Oberflächenstabilisierte ferroelektrische Flüssigkristalle
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der
ferroelektrischen Flüssigkristalle, insbesondere die als
oberflächenstabilisierte ferroelektrische Flüssigkristalle
(SSFLC) bezeichnete Art, bei welcher eine etwaige inhärente
Helix, auch wenn sie im Volumen vorhanden ist, aufgrund von
Oberflächenwechselwirkungen trotzdem nicht in Erscheinung
tritt. Der Kristallzustand wird häufig als
Buchregalgeometrie bezeichnet, was bedeutet, daß die Schichten im
wesentlichen rechtwinklig in Bezug zu den Grenzflächen liegen.
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Die Erfindung betrifft somit eine
Flüssigkristall-Anordnung, die eine Flüssigkristallschicht besitzt, welche
zwischen zwei parallelen Oberflächen angeordnet ist, die ein
Polymer enthalten, wobei der Flüssigkristall eine
ferroelektrische Flüssigkristallsubstanz enthält, welche in
Buchregalgeometrie angeordnet ist und zwischen zwei
Zuständen bistabil umschaltbar ist. Eine derartige Anordnung ist
z. B. aus dem US-A-4,367,924 bekannt.
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Die grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es, die Adressierbarkeit einer derartigen Anordnung zu
verbessern, wobei sie sich insbesondere auf die
Ausrichtprobleme infolge der Oberflächenwechselwirkung konzentriert.
Die Erfindung geht von einem verbesserten Verständnis des
Ausrichtens der Moleküle zum
Oberflächenbeschichtungs-Material aus. Das Ausrichten der Moleküle parallel zu einer
Polymeroberfläche ist allgemein bekannt, und es ist z. B. aus
der DE-A-35 02 160 bekannt, daß man durch Reiben der
Oberfläche eine Vorzugsrichtung in der Ebene der Platten
erhalten kann. Was bisher jedoch nicht zu lösen war, ist, daß
das Reiben im Falle der ferroelektrischen Flüssigkristalle
außer der Richtungswirkung auch einen direkten Einfluß auf
den bevorzugten Oberflächenpolarisations-Zustand jeder
Oberfläche besitzt.
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Wie weiter unten dargestellt wird und mit einiger
Ausführlichkeit in der Ferroelectrics, 1984, Vol. 59, Seiten 69-
116, entwickelt wurde, ist nicht zu erwarten, daß die
Oberflächenzustände, bei denen der Polarisations-Vektor in die
Oberfläche der Polymerbeschichtung hinein bzw. aus ihr
herauszeigt, dieselbe Energie besitzen; einer von beiden wird
folglich bevorzugt werden.
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Wenn die polare Wechselwirkung ausreichend stark ist, wird
dies zu dem unerwünschten spreiz-Zustand führen, der auf
Seite 79 des betreffenden Artikels als nichtsymmetrischer
Zustand bezeichnet wird. Um eine Symmetrierung des Displays
zu erreichen, muß die Neigung zum Spreizen unterdrückt
werden, was durch Abschwächung der polaren Wechselwirkung an
den Oberflächen erreicht werden kann. Eine weitere Erhöhung
der Symmetrie läßt sich durch eine solche Nutzung des
polarisierenden Effektes des Reibens erreichen, daß er der
natürlichen Vorzugsrichtung der Oberflächenpolarisation an
den Oberflächen entgegenwirkt. Und schließlich wurde
beobachtet, daß sich durch eine bestimmte Behandlung mit einem
Wechselspannungsfeld infolge der Verbesserung der
Ausrichtprozesse die Symmetrieeigenschaften des Displays weiter
erhöhen lassen.
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Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, in
Anbetracht des Spreizproblems, einen Zustand der Bistabilität
zu erhalten, welcher elektrisch symmetrisch ist, wodurch
sowohl für das Problem des Spreizens als auch der
Asymmetrie beim Umschalten zwischen den bistabilen Zuständen
mittels elektrischer Felder Abhilfe geschaffen wird.
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Dafür sieht die vorliegende Erfindung eine Flüssigkristall-
Anordnung entsprechend Anspruch 1 und ein Verfahren
entsprechend Anspruch 3 vor.
