SE464325B - Anordning foer paaverkan av infallande elektromagnetisk straalning innefattande ett vaetskekristallmaterial, ett ordnande material och medel foer aastadkommande av ett elektriskt faelt - Google Patents

Description

ff* ,,-.

NI 464 325 #0 vis har Pl 2555, en förnätad polyimíd som säljes av E.I. du Pont De Nemours and Company, lncorporated, i full- ständigt härdat tillstånd använts för linjerättning av vätskekristall-material, såsom 4-n-pentyl-4-oyano-bifenyl.

Erhållna vätskekristall-celler har utnyttjats i stor ut- , sträckning för många ändamål, exempelvis såsom klock- och räknedosvisare. Emellertid har framgången avseende ordnande av vätskekristallmaterial i nematisk fas ej utvidgats till ordnandet av vätskekristallmaterial i en smektisk fas. Anord- ningar som förlitar sig på smektiska vätskekristaller, såsom sådana som rapporterats av Clark et al i Applied Physics Letters, 36, 899 (1980), har sålunda haft kontraster över visarstorleksområden som är signifikant lägre än sådana som typiskt uppnåtts med nematiskt baserade anordningar.

Ordnande av vätskekristaller i smektiska faser har sig- nifikant förhöjts genom användningen av en specifik ordnande substans. Speciellt orienteras vätskekristallmaterial i smektisk fas starkt av substanser, såsom polyimider, poly- amider och polyestrar som uppfyller två kriterier. I bulkform bör de kunna töjas åtminstone 50 % före brott i enlighet med ASTM testmetod D-638 och efter en töjning av åtminstone 50 procent bör de återfå en längd av åtminstone 20 procent mer. än den ursprungliga längden före töjning. För det andra bör den ordnande substansen uppvisa en medelmolekylvikt av åtminstone 8000 atomenheter, bör vara linjär och bör uppvisa sidokedjor som i genomsnitt bidrar till ej mer än 20 procent av den totala polymervolymen. Dessa ordnande substanser åstadkommer också linjeinrättning av vätskekristallmaterial i nematisk och kolesterisk fas. Emellertid är det mest anmärk- ningsvärda att mycket höga kontraster av mer än iózi har íakttagits över stora områden i fotoelektriska anordningar, såsom beskrivits av Clark, supra, när föreliggande ordnande konfiguration utnyttjas vilket kan jämföras med väsentligen . 1:1-kontrast över stora områden för den beskrivna anordningen. Många kommersiellt tillgängliga substanser, , såsom ett stort antal nylontyper, uppvisar erforderliga attribut som ger enligt uppfinningen åsyftade resultat.

Uppfinningen beskrives närmare med hänvisning till den bifogade-ritningen varpå figuren visar en sprângskiss av en utföringsform som är belysande för uppfinningen.

UI 464 325 Ordnandet av vätskekristallmaterial förhöjs signifikant genom användningen av speciella ordnande substanser. Dessa material bildas företrädesvis väsentligen helt över anord- ningselektroderna (10 i figuren) sä att de kommer i kontakt med vätskekristallmaterialet i omradet där elektriska fält skall bildas för att visning av information skall induceras.

När väl vätskekristallorienteringen upprättats är det möj- ligt att avlägsna den ordnande substansen eller att lata denna ändra kemisk natur. Exempelvis utsättes ofta celler i för uppvärmning efter ordnande och detta värme skulle kunna ge upphov till olika kemiska förändringar, såsom förnätning av den kemiska substansen. Den ordnande substansen 15 bör uppvisa vissa egenskaper före ordnandet. Före linjeinrättning bör en ordnande substans användas vars motsvarande bulkform kan töjas åtminstone 50 procent före brott i enlighet med ASTM D-638 och som efter en töjning av åtminstone SD procent bör kunna återta en längd som är åtminstone 20 procent större än ursprunglig längd före töjning. Dessutom bör det ordnande materialet uppvisa en medelmolekylvikt av åtminstone 8000 atomenheter, bör vara linjärt och bör uppvisa sidokedjor som i genomsnitt bidrar till ej mer än 20 procent av den totala polymervolymen. (Linjär innebär i detta sammanhang att en minsta kvadratsträckanpassning till polymerhuvudkedjan, dvs den längsta kontinuerliga valensbundna gruppen av atomer i polymermolekylen, är väsentligen linjär i sin mest töjda rymdkonfiguration.) Förnätade polymerer, såsom sådana som an- vändes för orientering av nematiska kristaller töjs ej till- räckligt, är ej linjära och ger ej upphov till den önskvärda orienteringen i vätskekristallmedier i smektisk fas.

