DE68928981T2

DE68928981T2 - Vorrichtung mit eingekapselten Flüssigkristallen mit einem Polymerzusatz

Info

Publication number: DE68928981T2
Application number: DE68928981T
Authority: DE
Inventors: Ning Sun Fan; James L. Fergason
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2009-08-02
Also published as: EP0608969B1; US4950052A; JPH0281024A; DE68928981D1; CA1336939C; EP0357234A3; EP0357234B1; JP2749385B2; DE68919389D1; DE68919389T2; EP0608969A1; EP0357234A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Flüssigkristalle und im spezielleren einen Flüssigkristallfilm mit nematischer, krummlinig angeordneter Phase (NCAP), welcher ein Polymeradditiv beeinhaltet, um eine Schutzwand in dem Einschlußmedium zu bilden.
Flüssigkristalle werden in einer Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, einschließlich optischer Anzeigeeinheiten. Die Eigenschaften von Flüssigkristallen, welche es ihnen ermöglicht z. B. in optischen Anzeigen verwendet zu werden, ist einerseits die Fähigkeit von Flüssigkristallen zum Durchlassen von Licht und auf der anderen Seite zum Streuen und/oder Absorbieren von Licht (insbesondere bei Kombination mit einem geeigneten Farbstoff), in Abhängigkeit davon, ob die Flüssigkristalle in einem relativ freien, d. h. nichtangeregten oder feldfreien Zustand sind, oder in einem relativ ausgerichteten, d. h. angeregten oder Feld-an-Zustand sind. Ein elektrisches Feld, das selektiv über die Flüssigkristalle angelegt wird, kann verwendet werden, um zwischen den Feldfrei- und Feld-an-Zuständen umzuschalten.
Es gibt drei Flüssigkristallmaterialkategorien, nämlich cholesterisch, nematisch und smektisch. Die vorliegende Erfindung betrifft in der bevorzugten Ausführungsform, die hier nachfolgend beschrieben wird, die Verwendung von Flüssigkristallmaterial, das im Betriebszustand nematisch ist. "Im Betriebszustand nematisch" soll bedeuteten, daß in der Abwesenheit von externen Feldern eine Strukturverzerrung des Flüssigkristalls eher durch die Orientierung des Flüssigkristalls an seinen Grenzen als durch Masseeffekte, wie etwa starke Verdrehungen (wie in cholesterischem Material) oder Schichtbildung (wie in smektischem Material) dominiert wird. Somit würde z. B. ein Flüssigkristallmaterial, das chirale Bestandteile enthält, welche eine Tendenz zum Verdrehen induzieren, die aber die Effekte der Grenzanordnung des Flüssigkristallmaterials nicht aufheben können, als betriebsmäßig nematisch betrachtet.
Eine ausführlichere Erklärung des betriebsmäßig nematischen Flüssigkristallmaterials ist in dem US-Patent Nr. 4,616,903 zu finden.
Es kann ebenfalls Bezug auf das US-Patent 4,435,047 genommen werden.
NCAP-Flüssigkristalle und -Vorrichtungen, die einen NCAP- Flüssigkristall verwenden, sind ebenfalls in dem vorstehend genannten US-Patent Nr. 4,435,047 beschrieben. Eine zweckmäßige NCAP-Flüssigkristallvorrichtung kann aus einem NCAP-Flüssigkristall bestehen, der zwischen zwei elektrodenbeschichteten Substraten eingelagert ist. Die Substrate können Polyester (PET) sein, der mit Indiumzinnoxid beschichtet ist, um Elektroden zu bilden. Die eingekapselte NCAP oder der Film, können ein Einschlußmedium umfassen, das mehrere Volumina betriebsmäßig nematischer Flüssigkristalle enthält. Die mehrfachen Volumina können diskrete oder miteinander verbundene Hohlräume oder Kapseln sein. Die verbindenden Kanäle oder Durchgänge können ebenfalls Flüssigkristallmaterial enthalten. Diese Struktur ist ausführlicher im US-Patent Nr. 4,707,080 beschrieben.
Eine Spannungsquelle kann zwischen den Elektroden angeschlossen werden, um selektiv ein elektrisches Feld über das Flüssigkristallmaterial anzulegen. Bekannterweise wird das Flüssigkristallmaterial im feldfreien Zustand streuen und/oder absorbieren und Licht im Feld-an-Zustand durchlassen. Somit wird das Flüssigkristallmaterial oder der Film im Feld-an- Zustand klar sein und im feldfreien Zustand (beim Fehlen eines pleochroischen Farbstoffes) matt oder trübe sein.
Der NCAP-Film kann bei der Herstellung von Fenstern u. dgl. verwendet werden. Derartige Vorrichtungen sind im US-Patent Nr. 4,749,261 beschrieben.
Ein Fenster kann hergestellt werden durch Laminieren des elektrodenbeschichteten Substrats, das den NCAP-Film trägt, auf eine Fensteroberfläche, z. B. Glas oder Schichtkunststoff, mittels eines optisch transparenten Klebemittels oder einer optisch transparenten Zwischenschicht. Eine der häufiger verwendeten Glaszwischenschichten ist Polyvinylbutyral (PVB). Andere sind Ethylenvinylacetat (EVA) und Polyurethan.
PVB und EVA sind im Gegensatz zu Flüssigkeiten thermoplastische Folieklebemittel. Als solche bieten sie eine geeignete Handhabung und Verarbeitbarkeit. Diese Zwischenschichtmaterialien können Sicherheitsglas- und Schlagfestigkeitseigenschaften verleihen. Andere Vorteile umfassen: Klarheit, geringe Trübung, Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und Ultraviolettlichtabsorption.
Die Laminierung eines NCAP-Filmsubstrats auf eine Glas- oder Kunststoffoberfläche kann jedoch die elektrooptische Leistungsfähigkeit des Filmes nachteilig beeinflussen. Das heißt, Teile des Filmes können Licht in dem feldfreien Zustand nicht mehr effektiv streuen. Somit würden diese Teile Licht spiegelnder durchlassen und im feldfreien Zustand klarer erscheinen. Es wird angenommen, daß dies durch mechanische Belastungen bewirkt wird, die auf den NCAP-Film während dem Laminierungsverfahren angewendet werden. Es wird angenommen, daß derartige mechanische Belastungen eine Änderung in der Form und/oder Struktur der Hohlräume, Kapseln oder den Verbindungsdurchgängen bewirken. Zusätzlich können derartige Belastungen einen Flüssigkristallfluß, z. B. zu der Filmoberfläche, durch die Durchgänge oder Poren in dem Einschlußmedium bewirken. Dieses "Belastungsaufklaren" verringert die elektrooptische Leistungsfähigkeit des Filmes.
Demgemäß ist ein Gegenstand der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines eingekapselten. Flüssigkristallmaterials, das gegenüber mechanischer Belastung stabiler ist.
Ein speziellerer Gegenstand der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines NCAP- Filmes, der ein Polymeradditiv beinhaltet, das eine Wand innerhalb von Volumina des Einschlußmediums, welches das Flüssigkristallmaterial enthält, bildet.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Flüssigkristallvorrichtung, umfassend ein Latexeinschlußmedium, ein Flüssigkristallmaterial, das in mehreren Volumina in dem Medium dispergiert ist, wobei das Medium eine im allgemeinen gestörte Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials induziert, welche in Antwort auf die Ausrichtung mindestens Licht streut und/oder absorbiert, und welche in Antwort auf eine vorbeschriebene Eingabe den Grad einer derartigen Streuung oder Absorption verringert, und worin Durchgänge sich von den Volumina erstrecken, gekennzeichnet durch Barrieremittel, die zumindest im wesentlichen zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem Medium gebildet sind, um den Fluß des Flüssigkristallmaterials aus den mehreren Volumina zu behindern, um die Integrität der Volumina zu erhalten, und welche eine Wand in mindestens einem Teil der Durchgänge bilden, um den Fluß des Flüssigkristallmaterials hier hindurch zu behindern, wobei die Barrieremittel nicht aus Polyvinylpyrrolidon gebildet sind.
Vorzugsweise haben die Barrieremittel und das Flüssigkristallmaterial Löslichkeitsparameter, die um mindestens zwei Hildebrand-Einheiten verschieden sind.
Das Flüssigkristallmaterial kann ein betriebsmäßig nematischer Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie sein. Das Flüssigkristallmaterial ist in mehreren Volumina in dem Einschlußmedium eingeschlossen.
Beispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, worin:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, welche eine NCAP- Flüssigkristallvorrichtung darstellt,
Fig. 2 eine schematische Ansicht ist, die ein Gemisch eines wäßrigen Mediums mit einer Suspension von Latexteilchen vor dem Trocknen veranschaulicht,
Fig. 3 eine schematische Ansicht ist, die eine Vorrichtung zeigt, welche aus dem in Fig. 2 dargestellten Gemisch in der Abwesenheit eines elektrischen Feldes gebildet wird,
Fig. 4 eine schematische Ansicht ist, die eine Vorrichtung zeigt, die aus dem in Fig. 2 dargestellten Gemisch bei Vorliegen eines elektrischen Feldes gebildet wird.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, wird nun die Aufmerksamkeit zuerst auf Fig. 1 gerichtet. Fig. 1 zeigt eine NCAP- Flüssigkristallvorrichtung, die allgemein durch die Bezugsnummer 10 bezeichnet wird und in US-Patent Nr. 4,435,047 offenbart ist. Die Vorrichtung umfaßt einen NCAP- Flüssigkristall 11, der von einem Substrat 12 getragen wird, das darauf angeordnet eine Elektrode 13 aufweist. Die Vorrichtung umfaßt auch eine zweite Elektrode 14, die auf Substrat 15 befestigt ist. Zur Vereinfachung können Substrat 12 und Elektrode 13 ebenfalls als Elektroden-beschichtetes Substrat 18 bezeichnet werden, und ähnlich können Substrat 15 und Elektrode 14 als elektrodenbeschichtetes Substrat 18A bezeichnet werden.
Der NCAP-Flüssigkristall 11 umfaßt ein Flüssigkristallmaterial 20, das mehr oder weniger in den Grenzen des inneren Volumens 21 einer Kapsel 22 eingeschlossen ist.
