DE60021399T2

DE60021399T2 - Flüssigkristallvorrichtung und Display

Info

Publication number: DE60021399T2
Application number: DE60021399T
Authority: DE
Inventors: Harry Garth Oxford Walton; Michael John Oxford Towler
Original assignee: Sharp Laboratories of Europe Ltd
Current assignee: Sharp Laboratories of Europe Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: TWI290659B; EP1216433A1; JP2003510651A; WO2001023953A1; KR100430739B1; DE60021399D1; EP1216433B1; GB2354833A; KR20020064293A; GB9922792D0; US6774977B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallvorrichtung und ein Display mit einer solchen. Ein derartiges Display kann z.B. auf den Gebieten des Fernsehens, von Computermonitoren, Flachschirmgeräten und Bildverarbeitungsgeräten verwendet werden.
Flüssigkristalle sind Materialien, die teilweise durch Moleküle anisotroper (d.h. nicht kugelförmiger) Form gekennzeichnet sind. In Flüssigkeiten fehlt es Molekülen an einer Ordnung. In Kristallen sind Moleküle sowohl ausrichtungsmäßig als auch positionsmäßig geordnet. In Flüssigkristallen zeigen Moleküle eine Ordnung, die zwischen der einer Flüssigkeit und der eines richtigen Kristalls liegt. Es existiert eine Anzahl verschiedener Flüssigkristallphasen. Die nematische Flüssigkristallphase ist durch anisotrope Moleküle gekennzeichnet, die einen gewissen Grad einer Orientierungsausrichtung zeigen, denen es jedoch an einer relativen positionsmäßigen Ordnung fehlt. In smektischen Flüssigkristallphasen zeigen Moleküle eine gewisse ausrichtungsmäßige und auch eine gewisse positionsmäßige Ordnung, jedoch in einer eingeschränkten Anzahl räumlicher Richtungen.
Die tatsächliche Phase wie sie für ein Flüssigkristallmaterial auftritt, hängt von der Temperatur ab. Bei hohen Temperaturen (für viele in Anzeigevorrichtungen verwendete Materialien ungefähr über 100°C) geht die gesamte Ordnung verloren und das Material wird zu einer isotropen Flüssigkeit. Wenn die Temperatur gesenkt wird, erfahren Materialien, wie sie üblicherweise in Anzeigevorrichtungen verwendet werden, einen Übergang in eine nematische Phase. Wenn die Temperatur weiter gesenkt wird, tritt ein Übergang in eine smektische Phase auf, oder bei niedriger Temperatur kann eine richtige Kristallphase auftreten.
Ein bekannter Displaytyp, wie er z.B. in US 4 566 758 und US 4 635 051 offenbart ist, verfügt über eine "pi-Zelle". Es ist eine Schicht eines nematischen Flüssigkristalls zwischen Ausrichtungsschichten angeordnet, die für parallele Ausrichtung und geringe Vorverkippung, von typischerweise weniger als 10° sorgen. Der typische nematische Flüssigkristall zeigt positive dielektrische Anisotropie. Der Zustand der Flüssigkristalldirektoren in der Schicht wird durch eine Elektrodenstruktur gesteuert, z.B. entsprechend dem Adressierungstyp mit einer in Pixel unterteilten Aktivmatrix.
Bei einem derartigen Flüssigkristalldisplay wird jedes Pixel über einen vorbestimmten Spannungsbereich betrieben. Der Flüssigkristalldirektor im zentralen Bereich der Flüssigkristallschicht verbleibt bei allen Spannungen innerhalb des Betriebsbereichs im Wesentlichen orthogonal zur Ebene der Ausrichtungsschichten, wohingegen der Flüssigkristalldirektor in den Oberflächenbereichen dicht an den Ausrichtungsschichten eine Umorientierung erfährt, wenn die angelegte Spannung variiert wird. Eine derartige Vorrichtung ist als "in einem Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung" bekannt, da ein Schaltvorgang in Oberflächenbereichen erfolgt, die angrenzend an die Ausrichtungsschichten liegen, wohingegen im Volumen des Flüssigkristalls nur ein geringes oder kein Schalten auftritt.
