DE2507524A1

DE2507524A1 - Fluessigkristallzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2507524A1
Application number: DE19752507524
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Raynes
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-21
Publication date: 1976-01-22
Also published as: DE2507524C2; GB1472247A; FR2262319B1; JPS50143557A; CH579285A5; FR2262319A1; JPS5810729B2

Description

Patentanwälte

Dlpl.-Ing. R. B E E T Z sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr.

8 München 22, Stelnedorfetr.iQ Tel. (O 89) 2272O1 /337244/298910

Telegr. Allpatent München Telex B 22048

293-23.83OP

21. 2. 1975

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty' s Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London (Großbritannien)

Flüssigkristallzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristallzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Von den bekannten Flüssigkristallzellen, die elektrooptische Effekte ausnutzen und folglich Anzeige- oder Abbildungsanwendungen finden, erhielten verdrallte (schraubenverdrehte) nematische Zellen in neuerer Zeit wahrscheinlich die größte Beachtung. Diese werden normalerweise durch Aufbau einer verdrallten nematischen Zelle und deren

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Anordnung zwischen optischen Polarisatoren hergestellt. Die Zelle wird üblicherweise durch weiches Reiben oder Schleifen von zwei Glasplättchen, auf denen vorab transparente leitende Elektroden abgeschieden wurden, in nur einer Richtung, Anordnen der Glas oberflächen in solcher Gegenüberstellung, daß die Reib- bzw. Schleifrichtungen zueinander senkrecht stehen, und anschließendes Einführen einer Schicht aus nematischem Flüssigkristallmaterial zwischen die beiden Oberflächen hergestellt. Die Moleküle in der Schicht haben eine längliche Gestalt; Die unmittelbar an die Oberflächen angrenzenden Moleküle richten sich mit ihren Achsen entsprechend den Reibrichtungen auf diesen Oberflächen aus; jene Moleküle im Inneren der Schicht liegen mit ihren Achsen längs Zwischenrichtungen in einer Anordnung, die angenähert eine bis 90 fortschreitende Verdrallung der Richtung der Molekülachsen durch die Schicht hindurch, d. h. 1/4 einer Wendeldrehung darstellt. Im Betrieb wird die Stärke des durch die verdrallte nematische Zelle durchtretenden Lichtes durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Schichten aus transparentem leitendem Material an den beiden Innenoberflächen moduliert, um eine Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu erreichen.

Es wurde nun gefunden, daß die unmittelbar an die geriebenen Oberflächen angrenzenden Flüssigkristallmoleküle nicht genau in der Ebene dieser Oberflächen, sondern allgemein unter einem Durchschnittswinkel von etwa 2 zu den Reibrichtungen auf diesen liegen.

Eine ähnliche Molekularanordnung läßt sich in bekannten Zellen erreichen, in denen die Oberflächen nicht durch Reiben, sondern

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durch eine alternative Technik behandelt werden, die als "Schrägbedampfung" bekannt ist. Moleküle aus einem transparenten dielektrischen Material werden mit einem streifenden Einfallwinkel von zwischen 0 und 15 auf den Oberflächen der Glasplättchen abgeschieden, um einen dünnen Überzug darauf zu bilden; die Überzüge ergeben dann eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle. Wenn jedoch eine Ausrichtung aufgrund der Schrägbedampfung verwendet wird, liegen die unmittelbar an die überzogenen Oberflächen angrenzenden Flüssigkristallmoleküle nicht unter einem Winkel von etwa 2 , sondern allgemein unter einem Winkel von etwa 30 zu den überzogenen Oberflächen .

Es wurde in jüngster Zeit festgestellt, daß zwei Probleme bei verdrallten nematischen Zellen auftreten, die nach den oben beschriebenen bekannten Verfahren hergestellt sind. Das Ergebnis beider Probleme ist, daß beim Ansehen der eine solche Zelle enthaltenden Anordnung diese unvollkommen, d. h. fleckig erscheint, und dies ist insbesondere für Abbildungsanwendungsfälle sehr unerwünscht.

Das erste Problem, das im folgenden als "Rückwärtsdrall" bezeichnet wird, ergibt sich folgendermaßen: Ideal sollte die Anordnung von Molekülen in einer verdrallten nematischen Zelle einen einzigen Verdrallungssinn aufweisen, so daß die Polarisationsebene von Licht, das durch die Zelle hindurchgeht, in einer bestimmten Richtung gedreht wird. Jedoch haben, wenn das Flüssigkristallmaterial ein natürlich nematisches Material ist, seine Moleküle eine Anordnung, die bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes in einigen Bereichen eine Verdrallung in der anderen Richtung aufweist. Diese Anordnung ist dauernd so, da ein Drall in einer Richtung eine einem Drall in.der

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entgegengesetzten Richtung identische Energie hat.

