DE60021416T2

DE60021416T2 - Bistabile nematische flüssigkristallvorrichtung

Info

Publication number: DE60021416T2
Application number: DE60021416T
Authority: DE
Inventors: John Clifford Jones
Original assignee: ZBD Displays Ltd
Current assignee: ZBD Displays Ltd
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-23
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2003515788A; US20090002617A1; KR20020095165A; CN1433529A; GB9928126D0; US7471362B1; DE60021416D1; EP1234207B1; EP1234207A1; WO2001040853A1; CA2392452A1; US8384872B2; TW550422B; AU1532701A; ATE300058T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkristallvorrichtungen und insbesondere Modulationsvorrichtungen, die entweder mit einem einzigen Polarisator oder ohne Polarisator arbeiten und bei denen die Modulation durch Beugung, Streuung oder Absorption von einfallendem Licht erfolgt.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Flüssigkristallvorrichtungen weisen typischerweise eine dünne Schicht eines Flüssigkristallmaterials auf, das zwischen zwei Zellenwänden enthalten ist, von denen mindestens eine optisch transparent ist. Diese Wände sind typischerweise auf der Innenoberfläche mit transparenten leitenden Schichten beschichtet, um das Anlegen von äußeren elektrischen Feldern zu ermöglichen. Die Elektroden sind oft als eine Reihe von Streifen ausgebildet, die Reihen- oder Zeilenelektroden auf einer Wand und Spaltenelektroden auf der anderen Wand bilden. Die Überschneidungen von Reihen und Spalten ergeben eine x-y-Matrix von adressierbaren Elementen oder Pixeln. Andere Anordnungen sind möglich, wozu segmentierte oder rθ-Anzeigen gehören.
Einige Flüssigkristallvorrichtungen weisen auch Halbleiterbereiche längs der Elektroden auf, die so ausgebildet sind, dass nichtlineare Elemente, wie etwa Dünnschichttransistoren (TFTs), gebildet werden. Im Inneren der Vorrichtung können auch weitere Schichten vorliegen, zu denen Farbfilter, Schichten zum Planmachen und Barriereschichten, absorptive Schichten oder Reflexionsschichten gehören.
Die innerste Oberfläche jedes Pixels weist üblicherweise eine Ausrichtungsschicht auf, welche die gewünschte Orientierung des Direktors des Flüssigkristalls vorgibt. Typischerweise ist diese Ausrichtungsschicht eine Schicht aus einem Polymer, zum Beispiel einem Polyimid, die mit einem Gewebe poliert ist, um der Oberfläche die gewünschte Richtung zu verleihen. Dies führt sowohl zu einer bevorzugten Ausrichtung als auch einer oberflächlichen Ankippung der Flüssigkristallmoleküle. Ohne das Schwabbeln ergibt die Polymerschicht üblicherweise eine planare Orientierung, in der die Flüssigkristalle, dargestellt durch einen Einheitsvektor, der Direktor genannt wird, parallel zur lokalen Oberfläche des Polymers sind. Ferner werden in einer Schicht eines Photoresists erzeugte Gitteroberflächen zur Ausrichtung und zur Oberflächenankippung verwendet, vergleiche zum Beispiel GB 2,312,523, GB 2,290,629, WO 98/59275, WO 97/39382, US 5 808 717, US 4 247 174. Das Photoresistmaterial führt typischerweise zu einer planaren Ausrichtung des Direktors, und es ist die elastische Verwindung in der Nähe der Oberfläche, die durch die Vertiefungen der Gitteroberfläche hervorgerufen wird, die zu einer bevorzugten Ausrichtungsrichtung und einer Vorkippung (Pretilt) führt.
Ein unterschiedlicher Typ von Ausrichtung wird oft durch Anwendung niederer Oberflächenenergien erzielt, die zum Beispiel mit grenzflächenaktiven Mitteln erzeugt werden. In solchen Fällen steht der Direktor lokal in Normalrichtung zur Oberfläche, was als homöotrop bezeichnet wird. In sämtlichen Fällen übertragen die Moleküle des Flüssigkristallmaterials, die an die Substratoberfläche angrenzen, die bevorzugte Ausrichtungsrichtung auf die Masse der Probe durch die elastischen Kräfte des Flüssigkristalls. Das Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkristallvorrichtung kann zu einer Reihe von Wirkungen führen. Zahlreiche Vorrichtungen beruhen auf der inhärenten dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls (Δε = ε∥⁣ – ε⊥, wobei sich ∥⁣ und ⊥ auf die Richtungen parallel und senkrecht zum Direktor beziehen). Wenn Δε positiv ist, ist die elektrostatische Energie des Flüssigkristalls minimal, wenn der Direktor parallel zum angelegten Feld ist, während, wenn Δε negativ ist, der Direktor dazu tendiert, senkrecht zum angelegten Feld zu liegen. Diese Effekte beziehen sich auf den Effektivwert des Feldes und sind als solche unabhängig von der Feldpolarität. Die meisten Materialien sind über den Betriebsfrequenzbereich der Vorrichtung entweder positiv oder negativ, obgleich bestimmte Materialien entwickelt wurden, die ein "Zweifrequenz"-Verhalten zeigen, wobei Δε innerhalb des Betriebsbereichs der elektrischen Frequenzen bei niederen Frequenzen positiv und bei höheren Frequenzen negativ ist. In jüngster Zeit wurden einige Vorrichtungen beschrieben, bei denen der flexoelektrische Effekt ausgenützt wird, der in zahlreichen Flüssigkristallen auftritt (R. B. Meyer, Phys. Rev. Lett. 22 (1969), 918). Dieser Effekt wird durch polare Ordnung der Flüssigkristallmoleküle hervorgerufen, die durch bestimmte elastische Verwerfungen des Direktorfeldes des Flüssigkristalls induziert werden. Die Stärke solcher Effekte hängt mit dem Gleichspannungsfeld zusammen und hängt als solche von der Polarität des angelegten elektrischen Feldes ab.
Bei der herkömmlichen verdrillt-nematischen Vorrichtung beruht die elektrooptische Modulation auf dem Δε-Effekt. Das Anlegen einer geeigneten Spannung verursacht ein Verdrehen der Flüssigkristallmoleküle von einem verdrillten Zustand, der etwa parallel zur Dicke der Schicht ist (der die Ebene des polarisierten Lichts dreht), in einen nicht verdrillten Zustand, der etwa senkrecht zur Schicht liegt (geschalteter Zustand). Der verdrillte und der nicht verdrillte Zustand können durch Betrachten der Zellen zwischen Polarisatoren unterschieden werden, die, je nach der Auslegung der Flüssigkristallzelle senkrecht zueinander oder in einer anderen geeigneten Anordnung angeordnet sind.
Alternativ kann der optische Kontrast auch durch Modulieren des Grades der Streuung von einfallendem Licht erzielt werden. Eine Reihe von Vorrichtungen macht von diesem Effekttyp Gebrauch; hierzu gehören: dynamisch streuende nematische Vorrichtungen (Heilmeier et al., Appl. Phys. Lett. 13 (1968) 46); dynamisch streuende smektische Vorrichtungen (zum Beispiel Crossland et al., 1979, US 4 139 273 ); thermisch und elektrisch adressierte streuende Vorrichtungen vom Smektisch-A-Typ (zum Beispiel Coates, in Bahadur, "Liquid Crystals: Applications and Uses, Band 1, World Scientific, 1990, S. 275; mikroverkapselte und in Polymeren dispergierte Flüssigkristalle (zum Beispiel Fergason et al., 1984, US 4 435 047 , SEIKO EP 0 749 030 A1 , Doane et al., Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 269, und Coates et al., US 5 604 612 ); Flüssigkristalldispersionen (Hilsum, 1976, GB 1 442 360 ); elektrische Feldinduktion eines Brechungsindex-Beugungsgitters in einem nematischen Flüssigkristall (Huignard et al., 1987, US 4 630 091 , Canon US 4 878 742 ); ferroelektrische Flüssigkristalle mit in Mustern ausgebildeten Elektroden (O'Callaghan und Handschy, 1990, US 5 182 665 ).
Die Arbeitsweise anderer Flüssigkristallvorrichtungen beruht auf dem Prinzip der Anisotropie der optischen Absorption zur Unterscheidung zwischen den verschiedenen Zuständen. Die Leistungsfähigkeit dieses Vorrichtungstyps wird üblicherweise durch Zusatz von pleochroitischen Farbstoffen zum Flüssigkristallmaterial erheblich gefördert. Ein Beispiel dieses Vorrichtungstyps ist die Guest-Host-Vorrichtung mit cholesterinischem Flüssigkristall (Taylor und White, 1974, US 3 833 287 ).
In jüngster Zeit wurden neuartige Gitteroberflächen beschrieben, bei denen es mehr als eine stabile Richtung des nematischen Direktors gibt. Eine Doppel-Gitterstruktur, die bistabile Oberflächenzustände mit unterschiedlichen Azimutorientierungen (d. h. unterschiedliche Orientierungen der mittleren Richtung der Flüssigkristallmoleküle oder des Direktors innerhalb der Ebene der Zelle) induziert, ist in GB 2 286 467 A und dem Patent US 5 796 459 beschrieben. Der lokale Direktor liegt planar zur Oberfläche, und die beiden Oberflächenorientierungen werden durch genaue Kontrolle der Gitterabstände, der Amplituden und des Blazegrades stabilisiert.
Eine neuartige Oberfläche wurde in der britischen Patentanmeldung 9 521 106.6 sowie in WO 97/14990 und GB 2 318 422 beschrieben, bei der eine ein Gitter aufweisende Oberfläche mit einer homöotropen Orientierung des lokalen Direktors zu zwei stabilen Zuständen mit unterschiedlichen Verkippungswinkeln führt, jedoch innerhalb der gleichen Ebene. Diese Oberfläche wird zur Erzeugung einer sogenannten ZBD-Vorrichtung (Zenithal Bistable Device) verwendet. Diese Vorrichtung führte zu einer signifikanten Verbesserung der Schalteigenschaften gegenüber der azimutalen bistabilen Vorrichtung von GB 2 286 467 A , da das Drehmoment, das durch ein elektrisches Feld ausgeübt wird, das in Normalrichtung zu den Substraten angelegt wird, in der gleichen Ebene wie der Direktor in den beiden stabilen Zuständen wirkt. Bei zenithalen bistabilen Oberflächen gibt es mindestens einen Zustand, der defekte oder falsche Neigungen des Direktorfeldes enthält, und einen Zustand, der diese Defekte nicht aufweist; dieser letzte Zustand wird als kontinuierlich bezeichnet. So ist zum Beispiel in GB 2 318 422 eine zenithale bistabile Oberfläche beschrieben, bei der es einen Defektzustand gibt, der zu einer geringen Vorkippung des nematischen Direktors in einem gewissen Abstand (üblicherweise vergleichbar mit dem Gitterabstand) weg von der Gitteroberfläche führt, während der kontinuierliche Zustand zu einer hohen Vorkippung führt. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Ausdruck Vorkippung, wie er hier verwendet wird, den Winkel bedeuten soll, den der Direktor zur Zellenebene einnimmt.
Übliche Probleme, wie sie bei zahlreichen herkömmlichen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen vorliegen, sind beispielsweise ein schmaler Betrachtungswinkel, fehlender Kontrast und Reflexion, schlechtes Schaltverhalten, ungünstige Leistungsausnützung sowie Schwierigkeiten bei der Herstellung großflächiger Vorrichtungen. Flüssigkristallvorrichtungen werden ferner oft bei anderen Anwendungen zur Steuerung von Licht verwendet, zum Beispiel für Wohnungsfenster. Bei solchen Anwendungen stellt das Erfordernis einer dauernden Leistungszufuhr oft ein Problem dar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die obigen Probleme durch eine Flüssigkristallzelle vermindert, die zwischen zwei bistabilen Zuständen geschaltet werden kann, nämlich einem hoch lichtstreuenden (oder absorbierenden) Zustand und einem erheblich weniger lichtstreuenden (oder absorbierenden) Zustand, zum Beispiel einem transparenten Zustand. Der streuende Zustand wird durch kleine Oberflächenmerkmale auf einer Zellenwand oder auf beiden Zellenwänden erzielt, die zu lokalisierten Änderungen der molekularen Orientierung führen. Die Oberflächenmerkmale werden vorzugsweise durch eine Gitterstruktur oder durch in geeigneter Weise angeordnete Oberflächenreliefstrukturen erzielt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Flüssigkristallvorrichtung eine Schicht eines nematischen Flüssigkristallmaterials auf, die zwischen zwei Zellenwänden enthalten ist, die jeweils Elektrodenstrukturen und eine Ausrichtungsoberfläche tragen;
sie ist gekennzeichnet durch
eine Ausrichtungsschicht auf mindestens einer Zellenwand, wobei die Ausrichtungsschicht sowohl eine primäre Modulation als auch eine sekundäre Modulation aufweist,
wobei die primäre Modulation durch eine Vielzahl von kleinen, weniger als 15 μm großen Ausrichtungsbereichen gebildet wird, die jeweils eine profilierte homöotrope Oberfläche besitzen, die zu bistabilen Ausrichtungen mit einer Vorkippung sowie zu einer lokalen Ausrichtungsrichtung bei den Flüssigkristallmolekülen in jedem kleinen Bereich führt,
und die sekundäre Modulation durch einen Abstand zwischen benachbarten kleinen Ausrichtungsbereichen und/oder durch unterschiedliche lokale Ausrichtungsrichtungen von benachbarten kleinen Ausrichtungsbereichen gebildet wird,
wodurch die Vorrichtung zwischen einem lichtdurchlässigen Zustand und einem nicht lichtdurchlässigen Zustand schaltbar ist.
