NL8901481A - Passieve ferro-elektrisch vloeibaar kristal weergeefinrichting en werkwijze ter vervaardiging daarvan. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Passieve ferro-elektrisch vloeibaar kristal weergeefinrichting en werkwijze ter vervaardiging daarvan.

De uitvinding betreft een vloeibaar kristalinrichting bevattende een ferro-elektrisch vloeibaar kristal medium tussen twee steunplaten voorzien van elektroden waarbij de lichtdoorlatendheid van de inrichting instelbaar is.

Een dergelijke inrichting is bijvoorbeeld geschikt als lichtsluiter,

De uitvinding betreft daarnaast een weergeefinrichting bevattende een ferro-elektrisch vloeibaar kristallijn medium tussen twee steunplaten waarvan de eerste een stel van rijelektroden bevat en de tweede een stelsel van kolomelektroden bevat die ter plaatse van de kruispunten van rij- en kolomelektroden weergeefelementen bepalen.

Een dergelijke inrichting is geschikt voor passief aangestuurde matrices met grote aantallen lijnen. Doordat toch het contrast behouden blijft, is de inrichting zeer geschikt voor LCD-TV, maar ook voor datagrafische toepassingen.

Een dergelijke weergeefinrichting is beschreven in EP 0 214 857. Daarin worden gewenste transmissietoestanden (grijsschalen) verkregen door afhankelijk van de gewenste transmissiewaarde een weergeefelement in n opeenvolgende rasters gedurende een gewogen tijdsduur aan te zetten. Dit houdt in dat een beeldgeheugen noodzakelijk is en met name bij videotoepassingen het ferro-elektrisch vloeibaar kristallijn medium n maal zo snel moet schakelen. Bovendien is gedurende het tweede en volgende van de geselecteerde rasters het weergeefelement nooit volledig aan hetgeen tot helderheidsverlies leidt.

De uitvinding stelt zich onder meer ten doel deze bezwaren op te heffen door een weergeefinrichting te verschaffen waarbij met eenvoudig te realiseren signalen op zowel rij- als kolomelektroden grijsschalen kunnen worden gerealiseerd, terwijl de dataspanningen op de kolomelektroden zodanig laag kunnen worden gehouden dat eventuele overspraak de elektro-optische transmissiewaarde (grijsschaal) van het weergeefmedium niet of nauwelijks beïnvloedt. Daarnaast stelt, zij zich ten doel een weergeefinrichting te verschaffen waarin het gebruik van beeldgeheugens niet nodig is, terwijl minder helderheidsverlies optreedt.

Meer in het algemeen stelt zij zich ten doel een ferro-elektrische vloeibaarkristalinrichting met een slappe transmissie-spanningskarkateristiek te verschaffen.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat de drempelspanning in de transmissie-spanningskarakteristiek mede wordt bepaald door de hoek van de smectische lagen van de ferro-elektrische moleculen ten opzichte van de steunplaten.

Daarnaast berust zij op het inzicht dat het met name in een weergeefinrichting mogelijk is voor een gegeven pulsbreedte (bijvoorbeeld gelijk aan een lijntijd of een gedeelte daarvan) de transmissie-spanningskarakteristiek een relatief groot overgangsgebied te verschaffen. Het gebruikte gebied van dataspanningen kan hierbij praktisch tot de breedte van dit overgangsgebied beperkt blijven.

Een vloeibaar kristalinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat gezien over het oppervlak van de inrichting de hoek van de smectische lagen van de ferro-elektrische moleculen ten opzichte van tenminste een van de steunplaten een spreiding vertoont.

In een weergeefinrichting volgens de uitvinding vertoont ten minste ter plaatse van een beeldelement bepalende deel van een rijelektrode of van een kolomelektrode, gezien over het beeld bepalende deel, de hoek van de smectische lagen van de ferro-elektrische vloeibaar kristal moleculen ten opzichte van tenminste een van de steunplaten een spreiding.

Door de spreiding in deze hoek die bij voorkeur uniform verdeeld is, treedt op microschaal gezien over het beeldelement een uniforme verdeling op in drempelspanningen van locale transmissie-spanningskarakteristieken, die op macroschaal gezien tot uiting komt in een transmissie-spanningskarakteristiek met slappe helling, waarvan het overgangsgebied een breedte heeft van tenminste 0,5 Volt. Onder de breedte van het overgangsgebied wordt dat spanningsgebied verstaan waarbinnen de transmissie van 10% tot 90% van zijn maximale waarde oploopt, respectievelijk afneemt.

