DE3919839A1

DE3919839A1 - Fluessigkristall-schalt- und anzeige-element

Info

Publication number: DE3919839A1
Application number: DE3919839A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Escher; Hans-Rolf Dr Duebal; Takamasa Harada; Gerhard Dr Illian; Mikio Murakami; Dieter Dr Ohlendorf
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1989-06-17
Filing date: 1989-06-17
Publication date: 1990-12-20
Also published as: US5353136A; KR920702780A; WO1990016007A1; EP0477257A1; JPH05500866A

Description

Schalt- und Anzeigeelemente, bei denen ferroelektrische Flüssigkristalle als Schalt- und Anzeigemedium dienen (FLC-Displays), sind beispielsweise in der US-PS 43 67 924 beschrieben. Sie enthalten eine Schicht aus einem ferroelektrischen flüssigkristallinen Medium (FLC), die beiderseitig von elektrisch isolierenden Schichten, Elektroden und Begrenzungsscheiben, üblicherweise Glasscheiben, eingeschlossen ist. Außerdem enthalten sie einen Polarisator, wenn sie im Guest-Host-Mode, und zwei Polisatoren, wenn sie im Doppelbrechnungs-Mode betrieben werden. Die elektrisch isolierenden Schichten sollen elektrische Kurzschlüsse zwischen den Elektroden und die Diffusion von Ionen als dem Glas der Begrenzungsscheiben in den FLC verhindern. Ferner dient mindestens eine und vorzugsweise beide der isolierenden Schichten als Orientierungsschicht, die den FLC in eine Konfiguration bringt, bei der die Moleküle des FLC mit ihren Längsachsen parallel zueinander liegen, und in der die smektischen Ebenen senkrecht oder schräg zur Orientierungsschicht angeordnet sind. In dieser Anordnung gibt es für die FLC-Moleküle zwei mögliche und gleichwertige Orientierungen, in die sie durch pulsartiges Anlegen eines elektrischen Feldes gebracht werden können. Sie verharren jeweils in der zuletzt erzeugten Orientierung, auch wenn das Feld abgeschaltet oder das Display kurzgeschlossen wird. FLC-Display sind also bistabil schaltbar. Die Schaltzeiten liegen im Bereich von µs und sind um so kürzer, je höher die spontane Polarisation des verwendeten FLC ist.

Gegenüber den bisher verwendeten Flüssigkristalldisplays, die alle nicht ferroelektrisch sind, haben FLC-Displays insbesondere den Vorzug, daß das erreichbare Multiplexverhältnis, d. h. die maximale Zahl der im zeitlich sequentiellen Verfahren ("Multiplex-Verfahren") ansteuerbaren Zeilen, sehr viel größer ist als bei den bekannten nicht ferroelektrischen Displays.

Ein gravierender Nachteil von FLC-Displays bildet ihr bislang zu geringer optischer Kontrast bei Multiplexansteuerung. Bei dieser Ansteuerungsform kommt nicht der maximal mögliche Schaltwinkel zum Tragen, sondern lediglich ein sogenannter effektiver Schaltwinkel Reff. Die Gründe dafür werden in unerwünschten Twistzuständen oder im Vorliegen geneigter smektischer Schichten gesehen [siehe N. Hÿi, Y. Ouchi, H. Takezoe, A. Fukuda, Jap. J. Appl. Phys. 27, 8 (1988)]. Um den Kontrast zu verbessern sind spezielle Ansteuerungsschemata entwickelt worden, die bei dielektrisch negativem FLC-Material (d. h. LC-Material mit Δε <0) zu einer Aufweitung des effektiven Schaltwinkels Reff führen [siehe T. Umeda, T. Nagata, A. Mukoh, Y. Hori, Jap. J. Appl. Phys. 27, 2187 (1988) und Y. Sato, T. Tanaka, M. Nagata, H. Takeshita, S. Morozumi, Proc. 6th Intl. Display Res. Conf. 1986, p. 348].

