DE2508913C2

DE2508913C2 - Flüssigkristallzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE2508913C2
Application number: DE19752508913
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Worcester Worcestershire Raynes
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1985-08-08
Also published as: CH575605A5; JPS519856A; DE2508913A1; FR2268277B2; FR2268277A2; JPS5826006B2; GB1478592A

Description

ist, wobei R eine n-Alkyl- oder n-Alkoxygruppe und CN eine Cyanogruppe darstellen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1 durch
Behandlung der entsprechenden Oberflächen von zwei Substraten mit optisch transparenten Elektrodenschichten in der Weise, daß sich die Moleküle eines eingebrachten und damit in Berührung stehenden cholesterischen Flüssigkristallmaterials mit positiver dielektrischer Anisotropie allgemein an den Oberflächen anordnen,

Zusammenbringen der Flächen in der Weise, daß sie einander gegenüberliegen, und
Einbringen einer Schicht des Flüssigkristallmaterials mit einer die Schichtdicke übertreffenden Verdrallungsganghöhe zwischen die Oberflächen, so daß sich die Flüssigkristallmoleküle an den Oberflächen anordnen und sich die mittlere Richtung der Flüssigkristallmoleküle beim Fortschreiten von der einen zur anderen Oberfläche zunehmend dreht, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Flüssigkristallmaterial mit einer natürlichen cholesterischen Verdrallungsganghöhe von mehr als der doppelten Dicke der Flüssigkristallschicht verwendet wird und

eine erste Substratinnenfläche durch Schrägbedampfung mit einem dielektrischen Material unter einem Bedampfungswinkel ■& im Bereich 15° < $ < 45° beschichtet wird, wodurch sich eingebrachte Flüssigkristallmoleküle (M) in unmittelbarer Nachbarschaft zur ersten Oberfläche im wesentlichen senkrecht zur Projektion der Bedampfungs-

richtung auf diese Fläche (LU) ausrichten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des zweiten Substrats in einer einzigen Richtung gerieben wird und die Reibrichtung parallel oder in einem kleinen Winkel 2ur Projektion der Bedampfungsrichtung auf die Innenfläche des ersten Substrats liegt

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des zweiten Substrats vor dem Reiben durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinke! «?i von 15° < t?i < 45° zur Oberfläche mit einem dielektrischen Material beschichtet wird und das Reiben in einer Richtung vorgenommen wird, die senkrecht zur Projektion der Bedampfungsrichtung auf die Innenfläche des zweiten Substrats liegt

8. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des zweiten Substrats durch Schrägbedampfen unter einem Bedampfungswinkel ^₂ von 15° > «?j > 0° zur Oberfläche mit einem dielektrischen Material beschichtet wird und die inneren Oberflächen der Substrate so angeordnet werden, daß die entsprechenden Projektionen der Bedampfungsrichtungen parallel oder in einem kleinen Winkel zueinander liegen.

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 elektrooptische Effekte ausnutzen und folglich Anzeige- oder Abbildungsanwendungen finden, erhielten verdrallle (schraubenverdrehte) nematische Zellen, wie sie aus der DE-OS 22 02 555 und aus »Applied Physics Letters« 18 (1971), 4, S. 127,128, bekannt sind, in neuerer Zeit wahrscheinlich die größte Beachtung. Diese werden norma- !erweise durch Aufbau einer verdrallten nematischen 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 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. V₄ 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 Material an den beiden Innenoberflächen moduliert, um eine Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu erreichen.

So ist aus der DE-OS 21 58 563 eine Flüssigkrisiallzel-Ie der eingangs genannten Art bekannt, deren Flüssigkristallschicht aus einem nematischen FIüssigkrist;illni;iterial oder diesem mit Zusatz einer cholesterischen Vet -

bindung besteht und deren Substratoberflächen beispielsweise durch Reiben behandelt sind, um die Flüssigkristallmoleküle in der Grenzschicht mit ihren Längsachsen parallel zur Elektrodenoberfläche in einer Vorzugsrichiung 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 »Schrägbedampfung« bekannt ist Moleküle eines transparenten dielektrischen Materials werden auf entsprechende Flächen der transparenten Substrate in einer Richtung aufgebracht (im folgenden als Bedampfungsrichtung bezeichnet), die sich in einem Winkel (im folgenden als Bedampfungswinkel bezeichnet) zu diesen Flächen befindet, wodurch ein Beschichtungsfiim auf ihnen erzeugt wird. Diese Schichten kommen zu den transparenten leitenden Elektrodenschichten hinzu, die sich bereits auf diesen Flächen befinden. Die Flüssigkristallmoleküle werden durch die aufgebrachten Beschichtungen ausgerichtet

Bei Anwendung des Verfahrens der Schrägbedampfung unter einem unterhalb eines kritischen Werts von etwa 15° liegenden Bedampfungswinkel bilden die Flüssigkristallmoleküle eine Anordnung aus, die derjenigen ähnlich ist, die nach dem Reib- oder Polierverfahren erhältlich ist d. h, daß die Achsen der Flüssigkristallmoleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Glasoberfläche befinden, im allgemeinen einen Winkel zu dieser Oberfläche bilden; in diesem Fall beträgt der mittlere Winkel allerdings nicht 2°, sondern etwa 30°.