De spreiding op microschaal kan verkregen worden door een spreiding in oppervlakteruwheid. Hierbij kan de aanwezigheid van afstandbepalende deeltjes (spacers) een rol spelen. Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding heeft dan ook het kenmerk dat deze tenminste 10 afstandbepalende deeltjes per beeldelement bevat.

Meer algemeen blijkt, dat het ontstaan van gebiedjes met een hogere drempelspanning (en daardoor de genoemde spreiding van de drempelspanning over verschillende gebiedjes) vaak gerelateerd is aan het optreden van zogenaamde "naalddefecten". Ter plaatse van deze naalddefecten (die behalve door spacerbollen bijvoorbeeld geïntroduceerd worden door snelle afkoeling van het vloeibaar kristalmateriaal of door een wrijfbehandeling van het oriënterend oppervlak) ontstaan door een behandeling in een elektrisch veld met hoge veldsterkte de gebiedjes met verschillende drempelspanning. De lengte van de naalddefecten, die de transmissiespanningskarakteristiek nadelig kunnen beïnvloeden, kan worden verminderd door een behandeling in een elektrisch veld met lage veldsterkte.

Bij het vervaardigen van een inrichting volgens de uitvinding wordt deze dan ook aan tenminste een of meer laagfrequent elektrisch veld behandelingen bij lage veldsterkte onderworpen.

Onder laagfrequent wordt in dit verband verstaan, een frequentie van 0,1-200 Hz. De duur van de behandeling is in de orde van 0,5-2 minuten en evenals de veldsterkte mede afhankelijk van het gebruikte vloeibaar kristal materiaal.

De betreffende spreiding kan ook worden verkregen door de beeldelementen na het vullen tijdens het doorlopen van het traject smectisch A-smectisch C locaal een thermische behandeling (bijvoorbeeld laserbestraling) te doen ondergaan.

De spreiding kan ook langs mechanische, chemische, magnetische weg of anderszins worden verkregen; hierbij kan het voordelig zijn de inrichting een voorbehandeling te geven die inhomogeniteiten introduceert.

Om in de aldus verkregen inrichting tijdens gebruik de invloed van vorige beeldinhouden zoveel mogelijk te beperken, wordt de inrichting bij voorkeur zodanig ingericht, dat een gewenste transmissietoestand tijdens lijnselectie wordt bereikt vanuit een uiterste transmissietoestand.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de tekening, waarin figuur 1 schematisch in doorsnede een deel van een inrichting volgens de uitvinding toont, figuur 2 de bij twee uiterste posities in figuur 1 behorende molecuulstanden weergeeft, terwijl figuur 3 schematisch een beeldelement van de inrichting toont en figuur 4 de bij deelelementen van figuur 3 behorende transmissiespanningskarakteristieken toont alsmede de transmissiespanningskarakteristiek van het gehele beeldelement.

Figuur 1 toont schematisch een gedeelte van een oppervlakte-gestabiliseerde ferro-elektrische weergeefinrichting 1 volgens de uitvinding. Op de beide steunplaten 2 en 3, van bijvoorbeeld glas of kwarts, zijn niet getekende rij- en kolomelektroden of andere elektroden aangebracht van geleidende materialen zoals bijvoorbeeld indium-tin-oxyde (ITO). Voorts is de inrichting voorzien van niet getekende polarisatoren.

