DE2508913A1

DE2508913A1 - Fluessigkristall-anordnung und herstellungsverfahren dafuer

Info

Publication number: DE2508913A1
Application number: DE19752508913
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Raynes
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1976-01-29
Also published as: FR2268277B2; JPS5826006B2; FR2268277A2; GB1478592A; DE2508913C2; JPS519856A; CH575605A5

Description

Flüssigkristall-Anordnung und Herstellungsverfahren dafür

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristall-Anordnungen.

Unter den bekannten Plüssigkristall-Anordnungen, bei denen elektrooptische Effekte verwendet werden und die entsprechend Anwendung zu Anzeigezwecken finden, genießen in jüngster Zeit gedrehte bzw. verdrehte Anordnungen außerordentlich großes Interesse. Diese Anordnungen werden durch Herstellen einer gedrehten nematischen zelle und Einbringen zwischen optische Polarisatoren erzeugt. Die zelle wird, üblicherweise so hergestellt, daß die Oberflächen der beiden Glassubstrate, d.h. der Deckgläser oder -platten, auf denen zuvor transparente leitende Elektroden aufgebracht wurden, in einer einsigen Richtung weich poliert bzw. gerieben werden, worauf die Oberflächen an-

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schließend so einander gegenübergestellt werden, daß ihre Polierrichtungen aufeinander senkrecht stehen, und eine Schicht eines nematischen Flüssigkristall-Materials zwischen die beiden Flächen eingebracht wird. Die Moleküle in der Schicht besitzen längliche Form: diejenigen Moleküle, die in unmittelbarer Mähe der Oberflächen liegen, richten ihre Achsen nach den PoIierrichtungen der entsprechenden Oberflächen aus; die Achsen der Moleküle im Inneren der Schicht sind in dazifi sehen!legenden Richtungen in einer Anordnung ausgerichtet, die einer etwa 90 entsprechenden allmählichen Drehung der Molekülachsenrichtung durch die Schicht hindurch entspricht, d.h. einer Vierteldrehung einer Helix. Im Betrieb wird die Intensität des durch die gedrehte nematische Anordnung durchfallenden Lichts durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den transparenten leitenden Elektroden an den beiden Innenflächen moduliert, wodurch eine Wiederausrichtung der Flüssigkristallmoleküle erzeugt wird.

Es wurde festgestellt, daß die in unmittelbarer Nähe der polierten Flächen liegenden Flüssigkristallmoleküle nicht genau in der Ebene dieser Flächen liegen, sondern im allgemeinen einen mittleren Winkel von etwa 2 ° zu den Polierrichtungen der Oberflächen einnehmen.

Eine Alternative zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle durch das erwähnte Polieren besteht darin, die Flüssigkristall-Moleküle alternativ durch die sog. Sehrägbedampfung auszurichten. Moleküle eines transparenten dielektrischen Materials werden auf entsprechenden Flächen der transparenten Substrate in einer Richtung aufgebracht (im folgenden als Bedampfungsrichtung bezeichnet), die sich in einem Winkel (im folgenden als Bedampfungswinkel bezeichnet) zu diesen Flächen befindet, wodurch ein Be-

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schichtungsfilm auf ihnen erzeugt wird. Diese Schichten kommen zu den transparenten leitenden Elektrodenschichten hinzu, die sich bereits auf diesen Flächen befinden. Die Flüssigkristall-Moleküle werden durch die aufgebrachten Beschichtungen ausgerichtet.

Bei Anwendung des Verfahrens der Schrägbedampfung unter einem, unterhalb eines kritischen Werts von etwa 15 ° liegenden Bedampfungswinkel bilden die Flüssigkristall-Moleküle eine Anordnung aus, die derjenigen ähnlich ist, die nach dem Polierverfahren erhältlich ist, d.h., daß sich die Achsen der Flüssigkristallmoleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Glasoberfläche befinden, im allgemeinen einen Winkel zu dieser Oberfläche bilden· in diesem Fall beträgt der mittlere winkel allerdings nicht .2 °, sondern etwa J5O °.

Wenn andererseits unter einem Bedampfungswinkel schräg bedampft wird, der über dem erwähnten kritischen Wert, d.h. über etwa 15 ° liegt, jedoch unter einem anderen, bei etwa 45 ° liegenden kritischen Wert bleibt, bilden die Flüssigkristall-Moleküle eine abweichende Anordnung aus, bei der die mittlere Richtung, in der ihre. Achsen liegen, durch die gesamte Flüssigkristallschicht hindurch in der Ebene der Glasoberflächen liegt.

Unter "Flüssigkristall-Zelle" ist im folgenden eine Anordnung verstanden, die zwei einander gegenüberliegende Substratflächen aufweist, die auf ihrer Innenfläche eine Schicht eines Elektrodenmaterials tragen, wobei zumindest eines der Substrate und die entsprechende Schicht des Elektrodenmaterials optisch transparent sind; zwischen den inneren Substratflächen befindet sich dabei eine Schicht

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eines flüssigkristallinen Materials, dessen Moleküle so angeordnet sind, daß ihre örtlichen mittleren Achsenrichtungen von einer Innenfläche zur anderen eine fortschreitende Drehung ergeben.

Unter optisch transparent wird des weiteren verstanden, daß nicht nur im sichtbaren Teil, sondern auch im ultravioletten und infraroten Teil des Spektrums Durchlässigkeit vorliegt.

