DE2315541B2 - Fluessigkristallzelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung tezieht sich auf eine Flüssigkristallzelk mit zwei einander gegenüberstehenden Wänden, die tuf ihren einander zugekehrten Oberflachen mit als Elektroden dienenden elektrisch leitenden Überzügen versehen sind, und mit einer dazwischen angeordneten Flüssigkristallschicht, wobei die einander zugekehrten Oberflächen so vorbehandelt sind, daß die Flüssigkristallmolekül spontan in einer einheitlichen Richtung unter einem Winkel zur Ebene der Oberflächen orientiert sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer lolchen Flüssigkristallzelie.

Flüssigkristallzellen der obenerwähnten Art sind beispielsweise auf den S. 391 bis 393 von »Applied Physics Letters« 19 (1971) beschrieben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für solche Flüssigkristallzellen sind Anzeige- oder Adressiereinrichtungen mit Lichtstrahlen oder auch Fernsehsysteme, wobei von an den Flüssigkristallen auftretenden molekularen Orientierungsphänomenen ausgegangen wird, deren Natur als sum mansch betrachtet werden kann.

Flüssigkristalle sind Körper, die in bestimmten Temperaturbereichen in einer Zwischenforni /wischen der bestimmten Festkörpern 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 nematische)!

Typ den smektischen Typ und den cholestenschen Typ. In einem nematischen Flüssigkristall sind die Moleküle von länglicher Form und weisen ein elektrisches Dipolmoment auf, das häufig parallel oder senkrecht

zur Molekülachse gerichtet is;. Befindet sich ein solches Material zwischen zwei metallischen Elektroden, an denen keine Spannung anliegt, so sind die verschiedenen Flüssigkeitsmoleküle in kleinen Zonen, die man l-uch als Domänen bezeichnet, untereinander parallel ausge-

,o richtet. 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 Wandt,-

elektrisch !eilend, so kann man die Moleküle der Flüssigkristalle ebenfalls durch leichtes Reiben an die \V;,nde anlegen, jedoch ist es sehr schwierig, die Flüssigkristallmo'r <:küle senkrecht zu den Wänden auszurichten Ein zu diesem Zweck heute vielfach verwendeter

Kunstgriff besteht darin, dem Flüssigkristall eine geringe Menge eines oberflächenaktiven Stoffes beizumischen, d-.-r die kollektive Orientierung der Kristallmoliküle ohne äußere Erregung erleichtert. Solche oberüächenaktiven 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 großer* Teil.

Wenn man an die Elektroden einer Flüssigkristall/elie eine elektrische Spannung anlegt, wird der zwischen den Elektroden eingeschlossene Flüssigkristall einem elektrischen Felde ausgesetzt. Infolge ihres elekirisehen Dipolmoments ändern die einzelnen Moleküle des Flüssigkristalls ihre Orientierung in diesem elektrischen Feld, und damit ändert sich auch die Lage der optischen Achse der Flüssigkristallzelie. Beobachtet man eine solche Flüssigkristallzelie beispielsweise zwisehen 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 Anderungen der optischen Eigenschaften von Flüssigkristailzellen lassen sich in gleicher Weise auch in Adressiereinrichtungen für Lichtstrahlen einsetzen, wie sie beispielsweise in der FR-PS 71 14 399 beschrieben sind. Die Änderungen der optischen Eigenschaften einer Flüssigkristallschicht bei Einwirkung einer elektrischen oder magnetischen Erregung hängen daher in hohem MaLi 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 Flüssigkristalizelle der eingangs erwähnten An so auszubilden, daß eine einfachere und vor allem reproiiuzierbarere Ausrichtung der Flüssigkristallmulekü'e ohne äußere Erregung möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der einander zugekehrten Oberflächen eier Wände mit einer dünnem Schicht aus festen smektisehen Kristallen versehen ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Flüssigkristallzelle fühit zu einer einwandfreien und reproduzierbaren Molekülorientierung ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Behandlung wie der bisher ähnlichen is Reibbehandlung, die arbeitsintensiv und im Ergebnis schwer reproduzierbar ist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelie der oben beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten aus fmektisehen Kristallen mittels Vakuumaufdampfung aufgebracht werden. Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das Grundprinzip der Erfindung an Hand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele veranschaulicht ist. Dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 in stark schematisierter Weise die Molekül-Jtruktur in einem Flüssigkristall vom nematischen Typ.

F i g. 2a und 2b ebenfalls stark schematisier! die Molekülstniktur in smektischen Flüssigkristallen des Typs A bzw. des Typs C und

F i g. 3 die Ausrichtung der Moleküle in der Nach barschalt einer der Elektroden einer Flüssisikrisiallzei-Ie.

In Fi g. 1 ist in schematischer Weise eine Molekülan-Sammlung dargestellt, wie sie für Flüssigkristalle vom nematischen Typ charakteristisch ist. Die einzelnen ,0 Moleküle 2 dieser Molekülansammlung sind von länglicher Form und können sieh 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 F i g. 1 mit der Richtung der Z-\chse zusammenfällt. Ein häufig verwendeter Vertreter dieser Kristallfamilie ist das p-Methoxybenzyliden-p-n-Butylaniün.

