DE2658568C2

DE2658568C2 - Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung mit einem pleochroitischen Farbstoff-Gastmaterial und einem nematischen Flüssigkristall-Wirtmaterial

Info

Publication number: DE2658568C2
Application number: DE2658568A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Izumihara Yamatokoriyama Funada; Masataka Ichinomoto Tenri Matsuura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1975-12-25
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1983-12-22
Also published as: CH607078A5; US4383738A; DE2658568A1

Description

enthält, in der X und Y endständige Gruppen bedeuten, von denen mindestens eine eine n-Alkylgruppe mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche Schraubenganghöhe des chiralen Flüssigkristall-Wirtmaterials (9) das 1 (Mache der Dicke der Schicht aus dem Farbstoff-Gastmaterial (10) und dem Flüssigkristall-Wirtmaterial (9) beträgt, daß ein parallel zu den langen Achsen der Flüssigkristall-Moleküle (9) an der Lichteintrittsfläche polarisiertes Licht erzeugender Polarisator vorgesehen ist, und daß der nematische Flüssigkristall zumindest zu 60 Gew.-^o aus der Verbindung mit der n-Alkyigruppe mit rerader Anzahl von Kohlenstoffatomen besteht.

2. Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Δ Ψ zwischen den Orientierungsrichtungen der Flüssigkristall-Moleküle (9) an den beiden Elektroden angenähert 0,2 π beträgt.

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Die Erfindung betrifft eine FIüssigkristall-Darstellungseinrichtung mit zwei Elektroden, von denen wenigstens eine transparent ist und die je auf einem Träger vorgesehen sind, soweit mit einem pleochroitischen Farbstoff-Gastmaterial und einem nematischen Flüssigkristall-Wirtmaterial und einem Dotierungsmittel in Form einer optisch aktiven Substanz, so daß das Wirtrnaterial eine natürliche chirale Struktur aufweist, wobei die Schraubenachse bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden vertikal zu den Ebenen der letzteren ausgerichtet ist, bei der das nematische Flüssigkristall-Wirtmaterial eine Verbindung der allgemeinen Formel

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enthält, in der X und Y endständige Gruppen bedeuten, von denen mindestens eine eine n-Alkylgruppe mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen ist.

Unter einer »Darstellungseinrichtung« soll auch eine Anzeigeeinrichtung verstanden werden.

Ein pleochroitisches Farbstoffmaterial ist ein Farbstoffmaterial, das Licht spezifischer Wellenlängen absorbiert tmd eine charakteristische Farbe zeigt, wenn seine Moleküle parallel zu dem elektrischen Vektor von einfallendem, polarisiertem Licht angeordnet sind, das aber das Licht fast unverändert durchläßt, wenn die langen Achsen seiner Moleküle senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichts angeordnet sind, wobei die charakteristische Farbe des Farbstoffmaterials verschwindet Wie von G. H. Heilmeier und L A. Zanoni in AppL Phys. Lett 13,91 (1968), berichtet wird, richten sich in einigen Gemischen aus einem pleochroitischen Farbstoffmaterial, das das »Gast«-Material darstellt, und nematischen flüssigen Kristallen, die das »Wirt«-Material darstellen, die Moleküle des Farbstoff-Gastmaterials mit den flüssigen Kristallen des Flüssigkristall-Wirtmaterials aus, und durch die Anwendung eines elektrischen Feldes kann die Orientierung der Kristalle geändert werden und somit kann auch die der Farbstoffmoleküle geändert werden. Es ist also durch aufeinanderfolgendes Anlegen und Entfernen eines elektrischen Felds möglich, Änderungen in der optischen Dichte des Gemisches zu erzeugen und somit das Gemisch abwechselnd zu färben oder farblos zu machen. Nematische flüssige Kristalle, die verwendet werden, können der sog. positiven Art angehören und werden im folgenden als »Np-Materialien« bezeichnet In diesen Materialien sind normalerweise, d. h. in Abwesenheit eines getrennt angelegten elektrischen Felds, die Moleküle mit ihren langen Achsen parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichtes ausgerichtet Die verwendeten nematischen flüssigen Kristalle können auch der sog. negativen Art angehören, die im folgenden als »Nn-Materialien« bezeichnet werden, wobei die Moleküle normalerweise mit ihren langen Achsen senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden, polarisierten Lichtes ausgerichtet sind.

