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Dokumentenidentifikation DE3851166T2 22.12.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0281341
Titel Flexoelektrische Flüssigkristallvorrichtung.
Anmelder American Telephone and Telegraph Co., New York, N.Y., US
Erfinder Meyer, Robert B., Wellesley Massachusetts 02181, US;
Patel, Jayantilal S., Scotch Plains New Jersey 07076, US
Vertreter Blumbach, P., Dipl.-Ing., 65193 Wiesbaden; Weser, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 81245 München; Bergen, P., Dipl.-Ing. Dr.jur., Pat.-Ass., 65193 Wiesbaden; Kramer, R., Dipl.-Ing., 81245 München; Zwirner, G., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 65193 Wiesbaden; Hoffmann, E., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 82166 Gräfelfing
DE-Aktenzeichen 3851166
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, LI, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.02.1988
EP-Aktenzeichen 883017246
EP-Offenlegungsdatum 07.09.1988
EP date of grant 24.08.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.12.1994
IPC-Hauptklasse G02F 1/137

Beschreibung[de]
Beschreibung Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Flüssigkristall-(Liquid Crystal-, LC-)Einrichtungen und insbesondere solche Einrichtungen, die den flexoelektrischen Effekt aufweisen.

Den flexoelektrischen Effekt zeigen LC-Moleküle, die Strukturen mit polarer Symmetrie haben, beispielsweise geometrische Anordnungen, die durch Anschmiege- (Fig. 1 bis 2) und/oder verbiege- (Fig. 3 bis 4) deformationen gekennzeichnet sind. Der Effekt hat ähnlich dem piezoelektrischen Effekt zwei Formen. Entweder induziert eine elektrische Polarisation P das Anschmiegen bzw. ein schräges verlaufen (welches in der Fachsprache auch als Splay bezeichnet wird) oder Biegekrümmungen (die in der Fachsprache auch mit Bend bezeichnet werden) oder andererseits erzeugt die Krürnmung eine elektrische Polarisation. Die Erfindung betrifft die erste Form; eine angelegtes elektrisches Feld E induziert eine Polarisation P, die wiederum eine Krümmung induziert (Fig. 1 bis 4). Umkehrendes Vorzeichen des elektrischen Feldes kehrt in ähnlicher Weise die Richtung von P um und die der Krümmung (Fig. 1 gegenüber Fig. 2, Fig. 3 gegenüber Fig. 4), da beide in polarer Weise voneinander abhängen.

Ein angelegtes elektrisches Feld induziert ebenfalls parallele molekulare Ausrichtung aufgrund der Kopplung der dielektrischen Anisotropie. Falls die dielektrische Anisotropie zu groß ist, kann es sein, daß der durch ein angelegtes elektrisches Feld induzierte flexoelektrische Effekt nicht beobachtet wird.

Die ersten Vorschläge in Bezug auf den flexoelektrischen Effekt wurden von R. B. Meyer in Phys. Rev. Lett. Band 22, Seite 918 (1969) gemacht. In einem gewöhnlichen nematischen LC-Material, das anfänglich gleichförmig ausgerichtet ist, deutete er an, daß ein gleichförmiges elektrisches Feld die Ausbildung einer sich kontinuierlich drehenden Direktorstruktur (nicht zeitlich, sondern räumlich) mit abwechselnden Bändern von Anschmiege- und Verbiegungsdeformationen des in Fig. 2 des Artikels gezeigten Typs auftreten würden. Die Ausbildung einer derartigen Struktur aus einem gleichförmig ausgerichteten nematischen Material wurde aus zwei Gründen nie beobachtet. Der flexoelektrische Effekt muß erstens mit normaler dielektrischer Anisotropie konkurrieren und die letztgenannte Kopplung dominiert üblicherweise, was die gleichförmige Orientierung (d. h. die Moleküle sind zu E ausgerichtet) aufrecht erhält. Zweitens müßte das sich kontinuierlich drehende Direktormuster durch die Erzeugung eines periodischen Feldes von Disklinations-Liniendefekten nahe den Elektrodenflächen und in den Mitten der Anschmiegebänder (der Splaybänder) ausgebildet werden. Diese Defekte würden jedoch sehr leicht mit hohen statischen Feldern auftreten, welche elektrohydrodynamische Instabilitäten, die dazu neigen, die Anschmiegebandstruktur zu verdecken, in unerwünschter Weise einführen können.