Die kleinen Ausrichtungsbereiche (Oberflächenmerkmale), die eine Größe < 15 μm besitzen, können durch eine Vielzahl von Gitterbereichen, Vorsprüngen oder Sacklöchern gebildet sein und durch Bereiche einer monostabilen Ausrichtung getrennt sein, üblicherweise eine homöotrope Ausrichtung. Die Ausrichtung in den Bereichen, die aus Gittern, etc. bestehen, führt bevorzugt zu bistabilen schaltbaren Zuständen des Flüssigkristallmaterials, bei dem die bistabilen Zustände unterschiedliche Werte der Vorkippung aufweisen. Die Ausrichtungseigenschaften können zwischen benachbarten Bereichen variieren. Die Bereiche mit Gittern, etc. können hinsichtlich ihrer Größe, ihrer Form und der Ausrichtungsrichtungen gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Wenn die Gitterbereiche gleichmäßige Größe besitzen, wie in Anzeigeanwendungen, kann die Variation der Ausrichtungsrichtungen für jeden Bereich oder einige Bereiche die gleiche sein, so dass eine gleichmäßige Gesamt-Anzeige erzielt wird. Innerhalb jedes Bereichs kann eine abgestufte Variation vorliegen, so dass das Ausmaß der Streuung von der Amplitude der angelegten Spannung abhängt, wodurch ein Graustufeneffekt erzielt wird.
Das Flüssigkristallmaterial kann nematisch, cholesterinisch mit langer Ganghöhe (oder chiral-nematisch) oder smektisch sein.
Bei der vorliegenden Erfindung werden Ausrichtungsgitter ähnlich denen, die im Stand der Technik nach US 5 796 459 und GB 2 318 422 beschrieben sind, auf einer oder beiden Innenflächen verwendet, wobei zusätzliche Anforderungen vorliegen, wie etwa, dass die Ausrichtungsrichtung, die bei diesem Gitter in den Zuständen oder in dem Zustand niederer Energie resultiert, bei einer Oberfläche nach GB 2 318 422 ferner in einer oder mehreren Richtungen in der Oberflächenebene moduliert ist, sowie, dass die Doppel-Gitterstruktur der Oberfläche nach US 5 796 459 lokal homöotrop sein muss und die Doppel-Gitterstruktur so angeordnet ist, dass sie zwei Zustände mit unterschiedlicher Verkippung ergibt. Der zenithale Typ einer Bistabilität nach GB 2 318 422 , bei dem die beiden bistabilen Zustände unterschiedliche Vorkippung aufweisen, ist gegenüber den azimutalen bistabilen Vorrichtungen nach US 5 796 459 bevorzugt, da er die Erzielung der besten elektrooptischen Eigenschaften erlaubt und daher dieser Typ in den verschiedenen später beschriebenen Ausführungsformen verwendet ist.
Einfache Vorrichtungen können so ausgelegt werden, dass sie eine monostabile Ausrichtung aufweisen und die elektrooptische Modulation aus der Verringerung der Variation des Brechungsindex resultiert, da sich der Flüssigkristalldirektor beim Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Feld umorientiert.
Eine signifikant verbesserte Arbeitsweise ist allerdings dadurch möglich, dass sichergestellt wird, dass die Oberfläche in einigen Bereichen der Zelle zu einer zenithalen Bistabilität führt. Bei solchen Vorrichtungen ist einer der beiden Zustände ein stark beugender, streuender oder absorbierender Zustand, während der andere Zustand ein weniger beugender, streuender oder absorbierender Zustand ist. Die beiden Zustände können unter Anwendung elektrischer Impulse geeigneter Spannung, Polarität, Dauer und Form gewählt werden.
Zur Maximierung des Streuungsgrades zur Erzielung einer guten Helligkeit (und eines guten Kontrasts) in einer streuenden Vorrichtung können eine Reihe von Eigenschaften variiert werden. Dies gilt insbesondere für auf dem Reflexionsmodus beruhende Vorrichtungen, bei denen rückgestreutes Licht zur Erzielung des hellen Zustands verwendet wird. Zunächst wird die Rückstreuung maximiert, wo eine Modulation des Brechungsindex über Längenbereiche eintritt, die kürzer sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts (typischerweise λ/5). Die Herstellung solcher winzigen Elemente in einem zenithalen bistabilen Gitter zur Erzielung eines hohen Grades an Rückstreuung bei optischen Wellenlängen ist praktisch schwierig, jedoch wurde festgestellt, dass ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden kann, wenn Oberflächenmerkmale eines Abstands von 0,2 bis 2 μm verwendet werden. Dies beruht darauf, dass Defektzentren, die in Oberflächenmerkmalen stabilisiert sind, wie etwa Spitzen und Vertiefungen, zusätzliche Streuzentren ergeben. Darüber hinaus wurde gefunden, dass das Ausmaß der Erhöhung der Rückstreuung durch ein Defektzentrum mit der Verankerungsenergie der Oberfläche und den elastischen Konstanten des Flüssigkristalls in Zusammenhang steht.
Diese Eigenschaften beeinflussen auch das Direktorprofil in der Nähe der Oberfläche (und damit auch den Grad der Streuung im weniger streuenden Zustand und das Kontrastverhältnis) und die elektrischen Schalteigenschaften. Es wurde allerdings festgestellt, dass die Defektstruktur selbst beim Grad der Streuung nur eine zweitrangige Rolle spielt und die Gitterstruktur selbst den entscheidenden Faktor zur Kontrolle des optischen Streuungsgrades darstellt. Dies beruht darauf, dass die mit Defekten, etc. verbundenen Variationen des Brechungsindex sehr nahe an der Gitteroberfläche lokalisiert sind und die elastische Verformung innerhalb ungefähr des ersten Mikrometers von der Oberfläche weg zu einem gleichmäßigen Direktorprofil abklingt. Die Variation der Ausrichtung selbst von einem Teil der Oberfläche zum nächsten gewährleistet erheblich höhere Streuungsgrade, was durch die sekundären Modulationen des Gitterprofils erfolgt.
Zu weiteren wichtigen Faktoren zur Maximierung sowohl der Vorwärtsstreuung als auch der Rückstreuung gehören die Doppelbrechung Δn und die Dicke der Flüssigkristallschicht, das heißt, der Zellenspalt d. Die Doppelbrechung sollte so hoch wie möglich sein, jedoch liegt aufgrund von materialbedingten Einschränkungen (wie etwa geeignete Phasenübergangstemperaturen, chemische Stabilität, niedere Viskosität, etc.) Δn typischerweise bei optischen Wellenlängen im Bereich von 0,18 bis 0,25. In ähnlicher Weise ist der Zellenspalt durch andere Rücksichten eingeschränkt, zu denen die Schaltspannung und das Kontrastverhältnis gehören. Es wurde festgestellt, dass eine gute Helligkeit und ein guter Kontrast für typische Zellenspalte im ungefähren Bereich von 10 μm ≤ d ≤ 50 μm zur Anwendung im optischen Bereich erzielt werden.
Bei Vorrichtungen, die auf dem flexoelektrischen Effekt beruhen, macht allerdings die Verwendung solch großer Zellenspalte zum Einrasten zwischen den bistabilen Zuständen die Eigenschaften der Vorrichtung schlechter und erhöht den Schwellenwert des elektrischen Feldes. Aus diesem Grund wurden auch Zellenspalte von 3 μm ≤ d ≤ 6 μm verwendet. Alternativ kann der Zweifrequenzeffekt zur Unterscheidung zwischen den Zuständen herangezogen werden, um Zellen mit höheren Zellenspalten zu schalten, da das dielektrische Schalten vom Effektivwert abhängt und unabhängig von d ist. Die Oberflächen-Vorkippung, die das Gitter dem Flüssigkristalldirektor in einigem Abstand in die Zelle hinein verleiht, hängt vom Grad der Asymmetrie der Gitterform ab.
Zur Gewährleistung eines maximalen Streuungsgrades wird die Vorrichtung so ausgelegt, dass die Gitterform nahe an der Symmetrie ist, so dass die Vorkippung nahe Null ist. Dies bedeutet, dass für geeignete Polarisation die beiden bistabilen Zustände den maximalen Unterschied im Brechungsindex von einem Streuzentrum zum nächsten aufweisen (das heißt, das nahezu ganze Δn).
Die Erzielung eines verbesserten Kontrastes ist auch dadurch möglich, dass der gewöhnliche Brechungsindex des Flüssigkristalls dem des Gittermaterials (zum Beispiel des Photoresists) angepasst wird. Dies trägt dazu bei, die Streuung im kontinuierlichen Zustand zu verringern, was einen besseren "Dunkel"-Zustand ergibt. Daher sind eine sorgfältige Optimierung der Flüssigkristallzusammensetzung, der Oberflächenschichtzusammensetzung und des Oberflächenprofils jeweils bedeutende Faktoren zur Verbesserung der Vorrichtungseigenschaften.
Alternativ dazu können die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung unter Anwendung des Prinzips der Absorption statt der Streuung arbeiten. So wird zum Beispiel ein geeigneter Farbstoff in den Flüssigkristall vor dem Einfüllen in die Vorrichtung eingemischt, üblicherweise in einem Konzentrationsbereich von 0,5 bis 5 Gew.-% und typischerweise 3%. Kriterien wie etwa das Δn des Flüssigkristalls spielen dann eine geringere Rolle, und der optische Kontrast und die Helligkeit werden durch Faktoren wie etwa den Ordnungsparameter des Farbstoffs im Flüssigkristall-Hostmaterial und die Absorptionsanisotropie des Farbstoffs diktiert.
Der wichtigste Faktor und das grundlegende Prinzip der vorliegenden Erfindung liegen im Design der Gitteroberfläche und insbesondere in der Form der sekundären Modulationen. Es sind zahlreiche unterschiedliche Strukturen möglich, und die Auswahl wird in vielen Fällen von der Anwendung diktiert. Allen beschriebenen Strukturen ist gemeinsam, dass die Gitteroberfläche auf zwei oder mehr Längenskalen und/oder in zwei orthogonalen Dimensionen parallel zur Substratebene moduliert ist.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine homöotrope Eingitterstruktur, wie sie in GB 2 318 422 verwendet ist, aus einer einzigen Vertiefungsrichtung, jedoch mit zwei oder mehr Modulationsamplituden unterschiedlicher Teilung(en). Die erste Modulation besteht in einer Gitterstruktur, die zu den erwünschten bistabilen Zuständen mit unterschiedlicher Vorkippung des Flüssigkristalldirektors führt, während die zweite Modulation mit höherer Frequenz als die erste Modulation Bereiche erzeugt, die entweder unterschiedliche Werte der Vorkippung aufweisen oder eine einzige, monostabile Orientierung des Flüssigkristalldirektors ergeben. In dieser Weise kann die Zelle in ein oder mehrere stabile Zustände eingerastet werden, in denen eine Modulation der Zellenverzögerung oder -absorption in der Richtung der Oberflächenmodulationen vorliegt.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Gitter in dieser Weise in zwei (oder mehr) Richtungen in der Oberflächenebene moduliert. Diese sekundären Modulationen können eine Teilung aufweisen, die in einem Bereich liegt, der ungefähr von einer Teilung, die gleich der ersten, zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle herangezogenen Modulation ist, bis zu einem Vielfachen dieses Abstandes reicht. Die zur Erzielung der bistabilen Ausrichtung verwendete Modulation kann beispielsweise eine Periodizität L1 aufweisen, und die sekundäre Modulation kann eine Periodizität L2 = 10 L1 aufweisen, wenn es sich um eine Vorrichtung handelt, die bei optischen Wellenlängen arbeitet. Es kann bevorzugt sein, für längere Wellenlängen L2 > 10 L1 anzuwenden (zum Beispiel im IR). Die Oberfläche ist daher so ausgebildet, dass sie eine Ausrichtung der nematischen Flüssigkristallmoleküle ergibt, die in Richtung über die Oberfläche auf Längenskalen gleicher Größenordnung wie der der Wellenlänge des einfallenden, zu modulierenden Lichts variiert (also im Bereich von λ/10 bis 10 λ). Diese Wellenlängen können vom nahen UV bis zum IR reichen (zum Beispiel von 200 nm bis 12 μm).
