DE69228874T2

DE69228874T2 - Flüssigkristall lichtmodulierungs-vorrichtung und -material

Info

Publication number: DE69228874T2
Application number: DE69228874T
Authority: DE
Inventors: Liang-Chy Stow Oh 44224 Chien; William J. Kent Oh 44240 Doane; Deng-Ke Kent Oh 44240 Yang
Original assignee: Kent State University
Current assignee: Kent State University
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2012-04-29
Also published as: NO933845D0; CA2102199A1; IL101766A; EP0582656B1; CN1054208C; KR100193354B1; ES2129447T3; CN1070744A; IL101766A0; US5384067A; JPH06507505A; WO1992019695A2; WO1992019695A3; DE69228874D1; NO933845L; JP3330940B2; EP0582656A4; EP0582656A1; HK1014023A1; ATE178645T1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein flüssigkristalline Lichtsteuerungsvorrichtungen und insbesondere neue phasengetrennte Polymer- Flüssigkristall-Anzeigezellen und Materialien, die unter verschiedenen elektrischen Feldbedingungen verschiedene optische Zustände aufweisen und durch eine einzigartige Kombination von Eigenschaften gekennzeichnet sind, wozu eine optische Bistabilität und eine schleierfreie Lichtübertragung unter allen Sichtwinkeln sowohl bei eingeschaltetem als auch bei ausgeschaltetem Feld zählen.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Elektrisch schaltbare Flüssigkristall- Polymerfilme, die für den Einsatz bei verschiedenen elektrooptischen Vorrichtungen vorgesehen sind, wurden bisher mittels mechanischer Einschlußverfahren hergestellt. Bei einem dieser Verfahren saugt man den Flüssigkristall in die Mikroporen einer Kunststoff- oder Glasplatte. Bei einem anderen Verfahren verdampft man aus einer in einer Lösung eines wasserlöslichen Polymers wie Polyvinylalkohol oder in einer Latexemulsion vorliegenden wäßrigen Emulsion eines nematischen Flüssigkristalls das Wasser.
Bei einem anderen Verfahren, das gegenüber den mechanischen Einschlußverfahren und dem Emulsionsverfahren deutliche Vorteile aufweist, erfolgt eine Phasentrennung des nematischen Flüssigkristalls von einer ein geeignetes Kunstharz enthaltenden homogenen Lösung, wobei eine in einer Polymerphase dispergierte Flüssigkristallphase entsteht. Die hierbei entstehenden Materialien werden als polymerdispergierte Flüssigkristallfilme (PDLC-Filme) bezeichnet. Die Vorteile von PDLC-Filmen sind z. T. in den US-PS'en 4 671 618, 4 673 255, 4 685 771 und 4 788 900 erörtert, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. PDLC- Filme haben sich bei vielen Anwendungen bewährt, die von großflächigen Anzeigen und schaltbaren Beschichtungen für Fenster bis hin zu Projektionsanzeigen und zum Hochdefinitionsfernsehen reichen.
Die Phasentrennverfahren können mittels Polymerisation durchgeführt werden, die durch Zugabe eines Härtungsmittels, durch UV-Licht oder durch Abkühlen auf den Nichtmischbarkeitsbereich gestartet wird. Ein anderes Verfahren besteht darin, daß man aus einer matrixherstellenden Zusammensetzung, die aus einer Lösung aus Polymer und Flüssigkristall in einem Lösungsmittel besteht, das Lösungsmittel verdampft.
Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von PDLC-Filmen gehen mit Verfahren einher, bei denen der effektive Brechungsindex der Flüssigkristallphase auf den Brechungsindex des Polymers abgestimmt wird oder davon abweicht, um den gewünschten Sichtwinkel zu erzielen, bei dem die die Filme enthaltenden Anzeigen, Fenster usw. sichtbar oder optisch klar werden. Bei PDLC-Filmen, die unter Verwendung eines Flüssigkristalls mit positiver dielektrischer Anisotropie hergestellt wurden, wird der ordentliche Brechungsindex eines Flüssigkristalls in der Regel auf den Brechungsindex des Polymers abgestimmt, so daß die Anzeige bzw. das Fenster bei eingeschaltetem Feld sichtbar oder optisch klar erscheint, da die optischen Reflexionsachsen des Flüssigkristalls parallel zum Feld und senkrecht zur Sichtfläche ausgerichtet sind. Bei ausgeschaltetem Feld sind die optischen Achsen des Flüssigkristalls und des Polymers nicht zueinander ausgerichtet und besitzen eine zufällige Orientierung, so daß das einfallende Licht gestreut wird und die Anzeige bzw. das Fenster undurchsichtig wird.
Bei den wie oben beschriebenen Fenstern bzw. Anzeigen, bei denen der ordentliche Brechungsindex des Flüssigkristalls auf den Brechungsindex des Polymers abgestimmt wird, erscheint die Vorrichtung bei Betrachtung in Feldrichtung, die in der Regel senkrecht zur Sichtfläche verläuft, am durchsichtigsten (bei eingeschaltetem Feld). Bei zunehmend schräger werdenden Sichtwinkeln kommt es zu einer Abnahme der Lichtdurchlässigkeit, was zu einer Zunahme der "Schleierbildung" führt, bis die Vorrichtung bei einem ausreichend schrägen Winkel im wesentlichen undurchsichtig erscheint. Diese Schleierbildung kommt daher, daß die empfundene Abweichung zwischen dem tatsächlichen Brechungsindex des Flüssigkristalls und dem Brechungsindex der Matrix umso größer ist, je weiter der Sichtwinkel von der Senkrechten entfernt ist.
Bei einer aus der US-Patentanmeldung Ser. Nr. 07/324 051, inzwischen US-PS 4 994 204, ausgegeben am 19. Februar 1991, bekannten Weiterentwicklung von PDLC- Filmen verwendet man ein doppelbrechendes Polymer, wie z. B. ein Flüssigkristallpolymer. Der unter Verwendung des doppelbrechenden Polymers hergestellte PDLC-Film ist dadurch gekennzeichnet, daß er für alle Richtungen des einfallenden Lichts schleierfreie Durchlässigkeit besitzt. Dies wird dadurch erreicht, daß man den ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindex des Polymers auf den ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindex des Flüssigkristalls abstimmt.
Mit doppelbrechendem Polymer hergestellte PDLC- Filme sind in der Lage, auf normale Weise zu arbeiten, so daß sie bei eingeschaltetem Feld klar erscheinen und bei ausgeschaltetem Feld lichtstreuend sind. Wahlweise können die Filme dazu gebracht werden, im Umkehr- bzw. "betriebssicheren" Modus zu arbeiten, so daß das Material in Abwesenheit eines Feldes klar erscheint und bei eingeschaltetem Feld lichtstreuend ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gegenstand der Erfindung ist ein neues elektrisch schaltbares PDLC-Material mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften, die gegenüber der bisherigen Technik bedeutende Vorteile ergeben. Das neue Material kann beispielsweise sowohl im Modus, bei dem es bei ausgeschaltetem Feld lichtstreuend ist und bei eingeschaltetem Feld klar erscheint als auch im Umkehrmodus arbeiten, bei dem es bei ausgeschaltetem Feld klar erscheint und bei eingeschaltetem Feld lichtstreuend ist. In beiden Fällen ist das Material bei allen Sichtwinkeln im optisch klaren Zustand frei von Schleierbildung.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung liegt darin, daß sich das PDLC-Material so herstellen läßt, daß es zwei optisch verschiedene Zustände aufweist, die in Abwesenheit eines angelegten Feldes beide stabil sind. Bei Verwendung in einer Anzeigevorrichtung kann das Material mittels eines elektrischen Feldes von dem einen in den anderen Zustand geschaltet werden. Bei Einwirkung eines geringen elektrischen Feldimpulses entsteht ein lichtstreuender Zustand, der weiß aussieht. Bei Einwirkung eines hohen elektrischen Feldimpulses, d. h. eines zur homöotropen Ausrichtung der Flüssigkristalldirektoren ausreichend hohen elektrischen Feldes, wird das Material in einen lichtreflektierenden Zustand geschaltet, der jede beliebige Farbe aufweisen kann. Im feldfreien Zustand sind der lichtstreuende und der lichtreflektierende Zustand weiterhin stabil. Wird ein hohes elektrisches Feld aufrechterhalten, so bleibt das Material bis zur Wegnahme des Feldes lichtdurchlässig. Bei raschem Abschalten des Feldes kehrt das Material in den lichtreflektierenden Zustand zurück und bei langsamem Abschalten des Feldes kehrt das Material in den lichtstreuenden Zustand zurück. Mittels mechanischer Beanspruchung kann das Material ebenfalls vom lichtstreuenden in den lichtreflektierenden Zustand geschaltet werden.
