DE69403040T2 - Flüssigkristalle-Vorrichtungen - Google Patents
Flüssigkristalle-VorrichtungenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die flüssigkristalline oligomere Siloxanmaterialien enthalten.
- Polymere Flüssigkristalle die aus einem Siloxangerüst und einem mesogenen Anteil bestehen, sind bekannt, siehe z.B. EP-A 029 162, in der die Herstellung solcher Polymere offenbart wird durch Addition eines Polysiloxans mit siliciumgebundenen Wasserstoffatomen an vinylsubstituierte mesogene Moleküle. Kürzlich wurden chirale smektische Flüssigkristallmaterialien mit ferroelektrischen Eigenschaften beschrieben. siehe z.B. JP 01144491, die Materialien offenbart, die
- enthalten, worin Me einen Methylrest bedeutet, R eine optisch aktive Alkyl- oder Aralkylgruppe bedeutet. m 0 bis 5 ist und n 2 bis 10 ist.
- Wünschenswerte Eigenschaften für ferroelektrische Flüssigkristalle schließen eine geringe Viskosität und einen relativ hohen Neigungswinkel, der im wesentlichen auch temperaturunabhängig ist, ein. Geringe Viskositäten sind verbunden mit verringerten Ansprechzeiten und sind vorteilhaft, wenn ein Farbstoff in das Flüssigkristallmaterial eingearbeitet werden soll. Ein hoher Neigungswinkel ist vorteilhaft im Hinblick auf die elektrooptischen Eigenschaften des Flüssigkristalls. In einer Vorrichtung, die auf Doppelbrechungswirkungen basiert, ist der Neigungswinkel normalenveise 22,5º, wohingegen bei Vorrichtungen, die die Einarbeitung von Farbstoffen erfordern, ein größerer Winkel für einen guten optischen Kontrast notwendig ist. Messungen des Neigungswinkels von Flüssigkristallmaterialien der in JP 01144491 offenbarten Art haben nicht nur eine Variation von Polymer zu Polymer gezeigt, sondern auch eine Verringerung des Neigungswinkels mit steigender Temperatur.
- Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß eine bestimmte eng definierte Gruppe von oligomeren flüssigkristallinen Materialien in Form von reinen Verbindungen oder in Mischungen existiert, die relativ große Neigungswinkel aufweisen und daß diese Winkel im wesentlichen temperaturunabhängig sind über einen breiten Temperaturbereich unter Einschluß der Umgebungstemperatur.
- Somit liefert die Erfindung eine Flüssigkristallvorrichtung, worin das Flüssigkristallmaterial eine siloxanhaltige Verbindung der allgemeinen Formel
- ist. worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder die Gruppe
- bedeutet, worin jeder Rest R' eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeutet, T
- ist, X eine Alkyl- oder halogensubstituierte Alkylgruppe mit mindestens einem chiralen Zentrum ist, Y ein Fluoratom bedeutet, m einen Wert von 0, 1 oder 2 hat und n einen Wert von 10, 11 oder 12 hat.
- In der allgemeinen Formel des erfindungsgemäß angewendeten Flüssigkristallmaterials bedeutet R eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, z.B. eine Methyl-, Propyl-, Hexyl- oder Decylgruppe und jeder Rest R' kann ein Methyl-, Ethyl-, Propyl- oder Butylrest sein. Bevorzugt ist R' ein Methylrest. Die Gruppe X kann z.B. -CH(CH&sub3;)-C&sub2;H&sub5;, -CHClCH(CH&sub3;)C&sub2;H&sub5; oder -CHClCH(CH&sub3;)CH&sub3; sein. Die bevorzugten Verbindungen sind die, bei denen der Wert für n 11 ist. Es wird angenommen, daß diese bevorzugten Verbindungen neu sind und diese liegen daher selbst im Schutzbereich der Erfindung.
