DE3787279T2

DE3787279T2 - Vorrichtungen mit einem smektischen flüssigkristall.

Info

Publication number: DE3787279T2
Application number: DE87902581T
Authority: DE
Inventors: Madeline Bradshaw; Edward Raynes
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1986-04-03
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2007-04-02
Also published as: GB8608115D0; JP2575768B2; MY101914A; GB2210468A; US4969719A; HK148594A; EP0301020A1; JPH01500855A; GB8823118D0; CA1281404C; EP0301020B1; DE3787279D1; JPH08101368A; WO1987006021A1; KR0141983B1; KR880701394A; GB2210468B; JP2804908B2

Description

Flüssigkristallvorrichtungen umfassen im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem zwischen zwei Glasplatten oder -wänden eingeschlossenen Flüssigkristallmaterial. Eine dünne transparente Elektrode ist auf der Innenseite der beiden Wände aufgebracht. Die Kombination aus Flüssigkristallschicht, Wänden und Elektrode wird oft als Flüssigkristallzelle bezeichnet. Wenn ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, drehen sich die Flüssigkristallmoleküle im Feld in einen Ein-Zustand. Beim Abschalten des Feldes drehen sich die Moleküle zurück in einen Aus-Zustand, der bestimmt ist durch eine an den Wänden vorm Zusammenbau der Zelle vorgenommene Oberflächenbehandlung und durch den Typ des Flüssigkristallmaterials. Die optischen Transmissionseigenschaften von Ein- und Aus-Zustand sind unterschiedlich. Manche Vorrichtungen benötigen einen oder zwei Polarisatoren und/oder Farbstoffe, um sichtbar zwischen Ein- und Aus-Zustand zu unterscheiden.
Es gibt grob drei verschiedene Arten von Flüssigkristallmaterial, nematisch, cholesterisch und smektisch, die sich durch eine jeweils andere Molekülordnung unterscheiden.
Solche Materialien zeigen eine Flüssigkristallphase nur in einem begrenzten Temperaturbereich zwischen der festen und der isotropen flüssigen Phase. Im Flüssigkristallphasentemperaturbereich kann ein Material eine oder mehrere Phasen des nematischen, cholesterischen oder smektischen Typs aufweisen. Normalerweise wird ein Material so gewählt, daß es nur einen Typ von Flüssigkristallphase in seinem Arbeitstemperaturbereich ausbildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen mit smektischen Flüssigkristallmaterialien.
Es sind Anzeigen hergestellt worden, deren Elektroden auf einer Wand als Zeilen und auf der anderen Wand als Spalten ausgebildet waren. Diese bilden zusammen eine xy-Matrix aus getrennt adressierbaren Elementen auf einer großen Anzeige. Ein Typ Anzeigen benutzt den Ein- und Aus-Zustand, um einen elektrisch schaltbaren optischen Verschluß zu bilden. Ein weiterer Anzeigetyp wird als optische Speichervorrichtung benutzt. Nematisches, cholesterisches und smektisches Flüssigkristallmaterial sind für solche Vorrichtungen benutzt worden. Ein Problem bei vielen Anzeigen ist die zum Umschalten zwischen den beiden Zuständen erforderliche Zeit, d. h. die Reaktionszeit. Für viele Anzeigen wird eine kurze Reaktionszeit benötigt. Ein nematisches Material, angeordnet in einer um 90º verdrehten Struktur hat typischerweise eine Reaktionszeit von 100 Millisekunden.
Vorrichtungen mit smektischen Materialien sind nicht so häufig wie Vorrichtungen mit nematischen oder cholesterischen Materialien verwendet worden. Verfügbare Anzeigevorrichtungen auf der Grundlage smektischer Materialien haben nicht die erforderlichen Eigenschaften. Kürzlich ist jedoch die smektische Ferroelektrizitätseigenschaft mit ihren Kennzeichen des schnellen Schaltens und der Bistabilität wichtig geworden (siehe z. B. N.A. Clark und S.T. Lagerwall, App. Phys. Letters 36 (11) 1980 Seiten 899-901). Es ist bekannt, daß chirale Flüssigkristallmaterialien in einer geneigten smektischen Phase, z. B. S*c, S*i, S*f, S*a, S*j, S*g ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies ist von R.B. Mayer, L. Liebert, L. Strzelecki und P. Keller, J. de Physique (Lett), 36, L-69 (1975) beschrieben worden.
