflüssiger Zustände", Fortschritte der Chemischen Forschung, ^.Jahrgang (1969)» Seiten 349 bis 386. Praktische Anwendungen sind z.B. in den ÜS-Patentschriftan Kr.2 400 877, Hr. 2 524 286, Hr. 2 544 659, Hr. 3 135 207 und Nr. 3 322 485, bzw. in der Zeitschrift Electronics vom 6.7.1970, Seiten 64 bis 70, und in der Zeitschrift Electronic Design vom 13-9-1970, Seiten 76 bis 81, beschrieben.

Durch die österreichische Patentschrift Hr. 284 361 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Mehrfach-

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7erglo.sung8einheiten bekannt geworden, wobei die Platten unter Bildung eines Steges am Band verschmolzen werden und in mindestens einer Ecke der Einheit ein Entwässerungeloch in der einer. Platte vorgesehen ist, das schließlich dicht verschlossen wird. Pur Flüssigkristallzellen sind derart hergestellte Mehrfach-Verglasiingseinheiten nicht verwendbar, da bei dem für deren Herstellung notwendigen ■Verschmelzprozeß die Mnnsehicht-Elektroden zerstört würden und der geforderte enge lichte Abstand nicht, bzw. nicht mit der benötigten Toleranz, herstellbar ist". * ..

!Durch die österreichischen Patentschriften Nr. 261 015 und Nr. 261 016 ist die Verwendung praktisch ein Korn dicker Kornschichten zur Herstellung eines Elektroöensystems bekannt geworden, doch dienen dort die Körner nicht zwecks enger Distanzienzng von Platten.

Die Erfindung ist bestrebt, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile, eine rauhen Praxisbedingungen besser entsprechende Plüssigkristallzelle zu schaffen»

Erfindungsgemäß ist zur Distanzierung der

Platten zwischen diesen in diskreten Bereichen eine Lotglasschicht angeordnet, die einlagig angeordnete Körner enthält, durch die der lichte Abstand der Platten bestimmt ist, wobei der Körnerwerkstoff im Verhältnis zum Lotglaswerkstoff eine höhere Erweichungstemperatur aufweist»

Verteilhafterweise weist der Körnerstoff beim Softening Point ( 1O⁷»⁶⁵ Poise = 4,5.1O⁷ Poise) des Lotglas* Werkstoffes eine Zähigkeit auf, die mindestens um eine Zehnerpotenz höher liegt als die Zähigkeit des Lotglaswerkstoffee (z.B. Zähigkeit des Körnerwerkstoffes beim Softening Point des Lotglaswerkstoffes 10° Poiee).

Abgesehen davon, daß das angestrebte Ziel hiermit erreicht wird, können nunmehr wesentlich dünnere Platten verwendet werden, als bei den bekannten Ausführungen, was

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neben Material- und Platzersparnis noch die Möglichkeit zu vorteil/haften Weiterbildungen der Erfindung bietet, die unten beschrieben sind. Auch die Herstellung großflächiger Plussigkristallzsllen ist durch die Erfindung wesentlich erleichtert.

Obgleich man in der Praxis hauptsächlich nematische kristalline Flüssigkeiten oder Gemische mit einer nematlschen kristallinen Flüssigkeit als Hauptkomponente für Flüssigkristallzellen einsetzt, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern auf alle Sorten und Mischungen, sofera sie nur anisotropes, Verhalten zeigen, anwendbar.

Zweekmäßigerweise ist die die Körner enthaltende Lotglassehicht zumindest über Teilbereiche der Randzonen der Platten angeordnet. .

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß eich die zwischen die Platten eingebrachte kristalline Flüssigkeit zufolge der Kapillarkraft gewisse Zeit zwischen diesen hält, &uoh ohne vollständigen Verschluß des zwischen den Platten gebildeten Hohlraumes.

Sine besondere lange Lebensdauer der Flüssigkristallzelle wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt, daß die Randzonen bis auf zunächst zwecke Binfüllens der kristallinen Flüssigkeit frei bleibende Füll- bzw. Entlüftungsöffnungen zur Gänze mit der die Körner enthaltenen Lotglasschicht versehen sind, welche Füll- bzw. Entltiftungsöffnungen hermetisch abgeschlossen sind.