In F i g. 2 sind zwei Spezialfälle für die Struktur von Flüssigkristallen des smektischen Typs dargestellt. Bei diesen Flüssigkristallen besteht anders als bei den oben beschriebenen Flüssigkristaüen vom nematischen Typ eine eindimensionale Ordnung: Die Kristallmoleküle sind auf Schichten verteilt, die senkrecht zur 2'-Achsc verlaufen und regelmäßig übereinander bzw. unteremander 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 Z-Achse, während bei smektischen Krislallen des Typs C die Moleküle mit der Z-Achse einen Winkel einschließen, der von einem Körper zum andeen variieren kann und außerdem von äußeren Parametern wie beispielsweise der Temperatur abhängt. Steht ein smcktischer Flüssigkristall mit einer ebenen Wand in Berührung, so verlaufen die Ebenen aufeinanderfolgender Molekülschichten parallel zu dieser Wand.

F i g. 3 zeigt einen Teilschnitt durch die Umgebung einer Elektrode einer erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkristallzelle. In der Darstellung in F i g. 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 Flüssigknstallzelle bildet, folgt zunächst ein Paket 8 aus Kristallmolekülen vom smektischen Typ und sodann eine Schicht 10 aus Fiüssigkristallen vom nematischen T\p. 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 F i g. 3 zeigt, daß die nematischen Flüssigkristalle nicht unmittelbar mit der die Elektrode badenden Metallschicht 6 in Berührung stehen, wie di-.·-, bei den bisher bekannten Flüssigkristallzellen der Y\-S, ist, sondern daß statt dessen bei der erfindungsgcn^:¹-ausgebildeten Flüssigkristalizelle eine Zwischenlage :: Form der Packung 8 aus Flüssigkristallen vom sr.iek¹.;-schen Typ vorhanden ist, die den Molekülen der iivn::, tischen Flüssigkristalle eine zur Richtung der Moleküle in den smektischen Flüssigkristallen parallele Richtung aufprägt. Es gibt nämlich eine strukturelle Entsprechur.g zwischen den beiden Krisiallschichten. näivlich der Packung 8 und der Schieb! 10. an der Grenzfläche, und die nematischen Flüssigkristalle werden durch, dusmektischen Flüssigkristalle orientiert. Die durch die smektischen Flüssigkristalle bestimmte Ordnung der nematischen Flüssigkristalle entspricht in der Summe einer Epitaxie. Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel gibt eine Flüssigkristalizelle wieder, in der die Packung 8 aus smektischen Kristallen des Typs A besteht. Selbstverständlich erstreck! sich die Erfindung jedoch auch auf Flüssigkristallzellen, in denen die Pakkung 8 aus smektischen Kristallen des Typs C aufgebaut ist. deren Moleküle schief zur Z-Achse gerichtet sind, wie dies in F i g. 2b dargestellt ist. Die dünne Schicht 8 aus smektischen Flüssigkristallen 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 Flüssigkristallen ist sehr einfach, da man sich dazu der üblichen Technik des Aufdampfens unter Vakuum bedienen kann. Der dünne Film 8 aus smektischen Flüssigkristalle!! kann eine Dikke in der Größenordnung von 500 A aufweisen, und die Schicht 10 aus nematischen Flüssigkristallen kann eine Dicke von etwa 50 μ erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher die Realisierung einer reproduzierbaren homöotropcn Molekularanordnung und befreit von der Notwendigkeit eines Einsatzes von oberflächenaktiven Stoffen mit den diesen anhaftenden Nachteilen. Da die beiden Fliissigkristallarten nicht ineinander löslich sind, behalten die nematischen Flüssigkristalle alle ihre Eigenschaften bei.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich einzig und allein bcispielshalber auf die Orientierung eines nematischen Flüssigkristall durch eine Schicht aus smektischen Flüssigkristallen in festem Zustand. Die Orientierung der Flüssigkristalle der anderen Typen — cholesterisch und smektisch — oder von Mischungen aus Flüssigkristallen unterschiedlichen Typs - beispielsweise nematische und cholesterisch^ Flüssigkristalle — durch feste smektische Kristalle ist ebenfalls möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunaen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flüssigkristallzelie mit zwei einander gegenüberstehenden Wänden, die auf ihren einander zugekehrten Oberflächen mit als Elektroden dienenden elektrisch leitenden Überzügen versehen sind. und mit einer dazwischen angeordneten Flüssigkristallschicht, wobei die einander zugekehrten Oberflächen so vorbehandelt sind, daß die Flüssigkristallmoleküle spontan in einer einheitlichen Richtung unter einem Winkel zur Ebene der Oberflächen orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der einander zugekehrten Oberflächen der Wände (4) mit einer dünnen Schicht (8) aus festen smektischen Kristallen versehen ist.

2. Flüssi.ekeitskristallzelle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die smektiichen 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.

3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, 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.

4. Flüssigkristallzelie nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle aus p-Methoxybenzyliden-p-n-butylanilin bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigki:sta 11 zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten aus smektischen Kristallen mittels Vakuumaufdampfung aufgebracht werden.