Wenn das verwendete flüssigkristalline Material nematisch ist und die Innenflächen der optisch transparenten Substrate jeweils auf eine der genannten Arten behandelt wurden, d.h. durch Polieren, durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel unter etwa 15 ° oder durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel im Bereich von etwa 15 bis etwa 45 ° treten zwei Schwierigkeiten bei derartigen Flüssigkristall-Zellen auf, die sich folgendermaßen äußern: Wenn eine Anordnung mit einer derartigen Zelle von einem Beobachter unter einem Winkel beobachtet wird, zeigt sie Unvollkommenheiten wie Flecken, was insbesondere bei der Anwendung in Anzeigevorrichtungen sehr unerwünscht ist. Die beiden damit verbundenen Probleme, die im folgenden näher diskutiert werden, werden als "umgekehrte Drehung" ("reverse twist") und als "umgekehrtes Umklappen der Orientierung" ("reverse tip") bezeichnet.

In der GB-Patentanmeldung 8042/74 ist eine Möglichkeit angegeben, wie die genannten Probleme vermieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flüssig-

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kristall-Vorrichtungen anzugeben, die frei von den genannten Nachteilen sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Flüssigkristall-zelle der zuvor definierten Art gelöst, die als flüssiglcristallines Material ein natürliches optisch aktives Material enthält, das eine natürliche molekulare Helixsteigung von zumindest dem doppelten Abstand der beiden Substrat-Innenflächen der Zelle aufweist, wobei die mittlere Richtung der Molekülachsen des flüssigkristallinen Materials in unmittelbarer Nachbarschaft der einen Innenfläche in einem Winkel zu dieser Fläche liegt und die mittlere Richtung der Molekülachsen des flüssigkristallinen Materials in unmittelbarer Nachbarschaft der anderen Innenfläche im allgemeinen parallel zu dieser anderen Fläche liegt.

Die Bezeichnung "natürliches optisch aktives Material" ist dabei gewählt, um ein Material, das in der Zelle wie auch außerhalb der zelle optisch aktiv ist, von einem Material wie etwa einem reinen nematisehen Material zu unterscheiden, das nur innerhalb einer zelle optisch aktiv ist.

Erfindungsgemäß verwendbare optisch aktive flüssigkristalline Materialien sind folgende;

(1) Natürliche chclesterinische flüssigkristalline Materialien, deren molekulare helikale Anordnungen geeignete Steigung aufweisen;

(2) Gemische aus nematischen und cholesterogenen Materialien, d.h. solchen, die zur Bildung einer cholesterinischen flüssigkristallinen Phase in der Lage sind, in Mengenverhältnissen,

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daß die entsprechende molekulare helikale Anordnung geeignete Steigung besitzt;

(3) Gemische aus nematischen Materialien und nichtflüssigkristallinen optisch aktiven Materialien in solchen Mengenverhältnissen, daß die molekulare helikale Anordnung geeignete Steigung aufweist.

Die zelle wird vorzugsweise durch Behandlung der beiden Innenflächen nach dem Schrägbedampfungsverfahren unter Verwendung eines Bedampfungswinkeis im Bereich von etwa 15 ° bis etwa 45 ° und durch anschließende Behandlung der einen Innenfläche nach dem beschriebenen Polierverfahren erzeugt, bevor das optisch aktive flüssigkristalline Material zwischen die Innenflächen eingebracht wird. In diesem Fall liegt die Polierrichtung senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die betreffende Innenfläche.

Alternativ dazu kann die eine Innenfläche nach dem Polierverfahren allein oder dem Schrägbedampfungsverfahren allein unter Verwendung eines BedampfungswinkeIs unterhalb etwa 15 ° behandelt werden.

Die oben erwähnte problematische "umgekehrte Drehung", die bei nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten gedrehten nematischen zellen auftritt, entsteht folgendermaßen: Im Idealfall sollte die Anordnung der Moleküle in einer gedrehten nematischen zelle eine einzige Drehrichtung aufweisen, so daß die Polarisationsebene von durch die zelle hindurchtretendem Licht in einem einzigen Drehsinn gedreht wird. Wenn das flüssigkristalline Material allerdings ^e-to natürliches nematisches Material ist, besitzen seine Moleküle eine Anordnung, die bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes in manchen Zonen in der einen

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Richtung und in anderen Zonen in der entgegengesetzten Richtung dreht. Eine derartige Anordnung ist bleibend, da eine Drehung in einer Richtung im Vergleich zu einer Drehung in der dazu entgegengesetzten Richtung energetisch gleichwertig ist.

Das erwähnte problematische "umgekehrte Umklappen der Orientierung" tritt ebenfalls in nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten gedrehten nematischen Zellen auf und entsteht folgendermaßen: Beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den transparenten leitenden Gebieten (d.h. den Elektroden der Anordnung) auf den entsprechenden Innenflächen der transparenten Substrate einer gedrehten nematisehen zelle werden die Flüssigkristall-Moleküle im elektrischen Feld umorientiert, wobei das Ausmaß der Umorientierung nach dem Inneren der Flüssigkristallschicht hin ansteigt. Die innen befindlichen Moleküle können anfänglich in der Ebene der beiden Innenflächen liegen; es ist infolgedessen für diese Moleküle energetisch gleich günstig, sich im elektrischen Feld im Uhrzeigersinn, wie bei einem Teil der Molekülen der Fall, oder entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn umzuorientieren, was bei den übrigen Molekülen der Fall ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Problem der umgekehrten Drehung durch Verwendung des optisch aktiven flüssigkristallinen Materials vermieden, wodurch die Flüssigkristall-Moleküle die Tendenz haben, sich in einer ausschließlich einsinnigen Drehung anzuordnen; das Problem des umgekehrten Umklappens der Orientierung wird durch Behandlung der Innenflächen der Substrate in der Weise vermieden, daß die Flüssigkristall-Moleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer der Innenflächen be-

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finden, im allgemeinen in einem Winkel zu dieser Fläche liegen und die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der anderen Innenfläche im allgemeinen in der Ebene dieser Fläche liegen, wodurch die Moleküle im Inneren der Schicht im elektrischen Feld alle in der gleichen Weise umorientiert werden.