Die Zellenwände bestehen typischerweise aus einem Glasmaterial, können jedoch auch aus einem steifen oder flexiblen Kunststoffmaterial bestehen. Für große Vorrichtungen können Abstandshalter in das Flüssigkristallmaterial eingebracht werden, oder die Gitter können integrierte Abstandshalter aufweisen. Die Gitter können durch interne Reflektoren aus Metall oder anderen Materialien, Farbfilter, Polymer-Wandabstandshalter oder punktförmige Abstandshalter, Absorber, Kollimatoren, Diffusorplatten, etc. ergänzt sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert:
1 ist eine Draufsicht auf eine Matrix-Flüssigkristallanzeige mit Multiplex-Adressierung;
2 ist ein Querschnitt durch die Anzeige von 1;
die 3a und 3b zeigen die Verwendung einer Maske und die typische Richtung der Beleuchtung eines Photoresists, die zur Erzeugung einer Gitterstruktur angewandt wird;
4 zeigt einen Querschnitt einer asymmetrischen Gitteroberfläche, die sich zur Erzeugung einer zenithalen bistabilen Ausrichtung eignet;
die 5a, 5b und 5c zeigen eine Draufsicht und zwei Seitenansichten einer Zellenwand einer Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Zelle polarisiertes Licht in einer einzigen Richtung modulieren kann;
die 6a und 6b zeigen schematisch die beiden elektrisch geschalteten molekularen Anordnungen bei einer Zelle mit den Ausrichtungen von 5;
die 7a, 7b und 7c zeigen in schematischer Form eine Draufsicht von zwei Seitensichten von Gittern auf einer Zellenwand;
8 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines Gitterprofils zur Modulierung von polarisiertem Licht in zwei orthogonalen Richtungen, wie sie in 7 angewandt ist;
die 9a, 9b und 9c sind ähnlich wie 8, enthalten jedoch einen quadratischen Bereich mit einer flachen Oberfläche zwischen den Gitterbereichen;
die 10a, 10b und 10c sind ähnlich 8, enthalten jedoch Zwischenräume mit einer flachen Oberfläche zwischen jedem Gitterbereich;
die 11a, 11b und 11c ähneln den 10, zeigen jedoch eine Umkehrung der Asymmetrie zwischen benachbarten Gitterbereichen;
12 zeigt eine zweidimensionale Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gitters, das durch eine Doppel-Gitterstruktur gebildet wird;
13 zeigt eine Zellenwand mit regelmäßig geformten Gitterbereichen, bei der die Gitterausrichtungsrichtung und das Profil in unterschiedlichen Bereichen variieren;
14 zeigt eine Zellenwand mit unregelmäßig geformten Gitterbereichen, bei der die Gitterausrichtungsrichtung und das Profil in unterschiedlichen Bereichen variieren;
15 zeigt eine Zellenwand mit unregelmäßig geformten Gitterbereichen, bei der das Gitter eine Doppel-Gitterstruktur ist, wobei eine Ausrichtungsrichtung und das Doppel-Gitterprofil in unterschiedlichen Bereichen variieren;
16 zeigt eine Zellenwand mit unterschiedlich geformten Gitterbereichen, bei der die Gitterausrichtungsrichtung innerhalb jedes Gitterbereichs variiert;
17 zeigt einen Gitterbereich, der durch eine Vielzahl von Vorsprüngen gebildet wird, deren Abmessungen in der Breite, in der Höhe und in den Abständen eine bistabile Ausrichtung ergeben können;
18 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Zellenwand mit der Ausrichtung von 17 in zwei Schaltzuständen;
19 zeigt einen Gitterbereich, der durch eine Vielzahl von Sacklöchern gebildet wird, deren Abmessungen in der Breite, in der Höhe und in den Abständen eine bistabile Ausrichtung ergeben können;
20 zeigt eine Seitenansicht einer Zellenwand mit der Ausrichtung von 19 in zwei Schaltzuständen;
21 zeigt eine Metallmaske zur Herstellung des Gitters der 7 und 8;
die 22, 23 und 24 sind Fotos einer bistabilen Zelle, die unter Verwendung der Maske von 21 hergestellt ist und die in die beiden Zustände geschaltet ist, wobei die eingerasteten Zustände dargestellt sind;
die 25, 26 und 27 zeigen die resultierenden Beugungsmuster für die aus der Vorrichtung der 22, 23 und 24 resultierende Zelle;
28 ist eine graphische Darstellung eines zweidimensionalen Schnitts einer dreidimensionalen numerischen Simulation des Direktorprofils im kontinuierlichen Zustand um einen einzigen zylindrischen Vorsprung herum, dessen Höhe und Durchmesser gleich sind;
die 29a und 29b sind Fotos der Textur einer Zelle zwischen gekreuzten Polarisatoren bei 40-facher Vergrößerung, wobei eine Innenoberfläche die homöotrope Doppel-Gitterstruktur von 12 aufweist; die Zelle ist in zwei Zuständen dargestellt: a) Defektzustand und b) kontinuierlicher Zustand;
30 ist ein Diagramm zur Transmission in Abhängigkeit von der Zeit für die Zelle von 29 bei Ansteuerung mit bipolaren Impulsen von 30 V und 2 ms, die mit einem Tastgrad von 1000:1 ihre Polarität wechseln;
31 zeigt die optische Transmission für die Zelle von 29 als Funktion der Zellenorientierung bei Betrachtung mit gekreuzten Polarisatoren unter Verwendung einer 10-Fach-Objektivlinse.
32 zeigt das Kontrastverhältnis als Funktion der Zellenorientierung für die Zelle von 29 bei Betrachtung bei gekreuzten Polarisatoren unter Verwendung einer 10-Fach-Objektivlinse;
33 zeigt die Ansprechzeit in Abhängigkeit von der Impulsamplitude zur Erzielung eines Schaltens zwischen den beiden Zuständen für die Zellen der 29 und 35;
34 ist ein Foto, das das Auftreffen von Laserlicht auf einem Schirm zeigt, nachdem es durch die Zelle von 29 mit flacher Doppel-Gitterstruktur hindurchging, nach dem Schalten in a) den Defektzustand (Streuzustand) und b) den kontinuierlichen Zustand (nichtstreuender Zustand);
die 35 sind Fotos einer zweiten Zelle ähnlich der, die für die 29 verwendet wurde, bei der jedoch die Doppel-Gitterstruktur tiefer gemacht wurde, wobei die beiden Zustände dargestellt sind: a) der Defektzustand und b) der kontinuierliche Zustand;
36 zeigt das optische Ansprechen der Zelle von 35 auf bipolare Impulse wechselnder Polarität (Peakamplitude der Impulse 40 V, Dauer 500 μs);
37 zeigt eine vergrößerte Darstellung von 36, aus welcher der langsame Übergang vom kontinuierlichen (weniger streuenden, beugenden oder absorbierenden) Zustand zum Defektzustand (stärkere Streuung, Beugung oder Absorption) mit einer Übergangszeit von 80 ms dargestellt ist;
38 zeigt eine vergrößerte Darstellung von 36, aus welcher der schnelle Übergang vom Defektzustand zum kontinuierlichen Zustand mit einer Übergangszeit von 4 ms hervorgeht;
39 ist ein Foto des Auftreffens von Laserlicht auf einen Schirm, nachdem es durch die Zelle von 35 mit einer tiefen Doppel-Gitterstruktur hindurchging, die vorher in a) den Defektzustand (Streuzustand) und b) den kontinuierlichen Zustand (nichtstreuender Zustand) geschaltet worden war;
40 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die beiden Innenoberflächen der Flüssigkristallvorrichtung so präpariert wurden, dass zenithale bistabile Bereiche mit unterschiedlicher Orientierung zusammen mit Bereichen mit monostabiler homöotroper Ausrichtung gebildet wurden;
die 41, 42 und 43 sind Querschnittsansichten von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
Die Anzeige der 1 und 2 umfasst eine Flüssigkristallzelle 1, die durch eine Schicht 2 aus einem nematischen oder cholesterinischen Flüssigkristallmaterial mit langer Ganghöhe gebildet wird, das zwischen Glaswänden 3, 4 enthalten ist. Ein Abstandsring 5 hält die Wände in einem Abstand von typischerweise 1 bis 50 μm. Für einige Ausführungsformen wird eine Schichtdicke von 1 bis 6 μm verwendet; für andere Ausführungsformen wird ein Abstand von 10 bis 50 μm angewandt. Zusätzlich kann eine Vielzahl von Kügelchen mit gleichen Abmessungen im Flüssigkristall dispergiert sein, um einen genauen Wandabstand aufrechtzuerhalten. Streifenförmige Zeilenelektroden 6, zum Beispiel aus SnO₂ oder ITO (Indium-Zinn-Oxid), sind auf einer Wand 3 ausgebildet, und ähnliche Spaltenelektroden 7 sind auf der anderen Wand 4 ausgebildet. Bei m Zeilenelektroden und n Spaltenelektroden ergibt dies eine m × n – Matrix von adressierbaren Elementen oder Pixeln. Jedes Pixel wird durch die Überlappung einer Zeilenelektrode mit einer Spaltenelektrode gebildet.
Ein Zeilentreiber 8 liefert eine Spannung an jede Zeilenelektrode 6. In ähnlicher Weise liefert ein Spaltentreiber 9 Spannungen an jede der Spaltenelektroden 7. Die Steuerung der angelegten Spannungen erfolgt durch eine Steuerlogik 10, die Strom von einer Spannungsquelle 11 und die Zeitsteuerung von einem Taktgeber 12 empfängt.
Auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Zelle 1 befindet sich ein Polarisator 13, 13'. Zusätzlich kann eine optische Kompensationsschicht 17 zum Beispiel aus einem gereckten Polymer angrenzend an die Flüssigkristallschicht 2 zwischen der Zellenwand und dem Polarisator hinzugefügt werden. Ein teilreflektierender Spiegel oder eine absorbierende Schicht 16 können hinter der Zelle 1 zusammen mit einer Lichtquelle 15 angeordnet sein. Hierdurch wird eine Betrachtung der Anzeige in Reflexion unter Beleuchtung von hinten bei schwacher Umgebungsbeleuchtung ermöglicht. Für eine Transmissionsvorrichtung kann der Spiegel oder der Absorber 16 weggelassen werden. Bei weiteren Ausführungsformen können zwei Polarisatoren 13 und 13' verwendet werden, wie später beschrieben wird.
Vor dem Zusammenbau wird mindestens eine der Zellenwände 3, 4 mit Ausrichtungsmerkmalen wie etwa Oberflächen-Reliefgittern behandelt, um eine geforderte Ausrichtung zu erzielen, zum Beispiel eine monostabile oder eine bistabile Ausrichtung mit oder ohne Vorkippung. Die andere Oberfläche kann entweder mit einer planaren Oberfläche (das heißt eine Vorkippung von Null oder nur wenigen Grad bei einer Ausrichtungsrichtung) oder einer homöotropen monostabilen Oberfläche oder einer degenerierten planaren Oberfläche (das heißt mit einer Vorkippung von Null oder wenigen Grad ohne bevorzugte Ausrichtungsrichtung in der Zellenebene) behandelt werden.
Eine solche Anordnung erlaubt eine separate Adressierung jedes Pixels in beide von zwei visuell unterschiedlichen Zuständen. Kollektiv ergeben die unterschiedlichen Zustände bei jedem Pixel eine geforderte Darstellung von Information. Die Signalformen für die Adressierung jedes Pixels können den herkömmlichen Signalformen entsprechen. So können zum Beispiel bei einem bistabilen Gitter die Signalformen so sein, wie sie in WO 00/5271 A1 und der GB-Patentanmeldung 99/04704.5, Anmeldetag 03.03.99, beschrieben sind.
Der Aufbau der in 2 dargestellten Zelle kann geändert werden, um einen Shutter vorzusehen, der zum Beispiel einen Bildschirm mit hohem Datenschutz ergibt. In diesem Fall ersetzen über die ganze Fläche gehende Elektroden die streifenförmigen Elektroden, und die gesamte Zelle wird zwischen ihren beiden Zuständen geschaltet, zum Beispiel dem transparenten und dem opaken oder streuenden Zustand.
Ausrichtungsgitter können hergestellt werden, wie in den 3a und 3b gezeigt ist. Ein Stück mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtetes Glas zur Erzeugung der Zellenwände 3, 4 wurde mit Aceton und Isopropanol gereinigt und dann mit Photoresist 20 (Shipley 1805) bei einer Drehzahl von 3000 min^–1 30 Sekunden rotationsbeschichtet, was zu einer Beschichtungs-Schichtdicke von 0,55 μm führte. Anschließend wurde 30 Minuten ein Vorerhitzen bei 90°C durchgeführt. Die Belichtung wurde bei einer Einfallsrichtung durchgeführt, die nicht der Normalrichtung entsprach; in diesem Fall wurde ein Winkel von 60° angewandt. Die beschichteten Zellenwände 3, 4 wurden mit Licht von einer Quecksilberlampe (Osram Hg/100) mit einer Intensität von 0,8 mW/cm² während etwa 40 bis 180 Sekunden belichtet. Die Orientierung der Maske 19 war so, dass die Richtung der Vertiefungen im Wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene lag, wie in 3 dargestellt ist.
Die Belichtung mit dieser Geometrie führt zu einer asymmetrischen Intensitätsverteilung und damit zu einem unsymmetrischen Gitterprofil, wie in 4 dargestellt ist. Wenn das Licht in Normalrichtung auf die Maske fällt, ist das Gitterprofil symmetrisch (nicht dargestellt). Die Maske 19 wurde dann entfernt, und das Gitter wurde 10 Sekunden in Shipley MF319 entwickelt und anschließend mit entionisiertem Wasser gespült. Der Photoresist 20 wurde dann durch Belichtung mit Strahlung im tiefen UV (254 nm) gehärtet und anschließend 45 Minuten bei 160°C erhitzt, wobei ein Ätzmittel verwendet wurde, das Bereiche in Abhängigkeit vom empfangenen Beleuchtungsgrad entfernt. Die endgültige Form der Photoresistoberfläche ist ein Gitter 21, wie es zum Beispiel in 4 dargestellt ist. Wie später beschrieben wird, können aus der gesamten Photoresistschicht 20 ein oder mehrere Gitterbereiche erzeugt werden, oder es kann nur ein Teil zu Gittern 21 ausgebildet werden, wobei der Rest als flache Oberflächen 22 verbleibt.
Die Oberfläche 21, 22 wurde dann mit einem niedrigenergetischen grenzflächenaktiven Mittel oder einem Polymer wie Lecithin überschichtet, so dass die Flüssigkristallmoleküle die Tendenz zeigen, lokal in Normalrichtung zur Oberfläche zu liegen, das heißt in einem homöotropen Grenzflächenzustand. Die Form (und damit einige der Eigenschaften) der Oberfläche hängt von verschiedenen Faktoren ab, zu denen die Tiefe des Gitters (abhängig von der Dauer der Belichtung), die Teilung (gegeben durch die Teilung der Chrommaske) und der Einfallswinkel des Lichts (zum Beispiel der Grad der Asymmetrie oder der Blaze) gehören.
