Ausgangssituation
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferroelektrische
oder geneigte chiral-smektische
Flüssigkristall-Displayvorrichtungen.
-
Die US-P-4 367 924 (Clark et al.) offenbart eine
elektrooptische Vorrichtung, die ein zwischen zwei ebenen Platten
angeordneten chiral-smektischen C- oder H-Flüssigkristall
einschließt, welche Platten behandelt wurden, um die
molekulare Orientierung parallel zu den Platten zu verstärken.
Die Platten sind um eine ausreichend kleine Distanz
beabstandet, um ein Aufwickeln der in einem Volumen des
Materials typischen Helix unter Bildung zweier stabiler
Zustände des Orientierungsfeldes zu gewährleisten.
-
Die US-P-4 563 059 (Clark et al.) offenbart eine
Flüssigkristall-Vorrichtung mit einem zwischen den Platten
angeordneten ferroelektrischen Flüssigkristall, welche Platten
behandelt wurden, um eine teilweise ferroelektrische
molekulare Orientierung der Platten zu verstärken. Bei den
Vorrichtungen wurden eingesetzt: gemeinsam oder in
Kombination nichtplanare Grenzbedingungen, polare
Grenzbedingungen, Grenzbedingungen mit mehrfachen physikalischen
Zuständen, innere spontane Spreizverzerrung des
Polarisationsfeldes der Orientierung, kombinierte ferroelektrische
und dielektrische Momente, Schicht in bezug auf die Platten
geneigt. Die Platten sind um eine Distanz beabstandet, die
ausreichend klein ist, um ein Abwickeln der Helix zu
gewährleisten, die in einem Volumen des Materials typisch
ist, um entweder monostabile, bistabile oder multistabile
Zustände zu erzeugen, die neuartige elektrooptische
Eigenschaften zeigen.
-
Die US-P-4 861 143 (Jamazaki et al.) offenbart eine
chiralsmektische Flüssigkristall-Displayvorrichtung mit
Halbtontauglichkeit, hervorgerufen durch Anlegen einer Spannung
eines Zwischenniveaus. Innerhalb jedes Bildelementes des
Displays gibt es eine Zahl von Domänen der Flüssigkristall
schicht, von denen einige transparent sind, während die
anderen lichtundurchlässig sind und die Halbtontauglichkeit
des Bildelements bewirken. Durch Ansprechen auf eine
Zwischenspannung bleibt die Flüssigkristallschicht in einem
Zwischenzustand, indem einige Moleküle die transparente
Bedingung und andere Moleküle die lichtundurchlässige
Bedingung im Inneren eines Bildelementes begünstigen. Der
Zwischenzustand stabilisiert und realisiert verschiedene
Transmissionsgrade durch Schwankung der Distanz zwischen den
gegenüberliegenden Substraten im Inneren eines Bildelements,
d.h. aufgrund der Schwankung des daran anliegenden
elektrischen Feldes. Mit anderen Worten wird ein Bildelement in
eine Vielzahl von Domänen unterteilt, die unterschiedliche
Schwellenspannungen haben.
-
Lagerwall, S.T., Wahl, J. und Clark, N.A., "Ferroelectric
Liquid Crystals for Displays" (Ferroelektrische Flüssigkristalle für
Displays), 1985 International Display Research Conference, S.
213...221, beschreiben Flüssigkristall-Vorrichtungen mit
Halbtontauglichkeit, die durch Mehrbereichsstruktur,
feinkörnige Zelloberflächenstruktur (Raumintegration) oder durch
Schalten mit verschiedenem Taktverhältnis (Zeitintegration)
erzeugt wird.
-
Ross, P.W., "720 x 400 Matrix Ferroelectric Display Operating at
Video Frame Rate" (Ferroelektrisches Display mit einer 720 x 400
Matrix, die mit Videobildfrequenz betrieben wird), 1988
International Display Research Conference, S. 185...190,
offenbart, daß Halbtontauglichkeit in ein ferroelektrisches
Display nach zwei Methoden eingeführt werden kann. Die eine
Methode besteht in der Aufspaltung der Pixel in kleine
adressierbare Bereiche. Eine solche Methode erfordert
Feinteile photolithographische Geometrie und kann auch zu
einer Erhöhung der benötigten Adressiergeschwindigkeit
führen, wenn eine Zunahme der Zahl der gescannten Zeilen die
Folge ist. Eine alternative Methode besteht darin, daß
einfache Pixel-Strukturen bewahrt werden, jedoch eine
wiederholte Adressierung innerhalb eines Zeitrahmens zur
Anwendung gelangt, um das Impuls(breiten)verhältnis von
Helldauer und Dunkeldauer des Pixels zu variieren. Ross
offenbart darüber hinaus, daß die optimale Halbtontechnik in
der Praxis wahrscheinlich eine Kombination dieser räumlichen
und temporalen Zittertechniken ((dither)) ist.
