NO841709L - Anisotropisk vaeskecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en flytende krystallcelle for optisk visning av elektriske signaler med en kolesterisk flytende krystall mellom to bærerflater utstyrt med styringselektroder .

Flytende krystallceller med kolesteriske flytende krystaller er kjente. Ved disse celler benytter man seg av at kolesteriske flytende krystaller foreligger i flere, det vil som regel si to optisk forskjellige tilstandsformer, mellom hvilke de kan kobles hit og dit ved å legge på egnede spenninger.

I en celle uten pålagt elektrisk spenning er i allminnelig-het en tilstandsform stabil, ved hvilken molekylene i det vesentlige ligger parallelt med bærerflåtene, og således står den kolesteriske heliks-akse i det vesentlige loddrett på substratplanet. Tilstandsformer som har en slik molekyl^anordning, kalles i litteraturen for det meste Grandjean-eller planære teksturer. Da disse begreper imidlertid på

den ene side står for en teoretisk idealform av den tilsvarende tekstur, men på den annen side i praksis ofte også anvendes for å angi mer eller mindre deformerte teksturer,

og derfor kan gi anledning til misforståelser, unngås de i den foreliggende beskrivelse. I stedet for dette benyttes av og til heliks-aksens retning for å beskrive en tekstur.

Ved den andre av de her interessante strukturer ligger heliks-aksen i det vesentlige parallelt med bærerplatene. Denne struktur ligger, p.g.a. de uheldige tilpasningsforhold i kantsonene energetisk høyere enn de med platenormal heliks-akse. Derfor dannes ved lite forhold av.celletykkelse d til kolesterisk skruhøyde P denne tilstand uten pålagt felt igjen tilbake i den stabilere tekstur med platenormal heliks-akse. Ved store verdier for ^ (typisk større enn 10) er kantsonens innflytelse imidlertid så liten, at teksturen med plateparallell heliks-akse heller ikke tilbakedannes over flere dager. I disse tilfeller synes til og med spørsmålet om større stabilitet for en av de to teksturer å være åpent.. De optiske egenskaper for de to tilstander er meget forskjellige.Teksturen med platenormal heliks-akse reflekterer enten venstre- eller høyredreiende sirkulært polarisert lys med bølgelengder X med verdien n.P, idet n er midlere bryt-ningsindeks. For en høyere refleksjonskoeffisient må det derunder gjelde at d.^n er større enn bølgelengden, hvorunder. Ain er anisotropien til brytningsindeksen. Den andre, ikke-réflekterte sirkulære polariserte komponent av det innfallende lys går i det vesentlige uforstyrret gjennom teksturen. Foran absorberende bakgrunn ser man for n.P i det synlige bølgelengdeområdet dé typiske kolesteriske reflek-sjons farger.

Flytende-krystallen i tilstand med plateparallell heliks-akse derimot, lar. lys passere ureflektert, hvorunder imidlertid en spredning forover inntreffer i et snevert vinkel-område. Foran absorberende bakgrunn synes flytende-krystall-sjiktet i denne tilstand derfor mørk.

De to tilstander viser foran godt absorberende bakgrunn og ved bra speilblanke overflater en tydelig kontrast. Også i transmisjon kan man oppnå en god kontrast når lite disper-gert lys føres slik gjennom blender at strødd lys i tilstand med plateparallell heliks-akse ikke lenger kan passere blenderne. På denne driftsmåten kreves ikke tilstandens refleksjonsegenskap med platenormal. heliks-akse.

De to forannevnte definerte teksturer og deres optiske egenskaper er allerede beskrevet på begynnelsen av dette år-hundre. En anvendelse av de derved bestemte optiske egenskaper var imidlertid beheftet med den ulempe at det ikke lyktes å, på enkelt måte overføre de to tilstander i hver-andre i begge retninger såsom ved elektriske felt.

