DE2315541A1 - Fluessigkristallzelle und verfahren zum kollektiven ausrichten der molekuele von fluessigkristallen - Google Patents

Description

i-.g. U. D ;.: C Γ 2 Jr.

• MOaclien 22, StainsdorfeU. 10

410-20.458Ρ

20. März I975

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Paris (Prankreich)

Flüssigkristallzelle und Verfahren zum kollektiven Ausrichten der Moleküle von FlUssigkristallen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallzelle mit einer zwischen zwei einander gegenüberstehenden Wänden angeordneten Schicht aus mesomorphen FlUssigkristallen sowie auf ein Verfahren zum kollektiven Ausrichten der Moleküle eines zwischen zwei Wänden eingeschlossenen mesomorphen Flüssigkristalle, das insbesondere zur Herstellung einer solchen Flüssigkristallzelle dienen kann.

Flüssigkristallzellen der oben erwähnten Art finden insbesondere Anwendung in Anzeige- oder Adressiereinrichtungen für Lichtstrahlen und in Fernsehsystemen.

Bestimmte Flüssigkristalle und insbesondere die nematischen Flüssigkristalle ermöglichen bekanntlich den Bau von

309840/1010 original inspected

elektrooptischen Vorrichtungen, wobei von molekularen Orientierungsphänomenen ausgegangen wird, deren Natur als summarisch betrachtet werden kann.

Flüssigkristalle sind Körper, die in bestimmten Temperaturbereichen in einer Zwischenform zwischen der bestimmten Pestkörpern eigenen kristallinen Form und der für den flüssigen Aggregatzustand charakteristischen ungeordneten Form, der mesomorphen Form oder Mesophase, vorliegen. Man unterscheidet drei Typen solcher Flüssigkristalle, nämlich den nematischen Typ, den smektisehen Typ und den cholesterischen Typ. Die vorliegende Erfindung hat es insbesondere mit den beiden ersten Typen von Flüssigkristallen zu tun.

In einem nematischen Flüssigkristall sind die Moleküle von länglicher Form und weisen ein elektrisches Dipolmoment auf, das häufig parallel oder senkrecht zur Molekülachse gerichtet ist. Befindet sich ein solches Material zwischen zwei metallischen Elektroden, an denen keine Spannung anliegt, so sind die verschiedenen Flüssigkeitsmoleküle in kleinen Zonen, die man auch als Domänen bezeichnet, untereinander parallel ausgerichtet. Ohne die Einwirkung einer äußeren - elektrischen oder magnetischen - Erregung wird die Orientierung dieser Domänen durch die die Flüssigkristallzelle begrenzenden Wände bestimmt und hängt von der Natur und der Vorbehandlung dieser Wände ab. Bei elektrisch nicht leitenden, beispielsweise aus Glas bestehenden Wänden ist es möglich, die Moleküle der nematischen Flüssigkristalle durch ein mechanisches Verfahren, wie beispielsweise ein Reiben der Wände, parallel zu den Wänden auszurichten. Sind die Wände elektrisch leitend, so kann man die Moleküle der Flüssigkristalle ebenfalls durch leichtes Reiben an die Wände anlegen, jedoch ist es sehr schwierig, die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den Wänden auszurichten. Ein au diesem

309840/1010

Zwecke heute vielfach verwendeter Kunstgriff besteht darin, dem Flüssigkristall eine geringe Menge eines oberflächenaktiven Stoffes beizumischen, der die kollektive Orientierung der KristallmolekUle ohne äußere Erregung erleichtert. Solche oberflächenaktiven Stoffe haben jedoch den wesentlichen Nachteil, daß sie die Viskosität der Flüssigkristalle vergrößern und daher die Umschaltzeit von mit Hilfe solcher Flüssigkristalle aufgebauten elektrooptischen Systemen verlängern und demzufolge deren Leistungsfähigkeit herabsetzen. Bei Materialien wie Chrom oder Indiumoxyd, die mitunter für die Herstellung der Elektroden verwendet werden, bestimmen strukturelle Besonderheiten und die Reinigung dieser Elektroden die *anfängliche Orientierung der Domänen in den damit in Berührung stehenden Flüssigkristallen zum großen Teil.