Een optimaal schakeleffect tussen een lichtdoorlatende en een lichtabsorberende toestand wordt verkregen als in beide toestanden de vloeibaar kristal moleculen als het ware in evenwijdige lagen 6 loodrecht op de steunplaten (zogenaamde "bookshelf-geometrie") liggen (situatie a in figuur 1). Een dergelijke "surface-stabilized" ferro-elektrisch vloeibaar kristal inrichting kan worden verkregen bij geringe dikte van de laag van vloeibaar kristal materiaal 5 en geschikte oriëntatielagen 4 op de steunplaten 2 en 3. De oriëntatielagen 4 van bijvoorbeeld polyimide , polyamide of polyvinylalcohol worden hiertoe aan een geschikte wrijfbehandeling onderworpen, waarna het vloeibaar kristal materiaal (in dit voorbeeld ZLI 3654 van de firma Merck) in de isotrope fase in de weergeefinrichting wordt gebracht waarna deze langzaam wordt afgekoeld via de nematische fase en de smectische A-fase naar de smectische C-fase. Na afkoeling hebben de lagen 6 in een inrichting volgens de uitvinding niet de volledig loodrechte structuur, maar bezitten ten gevolge van interacties van de vloeibaar kristalmoleculen met de oriënterende lagen 4 een geknikte of “chevron" structuur. Deze lagen 6', 6" en 6 maken ter plaatse van de steunplaten 2, 3 een hoek δ ten opzichte van de normaal op de steunplaten 2 en 3.

De moleculen van het ferro-elektrisch materiaal waarvan de directoren zich in principe bewegen langs het oppervlak van een conus met zijn as loodrecht op de lagen 6, worden afhankelijk van de hoek δ in een oppervlakte-gestabiliseerde structuur verschillend gericht langs de oriënterende laag 4. Dit wordt nader verklaard aan de hand van figuur 2 waar een verankering van de vloeibaar kristal moleculen wordt gegeven voor een laag 6 (5=0) met alle moleculen in een laag loodrecht op de steunplaat 3 en voor een laag 6' die zodanig gericht is dat de as van de conus waarlangs de moleculen zich kunnen bewegen een hoek δ maakt ten opzichte van de steunplaat 3. Door de werking van de oriënterende laag 4 zijn in de beide situaties de mogelijke posities van de moleculen (director) op de conus beperkt tot de standen (a) en (b) in de laag 6, respectievelijk (a') en (b’) in laag 6'. Optisch gezien betekent dit dat de beide toestanden verschillende schakelhoeken 2Θ1 en 202 bezitten. Bij schakelen tussen twee optische toestanden klappen de directoren om, bijvoorbeeld van positie a (a') naar positie b (br)

De hoek Θ kan optisch worden bepaald door in transmissie de waarde van 0p voor minimale intensiteit te bepalen.

(0p: hoek van één van beide onderling loodrechte polarisatoren ten opzichte van de wrijfrichting). In dat geval is θ = 0p.

In een meetopstelling werden gebiedjes in een oppervlakte-gestabiliseerde ferro-elektrische weergeefinrichting met verschillende hoeken 0 (ofwel verschillende hoeken δ) onderling vergeleken ten aanzien van hun schakelgedrag. Voor meetgebiedjes met een oppervlakte van ca. 1 9 pm werden onder meer de schakelenden, de optische schakelhoeken en de transmissiespanningskarakteristieken gemeten. Bij verkleining van de hoek δ (ofwel vergroten van de hoek 0) werd bij vaste pulsamplitude een langere schakeltijd gevonden, hetgeen mogelijk te verklaren is doordat de director tijdens het schakelen een langere weg over de schakelconus, zoals weergegeven in figuur 2, moet afleggen. Ook de koppeling van het elektrisch veld en de permanente polarisatie van de director speelt hierbij mogelijk een rol. Anderzijds ging verkleining van de hoek δ bij meting met een vaste pulsduur gepaard met een verhoging van de drempelspanning.

Figuur 3 geeft al dan niet gedeeltelijk een beeldelement 7 weer dat is opgedeeld in deelgebieden 8a.., 8b.., 8c.., 8d.. waarbij de waarden van de hoek δ afneemt van 8a tot 8d. De deelgebieden kunnen op verschillende wijzen onderling gerangschikt zijn zoals weergegeven in de figuren 3a en 3b. Een meer willekeurige verdeling is ook mogelijk.

Figuur 4 toont de bij de deelgebieden 8a, 8b, 8d, 3d behorende, bij vaste pulsduur gemeten, transmissiespannings-karakteristieken 9a, 9b, 9c, 9d alsmede de bij het totale gebied behorende transmissiespanningskarakteristiek 10.