Obwohl diese Methode gewisse Kontrasverbesserungen ergibt, sind diese noch keineswegs ausreichend. Dazu ergeben sich unerwünschte Nebeneffekte vor allem dann, wenn man durch entsprechende Adressierung versucht, den Effekt der Kontrastverbesserung zu maximieren. Bei diesen unerwünschten Effekten handelt es sich um irreversible Umwandlungen in der Geometrie der FLC-Zelle, sogenannte Texturumwandlungen [siehe H.-R. Dübal, C. Escher, D. Ohlendorf, Proc. 6th Intl. Symp. on Electrets, Oxford, England 1988, p. 334]. Diese Umwandlungen sind deshalb ungünstig, weil sie die Schaltzeiten des Displays erheblich verlängern.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß auch bei dielektrisch positivem FLC-Material (FLC-Material mit Δε < 0) durch entsprechende Multiplexadressierung eine Vergrößerung des effektiven Schaltwinkels und damit des Kontrastes möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß eine Texturumwandlung auch bei Maximierung des Effektes nicht oder zumindest nur in sehr geringem Maße auftritt.

Als besonders geeignet erweist sich flüssigkristallines Material, das eine S_C*-, S_F*-, S_G*-, S*- oder S_J*-Phase ausbildet. Auch besonders geeignet ist ein FLC-Material, das eine N*-Phase in einem Temperaturbereich oberhalb der ferroelektrischen Phase besitzt, da in diesem Fall die Orientierbarkeit des LC-Materials besser ist.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelementes wird durch die Fig. 1 und 2 verdeutlicht. Das Flüssigkristallelement besteht aus zwei transparenten Scheiben (12, 12′) und einem von Dichtungsmaterial (14) umrandeten Zwischenraum (16). Die transparenten Scheiben bestehen aus Glas, Plastik oder einem ähnlichen Material. In den Zwischenraum (16) wird das flüssigkristalline Material eingefüllt. Auf der Innenseite der transparenten Scheiben befinden sich ebenfalls transparente Elektroden (18), die beispielsweise aus ITO bestehen. Auf beiden Seiten des Zwischenraumes befinden sich ferner Orientierungsschichten (20). Als Abstandshalter (22) dienen z. B. kugelförmige Gebilde einheitlichen Durchmessers, die gleichmäßig zwischen beiden transparenten Scheiben 12 und 12′ verteilt sind. Das ferroelektrisch, flüssigkristalline Material wird durch Orientierungsschichten, die durch Reiben ausgerichtet sind, orientiert.

Beim Einfüllen des chiralen, smektischen Flüssigkristallmaterials in eine dünne Zelle wird die Helix entwunden. Bei Verwendung einer einachsigen Orientierungsschicht bildet sich eine Chevron-Struktur aus, was für geneigte smektische Flüssigkristalle charakteristisch ist, insbesondere für den Fall, daß beim Abkühlen in die geneigte smektische Phase eine orthogonale smektische Phase durchlaufen wird. In der smektischen C*-Phase besitzen die Moleküle in dünnen Zellen zwei stabile Zustände. Um die Ausbildung einer Chevron-Struktur zu vermeiden, kann man z. B. eine Orientierungsschicht aus schräg bedampftem Siliziumoxid verwenden, was jedoch hohe Kosten verursacht und zu relativ langen Schaltzeiten führt.

Flüssigkristallmolekühle neigen dazu, sich parallel zu den transparenten Scheiben auszurichten (außer bei Verwendung von stark geneigten Orientierungsschichten). Wegen der Ausbildung einer Chevron-Struktur und der Tendenz der Moleküle sich parallel auszurichten ist der Winkel zwischen zwei stabilen Molekülzuständen kleiner als der ursprünglichen Kegelwinkel des flüssigkristallinen Materials. Dieser Winkel wird effektiver Kegelwinkel 2 Reff genannt.

