DE3234074A1 - Fluessigkristallzelle und ihre verwendung - Google Patents

Description

• Flüssigkristallzelle und ihre Verwendung.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anzeige wird in der DE-OS 2824798 beschrieben.
• Will man elektrische Signale zwischen zwei Stromkreisen übertragen, die an verschiedenen Versorgungsquellen liegen und galvanisch voneinander isoliert sein müssen, so kann man die beiden Kreise optisch miteinander koppeln.
• Handelsübliche Optokoppler, die normalerweise mit lichtemittierenden Dioden arbeiten, haben einen relativ hohen Signalleistungsbedarf, ein Nachteil, der vor allem dann ins Gewicht fällt, wenn die Signalströme über weite Strecken zu führen sind. In diesen Fällen bietet es sich an, in den Senderkreis einen praktisch leistungslos steuerbaren Lichtschalter, also vor allem eine Flüssigkristallzelle, einzuschalten und mit der zugehörigen Beleuchtungsquelle den Empfängerkreis zu belasten. Diesen Weg kann man allerdings nur dann einschlagen, wenn nur relativ geringe Informationsmengen zu verarbeiten sind, denn die bisher auf den Markt gebrachten Flüssigkristall-Schalter reagieren - speziell bei Wegnahme des Feldes -nicht besonders schnell.
• Die Schaltzeiten lassen sich verkürzen, wenn man die Flüssigkristallzelle so präpariert, daß sich im elektrischen Feld nur die oberflächennahen Flüssigkristallmoleküle umorientieren. Hierzu ist in der eingangs zitierten Offenlegungsschrift vorgesehen, die Flüssigkristallschicht auf wenigstens einer ihrer beiden Seiten in höchstens Sym breiten Streifen abwechselnd homogen bzw. homöotrop auszurichten und im übrigen - abhängig von der Feldrichtung und dem Vorzeichen der dielektrischen Aniso- tropie - einheitlich plattenparallel bzw. plattensenkrecht zu texturieren. Ist der Flüssigkristall so vorgespannt, so spricht er in der Tat nicht in seiner gesamten Dicke auf ein elektrisches Feld an. Es hat sich allerdings gezeigt, daß die eingeprägte Streifenstruktur noch relativ weit in das Schichtinnere hineinreicht, so daß das Schaltverhalten in der Praxis noch deutlich hinter dem theoretisch möglichen Optimum zurückbleibt. Auch der Kontrast läßt des öfteren zu wünschen übrig, denn erist winkelabhängig und überdies auch nicht immer sonderlich ausgeprägt. Die Kontrastschwäche ist meistens darauf zurückzuführen, daß von den beiden randseitig induzierten Orientierungszuständen der eine energetisch begünstigt ist und dementsprechend über den anderen dominiert.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß es noch schneller schaltet und auch über gute optische Qualitäten verfügt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Flüssigkristallanzeige mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zu versehen.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß sich das Orientierungsmuster dann, wenn es zwei- statt eindimensional gerastert ist, mit zunehmender Entfernung von der Plattenoberfläche rascher abbaut, einfach deshalb, weil die einheitlich ausgerichteten Bezirke viel kleinflächiger sind und die miteinander konkurrierenden elastischen Kräfte sich eher ausmitteln können. Das bedeutet, daß man die optisch wirksame Schichtdicke näher an den Mindestwert heranbringen kann, der aus Eontrastgründen nSht unterschritten werden darf. Überschlägige Berechnungen zeigen, daß man auf diese Weise Schaltzeiten bis hinunter zu etwa 50}ins erzielen kann. Die vorgeschlagene Textur ist vergleichsweise stabil, denn eine einzelne Vorzugsrichtung wird die übrigen wegen der vorhandenen Gegenkräfte kaum verdrängen, und liefert überdies einen nahezu isotropen optischen Effekt.
• Die Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen .Randorientierung bereitet keine besonderen Schwierigkeiten.
• So lassen stich Kuns*of2kbichwen einfach durch Reiben, Einwalzen oder Stempelprägen strukturieren, und wenn das Muster besonders exakt ausgeführt sein soll, kann man mit einem der bekannten mikrolithographischen Verfahren arbeiten (vgl. hierzu die offengelegte PCT-Anmeldung WO 79/01025 oder die DE-OS 29 31 259).
