DE2753763A1

DE2753763A1 - Fluessigkristallzelle

Info

Publication number: DE2753763A1
Application number: DE19772753763
Authority: DE
Inventors: Serge Le Berre; Michel Hareng
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373076B1; DE2753763C2; GB1594489A; JPS5370456A; FR2373076A1; US4196974A

Description

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Patentanwälte Dipl -Ing Dtpl -Chem. Dipt -Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbeigersir asse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 30. November 1977

173» Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen; T 3007

FlUssigkristallzelle

Die Erfindung betrifft FlUssigkristallzellen und insbesondere solche, die mit einem Flüssigkristall in smektischer Phase arbeiten und für Bildanzeigen oder -reproduktionen verwendet werden sollen.

Es ist bekannt, zur Ausrichtung von Teilchen mit einer oder zwei bevorzugten Längsausrichtungen die Teilchen in einem aus länglichen Molekülen, die selbst eine bevorzugte Orientierung erhalten können, gebildeten Milieu zu dispergieren. So wurden lineare plattenförmige Polarisatoren erhalten, indem man in einen Polymerfilm feine fadenförmige oder lamellenförmige Metallteilchen oder längliche Moleküle dichroitischer Pigmente einbettete und dann diesen Film zog; wenn sich die länglichen Moleküle des Polymerisats parallel zur Ziehrichtung anordnen, zwingen sie dabei ihre Orientierung dem dispergierten Material auf, welches dann jede Lichtschwingung parallel zu seiner Längsrichtung absorbiert.

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Die ebenfalls aus länglichen Molekülen bestehenden mesomorphen Materialien oder Flüssigkristalle besitzen die gleichen orientierenden Eigenschaften gegenüber in ihrem Jnnern dispergiorten Teilchen. Diese länglichen Moleküle ordnen sich auf kurze Distanzen unter Bildung von Mjkrobereichen, die in Abwesenheit einer äußeren Kraft untereinander ungeordnet sind. Geeignete Wandbehandlungen oder die Zugabe von Spuren von oberflächenaktiven Mitteln zu dem Material ermöglichen infolge des Spiels der Oberflächenspannungskräfte die Erzielung dünner Schichten zwischen zwei Trägerplatten, in welchen diese Mikrobereiche sich entlang einer einzigen Richtung anordnen, wobei die Moleküle eine gleichmäßige Orientierung, in der Regel parallel oder senkrecht zu den Wänden, besitzen.

Eine interessante Besonderheit der die mesomorphen Stoffe bildenden Moleküle ist ihre starke Polarisierbarkeit, die es ihnen ermöglicht, sich unter der Einwirkung eines elektrischen oder magnetischen Gleichstrom- oder Wechselfelds auszurichten und in ihre Bewegung die in ihrem Innern dispergierten Teilchen einzuschließen. Während jedoch bei den in smektischer Phase vorliegenden Materialien die erzielte Orientierung bestehenbleibt, wenn das Feld nicht mehr angelegt ist, kehren die Moleküle der in nematischer oder cholesterischer Fhase befindlichen Materialien zu ihrer Ausgangsorientierung zurück, sobald das Feld abgeschaltet wird.

Diese Eigenschaften der nematischen oder cholesterischen Phase wurden zur Herstellung von optischen Modulatoren oder Anzeigevorrichtungen ausgenutzt, die mit den Absorptionsänderungen einer dünnen Schicht, welche Metallteil-

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chen oder ein zweifarbiges Pigment suspendiert enthält und der Einwirkung eines elektrischen oder magnetischen Felds unterworfen wird, arbeiten. Bei den mit einem nematischen Material betriebenen Modulatoren ist das Material im Ruhezustand entweder ungeordnet oder entlang einer Richtung parallel zur Wand orientiert; in diesem letzteren Fall leuchtet die Schicht im polarisierten Licht geradlinig entlang einer Richtung parallel zu der der Ausrichtung; unter der Einwirkung des Felds begeben sich die Moleküle in eine homeotrope Orientierung (oder senkrecht zu den Wänden), wobei die Schicht oder die dem Feld ausgesetzten Teile derselben vom absorbierenden Zustand in den durchsichtigen Zustand übergehen. Bei den in einem cholesterischen Material dispergierte Teilchen oder Pigmente verwendenden Modulatoren absorbiert die Schicht das natürliche Licht; unter der Einwirkung des Felds richten sich die Moleküle wieder senkrecht zu den Wänden aus, die schraubenförmige Struktur wird durch eine homeotrope Struktur ersetzt und die Schicht wird durchsichtig.