Ein Gemisch aus pleochroitischem Farbstoff und nematischen flüssigen Kristallen kann für Farbdarstel-Iungs- bzw. -anzeigezweckfc in einer Zelle verwendet werden, wie sie z. B. in F i g. 1 dargestellt ist, anhand deren die Verwendung vor. 'i-Material erläutert wird. Nach den F i g. 1 und 2 vird ein Gemisch aus nematischem Flüssigkristall Altmaterial 9 und pleochroitischem Farbstoff-Gas material 10 als Dielektrikum in einer Zelle verwendet, die von den Elektroden 3 und 4 begrenzt ist, wöbe' 'lie Elektroden so geformt sind, daß sie einen Buchstaben oder eine Zahl der gewünschten Darstellung oder ein Segment davon darstellen bzw. definieren. Die Elektroden sind an plattenförmigen Trägern 1 und 2 angebracht bzw. werden von diesen gehalten. In dem dargestellten Beispiel sind beide Träger 1 und 2 und beide Elektroden 3 und 4 transparent. Licht kann durch die Zelle hindurchgehen, und zwar ist einfallendes Licht, das auf den Träger 2 der einen Seite der Zelle trifft, schematisch durch den Pfeil 7 in der Zeichnung dargestellt, während das hindurchgegangene Licht, das aus der entgegengesetzten Seite der Zelle herauskommt, durch den Pfeil 8 dargestellt ist. Selbstverständlich können ein Träger und eine daran befestigte Elektrode undurchlässig sein, wobei in diesem Fall nur eine Elektrode die geforderte Form definieren muß, oder das geforderte Darstellungssegment kann durch einen offenen Teil eines undurchlässigen plattenförmigen Trägers, auf dem eine transparente Elektrode befestigt ist, definiert werden. Ein elektrisches Feld kann an das Flüssigkristall-Wirtmaterial 9 und an das Farbstoff-Gastmaterial 10, die zwischen den Elektroden 3 und 4 liegen, mittels einer Wechselstromquelle als Spannungsquelle 5 angelegt

werden, die direkt mit der Elektrode 4 und durch einen normalerweise geöffneten Schalter 6 mit der Elektrode 3 verbunden ist

Nach Fig. l(a) richten sich, da das verwendete nematische Flüssigkristall-Wirtmaterial Np-Material ist, wenn der Schalter 6 nicht betätigt wird und offen ist, d. h. in Abwesenheit eines mittels der Spannungsquelle 5 angelegten elektrischen Feldes, die Moleküle des Flüssigkristall-Wirtmaterials 9 und die Moleküle des Farbstoff-Gastmaterials 10 mit ihren langen Achsen im allgemeinen parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden Lichts 7 aus. Die optische Dichte der Zelle ist daher vergleichsweise hoch, was der ausgezogenen Durchlässigkeitskurve in Fi g. l(c) entspricht Das durch den Pfeil 8 angedeutete durchgelassene Licht hat die charakteristische Farbe des Farbstoff-Gastmaterials. Wird der Schalter 6, wie in Fig. l(b) gezeigt ist, geschlossen, so drehen sich die Moleküle des Flüssigkristall-Wirtmaterials 9 und die Moleküle des Farbstoff-Gasiiuäieriäis 10 zwischen den Elektroden 3 ur.d 4 um etwa 90° um ihre Zentralgruppen und richten sich so aus, daß ihre langen Achsen im allgemeinen Fenkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden Lichts 7 angeordnet sind, was bewirkt daß eine bemerkenswerte Erhöhung in der Durchlässigkeit der Zelle auftritt wie durch die gestrichelte Durchlässigkeitskurve der F i g. l(c) dargestellt ist, und das mit dem Pfeil 8 angedeutete durchgelassene Licht ist mehr oder weniger farblos. In F i g. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt wobei jedoch das verwendete nematische Flüssigkristall-V/irtiiiaterial 9 Nn-Material und die Zelle farblos ist, wenn der Schalter 6 offen ist und gefärbt wenn der Schalter 6 geschlossen ist.

Unter »Durchlässigkeit« soll auch Transparenz bzw. Durchlaßgrad bzw. Transmission verstanden werden.

Gast-Wirt-Gemische besitzen definierte Möglichkeiten bei ihrer Verwendung in Darstellungseinrichtungen, da die oben beschriebenen Wirkungen mit Elektrodenabständen von etwa 5 bis 15 μπι und einem angewendeten elektrischen Feld in der Größenordnung von 1 bis 5 V erreicht werden. Beispielsweise is: aus der Zeitschrift »Electro-Technology« vom Januar 1970, Seiten 41 bis 50, insbesondere Seite 45 und 46, eine Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung der vorgenannten Art mit Nn-Material bekannt. Obwohl derartige Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen gute Eigenschaften hinsichtlich der d>namischen Streuung und des nematischen Torsionsfeldeffekts vom Schwingungstyp bzw. Schwingbereich (der als TNFEM bezeichnet wird) besitzen, sind sie im Hinblick auf die Schaltzeit, d. h. die minimale Zeit, die für die Durchführung eines Zyklus der Stadien »gefärbt-farblos-gefärbt« in einer Zelle mit nematischen Flüssigkristallen der positiven Art oder des Zyklus der Zustände »farblos-gefärbt-farblos« in einer Zelle mit nematischeni Material der negativen Art erforderlich ist, nicht zufriedenstellend.