- Die erfindungsgemäß angewendeten Flüssigkristallmaterialien können hergestellt werden durch Addition des geeigneten ungesättigten Mesogens
- an das Disiloxan RR'&sub2;SiOSi(R')&sub2;H. Die Addition kann durchgeführt werden unter Anwendung üblicher Hydrosilylierungstechniken, z.B. in Gegenwart eincs Platinkatalysators.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann irgendeine Vorrichtung sein, die für ihren Betrieb smektisches oder ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial benötigt. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in Figur 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt, die ein schematischer Querschnitt ist. Das siloxanhaltige Kristallmaterial (17) wird zwischen einem Paar von Substraten (10) angeordnet, die aus Glas oder einem geeigneten Polymer hergestellt sein können. Die inneren Oberflächen sind mit einem transparenten leitenden Film (12, 13) aus Indiumzinnoxid und einem Abgleichmittel oder Nivellierungsmittel (14, 15) beschichtet. Solche die Oberfläche nivellierenden Mittel sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Abstandshalter (16) definieren die Filmdicke zwischen 1 und 100 µm und sie können polymere Filme, Photoätzungen oder Glasfaserkugeln sein. Der leitende Film kann die gesamte innere Oberfläche des Substrats bedecken oder kann in einem geeigneten Muster geätzt sein, z.B. eine Punktmatrix oder ein Display mit sieben Segmenten. Bereiche des Films können dann durch elektrische Felder angesprochen werden, um die Information nach Bedarf anzuzeigen. Diese Felder können extern an Elektroden angelegt werden unter Venvendung geeigneter Wellenformen oder intern unter Verwendung von Dünnfilmtransistorvorrichtungen. In gleicher Weise können magnetische Felder oder ein thermisches Ansprechen unter Verwendung einer in geeigneter Weise fokussierten Lichtquelle, einschließlich einem Laser, verwendet werden, um das Aussehen der Vorrichtung zu verändern. Eine geeignete Optik und ein Strahlleitsystem können verwendet werden, um den Brennpunkt rund um die verschiedenen Bereiche des Films zu bewegen, um Information darauf zu schreiben. Polarisierende Filme (19, 20) können, falls erforderlich, eingearbeitet werden um die Information zu betrachten.
- Die chirale smektische Struktur der erfindungsgemäß angewendeten Flüssigkristallmaterialien und nicht racemische Mischungen, die sie enthalten, haben ferroelektrische Eigenschaften. Wenn diese Materialien in einer Vorrichtung der in Figur 1 beschriebenen Art enthalten sind, können schnelle elektrooptische Schaltungen in einem Zeitbereich von Mikrosekunden bis Millisekunden erzeugt werden. In dieser Phase sind die blättchenartigen Schichten senkrecht zu dem Substrat ausgerichtet, sodaß bei Anlegung eines äußeren Feldes die Moleküle von einem Neigungswinkel bei +θ zu dem bei -θ umschalten, wie in der Literatur beschrieben. Die freie planare Ausrichtung in dem Aufangsfeld, in dem sich die Moleküle durchschnittlich parallel zu dem Substrat ausrichten, wird erreicht unter Verwendung einer Polymerabgleichschicht. Die Polarisatoren werden kreuzweise zueinander ausgerichtet, wobei die Polarisationsrichtung eines Polarisators entweder parallel zu +θ oder -θ ausgerichtet ist. Bei Anlegen des Feldes schaltet das Material in den entgegengesetzten θ-Zustand um und die Vorrichtung läßt Licht durch aufgrund der Doppelbrechung der siloxanhaltigen Flüssigkristallmaterialien. Wenn das elektrische Feld weggenommen wird, bleibt die Ausrichtung erhalten.
- Chirale oder nichtchirale pleochrome Farbstoffe können in das Flüssigkristallmaterial eingearbeitet werden, wodurch nur ein Polarisator notwendig sein kann. Der Farbstoff richtet sich in der gleichen Richtung aus, wie die Flüssigkristallmoleküle bei + oder -θ. Somit absorbiert in einem Ausrichtungszustand, z.B. +θ, der Farbstoff das polarisierte Licht, während in dem anderen Ausrichtungszustand. z.B. -θ, die Absorption sehr stark vermindert ist. Somit kann gefärbtes chirales smektisches Material für Farbumschaltungen verwendet werden.
- In einer weiteren Ausführungsform können zwei gefärbte Vorrichtungen in Kombination verwendet werden, um eine Farbveränderung zu ergeben, die keine äußeren Polarisatoren erfordert. Praktisch jede Kombination von Farben kann erreicht werden und die gefärbten Vorrichtungen dienen als umschaltbare Polarisatoren. Die umgeschalteten Zustände sind stabil.
