DE3711360A1 - Verwendung von stoffen oder stoffgemischen, die eine chirale, hoeher geordnete smektische phase aufweisen, im bereich dieser phase als schalt- oder anzeigemedium - Google Patents

Verwendung von stoffen oder stoffgemischen, die eine chirale, hoeher geordnete smektische phase aufweisen, im bereich dieser phase als schalt- oder anzeigemedium

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Description

Verwendung von Stoffen oder Stoffgemischen, die eine chirale, höher geordnete smektische Phase aufweisen, im Bereich dieser Phase als Schalt- oder Anzeigemedium.
Die ungewöhnliche Kombination von anisotropen und fluiden Eigenschaften der Flüssigkristalle haben zu ihrer Verwendung in einer Vielzahl von elektro-optischen Schalt- und Anzeigevorrichtungen geführt. Dabei können ihre elektrischen, magnetischen, elastischen oder thermischen Eigenschaften zu Orientierungsänderungen benutzt werden. Optische Effekte lassen sich dann mit Hilfe ihrer Doppelbrechung ("birefringence mode"), der Einlagerung dichroitisch absorbierender Farbstoffmoleküle ("guests-host mode") oder der Lichtstreuung erzielen.
Dabei wurden bisher, von wenigen Ausnahmen abgesehen, die nematische Phase (N) und die smektischen Hochtemperaturphasen S A und S C , bzw. ihre chiralen Versionen N*, S A * und S C * verwendet.
Die S A - und S C -Phasen besitzen eine Schichtenstruktur mit statistisch verteilten Molekülschwerpunkten innerhalb einer Schicht. Sie unterscheiden sich dadurch, daß in der S A -Phase der Direktor senkrecht zur Schichtenebene, d. h. parallel zur Schichtennormale steht (Definition der orthogonalen Phasen), in der S C -Phase jedoch eine Neigung vorliegt, die durch den Winkel - zwischen und angegeben wird (Definition der geneigten Phasen oder "tilted phases").
In der von Clark und Lagerwall (N. A. Clark und S. T. Lagerwall, Appl. Phys. Lett. 36, 899 (1980) vorgeschlagenen "bookshelf"-Geometrie läßt sich die Ferroelektrizität der S C *-Phase zu einem elektro-optischen Effekt ausnutzen. Dieser beruht auf dem Vorliegen zweier stabiler Zustände, zwischen denen ein schnelles Schalten in typischerweise 50 µs bei einem elektrischen Feld von 10⁷ V/m erfolgt (R. B. Meyer, L. Liebert, L. Strzlecki und P. Keller, I. Phys. (Paris) Letters 36, L-69 (1975)).
Dieser ferroelektrische Effekt ist durch eine stark nichtlineare elektro-optische Kennlinie ausgezeichnet.
Es ist bekannt, daß in der S A *-Phase (chirale S A -Phase) ein verwandter, jedoch linearer Prozeß abläuft, der nach Garoff und Meyer (S. Garoff und R. B. Meyer, Phys. Rev. Lett. 38, 848 (1977)) der elektrokline Effekt heißt. Er beruht auf einem feldinduzierten und dem parallel zu den smektischen Schichten verlaufenden elektrischen Feld E proportionalen Neigungswinkel R in der an sich orthogonalen S A *-Phase. Die Größe des elektroklinen Effektes wird durch den Differentialkoeffizienten (dR/dE) angegeben. In den höher geordneten Phasen, z. B. S B , S E usw., sind die Molekülschwerpunkte innerhalb einer Schicht nicht statistisch verteilt, sondern regelmäßig, ähnlich wie in einem Kristallgitter, angeordnet. Dieser höheren Ordnung entspricht eine höhere Viskosität und Festigkeit der Schichten. Für den Einsatz in elektro-optischen Bauteilen, bei denen schnelle Reaktionen der Flüssigkristallschichten auf Änderungen eines angelegten elektrischen Feldes verlangt werden, wurden daher die höher geordneten smektischen Phasen, insbesondere die orthogonalen S B - und S E -Phasen nicht in Betracht gezogen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß S B * (chirale S B )-Phasen und S E * (chirale S E )-Phasen einen elektroklinen Effekt mit unerwartet kurzen Ansprechzeiten bis herab zu 1,5 µs zeigen, wobei außerdem der elektrokline Koeffizient dR/dE größer ist als in der S A *-Phase.
Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung von Stoffen oder Stoffgemischen, die eine chirale, orthogonale, höher geordnete smektische Phase, insbesondere eine S B *- oder eine S E *-Phase aufweisen, im Bereich dieser Phase als Anzeige- oder Schaltmedium in elektro-optischen Anzeige- oder Schaltelementen, die auf dem elektroklinen Effekt basieren.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere die Verwendung solcher Stoffe oder Stoffgemische in Schalt- und Anzeigeelementen gemäß Anspruch 2 sowie Schalt- und Anzeigeelementen gemäß Anspruch 3.