Es ist zwar möglich, bei Zellen mit nematischem Material eine gewisse Verbesserung der Schaltzeit durch Erhöhung der angelegten Spannung zu erreichen, jedoch ist diese Verbesserung nicht sehr hoch; denn es gibt eine obere Grenze, über die hinaus eine Erhöhung der angelegten Spannung keine weitere Wirkung im Sinne einer Verkürzung der Schaltzeit hat. Darüber hinaus wird auch b<>\ diener Spannungserhöhung der Energieverbrauch erhöht. Man nimmt an, daß bei einer Zelle, in der nematischt-s Material der negativen Art verwendet wird, diese Erscheinung auf die Tatsache zurückzuführen ist. daß die Elektroden der Zelle bei der

Ausrichtung der Moleküle des Gast-Wirt-Gemisches, das das Dielektrikum darstellt bei höheren Spannungen vergleichsweise gut wirksam sind, daß dagegen bei niedrigeren Werten für die angelegte Spannung eine langsamere und weniger vollständige Orientierung der Moleküle des Gast-Wirt-Gemisches mit ihren langen Achsen parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden Lichts stattfindet.

Sowohl für Np- als auch für Nn-Material läßt sich die Schaltzeit durch Verwendung eines Drei-Anschluß-Steuerungssystems verbessern, wodurch eine zwangsweise Rückkehr der Moleküle in ihre Anfangsorientierung erreicht wird. Dies besitzt jedoch den Nachteil, daß ein höherer Energieverbrauch erforderlich ist und bei praktisch verwendeten Darstellungseinrichtungen, bei denen eine Vielzahl von Zellen der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Art verwendet wird, ergibt sich bei der Anwendung eines Drei-Anschluß-Steuersystems für jede einzelne Zelle eine komplizier·; Steuerschaltung für die Darstellungseinrichtung als Gmzes, und dies hat Schwierigkeiten beim Einbau und bei der Wartung zur Folge, und außerdem erhöhen sich die Kosten.

Ein weiterer Nachteil der obigen Flüssigkristah-Darstellungseinrichtungen mit einem Wirt-Gast-Gemisch besteht darin, daß der absolut erreichbare Kontrastwert im Vergleich mit dem bei anderen Darstellungseinrichtungen erzielbaren Kontrastwert niedrig ist, obgleich diese Wirt-Gast-Gemische einen Kontrast ergeben, der nur sehr wenig von dem Winkel abhängt von dem aus die Darstellung betrachtet wird.

Aus der DE-OS 21 58 563 ist es außerdem bekannt, daß es möglich ist eine Schraubenstruktur dadurch zu erzielen, daß dem nematischen Flüssigkristall eine geringe Menge cholesterisch kristallin flüssige oder andere optisch aktive Substanz beigemischt wird, weil cholesterische Flüssigkristalle im unbeeinflußten Zustand bereits eine Schraubenstruktur besitzen und durch ihre Zugabe zu einem nematischen Flüssigkristall die Schraubenstruktur sozusagen in diesem induziert wird, wor·:; der chirale nematische (cholesterinische) Flüssigkristall eine gewundene Struktur besitzt, die im Gegensatz zu der unendlichen Schraubengunghöhe der einfachen nematischen Flüssigkristalle eine beschränkte Schraubenganghöhe hat.

Weiter ist es aus der Zeitschrift »IEEE Trans, on Electron Devices«, Vol. ED-20, Nr. 11, November 1973, Seiten 962 bis 976, insbesondere Seite 965, bekannt, eutektische nematische Flüssigkristallmischungen zu verwenden, bei denen mindestens eine endständige Gruppe der Molekülstruktur eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen enthält. Die infragestehenden Verbindungen sind jedoch nicht solche von Wirtmaterial, das zum Auflösen von pleochroitischem Material dient, sondern solche, die zum Ausbilden des Flüfsigkristalls derart dienen, daß dieser bei Umgebungstemperatur betrieben werden kann.

Schließlich ist es sowohl aus der US-PS 38 33 287 als auch aus der DE-OS 24 18 364 bekannt, nematische Flüssigkristalle für Darstellungseinrichtungen zu verwenden, welche die eingangs angegebene allgemeine Formel haben, und die Komponenten aufweisen, welche als endständige Gruppe eine geradkettige gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen besitzen. Aus der ersten dieser beiden Druckschriften ist im übrigen insgesamt eine Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die jedoch hinsichtlich ihres Kontrast und ihres Schaltansprechens, wie weiter oben

in näheren Einzelheiten allgemein dargelegt, unbefriedigend ist. Insbesondere ist in der Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung nach der US-PS 38 33 287 die Schraubenganghöhe nicht groß gegenüber der Wellenlänge der Lichtstrahlen, und infolgedessen wird polarisiertes Licht, welches durch die Flüssigkristallschicht hindurchgeht, unerwünschterweise anstelle zu linear polarisiertem Licht vielmehr zu elliptisch polarisiertem Licht gemacht. Infolgedessen kann selbst dann, wenn ein Polarisator in der Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung nach der US-PS 38 33 287 vorgesehen würde, dieser keine spezielle Wirkung im Sinne einer Verbesserung des Kontrastverhältnisses haben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung der eingangs genannten ii Art zu schaffen, die eine verkürzte Schaltzeit und gleichzeitig einen verbesserten Kontr?.*· hesiizt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die natürliche Schraubenganghöhe des chiralen Flüssigkristall-Wirtmaterials das lOfache der Dicke der Schicht aus dem Farbstoff-Gastmaterial und dem Flüssigkristall-Wirtmaterial beträgt, daß ein parallel zu den langen Achsen der Flüssigkristall-Moleküle an der Lichteintrittsfläche polarisiertes Licht erzeugender Polarisator vorgesehen ist, und daß der nematische Flüssigkristall zumindest zu 60 Gew.-% aus der Verbindung mit der n-Alkylgruppe mit gerader Anzahl von Kohlenstoffatomen besteht.