• Die vorgeschlagene Flüssigkristallzelle kann generell in MODEMs eingesetzt werden und eignet sich speziell für alle Anlagen der Digitaltechnik, die über die Telephonleitung arbeiten.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
• Der Lösungsvorschlag soll nun in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäl3e Flüssigkristallzelle, in einem Querschnitt; Fig. 2 von der Fig. 1 eine Ausschnittsvergrößerung, mit angedeuteter Oberflachenorientierung; Fig. 3 die Fig. 1 im Schnitt III-III; die Fig. 4 bis 7 von weiteren Ausführungsbeispielen Ausschnitte gemäß Fig. 2; unS Fig. 8 in einem stark vereinfachten Schaltbild d e Kopplung eines Senderkreises mit einem Empfängerkreis.
• Die Flüssigkristallzelle der Figuren 1 bis 3 enthält im einzelnen einen vorderen Linearpolarisator 1, eine vordere Trägerplatte 2, eine hintere Trägerplatte 3, und einen hinteren, zum vorderen gekreuzten Linearpolarisator 4.
• Die beiden Trägerplatten erden über einen Rahmen 6 dicht miteinander verbunden und tragen auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils einen leitfähigen Belag (Elektrode 7, 8) und darüber eine Orientierungsschicht 9, 11. Die vom Rahmen 6 und den beiden Substraten 2, 3 definierte Kammer enthält eine Flüssigkristallsubstanz 12 mit einer positiven dielektrischen Anisotropie.
• Die Orientierungsschicht 9 ist aus schachbrettartig angeordneten Flächen 13, 14 zusammengesetzt, die jeweils plattenparallel bzw. plattensenkrecht orientieren. Diese Flachen, die eine Kantenlänge von ca. 2 haben, lassen sich folgendermaßen herstellen: man überzieht die Elektrode zunächst mit einem homogen ausrichtenden Film und dann mit einem zweiten Film, der homöotrop orientiert.
• Anschließend schafft man im zweiten Film Fenster, die jeweils einer Fläche 13 entsprechen. Die Orientierungsschicht 11 bewirkt an ihrer ganzen Fläche eine einheitlich plattensenkrechte Textur. Mit diesen Randbedingungen erhält die Flüssigkristallschicht eine- Molekülordnung, die in der Figur durch Striche 16 - sie repräsentieren den Flüssigkrstalldirektor am jeweiligen Ort -angedeutet ist.
• Im "Aus"-Zustand wirkt der verspannte Teil der Flüssigkristallschicht doppelbrechend; dementsprechend wird der Polarisationszustand des eintretenden Lichts geändert, mit der Folge, daß die Zelle mit ihren gekreuzten Polarisatoren lichtdurchlässig ist. Im "Ein"-Zustand ist die Flüssigkristallschicht fir durchtretendes Licht optisch isotrop, so daß die gesante Zelle sperrt.
• Außer dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Orientierungsschema gibt es noch eine Vielzahl weiterer Konfigurationen, diezuähnlch guten Ergebnissen führen. In den Figuren 4 bis 7 sind vier Beispiele eingezeichnet. Der übersicht halber sind dabei die Leit- und Orientierungsschichten weggelassen. Unter der Voraussetzung, daß das elektrische Feld quer zur Schichtebene angelegt wird, benötigt man für die Variante der Fig. 4 einen Flüssigkristall mit einer positiven dielektrischen Anisotropie (Ag>O)und im Falle der Figuren 5 und 5 eine Flüssigkristallsubstanz, deren asCO ist; bei der Ausführung der Fig. 7 kommt es auf das Anisotropievorzeichen nicht an.
• Das Textursystem der Fig. 4 läßt sich noch dadurch modifizieren, daß an der Platte 2 die in der Zeichenebene plattenparallel orientierten Moleküle eine homöotrope Vorzugsrichtung erhalten.