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Entsprechend der Erfindung wird eine Mischung von
ferroelektrischen Substanzen verwendet. Die Verwendung von
Mischungen aus verschiedenen ferroelektrischen Materialien
ist allgemein bekannt, z. B. aus der US-A-4-367 924. Im
vorliegenden Fall besitzen die verschiedenen ferroelektrischen
Substanzen jedoch entgegengesetzte polare Vorzugsrichtungen
in Bezug auf die Polymerschicht, um eine Mischung zu
erhalten, die eine verringerte oder nahezu keine polare
Vorzugsrichtung in Bezug auf die Oberfläche besitzt. Dadurch
werden die Oberflächenkräfte nicht stark genug, um ein
Spreizen zu erzwingen.
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Entsprechend einer besonderen Ausführungsform ermöglicht
die Verbesserung dieses Polaritätsfaktors die Schaffung
eines Grauwert/Multicolorschalters, wenn das Problem der
Assymmetrie infolge der polaren Vorzugsrichtung in den
Oberflächen beseitigt ist. Entsprechend diesem besonderen
Ausführungsbeispiel werden die parallelen Oberflächen durch
Reiben und/oder Aufrauhen behandelt, um eine körnige
Struktur der Kristalldomänen zu erzeugen, die sich makroskopisch
einheitlich darstellt, die jedoch mikroskopisch eine
mehrfachdomäne, feinkörnige Struktur zeigt, und die sich durch
Veränderung einer angelegten elektrischen
Feld-Impuls-Fläche Vt auf ein größeres oder kleineres Verhältnis
einstellen läßt.
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Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Ausrichten des
Flüssigkristalls in einer Flüssigkristall-Anordnung, wobei
der Flüssigkristall aus einer ferroelektrischen c-Substanz
besteht, die zwischen zwei parallelen Glasplatten
angeordnet ist, welche ein Polymer enthalten, wie z. B. aus der US-
A 4 367 924 bekannt ist. Entsprechend der Erfindung erfolgt
das Ausrichten durch Erniedrigung der Temperatur in der C*-
Phase unter Einwirkung eines Wechselspannungsfeldes von
10-20 V und 100-500 Hz.
Grundsätzliche Bedingungen
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Schiefe smektische Flüssigkristalle, die aus chiralen
Molekülen aufgebaut sind, sind ferroelektrisch, wie zuerst von
R. B. Meyer u. a. in ihrem Artikel im Journal de Physique
1975, Volume 36, auf der Seite L-69 beschrieben wird. Daher
bieten diese ferroelektrischen Flüssigkristalle (FLC) die
Möglichkeit einer linearen und in den meisten Fällen viel
stärkeren Kopplung mit einem externen elektrischen Feld als
durch den quadratischen dielektrischen Effekt, der in den
Flüssigkristallen infolge ihrer anisitropen Eigenschaften
stets vorhanden ist. Die einfachste und für viele Zwecke
interessanteste ferroelektrische Smektik ist die chiral
smektische C-Phase. Bei diesem Medium, das mit C*
bezeichnet wird, ist das molekulare Richtungselement
(welches etwa der optischen Achse entspricht) gegenüber der
Normalen der smektischen Schicht um einen Winkel u gekippt,
und die lokale Polarisation steht überall senkrecht zum
Richtungselement. In ihrem normalen kristallografischen
Zustand zeigt die C*-Phase keine ferroelektrischen Domänen;
statt dessen löschen sich die Dipolmomente kontinuierlich
aus, indem sich (und ) um die Richtung der Normalen
zur Schicht winden, in ähnlicher Weise, wie es bei der
Magnetisierung von Helixmagneten gefunden wurde. Bei SSFLC-
Anordnungen wird die C*-Phase jedoch durch die
Oberflächenwechselwirkung aus ihrem Volumenzustand heraus gedrängt.