Zur Herstellung solcher Oberflächen können auch andere Herstellungstechniken herangezogen werden (vergleiche zum Beispiel M. C. Hutley, "Diffraction gratings", Academic Press, 1982, Seiten 71–128), wozu Ritzverfahren, Prägeverfahren, Druckverfahren, lithographische Verfahren, Laser-Ablationsverfahren sowie interferographische Verfahren gehören. Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts eines typischen Gitters, das zur Erzielung einer zenithalen Bistabilität verwendet wird, ist in 4 gezeigt. Bei diesem Beispiel beträgt die Gitterteilung etwa 1,2 μm, und die Tiefe ist etwa 0,8 μm. In der Praxis ist eine gewisse Variation dieser Eigenschaften erlaubt, solange die Bistabilität der Oberfläche erhalten bleibt. So wurde zum Beispiel Bistabilität für Gitter mit Tiefen von etwa 0,3 bis 2,0 μm gefunden.
Die 5 und 6 zeigen eine der einfachsten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Wie aus den 5a, 5b und 5c hervorgeht, trägt eine Zellenwand 4 Elektroden 6 sowie eine Gitterschicht 21. Das Gitter 21 besitzt Bereiche von primären Gittern Gb, die jeweils ein ähnliches Profil wie in 3 aufweisen, um eine zenithale Bistabilität zu erzielen, das heißt, die Flüssigkristalle können zwischen einer homöotropen Ausrichtung und einer planaren oder nahezu planaren Ausrichtung geschaltet werden. Diese primären Gitter Gb sind durch flache Bereiche Fm unterbrochen, die etwa die gleiche Breite wie die Bereiche der primären Gitter aufweisen. Die Gitter Gb haben zum Beispiel folgende Abmessungen: Höhe 0,3 μm, Teilung L1 0,6 μm. Die Modulation der Gitter Gb und der flachen Oberflächen Fm besitzt eine Teilung L2, die typischerweise zwei- bis zehnfach größer ist als L1 (ungefähre Abmessungen von L2 ≈ 6 μm sind dargestellt). Eine homöotrope Beschichtung etwa aus Lecithin wird sowohl über den Bereichen der primären Gitter Gb als auch den flachen Bereichen Fm aufgebracht. Auf diese Weise variiert die Oberflächenausrichtung des Flüssigkristallmaterials von den bistabilen Gitterbereichen Gb, wo sie entweder vertikal (homöotrop) oder parallel zur mittleren Ebene der Oberfläche sein kann, beispielsweise in Abhängigkeit vom Vorzeichen der angelegten Spannung, zu den monostabilen homöotropen Bereichen Fm, wo die Ausrichtung stets in Normalrichtung zur Wand 4 vorliegt.
Die 6a und 6b zeigen eine Zelle 1, die aus der Wand 4 von 5 gebildet ist und einer Wand 3 mit Elektroden 7 gegenüberliegt, die mit einer homöotropen Ausrichtungsschicht 22 ohne Gitter beschichtet sind. Die Zelle 1 empfängt in einer Ebene polarisiertes Licht durch einen Polarisator 13. Bei dieser Anordnung können die Bereiche der Zelle, die durch das bistabile primäre Gitter Gb beeinflusst werden, entweder im Zustand einer hohen Verkippung (kontinuierlicher Zustand) oder im Zustand einer niederen Verkippung (Defektzustand) vorliegen, während die Moleküle in den flachen Bereichen Fm in einem Zustand mit hoher Verkippung (dem herkömmlichen homöotropen Zustand) vorliegen. Die primären Gitterbereiche Gb der Zelle 1 werden zwischen den beiden bistabilen Zuständen durch positive und negative unidirektionale Spannungsimpulse geeigneter Länge geschaltet, die an die Elektroden 6, 7 angelegt werden.
6a zeigt einen nichtstreuenden (oder beugenden) oder nur schwach streuenden (oder beugenden) Zustand, bei dem sich die bistabilen primären Gitterbereiche G und die dazwischen eingeschalteten monostabilen flachen Bereiche Fm jeweils in einem vertikalen (homöotropen) Ausrichtungszustand befinden.
6b zeigt einen stark streuenden (oder beugenden) Zustand, in dem die bistabilen Gitterbereiche Gb in einem Zustand mit niederer Verkippung vorliegen. Über den flachen Bereichen Fm bleiben die Moleküle in einem homöotropen Ausrichtungszustand. Der Grund für diese Beugung liegt in dem regelmäßigen Phasengitter, das durch den Flüssigkristall gebildet wird. Das in der Zeichenebene der Figur (wie angegeben) polarisierte Licht durchläuft Streifen, wo der Brechungsindex etwa gleich dem gewöhnlichen Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials (n₀) ist, die unterbrochen sind durch Streifen von etwa dem außerordentlichen Brechungsindex (n_e). Daher bildet die Zelle eine Struktur, die als Phasengitter für einfallendes Licht bezeichnet werden kann. Das wohlbekannte Bragg'sche Beugungsgesetz ergibt sich zu 2(L2)sinθ = nλ, wobei n eine ganze Zahl ist. Wenn L2 ungefähr gleich 12 μm ist, führt die Struktur von 6 zu Beugungspunkten erster Ordnung für rotes Licht (λ = 600 nm) unter einem Winkel θ von ± 1,4° und für Licht im nahen Infrarot (IR) mit λ = 4 μm bei einem Winkel θ von ±9,6°.
Es ist festzustellen, dass, wenn die Polarisation des einfallenden Lichts parallel zu den Gittervertiefungen bei diesem Beispiel ist (das heißt, außerhalb der Papierebene in den 6a und 6b) keine Modulation des Brechungsindex und keine Beugung auftreten. Darüber hinaus wird, wenn die Polarisation in der Papierebene liegt, das Licht jedoch unter einem von der Vertikalrichtung abweichenden Winkel einfällt, eine verringerte Modulation des Brechungsindex entsprechend der schwächeren Beugung beobachtet.
Die 7a, 7b und 7c zeigen eine weitere Ausführungsform einer Zellenwand 4, bei der das Gitter 21 in zwei orthogonalen Richtungen moduliert ist, wie aus der zweidimensionalen Darstellung von 8 hervorgeht. 7 ist eine schematische Darstellung und zeigt kleine quadratische Bereiche, die jeweils ein bistabiles Gitterprofil aufweisen, wobei die Richtungen der Vertiefungen in benachbarten Bereichen der Wandoberfläche senkrecht zueinander verlaufen. Bei der Ausführungsform von 7 liegen keine flachen, monostabilen Ausrichtungsbereiche vor. Diese schematische Darstellung wird auch sonst in der vorliegenden Beschreibung verwendet; wie in 5 ist die Teilung des Gitters innerhalb jedes kleinen Quadrats gleich L1, und die Teilung der verschiedenen Ausrichtungsrichtungen ist gleich L2. Das Gitter 21 kann wie bei 3 durch photolithographische Verfahren in zwei Stufen mit einer Drehung der Masken um 90° oder mit einer einzigen Maske, die spezifisch die Struktur des gewünschten Musters darstellt, hergestellt werden. Die gesamte Zellenwand 4 ist mit einem grenzflächenaktiven Mittel beschichtet.
Eine mit einer Wand wie in 7 ausgebildete Zelle wird mit einer Wand 3 wie in 6 verwendet. Die Zelle kann durch positive und negative Gleichspannungsimpulse geschaltet werden, um entweder den homöotropen (nichtstreuenden) Ausrichtungszustand von 6a oder einen streuenden Zustand ähnlich dem von 6b zu erzielen.
Bei dem Beispiel von 7 besitzt der Beugungszustand Modulationen des Brechungsindex für einfallendes Licht, das sowohl in der Papierebene als auch in der Normalrichtung dazu polarisiert ist. Wenn zum Beispiel L1 zu 0,3 μm gewählt wird (Gittertiefe etwa 0,15 μm zur Erzielung der bistabilen Ausrichtung) und L2 gleich 2,5 μm ist, gibt es vier Beugungspunkte erster Ordnung für rotes Licht unter einem Winkel von 7° von der Normalrichtung.
Die 9, 10 und 11 sind Variationen der Wand 4 von 7 und zeigen drei weitere Ausführungsformen, bei denen in beiden Dimensionen mehr als zwei Modulationen vorliegen. In diesen Fällen ändert das kleine Quadrat mit einem bistabilen Ausrichtungsgitter die Richtung der Modulation, wobei diese Gitterbereiche durch flache Bereiche mit monostabiler, homöotroper Ausrichtung unterbrochen sind. Dies hat den Effekt einer Erhöhung der Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen aneinandergrenzenden Bereichen, unabhängig vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts.
Es ist festzuhalten, dass in den 9b und 9c die Richtung der Vorkippung bei alternierenden Gitterbereichen in der gleichen Richtung liegt; Gleiches gilt für 10. Im Gegensatz dazu kehrt sich die Richtung der Asymmetrie zwischen benachbarten Bereichen um, wodurch die Winkeleigenschaften der Vorrichtung verbessert werden. Diese Asymmetrie ist durch die Richtung der Pfeile 23 in den 11b und 11c dargestellt, wenn sich das Material in seinem Schaltzustand mit geringer Verkippung zur Oberfläche befindet.
12 zeigt einen Grenzfall mit L1 = L2 für Gitter in orthogonalen Richtungen (auch wenn L1_x = L1_y); dies bedeutet, dass ein zenithal bistabiles Doppel-Gitter erzeugt wird. Derartige Gitter mit Doppelstruktur wurden bereits früher zur Erzielung bistabiler Oberflächenbedingungen herangezogen, zum Beispiel in dem Patent US 5 796 459 . Bei dieser Vorrichtung führt das Doppel-Gitter zu bistabilen Ausrichtungsrichtungen, die Komponenten bei unterschiedlichen Winkeln innerhalb der Ebene des Substrats aufweisen (das heißt, azimutale Bistabilität). Eine Doppel-Gitterstruktur führt zu zwei orthogonalen Gruppen von Vertiefungen in der Oberflächenebene, die eine Ausrichtung des Flüssigkristalls hervorrufen können. Die Ausrichtung längs einer Vertiefung oder längs der anderen ist gegenüber der Struktur jeder Form des Gitters (zum Beispiel der Teilung und der Amplitude) nicht empfindlich, obgleich die Bedingung für die Bistabilität von den relativen Formen der beiden überlagerten Gitter abhängig ist. Bei der vorliegenden Erfindung unterliegt das Doppel-Gitter den zusätzlichen Einschränkungen, dass die Oberfläche mit einem Behandlungsmittel niedriger Energie beschichtet sein muss oder aus einem Material niederer Energie bestehen muss, so dass die Tendenz besteht, dass die lokale Flüssigkristallrichtung an der Oberfläche längs der lokalen Normalen auf die Oberfläche ist. Ferner gilt die zweite Einschränkung, dass die beiden Gitter, die das Doppel-Gitter bilden, ein Verhältnis von Amplitude zu Teilung (a/L1) im Bereich von 0,1 < a/L1 < 2 und bevorzugt im Bereich von 0,25 < a/L1 < 1 aufweisen, wobei erfahrungsgemäß üblicherweise a/L1 ≈ 0,9 ist. Diese Bedingungen führen zu einer zenithalen Bistabilität, wie in der britischen Patentanmeldung 9521106.6, Patent GB 2 318 422 , beschrieben ist.
In 12 können die durch das homöotrope Doppel-Gitter gebildeten "Täler" und "Hügel" Defektschleifen enthalten, die entweder zu einer hohen oder niederen nettomäßigen Verkippung des Direktors in diesem Bereich führen. Alternativ dazu kann das Direktorfeld um jedes Oberflächenmerkmal kontinuierlich sein und zu einer gleichmäßigen, hohen Verkippung des Direktors in der Nähe dieses Merkmals führen. Dies hat gegenüber den vorhergehenden Ausführungsformen (zum Beispiel nach den 7–11) den Vorteil, dass es leichter ist, eine bistabile Oberfläche herzustellen, in der die Modulationsabstände erheblich kürzer sind und die sich daher für Anwendungen nach dem Streutyp eignet, wo die Modulationslängenskalen in der gleichen Größenordnung wie die Lichtwellenlängen liegen.
Die 13, 14 und 15 zeigen drei Ausführungsformen, bei denen diese Prinzipien angewandt sind, um Streuung statt Beugung zu erzielen. Bei den vorhergehenden Beispielen waren die Gitterbereiche regelmäßig hinsichtlich der Skalierung sowohl des Ausrichtungsgitters als auch der längeren Modulationslänge. Derartige Vorrichtungen eignen sich für beugungsoptische Anwendungen, insbesondere, wenn sie im Absorptionsmodus verwendet werden. Vorrichtung wie die in 7 dargestellte eignen sich zur Verwendung im Absorptionsmodus.
