WO1999060441A1 - Monostabiles ferroelektrisches aktivmatrix-display - Google Patents

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WO1999060441A1
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active matrix
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Hans-Rolf DÜBAL
Rainer Wingen
Toshiaki Nonaka
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Aventis Research & Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G01N2021/054—Bubble trap; Debubbling

Definitions

  • the replacement of the cathode ray tube (picture tube) with a flat screen requires a display technology that simultaneously has high image resolution, ie more than 1000 lines, high image brightness (> 200 Cd / m 2 ), high contrast (> 100: 1), a high image frequency (> 60 Hz), sufficient color display (> 16 million colors), a large image format (> 40 cm screen diagonal), low power consumption and a wide viewing angle enable and also inexpensive to produce. So far, there is no technology that fully fulfills all of these features at the same time.
  • Tsukuda, TFT / LCD Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875-01-9 and the literature cited therein; SID Symposium 1997, ISSN-0097-966X, pages 7 to 10, 15 to 18, 47 to 51, 213 to 216, 383 to 386, 397 to 404 and the literature cited therein.
  • PDP Plasma Display Panel
  • PALC Phase Change RAM
  • ELD Electro Luminescent Display
  • FED Field Emission Display
  • the individual picture elements (pixels) of an LC display are usually arranged in an x, y matrix, which is arranged by a series of electrodes
  • This arrangement of the pixels is usually referred to as a passive matrix.
  • Various multiplexing schemes have been developed for addressing, as described, for example, in Displays 1993, Vol. 14, No. 2, pp. 86-93 and contacts 1993 (2), pp. 3-14.
  • Passive matrix addressing has the advantage of simpler manufacture of the display and associated lower manufacturing costs the disadvantage that the passive addressing can only be done line by line, which means that the addressing time of the entire screen is N times the line addressing time for N lines. With the usual line addressing times of approx. 50 microseconds, this means a screen addressing time of approx. 60 milliseconds with, for example, HDTV standard (High Definition TV, 1152 lines), ie a maximum frame rate of approx. 16 Hz.
  • HDTV standard High Definition TV, 1152 lines
  • AMLCD active matrix technology
  • An electrically non-linear element for example a thin-film transistor, is integrated on each pixel of the active matrix substrate.
  • the nonlinear element can also be diodes, metal insulator metal and other elements which are advantageously produced using thin-film processes and are described in the relevant literature, see, for example, T. Tsukuda, TFT / LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin -Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875-01-9 and literature cited therein.
  • Active matrix LCDs are usually operated with nematic liquid crystals in TN (twisted nematics), ECB (electrically controlled birefringence), VA (vertically aligned) or IPS (in plane switching) mode.
  • TN twisted nematics
  • ECB electrically controlled birefringence
  • VA vertical aligned
  • IPS in plane switching
  • the active matrix generates an electric field of individual strength at each pixel, which produces a change in orientation and thus a change in birefringence, which in turn is visible in polarized light.
  • a serious disadvantage of this method is the lack of video capability due to the long switching times of nematic liquid crystals.
  • liquid crystal displays based on a combination of ferroelectric liquid crystal materials and active matrix elements have been proposed, see e.g. WO 97/12355 or Ferroelectrics 1996, 179, 141-152, W.J.A.M. Hartmann, IEEE Trans. Electron. Devices 1989, 36, (9; Pt. 1), 1895-9, and dissertation Eindhoven, The Netherlands 1990.
  • Hartmann used a combination of the so-called 'quasi-bookshelf geometry' (QBG) from FLC and a TFT (thin-film transistor) active matrix and at the same time received a high switching speed, grayscale and high transmission.
  • QBG 'quasi-bookshelf geometry'
  • TFT thin-film transistor
  • a disadvantage of this approach is the appearance of a stripe texture on the display that limits the contrast and brightness of this cell (see Fig. 8 in the above quotation).
  • the disadvantageous stripe texture can be corrected by treatment with a high electrical voltage (20-50 V) in the nematic or cholesteric phase (see p. 168 of the above quotation); however is one
  • Field treatment is not suitable for the mass production of screens and generally does not lead to temperature-stable textures.
  • this method only results in switching in an angular range of up to a maximum of the simple tilt angle, which in the case of Nito et. al.
  • the material used is approx. 22 ° (see p. 165 Fig. 6) and thus only results in a transmission of a maximum of 50% of the transmission of two parallel polarizers.
  • a monostable ferroelectric active matrix display containing a liquid crystal layer in the form of a Monodomain with a clearly defined direction of the layer normal z of the smC * phase, the layer normal z and the preferred direction n of the nematic or cholesteric phase (N * phase forming an angle of more than 5 °.