Fra US patent nr. 3.642.348 er det kjent at en kolesterisk flytende krystall som befinner seg i hviletilstand i Grandjean-tekstur kan omvandles i den fokalkoniske :tekstur ved å legge på et likespennings- eller et lavfrekventert veksel-strømsfelt. Etter redusering eller utkobling av feltet,- relakserer krystallene igjen til sin hviletilstand, Grandjean-teksturen. Denne tilbakedannelse kan skje i løpet av brøk-delen av sekunder, men kan også strekke seg over timer. Den kan akselereres ved mekaniske påvirkninger eller ved opp-varming.

Fra tysk Offenlegungsschrift 25.38.212 er det kjent at teks-turomvandlingen av Grandjean i fokalkonisk tilstand skjer under medvirkning av en elektrohydrodynamisk effekt, som innstiller seg i dielektrisk negativt nematisk materiale ved tilstrekkelig lave frekvenser.

Fra US patent nr. 3.680 .950 er' det kjent å omkoble en flytende-krystall med negativ dielektrisitetsanisotropi gjennom den orienterende effekten til et høyere frekvent elektrisk vekselstrømsfelt fra fokalkonisk til Grandjean-tilstand..

Derunder har alle disse effekter, når man kombinerer dem til en visecelle som kan kobles i begge retninger, en betydelig ulempe: som følge av strømgangen, som fremkaller de elektro-hydrodynamiske turbulenser, spaltes den flytende krystall langsomt, men kontinuerlig. Dens levetid er liten.

Det må påpekes at det, ved den her interessante effekt og de. foran nevnte kjente effekter, dreier seg om teksturskifte innenfor den kolesteriske fase og ikke om prinsippielt for-.skjellige faseskifteeffekter.

Ved faseskifteeffekter har flytende-krystallen bare en kolesterisk struktur i en av de to koblingstilstandér, mens den ved pålagt holdefelt er homøotropnématisk.

I tysk utlegningsskrift nr. 25.42.189 er det f.eks. beskrevet en slik celle, som inneholder en kolesterisk flytende-krystallblanding som har en energetisk stabil fokalkonisk struktur når ikke noe elektrisk felt er pålagt, og som kan omkobles fra denne tilstand i en homøotropnématisk struktur,

i hvilken den forblir når et egnet holdefelt pålegges. Etter at holdefeltet er koblet ut, går flytende-krystallen igjen

over i den stabile fokalkoniske tilstand.

Bortsett fra at denne faseskiftevirkning er prinsippielt forskjellig fra den her betraktede teksturveksel, har også faseskifte så betydelige ulemper at det hittil ikke har funnet noen teknisk anvendelse, selv om det har vært kjent lenge. Dertil kreves, for faseskifte en meget høy styrings-spenning og for opprettholdelsen a<y>den ikke-stabile tilstand, en høy vedlikeholdsspenning.

Oppgaven for foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en flytende-krystallcelle som gjennom den orienterende virkning av elektriske felt kan kobles mellom to stabile, optisk forskjellige tilstander, og ved hvilken det ikke behøver å gå noen strøm i den flytende krystall, slik at godt isolerende flytende-krystallmateriale kan brukes for å unngå nedbryt-ningsfenomener.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette,ved at en celle av den inn-ledningsvis nevnte art,• eksisterer flytende-krystallen i to optisk forskjellige stabile teksturer og har en dielektrisk anisotropi som er positiv ved frekvenser under en terskel-verdi, hvorved flytende-krystallen ved pålegning av en vekselstrøm med en slik lav frekvens, antar en av de to stabile teksturer, og ved frekvenser over terskelverdien er negativ, hvorved flytende-krystallen ved pålegning av en vekselstrøm med en slik høyere frekvens går over i den andre stabile tilstand.

Den kolesteriske flytende-krystall er fortrinnsvis en blanding av nematiske flytende-krystaller med kolesteriske til-setninger.

De to stabile tilstandsformer som flytende-krystallen befinner seg i, er teksturen med plateparallell heliks-akse, som flytende-krystallen inntar ved pålegning av en lavere frekvensspenning, og teksturen med plateloddrett heliks-akse, hvilken flytende-krystallen går over ved pålegning av en høyfrekvensspenning.