Das zweite Problem, das im folgenden als "Rückwärtsspitze" bezeichnet wird, tritt folgendermaßen auf: Wenn ein elektrisches Feld zwischen den transparenten leitenden Bereichen (d. h. den Elektroden der Anordnung) an den entsprechenden inneren Oberflächen der transparenten Plättchen einer verdrallten nematischen Zelle angelegt wird, werden die Flüssigkristallmoleküle im elektrischen Feld wiederausgerichtet, wobei das Ausmaß der Wiederausrichtung zum Inneren der Flüssigkristallschicht hin ansteigt. Die inneren Moleküle können anfänglich in der Ebene der zwei inneren Oberflächen liegen, daher ist es für diese Moleküle in gleichem Maß energetisch begünstigt, entweder zum positiven Ende des elektrischen Feldes hin wiederausgerichtet zu werden, was einige Moleküle tun, oder zum negativen Ende des elektrischen Feldes hin wiederausgerichtet zu werden, was andere Moleküle tun.

"Optisch transparent" soll eine Transparenz gegenüber Strahlung im infraroten und im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums sowie im sichtbaren Teil bedeuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche verdrallte Flüssigkristallzelle so auszubilden, daß die beiden genannten Probleme des "Rückwärtsdralls" und der "Rückwärtsspitze" beseitigt sind und die Zelle fleckenlos erscheint.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Flüssigkristallzelle mit zwei einander zugewandten Plättchen, auf

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deren einander zugewandten inneren Oberflächen je eine Elektrodenschicht abgeschieden ist, wobei mindestens eines der Plättchen und seine Elektrodenschicht optisch transparent sind, und mit einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen den inneren Oberflächen der Plättchen, in der die Flüssigkristallmoleküle in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes längs einer Durchschnittsrichtung liegen, die schrittweise von der einen inneren Oberfläche zur anderen verdrallt bzw. verdreht ist, mit dem Kennzeichen, daß das Flüssigkristallmaterial ein natürlich optisch aktives Material mit einer natürlichen Molekularverdrallungsganghöhe von wenigstens angenähert dem Doppelten des Abstandes zwischen den inneren Oberflächen der Plättchen ist und daß die inneren Oberflächen so behandelt und zueinander angeordnet sind, daß die Durchschnittrichtung, in der die Flüssigkristallmoleküle liegen, durch die ganze Flüssigkristallschicht schräg zu den inneren Oberflächen liegt.

Beim Herstellen einer solchen Zelle unter Anwendung der oben erläuterten Reibtechnik auf beide Plättchen müssen, damit die Flüssigkristallmoleküle eine derartige Ausrichtung erhalten, daß sie allgemein durch die gesamte Flüssigkristallschicht hindurch schräg zu den inneren Oberflächen liegen, die Reibrichtungen auf den inneren Oberflächen gegenseitig so angeordnet werden, daß sie um die zu den inneren Oberflächen senkrechte Achse eine Schraubendr einrichtung definieren, die der Richtung der natürlichen Drall- oder Wendelungsanordnung der Flüssigkristallmoleküle gemäß der weiter unten definierten Vereinbarung entgegengesetzt ist. Ebenso müssen, wenn die Zelle unter Anwendung der Technik der Schrägbedampfung auf beide Plättchen hergestellt wird, damit die Flüssigkristallmoleküle durch die ge-

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samte Schicht hindurch allgemein schräg zu den inneren Oberflächen liegen, die entsprechenden Projektionen der zum Bedampfen angewandten Richtungen auf die inneren Oberflächen gegenseitig so angeordnet sein, daß sie um die auf den inneren Oberflächen senkrechte Achse eine Schraubendrehrichtung definieren, die der Richtung der natürlichen Drall- oder Wendeludgsanordnung der Flüssigkristallmoleküle gemäß der unten noch zu definierenden Vereinbarung entgegengesetzt ist. Mit "Schraubendrehrichtung" ist die entweder rechtshändige oder linkshändige Richtung gemeint, in der das Gewinde einer äquivalenten Schraube vom Ende eines Einheitsvektors längs der geeigneten Richtung, d. h. Reibrichtung oder Bedampfungsprojektionsrichtung, auf einer inneren Oberfläche zum Ende eines Einheitsvektors längs der geeigneten Richtung auf der anderen inneren Oberfläche über den kürzeren Weg zwischen diesen Enden laufen würde.

Das natürlich optisch aktive Flüssigkristallmaterial kann eines der folgenden sein?

(1) ein Material, das natürlich ein cholesterogenes Flüssigkristallmaterial ist (eines, das eine cholesterische Flüssigkristallphase zeigt) und dessen wendeiförmige (verdrallte) Molekularanordnung die geeignete Ganghöhe aufweist;

(2) ein Material, das aus einer Mischung eines nematogenen Materials (eines Materials, das eine nematische Flüssigkristallphase zeigt) und eines cholesterogenen Materials besteht, welche Mischung in solchen Anteilen vorliegt, daß die wendeiförmige Molekularanordnung die geeignete Ganghöhe aufweist;

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(3) ein Material, das aus einer Mischung eines nematogenen Materials und eines optisch aktiven Nichtflüssigkristallmaterials besteht, die solche Anteile enthält, daß die wendeiförmige Molekularanordnung die geeignete Ganghöhe aufweist.