Eine bekannte chirale smektische Flüssigkristallvorrichtung ist in GB-A-2,163,273 beschrieben. Diese liefert ein bistabiles Schalten und eine gleichförmige einbereichige Molekülstruktur durch eine Kombination eines Materials mit einer chiralen smektischen und einer cholesterischen Phase, einer Oberflächenausrichtungsbehandlung und einem langsamen Abkühlen aus der isotropen Phase bei der Herstellung. Die elektrisch geschalteten Molekülrichtungen liegen auf beiden Seiten der Oberflächenausrichtungsrichtung.
Ein Problem beim Gebrauch von Flüssigkristallvorrichtungen als Verschluß ist die Lichtmenge, die in den Zuständen minimaler Transmission durchgelassen wird. So kann eine verdreht nematische Zelle ein Minimum von ungefähr 1% des Lichts durchlassen. Eine Verringerung der minimalen Lichttransmission ist für Verschlußanwendungen höchst wünschenswert. Auch in anderen Anzeigen ist sie zur Kontrastverstärkung nützlich. Ein weiteres Problem bei verdreht nematischen Anzeigen und Verschlüssen ist ihr enger Blickwinkel; von abseits der Anzeigennormalen gesehen kann die angezeigte Information gestört sein.
Idealerweise sollte ein Flüssigkristallverschluß eine schnelle Reaktionszeit und eine sehr niedrige minimale Lichttransmission haben. Für eine digitale Anzeige sollte die Anzeige hohen Kontrast und einen großen Blickwinkel haben.
Die vorliegende Erfindung überwindet einige der o. g. Probleme, um einen schnellen Verschluß mit niedriger minimaler Lichttransmission aufgrund der smektischen Ferroelektrizitätseigenschaft zusammen mit einer sorgfältigen Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle und Polarisatoren und der Auswahl der Flüssigkristallmaterialeigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Eine erfindungsgemäße Flüssigkristallvorrichtung ist in Anspruch 1 definiert.
Die Ausrichtungsrichtungen an den beiden Wänden können parallel in denselben oder in entgegengesetzten Richtungen sein, d. h. parallel oder antiparallel.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigevorrichtung umfaßt die Schritte:
- Bereitstellen zweier durch ein Abstandstück voneinander getrennter Zellwände, die eine Schicht aus einem Flüssigkristallmaterial umschließen, wobei die Wandinnenflächen darauf gebildete Elektrodenstrukturen haben und oberflächenbehandelt sind, um eine homogene Flüssigkristallausrichtung zu erreichen,
- Bereitstellen eines geneigten chiralen smektischen Flüssigkristallmaterials, das eine cholesterische Phase bei einer höheren Temperatur zwischen der chiral smektischen und der isotropen Phase bei einer cholesterischen Schraubensteigung p, die größer als die halbe Schichtdicke d ist, bei einer Temperatur mind. 0,1ºC über einer Übergangstemperatur von cholesterisch nach smektisch und eine signifikante spontane Polarisation Ps in der chiralen smektischen Phase hat,
- Erwärmen des Gemischs in die cholesterische Phase,
- Einführen des Gemischs in den Raum zwischen den Wänden und Versiegeln,
- Abkühlen des Materials in die geneigte chirale smektische Phase,
- Anordnung der Zellwände zwischen zwei Linearpolarisatoren, wobei die Polarisationsachse mindestens eines Polarisators parallel zu einer benachbarten Molekülausrichtungsrichtung ist.
Das Flüssigkristallmaterial kann nur einen Bestandteil oder ein Gemisch von Bestandteilen aufweisen. In dem Material können ein oder mehrere chirale Bestandteile mit linkshändigem cholesterischem Drehsinn mit einem oder mehreren Bestandteilen mit rechtshändigem cholesterischem Drehsinn kombiniert sein. Bei einem solchen Gemisch darf keine der linksdrehenden Komponenten ein Razemat der rechtsdrehenden Komponenten sein. Dieses chirale Gemisch kann selber chiral smektisch sein, oder sie kann als Zusatz zu einem nicht chiralen und /oder razemisch-smektischen Flüssigkristallträgermaterial genutzt werden. Alternativ kann der chirale Bestandteil oder die chiralen Bestandteile den selben cholesterischen Drehsinn haben, vorausgesetzt, daß die cholesterische Schraubensteigung und Ps die obigen Werte haben. Das Material hat die folgenden Phasen: isotrop - cholesterisch (oder nematisch) - smektisch*.
Die smektische Phase hat in Abhängigkeit von der Temperatur mindestens eine der folgenden chiralen smektischen Phasen: C*, I*, F*, J*, E*, K*, H*.
