DE2451656A1

DE2451656A1 - Elektro-optische zelle

Info

Publication number: DE2451656A1
Application number: DE19742451656
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Helfrich
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1973-11-02
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-05-07
Also published as: US3914020A; JPS5080151A; FR2250128A1; NL7414291A; CH571723A5; FR2250128B3

Description

Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Zelle mit einem zwischen zwei mit Elektroden versehenen lichtdurchlässigen Platten angeordneten nematischen Flüssigkristall.

Es ist eine grosse Zahl von elektro-optischen Zellen bekannt, in denen die Beeinflussung des durchgehenden Lichts mit Hilfe elektrischer Felder oder Ströme unter Ausnützung verschiedener bei nematischen flüssigen Kristallen auftretender Effekte bewirkt wird. Einige Beispiele solcher Effekte sind die dynamische Streuung, der Schwarmbildungseffekt , die sogenannte "Guest-host interaction", die Deformationseffekte von 'homöotropen (DAP-Effekt), homogenen und verdrillten homogenen nematischen Schichten, etc. Die einzelnen Effekte unterscheiden sich untereinander hinsichtlich der Schwellenspannungen, der erzielbaren Kontraste, der Schaltgeschwindig-

Bu/9.10.1974

509819/0805

keiten und anderer Merkmale. Allen gemeinsam sind jedoch lange Schaltzeiten, insbesondere eine relativ lange Abschaltzeit» in der die Moleküle des flüssigen Kristalls nach Abschalten des elektrischen Feldes die Anordnung wieder einnehmen, die sie vor dem Einschalten des Feldes innehatten. Dies ist massgeblich darauf zurückzuführen, dass diese Effekte von der Polarität des angelegten elektrischen Feldes unabhängig sind. Eine Folge davon ist beispielsweise, dass sie mit Wechselspannung betrieben werden können. Damit entfällt die Möglichkeit,den flüssigen Kristall aktiv in den unbeeinflussten Zustand zurückzuschalten. Die aktive Rückschaltung scheint aber nach dem derzeitigen Wissen auf diesem Gebiet die einzige Möglichkeit zu sein, die Abschaltzeit wesentlich zu verkürzen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine elektro-optische Zelle der eingangserwähnten Art bereitzustellen, die eine erheblich kürzere Abschaltzeit als die bekannten Einrichtungen dieser Art besitzt.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der flüssige Kristall aus einem nematischen Material mit einer dielektrischen Anisotropie von mindestens näherungsweise gleich Null besteht und im feldfreien Zustand eine homöotrope * Textur besitzt, eine der beiden Platten eine Oberflächen-escha; fenheit aufweist, die die Moleküle des flüssigen Kristalls annähernd senkrecht zur Plattenoberfläche fiziert und in Richtung des durchgehenden Lichts vor und hinter dem flüssigen Kristall je ein Polarisator in gekreuzter Anordnung vorgesehen, ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Zelle 509819/0805

nach der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Darstellung des gleichen Schnitts mit eingezeichneten Orientierungslinien im feldfreien Zustand,

Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung "bei angelegtem Feld,

Figur 4 einen Ausschnitt aus der unteren Platte der in Figur 1 gezeigten Anordnung mit einer zusätzlichen,die Elektrode abdeckenden Schicht.

Figur 1 zeigt in stark vergrössertem Masstab einen Ausschnitt aus einer elektro-optischen Zelle gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zelle "besteht im wesentlichen aus einem flüssigen Kristall 11, der zwischen zwei Platten 12 und 13 angeordnet ist, wobei sich zu beiden Seiten dieser Anordnung,bzw. in der vorliegenden Darstellung unterhalb und oberhalb derselben, je ein Polarisator 14, 15 befindet.