-
Hartmann, W.J.A., "Ferroelectric Liquid Crystal Video Display"
(Ferroelektrisches Flüssigkristall-Videodisplay), 1988 International
Display Research Conference, S. 191...194, beschreibt die
Verwendung einer Mehrbereichsstruktur zur Erzeugung von Halbtönen,
durch die künstlich durch Oberflächenbearbeitungsmethoden
Fehler erzeugt werden.
-
Clark, N.A., et al., "Modulators, Linear Arrays, and Matrix
Arrays Using Ferroelectric Liquid Crystals" (Verwendung von
ferroelektrischen Flüssigkristallen bei Modulatoren, linearen
Arrays und Matrix-Arrays), Proceedings of Society for Information
Display, Bd. 26, 1985, S. 133...139, beschreibt eine temporale
Zittermatrix, um Halbton zu erzielen. Bei dieser Methode
werden die Pixel für variierende Zeitbeträge ein- und
ausgeschaltet, woraus eine variable Transmissionslichtenergie
resultiert, die als Halbton wahrgenommen wird. Mit dieser
Methode wird der Treibermechanismus für die Vorrichtung
komplizierter und die Geschwindigkeit des Displayaufbaus
geringer.
-
Tomikawa, T. "An Identification of Pseudo Continuous Tone by
Labelling" (Eine Identifizierung von Pseudo-Dauerton durch Markieren),
Conference Record der 1988 International Display Research Conference,
S. 146...151, beschreibt eine räumliche Zittermatrix zur
Erlangung eines Halbtons. Bei dieser Methode wird ein Super-
Pixel in viele kleinere unabhängig adressierbare Bereiche
aufgeteilt. Durch Einschalten variierender Zahlen dieser
kleineren Elemente wird Halbton erzielt. Diese Methode macht
die Vorrichtung komplizierter, indem die Zahl der Display-
Elemente, die adressiert werden müssen, erhöht wird.
-
Leroux, T. et al., "Black and white FLC TV Panel with Grey
Levels" (Schwarz-weiß-FLC-Fernsehbildschirme mit Halbtontauglichkeit),
1988 International Display Research Conference, S. 111...113,
offenbart einen ferroelektrischen
Flüssigkristall-Fernsehbildschirm mit Halbtönen, die unter Verwendung einer Kombination
von Mehrbereichsschalten, Zeitintegration und
Raumintegration
erhalten werden. Dieses ist eine Kompromiß zwischen der
räumlichen Methode, bei der eine große Zahl von
Verbindungselementen für die große Zahl der Sub-Pixel benötigt
wird, und der temporalen Methode, bei der Flüssigkristall-
Material mit extrem kurzen Ansprechzeiten benötigt wird.
-
Die EP-0 338 675 beschreibt eine Methode zur Gewährung
eines analogen optischen Ansprechens in einer
Flüssigkristall-Zelle mit orientierte geneigter smektischer Phase
durch Anlegen eines amplitudenmodulierten
Oszillatorpotentials über die Dicke der Flüssigkristallschicht. Diese
Vorrichtung verfügt jedoch über einen relativ schwachen
Kontrast und ist in der Praxis weitgehend eingeschränkt auf
die Verwendung negativ dielektrischer Materialien.
Beschreibung der Zeichnung
-
Es zeigen:
-
Fig. 1 eine graphische Darstellung der
Dielektrizitätskonstanten und des Verlustfaktors in Abhängigkeit von der
Frequenz für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
-
Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld
bei Vorrichtungen bekannter Ausführung;
-
Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld für
erfindungsgemäße Vorrichtungen;
-
Fig. 6 eine graphische Darstellung der optischen
Durchlässigkeit in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen
Feld für die Vorrichtung von Beispiel 1.
Zusammenfassung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
ferroelektrische Flüssigkristall-Vorrichtung, umfassend: ein
transparentes Substrat und ein gegenüberliegendes Substrat,
welche Substrate so angeordnet sind, daß eine nichthelikale
Orientierung des ferroelektrischen Flüssigkristall-Materials
gewährt wird; ein so zwischen den Substraten und Elektroden
auf den Substraten angeordnetes ferroelektrisches
Flüssigkristall-Material, daß ein oder eine Vielzahl von Pixeln
festgelegt werden; Mittel zum Anlegen eines stetig
variierenden Signals an die Elektroden, um ein stetig
variierendes angelegtes Feld zu erzeugen; wobei jedes der Pixel
eine kontrollierte, stetig variable Lichttransmission als
eine Funktion des angelegten Feldes zeigt und wobei die
molekulare Orientierung des Flüssigkristall-Materials stetig
variabel und kontrollierbar ist und wobei die Vorrichtung
eine Erhöhung der Kapazität von mindestens 5 % bei einer
Änderung der Vorspannung bis zu ± 15 Volt/Mikrometer zeigt,
nachdem zur Entfernung der Polarisationseffekte eine
ausreichend hohe Vorspanung angelegt worden war.
