DE3784388T2

DE3784388T2 - Fluessigkristallzelle.

Info

Publication number: DE3784388T2
Application number: DE8787305552T
Authority: DE
Inventors: Matthew Francis Bone; Anthony Bernard Davey
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1987-06-23
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2007-06-24
Also published as: GB2192290B; GB8713912D0; DE3784388D1; GB8616165D0; EP0251639A1; GB2192290A; JPS6371835A; EP0251639B1; US4852978A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristallzellen und insbesondere auf Zellen mit ferroelektrischen Flüssigkristallfüllungen.
Flüssigkristalle wurden in einer Anzahl von unterschiedlichen Betriebsarten verwendet, um Anzeigeeffekte zu erzeugen. Diese Betriebsarten können in zwei Klassen unterteilt werden: Feldeffekt-Betriebsarten und Betriebsarten, die eine elektrohydrodynamische Instabilität beinhalten. Eine elektrohydrodynamische Instabilität in einem nematischen Flüssigkristall erzeugt eine Streutextur, und sie ist im wesentlichen flüchtig insofern, als die Instabilität aufhört, wenn die elektrische Ansteuerung entfernt wird, wobei zu diesem Zeitpunkt die nematische Flüssigkristallschicht sich zurück in einen nicht streuenden (transparenten) Zustand entspannt. Nematische Flüssigkristalle können auch in einer Feldeffektbetriebsart betrieben werden, die in gleicher Weise flüchtig ist, die jedoch den Vorteil von wesentlich kleineren Betriebsströmen aufweist. Typischerweise ändert der Feldeffekt die Ausbreitung von Licht durch die Flüssigkristallschicht in einer Weise, die die Verwendung von zumindestens einem Polarisator erfordert, um einen optischen Kontrast zu erzeugen. In diesem Fall ist der Kontrast nicht zwischen einem streuenden und einem transparenten Zustand, sondern zwischen einem optisch dämpfenden (typischerweise schwarzen) und einem transparenten Zustand. Für manche Anwendungen stellt die Verwendung von Polarisatoren entweder einen Nachteil dar oder sie kann nicht hingenommen werden. Ein Beispiel einer Feldeffekt-Betriebsart, die keine Verwendung von Polarisatoren erfordert und die einen optischen Streueffekt hervorruft, ist in der GB-Patentschrift 1 543 599 beschrieben, doch ist auch dies eine flüchtige Anzeige. Nicht-flüchtige (bistabile) Anzeigebetriebsarten sind unter Verwendung von smektischen Flüssigkristallmaterialien erzielbar. Eine bistabile Feldeffekt-Betriebsart ist beispielsweise in der GB-A-2 166 256 beschrieben und verwendet ein ferroelektrisches smektisches I*- oder F*-Material. Hierbei ändert die Betriebsart-Umschaltung zwischen den beiden Zuständen die optische Ausbreitung in einer Weise, die die Verwendung von zumindestens einem Polarisator erfordert, um einen optischen Kontrast zwischen stark dämpfenden Bereichen und anderen weniger dämpfenden Bereichen zu erzeugen. Die bistabile Betriebsart, die in der GB-Patentschrift 1 577 199 beschrieben ist, verwendet ein smektisches A-Material. Bei dieser Betriebsart wird eine elektrohydrodynamische Streuung und deren Löschung bewirkt, und zwar entweder in einer Weise, die eine Entspannung in einen nicht streuenden geordneten stabilen Zustand hervorruft, der transparent ist, oder in einer Weise, die eine Entspannung in einen fokalkonischen Zustand hervorruft, der optisch streuend ist. Ein Nachteil dieser Betriebsart besteht darin, daß sie die Verwendung von relativ großen Ansteuerspannungen verglichen mit denen voraussetzt, die zur Ansteuerung ferroelektrischer Betriebsarten erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Flüssigkristallzelle vom Streubetriebsarttyp, die ähnlich wie die in der GB-Patentschrift 1 543 599 beschriebene Betriebsart nicht auf der Induzierung