  • the active matrix FLCD according to the invention contains, as an optically active layer, a ferroelectrically liquid-crystalline medium (liquid-crystal phase) with a phase sequence of
  • the asterisk (*) on the phase label indicates that it is a chiral phase.
  • the displays are produced, preferably by a process in which the liquid crystal layer is introduced into the space between a rubbed upper substrate plate and a rubbed lower substrate plate of the active matrix display, the rubbing directions on the upper and lower substrate plates being essentially parallel, and the liquid crystal phase cools from the isotropic phase, with at least at the phase transition N * ⁇ smC * or N * ⁇ smA * ⁇ smC * an electrical direct voltage is present on the display.
  • the FLC mixture is filled into an active matrix display.
  • the manufacture and components of such an AM display is described in detail in the Tsukuda literature listed above.
  • the thickness of the FLC layer is however, unlike nematic displays, only 0.7 to 2.5, preferably 1-2 ⁇ m.
  • the rubbing directions on the upper and lower substrate plates are essentially parallel.
  • the term "substantially parallel” includes antiparallel or weak, ie up to 10 ° crossed rubbing directions.
  • an electrical direct voltage preferably below 5 V, is applied during the production of the display during controlled cooling and is maintained during the phase transition N * -> smC * or N-> smA * -> smC * , which leads to the fact that the entire display occupies a monostable mono-domain that appears completely dark between crossed polarizers.
  • the DC voltage is switched off.
  • the texture thus obtained is monostable in contrast to Hartmann's approach mentioned above or in contrast to conventional bistable FLCD.
  • the preferred n-director (which indicates the preferred direction of the molecular longitudinal axes) is located in the rubbing direction of the cell, whereas the z-director (which indicates the preferred direction of the smectic layer normal) is inclined approximately by the amount of the tilt angle Rubbing direction is located.
  • This constellation is exactly the opposite of the usual bistable cell according to Clark and Lagerwall, where the z-director lies in the rubbing direction.
  • the double tilt angle which leads to 100% transmission in relation to parallel polarizers, is now accessible, ie double brightness is achieved.
  • the display thus obtained appears completely dark with a suitable angle of rotation between crossed polarizers.
  • a control voltage of only a few volts is applied, it appears bright, whereby the brightness can be varied continuously over the voltage and, when saturated, has almost the brightness of two parallel polarizing foils.
  • the angle between the preferred direction of the nematic (or cholesteric) phase and the layer normal (z director) is ideally equal to the tilt angle of the smectic C phase, or at least substantially the same as the tilt angle .
  • "In essence" in the sense of this invention preferably means a range of values from half to the full, particularly preferably 0.8 to 1 times the tilt angle, but at least 5 °.
  • the ferroelectric active matrix liquid crystal display according to the invention is highly practical, in particular for TV and HDTV or multimedia, since it agrees high transmission, short switching times, gray scale and therefore full color capability, cost-effective production and a wide temperature range.
  • the display can be operated at voltages of ⁇ 10 volts, preferably ⁇ 8 V, particularly preferably ⁇ 5 V.
  • the spontaneous polarization of the active matrix FLCD according to the invention is preferably below 15 nC / cm 2 , preferably in the range from 0.01 to 10 nC / cm 2 at the operating temperature of the display.
  • the length of the chiral-nematic or cholesteric pitch in a temperature range of at least 2 ° C. above the transition to the smectic phase is more than 50 ⁇ m.
  • IC integrated circuit
  • the displays can be used for example in the TV, HDTV or multimedia area or in the field of information processing, e.g. in notebook PCs, personal digital assistants or desktop monitors.
  • phase sequence is:
  • the tilt angle is 25 ° at 30 ° C.
  • the spontaneous polarization is 2 nC / cm 2 Example 2
  • a glass substrate coated with transparent-conductive indium-tin oxide is patterned in a photolithographic process so that an electrode pattern is obtained.
  • the transparent conductor tracks of this electrode structure are used for the electrical control of the display by means of a function generator, thus simulating the switching behavior of a thin-film transistor.
  • Two glass panes structured in this way, which form the top and bottom of the display - that is to say the carrier plates - are joined together with the aid of an adhesive frame.
  • the layer thickness is 1.3 ⁇ m.
  • the adhesive is hardened by careful heating, the liquid crystal mixture from Example 1 is filled in at 100 ° C. and the cell is brought to a temperature of 60 ° by slow cooling. A DC voltage of 4 V is applied at this temperature and the cooling process is then continued up to 22 ° C. The DC voltage is switched off.
