DE2459533A1

DE2459533A1 - Elektrooptisches anzeigegeraet

Info

Publication number: DE2459533A1
Application number: DE19742459533
Authority: DE
Inventors: Gerard J Sprokel
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-19
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5093665A; FR2255665B1; GB1475378A; FR2255665A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Anzeigegerät unter Verwendung von Flüssigkristallmaterial. Sie betrifft insbesondere alphanumerische Anzeigegeräte unter Verwendung homöotrop ausgerichteter positiv-nematischer Flüssigkristallniateriaiien.

Die nematischen Materialien bestehen aus organischen Verbindungen, deren Moleküle eine längliche, stabellenförmige Struktur besitzen. Die Verbindungen enthalten im allgemeinen polare Gruppen und das resultierende Dipolmoment bildet einen gewissen Winkel mit der Längsachse des Moleküls. In Abhängigkeit von der Stellung dieser polaren Gruppen im Molekül und der Stärke ihres Einflusses kann der Winkel zwischen dem molekularen Dipolmoment und der der Längsachse' des Moleküls viel kleiner als 45° sein. Verbindungen dieser Art werden als positiv-nematisch bezeichnet, weil die Komponente des Dipolmoments in Richtung der Längsachse des Moleküls größer ist als die Komponente senkrecht zu dieser Molekülachse. Es ist auch eine Klasse nematischer Verbindungen bekannt, die einen großen Winkel zwischen Dipolmoment und Mole-

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külachse besitzen. Diese Verbindungen werden als negativ- nematisch bezeichnet, weil die Komponente des Dipolmoments in Richtung der Molekülachse kleiner ist als die Komponente senkrecht dazu. Alle nematischen Materialien, positive und negative sind doppelbrechend und von einachsiger Symmetrie. Die optische Achse verläuft immer parallel zur Längsachse des Moleküls.

Flüssigkristallmaterialien befinden sich in bestimmten Temperaturbereichen, einschließlich derjenigen um Zimmertemperatur, in einer Zwischenphase zwischen.einem kristallinen Zustand mit hohem Ordnungsprinzip und dem flüssigen Zustand mit willkürlicher Anordnung der Bausteine. In nematischen Flüssigkristallmaterialien tendieren die Moleküle in einem gegebenen Bereich, sich zueinander parallel zu ihrer Längsachse auszurichten. Wenn solche Materialien zwischen Elektroden angeordnet werden und ein elektrisches Feld angelegt wird, tendieren die Moleküle sich zu drehen und sich wieder parallel zueinander auszurichten in einer Richtung, die durch das Dipolmoment des Moleküls bestimmt wird. So wird sich, wenn ein elektrisches Feld angewendet wird und die Moleküle sich drehen, die Richtung der optischen Achse ändern. Bis jetzt enthalten im Handel erhältliche Feldeffekt-Anzeigegeräte Flüssigkristallmaterial in paralleler Anordnung, In solchen Zellen wird eine Vorzugsrichtung hergestellt durch Reiben oder dergleichen und die Zelle wird so angeordnet, daß die Vorzugsrichtung der unteren Oberfläche senkrecht zu der Vorzugsrichtung der oberen Oberfläche ist. So ist die Orientierung über die Dicke der Zelle um 90° verdreht. Wenn die Zelle im Ruhezustand zwischen gekreuzten Polarisatoren betrachtet wird, ist sie hell. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, drehen sich die Moleküle und die optische Achse verläuft im wesentlichen parallel zu dem Feld und der Betrachtungsrichtung, und daher ist die Zelle dunkel. Es wurde gefunden, daß es schwierig ist, bei lange andauerndem Gebrauch eine einheitliche parallel Orientierung über den ganzen Bereich des Anzeigegerätes herzustellen und

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aufrechtzuerhalten. Demzufolge haben Zellen, sogar wenn sie neu sind, keine einheitliche Helligkeit über den ganzen Bereich und fallen bald aus,