Wenn man an die Elektroden einer Flüssigkristallzelle eine elektrische Spannung anlegt, wird der zwischen den Elektroden eingeschlossene Flüssigkristall einem elektrischen Felde ausgesetzt. Infolge ihres elektrischen Dipolmoments ändern die einzelnen Moleküle des Flüssigkristalls ihre Orientierung in diesem elektrischen Feld, und damit ändert sich auch die Lage der optischen Achse der Flüssigkristallzelle. Beobachtet man eine solche Flüssigkristallzelle beispielsweise zwischen Polarisatoren mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen, so bemerkt man eine durch das elektrische Feld · modifizierbare Farbtönung, die eine Herstellung von Farbfiltern ermöglicht, die sich insbesondere in Farbfernsehsystemen einsetzen lassen. Die Änderungen der optischen Eigenschaften von Flüssigkristallzellen lassen sich in gleicher Weise auch in Adressiereinrichtungen für Lichtstrahlen einsetzen, wie sie beispielsweise in der FR-PS 7 114 399 beschrieben sind.

Die Änderungen der optischen Eigenschaften einer Flüssig-

309840/1010

kristallschicht bei Einwirkung einer elektrischen oder magnetischen Erregung hängen daher in hohem Maße von der anfänglichen Orientierung der Domänen im Flüssigkristall ab. Dies macht die Frage der Erzielung einer Orientierung der Moleküle eines Flüssigkristalls ohne äußere Erregung zu einem Grundproblem. Die oben beschriebenen bekannten Methoden zur Erreichung dieses Zieles sind nun aber häufig in ihrer Durchführung schwierig, mitunter rein empirisch und im allgemeinen in ihren Ergebnissen nicht reproduzierbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle bzw. ein Verfahren zur kollektiven Ausrichtung der Moleküle von Flüssigkristallen zu entwickeln, die eine einfachere und vor allem reproduzierbarere Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle ohne äußere Erregung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Flüssigkristallzelle mit einer zwischen zwei einander gegenüberstehenden Wänden angeordneten Schicht aus mesomorphen Flüssigkristallen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der beiden Wände an ihrer der Flüssigkristallschicht zugewandten Oberfläche zum einen mit einem als Elektrode dienenden elektrisch leitenden überzug und zum anderen mit einer dünnen Schicht aus einem chemischen Körper mit den Orientierungseigenschaften der Moleküle smektischer Kristalle in fester Phase versehen ist.

Ein Verfahren zum kollektiven Ausrichten der Moleküle eines zwischen zwei Wänden eingeschlossenen mesomorphen Flüssigkristalls, das insbesondere zur Herstellung einer Flüssigkristall zelle der oben beschriebenen Art dienen kann, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf den Wänden eine dünne Schicht aus"einem chemischen Körper mit den Orientierungseigenschaften der Moleküle smektischer Kristalle in fester Phase abgeschieden

309840/101 0

wird, wobei sich die Moleküle des mesomorphen Flüssigkristalls auf die der dünnen Schicht ausrichten.

Sowohl die erfindungsgemäß ausgebildete Flüssigkristallzelle als auch das erfindungsgemäße Orientierungsverfahren sind zahlreicher Ausgestaltungen und Weiterbildungen fähig, die in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das Grundprinzip der Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele veranschaulicht ist. Dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 in stark schematisierter Weise die Molekülstruktur in einem Flüssigkristall vom nematischen Typ,

Fig.2a und 2b ebenfalls stark schematisiert die Molekülstruktur in smektischen Flüssigkristallen des Typs A bzw. des Typs C und

