DE60122531T2

DE60122531T2 - Bistabile Flüssigkristallvorrichtungen

Info

Publication number: DE60122531T2
Application number: DE60122531T
Authority: DE
Inventors: Defence Eval Res Agency Richard Jonathan Malvern MILLER; ZBD Displays Limited John Clifford Malvern JONES
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: F Poszat HU LLC
Priority date: 2000-07-15
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: EP1303787A1; JP2004504629A; USRE44889E1; DE60122531D1; ATE337571T1; RU2253888C2; AU2001270784A1; CA2415419A1; WO2002006888A1; EP1303787B1; GB0017312D0; US7006165B1; CN1459045A; KR20030016408A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkristallvorrichtungen und bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf räumliche Lichtmodulatoren.
Es ist bekannt, anisotrope dichroitische Materialien oder Farbstoffe in ein Flüssigkristall-Wirtsmaterial einzubringen und/oder ein Flüssigkristallmaterial vorzusehen, bei dem mindestens eine Flüssigkristallkomponente einen signifikanten Dichroismus aufweist. Bei einem Typ solcher Vorrichtungen, der als "Guest-Host"-Vorrichtung bekannt ist, richten sich die Farbstoff-Gastmoleküle kooperativ mit den Molekülen eines das Wirtsmaterial darstellenden Flüssigkristallmaterials aus. Die Änderung der Flüssigkristallausrichtung, zum Beispiel durch Anlegen eines elektrischen Feldes, führt zu einer Umorientierung der Farbstoffmoleküle und dadurch zu einer Änderung der optischen Eigenschaften der Vorrichtung und insbesondere der Absorption oder der Farbe.
Es ist allerdings auch möglich, die Moleküle beispielsweise dadurch zu manipulieren, dass die Farbstoffmoleküle innerhalb des Absorptionsbandes des Farbstoffs linear polarisiertem Licht ausgesetzt werden, um so die Flüssigkristallausrichtung zu beeinflussen. Bei dem polarisierten Licht besteht die Tendenz zur Erzeugung einer wirksamen Umorientierung der Farbstoffmoleküle, was wiederum eine kleine Verdrillung des Flüssigkristall-Wirtsmaterials erzeugt, wodurch sein Direktor von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts weg verschoben wird.
Wenn die Flüssigkristallmoleküle das polarisierte Licht direkt absorbieren, kann ein ähnlicher Effekt eintreten, jedoch ohne Vermittlung durch den Farbstoff.
Es ist ferner bekannt, dass die Ausrichtung einer Flüssigkristallphase in der Nachbarschaft der Oberfläche eines Substrats unter anderem von den Eigenschaften der Substratoberfläche abhängt. Obgleich eine Substratoberfläche in vielen Fällen behandelt wird, zum Beispiel durch Reiben eines Polymerfilms oder durch Bedampfen, um so eine einzige energetisch bevorzugte Art der Ausrichtung an der Oberfläche zu induzieren, ist auch bekannt, dass es möglich ist, eine Substratoberfläche so zu behandeln, dass darauf mehr als eine energetisch begünstigte Ausrichtung vorliegt. Die begünstigten Ausrichtungen sind durch dazwischen liegende Ausrichtungen, die energetisch weniger begünstigt sind, getrennt, d. h., es besteht eine Energiebarriere zwischen den begünstigten Ausrichtungen. Die begünstigten Ausrichtungen können energetisch gleich sein oder auch nicht oder in Bezug auf die dazwischen liegenden Ausrichtungen gleich begünstigt sein oder auch nicht, wobei ein gewisses Maß an Kontrolle durch die Höhe der Energiebarriere vorliegt, wie später erläutert wird. In bestimmten Fällen, insbesondere, wenn eine erste Ausrichtung energetisch stabiler ist als eine zweite Ausrichtung, kann die Energiebarriere in Bezug auf die zweite Ausrichtung ausreichend niedrig sein, dass eine Relaxation der ersten Ausrichtung aufgrund von thermischer Umgebungsenergie oder zugeführter thermischer Energie auftreten kann, so dass zum Beispiel die zweite Ausrichtung als metastabil zu betrachten ist.
Zumindest in den meisten Fällen wird die Oberfläche Behandlungen unterzogen, die jeder stabilen Ausrichtung entsprechen. Bei den Behandlungen kann die gleiche Art von Behandlung für jede Ausrichtung angewandt werden, zum Beispiel zwei unterschiedlich ausgerichtete Gitter oder schräge Vakuumabscheidung unter zwei unterschiedlichen Winkeln, oder es können unterschiedliche Arten von Behandlungen für die verschiedenen Ausrichtungen angewandt werden, zum Beispiel ein Oberflächenprofil wie etwa ein Gitter für eine planare Ausrichtung und eine Beschichtung mit einem Material zur Induzierung einer homöotropen Ausrichtung.
Daher besteht ein Weg zur Erzielung von mindestens zwei begünstigten Ausrichtungen auf einer Substratoberfläche darin, ein geeignetes Oberflächenreliefmuster zu erzeugen, zum Beispiel ein Muster, das durch zwei Sätze von parallelen Linien (Gittern) definiert ist, die sich in unterschiedlichen Richtungen über eine gemeinsame Fläche erstrecken. Je nach der Tiefe kann das resultierende Muster von einer Anordnung von isolierten Säulen auf einer flachen Oberfläche bis zu einem sich sanft ändernden "Eierschachtel"-Muster variieren. Ein typischer Abstand für jeden Satz paralleler Linien beträgt etwa 1 μm, und bei zwei begünstigten Anordnungen können sich die beiden Sätze paralleler Linien unter 90° oder einem kleineren Winkel schneiden. Es ist zu erwarten, dass sich die beiden Azimutrichtungen der bevorzugten Ausrichtungen der Flüssigkristallphase darauf um einen entsprechenden Winkel unterscheiden. Dieser Typ einer Anordnung ist als "azimutal bistabil" bekannt; weitere Details hierzu finden sich in unserem Patent GB 0 744 041 .
Bei einer alternativen Anordnung weist das Substrat ein Oberflächenreliefmuster wie etwa ein eindimensionales sinusförmiges Gitter auf, das dazu dient, einer planaren Anordnung mit einer vorgegebenen Richtung Stabilität zu verleihen. Die Oberflächenwelligkeit des Gitters beträgt typischerweise 1 μm oder weniger in der Höhe und wird durch Photolithographie oder Prägen erzeugt. Über dem Gitter wird eine Schicht zur Induzierung einer homöotropen Ausrichtung des angrenzenden Flüssigkristallmaterials vorgesehen.
Die Schicht zur homöotropen Ausrichtung und das Oberflächenreliefmuster konkurrieren um die Vorgabe der Massenausrichtung des angrenzenden Flüssigkristalls. Je nachdem, ob die Tiefe des Gitters erheblich kleiner oder erheblich größer als der Abstand der Linien des Gitters ist, besteht die Tendenz zu einer homöotropen oder einer planaren Ausrichtung; durch Abstimmung des Verhältnisses von Tiefe zu Linienabstand in der Weise, dass das Verhältnis zwischen diesen beiden Extremen liegt, wird ein bistabiler Bereich erzeugt, in dem jede der beiden Anordnungen einen gewissen Grad an Stabilität aufweist (entsprechend den betreffenden Energieminima), wenn die Ausrichtungsrichtung geändert wird, wie schematisch in 1 als Diagramm der Abhängigkeit der Energie vom Verkippungswinkel des Flüssigkristalls dargestellt ist (lediglich beispielhaft für eine homöotrope Ausrichtung dargestellt, bei der die Energieminima zu beiden Seiten des Energieminimums einer planaren Anordnung liegen). Die beiden Ausrichtungsrichtungen können die gleiche Azimutalrichtung aufweisen (d. h., in der gleichen Azimutebene liegen), was aber nicht zwingend ist. Die Energieminima für die beiden Arten der Ausrichtung können allgemein gleich oder nicht gleich sein; im letzteren Fall kann eine Ausrichtung das niedrigere Energieminimum aufweisen, was der bevorzugteren Ausrichtung entspricht – dies hängt zum Teil vom Verhältnis der Tiefe zum Linienabstand des Oberflächenreliefmusters ab.