"Natürlich" wird zur Unterscheidung des Materials, das eine optische Aktivität zeigt, wenn es in einer Zelle der beschriebenen Art verwendet wird oder nicht, von einem solchen Material wie rein nematischem Material verwendet, das optische Aktivität nur dann zeigt, wenn es in einer Zelle der beschriebenen Art verwendet wird.

In der erfindungsgemäßen Zelle wird das Problem des Rückwärtsdralls vermieden, indem man das optisch aktive Flüssigkristallmaterial verwendet, wodurch die Flüssigkristallmoleküle eine Eigenneigung zur Anordnung mit einer Verdrallung in nur einer Richtung haben, und das Problem der Rückwärts spitze wird vermieden, indem man die inneren Oberflächen der Plättchen in solcher Weise behandelt und zueinander anordnet, daß die Flüssigkristallmoleküle durch die gesamte Flüssigkristallschicht hindurch schräg zu den inneren Oberflächen liegen, wodurch die Moleküle im Inneren der Schicht beim Anlegen eines elektrischen Feldes alle in der gleichen Weise wiederausgerichtet werden.

Es gibt eine offensichtliche Zweideutigkeit oder Unbestimmtheit auf diesem Fachgebiet hinsichtlich der Frage, ob eine gegebene Verdrallungsrichtung einer natürlichen wendeiförmigen Molekularanordnung eine rechtshändige oder eine linkshändige Richtung ist. Es ist jedoch bekannt, daß die Flüssigkristallmoleküle in einer verdünnten Lösung

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eines Abkömmlings der Verbindung Cholesterin in einem nematischen Material stets in nur einer Verdrallungs- oder Wendelungsrichtung angeordnet sind. Als die oben angedeutete Vereinbarung soll nun in dieser Beschreibung gelten, daß diese vorstehend bestimmte Richtung als rechtshändige Richtung betrachtet wird; folglich werden wendeiförmige Molekularanordnungen, deren Drallrichtung dieser bestimmten Richtung entgegengesetzt ist, als linkshändige Richtung angesehen.

Es sollen nun Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden; darin zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht zweier Glasplättchen zur Veranschaulichung einer Art der Anordnung der zur Bildung einer Flüssigkristallzelle gemäß der Erfindung verwendeten Plättchen;

Fig. 2 a und 2b schematische Querschnittsdarstellungen der Anordnung von Molekülen in einer bekannten Flüssigkristallzelle;

Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer Flüssigkristallzelle gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 eine teilweise weggeschnittene Vorderansicht eines Teils der in Fig. 3 dargestellten Zelle.

Eine Flüssigkristallzelle der oben beschriebenen Art, die die Erfindung verkörpert, wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt: Die Oberflächen zweier Glasplättchen (dünne Glasplättchen) werden

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sorgfältig gereinigt. Ein dünner Film aus transparentern leitendem Elektrodenmaterial, wie z. B. Zinnoxid, wird nach einer bekannten Technik auf einer Oberfläche oder ausgewählten Teilen einer Oberfläche jedes Plättchens zur Bildung der Zellenelektroden angebracht; wenn die Bildung des Films in ausgewählten Teilen jeder Oberfläche erfolgt, kann sie z. B. vorgenommen werden, indem man zunächst einen einzelnen zusammenhängenden Film abscheidet und dann den Film selektiv photoätzt. Die die transparenten leitenden Filme tragenden Oberflächen werden dann mit einem geeigneten Stück aus weichem Gewebe, wie z. B. Baumwolle oder Watte, gerieben. Eine bestimmte einzige Reibrichtung wird für jede dieser beiden Oberflächen angewandt 5 und zwar wird jedes der Plättchen in einer einzelnen Richtung in einer Anzahl von Vorwärtsbewegungen gerieben, wobei das zum Reiben verwendete Gewebe von jeder Oberfläche für die Rückwärtsbewegungen zwischen den Vorwärtsbewegungen abgehoben wird. Die beiden Oberflächen werden dann dicht aneinander so angeordn et, daß sie einander zugewandt sind und dabei ihre Reibrichtungen aufeinander senkrecht stehen.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht der Glasplättchen und zeigt ihre korrekte Anordnung. Das Vorderplättchen ist in Fig. 1 mit FS und das Hinterplättchen mit RS bezeichnet. Die innere Oberfläche des Vorder plättchens weist eine Reibrichtung X und die innere Oberfläche des Hinterplättchens eine Reibrichtung Y auf. Die Richtungen X und Y sind gegenseitig so angeordnet, daß sie zusammen eine rechtshändige Verdrallungs- oder Wendelungsrichtung entsprechend obiger Definition um eine von dem Vorderplättchen FS zum Hinterplättchen RS laufende senkrechte Achse Z bilden.