• In Fig. 8 erkennt man, wie die Flüssigkristallzelle in einem MODEM eingebaut sein kann. In eine Signalleitung 17 ist ein leitungsgespeister CMOS-Kreis 18 eingefügt, der eine Flüssigkristallzelle 19 steuert. Auf der einen Seite dieser Zelle befindet sich ein Photosensor 21, dem eine Empfangselektronik 22 nachgeschaltet ist. Auf der anderen Zellenseite ist eine Lichtauelle 23 angeordnet, die im Betrieb die Zelle ständig beleuchtet und mit den übrigen Bauteilen auf der Emrfangsseite von einer gemeinsamen Quelle versorgt wird.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. Wenn man berücksichtigt, daß es im Grunde nur darauf ankommt, an einer der beiden Elektrodenplatten eine hinreichend feine Matrix aus affiternierend orientierenden Elementen zu erzeugen, so wird klar, daß hier noch ein erheblicher Gestaltungsspielraum besteht. So könnte man etwa von einem Rillensystem ausgehen, wie es etwa in IEEE Trans.Electron Devices ED-24 (1977) 807 geschildert wird, die beiden Flanken einer jeden Rille so behandeln, daß die angrenzenden Flüssigkristallmoleküle stark unterschiedliche Anstellwimkel haben, und schließlich dieses System mit einem ähnlichen System kreuzen. Die hieraus entstehende Flüssigkrista lorientierung ist an keiner Stelle streng hol.notrop oder homogen, erfüllt ab r dennoch die «n sie zu stellenden Bedingungen. Darüber hinaus bleibt es dem Fachmann unbenommen, den angestrebten Oberflächeneffekt noch durch weitere Maßnahmen zu fördern - etwa durch Zugabe einer chiralen Komponente zu einem nematischen Flüssigkristall mit einem n0 - und/oder auch noch die im Schichtinneren befindlichen Flüssigkristallmoleküle schaltbar zu machen. Dies kann dadurch geschehen, daß man eine Flüssigkristallsubstanz auswählt, deren dielektrische Anisotropie bei einer bestimmten Ansteuerfrequenz vk das Vorzeichen wechselt, und mit zwei Frequenzen (p1<vk<v2) adadressiert. Davon abgesehen kann die Zelle auch anderen Zwecken dienen, etwa zur Darstellung von (alphanumerischen) Informationen; sie ist dann mit mehreren, selektiv ansteuerbaren Anzeigeelementen zu versehen, wobei es ausreicht, die Flüssigkristallschicht lediglich in ihren schaltbaren Bereichen zu orientieren.
• 6 Patentansprüche 8 Figuren Leerseite

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Flüssigkristallzelle mit folgenden Merkmalen: 1) zwei zueinander parallele Tragerplatten sind auf ihren Innenflächen jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Belag (Elektrode) versehen; 2) die Trägerplatten schließen eine wenigstens bereichsweise zwischen optisch verschiedenen Zustände schaltbare Flüssigkristallschicht zwischen sich ein; 3) die Flüssigkristallschicht ist an zumindest einer ihrer hoden plattenparallelen Grenzflächen, und zwar wengstens in ihren schaltbaren Bereichen, in einem regelmäßigen Muster orientiert; 4) das Orientierungsmuster ist zumindest in einer ersten, in der Plattenebene liegenden Richtung periodisch; 5) dieFuricde (erste Periode) umfaßt zwei unterschiedliche Orientierungen und hat eine Länge von höchstens 10 µm; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß 6) das Orientierungsmuster auch in einer zweiten, in der Plattenebene liegenden, zur ersten Richtung orthogonalen Richtung periodisch ist, wobei 7) die Periode der zweiten Richtung (zweite Periode) ebenfalls zwei unterschedliche Orientierungen umfaßt und eine Länge von höchstens IO}:lm hat.
2. 2. Flüssigkristallzelle nah Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t. daß beide Perioden des Orientierungsmusters dadurch zustandekommen, daß die zugehörige Trägerplatte (2) iber ihre Elektrode (7) eine Orientierungsschicht (9) tsägt, deren Oberfläche ein schachbrettartiges Muster lUS Flächen (13, 14) aufweist, die abwechselnd homogen unl homöotrop orientieren.
3. 3. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Orientierungsmuster dadurch zustandekommt, daß die zugehörige Trägerplatte (2, 3) über ihre Elektrode (7, 8) eine Orientie- rungsschicht (9, 11) trägt, deren Oberfläche längs der beiden Periodenrichtungen jeweils ein System aus zueinander parallelen Rillen aufweist, die auf ihren beiden Flanken jeweils unterschkedlich orientieren.
4. 4.Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Flüssigkristallschicht eine nematische Substanz ist, die eine negative dielektris=he Anisotropie hat und mit einer chiralen Komponente dotiert ist.
5. 5. Verwendung einer Flüssigkristallzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 als Lichtschalter.
6. 6. Verwendung des Lichtschalters nach Anspruch 5 zur Ubertragung elektrischer Signale, die insbesondere über die Telephonleitung geführt werden.