DE2848598C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf speichernde Flüssigkristall-Anzeigeelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 26 58 116 ist ein derartiges Flüssigkristall-Anzeigeelement bekannt, dessen smektischer Flüssigkristall eine positive dielektrische Anisotropie aufweist. Dieses Anzeigeelement wird elektrisch adressiert, d. h., die Umsteuerung in zwei stabile Zustände erfolgt durch elektrische Spannungen. Wird eine Wechselspannung oberhalb eines Schwellwertes angelegt, so wird der streuende Zustand der Anzeigezelle erreicht. Dieser Zustand kann durch Anlegen der Wechselspannung mit einem Spannungswert unterhalb des Schwellwertes wieder gelöscht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement anzugeben, das mehr als zwei stabile Zustände hat und dadurch verschiedene Farben anzeigen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 enthalten.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines durch die Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die perspektivische Ansicht der Flüssigkristallzelle und

Fig. 2 die Darstellung der zwei extremen Zustände, die der Flüssigkristall annehmen kann.

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 parallele homogene 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. Um die erwünschte parallele homogene molekulare Ausrichtung zu erhalten, erscheint es notwendig, eine Ausrichtmethode anzuwenden, die zu einem wesentlichen Kippwinkel führt. Der Kippwinkel ist der Winkel zwischen der Achse eines Flüssigkristallmoleküls an der Grenze zur Deckplatte und der Ebene der Deckplatte. So liefert zum Beispiel eine Schrägbedampfung mit Siliziummonoxid unter einem Winkel von ungefähr 25° zum Substrat mit der nematischen Phase von 4-cyano-4¹-n- octylbiphenyl eine parallele homogene Ausrichtung ohne Kippwinkel, aber mit der smektischen Phase desselben Flüssigkristalls wird ein fokal-konischer Zustand mit verhältnismäßig langen schlanken Konen (typischerweise mit einem Längenverhältnis von etwa 10 zu 1), die in der Richtung der Ausrichtung liegen, erhalten. Diese Domänen werden durch die Erscheinung charakteristischer elliptischer Muster offenbar, wenn die Zelle im Polarisationsmikroskop betrachtet wird. Ähnlich führt eine Schrägaufdampfung von Siliziummonoxid unter einem Winkel zwischen 5° und 10° gegen das Substrat zu einer parallelen homogenen Ausrichtung der nematischen Phase mit einem Kippwinkel von ungefähr 25°, während mit der smektischen Phase wieder ein ausgerichteter fokal-konischer Zustand erreicht wird. Wenn jedoch der sich ergebende Kippwinkel durch die weitere Behandlung der Oberfläche mit einem eine homöotrope Ausrichtung fördernden oberflächenaktiven Stoff ausreichend vergrößert wird, ist es möglich, einen Grenzwinkel des Kippwinkels zu überschreiten, oberhalb dessen die parallele homogene Ausrichtung auch in der smektischen Phase erhalten bleibt. Eine unter einem Winkel von 5° bis 10° mit Siliziummonoxid bedampfte Deckplatte wurde mit einer 0,1prozentigen Lösung von Hexadecyl-Trimethyl-Ammonium-Bromid in Methanol behandelt. Dies ergab bei der fertigen Zelle einen konoskopisch gemessenen Kippwinkel von 68°.

Bei der Herstellung der Versuchszelle wurde diese Behandlung mit dem oberflächenaktiven Stoff durchgeführt, bevor die zwei Deckgläser über die Umfangsdichtung miteinander verbunden wurden. Die Behandlung bestand darin, die Platten in die Lösung zu tauchen, sie aus der Lösung zu entfernen und zu trocknen. Für die Fertigung würden wir es vorziehen, den oberflächenaktiven Stoff aufzutragen, nachdem die Zelle zusammengebaut ist, da dies die Verwendung einer Umfangsdichtung aus geschmolzener Glasfritte zulassen würde. Die Hülle wird dann mit einem oberflächenaktiven Stoff gefüllt, geleert, und das restliche Material trocknet an den Innenoberflächen der Zelle. In jedem Fall muß die Zelle so zusammengebaut werden, daß die Ausrichtungen parallel sind, wobei der Kippwinkel besonders zu berücksichtigen ist.