  • a monostable monodomain is obtained which appears completely dark between crossed polarizers.
  • the cell is now connected with rectangular pulses of variable amplitude and the transmission is measured using a photodiode and an oscilloscope.
  • the following transmission values are obtained:
  • phase sequence is:
  • a glass substrate coated with transparent - conductive indium tin oxide is structured in a photolithographic process, so that an electrode pattern is obtained.
  • the transparent conductor tracks of this electrode structure are used for the electrical control of the display by means of a function generator, thus simulating the switching behavior of a thin-film transistor.
  • Two glass panes structured in this way, which form the top and bottom of the display - that is to say the carrier plates - are joined together with the aid of an adhesive frame.
  • the layer thickness is 1.3 ⁇ m.
  • the adhesive is hardened by careful heating, the liquid crystal mixture from Example 3 is filled in at 100 ° C. and the cell is brought to a temperature of 63 ° C. by slow cooling. A DC voltage of 4 V is applied at this temperature and the cooling process is then continued up to 22 ° C. The DC voltage is switched off.
  • a monostable monodomain is obtained which appears completely dark between crossed polarizers.
  • the cell is now connected with rectangular pulses of variable amplitude and the transmission is measured using a photodiode and an oscilloscope.
  • the following transmission values are obtained:

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Abstract

Das monostabile ferroelektrische Aktivmatrix-Display enthält eine Flüssigkristallschicht in Form einer Monodomäne mit einer eindeutig definierten Richtung der Schichtennormalen z der smC*-Phase und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtennormalen z und die Vorzugsrichtung n der nematischen beziehungsweise cholesterischen Phase (N*-Phase) einen Winkel von mehr als 5° ausbilden.

Description

Monostabiles ferroelektrisches Aktivmatrix-Display
Der Ersatz der Kathodenstrahlröhre (Bildröhre) durch einen flachen Bildschirm erfordert eine Displaytechnologie, die gleichzeitig eine hohe Bildauflösung, d.h. mehr als 1000 Zeilen, eine hohe Bildhelligkeit (>200 Cd/m2), einen hohen Kontrast (>100:1), eine hohe Bildfrequenz (>60 Hz), eine ausreichende Farbdarstellung (>16 Mio Farben), ein großes Bildformat (>40 cm Bildschirmdiagonale), eine geringe Leistungsaufnahme und einen weiten Betrachtungswinkel ermöglicht und zudem kostengünstig herstellbar ist. Bislang existiert keine Technologie, die alle diese Merkmale gleichzeitig in vollem Umfang erfüllt.
Viele Hersteller haben Bildschirme auf der Basis nematischer Flüssigkristalle entwickelt, die seit einigen Jahren beispielsweise im Bereich von Notebook PC, Personal Digital Assistants und Desktop Monitoren im Einsatz sind. Dabei werden die Technologien STN (Supertwisted Nematics), AM-TN (Active Matrix - Twisted Nematics), AM-IPS (Active Matrix - In Plane Switching), AM-MVA (Active Matrix - Multidomain Vertically Aligned) verwendet, die in der Literatur ausführlich beschrieben werden, siehe z.B. T. Tsukuda, TFT/LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875-01-9 und darin zitierte Literatur; SID Symposium 1997, ISSN-0097- 966X, Seiten 7 bis 10, 15 bis 18, 47 bis 51 , 213 bis 216, 383 bis 386, 397 bis 404 und darin zitierte Literatur. Darüber hinaus werden die Technologien PDP (Plasma Display Panel), PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), ELD (Electro Luminescent Display) und FED (Field Emission Display) angewandt, die ebenfalls im zitierten SID Bericht erläutert sind. Clark und Lagerwall (US 4,367,924) konnten zeigen, daß der Einsatz ferroelektrischer Flüssigkristalle (FLC) in sehr dünnen Zellen zu optoelektrischen Schalt- oder Anzeigeelementen führt, die im Vergleich zu den herkömmlichen TN ("twisted nematic")-Zellen um bis zu einem Faktor 1000 schnellere Schaltzeiten haben, siehe auch EP-A 0 032 362. Aufgrund dieser und anderer günstiger Eigenschaften, z. B. der bistabilen Schaltmöglichkeit und des nahezu blickwinkelunabhängigen Kontrasts, sind FLCs grundsätzlich für Anwendungsgebiete wie Computerdisplays und Fernsehgeräte geeignet, wie ein seit Mai 1995 in Japan von Canon vermarkteter Monitor zeigt.
