DE2848555C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Aus der DE-OS 25 58 409 sind Flüssigkristall-Anzeigeelemente bekannt, bei denen smektische Flüssigkristalle mit negativer oder mit positiver dielektrischer Anisotropie verwendet werden, wobei zur Erzielung einer gleichmäßigen Orientierung der Flüssigkristallschicht im smektischen Zustand das Flüssigkristallmaterial durch Erwärmen zunächst in den nematischen Zustand gebracht und dann bei angelegtem Feld bis zum smektischen Zustand abgekühlt wird. Bei diesem bekannten Flüssigkristall-Anzeigeelement erfolgt das Einschreiben eines Bildes durch örtliches Erwärmen der Flüssigkristallschicht, wodurch ein Umkippen einzelner Moleküle hervorgerufen wird. Dieses eingeschriebene Bild kann selektiv durch erneute Erwärmung unter Anlegen eines Wechselfeldes an die Elektroden des Flüssigkristall-Anzeigeelementes gelöscht werden. Diese Art des Einschreibens und Löschens von Bildern ist jedoch relativ aufwendig.

Aus der Literaturstelle 'Appl. Phys. Lett. 25 (1974) Nr. 12, Seiten 683 bis 685' sind verschiedene smektische Flüssigkristallmaterialien bekannt, bei denen ebenfalls zur Ausrichtung der Moleküle das Flüssigkristallmaterial von der nematischen Phase auf die smektische Phase bei angelegtem elektrischen Wechselfeld abgekühlt wird. Auch hierbei kann ein Einschreiben durch örtliche Erwärmung und ein Löschen durch entsprechende thermische Behandlung erreicht werden. Gleiches gilt auch für die Literaturstelle 'Appl. Phys. Lett. 19 (1971) Nr. 7, Seiten 241 bis 242'.

Aus der DE-OS 25 31 806 sind weiterhin Flüssigkristallmaterialien mit homöotroper Ausrichtung und wahlweise positiver oder negativer Anisotropie bekannt.

Schließlich ist aus der DE-OS 26 58 116 ein Flüssigkristall-Anzeigeelement der eingangs genannten Art bekannt, dessen smektischer Flüssigkristall eine positive dielektrische Anisotropie aufweist. Dieses Anzeigeelement wird elektrisch adressiert, das heißt die Umsteuerung in zwei stabile Zustände erfolgt durch elektrische Spannungen. Wird eine Wechselspannung mit einer Amplitude oberhalb eines Schwellwertes angelegt, so wird der streuende Zustand der Anzeigezelle erreicht. Dieser Zustand kann durch Anlegen der Wechselspannung mit einer Amplitude unterhalb des Schwellwertes wieder gelöscht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkristall-Anzeigeelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine einfachere elektrische Adressierung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Flüssigkristall-Anzeigeelementes ergibt sich eine einfache elektrische Adressierung bei Flüssigkristallmaterialien mit einer negativen dielektrischen Anisotropie durch Ändern der Frequenz der angelegten Steuerspannung, so daß sich eine wesentliche Vereinfachung der Adressierung ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Flüssigkristallzelle,

Fig. 2 eine Darstellung der zwei stabilen Zustände, die die Zelle annehmen kann, sowie des metastabilen Zustandes,

Fig. 3 die Schaltspannung in Abhängigkeit von der Temperatur eines ausgewählten smektischen Flüssigkristalls.

Zwei Glasdeckplatten 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 Glasfritte 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 elektrisches 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 innen zeigenden 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 Glasoberfläche mit Lecithin oder Hexadecyl-trimethyl- ammonium-bromid Lösungen behandelt wird. Wenn eine geschmolzene Umfangsfrittedichtung 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 28°C und 49,1°C ist. Versuche mit diesem Material in einer 20 µm 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 auf etwa 150 V erhöht wurde. Das Erscheinungsbild wird wahrscheinlich durch die Verdrehung smektischer Lagen verursacht, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, oder es ist möglich, daß 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 fokalkonischer 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 beobachtet, 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 Hauptachsen der Polarisatoren. In manchen Fällen ist die Schlierentextur zu vorübergehend, als daß sie beobachtet werden könnte. Dann erscheint die Anzeige doppelbrechend, wenn die Schwelle zur Bildung von fokalkonischen Domänen erreicht ist.