-
Die erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Vorrichtungen können
die kurzen Ansprechzeiten der bistabilen Vorrichtungen
aufweisen und erlauben eine stetig regelbare
Halbton-Lichtdurchlässigkeit, wobei sich die Ansprechzeit als Funktion
der aktivierten Graustufe verändert. Die erfindungsgemäßen
Flüssigkristall-Vorrichtungen sind bei einer Vielzahl von
elektrooptischen Anwendungen einsetzbar, einschließend
Schaltelemente in Flüssigkristall-Displays, optische Verschlüsse
und optische Blenden-Arrays, ohne auf diese beschränkt zu
sein. Die vorliegende Erfindung gewährt eine
Halbtonvorrichtung, die nicht abhängig ist vom gewollten, sondern
vom unkontrollierbaren Defekteinschluß, komplex
zeitmultiplexierend ist, von komplexer Konstruktion der Vorrichtung
oder schwierigen Verdrahtungs- und Adressierschemen bei
einer großen Zahl von Sub-Pixeln.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
Ferroelektrische Flüssigkristall-Vorrichtungen, wie sie
beschrieben wurden von Clark et al. in der US-P-4 363 059 und 4 367
924 sind in der Regel bistabile oder zweistufige
Vorrichtungen. Als solche sind sie für die Anzeige von
ungeeignet, bei der mehr als zwei Stufen ((Pegel)) benötigt
werden, wie beispielsweise bei einer Sichtanzeige oder
Druckerausgang zur Erzeugung visuell ansprechbarer Bilder
eine Tonabstufung benötigt wird. Der Nachteil der
zweistufigen Vorrichtung besteht darin, daß sie von ihrer Natur
her binär sind und jedes Bildelement oder Pixel entweder
vollständig durchlässig oder ((vollständig)) absorbierend ist.
Die Erzeugung der Tongradation bzw. Tonabstufung erfordert
daher ungewöhnliche Maßnahmen, wie beispielsweise eine
räumliche oder temporale Zittermatrix.
-
In der Vergangenheit haben alle Bemühungen zur
Schaffung einer ferroelektrischen
Flüssigkristall-Vorrichtung mit Halbtontauglichkeit auf die Verwendung der
zweistufigen Vorrichtungen in zahlreichen Schemen abgezielt,
um eine Tongradation zu erzielen. Es wäre besonders
vorteilhaft, eine Vorrichtung zu konstruieren, die eine zur
Größe der
direkt proportionale Transmissionsmodulation ähnlich der
zeigt, wie sie bei einer nematischen
Flüssigkristall-Vorrichtung möglich ist, jedoch mit der Geschwindigkeit einer
ferroelektrischen Flüssigkristall-Vorrichtung. Dadurch wäre
die Transmission von Licht im gesamten Transmissionsbereich,
der für die Vorrichtung verfügbar ist, stetig variabel.
-
Die vorliegende Erfindung gewährt einer derartige
Vorrichtung, die in der Lage ist, eine unbegrenzte Zahl von
Tonabstufungswerten zu erzeugen. Es ist allgemein bekannt,
daß sich die Steigung der Transmissionskurve für ein
beliebiges Bild in eine Reihe von Graustufenwerten
unterteilen läßt, wobei diese Stufen normalerweise Vielfache von
4, 8, 16, 32, 64, 128 und 256 sind. Je höher die Zahl der Stufen
ist, um so genauer ist das erzeugte Bild. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihrer unbegrenzten Zahl von
Stufen ist daher in der Lage, sehr genaue Bilder zu
erzeugen. Eine zusätzliche Alternative wäre die Anwendung
der vorliegenden Erfindung zur Kombination mit räumlicher
oder zeitlicher Zittermatrix.
-
In einer oberflächenstabilisierten Vorrichtung bekannter
Ausführung liegen die Moleküle des Flüssigkristalls in einer
von zwei Zuständen in ihrer Konfiguration mit niedrigster
Energie vor, wobei beide Zustände über die Polarität des
angelegten Feldes zugänglich sind. Dieses wird erreicht,
indem eine Orientierungsschicht auf einem oder auf beiden
Substraten (oder Grenzflächenebene) verwendet wird und der
Abstand der Substrate der Zelle kleiner ist als die chirale
Steigungshöhe des Flüssigkristall-Moleküls, so daß die
Oberflächenkräfte die molekulare chirale Helix vollständig
aufwickeln können.