Ein großer Vorteil des bistabilen Materials liegt darin, daß es zur Herstellung eines Hochdefinitions- Flachbildschirms keine aktive Matrix benötigt. Die Herstellung des Bildschirms kann ohne aktive Elemente an der jeweiligen Pixelstelle und ohne Multiplexierbetrieb, mit dem die Anzeige angesteuert wird, erfolgen. Hierdurch wird die Herstellung stark vereinfacht, die Ausbeute erhöht und die Kosten der Anzeige verringert.
Im Multiplexierbetrieb arbeitende Flüssigkristallanzeigen mit Flachbildschirm sind nicht neu und wurden hauptsächlich unter Verwendung von hochverdrillten nematischen Materialien für Anwendungen wie Laptop-Computerbildschirme entwickelt, bei denen es nicht auf Geschwindigkeit, Kontrast oder Farbe ankommt. Mit ferroelektrischen Flüssigkristallen, die einen oberflächenstabilisierten bistabilen Zustand aufweisen, kann man ebenfalls im Multiplexierbetrieb arbeiten. Diese Anzeigen haben sich nicht als wirtschaftlich erwiesen, da die Oberfläche nicht über längere Zeit oder unter verschärften Betriebsbedingungen stabil ist. Das neue Material der vorliegenden Erfindung besitzt verschiedene Vorteile, insofern als der lichtstreuende und der lichtreflektierende Zustand materiell stabilisiert werden, ohne daß hierzu schonende Oberflächenbedingungen erforderlich wären. Die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials hergestellten Anzeigevorrichtungen benötigen keine Polarisatoren, durch die die Helligkeit der Anzeigen begrenzt wird. Des weiteren ist das Material selbst farbgebend, so daß keine Farbfilter benötigt werden, durch die die Helligkeit ebenfalls verringert werden kann.
Das erfindungsgemäße flüssigkristalline PDLC- Lichtsteuerungsmaterial wird in eine Zelle gegeben, deren Wände einer Behandlung zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle unterzogen wurden und die ein beliebiges geeignetes Ansteuermittel zur Erzeugung eines Feldes in dem Material enthält. Das Ansteuermittel kann von jeder beliebigen, in der Technik bekannten Art sein, wie z. B. eine aktive Matrix, eine Multiplexierschaltung, Elektroden usw. Das neue flüssigkristalline Lichtsteuerungsmaterial weist phasengetrennte Polymerbezirke aus einem in einem chiralen nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie dispergierten Polymernetzwerk auf. Das Polymer liegt in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Flüssigkristall und Polymer vor. Die Flüssigkristallmoleküle in der Nähe der Polymerbezirke besitzen eine Vorzugsorientierung und sind am Polymernetzwerk verankert, so daß sie gegenüber einem angelegten Feld weniger ansprechbar sind als die sie umgebenden Flüssigkristallmoleküle, deren Orientierung von den Feldbedingungen und dem Oberflächenausrichtungseffekt der Zellwände stark beeinflußt wird. Dies hat zur Folge, daß das neue Material unter verschiedenen Feldbedingungen auf verschiedene optische Zustände, d. h. lichtstreuend, lichtreflektierend und lichtdurchlässig, gebracht werden kann.
Das zur Bildung der Polymernetzwerke verwendete monomere Material ist im chiralen nematischen Flüssigkristall löslich und bildet bei der Polymerisation unter Phasentrennung geordnete Polymernetzwerke. Als Monomere lassen sich beispielsweise solche einsetzen, die zwecks Vernetzbarkeit zwei polymerisierbare Doppelbindungen aufweisen, wozu Bisacrylate und dgl. zählen. Bei dem chiralen nematischen Flüssigkristall handelt es sich um eine Mischung aus einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie und einem chiralen Material in einer zur Erzeugung der gewünschten Ganghöhe ausreichenden Menge.
In Zellen, die entweder im Normalmodus, d. h. lichtstreuend bei abgeschaltetem Feld und lichtdurchlässig bei eingeschaltetem Feld, oder im Umkehrmodus arbeiten, d. h. lichtdurchlässig bei abgeschaltetem Feld und lichtstreuend bei eingeschaltetem Feld, besitzt der chirale nematische Flüssigkristall eine zur Reflexion des Lichts im Infrarotspektrum wirkungsvolle Ganghöhe. Vorzugsweise liegt die Ganghöhe für im Normalmodus arbeitende Zellen im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 1,6 Mikron und für im Umkehrmodus arbeitende Zellen im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 3,7 Mikron. Im Normalmodus arbeitende flüssigkristalline Lichtsteuerungsmaterialien wurden unter Verwendung eines chiralen nematischen Flüssigkristalls hergestellt, der etwa 9 bis etwa 11 Gew.-% chirales Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und etwa 2,5 bis etwa 5 Gew.-% Polymer, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Flüssigkristall und Polymer, enthält. Als flüssigkristallines Material, das im Umkehrmodus arbeiten kann, ist beispielsweise ein chiraler nematischer Flüssigkristall mit etwa 4 bis etwa 12 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und etwa 2,4 bis etwa 5 Gew.-% Polymer, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiraler Flüssigkristallmischung und Polymer, zu nennen. Es versteht sich von selbst, daß die Gewichtsmengen in beiden Fällen je nach dem jeweils eingesetzten Flüssigkristall, chiralen Material und Polymer, schwanken können.
Die Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Polymer enthält vorzugsweise eine geringe Menge an Fotoinitiator. Bei der Durchführung der Erfindung wird die Lösung in eine Zelle gegeben, deren Wände in beliebiger geeigneter Weise einer Behandlung unterzogen wurden, durch die eine Oberflächenausrichtung der Flüssigkristallmoleküle parallel zu den Zellwänden erreicht wird. Beispielsweise können die Zellwände mit Reibschichten aus Polyimid überzogen oder mit einem Detergens oder Chemikalien usw. behandelt werden, so wie dies alles in der Technik bekannt ist. Die Polymerisation wird auf beliebige geeignete Weise gestartet, wie z. B. mittels UV-Strahlung. Unter den Polymerisationsbedingungen kommt es zu einer Phasentrennung der Polymerphase von dem chiralen nematischen Flüssigkristall und zur Bildung von Polymerbezirken aus vernetzten Polymermolekülen. Die in der Nähe der Polymerbezirke liegenden Flüssigkristallmoleküle besitzen eine Vorzugsorientierung und sind am Polymernetzwerk verankert.
Bei im Normalmodus arbeitenden Zellen findet die Polymerisation in Gegenwart eines elektrischen Feldes statt, durch das die Flüssigkristallmoleküle orthogonal zu den Zellwänden ausgerichtet werden. Nach Beendigung der Polymerisation und Wegnahme des Feldes sind die in der Nähe der Polymernetzwerke liegenden Flüssigkristallmoleküle in einer bevorzugten homöotropen Ausrichtung verankert. Aufgrund der konkurrierenden Wirkung zwischen dem Oberflächenausrichtungseffekt der Zellwände und dem durch das Polymernetzwerk auferlegten Zwang besitzt der sie umgebende chirale Flüssigkristall eine fokal konische Textur. Bei abgeschaltetem Feld wirkt das Polymer-Flüssigkristall-Material stark lichtstreuend, wodurch die Zelle undurchsichtig erscheint. Bei eingeschaltetem Feld wird aus der fokal konischen Textur die homöotrope Ausrichtung zurückgebildet, so daß die Zelle optisch klar erscheint. Im gesamten flüssigkristallinen Material ist Schwankung bzw. Fluktuation des Brechungsindexes aufgrund der homöotropen Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle und der sehr geringen Menge an Polymer in der Zusammensetzung vernachlässigbar. Somit ist die Zelle bei allen Sichtwinkeln frei von Schleierbildung.
Bei im Umkehrmodus arbeitenden Zellen findet die Polymerisation in Abwesenheit eines Feldes statt. Aufgrund des Oberflächenausrichtungseffekts der Zellwände besitzen die Flüssigkristallmoleküle in der gesamten Zelle eine verdrillt planare Struktur. In Abwesenheit eines Feldes erscheint die Zelle optisch klar, da im sichtbaren Bereich des Lichts keine Reflexion oder Streuung stattfindet. Bei eingeschaltetem Feld bevorzugen die in der Nähe der Polymerbezirke liegenden Flüssigkristallmoleküle aufgrund des Verankerungseffekts des Polymernetzwerks die verdrillt planare Struktur. Aufgrund der konkurrierenden Wirkung zwischen dem Oberflächenausrichtungseffekt, dem elektrischen Feld und dem durch die Flüssigkristall-Polymer- Zusammensetzung auferlegten Zwang besitzen die sie umgebenden Flüssigkristallmoleküle in Gegenwart des Feldes eine fokal konische Textur. In diesem Zustand wirkt die Zelle stark lichtstreuend.