Bei der verwendeten Konfiguration ("Buchregalgeometrie",
wobei die smektischen Schichten im wesentlichen
rechtwinklig zur Begrenzung der Glasplatten liegen, welche nur
wenige Mikrometer voneinander entfernt sind) bildet sich nie
eine Helix, und nimmt eine der beiden oberflächenstabilen
Richtungen ein, wie in dem US-Patent-Nr. 4,367,924
dargelegt wird. Diese "spin-up"- beziehungsweise "spin-down"-
Richtungen entsprechen ferromagnetischen Domänen, die
spontan auftreten, d. h. ohne die vorangehende Einwirkung eines
äußeren Feldes, und sind für die SSFLC-Strukturen charakte
ristisch. Die Polarisation folgt jetzt der Richtung eines
Gleichspannungsfeldes, das über der Probe angelegt wird,
was zwischen gekreuzten Polarisatoren zu einem
elektrooptischen Doppelbrechungs-Effekt mit hohem Kontrast und
großer Geschwindigkeit (kHz bis MHz-Bereich) führt. Bei
einer geeigneten Oberflächenbehandlung kann ein bistabiles
Schalten auftreten, welches sich durch kurze Impulse mit
einer Amplitude von etwa 3 bis 30 V auslösen läßt. Der
Effekt besitzt einen bestimmten Schwellenwert, der stark
von den Randbedingungen abhängig ist.
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Auf Grund der sehr unterschiedlichen Eigenschaften des
eingesetzten physikalischen Effektes ist nun die Frage
entstanden, ob es möglich ist, eine SSFLC-Anordnung in einer
ähnlichen Weise zu multiplexen oder als Matrix zu
adressieren, wie es mit einigen der anderen elektro-optischen
Effekte für Flüssigkristalle durchgeführt werden kann,
insbesondere ohne Einsatz aktiver Elemente, wie etwa
Dünnschicht-Transistoren (TFT) oder ähnlich teurer und
platzbeanspruchender Elemente. Bis jetzt wurde noch keine
Untersuchung der grundlegenden physikalischen Anforderungen an ein
derartiges Adressierungsschema vorgelegt.
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Das Adressierungsschema muß die - neben der Geschwindigkeit
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- einzigartige und wertvollste Eigenschaft der
SSFLC-Geometrie in Betracht ziehen, nämlich die Bistabilität. Diese
Eigenschaft ist extrem empfindlich hinsichtlich der
Materialauswahl und der Oberflächenbehandlung und wurde in
einigen Artikeln diskutiert, wie Clark u. a., Mol. Cryst. Liqu.
Cryst. 1983, Band 94, Seite 213, Lagerwell u. a. Mol.
Cryst. Liqu. Cryst. 1984, Band 114, Seite 151, Handschy
u. a. Ferroelectrics 1984, Band 59, Seite 69, und Wahl u. a.
Ferroelectrics 1984, Band 59, Seite 161. Es ist
selbstverständlich, daß eine gute und besonders symmetrische
Bistabilität extrem positive Folgen für die Multiplexbarkeit der
SSFLC-Anordnungen besitzt und praktisch erforderlich ist,
wenn mit nichtaktiven Adressierungselementen angesteuert
werden soll. Wir beginnen deshalb die Diskussion mit der
Beschreibung einer zweckentsprechenden Ausrichttechnologie.
Ausrichten und Bistabilität
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Die Grundbedingungen für die Bistabilität werden in dem US-
Patent Nr. 4,367,924 ausgeführt, auf das bereits
zurückgegriffen wurde. Wir stellen hier ein verbessertes Verfahren
mit folgenden Vorteilen vor: es ist besser für eine
Großserienproduktion geeignet als die Scherverfahren; es
erlaubt die Verwendung einer größeren Zellendicke; in vielen
Fällen lassen sich die angenähert symmetrischen
Schwellen/Bistabilitäts-Eigenschaften bis zur fast vollständig
symmetrischen verbessern.