elektrodynamischer Effekte zur Erzielung einer Streuung beruht, jedoch anders als die flüchtige Feldeffektbetriebsart dieser Patentschrift entweder eine echte Bistabilität oder einen quasi-stabilen Zustand aufweist, der eine lange Entspannungs- oder Relaxationsperiode aufweist, wobei die Flüssigkristallzelle durch kleinere Spannungen schaltbar ist, als diese typischerweise für den Betrieb einer smektischen A-Zelle des Typs erforderlich sind, wie er in der GB-Patentschrift 1 557 199 beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Flüssigkristallzelle geschaffen, deren optisch aktives Medium durch eine Schicht aus ferroelektrischem smektischem Flüssigkristallmaterial gebildet ist, das zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen von zwei mit Elektroden versehenen Substraten (14,15) eingeschichtet ist, wobei diese Oberflächen eine eine planare Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle fördernde Struktur (11,12) aufweisen und das Flüssigkristallmaterial elektrisch zwischen zwei Zuständen schaltbar ist, die optisch unterschiedlich sind, worin einer der beiden Zustände ein optisch nicht streuender Zustand ist, der stabil oder quasi-stabil mit einer Relaxationsperiode von mehr als 1 Sekunde ist, während der andere der beiden Zustände ebenfalls stabil ist, und wobei die Flüssigkristallzelle dadurch gekennzeichnet ist, daß, um sicherzustellen, daß der andere Zustand ein optisch streuender Zustand ist, das Flüssigkristallmaterial eine natürliche Schraubenlinien-Steigungslänge im Bereich von ungefähr 0,3 um bis 0,5 um aufweist, und daß die Dicke der Flüssigkristallschicht im Bereich von 5 um bis zu ungefähr 12 um liegt.
Es folgt eine Beschreibung einer Flüssigkristallzelle, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Zeichnung, die eine schematische perspektivische Ansicht der Zelle zeigt.
Wie aus der beigefügten Zeichnung zu erkennen ist, wird ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse oder eine Umhüllung für eine Flüssigkristallschicht dadurch gebildet, daß zwei Glasplatten 11 und 12 so mit einer Umfangsdichtung 13 aneinander befestigt werden. Die nach innen gerichteten Oberflächen der beiden Platten tragen transparente Elektrodenschichten 14 und 15 aus Indium-Zinnoxid, und jede dieser Elektrodenschichten ist innerhalb der Anzeigefläche mit einer (nicht gezeigten) Oberflächenschicht bedeckt, die eine homogene Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle hervorruft, die mit dieser Schicht in Berührung stehen. Vorzugsweise ist die Oberflächenschicht derart, daß sie eine zufällig gerichtete planare Ausrichtung fördert, und sie kann beispielsweise eine Dialkoxysilan-Schicht wie z.B. (C&sub5;H&sub1;&sub1;)Si(O(C&sub2;H&sub5;))&sub2;, oder eine ungeriebene Polymerschicht, beispielsweise aus Nylon-PET (Polyäthylenterephthalat) oder PVA (Polyvinylalkohol) sein. Eine planare Ausrichtung in einer gewählten Richtung kann verwendet werden, doch wird allgemein bevorzugt, eine zufällig gerichtete planare Ausrichtung zu verwenden, weil deren Streukraft nicht von der Azimuthrichtung abhängt.
Bevor die eine planare Ausrichtung hervorrufenden Oberflächenschichten aufgebracht werden, werden die Elektrodenschichten 14 und 15 in der erforderlichen Weise mit einem Muster versehen, um die benötigten Anzeigeformen zu erzeugen. Im Fall einer matrixadressierten Anzeige ist jede Elektrodenschicht mit einem derartigen Muster versehen, daß ein Satz von (nicht gezeigten) Streifenelektroden gebildet wird, die sich einzeln über die Anzeigefläche und nach außen über die Umfangsdichtung hinaus erstrecken, um Kontaktbereiche zu bilden, mit denen eine Anschlußverbindung hergestellt werden kann.