Das bedeutenste Merkmal des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelements besteht darin, daß der effektive Kegelwinkel ausgeweitet werden kann, ohne daß eine irreversible Texturänderung auftritt. Auch Zwischenwerte des Kegelwinkels 2 Reff können gezielt durch die angelegte Spannung angesteuert werden, so daß Graustufen erzeugt werden können.

In Fig. 3 ist die an das LC-Element angelegte Spannung gegen die Zeit aufgetragen. Ein Puls mit hoher Spannung (V_s) führt dazu, daß die Moleküle von einem Zustand in den anderen schalten können. Die danach folgenden, kleineren Wechselstromimpulse (V_ac), die gleichlang oder kürzer sind, stabilisieren die Moleküle, erlauben aber kein weiteres Schalten.

Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel verdeutlicht:

Beispiel 1

Eine Mischung M2 aus folgenden zwei Komponenten

1a) 5-Octyl-2-[4-(8-cyclopropyl-octyl)-phenyl]-pyrimidine

1b) (2s,3s)-2-Chlor-3-methyl-pentansäure-4-[(2-nonyloxy-pyrimidin)-5-yl]--phenylester
besitzt folgende Phasenfolge

Diese LC-Mischung wird im oben beschriebenen Flüssigkristallelement durch eine parallel geriebene Orientierungsschicht ausgerichtet. Der effektive Kegel-Winkel 2 Reff beträgt bei 38°C 10 Grad, Δε ist bei 10 KHz gerade +0,6

Wie Fig. 5 zeigt, wächst der effektive Kegel-Winkel 2 Reff bei einer angelegten Spannung V_ac von mehr als 15 Volt annähernd proportional zur Spannung. Im Vergleich zu mit negativ dielektrischen LC-Mischungen (negatives Δε) bestückten Flüssigkristallelementen lassen sich an die erfindungsgemäßen Flüssigkristallelemente auch Spannungen größer als 25 Vol anlegen, ohne daß eine plötzliche Texturänderung auftritt. Texturänderungen in Flüssigkristallelementen mit dielektrisch negativem ferroelektrischem Flüssigkristallmaterial wurden z. B. geschildert von H.-R. Dübal et al. Proceedings of the 6th International Symposium on Electrets, Oxford, England, 1988, p. 334-338.

Bei LC-Mischungen mit negativen Δε kann die austretende Texturänderung durch eine Deformation der Schichtstruktur erklärt werden. Die Schichtstruktur bei dielektrisch positiven LC-Mischungen wird nicht deformiert.

Bei dielektrisch positiven LC-Mischungen kann die Molekülbewegung durch die Rotation des Direktors auf einem Kegelmantel veranschaulicht werden, wie in Fig. 6 verdeutlicht wird. Die optischen Eigenschaften des LC-Elementes werden durch die effektive Ausrichtung der Moleküle bestimmt, was hier der Projektion der Moleküle auf die Ebene des Glases der LC-Zelle entspricht. Die Moleküle richten sich parallel zu den Glasscheiben aus. Aufgrund der Ausbildung einer Chevron-Struktur in der LC-Schicht ist die Achse des smektischen Neigungskegels zur Glas- bzw. Orientierungsschicht geneigt, was zu einer Verkleinerung des effektiven Kegel-Winkels führt. Wird nun, wie in Fig. 6, 7 angedeutet, zunächst eine Spannung angelegt, die groß genug ist, daß die Moleküle auf dem Kegelmantel frei rotieren können und anschließend eine solche Spannung, daß die Moleküle nicht mehr rotieren können aber noch stabilisiert sind, so ist dieser Zustand durch ein Gleichgewicht zwischen elektrischem Drehmoment und demjenigen der Orientierungsschicht charakterisiert. Als Folge davon wird der effektive Kegel-Winkel größer.