Ett flertal material uppfyller kriterierna för ordnande substanser. Exempelvis är polyamider, sàsom manga allmänt tillgängliga nylontyper användbara. Dessutom är poly- imider och polyestrar som uppfyller kriterierna tillgängliga och är användbara. Exempel pà användbara material är nylon- typer inklusive polykaprolaktam (nylon 6) uppvisande strukturen 464 325 H -[HH-(CHZJS-Cfjñ (1) H polyhexametylensebakamid (nylon 6/10) (å 9 samt nylon 6/12, nylon 11 och nylon 12, representerade av formeln poly(hexametylendodekandiamid) (nylon 6/12) O 0 ü H _ -[LH-(CHZJÖ-T-C-(CH2)10-C1]ñ (3) H H polyíondekanamíd) (nylon 11) O h' '[=H-(CH2)10-C125 (4) H respektive poly(lauryllaktam) (nylon 12) 0 H -[rv-(CHZ)1 -C-Jñ (S) H 1 Vidare uppfyller polyestrar, såsom polybuten-tereftalat och polyimider uppvisande begränsad íörnåtning, också de önsk- värda kriterierna. Andra polymerer, såsom polyeten och poly- vinylalkonol är också godtagbara. Emellertid ger ej 40 ~ 464 325 material, såsom polymetyl-metakrylat pä grund av sin begrän- sade töjning och sidogrupper, upphov till önskvärd grad av ordnande och följaktligen önskvärd kontrastökning.

Det är också önskvärt fastän ej väsentligt att det ord- nande materialet 15 ej är lösligt i vätskekristallekompo- sitionen 20 som användes. Om det ordnande materialet är lös- ligt, dvs uppvisar en löslighet av mer än 10 procent, i vätskekristallmaterialet induceras i allmänhet svällning av det ordnande materialet. Denna svällning medför flera icke önskvärda effekter. Exempelvis framkallar svällning lokala distorsioner i cellens tjocklek och följaktligen lokala distorsioner i de uppnådda optiska egenskaperna. Med tiden löses dessutom en tillräcklig mängd av det ordnande materialet så att stora områden av föroreningar kommer att finnas närvarande i vätskekristallmaterialet. Uppkomna kom- positionsdiskontinuiteter framkallar även icke önskvärda optiska variationer i cellen. Fastän användning av ett ordnande material, som är lösligt i vätskekristallkomposi- tionen, kan godtagas under begränsade tidsperioder leder följaktligen denna löslighet till signifikant försämrade egenskaper under längre tidsperioder.

Såsom diskuterats tidigare anbringas företrädesvis den ordnande substansen 15 över elektroderna 10 i form av en tunn film. Det är önskvärt att närvaron av den ordnande substansen ej minskar fältstyrkan uppnådd med dessa elektroder i icke godtagbar utsträckning. Fastän mycket låga fältstyrkor kan ge upphov till en optiskt ändring i vätskekristallmaterial användes vanligen fältstyrkor av storleksordningen 104 V/cm.

För de flesta praktiska ändamälen åstadkommas denna fält- styrka genom en anbringad spänning av lägre än 5 V. Anord- ningen bör också uppvisa vissa optiska egenskaper. I allmän- het bör genomsynligheten av anordningen i områdena som betraktas vara 90 procent eller mer i frånvaro av vätskekri- stallmaterialet för ljusvåglängder i området 280 nm till 700 nm. För anpassning till dessa praktiska hänsynstaganden bör den ordnande substansen när den finns i områden där informa- tion skall betraktas typiskt uppvisa en tjocklek i interval- let 20 nm till 1 pm. En större tjocklek försvagar i allmänhet fältet till en icke önskvärd nivå under det att ett tunnare skikt är svårt att framställa och ofta uppvisar diskon- 464 325 40 tinuiteter. Sådana diskontinuiteter leder till förskjutning och sålunda områden av låg kontrast i vätskekristall- -material. Skikt i detta tjockleksintervall avsättes lätt med konventionella metoder, såsom centrifugering eller sprut- ning. (Se E. Guyon et al, Non-Emissive Electro-optic Displays, (utgivare A.R. Kmetz och E.K. Von Willisen, Plenum Press, (1976) för beskrivning av sådan teknik.) '\ Själva den ordnande substansen bör vara linjeinrättad innan den användes för orientering av vätskekristallmaterial.