Für die Verwendung von FLCs in elektrooptischen oder vollständig optischen Bauelementen benötigt man entweder Verbindungen, die smektische Phasen ausbilden und selbst optisch aktiv sind, oder man kann durch Dotierung von Verbindungen, die zwar solche smektischen Phasen ausbilden, selbst aber nicht optisch aktiv sind, mit optisch aktiven Verbindungen ferroelektrische smektische Phasen induzieren. Die gewünschte Phase soll dabei über einen möglichst großen Temperaturbereich stabil sein.
Die einzelnen Bildelemente (Pixel) eines LC-Displays sind üblicherweise in einer x,y Matrix angeordnet, die durch die Anordnung je einer Serie von Elektroden
(Leiterbahnen) entlang der Reihen und der Spalten an der Unter- bzw. Oberseite des Displays gebildet wird. Die Kreuzungspunkte der horizontalen (Reihen-) und vertikalen (Spalten-) Elektroden bilden adressierbare Pixel.
Diese Anordnung der Bildpunkte bezeichnet man üblicherweise als eine passive Matrix. Zur Adressierung wurden verschiedene Multiplex-Schemata entwickelt, wie beispielsweise in Displays 1993, Vol. 14, Nr. 2, S. 86-93 und Kontakte 1993 (2), S. 3-14 beschrieben. Die passive Matrixadressierung hat den Vorteil einer einfacheren Herstellung des Displays und damit verbundenen geringen Herstellkosten, jedoch den Nachteil, daß die passive Adressierung immmer nur zeilenweise erfolgen kann, was dazu führt, daß die Adressierungszeit des gesamten Bildschirms bei N Zeilen das N-fache der Zeilenadressierungszeit beträgt. Bei üblichen Zeilenadressierungszeiten von ca. 50 Mikrosekunden bedeutet das eine Bildschirmadressierungszeit von ca. 60 Millisekunden bei z.B. HDTV Norm (High Definition TV, 1152 Zeilen), d.h. einer maximalen Bildfrequenz von ca. 16 Hz. Diese Frequenz ist für die Darstellung bewegter Bilder zu gering. Zudem ist die Darstellung von Graustufen schwierig. Mizutani et.al. haben anläßlich der FLC-Konferenz in Brest, Frankreich (20.-24 Juli 1997, siehe Abstract Book 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals, Brest / France) ein passives FLC-Display mit digitalen Graustufen vorgestellt, bei dem jeder der RGB-Bildpunkte (RGB= red, green, blue) in Unterpunkte unterteilt wurde, wodurch vermittels partiellem Schalten die Darstellung von Grauwerten in digitaler Form ermöglicht wird. Bei N Grauwerten unter Verwendung dreier Grundfarben (rot, grün, blau) ergeben sich 3 Farben. Der Nachteil dieser Methode ist eine starke Erhöhung der Anzahl benötigter
Bildschirmtreiber und damit der Kosten. Im Falle des in Brest gezeigten Bildschirms wurden dreimal soviele Treiber benötigt, wie bei einem normalen FLC Display ohne digitale Graustufen.
Bei der sogenannten Aktivmatrix-Technologie (AMLCD) wird üblicherweise ein nichtstrukturiertes Substrat mit einem Aktivmatrix-Substrat kombiniert. An jedem Pixel des Aktivmatrixsubstrates ist ein elektrisch nichtlineares Element, beispielsweise ein Dünnschichttransistor, integriert. Bei dem nichtlinearen Element kann es sich auch um Dioden, Metall-Insulator-Metall u.a. Elemente handeln, die vorteilhaft mit Dünnschichtverfahren hergestellt werden und in der einschlägigen Literatur beschrieben sind, siehe z.B. T. Tsukuda, TFT/LCD: Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors, Gordon and Breach 1996, ISBN 2-919875-01-9 und darin zitierte Literatur. Aktivmatrix-LCDs werden üblicherweise mit nematischen Flüssigkristallen im TN- (twisted nematics), ECB- (electrically controlled birefringence), VA- (vertically aligned) oder IPS- (in plane switching) Modus betrieben. In jedem Fall wird durch die aktive Matrix an jedem Bildpunkt ein elektrisches Feld individueller Stärke erzeugt, das eine Orientierungsänderung und damit eine Änderung der Doppelbrechung erzeugt, die wiederum im polarisierten Licht sichtbar ist. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Verfahren ist die mangelnde Videofähigkeit bedingt durch die zu langen Schaltzeiten nematischer Flüssigkristalle.