Eine Spannung kann an die Elektrodenbeschichteten Substrate 18 und 18A und damit über den Flüssigkristall 11 von einer Wechsel- oder Gleichstromspannungsquelle 16 angelegt werden. Die Spannungsquelle 16 wird mit den elektrodenbeschichteten Substraten 18 und 18A durch elektrische Leiter und über den selektiv schließbaren Schalter 17 verbunden. Wenn Schalter 17 geschlossen ist, wird eine Spannung über die elektrodenbeschichteten Substrate 18 und 18A angelegt, die bewirkt, daß die Flüssigkristallmoleküle sich mit dem Feld ausrichten, wobei sie optisch durchlässig werden. Wenn Schalter 17 geöffnet ist und keine Spannung angelegt ist, streut und/oder absorbiert der Flüssigkristall Licht.
Die Befestigungssubstrate 12 und 15 und die Elektroden 13 und 14 können optisch transparent sein, so daß die Flüssigkristallvorrichtung 10 den Durchlaß von Licht hierdurch in Abhängigkeit von einem über die elektrodenbeschichteten Substrate 18 und 18A angelegten elektrischen Feld steuern kann. Alternativ kann das elektrodenbeschichtete Substrat 18 optisch reflektierend sein oder es kann darauf eine optisch reflektierende Beschichtung aufweisen, so daß eine Reflexion von einfallendem Licht durch eine derartige reflektierende Beschichtung eine Funktion davon sein wird, ob ein elektrisches Feld über den Flüssigkristall 11 angelegt ist. Typischerweise sind bei Fensterkonstruktionen die Befestigungssubstrate und Elektroden optisch durchlässig.
Fig. 2 zeigt eine Schicht eines nicht getrockneten Gemisches 19, das erhalten wird, wenn Flüssigkristallmaterial 20 in einem wäßrigen Medium mit einer Suspension von Latexteilchen 24 vereinigt wird.
Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch ein Polymeradditiv 30, das zu Gemisch 19 gegeben wurde, um Flüssigkristallteilchen 20 und Latexteilchen 24 zu koaleszieren. Zusätzlich kann dieses Schutzkolloidpolymer in dem wäßrigen Medium dispergiert werden. Wie diskutiert werden wird, dient das Polymeradditiv dazu die Integrität der Flüssigkristallvolumina aufrechtzuerhalten, wenn das Gemisch trocknet, um den NCAP- Film zu bilden. Das heißt, daß Polymeradditiv bildet eine Barriere für den Fluß von Flüssigkristallmaterial von einer Kapsel zu der anderen, von einer Kapsel zu der Filmoberfläche und/oder von einer Kapsel in das Filmeinschlußmedium.
Dem Fachmann ist allgemein bekannt, daß es eine große Vielzahl von Materialien gibt, aus welchen der Flüssigkristall 20 in Gemisch 19 ausgewählt werden kann. Diese Wahlmöglichkeit besteht ebenfalls in der nematischen Flüssigkristallkategorie. Als eine Konsequenz und wie hier vorstehend diskutiert, ist diese Erfindung nicht auf eine bestimmte Kategorie von Flüssigkristallen oder einem spezifischen Material begrenzt.
Dem Fachmann in der Färbeformulierungstechnik ist ebenfalls allgemein bekannt, daß es eine große Anzahl von Zusammensetzungen gibt, mit welchen Latexteilchen, wie etwa diejenigen in Gemisch 19, hergestellt werden können. Diese Erfindung ist daher nicht auf eine der im speziellen offenbarten Latexzusammensetzungen begrenzt, sondern erstreckt sich auf jede Latexformulierung, die verwendet werden kann, um Flüssigkristallmaterial einzuschließen.
Die Auswahl von Flüssigkristallen und Latexteilchen wird von einer Vielzahl physikalischer Eigenschaften für jedes Material abhängen, z. B. von der Löslichkeit des Flüssigkristallmaterials in den Latexteilchen. Im allgemeinen sollte die Löslichkeit des Flüssigkristallmaterials in den Latexteilchen weniger als etwa 20% des Anfangsvolumens des Flüssigkristallmaterials sein. Falls der Flüssigkristall relativ unlöslich in dem Latex ist, kann eine Dispersion von diskreten Flüssigkristallteilchen in dem Latexmedium gebildet werden. Derartige Zusammensetzungen sind extrem wirkungsvoll beim Streuen und/oder Absorbieren von Licht im feldfreien Zustand, sind aber im Feld-an-Zustand optisch durchlässig.
Der Löslichkeitsparameter (δ) eines Materials kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
worin D die Dichte des Materials ist, ΔHv die Verdampfungswärtne ist, T die Temperatur in Grad Kelvin ist, M das Molekulargewicht der Verbindung ist und R die Gaskonstante ist. Die Einheiten von δ sind (cal/cm³) aber aus Gründen der Vereinfachung werden sie als die Hildebrand-Einheit (H) bezeichnet. Ein alternatives Verfahren zum Berechnen des Löslichkeitsparameters basiert auf der Verwendung von molaren Attraktionskonstanten (G), die bei einer geeigneten Temperatur gemessen werden:
worin ΣG die Summe der verschiedenen G-Werte der Gruppen ist, die ein spezielles Molekül umfaßt.