Bei der zusammengebauten Zelle erstrecken sich die Elektrodenstreifen der Schicht 14 quer zu jenen der Schicht 15, so daß ein Pixel an jedem Elementenbereich gebildet wird, an dem sich ein Elektrodenstreifen der Schicht 15 mit einem Elektrodenstreifen der Schicht 14 überlappt. Die Dicke der in dem resultierenden Gehäuse oder der Umhüllung enthaltenen Flüssigkristallschicht ist durch die Dicke der Umfangsdichtung bestimmt, und eine Kontrolle über die Genauigkeit dieser Dicke kann durch eine Lichtstreuung von kurzen Längen von (nicht gezeigten) Glasfasern mit gleichförmigem Durchmesser erzielt werden, die in dem Material der Umfangsdichtung verteilt sind, um die Zusammenführung der beiden Glasplatten 11 und 12 an einem Abstand von einem Faserdurchmesser zu stoppen. Die Zelle wird zweckmäßigerweise dadurch gefüllt, daß ein Vakuum an eine (nicht gezeigte) Öffnung durch eine der Glasplatten in einer Ecke des von der Umfangsdichtung umschlossenen Bereiches angelegt wird, so daß ein Eintritt des Flüssigkristallmediums in die Zelle über eine zweite (nicht gezeigte) Öffnung in der diagonal gegenüberliegenden Ecke hervorgerufen wird. Der Füllvorgang wird durchgeführt, während das Flüssigkristall-Füllmaterial auf seine isotrope Phase erwärmt ist, so daß die Viskosität dieses Materials auf einen geeignet niedrigen Wert verringert wird. Nach dem Füllvorgang werden die beiden Öffnungen verschlossen.
Typischerweise beträgt die Dicke der Umfangsdichtung 13 und damit die der Flüssigkristallschicht ungefähr 5 um, doch können kleinere oder größere Schichtdicken erforderlich sein, um eine Anpassung an bestimmte Anwendungen zu erzielen.
Ein Beispiel einer geeigneten ferroelektrischen Flüssigkristall- Füllungsverbindung für die Zelle ist Chiralester-S-Äthyl 2-(4-Nonyloxy-4'-Biphenyloyloxy 1''-Phenyl-4'' Carboxyloxy) Propanoat
oder beispielsweise das Octyloxy-Homolog anstelle des Nonyloxy- Homologes. In der smektischen C*-Phase weisen diese Materialien eine natürliche Schraubenlinien-Steigung von ungefähr 0,3 - 0,5 um auf, was beträchtlich kürzer als die Steigung vieler der Materialien ist, über die berichtet wurde und die eine smektische C*-Phase aufweisen, wie z.B. Chiralester, das von BDH unter der Bezeichnung CE8 vertrieben wird, oder DOBAMBC, die typischerweise Steigungslängen von ungefähr 3 um aufweisen. Es ist die kurze Steigungslänge, die vergleichbar mit der Wellenlänge von sichtbarem Licht ist, die die selektive Reflexion von Licht und damit das Erscheinen einer lichtstreuenden Textur hervorruft.
Nachdem die Zelle gefüllt wurde, wird sie mit relativ hoher Geschwindigkeit, typischerweise in der Größenordnung von 10ºC/min abgekühlt, um eine Bereichsstruktur mit Bereichen oder Domänen zu erzeugen, die verglichen mit 1 mm² klein sind. Diese Struktur ist im sichtbaren Wellenbereich lichtstreuend (eine langsamere Abkühlung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von nur 0,2ºC/min erzeugt Bereiche von ungefähr 1 mm² an Fläche und infolgedessen mit einer wesentlich beeinträchtigten Streutextur).