Andererseits wird die einzige Erwähnung des flexoelektrischen Effektes in cholesterischen oder chiralen nematischen LC-Materialien im US- Patent 4,564,266, erteilt für G.E.A. Durand am 14. Januar 1986, gefunden. Im Durand Patent sind jedoch die Moleküle so orientiert, daß die Helix- Achse senkrecht zu den Platten statt parallel zu diesen verläuft. Zusätzlich enthält Durands LC-Material keine periodischen Bänder des Anschmiegens und Verbiegens.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht bereitgestellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wurde herausgefunden, daß der flexoelektrische Effekt in LC-Materialien mit chiralen Zentren (z. B. cholesterischen, chiralen nematischen Materialien) erzeugt werden kann durch veranlassen der Helixachse des LC-Materials, sich im wesentlichen parallel zu den Platten einer Zelle mit dem Material auszurichten. Ein senkrecht zu den Platten angelegtes elektrisches Feld veranlaßt die Ebenen der Direktoren sich um die Feldrichtung zu einem spitzen Winkel Φ in Bezug auf die Helixachse zu drehen, wobei abwechselnde (d. h. periodische) Bänder des Anschmiegens (Splay) und der Verbiegung (Bend) in dem Material erzeugt werden. Die Größe des angelegten Feldes wird niedrig genug gehalten, daß die Kopplung der dielektrischen Anisotropie die cholesterische Helix nicht ent- oder abwickelt und die Moleküle veranlaßt, sich zum Feld auszurichten.

In vorteilhafter Weise werden gemäß der Erfindung periodische Disklinationen inhärent an Orten, die der Oberfläche der Platten benachbart sind und wo die Direktoren im Volumen orthogonal zu denjenigen an der Oberfläche sind, ausgebildet. Somit werden die relativ hohen Felder von Meyer, a.a.O. nicht benötigt. Statt dessen wird der Betrieb bei viel niedrigeren Feldern erreicht, da die Felder lediglich die molekulare Struktur deformieren müssen, um Anschmiegen und Biegung, die auch als Splay und Bend bezeichnet werden, zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der flexoelektrische Effekt in LC-Materialien durch Anlegen eines im wesentlichen gleichförmigen Feldes über den Platten durch Bereitstellen geeigneter ausrichtender Schichten an den Platten, die abwechselnd (d. h. periodisch) Bänder von Anschmiegung (Splay) und Biegung (Bend) in dem LC- Material erzeugt werden.

In jedem Falle bedeutet die Fähigkeit, die Direktoren der Moleküle zu drehen, daß die optischen Eigenschaften des Materials geändert werden können. Somit kann die Erfindung in einer Anzahl von Anwendungen, einschließlich beispielsweise optischer Modulatoren, optischer Gitter oder Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen, Verwendung finden.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung, zusammen mit ihren verschiedenen Eigenschaften und vorteilen, ist aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen leicht zu verstehen, in welchen:

Fig. 1 bis 2 schematische Darstellungen von LC-Molekülen sind, die eine als Splay bzw. Anschmiegen oder auch als Spreizung bezeichnete Deformation aufweisen,

Fig. 3 bis 4 schematische Darstellungen von LC-Molekülen sind, die eine als Biegung bzw. Bend bekannte Deformation aufweisen,

Fig. 5 eine schematische isometrische Ansicht einer LC-Einrichtung ist,

Fig. 6 eine schematische isometrische Ansicht der hervorstechenden Eigenschaften einer flexoelektrischen LC-Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, ist,

Fig. 7 bis 9 schematische Aufsichtansichten von LC-Molekülen sind, in welchen sich die Direktoren in einem Raum entlang einer Helix drehen, deren Achse im wesentlichen parallel zu den Platten der Zelle ist, in Fig. 7 und 9 veranlaßt ein Feld senkrecht zu den Platten die Drehung der Ebene der Direktoren zu einer Orientierung, die unter einem Winkel ±Φ zur Helixachse in Abhängigkeit von der Polarität von E entlang der Platten liegt, in Fig. 8 ist E = 0 und die Direktoren sind senkrecht zur Helixachse und

Fig. 10 und 11 jeweils Querschnitte entlang der Linien 10-10 und 11-1 der Fig. 7 und 9 sind.

Zur Einfachheit der Erläuterung zeigen die Fig. 7 bis 11 ideale periodische Ordnung der Moleküle. In der Realität wird jedoch ein derartiger Idealfall nicht beobachtet. Somit zeigen beispielsweise in jeder x-y-Ebene die Direktoren eine Ordnung der Orientierung, aber keine Ordnung der Position.