Die Verwendung dieses Materials in Verbindung mit der angegebenen Polarisationsweise ergibt sowohl eine jo verbesserte Schaltzeit als auch einen erhöhten Kontrast.

Eine besonders gute Verbesserung der beiden vorerwähnten Größen wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Winkel ΔΨ zwischen den Orientierungsrichtungen der Flüssigkristall-Moleküle an den beiden Elektroden angenähert 0,2 π beträgt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 und 2 schematische Zeichnungen von Flüssig- -»u kristall-Darstellungseinrichtungen, bei denen ein Gemisch aus pleochroitischem Farbstoff-Gastmaterial und nematischem Flüssigkristall-Wirtmaterial, wie oben beschrieben, verwendet wird;

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung -»5 der Beziehung zwischen der Schraubenganghöhe Po von nematischen Flüssigkristallen und der Menge an zugegebenem Cholesterylnonanoat, das als Dotierungsmittel verwendet wird;

F i g. 4 eine schematische Darstellung, in der die Faktoren, die bei der Bestimmung der bevorzugten relativen Orientierung nematischer Flüssigkristallmoleküle benachbart zu entgegengesetzten Platten der Rüssigkristall-Darstellungseinrichtung beachtet werden, dargestellt sind;

F i g. 5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung des Kontrastes, der mit den erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen erreichbar ist;

F i g. 6 eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem Ordnungsgrad und dem dichroitischen Verhältnis in nematischen Flüssigkristallen dargestellt ist;

F i g. 7 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ordnungsgrad nematischer Flüssigkristalle und der Anzahl der Kohlenstoffatome in endständigen Gruppen der Moleküle, die die Flüssigkristalle ergeben, zeigt;

F i g. 8 eine graphische Darstellung, in der das Ansprechen der Anzeigeeinrichtung und die Schwellenbetätigungsspannung gegenüber der optisch aktiven Dotierungsmittelkonzentration in einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung gezeigt ist;

Fig.9 eine graphische Darstellung eines dichroitischen Spektrums der Anzeige des spezifischen erfindungsgemäßen Beispiels;

Fig. 10 eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem Kontrast und der angewendeten Spannung in einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung gezeigt ist; und

Fig. 11 eine graphische Darstellung, in der die Temperaturabhängigkeit der Ansprech-, Kontrast- und Schwellenbetätigungsspannung in erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen gezeigt ist.

Nematische Flüssigkristalle besitzen typischerweise die Formel

worin

X und Y endständige Gruppen bedeuten, wie n-<~._mH_{2m +} ,O, n-C_mH_2m+l-, n-C_mH_{2m +} ,COOO-,

NC- oderO₂N-,
π »normal« bedeutet und
w eine ganze Zahl bedeutet, die die Zahl der Kohlenstoffatome angibt.

Die zentrale Gruppe Z bedeutet eine Gruppe, wie eine

-CH = N-, -N = N(O)-,

-N = N-.

—coo-,

— (Biphenyl)-,
-(Terpht !)-,

— CH = CH-Gruppe.

Ein gegenüber normalen nematischen Flüssigkristallen verbessertes elektronisches Färb-Schaltansprechen ergibt sich hierbei in einer Flüssigkristall-Darstellungseinrichtung mit Gast-Wirt-Gemisch, wenn das p«*.matische Flüssigkristall-Wirtmaterial ein chirales ist Chiralität wird den nematischen Flüssigkristallen, die die oben angegebene allgemeine Formel besitzen, durch Zugabe eines Dotierungsmittels in Form einer optisch aktiven Substanz, wie Cholesterylnonanoat, Cholesterylmyristat, Cholesterylchlorid, Cholesteryl-p-nitrobenzoat, Cholesteryl-oleylcarbonat, 2-Methylbutyl-p-N-p'-cyanobenzyliden-aminocymnamat.^Amino^'-sek.-butoxybiphenyl, 1-Menthol, 1-Linanol, d-Mannit, d-Borneol, d-3-Methylcyclohexanon, d-Citronellinsäure oder d-Weinsäure, oder einer Verbindung, die ein asymmetrisches Kohlenstoffatom enthält, verliehen.