Das infolge der Orientierungsdegeneration der Flüssigkristall-Moleküle im "Ein"- bzw. "Aus"-Zustand auftretende fleckige Aussehen gedrehter nematischer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen und damit die beiden damit verbundenen Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein natürliches, optisch aktives Material als flüssigkristallines Material verwendet wird, das eine molekulare Helixsteigung aufweist, die nicht kleiner ist als der doppelte Abstand zwischen den Substratflächen der ZeIlanordnung, sowie durch in der Weise vorgenommene Behandlung und folgende Anordnung der Substratflächen, daß die in unmittelbarer Nachbarschaft der einen Substratfläche befindlichen Flüssigkristall-Moleküle in der Ebene der Substratfläche liegen, während die Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der anderen Substratfläche schräg zur entsprechenden Fläche liegen, wodurch die Moleküle im Inneren der Schicht leicht schräg zu beiden Flächen orientiert sind. Beide Substrate können mit einer dielektrischen Schicht unter einem Bedampfungswinkel im Bereich 15" ° {- θ¹ ^=. 45 ° bedampft werden· eines der Substrate kann poliert sein,bevor die entsprechenden Projektionen der Bedampfungsrichtung der Substrate aufeinander senkrecht stehen"! eingestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie der Zeichnung näher erläutert] es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise im Querschnitt und teilweise in Form einer schematischen Schaltung dargestellte Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2a - 2d Querschnittszeichnungen zur Erläuterung der Molekülanordnung in verschiedenen Flüssigkristallzellen;

Fig. 3> eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsge. maß hergestellten Flüssigkristall-Anordnung sowie

Fig. 4 eine teilweise abgeschnittene Vorderansicht eines Teils der in Fig. j5 dargestellten Anordnung.

'ö'

Eine erfindungsgemäße und wie zuvor definiert aufgebaute Flüssigkristall-Zelle ist nach folgendem Verfahren herstellbar: Die Oberflächen von zwei Glasscheiben (dünnen Glasplatten), die als optisch transparente Substrate dienen sollen, werden zunächst sorgfältig gereinigt. Anschließend wird nach einem bekannten Verfahren ein dünner Film eines transparenten leitenden Materials wie Zinnoxid auf der Oberfläche oder ausgewählten Teilen der Oberfläche einer jeden Platte aufgebracht, wodurch die Elektroden der Anordnung erzeugt werden; wenn der Film an ausgewählten Teilen der entsprechenden Oberflächen erzeugt werden soll, kann beispielsweise eine einzige Schicht aufgebracht werden, die selektiv fotogeätzt wird. Die Scheiben v/erden anschließend nach dem Schrägbedampfungsverfahren beschichtet, wie im folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 näher erläutert wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung befindet sich eine Glocke 21 auf einer isolierenden Grundplatte 25

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mit einem Pumpanschluß 25, der zu einer (nicht gezeichneten) Vakuumpumpe führt, mit der die Glocke 21 evakuiert werden kann. Ein aus Wolfram oder Molybdän bestehender Tiegel befindet sich im Inneren der Glocke 21 in der Nähe der Grundplatte. Der Tiegel 27 enthält einige Gramm Magnesiumfluorid-Kristalle 28. Der Tiegel 27 weist zwei nach unten zeigende Arme 27a und 27b auf, die mit elektrischen Anschlüssen 29 bzw. 31 verbunden sind. Außerhalb der Glocke 21 sind eine herkömmliche Stromquelle 33 und ein elektrischer Schalter 35 in Serie mit den Leitungen 29 und 3I verbunden. Innerhalb der Glocke 21 befindet sich direkt über dem Tiegel 27 eine Glasplatte 37 in einem Winkel $~ zur senkrechten Achse der Glocke 21, wobei ^ im Bereich · 15°^ ^ έ 45 ° liegt.

Die Glocke 21 wird zunächst auf ein Vakuum von etwa 10 ^ Torr ausgepumpt, wobei der Schalter 35 offen ist. Anschließend wird der Schalter 35 geschlossen und die Leistung der Stromquelle 33 so eingestellt, bis der Tiegel 27 auf der zur Verdampfung der Magnesiumfluorid-Kristalle 28 geeigneten Temperatur glüht. Der dazu erforderliche Strom liegt typischerweise bei etwa 100 A, wobei Temperaturen im geeigneten Bereich von 700 - 1000 °C erzeugt werden. Die Magnesiumfluorid-Kristalle werden anschließend verdampft, wobei sich ein aufwärts gerichteter Strom von Molekülen ausbildet, wie in der zeichnung mit dem Symbol S angedeutet ist; der Strom S fällt dabei unter dem Winkel ^ auf die Glasplatte 37 auf, die entsprechend beschiebtet wird. Der Winkel *T stellt dabei den erwähnten Bed amp fun.^s winkel dar, die Richtung S des Molekülstroms entspricht der erwähnten Bedampfungsrichtung. Die Dicke der Beschichtung liegt normalerweise zwischen 100 und 1000 JÜ. Die Schichtdicke kann dabei aus einer vor dem Einbringen der Glasplatte 17 in die Glocke

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vorgenommenen Eichung der Apparatur (Schichtdicke gegen Zeit) bestimmt werden. Nach Erzeugung einer geeignet dicken Beschichtung wird die Leistung der Quelle 33 verringert, der Schalter 35 geöffnet und die Glocke mit Inhalt abkühlen gelassen; der Druck wird anschließend auf Atmosphärendruck gesteigert und das Glasplättchen 17 aus der Glocke entnommen.