Die meisten nematischen Materialien tendieren zu einer willkürlichen Ausrichtung ihrer Moleküle an der Substratoberfläche. Es sind jedoch Zusätze bekannt, welche negativ-nematischen Materialien zugegeben werden, und welche bewirken, daß die Moleküle im Ruhezustand senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Diese Art der Ausrichtung wird als homöotrop bezeichnet. Es wurde gefunden, daß solche Zusätze, die bisher nur negativ-nematischen Materialien zugesetzt wurden, in gleicher Weise brauchbar sind zur homöotropen Ausrichtung für positiv-nematische Materialien . Geht man von einem homöotrop ausgerichteten Material aus, dann ist, wenn ein negatiy-nematisches Material verwendet wird, die Richtung des elektrischen Feldes im allgemeinen parallel zur Betrachtungsrichtung und umgekehrt muß die Richtung des elektrischen Feldes senkrecht zur Betrachtungsrichtung sein, wenn ein positiv-nematisches Material verwendet wird. Ein negativ-nematisches Material zeigt jedoch, wenn es dem Einfluß eines elektrischen Feldes unterworfen wird, eine turbulente Bewegung. Dieses Phänomen ist gut bekannt und wird als dynamische Streuung bezeichnet. Die Turbulenz depolarisiert teilweise das Material, und Zellen dieser Art zeigen geringen Kontrast zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand. Wie in der US-Patentschrift 3 687 515 beschrieben ist, kann ein Anzeigegerät hergestellt werden unter Verwendung von negativ-nematischem Material, bei dem die Feldrichtung senkrecht zur Betrachtungsrichtung orientiert ist und die dynamische Streuung auf teilweiser Depolarisation und einem "Eingesehaltet^:1-Zustand beruht'. Auch hier ist der Kontrast sehr gering.

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Positiv-nematisches Material zeigt keine dynamische Streuung, und diese Erfindung betrifft deshalb positiv-nematisches Material, welches homöotrop ausgerichtet ist und mit Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zur Betrachtungsrichtung versehen ist. Auf diese Weise werden verbesserte Anzeigegeräte erhalten.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein elektrooptisches Anzeigegerät aus zwei parallel zueinander angeordneten transparenten Trägerelementen, wenigstens einem Elektrodenpaar auf der Oberfläche eines der Trägerelemente, einer Schicht aus positiv-nematischem, flüssigkristallinem Material mit homöotroper Orientierung bezüglich der Oberfläche der Trägerelemente, Steuer- und Adressierschaltungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Flüssigkristallmaterial mit Richtung parallel zur Oberfläche der Trägerelemente und senkrecht zur optischen Achse der Anordnung, und Polarisatoren auf beiden Seiten der Anordnung, wobei ein Polarisator parallel und der andere senkrecht zur optischen Achse der Anordnung ausgerichtet ist.

Die Erfindung betrifft positiv-nematische Zellen mit verbesserten Anzeigeeigenschaften.

In dieser Erfindung wird im Ruhezustand (ausgeschaltet) das Material in Richtung der optischen Achse des Materials betrachtet, und deshalb erscheint die Zelle einheitlich dunkel zwischen gekreuzten Polarisatoren. Das angelegte elektrische Feld bewirkt, daß die Molekülorientierung nahezu um 90 geändert wird. Der Film ist nun doppelbrechend und erscheint deshalb hell zwischen gekreuzten Polarisatoren.

Das erfindungsgemäße Anzeigegerät umfaßt eine Flüssigkristallzelle, in der ein positiv-nematisches, flüssigkristallines Material verwendet wird, welches einen Zusatz enthält, der homöotrope Aus-

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richtung der Moleküle zwischen den Trägerelementen bewirkt." Die Elektroden werden auf der Oberfläche eines der Trägerelemente ausgebildet, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein elektrisches Feld an das Flüssigkristallmaterial zwischen benachbarte Elektroden anzulegen und ein elektrisches Feld mit Richtung parallel zur Oberfläche der Trägerelemente zu erzeugen und eine Drehung der Moleküle zu bewirken. Das Anzeigegerät ist versehen mit gekreuzten Polarisatoren mit der optischen Achse senkrecht zur Richtung des angelegten Feldes und senkrecht zu der Ebene der Trägerelemente.

Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der besonderen Beschreibung und der Figuren angegeben.

Es zeigen;

Fign. IA und B schematische Zeichnungen, teilweine im Schnitt,

aus welchen der Aufbau und die Wirkungweise der Anordnung ersichtlich ist;

Fig. 2 in auseinandergezogener Weise ein numerisches

Anzeigegerät;

Fign. 3A und B eine schaubildliche Darstellung eines elektrooptischen Anzeigegerätes gemäß der Erfindung.

Wie aus Fig. 1A ersichtlich ist, wird eine Flüssigkristallzelle 11 gebildet aus transparenten Trägerelementen 15 und 17, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder einem anderen inerten Material, welches gute lichtdurchlässige Eigenschaften besitzt. Die Trägerelemente besitzen ebene Oberflächen, die parallel zueinander angeordnet sind, und auf der inneren Oberfläche des Trägerelements 17 sind elektrisch leitfähige Elektroden 19 und mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 bis 3000 Ä

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angeordnet. Beispiele für Materialien, aus denen solche Elektroden angefertigt werden können, sind In₃O₃, SnO _ und Chrom. Zwischen den Trägerelementen 15 und 17 ist eine.Schicht 13 eines Flüssigkristallmaterials angeordnet, deren Moleküle 27, wie schematisch angedeutet ist, Längsachsen in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Trägerelemente besitzen. Der Abstand zwischen den Trägerelementen 17 und 15 wird durch geeignete Elemente bestimmt, beispielsweise durch erhöhte Teile an den Kanten der Trägerelemente selbst, oder durch Klemmstücke oder Dichtungsringe 12 aus irgendeinem geeigneten inerten Material wie Glas oder Kunststoff. Es wird ein Abstand zwischen 0,0127 bis 0,0254 mm (0,5 bis 1 Mil) bevorzugt, und die Spalte zwischen den Elektroden 19 und 21 betragen etwa 0,0254 mm bis 0,51 mm (1 bis 20 Mils). Die Elektroden 19 und 21 sind an die elektrischen Leitungen 24 und 25 angeschlossen, wobei die Elektrode 19 mit einer Spannungsquelle 26 über einen Schalter 28 verbunden ist.

Bei Betrachtung im Ruhezustand durch die gekreuzten Polarisatoren (nicht abgebildet) in Richtung der optischen Achse tritt kein Licht von einer diffusen Lichtquelle (nicht abgebildet), die hinter dem Trägerelement 17 angeordnet ist, durch die Flüssigkristallschicht 13, und das Feld erscheint einheitlich schwarz. Wenn der Schalter 28 geschlossen ist, ist ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 19 und 21 parallel zu der planaren Oberfläche des Trägerelements 17 angelegt. Die Moleküle 27A (Fig. 1B) der Flüssigkristallschicht 13 drehen oder verdrehen sich in der Weise, daß die Längsachsen der Moleküle parallel zueinander zwischen den Elektroden und parallel zu der Oberfläche des Trägerelementes 17 ausgerichtet sind. Dies bewirkt einen Wechsel in den optischen Eigenschaften, so daß das Flüssigkristallmaterial in Betrachtungsrichtung nunmehr optisch anisotrop (doppelbrechend) ist und zwischen gekreuzten Polarisatoren hell erscheint. Außerhalb des Bereiches, der durch die Elektroden definiert wird, bleibt die Ausrichtung der Kristalle unverändert, und das Feld bleibt schwarz. Die Ausrichtung ist ein zusammenwirkender Effekt,

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und es liegt eine Spannungsschwelle und keine Feldschwelle vor.

Beispiele für geeignete positiv-nematische Flüssigkristal!materialien für die Schicht 13 sind Verbindungen, deren Strukturformeln nachfolgend angegeben sind:

R-O (f \ CH = N f y C = N

in der R=C H„ ,. und η = 4 bis 6, beispielsweise !

