DE2727562A1 - Verfahren zur verbesserung der ansprechzeit einer anzeigeeinrichtung mit einer nematischen fluessigkristall-zusammensetzung mit drillung - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der ansprechzeit einer anzeigeeinrichtung mit einer nematischen fluessigkristall-zusammensetzung mit drillung

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Description

Dr. rer. not. Horst Schüler PATENTANWALT
6000 Frankfurt/Main 1, l6.Juni 1977
Kaiserstrasse 41 Dr. Sch /WK /We, Tetefon (Mil) 235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.
Bankkonto: 225/0389
Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.
Verfahren zur Verbesserung der Ansprechzeit einer Anzeigeeinrichtung mit einer nematischen Flüssigkristall-Zusammensetzung mit Drillung
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Beschreibung;
Die Erfindung betrifft Flüssigkristall-Zusammensetzungen für Anzeigegeräte und besonders ein neues Verfahren zur Verbesserung der Abklingzeit eines nematischen Flüssigkristalles mit Drillung.
Es ist bekannt, dass Anzeige-Bauelemente mit Flüssigkristall-Verbindungen des nematischen Typs eine relativ niedrige Ansprechgeschwindigkeit besitzen, typischerweise in der Grössenordnung von Millisekunden im Vergleich zu anderen Anzeigebauelementen, beispielsweise Lichtemissionsdioden und dergleichen, welche innerhalb von Mikrosekunden ansprechen. Es ist bekannt, dass die Ansprech- und Abklingzeit für eine Flüssigkristall-Verbindung elektrisch dadurch gesteuert werden kann, dass die Amplitude der angelegten Spannung abgeändert wird zur Bildung eines Feldes zwecks Umschaltung des Flüssigkristalls zwischen seinem durchlässigen und seinem absorbierenden Zustand. Flüssigkristall-Anzeigebauelemente besitzen einen vorteilhaft niedrigen Leistungsbedarf. In solchen Anwendungsfällen wie der Ziffernanzeige bei Uhren und dergleichen, bei denen nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung steht, wird die Schaltung zur
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Umschaltung des Anzeigebauelementes zwischen seinem durchlässigen und seinem absorbierenden Zustand typischerweise vereinfacht, um den Leistungsverbrauch noch weiter zu reduzieren. Man macht dabei Gebrauch von der spontanen Relaxation der Flüssigkristall-Verbindung zur Rückführung dieser Verbindung in den nicht aktivierten Zustand. Daher wird die Anstiegszeit oder Ansprechzeit zum Erreichen des gewünschten lichtdurchlässigen Zustandes typischerweise durch die Amplitude der angelegten Steuerspannung bestimmt und andererseits hängt die Abklingzeit allein ab von der spontanen Relaxationszeit der Flüssigkristall-Verbindung.
Es ist daher ein Verfahren zur Vebesserung der Abklingzeit von nematischen Flüssigkristall-Verbindungen mit Drillung erwünscht, wie sie in einem Anzeigebauelement verwendet werden, wodurch eine vereinfachte Steuerschaltung möglich wird (wobei das Anzeigebauelement nur während der Anstiegszeit-Obergänge angesteuert wird).
Dies wird erreicht durch das erfindungsgemässe Verfahren zur Verbesserung der Abklingzeit eines Anzeigebauelementes mit einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung mit Drillung, welches die folgenden Schritte umfasst: Es wird eine Anzeigezelle mit einem ausgewähltem Abstand zwischen den gegenüberliegenden inneren Oberflächen der Substrate vorgesehen, das zwischen den beabstandeten gegenüberliegenden inneren Oberflächen der Zellen begrenzte Volumen wird mit einer Menge der nematischen Flüssigkristall-Verbindung gefüllt, und es wird eine festgelegte Menge eines optisch aktiven Additivs zu der nematischen Flüssigkristall-Verbindung zugefügt, um die natürliche Steigung derselben grosser als den genannten Abstand und kleiner
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als das Vierfache dieses Abstandes zu machen. Geeignete optisch aktive Additive sind beispielsweise Cholesterylnonaonat (CN) und p-Cyanophenyl p-act-amylbenzoat, wobei die Wirkung des Additivs auf die resultierende Materialsteigung proportional zur Eigensteigung des optisch aktiven Additivs bei gleichem Gewichtsanteil des Additivs ist. Typische Additivanteile liegen zwischen etwa o,1 bis 5 Gewichtsprozent der Flüssigkristall-Verbindung für eine Verringerung der spontanen Abklingzeit um einen Faktor zwischen 2 und 2o.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Verbesserung der spontanen Abklingzeit einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung mit Drillung zu schaffen.
Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.