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Die Wirkung des Reibens der Oberfläche eines Glasplättchens in einer Richtung ist anscheinend die, das Oberflächenfeinprofil des Plättchens zu deformieren, so daß, wenn anschließend Flüssigkristallmoleküle auf dieser Oberfläche des Plättchens abgelagert werden, diese allgemein in eine einzige Richtung unter einem kleinen Winkel zum Plättchen weisen, welche Richtung als Projektion auf das Plättchen die Reibrichtung aufweist. Es wurde im Zusammenhang mit der Erfindung festgestellt, daß, wenn die zwei Plättchen FS und RS in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise mit ihren einander zugewandten geriebenen Oberflächen angeordnet werden, die Profile auf diesen beiden Oberflächen so beschaffen sind, daß sich eine Ausrichtung in der normalen Weise für Flüssigkristallmoleküle ohne Auftreten des oben erwähnten Problems "Rückwärtsspitze" ergibt (wenn später eine Spannung angelegt wird), vorausgesetzt, daß die Verdrallung der Flüssigkristallmolekülanordnung in einer Richtung liegt, die der rechtshändigen Verdrallungsrichtung entgegengesetzt ist, die durch die gegenseitige Anordnung der Richtungen X und Y um die Achse Z definiert wird, d. h. die Molekularanordnung folgt einer linkshändigen Verdrallungsrichtung (entsprechend der oben definierten Vereinbarung).

Wie oben festgestellt, kann, wenn das Flüssigkristallmaterial nematisch ist, das oben erwähnte Problem des Rückwärts dralls auftreten, und dies verursacht, daß ein Teil der Flüssigkristallmolekularanordnung eine rechtshändige Verdrallungsrichtung und ein Teil eine linkshändige Verdrallungsrichtung aufweisen. Wenn jedoch das Flüssigkristallmaterial ein natürlich optisch aktives Material mit einer linkshändigen Molekularverdrallung und mit der geeigneten Wendelungsganghöhe (wie weiter unten erläutert) ist, wird das Problem des Rückwärtsdralls vermieden.

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Daher wird der Spalt zwischen den beiden Plättchen FS und RS mit einem geeigneten optisch aktiven Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen linkshändig-wendeiförmigen Molekularanordnung und geeigneter Wendelungsganghöhe gefüllt. Geeignetes Material wird unten näher beschrieben. Die Glasplättchen können z. B. durch einen Abstandshalter getrennt gehalten werden, und das Flüssigkristallmaterial kann dann in den Spalt dazwischen durch Kapillarwirkung eingezogen werden. Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich selbst in der normalen Weise zwischen den Plättchen an, d. h. daß ihre Achsen längs einer Richtung liegen und sie in eine Richtung weisen, die sich kontinuierlich nur in einer Richtung angenähert um 90 vom an die geriebene Oberfläche eines Plättchens angrenzenden Bereich zum an die geriebene Oberfläche des anderen Plättchens angrenzenden Bereich verdrallt.

Wenn die durch die Reibrichtungen definierte Verdrallungsrichtung der wendeiförmigen Verdrallungsrichtung der natürlichen Molekularanordnung des verwendeten Flüssigkristallmaterials nicht entgegengesetzt ist, tritt das erwähnte Problem der Rückwärtsspitze auf, wenn später eine Spannung angelegt wird. Mit anderen Worten tritt eine Rückwärtsspitze auf, wenn die Reibrichtung am Vorderplättchen FS entgegengesetzt zur Richtung X liegt, während die Reibrichtung am Hinter plättchen RS in der Richtung Y liegt, falls ein Flüssigkristallmaterial verwendet wird, das eine linkshändig-wendeiförmige Molekularanordnung (entsprechend der oben definierten Vereinbarung) aufweist. Wenn jedoch die Reibrichtung am Vorderplättchen FS in der der Richtung X entgegengesetzten Richtung liegt und die Reibrichtung am Hinterplättchen RS in der Richtung Y liegt, tritt das Problem der Rück-

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wärtsspitze nicht auf, falls das Flüssigkristallmaterial optisch aktiv mit einer rechtshändig-wendeiförmigen Molekularanordnung (entsprechend der oben definierten Vereinbarung) ist.

Die anscheinende Erklärung dieses Befundes ist folgende: Man betrachte eine einfache nematische Flüssigkristallzelle, in der die Reibrichtungen auf jedem der Plättchen der Zelle anfänglich parallel angeordnet sind. Die unmittelbar an die jeweiligen Plättchen der Zelle angrenzenden Flüssigkristallmoleküle sind allgemein schräg zu den inneren Oberflächen dieser Plättchen ausgerichtet. Folglich werden sich die Flüssigkristallmoleküle in einer von zwei möglichen Anordnungen je nach dem befinden, ob die baden Reibrichtungen in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen liegen. Fig. 2a veranschaulicht eine dieser Anordnungen und Fig. 2b die andere. In der Anordnung nach Fig. 2a bilden die Moleküle M zwischen den Plättchen S einen "aufgefächerten" Bereich und weisen alle zum Inneren der Flüssigkristallschicht. Die Moleküle M im Inneren liegen in der Ebene der Plättchen S. Bei der Anordnung nach Fig. 2b bilden die Moleküle M einen "gekippten" Bereich und sind sämtlich in einer Richtung zu den Plättchen S geneigt. Es sei nun der Fall betrachtet, daß eines der Plättchen S in der gleichen Ebene gehalten, jedoch um 90 um die Achse Z 1, die zu dieser Ebene senkrecht ist, gedreht wird; dies bedeutet, daß die unmittelbar an das gedrehte Plättchen S angrenzenden Flüssigkristallmoleküle mit dem Plättchen rotieren.