-
Der feste molekulare Neigungswinkel und die
Grenzflächenebene des Substrats geben vor, daß es zwei mögliche
Konfigurationen der Moleküle gibt. In der einen
Konfiguration zeigt der Polarisationsvektor in Richtung auf die eine
Grenzebene und in der anderen Konfiguration in Richtung auf
die andere Grenzebene. Diese zwei Zustände stellen die
Zustände der Vorrichtung dar. Durch Anlegen eines elektrischen
Feldes an der Vorrichtung, werden die Flüssigkristall
Moleküle von dem einen Zustand in den anderen geschaltet,
wobei die Moleküle jedoch stets ihre Konfiguration mit
niedrigster Energie anstreben. Mit den aufgewickelten
molekularen Helices erfolgt die Molekularbewegung von einem
Zustand zum anderen entlang eines Weges, der von einem Konus
mit der Spitze und der Mittellinie parallel zu der Normalen
smektischen Schicht verläuft. Die zwei stabilen Zustände des
Moleküls liegen auf den beiden Stellen niedriger Energie auf
diesem Konus.
-
Wenn an einer beliebigen Flüssigkristall-Vorrichtung
eine Spannung angelegt wird, erhält das flüssigkristalline
Material im Inneren der Vorrichtung elektrische Feldkräfte
von zwei Quellen. Eine Kraft kommt von der spontanen
Polarisation und ist proportional zu x und direkt
proportional zum elektrischen Feld und eine zweite Kraft
kommt von der Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten des
Mediums, ΔεE², die quadratisch vom elektrischen Feld
abhängt. In den vorgenannten Ausdrücken ist die
Polarisation, Aε die dielektrische Anisotropie des
flüssigkristallinen Materials und das elektrische Feld, das sich
über der Vorrichtung als Ergebnis der angelegten Spannung
entwickelt. In Abhängigkeit von dem verwendeten Material und
der molekularen Geometrie können diese zwei Terme in
komplementärer Weise agieren, indem sie zueinander
entgegengesetzt sein können oder ein Term den anderen dominieren
kann. Eines der Extreme sind nematische flüssigkristalline
Materialien, in denen lediglich der Term ΔεE² vorliegt und
ein Halbton stets möglich ist. In den bisher bekannten
ferroelektrischen Vorrichtungen und Materialien war der Term
P x E der dominierende, und es erfolgte ein bistabiles Schalten.
-
In der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, daß die
geeignete Wahl der Materialien, bei denen normalerweise der
Term x weniger zu der Kraft an den Molekülen beiträgt
als der Term ΔεE², eine Vorrichtung mit dem Merkmal eines
Hochgeschwindigkeitsschaltens ergibt, das normalerweise bei
ferroelektrischen Materialien erwartet wird, begleitet von
der angestrebten optischen Durchlässigkeit mit stufenloser
Grauwertskala.
-
Wie bei den ferroelektrischen bistabilen Vorrichtungen
muß die erfindungsgemäße Vorrichtung ausreichend dünn sein,
um den durch die Orientierungsschicht erzeugten
Oberflächenkräften das vollständige Aufwickeln der molekularen
chiralen Helix zu ermöglichen und so eine nichthelikale
Orientierung zu schaffen. Bei den aufgewickelten molekularen
Helices verläuft die Molekularbewegung entlang eines Weges,
der durch einen Konus wie bei der bistabilen Vorrichtung
beschrieben wird. In der vorliegenden Erfindung ist die
Molekularbewegung jedoch an diesem Konus entlang
kontrollierbar und stufenlos variabel, indem das an der
elektrischen Vorrichtung anliegende elektrische Feld variiert wird.
-
Es wurde festgestellt, daß bei einer Flüssigkristall
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das darin enthaltende
flüssigkristalline Material mit einer Änderung in der
Vorspannung eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten
zeigen muß, die sich in der Vorrichtung manifestiert, welche
eine Kapazitätsänderung bei angelegter Vorspannung zeigt.
Das dielektrische Ansprechen ist frequenzabhängig, und die
Unterscheidung zwischen Materialien, die einen Halbtoneffekt
zeigen und solchen, bei denen das nicht der Fall ist, ist in
der Regel bei Frequenzen unterhalb von 10 kHz
offensichtlich, wo oftmals Auswirkungen infolge der Polarisation
chiral-smektischer C*-Materialien festgestellt werden. Die
Frequenz des Auftretens des Peaks beim Verlustfaktor oder
eine darunter läßt sich bei der dielektrischen Messung in
Abhängigkeit von der Vorspannung mühelos auswählen. Fig. 1
zeigt eine verallgemeinerte graphische Darstellung der
Dielektrizitätskonstanten (Kurve A) und des Verlustfaktors
(Kurve B) in Abhängigkeit von der Frequenz.
-
Die Flüssigkristall-Materialien, die sich für die
Verwendung in der vorliegenden Erfindung als am
vorteilhaftesten erwiesen haben, sind fluorierte, chirale
Flüssigkristall-Materialien, wie sie beispielsweise in der US-P-4 886 619
(Janulis) beschrieben wurden. Diese Materialien können allein
oder in Mischungen mit anderen fluorierten, chiralen oder
achiralen Materialien oder Kohlenwasserstoff-Materialien
verwendet werden.