Das p/d-Verhältnis ist groß genug, um zu verhindern daß das Material in seiner cholesterischen Phase um mehr als 3 π verdreht ist, im Idealfall ist die Steigerung e p über dem Phasenübergang von cholesterisch nach smektisch größer als 4d, so daß in der cholesterischen Phase in der Nähe des Übergangs eine Verdrehung um wesentlich weniger als ir auftreten kann. Idealerweise ist dieser Wert von p über die ganze cholesterische Phase hinweg groß, vorzugsweise ist er groß 5ºC über dem chiral-cholesterisch-Übergang.
Die Schraubensteigung in der smektischen Phase ist größer als ein 1 um und vorzugsweise wesentlich größer, z. B. größer als die Schichtdicke. Die Schichtdicke d kann bis zu 15 um betragen.
Chirale smektische Vorrichtungen nach dem Stand der Technik haben eine smektische A-Phase zwischen der cholesterischen und der S*-Phase. Die Ausrichtung wird durch langsames Abkühlen aus der cholesterischen Phase begünstigt. Ohne eine smektische A-Phase war es nicht möglich, einheitliche Ausrichtung zu erzielen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht gute Ausrichtung der Vorrichtung, ohne daß eine SA-Phase vorhanden ist. Dies rührt von der kompensierten oder großen cholesterischen Schraubensteigung in der cholesterischen Phase her.
Der Wert von Ps beträgt mindestens 0,1 und vorzugsweise 1 nC/cm² oder mehr.
Alle chiralen Bestandteile können beträchtliche Werte von Ps mit demselben Vorzeichen haben. Alternativ können ein oder mehrere Bestandteile Ps-Werte mit unterschiedlichen Vorzeichen haben, vorausgesetzt, der Gesamtwert von Ps ist beträchtlich.
Für manche Materialien beträgt die Abkühlrate 0,050 bis 2ºC pro Minute im Bereich ±5ºC um den cholesterisch-smektisch-Phasenübergang. Wenn jedoch die cholesterische Schraubensteigung groß ist, d. h. das Material gut kompensiert ist, oder von Natur aus eine große Steigung aufweist, kann die Vorrichtung so schnell abgekühlt werden, wie dies bequem durchzuführen ist, z. B. mit 20ºC pro Minute oder mehr.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum Anlegen von zwei Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität an Elektrodenstrukturen umfassen, durch die die Moleküle des Gemischs gezwungen werden, in einer von zwei verschiedenen Positionen je nach Polarität der angelegten Spannung zu liegen und zwischen diesen beiden Positionen wechseln, wenn die Polarität geändert wird.
Gemäß dieser Erfindung umfaßt ein Flüssigkristallgemisch zur Verwendung in einer geneigten chiralen smektischen Flüssigkristallvorrichtung ein Material
- mit einer chiralen smektischen Phase bei normalen Betriebstemperaturen der Vorrichtung und einer cholesterischen Phase bei einer erhöhten Temperatur,
- wobei das Gemisch eine cholesterische Schraubensteigung größer als 2d in der cholesterischen Phase bei mindestens 0,1ºC über der cholesterisch-smektisch- Übergangstemperatur und einen beträchtlichen Polarisationskoeffizienten Ps in der smektischen Phase hat.
Vorzugsweise ist die Schraubensteigung in der cholesterischen Phase wesentlich größer als 4 Mikrometer und geht im Idealfall gegen unendlich.
Die Umgebungs- oder Betriebstemperatur der Vorrichtung fällt typischerweise in den Bereich 0º bis 40ºC, obwohl sie beim Gebrauch in Geräten 100ºC erreichen kann.
Das Gemisch kann einen Anteil von pleochroitischem Farbstoff enthalten.
Die Verwendung chiraler Bestandteile in nematischen Flüssigkristallmaterialien ist wohl bekannt. Die Hinzufügung eines chiralen Bestandteils verleiht dem gerichteten nematischen Material eine Verdrehungsrichtung und führt zu einem cholesterischen Material. Die Richtung dieser Verdrehung kann im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, d. h. links- oder rechtsherum sein. Hinzufügen zweier verschiedener chiraler Materialien mit entgegengesetzter Verdrehung kann je nach Zusammensetzung und Temperatur des Gemischs zu verschwindender Verdrehung führen. Manche Verbindungen können sowohl rechts- als auch linksdrehende optische Moleküle haben, diese sind optische Isomere. Wenn die optischen Isomere in gleichen Anteilen vorhanden sind, entsteht ein razemisches Gemisch, das von gewöhnlichen nichtchiralen Flüssigkristallmaterialien nicht unterscheidbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel beschrieben, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Flüssigkristallverschlußsystem für eine Filmkamera ist;