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Ein genauer Blick auf jeden der beiden äquivalenten, homogen
polarisierten und bistabilen Zustände der grundlegenden
SSFLC-Geometrie zeigt (Fig. 1), daß diese Zustände eine
bestimmte Asymmetrie in der Grenzbedingung an den
gegenüberliegenden Oberflächen erfordert. Das hängt damit zusammen,
daß der Polarisations-Vektor (101) in einem Fall in die
Grenzfläche (103) hinein, in dem anderen Fall aus ihr
heraus zeigt. (Die entsprechende Richtung der Molekülachse
(102) ist in konventioneller Weise dargestellt, d. h. als
rage der Kopf des "Nagels" aus dem Papier heraus auf den
Beobachter zu). Einer dieser Zustände muß an sich bevorzugt
werden, weil die polare Wechselwirkungsenergie nicht
dieselbe sein kann. Die Stärke dieser Wechselwirkung und die
Energiedifferenz hängen sowohl von dem ferroelektrischen
Material als auch von dem Material der
Oberflächenbeschichtung ab sowie davon, wie dieses behandelt wurde. In vielen
Fällen scheint die Wechselwirkung relativ schwach zu sein,
wie zum Beispiel bei Verbundstoffen wie 4'-(2-Methyl-
Butyloxy- oder -Hexyloxy) Phenyl-4-alkyloxy-Benzoaten,
welche die homogen polarisierten Zustände (a) und (b) in Fig.
1 selbst bei relativ großen Zellendicken ermöglichen. In
anderen Fällen kann sie ziemlich stark sein, was zu einer
Bevorzugung des Spreizzustandes (c) führt, welcher für das
elektrostatische Schalten unbrauchbar ist und vermieden
werden muß. Die Neigung zum Spreizen, ob schwach oder
stark, ist allgemein vorhanden, und wenn auch der Zustand
(c) manchmal durch Verringerung der Zellendicke, wodurch
die elastische Deformationsenergie ansteigt, in einen der
Zustände (a) oder (b) gebracht werden kann, kann man ihr
aber auch anderweitig entgegenwirken. Es sei zum Beispiel
angenommen, daß der Zustand, bei dem der
Polarisations-Vektor in die Grenzfläche hineinzeigt (aus dem Flüssigkristall
heraus), die niedrigere Energie besitzt, wie in Fig. 2
dargestellt ist, wenn diese Oberfläche mit einem Polyimid (das
handelsüblich von der Merck KG verfügbar ist) beschichtet
ist. Dies ist der +u-Zustand in Fig. 2. In diesem Fall
sollte die nicht bevorzugte -u-Richtung durch Schleifen in
dieser Richtung unterstützt werden, um die
Polarisationszustände Auf und Ab an der Oberfläche so gleichwertig wie
möglich zu machen. Die untere Oberfläche sollte exakt in
derselben Weise behandelt und dann so gedreht werden, daß
die Schleifrichtung nur in die +u-Richtung (der Fig. 2)
zeigt, wenn die Zelle zusammengebaut wird. Wir haben
festgestellt, daß ein schwaches Schleifen in einer Richtung mit
einem Kunstseidengewebe bei einigen Oberflächen gute
Ergebnisse zeigt. Die Ausrichtwirkung wird erleichtert, wenn
beim Übergang in die C*-Phase ein überschwelliges
Wechselspannungsfeld von etwa 10-20 Volt und 100-500 Hz über
den Glasplatten angelegt wird. Eine leichte Verschiebung
senkrecht zur Z-Richtung ist nützlich, aber nicht
notwendig. Eine Variante dieser Technologie, bei welcher der
Kompensationseffekt stärker ist, besteht in der Anwendung
einer Tangential-Bedampfung (z. B. 5-100 streifender
Einfall)
von z. B. SiO, was einen ähnlichen Effekt liefert, wie
das Schleifen. Eine Variante des letzteren besteht darin,
in zwei Richtungen zu bedampfen, wobei sowohl die +u- als
auch die -u-Richtung unterstützt wird und die Bedampfungen
in dieser Rangfolge durchgeführt werden. Aus der
physikalischen Betrachtung, wie sie in den Fig. 1 und 2
veranschaulicht ist, wird deutlich, daß die Symmetrierung der AUF-
und AB-Zustände an der Oberfläche auf vielfältige Weise
erfolgen kann, wobei allen Arten gemeinsam ist, daß die
Deckflächen aus Glas oder Plaste in einer kompensierenden
nichtsymmetrischen Weise, z. B. durch verschiedene
mechanische oder andere Bearbeitungsvorgänge, oder durch
verschiedene Beschichtungsmaterialien, oder durch beides behandelt
werden. Das ist außerdem nützlich, wenn die Mischung eine
negative dielektrische Anisotropie besitzt, nicht nur beim
Schalten, sondern bereits dann, wenn eine SSFLC-Zelle
gefüllt wird.