-
Lehrreich ist ein Blick auf das dielektrische Verhalten
von Materialien, die nicht zuerst eine Halbtontauglichkeit
zeigen. Zwei graphische Darstellungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld wurden für
eine Vorrichtung dargestellt, die eine Flüssigkristall-
Mischung mit einer Polarisation von 5 nC/cm² (Fig. 2) enthält
und für eine Vorrichtung, die eine Flüssigkristall-Mischung
mit einer Polarisation von weniger als 1 nC/cm² (Fig. 3)
enthält, gemessen bei einer Frequenz unterhalb von 10 kHz.
-
Beide Materialien zeigen eine geringe Änderung der
Dielektrizitätskonstanten bei einem hohen Verschiebungsfeld,
jedoch wurde eine Zacke in der Mischung mit einer
Polarisation von 5 nC/cm² in der Nähe von Null Volt/Mikrometer
Verschiebungsfeld festgestellt. Die Dielektrizitätskonstante
wird unter Verwendung eines 1 Volt-Wechselspannungssignals
mit Hilfe eines Impedanzmeßgeräts gemessen. In der Nähe des
Verschiebungsfeldes von Null Volt/Mikrometer kann das
Wechselspannungssignal ausreichen, um im Fall des Materials
mit höherer Polarisation die Moleküle um den vorgenannten
Konus neu zu orientieren. In Ferroelectrics, Bd. 76, 1987, S.
221...232 (J. Pavel, M. Glogarova und S.S. Bawa) wurde gezeigt, daß
das Anlegen eines Verschiebungsfeldes an eine planare
smektische C*-Probe alle Beiträge an die
Dielektrizitätskonstante
infolge von Polarisationsänderungen
unterdrücken kann und zu einer Abnahme der
Dielektrizitätskonstanten führt. Bei Materialien mit geringer
Polarisation gibt es bei einem beliebigen Verschiebungsfeld einen
geringen Beitrag zu Polarisationsänderungen der
Dielektrizitätskonstanten.
-
Im Gegensatz dazu sind Fig. 4 und Fig. 5 graphische
Darstellung der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit
vom Verschiebungsfeld für Flüssigkristall-Materialien l
enthaltende Vorrichtungen, die Halbtontauglichkeit zeigen.
-
Die Messungen erfolgen bei einer Frequenz unterhalb von
10 kHz, und die graphische Darstellung in Fig. 4 zeigt eine
Vorrichtung, bei der die Polarisation des Materials etwa 3
nC/cm² beträgt, während Fig. 5 eine Vorrichtung mit einem
Material zeigt, das eine Polarisation von weniger als 1
nC/cm² hat. Wie bei der Vorrichtung, bei der die Mischung
keine Halbtontauglichkeit zeigt, zeigt das Material mit
höherer Polarisation eine Zacke in der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld in der
Nähe von Null Volt/Mikrometer, was wahrscheinlich den
gleichen Grund hat. Wenn das Verschiebungsfeld von Null
Volt/Mikrometer erhöht wird, fällt die
Dielektrizitätskonstante auf ein Mindestwert ab, genauso wie bei der
Vorrichtung, die keine Halbtontauglichkeit zeigt. Wenn
jedoch bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen das
Verschiebungsfeld weiter erhöht wird, und zwar entweder
positiv oder negativ, wird eine große Änderung der
Dielektrizitätskonstanten festgestellt.
-
Eine verwendbare erfindungsgemäße Vorrichtung enthält
Flüssigkristall-Materialien, die eine Änderung der
Dielektrizitätskonstanten von mindestens 5 % bei einer Änderung des
Verschiebungsfeldes von bis ± 15 Volt/Mikrometer zeigt. Die
Messung wird bei einer Frequenz vorgenommen, bei der sich
mit Wahrscheinlichkeit die Polarisationseffekte des
chiralsmektischen C*-Materials feststellen lassen (in der Regel
weniger als 10 kHz). Außerdem werden Änderungen der
Dielektrizitätskonstanten nur bemerkt, nachdem ein ausreichend
hohes Verschiebungsfeld zur Beseitigung der
Polarisationseffekte angelegt worden ist, die in der Regel in der Nähe
eines Verschiebungsfeldes von Null Volt/Mikrometer gebunden
werden. Es wurde festgestellt, daß mit größerer Änderung der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom
Verschiebungsfeld die Änderung der optischen Transmission bzw.
Durchlässigkeit oder Halbtontauglichkeit der Vorrichtung
ausgeprägter ist. Außerdem: je steiler die Kurve für die Änderung
der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom
Verschiebungsfeld ist, um so empfindlicher ist die optische
Transmission der Vorrichtung in bezug auf Änderungen des
angelegten Feldes.