Wenn andererseits unter einem Bedampfungswinkel schräg bedampft wird, der über dem erwähnten kritischen Wert d. h. über etwa 15° liegt, jedoch unter einem anderen, bei etwa 45° liegenden kritischen Wert bleibt, bilden die Flüssigkristallmoleküle eine abweichende Anordnung aus, bei der die mittlere Richtung, in der ihre Achsen liegen, durch die gesamte Flüssigkristallschicht hindurch in der Ebene der Glasoberfläche liegt

Unter »Flüssigkristallzelle« ist im folgenden eine Anordnung verstanden, die zwei einander gegenüberliegende Substratflächen aufweist, die auf ihrer Innenfläche eine Schicht eines Elektrodenmaterials tragen, wobei zumindest eines der Substrate und die entsprechende Schicht des Elektrodenmaterials optisch transparent sind; zwischen den inneren Substratflächen befindet sich dabei eine Schicht eines cholesterischen Flüssigkristallmatcrials, dessen Moleküle so angeordnet sind, daß ihre örtlichen mittleren Achsenrichtungen von einer Innenfläche zur anderen eine fortschreitende Verdrallung ergeben.

Unter »optisch transparent« wird des weiteren verstanden, daß nicht nur im sichtbaren Teil, sondern auch im ultravioletten und infraroten Teil des Spektrums Durchlässigkeit vorliegt.

Wenn das verwendete Flüssigkristallmaterial nematisch ist und die Innenflächen der optisch transparenten Substrate jeweils auf eine der genannten Arten behandelt wurden, d. h. durch Polieren, durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel unter etwa 15° oder durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel im Bereich von etwa 15 bis etwa 45°, treten zwei Schwierigkeiten bei derartigen Flüssigkristallzellen auf, die sich folgendermaßen äußern: Wenn eine Anordnung mit einer derartigen Zelle von einem Beobachter unter einem Winkel beobachtet wird, zeigt sie, wie z. B. in »Electronics Letters« 9, 1973, 5, Seiten 101 — 102, erwähnt Unvollkommenheiten wie Flecken, was insbesondere bei der Anwendung in Anzeigevorrichtungen sehr unerwünscht ist

Die beiden damit verbundenen Probleme werden im folgenden näher diskutiert

Das erste Problem, das im folgenden als »Rückwärtsdrall« bezeichnet wird, ergibt sich folgendermaßen: Ideal sollte die Anordnung von Molekülen in einer verdrallten 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, wenn das Flüssigkristallmaterial ein natürlich nematisches Material ist seine Moleküle eine Anordnung, die bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes in einigen Bereichen eine Verdral lung in der anderen Richtung aufweist Diese Anord nung 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 »umge kehrtes Umklappen der Ausrichtung« bezeichnet wird, tritt folgendermaßen auf:

Wenn ein elektrisches Feld zwischen den transparenten leitenden Bei eichen (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 nega- tiven Ende des elektrischen Feldes hin wiederausgerichtet zu werden, was andere Moleküle tun.

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 Flüssigkristallzelle 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.

Erfindungsgemäß verwendbare optisch aktive flüssig-

kristalline Materialien sind folgende:

(1) Natürliche cholesterische flüssigkristalline Materialien, deren wendeiförmige Molekularanordnungen die geeignete Ganghöhe aufv/eisen;

(2) Gemische aus nematischen und cholesterogenen Materialien, d. h. solchen, die zur Bildung einer cholesterischen flüssigkristallinen Phase in der Lage sind, in Mengenverhältnissen, daß die entsprechende wendeiförmige Molekularanordnung die geeig- note Ganghöhe besitzt.

Die Zelle wird vorzugsweise durch Behandlung der beiden Innenflächen nach dem Schrägbedampfungsver-

fahren unter Verwendung eines Bedampfungswinkels im Bereich von etwa 15° bis etwa 45° und durch anschließende Behandlung der einen Innenfläche nach dem beschriebenen Polierverfahren erzeugt, bevor das optisch aktive flüssigkristalline Material zwischen die Innenflächen eingebracht wird. In diesem Fall liegt die Polierrichtung senkrecht zur Projektion der Schrägbcdampfungsrichtung auf die betreffende Innenfläche.

Alternativ dazu kann die eine Innenfläche nach dem Polierverfahren allein oder dem Schrägbedampfungsverfahren allein unter Verwendung eines Bedampfungswinkels unterhalb etwa 15° behandelt werden.

Der obenerwähnte problematische »Rückwärtsdrall«, der bei nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten verdrallten nematischen Zellen auftritt, entsteht folgendermaßen: Im Idealfall sollte die Anordnung der Moleküle in einer solchen nematischen Zelle eine einzige Drehrichtung aufweisen, so daß die Polarisationsebene von durch die Zelle hindurchtretendem Licht in einem einzigen Drehsinn gedreht wird. Wenn das fiüssigkristaiiine Material allerdings ein natürliches nematisches Material ist, besitzen seine Moleküle eine Anordnung, die bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes in manchen Zonen in der einen Richtung und in anderen Zonen in der entgegengesetzten Richtung dreht. Eine derartige Anordnung ist bleibend, da eine Drehung in einer Richtung im Vergleich zu einer Drehung in der dazu entgegengesetzten Richtung energetisch gleichwertig ist.