Da, wie es gut bekannt ist, Flüssigkristalle optisch anisotrop ("doppelbrechend") sind, erleidet ein polarisierter Lichtstrahl, der durch einen Flüssigkristall läuft, im Allgemeinen eine gewisse Änderung seines Polarisationszustands. Daher ermöglicht die Verwendung eines Flüssigkristalls in Verbindung mit optischen Polarisatoren den Aufbau eines optischen Verschlusses, der wiederum die Grundlage eines optischen Anzeigesystems bilden kann. Für eine in einem Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung wird die Dicke der Flüssigkristallschicht typischerweise so gewählt, dass die optische Nacheilung des Systems über den Bereich der Betriebsspannung der Vorrichtung über eine halbe Welle variiert, wenn ein transmissives Display vorliegt, oder über eine Viertelwelle, wenn eine in einem Reflexionsmodus arbeitende Vorrichtung vorliegt.
Ein anderer bekannter Typ einer in einem Oberflächenmodus arbeitenden Vorrichtung ist in WO 97/12275 offenbart. Bei dieser Vorrichtung ist eine nematische Flüssigkristallschicht mit negativer dielektrischer Anisotropie zwischen Ausrichtungsschichten angeordnet, die für eine sehr hohe Vorverkippung, typischerweise über 80°, sorgen. Der Flüssigkristall im Volumen der Schicht wird so ausgerichtet, dass die Flüssigkristalldirektoren im Wesentlichen parallel zu den Ausrichtungsschichten verlaufen. Das Schalten des Flüssigkristalldirektors erfolgt vorwiegend in oberflächennahen Bereichen der Vorrichtung, wenn das angelegte Feld zwischen zwei vorbestimmten Werten umgeschaltet wird. Die Variation des angelegten Felds verursacht eine Variation des Ausmaßes der Splayverzerrung des Direktors in den oberflächennahen Bereichen. Eine derartige Vorrichtung arbeitet demgemäß als variable Verzögerungseinrichtung, wie im Fall der pi-Zelle.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist eine in einem Oberflächenmodus arbeitende Flüssigkristallvorrichtung mit einer Schicht eines nematischen Flüssigkristalls mit Viskositätskoeffizienten η₁, η₂ und γ₁ in solcher Weise geschaffen, dass (η1–η₂)/γ₁ ≥ 1,15 oder (η1–η₂)/γ1 ≥ 0,09 gilt.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist eine in einem Oberflächenmodus arbeitende Flüssigkristallvorrichtung mit einer Schicht eines nematischen Flüssigkristalls mit Viskositätskoeffizienten η₁, η₂ und γ₁ in solcher Weise geschaffen, dass (η₁–η₂)/γ₁ ≥ 1,15 oder (η1–η₂)/γ₁ ≥ 0,09, bei einer Temperatur, bei der der Flüssigkristall mindestens 5°C entfernt von einem Übergang in eine andere Phase liegt, gilt.
Die andere Phase kann eine smektische Phase sein.
Der Flüssigkristall kann bei mindestens einer Temperatur im Bereich von 0–60°C eine nematische Phase zeigen.
Abweichend von herkömmlichen Flüssigkeiten, deren Viskosität bei einer vorgegebenen Temperatur durch eine einzelne Zahl bestimmt ist, erfordert es die Beschreibung des dynamischen Verhaltens eines nematischen Flüssigkristalls, dass fünf Viskositätskoeffizienten spezifiziert werden. Diese Viskositätskoeffizienten werden allgemein als η₁, η₂, η₃, η₁₂ und γ₁ bezeichnet, und sie sind von F. M. Leslie in Quart. J. Mech. Appl. Math 19, S. 357 (1966); F. M. Leslie in Arch. Ratio. Mech. Anal. 28, S. 265 (1968); und von M. Miesowicz in Bull. Intern. Acad. Polon. Ser. A, 228, 1936 beschrieben. Ein physikalisches Verständnis der Art der Viskositäten η₁, η₂, η₃, η₁₂, γ₁ kann unter Bezugnahme auf die 1 der beigefügten Zeichnungen erlangt werden.