Durch die Erfindung wird eine große Zahl von Stoffen, die bisher nur theoretisches Interesse hatte, für die Verwendung in elektro-optischen Bauelementen verfügbar. So weisen etwa 25% der in dem Tabellenwerk "Flüssige Kristalle in Tabellen", Demus et al., VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974, verzeichneten smektischen Substanzen eine S B - oder S E -Phase auf. Soweit es sich dabei nicht um chirale Verbindungen handelt, kann die Chiralität durch den Zusatz chiraler Dotierstoffe induziert werden.
Der elektrokline Effekt in höher geordneten smektischen Phasen wird an zwei Vertretern von geeigneten Substanzklassen gezeigt, nämlich
Phasenfolge K* 58 S E * 63,5 S B * 72,5 S A * 75 I*
Phasenfolge K* 55 S B * 90 S A * 102 I*
dargestellt. Zur Messung der Kenngrößen wurde eine Meßzelle mit einer Schichtdicke der zu messenden Substanz von 2 µm verwendet. Die planare Orientierung ("bookshelf"-Geometrie) wurde durch Scherung und/oder Orientierungsschichten erhalten. Der Aufbau der Meßzelle ist für ferroelektrische Flüssigkristallschichten von Skarp und Andersson beschrieben (K. Sharp und G. Andersson, Ferroelectrices Letters 6, 67 (1986)).
Der elektrokline Koeffizient dR/dE wurde durch Anlegen einer Gleichspannung und optische Bestimmung des Tiltwinkels R anhand der Dunkelstellung zwischen gekreuzten Polfiltern relativ zur Nullfeldlage im Polarisationsmikroskop gemessen.
Die elektrokline Schaltzeit wurde bestimmt, indem anhand der Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten, die Grenzfrequenzabhängigkeit der Dielektrizitätkonstanten, die Grenzfrequenz f G bestimmt wurde, bis zu der die Reorientierung der Moleküle dem Wechselfeld noch folgen kann. Der Reziprokwert dieser Frequenz ist die minimale elektrokline Schaltzeit.
Die mit den Verbindungen (I) und (II) erhaltenen Meßwerte sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt. Bei Verbindung (I) sieht man, daß der elektrokline Koeffizient dR/dE in den höher geordneten S E *- bzw. S B *-Phasen signifikant größer ist als in der S A *-Phase. Bei der Verbindung (II) wurde in der S A *-Phase kein meßbarer elektrokliner Effekt gefunden.
Tabelle 1
Meßwerte für die Verbindung (I)
Tabelle 2
Meßwerte für die Verbindung (II)
Für die verwendeten Feldstärken von bis zu 4 · 10⁷ V/m war sowohl in der S B *- als auch in der S E *-Phase der Neigungswinkel R streng proportional der Feldstärke.
Bei der praktischen Verwertung des elektroklinen Effekts kann auf bekannte Techniken zurückgegriffen werden. So kann die feldabhängige Orientierung des Direktors zusammen mit der optischen Anisotropie (Doppelbrechung) ausgenutzt werden.
Das Bauelement besteht aus einer planar orientierten S B *- oder S E *-Phase die sich zwischen zwei transparenten Elektroden und zwei gekreuzten Polarisatoren befindet. Solange kein Feld angelegt wird, befindet sich der Direktor parallel zu einem der Polarisatoren, und es tritt kein Licht durch den zweiten Polarisator. Wird ein Feld angelegt, so neigt sich der Direktor , die Doppelbrechung wird wirksam, und das Element wird transparent.
Es ergeben sich Möglichkeiten zum Aufbau verschiedener Schalt- und Anzeigeelemente:
a. Elliptischer Polarisator
Bei diesem Effekt wird die Doppelbrechung des Flüssigkeitskristalls ausgenutzt. Fällt linear polarisiertes Licht auf eine vorstehend beschriebene Zelle, die jedoch nicht mit Polarisatoren ausgestattet sein muß, so verläßt das Licht die Zelle elliptisch polarisiert. Spezialfälle sind zirkular oder wiederum linear polarisiertes austretendes Licht. Durch den elektroklinen Effekt kann nun die Elliptizität kontinuierlich gesteuert werden.
b. Lichtmodulator ("birefringence mode")
Der unter a. beschriebene Fall kann unter Verwendung von Polarisatoren zur Lichtmodulation, d. h. zur Erzeugung elektrisch gesteuerter Intensitätsänderungen, benutzt werden. Die oben beschriebene Zelle konnte von uns bereits als Lichtmodulator eingesetzt werden.
Wenn man nicht gekreuzte Polarisatoren verwendet, sondern einen variablen Winkel Ψ zwischen Polarisator und Analysator einführt, so erhält man für die austretende Intensität I (I o ist die durch den Polarisator fallende Lichtintensität):