Bei einer Reihe von Versuchen, die an einer Versuchszelle durchgeführt wurden, wobei eine Rechteckschwingungsspannung an den Satz von Elektroden 14 angelegt wurde, während der andere Satz von Elektroden (Elektrodensatz 15) auf dem Mittelspannungspegel der Rechteckschwingung gehalten wurde, wurde festgestellt, daß bei einer 5kHz-Rechteckschwingung das erste Zeichen des Beginns des Verschwindens des Streuzustandes bei einer Spitzen- Spitzen-Spannung von ungefähr 14 Volt auftrat, und daß zu dem Zeitpunkt, zu dem diese Spannung auf ungefähr 20 Volt erhöht wurde, die Streutextur vollständig verschwunden war. Entsprechende Werte für eine 2kHz-Schwingung sind 6,8 Volt bzw. 12 Volt, während die für eine 1kHz-Rechteckschwingung 3,2 Volt bzw. 6,4 Volt sind.
Wenn die Flüssigkristallschicht eine geeignete Dicke aufweist, die typischerweise im Bereich von ungefähr 5 um bis ungefähr 12 um liegt, wird ein Pixel durch Anlegen eines einzelnen Impulses in den klaren Zustand geschaltet, und es bleibt in diesem Zustand im wesentlichen unbegrenzt. Im Fall einer etwas dickeren Zelle wurde eine vollständige Bistabilität nicht beobachtet, und statt dessen bleibt das Pixel für eine Sekunde oder mehr klar, bevor eine Relaxation oder Entspannung zurück in den streuenden Zustand bemerkbar wird. Bei noch größeren Dicken wird die Relaxation schneller.
Wenn jedoch das durch die Spannung hervorgerufene Schalten des Pixels in den klaren Zustand nicht abrupt beendet wird, sondern wenn die Spannung langsam reduziert wird, beispielsweise durch Drehen des Drehknopfes eines Drehwiderstandes, so kehrt das Pixel bei der Verringerung der Spannung an irgendeinem Punkt während des Zurückdrehens des Drehwiderstandes in den Streuzustand zurück.
Als weiteres Beispiel wurden Versuche auch an einer Dreikomponenten-Mischung mit:
in den Gewichtsprozent-Proportionen 44:45:11 durchgeführt. Die Mischung wird aus Bestandteilen gebildet, die alle die gleiche Gängigkeit, d.h. in diesem Fall Linksgängigkeit aufweisen, um die Mischung mit einer kurzen natürlichen Steigungslänge zu versehen. Der Anteil der Cyan-Verbindung war kleiner als der der anderen, um Löslichkeitsprobleme zu vermeiden. Die SC-SA-Übergangstemperatur betrug 82,6ºC und die SA-Isotropie-Übergangstemperatur betrug 131ºC.

Claims

1. Flüssigkristallzelle, deren optisch aktives Medium durch eine Schicht aus ferroelektischem smektischem Flüssigkristallmaterial gebildet ist, das zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen von zwei mit Elektroden versehenen Substraten (14,15) eingeschichtet ist, wobei diese Oberflächen eine eine planare Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle fördernde Struktur (11,12) aufweisen und das Flüssigkristallmaterial elektrisch zwischen zwei Zuständen schaltbar ist, die optisch unterschiedlich sind, worin einer der beiden Zustände ein optisch nicht streuender Zustand ist, der stabil oder quasistabil mit einer Relaxationsperiode von mehr als einer Sekunde ist, während der andere der beiden Zustände ebenfalls stabil ist, dadurch gekennzeichnet, daß, um sicherzustellen, daß der andere Zustand ein optisch streuender Zustand ist, das Flüssigkristallmaterial eine natürliche Schraubenlinien-Steigungslänge im Bereich von ungefähr 0,3 um bis 0,5 um aufweist, und daß die Dicke der Flüssigkristallschicht im Bereich von 5 um bis zu ungefähr 12 um liegt.

2. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen, die die Flüssigkristallschicht begrenzen, eine zufällig ausgerichtete planare Ausrichtung an ihren Hauptoberflächen fördern.