Overflaten av den øvre platen som vender mot flytende-krystallen, dvs. den plate gjennom hvilken lysinnfallet.finner sted, har fortrinnsvis en homogen veggorientering. De ønskede elektrooptiske effekter inntrer imidlertid også i celler som ikke har noen, henholdsvis homøotrope eller også hydride veggorienteringer.

Oppfinnelsen beskrives i det følgende gjennom utførelses-formene på tegningene. Fig. 1 viser'skjematisk en celle med en kolesterisk flytende-krystall med plateparallell heliks-akse, Fig. 2 viser skjematisk en celle med en flytende-krystall

med.platenormal heliks-akse,

Fig. 3 viser en skjematisk kurve av forløpet til dielektrisk anisotropi avhengig av frekvensen til et elektrisk felt som er lagt på flytende-krystallen,

Fig. 4 viser skjematisk en matrisseviser som skal oppnås

med den nye effekt, og

Fig. 5 viser skjematisk signalformen for styring av en matrisseviser ifølge, fig. 4. Fig. 1 viser et skjematisk tverrsnitt gjennom en del av en flytende-krystallcelle. Cellen består som normalt av to, med avstand fra.hverandre anordnede bærerplater 1, 2, mellom hvilke er anordnet et kolesterisk flytende-krystallsjikt 3'.

Den øvre bærerplate 1 er den, gjennom hvilken lysinnfallet finner sted, og på hvis side observatøren befinner seg i tilfelle av en reflektivt virkende visning. Overflaten av bærerplaten 1 som vender mot flytende krystallen, er slik behandlet at den orienterer de tilgrensende flytende-krys-tallmolekyler homogent. Denne såkalte homogene veggorientering kan oppnås med de vanlige metoder, det vil altså si f.eks. ved gnidning, skrådamppåføring, osv.

Bærerplatens 1 homogene veggorientering er ikke ubetinget nødvendig for funksjonen til visningsdelen. Den tjener imidlertid til å oppnå en bedre optisk homogenitet, spesielt i den tilstand hvori heliks-aksen til flytende-krystallen står loddrett på bærerplaten.

Begge bærerplater 1, 2 er på sidene som vender mot flytende-krystallen utstyrt med elektroder, gjennom hvilke styringen finner sted. Disse elektroder består på kjent måte av tynne, for det meste pådampede sjikt av indiumoksyd osv.'.

Da visningen skyldes den optiske forskjell mellom de to teksturer hos den kolesteriske flytende-krystall, må flytende-krystallen være synlig gjennom den øvre bærerplaten 1. Det betyr at bærerplaten må bestå av glass, gjennomsiktig kunststoff osv.. Også den øvre elektrode 4 må være gjennomsiktig.

Den nedre bærerplate skal absorbere lys, hvilket i allminne-lighet oppnås ved at også bærerplaten er lysgjennomskinnelig og et absorberende sjikt 6 er anbragt på dens utvendige side. Selvfølgelig er også andre konfigurasjoner tenkelige, f.eks. absorberende utforming av elektroden 5 eller av bærerplaten 2 selv.

Elektrodene 4, 5 er forbundet med en styringselektronikk, som for denne beskrivelse bare er vist skjematisk ved to vekselstrømskilder 7, 8 med forskjellige frekvenser og en bryter 9. For konkret og -detaljert utforming av styrings-elektronikken vises til den omfattende vanlige litteratur som er kjent for fagmannen.-

Flytende-krystallsjiktet 3 består av en såkalt tofrekvens-blanding såsom beskrevet i Appl. Phys. Lett. _41, 697(1982), som kan tilblandes egnede kirale molekyler, slik at to-frekvensegenskapen på den ene side opprettholdes, og på den

■ annen side induseres de aktuelle kolesteriske egenskaper i blandingen, i foreliggende tilfelle altså refleksjonsevnen i det synlige området.