Das erwähnte problematische »umgekehrte Umklapen der Ausrichtung« tritt ebenfalls in nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten verdrallten nematischen Zellen auf und entsteht folgendermaßen: Beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den transparenten leitenden Gebieten (d. h. den Elektroden der Anordnung) auf den entsprechenden Innenflächen der transparenten Substrate einer gedrehten nematischen Zelle werden die Flüssigkristallmoleküle im elektrischen Feld umorientiert, wobei das Ausmaß der Umorientierung nach dem Inneren der Flüssigkristallschicht hin ansteigt. Die innen befindlichen Moleküle können anfänglich in der Ebene der beiden Innenflächen liegen; es ist infolgedessen für diese Moleküle energetisch gleich günstig, sich im elektrischen Feld im Uhrzeigersinn, wie bei einem Teil der Molekülen der Fall, oder entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn umzuorientieren, was bei den übrigen Molekülen der Fall ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Problem des Rückwärtsdralls durch Verwendung des cholesterischen Flüssigkristallmaterials vermieden, wodurch die Flüssigkristallmoleküle die Tendenz haben, sich in einer ausschließlich einsir.p.igen Drehung anzuordnen; das Problem des umgekehrten Umklappens der Ausrichtung wird durch Behandlung der Innenflächen der Substrate in der Weise vermieden, daß die Flüssigkristallmoleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer der Innenfläche befinden, im allgemeinen in einem Winkel zu dieser Fläche liegen und die Flüssigkristallmoleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der anderen Innenfläche im allgemeinen in der Ebene dieser Fläche liegen, wodurch die Moleküle im Inneren der Schicht im elektrischen Feld alle in der gleichen Weise umorientiert werden.

Das infolge der Ausrichtungsdegeneration der Flüssigkristallmoleküle im »Ein«- bzw. »Aus«-Zustand auftretende fleckige Aussehen verdrailter nematischer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen und damit die beiden damit verbundenen Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein cholesterisches Material als flüssigkristallines Material verwendet wird, das eine molekulare Verdrallungsganghöhe aufweist, die nicht kleiner ist als der doppelte Abstand zwischen den Substratflächen der Zellanordnung, sowie durch in der Weise vorgenommene Behandlung und folgende Anordnung der Substratflächen, daß die in unmittelbarer Nachbarschaft der einen Siibstratfläche befindlichen Flüssigkristallmoleküle in der Ebene der Substratfläche ίο liegen, während die Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der anderen Substratfläche schräg zur entsprechenden Fläche liegen, wodurch die Moleküle im Inneren der Schicht leicht schräg zu beiden Flächen orientiert sind. Beide Substrate können mit einer dielektrischen Schicht unter einem Bedampfungswinkel im Bereich 15° < i9 < 45° bedampft werden: eines der Substrate kann poliert sein, bevor die entsprechenden Projektionen der Bedampfungsrichtung der Substrate aufeinander senkrecht stehend eingestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. I eine teilweise im Querschnitt und teilweise in Form einer schematischen Schaltung dargestellte Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fiüssigkristallzelle;

Fig.2a—2d Querschnittszeichnungen zur Erläuterung der Molekülanordnung in verschiedenen Flüssigkristallzellen;

F i g. 3 eine Querschnittsdarsteliung einer erfindungsgemäß hergestellten Flüssigkristallzelle sowie

Fig.4 eine teilweise abgeschnittene Vorderansicht eines Teils der in F i g. 3 dargestellten Zelle.
Eine erfindungsgemäße und wie zuvor definiert aufgebaute Flüssigkristallzelle ist nach folgendem Verfahren herstellbar: Die Oberflächen von zwei Glasscheiben (dünnen Glasplatten), die als optisch transparente Substrate dienen soüen, werden zunächst sorgfältig gereinigt Anschließend wird nach einem bekannten Verfahren ein dünner Film eines transparenten leitenden Materials wie Zinnoxid auf der Oberfläche oder ausgewählten Teilen der Oberfläche einer jeden Platte aufgebracht, wodurch die Elektroden der Anordnung erzeugt werden; wenn der Film an ausgewählten Teilen der entsprechenden Oberflächen erzeugt werden soll, kann beispielsweise eine einzige Schicht aufgebracht werden, die selektiv fotogeätzt wird. Die Scheiben werden anschließend nach dem Schrägbedampfungsverfahren beschichtet, wie im folgenden unter Bezug auf die F i g. 1 näher erläutert wird.

In der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung befindet sich eine Glocke 21 auf einer isolierenden Grundplatte 23 mit einem Pumpanschluß 25, der zu einer (nicht gezeichneten) Vakuumpumpe führt, mit der die Glocke 21 evakuiert werden kann. Ein aus Wolfram oder Molybdän, bestehender Tiegel 27 befindet sich im Inneren der Glocke 21 in der Nähe der Grundplatte. Der Tiegel 27 enthält einige Gramm Magnesiumfluorid-Kristalle 28. Der Tiegel 27 weist zwei nach unten zeigende Arme 27a und 27b auf, die mit elektrischen Anschlüssen 29 bzw. 31 verbunden sind. Außerhalb der Glocke 21 sind eine herkömmliche Stromquelle 33 und ein elektrischer Schalter 35 in Serie mit den Leitungen 29 und 31 verbunden. Innerhalb der Glocke 21 befindet sich direkt über dem Tiegel 27 eine Glasplatte 37 in einem Winkel ?? zur senkrechten Achse der Glocke 21, wobei »? im Bereich 15° < if < 45° liegt
Die Glocke 21 wird zunächst auf ein Vakuum von