Der flüssige Kristall 11 besteht im wesentlichen aus einer nematischen Substanz,deren dielektrische Anisotropie gleich bzw. annähernd gleich Null ist. Ausserdem besitzen die Moleküle des flüssigen Kristalls ein permanentes elektrisches Dipolmoment und eine asymmetrische, beispielsweise eine konische oder bananenähnliche,Form. Bei diesen Molekülen sind die krümmungselektrischen Konstanten e.,., der Längsbiegung und e.,„ der Querbiegung unterschiedlich gross,und zwar ist es vorteilhaft, wenn die Differenz e-,η -6~- möglichst gross ist. Mit anderen Worten handelt es sich um Substanzen, die in starkem Mass den bekannten piezoelektrischen Effekt von flüssigen Kristallen zeigen. Bei der Deformation einer solchen flüssig-kristallinen Substanz ergibt sich eine Polarisation,bzw. erzeugt umgekehrt ein elektrisches Feld eine Spreizung oder Biegung der

5 0 9819/0805

Orientierungslinien des flüssigen Kristalls.

Eine Substanz,die diesen Effekt zeigt, und mit der sich demnach eine elektro-optische Zelle nach der Erfindung aufbauen lässt, ist .das p-Methoxybenzyliden-p,n-butylanilin(MBBA). Um eine dielektrische Anisotropie von annähernd Null zu erreichen kann dem MBBA eine geringe Menge, beispielsweise 1%, n(4-Aethoxybenzyliden)-4-aminobenzonitril (PEBAB) beigemischt werden.

Eine andere gut geeignete Mischung besteht aus ρ,ρ'-Di-n-butylazoxybenzol und p-Methoxy-p'-n-butylazoxybenzol, vorzugsweise in einem Mischungsverhältnis von 60 zu 40, die eine dielektrische Anisotropie von AS = +0,04 hat.

Die Forderung, dass die dielektrische Anisotropie gleich oder annähernd gleich Null sein soll, besteht dann, wenn ein reiner krümmungselektrischer Effekt gewünscht wird. Falls diese Forderung nicht erfüllt ist, ergibt sich eine Ueberlagerung des krümmungselektrischen Effekts mit einem dielektrischen Effekt, die für bestimmte Anwendungen störend sein kann.

Der flüssige Kristall besitzt eine näherungsweise homöotrope Textur, d.h. seine Moleküle sind alle annähernd parallel gerichtet und ihre Längsachse steht im wesentlichen senkrecht zu den beiden Platten 12 und 13· Diese Textur wird durch die Oberflächenbeschaffenheit der Platten 12, 13 erreicht, wie nachfolgend beschrieben wird.

Die Platte 12 besteht aus einer Glasplatte 16, wie sie üblicherweise zur Herstellung bekannter elektro-optischer Zellen verwendet wird. Die Glasplatte 16 besitzt auf ihrer dem flüssigen Kristall zugewandten Oberfläche eine lichtdurchlässige leitende Beschichtung 17, die nachfolgend mit

509819/0805

Elektrode bezeichnet wird. Die Elektrode 17 besteht aus SnO , InO oder einer anderen, üblicherweise zur Herstellung ■ solcher lichtdurchlässiger Beschichtungeri verwendeten Substanz, Je nach der Anwendung der vorliegenden elektro-optischen Zelle kann die Elektrode 17 entweder durchgehend die gesamte Oberfläche der Glasplatte· 16 bedecken, oder "sie kann in Teilflächen gemäss einem Raster zur Erzeugung einzelner Bildpunkte oder in bestimmte Figuren, wie sie beispielsweise zur Darstellung alphanumerischer Zeichen benötigt werden, aufgeteilt sein.

Die dem flüssigen Kristall zugewandte Oberfläche der Platte 12 bzw. der Elektrode 17 ist so behandelt, dass die Moleküle des flüssigen Kristalls unter einem Winkel von ca* 90° zur Plattenöberflache orientiert werden, wobe± die Orientierungskraft relativ gross ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Fixierung unter dem Winkel von 90° relativ starr ist. Eine solche Orientierungswirkung erreicht man beispielsweise durch Aetzen der Oberfläche der Elektrode 17· Eine andere Möglichkeit, die relativ starre Orientierung zu erreichen ist nachstehend im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben.