Es ist ebenfalls bekannt, dünne' Schichten aus mesomorphen Materialien in smektischer Phase für Anzeigezwecke zu verwenden. Die Wände werden so behandelt, daß sie eine gleichmäßige Ausrichtung der Moleküle begünstigen; die langsam aus der flüssigen isotropen Phase unter übergang in die smektische Phase abgekühlte Schicht nimmt diese gleichmäßige Orientierung an und erscheint somit vor der Einschreibung als gleichförmig durchsichtig; ein in der Regel infraroter, durch die einzuschreibende Information modulierter und in Höhe der Schicht fokussierter Lichtstrahl überstreicht diese Schicht. Seine maximale Intensität ist so berechnet, daß an der Auftreffstelle die von der Schicht

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absorbierte Energie diese in die isotrope flüssige Fhase umwandelt; die folgende brüske Abkühlung bedingt an diesen Stellen die ungeordnete Entstehung von orientierten Mikrobereichen, die somit stark diffundierend wirken, während die beim Bestreichen mit dem Lichtstrahl der Mindestintensität ausgesetzten Stellen den anfänglichen Zustand bewahren und somit durchsichtig bleiben. Die so in Form von diffusen Punkten auf durchsichtigem Grund aufgezeichnete Information kann sich mehrere Wochen lang halten. Die Löschung wird durch Wiederherstellung des gleichmäßigen durchsichtigen Zustande durch Schmelzen, gefolgt von einer vorsichtigen Abkühlung bewirkt. Das erhaltene Bild kann direkt beobachtet oder mittels einer Hilfslichtquelle und eines Schlierensystems auf einen Schirm projiziert werden.

In der französischen Patentanmeldung 7^/20715 vom 14. Juni 197'+ "Vorrichtung zur Schwarz-Weiß-Bildreproduktion unter Verwendung eines Materials mit einer smektischen Phase und mit dieser Vorrichtung arbeitendes Fernübertragungs- und Fernschreibesystem" ist eine Anzeigevorrichtung beschrieben, die ebenfalls mit einer thermooptischen Einschreibung in eine dünne Schicht aus einem smektischen Material arbeitet; in dieser Vorrichtung überstreicht ein Lichtstrahl mit konstanter Intensität die Schicht, um so nacheinander das vorübergehende Schmelzen an jeder Stelle zu bewirken; das der einzuschreibenden Information entsprechende Signal wird synchron mit der Lichtabtastung zwischen zwei, die dünne Schicht einschließenden Elektroden angelegt; die verschiedenen Punkte rekristallisieren mit einer Struktur, die umso weniger ungeordnet ist, je stärker das so angelegte Feld während der Abkühlung ist.

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und die Einschreibung erfolgt in Form von mehr cder weniger stark streuenden Punkten auf durchsichtigem Grund. Die Projektion wird mittels eines Schlierensystems bewirkt. Das Löschen erfolgt durch Anlegen eines wesentlich stärkeren Spannungsimpulses als die maximalen Werte der Einschreibspannung, wobei das so erzeugte Feld die Schicht wieder in einen gleichmäßig geordneten und somit gleichmäßig durchsichtigen Zur.tand überführt.

Die DT-OS 25 58 409 "Verfahren zur Wiedergabe von Bildern und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" beschreibt eine andere Anzeigevorrichtung, die ebenfalls mit einer thermooptisehen Einschreibung in eine dünne, in smektischer Phase befindliche Schicht arbeitet. Eine Behandlung der Wände begünstigt die Orientierung der Schicht in einer ersten Richtung (parallel z.B.), während die Schicht einschließende Elektroden die Einwirkung eines elektrischen Feldes ermöglichen, welches der Schicht eine zweite Orientierung (homeotrop z.B.) senkrecht zu der ersten erteilt. Ein anfänglicher Spannungsimpuls prägt der Schicht diese zweite Orientierung auf und macht sie somit durchsichtig. Die durch eine Aufprojizierung des gesamten Bildes oder durch ein moduliertes Abtastlichtbündel zugeführte Lichtenergie ermöglicht die örtliche Erwärmung der Schicht, die in Nähe des Übergangspunkts von der smektischen in die nematische Phase in der smektischen Phase verbleibt; bei der folgenden Abkühlung orientiert sich die Schicht an der Stelle der erwärmten Funkte wieder zu der ersten, durch die Wände bedingten Orientierung um; die Verbindungszonen zwischen parallel orientierten und senkrecht orientierten Bereichen, die mikroskopisch ungeordnet sind, streuen das Licht. Das