Detaillierte Beschreibung

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 6 wird eine schematische isometrische Ansicht eines Abschnitts einer Flüssigkristall- (LC-)Einrichtung gezeigt. Die Zelle umfaßt eine einschließende Einrichtung, wie z. B. ein Paar von im wesentlichen parallelen Platten 13 und 20, die beispielsweise ein cholesterisches oder chirales nematisches LC-Material 30 dazwischen beranden. In einer Ausführungsform sind die Moleküle 15 (Fig. 6) des Materials chiral und in helischer Weise angeordnet, wobei die Helixachse im wesentlichen parallel zu den Platten ist. Das LC-Material kann einen einzelnen Bestandteil oder eine Vielzahl derartiger Bestandteile umfassen, von welchen einer oder mehrere in seiner Symmetrie chiral sein sollte. Die Platten 13 und 20, die für Licht transparent sind, haben innere Hauptflächen, an welchen Elektroden 12 und 22 angeordnet sind. Falls Licht durch eine Elektrode durchzulassen ist, sollte dies aus transparentem Material sein. Spannungsquellen 40 und 50 sind mit den Elektroden verbunden, um ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Wechselfeld

entlang des LC-Materials und im wesentlichen senkrecht zu den Platten zu erzeugen. In Abhängigkeit von der Anwendung können die Elektroden einzelne breite flächige Schichten sein (z. B. in optischen Modulatoren) oder ein Feld von Streifen (z. B. in einem multigeplexten Display).

Falls die Einrichtung als Anzeigeeinrichtung bzw. Display verwendet wird, kann eine Anordnung zur Matrix-Adressierung oder Multiplexen bereitgestellt sein, in welcher die Elektroden strukturiert sind, um Felder eng benachbarter Streifen zu bilden, wobei die zwei Felder transversal (d. h. senkrecht) zueinander ausgerichtet sind. Und somit definiert das LC-Volumen im Bereich der Überlappung jedes Streifenpaars ein Bildelement (Picture Element, PEL). Da jedoch der flexoelektrische Effekt linear ist, weist das LC-Material keinen Schalt-Schwellenwert auf; die Zelle könnte somit ein bekanntes nicht lineares Bauteil (z. B. einen Dünnfilmtransistor (Thin-Film-Transistor, TFT) oder eine Metall-Isolator- Metall- (Metal-Insulator-Metal- (MIM-) Einrichtung) in Serie zu jedem PEL aufweisen.

Die individuellen PELs werden selektiv mittels geeigneter elektronischer, in den Quellen 40 und 50 enthaltener Schaltungen adressiert. Der Einfachheit halber sind lediglich zwei Verbindungen an jedes Feld dargestellt. Die Quellen 40 und 50 legen geeignete Spannungen entlang ausgewählter Elektroden an, wobei ein elektrischen Feld çE über einer vor-ausgewählten PEL angelegt wird.

Eine Einrichtung zum Bereitstellen optischen Kontrastes für Licht 65, das in und aus der Zelle übertragen wird, umfaßt beispielhaft Polarisatoren 60 und 70, die an den Glasplatten 13 und 12 ausgebildet sind. Die Polarisatoren können parallel oder unter einem Winkel zueinander in Abhängigkeit von der Anwendung ausgerichtet sein.

Bei Verwendung im üblichen Reflexionsbetriebszustand (Common Reflection Mode), wird die Zelle ebenfalls mit einem Reflektor (nicht dargestellt) versehen, der durch die Zelle übertragenes Licht für die Rückübertragung aus der Beobachtungsfläche heraus reflektiert.

Um die Moleküle des LC-Materials 30 so auszurichten, daß die Helixachse im wesentlichen parallel zu den Platten liegt, wird die Zelle beispielhaft mit einem Paar ausrichtender Schichten 80 und 90 an den inneren Oberflächen der Zelle versehen. Die Ausrichtung kann unter Verwendung der durch J.S. Patel et al. in Ferroelectrics, Band 59, Seite 129 (1984) beschriebenen Behandlung und beispielsweise durch Kühlen des LC- Materials aus einer isotropen Phase zu einer cholesterischen Phase in Anwesenheit eines elektrischen Feldes bewirkt werden. In einer Ausführungsform bedecken diese ausrichtenden Schichten wenigstens die Elektroden in den Bereichen, in welchen das elektrische Feld an das LC- Material angelegt wird. Beispielsweise zeigen die Schichten 80 und 90, wie dargestellt, die Elektroden 12 und 22 sowie die Zwischengitterplätze zwischen diesen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung bilden die LC-Moleküle eine Helix (Fig. 6 bis 9), wobei die Helixachse im wesentlichen parallel zu den Platten ist. In der Abwesenheit eines elektrischen Felde (E = 0; Fig. 8) sind die Direktoren n der Moleküle im wesentlichen senkrecht zur Helixachse orientiert. In der Anwesenheit eines positiven Feldes (E > 0; Fig. 7), das im wesentlichen senkrecht zu den Platten angelegt ist, drehen jedoch die Ebenen der Direktoren um die Feldrichtung unter einem Winkel Φ zur Helixachse und dem entgegen in der Anwesenheit eines negativen Feldes (E < 0; Fig. 9) von gleicher Größe drehen die Direktoren um einen Winkel -Φ zur Helixachse.

