DE2848555A1

DE2848555A1 - Speicherndes fluessigkristall-anzeigeelement

Info

Publication number: DE2848555A1
Application number: DE19782848555
Authority: DE
Inventors: David Coates; William Alden Crossland; Joseph Hourigan Morrissy
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: STC PLC
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2848555C2

Description

Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf speichernde Flüssigkristall-Anzeigeelemente mit einem zwischen zwei sich in Blickrichtung zumindest teilweise überlappenden Elektroden versehenen Deckplatten befindlichen Flüssigkristall, dessen Lichtstreuung durch eine einmalig für eine vorbestimmte Dauer angelegte Steuerspannung herbeigeführt wird.
Flüssigkristallanzeigen werden in zunehmenden Maße in der Technik verwendet. Die Veröffentlichung von J.G. Grabmaier und H.H. Krüger: .Flüssige Kristalle-Grundlagen und technische Anwendungen" erschienen in der VDI-Zeitschrift Brd, 115 (9173) Nr. 8 auf den Seiten 629 bis 638 beschreibt dabei auch Wirkungsweise und Aufbau einiger speichernder Arten.
Die vorliegende Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, ein speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement anzugeben, das gegenüber den bekannten Typen Verbesserung in Helligkeit, Kontrast, Steuercharakteristik, sowie leichte Fertigung ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe ist den Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines durch die Fig.
1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1: Schematische perspektivische Ansicht einer Flüssigkristallzelle Fig. 2: Darstellung der zwei stabilen Zustände, die die Zelle annehmen kann, sowie des metastabilen Zustandes Fig. 3: Schaltspannung in Abhängigkeit von der Temperatur eines ausgewählten smektischen Flüssigkristalls Zwei Glassdeckplatten 1,2 sind durch eine Umfangsdichtung 3 miteinander verbunden und bilden eine Hülle für den Flüssigkristall 5, der dicht in der Zelle eingeschlossen ist. Die Zelle wird durch eine Öffnung gefüllt, welche durch eine Unterbrechung des Umfangs der Dichtung gebildet wird. Nach dem Füllen der Zelle wird diese Öffnung durch einen Verschluss 4, zum Beispiel aus Indium, abgedichtet.
Wenn die Umfangsdichtung 3 eine Dichtung aus geschmolzener Glassfritte ist, kann die Öffnung vor dem Füllen der Zelle metallisiert werden, worauf das Abdichten der Öffnung durch Löten erfolgt.
Bevor die zwei Platten miteinander verbunden werden, werden die nach innen zeigenden Oberflächen mit transparenten Elektroden (nicht gezeichnet) einer Form, die der geforderten Anzeige entspricht, versehen, wodurch ein elektrischen Feld zwischen ausgewählten Teilen der Deckplatten angelegt werden kann. Zu diesem Zweck erstrecken sich Teile der Elektroden über das Gebiet der Dichtung 3, wodurch Verbindung von außen ermöglicht wird.
Mindestens eine der nach innedzeigenden Oberflächen, vorzugsweise jedoch beide , werden mit einer Schicht versehen oder einer anderen Oberflächenbehandlung unterzogen, durch deren Einwirkung die Flüssigkristallmoleküle eine im wesentlichen homöotrope Ausrichtung annehmen wenn die Zelle von einer weniger geordneten nichtsmektischen Phase in der Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes durch Kühlung in eine smektische Phase überführt wird.
Eine bevorzugte Oberflächenbehandlung besteht darin, daß die Glassoberfläche mit Lecithin oder Hexadecyl-trimethylammonium -bromid Lösungen behandelt wird. Wenn eine geschmolzene Umfangsfrittediehtung für die Zelle verwendet wird, wie es im allgemeinen wegen deren Beständigkeit bevorzugt wird, wird die Oberflächenbehandlung nach dem Schmelzen der Fritte angewandt, in dem die zusammengebaute Zelle zunächst mit der erforderlichen Lösung gefüllt wird und diese anschließend abgeleert wird. Dann wird die Zelle mit einem geeigneten smektischen Material gefüllt. Dies kann zum Beispiel 4-octyloxyphenyl trans-4-butyl-cyclohexyl-1-carboxylat sein, welches eine kleine negative Dielektrizitätsanisotropie besitzt, und ein smektisches A Material im Temperaturbereich zwischen 280 C und 49,10 C ist. Versuche mit diesem Material in einer 20 um dicken Zelle zeigten, daß in den Gebieten der sich überlappenden Elektroden die Anzeige von klar in eine vorübergehende Schlierentextur überschlug wenn das 30 Hz Signal guf etwa 150 V erhöht wurde. Das Erscheinungsbild wird wahrscheinlich durch die Verdrehung smektischer Lagen verursacht, wie es in Figur 2a dargestellt ist, oder es ist möglichadaß das Feld eine pseudo-smektische C Phase hervorruft, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist. Welches auch immer die richtige Erklärung sein mag, so scheint es, daß die Anordnung sehr metastabil ist, und daß schon ein geringes Erhöhen der Feldstärke genügt, um die Bildung fokalkonisch Domänen hervorzurufen. Bei einer bestimmten Schwellspannung breiten sich diese Domänen mit großer Geschwindigkeit aus und die Zelle. nimmt ein milchiges Erscheinungsbild an, welches nicht durch irgendeine Form eines dynamischen Streueffektes erklärbar ist. Es wurde betbachtet, daß eine Erhöhung der Signalfrequenz zu einer Erhöhung der Schaltspannung führt.
Wenn die Zelle zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet wird, kann der Übergang ausgeprägter beobachtet werden. Zu Beginn ist die Anzeige schwarz. Wenn der metastabile- Zustand erreicht ist, zeigen die Domänen der Schlierentextur im wesentlichen die newtonschen Interferenzfarben, aber mit verschiedener Sättigung, abhängig von der Ausrichtung der Domänen in Bezug auf die Hauptachsender Polarisatoren.
In manchen Fällen ist die Schlierentextur zu vorübergehend' als daß sie beobachtet werden könnte. Dann erscheint die Anzeige doppelbrechekd wenn die Schwelle zur Bildung von fokalkonischen Domänen erreicht ist.