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Verfahren verlangt nur eine verhältnismäßig schwache Lichtintensität, da die einzuschreibenden Punkte keine Phaseminderung erfahren; es ermöglicht jedoch nur die Einschreibung von Hasterbildern.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verbesserung des Betriebs und die Vereinfachung der Betriebsbedingungen von mit einem mesomorphen Material in smektischer Phase arbeitenden Zellen, indem im Innern dieses Materials Teilchen mit einem in Abhängigkeit von der Ausrichtung der sie durchsetzenden Lichtschwingung veränderlichen Absorptionskoeffizient dispergiert werden. Durch Einwirkung auf die Orientierung der smektischen Schicht steuert man die Orientierung der dispergierten Teilchen, wodurch der Absorptionskoeffizient der Zelle moduliert wird. Die Erfindung ermöglicht somit die Beibehaltung der Vorteile der zur Bildeinschreibung eine smektische Fhase verwendenden Zellen und insbesondere die Beibehaltung ihrer Eigenschaft, daß sie löschbare Speichervorrichtungen bilden, wobei die Erfindung jedoch bestimmte Nachteile dieser Zellen vermeidet. Da gemäß der Erfindung das Bild in Form von Änderungen des Absorptionskoeffizienten und nicht mehr der Lichtstreuung eingeschrieben wird, erfordert seine Projektion nicht mehr die Verwendung von Schlierensystemen, sondern erfolgt mittels Üblicher, viel lichtstärkerer Systeme. Im übrigen bildet das von den Schichten in smektischer Phase gestreute Licht einen verhältnismäßig schwach geöffneten Winkel, was den Blickwinkel, unter welchem die Anzeige direkt beobachtet werden kann, beschränkt; die Kombination mit dispergierten Teilchen beseitigt dieses Problem.

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Schließlich ist eine wesentliche Qualität der in smektischer Fhase befindlichen Schichten gegenüber den dispergierten Teilchen, Vielehe sie in diesem Punkt von den in nematischer oder choLesterischer Fhase vorίlegenden Schichten unterscheidet, die ausgezeichnete Ausrichtung, die sie diesen dispergierten Teilchen verleihen. Deshalb verschwindet die starke Restabsorption, die bestehen bleibt, wenn die Teilchen in den nematisehen oder cholesterischen Schichten dispergiert werden, wo die Moleküle parallel zur Fortpflanzungsrichtung des einfallenden Lichts ausgerichtet sind, wenn diese gleichen Teilchen in einem in smektischer Fhase vorliegenden Milieu dispergiert sind.

V/eitere Eigenheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden beispielsweise Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Ansicht einer erf indunpispiemäßen ZeILe, teilweise im Schnitt.

Die Zeichnung zeigt eine Schicht 1 aus einem mesomorphen Material in smektischer Phase, das dispergierte Teilchen enthält. Diese Schicht 1 ist zwischen zwei Glasplatten 21 und 22 eingeschlossen, die durch zwei BeilagstUcke 212 und 221 in einem geeigneten Abstand gehalten werden. Auf der Platte 21 sind parallele Heizbänder angeordnet, die aus durchsichtigen Widerstandselementen, z.B. 30, bestehen, die selektiv oder gleichzeitig erhitzt werden können, indem man sie an eine Spannungsquelle 3 anschließt. Diese Widerstnndselemente r. ind in eine durchsichtige Isolierschicht Λ0 eingebettet, ve 1 ehe eine durchsichtige durchgehende Plektrode ^r>0

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tr-'igt. Auf der· Platte ?0 .sind ebenfalls zwei durchsichtige Elektrode 51 und 52 angeordnet. Ein General tor ^r> erningl i ch t die Anlegung einer ,Steuerspannung zwischen der Elektrode 50 und der einen oder· der anderen der Elektroden 5' und 5''. Kin Überzug f>0 bedeckt die Zwi Pchenf I ;iche zwischen den Elektroden 50, 51 und 5? und der Schicht 1.

Dan die Schicht 1 bildende mesomorphe Material kann eine Diphenyl verb i ndung, eine ilchif f ' r.ciie Base, ein Diphenylerster oder jedes andere mesomorphe Material mit einer· smektischen Phase sein, das im Fall der Zeichnung wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber einem elektrischen Feld ausgewählt wurde. Die Dicke der Schicht kann zwisehen 10 und einigen -zig Mikrometer betragen.