Das zur Erzeugung der molekularen Beschichtung verwendete Material muß dabei nicht notwendig aus Magnesiumfluorid bestehen, es wird jedoch vorzugsweise verwendet. Alternativ können auch Siliciummonoxid oder andere geeignete optisch transparente Materialien verwendet werden; derartige Materialien müssen elektrisch isolierend sein, damit keine elektrische Störung des transparenten leitenden Films auftritt.

Zwei Glasscheiben, aus denen die zelle hergestellt werden soll, werden in derselben_weise wie die Glasplatte 17 in Fig. 1 beschichtet. Die beiden Gläser können dabei getrennt oder zusammen beschichtet werden. In jedem Falle werden die beiden Gläser im gleichen Winkel or zum Strom S mit ihren entsprechenden Oberflächen angebracht, die den dem Strom S gegenüberliegenden transparenten leitenden Film enthalten.

Nach der Schragbedampfung der Scheiben wird eine von ihnen etwa fünfmal mit einem weichen Stoff wie Baumwolle auf der Beschichtung in einer einzigen Richtung gerieben, entsprechend dem üblichen erwähnten Polierverfahren. Die Reibrichtung wird dabei senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die entsprechende Scheibe eingestellt, d.h. die Richtung des Stroms S, von dem sie beschichtet wurde. Die Flüssigkristall-Moleküle liegen

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infolgedessen anschließend mit ihrer Projektion auf diese Scheibe im allgemeinen senkrecht zur Projektion der Schrägbedampf ungsrichtung auf diese Scheibe. Dies ist eine Folge der Verwendung eines Schrägbedampfungswinkels im Bereich von etwa I5 ° bis etwa 45 °.

Nachdem eine der beiden Scheiben gerieben wurde, werden die beiden Scheiben parallel ausgerichtet und nahe aneinander gebracht, so daß ihre entsprechenden Beschichtungen einander gegenüberstehen und einen Abstand von I5 ,um (15 · ΙΟ" m) aufweisen, also die typische Dicke einer Flüssigkristallschicht. Die wechselseitige Anordnung der Beschichtungen auf den beiden Scheiben ist also so, daß die entsprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben aufeinander senkrecht stehen.

Der Spalt zwischen den beiden Scheiben wird anschließend mit einem geeigneten optisch aktiven flüssigkristallinen Material, das im folgenden näher erläutert wird, gefüllt, um das Problem der umgekehrten Drehung zu vermeiden. Die Scheiben können beispielsweise durch entsprechende Distanzstücke auseinandergehalten werden, und das flüssigkristalline Material kann zur Bildung einer Flüssigkristallschicht durch Kapillarwirkung in den Spalt eingebracht werden. Die Flüssigkristall-Moleküle ordnen sich in folgender Weise an. Die Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriebenen Scheibe liegen im allgemeinen in einer Richtung, die in der Ebene dieser Scheibe liegt,und senkrecht zur Projektion der ochrägbedampfungsrichtung auf die Scheibe. Diejenigen Flüssigkristall-Moleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der geriebenen Scheibe befinden, liegen mit ihren Achsen in einer Richtung, die einen kleinen Winkel, d.h. etwa 2 °, zur geriebenen Scheibe bildet; die Projektion

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dieser Richtung ist senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die Scheibe. Die Flüssigkristall-Moleküle im Inneren der Schicht sind in Richtungen angeordnet, die zwischen denen der in unmittelbarer Nachbarschaft der jeweiligen Scheiben befindlichen Moleküle liegen.

Das Problem des "umgekehrten Umklappens der Orientierung", das bei in einer der angegebenen Arten hergestellten gedrehten nematischen Zellen auftritt, kann erklärt werden, indem zunächst eine einfache nematische Flüssigkristallzelle ohne Drehung betrachtet wird, d.h. eine zelle, bei der die Projektionen der Flüssigkristall-Moleküle auf die Glasscheiben sämtlich in der gleichen allgemeinen Richtung liegen, worauf eine Drehung einer der beiden Scheiben um die ihnen gemeinsame Achse um 90 ° betrachtet wird. .

Zunächst sei der Fall betrachtet, bei dem eine einfache nematische Flüssigkristall-Zelle durch Behandlung ■ der Glasoberflächen durch Schrägbedampfung allein unter Verwendung eines Bedampfungswinkels im Bereich von I5 45 ° hergestellt wird. Fig. 2a erläutert die molekulare Anordnung einer derartigen Zelle. Die Flüssigkristall-Moleküle, bezeichnet mit M, liegen im allgemeinen in der Ebene der Glasplatten, bezeichnet mit L, und zeigen alle in die gleiche allgemeine Richtung. Wird nun eine der Scheiben L um eine Achse z, senkrecht zu den Scheiben L um 90 ° gedreht, so befinden sich die in unmittelbarer Nachbarschaft der einen Scheibe L befindlichen Moleküle im allgemeinen senkrecht zu den in unmittelbarer Nachbarschaft zur anderen Scheibe L befindlichen Molekülen, wobei die Moleküle im Inneren der Flüssigkristallschicht allgemein zu den in unmittelbarer Nachbarschaft einer der beiden Scheiben L befindlichen Molekülen allmählich wechselnde Winkel zwischen 0 und 90 ° einnehmen.