En spesielt godt egnet flytende-krystallblanding har f.eks. følgende sammensetning: den nematiske to-frekvensblanding består av følgende bestanddeler i de angitte vektsforhold:

Denne mellom -6°C og +79°C nematiske virkning har ved 22°C en overgangsfrekvens fc fra ca. 1,4 kHz. Ved frekvenser mindre enn fc er den dielektriske anisotropi positiv, for f større enn fc negativ.

Denne nematiske blanding tilsettes følgende kirale tilset-ninger (i vekt-%) for å oppnå en god synlig fargevirkning i det grønne spektralområdet.

Med den tekstur som er vist i fig. 1 har flytende-krystallen den for den kolesteriske fase typiske skrueformig dreiede molekylanordning, hvorunder skrueaksen ligger mer eller mindre parallelt med plateoverflåtene. Dette er skjematisk antydet'på fig. 1 med en rekke molekyler projisert på teg-ningsplanet.

Forbindes bryteren 9 kort tid med spénningskilden 7, kommer.

en impuls med en frekvens på mer enn 1,4 kHz, fortrinnsvis ca. 10 kHz på flytende-krystall 3, hvorpå denne går over i tilstanden med platenormal heliks akse. Denne tilstand er vist i fig. 2. Ved den. skjematiske fremstilling på fig. 2 dreier det seg om den samme celle som i fig. 1. Bare flytende-krystallen 3 har nå én annen tekstur som utmerker seg ved at de utformede skruvindinger med sin akse står loddrett på bærerplatene 1, 2. Molekylene er dermed i denne tilstand orientert i det vesentlige parallelt med plateoverflaten.

Teksturen med platenormal heliks-akse forblir likeledes uten energitilførsel utenfra gjennom lengre tid bestående uforandret. Dette er antydet ved at også i fig. 2 er bryteren 9 åpen. Omlegges bryteren 9 slik at spenningskilden 9 forbindes med elektrodene, dvs. tilføres en spenningsimpuls med frekvens på mindre enn 1,4 kHz, det vil fortrinnsvis si ca. 100 Hz, går'flytende-krystallen igjen over i sin tekstur med plateparallell heliks-akse.

Visningscellen har altså to virkelig stabile tilstander og kan ved pålegning av vekselstrømsimpulser med forskjellige frekvenser kobles fra én tilstand til en annen. For å bi-beholde de to tilstander kreves ingen opprettholdelses-spenning. Som eksperimentene viser holder de to tilstander seg uten pålagt spenning uforandret stabile gjennom flere uker.

I forsøksceller ble omkoblingsoperasjonene utført ved hjelp av rettvinkelsignaler på 60 Volt RMS. Til en 10 um tykk celle med kolesterisk fylling med en ganghøyde P på P=0,38 um førte det til koblingstider fra ca. 250 ms til kobling i tilstanden med platenormal heliks-akse og på ca. 50 ms til tilbakekoblingsproséssen. Ved mindre spenninger var koblingstidene lengre, og teksturforandringene fant neppe mer sted under visse terskelverdier. Ved pålegning av lavfrekvenser finner, ved ca. dobbelt spenning, dvs. ved 120 V, den kolesterisk nematiske faseovergang sted. Imidlertid befinner man seg da allerede i området med høy gjennornslags-f are. Ved å variere spenningen og modifisere to-frekvensbland-ingene, skulle også forbedringer av koblingstidene kunne oppnås.

Den nødvendige optiske kontrast for en visning består i at flytende-krystallen i teksturen med plateparallell heliks-akse er temmelig godt lysgjennomtrengelig og dermed platen på baksiden synlig som ser mørk ut p.g.a. sin absorberende egenskap. I tilstanden med platenormal heliks-akse finner da den nevnte frekvensselektive refleksjon av lyset sted. Dette fører til at av hvitt lys spres bare bestemte deler tilbake og flytende-krystallen ses derfor sterkt farget. De enkelte farger avhenger av den kolesteriske flytende-krystal-lens ganghøyde. Da ganghøyden ved de fleste kolesteriske flytende-krystaller er temperaturavhengige, endrer fargen seg lett med skiftende temperatur. Det er imidlertid kjent for fagmannen hvordan, dette kan kompenseres ved tilsvarende blandingsforhold av bestanddelene.