Wie oben ganz allgemein beschrieben wurde, wird in einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung ein flüssigkristallines Lichtsteuerungsmaterial bereitgestellt, das einen stabilen, lichtreflektierenden farbigen Zustand, einen stabilen lichtstreuenden Zustand und einen optisch klaren Zustand aufweist in dieser Ausführungsform besitzt der chirale nematische Flüssigkristall eine vorzugsweise im Bereich von etwa 0,25 bis 0,44 Mikron liegende und zur Reflexion von zirkular polarisiertem farbigem Licht wirkungsvolle Ganghöhe. In der Regel betragen die Ganghöhen für die Farbe Blau 0,27 Mikron, für die Farbe Grün 0,31 Mikron und für die Farbe Rot 0,40 Mikron. Bistabile Farbanzeigematerialien mit etwa 27 bis 48% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und etwa 1,0 bis etwa 4,5% Polymer, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Polymer, wurden hergestellt. Je nach dem jeweils eingesetzten chiralen Material, Flüssigkristall und Polymer können diese Bereiche jedoch schwanken.
Die Herstellung der bistabilen Farbanzeige von Zellen erfolgt durch Phasentrennung und Polymerisation der Flüssigkristall-Polymer-Lösung mittels UV- Strahlung, entweder in feldfreiem Zustand oder in einem zur Ausrichtung der Flüssigkristalldirektoren wirkungsvollen Feld. In beiden Fällen dienen die in dem Material erzeugten Polymernetzwerke dazu, den bei Einwirkung eines niedrigen elektrischen Feldimpulses erzeugten lichtstreuenden Zustand und bei Einwirkung eines hohen elektrischen Feldimpulses erzeugten lichtreflektierenden Zustand zu stabilisieren.
Bei abgeschaltetem Feld, d. h. bei zu den Zellwänden paralleler verdrillt planarer Struktur der Flüssigkristallmoleküle, befindet sich die Zelle in einem farbigen lichtreflektierenden Zustand. Dieser Zustand kann auf die Farbe grün, rot, blau oder je nach Ganghöhe des chiralen nematischen Flüssigkristalls auf jede vorgewählte Farbe eingestellt werden. Legt man an die Zelle ein niedriges elektrisches Feld, z. B. 6 Volt pro Mikron Schichtdicke, an, so wird sie auf einen weißen, lichtstreuenden Zustand gebracht. In diesem Zustand besitzen die die Polymerbezirke umgebenden Flüssigkristallmoleküle aufgrund der konkurrierenden Wirkung zwischen dem Oberflächenausrichtungseffekt, dem elektrischen Feld und dem durch die Polymernetzwerke auferlegten Zwang eine fokal konische Struktur. Bei Wegnahme des niedrigen elektrischen Feldes verbleibt das Material im lichtstreuenden Zustand. Legt man an die Zelle ein höheres elektrisches Feld an, z. B. 12 Volt pro Mikron Schichtdicke, so wird und bleibt das Material bis zur Wegnahme der Spannung optisch klar. Bei raschem Abschalten des elektrischen Feldes geht das Material in eine einheitliche verdrillt planare Struktur über, die die von der Ganghöhe bestimmte vorgewählte Farbe aufweist. In feldfreiem Zustand bleibt der lichtreflektierende Zustand stabil. Bei langsamem Abschalten des Feldes geht das Material in seinen lichtstreuenden Zustand über, der in feldfreiem Zustand ebenfalls stabil bleibt.
Eine Vielzahl zusätzlicher Merkmale, Vorteile und ein besseres Verständnis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen
Abb. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Lichtsteuerungszelle mit dem erfindungsgemäßen Polymer-Flüssigkristall-Material,
Abb. 2 eine schematische, vergrößerte Querschnitts-Teilansicht des neuen Materials bei homöotroper Ausrichtung des Flüssigkristalls zwecks Erzielung eines optisch klaren Zustands,
Abb. 3 eine schematische, vergrößerte Querschnitts-Teilansicht des Materials in einem lichtstreuenden Zustand, wobei der in der Nähe der Polymerbezirke liegende Flüssigkristall homöotrop ausgerichtet ist, während der ihn umgebende Flüssigkristall eine fokal konische Struktur aufweist,
Abb. 4 eine schematische, vergrößerte Querschnitts-Teilansicht des Materials bei verdrillt planarer Struktur des Flüssigkristalls,
Abb. 5 eine schematische, vergrößerte Querschnitts-Teilansicht des Materials bei verdrillt planarer Struktur des in der Nähe der Polymerbezirke liegenden Flüssigkristalls und fokal konischer Textur des ihn umgebenden Flüssigkristalls.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die in Abb. 1 schematisch dargestellte Zelle besteht aus an den Kanten verklebten und durch Abstandsstücke 12 voneinander getrennte Glasplatten 10, 11. Wie gezeigt, sind die Glasplatten 10, 11 zur Bildung von transparenten Elektroden 13 mit Indium- Zinnoxid oder dgl. überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung der Flüssigkristalldirektoren sind die Elektroden 13 mit Reibschichten 14 aus Polyimid versehen.
Die Zelle gemäß Abb. 1 wird mit dem erfindungsgemäßen Polymer-Flüssigkristall-Material gefüllt. In der Regel besteht das flüssigkristalline Lichtsteuerungsmaterial aus phasengetrennten Polymerbezirken 15 des Polymernetzwerks, das in dem es umgebenden chiralen nematischen Flüssigkristall 16 mit positiver dielektrischer Anisotropie dispergiert ist. Eine Wechselstromquelle 17 wird mit den Elektroden 13 verbunden, um die Zelle zwischen verschiedenen optischen Zuständen hin- und herzuschalten.
Es versteht sich von selbst, daß die in Abb. 1 dargestellte Form der Zelle lediglich zur Beschreibung einer besonderen Ausführungsform und der Wirkungsweise des neuen erfindungsgemäßen flüssigkristallinen Lichtsteuerungsmaterials gewählt wurde und daß das neue Material auf verschiedene Art und Weise angesteuert und in andere Arten von Zellen eingebaut werden kann. Beispielsweise kann das neue Material, anstatt von extern aktivierten Elektroden angesteuert zu werden, von einer aktiven Matrix, im Multiplexierbetrieb oder einer anderen Art von Schaltung angesteuert werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet alle ohne weiteres geläufig sind.
Erfindungsgemäß sind die Polymerbezirke 15 durch vernetzte Polymernetzwerke definiert, die von einer den chiralen nematischen Flüssigkristall enthaltenden Lösung phasengetrennt sind. Wie noch ausführlicher erläutert werden wird, besitzt der in der Nähe der Polymerbezirke 15 liegende chirale nematische Flüssigkristall eine Vorzugsorientierung, wobei die Flüssigkristallmoleküle an dem vernetzten Polymer so verankert sind, daß sie gegenüber einem angelegten Feld weniger ansprechbar sind als der sie umgebende Flüssigkristall. Der die Polymerbezirke umgebende Flüssigkristall spricht auf die Feldbedingungen an, wodurch die Zelle unter verschiedenen Feldbedingungen verschiedene optische Zustände einnimmt.
Der Polymeranteil beträgt weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Polymer. In bevorzugten Zusammensetzungen liegt der Polymeranteil im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 5%. Bei im Normalmodus und Umkehrmodus arbeitenden Materialien liegt der Polymeranteil in der Regel im Bereich von etwa 2, 4 bis 5,0%, während bistabile Materialien in der Regel einen Polymeranteil im Bereich von etwa 1,0 bis etwa 4,5% aufweisen. Es versteht sich von selbst, daß der Polymeranteil insofern leicht variieren kann, als es von subjektiver Beurteilung abhängt, was als erwünschtes oder nicht erwünschtes Aussehen der Zelle in ihren verschiedenen optischen Zuständen angesehen wird.
In einer bevorzugten Art der Herstellung der in Abb. 1 gezeigten Zelle wird das Polymer, das vorzugsweise mittels UV-Strahlung polymerisiert wird, zusammen mit dem chiralen nematischen Flüssigkristall und etwas Fotoinitiator gelöst. Anschließend bringt man die Lösung zwischen die mit Reibschichten 14 aus Polyimid versehenen Glasplatten 10, 11. Zur Polymerisation der Lösung und gleichzeitiger Phasentrennung des Polymers unter Bildung der Polymerbezirke 15 wird die Lösung in-situ mit UV-Licht bestrahlt. Die Bestrahlung der Monomer-Flüssigkristall- Lösung kann entweder in Gegenwart eines zur homöotropen Ausrichtung der Flüssigkristalldirektoren wirkungsvollen elektrischen Feldes oder in feldfreiem Zustand erfolgen. Im letzteren Fall führt der Oberflächenausrichtungseffekt der Polyimidschichten 14 dazu, daß sich die Flüssigkristallmoleküle in einer verdrillt planaren Struktur parallel zu den Zellwänden ausrichten.