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Alle Moleküle M bleiben allerdings im allgemeinen in der Ebene der Scheiben L. Der um 90 ° gedrehte Zustand der in Fig. 2a gezeigten Anordnung ist strukturell der gleiche wie die Anordnung in einer durch anfängliches Anordnen der Scheiben L hergestellten gedrehten nematischen Zelle, bevor das flüssigkristalline Material zwischen sie eingeführt wird, so daß die entsprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben aufeinander senkrecht stehen. So befinden sich die Flüssigkristall-Moleküle in einer derartigen gedrehten nematischen Zelle im allgemeinen in der Scheibenebene, wie bei der Anordnung, die durch Drehen der in Fig. 2a dargestellten Anordnung um 90 ° erhalten wird; wie bereits erwähnt, führt dies zum Problem des "umgekehrten Umklappens der Orientierung" beim Anlegen eines elektrischen Feldes.

Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß eine einfache nematische zelle durch Behandeln der Scheiben L durch Reiben oder das Verfahren der Sehragbedampfung unter einem Bedampfungswinkel unterhalb 15° hergestellt wird, wobei die hier zur Erläuterung erwähnten Verfahren das gleiche Ergebnis liefern. Die Anordnungsrichtungen, d.h. die Reibrichtungen oder die Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben L der Zelle werden anfangs parallel ausgerichtet. Die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der entsprechenden Scheiben L der Zelle sind im allgemeinen schräg zu den Innenflächen der Scheiben angeordnet. Die Flüssigkristall-Moleküle M sind entsprechend in einer von zwei möglichen Anordnungen, je nachdem, ob die beiden Anordnungsrichtungen gleichsinnig oder entgegengesetzt liegen. Fig. 2b erläutert eine dieser Anordnungen, Fig. 2c die andere. Bei der in Fig. 2b dargestellten Anordnung liegen die Moleküle M gewissermaßen "gespreizt" vor, und zeigen alle ins Innere der Flüssigkristallschicht.

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Die Moleküle M im Inneren liegen in der Ebene der Scheiben L. Bei der in Fig. 2c dargestellten Anordnung sind die Moleküle M gewissermaßen "geneigt", und zwar sämtlich in der in Bezug auf die Scheiben L gleichen Richtung. Eine der Scheiben L werde nun in derselben Ebene gehalten, jedoch um 90 ° um die Achse ζ, gedreht; dies bedeutet, daß die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der gedrehten Scheibe L mit dieser Scheibe L mitdrehen.

Nach der Drehung einer der Scheiben L in der in Fig.2b dargestellten Anordnung sind die Moleküle M im Inneren der Schicht noch in der Ebene der Scheiben L, nach der Rotation einer der beiden Scheiben L in der in Fig. 2c dargestellten Anordnung befinden sich die Moleküle M in der gesamten Schicht noch hinsichtlich der Scheiben L in geneigter Lage.

Die um 90 ° gedrehten Versionen der in den Fig. 2b bzw. 2c dargestellten Anordnungen entsprechen zwei verschiedenen Formen gedrehter nematiseher zellen. Anders ausgedrückt befinden sich in gedrehten nematischen Zellen, die unter Verwendung der Verfahren des Reibens oder der Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel unterhalb 15 ° bei beiden Scheiben hergestellt sind, die Flüssigkristall-Moleküle entweder in einer "gespreizten" Anordnung, die dieselbe ist wie diejenige Anordnung, die durch Drehung einer der in Fig. 2b angeführten Scheiben L um 90 erhalten wird,· oder die Moleküle sind, alternativ in einer

schräggeneigten Form angeordnet ("tilted" form), die derjenigen Anordnung entspricht, die durch eine Drehung einer der Scheiben L in Fig. 2c um 90 ° erhalten wird.

Wenn die Moleküle im Inneren der Flüssigkristallschicht in der Scheibenebene liegen, tritt, wie bereits erwähnt, das Problem des "umgekehrten Umklappens der

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Orientierung" auf. Die "gespreizte" Art der Zelle verursacht entsprechend die genannte Schwierigkeit, während dies für die "geneigte" Form der Zelle nicht gilt. Die "geneigte" Form der Zelle wird dadurch erhalten, daß ein optisch aktives flüssigkristallines Material verwendet wird und zugleich sichergestellt ist, daß der durch die Ausrichtungs-Richtungen auf den beiden Scheiben L definierte Schraubensinn dem Helixsinn der natürlichen Anordnung der Flüssigkristall-Moleküle entgegengesetzt ist (vgl. die GB-Patentanmeldung 8 042/74).

Im folgenden wird eine einfache nematische zelle betrachtet, die in ähnlicher Weise wie die erfindungsgemäße Zelle hergestellt ist, d.h. wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wobei die entsprechenden Ausrichtungs-Richtungen für eine so einfache zelle parallel sind; anders ausgedrückt sind die Reibrichtungen auf der geriebenen Scheibe und die Senkrechte auf die Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf die ungeriebene. Scheibe parallel. Die Anordnung der Moleküle M in dieser einfachen nematischen zelle wird durch Fig. 2d erläutert. Mit Ausnahme der Ebene in unmittelbarer Nachbarschaft zur ungeriebenen Scheibe, mit LU bezeichnet, sind die Moleküle M der gesamten Flüssigkristallschicht in Bezug auf die Scheibenebene in einem Grad geneigt, der gegen die geriebene Scheibe hin zunimmt, die mit LR bezeichnet ist.