Die konoskopische Messung des Kippwinkels ließ es nicht zu festzustellen, ob die Kippung durch in den smektischen Lagen gekippte Moleküle erfolgt, wobei die Lagen selbst parallel zu den Deckplatten sind, das heißt, pseudo-smektisch C wie in Fig. 2a dargestellt, oder ob die Moleküle normal zu den Lagen stehen und die Lagen selbst verkippt sind, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Jedoch zeigten neuere Versuche mit einer Neutronenstreutechnik, daß bei dem hier verwendeten Material die smektischen Lagen verkippt sind, wie dies in den Fig. 2b und 2d dargestellt ist. Wenn eine allmählich zunehmende Wechselspannung an die Zelle angelegt wird, nimmt der Kippwinkel, wie er aufgrund der konoskopischen Figuren beobachtet wird, allmählich bis zu einem Grenzwinkel von ungefähr 88° zu, das heißt, eine im wesentlichen homötrope Ausrichtung, wie in den Fig. 2c oder 2d dargestellt, wird erhalten. Vorzugsweise wird eine Anregungsfrequenz von ungefähr 1 kHz verwendet, da unterhalb 800 Hz die konoskopischen Figuren diffus erscheinen, wahrscheinlich auf Grund einer elektro-hydrodynamischen Instabilität.

Wenn die Zelle in Transmission zwischen gekreuzten Polarisatoren beobachtet wird, erscheint sie farbig, und zwar mit einem Maximum, wenn die Ausrichtung zwischen den beiden Polarisationsrichtungen liegt. Um eine gleichmäßige Farbe über die gesamte Fläche zu erhalten, muß die Dicke Flüssigkristallschicht sehr gleichmäßig sein. Mit einer 20 Mikrometer dicken Schicht erscheint die Zelle braun-gelb, wenn sie senkrecht zur Glasoberfläche betrachtet wird. Dies stimmt mit der theoretisch berechneten Verzögerung für eine 450 nm- Lichtwelle in einer 20 Mikrometer dicken Flüssigkristallschicht überein, welche 68° gegen die Deckplattenflächen gekippt ist und Brechungsindices von n₀=1,52 und n _e =1,675 besitzt (Werte für 4-cyano-4¹-n-octylbiphenyl). Die ändernde Spannung ändert das Aussehen der Zelle nach gelb, weiß und über Grauwerte zu schwarz, wenn die angelegte Spannung bis auf etwa 150-180 Volt Effektivwert erhöht wird. Durch die Wahl verschiedener Schichtdicken des Flüssigkristalls ist es möglich, Zellen mit verschiedenen Anfangsfarben auszubilden. Besonders dickere Zellen beginnen mit einer höheren Ordnung der Farbe im Newton-Spektrum, wodurch es möglich ist, eine größere Farbskala zu durchfahren. Zum Beispiel erscheint eine Zelle mit 30 Mikrometer Dicke blau. Es ist auch möglich, Zellen gleicher Dicke so zu bauen, daß sie verschiedene Anfangsfarben zeigen. Dies ist durch die Verwendung verschiedener smektischer Materialien mit verschiedenen Indices der Doppelbrechung möglich oder durch die Anwendung von verschiedenen Anfangskippwinkeln.

Wenn der Kippwinkel von seinem Ausgangswert erhöht wird, so bleibt er auch nach dem Ausschalten des steuernden Feldes erhalten. Wenn der Kippwinkel noch nicht dem maximal möglichen Kippwinkel entspricht, so kann er durch ein stärkeres steuerndes Feld vergrößert werden. Daher ist es durch Anwendung geeigneter Schaltspannungen möglich, eine Anzeige mit mehr als zwei unterschiedlichen Farben zu erhalten. Die Zelle wird dadurch in den unteren Ausgangswert des Kippwinkels zurückgeführt, daß der Flüssigkristall aus der smektischen Phase in die nematische Phase erhitzt wird und dann der Füssigkristall wieder abkühlt. Es ist möglich, nur ausgewählte Gebiete der Anzeige im Kippwinkel zurückzuführen, wenn die Hitze lokal angewendet wird. Dies kann durch Intensitätsmodulation eines Laserstrahls erzielt werden, welcher über die Oberfläche der Zelle geführt wird. Für diesen Zweck ist die Wellenlänge des Lasers so zu wählen, daß er entweder durch den Flüssigkristall oder durch ein in dem Flüssigkristall gelöstes Material oder durch ein dem Flüssigkristall benachbartes Material, wie zum Beispiel das Elektrodenmaterial, absorbiert wird.