Beispiele von pleochroitischen Farbstoffen, die zusammen mit dem chiralen nematischen Wirt verwendet werden können, sind

Indophenolblau,

Ν,Ν'-Dimethylindigo,

Ν,Ν'-Dipaimitoylindigo,

Methylrot, Phenolblau,

p-Nitrobenzylidenphenylhydrazon,
N.N'-Dimethylbenzyliden-p'-cyanoanilin,
N-p-Anisal-4-(4'-cyanophenylazo)-1-naphthylamin,

Butylorange, und

5-Nitro-2-(p-N,N-dimethylphenylazo)-thiazol.
Weiterhin können vorteilhaft dichroitische Farbstoffe der Formeln

-N = N

-N = N--

-N = N

CH₃

N = N-

-N = N- -N = N

verwendet werden.

Die charakteristische .Schraubenganghöhe Po des chiralen, nematischen Flüssigkristall-Wirtmaterials, die durch Zugabe von optisch aktiven Materialien, wie oben beschrieben, zu dem nematischen Flüssigkristall eingestellt wird, variiert in Abhängigkeit von der Menge an zugegebenem optisch aktivem Material. Wie aus F i g. 3 erkennbar ist, in der die optisch aktiven Dotierungsmittelzugaben in Gew.-% angegeben sind, wird, wenn z. B. der nematische Flüssigkristall vier Biphenylverbindungen enthält, d. h.

C₅H₁₁O

C₅H₁₅O

C₈H₁₇O-

CN

-CN

und als optisch aktive Substanz Cholesterylnonanoat verwendet wird, eine geradlinige Abnahme der chrakteristischen Schraubenganghöhe Po des nematischen Flüssigkristalls mit steigender Zugabe an Cholesterylnonanoat erhalten. Eine ähnliche Beziehung besteht, wenn andere nematische Flüssigkristalle und Dotierungsmittel verwendet werden.

Zur Bestimmung des Einflusses, den verschiedene Werte der charakteristischen Schraubenganghöhe Po des chiralen nematischen Flüssigkristall-Wirtmaterials, die durch unterschiedliche Zugaben von Dotierungsmitteln erreicht werden, auf das Schaltansprechen der Darsteilungszeiien besitzen, bei denen Gemische aus Gast- und Wirtmaterial, die eine Zwischenwirkung besitzen, verwendet werden, wurden Versuche durchgeführt Die Messungen bei den Versuchen wurden unter Bezugnahme auf die Anschaltzeit Tr durchgeführt Die Anschaltzeit ist als die Zeit definiert, die vom Beginn des Anlegens eines elektrischen Felds an eine Darstellungszelle durch Schließen des Schalters 6, der in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, vergeht, bis ein 9O°/oiger Gerätewert bzw. eingestellter Wert erreicht wird, der in Bezi"^liung zu der optischen Dichte der Darstellungszelle steht. Weiterhin wird die Abschaltzeit Td bestimmt, die als die Zeit definiert ist, die vergeht vom Wiederöffnen des Schalters 6 bis zur Rückkehr zu 10% des eingestellten Wertes bzw. des Gerätewertes. Für die in Fig. 1 dargestellte Np-Darstellungszelle gibt der relevante, eingestellte Wert bzw. Gerätewert den Prozentgehalt der Transmission an Licht an und für eine Nn-Darstellungszelle, wie sie in Fig.2 dargestellt ist, gibt der relevante, eingestellte Wert bzw. Gerätewert die Absorption des Lichts an. In Tabelle I sind die Ergebnisse von einer Reihe von Vergleichsversuchen angegeben, bei denen das Flüssigkristall-Wirtmaterial der Darstellungszelle chiraie nematische Flüssigkristalle sind, hergestellt durch Vermischen der oben angegebenen flüssigen Biphenylkristalle mit unterschiedlichen Mengen an Cholesterylnonanoat Das Farbstoff-Gastmaterial ist eine Zugabe von 0,7 Gew.-% pleochrotischem Farbstoffmaterial Dimethylrot Die Dicke des Gast-Wirt-Dielektrikums in jeder Zelle beträgt ΙΟμπι,

so das elektrische Feld wird mit einer 7,0 V, 1 kHz-Quelle angelegt und die Versuche und Messungen werden bei Umgebungstemperatur von 25° C durchgeführt

Tabelle I

Po (μΐη)	24	120	20	12	8
Tr (msec)	200	24	28	160	400
Td (msec)	190	150	120	70

60 worin rf = 10 um, 25° C, 1 kHz, AC 7,0 Vrms A ψ = 2 π d/Po.

Aus Tabelle I ist erkennbar, daß Td in direktem Verhältnis und Tr in umgekehrtem Verhältnis zu der erhöhten Po zunehmea Ein gutes Schaltansprechen, bei dem sowohl eine schnelle Anschaltzeit als auch eine verhältnismäßig kurze Abschaltzeit, also insgesamt eine

kurze Schaltzeit, erzielt wird, ergibt sich, wenn die natürliche Schraubenganghöhe Po das 1Ofache der Dicke c/der Schicht aus dem Farbstoff-Gastmaterial und dem Flüssigkrista'.l-Wirtmaterial beträgt.