Für Anwendungen mit einem Anzeigetyp, der auf der Streuung beruht, sind die Gitterbereiche bevorzugt mehr unregelmäßig ausgebildet, wie in den Beispielen der 13, 14 und 15 dargestellt ist. Die Gitterbereiche in den 13 und 14 weisen unterschiedliche Größe, unterschiedliche Abstände und unterschiedliche Ausrichtungsrichtung auf. Zwischen den Gitterbereichen befinden sich flache Bereiche, die mit einem grenzflächenaktiven Mittel beschichtet sind, um eine monostabile Ausrichtung zu erzielen. Hier ist festzustellen, dass entweder zenithale bistabile Einfach-Gitter (13 und 14) oder Doppel-Gitter (15) verwendet werden können. Bei den meisten Herstellungsverfahren für Gitter ist eine enorme Freiheit hinsichtlich der möglichen Formen gegeben und damit hinsichtlich der Variation der genauen Struktur des verwendeten Musters. Es wurde allerdings festgestellt, dass ein guter Streuzustand mit der einfachsten Ausführung, wie etwa der von 14, leicht zu erzielen war, sofern jeder Bereich (oder jedes Streuzentrum) klein gehalten wurde (das heißt, < 10 λ). Vorrichtungen können eine Wiederholung dieses unregelmäßigen oder statistischen Musters über erheblich größere Längenskalen aufweisen, so dass zum Beispiel alle Pixel in einer großflächigen Anzeige einen gleichmäßigen Streuungsgrad im Defektzustand aufweisen.
16 zeigt eine weitere Ausführungsform des Typs einer Gitterstruktur, die zur Streuung führt. Auch in diesem Fall ist das Muster pseudo-statistisch und so ausgelegt, dass es Zustände mit guter Streuung oder Rückstreuung ergibt, wobei jedoch im Gegensatz zu den vorhergehenden Beispielen das zenithale bistabile Gitter selbst (das heißt, das Gitter mit der kleinsten Teilung L1) in seiner Richtung innerhalb der Ebene der Wand 4 variiert. Dies hat den Vorteil, dass sehr feine Oberflächenmerkmale erzeugt werden können, insbesondere in den Zentren der Krümmung bei den Vertiefungen. Bereiche, die kein Gitter aufweisen, sind flach und mit einem grenzflächenaktiven Mittel beschichtet.
17 zeigt eine Modifizierung des Typs einer streuenden Oberfläche von 12, die bis zur Grenze hin ausgebildet ist, wobei pseudo-statistisch angeordnete Vorsprünge 25 auf der Zellenwand 24 vorliegen. Jeder Vorsprung 25 ist einem Vorsprung des Doppel-Gitters von 12 ähnlich. Ein zenithaler bistabiler Zustand resultiert, wenn gewährleistet ist, dass die Oberfläche jedes Vorsprungs mit einem geeigneten Material niederer Energie beschichtet ist oder aus ihm besteht, um eine homöotrope Ausrichtung zu erzielen, und wenn (in Bereichen, wo Bistabilität gefordert ist) jeder Vorsprung die korrekte Form besitzt und in geeigneter Weise von seinen Nachbarn beabstandet ist. So führen zum Beispiel kleine zylindrische Erhöhungen, bei denen Höhe und Durchmesser gleich sind (h = D) und die einen Abstand von 0,5 D bis 2 D aufweisen, typischerweise zu einer zenithalen Bistabilität (diese Darstellungen sind aus der Herstellung regelmäßiger Gitterstrukturen bekannt). Die Bereiche der Wand zwischen den Bereichen, in denen die Vorsprünge 25 in geeigneter Weise beabstandet sind, dass Bistabilität resultiert, besitzen eine lokale monostabile homöotrope Ausrichtung, was zur Verbesserung der Streuung beiträgt. Beste Eigenschaften ergeben sich aus Clustern von solchen Vorsprüngen 25 mit Abständen, die so ausgebildet sind, dass unterschiedliche Streuungsgrade resultieren. Auch das Größenmerkmal kann über eine Zellenwand 4 hin variieren, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Die Vorsprünge sind typischerweise 0,1 bis 2 μm hoch und besitzen einen Durchmesser von 0,1 bis 2 μm, wobei der Abstand zwischen den Vorsprüngen 0,1 bis 2 μm beträgt; diese Werte liegen bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,0 μm für Bereiche jeder Oberfläche, die eine zenithale Bistabilität zeigen müssen. Die Vorsprünge können ein symmetrisches oder asymmetrisches Profil aufweisen.
18 zeigt eine Seitenansicht einer Zellenwand 4 mit Elektroden 6 und einer Gitterschicht mit Vorsprüngen 25 wie in 17. Die Vorsprünge 25 besitzen eine solche Form (Höhe, Durchmesser und Schärfe dieser Merkmale) und einen solchen Abstand, dass der bistabile planare Zustand und der homöotrope Zustand etwa gleiche Energie aufweisen, um einen elektrisch schaltbaren bistabilen Betrieb zu erzielen. Wenn sich der Bereich in der Nähe der Vorsprünge 25 im planaren Zustand befindet (C1 bis D1 und E1 bis F1), wirkt der Bereich als Streuzentrum. Wenn die Bereiche in der Nähe der Vorsprünge 25 in ihrem geschalteten homöotropen Zustand sind (wie bei A1 bis B1), tritt nur eine sehr geringe Streuung auf. Die Streuung kann durch Anpassung des gewöhnlichen Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials 2 an den der Zellenwand 4 weiter verringert werden. In Bereichen, in denen die Oberfläche monostabil und homöotrop ist (B1 bis C1 und D1 bis E1), tritt nur geringe Streuung auf.
18 ähnelt der vorher angeführten, in 6 dargestellten Ausführungsform, bei der im bistabilen Bereich L2 ≈ (3L1)/2 gilt. Dies ermöglicht eine leichtere Herstellung und ergibt verbesserte Streuung, da die Dichte der Streuzentren erheblich höher ist und sie Merkmalsgrößen aufweisen, die um die Wellenlänge des einfallenden Lichts liegen und leicht herstellbar sind. Wie in 12 sind die Defektzustände von 18 in zwei Dimensionen kompliziert, jedoch können Defektschleifen auftreten, die um diese Merkmale herum verlaufen, sowohl in den dazwischen liegenden Vertiefungen als auch um die Spitzen der Oberflächenmerkmale herum. Domainwände erstrecken sich üblicherweise von einer Oberfläche zur anderen, wie bei C1, D1 und E1 angegeben ist, obgleich sie sich gegebenenfalls von einem Bereich zu einem anderen innerhalb der gleichen Oberfläche kreuzen.
19 zeigt einen Bereich einer Zellenwand, der eine zenithale bistabile Oberfläche mit einem Reliefprofil darstellt, das nahezu dem von 18 entgegengesetzt ist. Hier werden die Streuzentren durch Sacklöcher 26 in der Photoresistschicht 20 auf der Zellenwand 4 gebildet. Auch hier hängt die zenithale Bistabilität vom relativen Durchmesser, der relativen Tiefe und den relativen Abständen der Löcher 26 und einer homöotropen Beschichtungsausrichtung ab. Dieser Strukturtyp hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem von 18. Zunächst ist die Bistabilität selbst hinsichtlich der Position der benachbarten Löcher weniger empfindlich, obgleich die Anordnung der Löcher gleichwohl ein wesentlicher Faktor zur Bestimmung des optischen Streuprofils ist. Die Bistabilität kann ferner im Prinzip bei Merkmalen resultieren, die etwa ein Drittel der Größe besitzen, die unter Verwendung der Strukturen wie in 18 möglich ist. Der Lochdurchmesser variiert typischerweise im Bereich von 0,1 bis 2 μm; die Tiefe variiert im Bereich von 0,1 bis 2 μm, und der Abstand zwischen den Löchern variiert im Bereich von 0,1 bis 2 μm. Die Löcher 26 können symmetrische oder asymmetrische Form aufweisen.
20 zeigt schematisch die beiden elektrisch geschalteten bistabilen Zustände der Vorrichtung. Auch hier sind die Domänenwände von einer Oberfläche zur nächsten mit C2, D2, E2 und F2 bezeichnet. Zwischen A2 und B2 wurde das Flüssigkristallmaterial in einen Zustand mit hoher Verkippung geschaltet, der nur eine geringe Streuung ergibt. Von C2 bis D2 und von E2 bis F2 ist das Material in seinem planaren Zustand geschaltet, wobei Streuung von C2 bis F2 vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, kann eine Zellenwand ein Gemisch von Löchern 26 und Vorsprüngen 25 aufweisen, die entweder miteinander gemischt oder in verschiedenen Bereichen einer größeren Anzeige vorliegen.
21 zeigt ein Foto einer Chrommaske, die zur Herstellung einer Gitterstruktur des in der Ausführungsform der 7, 8 verwendeten Typs herangezogen werden kann. Die Maske ist in 10 μm-Gitter aufgeteilt, innerhalb deren sich eine Reihe von 1 μm breiten Chromstreifen des in 3 gezeigten Typs befinden.
Die 22, 23 und 24 sind Mikrofotos einer zenithal bistabilen Vorrichtung, die nach Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die 22 und 23 sind mikroskopische Ansichten (× 100) der Zelle, wenn sie sich zwischen gekreuzten Polarisatoren befindet, nachdem elektrische Impulse geeigneter Energie angelegt wurden, um in den Zustand der Ausrichtung mit hoher Verkippung bzw. den Zustand der Ausrichtung mit niederer Verkippung zu schalten. In beiden Fällen ist die Zelle zwischen gekreuzten Polarisatoren fotografiert, die vertikal und horizontal angeordnet sind (die Richtungen der Vertiefungen liegen unter ±45° zu den Polarisatoren). Die höhere Transmission in 22 bestätigt, dass die Zellendomänen nach dem Abschalten des Feldes vollständig vom Zustand hoher Verkippung in den Zustand niederer Verkippung umgeschaltet sind. Die Hinzufügung eines λ/4-Plättchens (unter 45° zu den Polarisatoren) zeigt, dass die Ausrichtungsrichtungen in benachbarten Domänen orthogonal zueinander sind, wie aus dem Mikrofoto von 24 hervorgeht.
Die 25, 26 und 27 zeigen ein Bild des Beugungsmusters, das von der Vorrichtung erzeugt wird, wenn sie mit einem HeNe-Laser (632,8 nm bei Normaleinfall) beleuchtet wird. Das Bild von 25 lieferte die Vorrichtung im Beugungszustand (geringe Verkippung); es entspricht der Ansicht zwischen gekreuzten Polarisatoren von 23. In diesem Fall ist die Laserpolarisationsrichtung horizontal, und die Domänengitter verlaufen vertikal und horizontal. In diesem Bild sind verschiedene höhere Beugungsordnungen klar erkennbar. Wenn die Polarisationsrichtung nunmehr vertikal ist, wird ein Bild mit den gleichen primären Merkmalen erhalten, 26. Daher ist die Streuung in der Hauptsache unabhängig von der Polarisation. Wenn schließlich die Zelle in den nicht beugenden Zustand (Zustand mit hoher Verkippung) geschaltet wird, wird lediglich der Strahl nullter Ordnung beobachtet, 27.
28 zeigt die Ergebnisse einer Simulierung eines nematischen Flüssigkristalls in enger Nachbarschaft zu einem einzelnen Vorsprung, wie er etwa zur Erzeugung der zenithalen Bistabilität nach 18 verwendet wurde. Die Simulation wurde dreidimensional durchgeführt, wobei aus Klarheitsgründen lediglich eine einzige, zweidimensionale Flächendarstellung gezeigt ist. In diesem Beispiel war die obere Oberfläche ebenfalls homöotrop, jedoch war der Direktor an den vertikalen Kanten frei, so dass ein einzelner Vorsprung modellmäßig abgebildet wurde. Das Ergebnis zeigt, dass eine signifikante Verzerrung des Direktorprofils in unmittelbarer Nachbarschaft des Vorsprungs vorliegt, die jedoch in Richtung weg von dem Vorsprung rasch abnimmt, so dass das Direktorprofil in allen Richtungen gleichmäßig vertikal ist. Dies stellt ein Äquivalent des kontinuierlichen oder Nicht-Defekt-Zustands dar, der in dem Patent GB 2 318 422 beschrieben ist. Es wurde auch versucht, den Defektzustand zu simulieren. Dies geschah durch Vorsehen von periodischen Randbedingungen an den Simulationskanten. Wie für ein bistabiles System erwartet, resultierte eines von zwei Szenarien.
Es trat entweder die gleiche Konfiguration auf wie die in 28 gezeigte (das heißt, der kontinuierliche Zustand), oder die Simulation erzeugte zahlreiche Defekte und konnte nicht zu einer zufriedenstellenden Lösung führen.
29 zeigt Mikrofotos der aus einem flachen homöotropen Doppel-Gitter (beschrieben im untenstehenden Beispiel 6) aufgebauten Vorrichtung nach Schalten in den Defektzustand (29a) und in den kontinuierlichen Zustand (29b). In beiden Fällen wurde die Zelle zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren in Transmission mit einem Lichtmikroskop betrachtet, wobei die Vergrößerung 40 × war. Das Foto wurde am Rand des Gitterbereichs aufgenommen, der dem dunklen Bereich des Gesichtsfeldes im unteren Bereich der beiden Fotos entspricht. Dieser Bereich ist zwischen den gekreuzten Polarisatoren für alle Orientierungen der Zelle dunkel, was zeigt, dass es sich um einen Bereich mit homöotroper Ausrichtung handelt. Dies war auch zu erwarten, da der. Bereich einem flachen monostabilen Bereich entspricht. Die beiden Zustände wurden unter Verwendung eines bipolaren Impulses wechselnder Polarität mit geeigneter Spannung und Dauer umgeschaltet. Das optische Ansprechen auf diese Impulsfolge wurde mit einer Photodiode (mit Augenempfindlichkeitsfilter) aufgenommen; das resultierende Ansprechen in Transmission ist als Oszilloskopbild in 30 dargestellt.
