DE3929113A1

DE3929113A1 - Fluessigkristall-lichtmodulationsvorrichtung

Info

Publication number: DE3929113A1
Application number: DE3929113A
Authority: DE
Inventors: Makoto Yoneya; Katsumi Kondo; Tetsuya Ohashi; Motomi Odamura; Teruo Kitamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1990-03-15
Also published as: US5061045A; KR900005211A; JPH0267519A; KR0144680B1; DE3929113C2; JP2523811B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung, in der eine ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung verwendet wird, und insbesondere eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung, die für Anzeigevorrichtungen, deren optische Eigenschaften elektrisch kontrolliert werden, geeignet ist.

Bekannt ist eine Vorrichtung, in der der Kontrast durch den Guest-Host-Effekt, d. h. durch Einbringen eines Farbstoffs, hervorgerufen wird. In dieser Vorrichtung wird ein Flüssigkristallmaterial verwendet, das direkt von der nematischen N*-Phase zur smektischen Sc*-Phase wechselt und eine starke Neigung hat. Diese ferroelektrische Flüssigkristallanzeigevorrichtung hat Speichereigenschaften mit einer Zelle großer Dicke (die Dicke der Flüssigkristallschicht zwischen den beiden Substraten) und kann leicht in großen Mengen hergestellt werden (JP-A-62-27 721).

Bei dieser Vorrichtung treten jedoch Probleme bei der Anzeigequalität auf, insbesondere ist es schwierig, das Kontrastverhältnis zu erhöhen. In bekannten Vorrichtungen wird wegen der großen Neigung des Flüssigkristallmaterials der Guest-Host-Effekt, bei dem ein Farbstoff als "Guest" eingebracht wird, als Mittel zur Verleihung des Kontrasts eingesetzt. Zur Erhöhung des Kontrastverhältnisses in diesen Guest-Host-Vorrichtungen wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Konzentration des einzubringenden Farbstoffs oder die Zelldicke zu erhöhen. Diese Verfahren haben jedoch verschiedene Nachteile: Die Farbstoffkonzentration kann wegen der Verschlechterung des Flüssigkristallmaterials nicht sehr erhöht werden, bei der Erhöhung der Zelldicke bringt die Erhöhung der Steuerspannung oder die Verminderung der Ansprechzeit Probleme. Deshalb ist es bei diesen Guest-Host-Vorrichtungen schwierig, ein höheres Kontrastverhältnis als beispielsweise 10 zu erhalten.

Zusätzlich zum Guest-Host-Effekt wurde die Doppelbrechung unter Verwendung von zwei Polarisationsplatten zur Verleihung von hohem Kontrast an Flüssigkristallvorrichtungen eingesetzt. Mit diesem Verfahren kann unter Verwendung eines Flüssigkristallmaterials mit einem geringen Neigungswinkel (theoretisch 22,5° als Optimalwert) leicht ein Kontrastverhältnis von beispielsweise 10 oder mehr erreicht werden, was mehr ist, als mit dem Guest-Host-Effekt allein.

In herkömmlichen Doppelbrechungsverfahren jedoch muß die Zelldicke auf etwa 1 bis 2 µm gesenkt werden, damit eine Anzeige mit einem hohen Kontrastverhältnis von Weiß zu Schwarz erreicht werden kann. Dabei entsteht das Problem, daß eingebrachter Staub die oberen und unteren Elektroden kurzschließen kann und daß die Herstellung der Vorrichtung deshalb schwierig ist. Außerdem bringt bei einer derart dünnen Zelle die Anwesenheit einer nur geringen Unebenheit im Spalt Unregelmäßigkeiten in der Dichte und der Farbe, so daß es sehr schwer ist, eine einheitliche Anzeige zu erhalten.

Andererseits wurde zur Verringerung von Farbunregelmäßigkeiten bei Verwendung der Doppelbrechung vorgeschlagen, eine in Richtung der Zelldicke verdrillte Molekülstruktur eines ferroelektrischen Flüssigkristalls zu verwenden, die durch Verdrillen der Reibrichtung des oberen und unteren Substrats stabilisiert ist und hell durch die verdrillte Struktur erscheint, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, und einheitlich dunkel bei Anlegen eines elektrischen Feldes angezeigt wird (JP-A-62-50 735).

Diese Vorrichtung hat jedoch keine Speichereigenschaften, Matrixelektroden können zur Anzeige nicht eingesetzt werden.

In herkömmlichen Verfahren ist es somit nicht möglich, mit einer dicken Zelle (3 µm oder darüber) einen stabilen Speicher zu entwickeln und eine einheitliche Anzeige mit sowohl hohem Kontrastverhältnis als auch hohem Schwarz-Weiß-Kontrast zu erhalten, die außerdem auch leicht herstellbar ist.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine ferroelektrische Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung anzugeben, die einen stabilen Speicher aufweist und sowohl ein hohes Kontrastverhältnis als auch einen hohen Schwarz-Weiß-Kontrast in Verbindung mit einer dicken Zelle (3 µm oder mehr) aufweist.