Die bisher beschriebene Zelle kann durch die Anlegung einer Spannung nur in einer Richtung geschaltet werden, während zur Überführung in den nicht gesteuerten Zustand ein thermischer Kreisprozeß verwendet wird. Gewisse smektische Flüssigkristalle besitzen jedoch die Eigenschaft, daß das Material bei einer Grenzfrequenz von positiv dielektrischer Anisotropie bei tiefen Frequenzen zu negativ dielektrischer Anisotropie bei höheren Frequenzen übergeht. Mit solchen Materialien ist elektrisches Schalten in beiden Richtungen möglich. Ein Beispiel für einen solchen Flüssigkristall ist 4-n-pentylphenyl -2′-chloro-4′-(6-n-hexyl-2-naphthoyloxy)- benzoate,

ein monotroper Flüssigkristall mit den folgenden Temperaturen der Phasenübergänge: C-N, 68,6°C; (S_A-N, 53,5°C); N-I, 178,9°C.

Die folgende Tabelle zeigt, daß in diesem Material der Grenzeffekt auch in der nematischen Phase existiert. Beim Kühlen des Materials von der nematischen Phase in die smektische Phase bleibt die Grenzfrequenz erhalten, jedoch bei erheblich höheren Schwellspannungen.

Bei einer Zelle der beschriebenen Bauart, die mit dem letztgenannten Material gefüllt ist und auf 52°C gehalten wird kann der Kippwinkel der Flüssigkristallschicht durch die Anwendung einer Wechselspannung einer Frequenz unterhalb von 4,2 kHz vergrößert werden, und durch die Anwendung einere Wechselspannung mit einer Frequenz unterhalb 4,2 kHz kann der Kippwinkel in seinen unteren Wert zurückgeführt werden.

Claims (7)

1. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einem zwischen zwei sich in Blickrichtung zumindest teilweise überlappenden und mit Elektroden versehenen Deckplatten befindlichen smektischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie, dessen Polarisation vom Wert einer einmalig für eine bestimmte Dauer angelegten Wechselspannung abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Flüssigkristall (5) zugewandten Oberflächen der Deckplatten (1, 2) derart beschichtet sind, daß der Flüssigkristall (5) im nichtgesteuerten Zustand in parallel homogenen Schichten ausgerichtet ist, wobei die einzelnen Moleküle einen so großen Kippwinkel gegenüber den Deckplatten (1, 2) aufweisen, daß sichtbar erscheinende fokalkonische Domänen vermieden werden, daß der Kippwinkel des Flüssigkristalls (5) durch Anlegen von unterschiedlichen Wechselspannungen auf unterschiedliche Werte einstellbar ist und daß der Flüssigkristall (5) in den nichtgesteuerten Zustand durch Erhitzen und Abkühlen in Abwesenheit eines elektrischen Feldes zurückführbar ist.

2. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Deckplatten (1, 2) zunächst mit einem schräg aufgedampften Material zur Ausrichtung des Flüssigkristalls (5) in parallel homogenen Schichten und darüber zusätzlich mit einem weiteren, eine homöotrope Ausrichtung fördernden Material beschichtet sind.

3. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schräg aufgedampfte Material aus Siliziummonoxid besteht.

4. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zur homöotropen Ausrichtung aus Hexadecyltrimethyl-ammoniumbromid besteht.

5. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zurückführen in den nichtgesteuerten Zustand in Erhitzen und Abkühlen des Flüssigkristalls (5) in Abwesenheit eines elektrischen Feldes bestehen.

6. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 5, dadruch gekennzeichnet, daß das Erhitzen lokal durch einen Laserstrahl erfolgt.

7. Speicherndes Flüssigkristall-Anzeigeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführen in den nichtgesteuerten Zustand durch Anlegen einer Wechselspannung erfolgt, deren Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz liegt, bei deren Überschreiten der Flüssigkristall vom positiv dielektrisch anisotropen Zustand in den negativen übergeht.