Sådan linjeinrättning uppnås genom utbredning av en zon av plastisk deformation genom materialet som medger förnyad linjeinrättning av polymerkedjor. Den önskvärda effekten upp- nås genom utnyttjande av en kombination av värme och tryck.

Denna kombination uppnås exempelvis genom valsning av den ordnande substansen medelst material, såsom bomullskypert.

Exempelvis bildas en vals av polyester eller nylon. Denna vals pressas mot det ordnande materialet och flyttas under tryck tvärs över materialet tillräckligt snabbt så att en viss sladdning uppträder. Friktionen mellan valsen och den ordnande substansen ger upphov till lokaliserad värmevärme- alstring. I samband med trycket av valsen ger detta värme upphov till den önskvärda plastiska deformationen. Fastän andra åtgärder är möjliga för utbredande av en lämplig zon tvärs över den ordnande substansen föredrages denna valsmetod på grund av att den är bekväm och enkel. Det är vanligen önskvärt men ej väsentligt att zonen av plastisk deformation utbredes tvärs över ytan. Det är emellertid möjligt att åstadkomma plastisk deformation tvärs över hela det ordnande skiktet genom att det ordnande skiktet endast förflyttas tvärs över ytan av ett tygmaterial. För att lämpligt ordnande av vätskekristallmaterialet skall medges bör de ordnande sub- stanserna som kommer i kontakt med detta material linjeinrät- tas väsentligen i samma riktning, dvs inom 50 grader av Ö vilket som helst annat ordnande material som kommer i kontakt med samma volumetriska område av vätskekristallen. Det är så- G lunda fördelaktigt att linjeinrâtta den ordnande substansen på bägge plattorna av anordningen. Denna överensstämmelse i linjeinrättning uppnås genom valsning av skikten av ordnande substans i samma riktning eller med 180 grader fasför- skjutning. (Denna riktning betraktas i förhållande till 40 464 325 rymdkonfígurationen av den ordnande substansen i cellen.) Vätskekristallmaterialet bör uppvisa en smektisk A-fas för att lämpligt ordnande skall medges. Denna smektiska A-fas behöver ej vara den sista fasen som bildas vidfökning av tem- peraturen innan ett isotropiskt tillstånd uppnås. Ändock bör kolesteriska faser vid högre temperaturer än denna smektiska A-fas existera inom ett intervall som ej är väsentligt mer än grader. Ju större temperaturintervallet är desto mindre perfekt är den slutliga linjeinrättningen och desto snabbare bör temperaturen minskas när materialet passerar genom denna kolesteriska fas. Nematiska faser som uppträder vid tempera- turer högre än den för den smektiska A-fasen påverkar däremot ej linjeinrättningen av vätskekristallen och behöver ej existera i endast ett smalt temperaturintervall.

För att den önskvärda ordningen skall uppnås upphettas vätskekristallen till en temperatur som ger den isotropa fasen. Vätskekristallmaterialet kontaktas med den ordnande substansen. (Den ordnande substansen bör också upphettas så att den ej inducerar omedelbar frysning av den isotropa vätskekristallen.) Vätskekristallen tillåtes svalna. Efter uppnående av den smektiska A-fasen induceras ordnande genom föreliggande ordnande substanser och detta inducerade ordnande bibehålles när den flytande kristallen svalnar och transformeras genom sin normala fassekvens.