Obwohl das genaue Profil des Oberflächenreliefmusters zur Erzielung einer Bistabilität hinsichtlich des Verkippungswinkels relativ unwichtig zu sein scheint, kann es doch zur Energiebarriere zwischen den beiden bevorzugten Ausrichtungen und/oder zu dem zugehörigen Energieminimum für die planare Ausrichtung beitragen. Es ist festzuhalten, dass 1 ein Beispiel des allgemeineren Falles ist, in dem zwei stabile Orientierungen, die nicht notwendigerweise planar und homöotrop sind, zwei verschiedene Werte des "Verkippungswinkels" oder "Zenitwinkels" aufweisen, sowie, dass die Erfindung nicht auf die in 1 dargestellte Situation beschränkt ist, sondern sich auf diesen allgemeineren Fall erstreckt.
Bei dieser Anordnung kann die "planare" Ausrichtung manchmal einen relativ hohen Verkippungswinkel bedingen und wird zuweilen als Defektzustand bezeichnet, da sie auch durch zwei Liniendefekte im Direktor des Flüssigkristalls oder dem nematischen Direktor gekennzeichnet ist. Anordnungen mit stabilen, planaren und homöotropen Zuständen, bei denen der Flüssigkristalldirektor in der gleichen Azimutebene liegt, sind als "zenital bistabile Anordnungen" bekannt; weitere Details hierzu finden sich zum Beispiel in unserem Patent GB 2 318 422 und unserer veröffentlichten Patentanmeldung PCT/GB98/03787 (WO 99/34251).
Selbstverständlich besitzen andere bistabile Oberflächen mindestens zwei bevorzugte Ausrichtungsrichtungen, die sich sowohl im Zenitwinkel als auch im Azimutwinkel unterscheiden. So könnte zum Beispiel Siliciumoxid aus zwei unterschiedlichen Richtungen schräg abgeschieden werden, die sich ferner sowohl im Zenitwinkel als auch im Azimutwinkel unterscheiden.
Obgleich oben Oberflächenprofile in Form von Gittern speziell erwähnt wurden, die zum Beispiel durch photolithographische Techniken erzeugt werden, können auch beliebige andere Verfahren zur Erzeugung eines Oberflächenprofils Verwendung finden, etwa die Schrägbedampfung.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass, obgleich die oben speziell beschriebenen beiden bistabilen Anordnungen beide ein Oberflächenprofil aufweisen, dies keine notwendige Bedingung zur Erzielung von mehreren stabilen Ausrichtungen auf einem Substrat darstellt. Es kann jede Anordnung verwendet werden, bei der mehr als eine Ausrichtung energetisch günstig ist, ob sie nun durch Anwendung der gleichen Technik unter Anpassung für jede bevorzugte Richtung, wie im Beispiel der obigen gekreuzten Gitter, oder durch Anwendung unterschiedlicher Techniken für jede bevorzugte Richtung erzwungen ist.
Zusätzlich stellt es keine absolute Bedingung dar, dass jeder Teil der Substratoberfläche dazu geeignet ist, beide Ausrichtungen zu begünstigen. So kann zum Beispiel jede von zwei zusammen vorliegenden Gruppen geeignet dimensionierter und/oder geformter Bereiche eines Substrats so behandelt werden, dass die verschiedenen Ausrichtungen erzeugt werden, worauf vorgesehen werden kann, dass eine der Ausrichtungen, sobald sie durch eine Gruppe von Bereichen übernommen und begünstigt wurde, gegenüber der durch die andere Gruppe von Bereichen begünstigten Ausrichtung überwiegt. So können zwei ineinander-geschachtelte Gruppen von Streifen unter Anwendung einer beliebigen der oben erwähnten Techniken, wie Oberflächenbehandlung, Beschichtung und/oder Profilierung, unterschiedlich behandelt werden, um eine begünstigte planare Ausrichtung bei einer Gruppe und entweder eine unterschiedlich gerichtete, zweite begünstigte planare Ausrichtung oder eine homoötrope Ausrichtung bei der anderen Gruppe zu erzeugen.
Durch sorgfältige Wahl des Flüssigkristallmaterials, einschließlich eines oder mehrerer geeigneter Additive für das Flüssigkristallmaterial, und, wie oben angegeben, durch geeignete Wahl und/oder Behandlung der Substratoberfläche in bekannter Weise ist es möglich, die Energiebarriere(n) zwischen den beiden bevorzugten Ausrichtungszuständen zu kontrollieren. Ferner kann bei einer zusammengebauten Vorrichtung, die eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials zwischen dem einen bistabilen (oder polystabilen) Substrat und einem weiteren Substrat enthält, die an der Oberfläche des anderen Substrats erzwungene Ausrichtung die Energien der stabilen Zustände an dem einen Substrat modifizieren.
Eine relativ neue Entwicklung zur Modifizierung der Wechselwirkung zwischen einer Flüssigkristallphase und einer Oberfläche ist die Erzeugung sogenannter "glitschiger Oberflächen" ("slippery surfaces"), wie sie zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung PCT/GB98/03011 (WO 99/18474) (Hewlett-Packard) beschrieben ist. Ein Zusatz im Flüssigkristallmaterial, üblicherweise ein Oligomer, ergibt große Moleküle, die dazu tendieren, sich in der Nähe der Substratoberfläche aufzukonzentrieren. Der resultierende, umgekehrt gerichtete Konzentrationsgradient der Flüssigkristallphase in Richtung vom Substrat bzw. den Substraten weg vermindert, wie angenommen wird, die Wechselwirkung zwischen dem Substrat und/oder einer darauf vorgesehenen Ausrichtungsschicht und dem Flüssigkristallmaterial und verringert entsprechend die für eine Änderung der Ausrichtung des angrenzenden Flüssigkristallmaterials von der durch das Substrat und/oder irgendeiner darauf vorgesehene Ausrichtungsschicht induzierten Ausrichtung erforderliche Energie. So erlaubt es ein solches Additiv bei bestimmten Konzentrationen, dass eine planar ausgerichtete Oberfläche hinsichtlich ihrer Ausrichtungsrichtung vollständig entartet. Das Vorliegen solcher Additive kann die Umsetzung der vorliegenden Erfindung dadurch erleichtern, dass die Energiebarriere zwischen zwei oder mehr unterschiedlichen begünstigten Ausrichtungen, die durch eine Substratoberfläche induziert werden, zum Beispiel, wie oben beschrieben wurde, verringert wird.
Die Erfindung gibt eine Flüssigkristallvorrichtung an, die aufweist: ein Flüssigkristallmaterial im Kontakt mit der Oberfläche eines Substrats, wobei die Oberfläche zumindest eine erste und eine zweite stabile oder metastabile Flüssigkristallausrichtung daran in Bezug auf eine erste und eine zweite Richtung, die voneinander verschieden sind, begünstigt, und eine Schalteinrichtung, die das Flüssigkristallmaterial veranlasst, zwischen diesen Ausrichtungen zu schalten, wobei die Schalteinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung zur Beleuchtung der Vorrichtung aufweist. Die Erfindung erstreckt sich auf eine Anzeige, die eine solche Vorrichtung aufweist, sowie auf eine Anzeige oder ein optisches System, das mehrere solche Vorrichtungen aufweist, die zum Beispiel in einer gemeinsamen Ebene kachelartig angeordnet sind.
Die Erfindung gibt ferner ein Verfahren zur Kontrolle der Ausrichtung eines Flüssigkristallmaterials im Kontakt mit einer Substratoberfläche an, die zumindest eine erste und eine zweite stabile oder metastabile Flüssigkristallausrichtung daran in Bezug auf eine erste und eine zweite Richtung, die voneinander verschieden sind, begünstigt und den Schritt der optischen Bestrahlung der Vorrichtung umfasst.