etwa 13· ΙΟ-⁵ hPa ausgepumpt, wobei der Schalter 35 offen ist Anschließend wird der Schalter 35 geschlossen und die Leistung der Stromquelle 33 so eingestellt, bis der Tiegel 27 auf der zur Verdampfung der Magnesiumfluorid-Kristalle 28 geeigneten Temperatur glüht. Der dazu erforderliche Strom liegt typischerweise bei etwa 100 A, wobei Temperaturen im geeigneten Bereich von 700—IOOO°C erzeugt werden. Die Magnesiumfluorid-Kristalle werden anschließend verdampft, wobei sich ein aufwärts gerichteter Strom von Molekülen ausbildet, wie in der Zeichnung mit dem Symbol 5 angedeutet ist; der Strom S fällt dabei unter dem Winkel ·&■ auf die Glasplatte 37 auf, die entsprechend beschichtet wird. Der Winkel«? stellt dabei den erwähnten Bedampfungswinkel dar, die Richtung S des Molekülstroms ent- ts spricht der erwähnten Bedampfungsrichtung. Die Dicke der Beschichtung liegt normalerweise zwischen 10 und 100 nm. Die Schichtdicke kann dabei aus einer vor dem Einbringen der Glasplatte 17 in die Glocke 21 vorgenommenen Eichung der Apparatur (Schichtdicke gegen Zeit) bestimmt werden. Nach Erzeugung einer geeignet dicken Beschichtung wird die Leistung der Quelle 33 verringert, der Schalter 35 geöffnet und die Glocke mit Inhalt abkühlen gelassen; der Druck wird anschließend auf Atmosphärendruck gesteigert und das Glasplättchen 17 aus der Glocke entnommen.

Das zur Erzeugung der molekularen Beschichtung verwendete Material muß dabei nicht notwendig aus Magnesiumfluorid bestehen, es wird jedoch vorzugsweise verwendet. Alternativ kennen auch Siliciummonoxid oder andere geeignete optisch transparente Materialien verwendet werden; derartige Materialien müssen elektrisch isolierend sein, damit keine elektrische Störung des transparenten leitenden Films auftritt

Zwei Glasscheiben, aus denen die Zelle hergestellt werden soll, werden in derselben Weise wie die Glasplatte 17 in Fig. 1 beschichtet Die beiden Gläser können dabei getrennt oder zusammen beschichtet werden. In jedem Falle werden die beiden Gläser im gleichen Winkel ■& zum Strom S mit ihren entsprechenden Oberflächen angebracht die den dem Strom S gegenüberliegenden transparenten leitenden Film enthalten.

Nach der Schrägbedampfung der Scheiben wird eine von ihnen etwa fünfmal mit einem weichen Stoff wie Baumwolle auf der Beschichtung in einer einzigen Riehtung gerieben, entsprechend dem üblichen erwähnten Polierverfahren. Die Reibrichtung wird dabei senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die entsprechende Scheibe eingestellt, d. h. die Richtung des Stroms S. von dem sie beschichtet wurde. Die Flüssigkristallmoleküle liegen infolgedessen anschließend mit ihrer Projektion auf diese Scheibe im allgemeinen senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf diese Scheibe. Dies ist eine Folge der Verwendung eines Schrägbedampfungswinkels im Bereich von etwa 15° bis etwa 45°.

Nachdem eine der beiden Scheiben gerieben wurde, werden die beiden Scheiben parallel ausgerichtet und nahe aneinander gebracht, so daß ihre entsprechenden Beschichtungen einander gegenüberstehen und einen Abstand von 15 μΐη (15 · 16~⁶m) aufweisen, also die typische Dicke einer Flüssigkristallschicht Die wechselseitige Anordnung der Beschichtungen auf den beiden Scheiben ist also so, daß die entsprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Schei- es ben aufeinander senkrecht stehen.

Der Spalt zwischen den beiden Scheiben wird anschließend mit einem geeigneten cholesterischen flüssigkristallinen Material, das im folgenden näher erläutert wird, gefüllt, um das Problem des Rückwärtsdralls zu vermeiden. Die Scheiben können beispielsweise durch entsprechende Distanzstücke auseinandergehalten werden, und das flüssigkristalline Material kann zur Bildung einer Flüssigkristallschicht durch Kapillarwirkung in den Spalt eingebracht werden. Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich in folgender Weise an. Die Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriebenen Scheibe liegen im allgemeinen in einer Richtung, die in der Ebene dieser Scheibe liegt, und senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die Scheibe. Diejenigen Flüssigkristallmoleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der geriebenen Scheibe befinden, liegen mit ihren Achsen in einer Richtung, die einen kleinen Winkel, d. h. etwa 2°, zur geriebenen Scheibe bildet; die Projektion dieser Richtung ist senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die Scheibe. Die Flüssigkristallmoleküle im Inneren der Schicht sind in Richtungen angeordnet, die zwischen denen der in unmittelbarer Nachbarschaft der jeweiligen Scheiben befindlichen Moleküle liegen.