Unter anderem aus diesem Grunde wurden Flüssigkristallanzeigen, die auf einer Kombination aus ferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien und Aktiven Matrix - Elementen beruhen.vorgeschlagen, siehe z.B. WO 97/12355 oder Ferroelectrics 1996, 179, 141-152, W.J.A.M. Hartmann, IEEE Trans. Electron. Devices 1989, 36,(9;Pt. 1), 1895-9, sowie Dissertation Eindhoven, Niederlande 1990.
Hartmann nutzte eine Kombination aus der sogenannten 'Quasi-bookshelf Geometrie' (QBG) von FLC und einer TFT (Thin-Film-Transistor) Aktivmatrix und erhielt gleichzeitig eine hohe Schaltgeschwindigkeit, Graustufen und eine hohe Transmission. Allerdings ist die QBG nicht über einen weiten Temperaturbereich stabil, da durch die Temperaturabhängigkeit der smektischen Schichtdicke die feldinduzierte Lagenstruktur aufbricht oder sich dreht. Darüber hinaus nutzt Hartmann ein FLC-Material mit einer Spontanpolarisation von mehr als 20 nC/cm2, was bei Bildpunkten mit realistischen Dimensionen von z.B. 0,01 mm2 Fläche zu großen elektrischen Ladungen führt (bei Sättigung gilt Q = 2 A P, A= Bildpunktfläche, P= spontane Polarisation), die z.B. mit kostengünstig herstellbaren amorphen Silizium - TFT während der Öffnungszeit des TFT nicht auf den Bildpunkt gelangen können. Aus diesen Gründen wurde diese Technologie bisher nicht weiterverfolgt. Während Hartmann die ladungskontrollierte Bistabilität zur Darstellung einer nahezu kontinuierlichen Grauskala ausnutzt, haben Nito et. al. eine monostabile FLC- Geometrie vorgeschlagen, siehe Journal of the SID, 1 12, 1993, Seiten 163-169, bei der das FLC-Material mit Hilfe verhältnismäßig hoher Spannungen derart orientiert wird, daß nur eine stabile Lage entsteht, aus der dann durch Anlegen eines elektrischen Feldes über einen Dünnschichttransistor eine Reihe von Zwischenzuständen erzeugt werden, die bei angepaßter Zellengeometrie zwischen gekreuzten Polarisatoren einer Reihe von verschiedenen Helligkeitsgraden (Grauwerten) entsprechen.
Ein Nachteil dieses Vorgehens ist jedoch das Auftreten einer Streifentextur im Display, die den Kontrast und die Helligkeit dieser Zelle begrenzt (siehe Abb. 8 im o.a. Zitat). Die nachteilige Streifentextur läßt sich durch eine Behandlung mit einer hohen elektrischen Spannung (20-50 V) in der nematischen bzw. cholesterischen Phase (siehe S. 168 des o.a. Zitates) zwar korrigieren; jedoch ist eine solche
Feldbehandlung nicht für die Massenfertigung von Bildschirmen geeignet und führt in der Regel auch nicht zu temperaturstabilen Texturen. Darüber hinaus ergibt diese Methode lediglich ein Schalten in einem Winkelbereich von bis zu maximal dem einfachen Tiltwinkel, der bei dem von Nito et. al. verwendeten Material bei ca. 22 ° liegt (siehe S. 165 Abb. 6) und damit nur eine Transmission von maximal 50 % der Transmission zweier paralleler Polarisatoren ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer ferroelektrischen Aktiv-Matrix-Flüssigkristallanzeige, die eine ferroelektrische Flüssigkristallmischung enthält, wobei die Flüssigkristallmischung eine monostabile Lage einnimmt, dabei jedoch keine Streifentextur bildet, temperaturstabil ist und eine sehr hohe Maximaltransmission sowie einen sehr hohen Kontrast ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein monostabiles ferroelektrisches Aktivmatrix-Display, enthaltend eine Flüssigkristallschicht in Form einer Monodomäne mit einer eindeutig definierten Richtung der Schichtennormalen z der smC*-Phase, wobei die Schichtennormale z und die Vorzugsrichtung n der nematischen beziehungsweise cholesterischen Phase (N*-Phase einen Winkel von mehr als 5° ausbilden.
Das erfindungsgemäße Aktivmatrix - FLCD enthält als optisch wirksame Schicht ein ferroelektrisch flüssigkristallines Medium (Flüssigkristallphase) mit einer Phasenfolge von
Isotrop - Nematisch oder Cholesterisch (N*)- smektisch C*
oder einer Phasenfolge
Isotrop - Nematisch oder Cholesterisch (N*)- smektisch A *- smektisch C*, wobei die smektisch A* Phase einen Existenzbereich (Phasenbereich) von maximal 2 °C, vorzugsweise maximal 1°C, besonders bevorzugt maximal 0.5°C besitzt. Der Stern (*) an der Phasenbezeichnung gibt an, daß es sich um eine chirale Phase handelt.