Das Licht von der Bestrahlungseinrichtung ergibt die oder eine erste Energiezufuhr zu der Vorrichtung, wobei die Einwirkung auf das Flüssigkristallmaterial direkt oder indirekt sein kann. So kann bei einigen Ausführungen der Erfindung ein nichtpolarisierter Lichtstrahl allein eine ausreichende thermische Energie liefern, um eine Umwandlung von einer metastabilen Ausrichtung, wie oben beschrieben, in eine stabilere Ausrichtung zu erzielen, oder die thermische Energie kann ausreichend sein, um die vorliegende Ausrichtung oder die Flüssigkristallphase zu zerstören, so dass eine zweite Ausrichtung unter einem richtenden Einfluss einer anderen Energiezufuhr (zum Beispiel durch ein elektrisches oder magnetisches Feld) bevorzugt angenommen werden kann, wie unten mit mehr Einzelheiten beschrieben wird. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann dieses Licht linear polarisiert sein, um den Flüssigkristallmolekülen entweder direkt oder indirekt eine wirksame Verdrillung aufzuprägen oder die erste oder die zweite Ausrichtung in Bezug auf die andere der beiden Ausrichtungen energetisch günstiger zu machen (dies kann als effektive Drehung angesehen werden), wie auf diesem Gebiet bekannt ist.
Materialien, die eine Doppelbindung aufweisen, wie etwa eine Azo-Verbindung, ein Stilben oder eine Schiffsche Base, weisen normalerweise ein trans-Isomer mit niedriger Energie und ein cis-Isomer mit höherer Energie auf. Die Doppelbindung absorbiert Licht bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich oder nahe am sichtbaren Bereich, jedoch bevorzugt Licht, das in einer Richtung relativ zur Doppelbindung polarisiert ist, und das Material ist positiv dichroitisch. Im angeregten Zustand können bei dem Molekül eine Reihe von Änderungen eintreten, die zu einer Umwandlung in das cis-Isomer führen. Die darauf folgende Relaxation zum energetisch begünstigten trans-Isomer kann zu einer Molekülausrichtung führen, die ähnlich der anfänglichen Ausrichtung ist, oder zu einer Ausrichtung, die in Bezug auf die anfängliche Ausrichtung in wirksamer Weise verdreht ist. Unter isotropen Bedingungen unterscheiden sich die anfängliche und die verdrehte Ausrichtung nicht voneinander; bei Beleuchtung mit polarisiertem Licht absorbiert jedoch eine der Ausrichtungen des trans-Isomers bevorzugt Licht, was gegebenenfalls dazu führt, dass die Mehrzahl der Moleküle ihre trans-Orientierung aufgeben, wodurch die Absorption des einfallenden polarisierten Lichts minimiert wird.
Eine typische Abfolge von Vorgängen ist in 2 schematisch dargestellt, worin (a) ein Azo-Molekül in seiner ursprünglichen Ausrichtung im energetisch begünstigten trans-Zustand zeigt, während (b) den energetisch höherwertigen cis-Zustand zeigt, der aus der Absorption des polarisierten Lichts hν₁ resultiert. Über eine Reihe von Mechanismen einschließlich eines thermischen und eines Strahlungsmechanismus (hν₂) kann das Molekül (b) in den ursprünglichen Zustand (a) zurückkehren oder in einen trans-Zustand übergehen, in dem die Richtung der langen Molekülachse in wirksamer Weise verdreht ist (obgleich so dargestellt, liegt keine wirkliche Drehung in der Papierebene vor; der Betrachter erkennt, dass die Drehung des Moleküls um die Längsachse energetisch relativ leicht ist, sowie, dass es jedenfalls in Bezug auf die zu induzierende Flüssigkristallausrichtung irrelevant ist, ob dies eintritt oder nicht).
Wenn beispielsweise die spektrale Zusammensetzung des eingestrahlten Lichts eine Absorptionsbande des Flüssigkristallmaterials einschließt, kann das Licht direkt auf das Flüssigkristallmaterial einwirken. Das Flüssigkristallmaterial muss kein dichroitisches Additiv enthalten, um eine Änderung der Flüssigkristallausrichtung zu ermöglichen. Trotzdem kann ein dichroitisches Additiv mit einem Absorptionsspektrum, das außerhalb des Spektrums des eingestrahlten Lichts liegt, für andere Zwecke vorgesehen werden, zum Beispiel zur Erzielung einer erwünschten optischen Änderung wie etwa bei Guest-Host-Vorrichtungen mit variabler Absorption/Farbe.
Alternativ dazu kann das Flüssigkristallmaterial in Form eines Flüssigkristall-Gastmaterials mit einem dichroitischen Additiv vorliegen, wobei die spektrale Zusammensetzung des eingestrahlten Lichts eine Absorptionsbande des dichroitischen Additivs einschließt. In diesem Fall spricht das dichroitische Additiv direkt auf die Lichteinstrahlung an und bewirkt seinerseits eine wirksame Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle.
Obgleich auf positiv dichroitisches Material Bezug genommen wurde, bei dem die Tendenz besteht, das Flüssigkristallmaterial zu einer Ausrichtung quer zur optischen Polarisationsrichtung auszurichten, liegt es im Rahmen der Erfindung, auch negativ dichroitische Materialien zu verwenden, bei denen die Tendenz besteht, das Flüssigkristallmaterial so zu verdrehen, dass es parallel zur Polarisationsrichtung liegt.
Die direkte oder indirekte Verdrillung, die durch das polarisierte Licht induziert wird, kann bereits per se ausreichend sein, um die Energiebarriere zwischen den bevorzugten Ausrichtungen zu überwinden. Wenn dies nicht der Fall ist, ist es möglich, entweder die Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem Substrat zu modifizieren, um die Energiebarriere so zu verringern, dass eine Lichtenergiezufuhr ausreichend ist, oder die Wiederausrichtung durch Zuführen eine zweiten Energieform zu unterstützen.
Unter Bezug auf die erste Option wurden in der vorstehenden Beschreibung bereits zwei Wege der Verringerung der Energiebarriere zwischen den Ausrichtungen kurz diskutiert, nämlich durch Modifizieren der Oberflächengeometrie und durch Einbringen eines Additivs zur Erzielung einer „glitschigen Oberfläche", wobei im Ausführungsrahmen der Erfindung eine dieser Maßnahmen oder beide Maßnahmen angewandt werden können.
Hinsichtlich der zweiten Option kann die Wiederausrichtung durch wirksamen Energieeintrag in das Flüssigkristallmaterial oberhalb der Energie unterstützt werden, die durch das Licht von der Bestrahlungseinrichtung geliefert wird. Im Fall eines Guest-Host- Flüssigkristallmaterials mit Additiv bedeutet die kooperative Ausrichtung, dass Energie entweder an das Wirtsmaterial oder an das Gastmaterial geliefert wird, und zwar unabhängig davon, welches dieser Materialien durch das polarisierte Licht Energie empfängt.
Die zweite Energie kann per se ausreichend sein, um die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials zu ändern, obgleich die endgültige Ausrichtung noch von der optischen Einstrahlung von der Bestrahlungseinrichtung abhängt (vergleiche Fall A im übernächsten Absatz), oder eine Wiederausrichtung kann es erforderlich machen, dass die optische Energiezufuhr von der Bestrahlungseinrichtung in Kombination mit der zweiten Energiezufuhr zusammenwirkt (vergleiche Fall B im übernächsten Absatz).
Zur Zufuhr von Energie zu einem Flüssigkristallmaterial zur Änderung seiner Ausrichtung sind zahlreiche Wege bekannt, zu denen das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes, das Durchleiten eines elektrischen Stroms (Ionentransport) sowie die akustische Einstrahlung gehören.