På figurene 4 og 5 er anvendelsen av den nye effekt vist i en matrisseviser. I utsnittet som er vist på fig. 4 av en matrisseviser skal f.eks. flaten Z2/S2 bringes i tilstand med-plateparallell heliks-akse, og flaten Z2/S4 i tilstand .med platenormal heliks-akse. Alle andre elementer skal bi-beholdes uforandret i sin tilstand.

Informasjonen som skal vises kan innleses linjevis. Derunder følger høy- og lavfrekvensspenninger skiftevis. På den valgte linje Z2 ligger for hver frekvens stadig en spenning på to amplitudeenheter, mens de øvrige linjer forblir uten spenning.

På spaltene ligger alltid en amplitudeenhet. Tor elementene, som skal forbli uforandret, dvs. altså i spaltene Sl og S3 er de i fase med linjespenningen. Når tilstanden til et element skal defineres på nytt, dvs. altså i spaltene S2 og S4, er spenningen i motfase til tilsvarende linjespenning. På elementene som skal omkobles ligger altså tre spenningsenheter,' mens på alle øvrige ligger en enhet. Tidene gjennom hvilke en frekvens ligger på, er' bestemt ved at tinder tre spenningsenheter inntreffer en entydig defini-sjon av tilstanden, mens under en enhet i skifte av høy- og lavfrekvens, forblir begge tilstandsmuligheter uendret. Disse tiderTNF ,TThF avhenger av'material- og cellepara-meterne og må optimeres for hvert enkelt tilfelle.

Claims (7)

1. Flytende-krystallcelle med en kolesterisk flytende-krystall mellom to bærerplater utstyrt med styringselektroder, karakterisert ved at flytende-krystallen eksisterer i to optisk forskjellige stabile.teksturer og har en dielektrisk anisotropi, som ved frekvenser under en ter-skelverdi er positiv, hvorved flytende-krystallen ved pålegning av en vekselstrøm med en slik lav frekvens inntar en av de to stabile teksturer, ved frekvenser over terskelverdien er negativ, hvorved flytende-krystallen ved pålegning av en vekselspenning med en høyere frekvens inntar den andre stabile tekstur.

2. Flytende-krystallcelle ifølge krav 1, karakterisert ved at bærerplaten som befinner seg på innfalls-siden av lyset på sin overflate som vender mot den flytende krystallen har en beskaffenhet som orienterer flytende-krys-tallmolekylene homogent.

3. Flytende-krystallcelle ifølge kravl, karakterisert ved at bærerplaten som befinner seg på lysets innfallsside på sin overflate som vender mot flytende-krystallen har en beskaffenhet som orienterer flytende-krystall-molekylene homøotropt.

4. Flytende-krystallcelle ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at flytende-krystallen i en av de to stabile teksturer har en heliks-akse som ligger parallelt med bærerplatene og i den andre stabile tekstur en heliksakse som står loddrett på bærerplatene.

5. Flytende-krystallcelle ifølge krav 1-4, karakterisert ved at styringselektrodene på en bærerplate er oppdelt i linjeledere og på den andre bærerplaten i spalteledere og på denne måten danner en matrisseviser.

6. Flytende-krystallcelle ifølge krav 5, karakterisert ved at linje- og spaltelederne skiftevis til-føres et lavfrekvens og et høyfrekvens signal.

7. Flytende-krystallcelle ifølge krav 6, karakterisert ved at for innlesning av en linje på linje-lederen som det tas sikte på ligger et signal med en bestemt amplitude og på alle andre linjeledere ikke noe signal, mens samtidig alle spalteledere tilføres et signal hvis amplitude er halvparten så stor som linjesignalets og for kryssnings-punktene som skal omkobles i motfase med linjesignalet, og for alle andre kryssningspunkter i fase med linjesignalet.