Nach einer Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Flüssigkristallzelle als Bildschirm, beispielsweise für einen Oszillator oder ein Fernsehempfangsgerät ausgebildet, wobei eine an sich bekannte Torrichtung zur Erzeugung des Bildrasterβ vorgesehen ist» Zur Ausbildung als Bildechina eines Farbfernsehempfangsgerätes sind zweckmäßigerweise 00 viele Schichten kristalliner, -mit den entsprechenden Farbstoffen dotierter Flüssigkeit vorgesehen, als Grundfarben

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zum Aufbau des Farbbildes herangezogen sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Die Pig. 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäBe KLüasigkristallzelle mit die Platte praktisch zur Gänze bedeckendei^ünnschioht-Elektroden,' und zwar Fig.1 einen Schnitt nach der Idnie 1-1 der Pig.2, . , Pig.2 eine Draufsicht bei abgehobener Deckplatte und Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig.1. Die Pig.4 und5 zeigen beispielsweise Ausbildungsmöglichkeiten für Dünnschicht-Elektroden,

Pig.6 zeigt einen Schnitt durch eine mehrlagige Flüssigkristall zelle .

Die in den Fig,1 bis 3 -dargestellte Plüsaigkr^- stallzelle stellt das Grundprinzip der Erfindung dar. Sie besteht aus zwei an der Innenseite praktisch zur Gänze mit !Dünnsohicht-Elektroden 11, 12 bedeckten Glasplatten 1,2, «wischen denen an ihren Randzonen 4»5»6»7 eine Lotglasachicht 8 angeordnet ist, die einlagig angeordnete Körner enthält, durch die der lichte Abstand der Platten 1,2 bestimmt ist. Daruberhinaus ist zur !Erhöhung der Widerstandsfähigkeit insbesondere bei Druckbeläetungen im Hohlraum 9 eine Insel 38 angeordnet, die ebenfalls aus einer Körner 3 enthaltenden Lotglasschicht 8 besteht. ₍

Bas Aufbringen der Lotglasschichten 8 samt Körnern 3 erfolgt zweckmäßig durch Siebdrucken, z.B. auf die

κ» bereits mit der Dünnschicht-Elektrode 12 bedeckte Platte

ίο Anschließend wird die Platte 1, die ebenfalls bereite mit

"2 ^de*' Dünne chi cht-Elektrode 11 bedeckt ist, aufgelegt und *· der Stapel auf die Verärbeitungatemperatur des Lotglaaee

_}o erhitzt. Durch Wahl eines Werkstoffes für die Körner 3, _m flez'bji c ieser temperatur im Vergleich zum Lotglas 8 noch ^OT hart ulesbt, wird die genaue Distanzierung während der Erbiäzung erreicht. Die,3ista.r*z.ie£Lti-Lewahi-end der Erhitzung

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ist, bei idealen Oberflächen theoretisch durch die drei größten Körner 3 geget>en₅ praktisch durch eine weit größere Anzahl, sie entspricht jedoch der oberen Grenze des Kornspektrums. !lach deti Erkalten ist die derart hergestellte Distsaazierung durch die Lotgl&sschicht 8 gegeben. Durch die Platten 1,2 und die die Körner 3 enthaltende Lotglasschicht 8 ist.der Hohlraum 9 bestimmt,. wobei die Platten 1,2 eng, beispielsweise im Abstand von 20/um, distanziert sind» Die Dicke der Dünnschicht-Blektroden 11,12 beträgt beispielsweise 0,5 pm. Die Versetzung der Platten 1,2 erfolgt zwecks Erleichterung des Anschlusses an die Dünnschicht-Elektroden 11,12.

In den Hohlraum 9 wird, z.B. durch die ausgesparte Füllöffnung 13, nematieche kristalline Flüssigkeit 10 oder ein Gemisch mit einer nematischen kristallinen "Flüssigkeit als Hauptkömpqnente eingefüllt. Dabei dient die öffnung 14 als Entlüftungsöffnung. Die öffnungen 13,14 werden nach dem Einfüllen der kristallinen Flüssigkeit 10 mittels (nicht gezeichneten) Epoxydharzes verschlossen, wobei nur sehr kleine Berührungsflächen des Epoxydharzes mit der kristallinen Flüssigkeit 10, zudem an einem "toten Arm", auftreten. Die Anzahl der Öffnungen 13,14 ist selbstverständlich weder auf zwei beschränkt, noch müssen sie ia des. Ecken einander diagonal gegenüberliegend angeordnet sein, doch hat sieh die gezeichnete Ausführung als besonders praktisch erwiesen. Die Anzahl der Füll- bzw. Entlüftungsöffnung gen kann bis auf ein© einzige öffnung pro Flüssigkristallschicht reduziert werden, wenp. die Luft zwischen den Platten 1,2 vor dem Einfüllen der kristallinen Flüssigkeit 10 evakuiert wird, wobei man zweckmäßig von einem Dreiweghahn Gebrauch macht.