Von diesen Möglichkeiten ist das Anlegen eines elektrischen Feldes wahrscheinlich am leichtesten vorzunehmen und ist oft auch am wirksamsten. Wenn zum Beispiel die Flüssigkristallausrichtung zwischen einem ersten und einem zweiten homogenen (parallelen) Zustand geändert werden soll und positive dielektrische Anisotropie vorliegt, erlaubt es das Anlegen eines elektrischen Feldes über die Dicke einer Schicht im ersten Zustand zur Induzierung einer homöotropen (senkrechten) Ausrichtung, dass das Flüssigkristallmaterial bevorzugt den zweiten Zustand annimmt, wenn das Feld unter dem Einfluss von Licht einer geeignet gerichteten, linearen Polarisation abgeschaltet wird (Fall A). Selbst wenn die Feldstärke (oder die Stärke des Effekts einer beliebigen anderen Energiezufuhreinrichtung) per se nicht dazu ausreicht, eine alternative Ausrichtung zu erzeugen, kann die Energie der ursprünglichen bevorzugten Ausrichtung ausreichend erhöht werden, um das Flüssigkristallmaterial bei der Umorientierung zur zweiten Ausrichtung zu unterstützen, wenn polarisiertes Licht angewandt wird (Fall B).
Wenn die Schicht zwischen zwei Substraten eingeschaltet ist, kann jedes Substrat eine durchgehende Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Dicke der Schicht tragen. Eine der durchgehenden Elektroden oder beide durchgehenden Elektroden können zum gleichen Zweck durch eine ineinandergreifende Elektrode ersetzt sein, insbesondere, wenn beide Teile der ineinandergreifenden Elektrode in der gleichen Weise mit Energie versorgt werden.
Eine ineinandergreifende Elektrode kann auch dazu verwendet werden, ein Feld in der Ebene der Schicht anzulegen. So kann zum Beispiel eine ineinandergreifende Elektrode auf dem Substrat mit zwei begünstigten Ausrichtungsrichtungen dazu verwendet werden, um eine planare Ausrichtung eines Flüssigkristallmaterials mit positiver dielektrischer Anisotropie so zu ändern, dass es im maximalen Energiezustand oder nahe am maximalen Energiezustand zwischen den begünstigten Ausrichtungen liegt. Das Abschalten des Feldes in Gegenwart von linear polarisiertem Licht einer geeigneten Polarisationsrichtung und Intensität induziert beim Flüssigkristall eine Relaxation zur begünstigten Ausrichtung, wie durch die Polarisationsrichtung vorgegeben ist.
In vielen Fällen kann die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Lichts allein die resultierende Ausrichtung des Flüssigkristalls bestimmen, insbesondere, wenn keine andere Energiezufuhr vorgesehen ist. Dies gilt auch dann, wenn eine zweite Energiezuführung vorgesehen ist, die jedoch keine Richtungswirkung aufweist, die in der Lage wäre, die resultierende Ausrichtung zu beeinflussen.
In bestimmten anderen Fällen ist allerdings die zweite Energiezufuhr mit einer Richtungswirkung verbunden und kann die resultierende Ausrichtung beeinflussen, zum Beispiel ein elektrisches Feld. Wenn dies nicht erwünscht ist, sollte die zweite Energiezufuhr normalerweise aufhören, bevor das eingestrahlte Licht abgeschaltet wird.
Alternativ dazu kann die Beibehaltung der zweiten Energiezufuhr nach dem Aufhören des eingestrahlten Lichts dazu führen, dass die resultierende Ausrichtung durch die zweite Energiezufuhr bestimmt wird, wenn dies erwünscht ist.
Wenn ferner das eingestrahlte Licht nicht polarisiert ist, kann es nicht per se die resultierende Ausrichtung bestimmen. In einem solchen Fall bestimmt die zweite Energiezufuhr die resultierende Ausrichtung, wobei das eingestrahlte Licht so zurückgedrängt wird, dass es die geringere, aber notwendige Funktion der Unterstützung der Wiederausrichtung besitzt, zum Beispiel durch Erwärmen des Flüssigkristallmaterials entweder direkt oder indirekt, wie zum Beispiel durch optische Absorption durch das Flüssigkristallmaterial oder eine Komponente davon oder eines anderen Bestandteils einer Flüssigkristallzelle.
In vielen Fällen wird der gleiche Verfahrenstyp, einschließlich der Energiezufuhr von einer Bestrahlungseinrichtung, zum Schalten zwischen den bevorzugten Ausrichtungen in beide Richtungen verwendet. In anderen Fällen werden allerdings unterschiedliche Methoden für die verschiedenen Schaltrichtungen angewandt, sofern mindestens eine Schaltrichtung mit der Bestrahlung von einer Bestrahlungseinrichtung verbunden ist.
Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Energieminima für die bevorzugten Ausrichtungen nicht gleich sind, wozu auch der Fall gehört, dass eine Ausrichtung metastabil ist, so dass die Energiebarriere von der Schaltrichtung abhängt. So kann zum Beispiel das Schalten in eine Richtung von der weniger stabilen oder metastabilen Ausrichtung lediglich unpolarisiertes oder polarisiertes Licht von der Bestrahlungseinrichtung erfordern. Das Schalten in die umgekehrte Richtung kann eine zweite Energiezufuhr erfordern, wie zum Beispiel ein elektrisches Feld, das allein oder in Verbindung mit geeignetem Licht von der Bestrahlungseinrichtung angewandt wird. Alternativ kann das Schalten in die eine Richtung durch eine zweite Energiezufuhr bewirkt werden, während die Umkehrung eine Kombination der zweiten Energiezufuhr und von geeignetem Licht von der Bestrahlungseinrichtung erfordert.
Das Licht von der Bestrahlungseinrichtung kann lokal eingestrahlt werden, um über die Fläche der Vorrichtung unterschiedliche Ausrichtungen zu erzeugen. Wenn auch eine zweite Energiezufuhr erforderlich ist, wie zum Beispiel ein elektrisches Feld, kann dieses ebenfalls lokal angelegt werden, so dass lediglich ein begrenzter Bereich der Vorrichtung zu einem beliebigen Zeitpunkt geschrieben werden kann. In diesem Fall kann die Lichteinstrahlung oder die zweite Energiezufuhr universell angewandt werden, wobei die jeweils andere Art der Energiezufuhr lokal angewandt wird, so dass die lokale Energiezufuhr bestimmt, welche Bereiche geschaltet werden. Alternativ dazu können beide Energiezufuhren lokal angewandt werden, möglicherweise mit unterschiedlicher Energieverteilung, so dass lediglich Bereiche, in denen beide Energiezufuhren auftreten, geschaltet werden, also im Sinne einer logischen UND-Funktion. Andere logische Anordnungen kann eine auf diesem Fachgebiet erfahrene Person vornehmen.
Die Fähigkeit, ausgewählte Bereiche der Vorrichtung zu verändern, bedeutet, dass die Vorrichtung für eine Reihe von Anwendungen herangezogen werden kann, zu denen Anzeigen und optische Datenverarbeitung gehören. So beschreibt zum Beispiel unsere ebenfalls anhängige internationale Patentanmeldung PCT/GB98/01866 (WO 99/00993) eine autostereoskopische Anzeige, bei der eine Anordnung von Anzeigen kachelartig kombiniert ist, und die internationale Patentanmeldung PCT/GB98/03097 (WO 99/19767) zeigt eine Anordnung von individuellen Anzeigen für holographische Zwecke.
Von Kim et al. wurde in der Publikation "Optical Switching of Nematic Liquid Crystal by Means of Photosensitive Polyimides as an Alignment Layer", Applied Physics Letters, 29. November 1999, Seiten 3458–3460, wurde eine Vorrichtung beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird die Schwellenspannung zum Schalten zwischen zwei Flüssigkristallausrichtungen durch Bestrahlung der Polyimidschicht beeinflusst, und es wird angenommen, dass die Polyimidschicht "photophysikalischen Änderungen" unterliegt. Es ist möglich, den Flüssigkristall durch Variation der Strahlung bei Vorliegen einer konstanten Spannung zu schalten. Von der Ausrichtungsschicht ist allerdings nicht beschrieben, dass sie mehr als eine Ausrichtungsrichtung begünstigt. Darüber hinaus erfordert die Vorrichtung, wie beschrieben ist, die Bestrahlung der Ausrichtungsschicht zur Änderung ihrer Eigenschaften, während bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für Schaltzwecke die spektrale Zusammensetzung des Lichts in Bezug auf das Flüssigkristallmaterial so gewählt wird, dass eine Verdrillungswirkung darauf ausgeübt wird oder seine Temperatur geändert wird.