η 2n+l >

C.H_n - 0 —(/ \ CH = N-/ \-C s N - ;

B R-C

0 ~f \- CH = N —/ Λ— C=N

worin R=C H₂₊₁ und η = 4 bis 6, beispielsweise C₆ H₁₃ ist;

in der R = C	H_2n+1	und η = 4 bis 6,
^R"-=^Cn	^H2n+1	und ⁿ =4 bis 7,
beispielsweise	0	O /f~\ Il
		*ο- (I \* _ö _ \=/**
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D NC (/ ^ C - O ff V- S - O ff \ C₄H₉

Alle diese Moleküle besitzen Dipolmomente, bei denen die Komponente in Richtung der Längsachse des Moleküls größer als die Komponente senkrecht zur Längsachse des Moleküls ist.

Es wurde gefunden, daß die homöotrope Ausrichtung positiv-nematischer Materialien durch die Einverleibung geeigneter Zusätze, beispielsweise langkettiger Alkylpyridinium- oder quaternärer Ammoniumsalze erhalten werden kann. Materialien dieser Art wurden bereits beschrieben als geeigente Zusätze zur Erzeugung der homöotropen Textur für negativ-nematische Materialien, Es sind dies Verbindungen, die beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 21 60 788.5 beschrieben sind und die allgemeine Formel R (R¹J₃N⁺X^- besitzen, worin R ein Alkylrest mit 10 bis 24 C-Atomen, R¹ ein Methyl- oder Äthylrest ist und X ein Säureanion bedeutet. Typische Beispiele spezifischer Verbindungen sind Hexadecylpyridiniumbromid, Dodecylpyridiniumbromid, Hexadecyltrimethylammoniumbromid und dergleichen. Die Materialien werden angewendet in Mengen in einem Bereich von etwa 0,25 bis

-4

2,5 χ 10 Molprozent des Flüssigkristallmaterials, in Abhängigkeit der Löslichkeitscharakteristik des speziellen nematischen Flüssigkristallmaterials, welches verwendet wird.

Es wurde gefunden, daß in einer Testanordnung, in welcher der Elektrodenabstand etv/a 0,127 mm (5 Mil) und der Abstand der Trägerelemente etwa 0,0127 mm (0,5 Mils) war und wenn positiv-nematisches Flüssigkristallmaterial vom Typ C mit einem Zusatz an

-4

7 χ 10 Molprozent Hexadecylpyridiniumbromid als Ausrichtungsmittel verwendet wurde, die Zelle eine Schwellenspannung von etwa 8 Volt besaß und die Anzeige einheitlich schwarz war mit Ausnahme der Bereiche, in denen eine Spannung angelegt wurde.

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Niedrigere Schwellenspannungen wurden erhalten mit Mischungen von Verbindungen vom Typ A und B.

Fig. 2 ist eine Darstellung in auseinandergezogener. Weise eines numerischen Anzeigegerätes mit einem Elektrodenmuster aus sieben Segmenten von einander gegenüberliegenden Elektrodenpaaren 31-32, 33-34, 35-36, 37-38, 39-40, 41-42 und 43-44, welches aus In₃O₃ auf einem Glassubstrat 45 gebildet wurde. Eine Elektrode eines jeden Paares ist mit der Erde_v 47 verbunden und die zweite Elektrode eines jeden Paares ist mit einer geeigneten Steuer- und Adressierschaltung verbunden, welche schematisch in dem Kasten 49 dargestellt ist. Das Abstandsstück 51 aus Teflon (Warenzeichen von Du Pont für Polytetrafluorethylen) mit einer Dicke von etwa 0,0127 mm (0,5 Mil) und das Glassubstrat 53 vervollständigen die Anordnung und schaffen den R.aum für den Einschluß des Flüssigkristallmaterials, welches homöotrop ausgerichtet wurde durch einen der oben beschriebenen geeigneten Zusätze.