Kontakt mellan vätskekristallmaterialet och det ordnande materialet åstadkommas genom ett antal metoder, såsom vakuum_eller kapillärfyllning. Förstnämnda metod är fördelaktig när plattorna i anordningen är anordnade på små avtånd, dvs uppvisar avstånd av mindre än 20 pm under det att vilken som helst metod kan användas för plattor med större avstånd än 20 pm.

Följande exempel belyser föreliggande anordningar. §g§mggl_1. Glasplattor belagda med indiumtennoxid in- köptes från Optical Coating Laboratories, Incorporated. Dessa plattor skars till dimensionerna 2,5 cm x 2,5 cm. Glasplat- torna tvättades först medelst ultraljud i ett detergentbad som upphettades till en temperatur av cirka 128°C.

Plattorna sköljdes därefter i avjoniserat vatten och neddoppades i ett bad av koncentrerad svavelsyra som innehöll en molär koncentration av ammoniumpersulfat av cirka 0,014 46ï325 40 mol/l. Efter denna neddoppning sköljdes plattorna äter i av- joniserat vatten och torkades sedan i en kommersiell freon- tork.

Vart och ett av tva prover av glasplattor placerades i en oentrifughàllare. En lösning framställdes av 0,5 ml VM651 _ (en kommersiell vidhäftningsfrämjande produkt från E.l. du Font De Nemours and Company, lncorporated) i 500 ml metanol. fi' Denna lösning fick sitta kvar över natten och därefter place- rades tillräckligt med lösning på var och en av glasplattorna för att hela ytan skulle vätas. (Denna lösning verkade såsom en vidhäftningspromotor för efterföljande behandling med det ordnande materialet.) Proverna centrifugerades vid cirka 2000 rpm under 15 sekunder. En av lösningarna av ordnande material som indikeras i tabell 1 och uppvisar en koncentration av 0,5 procent (vikt/volym) placerades sedan över promotorn pa glas- plattan. Åter användes en tillräcklig mängd av lösning av ordnande material för att plattans yta skall vätas fullstän- digt. Proverna centrifugerades därefter vid cirka 4000 rpm under cirka S0 sekunder. Proverna brändes därefter i en ugn med luftkonvektion vid 130°C under cirka 30 minuter. Detta centrifugeringsförfarande gav ett skikt av ordnande material som uppvisade en tjocklek av cirka 20 nm mätt medelst ett Tally-Stepfinstrument.

Ett bomullskyperttyg uppbars på en hård horisontell yta och en rak kant tillhandahölls för efterföljande behandling av proverna. Proverna placerades längs kanten av den raka kanten varvid ytan uppvisande polymerskiktet var i kontakt med tyget och slogs längs med cirka 15 om av tyget under 3-5 slag. (Endast försiktigt tryck användes och vikten av glaset var huvudsakligen tillräckligt för uppnäende av det önskade resultatet.) En pistol med torr kväve och luft användes för avlägsnande av eventuellt bomullsmaterial som vidhäftat pro- verna. En skarp rak kant uppvisande en tjocklek av cirka 0,1 mm doppades till ett djup av cirka i mm längs en bredd av 3 om i Norland UV tätningsmedel typ UVS9i-NS. Den neddoppade Ä raka kanten pressades därefter kraftigt mot en kant av varje prov. Doppningsförfarandet upprepades därefter och den raka kanten tryckte kraftigt mot den motstaende kanten pa samma större yta av varje prov. Det andra provet placerades där- efter över det första provet i kontakt med epoxi sá att den h. 464 325 behandlade sidan av varje prov var inbördes vända mot var- andra och så att gnidningsriktningen för varje prov hade ungefär samma riktning. Proverna pressades samman tills av- ståndet mellan de tva plattorna vara cirka 25 pm mätt medelst ett Zeiss ljussektionsmikroskop. Epoxitätningsmedlet utsattes för en bredbands-UV-ljuskälla som uppvisar sin centrum- frekvens vid cirka 350 nm under S minuter. (Ljuset hade en intensitet vid ytan av epoxi av cirka 10 mw/cm .J Ett vätskekristallmaterial framställdes genom kombina- i0 tion av sex material representerade av formlerna * c12uzsc-<:>-cn=cH-ccc-<:>-coo-CH2-rn-c2H5 40,8 viktpracent cH3 * C1OHZ1OOOC'®"CH2'ÉH”C2H5 17,6 viktprocent cu 3 i' csH17o-<§>-coo-<:>-coo-cuz-en-czu5 4,6 Víktprocent ca 3 * c1eng30-<:>»coo-§:>-coo-<:>-o-cnz-rn-C2H5 6,6 vlktproßent c1 CH3 , .