Die fokalkonischen Gebiete können in die homöotrope 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 homöotrope 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 homöotropen Zustand überführbar ist, kann der homöotrope 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 Flüssigkristall angrenzenden Material, wie zum Beispiel dem Elektrodenmaterial, absorbiert wird.

Es stellte sich heraus, daß eine Zelle, deren Flüssigkristall teilweise in der homöotrop ausgerichteten Phase und zum anderen Teil im fokalkonischen Zustand 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 homöotrope Ausrichtung mit einer in einer Richtung gerichteten Schräge versehen wird, so daß ein Drehwinkel von etwas weniger als 90° entsteht. Wenn dieser Drehwinkel über die gesamte Oberfläche dieselbe Richtung besitzt, so führt die ändernde Spannung dazu, daß alle smektischen Moleküle in dieselbe Richtung umgelegt werden, anstatt daß sie Zufallsrichtungen annehmen. Diese Schräge kann dadurch geschaffen werden, daß eine der Oberflächen zunächst so behandelt wird, daß sie, zum mindesten schwach, versucht, eine homogene Ausrichtung der nematischen Phase in einer besonderen Richtung hervorzurufen, und daß dann die so behandelte 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 elektrischen Spannung geschaltet werden. Zur Schaltung in der umgekehrten Richtung ist ein thermischer 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′-(6-n-hexyl-2-naphthoyloxy) benzoat,

ein monotroper Flüssigkristall mit den folgenden Phasenübergangstemperaturen: C-N, 68.6°C; (S_A-N, 53.5°C); N-I, 178.9°C.

Die folgende Tabelle zeigt, daß bei diesem Material der Übergangseffekt 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

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 S_A-Phase vor. Es soll jedoch bemerkt werden, daß die entsprechende Schaltfunktion mit einer Zelle durchgeführt werden kann, welche eine S_B-Phase enthält. Ein Beispiel für ein solches Material ist 4-n-oxtyloxyphenyl trans-4-n-pentyl- cyclohexyl-1-carboxylat, ein enantiotroper Flüssigkristall mit den folgenden Phasenübergangstemperaturen:
C-S_V, ∼42°C; S_B-S_A, 49.4°C; S_A-N, 64.6°C; N-I 79°C. In Fig. 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 Graus ist noch sehr gering, so daß 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 (7)

1. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einem zwischen zwei sich in Blickrichtung zumindest teilweise überlappenden und mit Elektroden versehenen Deckplatten befindlichen smektischen Flüssigkristall, dessen Lichtstreuung durch eine einmalig für eine vorbestimmte Dauer angelegte Steuerspannung herbeigeführt wird, und der im nichtgesteuerten Zustand im wesentlichen in homöotroper Ausrichtung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung für den smektischen Flüssigkristall mit einer negativen dielektrischen Anisotropie eine Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz und zum Rückführen in den nichtgesteuerten Zustand eine Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz aufweist.

2. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Deckplatten (1, 2) zur Förderung der homöotropen Ausrichtung mit Lecithin beschichtet sind.

3. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall 4-octyl-oxyphenyl trans-4-butyl-cyclohexyl-1-carboxylat ist.

4. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall 4-n-pentylphenyl 2′-chloro-4′-(6-n-hexyl-2-naphthoyloxy) benzoat ist.

5. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall 4-n-oxtyloxyphenyl trans-4-n-penthyl-cyclohexyl-1-carboxylat ist.

6. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der smektische Flüssigkristall einen pleochroitischen Farbstoff enthält.

7. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Polarisatoren angebracht sind.