Als dlspergierte Teilchen verwendet man entweder faden- oder lamellenfö'rmige Metallteilchen oder Moleküle von organischen dichroitischen Pigmenten. Beispielsweise erzielt man besonders interessante Ergebnisse bei Verwendung von l\ (N-Pyrrolidinophenyl )-azo-5-ni trothi azol als Pigment, das die Formel besitzt:

-ο-

gelöst in einer Menge von etwa 1 ?'· in Λ-4'-Cyanooctyl (l i phenyl der Formel:

-O-

CN.

Die Widers tandse Lernente 30 sowie die Elektroden 50, 51 und ^r)? bestehen Ln bekannter Weise aus Abscheidungen von Zinn- oder [ndiumoxid, oder aus einem Gemisch dieser beiden Oxide. Die Isolierschicht ^O ist eine SiLiciumd ι oxidschient.

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Die Steuerspannung kann auch zwischen den Elektroden ^rA und 5? angelegt werden, die dann einen ausreichenden Abstand voneinander besitzen müssen, um ein parallel zur Kbene der Schicht 1 verlaufendes elektrisches Feld zu erzeugen; in diesem Fall kamdie Elektrode 50 weggelassen werden. Wenn die Zelle für die Betrachtung mit reflektiertem Licht bestimmt ist, kann die Elektrode 50 7..B. aus einer reflektierenden Metallschicht bestehen.

Der Überzug 60 kann durch eine Abscheidung von Silan erhalten weiden, welche die homeotrope Orientierung des meeomorphen Materials begünstigt; doch auch andere Arten von Überzügen können je nach der Art des mesomorphen Materials und der für dieses gewünschten Orientierung verwendet werden, z.B. eine Abscheidung von Siliciumdioxid, die unterstreifendem Lichteinfall zur Begünstigung der parallelen Ausrichtung bewirkt wurde. Auch können Spuren verschiedener oberflächenaktiver Mittel, deren Zusammensetzung auf dem Gebiet der Flüssigkristalle bekannt ir.t, in dem mesomorphen Material gelöst werden, um eine besondere Orientierung seiner Moleküle gegenüber den Wänden zu begünstigen.

Die Widerstandselemente dienen zur örtlichen Temperaturerhöhung der Schicht 1 oder zur Temperaturerhöhung der gesamten Schicht, entweder um das Material in der smektischen Phase zu halten, wenn der Wärmebereich, innerhalb welchem diese Phase existiert, über der Umgebungstemperatur liegt oder zur Erhöhung der Temperatur in dieser gleichen Phase, oder zur Erzielung der Umwandlung der smektischen Phase in die isotrope flüssige Phase. Nach einem bekannten Verfahren kann man jedes Band durch eine Heine einzelner Kiemente ersetzen, urn ro eine durch eine Heihe von in

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Li η inn und Kolonnen angeordneten Leitern gespeiste Na tr ix zu hi 1 don. Wenn hingegen dir /;esanvl e Schicht auf einei· Temperatur gehalten oder erwärmt v/erdcp ;-οΊ 1 , können die V/i derstandsbänder durch eine gleichförmige Schicht ersetzt werden; man konn in diesem FnIl mich mi l.te.l r. einer geeigneten elektrischen Hontage 'Mc Schicht. '.)(; /·Ί r i chzej Li ;^r als L.I rk trod ρ und als Hei. rr 1 einent verwenden. In (^ev Iiahmen 6α~ Lrfindunp; i;i.ll t auch die Vei'wendunr eines Lichthündels zur Erhitzunr; (^Ci iJchJcht 1; in diesem letzteren Fall wird die Erhi t-,7.unr Oer Schicht 1 durch die Anwesenheit der Elektroden 50, 51 und 5? aus Zinn- oder Indiumoxid erleichtert, welche, indem sie den Infrarotteil der Lichtstrahlung absorbieren, die so freigewordene V.'örme an die Schicht 1 abführen.

In der Zeichnung sind die Moleküle des rnesoinorphen Materials durch kleine Stäbchen dargestellt, wiihrend die disperpierten Teilchen durch lungere und dickere ,Stäbchen an^ezei/'t sind. In dem Bereich 10 gegenüber der Elektrode 51 hat ein an diese letztere angelegter Spannungsimpuls die dünne smektische Schicht zu einer homeotropen gleichförmigen Orientierung umgelagert, wodurch auch die Ausrichtung der dispergierten Teilchen bestimmt wurde, die sich mit ihrer Längsrichtung senkrecht zu den Wänden angeordnet haben. Der Teil 10 der Schicht ist somit gleichförmig durchlässig für das parallel zu dem Ffeil 7 einfallende Licht.

haben sich in dem Bereich 11, der in die flüssige Ihase überführt und brüsk abgekühlt wurde, die mesomorphen Moleküle zu Mikrobereicben umgelagert, die untereinander unreordnet sind. Die dispergierten Teilchen, deren Orien-

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tierung durch die verschiedenen Mirkobereiche bestimmt wird, besitzen alle möglichen Orientierungen gegenüber der Fortpflanzungsrichtung 7 des einfallenden Lichts, das somit unabhängig von seiner Polairisierungsrichtung absorbiert wird. Der Bereich 11 erscheint somit sowohl für natürliches als auch für polarisiertes Licht undurchsichtig.