Die Löslichkeitsparameter der Latexpolymere bewegen sich zwischen 6H und 16H. Der Löslichkeitsparameter von typischem Flüssigkristallmaterial bewegt sich von etwa 12H bis etwa 13H, wenngleich der Bereich sich von etwa 10H bis etwa 15H erstrecken kann. Bei Temperaturen unter etwa 50º Celsius (C) sind nicht polare Flüssigkeiten, wie etwa das Flüssigkristallmaterial, das in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen verwendet wird, mit nicht polaren Polymeren mischbar, wenn sich ihre Löslichkeitsparameter um etwa 2H-Einheiten oder weniger unterscheiden. Falls das Flüssigkristallmaterial einen Löslichkeitsparameter von etwa 12H aufweist, kann bestimmt werden, daß Latexteilchen mit Löslichkeitsparametern unter 10H oder größer als 14H in der Lage sein sollten einen in Latex eingeschlossenen NCAP-Flüssigkristall zu bilden.
Beispiele von Latexpolymergruppen mit Löslichkeitsparametern unter 10H umfassen: Polyethylene, Polypropylene, Polyurethane, Polyacryle und Polysiloxane. Ein Beispiel eines Latexpolymers mit einem Löslichkeitsparameter von größer als 14H ist Polyacrylnitril, das einen Löslichkeitsparameter von 15,4H aufweist. Latexcopolymergruppen mit Löslichkeitsparametern von weniger als etwa 10H umfassen: Methacrylatacrylnitrile, Urethanacryle, Acrylatacrylnitrile, Styrolacrylnitrile und Vinylidenchloridacrylnitrile. Diese Latexpolymer- und Copolymergruppen umfassen das unsubstituierte Polymer und Copolymer als auch die große Vielzahl von Polymeren und Copolymeren, die durch Substituieren verschiedener funktioneller Gruppen in den Monomeren, die zur Herstellung derartiger Polymere und Copolymere verwendet werden, erhalten werden.
Es ist ebenfalls experimentell beobachtet worden, daß Latex- NCAP-Flüssigkristallzusammensetzungen selbst dann hergestellt werden, wenn die theoretischen Löslichkeitsparameter des Flüssigkristalls und der Latexteilchen nahe beieinander liegen. Somit können die theoretischen Löslichkeitsparameter von einem Flüssigkristall und Latexteilchen verwendet werden, um Komponenten für die Zusammensetzung auszuwählen wenn die Löslichkeitsparameter um mehr als 2H-Einheiten verschieden sind. Falls der Unterschied der Löslichkeitsparameter geringer als 2H-Einheiten ist, kann die Wahl des Flüssigkristalls und der Latexteilchen auf einer empirischen Bestimmung beruhen, entsprechend welcher der Flüssigkristall und die Latexteilchen, welche ausgewählt werden, eine zweckmäßige Zusammensetzung erzeugen können.
Die Wahl eines oberflächenaktiven Mittels, welches notwendig sein kann, um eine Emulsion von Flüssigkristallteilchen in einer wäßrigen Phase zu erzeugen, ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da die Flüssigkristallteilchengröße durch die Menge und chemische Charakteristika des oberflächenaktiven Mittels gesteuert werden kann. Umgekehrt bestimmt die Teilchengröße die elektrooptischen Eigenschaften einer Vorrichtung.
Die Menge des zum Emulgieren des Flüssigkristallmaterials verwendeten oberflächenaktiven Mittels sollte die Minimalmenge sein, die erforderlich ist, um die Flüssigkristallemulsion zu stabilisieren und die Flüssigkristallteilchengröße zu steuern. Der Grund hierfür ist, daß eine übermäßige Menge oberflächenaktives Mittel eine übermäßige Depression der Klarpunkttemperatur des Flüssigkristalls bewirken kann, wodurch eine spezielle Zusammensetzung für ihren vorgesehenen Zweck nutzlos wird.
Eine geeignete Anleitung zur Auswahl eines oberflächenaktiven Mittels betrifft den Lipophil-hydrophil- Gleichgewichtskoeffizienten ("HLB-Koeffizient) des oberflächenaktiven Mittels. Der HLB-Koeffizient spiegelt die Löslichkeit einer Substanz in Öl oder Wasser wieder. Ein HLB- Koeffizient von weniger als etwa 9 zeigt an, d. h. das oberflächenaktive Mittel lipophile Charakteristika aufweist; d. h. es wechselwirkt mit dem Flüssigkristall. Ein HLB- Koeffizient von größer als etwa 12 zeigt an, daß das oberflächenaktive Mittel hydrophile Charakteristika aufweist, d. h. es hat Affinität zu Wasser. Da die Emulgierung eines Flüssigkristallmaterials in einer wäßrigen Phase ähnlich der Bildung einer Öl-in-Wasser-Emulsion ist, können oberflächenaktive Mittel mit einem HLB-Koefizienten zwischen etwa 12 und 17 erforderlich sein, um ein Flüssigkristallmaterial in einer wäßrigen Phase zu emulgieren.