Nach der Drehung des einen der beiden Plättchen S in der in Fig. 2 a veranschaulichten Anordnung werden die Moleküle M im Inneren der Schicht noch in der Ebene der Plättchen S sein, und nach

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der Drehung eines der Plättchen S in der in Fig. 2b veranschaulichten Anordnung werden die Moleküle M durch die ganze Schicht hindurch immer noch zu den Plättchen S geneigt stehen.

Die um 90 gedrehten Abwandlungen der in den Fig. 2a und 2b veranschaulichten Anordnungen sind je einer von zwei verschiedenen Formen der verdrallten nernatischen Zelle äquivalent. Mit anderen Worten sind die Moleküle in nach herkömmlicher Weise hergestellten verdrallten nematischen Zellen entweder in einer "gefächerten" Form angeordnet, die die gleiche wie die durch Rotation eines der Plättchen S entsprechend der Darstellung in Fig. 2a erhaltene Anordnung ist, oder sie sind alternativ in einer "gekippten" oder geneigten Form angeordnet, die die gleiche wie die durch Rotation eines der Plättchen S entsprechend der Darstellung in Fig. 2b erhaltene Anordnung ist.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß man zwischen die Plättchen S anstelle des nematischen Materials ein optisch aktives Flüssigkristallmaterial einführt. Die Moleküle im optisch aktiven Flüssigkristallmaterial sind dann in einer Vielzahl von wendelförmig verdrallten Lagen, sämtlich mit der gleichen Ganghöhe und der gleichen Drallrichtung, auch vor der Einführung zwischen die Plättchen S, folglich werden die Moleküle in einer gegebenen Anordnung (vor Einführung), zwischen zwei parallelen Bezugsebenen betrachtet, bezüglich dieser Ebenen "gekippt" und verdrallt sein. Die Verdrallung der Moleküle (für nematisches oder optisch aktives Flüssigkristallmaterial), die durch die 90 -Rotation eines der Plättchen S hervorgerufen wird, muß nun im Zusammenhang mit dem natürlichen wendeiförmigen Drall des optisch aktiven Flüssigkristallmaterials betrachtet werden, wenn das letz-

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tere zwischen die Plättchen S, die die Bezugsebenen werden, eingeführt wird.

Wenn das obere Plättchen S in Fig. 2 a im Uhrzeigersinn gedreht wird, paßt der durch die Rotation erzeugte Drall zur natürlichen Verdrallung eines linkshändig verdral!enden optisch aktiven Flüssigkristailmaterials, und die durch die Kombination der beiden Dralle erzeugte Anordnung der Moleküle M beläßt die Moleküle M im Inneren der Schicht noch in der Ebene der Plättchen.

Wenn das obere Plättchen S in Fig. 2a im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, ist der durch die Rotation erzeugte Drall von der natürlichen Verdrallung eines linkshändigen Materials verschieden. Die durch die Kombination dieser beiden Dralle erzeugte Verdrallung beläßt die Moleküle M im Inneren der Schicht schräg zu den Plättchen S durch die gesamte Schicht ähnlich einer um 90
maß Fig. 2b mit nematischem Material.

die gesamte Schicht ähnlich einer um 90 verdrehten Abwandlung geWenn das obere Plättchen S in Fig. 2b im Uhrzeigersinn gedreht wird, paßt der durch die Drehung erzeugte Drall zum natürlichen Drall eines linkshändigen Materials. Die durch die Kombination der beiden Dralle erzeugte Verdrallung beläßt die Moleküle M im Inneren der Schicht schräg zum Plättchen S durch die ganze Schicht hindurch.

Wenn das obere Plättchen S in Fig. 2b im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, ist der durch die Drehung erzeugte Drall von der natürlichen Verdrallung eines linkshändigen Materials verschieden. Die durch die Kombination der beiden Dralle erzeugte resultierende Ver-

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drallung beläßt die Moleküle M im Inneren der Schicht in der Ebene der Plättchen S in einer der um 90 verdrehten Abwandlung nach Fig. 2a mit nematischem Material ähnlichen Weise.

Wenn das Material einen rechtshändigen natürlichen wendeiförmigen Drall aufweist, kehren sich die oben erwähnten vier Ergebnisse um, d. h. die Moleküle M im Inneren der erhaltenen Schicht liegen schräg zu den Plättchen S für die beiden obigen Fälle, wo sie in der Ebene der Plättchen S sind, dagegen liegen sie in der Ebene der Plättchen S für die beiden obigen Fälle, wo sie zu den Plättchen S geneigt sind.