Die Figuren 1a und 1b zeigen jeweilige Seitenansichten einer Anzeigezelle unter Verwendung einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung mit Drillung und eines Paars von gekreuzten linearen Polarisatoren und zeigen jeweils die nematische Flüssigkristall-Verbindung mit Drillung in dem feldfreien (durchlässigen) Zustand bzw. in dem Zustand mit angelegtem Feld (absorbierend).
Die Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung der Moleküle einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung mit Drillung und zeigt die erzwungene Steigung derselben zwischen parallelen Substraten.
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Die Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung in einem Zustand ohne Behälter nach Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und zeigt die natürliche Steigung oder Eigensteigung derselben.
Die Figur 4 ist eine Kurve und zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur und der spontanen Abklingzeit "2^ für eine nematische Flüssigkristall-Verbindung bei verschiedenen Gewichtsprozentanteilen eines optisch aktiven Additivs.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Figuren 1a, 1b und 2. In einer Anzeigeeinrichtung 1o des Reflektionstyps wird eine Zelle 11 benutzt, welche sich zwischen einem Paar von linearen Polarisatoren 14, 15 befindet, deren Polarisationsachsen praktisch senkrecht zueinander stehen. Benachbart zu der Oberfläche des Polarisators 15, welche am weitesten von der Zelle 11 entfernt ist, wird ein stark reflektierendes Teil 16 angeordnet.
Die Zelle 11 umfasst ein Paar praktisch durchlässiger ebenerSubs träte 17 und 18 aus Glas oder dergleichen, deren innere einander zugewandte Flächen parallel und beabstandet zueinander sind. Auf der inneren Oberfläche jedes Substrates ist eine praktisch durchlässige leitende Elektrode 19a, 19b gebildet, welche beispielsweise aus einem Oberzug von Indiumoxyd oder dergleichen besteht. Das Volumen zwischen den Elektroden 19 ist angefüllt mit einer Menge einer nematischen Flüssigkristall-Verbindung 2o mit positiver dielektrischer Anisotropie, beispielsweise einem Gemisch von Cyanophenyl-benzoatestern, welche bekanntlich eine nematische Zwischenphase im Bereich von 0 C bis +6o° C besitzen. Die Schicht der
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Flüssigkristall-Verbindung 2ο besitzt eine Dicke, welche praktisch gleich dem Abstand D zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 19 ist. Die Flüssigkristallverbindung wird durch entsprechende Abstanddichtungen in der Zelle gehalten.
Es ist bekannt, dass in dem feldfreien Zustand (Figur 1a) die fadenförmigen Moleküle 2oa der nematischen Flüssigkristall-Verbindung normalerweise so ausgerichtet sind, dass ihre langen Achsen 2ob oder Richtungsachsen praktisch parallel zu einander und zu Ebenen der inneren Oberflächen des Substrats sind. Auf den gegenüberliegenden inneren Oberflächen der jeweiligen Elektroden 19a und 19b werden Oberzüge 22a und 22b aus einem geeigneten Material zur Beherrschung der Grenzschichtverhältnisse aufgebracht, beispielsweise Siliciumoxyd und dergleichen und zwar durch Aufdampfen unter Auftreffwinkeln, welche zwischen der senkrechten Fläche und der Flächenebene liegen. Nach dem Aufbringen dieser Oberzüge 22 aus einem Material zur Beherrschung der Grenzschichtverhältnisse werden die Substrate 17 und 19 gegeneinander über einen Winkel von etwa 9o gedreht, so dass nach dem Auffüllen des Zwischenraumes zwischen den beiden Substraten mit einer Flüssigkristall-Verbindung 2o die Oberzüge 22 eine Ausrichtung der Moleküle 2oa in verdrillter Form erzwingen, wobei die Richtungsachsen 2ob der Moleküle benachbart zu den Oberzügen praktisch senkrecht zueinander stehen und die übrigen Moleküle dazwischen eine schraubenförmige Verteilung mit fortschreitend grösserem Winkel bezüglich den Richtungsachsen der Moleküle benachbart zu einer ersten Elektrode 19a und fortschreitend kleinerem Winkel bezüglich den Richtungsachsen der Moleküle benachbart zur Oberfläche der anderen Elektrode 19b besitzen.