Ähnlich beschreiben Wang et al. in der Publikation "Alignment of a Nemitic Liquid Crystal Induced by Anisotropic Photo-Oxidation of Photosensitive Polyimide Films" in Applied Physics Letters, 15. Oktober 1998, Seiten 4573–4578, ein Verfahren, bei dem die Ausrichtungseigenschaften eines Polyimidfilms durch Bestrahlen mit linear polarisiertem Laserlicht geändert werden können. Auch in diesem Fall liegt kein Hinweis darauf vor, dass die Schicht zugleich in der Lage sein könnte, beide Ausrichtungen von zwei Ausrichtungen zu unterstützen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Würdigung der beigefügten Ansprüche, auf die der Leser verwiesen wird, sowie aus dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen von Vorrichtungen gemäß der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor:
1 erläutert schematisch die Änderung der Energie mit dem Zenitwinkel des Flüssigkristallmaterials auf einer zenital bistabilen Oberfläche;
2 erläutert schematisch die Wirkung von Licht auf eine Azo-Verbindung;
die 3(a) bis 3(d) erläutern schematisch die Wirkungsweise der unten beschriebenen Ausführungsform 2, die ein Beispiel unter Verwendung einer azimutal bistabilen Oberfläche darstellt;
die 4 und 5 sind Spannungs-Zeit-Diagramme, die das Ansprechen der Zelle von Ausführungsform 2 erläutern;
die 6 und 7 sind Spannungs-Zeit-Diagramme, die das Ansprechen der Zelle von Ausführungsform 2 sowie die Notwendigkeit des Anlegens eines elektrischen Feldes bei dieser Ausführungsform erläutern;
8 erläutert schematisch eine zenital "bistabile" Oberfläche mit einer modifizierten Energiebarriere gegenüber dem Fall von 1, so dass sie in wirksamer Weise monostabil ist;
die 9(a) bis 9(c) erläutern den Betrieb der Flüssigkristallzelle, welche die Oberfläche von 8 aufweist;
10 ist eine Darstellung, die allgemein ähnlich der von 1 ist und dazu dient, die gemeinsame elektrische und optische Adressierung zu erläutern.
Ausführungsform 1 Eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das ein dichroitisches Additiv enthält, ist zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat eingeschaltet. Das erste Substrat besitzt ein Oberflächenprofil für eine azimutal bistabile Oberflächenausrichtung (zwei stabile oder begünstigte planare Ausrichtungen mit unterschiedlichen Azimutrichtungen), und die zweite Oberfläche weist eine nicht geriebene Polymeroberfläche des Typs auf, dass, wenn sie gerieben würde, eine planare Ausrichtung gefördert würde. Das Flüssigkristallmaterial enthält ein Additiv für eine glitschige Oberfläche einer Konzentration, die ausreicht, um eine Degeneration der (planaren) Ausrichtung an der zweiten Substratoberfläche zu erlauben, jedoch nicht ausreicht, um die Bistabilität der Ausrichtung an der ersten Substratoberfläche zu zerstören. Dieser Aufbau bedeutet, dass jede der beiden bistabilen Ausrichtungen auf der ersten Substratoberfläche eine entsprechende gleichmäßige planare Textur über die Flüssigkristallschicht hinweg mit unterschiedlicher Azimutrichtung erzeugt.
Das Aufstrahlen von linear polarisiertem Licht ausreichender Intensität und geeigneter Polarisationsrichtung auf das Flüssigkristallmaterial reicht aus, um eine gleichmäßige planare Textur in die andere umzuwandeln und umgekehrt. Die Intensität des polarisierten Lichts wird, unter anderem, von der Energiebarriere zwischen den bistabilen Ausrichtungen bestimmt, wie sie durch die Oberflächengeometrie des ersten Substrats vorgegeben sind, und, neben anderen Faktoren, ferner durch die Konzentration des Additivs für eine glitschige Oberfläche.
Ausführungsform 2 Diese Ausführungsform ist ähnlich Ausführungsform 1, jedoch (a) ist die Energiebarriere zwischen den bistabilen Ausrichtungen von einer solchen Größe, dass das polarisierte Licht allein nicht ausreicht, um eine Umwandlung zwischen den beiden planaren Texturen hervorzurufen (andernfalls, wenn eine Quelle für polarisiertes Licht ausreichender Lichtintensität verfügbar wäre, um eine Umwandlung hervorzurufen, wäre dies schädlich für die Zelle), und (b) ist jedes Substrat mit einer durchgehenden Elektrode zum Anlegen eines Feldes an die Flüssigkristallschicht in Dickenrichtung versehen. Wenn ein Feld angelegt wird, dessen Feldstärke ausreicht, um eine homöotrope Ausrichtung in der Schicht zu induzieren, und das Feld dann in Gegenwart von linear polarisiertem Licht entfernt wird, relaxiert die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials an dem ersten Substrat zur bevorzugten Ausrichtung, die durch die Polarisationsrichtung bestimmt wird.
Die 3(a) bis 3(d) erläutern schematisch die Arbeitweise dieser Ausführungsform für eine Zelle, die eine Flüssigkristallschicht 3 zwischen einem Substrat 1, das eine azimutal bistabile erste Elektrode aufweist, und einem Substrat 2, das eine zweite (nicht ausrichtende) Elektrode aufweist. Die 3(a) bis 3(c) decken einen Zeitraum ab, bei dem linear polarisiertes Beleuchtungslicht L eingestrahlt wird (wirksam zur Induzierung einer Verdrillung bei den Flüssigkristallmolekülen). Innerhalb dieses Zeitraums wird, wie 3(b) zeigt, durch Anlegen einer Potentialdifferenz V zwischen den Elektroden der Substrate ein elektrisches Feld an die Zelle angelegt, um eine homöotrope Orientierung zu erzeugen. Nach dem Abschalten des Feldes relaxiert die Ausrichtung am Substrat 1 zu der Ausrichtung, die durch die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts L bestimmt ist, 3(c). Die Flüssigkristallorientierung am dem bistabilen Substrat wird durch die Flüssigkristallschichtmasse hindurch auf das andere Substrat übertragen, was durch den dort vorliegenden Effekt der glitschigen Oberfläche ermöglicht wird, 3(d).
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Vorrichtung nur dann einem Update zugänglich ist, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, da sie andernfalls stabil ist. Die Anordnung kann so sein, dass das elektrische Feld per se ausreicht, um die homöotrope Orientierung für die nachfolgende Relaxation zu einem Zustand zu erzeugen, der durch das Einstrahlen von polarisiertem Licht bestimmt ist. Durch selektive Beleuchtung unterschiedlicher Bereiche mit unterschiedlicher optischer Polarisation ist es möglich, ein Bild zu schreiben.
Es ist allerdings auch möglich, die Anordnung so zu treffen, dass lediglich diejenigen Bereiche des Flüssigkristalls, die sowohl optisch als auch elektrisch adressiert werden, in den homöotropen Zustand gebracht werden, wobei in diesem Fall eine selektive räumliche, optische Adressierung der Zellen ermöglicht, dass lediglich ausgewählte Bereiche der Zelle beschrieben und verriegelt werden, was die Möglichkeit eröffnet, ein komplexes Bild mit einem einzigen Elektrodenpaar zu schreiben, z. B. zur Anwendung für Bilder hoher Dichte und zur Speicherung von Bildern oder Daten.