Das Problem des »umgekehrten Umklappens der Ausrichtung«, das bei in einer der angegebenen Arten hergestellten verdrallten nematischen Zellen auftritt, kann erklärt werden, indem zunächst eine einfache nematische Flüssigkristallzelle ohne Drehung betrachtet wird, d. h. eine Zelle, bei der die Projektionen der Flüssigkristallmoleküle auf die Glasscheiben sämtlich in der gleichen allgemeinen Richtung liegen, worauf eine Drehung einer der beiden Scheiben um die ihnen gemeinsame Achse um 90° betrachtet wird.

Zunächst sei der Fall betrachtet, bei dem eine einfache nematische Flüssigkristallzelle durch Behandlung der Glasoberflächen durch Schrägbedampfung allein unter Verwendung eines Bedampfungswinkels im Bereich von 15—45° hergestellt wird, F i g. 2a erläutert die molekulare Anordnung einer derartigen Zelle. Die Flüssigkristallmoleküle, bezeichnet mit M, liegen im allgemeinen in der Ebene der Glasplatten, bezeichnet mit L, und zeigen alle in die gleiche allgemeine Richtung. Wird nun eine der Scheiben L um eine Achse Z\ senkrecht zu den Scheiben L um 90° gedreht so befinden sich die in unmittelbarer Nachbarschaft der einen Scheibe L befindlichen Moleküle im allgemeinen senkrecht zu den in unmittelbarer Nachbarschaft zur anderen Scheibe L befindlichen Molekülen, wobei die Moleküle im Inneren der Flüssigkristallschicht allgemein zu den in unmittelbarer Nachbarschaft einer der beiden Scheiben L befindlichen Molekülen allmählich wechselnde Winkel zwischen 0 und 90° einnehmen.

Alle Moleküle M bleiben allerdings im allgemeinen in der Ebene der Scheiben L Der um 90" gedrehte Zustand der in F i g. 2a gezeigten Anordnung ist strukturell der gleiche wie die Anordnung in einer durch anfängliches Anordnen der Scheiben L hergestellten verdrallten nematischen Zelle, bevor das flüssigkristalline Material zwischen sie eingeführt wird, so daß die entsprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben aufeinander senkrecht stehen. So befinden sich die Flüssigkristallmoleküle in einer derartigen verdrallten nematischen Zelle im allgemeinen in der Scheibenebene, wie bei der Anordnung, die durch Drehen der in Fig.2a dargestellten Anordnung um 90° erhalten wird; wie bereits erwähnt führt dies zum Problem des »umgekehrten Umklappens der Ausrichtung« beim Anlegen eines elektrischen Feldes.

Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß eine einfa-

ίο

ehe nematische Zelle durch Behandeln der Scheiben L durch Reiben oder das Verfahren der Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinke! unterhalb 15° hergestellt wird, wobei die hier zur Erläuterung erwähnten Verfahren das gleiche Ergebnis liefern. Die Anordnungsrichtungen, d. h. die Reibrichtungen oder die Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben L der Zelle werden anfangs parallel ausgerichtet. Die Flüssigkristallmoleküle in inmittelbarer Nachbarschaft der entsprechenden Scheiben L der Zelle sind im allgemeinen schräg zu den Innenflächen der Scheiben angeordnet. Die Flüssigkristallmoleküle M sind entsprechend in einer von zwei möglichen Anordnungen, je nachdem, ob die beiden Anordnungsrichtungen gleichsinnig oder entgegengesetzt liegen. Fig.2b erläutert eine dieser Anordnungen, F i g. 2c die andere. Bei der in F i g. 2b dargestellten Anordnung liegen die Moieküie M gewissermaßen »gespreizt« vor, und zeigen alle ins Innere der Flüssigkristallschicht. Die Moleküle M im Inneren liegen in der Ebene eier Scheiben L Bei der in F i g. 2c dargestellten Anordnung sind die Moleküle M gewissermaßen »geneigt«, und zwar sämtlich in der in bezug auf die Scheiben L gleichen Richtung. Eine der Scheiben L werde nun in derselben Ebene gehalten, jedoch um 90° um die Achse Z\ gedreht; dies bedeutet, daß die Flüssigkristallmoleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der gedrehten Scheibe L mit dieser Scheibe L mitdrehen.

Nach der Drehung einer der Scheiben L in der in F i g. 2b dargestellten Anordnung sind die Moleküle M im Inneren der Schicht noch in der Ebene der Scheiben L, nach der Rotation einer der beiden Scheiben L in der in F i g. 2c dargestellten Anordnung befinden sich die Moleküle M in der gesamten Schicht noch hinsichtlich der Scheiben L in geneigter Lage.

Die um 90° gedrehten Versionen der in den F i g. 2b bzw. 2c dargestellten Anordnungen entsprechen zwei verschiedenen Formen verdrallter nematischer Zellen. Anders ausgedrückt befinden sich in verdrallten nematischen Zellen, die unter Verwendung der Verfahren des Reibens oder der Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel unterhalb 15° bei beiden Scheiben hergestellt sind, die Flüssigkristallmoleküle entweder in einer »gespreizten« Anordnung, die dieselbe ist wie diejenige Anordnung, die durch Drehung einer der in F i g. 2b angeführten Scheiben L um 90° erhalten wird, oder die Moleküle sind alternativ in einer schräggeneigten Form angeordnet, die derjenigen Anordnung entspricht, die durch eine Drehung einer der Scheiben L in F i g. 2c um 90° erhalten wird.