Alle diese Bedingungen und Zustände lassen sich zusammenfassen, indem festgestellt wird, daß zur Erzeugung einer Anordnung in der endgültigen Schicht, bei der die Moleküle M im Inneren der Schicht durch die ganze Schicht hindurch zu den Plättchen S geneigt liegen, die durch die Plättchen S definierte Wendelungsrichtung der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des optisch aktiven Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt sein muß.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle alternativ durch Abschneiden eines Überzugs von Molekülen, wie z. B. Magnesiumfluorid oder Siliziummonoxid, auf jedem der Plättchen nach dem bekannten Verfahren der Schrägbedampfung unter einem streifenden Einfallswinkel von weniger als etwa 15 erzeugt werden. Der so gebildete Überzug hat eine solche Struktur, daß sich die Flüssigkristallmoleküle dazu ausrichten und allgemein in eine einzige, zur Ebene des Plättchens mit dem

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Überzug schräge Richtung weisen. Zwei Plättchen, die zwei solche schräg abgeschiedenen Überzüge aufweisen, werden zueinander in gleicher Weise, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, angeordnet, und man kann nun ein geeignetes Flüssigkristallmaterial dazwischen einführen. In diesem Fall stellen die in Fig. 1 gezeigten Richtungen X und Y nicht die Reibrichtungen, sondern die Projektionen der jeweiligen Richtungen dar, in denen die aufgedampften Moleküle abgeschieden werden^ im übrigen ist die gegenseitige Zuordnung der Plättchen die gleiche, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurde.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eines der Glasplättchen durch schräges Bedampfen unter einem streifenden Einfallswinkel von 15 oder weniger beschichtet werden, während das andere Plättchen gerieben wird. In diesem Fall stellt die Richtung X (Fig. l) die Reibrichtung der entsprechenden Plättcheninnenoberfläche und die Richtung Y die Projektion der Richtung der aufgedampften Moleküle dar; im übrigen sind die Richtungen X und Y einander in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Weise zugeordnet.

Typisch ist der Spaltabstand zwischen den beiden Glasplättchen in einer Flüssigkristallzelle etwa 15 um. In den nach den obigen Verfahren hergestellten Zellen wird in etwa eine wendeiförmige Verdrallung von 90 in der Molekularanordnung der Moleküle des Flüssigkristallmaterials (wie üblich) im Raum zwischen den Plättchen vorgesehen. Die Moleküle des verwendeten Flüssigkristallmaterials müssen eine natürliche Wendelungsganghöhe (eine 360 -Windung der Wendel) von etwa dem Doppelten des Abstandes zwischen den Plättchen, d.h. 30 um oder mehr, jedoch vorzugsweise etwa 80 um haben, so daß sich die MoIe-

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küle selbst wieder unter Bildung des Ίί/2 (90 )-Dralls anordnen, wenn sie sich zwischen den Plättchen befinden. Falls die Wendelungsganghöhe bedeutend niedriger als der doppelte Abstand zwischen den Plättchen ist, ordnen sich die Moleküle selbst unter Bildung einer Verdrallung über einen Winkelbereich m 11/2 an, wo m eine ungerade über 1 liegende Zahl ist, und so geringe Wendelungsganghöhen sind ungeeignet.

Ein geeignetes Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen MoIekularwendelungsganghöhe der richtigen Größe läßt sich z. B. herstellen, indem man ein nematogenes Flüssigkristallmaterial mit einem optisch aktiven Material verdünnt, das cholesterogenes Material sein oder nicht sein kann. Das nematogene Material sollte eine positive dielektrische Anisotropie (d. h. Unterschied zwischen der parallel zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstante und der senkrecht zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstante) aufweisen. Ein geeignetes nematisches Material ist das Biphenyl n-R-\C£>-\Ö/-CjNi ·> worin R eine Alkyl- oder Alkoxygruppe, z. B. n-C H O ist. Das optisch aktive Material stellt normalerweise nicht mehr als 2 Gew.-% der Mischung mit dem nematogenen Material dar.

Ein geeignetes Cholesterinmaterial zum Verdünnen des nematischen Materials zwecks Erhaltene der geeigneten Mischung ist z. B. Cholesterylnonanoat (-Pelargonat) (0,2 Gew.-% in der Mischung mit dem nematischen Material).

Eine geeignete Mischung läßt sich durch Einsetzen geeigneter Volumina von nematischen und cholesterischen Stoffen in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei der die isotrope flüssige Phase auftritt, d. h. wenn eine klare Flüssigkeit ge-

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bildet wird, Rühren und anschließendes Abkühlenlassen des Becherglases und seines Inhalts bilden.