Es sei ein idealisiertes Experiment betrachtet, bei dem eine gleichmäßig ausgerichtete nematische Substanz zwischen zwei parallelen Platten liegt. Die Platten werden geschert (d.h. in Bezug zueinander verschoben), während sie parallel verbleiben. Die Einfachheit, mit der die Platten geschert werden, steht in klarem Zusammenhang mit der Viskosität der nematischen Sub stanz zwischen ihnen, die wiederum von der Ausrichtung des nematischen Direktors zwischen den Platten abhängt. Eine Variation der Strömungsgeschwindigkeit tritt normal zu den Plattenoberflächen auf. Wenn eine Situation betrachtet wird, bei der die nematische Ausrichtung während des Scherprozesses keine Änderung erfährt, existiert ersichtlich eine Anzahl grundlegender Situationen (siehe die 1), zu denen jeweils ein Viskositätskoeffizient gehört, nämlich:
Direktor parallel zum Geschwindigkeitsgradienten: η₁
Direktor parallel zur Strömungsrichtung: η₂
Direktor normal zur Scherebene: η₃
Eine strengere mathematische Vorgehensweise zeigt, dass auch eine vierte Viskosität, η₁₂, eingeführt werden muss, die eine Streckverformung beschreibt.
Schließlich muss eine Viskosität (γ1) eingeführt werden, die Situationen beschreibt, bei denen die Ausrichtung der nematischen Substanz nicht fixiert ist, wobei sich statt dessen ein Bereich in Bezug auf den Rest des Systems dreht.
Jegliche dynamische Bewegung einer nematischen Substanz kann durch diese fünf Viskositätskoeffizienten beschrieben werden. Diese Viskositäten können durch Versuch experimentell bestimmt werden, wie es von Ch. Gähwillerin "Direct Determination of the Five Independent Viscosity Coefficients of Nematic Liquid Crystals", Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1973, Vol. 20, S. 301–318 beschrieben ist. Wenn einmal die Koeffizienten für eine nematische Substanz bekannt sind, kann ihre Verwendung in der Theorie von Leslie für ein detailliertes Verständnis der Bewegung und der Reaktion eines nematischen Flüssigkristalls auf eine angelegte Spannung sorgen.
Es wurde herausgefunden, dass eine spezielle, nicht offensichtliche Beziehung zwischen dreien der fünf Koeffizienten zu einem Vorteil hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit spezieller Flüssigkristallvorrichtungen, wie der pi-Zelle und der in WO 97/12275 beschriebenen analogen Vorrichtung, führt.
In "The pi-cell: A fast liquid-crystal optical switching device" von P. J. Bos und K. R. Koehler/Beran", Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1984, Vol. 113, S. 329–339 weisen die Autoren darauf hin, dass die pi-Zelle (eine Vorrich tung, bei der die Vorverkippung an beiden Flächen in derselben Richtung zeigt) gegenüber einer Vorrichtung mit entgegengesetzt gerichteten Vorverkippungen an den beiden Flächen einen Geschwindigkeitsvorteil aufweist. Die 2 der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht dies.
Wie es in der oberen Reihe der 2 dargestellt ist, bewirkt, wenn von einer Vorrichtung mit antiparalleler Vorverkippung eine Spannung weggenommen wird, die anschließende Relaxation des Direktors ein "Rückwärts"-Drehmoment am Direktor im Zentrum der Zelle. Dieses Drehmoment verlangsamt die Zellenrelaxation.
Wie es in der unteren Reihe der 2 dargestellt ist, wird in einer pi-Zelle mit paralleler Vorverkippung im Zentrum der Zelle kein derartiges "Rückwärts-Drehmoment" erzeugt, und demgemäß relaxiert diese Vorrichtung schneller.
Bos et al. geben nicht an, wie durch eine korrekte Wahl von Viskositätskoeffizienten die Geschwindigkeit einer pi-Zelle maximiert werden könnte. Eine detaillierte Analyse hat es uns ermöglicht, zu zeigen, dass die Maximalgeschwindigkeit für eine pi-Zelle erzielt wird, wenn der Parameter (η₁–η₂)/γ₁ einen Wert aufweist, der deutlich von 1 abweicht.
Es ist bekannt, dass der Parameter (η₁–η₂)/γ₁ bei nematischen Flüssigkristallen einen Wert von 1,0 oder nahe dabei aufweist. Es wird theoretisch vorhergesagt, dass dieser Parameter den Wert 1,0 aufweist, und dies wurde für einen großen Bereich nematischer Flüssigkristallmaterialien experimentell bestätigt, wie es z.B. von D. Armitage und J. Larimer in SID 96 Digest, S. 584 (1996) offenbart ist. Es hat sich herausgestellt, dass durch Auswählen dieses Parameters in solcher Weise, dass er wesentlich von 1 verschieden ist, die Schaltgeschwindigkeit und die Temperaturantwort einer in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristallvorrichtung variiert werden kann, um z.B. für Videoanzeigetafeln oder für Halbbild-sequenzielle Videoanzeigetafeln für höhere Schaltgeschwindigkeiten zu sorgen. Die Auswahl dieses Parameters ermöglicht es auch, Vorrichtungen für Betrieb über große Temperaturbereiche zu schaffen, wie für Displays in Fahrzeugen und tragbare Anzeigevorrichtung im Freien (z.B. Personal Organisers). Der Stand der Technik offenbart die Rolle nematischer Viskositäten beim Schalten von in einem Oberflächenmodus arbeitenden Vorrichtungen nicht.