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Die Eigensteigung oder Verdrillung der nematischen Verbindung ist so beschaffen, dass im normalen Zustand ihre Steigung (und damit der Abstand zwischen identischen Orientierungen von Richtungsachsen bezüglich einer Bezugslinie bei Annäherung aus gleichen Richtungen entlang der Kurve der Verbindung) wesentlich grosser ist als die Steigung, welche auf die Verbindung durch Erfüllung der Grenzbedingungen entsteht, wie sie durch die Überzüge 22a und 22b eingestellt werden. Wie am besten aus Figur 2 ersichtlich, besitzen die Grenzflächenüberzüge 22a und 22b untereinader senkrechte Orientierungslinien 23a und 23b, welche jeweils parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse sind, welche die parallelen Ebenen der Überzüge definieren. Ein Molekül 3o des nematischen Flüssigkristalls benachbart zum unteren Überzug 22a wird zu Einstellung seiner Richtungsachse 3oa unter einem Winkel ά© gezwungen, der praktisch gleich 0° bezüglich der X-Achse ist. Die Moleküle 31 - 34 besitzen steigend grössere Winkel d»t - tCtf (im Gegenuhrzeigersinn) zwischen ihren jeweiligen Richtungsachsen 31a - 34a und der X-Achse mit steigender Annäherung an den oberen Überzug 22b. Das oberste Molekül 34, welches benachbart zum oberen Überzug 22b liegt, wird in ähnlicher Weise zur Einstellung seiner Richtungsachse 34a unter einem Winkel gezwungen, welcher praktisch gleich 9o° bezüglich der X-Achse ist. Hierdurch ist die Richtungsachse 34a parallel zur Y-Achse und zu den Orientierungslinien 22b des oberen Überzuges. Auf diese Weise werden die Moleküle 3o bis 34 unter einem Drehwinkel von 9o verdrillt. Es ist zu beachten, dass eine Drehung im entgegengesetzten Sinn (Uhrzeigersinn) in gleichem Masse zulässig und brauchbar ist, obwohl die Drillung der "Stapel" von
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Molekülen in einer einzelnen Anzeigezelle 11 in der gleichen Richtung liegen sollte, um das Auftreten von Neigungslinien an der Grenze von benachbarten Bereichen zu vermeiden, welche entgegengesetzte "Händigkeit" oder verschiedene Gesamtverdrillungswinkel besitzen. Diese Neigungslinien sind besonders sichtbar in einer nematischen Zelle mit Drillung, welche sich zwischen parallelen linearen Polarisatoren befindet. Es ist bekannt, einen kleinen Anteil, beispielsweise o,o5 Gewichtsprozent, eines cholesterinartigen Materials der nematischen Flüssigkristall-Verbindung zuzufügen, um eine Gleichförmigkeit der Drillungsrichtung in der Zelle zu gewährleisten.
Beim Betrieb wird der lichtdurchlässige Zustand (Figur 1a) erreicht, wenn ein Strahl 4o des Umgebungslichtes mit willkürlich verteilten Polarisationsvektoren 41 auf den ersten linearen Polarisator 14 auftrifft. Ein durch den Polarisator 14 durchgelassener Lichtstrahl 42 besitzt Polarisationsvektoren 43, die in einer einzigen Ebene liegen, beispielsweise in und aus der Zeichenebene. Der linear polarisierte Lichtstrahl 42 läuft durch das lichtdurchlässige Substrat 17, die Elektrode 19a und den Grenzschichtfilm 22a und tritt in die Flüssigkristall-Verbindung 2o ein. Der Durchgang des Lichtes durch den nematischen Flüssigkristall mit Drillung bewirkt eine ähnliche schraubenförmige Verdrehung des Polarisationsvektors, wodurch der aus der Zelle 11 austretende Lichtstrahl 44 einen Polarisationsvektor 45 besitzt, welcher parallel zu den Richtungsachsen der Flüssigkristall-Moleküle ausgerichtet ist, die am nächsten zur oberen Elektrode 19b liegen und damit senkrecht zu dem Polarisationsvektor 43 des Lichtstrahls 42 ist, welcher durch die untere Elektrode 19a läuft.
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Die Polarisationsrichtung des zweiten Polarisators ist parallel zum Polarisationsvektor 45 ausgerichtet und dadurch läuft der Lichtstrahl 44 durch den zweiten Polarisator 15 zum Reflektor 16. Nach derReflektion und einem zweiten Durchgang durch den zweiten Polarisator 15 tritt der Lichtstrahl 46 in einer Richtung zur Zelle 11 aus, wobei der Polarisationsvektor 47 des Lichtsstrahl 46 immer noch in der horizontalen Richtung parallel zur Richtung der Richtungsachsen der nematischen Flüssigkristallmoleküle 2oa benachbart zur oberen Elektrode 19b ausgerichtet ist. Der Polarisationsvektor des reflektierten Lichtstrahls wird erneut um ein ungerades Vielfaches von 9o gedreht und tritt aus der Zelle 11 als Lichtstrahl 49 aus, bei dem der Polarisationsvektor 5o in die Zeichenebene und aus der Zeichenebene heraus ausgerichtet ist. Da dieser Vektor erneut parallel zur Polarisationsrichtung des ersten Polarisators 14 ist, wird aus der Anzeigeeinrichtung 1o ein reflektierter Lichtstrahl (mit einem horizontalen Polarisationsvektor 52) abgegeben und kann von einem Beobachter gesehen werden, der sich unterhalb des ersten Polarisators 14 befindet.