Wenn die Mischung aus einem nematischen Flüssigkristallmaterial und einem nicht-cholesterischen-, optisch aktiven Material gebildet wird, kann sie durch Einführen geeigneter Volumina des nematischen Materials und des nicht-cholesterischen Materials in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei der die isotrope Phase des nematischen Materials auftritt, und Abkühlenlassen des Becherglases samt Inhalts erzeugt werden. Die Verdrallungsrichtung der so erzeugten Wendelanordnung hängt von dem jeweils verwendeten besonderen optisch aktiven Material ab. Wenn indessen das optisch aktive Material Kanadabalsam ist, ist die Verdrallungsrichtung der wendeiförmigen Molekülanordnung der Mischung rechtshändig. Die optisch aktive Verbindung (-) CM -CH -CH-CH ·

Ci <-* ό

CH Ο-φ)-^)- CN (l Gew.-% in der Mischung mit dem nematischen

Material) kann alternativ verwendet werden; das Material hat eine linkshändig-wendeiförmige Molekularanordnung (entsprechend der oben definierten Vereinbarung). Das * bezeichnet das optisch aktive Zentrum.

Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht einer einfachen Flüssigkristallzellenanordnung, die eine Zelle 1 zwischen einem optischen Polarisator 3 und einem optischen Polarisationsanalysator 5 enthält. Fig. 4 ist eine teilweise weggeschnittene Vorderansicht der Zelle 1 allein, in der Richtung X gesehen. Die Zelle 1 ist nach einem der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und umfaßt ein Glasplättchen 7 und ein Glasplättchen 9, zwischen denen eine Schicht 11 aus Flüssigkristallmaterial angeordnet ist. Auf dem Plättchen 9 sind auf der Innenoberfläche zwei Streifenelektroden 17, 19 abgeschieden. Das

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Plättchen 7 und die daran befindlichen Elektroden 13, 15 haben einen Bereich, der eine Kante der Schicht 11 und des Plättchens 9 überragt , während das Plättchen 9 und die Elektroden 17, 19 einen Bereich aufweisen, welcher eine Kante der Schicht 11 und des Plättchens 7 überragt. Diese vorragenden Bereiche sind vorgesehen, um die Anbringung (nicht dargestellter) äußerer elektrischer Anschlüsse für die einzelnen Elektroden 13, 15, 17 und 19 zu ermöglichen.

Die optische Aktivität der Schicht 11 ist hoch, wenn über die Schicht 11 keine Spannung angelegt wird; mit anderen Worten dreht die Schicht 11 die Polarisationsebene von darauf einfallendem Licht um 90 , wenn keine Spannung angelegt wird. Jedoch ist die optische Aktivität eines Bereichs der Schicht 11 niedrig, wenn eine geeignete Spannung, normalerweise zwischen 1 und 3 Volt, über diesen Bereich angelegt wird; mit anderen Worten dreht dieser Bereich die Polarisationsebene des Lichts dann nicht. Der Polarisator 3 ist eingestellt, eine lineare Polarisation in der gleichen Richtung wie die zum Reiben der inneren Oberfläche des Plättchens 7 verwendete Richtung oder die Projektion der zur schrägen Molekularbedampfung auf dieser Oberfläche verwendeten Richtung in gewünschter Weise durchzulassen. Der Analysator 5 ist eingerichtet, um eine zu der durch den Polarisator 3 durchgelassenen senkrechte lineare Polarisation durchzulassen. Wenn daher Licht mit einer festgesetzten Stärke in der Richtung X auf den Polarisator 3 einfällt, ist die entsprechende Stärke des aus einem gegebenen Bereich des Analysators 5 austretenden Lichts hoch, sofern der dem gegebenen Bereich entsprechende Bereich der Schicht 11 keine angelegte Spannung aufweist, dagegen niedrig., wenn der dem gegebenen Bereich entsprechende Bereich der Schicht 11 an eine geeignete Spannung gelegt ist.

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Vier gesonderte Bereiche der Schicht 11 sind im Beispiel definiert, wo die Elektroden 13 und 15 die Elektroden 17 und 19 kreuzen· Daher läßt sich die Stärke des von vier diesen vier Bereichen entsprechenden Bereichen des Analysators 3 austretenden Lichts gesondert wählen, indem man entweder eine geeignete Spannung zwischen der Elektrode 13 und/oder der Elektrode 15 und der Elektrode 17 und/oder der Elektrode 19 in geeigneter Weise anlegt oder nicht anlegt. Die Spannung bzw. Spannungen können die Form eines positiven Impulses von elektrischem Potential, das wiederholt an eine Elektrode angelegt wird, und eines negativen Impulses eines elektrischen Potentials haben, das wiederholt an die andere Elektrode gleichzeitig mit den positiven Impulsen angelegt wird. Alternativ kann bzw. können die Spannung bzw. Spannungen auch Wechselspannung (en) sein.

In der Praxis wird eine großflächige Anordnung, z.B. eine alphanumerische Abbildungsanordnung gefertigt, indem man eine große Anzahl von Bereichen, ähnlich den vier Bereichen der Schicht 11, vorsieht, die in Gruppen in der Form von alphanumerischen Zeichen, z. B. Ziffern, Buchstaben oder Symbolen angeordnet sind.