Der nematische Flüssigkristall kann über eine zugrundeliegende smektische Phase verfügen.
Die Flüssigkristallschicht kann ein Polymernetzwerk aufweisen, dass durch Polymerisation eines polymerisierbaren Materials mit der Schicht ausgebildet wird, die auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der der nematische Flüssigkristall eine smektische Phase aufweist.
Der Flüssigkristall kann über positive dielektrische Anisotropie verfügen, und er kann zwischen einer ersten und einer zweiten Ausrichtungsschicht angeordnet sein, die für eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung und eine Vorverkippung von unter 45° sorgen. Die Vorverkippung kann kleiner als 10° sein.
Der Flüssigkristall kann negative dielektrische Anisotropie aufweisen, und er kann zwischen einer ersten und einer zweiten Ausrichtungsschicht angeordnet sein, die für eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung und eine Vorverkippung über 45°, vorzugsweise über 80°, sorgen.
(η₁–η₂₁)/γ₁ kann kleiner als null sein.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Display mit einer Vorrichtung gemäß der ersten oder der zweiten Erscheinungsform der Erfindung geschaffen.
Die Erfindung wird, beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung weiter beschrieben.
1 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Art von Flüssigkristallviskositäten;
2 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Relaxation in zwei Flüssigkristallzellen mit verschiedenen Ausrichtungen;
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils eines in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays, das eine Ausführungsform der Erfindung bildet;
4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Ausrichtungen verschiedener Achsen des Displays der 3;
5 ist ein Kurvenbild zur Transmission über der Zeit für eine Vorrichtung Vorverkippung vom in der 3 dargestellten Typ, wenn eine Relaxation von einem hohen angelegten Feld auf ein niedriges angelegtes Feld erfolgt;
6 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils eines anderen in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristallsdisplays, das eine andere Ausführungsform der Erfindung bildet;
7 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Ausrichtungen verschiedener Achsen des Displays der 6; und
8 ist ein Phasendiagramm eines geeigneten Flüssigkristallmaterials.
In allen Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile.
Die 3 veranschaulicht ein in einem Transmissionsmodus arbeitendes Flüssigkristalldisplay vom pi-Zelle-Typ. Das Display verfügt über einen an der Außenseite des Substrats 2, das z.B. aus Glas besteht, angeordneten Polarisator 1. An der Innenseite des Substrats 2 ist eine Elektrodenschicht 3 ausgebildet, die, z.B., Teil einer Aktivmatrix-Adressieranordnung mit transparenten Elektroden aus z.B. Indiumzinnoxid (ITO) bildet. Auf der Elektrodenschicht 3 ist eine Ausrichtungsschicht 4, z.B. aus geriebenen Polyimid, ausgebildet.
An der Außenseite eines Substrats 7, dessen Innenseite eine Elektrodenschicht 8 trägt, die mit der Elektrodenschicht 3 zusammenwirkt, um für eine geeignete Adressierung der Bildelemente (Pixel) des Displays zu sorgen, sind ein Polarisator 5 und ein Verzögerer 6 angeordnet. Auf der Elektrodenschicht 8 ist eine Ausrichtungsschicht 9, z.B. aus geriebenem Polyimid, ausgebildet.
Die Ausrichtungsschichten 4 und 9 sind durch Abstandshalter (nicht dargestellt) voneinander beabstandet, und der Zwischenraum zwischen ihnen ist mit einer nematischen Flüssigkristallschicht 10 aufgefüllt. Der Flüssigkristall 10 verfügt über positive dielektrische Anisotropie, und die Ausrichtungsschichten 4 und 9 sind so ausgerichtet, dass sie für parallele Ausrichtung bei kleiner Vorverkippung, von z.B. ungefähr 5°, sorgen. Bei einem typischen Beispiel eines derartigen Displays weist die Schicht 10 eine Dicke von 7 μm auf, und der nematische Flüssigkristall verfügt über Dielek trizitätskonstanten ε || = 14,1, ε ⊥ = 4,1, Brechungsindizes n_o = 1,4895, n_e = 1,6122 und Elastizitätskonstanten K11 = K22 = K33 = 10 pn.