Die den flüssigen Kristall auf der anderen Seite ' begrenzende Platte 13 besteht ebenfalls aus einer Glasplatte 18, deren dem flüssigen Kristall zugewandte Oberfläche wiederum mit einer elektrisch leitenden Schicht 19 versehen ist. Wie bei der gegenüberliegenden Platte kann die elektrisch leitende Schicht 19 die Glasplatte 18 entweder gleichmässig bedecken oder in einzelne Bereiche gemäss einem Raster oder einem anderen Muster aufgeteilt sein.

Die dem flüssigen Kristall zugewandte Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht 19 ist so behandelt, dass

609819/0805

sich die Moleküle des flüssigen Kristalls.unter einem kleinen Winkel zur Senkrechten zur Plattenonerfläche einstellen, wobei aber die Orientierungskräfte an dieser Seite wesentlich kleiner sind, als auf der gegenüberliegenden Seite. Eine solche Orientierungswirkung mit relativ schwacher Orientierungskraft erhält man beispielsweise durch Behandlung der Oberfläche mit einer alkoholischen Lezithinlösung.

Durch die annähernd senkrechte Orientierung der Moleküle des flüssigen Kristalls an den Lattenoberflachen-, stellt sich eine homöotrope Textur ein. Wie bereits ausgeführt, ist das wesentliche Merkmal dieser homöotropen Textur die -Tatsache, dass die Orientierungskräfte an den beiden Plattenoberflächen unterschiedlich gross sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Unterschied relativ gross ist. Wegen dieser Forderung verbietet sich die üblicherweise angewendete Methode zur Erreichung einer homöotropen Textur durch Dotierung des flüssigen Kristalls beispielsweise mit Polyamidharzen, weil deren Wirkung im ganzen flüssigen Kristall gleich gross, ist.

Die beiden Platten werden in üblicher Weise durch Abstandshalter in einem für elektro-optische Zellen üblicher Abstand, beispielsweise 20 μ gehalten. An den seitlichen Rändern ist die Zelle wie üblich hermetisch abgedichtet, beispielsweise mit Glaslot oder einem Kunststoffmaterial.

Die elektrisch leitenden Schichten oder Elektroden 17, 19 sind über Leitungen 20, 21 mit einer Ansteuerschaltung 22 verbunden, die in Figur 1 lediglich symbolisch durch einen Schalter 2J> und eine Spannungsquelle 24 dargestellt ist, wobei mit Hilfe des Schalters 23 die angelegte Spannung sowohl ein- und ausgeschaltet, als auch umgepolt werden kann.

509819/0805

Es ist selbstverständlich, dass die Schaltung 22 in Wirklichkeit eine wesentlich umfangreichere Schaltung zur Ansteuerung darstellt, insbesondere dann, wenn die Elektroden in einzelne Teilflächen aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander angesteuert werden. In diesem Fall ist selbstverstänilich anstelle der Leitungen 20, 21 eine Vielzahl von Leitungen zu den einzelnen Elektrodensegmenten vorhanden.

Die Polarisatoren 14 und 15 sind parallel zu den Platten 12, 13 so angeordnet, dass ihre Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen und ausserdem mit den Ebenen, in denen bei angelegtem Feld die Orientierungs-' linien des flüssigen Kristalls liegen, einen Winkel von 45° bilden. Wie diese Ebenen bzw. die Orientierungslinien bei angelegtem PeId liegen, wird aus der nachfolgenden Beschreibung der Punktion der Zelle ersichtlich. Als Polarisatoren dienen die üblicherweise für elektro-optischen Zellen verwendeten Polarisationsfolien etc.

Die Wirkungsweise der Zelle wird anhand der Figuren und 3 erläutert.. Figur 2 zeigt wiederum in stark vereinfachter Darstellung den zwischen den Platten 12 und 13 liegenden flüssigen Kristall 11, von dem hier nur die Orientierungslinien angegeben sind. Die Elektroden der Platten 12, 13 sind über die Leitungen 20, 21 und den Schalter 23 mit der Spannungsquelle 24 verbunden. Der Schalter 23 ist geöffnet, sodass keine Spannung an den Elektroden anliegt. Der flüssige Kristall ist somit nur durch die Orientierungskräfte an den beiden Plattenoberflächen beeinflusst und besitzt eine näherungsweise homöotrope Textur; die Orientierungslinien sind parallel zueinander und annähernd senkrecht zu den Platten 12, 13.