Die Herstellung der Displays erfolgt, vorzugsweise nach einem Verfahren, bei dem man die Flüssigkristallschicht in den Zwischenraum zwischen einer geriebenen Obersubstratplatte und einer geriebenen Untersubstratplatte des Aktiv-Matrix- Displays einbringt, wobei die Reiberichtungen auf der Ober- und Untersubstratplatte im wesentlichen parallel sind, und die Flüssigkristallphase aus der isotropen Phase abkühlt, wobei zumindest beim Phasenübergang N* → smC* beziehungsweise N* → smA* → smC* eine elektrische Gleichspannung am Display anliegt.
Die FLC-Mischung wird in ein Aktivmatrix-Display gefüllt. Die Herstellung und die Komponenten eines solchen AM-Displays ist ausführlich in der vorstehend aufgeführten Literatur von Tsukuda, beschrieben. Die Dicke der FLC-Schicht beträgt jedoch anders als bei nematischen Displays nur 0,7 bis 2,5, bevorzugt 1-2 μm. Darüber hinaus sind die Reiberichtungen auf Ober- und Untersubstratplatten im wesentlichen parallel . Der Begriff "im wesentlichen parallel" schließt antiparallele oder schwach, d.h. bis zu 10° gekreuzte Reiberichtungen mit ein.
Wichtig für die Funktionsweise dieses Displays ist nun, daß bei der Herstellung des Displays beim kontrollierten Abkühlen eine elektrische Gleichspannung, vorzugsweise unterhalb 5 V, angelegt und beim Phasenübergang N* -> smC* bzw. N-> smA* -> smC* beibehalten wird, die dazu führt, daß das gesamte Display eine monostabile Monodomäne einnimmt, die zwischen gekreuzten Polarisatoren vollkommen dunkel erscheint.
Nach Erhalt dieser Domäne wird die Gleichspannung abgeschaltet. Die so erhaltene Textur ist im Gegensatz zu Hartmanns oben angeführtemAnsatz oder im Gegensatz zu konventionellen bistabilen FLCD monostabil. Dies bedeutet, daß sich der bevorzugte n-Direktor (der die Vorzugsrichtung der Moleküllängsachsen angibt), befindet sich in Reibrichtung der Zelle befindet, wohingegen der z-Direktor (der die Vorzugsrichtung der smektischen Lagennormale angibt) sich ungefähr um den Betrag des Tiltwinkels schräg zur Reiberichtung befindet. Diese Konstellation ist gerade entgegengesetzt zur gewöhnlichen bistabilen Zelle nach Clark und Lagerwall, bei der der z-Direktor in Reiberichtung liegt.
Im Unterschied zu Nitos Ansatz gibt es bei dieser Orientierung gerade keine zwei Lagennormalen und damit keine zwei Orientierungsdomänen, die letztlich zu der oben erwähnten störenden Streifentextur führen, sondern nur eine eindeutige
Richtung des z-Direktors und daher eine Monodomäne. Darüber hinaus ist nun der zweifache Tiltwinkel, der zu 100% Transmission bezogen auf parallele Polarisatoren führt, zugänglich, d.h. es wird eine doppelte Helligkeit erzielt. Das so erhaltene Display erscheint bei geeignetem Drehwinkel zwischen gekreuzten Polarisatoren vollkommen dunkel. Bei Anlegen einer Ansteuerspannung von nur wenigen Volt erscheint es hell, wobei die Helligkeit über die Spannung kontinuierlich variiert werden kann und bei Sättigung nahezu die Helligkeit zweier paralleler Polarisationsfolien besitzt. Ein wichtiges Merkmal dieses Displays ist, daß der Winkel zwischen der Vorzugsrichtung der nematischen (bzw. cholesterischen) Phase und der Schichtennormale (z-Direktor) im Idealfall gleich dem Tiltwinkel der smektischen C-Phase ist, bzw. zumindest im wesentlichen gleich dem Tiltwinkel ist. "Im wesenlichen" im Sinne dieser Erfindung bedeutet vorzugsweise einen Wertebereich vom halben bis zum vollen, besonders bevorzugt 0,8- bis 1 -fachen Tiltwinkel, jedoch mindestens von 5°.