Zwischen die Elektroden 19a und 19b ist eine Spannungsquelle 55 (Figur 1b) gekoppelt, um in dem Flüssigkristall ein elektrisches Feld E senkrecht zu den Substratebenen zu erzeugen. Bei Spannungen, die grosser sind als eine Schwellwertspannung V dieser bestimmten Verbindung, bewirkt das aufgeprägte Feld ein Aufdrillen der Moleküle der Flüssigkristall-Verbindung aus dem Zustand mit Drillung, wodurch der Zustand mit angelegtem Feld erreicht wird, bei dem alle Richtungsachsen 2oa' der Moleküle nunmehr mit ihren Richtungsachsen 2ob' ausge-
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richtet sind, welche praktisch senkrecht zu den Substratebenen liegen. Der auftreffende Lichtstrahl 4o mit willkürlich verteilten Polarisationsverktoren 41 wird daher immer noch durch den ersten Polarisator als Strahl 42 durchgelassen, welcher vollständig aus praktisch horizontal polarisiertem Licht besteht, wie dies durch den Polarisationsvektor 43 angedeutet ist. Da die Moleküle 21a' nicht mehr langer in dem Zustand mit Drillung sind, erfolgt keine Drehung des Polarisationsvektors 43 und daher besitzt der aus der Zelle 11 in Richtung des zweiten Polarisators 15 austretende Lichtstrahl 57 den gleichen Polarisationsvektor wie der Polarisationsvektor 43 bei dem in die Zelle eintretenden Lichtstrahl 42. Ein zweiter Polarisator lässt nur Licht mit einem Polarisationsvektor durch, welcher senkrecht zu dem Polarisationsvektor 58 liegt und daher wird die Lichtenergie im Strahl 57 praktisch nicht zum Reflektor 16 durchgelassen und scheinbar der gesamte auftreffende Lichtstrahl 4o von der Zelle absorbiert, so dass ein von einem Punkt unter dem ersten Polarisator 14 in die Zelle blickender Beobachter eine dunkele Anzeige sieht.
Die Obergangszeit ("Anstiegs"-Zeit) zwischen dem durchlässigen Zustand nach Figur 1a und dem absorbierenden Zustand der Figur 1b wird normalerweise gesteuert durch Auswahl der bestimmten nematischen Flüssigkristall-Verbindung 2o mit einer resultierenden positiven dielektrischen Anisotropie und durch Wahl der Amplitude der an den Elektroden 19 zugeführten Spannung der Quelle 55. Andererseits besitzt die Zelle 11 eine Abklingzeit TW , das heisst die Zeit zur Rückkehr der Moleküle 2oa von dem Zustand mit Ausrichtung der
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Richtungsachsen senkrecht zur Substratfliiche zu dem Zu stand mit Drillung und Richtungsachse parallel zur Substratfläche. Diese Zeitdauer ist normalerweise nur zurückzuführen auf die spontane Relaxation der Flüssig kristallmoleküle nach dem Wegnehmen des elektrischen Feldes E.
Lis ist bekannt, dass die spontane Abklingzeit *rf umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Steigung der nematischen Wendel oder Schraube in der Anzeigeeinrich tung ist nach folgender Beziehung:
Dabei ist K eine Konstante, bestimmt durch die Viskosität, die effektive Elastizität, die Temperatur usw. der Verbindung. Die meisten Flüssigkristall-Verbindungen besitzen eine natürliche Steigung oder Eigensteigung, welche entweder sehr viel kleiner oder sehr viel grosser ist als die Schichtdicke D. Flüssigkristall-Verbindungen der ersten Art, bei denen die Steigung P bedeutend kleiner ist als die Schichtdicke D C P< D) sind im allgemeinen Derivate von natürlichen Cholesterolen oder Mischungen von nematischen Flüssigkristall-Materialien mit beträchtlichen Anteilen von optisch aktiven Additiven. Diese Materialien besitzen eine Steigung von höchstens einigen Mikron und dadurch besitzt das Flüssigkristall-Material in dem feldfreien Zustand eine Licht streuende konische Textur. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird am Material ein Übergang von einem cholesterischen zu einem nematischen Zustand erzeugt, bei dem die Schraubenwindung vollständig aufgedrillt wird. Anzeigezellen mit cholesterischen Flüssigkristallmaterialien arbeiten normalerweise mit
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Lichtstreuung. Eine Anzeigezelle mit Lichtreflektion benutzt Materialien der zweiten Art, bei denen die natürliche Steigung bedeutend grosser als die Sichtdicke ist und oft nahezu unendlich gross ist. Die erzwungene Steigung ist gleich der vierfachen Schichtdicke, da die nematischen Moleküle in einer Schraubenform durch die Grenzschicht-Steuerüberzüge angeordnet werden. Die Drillung der Schraube über eine Strecke D ist gleich einem Viertel einer vollen Umdrehung und daher ist die Steigung P gleich dem Vierfachen des Abstandes D von Oberfläche zu Oberfläche. Die nematischen Verbindungen oder Zusammensetzungen mit unendlich grosser Steigung, das heisst sie besitzen keine Eigendrillung, haben bei Verwendung in einer nematischen Zelle mit Drillung eine unzulässig lange spontane Abklingzeit.