Für eine spezielle Anwendung kann der optimale HLB-Koeffizient des oberflächenaktiven Mittels experimentell bestimmt werden, indem das Ausmaß und die Stabilität einer Flüssigkristallemulsion in einer wäßrigen Phase als eine Funktion des HLB-Koeffizienten eines oberflächenaktiven Mittels beobachtet wird. Der HLB-Koeffizient ist jedoch nur ein Parameter, der bei der Auswahl eines geeigneten oberflächenaktiven Mittels betrachtet werden kann.
Selbst wenn ein oberflächenaktives Mittel einen HLB- Koeffizienten nahe dem experimentell bestimmten optimalen HLB- Koeffizienten haben kann, kann die Menge des zur Emulgierung erforderlichen oberflächenaktiven Mittels mit den chemischen Charakteristika des oberflächenaktiven Mittels in Verbindung stehen. Da es wünschenswert ist, die Menge des oberflächenaktiven Mittels zu minimieren, können oberflächenaktive Mittel aus verschiedenen chemischen Klassen mit HLB-Koeffizienten nahe dem experimentell bestimmten optimalen HLB-Koeffizienten ausgewählt werden, um für jede chemische Klasse die minimale Menge des erforderlichen oberflächenaktiven Mittels zu bestimmen. Das bevorzugte oberflächenaktive Mittel kann dann basierend auf diesen Ergebnissen ausgewählt werden.
Wie bereits angeführt, umfaßt das Gemisch weiterhin ein Schutzkolloidpolymer 30, das Wände 50 in der getrockneten Zusammensetzung bildet. Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, werden Volumina des Flüssigkristalls 20 in dem gesamten Einschlußmedium 28 dispergiert. Der Flüssigkristall 20 kann in Kapseln 23 und in Durchgängen oder Kanälen 35 und 37 angeordnet sein. Die Kapseln 23 können durch Durchgänge 35 miteinander verbunden sein. Derartige Verbindungsdurchgänge treten relativ statistisch auf. Einige Kapseln können nicht mit anderen verbunden sein, während einige über einen oder mehrere Durchgänge 35 mit einer oder mehreren anderen Kapseln verbunden sind. Die Zwischenverbindungen können kontinuierlich oder im wesentlichen kontinuierlich sein oder sie können diskontinuierlich sein. Diese Kapseln können auch durch Poren oder Durchgänge 37 an die Oberfläche 39 des Filmes gebunden sein.
Die Schutzwand 50 wird in den Volumina von Flüssigkristallmaterial gebildet, das über das gesamte Einschlußmedium 28 dispergiert ist. Die Wand 50 wird entlang den äußeren Grenzen der Kapseln 23 an der Grenzfläche zu dem Einschlußmedium und entlang den Durchgängen 35 und 37 gebildet. Als solche bildet die Wand eine Barriere zwischen dem Einschlußmedium 28 und dem Flüssigkristall 20. Es wird ebenfalls angenommen, daß die innere Wand 50 in Durchgängen 35 gebildet wird, um den Fluß von Flüssigkristall 20 von einer Kapsel zu einer anderen zu blockieren. Ähnlich kann die Wand 50 über Durchgang 37 bestehen, um den Fluß von Flüssigkristall 20 an die Oberfläche 39 zu verhindern. Auf diese Art wird die Integrität der Flüssigkristallvolumina, so wie sie in dem wäßrigen Medium vorliegt, in dem trockenen Film beibehalten.
Diese innere Wand oder Zwischenschicht liefert effektiv eine Umhüllung um das Flüssigkristallmaterial und eine Barriere für den Fluß, z. B. in den Durchgängen. Als ein Ergebnis hat der NCAP-Film eine verbesserte Festigkeit gegenüber mechanischen Belastungen, welche darauf einwirken können, z. B. wenn der Film bei der Herstellung von Fenstern, Anzeigen oder anderen elektrooptischen Vorrichtungen verwendet wird. Demgemäß wird das vorstehend diskutierte "Belastungsaufklarungs-Problem" deutlich reduziert, wenn nicht sogar ausgeschlossen.
Wie bereits angegeben, kann die Wand 50 die Poren 37 verschließen, um das Flüssigkristallausbluten oder Fließen an die Filmoberfläche 39 während dem Trocknen des Gemisches vor der Laminierung auf ein elektrodenbeschichtetes Substrat verringern oder sogar vollständig verhindern. Zusätzlich zur Verringerung des "Belastungsaufklarungsproblems" erlaubt das Verschließen der Poren 37 höhere Flüssigkristallbeladungen (die Menge Flüssigkristall pro Einheit Einschlußmediummaterial), ohne Ausbluten, was zu einer besseren optischen Antwort, d. h. einem verbesserten Kontrast zwischen den An- und Aus-Zuständen führt. Zusätzlich können optische Defekte, die durch "freien Flüssigkristall" an der Filmoberfläche bewirkt werden, durch das Verschließen der Poren 37 wesentlich verringert oder eliminiert sein. Das Verhindern eines derartigen Ausblutens liefert ebenfalls eine bessere Oberfläche für die Anhaftung des elektrodenbeschichteten Substrats.