Die Fign. 3A und B sind schematische Darstellungen des optischen Systems, in dem eine Zelle 30 gemäß der Erfindung, beispielsweise eine solche die in Fig. 2 dargestellt ist und gekreuzte Polarisatoren 61 und 62, eine Lampe 63 und ein Diffusor 64 zur Erzeugung diffuser Rückseitenbelichtung verwendet werden. Im Ruhezustand wird der Lichtstrahl 65 durch den Polarisator 62 polarisiert und passiert Zelle 30 ohne Veränderung, so daß er durch den Polarisator 61 gestoppt wird und die Zelle dunkel erscheint. Wie in Fig. 3B gezeigt ist, findet bei Anlegen eines Feldes in bestimmten Bereichen der Zelle zwischen ausgewählten Elektrodenpaaren eine Umorientierung der Moleküle im Flüssigkristallmaterial statt, wodurch der Polarisationszustand des Lichtes so geändert wird, daß es in den Bereichen, in denen das Feld angelegt wurde elliptisch polarisiert wird und das Licht nunmehr den Polarisator 61 passiert und in Form heller Bereiche in dem Raum zwischen den Elektrodenpaaren, an die die Spannung angelegt wurde, beobachtet werden kann und jede gewünschte Ziffer von Null bis Neun dargestellt werden kann.

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Die Zellen gemäß der Erfindung besitzen in vorteilhafter Weise gleichmäßige Helligkeit und lange Lebensdauer, weil homöotrope Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials in Gegensatz zu paralleler Ausrichtung leicht erhalten und aufrechterhalten werden
kann. Weil die Elektroden auf einem einzigen Substratmaterial
hergestellt werden, können genaue Elektrodenmuster und Abstände mittels konventioneller photolxthographxscher Verfahren erhalten werden und dies gestattet die Verwendung eines positiv-nematischen homöotrop ausgerichteten Materials in einem Flüssigkristall-Anzeigegerät.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Elektrooptisches Anzeigegerät gekennzeichnet durch zwei parallel zueinander angeordnete transparente Trägerelemente (15, 17; 45, 53),

wenigstens einem Elektrodenpaar (19,21; z. B. 31, 32) auf der Oberfläche eines der Trägerelemente (17, 45), einer Schicht (13) aus positiv-nematischem, flüssigkristallinem Material (27) mit homöotroper Orientierung bezüglich der Oberfläche der Trägerelemente (15, 17), Steuer- und Adressierschaltungen (24, 49) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Flüssigkristallmaterial (13, 27) mit Richtung parallel zur Oberfläche der Trägerelemente und senkrecht zur optischen Achse der Anordnung (11)

und Polarisatoren (61, -62) auf beiden Seiten der Anordnung (30, Fig. 3), wobei ein Polarisator (62) parallel und der andere (61) senkrecht zur optischen Achse der Anordnung (30) ausgerichtet ist.

2. Anzeigegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (13) durch Zusatz eines Alkylpyridiniumsalzes oder einer quaternären Ammoniumbase homöotrop ausgerichtet ist.

3. Anzeigegerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (13) die Alkylpyridinumsalze oder quaternären Ammoniumsalze in einer Konzentration von 0,25 bis 2,5 des Flüssigkristallmaterials enthält.

-4 einer Konzentration von 0,25 bis 2,5 χ 10 Molprozent

4. Anzeigegerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (13) Verbindungen der allgemeinen Formeini

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A R- O ff V-CH = N ff V C = N

in der R = C H„ , _Λ und η = 4 bis 6 η 2n+1

C-O —ff \— CH = N-/ \—C β

Il

in der R = C H_{9 1} und η = 4 bis 6,

Xl £* lit J

beispielsweise

V-—/

in der R¹ = C H₃ ,λ und η = 4 bis 6

und R" = ^c _n ^H2n+1 ^{und n = 4 bis 7}

O D NC-/ V-C - O ff J C - O—(/ J C₄H₉

enthält,

5, Anzeigegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Trägerelemente (15, 17; 45, 53) zwischen etwa 0,0127 bis 0,254 mm (0,5 bis 10 mils), der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren (19, 21;

z. B, 31, 32) zwischen etwa 0,0254 bis 0,51 mm (1 bis 20 mils) und die Schichtdicke der Elektroden zwischen etwa 1000 und 3000 8 liegt.

6. Verwendung des Anzeigegeräts nach den Ansprüchen 1 bis zur Darstellung alphanumerischer Zeichen.

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L e e r s e i t e