Bei Anlagen einer Spannung an die Dünnschicht-Elektradsa 11,12,wird die vorher lichtdurchlässige nematische kristalline Flüssigkeit 10 in bekannter Weise opak,

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wobei der Grad der Abechattung von der Feldstärke abhängt. Deshalb kommt es darauf an, den Abstand der Blatten 1,2 exakt über die gesamte Flache einzuhalten, wozu der Rahmen 4,5,6,7 und die Insel 38 dienen, die von den die Körner 3 enthaltenden Lotglasschichten 8 gebildet werden. Die Steuerung kann auch durch ein magnetisches PeId erfolgen, in welchem Falle die Dünnschicht-Elektroden 11,12 entbehrbar sind.

Soll die Flüssigkristallzelle als steuerbare Lichtschranke dienen, so müssen die Dünnschicht-Elektroden 11,12 durchsichtig sein, wobei z.B. Zinn- oder Indiumoxid herangezogen werden kann. Bei der Ausbildung der Flüssigkrl*» stallzelle als steuerbarer Reflektor muß die vordere Dünnschicht-Elektrode, z.B. 11, durchsichtig, die hintere, a.B-12, hingegen reflektierend sein, also vorzugsweise aus Aluminium bestehen. In diesem Fall kann die Platte 2 aus undurchsichtigem Werkstoff gefertigt sein.

Da die erfindungsgemäße Flüssigkristallseile ans chemisch und thermisch gut beständigen Werkstoffen robust ausgeführt νζιά hermetisch verschlossen ist, eignet sie sich ohne weitere Schutzmaßnahmen für kristalline Flüssigkelten verschiedenster Art, also neben solchen mit dem Anisotropiebereich bei Raumtemperatur auch für solche mit höher und tiefer liegende» Anisotropiebereich.

Durch Ausbildung der Dünnschicht-Elektroden 11, 12 in den verschiedensten Konfigurationen ist es bekanntlich möglich, verschiedene Zeichen, beispielsweise Ziffern und Buchstaben, gesteuert darzustellen. Die in Fig.4 in der Draufsicht dargestellte Glasplatte 15 trägt beispieleweise eine Dünnechicht-Blektroden-Konfiguration 16,17»18,19, 20,21,22, wie sie für ein Siebensegment-Zifferaanseigedisplay üblich ist. Die in Fig.2 dargestellte Insel 58 kann in diesem Fall zweckmäßig in der Hitte der rechteckigen Innenfelder der aus den Segmenten gebildeten Figur angeord-

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net sein. Die in Pig.5 dargestellte Glasplatte 23 ist ebenfalls mit einer Dünn3chieht-Elektrode 24 bedeckt, die als Gegenelektrode für die in Fig.4 dargestellte dienen kann.

Fig.6 zeigt einen Schnitt durch eine mehrlagige und zwar im besonderen dreilagige Flüssigkristallzelle, wie sie beispielsweise für Bildschirme von Farbfernseheiapfangsgeraten Verwendung finden kann. Vier Glasplatten 25,26,27,28 sind an den Handzonen ähnlich Fig»2 mittels Körner 3 enthaltender Lotglasschichten 8 distanziert und verbunden. Zwecks Einfüllung kristalliner Flüssigkeit 35,36, 37 in die Hohlräume sind zwecktaäßigerweise ähnlich Fig.2 an zwei gegenüberliegenden Ecken pro Schicht zwei Füllbzw. Entlüftungsöffnungen 13,14 vorgesehen, wobei man die