Im Normalmodus arbeitende Zellen

Die Herstellung von im Normalmodus arbeitenden Zellen, die bei abgeschaltetem Feld das Licht streuen und bei eingeschaltetem Feld optisch klar erscheinen, erfolgt unter Verwendung eines zur Reflexion des Lichts im Infrarotspektrum befähigten chiralen nematischen Flüssigkristalls. Bevorzugt wird eine Ganghöhe im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 1,6 Mikron. Flüssigkristalline Lichtsteuerungsmaterialien mit der gewünschten Ganghöhe können etwa 9 bis etwa 11 Gew.-% chirales Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, enthalten, wobei die Gewichtsmengen jedoch je nach dem jeweils eingesetzten Flüssigkristall, chiralen Material und Polymer, schwanken können.
Die Herstellung von im Normalmodus arbeitenden Zellen erfolgt durch Bestrahlung der Monomer- Flüssigkristall-Lösung in Gegenwart eines elektrischen Feldes. Wie in Abb. 2 gezeigt, wirkt das elektrische Feld dahingehend, daß es die Verdrillung der chiralen nematischen Flüssigkristallmoleküle aufhebt und die Flüssigkristalldirektoren 20 homöotrop ausrichtet. In Abb. 2 ist ein einzelner Polymerbezirk 15 schematisch dargestellt.
Man nimmt an, daß es sich bei jedem der Polymerbezirke 15 um ein komplexes, vernetztes, dreidimensionales Netzwerk handelt. Bei Abschalten des elektrischen Feldes neigt der in der Nähe des jeweiligen Polymerbezirks 15 liegende Flüssigkristall, wie in Abb. 3 veranschaulicht, dazu, aufgrund des Verankerungseffekts des Polymernetzwerks seine homöotrope Ausrichtung beizubehalten. Der mit der Bezugsnummer 30 bezeichnete, diesen Polymerbezirk umgebende Flüssigkristall neigt dazu, in die fokal konische Textur, d. h. helixförmig verdrillte Moleküle mit zufälliger Orientierung der Helixachsen, zurückzukehren. Die fokal konische Textur ist die Folge der konkurrierenden Wirkung zwischen dem Oberflächenausrichtungseffekt der Reibschichten 14 aus Polyimid und dem von den Polymernetzwerken durch den ganzen Flüssigkristall hindurch auferlegten Zwang. In dem in Abb. 3 veranschaulichten abgeschaltetem Zustand ist das Polymer-Flüssigkristall-Material unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts stark lichtstreuend.
Wird zur homöotropen Ausrichtung der Flüssigkristalldirektoren, wie in Abb. 2 gezeigt, das elektrische Feld eingeschaltet, so ist das Polymer- Flüssigkristall-Material optisch klar. Aufgrund der in der Zusammensetzung enthaltenen sehr geringen Menge an Polymer kommt es zu keiner wesentlichen Schwankung oder Fluktuation des Brechungsindexes im gesamten flüssigkristallinen Material. Die das Material enthaltende Zelle ist somit bei allen Sichtwinkeln frei von Schleierbildung.