Wenn die Moleküle im Inneren der Flüssigkristallschicht in der Scheibenebene liegen, tritt, wie bereits erwähnt, das Problem des »umgekehrten ümkiappens der Ausrichtung« auf. Die »gespreizte« Art der Zelle verursacht entsprechend die genannte Schwierigkeit, während dies für die »geneigte« Form der Zelle nicht gilt Die »geneigte« Form der Zelle wird hier dadurch erhalten, daß ein cholesterisches flüssigkristallines Material verwendet wird und zugleich sichergestellt ist, daß die durch die Ausrichtungs-Richtungen auf den beiden eo Scheiben L definierte Wendelungsrichtung der natürlichen Molekularwendelungsrichtung des cholesterischen Flüssigkristallmaterials entgegengesetzt ist.

Im folgenden wird eine einfache nematische Zelle betrachtet, die in ähnlicher Weise wie die erfindungsgemä- b5 ße Zeiie hergestellt ist, d.h. wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben, wobei die entsprechenden Ausrichtungs-Richtungen für eine so einfache Zelle parallel sind; anders ausgedrückt sind die Reibrichtungen auf der geriebenen Scheibe und die Senkrechte auf die Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die ungeriebene Scheibe parallel. Die Anordnung der Moleküle M in dieser einfachen nematischen Zelle wird durch Fig.2d erläutert. Mit Ausnahme der Ebene in unmittelbarer Nachbarschaft zur ungeriebenen Scheibe, mit LU bezeichnet, sind die Moleküle M der gesamten Flüssigkristallschicht in bezug auf die Scheibenebene in einem Grad geneigt, der gegen die geriebene Scheibe hin zunimmt, die mit LR bezeichnet ist.

Eine der Scheiben wird nun um die Achse Z\ um einen Winkel von 90° gedreht. Die Moleküle M in der Schicht, mit Ausnahme der Molekül in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriehenen Scheibe LU. bleiben in bezug auf die Scheibenebene geneigt. Die Anordnung, die durch Drehung der in F i g. 2d dargestellten Anordnung um 90° erhalten wird, ist strukturell die gleiche wie die Anordnung in der erfindungsgemäßen Zelle, die in der bei der Erläuterung von F i g. 1 beschriebenen Weise hergestellt ist. In der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zelle ist entsprechend der kleine Winkel von etwa 2° zwischen den Flüssigkristallmolekülen in unmittelbarer Nachbarschaft zur geriebenen Scheibe und der Scheibe selbst hinreichend, um ein )'erauskippen der Moleküle in der Schicht mit Ausnahme der Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft zur ungeriebenen Scheite aus der Scheibenebene heraus zu ermöglichen; darüber hinaus ist diese Neigung ausreichend, um die mit dem »umgekehrten Umklappen der Ausrichtung« verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden, wodurch alle inneren Flüssigkristallmoleküle in derselben Weise umorientiert werden, d. h. in der gleichen Richtung, wenn ein elektrisches Feld zwischen den transparenten leitenden Filmen auf den entsprechenden Scheiben angelegt wird. Die Flüssigkristallmoleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriebenen Scheibe werden von einem angelegten elektrischen Feld kaum beeinflußt, so daß sie zum Problem des »umgekehrten Umklappens der Ausrichtung« nicht beitragen.

Obgleich in einer praktischen Flüssigkristallzelle die Richtungen der Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht einer räumlichen Fluktuation unterliegen, sind die in den Fig.2a-2d gegebenen Erläuterungen zutreffend, wenn die Moleküle M in diesen Figuren als Moleküle betrachtet werden, deren Achsen für jede lokalisierte Region der Schicht in der mittleren Molekülrichtung liegen. Die räumliche Fluktuation der Richtungen der Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der Scheiben ist selbstverständlich wesentlich geringer als die der Moleküle im Inneren der Schicht
_Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine nüssigkristaiizeiie durch Behandlung der Oberfläche einer Scheibe durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel im Bereich von 15°—45° und durch Behandlung der anderen Scheibe durch Reiben ohne Schrägbedampfung erzeugt werden. Die Scheiben werden so ausgerichtet daß die Reibrichtung auf der geriebenen Scheibe parallel zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf der anderen Scheibe ist da die Flüssigkristallmoleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der geriebenen Scheibe der Reibrichtung folgen.

Es ist allerdings weniger günstig, die Zelle auf diese Weise herzustellen (im Vergleich mit dem zu F i g. 1 beschriebenen Verfahren), da ein direktes Reiben des transparenten leitenden Films im allgemeinen zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung

kann die Flüssigkristallzelle durch Behandlung der Oberfläche der ersten Scheibe durch Schrägbedampfen unter einem Bedampfungswinkel zwischen 15° und 45° und durch Behandeln der zweiten Scheibe durch Schrägbedampfen bei einem Bedampfungswinkel unterhalb 15° erzeugt werden.