In einem Versuch wurde eine azimutal bistabile Gitteroberfläche durch Beschichten eines sauberen Glassubstrats mit geätztem Zinndioxid hergestellt. Ein Photolack Microposit S1805, der durch Shipley Europe Limited geliefert wurde, wurde durch Rotationsbeschichtung auf diese Beschichtung aufgebracht, was eine Schicht von nominal 0,5 μm Dicke ergab. Anschließend wurde eine binäre Gittermaske mit einem Linienabstand von 1 μm mit dem Photolack in Kontakt gebracht und eine Belichtung unter Verwendung einer Breitband-UV-Lichtquelle (365 nm, 404 nm und 435 nm bei etwa 150 mJ/cm²) durchgeführt. Das Gitter wurde dann um 90° gedreht, worauf die Belichtung wiederholt wurde. Nach der Entwicklung des gemäß der Spezifikation belichteten Photolacks wurde eine leichtes Trocknen in UV-Licht während 15 Minuten (Licht von 254 nm bei etwa 9 mW/cm²) und anschließend ein starkes Trocknen während zwei Stunden bei 180°C durchgeführt. Unter Verwendung des obigen Substrats und eines in ähnlicher Weise bearbeiteten Substrats, bei dem der Photolacks allerdings nicht zur Erzeugung eines Gitters belichtet worden war, wurde eine Zelle aufgebaut. Der Abstand zwischen den Substraten betrug nominal 5 μm; der Raum zwischen den Substraten wurde mit einem Standardgemisch E63 von Merck gefüllt, das bei Raumtemperatur eine nematische Phase aufweist. Zu diesem Gemisch wurden ein dichroitischer Farbstoff D2, ebenfalls von Merck, in einer Menge von 2 Gew.-% und ein Oligomer mit der Bezeichnung 3M Flourad FC430, geliefert von 3M Belgium N. V., in einer Menge von 2 Gew.-% zugegeben. Der Farbstoff besitzt einen Absorptionspeak bei 487 nm, der nahe bei 600 nm auf Null abfällt.
Ein 20 mW-Argonionenlaser (Wellenlänge 448 nm), der ein Gaußsches Strahlprofil an der Zelle von 1 mm² aufwies, wurde zur Adressierung der Zelle über eine drehbare Halbwellenplatte zur Kontrolle ihrer Polarisationsrichtung verwendet. Das optische Ansprechen der Zelle wurde unter Verwendung eines linear polarisierten Strahls von einem 5 mW HeNe-Laser (Wellenlänge 663 nm) sowie zusätzlich einem linearen Polarisator, der auf eine Brennfleckgröße an der Zelle fokussiert war, die kleiner war als der Brennfleck des Argonionenlasers, überwacht. Die übertragene Intensität des Lichts von 633 nm wurde durch eine Photodiode erfasst, die mit einem linearen Analysator und einem Sperrfilter ausgerüstet war, um sämtliche sichtbaren Wellenlängen außer dem HeNe-Licht virtuell auszuschließen. Die Vorrichtung wurde mit bipolaren elektronischen Impulsen adressiert, um die Zelle in einen homöotropen Zustand zu schalten. Um 90° zueinander liegende bistabile Orientierungen der Flüssigkristallzelle wurden vertikal und horizontal vorgesehen, während der Polarisator und der Analysator unter plus 45° bzw. minus 45° angeordnet wurden. Da die stabilen Zustände zwischen gekreuzten Polarisatoren optisch äquivalente Transmissionen aufweisen, wurde eine Viertelwellenplatte nach der Zelle hinzugefügt, um die beiden Zustände zu unterscheiden.
Das Schalten der Vorrichtung ist in den 4 und 5 veranschaulicht, welche die Transmission T als Funktion der Zeit t während einer Zeitdauer von etwa 50 Sekunden zeigen. Während der Einstrahlung des Lichts von 488 nm entweder mit vertikaler linearer Polarisation (4) oder mit horizontaler linearer Polarisation (5) wurde ferner ein bipolarer elektrischer Impuls VP von 80 mV und 10 ms angelegt, der die Datensammlung durch das Oszilloskop triggerte. Die anschließende Abschaltung der Beleuchtung etwa 5 Sekunden später bei einem Punkt t1 erlaubte eine Relaxation des Flüssigkristalls (über möglicherweise Hunderte von Millisekunden) zu einer endgültigen Orientierung; wie aus einem Vergleich der Endbereiche der 4 und 5 hervorgeht, kann diese durch Wahl der Polarisationsrichtung der Beleuchtung mit 488 nm ausgewählt werden. Ein weiterer Einblick in das Verhalten der Zelle kann aus einer Betrachtung der 6 und 7 gewonnen werden, welche die Transmission T als Funktion der Zeit t während einer Zeitdauer von etwa 200 Sekunden zeigen. In 6 durchläuft die Zelle die nachstehende Abfolge von Schritten:

11: Horizontal polarisiertes Licht EIN.
12: Spannungsimpuls angelegt.
13: Horizontal polarisiertes Licht AUS.
14: Horizontal polarisiertes Licht EIN.
15: Spannungsimpuls angelegt.
16: Horizontal polarisiertes Licht AUS.
17: Vertikal polarisiertes Licht EIN.
18: Spannungsimpuls angelegt.
19: Vertikal polarisiertes Licht AUS.
20: Vertikal polarisiertes Licht EIN.
21: Spannungsimpuls angelegt.
22: Vertikal polarisiertes Licht AUS.

Dies zeigt, dass die Wiederholung des Adressierungszyklus, nämlich der Schritte 4 bis 6 und 10 bis 12, keinen wirksamen Effekt ergibt. Wenn allerdings ein Adressierungszyklus durchgeführt wird, der eine neue Orientierung spezifiziert, wie dies in den Schritten 17 bis 19 der Fall ist, ändert sich die Ausrichtung des Flüssigkristalls in einen zweiten stabilen Zustand (Schritt 18).
7 erläutert die Notwendigkeit des Spannungsimpulses und zeigt die nachstehende Abfolge von Maßnahmen:

31: Horizontal polarisiertes Licht EIN.
32: Spannungsimpuls angelegt.
33: Horizontal polarisiertes Licht AUS.
34: Vertikal polarisiertes Licht EIN.
35: Vertikal polarisiertes Licht AUS.
36: Vertikal polarisiertes Licht EIN.
37: Spannungsimpuls angelegt.
38: Vertikal polarisiertes Licht AUS.

Die Schritte 31 bis 33 mit horizontal polarisierter Beleuchtung dienen nicht zu einer Beeinflussung des Zustands der Zelle, sondern zur Sicherstellung, dass sie sich in dem durch die Beleuchtung mit horizontal polarisiertem Licht induzierten Zustand befindet. Die Schritte 34 und 35 mit vertikal polarisierter Beleuchtung bei Abwesenheit einer angelegten Spannung ändern den Zustand der Zelle ebenfalls nicht. Die Einschaltung eines Spannungsimpulses 37 während der Beleuchtung mit vertikal polarisiertem Licht, Schritte 36 bis 38, triggert allerdings einen Zustandswechsel, und bei Abschalten der Beleuchtung bei Schritt 38 wird die Ausrichtung des Flüssigkristalls geändert.
Ausführungsform 3 Eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das ein dichroitisches Additiv enthält, ist zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat eingeschaltet, wobei das erste Substrat ein Oberflächenprofil besitzt, das eine azimutale bistabile Oberflächenausrichtung ergibt, und die zweite Oberfläche eine Polymeroberfläche aufweist, die gerieben wurde, um eine planare Ausrichtung darauf parallel zu einer der bevorzugten Ausrichtungen beim ersten Substrat zu fördern. Die planare Ausrichtung am zweiten Substrat besteht fort, so dass in einem Zustand der Vorrichtung eine gleichmäßige planare Textur über die Flüssigkristallschicht vorliegt und im anderen Zustand der Flüssigkristall verdrillt ist. Das Flüssigkristallmaterial enthält ferner auch ein chirales Additiv, um die Energien des gleichmäßigen Zustands und des verdrillten Zustands allgemein (und bevorzugt im Wesentlichen) gleich zu machen, um so ein Schalten zwischen diesen Zuständen bei Einstrahlen von Licht der geeigneten linearen Polarisationsrichtung und Intensität zu erleichtern.
Das Flüssigkristallmaterial kann wahlweise ein Additiv für eine glitschige Oberfläche wie in den Ausführungsformen 1 und 2 enthalten, jedoch nicht in einer so hohen Konzentration, dass die planare Ausrichtung an der zweiten Oberfläche unwirksam gemacht wird, und/oder die Vorrichtung kann Elektroden zum Anlegen eines Feldes an die Dicke der Schicht wie in Ausführungsform 2 aufweisen.