Beispiel 1

Eine im Normalmodus arbeitende Zelle, d. h. lichtstreuend bei abgeschaltetem Feld und optisch klar bei eingeschaltetem Feld, wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 8,8 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 2,9 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,4 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
175,2 mg der nematischen Flüssigkristallmischung E-31LV;
8,3 mg 4"-(2 -Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
8,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
5,7 mg Bisacryloyl-biphenyl (Monomer); sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
E-31LV besteht im wesentlichen aus 4-Ethyl-4'- cyanobiphenyl, 4-Butyl-4'-cyanobiphenyl, 4-Hexyl-4'- cyanobiphenyl, 4-Methoxy-4'-cyanobiphenyl, 4-Propyloxy- 4'-cyanobiphenyl, 4-Pentyl-4'-cyanoterphenyl und 4-(4'- Ethylbiphenyl-4-carbonyloxy)-methylbenzol.
Eine Zelle mit zwei an den Kanten verklebten und durch 8 Mikron starke Abstandsstücke des Typs Mylar voneinander getrennten Glasplatten wurde mit der polymerisierbaren Lösung gefüllt. Zur Bildung von transparenten Elektroden wurden die Glasplatten mit Indium-Zinnoxid überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls wurden die Elektroden mit Polyimid überzogen und gerieben.
Zur Polymerisation des Monomers und Phasentrennung des Polymers unter Bildung von Polymerbezirken des Polymernetzwerks durch den gesamten chiralen Flüssigkristall hindurch wurde die gefüllte Zelle mit UV-Licht bestrahlt. Während der Bestrahlung der Zelle wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls eine Wechselstromspannung angelegt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend, wobei die Lichtdurchlässigkeit in diesem Zustand weniger als 5% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 35 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig.

Beispiel 2

Anhand der folgenden Tests wurde untersucht, wie sich die Änderung der Ganghöhe und der Konzentration des chiralen Materials auf die Lichtstreuungsfähigkeit der Zelle im feldfreien Zustand auswirkt.
Eine im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 11,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 2,9 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,4 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
144 mg der nematischen Flüssigkristallmischung E-31LV der Firma EM Industries;
18 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
4,9 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Während der Polymerisation wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls eine Wechselstromspannung angelegt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend, wobei die Lichtdurchlässigkeit weniger als 5% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 25 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig.
Eine im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 12,9 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 3,3 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,2 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
137 mg der nematischen Flüssigkristallmischung E-31LV;
20,4 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
5,3 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
2,4 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Während der Polymerisation wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls eine Wechselstromspannung angelegt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend, wobei die Lichtdurchlässigkeit 15% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 21 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Aufgrund der Lichtdurchlässigkeit von 15% im feldfreien Zustand war die Zelle von geringer Wirkung.
Eine im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 5,9 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 2,2 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von 2,6 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
200 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
12,6 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
4,8 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,8 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Während der Polymerisation wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls eine Wechselstromspannung angelegt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend, wobei die Lichtdurchlässigkeit der Zelle 62% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 14 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Aufgrund der Lichtdurchlässigkeit von 62% im feldfreien Zustand war die Zelle ungeeignet.

Beispiel 3

Anhand der folgenden Testreihe wurde untersucht, wie sich die Änderung der Konzentration des Monomers 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl auf die Lichtstreuungsfähigkeit einer im Normalmodus arbeitenden Zelle im feldfreien Zustand auswirkt.
Eine im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 10,0 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,4 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
107 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,91 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
5,5 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer); sowie
1,7 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt.
Während der Polymerisation wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls ein Wechselstromfeld angelegt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend, wobei die Lichtdurchlässigkeit 7% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 28 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Diese Zelle besaß guten Kontrast zwischen dem Zustand bei eingeschaltetem Feld und dem feldfreien Zustand.
Eine weitere im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 9,9 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 1,2 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
164 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
18 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
2,2 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,7 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt.
Während der Polymerisation wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls ein Wechselstromfeld angelegt.
In feldfreiem Zustand betrug die Lichtdurchlässigkeit 67%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 18 V) an die Zelle wurde sie optisch klar. Bei eingeschaltetem Feld war die Zelle bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Aufgrund der Lichtdurchlässigkeit von 67% im feldfreien Zustand war die Zelle ungeeignet.
Eine im Normalmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 9,8 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 9,0 Gew.-% Monomer, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
101 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,0 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
11,4 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
3,5 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Zelle war im feldfreien Zustand fast vollkommen lichtdurchlässig und stellte daher keine brauchbare Zelle dar.

Im Umkehrmodus arbeitende Zellen

Die Herstellung von im Umkehrmodus arbeitenden Zellen, die in feldfreiem Zustand optisch klar und bei eingeschaltetem Feld lichtstreuend sind, erfolgt unter Verwendung eines chiralen nematischen Flüssigkristalls mit einer zur Reflexion des Lichts im Infrarotspektrum wirkungsvollen Ganghöhe. Bei im Umkehrmodus arbeitenden Zellen schwankt die Ganghöhe zwischen etwa 1,3 und etwa 3,7 Mikron. In der Regel besteht der chirale nematische Flüssigkristall aus etwa 4 bis etwa 12 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, wobei die Gewichtsmengen jedoch je nach dem jeweils eingesetzten Flüssigkristall, chiralen Material und Polymer, schwanken können.
Die Herstellung von im Umkehrmodus arbeitenden Zellen erfolgt durch Bestrahlung der Monomer- Flüssigkristall-Lösung in feldfreiem Zustand. Wie in Abb. 4 gezeigt, wirkt der Oberflächenausrichtungseffekt der Reibschichten 14 aus Polyimid dahingehend, daß die Flüssigkristallmoleküle durch das gesamte Material hindurch zu einer verdrillt planaren Struktur ausgerichtet werden, die durch Bezugnummer 40 bezeichnet ist. Ein mit 15 bezeichneter einzelner Polymerbezirk ist erneut schematisch dargestellt. In dem in Abb. 4 dargestellten feldfreien Zustand ist das Polymer-Flüssigkristall- Material optisch klar, da im sichtbaren Bereich keine Reflexion oder Streuung des Lichts erfolgt.
In dem schematisch in Abb. 5 dargestellten Zustand bei eingeschaltetem Feld bevorzugen die in der Nähe der Polymerbezirke 15 liegenden Flüssigkristallmoleküle aufgrund des Verankerungseffekts der Polymernetzwerke eine verdrillt planare Orientierung. Der diesen Polymerbezirk umgebende Flüssigkristall wird durch das elektrische Feld zu einer fokal konischen Textur zurückgebildet. Die fokal konische Textur in Gegenwart des Feldes ist eine Folge der konkurrierenden Wirkung zwischen dem Oberflächenausrichtungseffekt der Polyimidschichten, dem elektrischen Feld und dem von der Flüssigkristall- Polymer-Zusammensetzung auferlegten Zwang. In dem Zustand bei eingeschaltetem Feld gemäß Abb. 5 ist das Flüssigkristall-Polymer-Material für alle Polarisationen des einfallenden Lichts stark lichtstreuend.

Beispiel 4

Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle, d. h. lichtstreuend bei eingeschaltetem Feld und optisch klar bei abgeschaltetem Feld, wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 4,0 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,6 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 3,7 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
107 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
4,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
5,5 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,2 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Eine Zelle mit zwei an den Kanten verklebten und durch 8 Mikron starke Abstandsstücke des Typs Mylar voneinander getrennten Glasplatten wurde mit der polymerisierbaren Lösung gefüllt. Zur Bildung von transparenten Elektroden wurden die Glasplatten mit Indium-Zinnoxid überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls wurden die Elektroden mit Polyimid überzogen und gerieben.
Zwecks Polymerisation des Monomers und Phasentrennung des Polymers unter Bildung von Polymerbezirken des Polymernetzwerks durch den gesamten chiralen Flüssigkristall hindurch wurde die gefüllte Zelle mit UV-Licht bestrahlt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht lichtdurchlässig, wobei die Lichtdurchlässigkeit im feldfreien Zustand 93% betrug. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 27 V) an die Zelle wurde sie lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 8%.