Die fokalkonischen Gebiete können in die homwöotrope Ausrichtung zurückgeführt werden,wenn die Zelle ausreichend geheizt wird,um den Phasenübergang smektisch-nematisch zu durchlaufen.
Die fokalkonische Struktur bleibt in der nematischen Phase nicht erhalten und daher wird die Zelle in die hom öotrope Ausrichtung zurückgeführt, wenn sie ausreichend gekühlt wird, um wieder die smektische Phase zu erreichen und wenn gleichzeitig kein Feld angelegt ist.
Da die Zelle durch Einwirkung von Wärme in den hom,öotropen Zustand überführbar ist, kann der hom~öotrope|Zustand auch durch örtliche Einwirkung von Wärme erzielt werden. Dies kann durch Intensitätsmodulation eines Laserstrahles erfolgen, der über die Oberfläche der Zelle geführt wird. In diesem Falle wird die Wellenlänge des Laserlichtes so gewählt, daß es entweder durch den Flüssigkristall oder ein in diesem gelöstes Material oder in einem an den FlüssigkristalVangrenzenden Material, wie zum Beispiel dem Elektrodenmaterial, absorbiert wird.
Es stellte sich heraus, daß eine Zelle, deren Flüssigkristall teilweise in der homçöotroçausgerichteten Phase und zum anderen Teil im bkalkonischen Estand befindet, für lange Zeit diesen Zustand behält. Wir nehmen daher an, daß die Speicherung unbegrenzt ist.
Die Schlierentextur des metastabilen Zustandes kann wahrscheinlich dadurch verhindert werden, daß die im wesentlichen hom -öotrope Ausrichtung mit einer in einer Richtung gerichteten Schräge versehen wird, sodaß ein Drehwinkel von etwas weniger als 900 entsteht. Wenn dieser Drehwinkel über die gesamte Oberfläche diesselbe Richtung besitzt, so führt die ändernde Spannung dazu, daß alle smektischen MolekAle in diesselbe Richtung umgelegt werden, anstatt daß sie Zufalisrichtungen annehmen. Diese Schräge kann dadurch geschaffen werden, daß eine der Oberflächen zunächst so behandelt wird, daß sie, zumindestene schwach, versucht'eine homogene Ausrichtung der nematischen Phase in einer besonderen Richtung hervorzurufen, und daß dann die so behandel te Oberfläche mit einer Schicht geeigneter Stärke bedeckt wird, welche eine homöotrope Ausrichtung unterstützt.
Die bisher beschriebene Zelle kann nur in eine Richtung durch die Anwendung einer sich ändernden elektrischfn Spannung geschaltet werden. Zur Schaltung in der umgekehrten Richtung ist ein thermisch Kreisprozess notwendig. Jedoch besitzen verschiedene smektische Materialien die Eigenschaft, eine Grenzfrequenz zu besitzen, unterhalb der das Material positiv dielektrisch anisotrop ist und überhalb der das Material negativ dielektrisch anisotrop ist. Mit derartigen Materialien ist elektrisches Schalten in beiden Richtungen möglich. Ein Beispiel für ein solches Material ist 4-n-pentylphenyl 2'-chloro-4 (6n-hexyl-2-naphthoyloxy) benzoat, ein monotroperFlüssigkristall mit den folgenden Phasenübergangstemperaturen: C-N, 68.6°C; (SA-N, 53.50C); N-I, 178.90C.
Die folgende Tabelle zeigt, daß bei diesem Material der über gangseffekt auch in der nematischen Phase vorliegt. Wenn das Material von der nematischen Phase in die smektische Phase gekühlt wird, bleibt der Übergangseffekt erhalten, aber bei erheblich höheren Schwellspannungen.
Tabelle Temperatur Grenzfrequenz Schaltspannung 77°C 29 KHz 22V 72° 20 KHz 22V 670 13 KHz 22V 650 11 KHz 22V 630 9.8 KHz 18V 610 7.2 KHz 22V 590 6.2 KHz 21.1V 57 5.5 tt 20.8 55 4.8 tt 20.2 54.5 4.6 " 20.4 54.0 4.6 " 20.1 53.5 4.2 " 78V 53.2 4.2 " 112V 52.0 4.2 " 182V 50.0 3.9 ?! 204V Eine Zelle der beschriebenen Bauart, die mit dem letztgenannten Material gefüllt ist und auf 52°C gehalten wird, kann von homöotroper Ausrichtung der Flüssigkristallschicht durch die Anwendung einer Wechselspannung einer Frequenz oberhalb von 4,2 KHz in den fokalkonischen Zustand überführt werden und durch die Anwendung einer Wechselspannung mit einer Frequenz unterhalb 4,2 KHz kann der Flüssigkristall in die homöotrope Ausrichtung zurückgeführt werden.
Beide bisher beschriebenen smektischen Materialien liegen in der SA Phase vor. Es soll jedoch bemerkt werden, daß die entsprechende Schaltfunktion mit einer Zelle durchgeführt werden kann, welche eine SB Phase enthält. Ein Beispiel für ein solches Material ist 4-n-oxtyloxyphenyl trans-4-n-pentylcyelohexyl-1-earboxylat, ein enantiotroper Flüssigkristall mit den folgenden Phasenpbergangstemperaturen: C-Sv ~ 420C; SB-SA, 49.4°C; SA-N, 64.600; N-I 790C. In Figur 3 ist aufgezeichnet, wie die Schaltspannung bei einer Frequenz von 30 Hz und im Fall einer Zelle mit 20 Micrometer Dicke des oben beschriebenen Materials mit der Temperatur verändert wird. Bei diesem Material wird die im wesentlichen homöotrope Ausrichtung durch einen thermischen Kreisprozess wieder erhalten.
Das Erscheinungsbild der Zelle kann dadurch verändert werden, daß ein pleochroitischer Farbstoff in dem smektischen Material eingebaut wird. Eine typische Füllung kann zum Beispiel ungefähr 1,3% des Farbstoffes 1-(4'-Butyloxyaniline)-4-hydroxyanthragninon zusammen mit ungefähr 0.05% Waxolin Gelb A enthalten. Das Waxolin Gelb, welches ein isotroper Farbstoff ist, wird zugesetzt, um das Restblau der Anzeige in ihrem homöotropen Zustand-zu kompensieren, welches dadurch hervorgerufen wird, daß die Ordnung innerhalb des smektischen Wirtes weniger als 100% ist. Durch das Gelb wird das Restblau zu einem im wesentlichen neutralen Grau verändert.
Die optische Dichte des raums ist noch sehr gering, sodaß dem Auge im wesentlichen ein transparenter Zustand erscheint. Im fokalkonischen Zustand erscheint die Farbe des pleochroitischen Farbstoffes aufgrund der im wesentlichen zufälligen Orientierung der Moleküle in diesem Zustand.