Das erfindungsgemäße ferroelektrische Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay ist in hohem Maße praxistauglich, insbesondere für TV und HDTV oder Multimedia, da es hohe Transmission, kurze Schaltzeit, Grauskala und daher volle Farbfähigkeit, kostengünstige Herstellung und einen weiten Temperaturbereich miteinander vereinbart. Darüber hinaus läßt sich das Display bei Spannungen von < 10 Volt, bevorzugt < 8 V, besonders bevorzugt < 5 V betreiben.
Die spontane Polarisation des erfindungsgemäßen Aktiv-Matrix-FLCD liegt vorzugsweise unterhalb 15 nC/cm2, bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 10 nC/cm2 bei der Betriebstemperatur des Displays.
Vorzugsweise beträgt in der Flüssigkristallschicht die Länge der chiral-nematischen beziehungsweise cholesterischen Ganghöhe (pitch) in einem Temperaturbereich von mindestens 2°C oberhalb des Übergangs zur smektischen Phase mehr als 50 μm.
Insbesondere wird unter Aktivmatrixdisplay im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein LCD verstanden, bei dem eines der beiden Substrate durch die Rückseite eines IC-Chips (IC = integrated circuit) ersetzt wird, wie beispielsweise bei D. M. Walba, Science 270, 250-251 (1995) beschrieben.
Die Displays können beispielsweise im TV-, HDTV- oder Multi-media-Bereich oder im Bereich der Informationsverarbeitung eingesetzt werden, z.B. in Notebook-PCs, Personal Digital Assistants oder Desktop-Monitoren.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
Beispiele
Beispiel 1
Eine FLC Mischung mit folgender Zusammensetzung wird hergestellt:
4-(5-Dodecylpyrimidin-2-yl)phenyl-4-(trans-pentylcyclohexan)carbonsäureester
27 Gew.% 2-(4-Hexyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 19,7 Gew.% 2-(4-Decyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 25,6 Gew.% 2-(4-Octyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 24,7 Gew.% (S)-2-Fluordecyl-[4-(5-Decylpyrimidin-2-yl)phenyl]ether 3 Gew.%
Die Phasenfolge beträgt:
Isotrop 83.1 °C Cholesterisch 57.7 °C Smektisch A* 57.6 °C Smektisch C*.
Der Tiltwinkel beträgt 25 ° bei 30 °C. Die spontane Polarisation beträgt 2 nC/cm2 Beispiel 2
Ein mit transparent - ieitfähigem Indium-Zinnoxid-beschichtetes Glassubstrat wird in einem photolithographischen Prozeß strukturiert, so daß ein Elektrodenmuster erhalten wird. Die transparenten Leiterbahnen dieser Elektrodenstruktur werden zur elektrischen Ansteuerung des Displays mittels eines Funktionsgenerators verwendet und so das Schaltverhalten eines Dünnschichttransistors simuliert. Zwei derartig strukturierte Glasscheiben, die die Ober- und Unterseite des Displays- also die Trägerplatten - bilden, werden mit Hilfe eines Kleberahmens zusammengefügt. Die Schichtdicke beträgt 1 ,3 μm. Der Kleber wird durch vorsichtiges Erhitzen gehärtet, die Flüssigkristallmischung aus Beispiel 1 bei 100 °C eingefüllt und die Zelle durch langsames Abkühlen auf eine Temperatur von 60 °gebracht. Bei dieser Temperatur wird eine Gleichspannung von 4 V angelegt und dann der Abkühlungsprozess bis auf 22 °C weitergeführt. Die Gleichspannung wird abgeschaltet. Es wird eine monostabile Monodomäne erhalten, die zwischen gekreuzten Polarisatoren völlig dunkel erscheint.
Die Zelle wird nun mit Rechteckpulsen variabler Amplitude beschaltet und die Transmission vermittels einer Fotodiode und eines Oszilloskops gemessen. Man erhält folgende Werte der Transmission:
Figure imgf000012_0001
Nach dem Beschälten fällt die Zelle wieder in den Dunkelzustand (0 % Transmission) zurück. Die folgende Tabelle zeigt die Schaltzeit und Relaxationszeit von maximaler Helligkeit in den Nullzustand in Abhängigkeit von der angelegten Rechteckspannung:
Figure imgf000013_0001
Alle Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 22°C.