Nach dem Schalten in die beiden Zustände wurde die Transmission gemessen, wenn die Zelle zwischen den gekreuzten Polarisatoren gedreht wurde; die Ergebnisse sind in 31 dargestellt. Im kontinuierlichen Zustand (untere Kurve) ergab sich nur eine geringe Änderung in der gemessenen Transmission, was bestätigt, dass die Flüssigkristallmoleküle dann gleichmäßig homöotrop in der Probengesamtmasse vorlagen. Beim Schalten in den anderen, den Defektzustand (obere Kurve) ergab sich ein erheblich höherer Transmissionsgrad, was bestätigt, dass der Flüssigkristalldirektor nunmehr eine große Komponente in der Ebene der Zelle enthielt. Dies bedeutet, dass die Vorkippung in diesem Zustand erheblich geringer ist als die des vorhergehenden, kontinuierlichen Zustands. Wenn die Zelle im Defektzustand gedreht wurde, änderte sich die Textur von 29a klar, da unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Direktororientierungen in der Zellenebene entsprechend ihren jeweiligen Orientierungen in Bezug auf die gekreuzten Polarisatoren unterschiedliche Transmissionen ergaben. Die Winkelabhängigkeit, die ebenfalls in 31 dargestellt ist (obere Kurve), zeigt klar, dass die Orientierung dieser Domänen statistisch ist. Dies zeigt an, dass die Domänenwände, obgleich sie sich um die Defektstrukturen herum in den Vertiefungen zwischen den Vorsprüngen des Doppel-Gitters und um die Spitzen der Vorsprünge herum befinden, kein vollständig regelmäßiges Muster bilden, sondern miteinander wechselwirken, so dass die Defekte von aneinandergrenzenden Strukturen eine statistische Struktur bilden. Dies führte zu besseren Eigenschaften der Vorrichtung als in dem Fall, wenn die Defekte so eingegrenzt waren, dass sie dem regelmäßigen Muster des Doppel-Gitters folgten.
32 zeigt das Kontrastverhältnis, dass aus dem Verhältnis der Ergebnisse von 31 berechnet ist. Wenn eine solche Vorrichtung zwischen gekreuzten Polarisatoren verwendet wird, beträgt der mittlere Kontrast etwa 20. Es ist festzustellen, dass das gemessene Kontrastverhältnis stark von der Vergrößerung der Probe abhängt, wobei die niedrigere verfügbare Vergrößerung (5-fach) ungefähr den mittleren Kontrast, unabhängig von der Zellenorientierung, ergibt.
Die Amplitude und die Dauer der Impulsrückflanke, die gerade erforderlich ist, um zwischen den beiden Zuständen umzuschalten, sind in 33 dargestellt. Die Ergebnisse sind mit dem späteren Beispiel (Beispiel 7) verglichen; für beide Zellen ergab sich, dass sie ähnliches elektrooptisches Ansprechen wie bei herkömmlichen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik mit zenithalem bistabilem Flüssigkristall aufwiesen.
Die Zelle von Beispiel 6 wurde in den Lichtweg eines HeNe-Lasers (Wellenlänge 628 nm) gebracht, und die resultierende Transmission wurde auf einem Bildschirm beobachtet. Die 34a und 34b zeigen das resultierende Muster für den Defektzustand (streuender Zustand) bzw. den kontinuierlichen Zustand (nichtstreuender Zustand).
35 zeigt die Textur des tieferen homöotropen Doppel-Gitters von Beispiel 7 im Defektzustand (35a) und im kontinuierlichen Zustand (35b) unter Verwendung der gleichen experimentellen Anordnung, wie sie oben für 29 beschrieben wurde. Ein Vergleich mit 29 zeigt, dass die Transmission erheblich verbessert und die Domänengröße beträchtlich kleiner ist.
Das elektrooptische Ansprechen der Zelle von 35 ist in den 36, 37 und 38 dargestellt. Sie zeigt, dass die Bistabilität gegenüber der des flachen Doppel-Gitters, wie in 30 gezeigt, verbessert war. 36 zeigt das optische Ansprechen der Zelle von 35 auf bipolare Impulse mit wechselnder Polarität (Impuls-Spitzenamplitude 40 V, Dauer 500 μs). Der langsame Übergang vom kontinuierlichen Zustand zum Defektzustand (37) und das schnelle Ansprechen zurück zum kontinuierlichen Zustand (38) sind entsprechend beide konsistent mit dem Stand der Technik für eine zenithale bistabile Vorrichtung.
Die 39a, 39b zeigen den Unterschied der Laserlichtstreuung für die Zelle von Beispiel 7 in den beiden Zuständen. Der Vergleich mit der Lichtstreuung des flachen Gitters (34) zeigt, dass der Streuungsgrad im Defektzustand (39a) beträchtlich verbessert war, während die sehr schwache Streuung des kontinuierlichen Zustands beibehalten blieb (39b).
Die 40a, 40b zeigen eine Vorrichtung ähnlich der von 6, wobei die gleichen Bestandteile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Die Vorrichtung besitzt Wände 3, 4, die ein Flüssigkristallmaterial 2 enthalten, sowie zenithale bistabile Gitterstrukturen 21 auf der Innenoberfläche auf beiden Wänden 3, 4 mit einer homöotropen Ausrichtung auf den Wänden zwischen den Gittern. Die Elektroden sind nicht dargestellt, sind aber gleich wie in 6. Hinter der Zelle 1 kann eine Rückplatte 30 vorgesehen sein. Die Platte 30 kann absorbierend sein, eine oder mehrere Farben aufweisen und kann gleichmäßig oder mit verschiedenen Farben oder verschiedenen Absorptionsgraden oder Reflexionsgraden bei jedem Pixel gepixelt sein. Das Flüssigkristallmaterial kann nematisch, cholesterinisch oder cholesterinisch mit großer Ganghöhe sein und kann gegebenenfalls einen zugesetzten dichroitischen Farbstoff enthalten.
Die Zeichnung stellt Bereiche von Gittern und flachen homöotropen Bereichen auf beiden Oberflächen dar, wobei die Gitterorientierung auf die Zeichenebene begrenzt ist. Noch üblicher ist eine Variation des Gitters in allen Richtungen parallel zur Ebene der Vorrichtung. Ferner kann auch keine Anpassung der oberen Oberfläche an die untere Oberfläche vorliegen, um das Ausmaß an Defekten innerhalb der Zelle zu vergrößern, wenn sich beide Oberflächen im Defektzustand befinden. 40a zeigt den Zustand, wenn sich beide Oberflächen im Zustand mit hoher Vorkippung befinden. Dies ergibt eine gleichmäßige homöotrope Ausrichtung über die Zelle, und es wird keine Streuung beobachtet. 40b zeigt ein mögliches Direktorprofil, wenn sich beide Oberflächen im Defektzustand mit kleiner Verkippung befinden. Dies kann zu einem signifikant höheren Streuungsgrad führen, als dies bei den vorherigen Ausführungsformen der Erfindung der Fall ist.
Es ist wichtig, sich klarzumachen, dass eine gemäß 40 konstruierte Zelle beim Schalten mit Gleichspannungsfeldern, wie etwa den unipolaren und bipolaren Impulsen, die bei allen vorhergehenden Beispielen, die zu dieser Erfindung angegeben wurden, Verwendung fanden, nicht zwischen den beiden dargestellten Zuständen schaltet. Dies liegt daran, dass das elektrische Feld an die Zelle angelegt wird, so dass ein Gleichspannungsimpuls einer gegebenen Polarität zu entgegengesetzten Feldrichtungen an den beiden Oberflächen führt. Die Vorrichtung wird daher durch ein Gleichspannungsfeld zwischen einer geringen Verkippung zu einer Oberfläche und einer hohen Verkippung zur anderen Oberfläche geschaltet. Dieses Problem wird durch Verwendung eines nematischen Zweifrequenz-Flüssigkristalls, wie etwa TX2A, der von Merck erhältlich ist, gelöst. Statt der Verknüpfung mit dem flexoelektrischen Effekt, der diesem Material innewohnt, wird der Umstand ausgenützt, dass das Material bei niederen Frequenzen eine positive dielektrische Anisotropie aufweist und die angelegte Effektivspannung an beiden Oberflächen zu einem Zustand mit hoher Verkippung führt, 40a. Dies beruht darauf, dass während des Anlegens des niederfrequenten Feldes der niedrigste elektrostatische Energiezustand dann vorliegt, wenn der Direktor parallel zur Feldrichtung liegt, die ungefähr längs der Normalrichtung zur Oberfläche verläuft. Wenn eine ausreichende Spannung vorliegt, schaltet das angelegte Feld den Direktor in der Nähe der Gitteroberfläche in den kontinuierlichen Zustand, der die höchste Komponente des Direktors parallel zur Feldrichtung aufweist.
Alternativ dazu schaltet eine Hochfrequenz (typischerweise 50 kHz oder darüber für TX2A, das eine Übergangsfrequenz von 6 kHz bei 25°C aufweist) an beiden Oberflächen in den Zustand mit niederer Verkippung, wobei sich der in 40b gezeigte Zustand bildet. Dies beruht darauf, dass der Direktor senkrecht zum angelegten Feld die geringste elektrostatische Energie aufweist, wodurch die Direktorkonfiguration mit der geringsten Verkippung geschaltet wird, wenn die Spannung ausreichend hoch ist.
Die 41, 42 und 43 zeigen Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen. Der einfachste Ausrichtungstyp ist eine einfache schaltbare streuende oder diffus streuende Vorrichtung, bei der unterschiedliche Streuungsgrade beibehalten bleiben, nachdem das Anlegen von Schaltspannungen beendet wurde; dies bedeutet, dass die Vorrichtung bistabil ist.
Die 41a und 41b zeigen eine Vorrichtung ähnlich der von 6, wobei gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Die Vorrichtung weist Wände 3, 4 auf, die ein Flüssigkristallmaterial 2 enthalten, wobei eine homöotrope Ausrichtung auf der Innenoberfläche der Wand 3 und eine Gitterstruktur 21 auf der Innenoberfläche der Wand 4 vorgesehen sind. Die Elektroden sind nicht dargestellt, sind jedoch wie in 6. Hinter der Zelle 1 befindet sich eine Rückplatte 30. Die Platte 30 kann absorbierend sein, eine oder mehrere Farben aufweisen und kann gleichmäßig oder mit verschiedenen Farben oder verschiedenen Absorptionsgraden oder Reflexionsgraden bei jedem Pixel gepixelt sein. Das Flüssigkristallmaterial kann nematisch, cholesterinisch oder cholesterinisch mit großer Ganghöhe sein und kann gegebenenfalls einen zugesetzten dichroitischen Farbstoff enthalten.
41a zeigt einen Schaltzustand, in dem sich alle Flüssigkristallmoleküle in einem Schaltzustand mit hoher Verkippung befinden. 41b zeigt den anderen Schaltzustand, in dem sich ausgewählte Bereiche in einem planaren Zustand befinden. Die Vorrichtung kann zwischen einer streuenden Vorrichtung, 41b, oder einer reflektierenden Vorrichtung, 41a, geschaltet werden, wobei die Vorrichtung in der gleichen Farbe wie die Rückplatte 30 erscheint.
Alternativ enthält das Flüssigkristallmaterial 2 einen Farbstoff, und die Rückplatte 30 ist ein Reflektor. In diesem Fall weist der Zustand von 41a mit gleichmäßig hoher Verkippung zur Oberfläche eine hohe Reflexion auf, und der variable planare Zustand von 41b absorbiert einfallendes Licht, wodurch ein optischer Kontrast erzielt wird.
Die 42a und 42b sind den 41a und 41b ähnlich, wobei eine Mikroprismenplatte 31 hinzugefügt ist. Hierdurch wird die Rückstreuung in ähnlicher Weise verstärkt, wie dies von Kanemoto et al. in Proceedings of the International Displays Research Conference (1994), Seiten 183–186, Monterey, California, USA, 10. bis 13. Oktober 1994, beschrieben wurde. Die Vorrichtung wird zwischen dem nichtstreuenden Zustand, 42a, und dem streuenden Zustand, 42b, geschaltet. In diesem streuenden Zustand wird ein Teil des Lichts, das nahe der Normalrichtung auf die Vorrichtung fällt, rückgestreut, wobei jedoch der überwiegende Teil in Vorwärtsrichtung gestreut wird. Dies führt zu einem sehr schlechten Kontrast der Anzeige. Durch Einbringen von einer oder mehreren Prismenplatten, wie dargestellt, wird der effektive Winkel des Lichts, das durch die Kombination aus Vorrichtung und Prismenanordnung hindurchgeht, vergrößert. Im streuungslosen oder schwach streuenden Zustand führt dies lediglich zu einem geringen Verlust an Auflösung der Vorrichtung, während im stärker streuenden Zustand der Durchlasswinkel ausreichend groß wird, so dass eine totale innere Reflexion an der rückseitigen Oberfläche der Prismenanordnung hervorgerufen wird. Auf diese Weise wird der Rückstreugrad erhöht, und zwar auf Kosten der Auflösung der Vorrichtung. Durch Verwendung einer zweiten Prismenanordnung, die gekreuzt zur ersten angeordnet wird, sind weitere Erhöhungen möglich.
43 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine herkömmliche Zelle 33 mit einem verdrillt-nematischen Flüssigkristall und Elektroden 34, 35, die so angeordnet sind, dass sich eine gepixelte Anzeige ergibt, und eine reflektierende (oder halbreflektierende) Rückplatte 36 aufweist. Oberhalb der Zelle 33 befindet sich eine Vorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung, die der von 40 ähnelt und Wände 3, 4 und Gitter 21 auf beiden Wänden 3, 4 aufweist. Die Bereiche mit einem bistabilen Gitter 21 auf einer Wand liegen teilweise den flachen Bereichen der anderen Wand gegenüber.
Die herkömmliche Zelle 33 arbeitet mit hoher Auflösung und geringer Parallaxe im Reflexionsmodus oder im Transflexionsmodus. Wenn die Anzeige allerdings von einer gerichteten (nichtdiffusen) Lichtquelle betrachtet wird, zeigt die Anzeige eine starke spiegelartige Reflexion und ist daher nicht lesbar. Es ist üblich, diesen Nachteil durch Verwendung eines festen Diffusors auf der Vorderseite der Vorrichtung zu vermeiden. Bei der vorliegenden Erfindung wirkt die Vorrichtung 1 als variabler Diffusor, so dass die kombinierten optischen Eigenschaften leicht eingestellt werden können, wobei nur eine nichtsignifikante Erhöhung der Verlustleistung der vollständigen Anzeige auftritt. Die Vorrichtung 1 kann ein einzelner Shutter sein, der die gesamte Fläche der Anzeige überdeckt, oder kann in verschiedenen Bereichen selektiv schaltbar sein.
Ein bekannter schaltbarer Diffusor ist in US 5 831 698 beschrieben.
Im Folgenden werden weitere Details zur Herstellung von Gittern und Zellen angegeben.
BEISPIEL 1
Herkömmliche Kontakt-Photoresistverfahren (wie etwa in 3 dargestellt) können zur Herstellung von Gittern, wie etwa denen der 5, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, herangezogen werden. In Fällen, in denen zwei orthogonale Richtungen vorliegen, von denen jede im Defektzustand eine Vorkippung aufweist, die vom Grad der Asymmetrie oder dem Blaze des Gitters herrührt, sollte das Licht unter einem Winkel zur Normalrichtung auf die Oberfläche und unter einem Azimutwinkel zur Richtung beider Gitter einfallen. Fälle, in denen die Vorkippungsrichtung über das Gitter hinweg variiert, wie dies etwa bei 11 der Fall ist, sind nach solchen Methoden schwieriger herzustellen, und sie lassen sich leichter durch Anwendung von interferographischen Verfahren mit Mehrfachstrahl herstellen. Strukturen wie die der 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20 können auch durch Anwendung der Kontaktlithographie hergestellt werden, wobei dann entweder eine Vorkippung von Null (wenn unter Normalrichtung einfallendes Licht zur Vernetzung des Photoresists verwendet wird) oder eine Vorkippung resultiert, die mit der Gitterrichtung variiert (dies führt zu einer variablen Schaltschwelle, was für manche Anwendungen unerwünscht sein kann).
Im ersten Beispiel wurde eine Gitterstruktur ähnlich der in den 7 und 8 gezeigten Struktur unter Verwendung eines standardmäßigen kontaktlithographischen Verfahrens hergestellt. Ein Stück ITO-beschichtetes Glas einer Dicke von 1,1 mm wurde mit dem Photoresist Shipley 1805 bei einer Drehzahl von 3000 min^–1 30 Sekunden rotationsbeschichtet. Dies ergab eine Schichtdicke von 0,55 μm. Die Oberfläche wurde dann 30 Minuten bei 90°C vorerhitzt, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen. Eine nach dem Elektronenstrahlverfahren hergestellte Chrommaske (vergleiche
10) wurde dann in dichtem Kontakt mit der Photoresistoberfläche angebracht. Die Maske bestand aus Chromlinien von 0,5 μm, die durch Abstände von 0,5 μm voneinander getrennt waren, wie in 10 dargestellt ist. Das Muster wurde 530 Sekunden mit einer nicht gefilterten Quecksilberlampe (0,3 mW/cm²) belichtet. Die Belichtung wurde unter einem Winkel von 60° zur Normalrichtung auf die Oberfläche und mit der Komponente in der Substratebene unter einem Winkel von 45° zu beiden Gitterrichtungen in der Maske vorgenommen.
Dieses Verfahren führte zu einer Vorkippung im Defektzustand für jeden Teil des Gitternetzes von 45° (das heißt, die zenithalen bistabilen Zustände waren Vorkippungen von 45° und 90°). Anschließend wurde die Rotationsentwicklung 10 Sekunden bei einer Drehzahl von 800 min^–1 mit einem Gerät Shipley MF 319 vorgenommen, wonach mit entionisiertem Wasser gespült wurde. Dies führte zur Ausbildung der Gitternetzoberfläche mit einer Teilung von 1,0 μm. Der Photoresist wurde dann durch Belichtung mit tiefem UV (254 nm) und anschließendes zweistündiges Erhitzen auf 180°C gehärtet. Schließlich wurde die Oberfläche durch Behandlung mit dem homöotropen Ausrichtungspolymer JALS 688, Schleudern bei 300 min^–1 und 30 Sekunden Erhitzen auf 180°C homöotrop gemacht. Dann wurde eine Flüssigkristallzelle von 4 μm durch Anordnen dieser zenithalen bistabilen Netzoberfläche gegenüber einer flachen, homöotropen Oberfläche unter Anwendung des gleichen, oben beschriebenen JALS 688-Prozesses aufgebaut. Diese gegenüberliegende Oberfläche wurde durch Erzeugung einer dünneren Schicht (0,2 μm) von Shipley 1805 in ähnlicher Weise wie bei der Gitteroberfläche hergestellt, jedoch ohne die Gitterbelichtung. Aus einer Gitteroberfläche und einer flachen Oberfläche wurde unter Verwendung eines Randversiegelungsklebers, der Glaskügelchen von 20 μm als Abstandshalter enthielt, eine Zelle aufgebaut. Die Zelle wurde mit dem handelsüblichen nematischen Flüssigkristall MLC 6602 gefüllt (erhältlich von E. Merck, Deutschland), der über den möglichen Frequenzbereich und den möglichen Arbeitstemperaturbereich eine positive dielektrische Anisotropie sowie einen hohen Wert Δn aufweist, um einen maximalen Beugungseffekt zu erzielen. Das Füllen wurde durch Kapillarwirkung mit der isotropen Phase und anschließendes langsames Kühlen zur nematischen Phase vorgenommen.
Nach dem oben im Detail beschriebenen Aufbau wurde die ITO-Schicht jedes Substrats elektrisch kontaktiert, und Wechselstrom-Schaltimpulse wurden mit einem Tastgrad von 100:1 angelegt. Das Signal bestand aus geradlinigen Impulsen einer typischen Dauer von 0,1 bis 100 ms und einer Spannung von 20 bis 100 V. Tastverhältnisse von 50:1 bis 500:1 wurden angewandt, und eine Wechselspannungs-Signalform einer Frequenz von 1 bis 100 kHz und einer Größe Vrms von 0 bis 10 V wurde überlagert. Andere elektrische Signale, wie etwa das in GB 9521106.6 verwendete Multiplexsignal, könnten ebenfalls verwendet werden. Die resultierenden Änderungen in der Textur bei Betrachtung zwischen gekreuzten Polarisatoren unter Verwendung eines Lichtmikroskops sind in den 22, 23 und 24 dargestellt.
Die Zelle wurde mit Licht von einer Helium-Neon-Laserlichtquelle beleuchtet, und das resultierende Beugungsbildmuster wurde auf einen Schirm projiziert. Ein bistabiles Umschalten wurde zwischen dem streuenden und dem nichtstreuenden Zustand erzielt; die entsprechenden Ergebnisse sind in den 25, 26 und 27 dargestellt. Die Zelle wurde auch mit einer Wolfram-Weißlichtquelle beleuchtet; es wurde festgestellt, dass sie in einem Zustand schwach streuend und im anderen Zustand durchlässig war, wobei wiederum jeder Zustand elektrisch unter Verwendung von Impulsen geeigneter Polarität und geeigneter Dauer und Größe ausgewählt wurde.
BEISPIEL 2
Eine ähnliche Zelle wie die von Beispiel 2 wurde auch in diesem Fall unter Verwendung von Zinksulfid-Substraten anstelle von herkömmlichem Glas hergestellt. Diese Zelle wurde dann für die Verwendung im IR durch Abbildung eines warmen Gegenstands unter Verwendung einer IR-Camera getestet, die im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 μm empfindlich war. Der Kontrast zwischen dem streuenden Zustand und dem nichtstreuenden Zustand ergab sich als signifikant höher als der bei optischen Wellenlängen beobachtete Kontrast, so dass ein Bild, das im nichtstreuenden Zustand klar erkennbar war, nach dem Umschalten in den streuenden Zustand durch die Zelle abgedunkelt wurde.
BEISPIEL 3
Eine dritte Zelle wurde nach dem gleichen Verfahren wie im vorhergehenden Beispiel hergestellt, wobei die Zelle jedoch mit dem Flüssigkristall E7 gefüllt wurde, in den 2 Gew.-% eines schwarzen dichroitischen Farbstoffs eingemischt waren (vergleiche zum Beispiel Bahadur Liquid Crystals: Applications and Uses, Band 3, Kapitel 11, World Scientific Press). In diesem Fall wurde ein Kontrastverhältnis von etwa 2:1 zwischen den beiden Schaltzuständen für Lichteinfall unter Normalrichtung aufgrund des Unterschieds in der optischen Absorption zwischen den beiden Zuständen festgestellt. Dies wurde noch dadurch verbessert, dass die Zelle im Reflexionsmodus betrieben wurde, wobei die flache Oberfläche einer Seite der Zelle mit einer reflektierenden Aluminiumschicht beschichtet wurde.
BEISPIEL 4
Im vorhergehenden Beispiel war die Streuung sehr schwach und für eine Anzeigevorrichtung nicht attraktiv. Der Grund hierfür war, dass die Größe der Variation der Ausrichtungsrichtung innerhalb der Substratelemente auf Längenskalen signifikant höher war als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Zur Sicherstellung eines höheren Streuungsgrades für optische Wellenlängen wurde ein Substrat unter Verwendung einer Maske mit ähnlicher Struktur wie bei der Maske von 6b hergestellt, wobei die Teilung des Gitters 0,15 μm betrug und die Merkmale der konstanten Vertiefungsrichtung eine mittlere Breite von etwa 0,6 μm aufwiesen. Die kleineren Größen der Merkmale wurden unter Verwendung eines frequenzverdoppelten Argonionenlasers (bei 257 nm, vergleiche zum Beispiel Hutley, ibidem, S. 99) erzielt, der zur Entwicklung des im tiefen UV arbeitenden Photoresists PMGI verwendet wurde. Bei diesem Beispiel wurde das Substrat mit Lichteinfall unter Normalrichtung bestrahlt. Nach der Entwicklung wurde die Oberfläche mit einem fluorhaltigen Chromkomplex als homöotropes grenzflächenaktives Mittel beschichtet und von einer zweiten, flachen, homöotropen Oberfläche 20 μm beabstandet. Die Zelle wurde dann wieder wie in Beispiel 1 mit BLO36 gefüllt und zum Umschalten zwischen einem durchlässigen Zustand und einem streuenden Zustand verwendet. Es wurde ferner festgestellt, dass die Vorrichtung einen mäßigen Grad an Rückstreuung ergibt. Dies wurde bei einer polarisatorfreien Anzeigeanordnung ausgenützt, in der die Vorrichtung vor einem schwarzen (oder farbigen) Hintergrund angebracht wurde. Dies ergab ein Kontrastverhältnis von etwa 4:1 für Licht mit Einfall unter Normalrichtung, was für einige Anzeigeanwendungen geeignet ist, wobei die geringe Leistungsaufnahme, die Bistabilität und die mechanische Dauerhaftigkeit primäre Anforderungen darstellen.
Weitere Verbesserungen hinsichtlich der Helligkeit des rückstreuenden Zustands wurden unter Verwendung einer holographischen Reflektorplatte erzielt, wie sie in US 3 910 681 beschrieben ist. Diese Platte sammelt einfallendes Licht, reflektiert aber Ausgangslicht teilweise zurück, wodurch zahlreiche Lichtwege durch die Streuvorrichtung erzielt werden.
BEISPIEL 5
Das Verfahren von Beispiel 4 wurde auch zur Herstellung einer Oberfläche von statistisch voneinander beabstandeten Mikroporen, wie in 9 dargestellt, herangezogen, wobei jedes Loch eine Tiefe von etwa 0,2 μm und einen Durchmesser von 0,35 μm besaß. Dies ergab gegenüber den vorhergehenden Beispielen einen verbesserten Streuzustand und einen verbesserten nichtstreuenden Zustand.
BEISPIEL 6
Ein Glassubstrat, das zuvor mit dem Leiter ITO beschichtet und in geeigneter Weise geätzt worden war, wurde durch Rotationsbeschichtung bei 3000 min^–1 für 30 Sekunden mit einer Photoresistschicht von SU8 versehen. Die Probe wurde dann 10 Minuten bei 100°C vorerhitzt und anschließend 3 Minuten mit UV-Licht belichtet und 30 min auf 160°C erhitzt. Diese Schicht wurde zur Erzeugung einer Barriereschicht über der ITO-Elektrode verwendet. Dann wurde das Gitter darüber aufbeschichtet, das nach folgendem Prozess hergestellt wurde. Der Photoresist Shipley 1813 wurde durch Drehbeschichtung bei 3000 min^–1 für 30 Sekunden aufgebracht und dann 60 Sekunden bei 115°C erhitzt, wodurch eine Schicht einer Dicke von 1,55 μm gebildet wurde. Eine Einfach-Gittermaske mit einer Teilung von 1,2 μm (wie in 3 dargestellt) wurde gegen diese Oberfläche gepresst, die mit intensivem Licht von einer UV-Lichtquelle (1 kW OAI Quecksilber-Xenon-Bogenlampe, Intensität 30 mW/cm²) 6 Sekunden belichtet. Die Maske wurde dann um 90° umorientiert, wonach wiederum 6 Sekunden belichtet wurde.
Das Doppel-Gitter wurde dann durch Rotationsbeschichten mit Shipley MF 319 bei 800 min^–1 während 10 Sekunden entwickelt, wonach mit doppelt entionisiertem Wasser gespült wurde. Das Doppel-Gitter wurde dann im harten UV gehärtet und 2 Stunden auf 180°C erhitzt. Die Oberfläche der Doppel-Gitterstruktur wurde dann mit homöotropen Ausrichtungspolymer JALS 688 (von Japan Synthetic Rubber Company) durch Drehbeschichten bei 300 min^–1 überschichtet, wonach 60 s auf 180°C erhitzt wurde. Unter Verwendung dieser Doppel-Gitter-Oberfläche sowie eines flachen Substrats, das ebenfalls mit JALS 688 beschichtet worden war, wurde eine Zelle von 4,5 μm aufgebaut.
Die Zelle wurde dann mit dem Flüssigkristallmaterial MLC 6204 von Merck, Deutschland, gefüllt. Die Zelle wurde anfänglich von der isotropen Phase abgekühlt, um den Defektzustand über der gesamten aktiven Fläche zur erzeugen. Die Defekte in diesem frischen Zustand waren von erheblich größerem Ausmaß als die von 29 oder 35 und zeigten eine vernachlässigbare Streuung von Laserlicht. Die Zelle wurde dann an einem Signalformgenerator für beliebige Signalformen angeschlossen, der ein geeignetes elektrisches Signal lieferte. Das bei allen Versuchen verwendete Signal war ein Einzelimpuls einer Polarität von +V und einer Dauer τ, dem sich unmittelbar ein Impuls von –V und einer Dauer von τ anschloss, wonach eine Periode von 1000 τ bei 0 V und danach ein zweiter bipolarer Impuls, dieses Mal jedoch mit umgekehrter Polarität (–V und danach +V), folgten.
Es war eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Impulsfolge unterbrochen werden konnte, wobei, wenn kein Signal anlag, die Zelle in einem ihrer Zustände bei Feld Null verblieb. Wenn eine Impulsfolge einer Amplitude von 40 V und einer Zeitschlitzdauer von 3 ms angelegt wurde, wurde festgestellt, dass die Zelle zwischen einem hellen und einem dunklen Zustand schaltbar war. Die Transmission wurde mit einer Photodiode (und einem Augenempfindlichkeitsfilter) erfasst, und die zeitliche Variation wurde mit einem Speicheroszilloskop überwacht. Das zeitliche Ansprechen, das in 30 dargestellt ist, zeigt klar den Unterschied zwischen den beiden beobachteten Zuständen; vergleiche auch die 31 und 32. Bei Beispiel 6 trat ein Abklingen des optischen Ansprechens im hellen Zustand (Defektzustand) auf, da die Defekte anfänglich koaleszierten. Es wurde angenommen, dass dies deswegen eintrat, weil das Gitter flach war.
BEISPIEL 7
Es wurde ein zweites Doppel-Gitter nach dem gleichen Verfahren hergestellt, das bei Beispiel 6 angewandt wurde, wobei jedoch in diesem Fall der Photoresist Shipley 1818 (der eine Photoresist-Dicke von 2,18 μm ergab) verwendet wurde und jedes der orthogonalen Einfach-Gitter während einer Dauer von 9 Sekunden belichtet wurde. Dieser Prozess führt zu einer tieferen Doppel-Gitterstruktur, verbunden mit der Absicht, die Bistabilität zu verbessern. Sowohl der frische Zustand als auch der geschaltete Defektzustand dieser Probe wiesen erheblich kleinere Domänen als im Fall von Beispiel 6 auf, und der kontinuierliche Zustand war zwischen gekreuzten Polarisatoren sogar noch dunkler. Dies bedeutete, dass im Defektzustand ungefähr die doppelte Transmission gemessen wurde und ein Kontrast von 70:1 erzielt wurde. Die Variation sowohl der Transmission im hellen Zustand als auch des Kontrasts mit der Zellenorientierung waren ebenfalls kleiner als im Fall von Beispiel 6. Dies beruht zum Teil darauf, dass kein Abklingen der Transmission im hellen Zustand unmittelbar nach der Impulsrückflanke des angelegten Feldes (vergleiche 26) auftrat. Beispiel 7 ergab ebenfalls einen höheren Streuungsgrad für Laserlicht und ein bevorzugtes optisches Aussehen bei Verwendung als Vorrichtung.
Alternative Herstellungsverfahren für statistische zenithale bistabile Oberflächen sind folgende:
Zenithale bistabile Oberflächen können auch unter Anwendung von anderen Techniken hergestellt werden, als sie üblicherweise zur Herstellung von Gittern herangezogen werden. Ein neues Verfahren, das bei der vorliegenden Erfindung angewandt wird, beruht auf gemischten Ausrichtungen. Ein Verfahren ist in dem Patent von Harada et al., EP 0 732 610 A2 , beschrieben, bei dem zwei oder mehr Polymere unterschiedlicher Löslichkeit in einem Lösungsmittel gemischt und durch Rotationsbeschichten auf ein geeignetes Substrat aufgebracht werden, wobei Mikrotröpfchen erzeugt werden, die von der Oberflächenenergie des Substrats abhängen, um die Tröpfchengröße und die Tröpfchenform zu kontrollieren. In Beispiel 5 dieses Patents wurden die Polymeren PAS und Poly-4-vinylbiphenyl im Verhältnis 10:1 im Lösungsmittel N-Methylpyrrolidon (NMP) gemischt, wobei die Konzentration 3 Gew.-% betrug. Rotationsbeschichtung und 1 Stunde Erhitzen auf 200°C führten dann zu einer 50 nm dicken Ausrichtungsschicht mit unregelmäßig beabstandeten oberflächlichen Vorsprüngen einer Höhe von etwa 30 nm und mit einem Durchmesser von 50 nm. Bei der vorliegenden Erfindung wurde diese Oberfläche dann mit einem niedrigenergetischen grenzflächenaktiven Mittel, wie etwa einem fluorhaltigen Chromkomplex, oder einem Silan (z. B. ZLI 3334) als homöotrope Mittel beschichtet. Die hohe Dichte der sehr kleinen Streuzentren führte zu einem hochstreuenden Zustand, obgleich der Kontrast wegen des relativ hohen Streuungsgrades im anderen Zustand schlecht war, da einige Bereiche vorlagen, in denen der Defektzustand monostabil blieb. Dies ist ein Problem, das zahlreichen Nicht-Gitter-Verfahren gemeinsam ist, da es oft schwierig ist, den gleichen Grad von Oberflächenkontrolle zu erzielen. Es wurde allerdings festgestellt, dass durch Verwendung eines der Polymerlösung zur Unterstützung der Kontrolle der Größe der Mikrotröpfchen zugesetzten grenzflächenaktiven Mittels eine gewisse Verbesserung möglich war. Weitere Beispiele sind ebenfalls möglich, wozu die Verwendung von zwei nicht miteinander mischbaren homöotropen Ausrichtungspolymeren, die Verwendung eines Polymers mit unterschiedlicher Löslichkeit in zwei nicht miteinander mischbaren Lösungsmitteln, etc., gehören.
Ähnliche Verfahren können auch zur Herstellung einer mikroporösen Oberfläche herangezogen werden, bei denen die Ausrichtungsschicht in gleicher Weise wie bei PDLC-Verfahren erzeugt wird (das heißt unter Anwendung photoinduzierter, thermisch induzierter oder Lösungsmittel-induzierter Phasentrennung (PIPS, TIPS oder SIPS), die beispielsweise von Doane in Bahadur, "Liquid Crystals: Applications and Uses, Band 1, World Scientific, 1990, S. 361, abgehandelt sind). Das Monomer enthaltende Lösungsmittel (manchmal in Verbindung mit einem geeigneten Photoinitiator verwendet, wenn der PIPS-Prozess angewandt wird), wird durch Rotationsbeschichten aufgebracht, wobei ein Oberflächenfilm mit einer genau kontrollierten Dicke erhalten wird.
Oberflächen des in den 17, 18, 19 und 20 gezeigten Typs sind durch sorgfältige Kontrolle der Lösungskonzentrationen, der Temperatur, der Benetzungseigenschaften der darunter liegenden Oberfläche, etc., möglich. Alternativ kann ein feines Aerosolspray von Monomertröpfchen zur Beschichtung einer homöotropen Oberfläche herangezogen werden, die gehärtet (thermisch und/oder optisch) und erforderlichenfalls mit einem homöotropen grenzflächenaktiven Mittel beschichtet wird. In diesem Beispiel dient die anfängliche Beschichtung mit dem grenzflächenaktiven Mittel sowohl als Ausrichtungsmittel für den Flüssigkristall als auch als Netzmittel, das den Kontaktwinkel der Tröpfchen vor der Härtung vergrößert, wodurch gut ausgebildete steile Merkmale korrekter Form zur Erzielung zenithaler Bistabilität sichergestellt werden.

Claims

Flüssigkristallvorrichtung, die eine Schicht (2) eines nematischen Flüssigkristallmaterials aufweist, die zwischen zwei Zellenwänden (3, 4) enthalten ist, die jeweils Elektrodenstrukturen (6, 7) und eine Ausrichtungsoberfläche (21) tragen, gekennzeichnet durch eine Ausrichtungsschicht (21, 22) auf mindestens einer Zellenwand (4), wobei die Ausrichtungsschicht sowohl eine primäre Modulation (L1) als auch eine sekundäre Modulation (L2) aufweist, wobei die primäre Modulation durch eine Vielzahl von kleinen, weniger als 15 μm großen Ausrichtungsbereichen (21) gebildet wird, die jeweils eine profilierte homöotrope Oberfläche besitzen, die zu bistabilen Ausrichtungen mit einer Vorkippung sowie zu einer lokalen Ausrichtungsrichtung bei den Flüssigkristallmolekülen in jedem kleinen Bereich führt, und die sekundäre Modulation durch einen Abstand (22) zwischen benachbarten kleinen Ausrichtungsbereichen (21) und/oder durch unterschiedliche lokale Ausrichtungsrichtungen der kleinen Ausrichtungsbereiche (21) gebildet wird, wodurch die Vorrichtung zwischen zwei Zuständen schaltbar ist, die sich im Ausmaß mindestens einer der Eigenschaften Streuung, Beugung, Absorption, Reflexion und Transmission unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von kleinen Ausrichtungsbereichen durch eine Vielzahl von Gitterbereichen (21) gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Gitterbereiche Einfach-Gitterstrukturen (21, Gb) und/oder Doppel-Gitterstrukturen (a, L1, b, L2) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jeder der kleinen Ausrichtungsbereiche durch eine Vielzahl von Vorsprüngen (25) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jeder der kleinen Ausrichtungsbereiche durch eine Vielzahl von Sacklöchern (26) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die sekundäre Modulation durch Trennung der Vielzahl kleiner Ausrichtungsbereiche (21, Gb) durch Bereiche mit homöotroper Oberflächenausrichtung (22, Fm) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die sekundäre Modulation durch Änderung der Ausrichtungsrichtung benachbarter kleiner Ausrichtungsbereiche (21) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von kleinen Ausrichtungsbereichen so angeordnet sind, dass eine Ausrichtung in zahlreichen unterschiedlichen Richtungen erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von kleinen Ausrichtungsbereichen eine regelmäßige Form besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von kleinen Ausrichtungsbereichen eine unregelmäßige Form besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von kleinen Ausrichtungsbereichen in mindestens einer Richtung aneinander angrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Gitter aus einer Reihe von symmetrischen oder asymmetrischen Vertiefungen bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Gitter aus einer Reihe von symmetrischen oder asymmetrischen Vertiefungen bestehen, deren Richtung zumindest innerhalb einiger der Ausrichtungsbereiche variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die die Periodizität innerhalb der Gitterbereiche gleich L1 ist und der periodische Abstand innerhalb jedes Ausrichtungsbereichs gleichmäßig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Periodizität innerhalb der Gitterbereiche gleich L1 ist und der periodische Abstand innerhalb jedes Ausrichtungsbereichs variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Gitterbereiche durch Bereiche mit homöotroper Oberflächenausrichtung getrennt sind und die Periodizität der Kombination von Gitterbereichen plus Bereichen mit homöotroper Ausrichtung eine Periodizität L2 aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Zellenwand (3) zur Erzielung einer homöotropen Oberflächenausrichtung oberflächenbehandelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Periodizität L2 innerhalb der Gitterbereiche von einem Wert gleich der Periodizität L1 bis zu 10 L1 variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Flüssigkristallmaterial eine Menge eines dichroitischen Farbstoffs enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mindestens einen Polarisator (13, 13') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Gitter Vertiefungen mit einer Amplitude a und einer Periodizität L1 aufweisen, wobei 0,1 < a/L1 < 0,75 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schichtdicke der nematischen Schicht 1 bis 50 μm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenstrukturen (6, 7) auf einer Zellenwand in Form von Reihenelektroden und auf der anderen Zellenwand in Form von Spaltenelektroden ausgebildet sind, die eine x-y-Matrix von adressierbaren Pixeln oder Anzeigeelementen bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die primäre und die sekundäre Modulation innerhalb jedes Pixels konstant sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die primäre und die sekundäre Modulation innerhalb jedes Pixels variieren und mindestens mehrere Pixel die gleiche Variation aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenstrukturen (6, 7) durchgehende Schichtelektroden sind, wodurch die gesamte Zelle zwischen zwei unterschiedlichen Niveaus der Lichtdurchlässigkeit geschaltet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Flüssigkristallmaterial (2) ein chirales nematisches oder ein smektisches Material ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die zwischen gekreuzten Polarisatoren (13 und 13') angeordnet ist.