Es wurde gefunden, dass die spontane Abklingzeit um einen Faktor zwischen 2 und 2o verringert werden kann durch Zusatz einer gesteuerten Menge eines optisch aktiven Additivs. Besonders die Einfügung einer optisch aktiven, rechtsdrehenden oder linksdrehenden Verbindung, beispielsweise Cholesterol -nonaonat (CN) oder von p-Cyanophenyl p-act-amylbenzoat wirkt auf gewöhnliche nematische Zusammensetzungen mit unendlich grosser Eigensteigung so, dass sie eine schraubenförmige Verdrillung erhalten, deren Eigensteigung umgekehrt proportional zur Konzentration des optisch aktiven Additivs ist.
Die Zufügung eines geringen Anteils eines optisch aktiven Additivs bewirkt, dass die Eigensteigung P der nematischen Flüssigkristall-Verbindung grosser ist als der Substratabstand D, jedoch kleiner als das Vier-
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fache des Abstandes D. Wie aus Figur 3 ersichtlich besitzen die Richtungsachsen 6oa - 65a eine Anzahl von Molekülen 6o - 75 des mit Additiv dotierten Flüssigkristallmaterials eine Drehung von mehr als 9o für den gleichen Abstand D im Vergleich zur Zusammensetzung nach Figur 2. Dabei besitzt das unterste Molekül 6o in dem Stapel einen Winkel ßo der Richtungsachse 6oa, der praktisch gleich 0° ist bezüglich der X1-Achse entsprechend dem Molekül 3o der Figur 2, dessen Richtungsachse 3oa praktisch einen Winkel 0 mit der X-Achse bildet, und dies gestattet einen relativen Vergleich der Drillung'zwischen der Abbildung einer Eigendrillung ohne Behälter nach Figur 3 und der Vierteldrillung mit Behälter nach Figur In ähnlicher Weise besitzen alle Moleküle 61 bis 65 steigend grössere Winkel /*«» ~ fts zwischen den jeweiligen Richtungsachsen 61a bis 65a und der X1-Achse. Besonders besitzt ein Molekül 63 in irgendeinem Abstand D , welcher kleiner ist als der Abstand D, einen Drillungswinkel βΛ praktisch gleich 9o°, während das Molekül in der Entfernung D einen Drillungswinkel ^ von mehr als 9o und weniger als 36o besitzt. Wie vorstehend erwähnt, wurde gefunden, dass durch Einfügen einer optisch aktiven Verbindung, beispielsweise CN und dergleichen, in die Flüssigkristall-Zusammensetzung eine schraubenförmige Drillung mit einer natürlichen Steigung hervorgerufen wird, die umgekehrt proportional zu Konzentration dieses optisch aktiven (chiral) (mit Chiralität) Additivs ist. Die Firgu 4 zeigt die Abklingzeit in Sekunden entlang der Ordinate 7o bei verschiedenen Betriebstemperaturen in C entlang der Abszisse 71 für eine nematische Zelle mit Drillung, welche mit einer der vielen Flüssigkristall-Zusammensetzungen gefüllt ist, wobei hier die Cyanophenyl-benzoatester des Typs gemäss der
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U.S.-Patentanmeldung Serial No. 573.271 ist, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Kurven für den Verlauf der Abklingzsit fei über der Temperatur sind entlang der Kurven 72, 73 und 74 für einen Anteil der Cholesterol -nonaonat-Additive von 0, o,3 und o,4 Gewichtsprozent bei Zimmertemperatur von etwa 23° aufgetragen (Kurve 75). Die Abklingzeit Ύ<Λ für die FlüssigJtristall-Esterverbindung mit o,ol CN beträgt etwa o,47 Sekunden (Punkt 56) mit einem Abfall (Punkt 77) auf eine Abklingzeit von o,32 Sekunden für einen Anteil von o,3 Gewichtsprozent CN (Eigensteigung von etwa 38 Mikron) und eine Abklingzeit von o,19 Sekunden (Punkt 78) für einen Anteil von o,4 Gewichtsprozent an CN bezogen auf die Zusammensetzung (Eigensteigung von etwa 27 Mikron). Es ist ersichtlich, dass die Abklingzeit durch Zusatz eines optisch aktiven Additivs auf etwa 4ol der