Die Aufgabe wird gemäß Hauptanspruch gelöst, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung hat eine Zelle mit

- einem Paar Substraten, wovon mindestens eines durchsichtig ist, die Elektroden aufweisen und von einem Abstandshalter einander gegenübergehalten werden,
- einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht, die in der Zelle eingeschlossen ist und Phasenübergänge aufweist, bei denen die nematische Phase (N*-Phase) oder isotrope Phase (I-Phase) auf der höheren Temperaturseite der ferroelektrischen Phase (smektische C*- oder Sc*-Phase) auftritt, und
- zwei Polarisationsplatten auf beiden Seiten der Zelle,

wobei die Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und einem der Substrate schwächer fixiert sind als an der anderen Grenzfläche, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die schwächer fixierten Flüssigkristallmoleküle so fixiert sind, daß eine Inversion der spontanen Polarisation bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallschicht über die Elektroden erfolgt und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der anderen Grenzfläche durch die Inversion der spontane Polarisation entweder

(a) fast parallel zueinander oder
(b) zueinander gekreuzt sind.

Die beiden Polarisationsplatten, die sich auf beiden Seiten der Zelle befinden, sind so angeordnet, daß die Lichtdurchlässigkeit im Zustand (a) geringer als im Zustand (b) ist.

Die Erfindung betrifft auch eine Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Zelle mit

- einem Paar Substraten, wovon mindestens eines durchsichtig ist, die Elektroden aufweisen und von einem Abstandshalter einander gegenübergehalten werden,
- einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht, die in der Zelle eingeschlossen ist und Phasenübergänge aufweist, bei denen die nematische Phase (N*-Phase) oder isotrope Phase (I-Phase) auf der höheren Temperaturseite der ferroelektrischen Phase (smektische C*- oder Sc*-Phase) auftritt, und
- zwei Polarisationsplatten auf beiden Seiten der Zelle,
- Vorrichtungen zum Anlegen eines gegebenen elektrischen Feldes an bestimmte Bildelemente in der Flüssigkristallschicht über die Elektroden,

wobei die Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und einem der Substrate schwächer fixiert sind als an der anderen Grenzfläche, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die schwächer fixierten Flüssigkristallmoleküle so fixiert sind, daß eine Inversion der spontanen Polarisation bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallschicht über die Elektroden erfolgt und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der anderen Grenzfläche durch die Inversion der spontanen Polarisation entweder

(a) fast parallel zueinander oder
(b) zueinander gekreuzt sind.

Die Erfindung wird durch die Abbildungen erläutert, es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das den Orientierungszustand der Flüssigkristallmoleküle und die spontane Polarisation in der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erklärt;

Fig. 2 das Verhältnis von Eigenschaftswerten und Verformungszustand;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 das Verhältnis von Neigungswinkel R, Anisotropie des Brechungsindex n ∥-n _⟂ und der optimalen Zelldicke d; und

Fig. 5(a) die Herstellung einer Matrix und

Fig. 5(b) die Steuerungswellen.

In der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist eine ferroelektrische Flüssigkristallschicht 10 zwischen zwei durchsichtigen Substraten 20 und 20′ mit Elektroden 13 und 13′ eingeschlossen. Ein Abstandshalter (nicht dargestellt) befindet sich zwischen den Substraten 20 und 20′, um die ein Dichtungsmittel (nicht dargestellt) gebildet wird, um die Flüssigkristallschicht nach außen zu isolieren.

An der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Flüssigkristallschicht wird ein Orientierungskontrollfilm (nicht dargestellt) aufgebracht und gerieben. Auf der oberen und unteren Seite der Zelle aus Flüssigkristallschicht 10, Elektroden 13 und 13′ und Substraten 20 und 20′ werden Polarisatoren 9 und 9′ angebracht. Die Polarisationsachsen 11 und 11′ werden so angepaßt, daß sie zueinander senkrecht sind.

Steuerkreise 14 und 14′ werden so an die Elektroden 13 und 13′ angeschlossen, daß eine Spannung an vorbestimmte Bildelemente in einer bestimmten Reihenfolge angelegt werden kann. In Fig. 3 sind die Elektroden Matrixelektroden, die Spannung wird an die durch die Elektroden gebildeten Bildelemente in einer bestimmten Reihenfolge angelegt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Theorie wird anhand von Fig. 1 erläutert, in der die Verteilung der Richtungen der spontanen Polarisation der Flüssigkristallmoleküle zwischen dem oberen und dem unteren Substrat in einer Flüssigkristallvorrichtung dargestellt ist.

In Fig. 1 bedeutet 2 einen Vektor (C-Direktor), der durch Projizieren des Vektors in Richtung der Hauptachse eines Moleküls auf eine Ebene, die parallel zur Flüssigkristallschicht zwischen den Substraten ist, erhalten wird; der Vektor 3 gibt die Richtung der spontanen Polarisation an, die zum Vektor 2 senkrecht ist.