Als erstes Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemiiße Zelle in der Bildwiedergabevorrichtung, wie sie Gegenstand der eingangs genannten französischen Patentanmeldung 74/20715 bildet, verwendet werden, wo sie die mit einer dünnen smektischen Schicht versehene Zelle ersetzt. Die Elektroden 51 und 52 werden dann durch eine einzige Elektrode ersetzt, welche die gesamte Oberfläche der Platte 22 belegt. Die Heizelektrode 30 ist ebenfalls einstückig, belegt die ganze Oberfläche der Platte 21 und dient dazu, die dünne Flüssigkristallschicht in dem Temperaturbereich zu halten, wo sie in smektischer Fhase vorliegt. In den nicht beschriebenen Teilen der Zelle richtet das smektische Material mit homeotroper Orientierung die Teilchen senkrecht zu den Wänden (Fall des Bereichs 10 der Zeichnung); diese Teile werden dann durchsichtig. Die Struktur der beschriebenen Teile ist dem vollständig ungeordneten, dem Bereich 11 der Zeichnung entsprechenden Zustand umso näher, Je schwächer der Wert des bei der Abkühlung angelegten Videosignals ist; sie erscheinen umso stärker absorbierend, je ungeordneter die Struktur ist. Die Zelle kann mit natürlichem Licht belichtet werden. Die Projektion des so eingeschriebenen Bildes erfordert kein Schlierensystem mehr.

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AIs zweites Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäne, wie vorstehend beschrieben modifizierte ZeILe die smektische Fliissigkristallzelle der Vorrichtung zur Wiedergabe von Bildern mit Speicherwirkung, wie sie in der genannten DT-OS ?3 58 ^09 beschrieben ist, ersetzen. Die beschriebenen und nicht-beschrj ebenen Stellen, die sich durch Orientierungen senkrecht zueinander in dem smektischen Material unterscheiden, erscheinen dann absorbierend (Stellen mit paralleler Ausrichtung zu den Wänden) oder durchsichtig (Stellen mit homeotroper Orientierung in einem geradlinig in Richtung der parallel orientierten Moleküle polarisierten Licht. Es entfällt somit die Notwendigkeit, das Bild vor seiner Einschreibung zu rastern, sowie die Verwendung eines Schlierensystems für die Projektion des eingeschriebenen Bilds.

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Claims

Patentanwälte

Dip!-Ing Dipl.-Chem Dipl.-Inci.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Eirtsbeigerstrassf? 19

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THOMSON - CSF 30. November 1977

173, Bd. Haussmann
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Unser Zeichen: T 3007

Patentansprüche

(O) Flüssigkristallzelle, enthaltend

- zwei Platten, wovon mindestens eine durchsichtig ist;

- einen Film aus einem Material mit einem mesomorphen smektischen Zustand, wobei dieser Film zwischen den Platten eingeschlossen ist und Licht in einer bevorzugten Richtung absorbierende Teilchen dispergiert enthält, und wobei die MolekülOrientierung des Materials, wenn sich dieses im smektischen Zustand befindet, dip Orientierung der Teilchen steuert, und

- Mittel zur Steuerung der Molekülorientierung des Materials.

?. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierten Teilchen die Moleküle eines dichroitischen Pigments sind.

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3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Molekülorientierung eine Behandlung mindestens einer mit dem Film in Kontakt befindlichen Oberfläche zur Begünstigung einer bevorzugten Orientierung des ersten Materials einschließen.

4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsmittel mindestens zwei Elektroden umfassen, um ein elektrisches Feld auf den Film zur Einwirkung zu bringen.

5. Zelle nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dai3 jede der Platten mindestens eine der Elektroden trägt und daß die von mindestens einer der Platten getragene Elektrode durchsichtig ist.

6. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie noch Heizmittel zur Erhöhung der Temperatur des Films enthält.

7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmittel selektive Heizmittel zur Änderung der Temperatur einzelner Stellen des Films sind.

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