Das erfindungsgemäße Flüssigkristallelement, das als ferroelektrisches, smektisches Material eine dielektrisch positive LC-Mischung enthält, hat den großen Vorteil, bedingt durch einen großen Kegel-Winkel einen guten Kontrast zu besitzen und zudem bei höheren Spannungen keine irreversiblen Texturänderungen aufzuweisen, so daß auch bei längerer Benutzung und häufigem Schalten keine Verminderung des Kontrastes auftritt.

Vergleichsbeispiel

Zur Verdeutlichung des Vorteils des erfindungsgemäßen Flüssigkristallelementes wird eine dielektrisch negative Mischung M1 aus drei Komponenten hergestellt:

4-(8-Cyclopropyl-octyloxy)2,3-difluorbenzoesäure 4′-oxtyloxy-phenylester

4-(4-Cyclopropyl-butyloxy)-2,3-difluorbenzoesäure
4′-(2-octyloxy-pyrimidin-5-yl)-phenylester

(2s,3s)-2-Chlor-3-methyl-pentansäure-4′-(2-nonyloxy-pyrimidin-5-yl)--phenylester

Diese Mischung besitzt folgende Phasenfolge:

Bei 10 KHz ist Δε = -0,8, der effektive Kegelwinkel 2 Reff beträgt 10 Grad.

Die Abhängigkeit des effektiven Kegel-Winkels von der angelegten Spannung V_ac wird in Fig. 4 aufgezeigt. Der Schwellenwert der Spannung ist vom Absolutwert von Δε abhängig, soll die Schwellenspannung kleiner sein, so muß der Betrag von Δε größer sein.

Wie in Fig. 4 leicht erkennbar ist, ändert sich der effektive Kegelwinkel in einem relativ engen Spannungsbereich (hier von 7 bis 10 Volt) von 10 Grad auf über 35 Grad.

Oberhalb von 9 Volt führt eine Spannungserhöhung zu keiner weiteren Aufweitung des effektiven Kegel-Winkels mehr, es tritt eine irreversible Texturänderung auf. Dieses Phänomen von negativ dielektrischen LC-Mischungen wird durch eine Dreh-Information der Flüssigkristallschicht verursacht.

Das Auftreten von Texturänderungen beim Anlegen höherer Spannung führt dazu, daß in der Flüssigkristallphase des Schaltelementes mit zunehmender Betriebsdauer Defekte auftreten, die den Kontrast nachteilig beeinflussen und die Schaltzeiten erhöhen.

Claims

1. Flüssigkristallelement bestehend aus einem Gehäuse, das zwischen zwei transparenten Scheiben einen von Dichtungsmaterial umrandeten Zwischenraum enthält, und zusätzlich mindestens einer Polarisationsfolie, mindestens einer Orientierungsschicht, ferner zwei Elektroden auf beiden Innenseiten der transparenten Scheiben sowie einem in dem Zwischenraum befindlichen, flüssigkristallinen, ferroelektrischen smektischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Material erstens eine, im Bezug zu den Elektroden geneigte Schichtstruktur bildet, und die Ausbildung einer Helix unterdrückt ist und zweitens eine spontane Polarisation und eine positive dielektrische Anisotropie aufweist, die beide eine nicht vernachlässigbar kleine Wechselwirkung mit einem von außen angelegten elektrischen Feld besitzen, wodurch ein wiederholbares Schalten des flüssigkristallinen Materials ermöglicht wird.

2. Flüssigkristallelement nach Anspruch 1, worin das flüssigkristalline Material eine S_C*-, S_F*-, S_G*-, S_I*- oder S_J*-Phase ausbildet.

3. Flüssigkristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Material in einem Temperaturbereich oberhalb der ferroelektrischen Phase eine N*-Phase besitzt.

4. Flüssigkristallelement nach Anspruch 1, worin die Flüssigkristallschicht eine Chevron-Struktur aufweist.

5. Flüssigkristallelement nach Anspruch 1, worin die Graustufen mit Hilfe des Effektivwertes der Spannung gesteuert werden können.