-
Vorrichtungen, die keine Halbtontauglichkeit zeigen,
enthielten Materialien, die eine geringere Änderungen der
Dielektrizitätskonstanten als 5 % bei einer Änderung des
Verschiebungsfeldes bis zu 15 Volt/Mikrometer zeigten. Die
dielektrische Änderung liegt in einem Bereich des
Verschiebungsfeldes, sofern vorhanden, der von der Null
Volt/Mikrometer-Zacke entfernt ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt zwei
gegenüberliegende Substrate, von denen das eine optisch
transparent ist. Die Innenseiten jedes Substrats enthalten
elektrisch leitfähige Elektroden in einer Konfiguration zur
Erzeugung eines angestrebten Musters, wobei die Elektrode
auf dem transparenten Substrat ebenfalls transparent ist.
Die Elektroden können aus jedem elektrisch leitfähigen
Material sein, ein übliches Material ist Indiumzinnoxid, und
können mit den allgemein bekannten Verfahren aufgebracht
werden. Mindestens eines der Substrate verfügt darauf über
eine Orientierungsschicht, um das eingeschlossene
Flüssigkristall-Material zu orientieren. Diese Orientierungsschicht
kann nach einem beliebigen Verfahren bekannter Ausführung
hergestellt werden, einschließend Beschichtungen von
Polymeren, gefolgt von einer Oberflächenfeinstbearbeitung,
Aufbringen von verstreckten orientierten Polymerfolien oder
durch Abscheiden verschiedener anorganischer Materialien.
Die gegenüberliegenden Substrate sind mit Hilfe von Spacern
um eine kurze Distanz beabstandet angeordnet, wobei die
Distanz gemeinsam mit der Orientierungsschicht die
nichthelikale Orientierung des eingeschlossenen
Flüssigkristall-Materials erlaubt. Die so erzeugte Vorrichtung wird
sodann mit einem Flüssigkristall-Material gefüllt, welches
die vorstehend beschriebene Änderung der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von der Vorspannung zeigt,
die Vorrichtung wird sodann an ihren Rändern verschlossen
und die Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Quelle
zum Ansteuern verbunden. Wenn die Spannung der Quelle zum
Ansteuern variiert wird, ändert sich an der Vorrichtung
anliegende Feld, wobei dieses sich ändernde Feld die
Flüssigkristall-Moleküle in einer stetig variierbaren und
kontrollierten Weise zur Orientierung bringt, wodurch eine
Vorrichtung mit stetig variierbarer und kontrollierter
Halbtontauglichkeit erzeugt wird.
-
Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können
beispielsweise die Form von durchlässigen Vorrichtungen
haben, bei denen das gegenüberliegende Substrat transparent
ist; sie können die Form von reflektierenden Vorrichtungen
haben, bei denen das gegenüberliegende Substrat
reflektierend ist; und können die Form von Vorrichtungen haben,
bei denen Farbstoffe verwendet werden, die mit dem
ferroelektrischen Flüssigkristall-Material gemischt sind, das den
Gast/Wirt-Effekt zeigt, die insgesamt dem Fachmann vertraut sind.
-
In jedem der folgenden Beispiele wurde eine
Flüssigkristall-Zelle aus zwei Platten aus Borsilikatglas
einer Dicke von 0,048 Inch und einer Breite und Länge von
1,135 x 1,375 Inch ((1 Inch = 2,45 cm)) konstruiert. Eine der
Oberflächen jeder Glasplatte wurde mit einer 400
Å-Beschichtung einer transparenten und elektrisch leitfähigen Schicht
aus Indiumzinnoxid beschichtet und danach unter Anwendung
von Standardmethoden der Photolithographie geätzt, um eine
Einfach-ITO-Elektrode von 9,5 mm x 16,5 mm auf jeder Glasplatte
zu erzeugen. Eine der Elektroden jeder Zelle wurde sodann
mit einer Orientierungsschicht einer 400 Å dicken Folien aus
Nylon beschichtet. Das Nylon wurde durch Spinnbeschichten
aus einer Lösung von 0,5 % Nylon in einer konzentrierten
wäßrigen Ameisensäurelösung aufgetragen. Diese aufgetragene
Nylonbeschichtung wurde sodann in der einen Richtung unter
Verwendung eines Samttuchs gerieben. Die Platten wurden mit
den Oberflächen, die die Elektroden enthalten, zueinander
und parallel in einer solchen Weise zusammengebaut, daß die
zwei Elektroden sich unter Bildung eines 9,5 mm x 9,5 mm
Pixels schnitten. Die Platten wurden zusammengepreßt und in
einer Distanz von 2 bis 3 Mikrometer Abstand durch Standard-
Spacerstäbe aus Photoresist einer Breite und Länge von 1 mm
x 40 mm gehalten und erzeugten so eine dünne Zelle, die eine
nichthelikale Orientierung der Moleküle in der smektischen
C*-Phase der zu testenden Materialien sicherstellt. Die
Anordnung wurde sodann an den Rändern mit einem UV-härtbaren
Epoxidharz (Norland #91) verschlossen. Unmittelbar vor dem
abschließenden Verschließen wurde jede Zelle mit dem
Flüssigkristall-Material des Beispiels nach einer Standard-
Einfüllmethode unter Nutzung der Kapillarwirkung gefüllt.