* Öffnungen der mittleren Schicht vorteilhaft gegenüber jenen von erster und dritter Schicht diagonal versetzt. Pie öffnungen können durch Freilassen eines Spaltes beim Aufbringen der Lotglasmenge 8, die zweckmäßig mittels Siebdrucken erfolgt, hergestellt werden. Jede Schicht kristalliner Flüssigkeit 35,36,37 ist von den übrigen räumlich völlig getrennt. Veiters let es möglich, die Dünnechicht-Blektroden 29,30,31, 32,33«34 isoliert voneinander anzubringen, so daß auch bezüglich der elektrischen Steuerung eine völlige Trennung möglich iet. Somit ist ersichtlich ^ede Schicht 35,36,37 kristalliner Flüssigkeit von den übrigen völlig unabhängig und kann daher auch aus verschiedenen bzw_e mit verechiede-

neu Fremdstoffen, beispielsweise Farbstoffen, insbesondere dichroitischen Fluesigkeitesi, dotierten kristallinen Flüssigkeiten bestehen.

Selbstverständlich iet die Erfindung nicht auf die dargestellten Aueführungsbeispiele beschränkt. So kann bei kleinflächigen Flüssigkrietallsellen die in Fig.2 dargestellte Insel 38 entfallen.

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Claims (8)

1. Patentansprüche :

   1J Flüssigkristallzelle* bei der die kristalline Flüssigkeit zwischen Platten aus anorganischem Werkstoff, insbesondere Glas, eingebettet ist, von denen mindestens eine durchsichtig ist und die gegebenenfalls mit durchsichtigen bzw. reflektierenden Dünnsehicht-Elektroden bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dietanzlerung der Platten (1,2,15,25,25,26,27,28) zwischen diesen in diskreten Bereichen eine Lotglasschicht (8) angeordnet ist, die einlagig angeordnete Körner (3) enthält, durch die der lichte Abatand der Platten (1,2,15,23,25,26,27,28) bestimmt ist, wobei der Körnerwerkstoff im Verhältnis zum Lotglaswerkstoff eine höhere Erweichungstemperatur aufweist, j ■
2. 2. Flüasigkrietallaelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körnerwerkstoff beim Softening Point (10^7?65 Poise » 4,5.10? Poise) des Ik)tglaswerkstoffee eine Zähigkeit aufweist, die mindestens um eine Zehnerpotenz höher l^egt als die Zähigkeit des Lotglaswerkstoffes (β.B. Zähigkeit defr Körnerwerkatoffes beim Softening Point des Lotglaewerketoffes TCk Poise).
3. 3. Plussigkristallzelle nach den Ansprüchen ϊ und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Körner (3) enthaltende Lotglaeechicht (8) zumindest über Teilbereiche der Bandzonen (4-,5,6,7) der Platten (1,2,15,23,25,26,27,28) angeordnet ist.
4. 4. PlüsBigkrifltallselle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Randeonen (4,5,6,7) bis auf zunächst zwecke Einfüllene der kriβtallinen Flüssigkeit frei bleibende Füll- bzw. Bntlüftungsöffnungen (13,H)

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   zur Gänze ait der die Körner (5) enthaltenen Lotglasschicht (8) versehen sind, welche JPüll- bzw. Entlüftungsöffnungen (13*14) hermetisch abgeschlossen sind.
5. 5. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Körner (3) enthaltende Lotglasschicht (8) sowohl in Form eines Rahmens (4,5,6,7) entlang der Handzonen als auch in Form mindestens einer innerhalb des vom Rahmen umfaßten Hohlraumes (9) angeordneten Insel (38) besteht.
6. 6. Pltissigkristallzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einen Stapel bildende Platten (25,26,27,28) vorgesehen sind, wobei in den Zwischenräumen zwischen den Platten kristall!- ne Flüssigkeit (35,36,37) angeordnet ist (Fig.6).
7. 7. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Schichten (35,36,37) kristalliner Flüssigkeit aus verschiedenen kristallinen Flüssigkeiten bzw. mit verschiedenen Fremdatoffen dotierten kristallinen Flüssigkeiten bestehen.
8. 8. Flüssigkristallzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bildschina, beispielsweise für einen Oszillator oder ein Fernashempfaagsgerät, ausgebildet ist, wobei eine an sich bekannte Vorrichtung zur Erzeugung des Bildrasters vorgesehen ist.

   9« Flüssigkristallselle nach Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bildschirm eines Farbfemeehompfangsgerätes ausgebildet ist, wobei so viele Schichten kristalliner* mit den entsprechenden Farbstoffen dotierter Flüssigkeiten (35,36,37), vorgesehen sind, als Grundfarben, zum Aufbau dee Farbbildes herangezogen sind.

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