Bei dem oben betrachteten Fall ist der pleochroitische Farbstoff, der aas Gastmaterial darstellt, eine optisch inaktive Substanz. Wenn jedoch das pleochroitische Farbstoffmaterial selbst optisch aktiv ist, und gleichzeitig das Gastmaterial darstellt, kann der Farbstoff gleichzeitig als Dotierungsmittel für die Bildung der chiralen, nematischen Flüssigkristalle dienen, und die getrennte Zugabe einer unabhängigen, optisch aktiven Substanz ist nicht erforderlich.

Man nimmt an, daß der Grund für die oben erwähnte Verbesserung in der Anschaltzeit Zd in Beziehung zu der Viskosität η, der Dicke d und der Elastitzität k der Flüssigkristallschicht die das Dielektrikum in der Darstellungszelle bildet, steht. Experimentell wurde bewiesen, daß Td proportional zu η ■ d²/k ist. Da die wirksame Elastizität k das chirale nematische System erhöht bzw. verbessert, wird die Abschaltzeit entsprechend verkürzt.

Andere Faktoren, die zur Erzielung einheitlicher Ergebnisse und zur Erzielung einer einheitlichen Qualität der Farbdarstellung wichtig sind, sind die Dicke i/des Gast-Wirt-Gemisches in der Darstellungszelle und der Winkel ΔΨ zwischen den Orientierungsrichtungen der Flüssigkristallmoleküle an den beiden Elektroden. Das Material oder die Materialien der entgegengesetzten Platten der Darstellungszelle sollten so sein, daß dieser Winkel angenähert 0,2 π beträgt wenn Po-10 d ist. Das bedeutet ausgedrückt als Formel, daß gelten sollte

der Moleküle des Gemisches parallel zu dem elektrischen Vektor des einfallenden polarisierten Lichts ausgerichtet sind. A'rnax bedeutet den maximalen Wert des Absorptionsspektrums eines Gast-Wirt-Gemisches, wenn die langen Achsen der Moleküle der Gast-Wirt-Mischungsschicht senkrecht zu dem elektrischen Vektor des einfallenden polarisierten Lichts angeordnet sind. Je größer das dichroitische Verhältnis y4"max/A'max ist, umso besser ist der Kontrast, den man mit den Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen, die das Gast-Wirt-Gemisch enthalten, erhält. Das dichroitische Verhältnis des Farbstoffs

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wobei, wie F i g. 4 zeigt, ΔΨ der Unterschied zwischen der Orientierungsrichtung Ψ\, den die langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle an der Elektrode A, bezogen auf eine Vergleichsachs-i, wie die X-Achse, haben und der Orientierungsrichtung ¹P₂, den die langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle an der entgegengesetzten Elektrode B haben, ist

Die obige Bedingung ist wichtig, nicht nur, damit die Verbesserung beim Ansprechen erreicht wird, sondern ebenso, daß eine gute Ausrichtung erzielt wird, ohne Verzerrung (disclination) der Flüssigkristallmoleküle der Darstellungszelle und somit eine gute Farbqualität bei der Darstellung. Das Licht zur Beleuchtung der Darstellungszelle ist auf eine solche Weise polarisiert, daß der elektrische Vektor des Lichts, das durch einen Polarisator hindurchgegangen ist, parallel zu den Ausrichtungsebenen der langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle benachbart zu der Platte ist durch die das Licht einfällt

Der Kontrast bei solchen Flüssigkristall-Darstellungseinrichtungen hängt von der Dicke des Gast-Wirt-Gemisches, das das Dielektrikum bildet ab. Das Kontrastverhältnis wird zweckdienlicherweise als Absorption oder dichroitisches Verhältnis A"maxlA'max. dargestellt, das bei irgendeinem Gast-Wirt-Gemisch im allgemeinen unabhängig von der Dicke der Schicht die das Gemisch besitzt, gleich bleibt A"max bedeutet die Absorptionsfähigkeit bzw. das Absorptionsvermögen für die Lichtwellenlänge, bei der die Absorption des Lichts rfirch die Gast-Wirt-Gemischschicht maximal ist d.h. der maximale Wert des Absorptionsspektrums eines Gast-Wirt-Gemisches, wenn die langen Achsen

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CH₃

beträgt z. B. 5,7, und das dichroitische Spektrum ist in F i g. 9 dargestellt. Das dichroitische Verhältnis solcher Farbstoffmaterialien, die das Ge:·«material in einem Gast-Wirt-Gemisch sind, kann als unendlich angesehen werden, verglichen mit dem des Wirtmaterials. Unter der Annahme, daß die Farbstoffmoleküle wirksam mit den Flüssigkristallmolekülen in einem Gast-Wirt-Gemisch ausgerichtet werden, wurde gefunden, daß das dichroitische Verhältnis als ganzes zu dem Ordnungsparameter S des Flüssigkristall-Wirtmaterials folgendermaßen in Beziehung steht:

A"max/A'max

(2)

Aus der Gleichung (2) ist erkennbar, daß zur Erhöhung des Verhältnisses Ä"max/A max der Ordnungsparameter S der Flüssigkristalle so nahe wie möglich bei 1 liegen sollte.