Latex ist in Wasser unlöslich und das Additiv, das die innere Wand 50 bildet, ist wasserlöslich. Wie bereits angeführt, koalesziert dieses wasserlösliche Polymer um die Flüssigkristall- und Latexteilchen während der Bildung der Zusammensetzung. Das Additiv- oder wandbildende Material 30 sollte nicht mit dem Flüssigkristallmaterial reagieren, d. h. es sollte nicht mit bekannten funktionellen Gruppen des Flüssigkristallmaterials reagieren. Zusätzlich sollte, wie im Fall des Flüssigkristalls und Latex, der Flüssigkristall relativ unlöslich in Additiv 30 sein.
Wie bereits diskutiert, liegt der Löslichkeitsparameter eines typischen Flüssigkristallmaterials im Bereich von etwa 12H bis 13H und bei Temperaturen unter 50ºC sind die Flüssigkristallmaterialien mit nicht polaren Polymeren mischbar, wenn ihre Löslichkeitsparameter um etwa 2H-Einheiten oder weniger verschieden sind. Somit wird unter Verwendung des Löslichkeitsparameters als eine Leitlinie angenommen, daß das Additiv 30 einen Löslichkeitsparameter aufweisen sollte, der entweder unter etwa 10H oder über etwa 15H ist.
Die Brechungsindizes des Flüssigkristalls und des Einschlußmediummaterials sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, um den Kontrast zwischen den Feld-an- und feldfreien Zuständen zu maximieren. Falls der Brechungsindex des Einschlußmediums nicht eng auf den herkömmlichen Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials abgestimmt ist, kann eine einfallende Strahlung in dem Feld-an-Zustand gebrochen werden, was zu einer verringerten Durchlässigkeit aufgrund von Streuung und/oder Absorption führt. Die Genauigkeit der Indexabstimmung wird von dem gewünschten Kontrastgrad und der gewünschten Transparenz der Vorrichtung abhängen, jedoch werden der herkömmliche Brechungsindex des Flüssigkristalls und der Brechungsindex des Einschlußmediums vorzugsweise um nicht mehr als 0,07, bevorzugter 0,01, im besonderen 0,001, voneinander verschieden sein.
Wenn kein Feld angelegt ist, kann ein Unterschied der Brechungsindizes an den Grenzen des Flüssigkristalls und des Einschlußmediums auftreten, aufgrund des außerordentlichen Brechungsindex des Flüssigkristalls. Dies kann eine Brechung an den Grenzflächen oder Grenzen bewirken und somit die Streuung und/oder Absorption verstärken. Es ist somit wünschenswert, ein Flüssigkristallmaterial mit einem gewöhnlichen Brechungsindex auszuwählen, der zu dem Brechungsindex des Einschlußmediums paßt und einem außerordentlichen Brechungsindex, der von dem Brechungsindex des Einschlußmediums und der inneren Wand verschieden ist.
Der Brechungsindex des Wandmaterials 50 sollte ungefähr der gleiche wie derjenige des Einschlußmediums sein. Alternativ und vorzugsweise kann die innere Wand im Vergleich mit der Lichtwellenlänge relativ dünn hergestellt sein, so daß in dem Feld-an-Zustand keine übermäßige Lichtbrechung an den Grenzen des Einschlußmediums, der inneren Wand und des Flüssigkristallmaterials auftritt. Zum Beispiel kann die Dicke der inneren Wand 50 weniger als etwa 10&supmin;&sup7; m (1000 Angström) sein. Somit, kann falls die innere Wand dünn genug hergestellt ist, ihr Brechungsindex bei der Kontrastmaximierung unwichtig sein.
Eine andere Betrachtung bei der Materialauswahl betrifft ihre elektrischen Eigenschaften. Idealerweise sollte der NCAP-Film ein Einschlußmedium und eine innere Wand aufweisen, welche jeweils eine dielektrische Konstante haben, die größer als der dielektrische Koeffizient des Flüssigkristalls beim Fehlen eines elektrischen Feldes ist. Vorzugsweise sind die dielektrischen Konstanten des Einschlußmediums und der inneren Wand etwa gleich. Die Effizienz der elektrooptischen Eigenschaften wird verbessert, wenn das Flüssigkristallmaterial eine positive dielektrische Anisotropie aufweist und sein herkömmlicher dielektrischer Koeffizient weniger als die dielektrischen Konstanten des Einschlußmediums und der inneren Wand ist.
Idealerweise sollte der außergewöhnliche dielektrische Koeffizient des Flüssigkristalls so eng wie möglich auf die dielektrischen Konstanten des Einschlußmediums und der inneren Wand abgestimmt sein. Jedoch ist es wichtiger, daß der außerordentliche dielektrische Koeffizient des Flüssigkristalls zu der dielektrischen Konstante des Einschlußmediums paßt.
Zusätzlich sollten das Einschlußmedium und die innere Wand eine relativ große Impedanz haben, um sicherzustellen, daß ein maximaler Spannungsabfall über den Flüssigkristall auftritt, was zu einer maximalen elektrooptischen Effizienz führt. In dieser Hinsicht sollte die Zusammensetzung eine erwiesene Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweisen. Das heißt der Kontrast einer Vorrichtung, die wie hierin zuvor beschrieben konstruiert ist, sollte nicht abgebaut werden wenn sie einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird und es sollte ein sehr geringer Anstieg des feuchtigkeitsabhängigen Verluststromes bestehen. Um zu verhindern, daß Feuchtigkeit ein Problem wird, ist es bevorzugt, daß die PVP-Menge etwa 5,0% des Gewichts des Einschlußmediums nicht überschreitet.