Eine der Scheiben wird nun um die Achse Z-, um einen Winkel von 90 ° gedreht. Die Moleküle M in der Schicht, mit Ausnahme der Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriebenen Scheibe LU, bleiben in Bezug auf die Scheibenebene geneigt. Die Anordnung, die durch Drehung der in Fig. 2d dargestellten Anordnung um 90 ° erhalten wird, ist strukturell die gleiche wie die Anordnung in der

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erfindungsgemäßen Zelle, die in der bei der Erläuterung von Fig. 1 beschriebenen Weise hergestellt ist. In der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zelle ist entsprechend der kleine Winkel von etwa 2 ° zwischen den Flüssigkristall-Molekülen in unmittelbarer Nachbarschaft zur geriebenen Scheibe und der Scheibe selbst hinreichend, um ein Herauskippen der Moleküle in der Schicht mit Ausnahme der Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft zur ungeriebenen Scheibe aus der Scheibenebene heraus zu ermöglichen; darüber hinaus ist diese Neigung ausreichend, um die mit dem "umgekehrten Umklappen der Orientierung" verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden, wodurch alle inneren Flüssigkristall-Moleküle in derselben Weise umorientiert werden, d.h. in der gleichen Richtung, wenn ein elektrisches Feld zwischen den transparenten leitenden Filmen auf den entsprechenden Scheiben angelegt wird. Die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der nicht geriebenen Scheibe werden von einem angelegten elektrischen Feld kaum beeinflußt, so daß sie zum Problem des "umgekehrten Umklappens der Orientierung" nicht beitragen.

Obgleich in einer praktischen Flüssigkristall-Zelle die Richtungen der Flüssigkristall-Moleküle in der Flüssigkristallschicht einer räumlichen Fluktuation unterliegen, sind die in den Fig.2a - 2d gegebenen Erläuterungen zutreffend, wenn die Moleküle M in diesen Figuren als Moleküle betrachtet werden, deren Achsen für jede lokalisierte Region der Schicht in der mittleren Molekülrichtung liegen. Die räumliche Fluktuation der Richtungen der Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der Scheiben ist selbstverständlich wesentlich geringer als die der Moleküle im Inneren der Schicht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine

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Flüssigkristall-Zelle durch Behandlung der Oberfläche einer Scheibe durch Schrägbedampfung unter einem Bedampfungswinkel im Bereich von I5 ° - 45 ° und durch Behandlung der anderen Scheibe durch Reiben ohne Schrägbedampfung erzeugt werden. Die Scheiben werden so ausgerichtet, daß die Reibrichtung auf der geriebenen Scheibe parallel zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf der anderen Scheibe ist, da die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der geriebenen Scheibe der Reibrichtung folgen.

Es ist allerdings weniger günstig, die zelle auf diese weise herzustellen (im Vergleich mit dem zu Fig. 1 beschriebenen Verfahren), da ein direktes Reiben des transparenten leitenden Films im allgemeinen zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann die Flüssigkristall-Zelle durch Behandlung der Oberfläche der ersten Scheibe durch Schrägbedampfen unter einem Bedampfungswinkel zwischen 15 ° und 45 ° und durch Behandeln der zweiten Scheibe durch Schrägbedampfen bei einem Bedampfungswinkel unterhalb 15 ° erzeugt werden.

Wie bereits erwähnt liegen die in unmittelbarer Nachbarschaft zur ersten Scheibe befindlichen Flüssigkristall-Moleküle im allgemeinen in einer Richtung, die senkrecht zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf diese Scheibe ist; die Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der zweiten Scheibe indessen liegen im allgemeinen in einer Richtung, deren Projektion parallel zur Projektion der Schrägbedampfungsrichtung auf diese Scheibe ist. Die erste und zweite Scheibe werden infolgedessen in diesem Fall so zusammengestellt, daß die ent-

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sprechenden Projektionen der Schrägbedampfungsrichtungen auf die Scheiben parallel zueinander sind, wodurch die geeignete molekulare Plüssigkristalldrehung erzeugt wird. Es ist allerdings weniger günstig, eine zelle in dieser Weise herzustellen (im Vergleich zu den zu Pig.l beschriebenen verfahren), da die Flüssigkristall-Moleküle in diesem Fall allgemein in einem größeren Winkel geneigt sind, was zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften der zelle führen kann.

Wie erwähnt beträgt der Abstand zwischen den beiden Glasscheiben in einer Flüssigkristall-Zelle typischerweise etwa 15 ,um. In den erwähnten Plüssigkristall-Zellen befindet sich grob betrachtet eine 90 ° betragende Helixdrehung in der molekularen Anordnung der Moleküle des · Flüssigkristall-Materials im Abstand zwischen den Scheiben. Die Moleküle des verwendeten Flüssigkristall-Material benötigen zur Ausbildung eines natürlichen Helixgangs (einer 36O °-Drehung der Helix) einen Raum von mindestens dem doppelten Abstand zwischen den Scheiben, d.h. 30 / oder mehr, vorzugsweise etwa 80 /um, so daß die Moleküle sich unter Bildung einer X/2 (90 °)-Drehung umordnen, wenn sie sich zwischen den Scheiben befinden. Beträgt der Gang weniger als das Doppelte des Abstands, ordnen sich die Moleküle selbst unter Bildung ein^er Drehung um einen Winkel m :ΤΓ '2 um, wobei m eine ungerade ganze Zahl über 1 istj derartig kleine Helixgänge sind entsprechend nicht brauchbar.

Passende Flüssigkristall-Materialien mit einem natürlichen Helixgang der richtigen Größe können beispielsweise durch Verdünnen eines nematischen Flüssigkristall-Materials mit. einem optisch aktiven Additiv erhalten werden, das aus einem cholesterinischen Flüssigkristall-Material bestehen kann, jedoch nicht notwendig daraus bestehen muß. Das nematische Material besitzt be-

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sitzt bevorzugt eine positive dielektrische Anisotropie (d.h. Differenz zwischen der parallel zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstanten und der senkrecht zu den Molekülen gemessenen Dielektrizitätskonstanten).