Beispiel 5

Anhand einer Testreihe wurde untersucht, wie sich die Ganghöhe und die Konzentration der chiralen Materialien auf die im Umkehrmodus arbeitende Zelle auswirkt.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 7,8 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,7 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gewicht aus chiralem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,9 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
159 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
13,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
8,5 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,8 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 98%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 30 V) wurde die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 9%.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 12,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,8 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 1,3 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
129 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
17,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
7,5 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,6 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 96%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 41 V) wurde die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 5%.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 1,39 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,5 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,7 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
263 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
3,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
12,5 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,4 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 92%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 32 V) betrug die Lichtdurchlässigkeit für polarisiertes Licht parallel zur Reibrichtung 35%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 18 V) betrug die Lichtdurchlässigkeit für polarisiertes Licht senkrecht zur Reibrichtung 6%.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 16,3 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,4 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gewicht aus Monomer und Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,9 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
125,7 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
24,4 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
6,9 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
017 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 4.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 94%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 50 V) wurde die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 11%. Außerdem zeigte die Zelle beim Umschalten vom eingeschalteten Feld in den feldfreien Zustand Hysteresis.

Beispiel 6

Anhand der folgenden Testserie wird untersucht, wie sich die Polymerkonzentration auf die im Umkehrmodus arbeitende Zelle auswirkt.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 6,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 2,1 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem nematischem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 2,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
181 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
4,2 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,9 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 97%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 18 V) wurde die Zelle lichtundurchlässig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 14%. Die Abschaltzeit für diese Zelle betrug 5 Millisekunden.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristallmaterial mit 6 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 2,9 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besitzt eine Ganghöhe von etwa 2,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
181 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
5,7 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,7 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 95%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 21 V) wurde die Zelle durchsichtig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 8%. Die Abschaltzeit für die Zelle betrug 4 Millisekunden.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 6,0 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 4,3 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem nematischem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besitzt eine Ganghöhe von etwa 2,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
180 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
8,6 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,9 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 95%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 28 V) wurde die Zelle durchsichtig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 8%. Die Abschaltzeit der Zelle betrug 3 Millisekunden.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 6,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 5,8 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 2,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
179 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
10,6 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,2 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand betrug die Lichtdurchlässigkeit 76%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 28 V) an die Zelle nahm die Lichtdurchlässigkeit ab. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 46%.
Eine im Umkehrmodus arbeitende Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 6,0 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, und 1,0 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 2,5 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
184 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
11,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
20 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,7 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 4 beschriebene Weise hergestellt.
In feldfreiem Zustand war die Zelle optisch klar und bei allen Sichtwinkeln für das einfallende Licht durchlässig. Bei abgeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit 96%. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (Vrms = 14 V) an die Zelle wurde sie durchsichtig bzw. lichtstreuend. Bei eingeschaltetem Feld betrug die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts 13%. Die Abschaltzeit betrug 20 Millisekunden, was einen hohen Wert darstellt. Außerdem kam es leicht zu einer Schädigung der Zelle durch das elektrische Feld.

Bistabile Farbanzeigezellen

Die Herstellung von bistabilen Farbanzeigezellen, die in einem Zustand das Licht streuen und in einem anderen Zustand zirkular polarisiertes farbiges Licht reflektieren und die auch so betrieben werden können, daß sie optisch durchsichtig sind, erfolgt unter Verwendung eines chiralen nematischen Flüssigkristalls mit einer zur Reflexion des Lichts im sichtbaren Spektrum wirksamen Ganghöhe. Bevorzugt sind Materialien mit einer Ganghöhe im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,44 Mikron. In der Regel beträgt die Ganghöhe 0,27 Mikron für die Farbe Blau, 0,31 Mikron für die Farbe Grün und 0,40 Mikron für die Farbe Rot. Die Herstellung von bistabilen Farbanzeigematerialien erfolgt in der Regel derart, daß sie etwa 27 bis etwa 48 Gew.-% chirales Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus nematischem Flüssigkristall und chiralem Material, enthalten, wobei die Gewichtsmengen jedoch wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen je nach dem jeweils eingesetzten chiralen Material, Flüssigkristall und Polymer schwanken können.
In Abb. 4 ist das erfindungsgemäße, durch Polymerisation in feldfreiem Zustand hergestellte bistabile Farbanzeigematerial mit planarer Textur in seinem lichtreflektierenden Zustand schematisch dargestellt. In diesem Zustand bevorzugen die in der Nähe der Polymerbezirke 15 liegenden Flüssigkristallmoleküle die dargestellte verdrillt planare Struktur. Der den Polymerbezirk umgebende Flüssigkristall besitzt ebenfalls eine verdrillt planare Struktur, so daß das Material Licht, dessen Farbe von der jeweiligen Ganghöhe abhängt, reflektiert.
In Abb. 5 ist das bistabile Farbanzeigematerial in seinem lichtstreuenden Zustand dargestellt. In diesem Zustand bevorzugt der in der Nähe der Polymerbezirke 15 liegende Flüssigkristall erneut die dargestellte verdrillt planare Struktur. Der den Polymerbezirk umgebende Flüssigkristall besitzt eine fokal konische Struktur.
Liegt die Ganghöhe in dem zur Reflexion von sichtbarem Licht geeigneten Bereich, so sind sowohl der lichtreflektierende Zustand gemäß Abb. 4 als auch der lichtstreuende Zustand gemäß Abb. 5 in Abwesenheit eines elektrischen Feldes stabil. Befindet sich das bistabile Material im lichtreflektierenden Zustand gemäß Abb. 4 und läßt man einen niedrigen elektrischen Feldimpuls einwirken, wie z. B. 6 Volt pro Mikron Schichtdicke, so wird das Material in den lichtstreuenden Zustand gemäß Abb. 5 überführt und verbleibt bei Abwesenheit eines Feldes in diesem Zustand. Befindet sich das bistabile Material im lichtstreuenden Zustand gemäß Abb. 5 und läßt man einen hohen elektrischen Feldimpuls von etwa 12 Volt pro Mikron Schichtdicke einwirken, so kehren die Flüssigkristallmoleküle bei Impulsende in den lichtreflektierenden Zustand gemäß Abb. 4 zurück und verbleiben in diesem Zustand.
Wird das zur Aufhebung der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle notwendige hohe elektrische Feld aufrechterhalten, so richten sich die Flüssigkristalldirektoren homöotrop aus, so daß das Material lichtdurchlässig wird. Bei langsamer Wegnahme des Feldes geht die Flüssigkristallorientierung wieder in den lichtstreuenden Zustand gemäß Abb. 5 über. Bei rascher Wegnahme des Feldes geht die Orientierung wieder in den lichtreflektierenden Zustand gemäß Abb. 4 über.
Die Bildung des bistabilen Materials kann durch Bestrahlung der Monomer-Flüssigkristall-Lösung entweder in feldfreiem Zustand oder in Gegenwart eines elektrischen Feldes erfolgen. Findet die Polymerisation im feldfreien Zustand statt, so führt der Oberflächenausrichtungseffekt der Zellwände zur verdrillt planaren lichtreflektierenden Orientierung gemäß Abb. 4. Findet die Polymerisation in Gegenwart eines Feldes statt, so daß die Flüssigkristalldirektoren, wie in Abb. 2 angedeutet, homöotrop ausgerichtet werden, so geht die Flüssigkristallorientierung entweder wieder in den lichtreflektierenden Zustand gemäß Abb. 4, und zwar bei raschem Abschalten des Feldes, oder den lichtstreuenden Zustand gemäß Abb. 5, und zwar bei langsamem Abschalten des Feldes, über.