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Für jede Kombination von Materialien muß die polare
Vorzugsrichtung herausgefunden werden. Wir haben festgestellt,
daß sich Flüssigkristall-Substanzen finden lassen, die eine
entgegengesetzte Vorzugsrichtung aufweisen, wenn sie mit
einer bestimmten Oberfläche kombiniert werden. Durch
geeignete Zusammenstellung derartiger Substanzen kann man
deshalb ein Material gewinnen, das eine niedrigere oder
fast gar keine polare Vorzugsrichtung besitzt, was die
Verwendung eines größeren Zellenplattenabstandes möglich
macht. Ein Beispiel dafür ist DOBAMBC und das Chisso-Mate
rial CS-1011, welche eine gegenläufige polare
Vorzugsrichtung besitzen und welche zum Beispiel zu annähernd gleichen
Teilen miteinander gemischt werden können.
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Schließlich läßt sich auf zeigen, daß man die Bistabilität
unter bestimmten Bedingungen auch verbessern kann,wenn sie
defektbedingt ist. Dies wird weiter unten in Verbindung mit
den Grauwerten diskutiert.
Grauwert und Multicolor-Schalten
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Unter Bezugnahme auf die in den vorangegangenen Abschnitten
erläuterten grundsätzlichen optischen und elektrischen
Eigenschaften der SSFLC-Zelle werden jetzt einige Verfahren
zur Anzeige verschiedener Grauwerte und/oder Farben kurz
dargestellt.
a) Rastertechnologie (räumliche Integration)
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Wie z. B. beim normalen Zeitungsdruck kann man an erster
stelle eine additive (oder subtraktive) Mischung der
optischen Zustände benachbarter Pixel verwenden. Bei sehr
dünnen Zellen mit vernachlässigbarer Eigenfarbe kann man ein
rot-gelb-blaues Farbfilter integrieren, wie es gegenwärtig
für TFT-adressierte TN-Matrizen verfügbar ist. Man kann
auch bestimmte doppelbrechende Farben verwenden, indem die
Zelle mit einer sich schrittweise ändernden Zellendicke
hergestellt wird. Infolge der Feldschwelle benötigen
verschiedene Farben dann verschiedene Werte von VT und können
in einem sich wiederholenden Dreifarbenmuster angeordnet
werden, das mittels selektiver Adressierung angesteuert
wird. Ein einfaches Matrixadressierungsschema wird weiter
unten im Teil (c) diskutiert.
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Ein Nachteil der Rastertechnologie besteht darin, daß sie
eine erhöhte Pixeldichte erfordert, jedoch nur räumlich und
nicht elektrisch. Nebenbei bemerkt läßt sich durch
Anwendung einer geeigneten digitalen Datenverarbeitung ein
Gewinn an Auflösung erzielen, z. B. durch die binäre Grauwert-
Technologie (siehe unten). Im Idealfall wäre ein Pixel
erforderlich, um verschiedene Grauwerte oder Farben
anzuzeigen. In begrenztem Maße ist das mit einem der folgenden
Verfahren möglich.
b) Schalten mit unterschiedlichem Tastverhältnis (Zeitintegration)
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Infolge der schnellen Reaktion der FLC's kann man ein
Anzeigeelement ständig mit einem einstellbaren Verhältnis von
Ein- und Auszeit schalten, wobei die Frequenz hoch genug
sein muß, um ein Flimmern zu vermeiden. Dieses Verfahren
läßt sich in Fällen mit einer "statischen" Ansteuerung
einfach realisieren, erfordert jedoch eine große Menge an
zusätzlicher Elektronik für die Datenverarbeitung und
-speicherung, insbesondere im Fall hochauflösender Matrizen. Ein
Hauptnachteil dieses zeitintegrierten Schaltens besteht in
dem erhöhten Leistungsverbrauch.