Erfindungsgemäß sind die Flüssigkristallmoleküle an der Grenzfläche 5 schwächer befestigt als an der anderen Grenz fläche 6.

In Fig. 1(a) ist die Orientierungsrichtung der Moleküle an der Grenzfläche 5 praktisch gleich der der Moleküle an der Grenzfläche 6. Das heißt, die Orientierungsrichtungen der Flüssigkristallmoleküle am oberen und unteren Substrat sind einheitlich.

Wird ein elektrisches Feld mit einer gewissen Amplitude und einer Polarität, die der der Fig. 1(a) entgegengesetzt ist, an die Flüssigkristallschicht angelegt, so wird die spontane Polarisation der an der Grenzfläche 6 stärker befestigten Flüssigkristallmoleküle bleibt, wie sie ist Fig. 1(b) oder 1(c).

Erfindungsgemäß wird eine ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung, die eine N*-Phase oder I-Phase auf der höheren Temperaturseite der Sc*-Phase aufweist, in eine Zelle gefüllt, die an den Grenzflächen behandelt wird, so daß die Moleküle an einem Substrat fixiert und am anderen umschaltbar sind. An beide Seiten dieser Flüssigkristallzelle werden Polarisationsplatten so angeordnet, daß ein dunkler Zustand erhalten wird, wenn die Flüssigkristallmoleküle an der oberen und der unteren Grenzfläche zueinander parallel oder fast parallel sind. In diesem Fall werden die Polarisationsplatten vorzugsweise so angeordnet, daß die Polarisationsachsen zueinander senkrecht sind und die Polarisationsachse der einen Polarisationsplatte entweder parallel oder senkrecht zur Richtung der Hauptachse der an der Grenzfläche fixierten Moleküle ist. Die Grenzfläche, an der die Moleküle stärker fixiert sind, wird mit einem Orientierungskontrollfilm, wie einem Polyimid, überzogen und einer einachsigen Orientierungsbehandlung, wie Reiben, unterworfen.

Um den Schwarz-Weiß-Kontrast zu verbessern, kann der Zellenspalt d so eingestellt werden, daß der Parameter Δ n · d/λ in dem Wellenlängenbereich, der für die Lichtmodulationsvorrichtung verwendet wird, folgender Bedingung genügt:

0,25<d · Δ n/λ <0,75,

wobei
Δ n die Brechungsindex-Anisotropie ist, definiert als Differenz zwischen den beiden Brechungsindices n _e und n₀ der oben angegebenen ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung eines sich senkrecht zum Substrat ausbreitenden Lichts einer Wellenlänge λ und d die Dicke der Zelle ist.

n _e hängt von dem Winkel ab, der durch die Ausbreitungsrichtung des Lichtes und der Hauptachse des Moleküls gebildet wird, und ist am größten, d. h. entspricht n, wenn die Richtungen zueinander senkrecht sind.

Ist der durch die Ausbreitungsrichtung des Lichtes und der Hauptachse des Moleküls gebildete Winkel gleich 0, d. h., sind die Richtungen zueinander parallel, so ist n _e minimal, d. h. entspricht n _⟂, und Δ n wird 0.

In einer Lichtmodulationsvorrichtung im Bereich des sichtbaren Lichtes, wie einer Anzeigevorrichtung, ist als Wellenlängenbereich 0,45 bis 0,60 µm ausreichend.

Zur Verbesserung des Schwarz-Weiß-Kontrastes in der dickeren Zelle können außerdem das Flüssigkristallmaterial und der Zellenspalt so gewählt werden, daß die folgende Formel erfüllt ist:

wobei

P _s die spontane Polarisation des Flüssigkristalls,
B₂ die Elastizitätskonstante,
ε _⟂ die Dielektrizitätskonstante in der zur Hauptachse des Flüssigkristalls senkrechten Richtung und
d der Zellenspalt ist.

Bisher wurde die Elastizitätskonstante für B₂ definiert als die Verformung des Direktors (eines Einheitsvektors, der durch die Richtung der Hauptachse des Moleküls dargestellt ist) in Analogie zu nematischen Flüssigkristallen; es wurden verschiedene Theorien entwickelt. Als Elastizitätskonstante werden drei Verformungen des Direktors, wie Ausbuchten, Verdrillen und Verbiegen, verwendet und mit K₁, K₂ und K₃ in vielen Fällen angegeben.