Die Größe des Feldes wird niedrig genug ausgewählt, daß eine beliebige Kopplung der dielektrischen Anisotropie des LC-Materials kein Entwickeln der cholesterischen Helix bewirkt. Unter diesen Umständen weisen die Moleküle Deformationen auf, die durch abwechselnde (d. h. periodische) Bänder von Splay und Bend, wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt, gekennzeichnet sind. Diese Figuren sind Querschnitte, die jeweils entlang der Linien 10-10 und 11-11 der Fig. 7 und 9 genommen sind, dies bedeutet, Querschnitte, die durch Ebenen senkrecht zu der Ebene der Helix und bei ±Φ zur y-Achse (Direktororientierung bei E = 0) gebildet werden. Diese Deformation gibt Anlaß zu einem flexoelektrischen Effekt, in welchem die Größe des elektrischen Feldes linear zu tan Φ, wie in Fig. 12 dargestellt ist, in Beziehung steht.

In Fig. 10 bis 11 dargestellte Disklinationen werden inhärent an Orten gebildet, die den Oberflächen der Platten 13 und 20 benachbart sind und wo die Direktoren im Volumen des LC-Materials orthogonal zu denjenigen an der Oberfläche sind. Beispielsweise ist in den Fig. 10-11 die Disklination 21 nahe der Oberfläche der Platten 13 und 20 und in den Mitten der Splay-Bänder angeordnet. Wie vorstehend festgehalten, bedeutet die Tatsache, daß hohe elektrische Felder nicht benötigt werden, um die Disklinationen zu erzeugen, daß die Erfindung bei Feldern relativ niedriger Größe durchführbar ist.

Zu den abwechselnden Bändern der Anschmiege- (d. h. Splay-) und Biege- (Bend-) Deformation gehören getrennte flexoelektrische Koeffizienten es bzw. eb. Das Mittel dieser Koeffizienten wird als eav bezeichnet. Um den flexoelektrischen Effekt zu erhöhen, ist es erwünscht, Materialien zu verwenden, in welchen eb und eb das gleiche Vorzeichen haben und relativ groß sind. In dieser Beziehung wird der Effekt ebenfalls in Materialien erhöht, in welchen der Abstand po(Pitch) bei E = 0 der Helix größer ist, solange die helische Struktur erhalten bleibt. Dies bedeutet in einer Näherung erster Ordnung tan Φ = eavpoE/2πK, wobei K eine von den elastischen Splay-Twist- (d. h. verdreht-) und Bend-Konstanten jeweils K&sub1;, K&sub2; und K&sub3; ist. Jedoch tritt ein Kompromiß dahingehend auf, daß ein kleineres po in manchen Anwendungen (z. B. bei einer Anzeige oder einem optischen Gitter) erwünscht sind.