Wie bereits erwähnt, liegen die in unmittelbarer Nachbarschaft zur ersten Scheibe befindlichen Flüssigkristallmoleküle im allgemeinen in einer Richtung, die senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf diese Scheibe ist; die Flüssigkristallmoleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der zweiten Scheibe indessen liegen im allgemeinen in einer Richtung, deren Projektion parallel zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf diese Scheibe ist. Die erste und zweite Scheibe werden infolgedessen in diesem Fall so zusammengestellt, daß die entsprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben parallel zueinander sind, wodurch die geeignete molekulare Flüssigkristalldrehung erzeugt wird. Es ist allerdings weniger günstig, eine Zelle in dieser Weise herzustellen (im Vergleich zu den zu F i g. 1 beschriebenen Verfahren), da die Flüssigkristallmoleküle in diesem Fall allgemein in einem größeren Winkel geneigt sind, was zu eine: Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Zelle führen kann.

Wie erwähnt, beträgt der Abstand zwischen den beiden Glasscheiben in einer Flüssigkristallzelle typischerweise etwa 15 μΐη. In den erwähnten Flüssigkristallzellen befindet sich, grob betrachtet, eine 90° betragende Wendeldrehung in der molekularen Anordnung der Moleküle des Flüssigkristallmaterials im Abstand zwischen den Scheiben. Die Moleküle des verwendeten Flüssigkristallmaterials benötigen zur Ausbildung einer natürlichen Verdrallungshöhe (einer 360"-Drehung der Wendel) einen Raum von mindestens dem doppelten Abstand zwischen den Scheiben, d. h. 30 um oder mehr, vorzugsweise etwa 80 μηι, so daß die Moleküle sich unter Bildung einer ^r/2(90^o)-Drehung umordnen, wenn sie sich zwischen den Scheiben befinden. Beträgt die Ganghöhe weniger als das Doppelte des Abstands, ordnen sich die Moleküle selbst unter Bildung einer Drehung um einen Winkel msr/2 um, wobei m eine ungerade ganze Zahl über 1 ist; derartig kleine Helixgänge sind entsprechend nicht brauchbar.

Passende Flüssigkristallmaterialien mit einer natürlichen Ganghöhe der richtigen Größe können beispielsweise durch Verdünnen eines nematischen Flüssigkristallmaterials mit einem optisch aktiven Additiv erhalten werden, das aus einem cholesterischen Flüssigkristallmaleriai bestehen kann, jedoch nicht notwendig daraus bestehen muß. Das nematische Material besitzt bevorzugt eine positive dielektrische Anisotropie (d. h. Differenz zwischen der parallel zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstanten und der senkrecht zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstanten).

Ein geeignetes nematisches Material ist das Diphenylderivat

-CN

in dem R eine Alkyl- oder Alkoxygruppe ist beispielsweise n-C₅Hn oder n-C₅H _t iO. Das Additiv stellt normalerweise nicht mehr als 2 Gew.-% der Lösung mit dem nematischen Material dar. Ein geeignetes cholesterisches Material zur Verdünnung des nematischen Materials zur Herstellung einer geeigneten Mischung ist beispielsweise das Cholesterylnonanoat (0,2 Gew.-% im Gemisch mit dem nematischen Material). Das Gemisch wird durch Einbringen geeigneter Volumina des nematischen und cholesterischen Materials in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei der die isotrope flüssige Phase auftritt (d.h. bis oberhalb des Klarpunkts), sowie durch Rühren und anschließendes Ab- kühlenlassen erzeugt

Wenn das Gemisch aus einem nematischen Flüssigkristallmaterial und einem nicht-cholesterischen optisch aktiven Material gebildet wird, kann es in ähnlicher Weise durch Einbringen geeigneter Volumenmengen des nematischen Materials und des nicht-cholesterischen Materials in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei dsr die isotrope Phase des nematischen Materials auftritt, und anschließendes Abkühlenlassen erzeugt werden. Das optisch ak- tive Material kann beispielsweise Canadabalsam sein oder die Verbindung

(_)H₃C —CH₂-CH(CHj)-CH₂O

CN

(1 Gew.-% im Gemisch mit dem nematischen Material). Der Stern * bezeichnet das optisch aktive Zentrum des Materials.

Fig.3 stellt eine Schnittdarstellung einer einfachen Flüssigkristallzellenanordnung dar, zu der eine Zelle 1 gehört, die sich zwischen einem optischen Polarisator 3 und einem optischen Polarisationsanalysator 5 befindet Fig.4 ist eine teilweise abgeschnittene Vorderansicht der Zelle 1 aus der X-Richtung. Die Zelle 1 ist dabei eine erfindungsgemäße Zelle der definierten Art die nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist Sie enthält zwei Glasplatten 7 bzw. 9, zwischen denen sich eine Schicht 11 eines geeigneten flüssigkristallinen Materials, wie oben beschrieben, befindet Auf der Innenfläche der Scheibe 7 sind zwei Streifenelektroden 13 und

« 15 aufgebracht die Scheibe 9 trägt auf ihrer Innenfläche zwei Streifenelektroden 17 und 19. Die Streifenelektroden 13 und 15 bzw. 17 und 19 stellen die erwähnten transparenten leitenden Filme dar. Die Scheibe 7 und die Elektroden 13 und 15 weisen ein Gebiet auf, das eine

so Kante der Schicht 11 und der Scheibe 9 überlappt während die Scheibe 9 und die Elektroden 17 und 19 ein Gebiet aufweisen, das eine Kante der Schicht 11 und der

Scheibe 7 überlappt DicSc Überlappenden Regionen

sind vorgesehen, um den Anschluß äußerer elektrischer Verbindungen (nicht gezeichnet) an den entsprechenden Elektroden 13,15,17 bzw. 19 zu ermöglichen.