Nach dieser Definition wird jedoch die Anwesenheit einer Schichtstruktur nicht berücksichtigt; es ist unmöglich, unabhängig voneinander die verschiedenen Verformungen zu erzeugen und sie zu bestimmen. Aufgrund der experimentellen Tatsache, daß verschiedene Umschaltungen in Gegenwart einer Schichtstruktur und mit einem konstanten Neigungswinkel auftreten, wird erfindungsgemäß eine Elastizitätskonstante verwendet, die als Verformung des C-Direktors, der eine Projektion des Direktors auf die Schichtebene ist, definiert und entsprechend oben als B₁, B₂ und B₃ für Verformungen durch Ausbuchten, Verbiegen und Verdrillen angegeben. Das heißt, B₁ und B₂ zeigen die Steifheit gegenüber Verformung in der Schicht und B₃ die Steifheit gegenüber Verformung zwischen den Schichten an. Somit sind die physikalischen Bedeutungen klar. Außerdem betreffen B₁ und B₂ Verformungen in einer Schicht, sie stehen zueinander in Beziehung und sind einander fast gleich. Deshalb sind Bestimmungen von B₂ (=B₁) und B₃ als Konstanten für ein Material ausreichend.

B₃ kann erhalten werden durch Bestimmung des Abweichungswinkels β der Zentralachse eines Monoskopbildes bei Anlegen eines Gleichstromfeldes parallel zur Schicht an eine senkrecht orientierte Zelle (die Schicht ist parallel zum Substrat). Ist die Verformung klein genug, so weisen die Elastizitätskonstante B₃ und β die folgende Beziehung auf:

in der

P _s die spontane Polarisation,
E das angelegte elektrische Feld,
l₀ die Helixsteigung und
R der Neigungswinkel ist.

P _s wird im Soya-Tower-Verfahren bestimmt, l₀ durch direkte Beobachtung mit einem Polarisationsmikroskop und R durch Bestimmung der Extinktionslage erhalten, wenn eine Zelle zwischen gekreuzte Prismen bei Anlegen von positiven und negativen Gleichstromspannungen an den Flüssigkristall eingebracht wird. Ist l₀ kürzer als 1 µm der Auflösung des Mikroskops, so kann es erhalten werden durch Teilen einer charakteristischen Reflektionswellenlänge aus dem Transmissionsspektrum einer senkrecht orientierten Zelle durch 1,6 des mittleren Brechungsindex.

Andererseits kann B₂ wie folgt bestimmt werden: Es wird die kritische Zelldicke dc bestimmt, bei der eine Helix in einer keilförmigen Zelle, die parallel orientiert worden ist (die Schicht ist fast senkrecht zum Substrat), zu verschwinden beginnt. B₃ wird wie oben bestimmt, B₂ wird anhand der folgenden Gleichung berechnet:

B₂ = 4(dc/l₀)² · B₃

Durch den erfindungsgemäßen ferroelektrischen Flüssigkristall mit Übergängen von I · Sc* oder N* · Sc* wird die Kontrollorientierung des oberen und unteren Substrats unterschiedlich, da der Flüssigkristall an dem einen Substrat fixiert und am anderen umschaltbar ist.

Die Moleküle eines Flüssigkristalls mit Phasenübergängen von I · Sc* oder N* · Sc* sind an der einen Grenzfläche zwischen dem Flüssigkristall und einem der Substrate stark fixiert. Auf das Substrat wird ein Orientierungsfilm, wie ein Polyimid, aufgebracht und so behandelt, daß die Flüssigkristallmoleküle eine einachsige Kontrollorientierung erhalten, beispielsweise durch Reiben. Die Orientierungskontrolle über das andere Substrat ist geringer, beispielsweise wenn keine derartige Behandlung durchgeführt wird. Wird eine Zelle, die diese Substrate und einen Flüssigkristall enthält, allmählich durch Anlegen eines elektrischen Feldes abgekühlt, wodurch die Orientierungsrichtung am ersteren Substrat stabilisiert werden kann und eine Sc*-Phase gebildet wird, so wird die parallel zur Reibrichtung, im allmählichen Abkühlen erhaltene Orientierung weiter stabilisiert. Die durch Anlegen eines elektrischen Felds mit entgegengesetzter Polarität erhaltene Orientierung ist relativ instabil.

Der Stabilitätsunterschied dieser beiden Orientierungen kann durch den unterschiedlichen Grad der Orientierungskontrollfähigkeit im oberen und unteren Substrat eingestellt werden. (Wird der Unterschied der Orientierungskontrollfähigkeit im oberen und unteren Substrat geeignet eingestellt, so wird der Orientierungszustand beim allmählichen Abkühlen nur in Abwesenheit eines elektrischen Feldes stabil erhalten, wogegen die durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit entgegengesetzter Polarität erhaltene Orientierung instabil wird). Das heißt, wird das elektrische Feld nach Anlegen eines elektrischen Felds mit entgegengesetzter Polarität entfernt, so ändert sich der Orientierungszustand in einen Ausbuchtungszustand, in dem die Polarisationsrichtungen der Vektoren an beiden Substraten fast entgegengesetzt sind. Ein derartiger Ausbuchtungszustand wird leichter mit zunehmender Zelldicke erhalten. In einer solchen Zelle ist die Stabilität der fast einheitlichen Orientierung in Reibrichtung erhöht durch die allmähliche Abkühlung und Bildung der Sc*-Phase unter der Orientierungskontrolle und bei Anlegen eines elektrischen Feldes. Die Stabilität des Ausbuchtungszustandes wird außerdem durch Vergrößern der Zelldicke erhöht.

