DE2507524C2

DE2507524C2 - Flüssigkristallzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2507524C2
Application number: DE19752507524
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Lower Wick Worcestershire 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: 1985-04-18
Also published as: JPS50143557A; GB1472247A; FR2262319A1; CH579285A5; DE2507524A1; JPS5810729B2; FR2262319B1

Description

-CN

aufweist, worin R eine n-Alkyi oder Alkoxygruppe und CN eine Cyanogruppe ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, nach dem man die Oberflächen von zwei je eine optisch transparente Elektrodenschicht tragenden Plättchen derart behandelt, daß die Moleküle eines cholesterischen Flüssigkristallmaterials mit einer positiven dielektrischen Anisotropie sich allgemein längs einer einzigen, zu den Oberflächen schrägen Richtung ausrichten, wenn sie in Berührung mit diesen Obenlächen eingeführt werden, nach dem man weiter die Oberflächen so zusammenbringt, daß sie einander mit zueinander senl· echten Ausrichtungsrichtungen zugewandt sind, und eine Schicht des Flüssigkristallmaterials mit einer die Schichtdicke übertreffenden Verdrallungsganghöhe zwischen diese Oberflächen so einführt, daß sich die Füssigkristallmoleküle 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 ein Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen cholesterischen Verdrallungsganghöhe von mehr als der doppelten Dicke der Flüssigkristallschicht verwendet wird und die Ausrichtungsrichtung auf den beiden Plättchen so eingerichtet wird, daß die durch die Plättchenoberflächen (S, S)definierte Wendelungsrichtung der natürlichen iVlolekuiarwendelungsrichtung des cholesterischen Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, 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, VJdie Wendelungsrichtung definieren, die der Richtung der natürlichen Molekularwendelungsrichtungdes Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, 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 der die Oberflächen berührenden Flüssigkristallmoleküle auf diise Oberflächen auch die einzelnen Projektionen der Richtungen der Schrägbedampf'ing auf diese Oberflächen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 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 so angeordnet werden, daß die Reibrichtung und die Projektion der Schrägbedampfungsrichtung die Wendelungsrichtung definieren, die der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallzelle und deren Herstellverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 5 vorausgesetzten Art.

Von den bekannten Flüssigkristallzellen, die elektrooptisch^ Effekte ausnutzen und folglich Anzeige- oder Abbildungsanwendungen finden, erhielten verdrallte (schraubenverdrehte) nematische Zellen in neuerer Zeil b5 wahrscheinlich die größte Beachtung. Diese werden normalerweise durch Aufbau einer verdrallten nematischcn Zelle und deren 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 Glasoberflächen in solcher Gegenüberstellung, daß

die Reib- bzw. Schleifrichtungen zueinander senkrecht stehen, und anschließendes Einführen einer Schicht aus neinatischem 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. ¹At einer Wendeldrehung darstellt Im Betrieb wird die Stärke des durch die verdrallte nematische Zelle durchtretenden Lichtes durch Anlegen einer elektrischen Feldes zwischen den Schichten aus transparentem leitendem Material an den beiden Innenoberflächen moduliert, um eine Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu erreichen.

So ist aus der DE-OS 21 58 563 eine Flüssigkristallzelle der eingangs genannten Art bekannt, deren Flüssigkristallsehicht aus einem nematischea Flüssigkristallmaterial oder diesem mit Zusatz einer cholesterischen Verbindung besteht und deren Substratoberflächen beispielsweise durch Reiben behandelt sind, um die Flüssigkristallmoleküle in der Grenzschicht mit ihren Längsachsen parallel zur Elektrodenoberfläche in einer Vorzugsrichtung auszurichten.