Fig. 2 eine Darstellung einer Vierbuchstaben-Achtsegment-Anzeige ist;
Fig. 3a und b jeweils eine vereinfachte Drauf- bzw. Seitenansicht einer Schicht aus geneigtem chiralem smektischem Flüssigkristallmaterial sind;
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Fig. 3, die zwei Schaltzustände zeigt;
Fig. 5a, b, c, Graphen für die cholesterische Schraubensteigerung in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Gemische darstellen.
Das Verschlußsystem der Fig. 1 umfaßt eine Flüssigkristallzelle 1 zwischen gekreuzten ersten und zweiten Polarisatoren 2, 3, ausgerichtet wie unten beschrieben.
Vor dem ersten Polarisator 2 befindet sich ein Lichtsensor 4, z. B. eine Fotodiode. Die Steuerung der Zelle 1 geschieht durch eine Steuereinheit 5, die Signale von Sensor 4 und Spannung aus einer Spannungsquelle 6, z. B. einer 12-Volt-Batterie, empfängt. Hinter der Zelle 1 ist ein Linsensystem 7, das Licht auf einen fotografischen Film 8 oder einen anderen Detektor fokussiert; die Zelle 1 kann wie später beschrieben zwischen lichtdurchlässigem und undurchsichtigem Zustand geschaltet werden.
Die Zelle 1 umfaßt zwei Glaswände 9, 10, die Filmelektroden 11, 12, z. B. 100 Angström dickes Zinnoxid tragen. Ein Abstandsring 13 dichtet eine Schicht 14 aus Flüssigkristallmaterial zwischen den Wänden 9, 10 ab. In der Schicht verteilte dünne Litzen aus Glasfasern können benutzt werden, um die Genauigkeit des Zellwandabstandung zu verbessern. Eine typische Dicke der Schicht 14 ist 2-12 Mikrometer. Vor dem Zusammenbau werden die Wände 2, 3 oberflächenbehandelt durch Auftragen einer dünnen Schicht aus Polyamid oder Polyimid, Trocknen, und, wenn nötig, Aushärten und anschließend Polieren mit einem weichen Tuch (z. B. Rayon) in einer Richtung R1, R2. Wie gezeigt, sind die Richtungen R1, R2 antiparallel, doch können sie parallel in der selben Richtung sein. Diese bekannte Behandlung ergibt eine Oberflächenausrichtung der Flüssigkristallmoleküle. Die Moleküle richten sich entlang der Reibrichtung R1, R2 aus, unter einem Winkel von ungefähr 20 zur Oberfläche. Alternativ kann SiOx schräg auf die Wände aufgedampft werden, um Ausrichtungen zu erzeugen.
Um so den Film 8 mit einem mit Blitzlicht beleuchteten Bild zu belichten, werden Zelle 1 und Polarisatoren 2, 3, die einen Verschluß bilden, vom Sensor 4 und der Steuereinheit 5 auf- und zugeschaltet, um den Film 8 korrekt zu belichten. Alternativ würde, wenn die Zelle 1 z. B. gebraucht wird, um z. 3. eine Fernsehkameraröhre zu schützen, die Zelle 1 normalerweise im durchlässigen Zustand sein und auf undurchlässig geschaltet werden, wenn das einfallende Licht zu stark für die Röhre ist.
Fig. 2 zeigt eine vierstellige Achtsegmentanzeige 20. Diese umfaßt eine Flüssigkristallzelle mit Elektroden 21, die geformt sind, um eine bekannte Achtsegmentanzeige zu bilden, wie in den britischen Patentschriften Nr. 2 009 219 und 2 031 010 beschrieben. Passende Spannungen werden durch eine Treibersteuerung 22 von einer Batterie 23 geschaltet, um Zahlen von 0 bis 9999 anzuzeigen. Die Anzeige ist aufgebaut wie in Fig. 1, mit einer zwischen zwei Polarisatoren angeordneten Zelle.
Die Digitalanzeige kann durch Reflexion von Umgebungslicht betrachtet werden, in diesem Fall ist ein Reflektor hinter der Anzeige angeordnet. Alternativ kann die Anzeige hintergrundbeleuchtet werden, z. B. durch eine Wolframglühbirne. In manchen Fällen kann der Reflektor teilweise durchlässig sein, so daß die Anzeige sowohl mit reflektiertem als auch mit transmittiertem Licht betrachtet werden kann.