Die optische Aktivität der Schicht 11 ist hoch, wenn an der Schicht 11 keine Spannung anliegt; anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Schicht die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um 90° dreht wenn keine Spannung anliegt Die optische Aktivität eines Gebiets der Schicht 11 ist andererseits niedrig, wenn eine geeignete Spannung, üblicherweise zwischen 1 und 3 V, an diesem Gebiet angelegt ist; dies bedeutet daß dieses Gebiet die Polarisationsebene des Lichts nicht dreht Der Polarisator 3 ist so eingestellt daß linear polarisiertes Licht der Richtung durchtritt die der Projektion der allgemeinen Richtung der Flüssigkristallmoleküle in un-

13 14

mittelbarer Nachbarschaft der Scheibe 7 auf die Scheibe 7 entspricht (wie erwähnt, hängt diese Richtung von der jeweiligen Anordnung der Zelle 1 ab; wenn die Scheibe 7 beispielsweh; ä gerieben wurde, ist die lineare Pclarisaiionsrichtung des Folarisators 3 parallel zur s Reibrichtung). Der Analysator 5 läßt Licht hindurch, das senkrecht zu dem vom Polarisator 3 durchgelassenen Licht polarisiert ist Wenn also Licht bestimmter Intensität in der Richtung X auf den Polarisator 3 fällt, ist die entsprechende Lichtintensität von einer gegebenen Re- io gion des Analysators 5 dann hoch, wenn die dieser Re- |;j

gion entsprechende Region der Schicht 11 keine ange- te

legte Spannung aufweist, und ist andererseits niedrig, %.

wenn an die der genannten Region entsprechende Re- S;

gion der Schicht 11 eine geeignete Spannung angelegt 15 β

ist ' I

Wo die Elektroden 13 und 15 die Elektroden 17 und ; ]

19 kreuzen, lassen sich vier diskrete Gebiete der Schicht j:

11 definieren. Die Intensität des aus den vier Gebieten Λ

des Analysators 5 austretenden Lichts, die den vier Ge- 20 ■&

bieten in der Zelle entspricht kann also durch Anlegen ίζ

oder Nichtanlegen einer geeigneten Spannung an die S

Elektroden 13 und/oder 15 und die Elektroden 17 und/ oder 19 unabhängig gewählt werden. Die Spannungen) können dabei in Form eines wiederholt an die eine Elek- 25 trode angelegten positiven Pulses eines elektrischen Potentials und eines gleichzeitig mit den positiven Pulsen ) wiederholt an die andere Elektrode angelegten negati- 7 ven Pulses eines elektrischen Potentials vorliegen, Al- V ternativ dazu ist Wechselspannung bzw. -spannungen 30

anwendbar. Im praktischen Fall wird eine großflächige fi

Anzeigevorrichtung, beispielsweise eine alphanumeri- ||

sehe Anzeigevorrichtung, dadurch erzeugt daß eine '

große Anzahl von Gebieten vorgesehen wird, die den !'

vier Gebieten der Schicht 11 entsprechen, die in Grup- 35 ί.

pen in Form alphanumerischer Zeichen, beispielsweise ,;

Ziffern bzw. Zahlzeichen, Buchstaben oder Symbolen angeordnet sind.

In einer Weiterbildung der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Anordnungen können zur Herstellung einer An- 40 Zeigevorrichtung in an sich bekannter Weise getrennte Ziileitwrn zu jeder einzelnen Elektrode vorgesehen werden, mit denen diese unabhängig von den übrigen versorgt werden können, wobei die Elektroden die Form der Anzeige-Zeichen oder von Teilen davon auf- 45

weisen. Eine einfachere Modifizierung besteht darin, >

daß auf jedem Substrat der Anordnung nur eine Elek- . j

trode aufgebracht wird. Eine derartige einfache Anord- ^; 1

nung ist etwa als Blende oder optischer Verschluß oder als einfache Anzeigevorrichtung verwendbar, wenn die 50 Elektroden geeignete Form besitzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

b5

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, wovon zumindest eines der Substrate und seine Elektrode optisch transparent sind, wobei die einander zugewandten Oberflächen der Substrate zwecks Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle behandelt und mit zueinander senkrechten Ausrichtungsrichtungen angeordnet sind und die Flüssigkristallmoleküle an einer Substratoberfläche parallel zu dieser Oberfläche liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche cholesterische Verdrallungsganghöhe mehr als die doppelte Dicke der Flüssigkristallschicht (11) beträgt und die Flüssigkristallmoleküle an der anderen Substratoberfläche (LR) in einem Winkel zu dieser Oberfläche liegen.

2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial ein cholesterogenes Material ist

3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial ein Gemisch eines nematogenen Materials mit einem Zusatz von bis zu 2 Gew.-% eines optisch aktiven Materials ist

4. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nematogene Material eine Verbindung der Formel