Durch diese Wirkungen kann eine stabile ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung sogar mit einer dicken Zelle erhalten werden, in der die beiden Orientierungszustände einer fast einheitlichen Orientierung (a) in Reibrichtung und eines Ausbuchtungszustandes (b) oder (c) zwei stabile Zustände gemäß Fig. 1 darstellen.

Als Komponenten für eine Zusammensetzung mit Phasenübergängen, bei denen eine N*-Phase oder eine isotrope Phase auf der höheren Temperaturseite der Sc*-Phase auftreten, sind folgende Verbindungen geeignet, die keine S_A-Phase haben:

mit n =8 oder 9, wenn m =3, und 7, 8, 9 oder 10, wenn m =5;

mit n =6, 7, 8, 9 oder 10, wenn m =3, und 7, 8, 9 oder 10, wenn m =5;

mit n =6, 7, 8, 9, 10 oder 12;

mit n = 5, 6, 7, 8, 9 oder 10;

mit n =7, 8, 9 oder 10;

mit n = 7, 8, 9 oder 10.

Alle diese Verbindungen sind erfindungsgemäß geeignet, es können jedoch auch andere Verbindungen verwendet werden, die keine S_A-Phase aufweisen.

Das Kontrastverhalten und der Schwarz-Weiß-Kontrast in einer dicken Zelle kann durch Erhöhen des Parameters

(P _sd)²/ε _⟂ B₂

und Verleihen von Kontrast durch zwei Polarisationsplatten, deren Polarisationsachsen zueinander gekreuzt sind, erhöht werden.

Anhand der oben angegebenen Bedingungen wird eine ferroelektrische Flüssigkristallvorrichtung erhalten, in der die Hauptachsen der Moleküle fast einheitlich orientiert und parallel zur Reibrichtung sind und der Ausbuchtungszustand stabil ist.

Ist der Parameter (P _sd)²/ε _⟂ B₂, der das Verhältnis von auf der elektrischen Bindung beruhendem Drehmoment und elastischem Drehmoment zeigt, im Ausbuchtungszustand erhöht, so wird ein Bereich (in Fig. 2 mit 7 und 8 angegeben) gebildet, in dem der Azimut Φ der als Winkel zwischen der y-Achse und dem C-Direktor (vgl. Fig. 1) definiert ist, bei π/2 in der Zentralstellung einer Zelle konstant ist, und zwar durch Polarisationsfeldeffekt durch die spontane Polarisation (wie in Fig. 2 dargestellt). Dieser Bereich vergrößert sich in der gesamten Zelle. Fig. 2 zeigt die Verteilung des Azimuts in Richtung der Zelldicke, wobei vorausgesetzt wird, daß der Flüssigkristall kontinuierlich ist, wenn nur eine Änderung des Azimuts in Richtung der Zelldicke berücksichtigt wird.

Aus dem Ergebnis ist ersichtlich, daß, wenn der Azimut π/2 ±5% in mindestens 60% der gesamten Zelldicke beträgt, die folgende Formel erfüllt sein sollte:

Es wird angenommen, daß die erfindungsgemäße Zelle, in der die oben angegebenen Bedingungen erfüllt sind, einen doppelt stabilen Zustand aufweist, und zwar einen Zustand, in dem der Azimut fast einheitlich ist bei 0 oder π, und einen Zustand, in dem der Azimut fast einheitlich bei π/2 (oder -π/2) ist.

Diese erfindungsgemäße Zelle und eine herkömmliche Zelle, in der die beiden Zustände, in denen der Azimut fast einheitlich bei 0 und π ist, d. h. zwei stabile Zustände, in denen die Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle parallel zur Grenzfläche sind, werden in bezug auf Kontrastverhältnis und Schwarz-Weiß-Kontrast verglichen, wenn der Kontrast durch zwei Polarisationsplatten, deren Polarisationsachsen zueinander gekreuzt sind, verliehen wird.

In bezug auf das Kontrastverhältnis sind die beiden Zellen theoretisch gleich mit dem Unterschied, daß der maximale Kontrast erfindungsgemäß bei einem Neigungswinkel von 45° erreicht werden kann, was das Doppelte einer herkömmlichen Zelle ist, und in der erfindungsgemäßen Zelle ein Kontrastverhältnis von 10 oder darüber möglich ist, was praktisch gleich dem Verhältnis ist, das in einem herkömmlichen Doppelbrechungsverfahren erreicht werden kann unter Verwendung eines Flüssigkristalls mit einem großen Neigungswinkel von beispielsweise 45°.

