DE2315541C3 - Flüssigkristallzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallzelle mit zwei einander gegenüberstehenden Wänden, die auf ihren einander zugekehrten Oberflächen mit als Elektroden dienenden elektrisch leitenden Überzügen _4S 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, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Flüssigkristallzelle.

Flüssigkristallzellen der obenerwähnten Art sind beispielsweise auf den S. 391 bis 393 von »Applied Physics Leuers« 19 (1971) beschrieben. Ein bevorzugtes An-Wendungsgebiet für solche Flüssigkristallzellen sind Anzeige- oder Adressiereinrichtungen mit Lichtstrahlen oder auch Fernsehsys'eme. wobei von an den Flüssigkristallen auftretender! molekül iren Orientierungs-Phänomenen ausgegangen wird. Inen Natur als summansch biirachtet werden k.inn

Flüssigkristalle sind Körper ,:ie
peraturbereichen in einer Zvum Κ
bestimmten Festkörpern eigene

η bestimmten Tem·ηίηπη zwischen der nstjllinen Form und der für den flussigen Aggrcg.1i/1 stand charakteristisehen ungeordneten Form Λυ< > icsom.irphen Form oder Mesophase. vorliegen. Man unterscheidet drei Ty-Den so eher Flüssigkristalle. 11.1m uh den nematischen

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Typ.den smektischen Typ und den cholesterischen 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 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 nenatischen Flüssigkristalle durch ein mechanisches Verfahren, wie beispielsweise ein Reiben der Wände, parallel /u 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 /u Jen Wänden aus/uiichlen. Ein /u diesem Zweck heute vielfach verwendeter Kunstgriff besteht darin, dem Flüssigkristall eine geringe Men^e eines oberflächenaktiven Stoffes beizumischen, der die kollektive Orientierung der Kristallmoleküle 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 FlüssigkristalL-el-Ie 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 Poiarisationsrichtungen, 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 71 14 399 beschrieben sind.

Die ^/\nderungen der optischen Eigenschaften einer Flüssigkristallschicht bei Einwirkung einer elektrischen oder magnetischen Erregung hängen daher in hohem Maß veil der anfänglichen Orientierung der Domänen im Flüssigkristall ab. Dies macht die Frage der Erzielung einer Orientierung de' Moleküle eines Flüssigkristalls ohne äußere Erregung /11 einem Grundproblem. Die oben beschriebenen bekannten Methoden zur Erreichung dieses Zieles sind nun aber häufig in ihrer Durchtiihrung schwierig, mitunter rein empirisch und

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im allgemeinen in ihren Ergebnissen nicht reproduzierbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine einfachere und vor allem reprodu/ierbarcre Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle ohne äußere Erregung möglich wird.

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

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

Ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle der oben beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten aus smektischen Kristallen mittels Vakuumaufdampfung aufgebracht werden. Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in IJnteransprüehen 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 Molekülstruktur in einem Flüssigkristall vom nematischen Typ,

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

F i g. 3 die Ausrichtung der Moleküle in der Nachbarschaft einer der Elektroden einer Flüssigkristallzelle.

In F i g. 1 ist in schematischer Weise eine Molekülansammlung dargestellt, wie sie für Flüssigkristalle vom nemalischen Typ charakteristisch ist. Die einzelnen Moleküle 2 dieser Molekülansammlung 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 F i g. 1 mit der Richtung der Z-Achse zusammenfällt. Ein häufig verwendeter Vertreter dieser Kristallfamilie ist das p-Methoxybenzyliden-p-n-Butylanilin.

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 Flüssigkristallen vom nematischen Typ eine eindimensionale Ordnung: Die Kristailmoleküle 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 Kristiillen des T\ps Λ liegen die ein/einen Moleküle wie in F1 g. 2a parallel zur Z Achse, während bei smektischen Kristallen des Typs C die Moleküle mit der / Achse einen Winkel einschließen, der von einem Korper zum anderen variieren kann und außerdem von äußeren Parametern wie beispielsweise der Temperatur abhängt Steht ein smektischer Flüssigknstall nit einer ebenen Wand in Berührung, so verlaufen die I benen aufeinanderfolgender Molekülschichten p.iraliel zu dieser Wand.

F 1 g. 3 zeigt einen Teilsehnitt durch die Umgebung einer Elektrode einer erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkristallzelle. In der Darstellung in F i g. 3 ist ein isolierender Träger 4, dei 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 F i g. 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 Fiüssigkristallzelle eine Zwischenlage in Form der Packung 8 aus Flüssigkristallen vom smektischen Typ vorhanden ist. die den Molekülen der nematischen Flüssigkristalle eine zur Richtung der Moleküle in den smektischen Flüssigkristallen 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 F i g. 3 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 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 Flüssigkristallen 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 homöotropen Molekularanordnung 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 bezieht sich einzig und allein beispielshalber 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 cholesterische Flüssigkristalle — durch feste smektische Kristalle ist ebenfalls möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

U. Patentansprüche:

1. Flüssigkristallzelle 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 smeklischen Kristallen versehen ist.

2. Fiüssigkeitskristallzelle nach Anspruch 1, 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.

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. Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche I

bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristalle aus p-Methoxybenzyliden-p-n-butylanilin bestehen.

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