I(E) = I o [cos² Ψ + sin 4 R (E) sin 2(Ψ-2 R (E)) · sin² ( πΔ nd/λ)]. (2)
R (E) ist die feldinduzierte Neigung, d die Zellendicke, Δ n=n-n die optische Anistropie, λ die Vakuumwellenlänge des Lichtes.
Aus Gleichung (2) ergeben sich verschiedene Modulatoren, bei denen den extremen Feldstärken (+ E max bzw. -E max ) gleiche (symmetrischer Modus) bzw. verschiedene Helligkeiten zukommen (unsymmetrischer Modus).
Ein Vorteil der höheren Empfindlichkeit (dR/dE) der höher geordneten smektischen Phasen ist eine erhöhte CMOS (±15 V)-Kompatibilität.
c. Lichtmodulator ("guest-host mode")
Der Lichtmodulator kann auch mit Hilfe der Einlagerung dichroitisch absorbierender Moleküle gebaut werden. Dabei erübrigt sich einer der beiden Polarisatoren. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes kann der Absorber zusammen mit der Flüssigkristallphase reorientiert und damit die Absorptionsachse gedreht werden. Die Absorber können auch IR-Chromophore enthalten.
d. Pulsschneider
Die unter a.-c. beschriebenen elektrooptischen Bauelemente können auch zur Erzeugung von zeitlich sich nicht wiederholenden Lichtimpulsen beliebiger Form verwendet werden.
Dazu kann man z. B. einen frei programmierbaren Pulsgenerator an eine oben beschriebenen Zelle schließen und unter Verwendung von Dauerstrich-Lichtquellen, wie cw-Lasern, beliebige Pulse schneiden.
e. Erzeugung einer Grauskala
Die lineare Kopplung des Neigungswinkels R zum Feld E erlaubt die Erzeugung einer kontinuierlichen Grauskala für Bildschirme, Drucker u. ä.
Die Arbeitsweise dieses Bausteins ist wie unter a.-c. mit dem Unterschied, daß es sich um ein Element mit vielen kleinen Elektroden (sog. "pixels") handelt, die zusammen einen Grauschirm bilden.
f. Elektrisch ausrichtbare Phasen als Matrices für nicht-linear optische Materialien
Seit einiger Zeit ist bekannt, daß eine Reihe von organischen Verbindungen sehr große nicht-linear optische Koeffizienten besitzen (I. Zyss, J. Mol. Electron. 1, 25 (1985).
Das Hauptproblem bei ihrer Anwendung besteht in der Ausrichtung, die entweder durch die Züchtung von Einkristallinen, durch die Langmuir-Blodgett-Technik oder durch die Einbettung in Flüssigkristall-Matrices geschehen kann.
Der elektrokline Effekt in LC-Phasen hoher optischer Güte kann zur elektrisch kontrollierten Feinabstimmung dieser Materialien (z. B. "phase matching" bei der Frequenzvervielfachung) verwendet werden.
g. Sensoren für elektrische Felder
Der elektrokline Effekt kann zum Nachweis eines unbekannten elektrischen Feldes ausgenutzt werden. Ein solcher Feldsensor besteht aus zwei Glasplatten ohne Elektroden zwischen denen sich ein planar orientierter S B *- oder S E *-Flüssigkristall befindet. Gelangt dieser Sensor in ein elektrisches Feld, so läßt sich die Größe und die Richtung des Feldes mittels des elektroklinen Effektes nachweisen, indem man die Zelle zwischen gekreuzte Polarisatoren bringt oder auch den "guests-host" Modus verwendet.
Für solche Anwendungen ist eine hohe Empfindlichkeit (dR/dE) erforderlich, wie hier bei den höher geordneten Phasen gefunden wurde.

Claims (3)

1. Verwendung von Stoffen oder Stoffgemischen, die eine chirale, orthogonale, höher geordnete smektische Phase, insbesondere eine S B *- oder eine S E *-Phase aufweisen, im Bereich dieser Phase als Anzeige- oder Schaltmedium in elektro-optischen Anzeige- oder Schaltelementen, die auf dem elektroklinen Effekt basieren.
2. Verwendung nach Anspruch 1 in elektro-optischen Anzeige- und Schaltelementen, nämlich
  • elliptischen Polarisatoren
    Lichtmodulatoren in "birefringence mode"
    Lichtmodulatoren in "guests-host mode"
    Grauskalen für Bildschirme und Drucker
    Pulsschneidern
  • Sensoren für elektrische Felder
    Elektrisch gesteuerten Matrices für nichtlinear optische Materialien.
3. Schalt- oder Anzeigeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schalt- oder Anzeigemedium einen Stoff oder ein Stoffgemisch enthält, der oder das im Betriebszustand des Schalt- oder Anzeigeelements in einer chiralen, orthogonalen, höher geordneten smektischen Phase, insbesondere einer S B *- oder einer S E *-Phase vorliegt.
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