DE2336178B2 - Flüssigkristallzelle mit einem Überzug aus einem oberflächenaktiven Mittel auf den Trägerplatten - Google Patents

Description

RO

CH =N—<

-C₄H.

4Π9

"5

als hydrophober Atomgruppe, bei der η eine Zahl von 5 bis 10 bedeutet, eine kationische Atomgruppe der Formel

-X

worin R¹ eine Niedrigalkylgruppe und X eine Säuregruppe bedeutet, als hydrophile Atomgruppe aufweist.

2. Flüssigkristallzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Mittel eine Verbindung der Formel

R⁴

35

4°

C_nF_2n+1SO₂NC₂H₄N^(RM₃ X^

ist, worin η eine Zahl von 5 bis 10 darstellt, R¹ eine Niedrigalkylgruppe, X eine Säuregruppe und R⁴ ein Wasserstoffatom oder eine Niedrigalkylgruppe bedeutet.

3. Flüssigkristallzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Mittel eine Verbindung der Formel

R⁴

C_nF_2n+1CON(CH₂)(N^(RMj · X

ist, worin η für eine Zahl von 5 bis 10 steht, R¹ eine Niedrigalkylgruppe, X eine Säuregruppe, R⁴ ein Wasserstoffatom oder eine Niedrigalkylgruppe bedeutet und / eine Zahl von 1 bis 5 bedeutet.

4. Flüssigkristallzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nematische Flüssigkristallsubstanz ein p-Alkoxybenzal-p'-buty!anilin «Her Formel

55

ist, worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlen- to stoffato/nen bedeutet.

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle mit zwei Träg~rplatten, die parallel zueinander angeordnet sind und von denen mindestens eine transparent ist, und einer nematischen Flüssigkristallsubstanz, die zwischen den zwei Trägerplatten eingefüllt ist, wobei ein Oberzug aus einem eine Fiuoralkangruppe enthaltenden oberflächenaktiven Mittel auf den sich gegenüberliegenden Flächen der zwei Trägerp'atten ausgebildet ist.

Flüssigkristalizellen, die aus einem nematischen flüssigen Kristall und zwei Trägerplatten, die parallel zueinander angeordnet sind und von denen mindestens eine transparent ist, bestehen, sind bekannt. Eine solche Zelle weist das Phänomen auf, daß, wenn Ultraschallschwingung oder elektrische Spannung auf eine nematische flüssige Kristallschicht angewandt wird, welche zwischen den beiden Trägerplatten anwesend ist, die transparente nematische flüssige Kristallschicht sich trübt. Es wurden Untersuchungen vorgenommen, um unter Verwendung dieses Phänomens Lichtabschirmvorrichtungen oder Vorführvorrichtungen zur Vorführung bzw. Zurschaustellung von Buchstaben, Symbolen, Figuren usw. herzustellen.

Jedoch neigt bei den üblichen Flüssigkristalizellen die zwischen den beiden Trägerplatien anwesende nematische flüssige Kristallschicht dazu, sich selbst in Abwesenheit von Ultraschallschwingungen oder elektrischer Spannung leicht zu trüben, da sich das nematische flüssige Kristallmaterial im ungeordneten Zustand befindet. Es war sehr schwer, Kristallzcllen herzustellen, die diese Neigung nicht aufweisen.

Gemäß der älteren DT-OS 23 25 998 \>;,d vorgeschlagen, die Innenfläche von Flüssigkristalizellen mit einer eine funktionelle Gruppe mit Affinität oder Reaktivität zur Innenfläche der Flüssigkristalizellen aufweisenden Fluoralkylverbindung zu beschichten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkristallzelle der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der ohne äußere Einwirkung auf die Zelle die Moleküle des Flüssigkristalls mit ihren Längsachsen senkrecht zu den Plattenoberflächen ausgerichtet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das oberflächenaktive Mittel eine Verbindung ist, weiche außer einer Fluorkohlenstoffgruppe der Formel

als hydrophober Atomgruppe, bei der η eine Zahl von 5 bis 10 bedeutet, eine kaiionische Atomgruppe der Formel

-N"(RV X

worin R¹ eine Niedrigalkylgruppe und X eine Säuregruppe bedeutet, als hydrophile Atomgruppe aufweist.