Wird der Schwarz-Weiß-Kontrast durch zwei Polarisationsplatten 9 und 9′ verliehen, deren Polarisationsachsen wie in Fig. 3 zueinander gekreuzt sind, so ist ein Produkt der Brechungsindexanisotropie Δ n und der Zelldicke d von Δ n · d∼0,28 µm bekannt als Bedingung für eine Schwarz-Weiß-Anzeige. Das ist die Bedingung, unter der eine Phasendifferenz π d · Δ n/λ von zwei Lichtbereichen (ordentliches und außerordentliches Licht) im Flüssigkristall π/2 bei einem Licht mit einer Wellenlänge von 0,56 µm, für das Augen am empfindlichsten sind, beträgt. In herkömmlichen Speichervorrichtungen beträgt dieser Wert im allgemeinen etwa 0,10 bis 0,20, da die Anzeige bei zwei Zuständen erfolgt, in denen die Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle parallel zur Grenzfläche sind und folglich der Wert der Brechungsindexanisotropie Δ n gleich dem Unterschied des Brechungsindex n _∥ zum in Richtung der Hauptachse der Flüssigkristallmoleküle schwingenden Lichts und des Brechungsindex n _⟂ in der senkrechten Richtung ist. Die Schwarz-Weiß-Anzeige in einer Zelle mit einer größeren Dicke kann durch Verwendung eines Materials mit einem niedrigeren Wert von n _∥-n _⟂ erreicht werden, doch ist diese Verminderung begrenzt, der Wert kann höchstens auf etwa 0,10 gesenkt werden. Deshalb beträgt die obere Grenze der Zelldicke etwa 2,8 µm.

Wird erfindungsgemäß die dunkle Anzeige bei den zwei stabilen Zuständen durchgeführt, so sind die Ausbreitungsrichtung des Lichtes und die Richtung der Flüssigkristallmoleküle zueinander im rechten Winkel, d. h., die Flüssigkristallmoleküle und die Grenzfläche sind zueinander parallel. Bei einer hellen Anzeige sind die Flüssigkristallmoleküle zur Grenzfläche geneigt, der Brechungsindex n _e(R _t) des außerordentlichen Lichtes ist dem Brechungsindex n₀ (=n _⟂) des ordentlichen Lichtes näher, und der Scheinbrechungsindex nimmt mit dem Neigungsgrad ab, wie in der folgenden Gleichung gezeigt:

in der R _t ein durch die Hauptachse der Flüssigkristallmoleküle und die Grenzfläche gebildeter Winkel ist und durch den Neigungswinkel R und den Azimut Φ, wie folgt, angegeben werden kann:

R _t = sind^-1 (sinR sindΦ ).

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Φ =π/2 und R _t =R, in einer herkömmlichen Vorrichtung beträgt Φ =0 oder π und R _t =0.

Die Erhöhung der Dicke einer Zelle, die durch Neigung der Flüssigkristallmoleküle an der Grenzfläche erreicht werden kann, wird anhand von Fig. 4 erläutert.

Fig. 4 zeigt den optimalen Zellspalt bei einer Schwarz-Weiß-Anzeige, im Fall von n _⟂=1,5, unter der Voraussetzung berechnet, daß das Volumen des verformten Bereichs nahe der Grenzfläche der Zelle ausreichend klein im Vergleich zum Volumen des Mittelbereichs der Zelle ist, in dem der Azimut konstant bei π/2 ist, und folglich ignoriert werden kann. Ein für die Schwarz-Weiß-Anzeige geeigneter Zellspalt wird mit Erhöhung des Neigungswinkels R und der Abnahme von n _∥-n _⟂, die die Brechungsindexanisotropie des Flüssigkristalls darstellt, dicker. Die auf der Erhöhung von R beruhende Erhöhung des optimalen Zellspalts ist eine Wirkung der vorliegenden Erfindung: Wird ein Flüssigkristallmaterial mit R =45° verwendet, so kann der optimale Zellspalt das Zwei- oder Mehrfache eines Zellspaltes einer herkömmlichen Vorrichtung betragen. Wird beispielsweise ein Flüssigkristallmaterial mit n _∥-n _⟂=0,10 und R=45° verwendet, so beträgt der optimale Zellspalt etwa 5,9 µm, und die Herstellung einer solchen Zelle wird leichter.

Selbst wenn der Zellspalt variiert, bleibt die Farbänderung relativ gering, es tritt praktisch keine Farbunregelmäßigkeit auf.

Die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung ist nicht nur für sichtbares Licht geeignet, sondern auch für UV- und IR-Licht. In all diesen Vorrichtungen ist die Änderung der Lichtdurchlässigkeit über einen weiten Wellenlängenbereich und auch in bezug auf Änderungen des Zellspalts gering.

Damit die Durchlässigkeit für Licht aller Wellenlängen in den für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendeten Wellenbereichen einen Wert über 50% des Maximalwertes aufweist, sollten der Zellspalt und die anderen Parameter so eingestellt werden, daß sie der folgenden Formel genügen:

0,25 < d · Δ n/λ < 0,75.