Ausführungsform 4 Eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das ein dichroitisches Additiv enthält, wird zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat eingeschaltet, wobei das erste Substrat ein Oberflächenprofil besitzt, das eine azimutale bistabile Oberflächenausrichtung ergibt, und die zweite Oberfläche eine Polymeroberfläche aufweist, die gerieben wurde, um die planare Anordnung daran zwischen den bevorzugten Ausrichtungen am ersten Substrat zu fördern. Der Aufbau ist so, dass sich die Ausrichtung je nach der am ersten Substrat angenommenen Ausrichtung durch die Schicht in Dickenrichtung hindurchgehend in einer Richtung oder der anderen Richtung verdrillt.
Die Energien der beiden Zustände der Vorrichtung sind bevorzugt im Wesentlichen gleich, obgleich dies von der Energiebeziehung zwischen den bevorzugten Ausrichtungen am ersten Substrat abhängt. Es ist bevorzugt, wenn die Ausrichtung am zweiten Substrat im Wesentlichen parallel zu der Richtung ist, die dem Energiemaximum zwischen den begünstigten Ausrichtungen am ersten Substrat entspricht. Wenn die Energien der beiden bevorzugten Ausrichtungen am ersten Substrat gleich sind, liegt diese Richtung in der Mitte zwischen den begünstigten Ausrichtungen. Wenn die Energien der beiden begünstigten Ausrichtungen am ersten Substrat nicht gleich sind, kann diese Richtung in der Mitte zwischen den begünstigten Ausrichtungen liegen oder auch nicht. Die Ausrichtung am zweiten Substrat kann allerdings von der idealen Position abweichen, vorausgesetzt, dass die Intensität des polarisierten Lichts (und einer etwaigen weiteren Energiezufuhr) zur Umausrichtung ausreichend ist.
Das Flüssigkristallmaterial kann wahlweise ein Additiv für eine glitschige Oberfläche wie in den Ausführungsformen 1 und 2 enthalten, jedoch nicht in einer so hohen Konzentration, dass die planare Ausrichtung an der zweiten Oberfläche unwirksam gemacht wird, und/oder die Vorrichtung kann Elektroden zum Anlegen eines Feldes an die Schicht in der Dicke wie in Ausführungsform 2 aufweisen.
Ausführungsform 5 Eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das ein dichroitisches Additiv enthält, wird zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat eingeschaltet, wobei das erste Substrat ein Oberflächenprofil besitzt, das eine azimutale bistabile Oberflächenausrichtung ergibt, und die zweite Oberfläche eine Oberfläche aufweist, die behandelt wurde, um die homöotrope Ausrichtung daran zu fördern. Beim Durchlaufen von einem Substrat zum anderen liegt unabhängig von der Ausrichtungsrichtung am ersten Substrat eine Verdrillung der Ausrichtungsrichtung vor, so dass die Energien der beiden Zustände der Vorrichtung allgemein oder im Wesentlichen gleich sind (abhängig von der Energiebeziehung zwischen den Ausrichtungen am ersten Substrat).
Das Flüssigkristallmaterial kann wahlweise ein Additiv für eine glitschige Oberfläche wie in den Ausführungsformen 1 und 2 enthalten, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß, dass die Ausrichtung an der zweiten Oberfläche unwirksam gemacht wird, und/oder die Vorrichtung kann Elektroden zum Anlegen eines Feldes an die Schicht in Dickenrichtung wie in Ausführungsform 2 aufweisen. Bei jeder der Ausführungsformen 1 bis 5 ist es bevorzugt, wenn die beiden begünstigten azimutalen Ausrichtungen am ersten Substrat unter 90° zueinander liegen.
Ausführungsform 6 Während die Ausführungsformen 1 bis 5 azimutal bistabile Substratoberflächen aufweisen, besitzt diese Ausführungsform eine zenital bistabile Substratoberfläche 1, die allgemein von dem Typ ist, der bereits unter Bezug auf 1 erläutert wurde, und ein zweites Substrat 2 für eine homöotrope Ausrichtung. Durch Abstimmen des Verhältnisses von Abstand zu Tiefe der Gitterlinien, und insbesondere unter Verwendung eines relativ flachen Gitters, ist es möglich, ein Energieprofil, wie es in 8 dargestellt ist, zu erzielen, obgleich dies von weiteren Parametern der Vorrichtung und des betreffenden Flüssigkristalls abhängt, bei dem der planare Zustand stabil ist, jedoch lediglich mit einer kleinen Aktivierungsenergie E zum Schalten in den homöotropen Zustand. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass das Verhältnis von Abstand zu Tiefe der Gitterlinien nicht so klein ist, dass der planare Zustand vollständig instabil wird. Das Flüssigkristallmaterial enthält einen dichroitischen Farbstoff.
Die Vorrichtung bleibt normalerweise in einer homöotropen Ausrichtung wie in 9(a). Ein elektrisches Feld oder ein Spannungsimpuls kann dazu verwendet werden, die Ausrichtung an der Oberfläche des bistabilen Substrats 1 in eine planare Ausrichtung zu schalten, 9(b). Diese planare Ausrichtung hat die Tendenz zur Relaxation zu der homöotropen Ausrichtung von 9(a) mit einer Geschwindigkeit, die unter anderem von der Aktivierungsenergie E abhängt; wenn sie ausreichend niedrig ist, können ausgewählte Bereiche der Vorrichtung durch Einstrahlen von polarisiertem Licht L gezwungen werden, schneller zu schalten, 9(c), was dazu dient, das Flüssigkristallmaterial mit einer Verdrillung zu versehen. Es ist auf diese Weise möglich, ein temporäres Bild auf der Vorrichtung zu schreiben, das mit einer geeigneten Rate wiederholt aufgefrischt werden kann.
Im planaren Zustand liegen die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den Vertiefungen. Auf den Flüssigkristall einfallendes Licht, das senkrecht zu den Vertiefungen linear polarisiert ist, wird vom dichroitischen Farbstoff absorbiert, der dann eine Verdrillung auf die Flüssigkristallmoleküle ausübt, indem sie von der Polarisationsrichtung weggedrückt werden. Als Konsequenz tendiert der so beleuchtete Flüssigkristall dazu, in die energetisch begünstigte homöotrope Orientierung zu fallen.
Bei Abwandlungen dieser Ausführungsform kann die Oberfläche 2 eine planare Orientierung mit einer hohen oder niedrigen Vorverkippung ergeben, und/oder sie könnte eine weitere Gitteroberfläche sein. Jede Abwandlung kann auch mit einer Beleuchtung mit nichtlinearer Polarisation, zum Beispiel mit zirkularer Polarisation, betrieben werden.
Ausführungsform 7 Diese Ausführungsform ist ähnlich wie Ausführungsform 6, jedoch ist das Gitter tiefer, wodurch die Energieniveaus umgekehrt werden und der planare Zustand energetisch begünstigter gemacht wird. Eine Kombination von elektrischer und optischer Adressierung wird zum Schalten von ausgewählten Bereichen in den energetisch höheren homöotropen Zustand verwendet, wobei das elektrische Feld unterhalb der Schwelle zum Schalten bei Abwesenheit einer Beleuchtung liegt. In diesem Fall ist es der homöotrope Zustand, der metastabil ist und zum planaren Zustand relaxiert. Um einen Übergang in den planaren Zustand zu erzwingen, ist eine Beleuchtung unter einem Winkel zur Achse erforderlich. Der planare Zustand kann durch Anwendung eines elektrischen Löschimpulses über die gesamte Flüssigkristallschicht induziert werden.
Ausführungsform 8 Die Ausführungsformen 6 und 7 stellen extreme Beispiele für zenital bistabile Vorrichtungen dar, und, wie zuvor erwähnt, der planare Zustand umfasst manchmal einen hohen Verkippungswinkel für einen Defektzustand mit Liniendefekten im nematischen Direktor. Es können andere Gitterprofile verwendet werden, die ausgeprägtere Energietröge für beide Ausrichtungstypen ergeben, wie in 10 dargestellt ist, die allgemein 1 ähnelt. In einem solchen Fall ist die gemeinsame Anwendung von elektrischer und optischer Adressierung bevorzugt, das heißt, das elektrische Feld kann dazu verwendet werden, von einem (planaren) Zustand A zum Beispiel in einen Zustand B zu schalten, wobei an diesem Punkt beleuchtete Bereiche in einen (homöotropen) Trog C übergehen können (oder der Prozess kann in umgekehrter Richtung von C zu A verlaufen). Nicht beleuchtete Bereiche relaxieren zum Zustand A beim Entfernen des Feldes und der Beleuchtung.