Die Niedrigalkylgruppe R¹ kann eine Methyl-, Äthyl-, Propyl- oder Butylgruppe und die Säuregruppe X ein Halogenatom oder eine Hydroxylgruppe oder eine Carbonsäuregruppe der Formel R² — COO, worin R² für einen Kohlenwasserstoffrest, wie Methyl, Äthyl oder Phenyl steht, sein.

Typische Beispiele für die Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel sind Verbindungen der folgenden Strukturformeln:

R⁴

C_nF_{2n + 1}SO₂NC₂H₄N^(R¹)., X

C_nF_2n+1CON{CH₂),N®(RVX'

In diesen Formeln haben X, R¹ und η die vorstehende Bedeutung, R⁴ steht für ein Wasserstofiatom eder eine Niedrigalkylgruppe, wie die Methyl-, Äthyl-, Propyl- oder Butylgruppe, und / kann die Zahl 1 bis 5 darstellen.

Bei den üblichen Flüssigkristailzellen, die zur Bettrahlung ihrer nematischen flüssigen Kristallschicht mit Ultraschallschwingungen vorgesehen sind werden jwei transparente Trägerplatten, wie Glas- oder Quarzplatten, parallel zueinander angeordnet. Antlererseits werden bei üblichen Flüssigkeitszellen, die für die Anwendung von elektrischer Spannung auf Ihre nematische flüssige Kristallschicht vorgesehen iind, zwei transparente Platten, von denen jede auf ihrer einen Oberfläche eine transparente elektrisch leitende Schicht aus Zinnoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃), Gold, Silber oder Platin aufweist, parallel zueinander angeordnet, wobei die elektrisch leitenden Oberflächen einander zugekehrt sind, in flüssigen Kristallzellen der Art zur Anwendung von elekirischer Spannung wird nun ein überzug aus den Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mitteln auf der transparenten elektrisch leitenden Schicht, die auf der transparenten Platte gebildet wird, gebildet

Wenn solche Platten verwendet werden, die darauf eine transparente elektrische Schicht aufweisen, erfordern die üblichen Techniken die wiederhr-He Waschung der transparenten elektrisch leitenden Schichten zur Zeit der Zellenherstellung. Wenn jedoch ein überzug des Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittels auf die transparente leitende Schicht gebracht wird, kann eine solche Waschstufe durchgreifend ausgelassen werden.

Eine solche Zelle kann dadurch hergestellt werden, daß man eine 0,0001- bis 1 ,Ogewichtsprozenligc wäßrige Lösung des Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittels herstellt, daß man die erhaltene wäßrige Lösung auf die Oberflächen der Trägerplatten nach solchen Methoden, wie Eintauchen, Sprühen oder Aufbürsten, aufträgt, den überzug bei Zimmertemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur trocknet, wobei ein überzug aus dem Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel auf den Oberflächen der Trägerplattcn gebildet wi.d, daß man die beiden Trägerplatten parallel zueinander ausrichtet, so daß die Oberflächen mit den Überzügen einander zugekehrt sind, und daß man dann die Kanten der Trägerplatten abdichtet, wobei kleine Öffnungen gelassen werden, um eine nematische flüssige Krislallsubstanz einzufüllen. Alternativ kann eine ähnliche Zelle dadurch hergestellt werden, daß man zuerst die Kanten der beiden parallel zueinander ausgerichteten Trägerplatten abdichtet, wobei kleine Offnungen offengelassen werden, dann eine wäßrige Lösung des Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittels in das Gehäuse einfüllt, dann die wäßrige Lösung entleert und das Gehäuse in der Wärme trocknet und zuletzt den Flüssigkristall einfüllt.

Es kann eine Vielzahl von nematischen flüssigen tx> Kristallsubslanzen verwendet werden, welche z. B. Azoxyverbindungen, wie p-Azocyanisol bzw. p-Azocyananisol, gesättigte Benzolmonocarbonsäurcn. wie p-Butoxybcnzoesäurc, Carbonate, wie Butyl-4-(4-äthoxyphenylcarbonyl) - phenylcarbonat, und Azomethinverbindungen, wie p-Alkoxybenzal-p'-butylanilin, Anisidin-p-aminophenylacetat oder Amylevanohenzalaminocinnamat, umfassen. Unter diesen sind die p-Alkoxybenzal-p'-butylaniline der Formel

RO--:-⁷ /-CH=N

worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeutet, sehr geeignet, da sie bei Zimmertemperatur in dem nematischen flüssigen Kristallzustand gehalten werden.