-
Die Zellen jedes Beispiels wurden unter Anwendung der
folgenden Prozedur getestet. Die Elektroden der Zelle wurden
mit einem 50 Hz-Rechteckwellengenerator mit regelbarer
Ausgangsspannung verbunden. Die optische Transmission wurde
gemessen, indem die Zelle zwischen zwei gekreuzten
Polarisatoren auf einer optischen Bank eingesetzt wurden, wobei
die Kombination von Polarisator/Zelle zwischen einem
gerichteten HeNe-Lichtstrahl einer Intensität von etwa 9 mW
und einem Durchmesser von etwa 3 mm und einem
Siliziumphotodetektor angeordnet wurde, dessen Ausgang auf einem
Oszilloskop beobachtet wurde. Die Zelle wurde bei schwachem
Feld in einer solchen Weise orientiert, daß für die eine
Polarität des Feldes die beste Löschung erhalten wurde. Es
wurde die Photoempfindlichkeit auf dem Oszilloskop
ausgegeben und der Spannungswert an einer festen Stelle
relativ zum Oszilloskop-Trigger während des
Transmissionsmaximums beobachtet. Die Größe der Rechteckwellenspannung
wurde variiert und die maximale Transmission gemessen.
-
Wirkleitwert und Blindleitwert jeder Vorrichtung wurden
in Abhängigkeit von der Frequenz unter Verwendung eines
4192A-Impedanzmeßgeräts, verfügbar bei Hewlett Packard Company,
ähnlich der in Physical Review A, Bd. 35, Nr. 10, 15. Mai 1987, S.
4378...4388 (R.J. Cava, J.S.Patel, K.R. Collen, J.W. Goodby und E.A.
Rietman) beschriebenen Meßmethode gemessen. Die Zellendicke
wurde zur Berechnung der Dielektrizitätskonstanten und des
Verlustfaktors in Abhängigkeit von der Frequenz verwendet.
Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor wurden
außerdem in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld (durch Messen
des Wirkleitwerts und des Blindleitwerts) in ähnlicher Weise
gemessen, wie in Ferroelectrics, Bd. 76, 1987, S. 221...232 (J.
Pavel, M. Glogarova und S.S. Bawa).
-
Die in den Beispielen verwendeten fluorierten, chiralen
Flüssigkristall-Verbindungen wurden entsprechend der
Beschreibung der US-P-4 886 619 hergestellt. Die in den
Beispielen verwendeten fluorierten, nichtchiralen
Flüssigkristall-Verbindungen wurden entsprechend der Beschreibung
in der EP-P-0 360 521 hergestellt und die in den Beispielen
verwendeten flüssigen Kohlenwasserstoff-Materialien
entsprechend der Beschreibung in "Liquid Crystals and Ordered Fluids",
Herausg. Griffin, A.C. et al., 4, 1984, S. 1...42.
Beispiel 1
-
Es wurde eine Zelle hergestellt und gefüllt mit einer
mehrkomponentigen Flüssigkristall-Mischung von:
-
4,6 Gewichtsprozent
4-(4-(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)benzoyloxy)phenyl-(R)-2-fluorpropanoat,
-
3,2 %
1,1-Dihydroperfluorbutyl-2-chlor-4-(4-octyloxybenzoyloxy)benzoat,
-
7,0 % 4-(1,1-Dihydroperfluorhexyloxy)phenyl-6-decyloxynikotinoat,
-
7,1 % 4-(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)phenyl-4-octyloxybenzoat,
-
8,9 % 4-(1,1-Dihydroperfluorhexyloxy)phenyl-4-octyloxybenzoat,
-
8,0 % 4-Octyloxyphenyl-4-(1,1-dihydroperfluorbutoxy)benzoat,
-
9,4 % 1,1-Dihydroperfluorbutyl-4-(4-octyloxybenzoyloxy)benzoat,
-
25,6 1,1-Dihydroperfluorbutyl-4-(4-decyloxybenzoyloxy)benzoat sowie
-
26,1 %
4-Decyloxyphenyl-3-chlor-4-(1,1-dihydroperfluorhexyloxy)benzoat.
-
In Tabelle 1 sind die Messungen
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von der Vorspannung bzw. dem
Verschiebungsfeld dargestellt, aufgenommen bei 0,1 kHz.
