DE3650066T2 - Ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtungen. - Google Patents

Ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtungen.

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Description

    Oberflächenstabilisierte ferroelektrische Flüssigkristalle
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dafür sieht die vorliegende Erfindung eine Flüssigkristall- Anordnung entsprechend Anspruch 1 und ein Verfahren entsprechend Anspruch 3 vor.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • Das Adressierungsschema muß die - neben der Geschwindigkeit
  • - 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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)
  • 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.
  • 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)
  • 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
  • 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.
  • 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)
  • 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.
  • Die Kornstruktur ließ sich in dünnen Zellen mit Polyimidoberflächenbeschichtungen unter verschiedenen Bedingungen erreichen:
  • - leichtes Reiben einer Oberfläche und Teilen der gefüllten Zelle in der Sm C*-Phase parallel und unter einem Winkel zur Reibrichtung
  • - leichtes Reiben beider Oberflächen in etwas unterschiedlichen Richtungen
  • - 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
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

1. Flüssigkristallvorrichtung mit einer Flüssigkristallschicht, die zwischen zwei parallelen Oberflächen angeordnet ist, die ein Polymer enthalten, wobei der Flüssigkristall eine Mischung aus ferroelektrischen Flüssigkristallsubstanzen umfaßt und in Buchregalgeometrie angeordnet und zwischen zwei Zuständen bistabil schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallsubstanzen zwei Substanzen mit entgegengesetzten Oberflächen-Polaritätsvorzugsrichtungen relativ zu dem Polymer umfassen, wobei die Mischung eine herabgesetzte oder nahezu keine polare Vorzugsrichtung an den Oberflächen aufweist zur Vermeidung von unsymmetrischen schiefen Zuständen und zur Erzielung einer vollen Symmetrie der Zustände bezüglich Polaritätsumkehr eines angelegten elektrischen Feldes.
2. Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1 zur Darstellung von Graustufen und/oder Farben, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Oberflächen durch Reiben und/oder Aufrauhen behandelt sind zur Erzielung einer Kornstruktur von Kristalldomänen, die makroskopisch ein optisch gleichförmiges Aussehen haben, aber bei Betrachtung unter Vergrößerung eine feinkörnige Multidomänenstruktur haben, und die in einem größeren oder kleineren Maß durch Modifizieren der Impulsfläche VT eines angelegten elektrischen Feldes modulierbar ist.
3. Verfahren zum Ausrichten der Flüssigkristallschicht bei der Herstellung der Flüssigkristallvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch unidirektionales Reiben der das Polymer enthaltenen parallelen Oberflächen, Umkehren der Richtung nur einer der Oberflächen bei Zusammenbau der Vorrichtung, und Anlegen eines Wechselfeldes von 10 bis 20 V und 100 bis 500 Hz, wenn die Temperatur in die C*-phase abgesenkt wird.
DE19863650066 1985-10-14 1986-10-14 Ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtungen. Expired - Fee Related DE3650066T2 (de)

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