Ein geeignetes nematisches Material 1st das Diphenylderivat

R - /Γν>- α )\- CN

-Q-

in der R eine Alkyl- oder Alkoxygruppe ist, beispielsweise n-C-H,, oder n-Cr-H.,,0. Das Additiv stellt normalerweise

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nicht mehr als 2 Gew.-% der Lösung mit dem nematischen Material dar.

Ein geeignetes cholesterinisches Material zur Verdünnung des nematischen Materials zur Herstellung einer geeigneten Mischung ist beispielsweise das Cholesterylnonanoat (0,2 Gew.-% im Gemisch mit dem nematischen Material). Das Gemisch wird durch Einbringen geeigneter Volumina des nematischen und cholesterinischen Materials in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei der die isotrope flüssige Phase auftritt (d.h. bis oberhalb des Klarpunkts) sowie durch Ruhren und anschließendes Abkühlenlassen erzeugt.

Wenn das Gemisch aus einem nematischen Flüssigkristall· Material und einem nicht-cholesterinischen optisch aktiven

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Material gebildet wird, kann es in ähnlicher V/eise durch Einbringen geeigneter Volummengen des nematischen Materials und des nicht-cholesterinischen Materials in ein kleines Becherglas, Erhitzen des Becherglases über die Temperatur, bei der die isotrope Phase des nematischen Materials auftritt, und anschließendes Abkühlenlassen erzeugt werden. Das optisch aktive Material kann beispielsweise Canadabalsam sein oder die verbindung

(-) Hy;-CH₂-CH(CH^)-CH₂O-/(Oy/(O^ _ CN

(1 Gew.-% im Gemisch mit dem nematischen Material). Der Stern * bezeichnet das optisch aktive Zentrum des Materials.

Fig. 3 stellt eine Schnittdarstellung einer einfachen Flüssigkristall-Vorrichtung dar, zu der eine Zelle 1 gehört, die sich zwischen einem optischen Polarisator 3 und einem optischen Polarisationsanalysator 5 befindet. Fig. 4 ist eine teilweise abgeschnittene Vorderansicht der Zelle aus der X-Riehtung. Die Zelle 1 ist dabei eine erfindungsgemäße Zelle der definierten Art, die nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Sie enthält zwei Glasplatten 7 bzw. 9* zwischen denen sich eine Schicht 11 eines geeigneten flüssigkristallinen Materials, wie oben beschrieben, befindet. Auf der Innenfläche der Scheibe 7 sind zwei Streifenelektroden 13 und 15 aufgebracht, die Scheibe 9 trägt auf ihrer Innenfläche zwei Streifenelektroden 17 und 19. Die Streifenelektroden Ij5 und 15 bzw. 17 und 19 stellen die erwähnten transparenten leitenden Filme dar. Die Scheibe 7 und die Elektroden I3 und 15 weisen ein Gebiet auf, das eine Kante der Schicht 11 und der Scheibe 9 überlappt, während die Scheibe 9 und die Elektroden 17 und 19 ein Gebiet aufweisen, das eine Kante der Schicht 11 und der Scheibe 7 überlappt. Diese über-

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läppenden Regionen sind vorgesehen, um den Anschluß äußerer elektrischer Verbindungen (nicht gezeichnet) an den entsprechenden Elektroden 13, 15, 17 bzw. 19 zu ermöglichen.

Die optische Aktivität der Schicht 11 ist hoch, wenn an der Schicht 11 keine Spannung anliegt; anders ausgedruckt bedeutet dies, daß die Schicht die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um 90 ° dreht, wenn keine Spannung anliegt. Die optische Aktivität eines Gebiets der Schicht 11 ist andererseits niedrig, wenn eine geeignete Spannung, üblicherweise zwischen 1 und 3 V, an diesem Gebiet angelegt ist; dies bedeutet, daß dieses Gebiet die Polarisationsebene des Lichts nicht dreht. Der . Polarisator 3 ist so eingestellt, daß linear polarisiertes Lieht der Richtung durchtritt, die der Projektion der allgemeinen Richtung der Flüssigkristall-Moleküle in unmittelbarer Nachbarschaft der Scheibe 7 auf die Scheibe 7 entspricht (wie erwähnt, hängt diese Richtung von der jeweiligen Anordnung der Zelle 1 ab; wenn die Scheibe 7 beispielsweise gerieben wurde, ist die lineare Polarisa, ti ons richtung des Polarisators 3 parallel zur Reibrichtung) . Der Analysator 5 läßt Licht hindurch, das senkrecht zu dem vom Polarisator 3 durchgelassenen Licht polarisiert ist. Wenn also Licht bestimmter Intensität in der Richtung X auf den Polarisator 3 fällt, ist die entsprechende Lichtintensität von einer gegebenen Region des Analysators 5 dann hoch, wenn die dieser Region entsprechende Region der Schicht 11 keine angelegte Spannung aufweist, und ist andererseits niedrig, wenn an die der genannten Region entsprechende Region der Schicht 11 eine geeignete Spannung angelegt ist.

Wo die Elektroden 13 und 15 die Elektroden 17 und 19 kreuzen, lassen sich vier diskrete Gebiete der Schicht 11 definieren. Die Intensität des aus den vier Gebieten

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des Analysators 5 austretenden Lichts, die den vier Gebieten in der Zelle entspricht, kann also durch Anlegen oder Nichtanlegen einer geeigneten Spannung an die Elektroden 13 und/oder 15 und die Elektroden 17 und/oder 19 unabhängig gewählt werden. Die Spannung(en) können dabei in Form eines wiederholt an die eine Elektrode angelegten positiven Pulses eines elektrischen Potentials und eines gleichzeitig mit den positiven Pulsen wiederholt an die andere Elektrode angelegten negativen Pulses eines elektrischen Potentials vorliegen. Alternativ dazu ist Wechselspannung bzw. -spannungen anwendbar. Im praktischen Fall wird eine großflächige Anzeigevorrichtung, beispielsweise eine

alphanumerische Anzeigevorrichtung, dadurch erzeugt, daß eine große Anzahl von Gebieten vorgesehen wird, die . den vier Gebieten der Schicht 11 entsprechen, die in Gruppen in Form alphanumerischer Zeichen, beispielsweise Ziffern bzw. Zahlzeichen, Buchstaben oder Symbolen angeordnet sind.