Ausführungsform 9 Diese Ausführungsform stellt eine Abwandlung von Ausführungsform 8 dar, bei welcher der letzte Stoß zum Überwinden des Energiebergs durch lokale Erwärmung anstatt durch Beleuchtung erzielt wird. Eine solche lokale Erwärmung kann durch Lichtabsorption durch einen Farbstoff oder ein anderes lichtabsorbierendes Material, zum Beispiel im Flüssigkristallmaterial oder im Gitter, auftreten. Nicht-dichroitische Farbstoffe ergeben eine polarisationsunempfindliche Vorrichtung, während geeignet angeordnete dichroitische Farbstoffe, wie im Flüssigkristall-Wirtsmaterial, dazu führen, dass der Erwärmungseffekt von der Polarisation der einfallenden Beleuchtung abhängt. Die Schaltrichtung der Vorrichtung wird durch die Polarität des angelegten elektrischen Feldes und nicht durch eine lichtinduzierte Verdrillung bestimmt.

Claims

Flüssigkristallvorrichtung, die aufweist: ein Flüssigkristallmaterial (3) im Kontakt mit der Oberfläche eines Substrats (1), wobei die Oberfläche zumindest eine erste und eine zweite stabile oder metastabile Flüssigkristallausrichtung daran in Bezug auf eine erste und eine zweite Richtung, die voneinander verschieden sind, begünstigt, und eine Schalteinrichtung (L, v), die das Flüssigkristallmaterial veranlasst, zwischen diesen Ausrichtungen zu schalten, wobei die Schalteinrichtung eine erste Energieversorgungseinrichtung aufweist, die zum Anlegen einer optischen Strahlung (L) an das Flüssigkristallmaterial ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial und die optische Strahlung für eine signifikante Absorption der Strahlung durch das Flüssigkristallmaterial ausgewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Energieversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie linear polarisiertes Licht einer Polarisationsrichtung und einer spektralen Zusammensetzung liefert, die so ausgewählt oder auswählbar sind, dass die eine der beiden Ausrichtungen in wirksamer Weise energetisch weniger günstig gemacht wird als die andere der beiden Ausrichtungen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Energieversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie linear polarisiertes Licht einer Polarisationsrichtung und einer spektralen Zusammensetzung liefert, die so ausgewählt oder auswählbar sind, dass an den Flüssigkristallmolekülen in wirksamer Weise ein Drehmoment induziert wird, das die Flüssigkristallausrichtung zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtung ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Flüssigkristallmaterial kein dichroitisches Additiv enthält und die spektrale Zusammensetzung eine Absorptionsbande des Flüssigkristallmaterials einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Flüssigkristallmaterial ein dichroitisches Additiv in einem Flüssigkristall-Wirtmaterial enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die spektrale Zusammensetzung eine Absorptionsbande des dichroitischen Additivs einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die spektrale Zusammensetzung eine Absorptionsbande des Flüssigkristall-Wirtmaterials einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die Schalteinrichtung ferner eine zweite Energieversorgungseinrichtung (v) aufweist, die das Schalten des Flüssigkristallmaterials zwischen den Ausrichtungen unterstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die zweite Energieversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie Energie an das Flüssigkristallmaterial liefert, um die vorliegende Flüssigkristallausrichtung zu destabilisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Energie von der zweiten Energieversorgungseinrichtung so ist, dass die Tendenz besteht, eine homöotrope Ausrichtung am Substrat zu induzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei die Energie von der zweiten Energieversorgungseinrichtung so ist, dass die Tendenz besteht, eine planare Ausrichtung am Substrat zu induzieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der die zweite Energie durch ein elektrisches Feld (v) geliefert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die zweite Energieversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie das Schalten des Flüssigkristallmaterials zwischen den Ausrichtungen fördert, jedoch nicht ausreicht, um selbst das Schalten hervorzurufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine zweite Energieversorgungseinrichtung aufweist, die das Schalten des Flüssigkristallmaterials zwischen den Ausrichtungen unterstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die zweite Energieversorgungseinrichtung so ausgebildet ist, dass ermittelt wird, welche der Ausrichtungen angenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die erste Energieversorgungseinrichtung mit der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme durch Lichtabsorption zusammenwirkt, um das Schalten im Zusammenwirken mit der zweiten Energieversorgungseinrichtung hervorzurufen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Energie von der zweiten Energieversorgungseinrichtung so ist oder so auswählbar ist, dass sie eine homöotrope Ausrichtung am Substrat begünstigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Energie von der zweiten Energieversorgungseinrichtung so ist oder so wählbar ist, dass die Tendenz besteht, eine planare Ausrichtung am Substrat zu induzieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die zweite Energie durch ein elektrisches Feld geliefert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Flüssigkristallmaterial ein Oligomer zur Verringerung der Energie zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtung enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Energieversorgungseinrichtung für eine lokale Bestrahlung der Vorrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Ausrichtung planar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Ausrichtung planar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der die zweite Ausrichtung homöotrop ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausrichtungsschicht eine Gitterstruktur aufweist.
Verfahren zur Kontrolle der Ausrichtung eines Flüssigkristallmaterials im Kontakt mit einer Substratoberfläche, die zumindest eine erste und eine zweite stabile oder metastabile Flüssigkristallausrichtung daran in Bezug auf eine erste und eine zweite Richtung, die voneinander verschieden sind, begünstigt, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt der optischen Bestrahlung der Vorrichtung mit Strahlung von einer Strahlungsquelle umfasst, wobei die Strahlungsquelle und das Flüssigkristallmaterial für eine signifikante Absorption der Strahlung durch das Flüssigkristallmaterial ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem im Schritt der optischen Bestrahlung Strahlung angewandt wird, die so ausgewählt ist, dass eine signifikante Absorption durch das Flüssigkristallmaterial eintritt.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem der Schritt der optischen Bestrahlung das Vorsehen von linear polarisiertem Licht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das linear polarisierte Licht so ist, dass es in wirksamer Weise ein Drehmoment an den Flüssigkristallmolekülen hervorruft oder in wirksamer Weise die Flüssigkristallmoleküle dreht.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Schritt der optischen Bestrahlung das Vorsehen von nichtpolarisiertem Licht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem das nichtpolarisierte Licht eine Erwärmung im Flüssigkristallmaterial hervorruft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, bei dem der zusätzliche Schritt eingeschlossen ist, weitere Energie in die Vorrichtung zur Kontrolle der Ausrichtung einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem die Einführung weiterer Energie durch ein elektrisches Feld erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem die optische Bestrahlung nach dem Aufhören der Einführung der weiteren Energie fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem die Einführung weiterer Energie nach dem Aufhören der optischen Bestrahlung fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, bei dem die Einführung weiterer Energie lokal vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 36, bei dem die optische Bestrahlung lokal vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 27, bei dem eine Ausrichtung planar ist.
Verfahren nach Anspruch 38, bei dem die andere Ausrichtung planar ist.
Verfahren nach Anspruch 38, bei dem die andere Ausrichtung homöotrop ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 40, das den Schritt des Vorsehens eines Oligomers in der Flüssigkristallphase umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 41, bei dem die Substratoberfläche als Gitterstruktur ausgelegt wird.
Anzeige, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 aufweist.
Optisches System oder optische Anzeige, die mehrere optische Vorrichtungen aufweist, wobei mindestens eine Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 ist.
Optisches System, das mehrere Vorrichtungen aufweist, die jeweils eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26 sind.
System nach Anspruch 45 oder 46, bei dem die mehreren Vorrichtungen in einer gemeinsamen Ebene kachelartig angeordnet sind.