C2H5_ïH-(C32)3'0_<:>PCoO_<:>h0_C7H15 5,8 viktprocent cH3 , ' /cn3 cuuzsocoo-cuz-cuz-on-cu2-cH2-cH=c\ 24,6 vnaprocenr cH3 CH3 vilket ger en blandning som hade fassekvensen Isoc-v SÃfl-f-SC 9s°c 4s°c Erhàllen vätskekristallpasta placerades längs kanten av pa :en av glasplattor. Facken som fylldes genom kapillärver- 464 40 fo 325 kan placerades i en Mettler FP-52 mikrougn och ugnen upphet- tades till cirka i20°C. Temperaturen i ugnen höjdes därefter med en hastighet av cirka 3°C/min tills rumstemperatur upp- nåtts. Varje prov uttogs därefter ur ugnen och undersöktes mellan korsade polarisatorer. Proverna undersöktes därefter under optiskt mikroskop med transmitterat ljus varvid pola- risatorn och analysatorn var korsade. En volframlampa av 6 V, H användes för belysning av provet. Provet roterades och minimum- och maximumljuset iakttogs i mikroskopet under en rotation av 360° och noterades för den smektiska A-fasen.

Förhållandet av dessa två värden gav en kontrast. För alla proverna visade i tabell 1 var kontrasten cirka 16:i förutom för polyimiden som uppvisade en något minskad kontrast. §¿§mggl_2. Samma förfarande följdes för materialen i tabell 2. Proverna undersöktes mellan korsade polarisatorer såsom beskrivits i exempel 1 och uppvisade alla en kontrast 2 av signifikant mindre än 5. över provet av 1 om §5gmggl_§. Förfarandet i exempel 1 följdes med använd- ning av nylon 6/9 såsom ordnande material. Emellertid mönstrades indiumtennoxidmaterialet för varje glasprov såsom en knippa av 0,117 cm breda remsor med ett avstånd av 0,010 cm mellan varje remsa. Glasplattorna placerades när de anord- nades till packen så att längdaxeln av remsorna i ett prov var vinkelrät mot längdaxeln av remsorna i det andra provet.