In einer Weiterbildung der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen können zur Herstellung einer Anzeigevorrichtung in an sich bekannter Weise getrennte Zuleitungen zu jeder einzelnen Elektrode vorgesehen werden, mit denen diese unabhängig von den übrigen versorgt werden können, wobei die Elektroden die Form der Anzeige-Zeichen oder von Teilen davon aufweisen. Eine einfachere Modifizierung besteht darin, daß auf jedem Substrat der Anordnung nur eine Elektrode aufgebracht wird. Eine derartige einfache Anordnung ist etwa als Blende oder optischer Verschluß (shutter) oder als einfache Anzeigevorrichtung verwendbar, wenn die Elektroden geeignete Form besitzen.

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Claims

Patentansprüche

,1.) FlUssigkristall-Zelle mit zwei einander gegenüberliegenden Substraten, auf deren Innenflächen jeweils eine Elektrodenschicht aufgebracht ist, wobei zumindest eines der Substrate und seine Elektrodenschicht optisch transparent sind,

einer zwischen den Innenflächen befindlichen Schicht eines flüssigkristallinen Materials, in dem die Flüssigkristall-Moleküle bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes so angeordnet sind, daß sie längs einer mittleren Richtung liegen, die sich beim Fortschreiten von einer Innenfläche zur anderen zunehmend dreht,

dadurch gekennzeichnet,

daß das flüssigkristalline Material ein natürliches optisch aktives Material mit einer natürlichen molekularen Helixsteigung von zumindest etwa dem doppelten Abstand der Innenflächen (LU, RU) ist und

die Innenflächen wechselseitig so behandelt und angebracht sind, daß die mittlere Richtung der Flüssigkristall-Moleküle (M in Fig. 2d) parallel zu der einen Innenfläche (LU) jedoch senkrecht zur anderen Innenfläche liegt.
2. FlUssigkristall-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Material ein cholesterogenes Material ist.
3. Flüssigkristall-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Material ein Gemisch eines nematogenen Materials mit einem Zusatz von bis zu 2 Gew.-^ eines optisch aktiven Materials ist.

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4. Flüssigkristall-Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein nicht-flüssigkristallines Material ist.
5. Flüssigkristall-Zelle nach Anspruch j3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein cholesterogenes Material ist.
6. Flüssigkristall-Zelle nach einem der Ansprüche 3-5* dadurch gekennzeichnet, daß das nematogene Material eine Verbindung der Formel

- CN

ist, wobei R eine n-Alkyl- oder n-Alkoxygruppe und CN eine Cyanogruppe darstellen.
7. Verfahren zur Herstellung der Flüssigkristall-Zelle nach Anspruch 1 durch

Behandlung der entsprechenden Oberflächen der beiden Substrate mit den Elektrodenschichten in der Weise, daß sich die Moleküle eines eingebrachten und damit in Berührung stehenden flüssigkristallinen Materials mit positiver dielektrischer Anisotropie allgemein an den Oberflächen anordnen,

Zusammenbringen der Flächen in der Weise, daß sie einander gegenüberliegen und

Einbringen einer Schicht eines flüssigkristallinen Materials zwischen die Oberflächen, so daß sich die .Flüssigkristall-Moleküle an den Oberflächen anordnen und sich die mittlere Richtung der Flüssigkristall-Moleküle beim Fortschreiten von der einen zur anderen Oberfläche zunehmend dreht,

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- 2β -

dadurch gekennzeichnet, daß

als flüssigkristallines Material ein natürliches optisch aktives Material eingesetzt wird, das eine natürliche molekulare Helixsteigung aufweist, die nicht kleiner ist als etwa der doppelte Abstand zwischen den Oberflächen, und

eine erste Substratinnenfläche (57) durch Schrägbedampfung mit einem dielektrischen Material unter einem Bedampfungswinkel -ίΓ im Bereich 15 °£ -£"<45 ° beschichtet wird, wodurch sich eingebrachte Flüssigkristall-Moleküle (M) in unmittelbarer Nachbarschaft zur ersten Oberfläche im wesentlichen senkrecht zur Projektion der Bedampfungsrichtung auf diese Fläche (LU) ausrichten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des zweiten Substrats in einer einzigen Richtung gerieben wird und die Reibrichtung parallel oder in einem kleinen Winkel zur Projektion der Bedampfungsrichtung auf die Innenfläche des ersten Substrats liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die innere Oberfläche des zweiten Substrats vor dem Reiben durch Schrägbedampfen unter einem Bedampfungswinkel -ίΚ von 45 °< ^i ^- ¹5° ^zur Oberfläche mit einem dielektrischen Material beschichtet wird und

das Reiben in einer Richtung vorgenommen wird, die senkrecht zur Projektion der Bedampfungsrichtung auf die ■ Innenfläche des zv/eiten Substrats liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die innere Oberfläche des zweiten Substrats durch Schrägbedampfen unter einem Bedampfungswinkel $~_o von 15 >ih_o>O

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zur Oberfläche mit einem dielektrischen Material "beschichtet wird und

die inneren Oberflächen der Substrate so angeordnet werden, daß die entsprechenden Projektionen der Bedampfungsrichtungen parallel oder in einem kleinen Winkel zueinander liegen.

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