Mit Bezug auf Fig. 3, 4 und 5 wird nun Ausrichten und Schalten der Flüssigkristallschicht beschrieben. Die Schicht 14 des Flüssigkristallmaterials ist ein chirales smektisches Material, z. B. smektisches C*. Ein nichtchirales smektisches Material bildet Mikroschichten 25 senkrecht zur Wand mit senkrecht zur Mikroschicht liegenden Molekülen. Dies ist analog zu Fasern in einer faseroptischen Platte. Chirale smektische Materialien ordnen sich selbst mit den Molekülen 26 in einem kleinen Winkel zur Normalen der Mikroschichten 26, wie in Fig. 3a gezeigt. Die Wandoberflächenausrichtungsbehandlung liefert eine starke Ausrichtung der damit in Kontakt befindlichen Moleküle.
Als Ergebnis richten sich die Moleküle 26 an der Wandoberfläche entlang einer Reibrichtung R aus und die Mikroschichten 25 bilden sich unter einem typischen Winkel von 70º zur Reibrichtung.
Um eine gleichförmige Ausrichtung sowohl der Moleküle 26 als auch der Mikroschichten 25 zu erzielen, ist es notwendig, ein smektisches Material mit einer cholesterischen Phase bei erhöhten Temperaturen zu benutzen. Fig. 5a zeigt die Kurve der cholesterischen Schraubensteigung p in Abhängigkeit von der Temperatur für ein typisches herkömmliches smektisches Material mit cholesterischer Phase. Wenn die Temperatur auf einen Wert in unmittelbarer Nähe des Phasenübergangs von cholesterisch nach smektisch abnimmt, steigt die Steigung p gegen unendlich. Von diesem Übergang entfernt wird die cholesterische Schraubensteigung sehr klein, typischerweise wesentlich kleiner als 1 Mikrometer.
Anzeigen gemäß der vorliegenden Erfindung haben eine große Steigung der cholesterischen Phase bis mindestens 0,1ºC über diesem Phasenübergang. Vorzugsweise umfaßt dieser Bereich 5ºC und erstreckt sich idealerweise über den ganzen cholesterischen Temperaturbereich. Innerhalb dieses Bereiches ist das Minimum von p größer als 4d, wobei d die Schichtdicke ist.
Das obige Material kann auf verschiedenen Wegen erzeugt werden. Z.B. durch Kombinieren eines oder mehrerer linksdrehender chiraler Bestandteile mit einem oder mehreren rechtsdrehenden chiralen Bestandteilen unter der Einschränkung, daß keiner der linksdrehenden Bestandteile Razemat eines rechtsdrehenden Bestandteils sein darf. Ein solches Gemisch kann für sich allein benutzt werden, wenn es die notwendigen smektischen Phasen besitzt. Andernfalls kann das chirale Gemisch einem nichtchiralem oder razemischem Flüssigkristallmaterial, z. B. einem smektischem C-Träger, hinzugefügt werden. Unterschiedliche chirale Bestandteile können unterschiedliche Temperatursteigungskennlinien haben. In diesem Fall ist es nötig, sicherzustellen, daß die resultierende Steigung den erforderlichen Wert im Temperaturbereich oberhalb des cholesterisch-smektisch-Phasenübergangs hat.
Bei Verwendung chiraler Bestandteile mit entgegengesetztem Drehsinn ist es nötig, sicherzustellen, daß das resultierende Gemisch den erforderlichen spontanen Polarisationswert Ps hat. So können alle chiralen Bestandteile unabhängig von ihrem cholesterischen Drehsinn, gleichgerichtete S*-Polarisierungen haben, d. h., ihre Ps addieren sich. Alternativ können einer oder mehrere der chiralen Bestandteile ungleichgerichtete Ps haben, vorausgesetzt, daß die Gesamtpolarisation Ps einen ausreichenden Wert besitzt.
Ein anderer Weg, das obige Material zu erzeugen, ist, einen oder mehrere chirale Bestandteile mit demselben cholesterischen Drehsinn und SPolarisationsrichtung zu benutzen, die die oben aufgefährten Werte der cholesterischen Steigung einhalten. Ein solches Gemisch kann allein oder in Verbindung mit einem nichtchiralem oder razemischen Flüssigkristallmaterial, z. B. einem Sc-Träger verwendet werden.
Ein Ergebnis der großen Steigung in der cholesterischen Phase ist, daß das Material in die S*c-Phase mit gleichförmiger Ausrichtung aufgrund der Behandlung der Zellwände auskühlt. Das Ergebnis ist Ausrichtung wie in Fig. 3.
Die Schraubensteigung in der smektischen Phase ist auf mehr als 1 Mikrometer und vorzugsweise auf einen wesentlich größeren Wert eingestellt.