Avståndet mellan glasplattorna var cirka 4 pm. Alla remsorna på varje platta kortslöts och en spänning av 5 V anbringades mellan remsorna pä en platta och remsorna på de andra plat- tan. Växlingskontrasten iakttagen mellan det mörka och det ljusa tillståndet av provet var cirka 10:i. §¿gmpgl_§. Förfarandet i exempel 1 följdes förutom att nylonmaterialet mönstrades för avlägsnande av nylon i tät- ningsområdet och i områden där elektrisk kontakt skulle åstadkommas. Denna mönstring genomfördes med användning av en T kommersiell nästan ultraviolett resist för maskering av om råden i nylonet som ej skulle avlägsnas. För avlägsnande av S de exponerade områdena i nylonytan neddoppades provet under cirka 200 sekunder i en lösning av 80 procent koncentrerad svavelsyra och 20 procent vatten. Aterstående etsningsmedel avlägsnades med användning av sköljning med avjoniserat vat- ten. Fotoresisten avlägsnades också med användning av aceton. 11 464 325 I§9sll_l- Lösnings- Kemiskt namnl Vanlig medel beteck- _______________________________________________ __n¿n9-___-____ B* Pn1y(et§n) PE ' C Poly(vinylalkohol) PVA -[>CH2-CH1]ñ OH A Poly(hexametylenadípdiamid) Nylon 6/6 -[¥NH(CH2)6-NH-CO(CH2)4-COt7ñ A Poly(hexametylennonandiamid) Nylon 6/9 -[¥NH(CHZ)6-NH-COCCHZJ7-C012; A Poly(hexametylenteraftalamid) Nylon 6/T '[*NH(CH2)6-NH-CO~{:š:>~C0f]ñ B Pnly(l,4-butylentereftalatl -[¥CH2)4-COC-<:::>-C0O1]ñ B POly(1,4-etylentereftalat) -[-(CH212-00CA<::É}-C0O1]ñ * Lösningsmedel användes varma (6000) och lösningen var nyberedd. 464 325 Tabell 1 (forts.) &lenën¿nQ§§_§!_Q9lxm§:e: Lösnings~ Kemiskt namn Vanlig meëel __________________________________ _9§§e9ßnin9 _____ __ A 80:20 60:40 50:50 Nylon 11-Nylon 12 C #0:60 20:80 (viktprocent) A 50:50 Nylon 6-Nylon 11 Ü A 50:50 Nylon 6-Nylon 6/6 33 1/3:33 1/3:33 1/3 Nylon 6/12- Nylon 6/9-Nylon 11 A 25:25:25:25 Nylon 6/4-Nylon 6/6' Nylon 6/11-Nylon 6/12 A 50:50 Nylon 6/9-Nylon 11 A 50:50 Nylon 6/12-Nylon 11 Lösningsmedel för polymerer A-60% m-kresol 40% metanol B-50% o-kloroíenyl 50% 1,1,2,2-tetrakloroetan C-80% metanol % vatten Tabell 2 Eelxmesez_§em_ei_linie:맧맧§ A poly(cyklohexylmetakrylat) F00- CH3 A po1y(amidharts) förnätade nyloner A poly(vinylmetylketon) -[=CH -CH- - 1 JH CO-CH3 A po1y(viny1cinnamat) -[=CH2-9H<7ñ 00C-CH=CH- @ B polytacetal) 9°z" _C¿7_ I n OC H 2 5 B pn1y(bensy1metakry1at) -Z-CHZ coocH -{ \ I 2 O "ÛWÉHZ-íl-Jñ CH3 A po1y(bren) ïïß 923 -l-lïl -mHZJÖ-rïa -fcnzjsj CH3 CH3 _ZBr _ 464 325

Claims (7)

46-:325 1*- PATENTKRAV

1. Anordning för påverkan av infallande elektromagnetisk strålning och innefattande ett vätskekristallmaterial, ett ordnande material och medel för åstadkommande av ett elek- triskt fält, k å n n e t e c k n a d därav, att det ordnande materialet är i kontakt med vätskekristallmaterialet i ett om- råde, vari åtminstone en del av den elektromagnetiska strål- ningen skall påverkas genom att detta omrâde utsättes för ett elektriskt fält genom medlet för åstadkommande av ett elek- triskt fält, och att det ordnande materialet innefattar en po- lymer, som uppvisar en medelmolekylvikt av åtminstone 8000 atomenheter, är linjär, uppvisar substituenter som upptar mindre än 20 procent av volymen som polymeren upptar, kan i bulkform töjas mer än 50 procent och återtar i bulkform efter töjning av åtminstone 50 procent en längd som är åtminstone 20 procent större än ursprunglig längd före töjning, varvid nämn- da polymer för andra vätskekristallmaterial än ferroelektriska material, utväljes bland nylon och polyetener.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nylonet innefattar ett material representerat av åtminstone en av följande formler: Ü fi -fr?-(CH2)5rï-C-(CH2)10-C-Ju- H : H O H -[-§-(CH2)10~C“]n- H f? “[-?-(CH2)11*C-]n- 0Ch H “i *R -c-§-5-?- -8-c-1n- . H H é 'IJ w 464 325

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att polymeren innefattar polyeten.

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att när vätskekristallen innefattar ferroelektriskt material, innefattar polymeren en polyester, polyvinylalkohol, polyeten eller nylon.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att polyestern innefattar polybutentereftalat eller po- lyetentereftalat.

6. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav att nylonet innefattar ett material med formeln: f? i? -L-r-5-r-c-10-c-1n- H H O H “E-¥“(CH2)10“C-ln* H “å -c-N-11-c-Jn- øch/eller o -c-r-5;§-c-8-g-1n-

7. Anordning enligt nagot av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d därav, att medlet för páläggande av ett elek- triskt fält innefattar en elektrod.