Abklingzeit für die "reine" Flüssigkristall-Verbindung reduziert wird. Die vorstehenden Zahlen wurden erhalten für einen Zellenabstand D von 12,5 Mikron. Ähnliche Ergebnisse werden jedoch für andere Zellenabstände D erhalten, vorausgesetzt, dass die natürliche Steigung der Flüssigkristall-Zusammensetzung grosser ist als der Abstand und kleiner als das Vierfache des Abstandes. Weitere ähnliche Ergebnisse erhält man bei anderen Flüssigkristall-Verbindungen oder Zusammensetzungen mit einer resultierenden positiven dielektrischen Anisotropie, beispielsweise der Flüssigkristall-Zusammensetzung E7 ßiphenyl, welche von der Firma British Drug House hergestellt wird. Eine "reine" Probe (das heisst ohne das optisch aktive Additiv) der Verbindung E7 Biphenyl ergibt eine Abklingzeit von ca. 0,18 Sekunden bei 23° C in einer Zelle mit einer Dicke von 12,5 Mikron. Durch Zusatz von o,3 Gewichtsprozent CN
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wird die Abklingzeit auf etwa o,12 Sekunden unter sonst gleichen Bedingungen verringert. Es ist zu beachten, dass alle hier beschriebenen Abklingzeiten etwa vorhandene Verzögerungszeiten nach der Triggerung des Abschaltens der Quelle 55 mit enthalten.
Es wurde weiterhin gefunden, dass ein Bereich von etwa o,11 bis o,5% Cholesterol -nonaonat brauchbare Verringerungen der Abklingzeit ergibt. Dabei wird die ursprüngliche Abklingzeit von o,48 Sekunden für eine nicht dotierte Flüssigkristall-Zusammensetzung mit Cyanophenylbenzoatester auf etwa o,43 Sekunden bei o,1% CN und auf etwa o,1o Sekunden bei o,5 CN bei gleicher Temperatur und gleichen Trennungsabständen verringert.
Es wurde weiterhin ein anderes optisch aktives (chiral) Additiv verwendet, die optische aktive Verbindung p-Cyanophenyl p-act-amylbenzoat, um in ähnlicher Weise die Abklingzeit zu verkürzen. Diese Verbindung besitzt eine etwas grössere "Drillungsfähigkeit" und es wird daher eine etwas geringere Konzentration benötigt, um die gleiche Verringerung der Abklingzeit zu bewirken.
Es wurde weiterhin gefunden, dass zwar die Abklingzeit mit Verringerung der Steigung und damit mit steigenden Mengen des gleichen optisch aktiven Additivs weiter verringert wird (wobei an den Flüssigkristall-Zusammensetzungen proportional eine immer kleinere Eigensteigung bewirkt wird durch optisch aktive Additive, welche im "reinen" Zustand vor der Zufügung zur Flüssigkristall-Zusammensetzung kleinere Eigensteigungen besitzen). Trotzdem wird jedoch bei nematischen Anzeigezellen mit Drillung eine praktische Grenze dadurch erreicht,
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dass eine konische Textur des Brennflecks in dem feldfreien Zustand erreicht. Diese Textur führt zur Streuung und Depolarisation des durch die Zelle durchgelassenen Lichtes und hierdurch besteht eine Tendenz dazu, dass die nematische Anzeigeeinrichtung mit Drillung unwirksam wird. Für den Fall des Materials CN besteht eine Neigung zum Auftreten dieser konischen Brennflecktextur bei einer Konzentration von mehr als o,5t und damit ergibt sich eine obere Grenze für die brauchbare Konzentration des Cholesterol-nonaonats.
Hs ist bekannt, dass die durch die Orientierung der Grenzschichten 22 der Flüssigkristall-Substanz aufgezwungene Drillung grosser als 9o° sein kann, wenn der Abstand D von Oberfläche zu Oberfläche gross genug ist. Da die Richtungsachsen der Moleküle benachbart zu jedem der Überzüge 22 orthogonal zueinander sein müssen, wird die nematische Schraubenwendel einen Drillungswinkel von einem ungeradzahligen Vielfachen von 9o einnehmen, das heisst 27o°, 45o° usw.