Uit de figuur blijkt dat het verdelen over een beeldelement van deelgebieden met steile transmissiespannings-karakteristieken en verschillende drempelspanningen leidt tot een transmissiespanningskarakteristiek voor het gehele beeldelement met een breed overgangsgebied (een minder steile helling), hetgeen de mogelijkheid opent voor het instellen van grijsschalen. De kromme 10 valt te verklaren uit het feit, dat bij een uniforme verdeling van de deelgebieden 8 bij toenemende spanning eerst de gebiedjes met een lage drempelspanning schakelen, daarna die met een iets hogere enz. De breedte van de transmissiespanningskarakteristiek 10 kan hierdoor worden ingesteld op een waarde van ca. 0,5-10 Volt. Om hierbij zo min mogelijk de nadelige invloed van vorige beeldinhouden te ondervinden, wordt een beeldelement voor aansturing in een uiterste toestand gebracht, zoals nader omschreven in NL-A-870340 (PHN 12.352).

De variatie in de hoek δ (ofwel in de tophoek van de "chevron") kan op verschillende wijze worden verkregen. Bij het afkoelen van het ferro-elektrisch vloeibaar kristal materiaal uit de isotrope fase naar de smectisch-C fase ontstaan doorgaans zogenaamde naaldvormige defecten. Deze naalddefecten ontstaan in het algemeen ter plaatse van inhomogeniteiten zoals bijvoorbeeld spacerbolletjes en zijn vergelijkbaar met zogenaamde "zig-zag-defecten", waarbij de hoek δ binnen het defect tegengesteld is aan die daarbuiten.

Door middel van een elektrische spanningsbehandeling met lage frequentie, in het onderhavige voorbeeld een blokspanning + 2 V, 20 Hz, gedurende 2 minuten krimpen deze naaldvormige defecten in tot minimale afmetingen (< 10 pm). Bij een volgende behandeling met een hogere spanning (± 10 V, 20 Hz, 1 minuut) beginnen gebiedjes met verschillende δ toe te nemen, meestal beginnend bij een van de restanten van de naalddefecten. Een uniforme verdeling van dergelijke gebiedjes kan dus verkregen worden door het aantal naalddefecten te verhogen, bijvoorbeeld door een groot aantal spacerbolletjes (> 10 per beeldelement), versneld afkoelen of een speciale wrijfbehandeling (met name een wrijfbehandeling met lage wrijfarbeid).

Het blijkt dat een grotere spreiding in de drempelspanningen van de gebiedjes en daarmee een slappe transmissiespanningskarakteristiek van de inrichting verkregen kan worden door de inrichtingen hierna te onderwerpen aan behandelingen met toenemende elektrische spanning bijvoorbeeld eerst + 12,5 V, + 15 V, ± 17,5 V, + 20 V alle bij 20 Hz en gedurende 1 minuut. Door variatie van deze procesparameters (spanningsverloop, frequentie, etc.) kunnen, afhankelijk van het ferro-elektrisch materiaal en de dikte van het vloeibaar kristal (hier ca. 1,6 pm) de drempelspanning en de steilheid van de transmissie-spanningskarakteristiek ingesteld worden.

De spreiding in de drempelspanning kan ook geïntroduceerd worden door de inrichting eerst een laagfrequente wisselspanningsbehandeling te geven met een vrij hoge spanning (in het voorbeeld van ZLI 3654 bijvoorbeeld ± 15 V, 20 Hz, gedurende 1 minuut) waardoor veel extra gebiedjes met variërende δ ontstaan op de zijden van de naalddefecten en daarna de nog steeds aanwezige naalddefecten weer grotendeels te reduceren met een behandeling bij lage elektrische spanning (+ 2 V, 20 Hz, 2 minuten). Hierbij ontstaat weer een zodanige verdeling over een beeldelement van gebiedjes met verschillende δ, dat een slappe transmissiespanningscurve wordt verkregen.

De variatie in de hoek δ kan ook verkregen worden door tijdens het wrijven van de oriëntatielaag 4, de wrijfdruk te variëren of een spreiding in de wrijfarbeid toe te passen.

Ook kan de oriëntatielaag 4 bijvoorbeeld uit niet volledig mengbare polymeersoorten worden samengesteld of kunnen bepaalde reacties (bijvoorbeeld uitharden van de oriëntatielaag) langs chemische of thermische weg of via bestraling op verschillende wijzen worden beïnvloed.