In den flüssigen Krisiallzellen wird es bevorzugt, zwischen den Trägerplatten einen Abstand von 10 bis 50 Mikron aufrechtzuerhalten. Wenn es erwünscht ist. das reflektierende Licht der nematischen flüssigen Kristallschicht in einer Vorführvorrichtung zu verwenden, ist es möglich, einen überzug auf einer Oberfläche der Trägerplatte aufzutragen oder einen Metallüberzug anzubringen, um sie undurchsichtig zu machen.

Der Erfiridungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert:

F i g. 1 gibt eine Schnittansicht eines Teils der Flüssigkristallzelie wieder, und

F i g. 2 gibt eine Schnittansicht wieder, die ein Beispiel der Verwendung der Flüssigkristallzelle veranschaulicht.

In der Flüssigkristallzelle werden auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatlen 1. 1. die parallel zueinander angeordnet sind und von denen mindestens eine transparent ist, überzüge 2.2 aus einem Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel gebildet, wie in F i g. 1 wiedergegeben wird. Wenn in diese Zelle eine nematische flüssige Kristallsubstanz 3 eingefüllt wird, wird diese Substanz in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Trägerplatten 2, 2 ausgerichtet. Als Folge der Tatsache, daß die flüssige Kristallsubslanz im orientierten (ausgerichteten) Zustand und nicht im Zufallszustand vorliegt, weist die Flüssigkristallzelle ein hohes Ausmaß an Durchsichtigkeit auf, von der orientierten Richtung aus gesehen, d. h. in Richtung des Pfeils A in den Zeichnungen, und es wird keine Trübung bemerkt.

Der »DAP-Effekt« kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Flüssigkristailzellen erhalten werden. Dies wird unter Bezugnahme auf die F i g. 2 erläutert. Der DAP-Effekt wird in »Applied Physics Letters«, Bd. 19. S. 391 ff., beschrieben; er beruht auf der Deformation von zunächst senkrecht zur Oberfläche ausgerichteten Phasen des Flüssigkristalls durch ein angelegtes elektrisches Feld.

In der F i g. 2 ist die Flüssigkristallzelle mit / bezeichnet. Die Bezugszahlen 1,1 geben die transparenten Trägerplatten wieder, von denen jede auf einer Oberfläche eine durchsichtige elektrisch leitende Schicht aufweist. Die Zahlen 2, 2 geben die auf den durchsichtigen leitenden Schichten der Trägerplatten 1, 1 gebildeten überzüge aus einem Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel wieder. Die Zahlen 4,4 geben Dichtungen zum Abdichten der beiden parallelen Trägerplatlen 1.1 wieder. 3 ist eine nematische flüssige Kristallsubslanz. Wenn die wie angegeben konstruierte Flüssigkristallzelle zwischen einem Polarisator 5 und Analysator 5' angebracht wird, wobei die Polarisationsebcnen einander im rechten Winkel schneiden, und von Richtung des Pfeils ß in der Zeichnung mit Licht bestrahlt wird, gehl das polarisierte Licht durch eine Schicht der nematischen flüssigen Kristallsubstanz hindurch, kann jedoch nicht durch

den Polarisator 5 und Analysator 5' hindurchgehen, da der nematische flüssige Kristall, der in die Flüssigkristallzelle / eingefüllt ist, in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Trägerplatlcn 1, I orientiert ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Gleich- oder Wechselspannung (im allgemeinen werden 4 bis 15VoIt bevorzugt) an die transparenten elektrisch leitenden Schichten der Flüssigkristallzelle / angelegt wird, variiert der Orientierungswinkel der nematischen flüssigen Krislallsubstanz gegenüber den Trägerplatten 1,1 in Abhängigkeit von der angewandten Spannung, und dies auf Grund des Dipolmoments der nematischen flüssigen Kristallsubstanz. Wenn demgemäß das durch den Polarisator 5 polarisierte Licht durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchgeht, wird die Polarisationsebene gedreht, und demzufolge kann ein Teil des durch den Polarisator 5