In der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung ist es dank der oben angegebenen Wirkungen nun möglich, sowohl ein hohes Kontrastverhältnis als auch einen hohen Schwarz-Weiß-Kontrast in einer dicken Zelle (3 µm oder mehr) zu erhalten.

Die Erfindung wird durch die Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Ein Polyimid-Orientierungskontrollfilm (PIQ-Lack von Hitachi Chemical Co., Ltd.) wurde mit einer Schleuder auf eines der beiden Glassubstrate, die durchsichtige Indiumoxid-Elektroden aufwiesen, aufgebracht. Diese Beschichtung wurde durch Erhitzen gehärtet und dann gerieben. Die Dicke dieses Films betrug etwa 10 nm (100 Å), bestimmt mit einem Ellipsometer (hergestellt von Mizojiri Kogakukogyosho Co., Ltd.). Eine Flüssigkristallzelle wurde durch Anbringen der beiden Substrate in einem Abstand von 3,2 µm unter Verwendung eines Glasfaserpulvers als Abstandshalter und Einfüllen unter Vakuum der folgenden Flüssigkristallzusammensetzung hergestellt:

Die Phasenübergänge dieser Zusammensetzungen waren:

Phasenübergangstemperatur
5°C, 61°C, 85°C
Phase	Kristall∼Sc∼N∼I

Bei Raumtemperatur hatte diese Zusammensetzung einen Neigungswinkel von 32°, eine spontane Polarisation von 41 nC/cm², eine Elastizitätskonstante B₂ von 0,8×10^-10N und Brechungsindexanisotropien n _∥-n _⟂ von 0,160 für monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 0,60 µm und von 0,185 für monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 0,45 µm.

Nach dem Einschließen der Zusammensetzung in die Zelle unter Vakuum wurde die Zelle einmal auf 61°C oder höher erhitzt und dann langsam auf Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5°C/min bei Anlegung einer Gleichstromspannung von 20 V abgekühlt. Diese Vorrichtung wurde dann zwischen zwei Polarisationsplatten gelegt, eine der Polarisationsplatten wurde fast parallel zur Reibrichtung angebracht (um etwa 10° verschoben, was einer Änderung des Neigungswinkels mit der Temperatur entspricht), die andere Polarisationsplatte wurde so eingestellt, daß ihre Polarisationsachse fast senkrecht zu der der anderen Polarisationsplatte war. An die entstandene Vorrichtung wurde ein Impulsspannung der gleichen Polarität wie während des langsamen Abkühlens angelegt, die eine Breite von 2 ms und einen Scheitelwert von 40 V hatte. Die Lichtdurchlässigkeit wurde dann bei nicht angelegter Spannung für monochromatisches Licht drei verschiedener Farben mit Wellenlängen von 0,45, 0,55 und 0,60 µm bestimmt. Die Durchlässigkeit betrug 5% oder weniger bei all diesen Wellenlängen. Dann wurde eine gleiche Impulsbreite mit entgegengesetzter Polarität angelegt, es trat eine spontane Polarisation der Moleküle auf, die an der Grenzfläche, die nicht gerieben worden war, umgekehrt wurden.

Die Lichtdurchlässigkeit wurde entsprechend für Licht mit Wellenlängen von 0,40 bis 0,70 µm bestimmt. Die Lichtdurchlässigkeit war am höchsten bei etwa 0,60 µm und betrug 73, 87 bzw. 100% bei Wellenlängen von 0,45, 0,55 und 0,60 µm. Es wurde ein Kontrastverhältnis von 10 oder mehr erreicht. Bei Beobachtung unter dem weißen Licht einer Wolframlampe wurde mit bloßem Auge eine ausreichend weiße Färbung erhalten.

Beispiel 2

Es wurde eine Vorrichtung gemäß Beispiel 1 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Elektroden in Form einer 3×3-Matrix gemäß Fig. 5(a) waren. An diese Vorrichtung wurde eine Spannung in Wellenform gemäß Fig. 5(b) angelegt. Während der Anfangsperiode 17 waren alle Bildelemente in einem einheitlichen Zustand; während der Abtastperiode 18 wurde den entsprechenden Abtastelektroden V _{x 1}, V _{x 2} und V _{x 3} die Zeit zugeordnet, und die Differentialspannung aus der die Signalinformation aus jeder Signalelektrode V _{Y 1}, V _{Y 2} und V _{Y 3} tragenden Wellenform für jede Linie wurde erhalten und nacheinander aufgezeichnet. Die in Fig. 5 gezeigte Steuerwellenform wurde so eingestellt, daß eine beim Aufzeichnen angelegte Impulsspannung auf andere Linien wirkt und V₀/3 beträgt, wenn die Spannung beim Schalten als V₀ angegeben wird. Die Impulsspannung V₀ wurde hier auf 15 V eingestellt, wodurch die schwach fixierten Moleküle an der Grenzfläche umgekehrt werden, die an der anderen Grenzfläche stark fixierten Moleküle jedoch nicht umgekehrt werden. Als Ergebnis wird eine Schwarz-Weiß-Anzeige in den entsprechenden Bildelementen erhalten.