Beispiel 7

Eine bistabile Farbanzeigezelle, die, lichtstreuend in einem Zustand ist und in einem anderen Zustand rotes zirkular polarisiertes Licht reflektiert, wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 29,8 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 2,7 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von 0,41 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
67,8 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
14, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
14,8 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
2,7 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Eine Zelle mit zwei an den Kanten verklebten und durch 8 Mikron starke Abstandsstücke des Typs Mylar voneinander getrennten Glasplatten wurde mit der polymerisierbaren Lösung gefüllt. Zur Bildung von transparenten Elektroden wurden die Glasplatten mit Indium-Zinnoxid überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls wurden die Elektroden mit Polyimid überzogen und gerieben.
Zwecks Polymerisation des Monomers und Phasentrennung des Polymers unter Bildung von Polymerbezirken des Polymernetzwerks durch den gesamten chiralen Flüssigkristall hindurch wurde die gefüllte Zelle 30 Minuten mit UV-Licht bestrahlt. Der Zustand der Zelle wurde mittels der Spannung eines elektrischen Impulses reguliert. Bei Einwirkung eines hohen Wechselstromspannungsimpulses (Vrms = 104 V) war die Zelle optisch klar und für das einfallende Licht durchlässig. Bei Wegnahme der hohen Wechselstromspannung befand sich die Probe im lichtreflektierenden Zustand, wobei die Zelle aufgrund der Ganghöhe des chiralen Flüssigkristalls rot war. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (50 V ≤ Vrms ≤ 85 V) ging die Zelle in den lichtstreuenden Zustand über und bei Wegnahme des niedrigen Spannungsfeldes verblieb die Zelle im lichtstreuenden Zustand. Sowohl beim lichtreflektierenden als auch beim lichtstreuenden Zustand wurde festgestellt, daß sie in feldfreiem Zustand mehrere Monate lang stabil blieben.

Beispiel 8

Es wurde eine Reihe von Testzellen hergestellt, bei denen die Konzentration des chiralen Materials und die Ganghöhe des chiralen nematischen Flüssigkristalls variiert wurden.
Eine bistabile Zelle mit einem blauen lichtreflektierenden Zustand wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 45,3 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 1,5 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem nematischem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,27 Mikron und reflektierte blaues zirkular polarisiertes Licht.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
132,6 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
50, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
59,7 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
3,7 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Zelle wurde wie in Beispiel 7 hergestellt.
Nach der Wegnahme des hohen Spannungsimpulses befand sich die Zelle in einem blauen lichtreflektierenden Zustand.
Eine bistabile Zelle mit einem grünen lichtreflektierenden Zustand wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 39,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 2,0 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt.
Der chirale Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,31 Mikron und reflektierte grünes zirkular polarisiertes Licht.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
85,6 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
27, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
28,0 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
2,9 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator)
Die Zelle wurde wie in Beispiel 7 hergestellt.
Nach Wegnahme des hohen elektrischen Spannungsimpulses befand sich die Zelle in einem grünen lichtreflektierenden Zustand.
Eine weitere bistabile Zelle mit einem roten lichtreflektierenden Zustand wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 30,0 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 1,9 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale Flüssigkristall besitzt eine Ganghöhe von etwa 0,41 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
80,0 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
16, 7 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
17,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
22 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Probezelle wurde wie in Beispiel 7 hergestellt. Nach der Wegnahme des hohen Spannungsimpulses befand sich die Zelle in einem roten lichtreflektierenden Zustand.

Beispiel 9

Eine grüne lichtreflektierende bistabile Zelle mit einem größeren Kontrastgrad zwischen dem lichtreflektierenden und dem lichtstreuenden Zustand wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 39,1 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 2,0 Gew.- % eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Monomer und chiralem nematischem Flüssigkristall, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,31 Mikron und reflektierte grünes zirkular polarisiertes Licht.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
85,6 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
27, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
28,0 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
2,7 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Eine Zelle mit zwei an den Kanten verklebten und durch 8 Mikron starke Abstandsstücke des Typs Mylar voneinander getrennten Glasplatten wurde mit der polymerisierbaren Lösung gefüllt. Zur Bildung von transparenten Elektroden wurden die Glasplatten mit Indium-Zinnoxid überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls wurden die Elektroden mit einer Reibschicht aus Polyimid überzogen.
Zwecks Polymerisation des Monomers und Phasentrennung des Polymers unter Bildung von Polymerbezirken von Polymernetzwerken durch den gesamten chiralen Flüssigkristall hindurch wurde die gefüllte Zelle mit UV-Licht bestrahlt. Während der Bestrahlung der Zelle wurde zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls eine Wechselstromspannung angelegt.
Der Zustand der Zelle wurde mittels der Spannung eines elektrischen Impulses reguliert. Bei Anlegen einer hohen Wechselstromspannung (Vrms = 104 V) war die Zelle optisch klar und bei allen Lichteinfallswinkeln lichtdurchlässig. Bei Wegnahme der hohen Wechselstromspannung befand sich die Probe im lichtreflektierenden Zustand, wobei die Zelle aufgrund der Ganghöhe des chiralen Flüssigkristalls grün war. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung (50 V ≤ Vrms ≤ 85 V) ging die Zelle in den lichtstreuenden Zustand über und bei Wegnahme des niedrigen Spannungsfeldes verblieb die Zelle im lichtstreuenden Zustand. Es wurde festgestellt, daß sowohl der lichtreflektierende als auch der lichtstreuende Zustand stabile Zustände darstellten. Diese Zelle schien einen besseren Kontrast zwischen dem lichtreflektierenden und lichtstreuenden Zustand zu besitzen als die in Beispiel 7 hergestellte Zelle oder die in Beispiel 8 hergestellten Zellen.

Beispiel 10

Anhand einer Testreihe wurde untersucht, wie sich die Polymerkonzentration auf die bistabilen Zellen auswirkt.
Bei einem Test wurde der chirale nematische Flüssigkristall nicht mit Monomer versetzt. Die Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall enthielt 32,4 Gew.-% chirales Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall.
Die Lösung bestand aus:
121,6 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
29,7 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material); sowie
20,5 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material).
Eine Zelle mit zwei an den Kanten verklebten und durch 10 Mikron starke Abstandsstücke des Typs Mylar voneinander getrennten Glasplatten wurde mit der Lösung des chiralen nematischen Flüssigkristalls gefüllt. Zur Bildung von transparenten Elektroden wurden die Glasplatten mit Indium-Zinnoxid überzogen. Zur homogenen Oberflächenausrichtung des Flüssigkristalls wurden die Elektroden mit einer Reibschicht aus Polyimid überzogen.
In feldfreiem Zustand wechselte die Zelle innerhalb einer Zeitspanne von einer Stunde vom lichtstreuenden in den lichtreflektierenden Zustand. Der lichtreflektierende Zustand dieser Zelle war auch nicht einheitlich.
Eine bistabile Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 29,8 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 2,7 Gew.-% eines vernetzenden Monomers, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem nematischem Flüssigkristall und Monomer, hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,41 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
67,8 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
14, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
14,8 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
2,7 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
1,0 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator)
Die Zelle wurde auf die in Beispiel 7 beschriebene Weise hergestellt. Nach Wegnahme des hohen Spannungsimpulses befand sich die Zelle in einem roten lichtreflektierenden Zustand. Die zum Umschalten der Zelle vom lichtreflektierenden in den lichtstreuenden Zustand erforderlichen Spannungen entsprachen denen in Beispiel 7. Der lichtreflektierende und lichtstreuende Zustand besaßen guten Kontrast und beide Zustände waren stabil.
Eine bistabile Zelle wurde unter Verwendung einer Lösung aus chiralem nematischem Flüssigkristall mit 30,3 Gew.-% chiralem Material, bezogen auf das Gesamtgewicht aus chiralem Material und nematischem Flüssigkristall, und 6,9 Gew.-% eines vernetzenden Monomers hergestellt. Der chirale nematische Flüssigkristall besaß eine Ganghöhe von etwa 0,40 Mikron.
Die polymerisierbare Lösung bestand aus:
92,8 mg des nematischen Flüssigkristalls E- 31LV;
20, 0 mg 4"-(2-Methylbutylphenyl)-4'-(2- methylbutyl)-4-biphenylcarboxylat (chirales Material);
20,3 mg 4-Cyano-4'-(2-methylbutyl)-biphenyl (chirales Material);
9,9 mg 4,4'-Bisacryloyl-biphenyl (Monomer);
sowie
0,8 mg Benzoin-methylether (Fotoinitiator).
Die Probezelle wurde auf die in Beispiel 7 beschriebene Weise hergestellt. Die Zelle besaß keinen lichtstreuenden Zustand. Nach Wegnahme eines beliebigen elektrischen Wechselstromspannungsimpulses kehrte die Testzelle in den lichtreflektierenden Zustand zurück. Im lichtreflektierenden Zustand war die Zelle rot.
In der folgenden Tabelle 1 sind beispielhafte Konzentrationsbereiche für das chirale Material und das Polymer sowie Ganghöhen und Antriebsspannungen für jede erfindungsgemäße Ausführungsform zusammengestellt. Tabelle 1
Für den Fachmann sind in Anbetracht der vorstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung eine Vielzahl von Abänderungen und Variationen der Erfindung leicht ersichtlich. Daher ist es möglich, die Erfindung im Rahmen des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche anders durchzuführen als spezifisch gezeigt und beschrieben.
Figur = Abbildung