Wenn der Flüssigkristall, die Latexteilchen und das Additiv 30 ausgewählt sind, kann das Gemisch 19 gemäß den folgenden Verfahren hergestellt werden.
Der Flüssigkristall und Additiv 30, das die Wand 50 bildet, können zuerst durch kräftiges Bewegen des Flüssigkristalls in einer wäßrigen Lösung emulgiert werden. Typischerweise liegt die Flüssigkristallmenge im Bereich von 30% bis 60% des Gesamtemulsionsvolumens. Wie angegeben, kann das wandbildende Material 50 in einem Bereich von 1,0% bis 20% des Gesamtgewichts des resultierenden Feststoffes vorliegen. Oberflächenaktive Mittel können verwendet werden, um die Flüssigkristallemulsion zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Im allgemeinen kann die Menge des oberflächenaktiven Mittels zwischen 0,1 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 3 Gew.-% der gesamten feuchten Emulsion sein. Ein oberflächenaktives Mittel, das verwendet werden kann, ist IGEPAL CO-610 (Handelsmarke) (verfügbar über GAF Corp., New York, New York).
Die Bewegung zur Bildung der Emulsion kann in einer Kolloidmühle, einem Hochgeschwindigkeitsdispergierer oder anderen Vorrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, durchgeführt werden. Die Bewegung wird beendet wenn die emulgierten Flüssigkristall/Schutzkolloid-Teilchen einen Durchmesser von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer und vorzugsweise 1 bis 5 Mikrometer aufweisen.
Die Emulsion und 1 bis 3 Volumina einer Suspension von Latexteilchen, welche in einem Größenbereich von etwa 0,01 Mikrometer bis etwa 2,0 Mikrometer liegen und etwa 20% bis etwa 60% des Suspensionsvolumens umfassen, können dann langsam unter gleichmäßigem Mischen vereinigt werden. Ein Quervernetzungsmittel kann zugegeben werden, um die Zugfestigkeit und die Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit der Zusammensetzung zu verbessern. Das verwendete Quervernetzungsmittel ist für das Latexpolymer spezifisch.
Hiernach kann das Gemisch auf ein elektrodenbeschichtetes Substrat 18 (siehe Fig. 3 und 4) geschichtet und getrocknet werden, um ein festes Medium 28 zu erzeugen, worin der Flüssigkristall 20 in Volumen darin dispergiert ist und die Wand 50 in derartigen Volumina gebildet werden.
Ein alternatives und bevorzugtes Verfahren besteht darin, daß einfach alle Komponenten zusammengegeben werden und der Flüssigkristall direkt in das wäßrige Medium emulgiert wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil der einfachen Verarbeitung, jedoch kann es sein, daß ein Teil der Kontrolle über die Teilchengröße aufgegeben wird. In diesem Verfahren kann das wandbildende Material 50 zu einem Gemisch gegeben werden, umfassend die Latexteilchen, das Flüssigkristallmaterial und das oberflächenaktive Mittel. Dies ist bevorzugt wenn die Menge des zugegebenen wandbildenden Materials bewirkt, daß die Viskosität des Gemisches zu hoch wird. Alternativ können alle Komponenten gleichzeitig zugegeben und dann gemischt werden.
Pleochroische Farbstoffe, wie etwa Ölblau N, Sudanschwarz, Sudan III und Sudan II (alle verfügbar über Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI) können ebenfalls verwendet werden.
Im allgemeinen werden derartige Farbstoffe in dem Flüssigkristall vor dem Emulgieren des Flüssigkristalls in einer wäßrigen Phase gelöst. Derartige Farbstoffe sind typischerweise etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% des Flüssigkristallmaterials. Isotrope Farbstoffe, wie etwa Kupferphthalocyanin, können ebenfalls in Mengen im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 6 Gew.-% des Flüssigkristallmaterials verwendet werden. Die innere Wand 50 ist besonders effektiv beim Isolieren derartiger Farbstoffe von dem Einschlußmedium, so daß die Farbstoffe nicht in das Einschlußmedium "bluten".
Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, können die elektrodenbeschichteten Substrate 18 und 18A die gegenüberliegenden Flächen des NCAP-Filmes kontaktieren und durch Leitungen 25 bzw. 25A mit der Spannungsquelle 26 verbunden sein. Wenn der Schalter 27 geöffnet ist, liegt keine Spannung an dem Film an und und man stellt fest, daß die Moleküle aus Flüssigkristall, dargestellt als gestrichelte Linien, durch Kapseln oder Höhlen 23 und Durchgänge 35 und 37, die den Flüssigkristall enthalten, gestört sind. Eine Anordnung derartiger Moleküle wird Licht aus allen Richtungen streuen und/oder absorbieren, da das Flüssigkristallmaterial als gesamtes eine statistische Orientierung hat.