Vergleichsbeispiel

Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die obere und die untere Grenzfläche gleich behandelt wurden. Die Konzentration des Polyimid-Orientierungskontrollbacks betrug ¹/₁₀ der des in Beispiel 1 verwendeten Lacks, es war ein sehr dünner Film. In dieser Vorrichtung war die Abhängigkeit der Durchlässigkeit von der Wellenlänge im hellen Zustand sehr hoch, die Durchlässigkeit hatte einen Maximalwert bei einem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 0,40 µm und einen Minimalwert bei einer Wellenlänge von etwa 0,51 µm, was unter 5% des Maximalwerts ist. Purpurrotes Licht wurde mit weißem Licht aus einer Wolframlampe beobachtet.

Die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung hat in einer Zelle mit einer Dicke von mindestens 3 µm stabile Speichereigenschaften. Außerdem weist sie sowohl ein hohes Kontrastverhältnis als auch einen hohen Schwarz-Weiß-Kontrast auf, wodurch die Anzeigequalität der Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung erhöht werden kann.

Claims

1. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung mit einer Zelle mit

- einem Paar Substraten, wovon mindestens eines durchsichtig ist, die Elektroden aufweisen und von einem Abstandshalter einander gegenübergehalten werden,
- einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht, die in der Zelle eingeschlossen ist und Phasenübergänge aufweist, bei denen eine nematische Phase (N*-Phase) oder isotrope Phase (I-Phase) auf der höheren Temperaturseite der ferroelektrischen Phase (smektische C*- oder Sc*-Phase) auftritt, und
- zwei Polarisationsplatten auf beiden Seiten der Zelle,

wobei die Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche zwischen der Flüssigkristallschicht und dem Substrat schwächer fixiert sind als an der anderen Grenzfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die schwächer fixierten Flüssigkristallsmoleküle so fixiert sind, daß eine Inversion der spontanen Polarisation der Flüssigkristallmoleküle beim Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallschicht über die Elektroden erfolgt und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der einen Grenzfläche und die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der anderen Grenzfläche durch die Inversion der spontanen Polarisation entweder

(a) fast parallel zueinander oder
(b) zueinander gekreuzt sind,

und die beiden Polarisationsplatten so angeordnet sind, daß die Lichtdurchlässigkeit im Zustand (a) geringer als im Zustand (b) ist.

2. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Vorrichtungen zum Anlegen eines bestimmten elektrischen Feldes an bestimmte Bildelemente über die Elektroden aufweist.

3. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Matrixelektroden und Vorrichtungen zum Anlegen einer Spannung an ausgewählte Bildelemente aufweist, um den Zustand niedriger Lichtdurchlässigkeit zum Zustand höherer Lichtdurchlässigkeit zu schalten, wobei diese Spannung höher als die Spannung für die Inversion der spontanen Polarisation der Moleküle an der Grenzfläche, an der die Moleküle schwächer fixiert sind, und niedriger als die Schwellenspannung für die Inversion der spontanen Polarisation der Moleküle an der Grenzfläche ist, an der die Moleküle fester fixiert sind.

4. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenspalt in dem Wellenlängenbereich, in dem die Vorrichtung verwendet wird, folgende Formel erfüllt: 0,25 < d · Δ n/λ < 0,75,wobei bedeuten:
d den Zellenspalt, Δ n die Brechungsindexanisotropie, die durch den Unterschied zwischen den beiden Brechungsindices n₃ und n₀ des ferroelektrischen Flüssigkristalls in einem sich zum Substrat senkrecht ausbreitenden Licht mit einer Wellenlänge λ definiert ist.

5. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenlängenbereich 0,45 µm ≦ λ ≦ 0,60 µmbeträgt.

6. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingung erfüllt ist: wobei bedeuten:
P _s die spontane Polarisation eines Flüssigkristalls,
B₂ die Elastizitätskonstante,
ε _⟂ die dielektrische Konstante in der zur Hauptachse der Flüssigkristallmoleküle senkrechten Richtung und
d den Zellenspalt.

7. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsachse der beiden Polarisationsplatten fast senkrecht zueinander sind.

8. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Richtung der Hauptachsen der Flüssigkristallmoleküle an einer der beiden Grenzflächen fast parallel oder fast senkrecht ist zum elektrischen Vektor des Lichts, das durch eine der beiden Polarisationsplatten geht, wenn die beiden Polarisationsplatten so eingestellt sind, daß die Lichtdurchlässigkeit abnimmt.

9. Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein einachsig orientierter Flüssigkristall-Orientierungskontrollfilm auf mindestens einem der Substrate gebildet ist.