Wie es in der 4 dargestellt ist, verfügt der Polarisator 1 über eine vertikale Polarisationsachse 11 (d.h. unter 0° ausgerichtet), die Flüssigkristallschicht 10 verfügt über eine optische Achse 12 (parallel zur Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallschicht), die unter +45° ausgerichtet ist, der Verzögerer 6 verfügt über eine optische Achse 13, die unter –45° ausgerichtet ist und der Polarisator 5 verfügt über eine Polarisationsachse 14, die unter 90°, d.h. orthogonal zur Polarisationsachse 11 des Polarisators 1 ausgerichtet ist. Die Elektrodenschichten 3 und 8 sind so angeordnet, dass sie Spannungen an die Ausrichtungsschichten 4 und 9 und die Flüssigkristallschicht 10 anlegen, die zwischen 8 Volt und 2 Volt umschaltbar sind, um die Anzeigepixel zwischen einem dunklen oder stark geschwächten Zustand und einem hellen oder hoch transmissiven Zustand umzuschalten.
Der Effekt des 8-Volt-Felds an der Flüssigkristallschicht 10 ist bei 15 veranschaulicht. Der größte Teil des Flüssigkristallmaterials befindet sich in einem solchen Zustand, dass die Direktoren im Wesentlichen orthogonal zu den Ausrichtungsschichten 4 und 9 stehen. So zeigt die Flüssigkristallschicht 10 eine relativ kleine Restnacheilung. Die Nacheilung der Verzögerungseinrichtung 6 wird so gewählt, dass sie im Wesentlichen der Restnacheilung entspricht, und da die optischen Achsen 12 und 13 der Flüssigkristallschicht 10 und der Verzögerungseinrichtung 6 orthogonal aufeinander stehen, hebt die Verzögerungseinrichtung 6 die Restnacheilung der Schicht 10 effektiv auf, so dass die Vorrichtung zwischen den Polarisatoren 1 und 5 im Wesentlichen die Nacheilung null zeigt. Demgemäß wirkt ein Pixel, wenn es sich in diesem Zustand befindet, wie gekreuzte Polarisatoren, und daher ist es im Wesentlichen undurchsichtig, so dass es schwarz erscheint.
Der Effekt des niedrigeren an die Schicht 10 angelegten Felds ist bei 16 veranschaulicht. Die Direktoren der an die Ausrichtungsschichten 4 und 9 angrenzenden Flüssigkristallschicht sind von der 90°-Ausrichtung der Direktoren im Volumen der Schicht 10 weggekippt. Die Nacheilung der Schicht 10 ist daher wesentlich höher, und sie ist so beschaffen, dass sie, in Kombination mit der Nacheilung der Verzögerungseinrichtung 6, im Wesentlichen für eine Nacheilung einer halben Welle sorgt, und zwar z.B. für Licht mit einer Wellenlänge von 550 Nanometern, was ungefähr der Mitte des sichtbaren Spektrums entspricht. Der Effekt hiervon besteht darin, zwischen den gekreuzten Polarisatoren 1 und 5, wobei die optischen Achsen unter 45° zu den Polarisationsachsen 11 und 14 ausgerichtet sind, eine Halbwellen-Verzögerungseinrichtung zu bilden. So wird der Polarisationsvektor von Licht vom Polarisator 1 auf 90° geschaltet, weswegen dieses Licht vom Polarisator 5 mit minimaler Schwächung durchgelassen wird. so erscheint ein Pixel in diesem Zustand weiß.
Die 5 veranschaulicht die Transmission durch ein Pixel der Vorrichtung in den 3 und 4 als prozentualen Wert über der Zeit in Millisekunden, wenn das Pixel vom schwarzen in den weißen Zustand umgeschaltet wird, d.h. das angelegte Feld von 8 Volt auf 2 Volt verringert wird. Für verschiedene Werte des Parameters (η₁–η₂)/γ₁ sind mehrere "elektrooptische Relaxationskurven" dargestellt. Für jede diese Kurven hat das Verhältnis η₂/γ₁ den Wert 0,25, und das Verhältnis η₁₂/η₁ hat den Wert 0,1.