c) Multistatisches schalten
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Wie bereits früher ausführlich untersucht wurde (US-Patent-
Nr. 4,563,059, angemeldet am 7. Juli 1983), kann man unter
bestimmten Bedingungen mehr als zwei Schaltzustände
erhalten, insbesondere in den ferroelektrischen smektischen
Phasen höherer Ordnung. Die zusätzlichen Zustände sind auch
ohne Haltefeld teilweise stabil und weisen ebenso eine
Schaltcharakteristik mit einer Schwelle auf. Als Folge
davon kann ein Anzeigeelement durch Anlegen von Impulsen mit
verschiedenen VT zwischen verschiedenen optischen Zuständen
um geschaltet werden. Im Falle eines Pixels und linearer
Array-Anordnungen ist die Ansteuerung einfach.
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In der Praxis läßt sich jedoch das multistatische schalten
zur Zeit auf Grund der Schwierigkeiten bei der Herstellung
eines genauen Abgleichs und einheitlicher Schwellenwerte
über große Flächen nicht hinreichend steuern.
d) Multidomänenschalten (räumliche Integration)
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Durch eine bestimmte Zellenherstellung (siehe unten) kann
man eine Textur erzeugen, welche aus makroskopischer Sicht
ein
optisch gleichmäßiges Erscheinungsbild bietet, die jedoch
eine feinkörnige Struktur mit Multidomänen zeigt, wenn man
sie unter dem Mikroskop betrachtet. Eine derartige Textur
besitzt, offensichtlich wegen des starken Anhaftens der
Disklinationslinien an den Grenzflächen, eine
ausgezeichnete Bistabilität. Die körnige Struktur reduziert ein wenig
das insgesamt erreichbare Maximum des Kontrastes, man
besitzt jedoch den Vorteil der Anzeige mehrerer Grauwerte,
die im allgemeinen auch bei Abwesenheit eines
Ansteuerfeldes stabil sind. Wenn man die Impulsfläche VT um den
Schwellenwert für die ideale SSFLC-Struktur herum
moduliert, kann man eine größere oder kleinere Anzahl von
Domänen innerhalb eines Pixels schalten. Die räumliche
Integration führt wie beim Verfahren a) zu unterschiedlichen
Grauwerten, jedoch mit dem Vorteil einer höheren Auflösung.
Fig. 3 zeigt einen Teil eines Matrixmusters mit 5
unterscheidbaren Grauwerten. Fig. 4 zeigt die Feinstruktur.
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Die Kornstruktur ließ sich in dünnen Zellen mit
Polyimidoberflächenbeschichtungen unter verschiedenen Bedingungen
erreichen:
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- leichtes Reiben einer Oberfläche und Teilen der gefüllten
Zelle in der Sm C*-Phase parallel und unter einem Winkel
zur Reibrichtung
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- leichtes Reiben beider Oberflächen in etwas
unterschiedlichen Richtungen
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- Verwendung von Glasplatten mit einer rauhen Oberfläche
für eine oder beide Zellenbegrenzungen, mit einer totalen
Rauheit von 20% bis 50% der mittleren Zellendicke. Die
Rauheit führt zu einer örtlich veränderlichen Impulschwelle,
so daß die Steilheit der Gesamtschaltcharakteristik
verringert werden kann (innerhalb der Grenze, die für die
Matrixadressierung zulässig ist). Auf diese Weise wird das
teilweise Schalten eines Pixels mit wohldefinierten
Impulsen möglich.