Tabelle 1
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld ist in Fig. 6 dargestellt. Da
diese Transmission mit dem angelegten elektrischen Feld
regelbar ist, ist die Zelle ein Beispiel für eine
Flüssigkristall-Vorrichtung mit kontrollierter Halbtontauglichkeit.
Beispiel 2
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
dem Flüssigkristall 4-(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)phenyl-(s)-
4-(4-methylhexyloxy)benzoat. In Tabelle 2 sind die Messungen
der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom
Verschiebungsfeld ((Vorspannung)) dargestellt, aufgenommen bei 1 kHz.
Tabelle 2
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt eine Vorrichtung mit dem
angestrebten Effekt der kontrollierten Halbtontauglichkeit.
Beispiel 3
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
einem Flüssigkristall 1,1-Dihydroperfluorbutyl-(s)-4-(4-
methylhexyloxy)benzoyloxy)benzoat. In Tabelle 3 sind die
Messungen der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom
Verschiebungsfeld dargestellt, aufgenommen bei 1 kHz.
Tabelle 3
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom angelegten
elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung den angestrebten
Effekt der kontrollierten Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 4
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
einer Flüssigkristall-Mischung von 52,8 Gewichtsprozent 2-
(4-octyloxyphenyl)-5-decylpyrimidin und 47,2 Gewichtsprozent
4-(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)phenyl-(s)-4-(4-methylhexyloxy)benzoat. In Tabelle 4 sind die Messungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld
dargestellt, aufgenommen bei 1 kHz.
Tabelle 4
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom angelegten
elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung den angestrebten
Effekt der kontrollierten Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 5
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
einer Flüssigkristall-Mischung von 81,6 Gewichtsprozent 4-
(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)phenyl-4-octyloxybenzoat und 18,4
Gewichtsprozent
(S)-2-Methyöbutyl-4-(4-octyloxybenzoyloxy)benzoat.
In Tabelle 5 sind die Messungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von der
Verschiebungsspannung, aufgenommen bei 0,1 kHz.
Tabelle 5
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung den
angestrebten Effekt der kontrollierten Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 6
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
einer Flüssigkristall-Mischung von 90,7 Gewichtsprozent 4-
(1,1-Dihydroperfluorbutoxy)phenyl-(s)-4-(4-
methylhexyloxy)benzoat und 9,3 Gewichtsprozent 4-(4-(1,1-
Dihydroperfluorbutoxy)benzoyloxy)phenyl-(s)-2-chlor-4-methylpentanoat. In Tabelle 6 sind die Messungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld
dargestellt, aufgenommen bei 1 kHz.
Tabelle 6
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung den
angestrebten Effekt der kontrollierten Halbtontauglichkeit
hat.
Beispiel 7 (Vergleichsbeispiel)
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
(S)-2-Methylbutyl-4-(octyloxybenzoyloxy)benzoat. In Tabelle
7 sind die Messungen der Dielektrizitätskonstanten in
Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld dargestellt, aufgenommen
bei 0,355 kHz.
Tabelle 7
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung
nicht den angestrebten Effekt der kontrollierten
Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
SCE13, einer kommerziell verfügbaren ferroelektrischen
Kohlenwasserstoff-Mischung von der BDH Chemical of Poole,
England. Tabelle 8 zeigt die Messungen der
Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld
aufgenommen bei 0,1 kHz.
Tabelle 8
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung
nicht den angestrebten Effekt der kontrollierten
Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 9 (Vergleichsbeispiel)
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
ZLI-3041, eine kommerziell verfügbare ferroelektrische
Kohlenwasserstoffmischung von der EM Industries an Associate
of E. Merck of Darmstadt, Deutschland. In Tabelle 9 sind die
Messungen der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom
angelegten Verschiebungsfeld dargestellt, aufgenommen bei
0,631 kHz.
Tabelle 9
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung
nicht den angestrebten Effekt der kontrollierten
Halbtontauglichkeit hat.
Beispiel 10 (Vergleichsbeispiel)
-
Es wurde eine Vorrichtung hergestellt und gefüllt mit
einer Flüssigkristall-Mischung von 5 Gewichtsprozent (S)-4-
(4-Methylhexyloxy)phenyl-4-hexyloxybenzoat und 95
Gewichtsprozent 2-(4-Octyloxyphenyl)-5-decylpyrimidin. In Tabelle 10
sind die Messungen der Dielektrizitätskonstanten in
Abhängigkeit vom Verschiebungsfeld dargestellt, aufgenommen
bei 1 kHz.
Tabelle 310
-
Die optische Transmission in Abhängigkeit vom
angelegten elektrischen Feld zeigt, das die Vorrichtung
nicht den angestrebten Effekt der kontrollierten
Halbtontauglichkeit hat.