Die Kompensation der Steigung in der cholesterischen Phase ist in den Figuren 5(a), (b), (c) inustriert. Fig. 5(a) zeigt die cholesterische Schraubensteigung in Abhängigkeit von der Temperatur für nicht kompensiertes Material mit einem Übergang cholesterisch - smektisch. Bei diesem Übergang geht die Steigung gegen unendlich. Das in Fig. 5(b) gezeigte kompensierte Material zeigt einen Steigungsanstieg wenige Grade über der Übergangstemperatur, und darunter eine Steigungsverringerung. Durch passende Wahl der Materialien kann erreicht werden, daß diese Steigungszunahme noch näher an der Übergangstemperatur auftritt, wie in Fig. 5(c) gezeigt, doch scheinen ein paar Grad Unterschied das Endergebnis nicht zu beeinflussen. Manche Materialen, z. B. in den nachfolgenden Beispielen 4 und 5, zeigen Eigenschaften großer cholesterischer Schraubensteigung im ganzen cholestrischen Temperaturbereich mit einem einzigen chiralen Dotierzusatz. Dies sind von sich aus gut geeignete Materialien, wie in Fig. 5(c), ohne die Notwendigkeit der Kompensation, wie in Fig. 5(b).
Um die gleichförmige Ausrichtung der Fig. 3 zu erreichen, wird das Flüssigkristallmaterial in der Zelle auf ungefähr 5ºC über den Phasenübergang smektisch nach cholesterisch aufgeheizt. Dann wird es mit einer typischen Geschwindigkeit von ungefähr 0,05º bis 0,2ºC pro Minute in einem Bereich von ±5ºC um den Übergang abgekühlt. In manchen Fällen unterstützt das Anlegen einer Gleichspannung, z. B. 10 Volt mit geeigneter Polarität den Erhalt gleichförmiger Ausrichtung während des Abkühlens. Zusätzlich kann ein Material nach Abkühlen in die smektische Phase langsam bis gerade in die cholesterische Phase aufgeheizt werden und ab dann wieder gekühlt werden, während ein geeigneter Spannungspuls aufrechterhalten wird. Wenn die gleichförmige Ausrichtung der Fig. 3 erhalten ist, ist die Zelle 1 betriebsbereit. Flüssigkristallmoleküle nehmen in Abhängigkeit von der Polarität einer angelegten Spannung eine von zwei Ausrichtungsrichtungen D1, D2 an. Eine typische Spannung ist ± 10 Volt. Diese zwei Stellungen sind in Fig. 4 durch volle (D1) und gestrichelte Linien (D2) dargestellt. Bei dieser Erfindung ist, was nicht bei allen chiralen smektischen Anzeigen notwendigerweise der Fall ist, eine der beiden Ausrichtungen D bei angelegtem Feld auch der Aus-Zustand. Schnelles Umschalten zwischen den beiden Zuständen, wenn die Gleichspannungspulse angelegt werden, geschieht aufgrund der smektischen ferroelektrischen Eigenschaft des Materials. Typischerweise kann die Zelle zwischen D1 und D2 in ungefähr 0,5 bis 1 Millisekunden umgeschaltet werden. Die beiden verschiedenen Richtungen D1, D2 stellen zwei unterschiedliche Richtungen von Ps dar, die oft Auf- und Abrichtung genannt werden. Diese beiden Richtungen D1, D2 können in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung ungefähr 45º auseinander liegen.
Der Polarisator 2 oder 3 ist vorzugsweise entlang der Richtung D ausgerichtet, die sich von der Richtung R geringfügig unterscheiden kann.
Wegen der starken molekularen Ausrichtung zwischen den gekreuzten Polarisatoren 2 und 3 wird weniger als ungefähr 0,01% des Lichts durch den aus der Zelle 1 und den Polarisatoren 2, 3 gebildeten Verschluß durchgelassen, wenn die Aus-Spannung anliegt, d. h. im in Fig. 4 mit durchgezogenen Linien dargestellten Zustand. Im Ab-Zustand ist der Verschluß hochdurchlässig. Dies macht die erfindungsgemäße Zelle sehr geeignet für Verschlußsysteme. Auch der Kontrast zwischen Auf- und Ab-Zuständen liefert verbesserte 8-Segmentanzeigen wie in Fig. 2. Zusätzlich hat die Anzeige einen großen Blickwinkel.
Wenn ungefähr 1% dichroitischer Farbstoff zum Flüssigkristallmaterial 14 hinzugefügt ist, wird nur ein parallel oder senkrecht zu einer der Richtungen D1 oder D2 ausgerichteter Polarisator benötigt. Ein Beispiel für einen solchen Farbstoff ist derjenige mit der BDH-Farbstoffkatalognummer D1, D2, erhältlich von BDH, Poole, England. In diesem Fall ist der Winkel zwischen D1 und D2 vorzugsweise ungefähr 90º.
Beispiel für Materialien:
Gemische können unter Verwendung der folgenden Bestandteile zubereitet werden: Chirale Bestandteile wie beschrieben in der GB-Patentanmeldung Nr. 8520715. Code Absolute Konfiguration der chiralen Gruppe(n) Cholesterischer Drehsinn Richtung der spontanen Polarisation Nichtchirale Materialien wie in der GB-Patentanmeldung Nr. 852O715. Razemische Materialien