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 durch eine alternative Technik behandelt werden, die als »Schrägbedaronfung« bekannt ist Moleküle aus einem transparenten dielektrischen Material werden mit einem streifenden Einfallwinkel von zwischen 0 und 15° auf den Oberflächen df-/ Glasplättchen abgeschieden, um einen dünnen Überzug darauf zu bilden; die Oberzüge 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 Molkülen in einer verdraliten nematischen Zelle eine einzige Wendelungsrichtung aufweisen, so daß die Polarisationsebene von Licht, das durch die Zelle hindurchgeht in einer bestimmten Richtung gedreht wird. Jedoch haben, weenn 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 entgegengesetzten Richtung identische Energie hat

Das zweite Problem, das im folgenden als »umgekehrtes Umklappen der Ausrichtung« bezeichne* 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 Flüs; '.gkristallmoleküle 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 Flüssigkristallzelle nebst Herstellungsverfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, womit die Beseitigung der Probleme des »Rückwärtsdralls« und des »umgekehrten Umklappens der Ausrichtung« gewährleistet wird, so daß die FlUssigkristallzelle fleckenlos erscheint.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Beim Herstellen einer solchen Flüssigkristallzelle unter Anwendung der oben erläuterten Reib.echnik auf beide Plättchen müssen, damit die Flüssigkristallmoleküle eine derartige Ausrichtung erhalten, daC 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 Wendelungsrichtung definieren, die der natürlichen «Vendelungsrichtung 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 gesamte Schicht hindurch allgemein schräg zu den inneren Oberfli-chen 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 Wendelungsrichtung definieren, die der natürlichen Wendelungsrichtung der Flüssigkristaiimoleküle gemäß der unten noch zu definierenden Vereinbarung entgegengesetzt ist. Mit »Wendelungsrichtung« 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 z-jm 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 cholesterischc 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 cholesterischen Materials besteht, welche Mischung in solchen Anteilen vorliegt, 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 cholesterisehe Flüssigkristallmaterial verwendet, wodurch die Flüssigkristallmoleküle eine Eigenneigung zur Anordnung mit einer Verdrallung in nur einer Richtung haben, und das Problem des umgekehrten Umklappens der Ausrichtung wird vermieden, indem man die inneren Oberflächen der Plättchen in solcher Weise behandelt und zueinander anordnet, daß die Fiüssigkristaiimoieküie durch die gesamte Flüssigkristallschicht hindurch schräg zu den inneren Oberflächen liegen, und die genannten Wendelungsrichtungen entgegengesetzt sind, 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 Flüssigkrisiallmoleküle in einer verdünnten Lösung 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 entgegengesetzi st, als linkshändige Richtung angesehen.

Es sollen nun Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näiier erläutert werden; darin zeigt

Fi g. 1 eine Perspektivansicht zweier Glasplättchen zur Veranschaulichung einer Art der Anordnung der zur Bildung einer Flüssigkristallzelle gemäß der Erfindung verwendeten Plättchen,

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

F i g. 3 eine Seitenschnittansicht einer FlüssigkristaHzelle gemäß der Erfindung und

F i g. 4 eine teilweise weggeschnittene Vorderansicht eines Teils der in F; g. 3 dargestellten Zelle.
Eine FlüssigkristaHzelle der oben beschriebenen Art, die die Erfindung verkörpert, wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt: Die Oberflächen zweier Glasplättchen (dünne Glasplättchen) werden sorgfältig gereinigt. Ein dünner Film aus transparentem leitendem Elektrodenmaterial, wie z. B. Zinnoxid, wird nach einer bekannten

■♦ο Tccnnik 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, 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 angeordnet, daß sie einander zugewandt sind und dabei ihre Reibrichtungen aufeinander senkrecht stehen.

F i g. 1 ist eine Perspektivansicht der Glasplättchen und zeigt ihre korrekte Anordnung. Das Vorderplättchen ist in Fig. 1 mii FS und das Hinterplättchen mit RS bezeichnet Die innere Oberfläche des Vorderplättchens weist eine Reibrichtung X und die innere Oberfläche des Hinterplättchens eine Reibrichtung Y auf. Die Richtungen A"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 /?Slaufende senkrechte Achse Zbilden.

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 ÄS in der in F i g. 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 »umgekehrtes Umklappen der Ausrichtung« ergibt (wenn später eine Spannung angelegt wird), vorausgesetzt daß die Verdraüur.g der P.üssägkristallmoleküianordnung 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 Rückwärtsdralls ai/ftreten. und dies verursacht, daß ein Teil der Flüssigkristallmolekuhiranordnung eine rechtshändige Verdrallungsrichtung und ein Teil eine linkshändige Verdrallungsrichtung aufweisen. Wenn jedoch das Flüssigkristallmaterial ein cholesterogenes Material mit einer linkshändigen Molekularverdrallung und mit der 7

geeigneten Wendelungsganghöhe (wie weiter unten erläutert) ist. wird das Problem des Rückwärtsdralls vurmic- ', den. '

Daher wird der Spall zwischen den beiden Plättchen FS und RS mit einem geeigneten cholesterischen '}

Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen linkshändig-wendeiförmigen Molekularanordnung und geeigneter Wendclungsganghöhe gefüllt. Geeignetes Material wird unten näher beschrieben. Die Glasplättchen können $

/.. B. durch einen Abstandshalter getrennt gehalten werden, und das Flüssigkristallmaterial kann dann in den io j?