Claims

Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement Patentansprüche 3 Speicherndes Flüssigkrsitall-Anzeigeelement mit einem zwischen zwei sich in Blickrichtung zumindest teilweise überlappenden Elektroden versehenen Deckplatten befindlichen Flüssigkristall, dessen Lichtstreuung durch eine einmalig für eine vorbestimmte Dauer angelegte Steuerspannung herbeigeführt wirdl dadurch gekennzeichent, daß der Flüssigkristall (5) aus einem smektischen Flüssigkristall negativer dielektrischer Anisotropie besteht, daß die dem Flüssigkristall (5) zugewandten Oberflächen der Deckplatten (1,2) derart beschichtet sind, daß der Flüssigkristall (5) im nichtgesteuerten Zustand als smektische Phase überwiegend homöotroper Ausrichtung vorliegt, daß ferner Mittel vorgesehen sind, um den Flüssigkristall (5) in den nichtgesteuerten Zustand zu überführen.
2) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatten (1,2) mit einem eine homöotrope Ausrichtung fördernden Material beschichtet sind.
3) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Deckplatten (1,2) mit Hexadecyltrimethyl-ammonium-bromid beschichtet sind.
4) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Oberflächen der Deckplatten (1,2) mit Lecithin beschichtet sind.
5) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der smektische Flüssigkristall einen pleochroitischen Farbstoff enthält.
6) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführen in den nichtgesteuerten Zustand durch Anlegen einer Wechselspannung erfolgt, deren Frequenz unterhalb einer Grenzfrequenz liegt, bei deren Unterschreiten der FlAssigkristall vom negativ dielektrisch anisotropen Zustand in den positiven übergeht.
7) Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Polarisatoren angebracht sind.