Sc-Trägergemische

Code Zusammensetzung
H1:- M1 + M2 + M3 (1 : 1 : 1)
H2:- M2 + M3 + R1 (1 : 1 : 1)
H3:- M1 + M6 + M4 (1 : 1 : 1)
H1:- M2 + M3 + M5 (1 : 1 : 1)

Beispiel 1

CM13:- 90% (90% H4 + 10% M7) + 10% (49% CC1 + 51% CC4)
Isotrop 1350, cholesterisch 32,3º S*c - 15ºS?.
S? bezeichnet eine unbekannte smektische Phase.
In einer 6-um-Zelle wurde ein unverdrehter Zustand bis hin zu ungefähr 10ºC über der Phasenübergangstemperatur smektisch A nach cholesterisch erhalten. Bei 30ºC betrug die spontane Polarisation des Gemischs 3,4 nC/cm² und der Neigungswinkel (d. h. der halbe Kegelwinkel) betrug 21º.

Beispiel 2

CM15:- 15,9% (31,4% CC9 + 68,6% CC4) + 94,1% H1.
Isotrop 135º, cholesterisch 56,1º Sc*, 20º fest.
In einer 6-um-Zelle blieb ein π-verdrehter Zustand innerhalb weniger Celsiusgrade oberhalb des Übergangs smektisch C* nach cholesterisch erhalten. Die Ausrichtung nach anfänglichem Abkühlen in die S*c-Phase war schlecht, jedoch konnte durch Anlegen einer Rechteckspannung mit ungefähr 20 Volt Amplitude und 10 Hertz unverdrehte Ausrichtung in der smektischen C*-Phase induziert werden. Wiederaufheizen bis gerade in die cholesterische Phase und Abkühlen in einem Gleichspannungsfeld mit passendem Vorzeichen ergab dann die erwünschte Ausrichtung.
Bei 50ºC und 30ºC beträgt die spontane Polarisation des Gemischs 2 nC/cm² bzw. 6,2 nC/cm².

Beispiel 3

Chiraler Bestandteil mit einzigem cholesterischen Drehsinn und S-Träger.
LPC6:- 0,5% CC +99,5% (95% H4 + 5% M7)
Isotrop 1520 cholesterisch 76,8º S*c < OS?
In einer 6-um-Zelle kann ein unverdrehter Zustand bis 0,2ºC über der Übergangstemperatur smektisch C* nach cholesterisch erreicht werden.