Fig. 3 die Ausrichtung der Moleküle in der Nachbarschaft einer der Elektroden einer erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkristallzelle.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise eine Molekülansammlung dargestellt, wie sie für Flüssigkristalle vom nematischen Typ charakteristisch ist. Die einzelnen Moleküle 2 dieser MolekUlansammlung sind von länglicher Form und können sich wie in einer üblichen Flüssigkeit willkürlich verschieben. Bei diesen Verschiebungen bleiben die großen Achsen der Moleküle jedoch im Mittel parallel zu einer gemeinsamen Richtung, die in Fig. 1 mit der Richtung der Z-A<hse zusammenfällt. Ein häufig verwendeter Vertreter dieser Kristallfamilie ist das p-Methoxybenzyliden-p-n-Butylanilin.

In Fig. 2 sind zwei Spezialfälle für die Struktur von 309840/1010

Flüssigkristallen des sraektischen Typs dargestellt. Bei diesen FlUssigkristallen besteht anders als bei den oben beschriebenen FlUssigkristallen vom nematischen Typ eine eindimensionale Ordnung: Die Kristallmoleküle sind auf Schichten verteilt, die senkrecht zur Z-Achse verlaufen und regelmäßig übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Im Inneren jeder dieser Schichten weisen die Moleküle eine gemeinsame Richtung auf. Bei smektischen Kristallen des Typs A liegen die einzelnen Moleküle wie in Fig. 2a parallel zur .-3-Achse, während bei smektischen Kristallen des Typs C die Moleküle mit der Z-Achse einen Winkel einschließen, der von einem Körper zum anderen variieren kann und außerdem von äußeren Parametern wie beispielsweise der Temperatur abhängt. Steht ein smektischer Flüssigkristall mit einer ebenen Wand in Berührung, so verlaufen die Ebenen aufeinanderfolgender Molekülschichten parallel zu dieser Wand.

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch die Umgebung einer Elektrode einer erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkristallzelle. In der Darstellung in Pig» 3 ist ein isolierender Träger 4, der insbesondere aus Glas bestehen kann, mit einer Metallschicht 6 überzogen; auf diese Metallschicht, die eine der Elektroden der Flüssigkristallzelle bildet, folgt zunächst ein Paket 8 aus Kristallmolekülen vom smektischen Typ und sodann eine Schicht 10 aus Flüssigkristallen vom nematischen Typ. Bei dem dargestellten Beispiel ist angenommen, daß die Moleküle des smektischen Flüssigkristalls parallel zur Z-Achse ausgerichtet sind, daß es sich also um einen smektischen Flüssigkristall des Typs A handelt. Die Darstellung in Fig. 3 zeigt, daß die nematischen Flüssigkristalle nicht unmittelbar mit der die Elektrode bildenden Metallschicht 6 in Berührung stehen, wie dies bei den bisher bekannten Flüssigkristallzellen der Fall ist, sondern daß statt dessen bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkristallzelle eine Zwischenlage in Form

309840/1010

der Packung 8 aus Flüssigkristallen vom smektischen Typ vorhanden ist, die den Molekülen der nematischen Flüssigkristalle eine zur Richtung der Moleküle in den smektischen FlUssigkristallen parallele Richtung aufprägt. Es gibt nämlich eine strukturelle Entsprechung zwischen den beiden Kristallschichten, nämlich der Packung 8 und der Schicht 10, an der Grenzfläche, und die nematischen Flüssigkristalle werden durch die smektischen Flüssigkristalle orientiert. Die durch die smektischen Flüssigkristalle bestimmte Ordnung der nematischen Flüssigkristalle entspricht in der Summe einer Epitaxie. Das in Fig. J> dargestellte Ausführungsbeispiel gibt eine Flüssigkristallzelle wieder, in der die Packung 8 aus smektischen Kristallen des Typs A besteht. Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung jedoch auch auf Flüssigkristallzellen, in denen die Packung 8 aus smektischen Kristallen des Typs C aufgebaut ist, deren Moleküle schief zur Z-Achse gerichtet sind, wie dies in Fig.2b dargestellt ist. Die dünne Schicht 8 aus smektischen FlUssigkristallen bietet daher die Möglichkeit, die Moleküle der nematischen Flüssigkristalle ohne äußere Erregung entsprechend einer schief zur Z-Achse verlaufenden Richtung auszurichten.