Einsatzstoffe
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Es wurden funktionstüchtige Anordnungen mit einer
zunehmenden Vielfalt von ferroelektrischen Materialien aufgebaut,
beginnend mit reinen smektischen C*-Verbindungen, die
jedoch jetzt Mischungen mit steigender Komplexität
darstellen. Künftige Anordnungen werden zweifellos Mischungen
enthalten, die für ihren leichteren Abgleich und ihre bessere
thermische Stabilität vorteilhaft sind. Die Optimierung der
Materialparameter wie dielektrische Anisotropie,
Doppelbrechung, Helixabstände und Kippwinkel, oder selbst der
Leitfähigkeit, kann nur durch Mischungen und mit zusätzlichen
Dotierungssubstanzen erreicht werden. Auch smektische
Phasen höherer Ordnung können verwendet werden, bei
langsamerer Reaktionszeit manchmal aber mit der zusätzlichen
Möglichkeit einer inneren Multistabilität oder zumindest der
Erreichbarkeit von Mehrfachzuständen. Es sei betont, daß
jede chirale schiefe smektische Substanz verwendet werden
kann, oder jede schiefe smektische Substanz, auch in
polymerer oder polymerisierter Form, die als Matrix oder
Lösungsmittel für chirale Dotierungssubstanzen dient, und in
welcher chirale polare Moleküle oder Teile von Molekülen
ihre optischen Achsen auf Grund der ferroelektrischen (und
unvermeidlicherweise auch der dielektrischen)
Wechselwirkung mit einem angelegten Feld umschalten. Dichroitische
Dotiersubstanzen werden ebenfalls vermehrt eingesetzt, und
dichroitische und chirale polare Dotierungsmoleküle könnten
praktisch von derselben Molekülart sein.
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Auch für die Kapselung des aktiven Materials kann und wird
entsprechend den verschiedenen Anwendungen eine große
Vielfalt von Materialien eingesetzt werden. So kann das aktive
Material in Glas, Kunststoffe, Polymerfilme eingeschlossen
werden, und wenn es selbst ein Polymer ist, sind keine
Kapselmaterialien erforderlich, außer für die leitende
Beschichtung zum Anlegen des Feldes. Das aktive
SSFLC-Material kann auch mit einer dünnen Kunststoffschicht überzogen
oder mikrogekapselt werden und in Form von Polymerscheiben
oder -filmen hergestellt werden. Wenn es eine dichroitische
Farbe enthält, würde ein derartiges Erzeugnis einen
elektrisch
steuerbaren Scheibenpolarisator darstellen. Die
Mikrokapseltechnik wird in den Europäischen Patentanmeldungen
84301911.8 und 84302140.3 beschrieben und diskutiert. Die
verschiedenen Ausführungsbeispiele, die bisher beschrieben
wurden, können so ausgelegt werden, daß sie in einer
eingekapselten Form mit kleinen einzelnen Domänen ("Suspension
kleiner Partikel") vorliegen, die wie SSFLC-Tröpfchen in
einer Polymerbeschichtung wirken. Die
Oberflächenstabilisierung ist auf Grund der großen Oberfläche und der
geringen Tröpfchenabmessungen, wodurch die Helix wirksam
unterdrückt wird, sehr wirkungsvoll. Der Vorteil der
eingekapselten SSFLC im Vergleich zu den eingekapselten
Flüssigkristallen, die in den oben erwähnten Patentanmeldungen
beschrieben werden, bestünde als erstes in der höheren
Geschwindigkeit und als zweites darin, daß das
SSFLC-Ausführungsbeispiel in der Lage ist, bei Null Volt zu sein, d. h.
ohne Stützfeld in zwei aktivierten Zuständen zu verbleiben.
Auf Grund der Multidomänenstruktur ist der
spannungsschwellenbereich verhältnismäßig breit, was eine entsprechend
gute Graustufenwiedergabefähigkeit ergibt. Ein ähnliches
jedoch andersartiges Ausführungsbeispiel könnte statt dessen
eine dünne Scheibe aus einem hochporösen Medium verwenden,
das das FLC aufsaugen würde, um seine große innere
Oberfläche zu bedecken.
SSFLC-Komponenten in Systemen
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Verbesserungen bei der abgleichgesteuerten Schwelle und in
den Bistabilitätseigenschaften können sowohl für
Einzelelementanordnungen als auch für lineare Arrays und
Matrixarrays die Ansteuerprobleme beträchtlich erleichtern
und die Elektronik vereinfachen. Ein elektrooptischer
Modulator kann in einem monostabilen Modus angesteuert werden,
jedoch erfordert dies im allgemeinen eine wesentlich höhere
Leistung und bringt spezielle Schwierigkeiten bei niedrigen
Frequenzen mit sich. Dasselbe trifft für Schalter und
Strahlteiler zu, welche entweder mit
brechungszahlgesteuertem
Brewster-Winkel oder mit dichroitischen
Dotierungssubstanzen arbeiten. Alle elektrooptischen Modulatoren, die
auf dem dichroitischen Prinzip aufbauen, können bei
zweckmäßiger Auswahl der Farbe im infraroten oder ultravioletten
anstatt im sichtbaren Bereich arbeiten.