Es wurde weiterhin gefunden, dass die Abklingzeit sogar noch weiter verringert werden kann durch Verwendung einer Zelle mit einem Abstand D zwischen den gegenüberliegenden Innenflächen der Substrate, welche zur Aufprägung einer Verdrillung von 27o° auf das Gemisch der Flüssigkristall-Verbindung und des optisch aktiven Additivs geeignet ist. Beispielsweise zeigt eine Zelle mit einem Anteil von o,3l CN bei einem Abstand von 1o Mikron (9o° Drillung) eine Abklingzeit von etwa o,25 Sekunden und erhält eine spontane Abklingzeit von etwa o,1 Sekunden bei einem Abstand von 2o Mikron (27o° Drillung), wobei bei o,o% des Zusatzes diese Zelle mit einem
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Abstand von 2o Mikron eine Abklingzeit von etwa 1,6 Sekunden ergibt (etwa 12x so gross). Weiterhin besass ein Gemisch von o,4 Gewichtsprozent Cholesterol-nonaonat in dem Flüssigkristall mit Cyanophenylbenzoatester eine praktisch konstante Abklingzeit von etwa o,o75 Sekunden (eine Verringerung um den Faktor 2o relativ zu o,o$ Additiv) bei Abständen zwischen den Substraten im Bereich von etwa 15 und 25 Mikron, wobei das Additiv in den im Behälter befindlichen Molekülen der Zusammensetzung eine Drillung von 27o° ergab.
Es wird angenommen, dass die Verringerung der spontanen Abklingzeit wie folgt erklärt werden kann: Eine spontane Relaxation aus einem aktivierten Zustand in einen verdrillten feldfreien Zustand wird herbeigeführt durch die elastischen Drehmomente als Antriebskräfte, welche von den elastischen Konstanten des Materials und von seiner Steigung abhängen. In einem bestimmten Bereich der Schichtdicke und der Eigensteigung bleibt die von den senkrecht zu einander orientierten Grenzschichtsteuerschichten aufgezwungene Drillung konstant auf 9o Bei ansteigender Eigensteigung der Flüssigkristall-Zusammensetzung wird die von den Grenzschichten aufgezwungene kürzere Steigung vorherrschend und die Abklingzeit nähert sich dem Grenzwert der spontanen Abklingzeit der Flüssigkristall-Zusammensetzung ohne Additiv-Zusatz und damit einer unendlich langen Steigung. Bei verringerter Eigensteigung, herbeigeführt durch steigende Gewichtsanteile des optisch aktiven Dotierungsmittels, besteht eine Tendenz zur Beherrschung der Abklingzeit durch die Eigensteigung der dotierten Zusammensetzung. Die verringerte Eigensteigung neigt dazu, eine ständige und proportionale Verringerung der Abklingzeit herbeizu-
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führen, wobei die Eigensteigung der einzige bestimmende Faktor ist. Die Orientierungsüberzüge auf den Substratwänden zwingen jedoch weiterhin die Moleküle der Flüssigkristall-Zusammensetzung zur Einhaltung einer Drillung oder Verdrehung von 9o° und hierdurch wird letztendlich die Steigung in dem nicht aktivierten Zustand bestimmt. Daher besitzt die aktivierte Flüssigkristall-Zusammensetzung eine Tendenz zur Relaxation mit einer Geschwindigkeit, welche durch ihre Eigensteigung bestimmt ist; diese Geschwindigkeit wird jedoch während ihrer exponentiellen Abnahme gedämpft oder abgeschnitten durch die 9o°-Drillung und dies führt zu einer effektiven Steigung gleich dem vierfachen Wert der Abstandsstrecke D und zur Verringerung der Abklingzeit. Mit ansteigenden Abstandsstrecken wird schliesslich ein Abstand erreicht, der gleich einem Viertel der natürlichen oder Eigensteigung ist. Eine weitere Vergrösserung des Abstandes erfordert, dass die Moleküle eine Drillung von mehr als 9o° besitzen und infolge der praktisch rechtwinkligen Orientierung der Überzüge wird die Flüssigkristall-Zusammensetzung in eine Drillung mit dem nächst grösseren ungeraden Vielfachen von 9o gezwungen, das he isst in eine Drillung von 27o . Bei Änderungen des Abstandes über diesen Bereich besteht eine Tendenz zu einer praktisch konstanten Abklingzeit, da das Verhältnis zwischen Steigung und Abstand klein ist.