Unter Verwendung de Gleichung {!) ist die Beziehung von A"ma\/A'mi and S in F i g. 6 graphisch dargestellt. Aus dieser gr phischen Darstellung ist erkennbar, daß A"max/A'm~x stetig zunimmt, obgleich mit niedrigerer Rate bei steigendem S. Es wurden daher Versuche unternommen, e.n Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkristall-Wirtmaterials zu entwickeln, bei dem der Ordnungsparameter S, wie gefordert, hoch ist und der Vorteil eines guten Schaltansprechens, wie oben angegeben, beibehalten wird.

Es wurde der Einfluß der Anzahl der Kohlenstoffatome m in den endständigen Gruppen der Moleküle aus flüssigen Kristallen auf den Ordnungsparameter S der Flüssigkristalle untersucht. Es ist bekannt, daß der Ordnungsparameter S der Flüssigkristalle durch Wechselwirkungen der Moleküle bestimmt wird und daß, wenn die zentrale Gruppe der Moleküle fixiert ist die Anzahl der Kohlenstoffatome m der Alkylteile der endständigen Gruppen gerade oder ungerade sein kann. Es wurde gefunden, daß eine ungerade Zahl an Kohlenstoffatomen in den endständigen Gruppen einen niedrigen Ordnungsparameter S ergibt und daß eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen m einen höheren Ordnungsparameter S ergibt Dies ist in F i g. 7 dargestellt In Fig.7 ist der Ordnungsparameter S

gegenüber der Anzahl der Kohlenstoffatome m in den endständigen Gruppen der Moleküle verschiedener Proben aus nematischen Flüssigkristallen der allgemeinen Formel

n-C_m H₂

-CH = N-

-C₄H,

dargestellt. Aus F i g. 7 ist erkennbar, daß, wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome m = 5 beträgt, der Ordnungsparameter S etwa 0,29 beträgt, wohingegen, wenn die Anzahl der Kohlenstoff atome m=6 beträgt, der Ordnungsparameter S wesentlich höher ist und 0,33 beträgt. Diese Ordnungsparameter S₅ werden an dem Schlußübergangspunkt bzw. an dem Übergangspunkt der Schlußzeichenangabe (clearing transition point) eines nemttischen Flüssigkristallsystems bestimmt.

Zur Bestimmung der dichroitischen Verhältnisse dieser Proben wird, wie in Fig.5 erläutert, jede Probe als dielektrische Schicht in einer Zelle verwendet, die mit einer Spannungsquelle V verbindbar ist. In jedem Faii wird Licht aus einer Lampe durch eine Linse und einen Polarisator durch die Zelle, durch ein Bandfilter G533, das nur Licht mit einer Wellenlänge im Absorptionsbereich durchläßt, zu einem Photomultiplikator PM geleitet, dessen Output einem X-Y-Aufzeichnungsgerät und einem Synchroskop zugeführt wird. Messungen mit diesen Vorrichtungen zeigen, daß das dichroitische Verhältnis der Flüssigkristalle, wenn die Anzahl der Kohlenstoff atome m = 6 beträgt, um etwa 11% höher ist als wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome m = 5 beträgt. Daraus wir j geschlossen, daß die Verwendung eines Flüssigkristall-WirtmatcrkiLs. dessen Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in den Alkylteilen der endständigen Gruppen besitzen und die natürliche Schraubenganghöhe Po, wie oben angegeben, aufweist, eine Flüssigkristall-Darstellungsvorrichtung, die auf der Gast-Wirt-Wechselwirkung beruht, ergibt, die einen verbesserten Kontrast aufweist wie auch ein schnelleres Schaltansprechen. Man hat weiterhin angenommen, und durch die nachfolgenden Versuche wurde bewiesen, daß dies richtig ist, daß die gleichen Ergebnisse erhalten werden können, wenn das Flüssigkristall-Wirtmaterial aus einem Gemisch aus unterschiedlichen nematischen Flüssigkristallen besteht, dessen Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Gruppen besitzen. Beispiele solcher Flüssigkristall-Wirtmaterialgemische, die in den erfindungsgemäßen Darstellungseinrichtungen verwendet werden können, sind ein Gemisch aus

C₄H₉

und ein Gemisch aus

-COO-

- CN

misches Moleküle mit geraden Anzahlen von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Gruppen besitzen, daß dies jedoch keine wesentliche Bedingung ist und daß ein vergleichsweise hoher Ordnungsparameter ebenfalls bei Fliissigkristall-Wirtmaterialgemischen erhalten wird, bei denen einige der Komponenten Moleküle mit einer ungeraden Anzahl von Kohlenstoffatomen in ihrer, endständigen Gruppen besitzen. Ls wurde jedoch gefunden, daß bei einem solchen Gemisch zur Erzielung eines geeigneten hohen Ordnungsparameters und somit eines geeigneten hohen dichroitischen Verhältnisses eine Bedingung die ist, daß die Komponenten, deren Moleküle eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen in ihren endständigen Gruppen besitzen, mindestens 60 Gew.-% des Gemisches ausmachen. Ein Beispiel eines solchen Gemisches ist

Wenn die letztere Komponente 60 Gew.-% oder mehr des Gemisches ausmacht, erhält man den geforderten hohen Ordnungsparameter zusätzlich dazu, daß das Gemisch in einer nematischen Phase mit einem vergleichsweise breiten Bereich von -30 bis +60⁰C vorliegt.