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Mit der hohen Geschwindigkeit der SSFLC-Anordnungen würde
dem sehr störenden Flimmern vorgebeugt werden, das infolge
der derzeitigen langsamen nematischen Modulatoren auftritt,
was einen zusätzlichen Freiraum für große
Datenverarbeitungs- und Bildbearbeitungsmöglichkeiten schafft.
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Bei einem zweidimensionalen Array würde die verbesserte
Bistabilität zusammen mit Adressierungsschemen, die durch
ein hohes Auflösungsverhältnis gekennzeichnet sind, die
Konstruktion von kompakten optischen Prozessoren mit
Speicher erlauben. Um den Inhalt eines derartigen Speichers
zerstörungsfrei abzutasten, wird der Reihe nach an jedes
Element ein signifikanter, jedoch unterkritischer
(nichtspeichernder) Impuls angelegt, auf welchen das Element kurz
reagiert oder nicht, und dann wieder in seinen
Anfangszustand zurückkehrt, d. h. seine Information bewahrt.
Bistabilität und ökonomische Ansteuerfolgen sind auch für
hochleistungsfähige lineare Arrays wichtig, welche zum Beispiel
beim Drucken große Informationsmengen verarbeiten könnten,
mehr aber noch in optischen Geräten, bei denen eine
wachsende Anzahl von Speicher- und Ausgabeeinrichtungen einen
binären Charakter besitzen. Wir greifen ein Beispiel
heraus, bei dem wir annehmen, daß die festgelegten
Adressierungsprinzipien in Kombination mit einem bistabilen
linearen Array ideal geeignet wären. Es ist allgemein
bekannt, daß man durch Kodierung des Bildinhaltes in binärer
Form qualitativ hochwertige, fotografieähnliche
Halbtonbilder erzeugen kann. Der Grauwert ist durch die Anordnung
gleichgroßer Punkte bestimmt anstatt durch die Größe, wie
beim konventionellen Rasterdruck. Es sind viele
unterschiedliche
Kodiersysteme verfügbar, von denen das
Fehlerdiffusions-Linearisierungsverfahren und einige verwandte
Algorithmen für unsere Zwecke am geeignetsten sind. Dieses
Verfahren wird von Floyd u. a., Proc. SID 1976, Band 17,
Seite 78; desgleichen von Bryngdahl, J. Opt. Soc. Am. 1978,
Band 68, Seite 416, Billotet-Holfmann u. a., Proc. SID 1983,
Band 24, Seite 253, und Hauk u. a. J. Opt. Soc. Am. A., 1984,
Band 1, Seite 5 beschrieben. Bei der beschriebenen
Anwendung wird das fotografische Bild optisch linienweise
abgetastet und der digitalisierte Inhalt im Verhältnis zu den
ersten periodischen Raster, das aus den Elementen des
linearen Arrays besteht, gespeichert. Die sequentiell
erzeugte Information wird dann in einem konventionellen
elektrofotografischen Prozeß gedruckt. Mit dem oben skizzierten
Ansteuerschemata kann ein bistabiles lineares Array mit
einem einfachen Mikroprozessor gekoppelt werden und stellt
eine extrem kompakte elektronisch gesteuerte
Drucker-Anordnung dar, die in der Lage ist, Schwarz-Weiß-Halbtonbilder
zu erzeugen und ganze Seiten oder Seitenplatten für
Journale oder Magazine zu drucken, wobei Text und Bilder in
derselben Weise behandelt und mit derselben Abtastung
erzeugt werden. Farbbilder würden drei aufeinanderfolgende
Abtastungen erfordern. Diese kleine Anordnung bildet
tatsächlich das Herz einer kleinen anschlagfreien
Druckerpresse. In analoger Weise läßt sie sich für die
computergesteuerte Herstellung von synthetischen Hologrammen und für
viele ähnliche Aufgaben einsetzen, die jeder Fachmann
leicht erkennen kann.