- In einer weiteren Ausführungsform kann der Farbstoff absorbierend oder fluoreszierend sein, was zu einem hellen Display führt, wobei ein oder kein Polarisator verwendet wird. In der Polarisationsrichtung, die parallel zur Absorptionsrichtung ausgerichtet ist, z.B. +θ, ist die Fluoreszenz hell, wohingegen in der Absorptionsrichtung, die nicht parallel zur Polarisationsrichtung ist, die Absorption und damit die Fluoreszenz vermindert ist. Dies ergibt eine optisch gefärbte Schaltung, die schnell und hell ist und bei der die Schaltzustände stabil sind. Der Eingabepolarisator kann auf gleiche Weise durch einen umschaltbaren Polarisator der oben beschriebenen Art ersetzt werden.
- Nahe dem Übergang der chiralen smektischen A-Phase in die chirale smektische C-Phase wurde gefunden, daß die flüssigkristallinen Materialien, die erfindungsgemäß angewendet werden, in einer Art umschalten, die als elektroklinisch bekannt ist. Bei dieser Art wird ein Neigungswinkel induziert, der proportional dem angelegten Feld ist, was die Verwendung in schnellen Modulatoren oder Vorrichtungen mit Grauskala zuläßt. Diese elektroklinische Umschaltung ist schnell, abhängig von dem angelegten Feld, aber nicht bistabil. Die Wirkung kann verbessert werden durch Verwendung von dichroiden oder fluoreszierenden Farbstoffen.
- Die Verbindung
- wurde in der chiralen (C*)-Form hergestellt durch Addition von Pentamethyldisiloxan an 4-[(S)-2-Methylbutanoyloxy]phenyl-4'-(9-decenyloxy)benzoat in Gegenwart eines Komplexes aus Chlorplatinsäure und Divinyltetramethyldisiloxan als Katalysator.
- Die elektrooptischen Eigenschaften, der Neigungswinkel (θ), die spontane Polarisierung (Ps) und die Ansprechzeit (T) wurden gemessen in Zellen mit Abstandshaltern mit 3 µm mit aufgeriebenen Polyimidnivellierungsschichten, die auf Indiumzinnoxid-Elektroden (5 mm x 5 mm) abgeschieden wurden. Die Zelle wurde mit 1ºC pro Minute in Gegenwart eines Feldes von 5 Vµm&supmin;¹ AC bei 100 Hz gekühlt, was eine gute planare gleichmäßige Ausrichtung der Flüssigkristallverbindung ergab. Die nivellierte Zelle zeigte ein gutes optisches Umschalten in Gegenwart von gepulsten DC-Feldern mit umgekehrter Polarität.
- Die Neigungswinkel wurden gemessen als Funktion der Temperatur für ein angelegtes kontinuierliches Rechteckwellenfeld von 10 Vµm&supmin;¹ bei 0,1 Hz und bei einer Sondenwellenlänge von 632,8 mm. Die Ergebnisse sind in Figur 2 gezeigt, aus der zu ersehen ist, daß der Neigungswinkel praktisch unabhängig von der Temperatur bei einem Wert von ungefähr 36ºC ist.
- Die spontane Polarisierung wurde gemessen über die Strompulstechnik unter Anwendung einer angelegten Dreieckswelle mit einem Peakfeld von 10 Vµm&supmin;¹. Der Ps-Wert bei 25ºC war 17nCcm&supmin;².
- Bei 20ºC war das Ansprechvermögen der Rechteckwelle auf 10 Vµm&supmin;¹ ungefähr 210 µs.
Claims (5)
1. Eine Flüssigkristallvorrichtung, in der das Flüssigkristallmaterial eine siloxanhaltige Verbindung der
allgemeinen Formel
ist, worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder die Gruppe
bedeutet, worin jeder Rest R' eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeutet, T
ist, X eine Alkyl- oder halogensubstituierte Alkylgruppe mit mindestens einem chiralen Zentrum bedeutet, Y ein
Fluoratom bedeutet, m einen Wert von 0.1 oder 2 hat und n einen Wert von 10, 11 oder 12 hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rest R' ein Methylrest ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, däß R eine Alkylgruppe mit 1
bis 6 Kohlenstoffatomen bedeutet.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß n 11 ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Paar von
Substraten umfaßt, wobei das Flüssigkristallmaterial zwischen den Substraten angeordnet ist.
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