Wenn Schalter 27, wie in Fig. 4 gezeigt, geschlossen ist, bewirkt das elektrische Feld, daß die Moleküle des Flüssigkristalls sich in Relation zu dem elektrischen Feld ausrichten. Diese Ordnung erlaubt es dem Film Licht durchzulassen. Wenn Schalter 27 geöffnet wird, kehrt der Flüssigkristall in die schematisch in Fig. 3 dargestellte Orientierung zurück. Antwortzeiten für die Ausrichtung und Relaxation eines Flüssigkristalls in einem elektrischen Feld sind typischerweise in der Größenordnung von einigen Millisekunden. Eine ausführlichere Erklärung dieses Phänomens kann in den vorstehend angegebenen US-Patenten Nr. 4,435,047 und 4,707,080 gefunden werden.
Der NCAP-Flüssigkristallfilm der vorliegenden Erfindung ist extrem resistent gegenüber mechanischer Belastung und hat verbesserte Eigenschaften, die ein "Ausbluten" des Flüssigkristalls verhindern. Als solcher sind seine elektrooptische Leistungsfähigkeit und Lebensdauer verbessert. Die Lebensdauer einer Flüssigkristallvorrichtung ist ebenfalls verbessert wenn sie auf eine Glas- oder Kunststoffplattenoberfläche oder ein Substrat, wie es z. B. bei der Herstellung eines Fensters auftreten kann, laminiert wird.

Claims

1. Flüssigkristallvorrichtung, umfassend ein Latexeinschlußmedium (28), ein Flüssigkristallmaterial (20), das in mehreren Volumina (23) in dem Medium (28) dispergiert ist, wobei das Medium (28) eine im allgemeinen gestörte Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials (20) induziert, welche in Antwort auf die Ausrichtung mindestens Licht streut und/oder absorbiert, und welche in Antwort auf eine vorbeschriebene Eingabe den Grad einer derartigen Streuung oder Absorption verringert, und worin Durchgänge (35, 37) sich von den Volumina (23) erstrecken, gekennzeichnet durch Barrieremittel (50), die zumindest im wesentlichen zwischen dem Flüssigkristallmaterial (20) und dem Medium (28) gebildet sind, um den Fluß des Flüssigkristallmaterials (20) aus den mehreren Volumina zu behindern, um die Integrität der Volumina zu erhalten, und welche eine Wand in mindestens einem Teil der Durchgänge (35, 37) bilden, um den Fluß des Flüssigkristallmaterials (20) hier hindurch zu behindern, wobei die Barrieremittel nicht aus Polyvinylpyrrolidon gebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Barrieremittels (50) geringer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Barrieremittel (50) und das Flüssigkristallmaterial (20) Löslichkeitsparameter aufweisen, die sich um mindestens zwei Hildebrand-Einheiten unterscheiden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (28) ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Polyethylene, Polypropylene, Polyurethane, Polyacryle und Polysiloxane.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (28) ein Copolymer ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Methacrylatacrylnitrile, Urethanacryle, Acrylatacrylnitrile, Styrolacrylnitrile und Vinylidenchloridacrylnitrile.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Elektrodenmittel (13, 14) zum Anlegen eines elektrischen Feldes als die vorbeschriebene Eingabe, Substratmittel (12) zum Halten der Elektrodenmittel (13, 14) und Strommittel (16, 17) die den Elektrodenmitteln (13, 14) Energie zuführen, um das elektrische Feld anzulegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial (20) ein betriebsmäßig nematisches Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, der in dem Flüssigkristallmaterial (20) gelöst ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (28), die Wand (50) und das Flüssigkristallmaterial (20) im wesentlichen aufeinander abgestimmte Brechungsindizes bei Vorliegen der vorbeschriebenen Eingabe haben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial (20) 20% bis 60% des Volumens der Vorrichtung besetzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial (20) in dem Medium (28) als Teilchen mit einem Durchmesser von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer dispergiert ist.

13. Verfahren zum Herstellen der Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend die Schritte des Mischens eines Flüssigkristallmaterials (20), eines wasserlöslichen Polymers (30) und einer wäßrigen Phase, um eine Flüssigkristallemulsion zu bilden, Vereinigen und Mischen der Flüssigkristallemulsion mit einer Suspension, die Latexteilchen (24) umfaßt, welche in einer wäßrigen Phase suspendiert sind, und Trocknen des Gemisches.

14. Verfahren zum Herstellen der Flüssigkristallvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend die Schritte des Vereinigens eines Flüssigkristallmaterials (20), eines wasserlöslichen Polymers und Latexteilchen (24) in einer wäßrigen Phase, Emulgieren des Flüssigkristallmaterials (20), Aufbringen der Zusammensetzung auf ein Substrat (18) und Trocknen der Zusammensetzung.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, worin das Flüssigkristallmaterial (20) und das wasserlösliche Polymer (30) Löslichkeitsparameter aufweisen, die sich um mindestens zwei Hildebrand-Einheiten unterscheiden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin die Menge des Flüssigkristallmaterials (20) von 30% bis 60% des Volumens der Flüssigkristallemulsion ist und worin die Menge der Suspension (24) das 1- bis 3-fache des Volumens der Flüssigkristallemulsion ist und worin die Suspension (24) Latexteilchen in 20% bis 60% ihres Volumens enthält, worin die Latexteilchen Durchmesser von 0,01 Mikrometer bis 2,0 Mikrometer haben.

17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend das Zugeben eines Farbstoffes zu dem Flüssigkristallmaterial (20).