polarisierten Lichtes durch den Analysator 5' hindurchtreten. Unter Verwendung des »DAP-Effekts« ist es möglich, eine Vorführvorrichtung mit hohem Kontrast herzustellen. Wenn im vorstehenden Fall von der Richtung des Pfeils B bestrahlt wird unter Variierung der auf die transparente elektrisch leitende Schicht angelegten Spannung, wird der Orientierungswinkcl der nematischvii flüssigen Kristallsubstanz gegenüber den Trägerplatten 1,1 variiert, und der Rotalionswinkel der polarisierten Fläche verändert sich in Übereinstimmung mit der Wellenlänge des Lichtes, wenn das Licht durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchtritl. Demzufolge können rote bis violette Lichtstrahlen aus dem Analysator S' entnommen werden.

Die folgenden Beispiele erläutern den Erfindungsgegenstand.

Beispiel

Es wurden die folgenden, in Tabelle 1 angegebenen Verbindungen als Fluor enthaltendes oberflächenaktives Mittel verwendet.

Tabelle 1

C₈F₁₇SO₂NHCH₂CH₂N^CH₃)., · 1
C₈F₁₇SO₂NHCH₂CH₂N^CHj)₃ · OH

C₈F₁₇SO₂NHCH₂CH₂N*(CH₃)., · OOC

Cl

Cl

(F-I) (F-Il)

(F-IlI)

(F-IV)

(F-V)

Es wurde von jedem Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel eine O,lgewichtsprozentige wäßrige Lösung hergestellt und jeweils auf eine Oberfläche von zwei Glasplatten aufgetragen, wonach bei Zimmertemperatur getrocknet wurde, um einen überzug des Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittels zu bilden. Diese beiden Glasplatten wurden in einer Entfernung von 20 Mikron parallel zueinander ausgerichtet, wobei die überzogenen Oberflächen einander zugekehrt waren, und die Kanten wurden abgedichtet, wobei kleine öffnungen zum Einfüllen einer nematischen flüssigen Kristallsubstanz beibehalten wurden. Jede der in Tabelle II aufgeführten nematischen flüssigen Kristallsubstanzen wurde durch die kleinen öffnungen in die erhaltene Zelle eingefüllt. Die

Tabelle II

kleinen öffnungen wurden geschlossen, um eine flüssige Krislallzelle zu erhalten. Die Transparenz der Zelle und das Ausmaß der Orientierung der nematischen flüssigen Kristallsubstanz der erhaltenen flüssigen Kristallzelle wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben.

Das Ausmaß der Orientierung der nematischen flüssigen Kristallsubstanz wurde durch Legen der in F i g. 2 gezeigten flüssigen Kristallzelle zwischen zwei Ablenkplatten, deren Polarisationsebenen sich senkrecht schneiden, und Strahlen von Licht von der Richtung des Pfeils B gemessen. Das mit ® in Tab. angezeigte Orientierungsausmaß bedeutet, daß die nematische flüssige Kristallsubstanz 100% in einer Richtung senkrecht zu den Glasoberflächen orientiert ist: mit anderen Worten: da das durch den Polarisator 5 polarisierte Licht direkt durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchtritt, wird das Licht, das durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchgetreten ist, vollständig durch den Analysator 5' abgeschirmt. Das mit O gekennzeichnete Orienticrungsausmaß bedeutet, daß die nematische flüssige Kristallsubstanz etwa 80% in einer Richtung senkrecht zu den Glasoberfiächen orientiert ist, mit anderen Worten: geht das Licht, das durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchgetreten ist, geringfügig durch den Analysator 5', was darauf zurückzuführen ist. daß, wenn das beim Polarisator 5 polarisierte Licht durch die nematische flüssige Kristallschicht hindurchtritt, die Polarisationsebene gedrehi

bzw. rotiert wird.