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. 15

Wenn die durch die Reibrichtungen definierte Verdrallungsrichtung der wendeiförmigen Verdrallungsrichtung der natürlichen Molekularanordnung des verwendeten Flüssigkristallmaterials nicht entgegengesetzt ist, tritt das erwähnte Problem des umgekehrten Umkippens der Ausrichtung auf, wenn später eine Spannung -;

angelegt wird. Mit anderen Worten tritt ein solches Umkippen auf. wenn die Reibrichtung am Vorderplättchen j

FS entgegengesetzt zur Richtung X liegt, während die Reibrichtung am Hinterplättchen RSm der Richtung Y 20 7·

liegt, falls ein Flüssigkristallmaterial verwendet wird, das eine linkshändig-wendeiförmige Molekularanordnung ..''.

(entsprechend der oben definierten Vereinbarung) aufweist. Wenn jedoch die Reibrichtung am Vorderplättchen 7

FS in der der Richtung X entgegengesetzten Richtung liegt und die Reibrichtung am Hinterplättchen RSm der Richtung V liegt, tritt das genannte Problem nicht auf, fails das Flüssigkristallmaterial cholesterisch mit einer J

rcchtshändig-wendelförmigen Molekularanordnung (entsprechend der oben definierten Vereinbarung) ist. 25 vj

Die anscheinende Erklärung dieses Befundes ist folgende: Man betrachte eine einfache nematisch Flüssigkri- ]

stall/eile, 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 ■ ΐ

den ir neren Oberflächen dieser Plättchen ausgerichtet. Folglich werden sich die Flüssigkristallmoleküle in einer _fv|

von zwei möglichen Anordnungen je nachdem befinden, ob die beiden Reibrichtungen in der gleichen Richtung 30 Λ

oder in entgegengesetzten Richtungen liegen. F i g. 2a veranschaulicht eine dieser Anordnungen und F i g. 2b die ;--j

andere. In der Anordnung nach F i g. 2a bilden die Moleküle Mzwischen den Plättchen Seinen »aufgefächerten« -j

Bereich und weisen alle zum Inneren der Flüssigkristallschicht. Die Moleküle M im Inneren liegen in der Ebene ;,i

der Plättchen S. Bei der Anordnung nach F i g. 2b bilden die Moleküle M einen »gekippten« Bereich und sind fj

sämtlich in einer Richtung zu den Plättchen S geneigt. Es sei nun der Fall betrachtet, daß eines der Plättchen S in 35 |

der gleichen Ebene gehalten, jedoch um 90" um die Achse Z 5, die zu dieser Ebene senkrecht ist, gedreht wird. ja

dies bedeutet, daß die unmittelbar an das gedrehte Plättchen S angrenzenden Flüssigkristallmoleküle mit dem ;_;,

Plättchen rotieren. |j

Nach der Drehung des einen der beiden Plättchen Sin der in Fig. 2a veranschaulichten Anordnung werden |j

die Moleküle M im Inneren der Schicht noch in der Ebene der Plättchen 5 sein, und nach der Drehung eines der 40 |j

Plättchen Sin der in Fig.2b veranschaulichten Anordnung werden die Moleküle Mdurch die ganze Schicht '|j

hindurch immer noch zu den Plättchen S geneigt stehen.