Beispiel 4

UCM30:- 92,5% (85% H4 + 15% M7) + 7,5% CC12
Isotrop 155,8ºC, cholesterisch 60,5ºC, S*c 15º S?.
Die Abhängigkeit der cholesterischen Schraubensteigung von der Temperatur ist ähnlich der in Fig. 5(c) gezeigten. Ps=4,4 nC/cm² bei 50,5ºC und 8,4 nC/cm² bei 25ºC. In einer 6,2 um dicken Zelle kann ein unverdrehter Zustand bei ungefähr 7ºC über der Phasenübergangstemperatur S*c nach cholesterisch erreicht werden.

Beispiel 5

LPM13:- 72,5% H1 + 25% M7 + 2,5% CC13
Isotrop 118º, cholesterisch 56,3º chiral-smektisch
Ps=10 nC/cm² bei 20ºC und 5 nC/cm² bei 46ºC.
Dieses Material zeigt keine Verdrehung in der cholesterischen Phase.

Claims

1. Flüssigkristallvorrichtung, die geeignet ist, in zwei Zustände geschaltet zu werden, mit

- einer Schicht (14) aus geneigtem chiralem smektischem Flüssigkristallmaterial zwischen zwei Zellwänden (9, 10), die jeweils Elektroden (11, 12) tragen und oberflächenbehandelt sind, um den Flüssigkristallmolekülen eine homogene Ausrichtung zu verleihen, wobei die Ausrichtungsrichtungen (R&sub1;, R&sub2;) parallel oder nahezu parallel sind,

- wobei die Zellwände (9, 10) und die Schicht (14) zwischen zwei Polarisatoren (2, 3) angeordnet sind, wobei die optische Achse eines Polarisators (2) gekreuzt zur optischen Achse des anderen Polarisators (3) liegt, dadurch gekennzeichnet daß

die optische Achse eines Polarisators im wesentlichen parallel zu der Ausrichtungsrichtung einer der Zellwände (9; 10) (R&sub1; oder R&sub2;) ist, daß das Flüssigkristallmaterial (14) eine geneigte chirale smektische Phase bei normalen Arbeitstemperaturen der Vorrichtung und eine cholesterische Phase bei einer höheren Temperatur hat, wobei die cholesterische Schraubensteigung mindestens gleich der Schichtdicke in der cholesterischen Phase bei mindestens 0,1ºC oberhalb der Übergangstemperatur von cholesterisch nach smektisch ist, und wobei das Flüssigkristallmaterial (14) einen spontanen Polarisationskoeffizienten > 0,1 nC/cm² besitzt und mit zunehmender Temperatur folgende Phasen aufweist: chiral smektisch - cholesterisch - isotrop.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (6) zum Anlegen von Gleichspannungspulsen geeigneter Polarität an die Elektroden (11, 12) zum Umschalten des Zustands der Vorrichtung zwischen lichtdurchlässigem und undurchlässigem Zustand, Mittel (4) zum Messen von auf die Vorrichtung fallendem Licht, und Mittel (5) zum Schalten der Vorrichtung in einen lichtundurchlässigen Zustand, wenn das gemessene Licht einen festgelegten Wert überschreitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtungsrichtung (R&sub1;, R&sub2;) an den Zellwänden (9, 10) ungefähr parallel und in der gleichen Richtung verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient der gesamten spontanen Polarisation Ps größer als 1,0 nC/cm² ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die smektische Schraubensteigung größer als 1 Mikrometer ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die smektische Schraubensteigung größer als die Schichtdicke der Flüssigkristallschicht (14) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Flüssigkristallschicht (14) kleiner als 15 Mikrometer ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die cholesterische Schraubensteigung p größer als 2d in der cholesterischen Phase bei mindestens 0,1ºC über dem Phasenübergang cholesterisch nach smektisch ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die cholesterische Schraubensteigung p größer als 4d in der cholesterischen Phase bei mindestens 0,1ºC über dem Phasenübergang cholesterisch nach smektisch ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Flüssigkristallrichtungen (D1, D2) in ihren zwei geschalteten Zuständen ungefähr 45º ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11, 12) geformt sind, um digitale Werte (21) anzuzeigen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich gekennzeichnet durch einen Reflektor zum Zurückreflektieren von Umgebungslicht durch die Flüssigkristallschicht (14) und die Polarisatoren (2, 3).