F-enthaltende
oberflächenaktive Mittel

Nematische flüssige Knstallsubstanzen

Transparenz

Ausmaß der
Orientierung

CH₃O

C₄H₉ gut

/-C₄H₉ gut

C₄H₉ (50 Gewichtsprozent) gut

C₄H₉ (50 Gewichtsprozent) gut

-"ortsetzung

:^;-cnth;illcmlc Nematische flüssige Krisiiillsiihslan/cn

iberflachen-

ikti\c Mittel

Trans- Ausmaß der

parcn/ Oriemierung

F-IV
F-V

CH₃O-V V CH-N-/ y C₄H₁, CHjO-/" V-CH=N-/" "Vc₄H₄ gut gut

Beispiel 2

Glasplatten, auf deren einer Oberfläche eine durchsichtige elektrisch leitende Schicht gebildet wurde, die aus Zinnoxid, indiumoxid. Gold, Silber oder Platin bestand, wurden als Trägcrplatlen verwendet. Es wurde jeweils eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung der angegebenen. Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittel auf die transparente leitende Schicht einer jeden der Trägerplatten aufgetragen und bei Zimmertemperatur getrocknet, um einen überzug des Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Mittels auf der transparenten leitenden Schicht zu erhalten. Dann wurden die beiden Trägerplatten in einem

Nematische flüssige Krislallsubstanzcn

Tabelle	111	Durch
F-cnt-	sichtige
haltcndc	leitende
ober	Schicht
flächen
aktive
Mittel

Abstand von 15 Mikron parallel zueinander ausgerichtet, wobei die überzogenen Oberflächen einander zugekehrt waren, und es wurde, wie im Beispiel 1 angegeben, eine Zelle hergestellt. Gewünschtenfalls wurde eine nenialische flüssige Kristallsubstanz in die Zelle bei einer erhöhten Temperatur eingefüllt, um dadurch eine flüssige Kristallzelle herzustellen. Es wurden die Transparenz und das Orientierungsausmaß der nematischen flüssigen KristallsuHlanz gemessen.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 111 zusammengefaßt.

Transparcn7

Ausmaß der Orientierung

SnO₂
Au
Ag
SnO₂

Pt

CH₃O

F-II SnO₂ CH₃O

In₂O₃

OC-CH₃ (100¹C) gut

_y- C₄H₉ gut

CH₃O-(f >— CH=N-/ V~^C*^H9 8^ut

CH₃O-/ V"^CH==N—<C V~^C*^H« ⁽⁵° Gewichtsprozent) gut

CH=N-^f V__C4H_g (50 Gewichtsprozent) gut

CH=N-/ V-C₄H₉ (50 Gewichtsprozent) gut

,H₉ (50 Gewichtsprozent) gut V-C₄H₉ gut

CH=N-

gjt

Fortsetzung	Durch
F-enl-	sichtige
haltcnde	leitende
obcr-	Schicht
fliichcn-
aktivc
Mittel

Nematische flüssige Krislallsubstan/en

Transparenz

AusmaU der Orientierung

F-UI SnO₂ CH₃O

Au CH₃O

CH=N-

CH=N

gill

C₄H₉ 132 Gewichtsprozent) gul

CH=N-^ S-C₄Hg (36 Gewichtsprozent) gut

-CH=N =N-/ V-

C₄H₉ (22 Gewichtsprozent) gut

C„H„O—('

CH=N-< >— C₄H₉ (10 Gewichtsprozent) gut

F-IV SnO₂ CH₃O-

F-V SnO₂ CH₃O-/ V-CH=N-

Bei Anwendung einer 15-Volt-Gleichspannung auf die transparente leitende Schicht der in diesem Beispiel erhaltenen Flüssigkristallzellen wurde die transparente nematische flüssige Kristallschicht trüb.

Wenn jede dieser flüssigen Kristallzellen zwischen dem Polarisator 5 und dem Analysator 5', deren gut

UUt

Polarisationsebenen senkrecht aufeinander waren, eingebracht wurde und eine Gleichspannung von bis 8 Volt an die transparente leitende Schicht angelegt wurde und gleichzeitig von der Richtung des Pfeils B weißes Licht darauf eingestrahlt wurde, konnten rote bis violette Strahlen aus dem Analysator 5' entnommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Flüssigkristallzelle mit zwei Trägerplatten, die parallel zueinander angeordnet sind und von denen mindestens eine transparent ist, und einer nematischen Flüssigkristallsubstanz, die zwischen den zwei Trägerplatten eingefüllt ist, wobei ein Überzug aus einem eine Fluoralkangruppe enthaltenden oberflächenaktiven Mittel auf den sich gegenüberliegenden Flächen der zwei Trägerplatten ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Mittel eine Verbindung ist, welche außer einer Fluorkohlenstoffgruppe der Formel