Die um 90° gedrehten Abwandlungen der in den F i g. 2a und 2b veranschaulichten Anordnungen sind je einer von zwei verschiedenen Formen der verdrallten nematischen Zelle äquivalent. Mit anderen Worten sind die Moleküle in nach herkömmlicher Weise hergestellten verdrallten nematischen Zellen entweder in einer »gefä- 45 cherten« 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 F i g. 2b erhaltene Anordnung ist

Es sei nun der Fall betrachtet, daß man zwischen die Plättchen S anstelle des nematischen Materials ein so cholesterisches Flüssigkristallmaterial einführt. Die Moleküle im 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 cholesterisches Flüssigkristallmaterial), die 55 durch die 90°-Rotation eines der Plättchen S hervorgerufen wird, muß nun im Zusammenhang mit dem natürlichen wendeiförmigen Drall des cholesterischen Flüssigkristallmaterials betrachtet werden, wenn das letztere zwischen die Plättchen S, die die Bezugsebenen werden, eingeführt wird.

Wenn das obere Plättchen S in F i g. 2a im Uhrzeigersinn gedreht wird, paßt der durch die Rotation erzeugte Drall zur natürlichen Verdrallung eines linkshändig verdrallenden cholesterischen Flüssigkristallmateriais, und 60 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 F i g. 2a im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, ist der durch die Rotation erzeugte Drall von der natürlichen Verdraüung eines linkshändigen Materials verschieden. Die durch die Kombination dieser beiden Dralle erzeugte Verdrallung beläßt die Moleküle Mim Inneren der Schicht schräg zu 65 den Plättchen S durch die gesamte Schicht ähnlich einer um 90° verdrehten Abwandlung gemäß F i g. 2b mit nematischem Material.

Wenn das obere Plättchen Sin F i g. 2b im Uhrzeigersinn gedreht wird, paßt der durch die Drehung erzeugte

¹ t Drall zum natürlichen Drall eines linkshändigen Materials. Die durch -,"ie Kombination der beiden Dralle

•i erzeugte Verdrallung beläßt die Moleküle M im Inneren der Schicht schräg zum Plättchen S durch die ganze

\g Schicht hindurch.

^f 1 Wenn das obere Plättchen S in Fi g. 2b im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, ist der durch die Drehung

'('. 5 erzeugte Drall von der natürlichen Verdrallung eines linkshändigen Materials verschieden. Die durch die

;;j Kombination der beiden Dralle erzeugte resultierende Verdrallung beläßt die Moleküle M im Inneren der

Hf Schicht in der Ebene der Plättchen Sin einer der um 90° verdrehten Abwandlung nach Fig. 2a mit nematischem

\t\ Material ähnlichen Weise.

B Wenn das Material einen rechtshändigen natürlichen wendeiförmigen Drall aufweist, kehren sich die oben

h ίο erwähnten vier Ergebnisse um, d. h. die Moleküle M im Inneren der erhaltenen Schicht liegen schräg zu den

,_:; Plättchen 5 für die beiden obigen Fälle, wo sie in der Ebene der Plättchen S sind, dagegen liegen sieinderEbene

der Plättchen Sfür die beiden obigen Fälle, wo sie zu den Plättchen Sgeneigt sind.
¹ 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 . _t 15 Schicht hindurch zu den Plättchen Sgeneigt liegen, die durch die Plättchen Sdefinierte Wendelungsrichtung der .; natürlichen Molekularwendelungsrichtung des optisch aktiven Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt sein

|3 muß.

^ Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Ausrichtung der Flüssigkristallmolckülc

'ΐ alternativ durch Abscheiden eines Überzugs von Molekülen, wie z. B. Magnesiumfluorid oder Siliziummonoxid,

£ 20 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

7, sich die Flüssigkristallmoleküle dazu ausrichten und allgemein in eine einzige, zur Ebene des Plättchens mit dem

;! Überzug schräge Richtung weisen. Zwei Plättchen, die zwei solche schräg abgeschiedene Überzüge aufweisen,

T-! werden zueinander in gleicher Weise, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde, angeordnet, und

τ! 25 man kann nun ein geeignetes Flüssigkristallmaterial dazwischen einführen. In diesem Fall stellen die in F i g. 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

Il Plättchen die gleiche, wie sie anhand der F i g. 1 beschrieben wurde.

if Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eines der Glasplättchen durch schräges Bedamp-

j! 30 fen unter einem streifenden Einfallswinkel von 15° oder weniger beschichtet werden, während das andere ¹I Plättchen gerieben wird. In diesem Fall stellt die Richtung X (Fig. 1) die Reibrichtung der entsprechenden

φ Plättcheninnenoberfläche und die Richtung Vdie Projektion der Richtung der aufgedampften Moleküle dar; im