Die Kurve für den Parameter 1 entspricht bekannten pi-Zelle-Anordnungen, und sie zeigt in der "Relaxations"richtung eine Schaltzeit von ungefähr 10 Millisekunden, um ungefähr 90% Transmission zu erreichen, was der Relaxation der Flüssigkristalldirektoren in den Oberflächenschichten der Flüssigkristallschicht 10 entspricht. Die anderen Kurven veranschaulichen verschiedene Werte dieses Parameters, der, gemäß der Erfindung, größer als 1,15 oder kleiner als 0,9 ist. In all diesen Fällen ist die Relaxationszeit verringert, so dass die Schaltgeschwindigkeit erhöht ist. Z.B. ist bei einem Parameterwert von 0,1 die Schaltzeit auf ungefähr 5 Millisekunden verringert, um ungefähr 90% Transmission zu erzielen. Daher ist es möglich, die Auffrischungsrate eines Displays vom in einem Oberflächenmodus arbeitenden Typ wesentlich zu erhöhen, und dies ermöglicht es z.B. mit einer Videoratearbeitende Displays und farbsequenzielle Displays zu schaffen, die bei einer standardmäßigen Vollbild- oder Halbbildrate arbeiten, oder verbesserte Funktionalität zu erzielen.
Wie oben beschrieben, sind viele nematische Materialien dergestalt, dass der Parameter (η₁–η₂)/γ₁ den Wert 1 oder im Wesentlichen den Wert 1 hat. Jedoch tritt eine Ausnahme hiervon auf, wenn sich ein nematisches Material auf einer Temperatur nahe an einem Phasenübergang zu einer smektischen Phase befindet, wie es z.B. von H. -H. Graf, H. Kneppe, F. Schneider, in Mol. Phys. 65, S. 23–38, 1981 beschrieben ist. Demgemäß sind nematische Materialien mit einer zugrundeliegenden smektischen Phase zur Verwendung beim in den 3 und 4 dargestellten Display besonders geeignet. Von speziellem Interesse sind Materialien mit sogenannten "injizierten smektischen Phasen", wie z.B. von M. J. Bradshaw, E. P. Raynes in Mol. Cryst. Liq. Cryst. 99, S. 107 (1983) offenbart. Es kann daher erwartet werden, dass pi-Zellen von in den 3 und 4 dargestellten Typ unter Verwendung derartiger Materialien aufgrund ihrer vorteilhaften, d.h. von eins abweichenden, Werten des Parameters (η₁–η₂)/γ₁ eine unübliche Temperaturabhängigkeit zeigen.
Die 6 und 7 entsprechen den 3 bzw. 4, jedoch veranschaulichen sie eine in einem Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung vom in WO 97/12275 offenbarten Typ mit einer nematischen Flüssigkristallschicht 10 mit einem von eins abweichenden Parameter (η₁–η₂)/γ₁. Der Effekt des Profils des Flüssigkristalldirektors über die gesamte Flüssigkristallschicht 10 hinweg ist bei 17 für ein relativ hohes angelegtes Feld und bei 18 für ein relativ niedriges angelegtes Feld dargestellt. Das Display der 6 unterscheidet sich von dem der 3 dadurch, dass der nematische Flüssigkristall von negativer dielektrischer Anisotropie ist und die Ausrichtungsschichten 4 und 9 für relativ hohe Vorverkippungen, von z.B. mehr als 80°, sorgen.
Wenn ein Pixel vom bei 17 dargestellten Zustand mit hohem Feld auf den bei 18 dargestellten Zustand mit niedrigerem Feld umgeschaltet wird, relaxieren die Direktoren in den Oberflächenschichten der Schicht 10, um das Pixel von einem schwarzen in einen weißen Zustand zurückzuschalten. Durch Auswählen des nematischen Flüssigkristallmaterials der Schicht 10 in solcher Weise, dass es über einen Parameter (η₁–η₂)/γ₁ verfügt, der wesentlich von 1 verschieden ist, wird die Relaxationszeit verringert, so dass die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird.
Wie oben beschrieben, zeigt es sich experimentell, dass die meisten nematischen Materialien dergestalt sind, dass der Parameter (η₁–η₂)/γ₁ dem Wert 1 oder im Wesentlichen dem Wert eins entspricht. Ein Argument hierfür kann wie folgt angegeben werden.