Daarnaast kan gedacht worden aan een combinatie van een elektrisch veld behandeling met een chemische behandeling van het. vloeibaar kristal materiaal waardoor deze variatie kan worden verkregen, met name behandelingen die de viscositeit de elastische constanten en/of de spontane polarisatie beïnvloeden.

Ook kan gedacht worden aan een elektrische, magnetische of mechanische behandeling, waardoor deformatie van de smectische lagen optreedt of een thermische behandeling bestaande uit het tijdelijk opwarmen of afkoelen van de deelgebieden dan wel het aanbrengen van een thermische gradiënt.

Ook een combinatie van de genoemde methoden is mogelijk.

In plaats van in een matrix-georiënteerde weergeefinrichting kan een inrichting volgens de uitvinding ook in andere toepassingen worden gebruikt waar een slappe transmissie-spanningscurve gewenst is, bijvoorbeeld in dashboard-weergeefinrichtingen.

Claims (15)

1. Vloeibaar kristalinrichting bevattende een ferro-elektrisch vloeibaar kristal medium tussen twee steunplaten voorzien van elektroden waarbij de lichtdoorlatendheid van de vloeibaar kristalinrichting instelbaar is, met het kenmerk, dat gezien over het oppervlak van de inrichting de hoek van de smectische lagen van de ferro-elektrische vloeibaar kristalmoleculen ten opzichte van tenminste een van de steunplaten een spreiding vertoont.

2. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, bevattende een ferro-elektrisch vloeibaar kristallijn medium tussen twee steunplaten waarvan de eerste een stelsel van rijelektroden bevat en de tweede een stelsel van kolomelektroden bevat die ter plaatse van de kruispunten var» rij- en kolomelektroden weergeefelementen bepalen, met het kenmerk, dat tenminste ter plaatse van een beeldelement bepalende deel van een rijelektrode of van een kolomelektrode gezien over het beeldelement bepalende deel de hoek van de smectische lagen van de ferro-elektrische vloeibaar kristalmoleculen ten opzichte van tenminste een van de steunplaten een spreiding vertoont.

3. Weergeefinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de transmissiespanningskarakteristiek, gezien over het oppervlak van de inrichting of over het beeldelement, een spreiding in de drempelspanning vertoont.

4. Weergeefinrichting volgens een der conclusies 2 of 3, met het kenmerk, dat de spreiding praktisch uniform is.

5. Weergeefinrichting volgens een der conclusies 2 t/m 4, met het kenmerk, dat een van de elektroden of de rij- of kolomelektrode ter plaatse van het beeldelement een spreiding in oppervlakteruwheid bezit.

6. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de breedte van de overgang in de tranmissie-spanningskarakteristiek tenminste 0,5 Volt bedraagt.

7. Weergeefinrichting volgens één der conclusies 2 tot en met 6, met het kenmerk, dat de inrichting tenminste 10 afstandbepalende deeltjes per beeldelement bevat.

8. Weergeefinrichting volgens één der conclusies 2 t/m 7, met het kenmerk, dat tijdens selectie een gewenste transmissietoestand vanuit een uiterste transmissietoestand wordt bereikt.

9. Werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat de inrichting aan tenminste een laagfrequent elektrisch veld behandeling bij lage veldsterkte wordt onderworpen.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de inrichting na de laagfrequente elektrisch veldbehandeling bij lage veldsterkte aan tenminste een laagfrequente behandeling bij hoge veldsterkte wordt onderworpen.

11. Werkwijze volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat de inrichting aan meerdere laagfrequente behandelingen met toenemende veldsterkte wordt onderworpen.

12. Werkwijze volgens conclusie 9, 10 of 11, met het kenmerk, dat de inrichting vooraf een elektrisch veld behandeling in een veld met hogere veldsterkte ondergaat.

13. Werkwijze voor het vervaardigen van een weergeefinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met. het kenmerk, dat de spreiding in de hoek van de smectische lagen t.o.v. de steunplaten wordt verkregen door een thermische behandeling.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de thermische behandeling uit locaal verhitten, locaal afkoelen of aanbrengen van een temperatuurgradiënt. bestaat.

15. Werkwijze voor het vervaardigen van een weergeefinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat de spreiding in de hoek van de smectische lagen t.o.v. de steunplaten wordt verkregen door een mechanische of een chemische behandeling.