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 drillungInfo
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Description
6000 Frankfurt/Main 1, l6.Juni 1977
Bankkonto: 225/0389
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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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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■*ί
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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vr-
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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- 18 -
2727b62
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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-η-
Leerseite
Claims (9)
- 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.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,709852/1082ORIGINAL INSPECTEDdass das Additiv in einer Menge von zwischen ca. o,1 bis etwa 1,5 Gewichtsprozent bezogen auf die Flüssigkristall-Zusammensetzung vorhanden ist.
- 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.) 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.) 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.) 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.) 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.709852/1082 - 3 -2727S62
- 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.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nematische Flüssigkristall-Zusammensetzung ein Gemisch von Cyanophenyl-benzoatestern ist.709852/1082
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Legal Events
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |