DE60319338T2

DE60319338T2 - Material für eine flüssigkristallzelle

Info

Publication number: DE60319338T2
Application number: DE60319338T
Authority: DE
Inventors: Yurii Reznikov; Anatoliy Kent GLUSHCHENKO; Victor Reshetnyak; John Munroe Falls WEST
Original assignee: Kent State University
Current assignee: Kent State University
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2023-01-11
Also published as: WO2003060598A3; JP2005515495A; EP1463787A2; AU2003235596A8; ATE387483T1; WO2003060598A2; US20040156008A1; EP1463787B1; KR20040080924A; DE60319338D1; EP1463787A4; US7903228B2; AU2003235596A1

Description

Flüssigkristalle (Liquid Crystals, LCs) bestehen aus anisotropen Molekülen. Die mittlere Richtung der langen Molekülachsen wird Direktor d genannt. Die Umorientierung des Direktors, verursacht durch das Anlegen eine äußeren elektrischen Feldes, ist die Grundlage der Arbeitsweise der meisten LC-Geräte. Die Grundeinheit von LC-Geräten ist eine IC-Zelle, die aus zwei Substraten besteht, zwischen denen sich IC-Material befindet.
Die Empfindlichkeit eines IC-Materials auf ein angelegtes elektrisches Feld ist durch die dielektrische Anisotropie Δε_a und die spontane Polarisation P bestimmt. P weist nur für einige chirale smektische IC-Phasen einen Wert ungleich null auf. Je höher Δε_a und P sind, umso niedriger sind die Betriebsspannung und umso schneller die elektrooptische Reaktion des LC-Geräts und umso schneller dadurch die Schaltzeit zwischen hellen und dunklen Zuständen der LC-Zelle.
Nematische LCs sind die gängigsten LC-Materialen. Ihre elektrooptische Reaktion steht typischerweise in Relation zum Quadrat des elektrischen Feldes. Um Δε_a und P zu steigern, sind Mehrkomponenten-LC-Gemische entwickelt worden, und spezielle molekulare Dotierstoffe sind synthetisiert worden. Dieser Ansatz ist äußerst mühsam und sehr aufwendig.
Ferroelektrischen Partikel sind Partikel, die eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, die durch ein elektrisches Feld reversibel ist. Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit isotroper Flüssigkeiten auf ein angelegtes elektrisches Feld durch Dotierung mit ultrafeinen ferroelektrischen Partikeln (von weniger als 1 Mikrometer (μm) Größe) gesteigert werden kann. Beispielsweise zeigten Bachmann und Berner, dass ferroelektrische BaTiO₃-Partikel, die in Gegenwart von oberflächenaktivem Stoff fein gemahlen worden sind, eine stabile Suspension in Heptan bilden („Stable Suspensions of Ferroelectric BaTiO3-Particles", Solid State Communications, 68(9), 865–869 (1988)). Die Partikel wiesen einen mittleren Radius von etwa 10 nm auf. Die Doppelbrechung der Suspension, die in einer reinen Heptanmatrix unmöglich zu erreichen ist, wurde durch Anlegen eines elektrischen Feldes gesteuert.
Müller und Bärner schlugen vor, dass ein Radius von näherungsweise 20 nm die Größenverteilungsgrenze für BaTiO₃-Partikel zum Aufrechterhalten eines dauerhaften Dipolmoments wäre, wobei nur kleinere Partikel das dauerhafte Dipolmoment aufrechterhielten („Polydisperse Suspensions of BaTiO3-Particles", Ferroelectrics, 108, 83–88 (1990)). In neuerer Zeit erzeugten Schurian und Berner stabile ferroelektrische Suspensionen von Partikeln in Nanometergröße aus LiNbO3 und PbTiO3 in einem Kohlenwasserstoff-Träger. Diese Suspensionen zeigten eine ähnliche Doppelbrechung wie BaTiO3-Suspensionen. Es wurde bestimmt, dass ferroelektrische Partikel, die einen mittleren Radius von etwa 10–15 Nanometer (nm) aufwiesen, ein dauerhaftes Dipolmoment von etwa 2000 Debye (De) trugen. Auch wurden von Schurian et al. Suspensionen von ferroelektrischen Partikeln in Nanometergröße durch ein Verfahren erzeugt, das chemische Fällung der Partikel und die Verwendung alternativer Stabilisatoren beinhaltete (Journal of Electrostatics, 40 und 41, 205–210 (1997)).
Keine dieser Studien untersuchte jedoch das Verhalten ferroelektrischer Partikel in einer Suspension von Flüssigkristall oder anderem anisotropen Material.
JP 04 180021 beschreibt ein Anzeigeelement, wobei das Dispersionsvermögen von Feststoffpartikeln in einem Flüssigkristall und die Zuverlässigkeit als Anzeigeelement durch Bilden von Hochpolymerketten durch Propfpolymerisation auf den Oberflächen von Feststoffpartikeln verbessert werden, die im Flüssigkristall zu dispergieren sind. Durch Gasphasenabscheidung werden Elektrodenschichten auf den Oberflächen von zwei Substraten gebildet, die fixiert sind, um einen vorgeschriebenen Spalt aufrechtzuerhalten. Die Oberflächen von Polyethylenperlen werden einer Glimmbehandlung unterzogen und in einer Monomerlösung getränkt, um Hochpolymerketten aus Polyacrylamid zu bilden. Die Perlen werden vakuumgetrocknet und mit dem Flüssigkristall gemischt. Das Gemisch wird in den Spalt des Elementpanels versiegelt. Somit sind die Perlen im Flüssigkristall stabil dispergiert, und das Anzeigeelement ist stabil erzeugt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigkristallzelle mit schneller Reaktionszeit und niedrigen Spannungsanforderungen unter Nutzung einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial bereitzustellen. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Anfertigung einer Flüssigkristallzelle bereitzustellen, die eine Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial enthält.
Diese Erfindung stellt ein Flüssigkristallgerät, das aus Ferropartikeln besteht, die in einem Flüssigkristallmaterial (IC-Material) suspendiert sind, und ein Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts unter Nutzung dieser Suspension bereit.
Mindestens einer oder mehrere der vorangehenden Aspekte werden zusammen mit den Vorteilen derselben gegenüber dem bekannten Stand der Technik in Bezug auf Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Displays, LCDs), die aus der Spezifikation, die folgt, ersichtlich werden, durch die Erfindung, wie hier nachstehend beschrieben und beansprucht, bewerkstelligt.
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Flüssigkristallgerät bereit, das ferroelektrische Partikel umfasst, die in einem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind. Das Flüssigkristallgerät kann außerdem ein Polymer enthalten, das in der Suspension von ferroelektrischen Partikeln und Flüssigkristallmaterial angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung kann als elektrooptisches Gerät oder als Informationsanzeigegerät nützlich sein. Auch kann das Gerät ein Paar gegenüberliegender Substrate enthalten, wobei jedes Substrat eine Elektrode aufweist, die dem anderen Substrat zugewandt ist, wobei die ferroelektrischen Partikel in einem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind, das zwischen den Substraten angeordnet ist. Das Gerät kann optional ein Ausrichtungsmaterial enthalten, das auf einer der oder beiden Elektroden angeordnet ist.
Auch stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Substratepaares mit einem Zellenspalt dazwischen und von Elektroden, die auf mindestens einer zugewandten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, und des dauerhaften Anordnens einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial in den Zellenspalt.
Auch stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Generieren eines Bildes bereit. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines Substratepaars mit einem Zellenspalt dazwischen, Bereitstellen einer transparenten Elektrode auf mindestens einem der Substrate dem Zellenspalt benachbart; dauerhaftes Anordnen einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial innerhalb des Zellenspalts und Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph, der die Abhängigkeit der Transmission einer Drehzelle, gefüllt mit einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC K15 (Kreise) und mit reinem LC (Quadrate), von der angelegten Wechselspannung zeigt;
2 ist ein Graph, der die Ausschaltzeitcharakteristik der Drehzelle, gefüllt mit einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC K15 und mit reinem LC K15, zeigt;
3 ist ein Graph, der die Einschaltzeitcharakteristik der Drehzelle, gefüllt mit einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC K15 und mit reinem LC K15, zeigt; und
4 ist ein Graph, der die Abhängigkeit des Transmissionsgrades der Drehzelle, gefüllt mit einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC 4801 und mit reinem LC 4801, von der angelegten Wechselspannung zeigt;
5A ist ein Graph, der die Abhängigkeit der effektiven Dielektrizitätskonstante ☐^eff vom angelegten Feld einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC und reinen LCs zeigt.
5B ist ein Graph, der die Abhängigkeit der effektiven Dielektrizitätskonstante ε^eff vom angelegten Feld einer Suspension von ferroelektrischen Partikeln und LC und reinen LCs in einem engeren Bereich als jenem nach 5A zeigt.
6 ist ein Graph, der die Schwellenspannung als Funktion der Temperatur für Zellen, die mit der Suspension der vorliegenden Erfindung gefüllt sind, und Zellen zeigt, die mit reinem Flüssigkristall gefüllt sind.
7A ist eine schematische Darstellung einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristall gemäß der vorliegenden Erfindung in Abwesenheit eines elektrischen Feldes.
7B ist eine schematische Darstellung einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristall gemäß der vorliegenden Erfindung in Gegenwart eines elektrischen Gleichstromfeldes.
8A ist eine schematische Darstellung einer Zelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in der Ebene der Zelle ein Wechse/stromfeld angelegt ist und senkrecht zur Ebene der Zelle ein Gleichstromfeld angelegt ist.
8B ist ein Graph, der die Abhängigkeit der linearen Komponente der elektrooptischen Reaktion der Suspension und des reinen LCs als Funktion der angelegten Wechselspannung für unterschiedliche Werte des polarisierenden Gleichstromfeldes zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Flüssigkristallgerät gerichtet, das aus Ferropartikeln besteht, die in einem Flüssigkristallmaterial (LC-Material) suspendiert sind. Das Flüssigkristallgerät kann für Informationsanzeigen, elektrooptische Geräte, Telekommunikationssysteme und optische Verarbeitung verwendet werden. Um die Suspension zu stabilisieren, kann ein Polymernetzwerk in der Suspension beinhaltet sein. Die ferroelektrischen LC-Suspensionen besitzen hochentwickelte elektrooptische Charakteristika im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Geräten.
In dieser Spezifikation und den angehängten Ansprüchen schließen die Singularformen „ein", „eine" (englisch: „a", „an") und „der", „die", „das" (englisch: „the") Pluralbeziehungen ein, wenn nicht der Kontext klar etwas anderes vorschreibt. Wenn nicht anders definiert, weisen alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung auf, wie sie vom Durchschnittsfachmann auf dem Fachgebiet verstanden wird, das diese Erfindung betrifft.
In der vorliegenden Erfindung werden ultrafeine ferroelektrische Partikel einem IC-Material hinzugefügt, um die elektrooptischen Charakteristika zu verbessern und zu steuern. Optimal sind die ferroelektrischen Partikel kleiner als die Grenzen nicht unterstützten menschlichen Sehens, wodurch gesteigerte Geschwindigkeit und Empfindlichkeit auf ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, ohne das Erscheinungsbild einer LCD zu beeinträchtigen. Auch sollte das Partikel klein genug sein, um in eine IC-Matrix integriert zu werden, ohne die Orientierung des LCs zu stören. Typischerweise sind die Partikel im Mittel in jedem Maß kleiner als 1 μm, vorzugsweise 0,5 μm oder kleiner. In einem bestimmten Beispiel weisen die Partikel einen mittleren Durchmesser von etwa 200 nm oder weniger auf. In einem anderen Beispiel weisen die Partikel einen mittleren Durchmesser von etwa 20 nm oder weniger auf. In noch einem anderen Beispiel weisen die Partikel einen mittleren Durchmesser von etwa 10 nm auf.
Ferroelektrische Partikel besitzen eine besonders hohe dielektrische Anisotropie Δε^ferro und weisen eine spontane Polarisation P bei Temperaturen kleiner als der Curie-Temperatur (T_Curie) auf, der Temperatur, bei der die spontane Polarisation von ferroelektrischem Material verschwindet. Die Curie-Temperatur variiert mit dem ferroelektrischen Material. Beispielsweise ist T_Curie für BaTiO₃ etwa gleich 108°C, während für Sn₂P₂S₆ T_Curie = 66°C ist.
Wegen ihrer anisotropen Eigenschaften sind Ferropartikel in der anisotropen IC-Matrix orientierungsmäßig geordnet. Obgleich nicht gewünscht ist, die Patentierfähigkeit auf irgendeine bestimmte Theorie zu stützen, nimmt man an, dass Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Partikels und dem Direktor des LCs eine kollektive Reaktion der Suspension auf ein angelegtes elektrisches Feld bewirkt. Der Effektivwert der dielektrischen Anisotropie der Suspension kann grob mit Δεsuspeff = Δε + C·Δεferro geschätzt werden, wobei C das Volumenverhältnis von Ferropartikeln zu IC-Matrix ist. Da der Wert εΔε^ferro von der Größenordnung 10³–10⁴ sein kann und der Wert ☐☐ von der Größenordnung 10 ist, kann man Δεsuspeff mit einem Wert bis zu etwa 100 für C = 10^–1 – 10^–2 erzeugen. Die hinzugefügten Partikel senken daher die Betriebsspannung von LC-Geräten und steigern die Schaltgeschwindigkeit der IC-Suspension.
Das Anlegen eines elektrischen Feldes kann die Suspension von Ferropartikeln im nematischen LC aufgrund der Dipolordnung der Ferropartikel ausrichten. In diesem Fall erscheint zusätzlich zur dielektrischen quadratischen Reaktion proportional zu εΔε^suspE² eine lineare elektrische Reaktion proportional zu P-E. Dies resultiert in einer schnelleren Reaktion und einer niedrigeren Ansteuerspannung der Suspension.
Die grundlegende Vorgehensweise zum Herstellen einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem LC kann die folgenden Schritte beinhalten:

1. Mahlen des ferroelektrischen Materials. Körner ferroelektrischen Pulvers werden mit einem langsam abdampfenden flüssigen Träger (z. B. Heptan, Petroleum etc.) und einem oberflächenaktiven Stoff gemischt. Das Gemisch wird gemahlen, bis eine ultrafeine Größe der mit den Molekülen des oberflächenaktiven Stoffes bedeckten Partikel erlangt wird.
2. Fraktionierung der Suspension in einem flüssigen Träger. Nach dem Mahlen werden die größten Partikel der Gemische durch Sedimentation entfernt. Die homogene Fraktion der resultierenden Suspension wird in einer Kolonne abgeschieden, wobei Partikel unterschiedlicher Größe durch Gravitationskräfte separiert werden.
3. Herstellen der Suspension in einem Flüssigkristall. Die Suspension in einem flüssigen Träger wird mit einem Flüssigkristall gemischt (dies kann jede Art thermotropen LCs sein, die mit dem Träger mischbar ist), gefolgt vom Abdampfen des Trägers.
4. Zusätzliche Stabilisierung der Suspension. Das Einbeziehen eines Polymernetzwerks kann die resultierende Suspension zusätzlich stabilisieren. Beispielsweise wird der Suspension ein fotopolymerisierbares Material hinzugefügt, und eine mit der Suspension gefüllte LC-Zelle wird mit UV-Licht bestrahlt. In einem anderen Beispiel wird der Suspension ein polymerisierbares Material hinzugefügt, und die Phasentrennung des polymerisierbaren Materials wird induziert, wie z. B. durch Kühlen, bei nachfolgender oder gleichzeitiger Polymerisation des polymerisierbaren Materials.

Die Vorgehensweise kann in Details variiert werden. Beispielsweise kann das Korn von Ferropartikeln mit einem oberflächenaktiven Stoff ohne flüssigen Träger gemischt werden, und die LC-Matrix selbst kann als flüssiger Träger dienen.
In der Suspension dieser Erfindung kann jedweder Typ von LC-Material verwendet werden. Obgleich Beispiele präsentiert werden, bei denen nematisches Flüssigkristallmaterial verwendet wird, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Dementsprechend kann das LC aus anderen Typen von Flüssigkristallmaterial ausgewählt werden, nematische, chirale nematische und smektische Flüssigkristallmaterialien unter anderem inbegriffen.
Wie oben erwähnt, sind ferroelektrische Partikel Partikel, die eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, die durch ein elektrisches Feld reversibel ist. Jedwedes Partikel, das diese Eigenschaft aufweist, kann in der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Zu geeigneten ferroelektrischen Partikeln zählen Partikel aus LiNbO₃, PbTiO₃, BaTiO₃ und Sn₂P₂S₆. Andere Partikel können unter der Voraussetzung ebenfalls verwendet werden, dass sie eine spontane elektrische Polarisation zeigen.
Die ferroelektrischen Partikel können in der Suspension in einer Menge vorhanden sein, die es gestattet, dass die ferroelektrischen Partikel ohne wesentliche Anhäufung der Partikel suspendiert sind. Dies hängt wenigstens teilweise von dem oberflächenaktiven Stoff oder dem anderen Material ab, das verwendet wird, um Anhäufung zu verhindern. In einem Beispiel sind die ferroelektrischen Partikel im Flüssigkristallmaterial mit einem Prozentsatz von etwa 4 Gewichtsprozent oder weniger verglichen mit dem Flüssigkristallmaterial suspendiert. In einem anderen Beispiel sind die ferroelektrischen Partikel im Flüssigkristallmaterial mit einem Prozentsatz von etwa 1 Gewichtsprozent oder weniger verglichen mit dem Flüssigkristallmaterial suspendiert. In noch einem anderen Beispiel sind die ferroelektrischen Partikel im Flüssigkristallmaterial mit einem Prozentsatz von etwa 0,5 Gewichtsprozent oder weniger verglichen mit dem Flüssigkristallmaterial suspendiert.
Die Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial kann außerdem ein polymerisierbares Material umfassen. Das polymerisierbare Material kann innerhalb der Zelle polymerisiert werden. Wenn ein polymerisierbares Material vorhanden ist, umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung außerdem des Schritt des Induzierens von Polymerisation des polymerisierbaren Materials. Das Verfahren kann außerdem den Schritt des Induzierens von Phasentrennung des Polymers und des Flüssigkristallmaterials beispielsweise durch Kühlen des Gemischs umfassen.
Beim Erstellen einer Flüssigkristallzelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Suspension aus ferroelektrischen Partikeln und LC zwischen einem Paar zugewandter Substrate angeordnet werden, von denen mindestens eines transparent ist. Die Zelle kann auch eine Elektrode enthalten, die auf der zugewandten Oberfläche jedes der Substrate angeordnet ist, im innerhalb der Zelle ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die Elektroden können ebenfalls transparent sein, wie z. B. jene, die aus Indium oder Indiumzinnoxid (Indium Tin Oxide, ITO) hergestellt sind. Die Elektroden können auf der Oberfläche des Substrats durchgehend sein, oder sie können fingerartig ineinandergreifend sein. Die Substrate können außerdem eine Ausrichtungsschicht auf der zugewandten Oberfläche des Substrats umfassen.
Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden mehrere Suspensionen ferroelektrischer Partikel in Flüssigkristallmaterial wie folgt hergestellt. Die folgenden Beispiele sollten nicht als den Umfang der Erfindung begrenzend angesehen werden. Zum Definieren der Erfindungen dienen die Ansprüche.
Ferroelektrisches Pulver CTBS-3 des Physics-Chemystry Institute of Donetsc (National Academy of Sciences of Ukraine), das eine charakteristische Korngröße von 1 μm und ein ☐ ≈ 2300 aufweist, wurde mit einer Lösung aus Ölsäure als oberflächenaktivem Stoff (Aldrich) in Heptan in einem Gewichtsverhältnis von 1:2:10 gemischt. Das Gemisch wurde in einem Ultraschalldispergator (UZDH-2T) bei einer Frequenz (☐) von 22 kHz und einer Leistung (P) von 400 W 2 Minuten lang dispergiert, gefolgt vom Mahlen in einer Vibrationsmühle (Fritsch Pulaerisette) über 100 Stunden.
Die resultierende Suspension wurde in eine Glaskolonne gegossen, und man ließ sie 1 Tag lang nach Größe abscheiden. Die Fraktion der Suspension, die Partikel kleiner als etwa 0,5 μm enthielt, wurde entnommen und mit dem IC 4-4'-Pentylcyanobiphenyl (als K15 von EM Industries lieferbar) mit einem Gewichtsanteil von 1:100 gemischt. Dieses Gemisch wurde in einem Ultraschalldispergator 5 Minuten lang dispergiert, gefolgt vom Abdampfen des Heptans mit einer Vorvakuumpumpe. Die resultierende Suspension enthielt etwa 0,5 Gewichtsprozent Ferropartikel in der IC-Matrix.
Die resultierende Suspension wurde in einer LC-Drehzelle getestet. Die LC-Drehzelle bestand aus zwei Glassubstraten und der Suspension, die zwischen den Substraten angeordnet war. Die zugewandten Oberflächen der Substrate wurden mit einer transparenten Indiumzinnoxid-(ITO-)-Elektrode bedeckt. Die Elektroden wurden mit geriebenen Ausrichtungsschichten bedeckt, die aus dem Polyimid NISSAN 7792 von Nissan bestanden. Ein Tröpfchen der Suspension wurde auf eines der Substrate gegeben, und das zweite Substrat wurde auf das erste Substrat platziert. Die Substrate wurden durch starrte 20-μm-Distanzstücke getrennt und derart orientiert, dass die Reibungsrichtungen der Polyimidschichten senkrecht zueinander waren. Dann wurde die Drehzelle mit Epoxidklebstoff versiegelt.
Die elektrooptischen Charakteristika der Drehzelle wurden nach Standardverfahren auf dem Fachgebiet gemessen (siehe beispielsweise Blinov und Chigrinov, Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag, NY, 1994). Diese Verfahren sind im Softwarepaket für elektrooptische Messungen (Electro-Optic Measurements, EOM) integriert, das in der Forschungsgruppe von Dr. Phil Bos am Liquid Crystal Institute der Kent State University entwickelt wurde. Die Zelle wurde zwischen gekreuzte Polarisatoren gelegt, und die Richtungen der Reibung der Ausrichtungsschichten waren entweder parallel oder senkrecht zu den Polarisatorachsen (Normally-Black-Mode). Ein elektrisches Feld (Frequenz ☐ = 1 kHz) wurde an die ITO-Elektroden der Zelle gelegt, und es wurde die Abhängigkeit der Transparenz des Systems T von der angelegten Spannung V gemessen. Darüber hinaus wurde die Änderung der Transmission nach abruptem Einschalten und Ausschalten eines elektrischen Feldes gemessen.
Die für die Suspension aus ferroelektrischen Partikeln und LC und eine identische, mit reinem LC gefüllte Zelle erlangten Resultate sind in 1–3 dargestellt. 1–3 zeigen, dass Dotierung des LC mit Ferropartikeln die Ansteuerspannung senkt und die Reaktionszeit der LC-Zelle verringert. 1 zeigt, dass die Schwelle des Freedericksz-Übergangs VF, definiert als Spannung, die erforderlich ist, um aus einem dunklen Zustand 10% des maximalen Transmissionsgrades (T_max) zu erreichen, von 2,9 V auf 2,2 V abnimmt. Wie in 2 gezeigt, nahm die Abklingzeit, definiert als Zeit, die notwendig ist, um von T_max auf 10% von T_max abzuklingen, von 140 ms auf 40 ms ab. 3 zeigt, dass die Anstiegszeit, das heißt, die Zeit, die notwendig ist, um aus einem dunklen Zustand 90% von T_max zu erreichen, von 9.5 ms auf 5.5 ms abnahm.
Ferroelektrisches Pulver Sn₂P₂S₆ (charakteristische Korngröße 1 μm, ☐ ≈400) wurde mit Ölsäure als oberflächenaktivem Stoff (Aldrich) in einem Gewichtsverhältnis von 1:2 gemischt. Das Gemisch wurde in einem Ultraschalldispergator (UZDH-2T) (☐ = 22 kHz, P = 400 W) 2 Minuten lang dispergiert, gefolgt von Mahlen in einer Vibrationsmühle (Fritsch Pulaerisette) über 118 Stunden.
Das resultierende Pulver mit Ölsaure behandelter ferroelektrischer Partikel wurde mit dem LC-Material ZLI 4801-000, erhältlich bei Merck, in einem Gewichtsanteil von 1:100 gemischt. Dieses Gemisch wurde im Ultraschalldispergator (Frequenz ☐ = 22 kHz, Leistung P = 400 W) 5 Minuten lang dispergiert. Die resultierende Suspension enthielt etwa 1 Gewichtsprozent an Ferropartikeln in der LC-Matrix. Die Suspension wurde in einer LC-Drehzelle getestet, die wie oben beschrieben hergestellt wurde.
Die Abhängigkeit der Transparenz des Systems T von der angelegten Spannung V ist in 4 dargestellt. Die Charakteristika, die für dieselbe, mit reinem ZLI 4801 gefüllte Zelle erlangt wurden, sind ebenfalls in 4 dargestellt. Wie im Falle von LC K15 senkt die Dotierung des LC mit Ferropartikeln die Ansteuerspannung und verringert die Reaktionszeit der LC-Zelle. Die Schwelle des Freedericksz-Übergangs VF nahm von 2,6 V auf 2 V ab.
In einem anderen Beispiel erlangten wir kleine (~ 10 nm) ferroelektrische Sn₂P₂S₆-Partikel durch Mahlen größerer Partikel (Größe etwa 1 mm). Die größeren ferroelektrischen Partikel wurden mit einer Lösung aus Ölsäure (oberflächenaktiver Stoff) in Heptan in einem jeweiligen Gewichtsverhältnis von 1:2:10 gemischt, mit Ultraschall dispergiert und in einer Vibrationsmühle 120 Stunden lang vermahlen. Die resultierende Suspension ferroelektrischer Partikel wurde mit dem LC gemischt.
Dann wurde das Heptan abgedampft, und das Gemisch wurde mit Ultraschall 5 Minuten lang dispergiert. Die relative Konzentration der Bestandteile wurde eingestellt, um eine endgültige Suspension mit etwa 0,3 Volumenprozent Ferropartikeln zu ergeben.
Planare Zellen wurden mit der LC-Suspension oder dem reinen LC bei einer Temperatur (T) größer als die Klärtemperatur (T_c) gefüllt. Die Klärtemperatur ist die Temperatur, bei der oder oberhalb derer das Flüssigkristallmaterial in einen isotropen flüssigen Zustand eintritt und transparent wird. Die Zellen bestanden aus zwei ITO-beschichteten Glassubstraten mit einer geriebenen Polyimidschicht, montiert für parallele Ausrichtung. Kalibrierte stabähnliche 5-μm-Polymer-Distanzstücke kontrollierten den Zellabstand.
Zellen mit der Suspension aus ferroelektrischen Partikeln und LC wiesen identische Ausrichtungsqualitäten wie Zellen mit reinem LC auf. Innerhalb der Versuchsgenauigkeit war der gemessene Wert des Vor-Neigungswinkels bei beiden Zellen derselbe (3,5 ± 5°C). Auch die Klärtemperaturpunkte T_c der Suspensionen und der LCs waren im Wesentlichen dieselben, wobei T_c für das reine LC (T_c,LC) gleich 92,3°C war, während T_c für die Suspension aus ferroelektrischen Partikeln und LC (T_c,susp) gleich 92,6°C war.
Der Anstieg der dielektrischen Anisotropie der Suspension wurde durch Vergleichen der elektrooptischen Reaktion der planaren Zelle, gefüllt mit dem reinen LC ZLI-4801 und mit einer Suspension ferroelektrischer Partikel mit demselben LC, verifiziert. Die Abhängigkeit der effektiven Dielektrizitätskonstante ε^eff des LC vom angelegten Feld ist in 5A und 5B gezeigt. 5A ist ein Graph, der ☐^eff einer Suspension aus ferroelektrischen Partikeln und LC und reinen LCs über einen Bereich eines angelegten Feldes von bis zu etwa 3 V/μm zeigt. 5B zeigt ε^eff bis zu etwa 0,5 V/μm. 5A und 5B zeigen, dass die Schwellenspannung des Freedericksz-Übergangs für die Suspension (Vsuspth ) etwa gleich 0,91 V ist, was etwa die Hälfte jener für das reine LC (VLCth ) von 1,87 V ist.
Sn₂P₂S₆ weist eine niedrige Curie-Temperatur T_Curie = 66°C auf, die unterhalb der Klärtemperatur T_c vieler nematischer Flüssigkristall-Gemische liegt. Beispielsweise weist das nematische LC-Gemisch ZLI-4801 (Merck) eine T_c = 93°C auf.
Der Einfluss der ferroelektrischen Partikel auf das IC-Material zeigt sich deutlich durch die Änderung in der elektrooptischen Reaktion mit der Temperatur. Wegen der schwachen Temperaturabhängigkeit von K/ε_LC·(T) nimmt die Schwellenspannung reinen LCs mit der Temperatur allmählich ab. Wegen der schwachen Temperaturabhängigkeit von K/ε_LC·(T) nimmt auch die Schwellenspannung für die Suspension mit der Temperatur ab. Jedoch werden die einzigartigen dielektrischen Eigenschaften der Ferroelektrikums-LC-Suspensionen bei der Curie-Temperatur des Sn₂P₂S₆ offensichtlich, bei der sich die Schwellenspannung für die Suspension abrupt ändert, wie in 6 gezeigt. Man nimmt an, dass dies das Resultat des kritischen Verhaltens der dielektrischen Anisotropie bei dieser Temperatur ist. Ein experimenteller Wert der Curie-Temperatur, ermittelt aus 6, war etwa gleich 66°C, welches exakt derselbe wie jener ist, der für die Sn2P2S6-Bulk-Kristalle ermittelt wurde.
Während nicht gewünscht ist, die Patentierfähigkeit auf irgendeine bestimmte Theorie der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung zu stützen, ist eine Theorie der Arbeitsweise in 7A und 7B gezeigt. Man nimmt an, dass die dauerhaften Dipole in der LC-Partikel-Suspension zufällig in Kopf-Schwanz-Weise ausgerichtet sind (7A). Daher legten wir, um die ferroelektrischen Eigenschaften der Partikel zu erkennen, ein großes elektrisches Gleichstromfeld an, das hinreichend war, um die Symmetrie aufzubrechen und die Partikeldipole entlang des Feldes auszurichten (7B). Ein niederfrequentes Wechselstromfeld, das senkrecht zum Gleichstromfeld angelegt ist, dreht die Partikel abhängig vom Vorzeichen des angelegten Feldes nach rechts oder nach links. Die resultierende lineare Komponente der elektrooptischen Reaktion der Suspension wird proportional sowohl zum polarisierenden Gleichstrom- als auch zum ablenkenden Wechselstromfeld sein.
Um die ungewöhnliche lineare Reaktion eines nematischen LCs auf einen elektrischen Vektor zu demonstrieren, untersuchten wir die elektrooptische Reaktion einer Flüssigkristallzelle, die aus einem Substrat mit einer durchgehenden leitenden ITO-Oberfläche und einem mit fingerartig ineinandergreifenden ITO-Elektroden mit einem Abstand von 1 Millimeter (mm) zwischen den /Leitungen bestand, was das Anlegen eines Feldes in der gleichen Ebene ermöglichte. Beide Substrate wurden identisch für homöotrope Ausrichtung von 4-4'-Pentylcyanobiphenyl (5CB) behandelt. Ein Wechse/stromfeld E_ac (0–100 V über einem Abstand von 1 mm, 1 kHz) wurde in der Ebene der Zelle angelegt, und das Gleichstromfeld E_dc (0–30 V über einem Abstand von 10 μm) wurde senkrecht zur Ebene der Zelle (entlang dem Direktor der Suspension) angelegt. Die Spannung des Wechselstromfeldes lag unterhalb der Spannung des Freedericksz-Übergangs. Eine schematische Darstellung einer derartigen Zelle ist in 8A gezeigt. Das Wechselstromfeld ist in der Ebene der Zelle angelegt, und das Gleichstromfeld ist senkrecht zur Ebene der Zelle (entlang dem Direktor der Suspension) angelegt.
Licht von einem He-Ne-Laser wurde durch einen Polarisator, die Zelle, einen gekreuzten Analysator und dann in einen Fotodiodendetektor geleitet. Der Strahl war eng genug, um durch den 1-mm-Zwischenelektrodenspalt in der Zelle hindurchzutreten. Die Zelle wurde um 45° in Bezug auf den Strahl geneigt, und die fingerartig ineinandergreifenden Elektroden sind 45° zur Strahlpolarisationsrichtung ausgerichtet. Die Detektorausgabe, die proportional zur Gesamtlichtintensität (l) war, wurde einem Lock-in-Verstärker mit Referenz zur Ansteuer-Wechselspannung U_ac(w) zugeführt. Der Schlüssel zu diesem Experiment ist der 45°-Winkel der Zelle relativ zum Strahl, wobei eine unterschiedliche optische Retardation für Drehung der Suspension nach links oder nach rechts erzeugt wird, die aus entgegengesetzten Vorzeichen des Wechselstromfeldes resultiert.
Die Abhängigkeit der linearen Komponente der elektrooptischen Reaktion der Suspension und des reinen LCs als Funktion der angelegten Wechselspannung (n = 200 Hz) für unterschiedliche Werte des polarisierenden Gleichstromfeldes ist in 8B gezeigt. Das reine IC reagiert im ganzen Gleichstromfeldbereich nur auf den Betrag und nicht auf das Vorzeichen des Feldes und zeigt daher in dieser Anordnung keine Reaktion. Auch gab es keine lineare Reaktion der Suspension, wenn kein Gleichstromfeld angelegt wurde. Das Anlegen des Gleichstromfeldes resultierte im Auftreten der Vorzeichen-empfindlichen Komponente der elektrooptischen Reaktion, die proportional sowohl zum Betrag des Gleichstrom- als auch des Wechselstromfeldes zunahm. Das Ausschalten des Gleichstromfeldes resultierte im schnellen Verschwinden der linearen Reaktion, wobei man annimmt, dass dies durch das Versetzen der ferroelektrischen Partikel in Unordnung durch thermische Fluktuation verursacht ist. Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung eine Flüssigkristallsuspension bereit, die nicht nur auf die Richtung des Feldes, sondern ebenso auf das Vorzeichen des Feldes reagiert. Es ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung in bistabilen Anzeigen nützlich ist, wobei der Anzeigezustand einer Zelle durch Ändern der Polarität des angelegten Feldes schnell von einem Zustand in einen anderen umgeschaltet werden kann.
Es ist beabsichtigt, dass die oben gegebenen Beispiele nur veranschaulichend sind, und die vorliegende Erfindung war nicht auf die hierin angegebenen Bedingungen und Materialien begrenzt. Innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung können verschiedene Modifikationen erreicht werden. Beispielsweise sind die ferroelektrischen LC-Suspensionen nicht auf eine nematische Matrix begrenzt. Cholesterische LCs und jedwede Art smektischer LCs können eine Grundlage von Ferroelektrikums-LC-Suspensionen sein. Auch können Ferroelektrikums-LC-Suspensionen als IC-Material in Polymerdispersions-Flüssigkristallgeräten verwendet werden.

Claims

Flüssigkristallgerät, das ferroelektrische Partikel umfasst, die in einem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind, wobei die ferroelektrischen Partikel Partikel sind, die eine spontane Polarisation aufweisen, die durch ein elektrisches Feld reversibel ist.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, das außerdem ein Polymer umfasst.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät aus einem elektrooptischen Gerät und einem Informationsanzeigegerät ausgewählt ist.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, wobei die Partikel im Mittel in jedem Maß kleiner als 0,5 μm sind.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: ein Paar gegenüberliegender Substrate, wobei jedes Substrat eine Elektrode aufweist, die dem anderen Substrat zugewandt ist; und wobei die ferroelektrischen Partikel, die in einem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind, zwischen dem Substratepaar angeordnet sind.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 5, wobei eines der Paare gegenüberliegender Substrate eine einzelne durchgehende Elektrode aufweist und das andere der Paare gegenüberliegender Substrate eine fingerartig ineinandergreifende Elektrode aufweist, die verwendet werden kann, um ein elektrisches Feld in der gleichen Ebene zu erzeugen.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 5, wobei die Elektroden aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Indiumoxid und Indiumzinnoxid besteht.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 5, wobei die ferroelektrischen Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus LiNbO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, Sn₂P₂S₆ und CTBS-3 besteht.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 5, das außerdem eine Ausrichtungsmaterialschicht umfasst, die auf jeder der Elektroden angeordnet ist.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: ein Paar gegenüberliegender Substrate, wobei jedes Substrat eine Elektrode aufweist, die dem anderen Substrat zugewandt ist; wobei die ferroelektrischen Partikel, die in einem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind, zwischen dem Substratepaar angeordnet sind und wobei ferner das Flüssigkristallmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus nematischen Flüssigkristallen, cholesterischen Flüssigkristallen und smektischen Flüssigkristallen besteht.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, wobei die ferroelektrischen Partikel im Flüssigkristallmaterial mit einem Prozentsatz von mindestens etwa 0,5 Gewichtsprozent verglichen mit dem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind.
Flüssigkristallgerät nach Anspruch 1, wobei die ferroelektrischen Partikel im Flüssigkristallmaterial mit einem Prozentsatz von mindestens etwa 1 Gewichtsprozent verglichen mit dem Flüssigkristallmaterial suspendiert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substratepaars mit einem Zellenspalt dazwischen, wobei Elektroden auf den zugewandten Oberflächen der Substrate angeordnet sind; und dauerhaftes Anordnen einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial in den Zellenspalt, wobei die ferroelektrischen Partikel Partikel sind, die eine spontane Polarisation aufweisen, die durch ein elektrisches Feld reversibel ist.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 13, wobei eine Schicht Ausrichtungsmaterial auf den Elektroden angeordnet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 13, wobei mindestens eine der Elektroden eine transparente Elektrode ist.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine transparente Elektrode aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Indium und Indiumzinnoxid besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 13, wobei die Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial durch einen Prozess hergestellt wird, der die Schritte beinhaltet: Mahlen von Körnern eines ferroelektrischen Pulvers mit einem langsam abdampfenden flüssigen Träger und einem oberfächenaktiven Stoff, um eine Rohsuspension zu erzeugen; Trennung der Rohsuspension in unterschiedliche Fraktionen basierend auf der Größe der gemahlenen ferroelektrischen Partikel darin; Mischen einer gewünschten Fraktion mit einem Flüssigkristallmaterial und Entfernung des Trägers aus dem Gemisch der gewünschten Fraktion und des Flüssigkristallmaterials.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 13, wobei die Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial außerdem ein polymerisierbares Material umfasst und wobei das Verfahren außerdem den Schritt des Induzierens von Polymerisation des polymerisierbaren Materials umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Licht modulierenden Geräts nach Anspruch 13, wobei die Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial außerdem ein thermoplastisches polymerisierbares Material umfasst und wobei das Verfahren außerdem den Schritt des Induzierens von Phasentrennung des Polymers und des Flüssigkristalls durch Kühlen des Gemischs umfasst.
Verfahren zum Generieren eines Bildes, das umfasst: Bereitstellen eines Substratepaars mit einem Zellenspalt dazwischen; Bereitstellen transparenter Elektroden auf jedem der Substrate dem Zellenspalt benachbart; dauerhaftes Anordnen einer Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial innerhalb des Zellenspalts, wobei die ferroelektrischen Partikel Partikel sind, die eine spontane Polarisation aufweisen, die durch ein elektrisches Feld reversibel ist; und Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden.
Verfahren zum Generieren eines Bildes nach Anspruch 20, wobei die Suspension ferroelektrischer Partikel in einem Flüssigkristallmaterial ferner ein polymerisierbares Material umfasst, das nach der Anordnung innerhalb des Zellenspalts und vor dem Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden induziert wird, um zu polymerisieren.