Man kann so einen ^CTroßsn Bereich an Materialien verwenden, um ein verbessertes Farbschaltar.sprechen und verbesserten Kontrast in Farbdarstellungseinrichtungen zu erhalten, bei denen ein Gast-Wirt-Gemisch verwendet wird. Diese Verbesserungen werden durch die Verwendung von Farbstoffmaterialien in dem Wirtmaterial, das aus einer nematischen Phs.<\ einer cholesterinischen Phase und einer smektischen Phase besteht, erhalten. Es ist besonders zu bevorzugen, Flüssigkristalle zu verwenden, in denen die endständigen Gruppen der Moleküle Kohlenwasserstoffgruppen mit gerader Anzahl von Kohlenstoffatomen sind.

In den F i g. 9 bis 11 sind die verbesserten Ergebnisse dargestellt, die man bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erhält. Es werden, wie in F i g. 1 gezeigt, viele Darstellungsformen geschaffen, bei denen die dielektrische Schicht aus Gast-Wirt-Gemischen besteht, die die in Tabelle II aufgeführte Zusammensetzung besitzen.

Tabelle Π

C₆H₁

C₈H₁₇-

-CN

Wirtmaterial

Weiterhin wurde gefunden, daß es bevorzugt ist, daß alle Komponenten des Flüssigkristall-Wirtmaterialge-C₅H₁₁

C₅Hi₁O

C₇H₁₅O

CN

Fortsetzung
C₈H₁₇O-

-CN

N=N

(4-p-Nitro-p'-dimethylaminoazobenzol).

Optisch aktiver Zusatzstoff
Cholesterylnonanoat

Bei allen Dielektrika beträgt der Anteil bzw. das Verhältnis an Gastmiaterial, dessen dichroitische Spektren in Fig.9 dargestellt sind, auf das oben Bezug genommen wurde, 1,0 Gew.-% und die Dicke der aktiven Fläche der dielektrischen Schicht beträgt in jeder Zelle 10 um. Zu den verschiedenen Proben werden Zugaben verschiedener Mengen an Cholesterylnonanoat als optisch aktives Dotierungsmittel gemacht.

Aus F i g. 8 ist erkennbar, daß, wenn die Menge an zugegebenem Cholesterylnonanoat von etwa 03 Gew.-% auf etwa 1,0 Gew.-% erhöht wird, eine geringe Erhöhung im Schwellenwert der für die Betätigung der

Darstellungszelle erforderlichen Spannung erfolgt und daß die Abschaltzeit Td schnell von einem vergleichsweise hohen Wert auf gut unter 100 msec abnimmt, während nur eine geringe Erhöhung in der Einschaltzeil Tr auftritt

Zur Einstellung eines optimalen Gesamtansprechens bei diesem Gast-Wirt-Gemisch muß daher die Menge an zugegebenem Cholesterylnonaoat geeigneterweise in der Größenordnung von 1 Gew.-% liegen.

ίο In Fig. 10 ist der Kontrast dargestellt, den man mil einem Gast-Wirt-Gemisch erhält, das 0,5 Gew.-% zugegebenes Cholesterylnonanoat enthält, wenn die Umgebungstemperatur 25° beträgt, und eine sinusförmige Wechselstromquelle mit einer Frequenz vor 1 kHz zur Betätigung der Darstellungszelle verwende! wird. Wenn die Betätigungsspannung erhöht wird nimmt der Strom, der durch die Darstellungszelle fließt ständig zu und der Kontrast nimmt schnell auf einer hohen Wert zu, verglichen mit dem des Farbstoffmaterials allein.

Aus Fig. 11, in der auf der Abszisse der reziproke Wert der in "Kelvin bestimmten Temperatur χ 10³ dargestellt ist, ist erkennbar, daß die Schwellenspannung ViA langsam zunimmt, wenn die Temperatur fällt und daß beide, nämlich die Anschaltzeit Tr und die Abschaltzeit Td, schnell zunehmen, wenn die Temperatur unter etwa 0°C fällt Der Kontrast jedoch ist über den gesamten Bereich von etwa - 20 bis + 60° C gut und tatsächlich verbessert, wenn die Temperatur abnimmt

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flflssigkristall-Darstellungseinrichtung mit zwei Elektroden, von denen wenigstens eine transparent ist und die je auf einem Träger vorgesehen sind, sowie mit einem pleochroitischen Farbstoff-Gastmaterial und einem nematischen Flüssigkristall-Wirtmaterial und einem Dotierungsmittel in Form einer optisch aktiven Substanz, so daß das Wirtmaterial eine natürliche chirale Struktur aufweist, wobei die Schraubenachse bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden vertikal zu den Ebenen der letzteren ausgerichtet ist, bei der das nematische Flüssigkristall-Wirtmaterial eine Verbindung der allgemeinen Formel