Außer der 1 ist es ersichtlich, da η₁ die Viskosität für eine Scherbewegung mit Molekülen parallel zum Geschwindigkeitsgradienten ist, und da η₂ die Viskosität für Moleküle parallel zur Strömungsrichtung ist, dass die Differenz (η₁–η₂) in gewissem Sinn ein Maß für die Formanisotropie (d.h. die Elliptizität) der nematischen Moleküle ist (in der Grenze, wenn die Moleküle kugelförmig sind, gilt selbstverständlich η₁ = η₂). Wie bereits angegeben, ist γ₁ ein Maß dafür, wie leicht sich ein kleiner Bereich nematischer Moleküle in Bezug auf ihre Nachbarn verdrehen kann. Demgemäß ist γ₁ auch ein Maß für die Elliptizität der Moleküle (einfach ausgedrückt, ist es leichter, eine eingeschlossene Kugel gegenüber Nachbarn zu verdrehen, als einen langen, dünnen Stab gegenüber anderen Stäben zu verdrehen). So sind in allgemeinem Sinn sowohl γ₁ als auch (η₁–η₂) Maße für dieselbe zugrundeliegende Eigenschaft nematischer Flüssigkristalle, nämlich die elliptische Art der Phase, und demgemäß zeigt das Verhältnis (η₁–η₂)/γ₁ die Tendenz, in der Größenordnung von eins zu liegen.
Demgemäß ist eine Suche nach nematischen Materialien mit (η₁–η₂)/γ₁ ≠ 1 nicht offensichtlich (wie es, außerdem, ihre Verwendung in pi-Zellen ist). Ein Verfahren zum Erhalten derartiger Materialien besteht in der Suche nach unüblichen Molekülformen oder einer unüblichen Molekülordnung. Obwohl es von den Autoren nicht angegeben ist, zeigt eine sorgfältige Untersuchung der Ergebnisse von H. -H. Graf, H. Kneppe, F. Schneider in Mol. Phys. 77, S. 521–538, 1992, dass ein nematisches Material bei einer Temperatur nahe an einem Phasenübergang in eine smektische Phase (η₁–η₂)/γ₁ ≠ 1 zeigen kann. Demgemäß können nematische Materialien mit zugrundeliegender, oder übergeordneter, smektischen Phase das erforderliche anomale (η₁–η₂)/γ₁-Verhalten zeigen.
Es ist wünschenswert, über ein nematisches Material zu verfügen, das über einen so großen Temperaturbereich wie möglich nahe an einem Phasenübergang zu einem smektischen Material liegt. Es ist zu erwarten, dass pi-Zellen des in den Zeichnungen dargestellten Typs unter Verwendung derartiger Materialien wegen ihrer vorteilhaften, d.h. nicht eins entsprechenden, Werte des Parameters (η₁–η₂)/γ₁ eine ungewöhnliche Temperaturabhängigkeit ihrer Viskositäten zeigen. Ein Verfahren zum Erhalten nematischer Materialien, die über einen großen Temperaturbereich dicht an einem Phasenübergang in ein smektisches Material liegen, ist von C. S. Oh in "Induced Smectic Mesomorphism by Incompatible Nematogens", Mol. CFryst. Liq. Cryst. 1977, Vol. 42, S. 1–4, und von M. J. Bradshaw, E. P. Raynes in "The Bend and Splay Elastic Constants on Approaching an Injected Smectic Phase", Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1983, vol. 99, S. 107–116 beschrieben. Die 8 zeigt ein Phasendiagramm vom in diesen Literaturstellen erörterten Typ. Ein Gemisch aus polaren, nematischen Molekülen (wie 4-Cyano-4'-n-Pentylbiphenyl-Biphenyl) mit nicht-polaren, nematischen Molekülen (wie 4'-n-Hexyloxyphenyl-4n-Butyl-Benzoat) kann zum Erscheinen einer smektischen Phase bei gewissen Konzentrationen (d.h. zwischen Konzentrationen 'a' und 'b' in der 8) führen. Ein Gemisch bei 'c' zeigt über einen großen Temperaturbereich eine rein nematische Phase. Jedoch liegt ein Gemisch bei 'a' (oder 'b'), obwohl es nematische ist, über einen großen Temperaturbereich nahe an einem Übergang in eine smektische Phase.