Beispiel I

Dieses Beispiel beschreibt ein Experiment, in welchem der flexoelektrische Effekt in einem cholesterischen LC-Material beobachtet wurde, das S-4-n-Nonyloxyphenyl 4-(31,71-Dimethyloctyloxybenzoyloxy) Benzoat enthielt. Das LC-Material war in einer Zelle enthalten, die ungefähr 2,75 um dick war und die auf den Glasplatten abgeschiedene Indiumzinnoxid- Elektroden hatte und mit Poly-1-4-Butylenterephtalat beschichtet war, um parallele molekulare Ausrichtung an den Oberflächen zu erzeugen. Die Ausrichtung folgte der von J.S. Patel et al. a.a.O. beschriebenen Technik. Anfängliche Ausrichtung der Helixachse parallel zu den Glasplatten wurde durch Kühlen der Probe aus dem isotropen Zustand (bei ungefähr 130ºC) in Anwesenheit eines elektrischen Feldes erreicht. Da dieses Material eine positive dielektrische Anisotropie hat, hat diese Orientierung der Helix die niedrigste dielektrische Energie. Die Zelle wurde zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes in Bezug auf die Extinktion ausgerichtet. Messungen des Effektes wurden dann durch Anlegen einer 40 Hz Rechteckwelle variabler Amplitude an die Elektroden und durch Überwachung der transmittierten Lichtintensität mit einer Photodiode und einem Oszilloskop durchgeführt. Bei jeder Feldamplitude wurde die Zelle in Uhrzeigerrichtung und gegen Uhrzeigerrichtung gedreht, um die Extinktionswinkel für jede Polarität des Feldes herauszufinden. Die Abhängigkeit des Drehwinkels vom Feld wurde als linear (Fig. 12) bis zu dem Feld, bei welchem die dielektrische Kopplung zur Entwicklung der Helix führte, herausgefunden. Unter Verwendung der Gleichung für tan 4), die vorstehend angegeben wurde, und des Wertes der Steigung in Fig. 12 wurde herausgefunden, daß eav = 3 · 10&supmin;&sup5;cgs Einheiten ist, wobei K = 1 · 10&supmin;¹¹ N (1 · 10&supmin;&sup6; Dynes) und ein Helixabstand (Pitch) von po = 0,5 um verwendet wurde.

Beispiel II

Unter Verwendung der gleichen Ausrichtungsverfahren wie in Beispiel 1, jedoch einer Zellendicke von 2,0 um, wurde der flexoelektrisch Effekt wie vorstehend beschrieben in einer Mischung von 0,264 gm eines nematischen LC-Materials, das als 2141-100 bezeichnet wird (EM Chemicals, Hawthorne, N.Y.; E. Merck, Darmstadt, W. Germany) und 0,0713 gm von Cholesteryl-Nonanoat.

Beispiel III

Bei einem Versuch, ein LC-Material mit einem engeren Abstand (Pitch) zu erhalten, wurde Beispiel II wiederholt unter Verwendung von 0,2746 gm des nematischen LC 2141-100 und 0,09819 gm von Cholesteryl- Nonanoat. Wiederum wurde der vorstehende flexoelektrische Effekt beobachtet.

Beispiel IV

Der vorstehende flexoelektrische Effekt wurde ebenfalls in einer Mischung von 0,152 gm eines nematischen LC-Materials, das als K15 bezeichnet wird (Em Chemicals und E. Merck Firmen, a.a.O.) und 0,025 gm von Cholesteryl-Nonanoat beobachtet.

Abwechselnde Bänder von Anschmiegung (Splay) und Biegung (Bend), können in LC-Material durch Anlegen eines im wesentlichen gleichförmigen Feldes über den Platten und durch versehen der Oberfläche wenigstens einer der Platten mit ausrichtenden Schichten mit periodischen Zonen (beispielsweise Streifen) aus im wesentlichen homogenen und im wesentlichen homeotropen Material erreicht werden. Wenn das LC-Material eine helische Struktur aufweist, sollte der Abstand der Zonen im wesentlichen gleich dem Abstand der Helix sein.


Anspruch[de]

1. Flüssigkristalleinrichtung mit einer Zelle mit einem Flüssigkristallmaterial (30), wobei die Zelle ein Paar im wesentlichen paralleler Platten (13, 20), eine Elektrodeneinrichtung (12, 22) für das Anlegen eines elektrischen Feldes an die Platten und Ausrichtungsschichten (80, 90) zum Ausrichten der Moleküle (15) des Materials entlang einer vorbestimmten Richtung umfaßt und in welcher das elektrische Feld die Änderung der Orientierung der Direktoren (n) der Moleküle (15) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle (15) so ausgerichtet sind, daß deren Direktoren (n) eine Helix bilden, daß die Achse der Helix in einer im wesentlichen parallel zu den Platten (13, 20) verlaufenden Richtung liegt, und daß die Änderung der Orientierung zu einer Änderung des Winkels zwischen den Direktoren (n) und der Helixachse führt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Material (30) einen cholesterischen Flüssigkristall umfaßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Material (30) einen chiralen nematischen Flüssigkristall umfaßt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, in welcher die Änderung der Orientierung eine Drehung um die Richtung des Feldes um einen Winkel Φ relativ zur Helixachse umfaßt und in welcher tan Φ linear von der Größe des Feldes abhängt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, in welcher die Größe des elektrischen Feldes ausreichend ist, um abwechselnde Bänder des Anschmiegens, d. h. von Splay, und des Krümmens, d. h. von Bend, in den Molekülen (15) des Materials (30) zu induzieren.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, in welcher der Winkel Φ ein spitzer Winkel ist.







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