Beispiel 3
2-(4-Hexyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 18,9 Gew.%
2-(4-Decyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 24.5 Gew.%
2-(4-Octyloxyphenyl)-5-octylpyrimidin 23.6 Gew.%
2-(2,3-Difluor-4'-pentyl-biphenyl-4-yl)-5-nonyl-pyrimidin 30,0 Gew.%
(S)-2-Fluordecyl-[4-(5-Decylpyrimidin-2-yl)phenyl]ether 3 Gew.%
Die Phasenfolge beträgt:
Isotrop 80°C Cholesterisch 60°C Smektisch C*
Die spontane Polarisation beträgt 1 ,7 nC/cm' Beispiel 4
Ein mit transparent - leitfähigem Indium-Zinnoxid-beschichtetes Glassubstrat wird in einem photolithographischen Prozeß strukturiert, so daß ein Elektrodenmuster erhalten wird. Die transparenten Leiterbahnen dieser Elektrodenstruktur werden zur elektrischen Ansteuerung des Displays mittels eines Funktionsgenerators verwendet und so das Schaltverhalten eines Dünnschichttransistors simuliert. Zwei derartig strukturierte Glasscheiben, die die Ober- und Unterseite des Displays- also die Trägerplatten - bilden, werden mit Hilfe eines Kleberahmens zusammengefügt. Die Schichtdicke beträgt 1 ,3 μm. Der Kleber wird durch vorsichtiges Erhitzen gehärtet, die Flüssigkristallmischung aus Beispiel 3 bei 100 °C eingefüllt und die Zelle durch langsames Abkühlen auf eine Temperatur von 63°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird eine Gleichspannung von 4 V angelegt und dann der Abkühlungsprozess bis auf 22 °C weitergeführt. Die Gleichspannung wird abgeschaltet. Es wird eine monostabile Monodomäne erhalten, die zwischen gekreuzten Polarisatoren völlig dunkel erscheint.
Die Zelle wird nun mit Rechteckpulsen variabler Amplitude beschaltet und die Transmission vermittels einer Fotodiode und eines Oszilloskops gemessen. Man erhält folgende Werte der Transmission:
Figure imgf000014_0001
Nach dem Beschälten fällt die Zelle wieder in den Dunkelzustand (0 % Transmission) zurück.
Die folgende Tabelle zeigt die Schaltzeit und Relaxationszeit von maximaler Helligkeit in den Nullzustand in Abhängigkeit von der angelegten Rechteckspannung:
Figure imgf000015_0001
Alle Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 22°C.

Claims

Patentansprüche
1. Monostabiles ferroelekthsches Aktivmatrix-Display, enthaltend eine Flüssigkristallschicht in Form einer Monodomäne mit einer eindeutig definierten Richtung der Schichtennormalen z der smC*-Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtennormalen z und die Vorzugsrichtung n der nematischen beziehungsweise cholesterischen Phase (N*-Phase) einen Winkel von mehr als 5° ausbilden.
2. Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der
Winkel zwischen der Schichtennormalen z der smC*-Phase und der Vorzugsrichtung n der nematischen beziehungsweise cholesterischen Phase (N*-Phase) in einem Bereich des 0,5-fachen bis 1 ,0-fachen des smC*- Tiltwinkels liegt.
Aktivmatrix-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Flüssigkristallschicht eine Phasenfolge
l*-N*-smC
besitzt, wobei zwischen der N*- und der smC*-Phase eine smA*-Phase mit einem Existenzbereich von maximal 2°C liegen kann.
4. Aktivmatrix-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Spontanpolarisation der ferroelektrischen Flüssigkristallphase kleiner als 15 nC/cm2 ist.
5. Aktivmatrix-Display nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkristallschicht die Länge der chiral-nematischen beziehungsweise cholesterischen Ganghöhe (pitch) in einem Temperaturbereich von mindestens 2°C oberhalb des Übergangs zur smektischen Phase mehr als 50 μm beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung von Aktivmatrix-Displays nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem man die Flüssigkristallschicht in den Zwischenraum zwischen einer geriebenen Obersubstratplatte und einer geriebe- nen Untersubstratplatte des Aktiv-Matrix-Displays einbringt, wobei die
Reiberichtungen auf der Ober- und Untersubstratplatte im wesentlichen parallel sind, und die Flüssigkristallphase aus der isotropen Phase abkühlt, wobei zumindest beim Phasenübergang N* → smC* beziehungsweise N* → smA* → smC* eine elektrische Gleichspannung am Display anliegt.
Aktivmatrix-Display, herstellbar nach dem Verfahren gemäß Anspruch 6.
8. Verwendung von Aktivmatrix-Displays nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 im TV-, HDTV- oder Multimedia-Bereich oder im Bereich der Informationsverarbeitung.
9. Verwendung nach Anspruch 8 in Notebook-PCs, Personal Digital Assistants und Desktop-Monitoren.
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