Bei einer Modifizierung der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Anordnung können getrennte Leiter für jede der einzelnen Elektroden vorgesehen werden, um sie unabhängig von den anderen zu speisen und damit eine Abbildung zu erzeugen, wobei die Elektroden so gestaltet sind, daß sie Abbildungszeichen oder Teile davon in bekannter Weise bilden. In einer noch einfacheren Abwandlung braucht nur eine Elektrode auf jedem Plättchen der Zelle abgeschieden zu werden. Eine so einfache Anordnung läßt sich als optische Blende oder als einfache Abbildung verwenden, wenn die Elektroden eine geeignete Gestalt aufweisen.

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Claims

Patentansprüche

( 1. Flüssigkristallzelle mit zwei einander zugewandten Plättchen, auf deren einander zugewandten inneren Oberflächen je eine Elektrodenschicht abgeschieden ist, wobei mindestens eines der Plättchen und seine Elektrodenschicht optisch transparent sind, und mit einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen den inneren Oberflächen der Platt chen, in der die Flüssigkristallmoleküle in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes längs einer Durchschnittsrichtung liegen, die schrittweise von der einen inneren Oberfläche zur anderen verdrallt bzw. verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial ein natürlich optisch aktives Material mit einer natürlichen Molekularverdrallungsganghöhe von wenigstens angenähert dein Doppelten des Abstandes zwischen den inneren Oberflächen der Platt chen (FS, RS) ist und daß die inneren Oberflächen so behandelt und zueinander (X, Y, Z) angeordnet sind, daß die Durchschnittsrichtung, in der die Flüssigkristallmoleküle (M, Fig. 2b) liegen, durch die ganze Flüssigkristallschicht schräg zu den inneren Oberflächen (S, Fig. 2b) liegt.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial ein cholesterogenes Material ist.
3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial eine Mischung eines nematogenen Materials mit einem Zusatz von bis zu 2 Gew.-% eines optisch aktiven Materials ist.

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4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Nichtflüssigkristallmaterial umfaßt.
5. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein cholesterogenes Material umfaßt.
6. Zelle nach Anspruch 3, 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nematogene Material die Formel R -ζθ^-\Ο^>~ CN aufweist, * worin R eine n-Alkyl- oder Alkoxygruppe und CN eine Cyanogruppe ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, nach dem man die Oberflächen von zwei je eine Elektrodenschicht tragenden Plättchen derart behandelt, daß die Moleküle eines Flüssigkristallmaterials mit einer positiven dielektrischen Anisotropie sich allgemein längs einer einzigen, zu den Oberflächen schrägen Richtung ausrichten, wenn sie in Berührung mit diesen Oberflächen eingeführt werden, nach dem man weiter die Oberflächen so zusammenbringt, daß sie einander zugewandt sind, und eine Schicht des lüssigkristallmaterials zwischen diese Oberflächen so einführt, daß sich die Flüssigkristallmoleküle zu den Oberflächen ausrichten und die Durchschnittsrichtung, längs der die Flüssigkristallmoleküle liegen, fortschreitend von der einen Oberfläche zur anderen verdrallt bzw. wendelförmig verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkristallmaterial ein natürlich optisch aktives Material mit einer natürlichen Molekularverdrallungsganghöhe von wenigstens angenähert dem Doppelten des Abstandes zwischen den Oberflächen der

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Plättchen verwendet wird und daß man die Plättchen (FS, RS, Fig. l) zueinander derart anordnet, daß die durch die Projektionen (X, Y) der jeweiligen Ausrichtungsrichtungen der die Oberflächen berührenden Flüssigkristallmoleküle auf diese Oberflächen definierte Wendelungsrichtung der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Oberflächen der Plättchen durch Reiben jeder der Oberflächen in einer ganz bestimmten Reibrichtung behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Plättchen so anordnet, daß die Reibrichtungen (X, Y) die Wendelungsrichtung definieren, die der Richtung der natürlichen Molekularwendelung des Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Plättchen durch Schrägbedampfung mit einem dielektrischen Material in einer Richtung behandelt werden, die zu den Normalen auf den Oberflächen einen Winkel θ bildet, der im Bereich 90 > θ ^ 75 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionen der Ausrichtungsrichtungen auch die einzelnen Projektionen der Richtungen der Schrägbedampfung auf diese Oberflächen sind.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine der Plättchenoberflächen durch Reiben in einer einzigen Reibrichtung behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der beiden Oberflächen durch Schrägbedampfung mit einem dielektrischen Material in einer Richtung behandelt wird, die einen Winkel Θ- im Bereich 90 > θ ^ 75 zur Normalen auf der Oberfläche bildet, und daß die Plättchen

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so angeordnet werden, daß die Reibrichtung und die Projektion der Schrägbedampfung srichtung die Wendelungs richtung definieren, die der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

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