Das Verfahren für die Abscheidung der dünnen Schicht 8 aus smektischen FlUssigkristallen ist sehr einfach, da man sich dazu der üblichen Technik des Aufdampfens unter Vakuum bedienen kann. Der dünne Film 8 aus smektischen FlUssigkristallen kann eine Dicke in der Größenordnung von 500 A aufweisen, und die Schicht 10 aus nematischen FlUssigkristallen kann eine Dicke von etwa 50 ^u erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher die Realisierung einer reproduzierbaren homöotropen Molekularan-

3098 40/1OiO

Ordnung und befreit von der Notwendigkeit eines Einsatzes von oberflächenaktiven Stoffen mit den diesen anhaftenden Nachteilen. Da die beiden Flüssigkristallarten nicht ineinander löslich sind, behalten die nematischen Flüssigkristalle alle ihre Eigenschaften bei.

Die vorstehende Beschreibung besieht sieh einzig und allein beispielshalber auf die Orientierung eines nematische]! Flüssigkristalles durch eine Schicht aus smektisehen Flüssigkristallen in festem Zustand* Die Orientierung der Flüssigkristalle der anderen Typen - cholesterisch und smektisch oder von Mischungen aus Flüssigkristallen unterschiedlichen Typs - beispielsweise nematische und cholesterische Flüssigkristalle - durch vorzugsweise feste Abscheidungen anderer Körper als der smektischen Flüssigkristalle, die jedoch die gleichen Orientierungseigenschaften der Moleküle in festem Zustand aufweisen, bildet ebenfalls einen Teil der vorliegenden Erfindung.

309840/1010

Claims (8)

1. Patentansprüche

   (\.j Flüssigkristall zelle mit einer zwischen zwei einander gegenüberstehenden Wänden angeordneten Schicht aus mesomorphen Flüssigkristallen, dadurch g e kennzeichnet, daß jede der beiden Wände (4) an ihrer der Flüssigkristallschicht (10) zugewandten Oberfläche zum einen mit einem als Elektrode dienenden elektrisch leitenden Überzug (6) und zum anderen mit einer dünnen Schicht (8) aus einem chemischen Körper mit den Orientierungseigenschaften der Moleküle smektischer Kristalle in fester Phase versehen ist.
2. 2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten (8) auf den Oberflächen der Wände (4) aus festen sraektischen Kristallen bestehen.
3. 3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die smektischen Kristalle der dünnen Schichten (8) zum Α-Typ gehören und ohne äußere Erregung eine zu den Wänden (4) senkrechte Orientierung der Moleküle (2) der Flüssigkristalle bewirken.
4. 4. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die smektischen Kristalle der dünnen Schichten (8) zum C-Typ gehören und ohne äußere Erregung eine gegen die Normale auf die Wände (4) geneigte Orientierung der Moleküle (2) der Flüssigkristalle bewirken.
5. 5. Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle aus p-Methoxybenzyliden-p-n-Butylanilin bestehen.

   309840/1010

   - iO -
6. 6. Verfahren zum kollektiven Ausrichten der Moleküle eines zwischen zwei Wänden eingeschlossenen mesoirorphen Flüssigkristalle, insbesondere zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 'eis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Wänden eine dünne Schicht aus einem chemischen Körper mit den Orient!erungseigensohaften der Moleküle smektischer Kristalle in fester Phase abgeschieden wird, wobei sich die Moleküle des mesomorphen Flüssigkristalls auf die der dünnen Schicht ausrichten,
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten aus sraektischen Kristallen in fester Phase gebildet werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten aus smektisehen Kristallen mittels Vakuumaufdampfung aufgebracht werden.

   3 o s e 4 w / i o 1 o