Vorstehend wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf mehrere Flüssigkristall-Zusammensetzungen mit positiver dielektrischer Anisotropie und unter Bezugnahme auf bestimmte optisch aktive Additive beschrieben. Es sind jedoch Änderungen und Abwandlungen bezüglich des Gehal-
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tes und der Zusammensetzung der Flüssigkristall-Zusammensetzung und des optisch aktiven Additivs möglich. Insbesondere können andere Verbindungen der Klasse der Cholesterolderivate verwendet werden, beispielsweise Cholesterolerukat (cholesterolerucate), Cholesterolhalogenide (Cholesterolchlorid und dergleichen Cholesteroldecoanat und dergleichen, welche bei praktisch gleichen Gewichtsanteilen praktisch die gleiche Wirkung auf die Abklingzeit besitzen, wie die als Beispiel aufgeführte Cholesterol-nonaonat-Verbindung, die Klasse der optisch aktiven Biphenyle, beispielsweise das optisch aktive Biphenyl CB15 (Gallard Schleisinger Co.), welche praktisch die gleiche Auswirkung auf die Abklingzeit besitzen, wie das als Beispiel genannte p-Cyanophenyl p-act-amylbenzoatJtfeitere zur Verringerung der Abklingzeit brauchbare optisch aktive Verbindungen sind beispielsweise (-)-3-Methylcyclopentan (obwohl hierbei bis zu 5 Gewichtsprozent erforderlich sein können), d-Carvone (Eastman Kodak Corp.) und die optisch aktiven Verbindungen, wie sie beispielsweise in der Tabelle 1 der U.S.-Patentschrift 3.65o.6o3 und in Spalte 6, Zeile 55 und ff. der U.S.-Patentschrift 3.891.3o7 aufgeführt sind. Diese Verbindungen umfassen dabei Verbindungen mit linkshändiger und rechtshändiger Drillung, da scheinbar die "Händigkeit" unwesentlich ist für die Brauchbarkeit einer optisch aktiven Verbindung zur Verringerung der Abklingzeit nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Dabei sind "die Verdrillungsfähigkeit" und die Löslichkeit die Maupterfordernisse, beispielsweise wurde gefunden, dass die optisch aktive Verbindung 1-Tyrosinmethylester eine unzureichende Löslichkeit zur Verwendung in dem erfindungsgemässen Verfahren besitzt.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche:
    M.) Verfahren zur Verbesserung der spontanen Abklingzeit einer Anzeigeeinrichtung mit einer Anzeigezelle, welche ein Paar von Substraten enthält, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: die gegenüberstehenden inneren Oberflächen dieses Paars von Substraten (17, 18) werden mit einen» vorgewählten Abstand D voneinander angeordnet, das zwischen den getrennten gegenüberstehenden inneren Oberflächen der Substrate (17, 18) begrenzte Volumen wird mit einer Menge einer nematischen Flüssigkristall-Zusammensetzung gefüllt, die eine positive dielektrische Anisotropie besitzt, und eine vorgewählte Menge eines optisch aktiven Additivs wird zu der Flüssigkristall-Zusammensetzung zugefügt zur Vergrösserung der Eigensteigung oder natürlichen Steigung derselben, so dass diese grosser ist als der Abstand D, aber kleiner als das Vierfache dieses Abstandes.
  2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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    ORIGINAL INSPECTED
    dass das Additiv in einer Menge von zwischen ca. o,1 bis etwa 1,5 Gewichtsprozent bezogen auf die Flüssigkristall-Zusammensetzung vorhanden ist.
  3. 3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Additiv aus der Gruppe der Cholesterolderivate und der p-Cyanophenyl p-actamylbenzoate aus gewählt wird.
  4. 4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optisch aktives Additiv Cholesterol-nonaonat mit einem Anteil von etwa o,1 bis o,5 Gewichtsprozent bezogen auf die Flüssigkristall-Zusammensetzung zugefügt wird.
  5. 5.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Additiv p-Cyanophenyl p-actaroylbenzoat mit ca o,l bis 1,5 Gewichtsprozent bezogen auf die Flüssigkristall-Zusammensetzung ist.
  6. 6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Verfahrensschritt der Herstellung eines Oberzuges auf den inneren gegenüberstehenden Oberflächen der Substrate umfasst zur Orientierung der Moleküle der Flüssigkristall-Zusammensetzung.
  7. 7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Verfahrensschritt der Drehung der Orientierungsüberzüge der Substrate enthält, so dass diese praktisch senkrecht zu einander liegen.
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  8. 8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Additiv in einer Menge vorhanden ist, die ausreichend ist zur Erzeugung einer Drillung von 27o° in den Molekülen der genannten Flüssigkristall-Zusammensetzung zwischen den gegenüberstehenden Oberflächen.
  9. 9.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nematische Flüssigkristall-Zusammensetzung ein Gemisch von Cyanophenyl-benzoatestern ist.
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