U übrigen sind die Richtungen A"und Veinander in der anhand der F i g. 1 beschriebenen Weise zugeordnet.

|| Typisch ist der Spaltabstand zwischen den beiden Glasplättchen in einer Flüssigkristallzelle etwa 15 u.m. In

5 35 den nach den obigen Verfahren hergestellten Zellen wird in etwa eine wendeiförmige Verdrallung von 90° in der H Molekularanordnung der Moleküle des Flüssigkristallmaterials (wie üblich) im Raum zwischen den Plättchen

f vorgesehen. Die Moleküle des verwendeten Flüssigkristallmaterials müssen eine natürliche Wendelungsganghö-

„ he (eine 360° -Windung der Wendel) von etwa dem Doppelten des Abstandes zwischen den Plättchen, d. h. 30 μιτι

6 oder mehr, jedoch vorzugsweise etwa 80 μπι haben, so daß sich die Moleküle selbst wieder unter Bildung des 40 ^/2(90°>Dralls anordnen, wenn sie sich zwischen den Plättchen befinden. Falls die Wendelungspanghöhe bedeutend niedriger a!s der doppelte Abstand zwischen den Plättchen ist, ordnen sich die Moleküle selbst unter Bildung einer Verdrallung über einen Winkelbereich m πΙΪ an, wo m eine ungerade über 1 liegende Zahl ist, und so geringe Wendelungsg?nghöhen sind ungeeignet

Ein geeignetes Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen Molekularwendelungsganghöhe der richtigen 45 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 —</<Q\_<\O/^>~ ^CN

55 worin R eine Alkyl- oder Alkoxygruppe, z. B. n-CsHnO ist Das optisch aktive Material stellt normalerweise nicht mehr aJs 2 Gew.-% der Mischung mit dem nematogenen Material dar.

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

60 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 gebildet wird. Rühren und anschließendes Abkühlenlassen des Becherglases und seines Inhalts bilden.
Wenn die Mischung aus einem nematischen F'üssigkristallmaterial und einem nicht-cholesierischen, optisch

bs 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 verwen-

deten besonderen optisch aktiven Material ab. Wenn indessen das optisch aktive Material Kanadabalsam ist, ist die VerdraUungsrichtung der wendeiförmigen Molekülanordnung der Mischung rechtshändig. Die optisch aktive Verbindung

{—)C_H₃- CH₂- CH- CH₃

(1 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 * to bezeichnet das optisch aktive Zentrum.

F i g. 3 ist eine Seitenschnittansicht einer einfachen Flüssigkristallzellenanordnung, die eine Zelle ί zwischen einem optischen Polarisator 3 und einem optischen Polarisationsanalysator 5 enthält. F i g. 4 ist eine teilweise weggeschnitttne Vorderansicht der Zelle 1 allein, in der Richtung Xgesehen. 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 Flüssigkristalimaterial angeordnet ist. Auf dem Plättchen 9 sind auf der Innenoberfläche zwei Streifenelektroden 17, 19 abgeschieden. Das 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 rnd 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 aen 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.

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 gefewjgt, 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 F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkristallzelle mit einer Schicht aus einem cholesterischen Flüssigkristallmaterial mit einer die Schichtdicke übertreffenden Verdrallungsganghöhe, die zwischen zwei einander zugewandten. Elektroden tragenden Substraten enthalten ist, wobei die einander zugewandten Oberflächen der Substrate zwecks Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle behandelt und mit zueinander senkrechten Ausrichtungsrichtungen angeordnet sind und zumindest eines der Substrate und seine Elektrode optisch transparent sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die natürliche cholesterische Verdrallungsganghöhe mehr als die doppelte Dicke der Flüssigkristallschicht

ίο (11) beträgt,

die Flüssigkristallmoleküle im Kontakt mit der Substratoberfläche (S, S) zum Substrat (7,9) geneigt sind und
die Ausrichtungsrichtung auf den beiden Substraten so eingerichtet ist, daß die Durchschnittsrichtung, in der die Moleküle liegen, gleichsinnig schräg zu den Substratoberflächen (S, S) durch die Schicht (11) ist,
wobei die durch die Substratoberflächen (S, S) definierte Wendelungsrichtung der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des cholesterischen Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

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.

4. ZellesiHch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nematogene Material die Formel