Es wird davon ausgegangen, dass eine andere mögliche Technik zum Erzielen einer gewissen schwachen smektischen Ordnung in einem ansonsten nematischen System die Verwendung von Polymernetzwerken, z.B. wie folgt, beinhaltet. Es wird ein Gemisch aus einem nematischen Flüssigkristall und einem reaktiven Mesogen hergestellt. Der nematische Flüssigkristall verfügt bei einer Temperatur unter dem normalen Betriebsbereich der Vorrichtung über eine zugrundeliegende smektische Phase. Das Gemisch wird so abgekühlt, dass der Flüssigkristall den Übergang in die smektische Phase erfährt, und dann wird das reaktive Mesogen ultravioletter Strahlung ausgesetzt, um so Polymerisation zu induzieren und ein anisotropes Polymernetzwerk zu erzeugen. Die anisotrope Ordnung des Polymernetzwerks erzeugt dann im smektischen Flüssigkristall eine dauerhafte Aufzeichnung ihrer Ausrichtung. Die Vorrichtung wird dann auf die Umgebungstemperatur zurückgebracht, wobei der Flüssigkristall in die nematische Phase zurückkehrt. Bei der Umgebungstemperatur enthält die Vorrichtung den nematischen Flüssigkristall gemeinsam mit einem Polymernetzwerk mit einem gewissen Grad smektischen Ordnung. Ein derartiges System kann daher eine Technik zum Erzeugen des gewünschten nematischen Flüssigkristallsystems, das in gewissem Grad smektische Ordnung zeigt, bilden.
Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden. Z.B. können die Polymerisatoren 1 und 5 so ausgerichtet werden, dass ihre Polarisationsachsen 11 und 14 parallel verlaufen. In diesem Fall sind die schwarzen und weißen Zustände der Pixel umgekehrt. Auch veranschaulichen zwar die 3 und 6 Vorrichtungen in einem Transmissionsmodus, jedoch können auch in einem Reflexionsmodus arbeitende Vorrichtungen geschaffen werden. In diesem Fall kann der Polarisator 5 durch einen Spiegel ersetzt werden, und die Nacheilungen in der Schicht 10 und in der Verzögerungseinrichtung 6 können so gewählt werden, dass die Vorrichtung als schaltbare Viertelwellen-Verzögerungseinrichtung arbeitet.

Claims

In einem Oberflächenmodus arbeitende Flüssigkristallvorrichtung mit einer Schicht eines nematischen Flüssigkristalls mit Viskositätskoeffizienten η₁, η₂ und γ₁ in solcher Weise, dass (η1–η₂)/γ₁ ≥ 1,15 oder (η1–η₂)/γ₁ ≥ 0,09 gilt.
In einem Oberflächenmodus arbeitende Flüssigkristallvorrichtung mit einer Schicht eines nematischen Flüssigkristalls mit Viskositätskoeffizienten η₁, η₂ und γ₁ in solcher Weise, dass (η1–η₂)/γ₁ ≥ 1,15 oder (η1–η₂)/γ₁ ≥ 0,09, bei einer Temperatur, bei der der Flüssigkristall mindestens 5°C entfernt von einem Übergang in eine andere Phase liegt, gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die andere Phase eine smektische Phase ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flüssigkristall bei mindestens einer Temperatur im Bereich 0–60°C eine nematische Phase zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der nematische Flüssigkristall eine zugrundeliegende smektische Phase aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkristallschicht ein Polymernetzwerk aufweist, das durch Polymerisation eines polymerisierbaren Materials mit der Schicht, die auf eine Temperatur abgekühlt wurde, bei der der nematische Flüssigkristall eine smektische Phase aufweist, hergestellt wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flüssigkristall positive dielektrische Anisotropie aufweist und zwischen einer ersten und einer zweiten Ausrichtungsschicht angeordnet ist, die für im Wesentlichen parallele Ausrichtung und eine Vorverkippung unter 45° sorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Vorverkippung weniger als 10° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flüssigkristall negative dielektrische Anisotropie aufweist und zwischen einer ersten und einer zweiten Ausrichtungsschicht angeordnet ist, die für im Wesentlichen parallele Ausrichtung und eine Vorverkippung über 45° sorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Vorverkippung größer als 80° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der (η1–η₂)/γ₁ < 0 gilt.
Display mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1.