Claims

1. Lichtsteuerungszelle, bei der ein flüssigkristallines lichtsteuerndes Material aus einem chiralen nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie und phasengetrennten Polymerbezirken zwischen Zellwänden enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polymer und Flüssigkristall, vorliegt, der Flüssigkristall ein chirales Material in einer Menge enthält, die die Bildung einer fokal konischen Textur mit einer zur Reflexion des Lichts im Infrarotspektrum wirkungsvollen Ganghöhe bewirkt, die Struktur der Zellwände einer Behandlung unterzogen wird, durch die die Flüssigkristallmoleküle ausgerichtet werden und die Zellwandstruktur mit dem Flüssigkristall so in Wechselwirkung tritt, daß in Abwesenheit eines Feldes eine stabile fokal konische Textur gebildet wird und der Flüssigkristall bei Anlegen eines Feldes seine Textur ändern kann, und die Bildung der phasengetrennten Bezirke bei Vorliegen eines zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls wirkungsvollen Feldes erfolgt, so daß ein Teil des Flüssigkristalls in der Nähe der Bezirke in Abwesenheit eines Feldes durch eine bevorzugte homöotrope Ausrichtung gekennzeichnet ist, wobei das entstehende Material in Abwesenheit eines Feldes durch eine lichtstreuende fokal konische Textur und bei eingeschaltetem Feld durch eine optisch klare homöotrope Ausrichtung gekennzeichnet ist.

2. Lichtsteuerungszelle, bei der ein flüssigkristallines lichtsteuerndes Material aus einem chiralen nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie und phasengetrennten Polymerbezirken zwischen Zellwänden enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polymer und Flüssigkristall, vorliegt, der Flüssigkristall ein chirales Material in einer Menge enthält, die die Bildung von verdrillt planaren Texturen mit einer zur Reflexion des Lichts im Infrarotspektrum wirkungsvollen Ganghöhe bewirkt, die Struktur der Zellwände einer Behandlung unterzogen wird, durch die der Flüssigkristall ausgerichtet wird, wodurch in Abwesenheit eines Feldes eine Stabilisierung der verdrillt planaren Texturen erfolgt und der Flüssigkristall bei Anlegen eines Feldes seine Textur ändern kann, wobei das Flüssigkristallmaterial in Abwesenheit eines Feldes durch eine optisch klare verdrillt planare Textur und bei eingeschaltetem Feld durch eine lichtstreuende fokal konische Textur gekennzeichnet ist.

3. Lichtsteuerungszelle, bei der ein flüssigkristallines Material aus einem Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie und phasengetrennten Polymerbezirken zwischen Zellwänden enthalten ist und die ein Mittel zur Ansteuerung des Flüssigkristallmaterials enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polymer und Flüssigkristall, vorliegt, es sich bei dem Flüssigkristall um einen chiralen nematischen Flüssigkristall mit einer zur Reflexion des Lichts im sichtbaren Spektrum wirkungsvollen Ganghöhe handelt, die Struktur der Zellwände einer Behandlung unterzogen wird, durch die der Flüssigkristall ausgerichtet wird und die Zellwandstruktur mit dem Flüssigkristall so in Wechselwirkung tritt, daß eine fokal konische Textur und eine verdrillt planare Textur gebildet werden, die in Abwesenheit eines Feldes stabil sind, und das Mittel zur Ansteuerung des lichtsteuernden Materials zur selektiven Erzeugung eines ersten Spannungsimpulses in einer zur Umwandlung mindestens eines Teils des Flüssigkristalls von einer fokal konischen zu einer lichtreflektierenden verdrillt planaren Textur wirkungsvollen Höhe und eines zweiten Spannungsimpulses in einer zur Umwandlung mindestens eines Teils des Flüssigkristalls von einer lichtreflektierenden verdrillt planaren Textur zu einer fokal konischen Textur geeignet ist.

4. Zelle nach Anspruch 3, wobei der Flüssigkristall nach plötzlicher Wegnahme eines zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls wirkungsvollen Spannungsimpulses eine stabile lichtreflektierende verdrillt planare Textur und nach Wegnahme eines niedrigeren als des zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls notwendigen Spannungsimpulses eine stabile lichtstreuende fokal konische Textur aufweist.

5. Zelle nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das Ansteuermittel zur Erzeugung eines Wechselstrom- Spannungsimpulses geeignet ist.

6. Lichtsteuerungsverfahren, bei dem man eine Zelle bereitstellt, bei der ein flüssigkristallines Material aus einem Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie und phasengetrennten Polymerbezirken zwischen Zellwänden enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer in einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polymer und Flüssigkristall, vorliegt, es sich bei dem Flüssigkristall um einen chiralen nematischen Flüssigkristall mit einer zur Reflexion des Lichts im sichtbaren Spektrum wirkungsvollen Ganghöhe handelt, die Struktur der Zellwände einer Behandlung unterzogen wird, durch die der Flüssigkristall ausgerichtet wird und die Zellwandstruktur mit dem Flüssigkristall so in Wechselwirkung tritt, daß eine fokal konische Textur und eine verdrillt planare Textur gebildet werden, die in Abwesenheit eines Feldes stabil sind, wobei man bei dem Verfahren weiterhin auf dieses Material selektiv einen oder mehrere Spannungsimpulse in einer zur Umwandlung mindestens eines Teils des Flüssigkristalls von einer fokal konischen zu einer lichtreflektierenden verdrillt planaren Textur oder zur Umwandlung mindestens eines Teils des Flüssigkristalls von einer lichtreflektierenden verdrillt planaren Textur zu einer fokal konischen Textur wirkungsvollen Höhe einwirken läßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man das Material nach plötzlicher Wegnahme eines zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls wirkungsvollen Spannungsimpulses selektiv auf eine lichtreflektierende verdrillt planare Textur und nach Wegnahme eines niedrigeren als des zur homöotropen Ausrichtung des Flüssigkristalls notwendigen Spannungsimpulses auf eine lichtstreuende fokal konische Textur umschaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei es sich bei dem Spannungsimpuls um einen Wechselstrom- Rechteckimpuls handelt.