Wenn, wie in Figur 3 gezeigt, der Schalter 23 geschlossen wird, liegt eine Spannung zwischen den Elektroden

509819/0805

der Platten 12 und 13 und es ergibt sich ein homogenes elektrisches Feld im flüssigen Kristall 11. Dieses elektrische Feld greift an Molekülen an, die nicht genau parallel zum Feld, bzw. senkrecht zu den Platten gerichtet sind. Solche Abweichungen von der genau senkrechten Richtung ergeben sich •auch bei einer homöotropen Textur aufgrund statistischer Fluktuationen _t sodass immer Moleküle vorhanden sind, die mit der Feldrichtung einen kleinen Winkel bilden. Aufgrund des krümmungselektrischen Effekts wird die homöotrope Textur des flüssigen Kristalls verbogen, wie durch die •gekrümmten Orientierungslinien in Figur 3 gezeigt ist. Die Verbiegung erfolgt in der Richtung, in der bei der Einschaltung des Feldes statistisch gesehen die überwiegende Zahl der Moleküle von der genau senkrechten Richtung abweichen. Eine solche Abweichung von der exakten Symmetrie besteht bei Zellen dieser Art praktisch immer, weil bei der Herstellung der Platten Abweichungen von der Symmetrie nicht zu vermeiden sind. Es ist jedoch vorteilhaft, solche Abweichungen von der Symmetrie gezielt vorzusehen.

Senkrecht zu den Platten 12, 13 eingestrahltes polarisiertes Licht geht in dem in Figur 2 gezeigten feldfreien Zustand unbeeinflusst durch den flüssigen Kristall hindurch, weil es parallel zur optischen Achse des flüssigen Kristalls verläuft. Licht, das durch den Polarisator 15

■ linear polarisiert ist, wird demnach durch den gegenüberliegenden Polarisator 14, dessen Polarisationsrichtung zu der des Polarisators 15 senkrecht ist, gesperrt. In

j dem in Figur 3 gezeigten Fall des angelegten elektrischen Feldes, in dem die Orientierungslinien verbogen sind, verläuft das senkrecht zur Platte 13 eingestrahlte Licht nicht mehr in Richtung der optischen Achse, da diese durch die Orientierungslinien gegeben ist, und wird somit depolarisiert. Nach dem Durchgang durch den flüssigen Kristall besitzt das Licht eine Komponente in Richtung der Polarisations-

509819/0805

richtung des Polarisator 14 die durch diesen hindurchgehen kann. Für einen auf der Seite des Polarisators 14 befindlichen Beobachter erscheint somit die Zelle im feldfreien Zustand dunkel, bei angelegtem Feld hell.

Bei Abschaltung des elektrischen Feldes stellt sich die homöotrope Struktur des flüssigen Kristalls wieder ein, d.h., das Licht durchläuft den flüssigen Kristall wieder unbeeinflusst, und die Zelle erscheint dem Beobachter dunkel. Nun kann aber, da es sich um einen Effekt handelt, der von der Feldrichtung abhängig ist ,das Feld, anstatt ausgeschaltet zu werden, umgepolt werden. Dadurch wird die Verbiegung der homoo.tr op en Textur aktiv zurückgeschaltet. Hierin liegt der grosse Vorteil der vorliegenden Zelle, da durch die aktive Rückschaltung die "Abschaltzeit des elektro-optischen Effekts stark verkürzt wird.

Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Moleküle des flüssigen Kristalls durch die Oberflächenstruktur der Platten 12,13 oder einer dieser beiden Platten eine schwache Abweichung von der streng homöotropen Textur vermitteln. Es genügt bereits eine Abweichung von der Symmetrie der statistischen Fluktuationen, da sich bei einer schwach vorgegebenen Vorzugsrichtung die Orientierungswirkung beim Einschalten des Feldes selbst verstärkt. Ausser durch die Struktur der Plattenoberflächen kann eine solche Vorzugsorientierung auch durch ein zusätzliches, parallel zu den Platten verlaufendes,elektrisches oder magnetisches Feld erfolgen. Um ein elektrisches Zusatzfeld anzulegen, sind beispielsweise an den Rändern der Zelle geeignete Elektroden vorzusehen. Da eine schwache Abweichung von der-Symmetrie genügt, , ist ein sehr schwaches Zusatzfeld ausreichend.

Durch die gekrümmten Orientierungslinien sind senkrecht auf den Platten stehende Ebenen definiert, die als Haupt-

509819/0805

schnittebenen bezeichnet werden können. Mit diesen Hauptschnittebenen sollen die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 14 und 15 einen Winkel von 45° bilden. Bei dieser Richtung'der Polarisatoren ist der Kontrast zwischen hell und dunkel am stärksten.

In Figur 4 ist eine Alternativmöglichkeit gezeigt, mit der die feste Orientierung an der einen Platte Ϊ2 erreicht werden kann. Ueber der Elektrode 17 befindet sich eine molekulare Schicht 25 aus Silanen, die in Lösungen aufgebracht werden. Diese Silane besitzen ein Dipolmoment, das die angrenzenden Moleküle des flüssigen Kristalls senkrecht zur Oberfläche orientiert. Eine geeignete Substanz ist beispielsweise das Alkoxysilan η,η-Dimethyl-n-octadecyl-3-aminopropyl-trimethoxysilylchlorid (DMOAP) mit dem sich die Moleküle etwas schräg zur Plattenoberfläche einstellen.. Die einmolekulare Schicht ist nicht homogen genug, um als Isolator zu wirken. Infolgedessen besteht nicht die Gefahr, dass sie bei angelegtem Feld polarisiert wird und die gesamte Spannung zwischen den beiden Platten 12 und 13 an dieser Schicht abfällt. Die schwächere Orientierungsfixierung auf der Gegenseite kann beispielsweise durch Aetzen der Platte erreicht werden. Eine Behandlung der gegenüberliegenden Oberfläche kann sogar ganz unterbleiben, weil die Eichtwirkung der einen Seite genügt.

Wie bereits erwähnt, besteht der grosse Vorteil der vorliegenden elektrooptischen Zelle darin, dass sie aktiv rückschaltbar und damit die Ausschaltzeit wesentlich kürzer als bei anderen elektrooptischen Zellen ist. Dadurch eignet sich die vorliegende Zelle besonders für Anwendungen, in denen kurze Schaltzeiten gefordert werden, wie beispielsweise in der Fernsehtechnik etc.

509819/0805

Claims

Patentansprüche

Ü>

Iy Elektro-optische Zelle mit einem zwischen zwei mit Elektroden versehenen lichtdurchlässigen Platten angeordneten nematischen Plussigkristall, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kristall aus einem nematischen Material mit einer dielektrischen Anisotropie von mindestens näherungsweise gleich Null "besteht und im feldfreien Zustand eine im wesentlichen homöotrope Textur "besitzt, eine der "beiden Platten eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die die Moleküle des flüssigen Kristalls annähernd senkrecht zur Plattenoberfläche fixiert und in Richtung des durchgehenden Lichts vor und hinter dem flüssigen Kristall je ein Polarisator in gekreuzter Anordnung vorgesehen ist.
2. Elektro-optische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer der "beiden Platten mit einer alkoholischen Lecithinlösung "behandelt ist.
3· Elektro-optische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer der beiden Platte durch Aetzen behandelt ist.
4. Elektro-optische Zelle nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer der beiden Platten mit einer Schicht aus Silanen versehen ist.

5· Elektro-optische Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren mit den Ebenen, in denen bei angelegtem PeId die Orientierungslinien der Moleküle des flüssigen Kristalls liegen, einen Winkel von 45° bilden.

509819/0805

L e e r s e i t e